用于对燃气轮机中的空气和气体进行混合的燃烧管及方法

专利名称：用于对燃气轮机中的空气和气体进行混合的燃烧管及方法
技术领域：
本发明涉及重型工业燃气轮机，更具体地说涉及用于燃气轮机的燃烧器，其包括燃料/空气预混器以及用于稳定燃气轮机燃烧室中的已预混燃烧气体的结构。
背景技术：
燃气轮机的制造商经常性地专注于用来生产新型燃气轮机的研究和工程项目，这种燃气轮机能够高效率地运转，同时不会产生不合要求的空气污染排放物。燃烧传统烃类燃料的燃气轮机通常产生的主要空气污染排放物是氮的氧化物、一氧化碳以及未燃烃。在本领域中众所周知，喷气发动机中的分子氮的氧化在很大程度上取决于燃烧系统反应区中的最高热气温度。形成氮的氧化物(NOX)的化学反应的速度是温度的指数函数。如果将燃烧室的热气温度控制在足够低的水平，那么就不会产生热的NOX。
将燃烧室反应区的温度控制在低于会形成热NOX的温度水平的一种优选方法是，在燃烧之前将燃料和空气预混成贫混合气。存在于贫预混式燃烧室的反应区中的过量空气的热质量吸收热量，并将燃烧产物的温升降低到不会形成热NOX的水平。
若干问题与干燥低排放物的燃烧室相关，这种燃烧室在燃料和空气的贫预混条件下工作，其中燃料和空气的可燃混合气存在于燃烧室中的位于燃烧室反应区之外的预混部分中。由于逆燃或自燃的原因，在预混部分中可能会发生燃烧，当火焰从燃烧室反应区扩散到预混部分时会发生逆燃，当燃料/空气混合气在预混部分中的滞留时间和温度足以使得在没有点火器的条件下也能启动燃烧时就会发生自燃。在预混部分中产生燃烧的结果是排放性能降低和/或预混部分过热和受损，而预混部分通常未被设计成能承受燃烧的热量。因此，要解决的问题是防止会导致在预混器中产生燃烧的逆燃或自燃。
另外，离开预混器并进入燃烧室反应区中的燃料和空气混合气必须是非常均匀的，以达到所需的排放性能。如果在流场中存在其中燃料/空气混合气浓度显著高于平均水平的区域，那么这些区域中的燃烧产物将达到比平均水平更高的温度，并且会形成热NOX。这可能导致无法根据温度和滞留时间的组合来满足NOX排放的目标。如果在流场中存在其中燃料/空气混合气浓度显著低于平均水平的区域，那么就可能发生熄火，导致不能将烃和/或一氧化碳氧化至平衡水平。这可能导致无法满足一氧化碳(CO)和/或未燃烃(UHC)的排放目标。因此，需要解决的另一问题是产生离开预混器的足够均匀以满足排放性能目标的燃料/空气混合气的浓度分布。
另外，为了满足在许多应用中施加于燃气轮机上的排放性能目标，需要将燃料/空气混合气的浓度降低到接近大多数烃类燃料的贫燃极限的水平。这将导致火焰扩散速度和排放物的降低。结果，贫预混式燃烧室将变得比大多数传统的扩散火焰式燃烧室更不稳定，并经常导致燃烧所产生的较高水平的动态压力波动(动态特性)。动态特性可能具有负面影响，例如因磨损或疲劳、逆燃或爆裂而引起燃烧室和涡轮硬件的损坏。因此，需要解决的另一问题是将燃烧的动态特性控制在可接受的低水平。
用于减少排放物的贫预混式燃料喷射器普遍用于整个行业中，其已经被简化应用于重型工业燃气轮机中超过二十年。在美国专利No.5259184中介绍了这种装置的一个代表性示例，该专利公开通过引用结合于本文中。这种装置已经在减少燃气轮机的废气排放物的领域中取得了重大进展。在不使用喷射稀释剂如蒸气或水的条件下，相对于现有技术的扩散火焰式燃烧器而言，氮的氧化物NOX的排放已降低了一个数量级或更多。
然而，如上所述，在排放性能方面的这些收获是在冒有会引起若干问题的风险下取得的。特别是，由于过热的原因，被保持在装置的预混部分中的逆燃和火焰会导致排放性能降低和/或硬件破坏。另外，燃烧所产生的动态压力波动的水平增加，导致燃烧系统的部件和/或燃气轮机的其它部件的使用寿命因磨损或高周疲劳失效而缩短。此外，为了避免会导致高水平的动态压力波动、逆燃或爆裂的状况，燃气轮机的操作复杂性增加，和/或必须对燃气轮机设定操作限制。
