专利名称：用于燃烧设备的涡流预混合器的制作方法
技术领域：
本发明属于燃烧和燃气轮机的领域，特别是用于干低排放的燃气轮机设计领域，更具体地涉及用于将燃料和空气预混合以实现超低燃烧排放的设备和方法。
背景技术：
预混合器能够用于增强能量释放/转换系统(例如用于为燃气轮机发动机或发电机提供动力的燃烧器)中的火焰稳定性。为了简便，本公开始终使用术语“燃烧器”，但是应当理解本公开更加普遍地涉及能够根据操作条件作为燃烧器或燃料重整器以及专用燃烧器和重整器设备操作的能量释放/转换系统。除非文中另外明确要求，否则术语“燃烧器”、“重整器”和“能量释放/转换系统”应该被认为完全可互换。当前现有技术中使用的预混合器包括置于燃烧器入口处的“毂和辐条”构型的单元，例如通用电气、Pratt&Whitney、西门子所采用的那些单元,其中燃料通过毂供应,喷射出径向辐条并且/或者集成到旋流叶片中。这些预混合器的辐条具有多个横向于燃烧器入口的尺寸均匀的轴向孔。这些预混合器的设计倾向于使它们对于特定燃料-空气动量流量比最优化。因此，这些预混合器在狭窄的功率带中最佳地工作，并且没有在整个发动机操作包线上提供最均匀的燃料-空气混合物。系统会产生太贫或太富的燃料-空气区域，从而不利地影响排放。因此，看上去可以通过重新设计与这些系统协作使用的预混合设备在更宽的操作条件范围上更好地工作而进一步改进能量释放/转换系统的操作。在公知为“驻涡”燃烧器(TVC，在本公开中稍后讨论)的一类燃烧设备中，在燃烧区域中，例如在钝体之间或者燃烧器的壁中提供腔，在腔中将形成涡流和/或其它湍流，从而稳定贫混合物的燃烧。例如参见授予Roquemore等人的美国专利No. 5，857，339。燃料和/或空气可通过离散的喷射器喷入驻涡腔中，以引起该区域中更大的混合并且进一步提高火焰稳定性。离散的燃料和空气喷射器可例如位于由燃烧腔的壁限定的驻涡区域的前壁和后壁上。例如参见Burrus的美国专利No. 5，791，148。Haynes等人的GE全球研究“用于下一代燃气轮机的先进燃烧系统，最终报告(Advanced Combustion Systems for Next Generation Gas Turbines, Final Report)，，，2006年I月(DE-FC26-01NT41020)描述了与Burrus描述的燃烧器布局类似的燃烧器。在Haynes等人公开的某些实施例中，作为前述离散的燃料和空气入口的替代，燃料和空气可以预混合，通过入口锥并且/或者通过燃烧腔的前壁或后壁引入。在入口锥和燃烧腔中都引入预混合物的实施例生成了堆积的双涡流，以及高度湍流混合。在描述了另一 TVC实施例的美国专利No. 7，603，841中，Steele等人公开了一种具有入口预混合以及向由钝体部分地限定的燃烧腔中喷射的后喷射器的燃烧器。在该实施例中，后喷射器指向与进入的预混合物流相反的方向，以引起湍流涡流混合。至今为止，向燃烧腔中喷射燃料、空气和 /或预混合的燃料和空气的所有的TVC设计已经设计为引起湍流，从而导致形成额外的涡流，或者以其它方式增加涡流腔中的湍流混合。例如，Haynes等人的图3-7示出了每个TVC腔中的双驻涡。在这些腔中会发生的“自然”流动会是单涡流，该“自然”流动指的是在缺少预混合物喷射的情况下在腔中会自然发生的流体流动，假定流动以其它方式通过燃烧器的主流径发生。在Haynes等人的图3-7所示的情况下，所示“双涡流”中的第二涡流由预混合物喷射到TVC腔中而生成，不会以其它方式存在。在其它情况下，例如在仅提供单个涡流的情况下，所示的主涡流可能以其它方式存在，但是基本通过添加预混合物的冲击而修正，例如通过从其在腔中的自然位置平移运动，形成更多的湍流，或者以其它方式基本变形。