CN103375818A - 燃烧喷嘴及其相关方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃烧喷嘴及其相关方法。燃烧喷嘴包括具有混合部段和出口部段的至少一个通道。混合部段包括空气入口和燃料入口。混合部段具有第一长度和第一直径。出口部段具有第二长度和第二直径，第二长度不同于第一长度，第二直径不同于第一直径。
Description
技术领域
本发明一般地涉及燃烧器，更具体地涉及用于将空气-燃料混合物喷射到燃烧器内的燃烧区中的燃烧喷嘴。
背景技术
燃烧器是发动机进行燃烧的部件或区域。在燃气涡轮发动机中，例如，压缩机将高压空气供应至燃烧器或燃烧室。然后燃烧器在恒定压力下加热空气以及燃料。在燃烧之后，产生的排出气体从燃烧器经由喷嘴导叶被传送至涡轮机。在燃气涡轮机电厂或联合循环电厂中采用的这种发动机例如经操作而在更高的温度和更高的压力条件下实现更高的操作效率，并且趋于增大排出气体流中的排放（例如NOx）。尽管已知产生NOx的各种因素，但是主要的一个因素是燃烧器中的火焰温度。NOx排放量与燃烧器中的火焰温度成比例。
增大燃烧区内的湍流强度将减小NOx排放量。在更高的湍流程度下由于增强火焰区中产物的混合，从而有效地降低燃烧区中的局部火焰温度，所以减少NOx。增加湍流的一种方式是增大喷射的速度。在这种方案中，湍流的程度直接与喷射速度相关。
发明内容
根据本发明的一个实施例，公开了一种示例性燃烧喷嘴。燃烧喷嘴包括具有混合部段和出口部段的至少一个通道。混合部段包括空气入口和燃料入口。混合部段具有第一长度和第一直径。出口部段具有第二长度和第二直径，第二长度不同于第一长度，第二直径不同于第一直径。
根据本发明的另一示例性实施例，公开一种燃气涡轮机。该燃气涡轮机包括压缩机、具有示例性燃烧喷嘴的燃烧器以及涡轮机。
根据本发明的另一示例性实施例，一种方法包括使空气和燃料在燃烧喷嘴的混合部段内混合以产生空气-燃料混合物。混合部段具有第一长度和第一直径。该方法还包括使空气-燃料混合物经过燃烧喷嘴的出口部段喷射到设置在燃烧喷嘴下游的燃烧区。出口部段具有第二长度和第二直径，第二长度不同于第一长度，第二直径不同于第一直径。该方法还包括在燃烧区中产生空气-燃料混合物的湍流。
根据本发明的另一示例性实施例，一种方法包括在燃烧喷嘴中形成至少一个通道。一个通道具有混合部段和出口部段。混合部段包括空气入口和燃料入口。混合部段具有第一长度和第一直径。出口部段具有第二长度和第二直径，第二长度不同于第一长度，第二直径不同于第一直径。
附图说明
当参照附图阅读下文详细的描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，附图中相同的符号表示各附图之间相同的部件，其中：
图1是根据本发明的示例性实施例的具有示例性燃烧器的燃气涡轮发动机的图示；
图2是根据本发明的示例性实施例的具有示例性燃烧喷嘴的燃烧器的图示；
图3是根据本发明的示例性实施例的燃烧喷嘴的图示；
图4是根据本发明的示例性实施例的燃烧喷嘴的出口部段的图示；
图5是根据本发明的示例性实施例的示例性燃烧喷嘴的图示；
图6是根据本发明的示例性实施例的示例性燃烧喷嘴的图示；
图7是根据本发明的示例性实施例的示例性燃烧喷嘴的图示；
图8是根据本发明的示例性实施例的示例性燃烧喷嘴的图示；
图9是根据本发明的示例性实施例的示例性燃烧喷嘴的图示；
图10是根据本发明的示例性实施例的示例性燃烧喷嘴的图示；和
图11是根据本发明的示例性实施例的示例性燃烧喷嘴的图示。
具体实施方式
根据本发明的实施例，公开了燃烧喷嘴。示例性燃烧喷嘴包括具有混合部段和出口部段的至少一个通道。混合部段具有第一长度和第一直径，出口部段具有第二长度和第二直径，第二长度不同于第一长度，第二直径不同于第一直径。空气和燃料在混合部段中被混合，出口部段在燃烧器的燃烧区中产生空气-燃料混合物的湍流。换言之，混合部段中燃料/空气混合的程度与进入燃烧器的燃烧区的湍流强度级别没有关联。这样产生的湍流程度，特别是在燃烧器中的更高火焰温度下，有助于减少NOx排放。可以基于喷嘴出口部段的长度-直径比来控制用于减少NOx的湍流程度。此外，混合部段的直径和长度可以被独立地设计，以优化空气/燃料的混合，从而相比于空气和燃料未混合的方案进一步减少NOx。
