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CN104662368A - 具有沿径向分级的经预混合母火以改进可操作性的燃烧器 - Google Patents

具有沿径向分级的经预混合母火以改进可操作性的燃烧器 Download PDF

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CN104662368A
CN104662368A CN201380051362.7A CN201380051362A CN104662368A CN 104662368 A CN104662368 A CN 104662368A CN 201380051362 A CN201380051362 A CN 201380051362A CN 104662368 A CN104662368 A CN 104662368A
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pressure stabilizing
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injector
fuel pressure
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CN201380051362.7A
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P.J.斯图塔福德
S.乔根森
Y.陈
H.里兹卡拉
K.奥梅乔德
J.梅特尼奇
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Abstract

本发明公开一种用于在燃气涡轮燃烧系统中混合燃料和空气的新颖设备和方法。混合器有助于混合燃料和空气，同时能够选择性地增加通往母火火焰的剪切层的燃料流，以便减少污染排放。混合器沿径向向内将空气流引导到燃烧系统中，并且在各个沿径向定向的导叶(320)内包括两组燃料喷射器。第一多个燃料喷射器(322)独立于第二多个燃料喷射器(324)运行，并且第二多个燃料喷射器定位成选择性地调整通往得到的母火火焰的剪切层的燃料流。

Description

具有沿径向分级的经预混合母火以改进可操作性的燃烧器
技术领域
本发明大体涉及用于提高燃烧稳定性和减少燃气涡轮燃烧器中的排放的系统和方法。更特别地，对燃烧器预混合器和燃料喷射位置提供改进。
背景技术
为了减少来自燃气涡轮的污染排放量，政府机构已经颁布了许多法令，要求减少氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)的量。较低的燃烧排放通常可归因于较高效的燃烧过程，尤其是关于燃料喷射器位置、空气流率和混合有效性。
早期的燃烧系统利用扩散型喷嘴，其中，燃料通过扩散在火焰区附近与燃料喷嘴外部的空气混合。扩散型喷嘴产生高排放，因为燃料和空气以化学计量的方式在高温下燃烧，以保持充分的燃烧器稳定性和低的燃烧动态。
一种燃烧技术改进是利用预混合，使得燃料和空气在燃烧之前混合，形成均匀的混合物，混合物在比扩散型火焰更低的温度下燃烧，并且产生较低的NOx排放。预混合可在燃料喷嘴的内部或外部进行，只要它在燃烧区的上游即可。在图1中显示现有技术的预混合燃烧器的示例。燃烧器8具有多个燃料喷嘴18，它们各自将燃料喷射到预混合腔体19中，在那里，燃料与来自稳压室10的压缩空气6混合，然后进入燃烧室20。在燃烧之前将燃料和空气预混合在一起允许燃料和空气形成较均匀的混合物，混合物将较完全地燃烧，从而产生较低的排放。但是，在这个构造中，燃料相对而言在燃烧器的同一平面上喷射，而且防碍通过改变混合长度来进行改进的任何可能性。