Rakhmailov 共同转让的美国专利公报 2008/0092544A1 (RakhmaiΙον’ 544 公报)公开了一种预混合器，该预混合器与根据共同转让给Rakhmailov等人的美国专利No. 7, 086, 854 (RakhmaiIovj 854)的公开设计的燃烧器组合配置。Rakhmailov’ 544公报中的预混合器仅在燃烧器的入口处配置。该燃烧器的入口具有高流体流动速度，因而在高速度环境中进行入口预混合。虽然在Rakhmailov’ 544公报中描述的设计向Rakhmailov’ 854中描述的再循环涡流燃烧器添加入口预混合器，但是两个公开都没有包含用于直接向涡流腔中喷射燃料、空气和/或预混合的燃料和空气的任何设备。实际上，Rakhmailov’ 854明显教导不允许燃料进入再循环涡流腔中的热再循环气体中，阐述了湍流机械混合能够减小整体再循环速度，导致不均匀的燃料分布，并且降低再循环流动加入入口流动处的温度，这与Rakhmailov ‘854的设计目的相背。Roquemore 等人、Burris、Haynes 等人、Steele 等人、Rakhmailov ^854 和Rakhmailov ‘544公报的全部相应公开均为了所有目的通过引用全部结合于此。理想的是在多个方面中改进现有技术。首先，理想的是通过使用于任意类型的燃烧器的入口预混合器更加适于宽范围的操作条件而改进该预混合器。其次，理想的是在燃烧器的涡流区域中提供预混合而增强而不是扰乱正常涡流。第三，理想的是提供用于有利地彼此结合地使用入口预混合器和涡流预混合器的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种在燃烧器中使用的优良的燃料一空气预混合设备和方法。该预混合器设备的期望属性包括该预混合器应该在燃烧器入口的截面区域上提供均匀的燃料分布。该预混合器应该在宽的发动机操作条件范围上提供均匀的燃料一空气混合物。该预混合器应该提供短的预混合长度。该预混合器应该与宽范围的燃料相容，包括在燃气轮机中使用的所有气体和液体燃料。该预混合器应该提供低排放产生。该预混合器或者单独的预混合器应该可修改以有助于稳定TVC的驻涡腔中的燃烧，与所设计的TVC的流动模式一致，流动模式包括所利用的低湍流模式。应该可以协调在设计中利用的任何多个预混合器的操作，以在系统的操作范围上提供最好的操作。所提供的该预混合器系统和方法应该能适用于宽范围的应用。在一个实施例中，这些目的可以通过提供入口预混合器组件实现，该入口预混合器组件包括毂、多个径向辐条和多个附接到辐条上的、具有多个径向指向的喷射孔的、同心的空气动力学喷射圈。喷射孔设有多个不同直径，以有利于在宽功率范围上的良好混合。由于构造和孔尺寸，组件与气体和液体相容。由于在截面区域上的燃料喷射位点数量较多，径向、同心喷射结构允许短的喷射路径。在第二方面中，为了与驻涡反应器设计结合使 用，可以提供另一预混合器实施例，其将预混合的燃料和空气以与系统设计的腔中流动模式相容的方式直接喷射到驻涡腔中。当与再循环涡流设计结合使用时，该预混合器能够布置成使得预混合的燃料和空气以平滑连续的方式切向加入涡流，并且/或者加强环状部中的燃烧。在其它设计中，预混合物可以在一个以上的TVC位置沿着与引入区域中的局部涡流一致的一个以上的方向引入。对于上述两个实施例还可以提供彼此结合使用的方法，它们的设定彼此协调调节以用于操作期间的燃料分级。已经以该方式实现了极低的排放结果。