专利名称：用于增强火焰稳定性和抗回火性的预混合装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及预混合装置，尤其涉及用于增强火焰稳定性
(FLAMEHOLDING)和抗回火性(FLASH BACK RESISTANCE)的预混合装置。
背景技术：
各种类型的燃烧器已为人所知，这些燃烧器用在如联合循环发电 厂一类的系统中。用于这类系统的燃烧器通常都设计成使排放物(例 如，氮氧化物和一氧化碳排放物)最低化。在大多数烧天然气系统中， 都用贫燃预混合火焰操作燃烧器。在这些系统中，用处于燃烧区域上 游的预混合装置混合燃料和空气，用于产生处于贫燃状态下的预混合 火焰以减少燃烧器的排放物。
通常，这样的预混合装置要获得足够的火焰稳定性裕度 (FLAMEHOLDINGMARGIN)是很困难的。在一些燃烧器中，增加处于预 混合装置的混合区内的燃料-空气混合物的平均速度以提高这类装置 的火焰稳定性裕度。但是，这会导致在燃烧器上有相对高的压力降， 从而降低了燃烧器效率。
因此，需要提供一种预混合装置，该预混合装置既能提高燃烧器 的火焰稳定性裕度，又能在燃烧器上维持可接受的压力降。此外，希 望提供一种预混合装置，该预混合装置能增强燃烧器的抗回火性，并 能使用多种燃料。
发明内容
简单地讲，本发明的一个实施例提供了一种预混合装置。该预混 合装置包括构造成将燃料引入预混合装置的燃料进口和构造成将空气 引入预混合装置的空气进口 。该预混合装置还包括多个旋流器叶片， 该多个旋流器叶片构造成为燃料和/或空气提供旋流运动以利于燃料 和空气混合形成气态预混合物，其中，所迷多个旋流器叶片中每个旋 流器叶片的形状选择成控制预混合装置中的燃料和/或空气的轴向速 度分布。本发明的另一个实施例提供了一种燃烧器。该燃烧器包括预混合 装置，该预混合装置构造成混合燃料和空气以形成气态预混合物。该 预混合装置包括多个旋流器叶片，该多个旋流器叶片构造成为燃料和/ 或空气提供旋流运动以利于燃料和空气混合，其中，所述多个旋流器 叶片中每个旋流器叶片的形状选择成控制预混合装置中的燃料和/或 空气的轴向速度分布。该预混合装置还包括构造成燃烧气态预混合物 的燃烧室。
本发明的又一个实施例提供了一种操作燃烧器的方法。该方法包 括将燃料和空气引入预混合装置和控制预混合装置内的燃料和/或空 气的轴向速度分布以形成气态预混合物。该方法还包括在燃烧室内燃 烧气态预混合物。
阅读下面的详细描迷并参考附图可对本发明的这些和其它特征、 方面以及优点有更好的理解。在所有附图中，相似的附图标记代表相
似的部件，其中
图l是根据本发明技术的多个方面的燃气轮机系统的示意图； 图2是一种根据本发明技术多个方面的具有预混合装置的燃烧器
的示意图，该燃烧器用在图l所示的燃气轮机系统中；
图3是具有旋流器叶片的预混合装置的一个示例性结构的示意图， 该预混合装置用在图2所示的根据本发明技术的多个方面的燃烧器中；
图4是图3所示的根据本发明技术的多个方面的旋流器叶片的示例 性结构的示意图5是图4所示的根据本发明技术的多个方面的旋流器叶片的另一 个示例性结构的示意图6是穿过预混合装置中心体端部的环面的示例性轴向速度分布 的示意图，该预混合装置用在图2所示的根据本发明技术的多个方面的 燃烧器中。
图7是带有常规旋流器的预混合装置的燃料/空气不混合度的示例 性结果的曲线图8是低旋流预混合装置的燃料/空气不混合度的示例性结果的曲 线图；图9是图4所示的预混合装置的燃料/空气不混合度的示例性结果 的曲线图。