可通过多个燃烧级来实现预混合和减少排放的备选手段，多个燃烧级允许随着负载增加而增强预混合。现在参照图2，显示了现有技术的多级燃烧器的示例。燃烧器30具有由文丘里管(venturi)33分开的第一燃烧室31和第二燃烧室32，文丘里管33具有狭窄的喉部区域34。虽然取决于负载状况，可在第一或第二燃烧室或这两个燃烧室中进行燃烧，但当通过喷嘴区域35喷射的燃料在第二燃烧室32中燃烧之前在第一燃烧室31中与压缩空气完全混合时，出现最低排放水平。因此，具有文丘里管的这个多级燃烧器在较高的负载状况下更有效。
要求燃气涡轮发动机以多种功率设置运行。在燃气涡轮发动机联接以驱动发电机时，通常根据发电机上的负载量或发电机必须产生的功率来测量发动机的所需输出。全负载状况是其中从发电机中抽取最高发电容量的点。这对于用来发电的陆上燃气涡轮是最普遍的运行点。但是，电需求常常不需要发电机的全容量，而且运营者想以较低的负载设置运行发动机，使得仅产生要求的负载，从而节约燃料和降低运行成本。已经了解到现有技术的燃烧系统在较低的负载设置下变得不稳定，尤其是低于50%的负载，同时还产生不可接受的NOx和CO排放水平。这主要是因为大多数燃烧系统分级，以在高负载设置下实现最高效的运行。可能不稳定的燃烧和较高的排放的结合常常防碍发动机运营者以较低的负载设置运行发动机，迫使发动机要么以较高的设置运行，从而燃烧额外的燃料，要么停机，并且从而损失原本根据部分负载需求就可产生的宝贵收入。
关于使发动机停机的另一个问题是发动机硬件引起额外的循环。循环通常被定义为发动机经过正常的作业范围。发动机厂商典型地根据运行时间或等效运行循环来评价硬件寿命。因此，引起额外的循环可减少硬件寿命，需要发动机运营者支付过早维修或更换的费用。需要这样的系统：该系统可在部分负载状况和全负载状况下提供火焰稳定性和低排放的好处，使得发动机可在较低的负载状况下高效地运行，从而消除在不要求高负载运行时的燃料浪费，或者消除在停机时对发动机引起额外的循环。
发明内容
本发明公开一种混合器，其用于在多个运行负载条件下在燃烧以及通往燃烧器的燃料流的精确分级之前预混合燃料和空气，以便减少排放。混合器运行来以便选择性地增加通往母火火焰的边界层的燃料流，从而提高用于点燃喷射到燃烧器中的其它燃料的母火火焰的稳定性。更特别地，在本发明的实施例中，公开一种用于燃气涡轮燃烧器的预混合器。预混合器包括端盖，端盖具有包含在其中的多个燃料稳压室和径向进流旋流器。径向进流旋流器包括定向成至少部分地垂直于燃烧器的纵向轴线的多个导叶。多个导叶各自具有与端盖的多个燃料稳压室处于流体连通的多个燃料喷射器。预混合器进一步包括内壁和外壁，它们两者从大体垂直于纵向轴线的方向延伸，并且过渡到大体平行于纵向轴线的方向。
在本发明的备选实施例中，公开一种调节燃气涡轮燃烧器中的母火火焰的方法。方法包括对燃烧器提供盖，盖具有多个燃料稳压室和供燃料流出稳压室的通路。方法还提供径向进流旋流器，径向进流旋流器联接到盖上，并且具有相对于燃烧器轴线沿大体径向方向定向的多个导叶，其中，各个导叶具有多个燃料喷射器，燃料喷射器与第一燃料稳压室和第二燃料稳压室处于流体连通，其中，独立于来自第一燃料稳压室的燃料控制来自第二燃料稳压室的燃料，以便对通往各个导叶内的燃料喷射器的燃料提供径向分级。
在本发明的又一个实施例中，提供一种运行燃烧系统以改进燃烧器主燃料喷射器的点火的方法。该方法提供一种方式来通过第二组燃料喷射器喷射的燃料来提高通往母火火焰的剪切层的燃料/空气比率，使得在燃料从主组燃料喷射器中喷射出之后，主燃烧火焰可更容易点燃。