在其它实施例中，提供可选的燃烧腔布局用于实践在驻涡(TVC)燃烧设备中的燃料分级，包括入口预混合器和一个以上的涡流预混合器，该入口预混合器用于将燃料一空气混合物喷入燃烧设备的入口中，涡流预混合器用于将燃料一空气混合物喷入一个以上的驻涡腔的每一个内的再循环涡流中。由预混合器供料的多个TVC腔例如可布局成轴向、径向、周向、内部或者这些布置的组合。这些布局可以与燃料分级方法结合使用，由此通过入口预混合器和相应的涡流预混合器引入的混合物的相对比例能够根据操作条件改变。根据本发明的燃烧设备和方法可用于所有燃气轮机应用，包括而不限于陆用发电、商用喷气式飞机发动机、用于飞机的辅助动力单元(APU)、整体煤气化联合循环(IGCC)工厂、热电联产(CHP)或废热发电工厂。从附图和之后的详细说明将清楚本发明的其它方面和优点。
为了更加完整地理解本发明及其优点，现在结合附图参照以下描述，附图中类似的附图标记表示类似的部件，其中图I是根据本发明的某些实施例的、结合有两个不同预混合器装置的环筒燃烧器从入口侧到出口侧的立体截面图。图2A示出了图I所示的入口预混合器的截面图，图2B示出了包括该预混合器的辐条和圈元件的详细截面图。图3是图2A和2B所示的入口预混合器的另外的截面图，还示出了在喷射圈中燃料喷射孔口的设置。图4是图I所示的涡流预混合器的环状部从外部的局部剖切立体图。图5示出了与在驻涡腔中具有直线壁的TVC组合使用的涡流预混合器的可选实施例。
图6A-6C不出了根据本发明一个实施例的燃料分级策略的不例，图6D-6E是火焰温度vs发动机功率的对应曲线图。图7A-7D示出了结合有多个TVC腔的多种 燃烧器布局可以与各个可控的入口预混合器和涡流预混合器结合使用。
具体实施例方式以下是对本发明的某些实施例的详细描述，选择这些实施例以提供如何可以有利地实施本发明的示例。本发明的范围不限于描述的具体实施例，也不限于附图中所示或者发明内容或摘要中阐述或描述的任何具体实施、组成、实施例或特征。此外，应注意，本公开描述了均包括多个步骤的多个方法。本说明书中包含的任何内容都不应理解为暗示这些方法中的步骤的任何必需顺序，除非由权利要求语句明确地规定。本公开可适用于任何燃气轮机燃烧器或反应室。本公开的某些方面与具有用于气体燃料或携带气体的液体燃料和氧化剂(空气)的入口的任何能量释放/转换系统相关。其它方面也是相关的，只要能量释放/转换系统具有TVC特征，如下所述。在多种能量释放/转换设备中，燃烧器和反应室在一些方面具有基本稳定状态的涡流循环，涡流循环至少部分地位于从燃烧器入口到出口的直接流径之外。这里使用术语“驻涡燃烧器”(TVC)来表示本公开可应用的一类设备，该术语将用来最普遍地指代具有这类特征的能量释放/转换系统(燃烧器和/或重整器)，含有涡流的燃烧器的内部将称为“驻涡反应腔”。驻涡腔可容纳一个涡流、双涡流或多个涡流。驻涡腔可具有连续的弯曲壁，或者其可具有直线或其它形状的壁，或者形成在钝体之间，或者是壁和钝体的组合。燃烧器或反应室还可具有多个驻润腔。之前讨论了根据Roquemore等人、Burris、Haynes等人、以及Steele等人的TVC实施例的示例。在RakhmaiIov’854中公开的能量释放/转换系统尽管在材料方面与那些TVC不同，但是为了本公开中采用的术语的目的也应认为是TVC。根据反应器设计，额外的考虑能够与TVC相关。涡流通常设计为帮助保持燃烧器的火焰稳定性。一些设计还依赖于利用低湍流特性以帮助实现均匀混合，允许贫混合物在较低的燃烧温度点燃，从而改进排放。实际上，能量释放/转换系统的操作可受到波动和扰动，例如由于燃料流动或压缩机流动的不连续性、小表面不连续性、或者数据异常，该数据异常是当真实流体以高速度沿着真实机器表面动态行进并且彼此实时化学反应的时候连续层流的小偏差产生的不可避免的结果。