图面说明10燃气轮机
12燃烧器
14压缩机
16环境空气
18压缩空气
20燃料流
22燃烧器排气流
24涡轮
26发电机
28轴
40燃烧器
42预混合装置
44气态预混合物
46燃烧室
48下游处理过程
50旋流器叶片
60预混合装置
62旋流器叶片
64，66燃料孔
70旋流器叶片
72中心体
74j氐旋;危区
76护罩
78高旋流区
90旋流叶片结构
92旋流角度
94中心线
96旋流器叶片
100轴向速度分布102轴向速度基线分布 104有低旋流时的轴向速度 106有定制旋流时的轴向速度
120无旋流预混合装置的燃料/空气不混合度的结果 122离叶片的距离 124 %不混合度 126分布曲线
130低旋流预混合装置的燃料/空气不混合度的结果 132有低旋流时的分布曲线
140定制旋流预混合装置的燃料/空气不混合度的结果 142有定制旋流时的分布曲线
具体实施例方式
如下面所详细论述的，本发明技术的实施例的功能都是为了提高 燃烧器(如用于燃气轮机的燃烧器)的火焰稳定性裕度和抗回火性。 具体地，本发明技术包括调整预混合装置内的燃料和空气的速度分布， 用于获得增强的火焰稳定性和抗回火性。现在参考附图并首先参考图 1，图l示出了具有燃烧器12的燃气轮机10。燃气轮机10包括构造成压 缩环境空气16的压缩机14。燃烧器12与压缩机14成流体相通，且构造 成接收来自压缩机14的压缩空气18并燃烧燃料流20以产生燃烧器排气 流22。另外，燃气轮机10包括定位在燃烧器12下游的涡轮24。涡轮24 构造成使得燃烧器排气流22膨胀以驱动外部栽荷，如发电机26。在该 图示的实施例中，压缩机14由涡轮24产生的动力通过轴"来驱动。
燃烧器12采用了预混合装置，该预混合装置构造成控制燃料和/或 空气的轴向速度分布，用于增强燃烧器12的火焰稳定性和抗回火性。 图2是按照本发明技术多个方面的具有预混合装置42的燃烧器12的示 例性结构40的示意图，该燃烧器12用在图1所示的燃气轮机系统10中。 如图所示，燃烧器40包括预混合装置42,预混合装置"构造成混合燃 料20和空气18以形成气态预混合物44。此外，燃烧器40包括燃烧室46， 燃烧室46构造成燃烧气态预混合物44以形成燃烧器排气流22。此外， 燃烧器排气流22被导向下游处理过程48，如被导向涡轮24 (见图l)以 用于驱动外部栽荷26 (见图l)在这个示例性实施例中，预混合装置42包括多个旋流器叶片50， 所述叶片构造成为燃料20和/或空气18提供旋流运动以利于燃料20和 空气18混合。此外，所述多个旋流器叶片50中每个叶片的形状选择成 控制预混合装置42内的燃料20和/或空气18的轴向速度分布。在一些实 施例中，所述多个旋流器叶片50中每个叶片的形状选择成控制预混合 装置42内的燃料20和/或空气18的周向速度分布。图3是用在图2所示的 根据本发明技术的多个方面的燃烧器40中的预混合装置60的示意图， 该预混合装置包括具有示例性结构的旋流器叶片，如由附图标记62所 代表的旋流器叶片。预混合装置60接收来自压缩机14的压缩空气18。 此外，在这个例子中，预混合装置60还接收穿过燃料孔的燃料20,这 些燃料孔(例如由附图标记64和66所代表的)置于该多个旋流器叶片 62上。在一些实施例中，可以将燃料20引入成其它结构的喷嘴中，燃 料20的例子包括碳氢燃料，或者合成气燃料，或者一氧化碳，或者碳 氢燃料混合物，或者含有氢的燃料，或者含有一氧化碳的燃料，或者 含有惰性物的燃料，或者它们的组合物.