现在转至附图并首先参照图1，示出具有低排放量燃烧器12的燃气涡轮机10。燃气涡轮机10包括构造成压缩环境空气的压缩机14。燃烧器12与压缩机14流体连通，并且燃烧器12构造成接收来自压缩机14的压缩空气11并使燃料流燃烧以产生燃烧器排出气体流13。在图示的实施例中，燃烧器12包括限定燃烧区域的燃烧器壳体20。在一个实施例中，燃烧器12包括管形燃烧器。在可替换的实施例中，燃烧器12包括环管形燃烧器或纯环形燃烧器。此外，燃气涡轮机10包括位于燃烧器12下游的涡轮机16。涡轮机16构造成使燃烧器排出气体流13膨胀以驱动外负载。在图示的实施例中，通过涡轮机16产生的动力经由轴18来驱动压缩机14。
燃烧器12包括用于接收压缩空气11和燃料流的燃烧喷嘴，燃烧器12将空气11和燃料流混合以产生空气-燃料混合物并将空气-燃料混合物喷射到燃烧区。参照后续附图更详细地说明燃烧喷嘴。
参照图2，示出根据图1的方面的燃烧器12。示例性燃烧器12包括限定燃烧室24的燃烧器壳体22。盖组件（未示出）可以设置在燃烧器壳体22的一端上。燃烧衬套26设置在燃烧器壳体22内部。燃烧衬套26可以具有多个稀释孔。
燃烧喷嘴28设置在燃烧室24内部。示例性燃烧喷嘴28包括至少一个通道（管）30，通道30具有混合部段32和出口部段34。在图示的实施例中，示出四个通道30。在其他实施例中，通道30的数量根据不同应用而改变。混合部段32具有第一长度和第一直径，出口部段34具有第二长度和第二直径，第二长度与第一长度不同，第二直径与第一直径不同。燃烧器12还包括用于将燃料供应至燃烧室24的燃料室36。燃料经由在每个通道30的混合部段32中设置的多个燃料入口孔38进入燃烧喷嘴28。通道30还具有用于接收来自压缩机的空气流11的空气入口40。
在某些实施例中，燃料可以包括碳氢化合物、天然气、或高氢气体、或氢、或沼气、或一氧化碳、或合成气、或惰性气体、或水蒸气、或氧化剂连同预定量的稀释剂。稀释剂可以包括氮、二氧化碳、水、束流等。
燃烧喷嘴28的混合部段32构造成使空气11和燃料混合并产生空气-燃料混合物。出口部段34构造成接收空气-燃料混合物并将空气-燃料混合物喷射到燃烧室24的燃烧区42。出口部段34构造成在燃烧器12的燃烧区42中产生空气-燃料混合物的湍流。出口部段34的尺寸与混合部段32的尺寸不同，以使得混合部段32中的燃料/空气混合与燃烧器12的燃烧区42中产生的湍流没有关联。这样产生的湍流程度，特别是在燃烧器12中的更高火焰温度下，有助于减少NOx排放。
如前所述，增加燃烧区内的湍流强度将减少NOx排放。在更高的湍流程度下由于在火焰区中增强燃烧产物和新反应物的混合，NOx被减少，从而有效地降低燃烧区中的局部火焰温度。这种现象实质上是微（非常小）尺度下的燃烧排气再循环（EGR）。增加湍流的一种方式是增大喷射的速度。在这种方案中，湍流的程度直接与喷射速度相关。
根据本发明的实施例，经由出口部段34产生湍流将并行地执行湍流强化和混合增强。具体地，出口部段的改进的长度-直径比将使得进入燃烧区42的空气-燃料混合物射流的剪切速率受到控制。例如，更低的长度-直径比将在实验上观察到通过增强被引入到燃烧区42中的剪切而产生更低的NOx排放。通过使湍流与反应物混合程度没有关联，可以获得NOx排放减少。
参照图3，公开了根据本发明的示例性实施例的燃烧喷嘴28。示例性燃烧喷嘴28包括多个通道30，每个通道30具有混合部段32和出口部段34。混合部段32具有第一长度（Lm）和第一直径（dm），出口部段34具有与第一长度（Lm）不同的第二长度（Lj）和与第一直径（dm）不同的第二直径（dj）。
参照图4，公开了根据本发明的实施例的燃烧喷嘴的混合部段32和出口部段34。如上所述，出口部段34的长度和直径不同于混合部段的长度和直径。在出口部段34的上游位置处的空气-燃料混合物的速度分布由曲线44表示。流动的剪切速率由关系式表示；其中μ是流动的粘度，u是流体速度，du/dy表示速度梯度。曲线44示出du/dy在出口部段34的壁表面处更大并且表示更大的剪切速率。在射流膨胀进入燃烧器中时，燃烧区中的火焰稳定在剪切层。由于更高的湍流度而增大的剪切速率，将增加在火焰区中排出气体的混合而有助于减少NOx。
