专利名称：贫燃料直接喷射燃烧系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃气涡轮机，更具体地，涉及使用壳管式热交换器概
念将燃料和空气运送至燃烧器的贫燃料直接喷射(LDI)燃烧系统。
背景技术：
大多数燃烧过程在某方面或另一方面具有回流流场。该回流流场 趋于使燃烧反应区稳定，但对于燃烧系统，无谓地大的回流区可引起 高的氮氧化物(NOx)排放。
用于燃烧的贫燃料直接喷射已经表明具有减少NOx排放的可能 性。然而，建立用以简单地且均匀地喷射许多燃料和空气流的燃烧器 提出了挑战。非预混合式燃烧器通常使用多个燃料通道以将来自扩散 末端的燃料喷射到通过扩散器末端外环的空气中。这就需要具有全部 安装在结构复杂的首端组件中的多个分离的空气和燃料通道的多个 扩散器末端。
本发明的壳管式LDI燃烧系统提供了一种用于容易地建立由许 多LDI喷射器组所构成的燃烧系统的装置，这些喷射器组具有使用类 似于壳管式热交换器设计概念的通过所有通道的均匀的空气和燃料 流。壳管式热交换器包括在其内部具有一束管道的壳体。 一种流体流 经所述管道，而另一种液体通过壳体而在管道上流过，以^_在两种流 体之间传递热量。
发明内容
本发明涉及一种使用壳管式热交换器概念来构造与燃烧系统一 起使用的壳管式贫燃料直接喷射器("LDI")的贫燃料直接喷射(LDI)燃烧系统。根据本发明，LDI喷射器的一侧-壳体或管道_将例如是空
气的氧化剂传送到燃烧器，而LDI喷射器的另一侧将燃料传送到燃烧 器。管道将氧化剂(或燃料，或稀释剂或它们的组合)传送到燃烧器， 而钻入或以其他方式切入到燃烧器端板中的直孔或斜孔允许燃料(或 者氧化剂，或稀释剂或它们的组合)从壳体进入燃烧器。热交换器的构 造技术，例如钎焊或焊接用来装配LDI燃烧系统的构件。
图1是本发明的壳管式贫燃料直接喷射燃烧系统的一个实施例的 局部截面透视图2是图1的壳管式贫燃料直接喷射燃烧系统实施例的另一个局 部截面透视图，其示出了燃烧器端板中的、用于将来自壳体侧的燃料 和来自管道侧的空气引入到燃烧器中的孔；
图2A是示出了用于在燃烧器端部中切割燃料孔和空气孔的两种 不同方法的截面示意图3示出了壳管式LDI燃烧系统的备选实施例，其中，逐渐增大 的壳体设置在彼此的内部，且与对应的管道组一起使用；
图4示出了壳管式LDI燃烧系统的备选实施例，其中，平管或杆 /板或翅状料用来形成管道；
图5A至图5D示出了壳管式LDI燃烧系统的另一备选实施例， 该燃烧系统使用了包括管道组件插入于其内的壳体组件的壳管式LDI 组件。
具体实施例方式
图1是本发明的壳管式贫燃料直接喷射燃烧系统10的一个实施 例的局部截面透视图。该壳管式LDI燃烧系统10包括燃烧器12和将 燃料和例如是空气的氧化剂传送至燃烧器12的壳管式贫燃料直接喷
射器14。壳管式LDI14包括壳体16和定位于壳体16内的一束或多个管道 18。在图1所示的LDI14的实施例中，燃料通过LDI14的"壳体侧" 16传送到燃烧器12，而空气通过LDI14的"管道侧"18传送到燃烧 器12。然而，作为备选方案，两侧中的任一侧可包含燃料、空气、或 稀释剂或它们的任意组合。
图2是图1的壳管式贫燃料直接喷射燃烧系统10的实施例的另 一个局部截面透视图，其示出了在燃烧器12端板中的、用来将来自 壳体侧16的燃料和来自管道侧18的空气喷射到燃烧器12中的两组 孔。
壳体16内的多个管道18自壳体16的第一端板20延伸完全通过 壳体16的内部直至壳体16的第二端板22。第一端板20具有钻入或 以其它方式切入到其中的多个孔24，管道18的第一端26终止于该孔 24。端板20上的多个孔24与壳体16内的多个管道18在数量上相对 应。壳体16的第二端板22也具有钻入或以其它方式切入到其中的多 个孔30,管道18的第二端36终止于该孔30。
邻近壳体16的端板22是燃烧器12的端板或盖32。端板32在图 1和图2中以部分剖视图示出，使得端板32上的用来将燃料和空气喷 射到燃烧器12的孔可以被容易地图示。
空气通过图1和图2所示的燃烧系统10的实施例的LDI14的管 道侧18进入燃烧器12。如图l和图2中可见的，多个孔34钻入或以 其它方式切入端板32中。孔34在数目和定位上与端板22中的孔30 相对应。如此一来，孔34可来将空气喷射到燃烧器12中。为此，壳 体16的第一端板20连接到图1中所示的上游气室40。从上游气室 40来的空气进入端板20中的孔24，且通过管道18经由端板32中的 孔34进入到燃烧器12中。
