专利名称：用于膨胀燃烧器内的初级火焰和次级火焰的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种具有改善的排放性能的燃烧器，并且更具体地涉及一种具有改善的排放性能和稳定性的燃烧器。
背景技术：
燃气涡轮机包括用于压缩空气的压缩机，用于在有由压缩机产生的压缩空气参与的情况下通过燃烧燃料产生热气的燃烧器，以及用于从由燃烧器产生的膨胀热气中提取功的涡轮机。燃气涡轮机排放不希望有的氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)是已知的。现行的干式低NOx燃烧器(DLN燃烧器)减少了Nox、CO和其它污染物的产生。这些DLN燃烧器适应贫燃(fuel-lean)的混合物，同时通过允许一部分火焰区的空气与燃料在较低的负荷下混合，从而避免了不稳定火焰的存在和火焰熄灭的可能性。然而，NOx排放规格正变得更加严格，因此，需要一种将不降低燃烧器稳定性或增加CO排放物的较低NOx排放的燃烧器的技术。
发明内容
所公开的是一种用于使环形流体流和中心流体流膨胀的装置，其包括燃烧器和文丘里喉管，燃烧器包括文丘里管和中心体，中心体包括上游端和下游端，文丘里喉管由文丘里管限定，并且设置在中心体的下游端的下游0.19英寸处的上游。
还公开了一种用于布置部件以在燃烧器内产生环形流体流和中心流体流的膨胀的方法，其包括将文丘里喉管设置在燃烧器的中心体的径向外部，并且将文丘里喉管设置在中心体的下游端的下游0.19英寸处的上游。
另外还公开了一种用于通过在燃烧器内增强火焰稳定性和降低CO排放物来降低NOx排放物的方法，它包括，朝着燃烧器的中心体引导环形流体流，所述引导发生在中心体的下游端的下游0.19英寸处的上游；使环形流体流膨胀远离中心体，所述膨胀发生在中心体的下游端的下游0.19英寸处的上游；通过膨胀来径向向外地拉动中心流体流；并增加中心线回流区尺寸。
从下列结合附图对说明性实施例的详细说明中，将更全面地理解本发明的上述和其它的特征与优点，其中，相同的元件在这些图中采用相同的标号图1是燃气涡轮机的示意图；图2是燃烧器的示意性剖视图；图3是燃烧器的示意性剖视图，其包括在根据示范性实施例的、改善了环形流体流和中心流体流的膨胀的装置中的部件；图4是显示了用于布置部件以在燃烧器内产生环形流体流和中心流体流的膨胀的方法的框图；以及图5是显示了用于降低NOx排放物、同时增强燃烧器内的火焰稳定性的方法的框图。
元件列表
具体实施方式
为了清楚起见和观察，图1显示了与燃气涡轮机相关联的燃烧器的示例。应该理解，所公开的装置(用于膨胀环形流体流和中心流体流的装置)具有除图1所示涡轮机以外的可应用性，因此，图1中的涡轮机不应认为是对本发明的限制。
如图1所示，燃气涡轮机10包括位于压缩机14和涡轮16之间的气流通道内的燃烧器12。涡轮16与其旋转式地驱动的压缩机14和动力输出驱动轴18相结合。空气进入燃气涡轮机10，并且经过压缩机14。高压空气从压缩机14进入燃烧器12，在此处与燃料混合并且燃烧。高能量的燃烧气体排出燃烧器12，并且在涡轮16内膨胀，由此而被提取能量。另外，涡轮16驱动动力输出轴18。
参见图2，显示了限定了内衬腔23并包括文丘里管22和中心体24的燃烧器20(其可以用于图1的燃气涡轮机10)。中心体24包括上游端30和下游端32。文丘里管22限定了设置在中心体24的径向外部的文丘里喉管28。文丘里喉管28(如图2所示)设置在中心体24的下游端32的下游，而环形腔35围绕中心体24的外部环状地设置。环形流体流34从该环形腔35流入，并且流过内衬腔23的回流区21。从中心体24流出的中心流体流36也流入内衬腔23。