这些波动和不连续性能够不时地导致火焰不稳定。在燃烧(或重整)之前燃料和空气的彻底混合能够用于改进这些设计以及其它设计(其中可以在引入燃料-空气混合物之后允许或促进湍流)的排放性能和稳定性。在TVC设计中，主入口上游的预混合器已经用于帮助混合燃料和空气。然而，试验表明有相当大的空间来改进这些入口预混合器设计的性能。在某些TVC设计中，燃料、空气和/或预混合的燃料和空气已经直接喷射到燃烧涡流中，以使整个燃烧器操作稳定。例如，某些这类设计的目的是使用涡流预混合器、或者离散地喷射燃料和/或空气，以引起一个以上的额外涡流(否则会存在更少或仅有一个的涡流)，以产生更多的混合湍流，并增加TVC涡流腔中流体的停留时间。然而，之前实践的这类燃料或混合物的直接喷射(其中燃料、空气和/或预混合的燃料和空气扰乱性地喷射到自然涡流)能够导致不规则的混合和热点，并且对于排放控制不是最优的。
从而，在本领域中除已经实践之外的另外不同的模式能够是有利的，对于TVC (包括低湍流TVC)和非TVC设计都是如此。然而，为了成功地使用预混合器，有些问题必须克服。通常从压缩机向能量释放/转换系统供给处于压缩状态的燃烧空气。在作为压缩机输出的特征的较高的压力和温度下的预混合的燃料和空气趋于是高度爆炸性的。为了避免该爆炸，该环境中的预混合可以以在将预混合物引入燃烧室之前减少预混合物的停留时间的方式执行。这意味着预混合设备应当优选可行地接近燃烧器入口(短预混合长度)，而同时为期望的预混合水平提供足够的停留时间(可通过具有小的预混合规模而部分实现)。因此，用于实现快速均匀预混合的构造是优选的。另外，预混合器优选应该与系统设计的其它部分相容。例如，在低湍流系统中，预混合器应该不依赖或者引入与整个系统设计不一致的大规模湍流。在其它TVC设计中，预混合器应该以与期望的腔流场一致的方式引入混合物。 考虑到前述原理和评论，已经研发了两个互补的预混合器设计。图I是根据本发明的某些实施例的、结合有两个不同预混合器装置的示例21和31的燃烧器从入口侧到出口侧的立体截面图。图I的燃烧器在内部构造轴对称的同时，是“筒式”设计(有时称为“环筒”，但是区别于“全环”设计)，使得在图I中均部分示出的多个这样的“筒”能够布置成圆形构造，它们的出口共同围绕大涡轮机指向。这样的布置一般用于为用于发电应用的大规模燃气轮机(例如涡轮机的轴驱动大发电机的情况)提供动力。虽然图I和4集中于筒式设计，但本领域技术人员会认识到，该设计的原理可容易地适于“全环”燃烧器设计，其中单个环形燃烧器被设计为与例如涡轮机的环形流体入口匹配。除了大规模发电涡轮机之外，全环设计可例如用于商用喷气飞机发动机和辅助动力单元(APU)。所有这些构造和它们所支持的应用处于本发明的范围内。图I所示的实施例中的筒式燃烧器具有入口 6、出口 5、再循环区域7和脱离点14。在三维空间中，再循环区域7形成了围绕从入口 6到出口 5的主流动轴线的环状结构，在该环状结构中涡流22将在燃烧器操作期间再循环，燃烧气体的一部分在点14处脱离并且沿着弯曲壁23在弯曲壁23内围绕环状部7再循环而再加入入口 6。被压缩的燃烧空气在入口 6上游的压缩机入口 10处引入。入口预混合器21位于压缩机入口 10与燃烧器入口 6之间。在该实施例中，大致锥形的钝体3和4设置在预混合器21与燃烧器入口 6之间，以提供喷嘴来加速离开预混合器21的预混合物。(然而，注意在环形设计中，取代的是，钝体可以是围绕整个环形燃烧器入口环状延伸(为渐缩圈)的“2D”元件，而不是如图所示形成锥形结构。)