用于襯套中的空氣進入以減少需水量來控制NOx的新型方法
【專利摘要】公開了一種改進的燃燒器，其中常規(guī)燃燒通過改變?nèi)紵鞯囊r套中的空氣進入布置來變?yōu)?富到驟冷到貧"，以除去混合孔，減少襯套冷卻，并且允許稀釋空氣進入燃燒器襯套中替代混合空氣。在備選實施例中，稀釋空氣借助于多個管被允許進入燃燒器襯套中，該多個管布置成使得空氣進入襯套中作為沿與噴嘴渦流相反的方向的渦流流動，以便由此產(chǎn)生空氣與燃燒氣體的大混合，以及所得的驟冷效果，即，燃燒氣體通過驟冷空氣的快速冷卻。就此而言，用以使燃燒氣體驟冷的對冷卻水的需求顯著降低，從而有助于渦輪效率和減少渦輪排放。
【專利說明】
用于襯套中的空氣進入以減少需水量來控制NOx的新型方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及渦輪，并且更具體地涉及將空氣引入燃氣渦輪燃燒器中來減少燃燒器NOx排放和減少此類排放時的需水量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃氣渦輪發(fā)動機包括用于壓縮與燃料混合并且在燃燒器中點燃用于生成燃燒氣體的空氣的壓縮機。來自燃燒器的燃燒氣體流至渦輪，其抽取能量用于驅(qū)動軸來對壓縮機供能并且產(chǎn)生輸出功率，通常用于對發(fā)電機供能。
[0003]對來自渦輪發(fā)電站的低排放的提高的要求現(xiàn)在需要來自渦輪燃燒器的NOx(—氧化氮NO(氧化氮)和N02( 二氧化氮))、C0(—氧化碳)以及其它污染物的排放的低速率。
[0004]常規(guī)渦輪燃燒器使用非預(yù)混擴散焰，其中燃料和空氣單獨地自由進入燃燒室，并且燃燒和空氣的混合與燃燒同時發(fā)生，并且其中利用NG、LF或合成氣燃料所得的火焰溫度典型地超過4000°F，以便產(chǎn)生相對高水平的NOx排放。因此，如果未噴射水，則燃燒室主區(qū)中的溫度可變得非常高，但溫度沿燃燒室的長度下降。由于擴散焰用于這些燃燒器中，并且主區(qū)溫度非常高，并且利用合成氣/LF燃料產(chǎn)生多達大約250ppm的NOx，并且利用NG燃料產(chǎn)生大約120ppm的Ν0χ(如果未使用水)，因此大體上使用水。
[0005]@15% O2下以ppmvd(百萬分之一，干體積)測得的大約95%的燃燒器離開NOx在常規(guī)燃燒器襯套中已經(jīng)在燃燒氣體到達稀釋孔之前形成。NOx形成速率在燃燒室的窄區(qū)中最高，并且在燃燒氣體到達常規(guī)燃燒器襯套中的稀釋孔之后變得非常低。因此，由常規(guī)燃燒器襯套中的稀釋孔引入的空氣不參與燃燒氣體的溫度和NOx產(chǎn)生的降低。
[0006]如美國專利第6，192，689號的【背景技術(shù)】部分中闡釋的，通常用于降低常規(guī)擴散焰燃燒器中的峰值溫度并且從而減少NOx排放的一種方法在于將水或蒸汽噴射到燃燒器中。然而，水或蒸汽噴射是相對昂貴的技術(shù)，并且可引起驟冷(即，快速冷卻)一氧化碳(CO)燒盡反應(yīng)的不合乎需要副作用，并且這限制了其實現(xiàn)低水平的污染物的能力。
[0007]常規(guī)擴散焰燃燒器有效用于在低兆瓦(MW)渦輪機中焚燒天然氣(NG)、合成氣體(合成氣)和液體燃料(LF)。但常規(guī)燃燒器使用非常老的襯套冷卻設(shè)計，其涉及使用水和蒸汽噴射，這從構(gòu)件的壽命、可操作性和電力成本觀點看在燃氣渦輪發(fā)電站中不是合乎需要的。做出了足夠的努力來減少這些機器中的水消耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明試圖減少常規(guī)燃燒器中的需水量，以在關(guān)于NG/LF或合成氣燃料操作時降低溫度和NOx排放。在本發(fā)明中，常規(guī)燃燒器中的燃燒通過改變常規(guī)燃燒器的襯套中的空氣進入布置來從"富到貧"變?yōu)?富到驟冷到貧"。在該改變的空氣進入布置中，除去了稀釋孔，減少了襯套冷卻，并且稀釋空氣被允許進入燃燒器襯套中，替代混合空氣被允許通過第三排混合孔進入燃燒器襯套中。在備選實施例中，稀釋空氣借助于以如下方式布置的多個管被允許進入燃燒器襯套中，以使此類空氣進入襯套中作為沿與噴嘴渦流相反的方向的渦流流動，以便由此產(chǎn)生空氣與燃燒氣體的大混合，以及所得的驟冷效果，即，燃燒氣體通過驟冷空氣的快速冷卻。就此而言，用以使燃燒氣體驟冷的對冷卻水的需求顯著降低，從而有助于渦輪效率和渦輪排放的減少。