本发明的预混合器定位在燃烧器壳内，其中，燃烧器具有纵向轴线，并且壳与发动机压缩机处于流体连通。在本发明的实施例中，预混合器包括径向进流旋流器，径向进流旋流器具有多个燃料喷射器，燃料喷射器具有分级燃料喷射，以便调整用于点燃主组燃料喷射器喷射的燃料的剪切层中的燃料/空气混合物。
将在后面的描述中部分地阐述本发明的额外的优点和特征，而且在审查以下内容之后，本发明的额外的优点和特征的一部分将对本领域技术人员变得显而易见，或者可从本发明的实践习得。现在将特别地参照附图来描述本发明。
附图说明
在下面参照附图详细地描述本发明，其中：
图1是现有技术的燃气涡轮燃烧系统的横截面图。
图2是现有技术的备选燃气涡轮燃烧系统的横截面图。
图3是根据本发明的实施例的燃烧系统的横截面图。
图4是根据本发明的实施例的燃烧系统的一部分的透视图。
图5是根据本发明的实施例的图4的燃烧系统的部分的横截面图。
图6是根据本发明的实施例的图4的燃烧系统的部分的端视图。
图7是根据本发明的实施例的图3的燃烧系统的端盖和旋流器部分的横截面图。
图8是根据本发明的实施例的在图7中描绘的端盖和旋流器的一部分的详细横截面图。
图9描绘运行根据本发明的实施例的燃烧系统的过程。
具体实施方式
以引用的方式，本申请结合了美国专利No. 6,935,116、No.6,986,254、No.7,137,256、No.7,237,384、No.7,308,793、No.7,513,115和No.7,677,025的主题。
现在将特别参照图3-9来详细描述本发明的优选实施例。现在参照图3，显示了根据本发明的实施例的燃气涡轮燃烧系统300。燃烧系统300安装到壳(未显示)上，壳联接到发动机的压缩机稳压室上，以接收来自压缩机的压缩空气。
燃烧系统300围绕纵向轴线A-A延伸，并且包括流动套管302，以沿着燃烧衬套304的外表面引导预定量的压缩机空气。主燃料喷射器306定位在燃烧衬套304的径向外侧，并且设计成提供燃料供应，以使其与沿着燃烧衬套304的外表面的一部分的压缩空气混合，然后进入燃烧衬套304。
大体沿着纵向轴线A-A延伸的是母火燃料喷嘴308，其用于提供和保持用于燃烧系统的母火火焰。母火火焰用来点燃、支持和保持燃烧系统300的多级燃料喷射器。
现在参照图3-5，燃烧系统300还包括沿径向分级的预混合器310。图4显示径向预混合器310的透视图，同时图5显示径向预混合器310的横截面。预混合器310包括端盖312，端盖312具有围绕燃烧系统300的纵向轴线A-A延伸的第一燃料稳压室314，以及定位在第一燃料稳压室314的径向外侧的第二燃料稳压室316，并且第二燃料稳压室316与第一燃料稳压室314同心。
沿径向分级的预混合器310还包括径向进流旋流器318，径向进流旋流器318包括多个导叶320，多个导叶320沿相对于燃烧系统300的纵向轴线A-A至少具有部分径向分量的方向定向。径向定向用来将空气流从燃烧系统300的外部部分向内引导到燃烧器中，并且引导向纵向轴线A-A。导叶320还可具有周向角度，如图6的旋流器318所显示的那样。导叶320的周向角度用来帮助对沿径向向内的流施加角动量，以增强燃料和空气的混合。导叶320如图4和6-8中描绘的那样具有大体矩形横截面。但是，导叶320可具有不同的横截面，诸如翼型件形横截面，这取决于沿径向分级的预混合器、燃料通路的几何构造和制造技术。
现在参照图7和8，旋流器318的多个导叶320各自具有第一多个燃料喷射器322和第二多个燃料喷射器324。也就是说，在图7和8中描绘的本发明的实施例中，各个导叶320具有三个燃料喷射器322和第二燃料喷射器324。第一多个燃料喷射器322通过第一通道323处与端盖312中的第一燃料稳压室314处于流体连通，而第二多个燃料喷射器324则通过第二通道325与第二燃料稳压室316处于流体连通。因而，可通过第一喷射器322和第二喷射器324独立地控制由相应的导叶320喷射的燃料量。