在出口部段34的下游位置处的空气-燃料混合物的速度分布由曲线46表示。曲线46示出du/dy在出口部段34的壁表面处相对更低并且表示相对更低的剪切速率。如上所述，出口部段34的改进的长度-直径比将使得进入燃烧区的空气-燃料混合物射流的剪切速率受到控制。更低的长度-直径比通过增强被引入到燃烧区42中的剪切而产生更低的NOx排放。
参照图5，示出根据图2的方面的燃烧器12。燃烧喷嘴28设置在燃烧室24内部。示例性燃烧喷嘴28包括至少一个通道（管）30，通道30具有混合部段32和出口部段34。混合部段32具有第一长度和第一直径，出口部段34具有第二长度和第二直径，第二长度与第一长度不同，第二直径与第一直径不同。在图示的实施例中，出口部段34的直径小于混合部段32的直径。混合部段32的长度大于出口部段34的长度。
参照图6，示出根据本发明的另一实施例的燃烧器48。燃烧喷嘴50设置在燃烧室52内部。示例性燃烧喷嘴50包括至少一个通道（管）54，通道54具有混合部段56和出口部段58。混合部段56具有第一长度和第一直径，出口部段58具有第二长度和第二直径，第二长度与第一长度不同，第二直径与第一直径不同。在图示的实施例中，出口部段58的直径大于混合部段56的直径。混合部段56的长度大于出口部段58的长度。
参照图7，示出根据本发明的示例性实施例的燃烧喷嘴60。示例性燃烧喷嘴60包括至少一个通道（管）62，通道62具有混合部段64和出口部段66。混合部段64具有第一长度和第一直径，出口部段66具有第二长度和第二直径，第二长度与第一长度不同，第二直径与第一直径不同。在图示的实施例中，第二直径是渐变的直径。出口部段66的第二直径小于混合部段64的第一直径。混合部段64的长度大于出口部段66的长度。
参照图8，示出根据本发明的示例性实施例的燃烧喷嘴60。图示的实施例类似于图7中所示的实施例。附加地，出口部段66包括一个或多个注入孔68以将空气注入到燃烧区中，以进一步增强输送到燃烧区的空气-燃料混合物中的湍流强度等级。
参照图9，示出根据本发明的示例性实施例的燃烧喷嘴60。图示的实施例类似于图7中所示的实施例。附加地，混合部段64包括多个湍流产生装置70，以产生空气-燃料混合物的湍流。在另一实施例中，多个湍流产生装置70还设置在燃烧喷嘴60的出口部段58中。在一个实施例中，多个湍流产生装置70沿周向设置在喷嘴60中。在另一实施例中，多个湍流产生装置70沿轴向设置在喷嘴60中。在某些实施例中，多个湍流产生装置70可以包括筛孔、网眼等。
参照图10，示出根据本发明的示例性实施例的燃烧喷嘴72。示例性燃烧喷嘴72包括至少一个通道（管）74，通道74具有混合部段76和出口部段78。混合部段76具有第一长度和第一直径，出口部段78具有第二长度和第二直径，第二长度与第一长度不同，第二直径与第一直径不同。在图示的实施例中，一个或多个同心环80设置在出口部段78中。
参照图11，示出根据本发明的示例性实施例的燃烧喷嘴60。图示的实施例类似于图7中所示的实施例。附加地，壁82设置在燃烧喷嘴的混合部段64中。壁82部分地闭塞混合部段64的流动通道的一部分。壁的位置设计成避免火焰保持在燃烧室内并同时增大燃料空气混合物中的湍流程度。
在某些实施例中，预想有参照图1-11所述的特征的所有排列和组合。如上所述，本发明的实施例促进使空气-燃料混合物的混合与空气-燃料混合物的湍流没有关联，从而降低NOx排放。
尽管本文举例说明并描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员能想到很多修改和改变形式。因此应当理解，所附权利要求书将涵盖在本发明的实质精神范围内的所有这种修改和改变形式。
Claims (28)
1.一种燃烧喷嘴，包括：
至少一个通道，所述至少一个通道包括：
混合部段，所述混合部段包括空气入口和燃料入口；其中，所述混合部段具有第一长度和第一直径；和
出口部段，所述出口部段具有第二长度和第二直径，所述第二长度不同于所述第一长度，所述第二直径不同于所述第一直径。
2.根据权利要求1所述的燃烧喷嘴，其中所述第一长度大于所述第二长度，并且所述第一直径大于所述第二直径。
3.根据权利要求1所述的燃烧喷嘴，其中所述第一长度大于所述第二长度，并且所述第一直径小于所述第二直径。
4.根据权利要求1所述的燃烧喷嘴，其中所述第二直径包括渐变的直径。