[0009]本發(fā)明通過向上游移動稀釋空氣并且將渦流提供至進入空氣來加強混合而降低燃燒器的初級反應(yīng)區(qū)中的溫度。溫度降低導(dǎo)致NOx生成減少，其在常規(guī)襯套中在燃燒氣體到達燃燒器中的稀釋孔之前非常高。本發(fā)明還減少了典型地非常高的常規(guī)襯套中的冷卻需水量。
[0010]在本發(fā)明的第一實施例中，一種利用壓縮機操作來驅(qū)動燃氣渦輪的燃燒器包括:具有上游燃料進入端部和下游渦輪進入端部的外燃燒器壁;位于外燃燒器壁的上游燃料進入端部附近的多個混合孔；以及多個稀釋孔，其位于多個混合孔附近，以允許空氣進入燃燒器中的燃燒區(qū)中用于使允許進入空氣與燃燒氣體在燃燒區(qū)中混合，從而減少燃燒區(qū)中的NOx和一氧化碳(CO)產(chǎn)生。
[0011]在本發(fā)明的另一個實施例中，一種利用壓縮機操作來驅(qū)動燃氣渦輪的燃燒器包括:具有上游燃料進入端部和下游渦輪進入端部的外燃燒器壁;位于外燃燒器壁的上游燃料進入端部附近的多個混合孔，多個混合孔布置成圍繞外燃燒器壁的圓周延伸的多排；以及布置成圍繞外燃燒器壁的圓周延伸的一排或更多排的多個稀釋孔，多個稀釋孔位于多個混合孔附近;外殼;壓縮空氣和燃料從其排放到燃燒器中的噴嘴;流動套筒，其位于外殼與燃燒器壁之間以便形成外殼與燃燒器壁之間的腔，以使從壓縮機進入燃燒器的空氣在壓縮機空氣的第一部分通過其通過進入穿過流動套筒而被允許進入燃燒器中的第一路徑與壓縮機空氣的第二部分通過其通過腔而被允許進入燃燒器中的第二路徑之間分開；以及多個管，其在腔與多個稀釋孔之間延伸以允許壓縮機空氣的第二部分進入燃燒區(qū)中用于在燃燒區(qū)中的允許進入空氣與燃燒氣體的增加混合，從而減少燃燒區(qū)中的NOx和一氧化碳(CO)產(chǎn)生。
[0012]在本發(fā)明的又一個實施例中，一種利用壓縮機操作來驅(qū)動燃氣渦輪的燃燒器包括:具有上游燃料進入端部和下游渦輪進入端部的外燃燒器壁，外燃燒器壁具有35英寸到50英寸之間的長度;沿燃燒器壁縱向地定位的多排襯套氣窗冷卻孔;位于外燃燒器壁的上游燃料進入端部附近的多個混合孔;位于多個混合孔附近的多個稀釋孔;多個混合孔布置成圍繞外燃燒器壁的圓周延伸的第一排和第二排，而非圍繞外燃燒器壁的圓周延伸的第一排、第二排和第三排，以使多個稀釋孔布置成圍繞外燃燒器壁的圓周延伸的從上游燃料進入端部的第三排，以便位于離燃燒器壁的燃料進入端部五英寸到四十英寸的距離內(nèi)；外殼；壓縮空氣和燃料從其排放到燃燒器中的噴嘴;流動套筒，其位于外殼與燃燒器壁之間以便形成外殼與燃燒器壁之間的腔，以使從壓縮機進入燃燒器的空氣在壓縮機空氣的第一部分通過其通過進入穿過流動套筒而被允許進入燃燒器中的第一路徑與壓縮機空氣的第二部分通過其通過腔而被允許進入燃燒器中的第二路徑之間分開；以及多個管，其在腔與多個稀釋孔之間成角延伸，從而切向地允許壓縮機空氣的第二部分進入燃燒區(qū)中用于燃燒區(qū)中的允許進入空氣與燃燒氣體的增加混合，管進入燃燒器所成的角使用從燃燒器的中心的零到七英寸的管的偏移實現(xiàn)，來自多個管的空氣通過其進入燃燒器的多個稀釋孔的直徑增大到導(dǎo)致進入燃燒器燃燒室中的空氣流增加的大小，并且氣窗冷卻空氣穿過其的多個氣窗冷卻孔的大小減小至如下大小，其導(dǎo)致允許進入空氣與燃燒氣體在燃燒區(qū)中的混合的進一步增加，從而減少燃燒區(qū)中的NOx和一氧化碳(CO)產(chǎn)生。
[0013]技術(shù)方案1.一種利用壓縮機操作來驅(qū)動燃氣渦輪的燃燒器，所述燃燒器包括: 具有上游燃料進入端部和下游渦輪進入端部的外燃燒器壁；
位于所述外燃燒器壁的所述上游燃料進入端部附近的多個混合孔；以及多個稀釋孔，其超過四個稀釋孔，并且布置成位于所述多個混合孔附近的一排，以允許空氣進入所述燃燒器中的燃燒區(qū)中用于使所述允許進入空氣與燃燒氣體在所述燃燒區(qū)中混合，從而減少所述燃燒區(qū)中的NOx和一氧化碳(CO)產(chǎn)生。
[0014]技術(shù)方案2.根據(jù)技術(shù)方案I所述的燃燒器，其特征在于，所述多個混合孔布置成圍繞所述外燃燒器壁的圓周延伸的多排，并且其中所述一排稀釋孔布置成以便圍繞所述外燃燒器壁的所述圓周延伸。
[0015]技術(shù)方案3.根據(jù)技術(shù)方案I所述的燃燒器，其特征在于，所述多個混合孔布置成圍繞所述外燃燒器壁的圓周延伸的第一排和第二排，而非圍繞所述外燃燒器壁的所述圓周延伸的第一排、第二排和第三排，以使所述多個稀釋孔可布置成從所述上游燃料進入端部的所述第三排，所述第三排圍繞所述外燃燒器壁的所述圓周延伸。