在图7和8中公开的本发明的实施例中，第一通道323大体平行于纵向轴线A-A，而第二通道325则相对于纵向轴线A-A成角度地定向。第一通道323和第二通道325的确切定向可取决于端盖312和径向进流旋流器318的大小和形状而改变。
第一多个燃料喷射器322和第二多个燃料喷射器324的确切大小和间距可取决于待喷射的燃料量而改变。对于图8中显示的实施例中，喷射器孔大体垂直于导叶320的出口平面。喷射器孔322和324的直径可改变，但大体在大约0.030英寸-0.200英寸的范围中。
径向进流旋流器318进一步包括沿刚开始大体垂直于纵向轴线A-A的方向从多个导叶320附近延伸的一对壁，从而形成预混合通道330。该对壁包括内壁332和外壁334，外壁334与内壁332间隔开大约等于导叶320的轴向长度的距离。内壁332和外壁334朝大体平行于纵向轴线A-A的方向的过渡。对于图5中描绘的实施例，由内壁332和外壁334形成的预混合通道330保持大体恒定的横截面，并且提供来自多个导叶320的燃料可在其中与周围的空气流混合的区域。内壁332基本由端盖312和母火喷嘴的一部分形成，而外壁334由成形的金属片材制成。但是，设想到内壁332和外壁334各自可与端盖312分开，并且预混合通道330的几何构造也可改变，如对燃烧系统300提供必要的燃料/空气混合物可能需要的那样。
本发明提供一种燃烧系统，其可运行来改进燃烧系统的主喷射器的点火。参照图9，提供运行燃烧系统以改进主组喷射器的点火的方法900。
在步骤902中，从第一燃料稳压室提供燃料流，并且使燃料流通过径向进流旋流器的第一组燃料喷射器，以便使燃料与经过的空气流混合。燃料/空气混合物行进通过预混合通道，并且排到燃烧室中，其中，在步骤904中，沿着燃烧器的纵向轴线建立母火火焰。用来自径向进流旋流器的燃料支持母火火焰。
如本领域技术人员理解的那样，火焰在本质上包含剪切层。一般而言，剪切层或边界层是其中可存在显著的速度梯度的流区域。火焰的剪切层是火焰的最外边缘和不可燃的周围或相邻火焰之间的共用区域。
在步骤906中，来自第二稳压室的燃料被引导通过径向进流旋流器的第二组燃料喷射器。通过将燃料供应引导到旋流器的各个导叶中的第二喷射器，额外的燃料被引导到预混合通道的与通道外壁相邻的径向最外侧区域，并且因此增加沿着剪切层的燃料量，使得燃料/空气比率局部地提高。在运行中，当燃料供应到第二喷射器时，这表示与仅流过径向进流旋流器的第一组燃料喷射器的燃料量相比，燃料流增加大约5%-50%。
在步骤908中，对主组燃料喷射器提供燃料。对于图3中描绘的本发明的实施例，主组燃料喷射器包括一组环形燃料喷射器，其定位成围绕燃烧衬套304，以便向上游喷射燃料流，并且将燃料流喷射到空气流中。来自主喷射器的燃料由于母火火焰而点燃，增强剪切层，并且在步骤910中建立主燃烧火焰。
由于本发明，可较容易且可靠地点燃来自主组燃料喷射器的燃料，因为能够控制母火火焰的剪切层的燃料/空气比率。更特别地，通过局部地增加预混合通道中的最外侧径向位置处的燃料供应，得到的母火火焰的剪切层中的燃料浓度提高。因此，富化的剪切层允许主喷射器更容易且可靠地点燃，不需要许多能量，这使得主燃料喷射器的点火期间的脉冲水平降低。
额外的好处是能够局部地使通往剪切层的燃料流富化，这能够使点燃由主喷射器喷射的燃料的过程保持稳定。也就是说，在预混合燃烧系统中，燃料流水平传统上尽可能保持低，以便减少排放。通过在选择性时期期间局部地对剪切层添加燃料，建立含燃料较多的混合物，从而提高剪切层区域中的燃料/空气比率。含燃料较多的混合物提供较有利于进行点燃的条件，并且提高火焰的稳定性。一旦火焰点燃，燃料含量水平就可降低为较贫化混合物，而不损害火焰的稳定性。
