专利名称：喷射微诱导回流燃烧器的制作方法
技术领域：
本文所呈现的实施例通常涉及用于气体涡轮的燃烧器，且更具体地涉及为了降低的NOx排放物而定制尺寸和形状的燃烧器。
背景技术：
通常而言，气体涡轮发动机包括用于压缩空气的压缩机、用于将已压缩的空气与燃料混合并点燃混合物的燃烧器以及用于产生动力的涡轮叶片组件。已知的涡轮发动机已发展成高度地复杂且先进的装置。众所周知，气体涡轮中的更高的温度导致机器以高的热效率运行。与已知的气体涡轮发动机相关的难题是促进处于高的热效率的运行而不产生不期望的空气排放物。通常由气体涡轮发动机产生的主要空气排放物包括氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO) ^Ox取决于温度，并且，因此，当需要高的燃烧温度时，面临最大的挑战。已提议许多燃烧技术来将NOx和CO降低至个位数，但在接近3150° F的高的燃烧温度，还没有实现将NOx和CO降低至个位数。高的燃烧温度意味着依照降低的量的整体排放物而转换的高的热效率(燃烧更少的燃料来产生每单位动力)。 已试图降低NOx和CO的先前的燃烧技术包括滞点回流燃烧器(SPRFC)、无焰氧化燃烧器(FL0XC0M)以及先进旋涡燃烧器(AVC)。因此，期望一种用于气体涡轮发动机的燃烧器，该燃烧器能够实现高的燃烧温度以及增加的热效率和降低的NO5^P CO的排放物。优选地，降低排放物输出，同时维持或改善气体涡轮发动机的可靠性、效率以及性能。
发明内容
根据一个示范性实施例，公开了一种燃烧器，该燃烧器包括外壳、喷嘴、燃烧衬套以及增压室，该外壳具有纵向轴线，该喷嘴沿着纵向轴线联接至外壳，该燃烧衬套在外壳中形成于喷嘴的一侧，该增压室在外壳中形成于喷嘴的另一侧并配置成提供燃料和氧化剂的输入。喷嘴包括形成于该处的多个燃料和氧化剂的喷口。定制喷嘴和燃烧衬套的尺寸和形状来以高的速度比将燃料和氧化剂的混合流输入燃烧室中，其中，喷射速度大于燃烧衬套内的燃烧平均速度，以增加燃烧衬套内的紊流并降低燃烧排放物。优选地，该燃烧衬套由陶瓷材料构成。优选地，该燃烧衬套内的紊流的增加降低了NOx排放物。根据另一示范性实施例，公开了一种燃烧器，该燃烧器包括外壳、冷却套管、穿孔板、燃烧衬套以及增压室，该外壳具有纵向轴线，该冷却套管设置于外壳内，该穿孔板沿着纵向轴线在中间位置联接至外壳，该燃烧衬套在冷却套管内设置在板的一侧，该增压室形成于板的另一侧并配置成提供燃料和氧化剂的输入。穿孔板包括形成于该处的多个燃料和氧化剂的喷口。定制板和燃烧衬套的尺寸和形状来以高的速度比将燃料和氧化剂的混合流输入燃烧室中，其中，喷射速度大于燃烧衬套内的燃烧平均速度，以增加燃烧衬套内的紊流并降低燃烧排放物。优选地，燃料和氧化剂在增压室中预先混合。根据另一示范性实施例，公开了一种在燃烧器中降低燃烧排放物的方法。该方法包括提供具有纵向轴线的外壳、沿着纵向轴线将喷嘴联接至外壳、在外壳内且喷嘴的一侧设置燃烧衬套以及将增压室设置于喷嘴的另一侧并配置成提供燃料和氧化剂的输入。喷嘴包括形成于该处的多个燃料和氧化剂的喷口。定制喷嘴和燃烧衬套的尺寸和形状来以高的速度比将燃料和氧化剂的混合流输入燃烧室中，其中，喷射速度大于燃烧衬套内的燃烧平均速度，以增加燃烧衬套内的紊流并降低燃烧排放物。优选地，该燃烧器包括喷射微诱导回流罐式燃烧器。参照附图，并在·阅读以下详细的描述和所附权利要求之后，本公开的其他的目的和优点将变得清楚。当结合若干附图和所附权利要求时，基于以下详细的描述的审阅，本申请的这些和其他的特征和改善将对本领域的普通技术人员变得清楚。