除了这些问题之外，传统的贫预混式燃烧室无法在燃料和空气非常均匀地预混的条件下实现最大可能地减少排放物。
双环形对转式旋流器(DACRS)型燃料喷射器的旋流器是已知的，其因较高的流体剪切和湍流而具有非常良好的混合特性，在美国专利No.5165241、No.5251447、No.5351477、No.5590529、No.5638682和No.5680766中介绍了其代表性的示例，这些专利的公开内容通过引用结合于本文中。参见图1中的示意性图示，DACRS型燃烧器10由收敛型中心体12和对转式叶片组14构成，叶片组14限定了相对于中心体轴线20的径向内通道16和径向外通道18，这些同轴通道均具有旋流叶片。这种喷嘴结构由外径支撑杆22来支撑，其包含了用于将燃料输送到外通道18的叶片中的燃料歧管24。
虽然已知DACRS型燃料喷射器的旋流器具有非常良好的混合特性，但是这些旋流器并不能在中心线处产生强大的循环流，因此经常需要另外地喷射未预混燃料，以便使火焰完全稳定。这种未预混燃料将NOX的排放量增大到高于如同燃料和空气完全混合时可能达到的水平。
旋流喷嘴(swozzle)型燃烧器采用了沿着燃烧器的中心线延伸的圆柱形中心体，在美国专利No.6438961中介绍了该燃烧器的代表性例子，其公开内容通过引用结合于本文中。这种中心体的末端设有非流线形体，从而在其尾流处形成了使火焰稳定的强烈的再循环区域。这类燃烧器的结构是已知的，其具有良好的固有火焰稳定性。
参看图2，图中示意性地显示了旋流喷嘴型燃烧器的一个例子。空气在标号40处从高压气室进入到燃烧器42中，高压气室包围了该组件，但伸入到燃烧室反应区中的排气端44除外。
在穿过入口40之后，空气进入到旋流器或“旋流喷嘴”组件50中。旋流喷嘴组件包括毂部52(如中心体)以及由一系列翼型形状的导向叶片56所连接的护罩54，其中叶片56将涡流施加到经过预混器的燃烧空气中。各导向叶片56包括穿过翼型芯部的气体燃料供给通道。这些燃料通道将气体燃料分布到穿过翼型壁的气体燃料注入孔(未示出)中。气体燃料经由为导向叶片通道58供料的入口和环形通道60而进入到旋流喷嘴组件中。气体燃料在旋流喷嘴组件62中开始与燃烧空气混合，并且在由中心体延伸部分64和旋流喷嘴护罩延伸部分66所形成的环形通道中完成燃料/空气的混合。在离开环形通道之后，燃料/空气混合气进入燃烧室反应区，在这里进行燃烧。
DACRS型和旋流喷嘴型燃烧器都是沿用已久的燃烧器技术。但是这并不是说这些燃烧器不能得到提高。的确，如上所述，DACRS型燃烧器通常并不能提供良好的预混火焰稳定性。另一方面，旋流喷嘴型燃烧器通常无法实现燃料和空气的完全均匀的预混。

发明内容
本发明提供了一种燃烧器概念的独特组合，其包括有展示出极佳混合特性的双重对转式轴流旋流器，以及可提供良好火焰稳定性的圆柱形的非流线型中心体。
这样，本发明可体现为用于工业燃气轮机的燃烧系统中的燃烧器，该燃烧器包括外周壁；同轴地设置在所述外壁中的燃烧器中心体；包括空气入口、至少一个燃料入口和分配环的燃料/空气预混器，所述分配环与中心体一起限定了相对于中心体轴线的第一径向内通道，并与外壁一起限定了第二径向外通道，第一和第二通道均具有可对穿过预混器的燃烧空气施加涡流的气流导向叶片，所述叶片分别与所述中心体和所述分配环相连，以及与所述分配环和所述外壁相连；以及气体燃料的流动通道，其形成在所述中心体内并至少部分地沿着中心体周向地延伸，从而将气体燃料引导至所述燃料/空气预混器中。