因为文丘里喉管28设置在下游端32的下游，所以，环形流体流34在已排出环形腔35之后，通过文丘里喉管28被引向中心流体流36。在这种类型的装置26中，环形流体流34冲击在下游端32的下游中心流体流36上，从而造成中心流体流36在内衬腔23的中心线回流区39内的狭缩部38。狭缩部的效应倾向于使燃烧器火焰不稳定，从而较大可能地使燃烧成为动态或熄灭。另外(当文丘里喉管28和下游端32以这种方式设置时)，直到环形流体流36以通过中心体24的下游端32和文丘里喉管28之后，环形流体流36才可膨胀，并形成可促进中心流体流36膨胀的低压区40。这延迟了相关于中心流体流36的火焰(未示出)与相关于环形流体流34的火焰(未示出)之间的相互作用。
参见图3，文丘里喉管28和中心体24的下游端32显示在装置42的示范性的实施例中，该装置42改善了环形流体流34和中心流体流36在回流区21中的膨胀，从而同时改善了NOx的减少和火焰的稳定性。在该装置42中，文丘里喉管28设置在中心体24的下游端32的下游小于0.19英寸处。文丘里喉管28可以设置在中心体24的下游端32的下游小于0.19英寸处，这是通过向下游移动或延伸中心体24，或在文丘里管22内向上游移动文丘里喉管28来实现的。在例如图3所示的示范性实施例中，文丘里喉管28设置在中心体24的下游端32的上游的0.5英寸处。在另一示范性的实施例中，文丘里喉管28设置在中心体24的下游端32的上游的0.31英寸处。文丘里喉管28还可以设置成与所述中心体24的下游端32共面(或在同一平面43内)。
在这些示范性的实施例中，通过将文丘里喉管28设置在中心体24的下游端32的上游，环形流体流34就通过文丘里喉管28而被朝着中心体24引导，其中，所述引导发生在中心体24的下游端32的上游。通过以这种方式定位文丘里喉管28，环形流体流34将在移动到中心体24的下游端32的下游之前开始膨胀。由于环形流体流34在其通过中心体24的下游端32时已经膨胀，因此，它不限制中心流体流36的膨胀，而是形成中心流体流36在进入内衬腔23时将会经受到的低压区46。该低压区46促进了中心流体流36与环形流体流34的膨胀。
中心流体流36的更早膨胀(按照流体流方向，并和图2的部件布置相比)增强了中心流体流36在回流区21内的回流，这就容许在相关于中心流体流36的火焰(未示出)和相关于环形流体流34的火焰(未示出)之间的更快的相互作用。该更快的相互作用减少了在燃烧器20内的冷条纹(cold streak)，并且通过在给定的Nox水平降低CO排放物而改善了NOx排放性能，从而促进燃烧器20以较低含量的燃料-空气混合物运转，并且因此产生较少的NOx排放物。更早膨胀还消除了狭缩部38，这增加了中心线回流区39的尺寸，并且改善了燃烧器20的稳定性。应该理解的是，在一个示范性的实施例中，燃烧器20为干式低NOx燃烧器，其利用了贫燃的混合物，并且不使用稀释剂(例如水喷射)来降低火焰温度。
参见图4，显示了用于布置部件以在燃烧器内20产生环形流体流34和中心流体流36的膨胀的方法100，方法100包括，将文丘里喉管28设置在燃烧器20的中心体24的径向外部(如操作框102所示)。方法100还包括，将文丘里喉管28设置在中心体24的下游端32的下游0.19英寸处的上游(如操作框104所示)。如上所述，文丘里喉管28的上游的设置可以通过向下游移动中心体24或者向上游移动文丘里喉管28而实现。应该理解的是，在一个示范性的实施例中，文丘里喉管28设置在所述中心体24的下游端32的上游，或与下游端32共面。
参见图5，显示了用于通过在燃烧器20内增强火焰稳定性和降低CO排放物来降低NOx排放物的方法200，该方法200，包括朝着燃烧器20的中心体24引导环形流体流34，其中，引导发生在中心体24的下游端32的下游0.19英寸处的上游(如操作框202所示)。方法200还包括，使环形流体流34远离中心体24地膨胀，其中，该膨胀发生在所述中心体24的下游端32的下游0.19英寸处的上游(如操作框204所示)；以及，通过膨胀，来径向向外地拉动中心流体流36，并增加中心线回流区的尺寸(如操作框206所示)。应该理解的是，在一个示范性的实施例中，引导和膨胀发生在所述中心体24的下游端32的上游，或与下游端32共面。