通过本发明的沿径向燃料分级认识的另一个好处与燃烧噪声有关。燃烧噪声是燃烧过程的副产物。更特别地，燃烧过程中的波动会导致放热率不稳定，这会产生声音。燃烧噪声还由不稳定燃烧引起的温度不均匀性产生。典型地，较贫化火焰或较贫化燃料-空气混合物所产生的火焰大体更趋向于有波动和不稳定性，因为它们的燃料水平较低。火焰的剪切层区域典型地对燃料/空气混合物调整敏感。通过调整通往剪切层的燃料流，剪切层中的燃料/空气混合物含较多燃料或者含较少燃料，这可为降低燃烧不稳定性的有效措施。
例如，对于本发明的实施例，与本文公开的、不对母火火焰的剪切层提供额外的燃料的燃烧过程相关联的噪声水平可在某些瞬时运行条件下产生大体高的声音压力水平。但是，由于对剪切层提供额外的燃料，测试显示在相同的瞬时运行条件期间，燃烧噪声水平降低到大约33%。
虽然关于当前所知的优选的实施例而描述了本发明，但是要理解，本发明不限于公开的实施例，而是相反，其意图覆盖在所附权利要求的范围内的各种修改和等效布置。已经关于特定实施例描述了本发明，其意图整体为说明性的，而非限制性的。对于本发明所涉及的领域的普通技术人员，备选实施例和所需要的操作，诸如加工护罩表面而非硬面表面和操作对硬面所引起的磨损将变得显而易见，而不需要脱离本发明的范围。
根据前述内容，将看到，本发明非常适合获得上面阐述的所有目的和目标，以及对于系统和方法显而易见和固有的其它优点。将理解，某些特征和子组合是有用的，并且可在不参照其它特征和子组合的情况下采用。这由权利要求的范围设想且在权利要求的范围内。

Claims (20)

1. 一种用于燃气涡轮燃烧器的沿径向分级的预混合器，包括：端盖，其具有围绕所述燃烧器的纵向轴线延伸的第一燃料稳压室和定位在所述第一燃料稳压室的径向外侧的第二燃料稳压室；以及径向进流旋流器，其包括：定向成以便至少具有部分径向分量的多个导叶，所述多个导叶沿径向向内将燃料-空气混合物引导到所述燃烧器中，所述多个导叶具有与所述第一燃料稳压室处于流体连通的第一多个燃料喷射器和与所述第二燃料稳压室处于流体连通的第二多个燃料喷射器；内壁，其从所述多个导叶附近沿大体垂直于所述纵向轴线的方向延伸，并且朝大体平行于所述纵向轴线的方向过渡；以及外壁，其与所述内壁间隔开一距离，而且也从所述多个导叶附近沿大体垂直于所述纵向轴线的方向延伸，并且朝大体平行于所述纵向轴线的方向过渡，使得所述外壁大体偏离所述内壁，从而在所述内壁和所述外壁之间形成预混合通道。
2. 根据权利要求1所述的预混合器，其特征在于，所述第二燃料稳压室与所述第一燃料稳压室同心。
3. 根据权利要求1所述的预混合器，其特征在于，所述多个导叶各自具有大体矩形横截面。
4. 根据权利要求1所述的预混合器，其特征在于，所述多个导叶还相对于所述纵向轴线切向地定向。
5. 根据权利要求1所述的预混合器，其特征在于，所述第一多个燃料喷射器提供燃料，以大体沿着所述纵向轴线建立母火火焰。
6. 根据权利要求5所述的预混合器，其特征在于，所述第二多个燃料喷射器对定位在所述纵向轴线的径向外侧的剪切层提供燃料，以建立主燃烧器火焰。
7. 根据权利要求1所述的预混合器，其特征在于，来自所述端盖的燃料的大约5%-50%传送通过所述第二多个燃料喷射器。
8. 根据权利要求1所述的预混合器，其特征在于，所述第一多个燃料喷射器和第二多个燃料喷射器的直径为大约0.030-0.200英寸。
9. 根据权利要求1所述的预混合器，其特征在于，所述多个导叶具有翼型件形横截面。