本发明也可体现为用于工业燃气轮机的燃烧系统中的燃烧器，该燃烧器包括外周壁；同轴地设置在所述外壁中的燃烧器中心体；包括空气入口、至少一个燃料入口和分配环的燃料/空气预混器，所述分配环与中心体一起限定了相对于中心体轴线的第一径向内通道，并与外壁一起限定了第二径向外通道，第一和第二通道均具有可对穿过预混器的燃烧空气施加涡流的气流导向叶片，所述叶片分别与所述中心体和所述分配环相连，以及与所述分配环和所述外壁相连；以及形成在所述外壁和所述中心体之间并位于导向叶片下游的环形混合通道，所述外壁通常平行于所述中心体、并平行于所述中心体的所述轴线而延伸，使得所述混合通道具有沿着中心体的长度基本上恒定的内径和外径。
本发明还可体现为在用于燃气轮机燃烧系统的燃烧器中使燃料和空气预混的方法，该燃烧器包括外周壁；同轴地设置在所述外壁中的燃烧器中心体；包括空气入口、至少一个燃料入口和分配环的燃料/空气预混器，所述分配环与中心体一起限定了相对于中心体轴线的第一径向内通道，并与外壁一起限定了第二径向外通道，第一和第二通道均具有可对穿过预混器的燃烧空气施加涡流的气流导向叶片，所述叶片分别与所述中心体和所述分配环相连，以及与所述分配环和所述外壁相连，至少一些所述叶片包括有内部燃料流动通道，燃料入口将燃料引导至所述内部燃料流动通道中；以及气体燃料的流动通道，其形成在所述中心体内并至少部分地沿着中心体周向地延伸，从而将气体燃料引导至所述燃料/空气预混器中；该方法包括(a)控制燃料入口上游的进气的径向和周向分布；(b)使所述进气流入所述旋流器组件的所述第一和第二通道中；(c)利用所述导向叶片对所述进气施加涡流；以及(d)在所述导向叶片的下游使燃料和空气混合成均匀的混合气，以便喷入到燃烧器的燃烧室反应区中。


通过结合附图仔细研究以下对当前本发明的优选示例性实施例的更详细介绍，可以更全面地理解和领悟本发明的这些和其它目的及优点，其中图1是传统DACRS型燃烧器的示意图；图2是传统旋流喷嘴型燃烧器的示意性截面图；图3是体现了本发明的燃烧器的示意性截面图；图4是图3的所标注部分的示意图；图5是作为本发明实施例而提供的对转式叶片组的透视图；图6是显示了根据本发明另一实施例的显示了叶片组结构的示意性透视图；图7是根据本发明另一实施例的燃烧器的示意性截面图；和图8是图7的所标注部分的示意图。
图中各标号的含义如下10DACRS型燃烧器；12中心体；14对转式叶片组；16径向内通道；18径向外通道；20中心体轴线；22外径支撑杆；24燃料歧管；40空气入口；42旋流喷嘴型燃烧器；44排气端；50旋流器或“旋流喷嘴”组件；52毂部；54护罩；56翼型形状的导向叶片；58气体燃料的供给通道；60环形通道；62环形通道；64中心体的延伸部分；66旋流喷嘴护罩的延伸部分；110燃烧器；116第一径向内通道；118第二径向外通道；140空气；148喇叭形的过渡部分；150旋流器组件；152毂部；153分配环或叶片；154外壁或护罩；156，157气流导向叶片；160环形燃料通道；158，159气体燃料的供给通道；161，163气体燃料的注入孔/燃料入口；162环形通道；164中心体的延伸部分；166旋流器护罩的延伸部分；216内径旋流器；218外径旋流器；252内径毂部；253分配环；256，257旋流叶片；263，268，270燃料入口孔；272钻孔；350旋流器组件；353分配环或叶片；358导向叶片通道；359中空内部；360燃气的环形通道；362环形通道；363燃料入口孔；364中心体的延伸部分；366旋流器护罩的延伸部分。
具体实施例方式