[0016]技術(shù)方案4.根據(jù)技術(shù)方案3所述的燃燒器，其特征在于，所述多個混合孔包括十六個混合孔，并且所述多個稀釋孔包括六個稀釋孔。
[0017]技術(shù)方案5.根據(jù)技術(shù)方案I所述的燃燒器，其特征在于，所述燃燒器還包括:
夕卜殼；
壓縮空氣和燃料從其排放到燃燒器中的噴嘴；
流動套筒，其位于所述外殼與所述燃燒器壁之間以便形成所述外殼與所述燃燒器壁之間的腔，以使從所述壓縮機進入所述燃燒器的空氣在所述壓縮機空氣的第一部分通過其通過進入穿過所述流動套筒而被允許進入所述燃燒器中的第一路徑與所述壓縮機空氣的第二部分通過其通過所述腔而被允許進入所述燃燒器中的第二路徑之間分開;以及
多個管，其在所述腔與所述多個稀釋孔之間延伸以允許所述壓縮機空氣的所述第二部分進入所述燃燒區(qū)中用于在所述燃燒區(qū)中的所述允許進入空氣與燃燒氣體的增加混合，從而減少所述燃燒區(qū)中的NOx和一氧化碳(CO)產(chǎn)生。
[0018]技術(shù)方案6.根據(jù)技術(shù)方案5所述的燃燒器，其特征在于，所述多個管在所述腔與所述多個稀釋孔之間成角延伸，以使穿過所述多個管的所述壓縮機空氣的所述第二部分切向地進入所述燃燒器。
[0019]技術(shù)方案7.根據(jù)技術(shù)方案6所述的燃燒器，其特征在于，切向地穿過所述多個管進入所述燃燒器的所述壓縮機空氣導(dǎo)致所述燃燒器中與燃燒氣體混合的空氣增加，因為允許從所述多個管進入的空氣逆時針流至從所述噴嘴流入所述燃燒器中的所述空氣。
[0020]技術(shù)方案9.根據(jù)技術(shù)方案5所述的燃燒器，其特征在于，所述燃燒器還包括沿所述燃燒器壁縱向地定位的多排襯套氣窗冷卻孔，并且其中來自所述多個管的空氣通過其進入燃燒器的所述多個稀釋孔的直徑增大到導(dǎo)致進入所述燃燒器燃燒室中的空氣流增加發(fā)生的大小，并且其中氣窗冷卻空氣穿過其的所述多個氣窗冷卻孔的大小減小，導(dǎo)致所述允許進入空氣與燃燒氣體在所述燃燒區(qū)中的進一步增加的混合，從而進一步減少所述燃燒區(qū)中的NOx和一氧化碳(CO)產(chǎn)生。
[0021]技術(shù)方案10.根據(jù)技術(shù)方案9所述的燃燒器，其特征在于，進入所述燃燒器燃燒室中的所述空氣流增大10%到15%，從而增加了空氣穿透到所述燃燒室中的高溫區(qū)中，并且其中穿過所述多排氣窗冷卻孔來冷卻所述燃燒器的所述空氣從空氣流的25%到35%減小到空氣流的10%到15%。
[0022]技術(shù)方案11.一種利用壓縮機操作來驅(qū)動燃氣渦輪的燃燒器，所述燃燒器包括: 具有上游燃料進入端部和下游渦輪進入端部的外燃燒器壁；
位于所述外燃燒器壁的所述上游燃料進入端部附近的多個混合孔，所述多個混合孔布置成圍繞所述外燃燒器壁的圓周延伸的多排；以及
布置成圍繞所述外燃燒器壁的所述圓周延伸的至少一排的多個稀釋孔，所述多個稀釋孔位于所述多個混合孔附近；
夕卜殼；
壓縮空氣和燃料從其排放到燃燒器中的噴嘴；
流動套筒，其位于所述外殼與所述燃燒器壁之間以便形成所述外殼與所述燃燒器壁之間的腔，以使從所述壓縮機進入所述燃燒器的空氣在所述壓縮機空氣的第一部分通過其通過進入穿過所述流動套筒而被允許進入所述燃燒器中的第一路徑與所述壓縮機空氣的第二部分通過其通過所述腔而被允許進入所述燃燒器中的第二路徑之間分開;以及
多個管，其在所述腔與所述多個稀釋孔之間延伸以允許所述壓縮機空氣的所述第二部分進入所述燃燒區(qū)中用于在所述燃燒區(qū)中的所述允許進入空氣與燃燒氣體的增加混合，從而減少所述燃燒區(qū)中的NOx和一氧化碳(CO)產(chǎn)生。
[0023]技術(shù)方案12.根據(jù)技術(shù)方案11所述的燃燒器，其特征在于，所述多個混合孔布置成圍繞所述外燃燒器壁的圓周延伸的多排，并且其中所述多個稀釋孔布置成圍繞所述外燃燒器壁的所述圓周延伸的至少一排。
[0024]技術(shù)方案13.根據(jù)技術(shù)方案11所述的燃燒器，其特征在于，所述多個混合孔布置成圍繞所述外燃燒器壁的圓周延伸的第一排和第二排，而非圍繞所述外燃燒器壁的所述圓周延伸的第一排、第二排和第三排，以使所述多個稀釋孔可布置成從所述上游燃料進入端部的所述第三排，所述第三排圍繞所述外燃燒器壁的所述圓周延伸。
[0025]技術(shù)方案14.根據(jù)技術(shù)方案13所述的燃燒器，其特征在于，所述多個混合孔包括十六個混合孔，并且所述多個稀釋孔包括六個稀釋孔。