在该图示实施例中，多个旋流器叶片62的形状选择成使得叶片62 为靠近预混合装置60中心体的燃料20和/或空气18提供相对低的旋流。 在一个示例性实施例中，所述多个旋流器叶片62中每个叶片的旋流角 调整成控制预混合装置内的燃料20和/或空气18的轴向速度分布。在一 些实施例中，所述多个旋流器叶片62中每个叶片的旋流角是大约0度到 大约60度。在一个示例性实施例中，所述多个旋流器叶片62中每个叶 片的旋流角是大约20度，
此外，该多个旋流器叶片62可以包括不同的旋流角，如上面所描 述的，所述多个旋流器叶片62的形状选择成使得叶片62为靠近预混合 装置60中心体的燃料20/空气18混合物提供相对低的旋流。具体地，旋 流器叶片62的这种结构利于增强燃料-空气混合并提高预混合装置的 火焰稳定性裕度。此外，旋流器叶片62的形状选择成使得它既能增强 装置60的抗回火性，同时又能减少该预混合装置60上的压力降。
图4是图3所示的根据本发明技术多个方面的旋流器叶片62的示例 性结构70的示意图。在该图示实施例中，旋流器叶片62的形状选择成 为靠近预混合装置60 (见图3)中心体72的燃料20 (见图2)和/或空气 18 (见图2)提供相对低的旋流以形成低旋流区74。另外，旋流器叶片62的形状选择成为靠近预混合装置60的护軍76的燃料20和/或空气18 提供相对高的旋流以形成高旋流区78。有利地，在护革76附近(大部 分燃料20和空气18从此处流过)的高旋流加强了燃料-空气的混合。此 外，靠近中心体72的低旋流减少了预混合装置60的燃烧器管的压力损 失。
应当注意的是，可以选择多种形状和尺寸的旋流器叶片以分别形 成低旋流区74和高旋流区78。例如，可以调整每个旋流器叶片62的旋 流角以控制预混合装置60内的燃料20和/或空气18的轴向速度分布和 周向速度分布。图5是图4所示的根据本发明技术的多个方面的旋流器 叶片70的另一种示例性结构90的示意图。在这个示例性实施例中，相 对于旋流器叶片96的中心线94的旋流角92调整成使预混合装置60内的 燃料20和/或空气18获得想要的轴向和周向速度分布。在一些实施例 中，旋流角92为大约0度至大约60度。在一个示例性实施例中，旋流角 92为大约20度。此外，该多个旋流器叶片62 (见图3)的每一个可具有 不同的旋流角92。
图6的示意图示出了预混合装置42中心体端部处的环面上的示例 性轴向速度分布IOO,该预混合装置42用在图2所示的根据本发明技术 的多个方面的燃烧器40中。在这个示例性实施性中，分布图102代表用 在预混合装置42上的现有旋流器的示例性轴向速度分布，该旋流器没 有定制旋流器叶片50 (见图2)。此外，分布图104代表有旋流器叶片 50时的示例性轴向速度分布，该旋流器叶片50具有相对低的旋流角92 (见图5)，用于降低燃料20和/或空气18的旋流(见图2)。此外，分 布图106代表有旋流器叶片50时的示例性轴向速度分布，该旋流器叶片 50用于为靠近预混合装置60的中心体72的燃料20和/或空气18维持相 对低的旋流，并对靠近预混合装置60的护革76的燃料20和/或空气18维 持相对高的旋流。这样的配置能有利地增强燃料-空气的混合，并减少 预混合装置60内的压力降。此外，它提高了火焰稳定性裕度，同时还 增强了火焰的抗回火性。图7-9分别图示了带有常规旋流叶片的预混合 装置的燃料/空气不混合度的示例性结果、低旋流预混合装置的燃料/ 空气不混合度的示例性结果、以及带有定制旋流器的预混合装置的燃 料/空气不混合度的示例性结果。
图7是使用常规旋流器的预混合装置的燃料20/空气18的不混合度的示例性结果120的曲线图。横坐标轴122代表离预混合装置叶片的距 离，纵坐标轴124代表燃料20/空气18的不混合度的百分比124。在这个 示例性实施例中，曲线126代表位于燃料20喷射下游的不同轴向位置的 燃料20/空气18的不混合度。图8是低旋流预混合装置的燃料20/空气18 的不混合度的示例性结果130的曲线图。在这个示例性实施例中，曲线