当参照附图阅读以下详细的描述时，将变得更好地理解本公开的以上和其他的特征、方面以及优点，在该附图中，类似的符号始终代表类似的部分，其中:
图1是根据一实施例的喷射微诱导回流燃烧器的横截侧视 图2显示了根据一实施例的图1的喷射微诱导回流燃烧器的部分剖开立体 图3是根据一实施例的喷射微诱导回流燃烧器的一部分的横截侧视 图4是穿过根据一实施例的喷射微诱导回流燃烧器的燃烧室而拍摄的图像；
图5是对处于变化的压力条件下的根据一实施例的实验性喷射微诱导回流燃烧器之间的作为火焰温度的函数的NOx排放物的水平进行比较的图；以及
图6是对根据一实施例的实验性喷射微诱导回流燃烧器之间的作为火焰温度的函数的NOx排放物与来自已知的燃烧器的NOx排放物的水平进行比较的图。
具体实施例方式参照附图，其中，在各个附图中，相同的编号始终表示相同的要素，图1和图2显示了喷射微诱导回流燃烧系统10。燃烧系统10包括具有充分开阔的内部的外壳或壳体12。外壳12以圆筒管的形式被显示，但不必限于该形状。配置成包括多个燃料和氧化剂的喷口的喷嘴13沿着外壳12的纵向轴线设置于外壳12的一端。在一实施例中，喷嘴13配置成穿孔板14并设置于外壳12的一端。在一备选实施例中，穿孔板14可以在外壳12内设置于中间位置，且穿孔板14的直径基本上等于外壳12的内径，使得板14贴切地配合于该处。在又一备选实施例中，喷嘴13可以配置成多个管状结构以将燃料和氧化剂输入燃烧系统10。在所示实施例中，喷嘴13，且更具体而言，穿孔板14，将燃烧系统10划分成两个不同的段:被限定于外壳12内并邻接于板14的下游侧的燃烧室16和邻接于板14的上游侧的增压室18。燃料在燃烧室16燃烧，燃烧室16还可以包括冷却套管(cooling sleeve) 20,该冷却套管20由诸如典型地用于温度敏感应用的铬镍铁合金、因科镍合金或其他材料的至少适度地耐高温的材料形成。冷却套管20可以在与增压室18中的燃料混合之前借助来自压缩机(随后描述)的入口空气流而在冷却套管20的整个外表面将冷却提供至燃烧室16。因此，相对冷却的压缩机空气将向冷却套管20提供背面冷却。燃烧室16还可以将保护性燃烧衬套22设置于该处。在一实施例中，保护性燃烧衬套22可以由典型地用于高温应用的陶瓷材料或其他材料形成。可以利用从燃烧室16的下游端离开的燃烧产物的流来驱动涡轮等。在所示的实施例中，喷嘴13，且更具体而言，穿孔板14，通常配置成具有形成于该处的多个穿孔或孔口 24。在一实施例中，穿孔24配置成多个燃料和氧化剂的喷口 26。如在此使用的那样，术语“喷口 ”是指开口，流体的流从该开口排出。因此，根据定义，燃料和氧化剂的喷口 26将燃料和氧化剂的混合流28排出至燃烧室16中，且更具体而言，排出至限定于燃烧衬套22内的区域中。在一实施例中，输入的燃料和空气27在注射至燃烧室16中之前预先混合，且更具体而言，在燃烧室16外预先混合以形成燃料和氧化剂的混合流28。