如上所述，DACRS型燃料喷射器的旋流器是已知的，其具有非常良好的混合特性，旋流喷嘴型燃烧器的构造也是已知的，其具有良好的固有火焰稳定性。本发明是一种采用了DACRS和旋流喷嘴型燃烧器特征的混合结构，以提供轴流的对转式叶片旋流器的高混合能力，以及非流线型中心体的良好的动态稳定性特征。
图3是体现了本发明的通过燃烧器110的截面图，如下所述，除了图4的详图和图5或图6的透视图中所示的旋流器结构之外，所述燃烧器基本上对应于图2所示的传统旋流喷嘴型燃烧器。实际上，在燃烧器组件的中心可安装雾化液体燃料喷嘴，以提供双重燃料性能。然而，这种液体燃料组件并不构成本发明的部分，为了清楚起见已将其从图中略去。
空气140从高压气流(未详细显示)中进入燃烧器，高压气流包围了除进入燃烧室反应区中的排气端以外的整个组件。通常来说，用于燃烧的空气将通过输入流调节器(未示出)而进入预混器。如传统上那样，为了消除旋流器入口处的靠近护罩壁的低速区域，在输入流调节器(未示出)和旋流器150之间使用了喇叭口形状的过渡部分148。旋流器组件包括毂部152、分配环或叶片153以及护罩154(在图5和6中略去)，它们通过第一组对转式气流导向叶片156和第二组对转式气流导向叶片157相连，这些叶片156，157可对穿过预混器的燃烧空气施加涡流。这样，分配环153和毂部152一起限定了第一径向内通道116(相对于中心体的轴线)，并与护罩154一起限定了第二径向外通道118，这些同轴通道均具有可对穿过预混器的燃烧空气施加涡流的气流导向叶片，即旋流叶片156，157。如图所示，第一通道116的叶片156分别与中心体或毂部152和分配环153相连，而第二通道118的叶片157分别与分配环153和外壁或护罩154相连。在该实施例中，如同在DACRS型旋流器中那样，内、外列的叶片被定向成分别沿相反的周向方向来引导气流，如图6所示实施例中最佳地显示。在图4-8所示的实施例中，第一和第二旋流器通道的叶片在轴向上共延。
在本发明的实施例中，例如如图3、4和5中所示，燃料被供给到内叶片通道116的叶片156和外叶片通道118的叶片157上，其中燃料通过环形燃料通道160而从内径中供应。这是特别合乎需要的结构，因为内径支架和燃料供给通道160是旋流喷嘴型燃烧器中已知的特征，并且是用于将燃烧器安装到罐形燃烧室所必需的端盖上的标准结构。因此，至少部分导向叶片、通常是每个导向叶片都包含穿过翼型芯部的气体燃料供给通道158，159。这些燃料通道将气体燃料分布到分别形成在内、外阵列的导向叶片中的至少一个气体燃料注入孔161，163(用于将燃料喷射到流过旋流叶片组件的空气中的燃料入口)中。如该所示实施例中所示，这些燃料入口可设在导向叶片的压力面、吸力面或这两者上。同样也可将燃料入口设在导向叶片的内部组、外部组或这两者中。作为附加或作为备选，其它实施例可从护罩或毂部上的燃料入口处提供燃料喷射，这样导向叶片就不必具有燃料通道。
在图3-5所示的实施例中，气体燃料经由为导向叶片通道158，159供料的入口和环形通道160而进入旋流器组件中，以便流到燃料入口161，163中。气体燃料在旋流器组件150中开始与燃烧空气混合，并在由中心体延伸部分164和旋流器护罩延伸部分166所形成的环形通道162中完成燃料/空气的混合。在离开环形通道之后，燃料/空气混合气进入燃烧室反应区，并在那里进行燃烧。
根据本发明的另一特征，分配环或叶片153的后缘是流线型弯曲的，即为椭圆形的结构，如图4的示意性截面图中的示例所示。这一特征减小了分配环之后的会导致燃料喷嘴自身燃烧的尾流区域或空气动力学上的分离区域，由于可将火焰稳定或保持在分离区域中，因此这一特征成为其中采用了预混混合气的燃烧器的有利特征。