在该实施例的其它细节中，钝体3、4抵靠板11终止，板11在三维空间中在入口区域6的中心形成圆形壁；钝体3、4由周向布置在入口区域6内的径向辐条17支撑；孔16设置在板11中，用于壁冷却(泄流、撞击泄流等);在燃烧器入口的上游设有压力端口 12 ;用于点火器(未示出)的安装点15设置在环状部的壁中。而且在该实施例(即，筒式燃烧器)中，燃烧器容纳在大致筒形的外壳41中。在所示实施例中，还设置第二预混合器31 (涡流预混合器)。第二预混合器向再循环空间7中喷射，但是其方式与现有技术中实践的预混合的燃料和空气的喷射不同。在现有技术的涡流预混合器中，预混合的空气和燃料以计算出的方式被引入TVC腔中，而生成一个以上的额外全新的涡流，或者大大扰乱自然存在的涡流的流场。在所示实施例中，将预混合的燃料和空气喷入涡流区域被设计成增强腔中的自然涡流，例如，在与腔中的自然再循环流动相切并且同向的方向上沿着外部壁引入 腔中。从而，其增强了涡流流动，而没有扰乱或者明显增加湍流。应理解的是，虽然图I示出了就位的预混合器21和预混合器31，但是可以设置预混合器21或31中的任一个而取消另一个，尽管在本公开的稍后讨论中存在有利地具有两个预混合器的操作模式。在一个实施例中，涡流预混合器31包括多个燃料喷射器，所述燃料喷射器均围绕环状部7的外壁的周边布置，相对于燃烧器出口的方向切向指向，靠近环状部7的上死点因此近似与其相切，从而与环状部7中的流体的自然再循环流动同向地喷射预混合物。在图I的截面图中仅示出了一个这样的喷射器，但是应当理解通过围绕环状部7的周边并排的类似喷射器来复制喷射器结构。现在将进一步详细地描述两个预混合器系统。入口预混合器图2A、2B和3示出了入口预混合器21的进一步细节。在预混合器21反映的实施例中，燃料(可以是气体或液体燃料)在燃料入口 13处引入中心毂1，并且经由四个径向辐条19等流出至安装在燃料辐条上的四个同心圈2A、2B等中。燃料与轴向成O — 90度范围内的角度(正或负(即，根据具体的圈对而远离或者朝向轴线)，但是在任何情况下都使得角度的绝对值在O — 90度的范围内，更优选地与轴向成30 - 90度角)喷射到形成在相邻的圈2A、2B等之间的环形通道内，进入来自压缩机的高速空气中。同心圈2A、2B等和辐条19是空气动力学形状的，如图2B所示。圈的数量应该在2到大约5的范围内，并且应该优选提供小于50%或者更优选小于40%的流动阻塞。圈2A、2B等中的燃料孔口(孔)201,202等被选为提供燃料至进入空气的足够渗透，从而在发动机的操作包线上提供最彻底混合(最小未混合水平)的混合物。因此，它们有不同的尺寸/直径，从而以负荷曲线上的不同点为目标。在替代实施例中，燃料能够从圈结构的外径212而不是毂211供给到辐条。优选地，孔201和202定向为沿主要径向方向将燃料喷射到交叉流动的压缩机空气中。在该实施例中，为了容易制造，孔被定向为相对于轴向成近似±70度。然而，该角度不是关键的。通常，角度范围能从大约±0度到大约±90度；优选在大约±60度与大约±90度之间；更优选为大约±90度。孔尺寸是不均匀的，为了不同功率范围，即不同燃料一空气动量流量比水平中的更优性能而提供不同尺寸的孔。不同的孔尺寸能够通过冷流动混合实验、CFD或经验公式、或者它们的任意组合而确定。孔的总数量可以大于传统预混合器中的对应数量。在一个构造中，孔尺寸被选为提供三个不同尺寸的多个孔，它们适于分别在低、中和高功率带中给出最优的混合。例如，小孔可以定尺寸为用于优化的低功率操作(O - 30%发动机负荷)；中间孔可以定尺寸为用于优化的中等功率操作(O - 70%发动机负荷)；大孔可以定尺寸为用于优化的高功率操作(70 - 100%发动机负荷)，并且组合使用以在整个功率范围上提供最均匀的混合。优选地，在两个相邻圈上跨过由这两个圈限定的环形通道，每个孔与不同尺寸的孔成对。每个上述孔直径(在本示例中为三个不同直径，不过可以是更大的数)可以近似均匀地周向分布，以确保在预混合物入口的横截面区域中最均匀的混合物。图3中示出了一个示例性孔布局。角度Xl和X 2 (图中未示出)是径向角度孔偏移。下表作为一个可能的不例不出了对于所不实施例中的八排孔的四分之一的孔布局