5.根据权利要求1所述的燃烧喷嘴，其中所述混合部段构造成使空气和燃料混合以产生空气-燃料混合物。
6.根据权利要求1所述的燃烧喷嘴，其中所述出口部段构造成从所述喷嘴喷射所述空气-燃料混合物。
7.根据权利要求1所述的燃烧喷嘴，其中所述出口部段包括至少一个空气注入孔。
8.根据权利要求1所述的燃烧喷嘴，其中所述燃烧喷嘴还包括设置在所述混合部段和所述出口部段中至少一者上的多个湍流产生装置。
9.根据权利要求8所述的燃烧喷嘴，其中所述多个湍流产生装置沿周向设置在所述混合部段和所述出口部段中至少一者上。
10.根据权利要求8所述的燃烧喷嘴，其中所述多个湍流产生装置沿轴向设置在所述混合部段和所述出口部段中至少一者上。
11.根据权利要求1所述的燃烧喷嘴，其中所述燃烧喷嘴还包括设置在所述出口部段中的一个或多个同心环。
12.根据权利要求1所述的燃烧喷嘴，其中所述混合部段包括在第一侧壁和第二侧壁之间延伸的湍流壁。
13.一种燃气涡轮机，包括：
空气压缩机；
连接到所述压缩机的燃烧器，所述燃烧器包括：
壳体；和
燃烧喷嘴，所述燃烧喷嘴设置在所述壳体内的燃烧区的上游；其中，所述燃烧喷嘴包括：
至少一个通道，所述至少一个通道包括：
混合部段，所述混合部段包括空气入口和燃料入口；其中，所述混合部段具有第一长度和第一直径；和
出口部段，所述出口部段具有第二长度和第二直径，所述第二长度不同于所述第一长度，所述第二直径不同于所述第一直径。
连接到所述燃烧器的涡轮机。
14.根据权利要求13所述的燃气涡轮机，其中所述第一长度大于所述第二长度，并且所述第一直径大于所述第二直径。
15.根据权利要求13所述的燃烧喷嘴，其中所述第一长度大于所述第二长度，并且所述第一直径小于所述第二直径。
16.根据权利要求13所述的燃烧喷嘴，其中所述第二直径包括渐变的直径。
17.根据权利要求13所述的燃烧喷嘴，其中所述混合部段构造成使空气和燃料混合以产生空气-燃料混合物。
18.根据权利要求13所述的燃烧喷嘴，其中所述出口部段构造成从所述喷嘴将所述空气-燃料混合物喷射到所述燃烧区并在所述燃烧区内产生所述空气-燃料混合物的湍流。
19.根据权利要求13所述的燃烧喷嘴，其中所述出口部段包括至少一个空气注入孔。
20.根据权利要求13所述的燃烧喷嘴，其中所述燃气涡轮机还包括设置在所述混合部段和所述出口部段中至少一者上的多个湍流产生装置。
21.根据权利要求13所述的燃烧喷嘴，其中所述燃气涡轮机还包括设置在所述出口部段中的一个或多个同心环。
22.根据权利要求13所述的燃烧喷嘴，其中所述混合部段包括在第一侧壁和第二侧壁之间延伸的湍流壁。
23.一种方法，包括：
使空气和燃料在燃烧喷嘴的混合部段内混合以产生空气-燃料混合物；其中，所述混合部段具有第一长度和第一直径；
使所述空气-燃料混合物经过所述燃烧喷嘴的出口部段喷射到设置在所述燃烧喷嘴下游的燃烧区；其中，所述出口部段具有第二长度和第二直径，所述第二长度不同于所述第一长度，所述第二直径不同于所述第一直径；和
在所述燃烧区中产生所述空气-燃料混合物的湍流。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述方法还包括经由所述出口部段中的多个注入孔来注入空气，以在所述燃烧区中产生所述空气-燃料混合物的湍流。
25.一种方法，包括：
在燃烧喷嘴中形成至少一个通道；其中，所述至少一个通道包括：
混合部段，所述混合部段包括空气入口和燃料入口；其中，所述混合部段具有第一长度和第一直径；和
出口部段，所述出口部段具有第二长度和第二直径，所述第二长度不同于所述第一长度，所述第二直径不同于所述第一直径。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述第二直径包括渐变的直径。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述方法还包括在所述混合部段和所述出口部段中至少一者上设置多个湍流产生装置。
28.根据权利要求25所述的方法，其中所述方法还包括设置一个或多个同心环，所述一个或多个同心环设置在所述出口部段中。
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