[0026]技術(shù)方案15.根據(jù)技術(shù)方案11所述的燃燒器，其特征在于，所述多個管在所述腔與所述多個稀釋孔之間成角延伸，以使穿過所述多個管的所述壓縮機空氣的所述第二部分切向地進入所述燃燒器。
[0027]技術(shù)方案16.根據(jù)技術(shù)方案15所述的燃燒器，其特征在于，切向地穿過所述多個管進入所述燃燒器的所述壓縮機空氣導(dǎo)致空氣進入所述襯套中作為沿與噴嘴渦流相反的方向的渦流流動，以便由此產(chǎn)生空氣與所述燃燒氣體的大混合和驟冷效果，導(dǎo)致所述燃燒氣體由驟冷空氣的快速冷卻。
[0028]技術(shù)方案17.根據(jù)技術(shù)方案11所述的燃燒器，其特征在于，所述燃燒器還包括沿所述燃燒器壁縱向地定位的多排襯套氣窗冷卻孔，并且其中來自所述多個管的空氣通過其進入燃燒器的所述多個稀釋孔的直徑增大到導(dǎo)致進入所述燃燒器燃燒室中的空氣流增加的大小，并且其中氣窗冷卻空氣穿過其的所述多個氣窗冷卻孔的大小減小至如下大小，其導(dǎo)致所述允許進入空氣與燃燒氣體在所述燃燒區(qū)中的增加混合，從而進一步減少所述燃燒區(qū)中的NOx和一氧化碳(CO)產(chǎn)生。
[0029]技術(shù)方案18.根據(jù)技術(shù)方案17所述的燃燒器，其特征在于，進入所述燃燒器燃燒室中的所述空氣流增大10%到15%，從而增加了空氣穿透到所述燃燒室中的高溫區(qū)中，并且其中穿過所述多排氣窗冷卻孔來冷卻所述燃燒器的所述空氣從空氣流的25%到35%減小到空氣流的10%到15%。
[0030]技術(shù)方案19.一種利用壓縮機操作來驅(qū)動燃氣渦輪的燃燒器，所述燃燒器包括: 具有上游燃料進入端部和下游渦輪進入端部的外燃燒器壁，所述外燃燒器壁具有35英寸到50英寸之間的長度；
沿所述燃燒器壁縱向地定位的多排襯套氣窗冷卻孔；
位于所述外燃燒器壁的所述上游燃料進入端部附近的多個混合孔；
位于所述多個混合孔附近的所述多個稀釋孔；
所述多個混合孔布置成圍繞所述外燃燒器壁的圓周延伸的第一排和第二排，而非圍繞所述外燃燒器壁的所述圓周延伸的第一排、第二排和第三排，以使所述多個稀釋孔布置成圍繞所述外燃燒器壁的所述圓周延伸的從所述上游燃料進入端部的所述第三排，以便位于離所述燃燒器壁的所述燃料進入端部五英寸到四十英寸的距離內(nèi)；
夕卜殼；
壓縮空氣和燃料從其排放到燃燒器中的噴嘴；
流動套筒，其位于所述外殼與所述燃燒器壁之間以便形成所述外殼與所述燃燒器壁之間的腔，以使從所述壓縮機進入所述燃燒器的空氣在所述壓縮機空氣的第一部分通過其通過進入穿過所述流動套筒而被允許進入所述燃燒器中的第一路徑與所述壓縮機空氣的第二部分通過其通過所述腔而被允許進入所述燃燒器中的第二路徑之間分開;以及
多個管，其在所述腔與所述多個稀釋孔之間成角延伸，從而切向地允許所述壓縮機空氣的所述第二部分進入所述燃燒區(qū)中用于所述燃燒區(qū)中的所述允許進入空氣與燃燒氣體的增加混合，所述管進入所述燃燒器所成的角使用從所述燃燒器的中心的零到七英寸的所述管的偏移實現(xiàn)，來自所述多個管的空氣通過其進入燃燒器的所述多個稀釋孔的直徑增大到導(dǎo)致進入所述燃燒器燃燒室中的空氣流增加的大小，并且氣窗冷卻空氣穿過其的所述多個氣窗冷卻孔的大小減小至如下大小，其導(dǎo)致所述允許進入空氣與燃燒氣體在所述燃燒區(qū)中的混合的進一步增加，從而減少所述燃燒區(qū)中的NOx和一氧化碳(CO)產(chǎn)生。
[0031]技術(shù)方案20.根據(jù)技術(shù)方案19所述的燃燒器，其特征在于，進入所述燃燒器燃燒室中的所述空氣流增大10%到15%，從而增加了空氣穿透到所述燃燒室中的高溫區(qū)中，并且其中穿過所述多排氣窗冷卻孔來冷卻所述燃燒器的所述空氣從空氣流的25%到35%減小到空氣流的10%到15%。
【附圖說明】
[0032]圖1(其為來自美國專利第6，192,689號的附圖)為具有與壓縮機和渦輪以流動連通連結(jié)的低NOx燃燒器的工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機的一部分的示意圖。
[0033]圖2A和2B分別為用于工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機中的常規(guī)燃燒器襯套的側(cè)立面和透視示意圖。
[0034]圖3為根據(jù)本發(fā)明的燃燒器襯套的透視示意圖。