20/空气18的不:^^il在该图;实施例中，叶片的y流角e为大约2(ii。 图9是图4所示的预混合装置70的燃料/空气的不混合度的示例性 结果140的曲线图。在这个示例性实施例中，曲线142代表在定制旋流 状态下位于燃料20喷射下游的不同轴向位置的燃料20/空气18的不混 合度 在该实施例中，叶片62的形状和尺寸选择成为靠近中心体72(见 图4)的燃料20和/或空气18提供相对低的旋流，并为靠近护軍76 (见 图4)的燃料20和/或空气18提供相对高的旋流。在该实施例中，对于 用于定制旋流的叶片设计，燃料20/空气18的混合度维持在大约87%的 高值，相比之下，常规旋流预混合装置为93%而低旋流预混合装置为大 约74%。此外，与带有常规旋流器的预混合装置相比，使用了图4的叶 片设计的燃烧器管的全部压力降减少了大约40%。
上文所描述的方法的不同方面可用于不同的应用(例如用在燃气 轮机中的燃烧器)中。如上面所说明的，使用了上面所描迷的旋流器 设计的预混合装置中而实现的轴向和周向速度分布调整有利于提高火 焰稳定性裕度，而不会恶化预混合装置的燃料空气混合。此外，旋流 器叶片的形状选择成使得它增强了该装置的抗回火性，同时减少了穿 过预混合装置的压力降。另外，上面所描述的预混合装置可以使用多 种燃料，从而提高了本系统的燃料灵活性。
虽然在此仅图示和描述了本发明的某些特征，但是本领域的技术 人员仍会想到许多改进和变化。因此，可以理解的是所附的权利要求 旨在覆盖落入到本发明精神范围内的所有改进和变化。
权利要求
1. 一种预混合装置，包括燃料进口，该燃料进口构造成将燃料引入该预混合装置；空气进口，该空气进口构造成将空气引入该预混合装置；以及多个旋流器叶片，该多个旋流器叶片构造成为燃料和/或空气提供旋流运动以便于燃料和空气混合形成气态预混合物，其中，所述多个旋流器叶片中每个旋流器叶片的形状选择成控制该预混合装置中的燃料和/或空气的轴向速度分布。
2. 如权利要求l所述的预混合装置，其中所述多个旋流器叶片 中每个旋流器叶片的形状选择成使得该叶片为靠近预混合装置的护罩 的燃料和/或空气提供相对高的旋流。
3. 如权利要求2所述的预混合装置，其中所述多个旋流器叶片 中每个旋流器叶片的形状选择成使得叶片为靠近预混合装置的中心体 的燃料和/或空气提供相对低的旋流。
4. 如权利要求l所述的预混合装置，其中所述多个旋流器叶片 中每个旋流器叶片的旋流角调整成控制该预混合装置中的燃料和/或 空气的轴向速度分布。
5. 如权利要求4所述的预混合装置，其中所述多个旋流器叶片 中每个旋流器叶片的旋流角为大约0到大约60度。
6. 如权利要求2所述的预混合装置，其中所迷多个旋流器叶片 中每个旋流器叶片的形状构造成提高预混合装置的燃料-空气混合和 火焰稳定性裕度。
7. 如权利要求l所述的预混合装置，其中该燃料包括碳氢燃料， 或者合成气燃料，或者一氧化碳，或者碳氢燃料混合物，或者含有氢 的燃料，或者含有一氧化碳的燃料，或者含有惰性物的燃料，或者它 们的组合物。
8. 如权利要求l所述的预混合装置，其中所述多个旋流器叶片 中每个旋流器叶片的形状选择成控制预混合装置内的燃料和/或空气 的周向速度分布，或者径向速度分布，或者两种速度分布的组合。
9. 一种燃烧器，其包括预混合装置，该预混合装置构造成混合燃料和空气以形成气态预 混合物，其中，预混合装置包括多个旋流器叶片，该多个旋流器叶片构造成为燃料和/或空气提供 旋流以便于燃料和空气的混合，其中，所述多个旋流器叶片中每个旋 流器叶片的形状选择成控制预混合装置中的燃料和/或空气的轴向速度分布；以及燃烧室，该燃烧室构造成燃烧该气态预混合物。
10. —种操作燃烧器的方法，包括 将燃料和空气引入预混合装置；控制该预混合装置中的燃料和/或空气的轴向速度分布以形成气 态预混合物；以及在燃烧室中燃烧该气态预混合物。
全文摘要
本发明提供一种用于增强火焰稳定性和抗回火性的预混合装置。该预混合装置包括构造成将燃料引入预混合装置的燃料进口和构造成将空气引入预混合装置的空气进口。该预混合装置还包括多个旋流器叶片，该多个旋流器叶片构造成为燃料和/或空气提供旋流运动以便于燃料和空气混合成气态预混合物，其中，所述多个旋流器叶片中每个旋流器叶片的形状选择成控制预混合装置中的燃料和/或空气的轴向速度分布。
文档编号F23D14/02GK101446414SQ20081018237
公开日2009年6月3日 申请日期2008年11月28日 优先权日2007年11月29日
发明者B·P·拉西, B·卓, B·瓦拉塔拉彦, E·伊尔马茨, G·O·克雷默 申请人:通用电气公司