由于旋流器组件通过流线型导向叶片的表面(翼型)来喷射气体燃料，因此减小了对空气流场的干扰。这种几何结构的使用并没有在燃料喷入到气流中之后在预混器中形成任何流动停滞或分离/再循环的区域。利用这种几何结构也减小了二次流，从而有助于控制燃料/空气的混合以及混合气的分布轮廓。从燃料喷射区域到进入燃烧室反应区中的预混器排气端，流场保持为流线型的。在反应区中，由双叶片组引起的所得纯涡流导致与流动再循环一起形成了中心涡流。这便将火焰锋稳定在反应区中。只要预混器中的速度保持在湍流焰的传播速度之上，火焰就不会扩散到预混器中(逆燃)，在预混器中未产生流量分离或再循环时，如果产生了会导致逆流的瞬间，则火焰将不会稳定在预混器中。由于这些现象的发生会导致预混器过热和可能随后发生的破坏，因此双叶片组结构抵抗逆燃和保持火焰的能力是非常重要的。
燃烧器组件的中心体通常与传统旋流喷嘴型燃烧器的结构相符，因此这里省略了对其进一步的讨论。
在图6中以示例方式显示了双叶片组结构的一个备选实施例。这种结构由具有足够叶片厚度的内径旋流器组成，从而提供至外径通道的毂部或分配环的气体通道。该备选结构被设计成可由单件铸件生产出来。各叶片256，257在周向上偏离一个恰当的角度，以便允许环-支柱-环的热应力分散在分配环上。各旋流器组件中的叶片也可结合有倾斜的或非径向的定向，这将进一步减少环-支柱-环的应力。由于孔的径向定向，利用简单的钻孔操作就可在这个组件中形成燃料入口孔268，270。位于内径毂部252上的燃料注入孔(入口)268可轴向地定位在叶片256和分配环253的前方，以允许在标号270处进行钻孔。应当注意到，内毂部上钻有交替的孔，其用于使燃料流入内径旋流器216，并穿过内毂部252(如在标号272处)和内径旋流器256而到达外径毂部或分配环253，以便形成用于使燃料流入外径旋流器218中的燃料入口孔263。在典型的旋流喷嘴设计中，燃料供给通道是通过插入式EDM工艺或熔模铸造中的陶瓷型芯来生产的，这两者的成本都很高。另外，图5所示实施例的燃料注入孔163通常是通过插入式EDM工艺穿过叶片侧面来生产的，其成本也很高。因此，图6所示的实施例设计成能够实现快速和低成本的可制造性。
图7和8显示了本发明的一个备选实施例。在该实施例中，气体燃料经由为导向叶片通道358供料的入口和环形通道360而进入旋流器组件，从而流入分配环353的中空内部359和燃料入口孔363中，该燃料入口孔363形成在分配环中，并处于垂直于中心线的径向上。如上述实施例中所示的那样，气体燃料在旋流器组件350中开始与燃烧空气混合，并在由中心体延伸部分364和旋流器护罩延伸部分366所形成的环形通道362中完成燃料/空气的混合。在离开环形通道之后，燃料/空气混合气进入燃烧室反应区，并在那里进行燃烧。在该实施例中，如图4所示实施例中的那样，分配环或叶片353的后缘是流线型弯曲的，即为椭圆形结构，从而减小了分配环353之后的尾流区域或空气动力学上的分离区域。
虽然已经结合目前被视为最实用且最优选的实施例来介绍了本发明，但是应当理解，本发明并不限于所公开的实施例，相反，本发明旨在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。因此，保留本发明的目的而在细微之处略有不同的其它实施例也是可以的。一种这样的实施例利用了相对于中心体轴线沿相同方向旋转但处于明显不同的涡流角下的两个旋流器，在这两个涡流流之间实现了很高的剪切，从而实现了强烈的湍流混合。例如，20度涡流角的内旋流器和60度涡流角的外旋流器可实现与优选实施例类似的混合，但导致更高的残余涡流，从而导致在火焰区中具有更强的再循环和火焰稳定性。另一备选实施例可包含具有不同涡流角的两个以上的旋流器，例如三个同轴的旋流器，其中内、外旋流器同向旋转，而中间的旋流器逆向旋转。在第三种可能的备选实施例中，一个或多个旋流器可主要地在径向而非在轴向上流动，或者在径向和轴向的组合方向上流动。