[0035]圖4A到4C示出了并入圖5中所示的燃燒器襯套的干式低N0x(〃DLN〃)燃燒系統(tǒng)的第一實施例。
[0036]圖5A到圖5C示出了并入圖5中所示的燃燒器襯套的DLN燃燒系統(tǒng)的第二實施例。
[0037]圖6A到6C示出了并入圖5中所示的燃燒器襯套的DLN燃燒系統(tǒng)的第三實施例。
[0038]圖7為管使用管從燃燒器的中心的一定范圍的偏移來進入圖5A到6C的實施例中的燃燒器所成的角的端部立面圖。
[0039]圖8為擴散型燃燒器的一部分的局部斷面透視圖。
[0040]圖9A為在利用如圖2A和2B中所示的常規(guī)類型襯套的操作期間圖8的擴散型燃燒器內(nèi)的溫度場的圖片。
[0041]圖9B為在利用如圖3中所示的根據(jù)本發(fā)明的類型的襯套的操作期間圖8的擴散型燃燒器內(nèi)的溫度場的圖片。
[0042 ]圖1OA為在利用如圖2A和2B中所示的常規(guī)類型的襯套和利用如圖3中所示的根據(jù)本發(fā)明的類型的襯套操作期間的、如圖8中的擴散型燃燒器內(nèi)和離開其的排放的圖表。
[0043 ]圖1OB為在利用如圖2A和2B中所示的常規(guī)類型的襯套和利用如圖3中所示的根據(jù)本發(fā)明的類型的襯套操作期間的、如圖8中的擴散型燃燒器內(nèi)和離開其的溫度的圖表。
【具體實施方式】
[0044]美國專利第6，192，689號的圖1為示例性工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機10的一部分的示意圖，該部分具有與壓縮機12和渦輪20流動連通連結(jié)的低NOx燃燒器18。工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機10包括用于壓縮空氣14的壓縮機12，壓縮空氣14與燃料16混合并且在至少一個燃燒器18中點燃，如圖1中所示。渦輪20由傳動軸22聯(lián)接于壓縮機12，該傳動軸22的一部分延伸用于例如向發(fā)電機(未示出)供能用于生成電力。在操作期間，壓縮機12排放壓縮空氣14，其與燃料16混合并且點燃用于生成燃燒氣體24，能量通過渦輪20從燃燒氣體24抽取用于旋轉(zhuǎn)軸22來對壓縮機12供能，并且用于產(chǎn)生輸出功率用于驅(qū)動發(fā)電機或其它外部負載。燃燒器18包括圓柱形燃燒器壁26，其限定燃燒室28的圓柱形燃燒器壁26。
[0045]圖2A和2B分別為用于工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機10中的常規(guī)燃燒器襯套30的側(cè)立面和透視示意圖。燃燒器30包括圓柱形燃燒器壁32，其具有燃料進入端部34和渦輪進入端部36。燃燒器襯套30包括沿襯套30縱向地定位并且具有沿襯套30的不同位置處的不同直徑的多排襯套氣窗冷卻孔38。
[0046]燃燒器襯套30還包括圍繞其外周設(shè)置的若干組空氣孔。稱為混合孔的第一組空氣孔40將一定量的空氣供應(yīng)至燃燒室28內(nèi)的反應(yīng)區(qū)。混合孔40設(shè)置成鄰近燃燒器30的燃料進入端部34，以提供混合空氣的進入?；旌峡?0的數(shù)量能夠典型地取決于燃燒器30的總體尺寸變化。第二組空氣孔42定位在燃燒室的下游端部處，以在進入過渡件(未示出)或渦輪入口(未示出)之前使燃燒氣體24驟冷。
[0047]稱為稀釋孔的第二組空氣孔42設(shè)置在燃燒器30的中心區(qū)域中，更接近燃燒器30內(nèi)的燃燒室28的下游端部。稀釋孔42提供用于稀釋空氣進入燃燒器30的進入?yún)^(qū)域。稀釋空氣提供成在進入渦輪入口(未示出)或過渡件(未示出)之前降低燃燒氣體24的溫度。
[0048]如果水不噴射到燃燒器30中，則操作期間燃燒器30內(nèi)的溫度場使得溫度在燃燒器30的主區(qū)中非常高，但應(yīng)當注意溫度沿燃燒器30的長度下降。
[0049]操作期間NOx形成在燃燒器30內(nèi)使得大約95%的ppmvd@15%N0x已經(jīng)在燃燒氣體24到達稀釋孔42之前形成。NOx形成速率在窄區(qū)中最高，其中并非大部分NOx在燃燒器30中的稀釋孔42之后形成。因此，稀釋孔的空氣并未參與常規(guī)燃燒器30的溫度和NOx減少。