权利要求
1.预混合器与TVC反应器的组合，所述预混合器包括燃料入口、空气入口、在其中混合燃料和空气的室、以及用于燃料-空气混合物的出口 ；所述TVC反应器包括至少一个驻涡腔，所述至少一个驻涡腔的形状和尺寸形成为使得通过所述反应器的流体的主流动足以引起在所述腔内循环的涡流，而与来自所述预混合器的燃料-空气混合物的任意流动无关；其中所述预混合器定位在所述TVC反应器上，使得所述出口将所述燃料-空气混合物直接引入所述驻涡腔中，并且使得所述燃料-空气混合物以使得所述燃料-空气混合物与所述涡流流动近似同向地加入所述涡流流动的角度被引入所述驻涡腔中。
2.如权利要求I所述的预混合器和TVC反应器，其中，所述驻涡腔具有位于所述反应器的入口和出口之间的弯曲壁，其中所述预混合器还包括至少一个喷射管，所述至少一个喷射管与所述弯曲壁相切定向，并且从所述反应器的外部穿过所述弯曲壁延伸到所述驻涡腔中。
3.如权利要求2所述的预混合器和TVC反应器，其中，所述TVC是筒式燃烧器，还包括围绕所述TVC的径向周边周向布置的多个所述喷射管。
4.如权利要求2所述的预混合器和TVC反应器，其中，所述TVC是环形燃烧器，还包括围绕所述TVC的环形周边布置的多个所述喷射管。
5.如权利要求3所述的预混合器和TVC反应器，其中，所述驻涡反应室中的涡流流动是从出口到入口，并且其中喷射管的所述周向布置位于在所述燃烧器的轴线的平面中取得的、从所述周边的大约中点朝向所述出口延伸的四分之一圆中。
6.如权利要求3所述的预混合器和TVC反应器，其中，所述多个喷射管是大约100个管，每个所述管具有大约O. 1-0. 2英寸的直径。
7.如权利要求I所述的预混合器和TVC反应器，其中，所述驻涡腔具有限定直线截面的壁，其中所述预混合器进一步定向成将所述燃料-空气混合物从至少一个入口与所述涡流基本同向地引入所述腔中。
8.如权利要求7所述的预混合器和TVC反应器，其中，所述TVC是环形燃烧器，还包括围绕所述TVC的环形周边布置的多个所述喷射管。
9.一种组件，包括如权利要求I所述的预混合器和TVC反应器，还包括燃气轮机，所述组件适于发电。
10.一种组件，包括如权利要求I所述的预混合器和TVC反应器，还包括燃气轮机，所述组件适于用作用于飞行的推进喷气发动机。
11.一种组件，包括如权利要求I所述的预混合器和TVC反应器，还包括燃气轮机，所述组件适于作为辅助发电单元。
12.—种组件，包括如权利要求I所述的预混合器和TVC反应器，还包括燃气轮机，所述组件适于作为用于热电联产工厂的燃烧涡轮机。
13.—种组件，包括如权利要求I所述的预混合器和TVC反应器，还包括燃气轮机，所述组件适于作为用于整体煤气化联合循环工厂的燃烧涡轮机。
全文摘要
在一个实施例中，提供预混合器用于例如与驻涡(TVC)燃烧器一起使用，该预混合器将预混合的燃料和空气以与腔中的自然涡流流动相容的方式直接喷入再循环涡流中。
文档编号F23R3/30GK102713441SQ200980162280
公开日2012年10月3日 申请日期2009年11月30日 优先权日2009年9月13日
发明者D·W·肯德里克 申请人:贫焰公司