尽管已经参考示范性的实施例对本发明进行了介绍，但是本领域技术人员应该理解的是，可以不背离本发明的范围地进行各种改变，并且可以对本发明的元件以等同物进行替代。另外，可以根据本发明的教导而不背离本发明的范围，来进行许多变更，以适应特别的情形或实体。因此，重要的是，本发明不限于用于实施本发明的作为最佳方式公开的具体实施例，而是，本发明将包括属于所附权利要求的范围内的所有实施例。此外，除非特别说明，否则，所使用的任何用语第一、第二等等不表示任何顺序或重要性，而是，用语第一、第二等等用于将元件相互区分开来。
权利要求
1.一种用于膨胀环形流体流(36)和中心流体流(36)的装置(42)，所述装置(42)包括包括文丘里管(22)和中心体(24)的燃烧器(12)，所述中心体(24)包括上游端(30)和下游端(32)；以及文丘里喉管(28)，其由所述文丘里管(22)限定，并且设置在所述中心体(24)的所述下游端(32)的下游0.19英寸处的上游。
2.根据权利要求1所述的装置(42)，其特征在于，所述文丘里喉管(28)按照以下情形中的至少一种来进行设置设置在所述中心体(24)的所述下游端(32)的上游，以及，设置成与所述中心体(24)的所述下游端(32)共面。
3.根据权利要求1所述的装置(42)，其特征在于，所述文丘里管(22)从设置在所述中心体(24)的所述下游端(32)的下游小于0.19英寸处到设置在所述中心体(24)的所述下游端(32)的上游大约0.5英寸处。
4.根据权利要求3所述的装置(42)，其特征在于，所述文丘里喉管(28)从设置在所述中心体(24)的所述下游端(32)的上游约0.31英寸处到约0.5英寸处。
5.根据权利要求1所述的装置(42)，其特征在于，所述燃烧器(20)为干式低NOx燃烧器(12)。
6.一种用于膨胀环形流体流(34)和中心流体流(36)的装置(42)，所述装置(42)包括设置在燃气涡轮机(10)中的压缩机(14)与涡轮(16)之间的气流通道内的燃烧器(12)，所述燃烧器(12)包括文丘里管(22)和中心体(24)，所述中心体(24)包括上游端(30)和下游端(32)；以及文丘里喉管(28)，其由所述文丘里管(22)限定，并且设置在所述中心体(24)的所述下游端(32)的下游0.19英寸处的上游。
7.一种用于布置部件以在燃烧器(12)内产生环形流体流(34)和中心流体流(36)的膨胀的方法(100)，所述方法(100)包括将文丘里喉管(28)设置在所述燃烧器(12)的中心体(24)的径向外部；以及将所述文丘里喉管(28)设置在所述中心体(24)的下游端(32)的下游0.19英寸处的上游。
8.根据权利要求7所述的方法(100)，其特征在于，所述设置包括以下情形中的至少一种将所述文丘里喉管(28)设置在所述中心体(24)的所述下游端(32)的上游，以及，将所述文丘里喉管(28)设置成与所述中心体(24)的所述下游端(32)共面。
9.根据权利要求7所述的方法(100)，其特征在于，所述设置包括，将所述文丘里管(22)设置在所述中心体(24)的所述下游端(32)的下游小于0.19英寸处至所述中心体(24)的所述下游端(32)的上游约0.5英寸处。
10.根据权利要求9所述的方法(200)，其特征在于，所述设置包括，将所述文丘里喉管(28)设置在所述中心体(24)的所述下游端(32)的上游大约0.31英寸处至约0.5英寸处。
全文摘要
公开了一种用于膨胀环形流体流(34)和中心流体流(36)的装置(42)，该装置(42)包括燃烧器(12)和文丘里喉管(28)，该燃烧器(12)包括文丘里管(22)和中心体(24)，该中心体(24)包括上游端(30)和下游端(32)，该文丘里喉管(28)由该文丘里管(22)限定，并且设置在该中心体(24)的下游端(32)的下游0.19英寸处的上游。
文档编号F23R3/02GK101067497SQ20071010245
公开日2007年11月7日 申请日期2007年4月30日 优先权日2006年5月4日
发明者W·K·赫斯勒, A·J·内格罗尼, P·波波维克, K·K·文卡塔拉曼 申请人:通用电气公司