燃料通过LDI14的壳体侧16进入燃烧器12。壳体16包括燃料 入口 28,燃料通过该燃料入口 28而泵送到壳体16中。壳体16的端 板22也包括与燃烧器12的端板22中的多个燃料孔38相对应的多个燃料孔29。流经燃料孔29且然后流经燃料孔38的燃料喷射到燃烧器 12中，此处该燃料与从连接到管道18的空气孔34喷射到燃烧器12 中的空气混合。如从图2中可见的，对于燃烧器12的端板22中的各 空气孔34而言，存在优选至少一对横跨在端板22两边的燃料孔38。 壳体侧16、燃料入口 28、端板22上的燃料孔29以及通过端板22的 燃料孔38的尺寸已经设置为以便确保整体上一致的孔尺寸，从而将 燃料恰当地输送到燃烧器12。
管道18和壳体16可以钎焊或焊接在一起。空气孔34和燃料孔 38可以用任何传统的方法钻通或切通端板32。在图1和图2所示的 构造中，燃料孔38开始为直的然后在其位于端板32中的出口处成角 度，以将燃料喷射到来自空气孔34的空气流。燃料孔38在图2中示 为离开而进入燃烧器12,但它们可被切割成以便与端板32内的空气 孔相交，从而在进入燃烧器12之前提供空气和燃料的某些预混合。 应当注意的是，燃料孔和空气孔38还可切成或者与通过端板32的引 入管道成直线，或者相对于通过端板32的引入管道完全成某角度。 还应该注意地是，基于优化燃烧系统IO的性能，定位在空气孔34周 围的燃料孔38的数量和位置可以变化。
图2A是示出了用于在燃烧器的端板32中切割燃料孔和空气孔的 两种不同方法的截面图。第一种方法是切出类似于图2所示的那些孔 的、直地通过端板32的孔38A。第二种方法是成一定角度切出空气 孔和燃料孔38B,以便使进入燃烧器的流倾斜。燃烧器周围不同的成 角度管道的组合可用来形成涡流。
LDI14的壳体侧16尺寸设置成用以容纳所期望的许多LDI喷射 器管道18。燃烧系统10可包含一个大的壳管式LDI14，使得LDI14 的端板22为燃烧器12的盖32，或者燃烧器10可包括许多个较小的 壳管式LDI14,它们在燃烧器12的盖32周围以某种形式彼此相邻地 安装。
在燃烧系统10的一个备选实施例中，燃料将在管道侧18传送，空气将在壳体侧16传送，以使得空气喷射到燃料中。另外，燃料侧 或空气侧可具有预混合式空气/燃料混合物而不是使用纯燃料或纯空 气，使得空气和燃料在燃烧器12中的混合更加快速。作为将稀释剂
引入燃烧器12的方式，燃料侧或空气侧还可包含稀释剂的一些组合。 本发明的燃烧系统10的备选实施例可使用多组管道和/或在壳管 式LDI14内的分隔式壳体段(从内部分开)，以允许通过多种不同的LDI 组合使用多种不同的空气/燃料/稀释剂组合。这类实施例的 一 个示例 在图3中示出，其中，彼此内置的逐渐增大的壳体(例如壳体16A至 16G)与相应的管道组一起使用，例如通向端板22中的孔29A至29G 的管道组18A至18G。
本发明的燃烧系统10的另一个实施例可使用由更大量的燃料孔 129所包围的通向气孔130的平管1185如图4A所示，或可使用由大 量燃料孔229或329包围的通向空气孔230或330的杆/板或翅状料(薄 的有褶皱的金属片)218或318，如图4B和4C中所示。该杆/板或翅状 料能钎焊在 一起以将不同的燃料/空气/稀释剂通道隔开。另一个实施 例可具有彼此内置的逐渐增大的管道，管道之间的空间可交替地包含 空气、燃料、稀释剂或它们的一些组合。又一个实施例可使用采用任 意方式组合的多种不同的管道尺寸/形状以优化性能。
图5A至图5D又图示了本发明的壳管式LDI燃烧系统的另一个 实施例。图5A至图5D所示的燃烧系统50包括燃烧器52和壳管式贫 燃料直接喷射器组件54,该喷射器组件54将燃料和空气传送至燃烧 器52。壳管式LDI54包括壳体组件56和定位于壳体組件56内的管道 组件58。
壳体组件56由具有空心中心的大缸体60和两个凸缘62和64组 成。如图5D所示，管道组件58(图5C)插入到该大缸体60的空心中 心内，凸缘62和64焊接在管道60的外部以便为管道60提供强度。
管道组件58由第一端板66、第二端板68和延伸于端板66和端 板68之间的一束或多个管道70组成。第一端板66具有钻入或以其它方式切入其中以用来接收来自上游气室74的空气和燃料的多个孔 72。第二端板68具有用于将空气和燃料喷射到燃烧器62中的多个孔 76和78。管道70延伸于孔72和孔76之间。孔72和孔76的构造类 似于图2所示的孔34和孔38的构造。
附连到壳体组件56的是两个额外的凸缘76和78(图5A和5B), 凸缘76和78用于将组件56分别附连至上游气室69和燃烧器52上 的凸缘80和82。壳体组件56还包括燃料入口 84，燃料通过燃料入 口 84而泵送到壳体组件56中。引入到壳体组件56中的燃料通过端 板68中的孔78而喷射到燃烧器52中。
本发明的壳管式LDI燃烧系统提供了比当前的MNQC喷嘴更低 的NOx排放。实验已经表明，在相似条件下，使用本燃烧系统的NOx 水平小于使用MNQC喷嘴的NOx水平的一半。这可以提供显著的排 放优势和/或对稀释剂需求的减少。本发明的燃烧系统还提供了燃料和 空气的更好的分配，以改善燃烧。它考虑了将喷射器尺寸按比例减少 至非常小的尺寸或按比例增加到大的尺寸。它可用来代替当前的 MNQC技术，或代替当前的DLN技术中的扩散末端。它还可用来在 任何合成气(sungas)发动机上代替当前的MNQC喷嘴，或代替任何当 前的DLN燃烧器中的扩散末端。