更具体地，输入的燃料和空气27可以被喷嘴13混合，或在到达喷嘴13之前预先混合。如图所示，燃料和氧化剂的喷口 26定向成垂直于板14的平坦表面。因此，喷口将燃料和氧化剂的混合流28轴向地注射至燃烧室16中，且更具体而言，注射至燃烧衬套22中。燃料和氧化剂的喷口 26可以备选地与·板14成角度地定向来产生燃料和氧化剂的混合流28的带角度的注射。带角度的注射可以产生燃料和氧化剂的混合流28中的一些网状旋涡，这些网状旋涡将改善火焰稳定性。成角度的注射还能够用来引导火焰前缘远离燃烧室16的壁，且更具体而言，远离燃烧衬套22，由此，增加燃烧系统10的寿命。输入的燃料和空气27经由增压室18而被输送至喷口 26，该喷口 26与该增压室18处于流体连通。增压室18连接至外部的燃料源(未显示)和空气源(未显示)，该空气源典型地为经由处于混合状态或未混合状态中的一者的增压室18而将燃料和氧化剂输送至多个喷口 26中的各个喷口的压缩机。如先前所回避的，在一实施例中，空气入口可以配置成使得入口空气在与增压室18中的燃料混合或经由喷嘴13之前在冷却套管20的整个外表面流动。因此，相对冷却的压缩空气可以向冷却套管20和燃烧衬套22提供背面冷却。形成于穿孔板14的燃料和氧化剂的喷口 26的数量，或喷嘴13中的运载所输入的燃料和氧化剂27的管的数量，不限于图1和图2所示的数量，但应足以提供横贯燃烧室16的均匀的流动分布。此外，在并入了穿孔板14的一实施例中，燃料和氧化剂的喷口 26应均匀地分布于板14附近，以产生均匀的流动分布。为了实现降低的燃烧排放物，喷嘴13，且在所示的实施例中，更具体而言，穿孔板14，和燃烧衬套22被定制尺寸和形状来以高的速度比将燃料和氧化剂的混合流28输入燃烧室16中。更具体而言,燃料和氧化剂的混合流28，以大于燃烧室16内的燃烧平均速度的高的喷射速度经由喷口 26而输入燃烧室16中，以增加燃烧室16内的紊流并降低燃烧排放物。简单而言，喷射速度大于燃烧室16内的平均流动速度。燃烧室16中的紊流的增加，且更具体而言，燃烧衬套22中的紊流的增加，提供了燃烧火焰的长度的降低和降低的燃烧排放物，并在火焰前缘提供燃烧产物的一部分的混合。喷射速度和燃烧平均速度之间的高的速度比，提供了燃烧室16内的回流的发展和搅拌作用，这些将导致燃烧排放物的降低。更具体地参照图3，在简化的横截面中示出了燃烧室16和形成于燃烧期间并显示了火焰长度“X”的多个旋涡结构25。图4示出了在燃烧期间拍摄的旋涡结构25的图像。速度的不同将产生内部的搅拌作用，该搅拌作用将燃烧产物与所输入的燃料和氧化剂的混合流28混合。搅拌作用主要起因于大量的旋涡结构25，这些旋涡结构25围绕喷口 26的边缘而发展，且更具体而言，围绕形成于板14的各个穿孔或孔口 24或围绕形成喷嘴13的各个管状结构而发展。在图3和图4中能够看出，随着速度比的增加，旋涡结构25的密度增加。内部的再循环，抑制NOx的产生并燃烧CO。最终结果为遍及火焰温度的宽阔范围的单位数的NOx和CO。通常而言，三个因素影响NOx的产生:温度、氧以及滞留时间。由于内部的混合和增加的速度，燃烧系统10允许基于氧自由基的降低的NOx浓度的降低。这是通过反应混合速度的增加同时降低燃烧产物的速度而实现的。燃烧产物的有效的滞留时间比有效的火焰滞留时间少得多。作为结果，将抑制低氧环境中的产生。在给予足够的滞留时间的情况下，CO浓度由于被高的燃烧温度以及期望的高程度的均质性影响，因而将保持得低。高程度的均质性和内部混合确保CO在低的火焰温度烧尽。这主要起因于迫使刚刚预混合的燃料和氧化剂的混合流28在热气体的存在下反应。