10. 一种调节燃气涡轮燃烧器中的母火火焰的方法，包括：对所述燃气涡轮燃烧器提供盖，所述盖具有第一燃料稳压室、在所述第一燃料稳压室的径向外侧的第二燃料稳压室，以及供燃料从所述第一燃料稳压室和所述第二燃料稳压室中流出的通路；提供联接到所述盖上的径向进流旋流器，所述旋流器具有：相对于所述燃烧器的纵向轴线沿大体径向方向定向的多个导叶，其中，各个导叶具有与所述第一燃料稳压室和第二燃料稳压室处于流体连通的多个燃料喷射器；以及内壁，其刚开始沿大体垂直于所述纵向轴线的方向从所述多个导叶附近延伸，并且过渡成沿大体平行于所述纵向轴线的方向延伸；以及外壁，其与所述内壁间隔开一距离，而且刚开始也沿大体垂直于所述纵向轴线的方向从所述多个导叶附近延伸，并且过渡成沿大体平行于所述纵向轴线的方向延伸，使得所述外壁偏离所述内壁，从而在它们之间形成预混合通道；其中，独立于来自所述第一燃料稳压室的燃料控制来自所述第二燃料稳压室的燃料，以便对通往所述燃料喷射器的燃料提供径向分级，以调整通往围绕所述燃烧器的所述纵向轴线的剪切层的燃料流。
11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一燃料稳压室和所述第二燃料稳压室各自将经独立地调整的气态燃料流供应到所述多个旋流器中。
12. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二燃料稳压室与所述第一燃料稳压室同心。
13. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述多个导叶对经过的空气流施加旋流。
14. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，各个导叶具有用于喷射来自所述第一燃料稳压室的燃料的多个燃料喷射器和用于喷射来自所述第二燃料稳压室的燃料的单个燃料喷射器。
15. 一种运行燃烧系统以改进燃烧器主燃料喷射器的点火的方法，包括：从第一燃料稳压室提供燃料流，以及使所述燃料流通过径向进流旋流器的第一组燃料喷射器，以使所述燃料流与经过的空气流混合；在燃烧器中建立母火火焰，对所述母火火焰供应来自所述径向进流旋流器和在所述母火火焰附近的剪切层的燃料；从第二燃料稳压室提供燃料，以及使所述燃料通过所述径向进流旋流器的第二组燃料喷射器，以便提高所述母火火焰附近的剪切层中的燃料/空气比率；对所述主组燃料喷射器提供燃料；以及，通过用所述母火火焰点燃来自所述主组喷射器的燃料，来建立主燃烧火焰。
16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，大体沿着所述燃烧器的纵向轴线建立所述母火火焰。
17. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一燃料喷射器由各个旋流器中的一个或多个沿轴向间隔开的孔构成。
18. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第二燃料喷射器由定位在所述第一燃料喷射器和所述旋流器的端部之间的一个或多个孔构成。
19. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，当建立主燃烧火焰时，所述主组喷射器将燃料与通过所述第一组喷射器和所述第二组喷射器两者喷射的燃料同时传送到周围空气流中。
20. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述主燃烧火焰被在来自所述主喷射器的燃料与由通过所述第一燃料喷射器和所述第二燃料喷射器两者喷射的燃料产生的母火火焰的增强的剪切层混合时发生的反应点燃。
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