尽管已结合目前被认为是最实用和优选的实施例而描述了本发 明，但应当理解的是，本发明并不限于所公开的实施例，相反地，本 发明旨在覆盖包含在所附的权利要求的精神和范围内的不同的修改 和等效设置。
权利要求
1. 一种燃烧系统(10)，包括用于燃烧空气和燃料的混合物的燃烧器(12)，和用于将燃料和空气喷射到所述燃烧器(12)中的贫燃料直接喷射器(14)，所述喷射器包括包括入口(28)的壳体(16)，所述入口(28)用于将空气或燃料泵送到所述壳体(16)中，所述壳体(16)具有连接至所述燃烧器(12)的一个端部(22)，以及定位于所述壳体(16)内的多个管道(18)，所述燃烧器(12)包括端板(32)，所述端板具有用于将来自所述壳体(16)或所述管道(18)的空气喷射到所述燃烧器(12)中的第一组孔(34)和用于将来自所述壳体(16)或所述管道(18)的燃料喷射到所述燃烧器(12)中的第二组孔(38)。
2. 根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述壳体(16) 将燃料运送到所述燃烧器(12)，且所述多个管道(18)将空气运送到所述 燃烧器(12)。
3. 根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述壳体(16) 将空气运送到所述燃烧器(12)，且所述多个管道(18)将燃料运送到所述 燃烧器(12)。
4. 根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述壳体(16) 和所述多个管道(18)分别将空气和燃料、燃料和空气、或空气和燃料 和/或稀释剂的组合运送到所述燃烧器(12)。
5. 根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述壳体(16) 包括第一端板(20)和第二端板(22)，所述第一端板(20)具有切入到所述 第一端板(20)中以用于接收来自连接到所述第一端板(20)的气室(40) 的空气或燃料的第三组孔(24)，所述第二端板(22)连接至所述燃烧器端 板(32)并且包括切入到所述第二端板(22)中以用于将空气或燃料运送至所述燃烧器(12)的第四组孔(30)，所述多个管道(18)延伸于切入到所 述第一端板和所述第二端板(20,22)中的所述第三组孔和所述第四组孔 (24,30)之间。
6. 根据权利要求5所述的燃烧系统，其特征在于，所述壳体(16) 的第二端板(22)包括切入到所述第二端板(20)中以用于将空气或燃料 运送至所述燃烧器的第五组孔(29)。
7. 根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述第二组
8. 根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述第一组 孔和所述第二组孔(34，38)切割成相对于通过所述燃烧器端板(32)的所 述管道(18)成一定角度。
9. 根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述第二组 孔(38)在所述燃烧器端板(32)内以一定角度切割，以便与所述第一组孔 (34)相交，从而由所述第二组孔(38)运送的燃料与由所述第 一组孔(34) 运送的空气相混合。
10. 根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述多个管 道(18)钎焊或焊接到所述壳体(16)上，并且，其中，所述壳体端板(22) 为用于所述燃烧器的盖。
全文摘要
本发明涉及贫燃料直接喷射燃烧系统。一种用于燃气涡轮机的贫燃料直接喷射(LDI)燃烧系统(10)，该燃烧系统使用壳管式热交换器概念来构造用于燃烧系统(10)的壳管式贫燃料直接喷射器(″LDI″)(14)。LDI喷射器(14)的一侧，或壳体侧(16)或管道侧(18)，将例如是空气的氧化剂传送到燃烧器(12)，而LDI喷射器(14)的另一侧将燃料传送到燃烧器(14)。在燃烧器(12)的端板(32)中钻出的直孔或斜孔(34，38)允许燃料进入燃烧器(12)并与正喷射到到燃烧器(12)中的空气相混合。
文档编号F23R3/28GK101532679SQ20091012753
公开日2009年9月16日 申请日期2009年3月12日 优先权日2008年3月12日
发明者B·P·莱西, B·瓦拉萨拉延, E·伊尔梅斯, G·A·博尔德曼, G·O·克雷默, P·梅尔顿, W·S·齐明斯基 申请人:通用电气公司