在各种实验室规模的喷射微诱导回流燃烧器测试本公开的理念。在充分高的压力条件下执行测试。图5示出了如本文公开的喷射微诱导回流燃烧器在不同的高压条件下运行所导致的NOx排放物之间的比较。比较性地示出了百万分率(ppm)的NOx排放物-火焰温度。标绘点通过由标绘点和曲线A、B、C代表的本公开的实验室规模的装置的三个变化而显示了燃烧排放物的数据。曲线A代表根据本文所公开的一实施例的以约300psi运行的喷射微诱导回流燃烧器。曲线B代表根据本文所公开的一实施例的以约245psi运行的喷射微诱导回流燃烧器。曲线C代表根据本文所公开的一实施例的以约ISOpsi运行的喷射微诱导回流燃烧器。结果显示，通过降低运行压力且定制燃烧室16的尺寸和形状，且更具体地相对于燃烧衬套22而定制喷嘴13的尺寸和形状，从而以高的速度比(喷射速度大于燃烧室16内的燃烧平均速度)将燃料和氧化剂的混合流28输入燃烧室16中，在增加的火焰温度降低NOx排放物。应当牢记，这些结果基于实验室规模的实验。此外，图6示出了本文所公开的实验室规模的喷射微诱导回流燃烧器的NOx排放物和来自以低的速度比运转的燃烧装置的NOx排放物之间的比较。曲线D代表从已知的常规燃烧器(以低的速度比运转)收集的数据，由形成曲线D的标绘点代表数据。曲线E代表从如本文所公开的实验室规模的喷射微诱导回流燃烧器收集的数据，由形成曲线E的标绘点代表数据。曲线示出了处于增加的燃烧器的火焰温度的NOx排放物的增加。应当注意，如由曲线E所表明，显示了 NOx的降低受益于如本文所公开的喷射微诱导回流燃烧器。结果显示，与低的速度比的燃烧器相比，如本文所公开地定制尺寸和形状的喷射微诱导回流燃烧器可以实现燃烧排放物的约75%的降低。以上已描述了在升高的温度下提供低的燃烧排放物的喷射微诱导回流燃烧器。更具体而言，公开了一种喷射微诱导回流燃烧器，该喷射微诱导回流燃烧器比那些本领域中目前已知的燃烧器提供了降低的NOx排放物，由此，与现有的燃烧器相比，将气体涡轮的热效率增加至更高水平，以最小的CO代价来增加下降量，并能够使用液体燃料，同时维持排放的合规性。虽然已在典型的实施例中示出并描述了本公开，但由于能够在不以任何方式背离本公开的要旨的情况下作出各种修改和代替，因而本公开不旨在限于所示的详细描述。如此，通过使用不过常规的实验，本领域的技术人员可以想到本文所公开的本公开的另外的修改和等同，并且，所有如此的修改和等同被认为在由所附的权利要求限定的本公开的要旨和范围内。 符号说明
10:燃烧系统
12:外壳
13:喷嘴
14:穿孔板 16:燃烧室 18:增压室 20:冷却套管
22:保护性燃烧衬套
24:多个穿孔或孔口
25:旋涡结构
26:多个燃料和氧化剂的混合物的喷口 26
27:输入的燃料和空气
28:燃料和氧化剂的混合流
权利要求