[0050]在本發(fā)明中，常規(guī)燃燒器中的燃燒通過改變常規(guī)燃燒器的空氣進入布置而從"富"至IJ 〃貧〃變?yōu)椤ǜ弧ǖ健E冷〃到〃貧〃。在根據(jù)本發(fā)明的空氣進入布置中，稀釋孔從更接近燃燒器內(nèi)的燃燒室的下游端部的燃燒器的區(qū)域除去，襯套冷卻減少，并且允許空氣借助于以如下方式布置的多個管在混合孔的第三排處進入燃燒器中:引起來自管的空氣進入燃燒器30來作為沿與噴嘴渦流相反的方向的渦流流動，以便由此產(chǎn)生大混合和驟冷效果。在根據(jù)本發(fā)明的修改的燃燒器的優(yōu)選布置中，多個管包括六個管。
[0051]圖3為根據(jù)本發(fā)明的燃燒器襯套50的透視示意圖。燃燒器50包括具有燃料進入端部54和渦輪進入端部56的圓柱形燃燒器壁52。在燃燒器50中，空氣進入布置改變，以使允許稀釋空氣更接近燃料進入端部54進入燃燒器50中。燃燒器壁52也具有多排襯套氣窗冷卻孔58，其沿燃燒器50縱向地定位，并且具有在沿燃燒器50的不同位置處的不同直徑。
[0052]類似于圖2A和2B中所示的燃燒器，燃燒器50包括圍繞其外周設(shè)置的若干組空氣孔。這里另外，燃燒器50包括設(shè)置在燃燒器50的燃料進入端部54附近的一組混合孔60，以提供用于供應(yīng)至燃燒室28內(nèi)的反應(yīng)區(qū)的一定量混合空氣的進入。燃燒器50也包括一組稀釋孔62。另外，混合孔60的數(shù)量和稀釋孔62的數(shù)量根據(jù)燃燒器50的總體尺寸變化。
[0053]類似于美國專利第6，192，689號中公開的燃燒器，燃燒器壁52的優(yōu)選實施例具有大約9英寸到大約15英寸的范圍中的優(yōu)選標稱直徑(d)，以及大約35英寸到大約50英寸之間的范圍中的優(yōu)選標稱長度(L)。此外，混合孔60具有大約0.5英寸到大約I英寸之間的范圍中的優(yōu)選直徑，并且稀釋孔62具有大約1.25英寸到大約4.0英寸之間的范圍中的優(yōu)選直徑。
[0054]圖4A到4C示出了并入圖3中所示的燃燒器襯套50的干式低N0x(〃DLN〃)燃燒系統(tǒng)的第一實施例。DLN燃燒系統(tǒng)包括燃燒器襯套50、壓縮空氣14和與壓縮空氣14混合的燃料16從其排放到燃燒器50中的噴嘴51，以及定位在噴嘴51與燃燒器50之間的擴張錐53。端板55將燃燒器50的本體保持在一起。
[0055]在圖4A到4C中所示的優(yōu)選實施例中，混合孔60優(yōu)選布置成兩排，其圍繞圓柱形燃燒器壁52的圓周延伸，并且其在圓柱形燃燒器壁52的燃料進入端部54附近。稀釋孔52布置成單排，其替換典型地將存在于常規(guī)燃燒器中的第三排混合孔。成排的稀釋孔52優(yōu)選圍繞圓柱形燃燒器壁52的圓周延伸，并且在圓柱形燃燒器壁52中的兩排混合孔60附近，以使允許稀釋空氣在燃燒器50的燃料進入端部54附近進入燃燒器50中。在要求權(quán)利的燃燒器50的優(yōu)選實施例中，稀釋孔62位于離燃燒器壁52的燃料進入端部54的5英寸到40英寸的范圍內(nèi)。因此，在圖4A到4C中所示的優(yōu)選實施例中，混合孔60的部分，S卩，典型地位于第三排混合孔中的那些被除去，并且稀釋孔62的數(shù)量增加。作為優(yōu)選，常規(guī)燃燒器中的24個混合孔60中的八個(即，第三排混合孔中的那些孔)被除去，并且稀釋孔62的數(shù)量從常規(guī)燃燒器中的典型地四個增加至六個，以保持射流穿透用于混合空氣供應(yīng)至燃燒室28內(nèi)的反應(yīng)區(qū)。來自壓縮機12的中間框架空氣64繼續(xù)被允許通過進入穿過包含燃燒器50的殼74內(nèi)的流動套筒66而進入燃燒器50中。
[0056]圖5A到圖5C示出了并入圖3中所示的燃燒器50的DLN燃燒系統(tǒng)的第二實施例。在圖5A到圖5C中所示的實施例中，圖4A到4C的實施例中所示的修改的襯套被保持。然而，圖5A到5C中所示的實施例還包括用于燃燒室28內(nèi)的空氣與燃燒氣體的更大混合的修改的腔布置。因此，如圖4A到4C的實施例中，稀釋孔52再次移動至燃燒器壁62中的第三排混合孔50，以使允許稀釋空氣在混合孔50的第三排處進入燃燒器50中，并且就此而言，除去第三排中的混合孔50。在修改的腔布置中，中間框架空氣64分成了兩個路徑，S卩，用于中間框架空氣64的一部分繼續(xù)被允許通過進入穿過流動套筒66而進入燃燒器50中的一個路徑，以及用于中間框架空氣64的另一部分68流過流動套筒66與外殼74之間的腔70的另一個路徑，由此流過腔70的空氣將切向地進入燃燒器50，穿過在腔70與第三排稀釋孔62之間成角延伸的多個管72到燃燒器50中。切向地穿過管72進入燃燒器50的空氣68導(dǎo)致了在燃燒器主區(qū)中與燃燒氣體24混合的空氣增加。如圖7中所示，在優(yōu)選實施例中，管72進入燃燒器50所處的角使用管與燃燒器50的中心的零到七英寸的偏移范圍實現(xiàn)。由于從管72流動的空氣逆時針流至從噴嘴51流動的空氣，故混合被改進。