权利要求
1.一种在工业燃气轮机的燃烧系统中使用的燃烧器，所述燃烧器包括外周壁(154，166，366)；同轴地设置在所述外壁中的燃烧器中心体(152，164，252，364)；包括空气入口(140)、至少一个燃料入口(161，163，263，268，270，363)和分配环(153)的燃料/空气预混器(150，350)，所述分配环与中心体一起限定了相对于中心体轴线的第一径向内通道(116，216)，并与所述外壁一起限定了第二径向外通道(118，218)，所述第一和第二通道均具有可对穿过所述预混器的燃烧空气施加涡流的气流导向叶片(156，157，256，257)，所述叶片分别与所述中心体和所述分配环相连，以及与所述分配环和所述外壁相连；和气体燃料的流动通道(160，360)，其形成在所述中心体内并至少部分地沿着所述中心体周向地延伸，用于将气体燃料引导至所述燃料/空气预混器(150，350)中。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述径向内通道的至少一些叶片包括内部燃料流动通道(158，159，358)，所述气体燃料的流动通道(160，360)可将燃料引入到所述内部燃料流动通道中。
3.根据权利要求2所述的燃烧器，其特征在于，所述至少一个燃料入口包括与所述内部燃料流动通道相通的多个燃料计量孔。
4.根据权利要求2所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器具有多个燃料入口，而且至少其中一些所述燃料入口形成在具有燃料流动通道的所述叶片中。
5.根据权利要求2所述的燃烧器，其特征在于，所述分配环限定了一个中空的内部燃料腔(359)，而且在所述分配环中限定了与所述中空腔相通的所述至少一个燃料入口(363)。
6.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述分配环的后缘是流线型弯曲的，从而减小了所述分配环之后的尾流区域或空气动力学上的分离区域。
7.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述外壁大致平行于所述中心体延伸。
8.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述外壁大致平行于所述中心体并平行于所述中心体的所述轴线延伸，使得所述混合通道具有沿着所述中心体的长度基本上恒定的内径和外径。
9.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述中心体的下游端设有用来稳定火焰的非流线型体。
10.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述外通道的涡流方向相对于所述内通道的涡流方向是逆向旋转的。
全文摘要
一种结合了DACRS型燃烧器和旋流喷嘴型燃烧器的特征的混合结构，提供了轴流对转式叶片旋流器的高混合能力，以及非流线型中心体的良好的动态火焰稳定性。
文档编号F23R3/20GK1707163SQ20051007852
公开日2005年12月14日 申请日期2005年6月8日 优先权日2004年6月8日
发明者T·E·约翰逊, S·K·维德纳, K·W·麦马汉 申请人:通用电气公司