1.一种燃烧器(10)， 包括: 外壳(12)，具有纵向轴线； 喷嘴(13)，沿着所述纵向轴线联接至所述外壳(12)，所述喷嘴(13)具有形成于该处的多个燃料和氧化剂的喷口(26)； 燃烧衬套(22)，在所述外壳(12)中形成于所述喷嘴(13)的一侧；以及 增压室(18)，在所述外壳(12)中形成于所述喷嘴(13)的另一侧，并配置成提供燃料和氧化剂的输入(27)， 其中，定制所述喷嘴(13)和所述燃烧衬套(22)的尺寸和形状来以高的速度比将燃料和氧化剂的混合流(28)输入所述燃烧衬套(22)中，其中，喷射速度大于所述燃烧衬套(22)内的燃烧平均速度，以增加所述燃烧衬套(22)内的紊流并降低燃烧排放物。
2.根据权利要求1所述的燃烧器(10)，其中，所述喷嘴(13)为穿孔板(14)。
3.根据权利要求1所述的燃烧器(10)，其中，所述燃烧衬套(22)中的紊流的增加降低了燃烧火焰的长度。
4.根据权 利要求1所述的燃烧器(10)，其中，所述燃烧衬套(22)中的紊流的增加降低了燃烧排放物。
5.根据权利要求1所述的燃烧器(10)，其中，所述燃烧衬套(22)中的紊流的增加在火焰前缘混合燃烧产物的一部分。
6.根据权利要求1所述的燃烧器(10)，还包括设置于所述外壳(12)和所述燃烧衬套(22)之间的冷却套管(20)。
7.一种在燃烧器(10)中降低燃烧排放物的方法， 包括: 提供具有纵向轴线的外壳(12)； 沿着所述纵向轴线将喷嘴(13)联接至所述外壳(12)，所述喷嘴(13)具有形成于该处的多个燃料和氧化剂的喷口(26)； 在所述外壳(12)内且所述喷嘴(13)的一侧设置燃烧衬套(22);以及 将增压室(18)设置于所述喷嘴(13)的另一侧，并配置成提供燃料和氧化剂的输入(27)， 其中，定制所述喷嘴(13)和所述燃烧衬套(22)的尺寸和形状来以高的速度比将燃料和氧化剂的混合流(28)输入所述燃烧衬套(22)中，其中，喷射速度大于所述燃烧衬套(22)内的燃烧平均速度，以增加所述燃烧衬套(22)内的紊流并降低燃烧排放物。
8.根据权利要求8所述的在燃烧器(10)中降低燃烧排放物的方法，其中，所述燃烧衬套(22)中的紊流的增加降低了燃烧火焰的长度和燃烧排放物。
9.根据权利要求9所述的在燃烧器(10)中降低燃烧排放物的方法，其中，所述燃烧衬套(22)中的紊流的增加在火焰前缘混合燃烧产物的一部分。
10.根据权利要求10所述的在燃烧器(10)中降低燃烧排放物的方法，还包括将冷却套管(20)设置于所述外壳(12)和所述燃烧衬套(22)之间。
全文摘要
本发明涉及喷射微诱导回流燃烧器，用来降低NOX排放物。燃烧器具有设置于燃烧室的头端的喷嘴。喷嘴包括用于将燃料和氧化剂的混合流注射至燃烧室中的多个喷口。燃烧衬套在壳体内设置于喷嘴的一侧，且增压室设置于喷嘴的另一侧并配置成提供燃料和氧化剂的输入。定制喷嘴和燃烧衬套的尺寸和形状来以高的速度比将燃料和氧化剂的混合流输入燃烧衬套中，其中，喷射速度大于燃烧衬套内的燃烧平均速度，以增加燃烧衬套内的紊流并降低燃烧排放物。
文档编号F23R3/02GK103225821SQ201310035018
公开日2013年7月31日 申请日期2013年1月30日 优先权日2012年1月30日
发明者B.S.M.阿布德埃尔-纳比, A.M.埃尔卡迪, G.L.利昂纳 申请人:通用电气公司