[0057]圖6A到6C示出了并入圖5中所示的燃燒器50的DLN燃燒系統(tǒng)的第三實施例。在圖6A到6C中所示的實施例中，如圖4A到4C的實施例中所示，具有重新定位的稀釋孔的修改的襯套被再次使用。此外，再次使用了圖5A到5C中所示的實施例中的用于空氣與燃燒氣體的更大混合的修改的腔布置。然而，添加了 10%到15%的增大空氣流，以使空氣穿透到燃燒室28的高溫區(qū)中增加。這通過增大來自管72的空氣通過其進入燃燒器50的稀釋孔62的尺寸/直徑實現(xiàn)。另外，穿過燃燒器襯套50中的多排氣窗冷卻孔58的氣窗冷卻空氣通過減小冷卻孔58的尺寸/直徑而從中間框架空氣流64的25%到35%減小一半到中間框架空氣流64的10%到15%。注意的是，25%到35%的氣窗冷卻是老設(shè)計，其中襯套溫度可達到800°F到1000°F的溫度。
[0058]應(yīng)當注意的是，其中使用較大的稀釋孔的一個備選布置是其中混合孔和較大的稀釋孔布置成定位成離燃燒器襯套52的燃料進入端部54—定距離的單排的實施例，如圖3A到3C的實施例中的成排稀釋孔62將是的。圖8為擴散型燃燒器80的一部分的局部斷面透視圖。燃燒器包括入口噴嘴81、具有圓柱形燃燒器壁的燃燒器襯套82，以及中間框架空氣通過其進入燃燒器80的流動套筒84。
[0059]圖9A為利用為如圖2A和2B中所示的常規(guī)類型襯套的襯套82操作期間圖8的擴散型燃燒器80內(nèi)的溫度場的圖片。圖9B為利用為如圖3中所示的類型的襯套82操作期間的圖8的擴散型燃燒器80內(nèi)的溫度場的圖片。如可在圖9B中所見，其中使用了如圖3中所示的類型的襯套，燃燒器80中的溫度低于圖9A中所示的，其中使用了如圖2A和2B中所示的常規(guī)類型的襯套?？蓮膱D9A和9B中看見的是，燃燒室28內(nèi)的高溫反應(yīng)區(qū)在稀釋孔62移動成更接近圓柱形燃燒器壁52的燃料進入端部54之后顯著地減少，即使燃燒器的出口輪廓不變化太多。
[0060 ]圖1OA為利用如圖2A和2B中所示的常規(guī)類型的襯套和利用如圖3中所示的根據(jù)本發(fā)明的類型的襯套操作期間的、如圖8中的擴散型燃燒器80內(nèi)和離開其的排放的圖表。圖1OB為利用如圖2A和2B中所示的常規(guī)類型的襯套和利用如圖3中所示的根據(jù)本發(fā)明的類型的襯套操作期間的、如圖8中的擴散型燃燒器內(nèi)和離開其的溫度的圖表。
[0061 ] 可從圖9A和9B和圖1OB的圖表看到的是，燃燒室28內(nèi)的高溫反應(yīng)區(qū)在稀釋孔62移動成更接近圓柱形燃燒器壁52的燃料進入端部54之后顯著地減少，以使圖8的擴散型燃燒器80以如圖3中所示類型的襯套82操作，即使燃燒器的出口輪廓不變化太多。還可從圖1OA的圖表看到的是，在以如圖3中所示的類型的襯套82操作時，圖8的燃燒器80使燃燒器80的出口處的NOx排放減少大約65%，并且使CO排放減少大約50%。
[0062]盡管結(jié)合了當前認作是最實用且優(yōu)選的實施例描述了本發(fā)明，但將理解的是，不發(fā)明不限于公開的實施例，而相反地，旨在覆蓋包括在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種改型和等同布置。
【主權(quán)項】
1.一種利用壓縮機操作來驅(qū)動燃氣渦輪的燃燒器，所述燃燒器包括: 具有上游燃料進入端部和下游渦輪進入端部的外燃燒器壁； 位于所述外燃燒器壁的所述上游燃料進入端部附近的多個混合孔；以及 多個稀釋孔，其超過四個稀釋孔，并且布置成位于所述多個混合孔附近的一排，以允許空氣進入所述燃燒器中的燃燒區(qū)中用于使所述允許進入空氣與燃燒氣體在所述燃燒區(qū)中混合，從而減少所述燃燒區(qū)中的NOx和一氧化碳(CO)產(chǎn)生。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其特征在于，所述多個混合孔布置成圍繞所述外燃燒器壁的圓周延伸的多排，并且其中所述一排稀釋孔布置成以便圍繞所述外燃燒器壁的所述圓周延伸。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其特征在于，所述多個混合孔布置成圍繞所述外燃燒器壁的圓周延伸的第一排和第二排，而非圍繞所述外燃燒器壁的所述圓周延伸的第一排、第二排和第三排，以使所述多個稀釋孔可布置成從所述上游燃料進入端部的所述第三排，所述第三排圍繞所述外燃燒器壁的所述圓周延伸。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃燒器，其特征在于，所述多個混合孔包括十六個混合孔，并且所述多個稀釋孔包括六個稀釋孔。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其特征在于，所述燃燒器還包括: 夕卜殼； 壓縮空氣和燃料從其排放到燃燒器中的噴嘴； 流動套筒，其位于所述外殼與所述燃燒器壁之間以便形成所述外殼與所述燃燒器壁之間的腔，以使從所述壓縮機進入所述燃燒器的空氣在所述壓縮機空氣的第一部分通過其通過進入穿過所述流動套筒而被允許進入所述燃燒器中的第一路徑與所述壓縮機空氣的第二部分通過其通過所述腔而被允許進入所述燃燒器中的第二路徑之間分開;以及 多個管，其在所述腔與所述多個稀釋孔之間延伸以允許所述壓縮機空氣的所述第二部分進入所述燃燒區(qū)中用于在所述燃燒區(qū)中的所述允許進入空氣與燃燒氣體的增加混合，從而減少所述燃燒區(qū)中的NOx和一氧化碳(CO)產(chǎn)生。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃燒器，其特征在于，所述多個管在所述腔與所述多個稀釋孔之間成角延伸，以使穿過所述多個管的所述壓縮機空氣的所述第二部分切向地進入所述燃燒器。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃燒器，其特征在于，切向地穿過所述多個管進入所述燃燒器的所述壓縮機空氣導(dǎo)致所述燃燒器中與燃燒氣體混合的空氣增加，因為允許從所述多個管進入的空氣逆時針流至從所述噴嘴流入所述燃燒器中的所述空氣。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃燒器，其特征在于，所述燃燒器還包括沿所述燃燒器壁縱向地定位的多排襯套氣窗冷卻孔，并且其中來自所述多個管的空氣通過其進入燃燒器的所述多個稀釋孔的直徑增大到導(dǎo)致進入所述燃燒器燃燒室中的空氣流增加發(fā)生的大小，并且其中氣窗冷卻空氣穿過其的所述多個氣窗冷卻孔的大小減小，導(dǎo)致所述允許進入空氣與燃燒氣體在所述燃燒區(qū)中的進一步增加的混合，從而進一步減少所述燃燒區(qū)中的NOx和一氧化碳(CO)產(chǎn)生。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃燒器，其特征在于，進入所述燃燒器燃燒室中的所述空氣流增大10%到15%，從而增加了空氣穿透到所述燃燒室中的高溫區(qū)中，并且其中穿過所述多排氣窗冷卻孔來冷卻所述燃燒器的所述空氣從空氣流的25%到35%減小到空氣流的10%到15%。10.—種利用壓縮機操作來驅(qū)動燃氣渦輪的燃燒器，所述燃燒器包括: 具有上游燃料進入端部和下游渦輪進入端部的外燃燒器壁； 位于所述外燃燒器壁的所述上游燃料進入端部附近的多個混合孔，所述多個混合孔布置成圍繞所述外燃燒器壁的圓周延伸的多排；以及 布置成圍繞所述外燃燒器壁的所述圓周延伸的至少一排的多個稀釋孔，所述多個稀釋孔位于所述多個混合孔附近； 夕卜殼； 壓縮空氣和燃料從其排放到燃燒器中的噴嘴； 流動套筒，其位于所述外殼與所述燃燒器壁之間以便形成所述外殼與所述燃燒器壁之間的腔，以使從所述壓縮機進入所述燃燒器的空氣在所述壓縮機空氣的第一部分通過其通過進入穿過所述流動套筒而被允許進入所述燃燒器中的第一路徑與所述壓縮機空氣的第二部分通過其通過所述腔而被允許進入所述燃燒器中的第二路徑之間分開;以及 多個管，其在所述腔與所述多個稀釋孔之間延伸以允許所述壓縮機空氣的所述第二部分進入所述燃燒區(qū)中用于在所述燃燒區(qū)中的所述允許進入空氣與燃燒氣體的增加混合，從而減少所述燃燒區(qū)中的NOx和一氧化碳(CO)產(chǎn)生。
【文檔編號】F23R3/26GK105889980SQ201610062207
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年1月29日
【發(fā)明人】A.辛赫
【申請人】通用電氣公司