具有短暂剧烈淬火区域的燃烧器的制造方法
【专利摘要】本申请提供一种具有短暂剧烈淬火区域的燃烧器，该燃烧器可以包括：用于产生高旋流淬火空气流的中心旋流器；用于产生燃烧气体流的包绕中心旋流器的多个驻涡腔；位于驻涡腔下游的短暂剧烈淬火区域，短暂剧烈淬火区域用于对外部淬火空气流与高旋流淬火空气流之间的燃烧气体流进行淬火；以及位于短暂剧烈淬火区域下游的膨胀区域。
【专利说明】具有短暂剧烈淬火区域的燃烧器
【技术领域】
[0001]本申请总体涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及具有这样的燃烧器的燃气涡轮发动机:该燃烧器具有短暂剧烈淬火区域以用于燃烧例如那些高燃料结合氮的液体燃料、气体燃料等，以提供低温燃烧并且限制不期望的排放物。
【背景技术】
[0002]燃气涡轮发动机的操作效率通常随着燃烧流温度的升高而提高。然而，较高的燃烧流温度可能造成产生高水平的氮氧化物(NOx)以及其它类型的不期望的排放物。这种排放物可能同时受到美国联邦和州的法规的限制并且还可能受到国外类似法规的限制。此夕卜，燃气涡轮发动机和电厂的资金筹措通常可能受到国际排放物标准的限制。因此，在有效温度范围内操作燃气涡轮发动机和同时还保证氮氧化物以及其它类型的受控物的排放保持在远低于强制水平下之间存在平衡策略。多种其它类型的操作参数也可以在提供这种优化平衡的过程中发生变化。
[0003]燃气涡轮发动机的操作者等人可能倾向于根据可用性和价格而使用不同类型的燃料。例如，诸如重质燃料油的液体燃料是合适的。然而，重质燃料油可能在某些温度以上具有向氮氧化物的高水平转化率。具体而言，例如重质燃料油的液体燃料可能具有高燃料结合氮。因此，这种燃料可能需要使用选择性催化还原等来降低排放水平。然而，这种过程增加燃气涡轮发动机的总体操作成本以及总体复杂性。
[0004]因此，存在对能够高效燃烧包括例如重质燃料油等的高燃料结合氮的液体燃料在内的各种燃料的燃烧器的需要。优选地，这种燃烧器可以在较低温度下燃烧这种燃料，以保持总体排放符合标准。
【发明内容】
[0005]因此，本申请提供一种用于燃烧多个空气流和多个燃料流的燃烧器。该燃烧器可以包括:用于产生高旋流淬火空气流的中心旋流器；用于产生燃烧气体流的包绕中心旋流器的多个驻涡腔；位于驻涡腔下游的短暂剧烈淬火区域，短暂剧烈淬火区域用于对外部淬火空气流与高旋流淬火空气流之间的燃烧气体流进行淬火；以及位于短暂剧烈淬火区域下游的膨胀区域。
[0006]本申请还提供一种在燃烧器中燃烧空气流和燃料流的方法。该方法可以包括以下步骤:部分地燃烧驻润腔中的燃料流和空气流以用于低温富燃烧(rich combustion);将短暂剧烈淬火区域中的低温富燃烧淬火成富燃烧产物；以及燃烧膨胀区域中的富燃烧产物以用于低温贫燃烧。
[0007]本申请以及所获得的专利还提供一种用于燃烧多个空气流和多个燃料流的燃烧器。该燃烧器可以包括:用于产生高旋流淬火空气流的中心旋流器；用于产生燃烧气体流的包绕中心旋流器的多个驻涡腔；以及位于驻涡腔下游的短暂剧烈淬火区域。短暂剧烈淬火区域可以包括多个淬火空气喷射器以及位于其中的多个槽，以用于产生外部淬火空气流从而对外部淬火空气流与高旋流淬火空气流之间的燃烧气体流进行淬火。
[0008]当结合若干附图以及所附权利要求阅览下文的详细描述时，本申请的这些和其它的特征以及改进对于本领域技术人员而言将变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是具有压缩机、燃烧器、和涡轮的燃气涡轮发动机的示意图。
[0010]图2是可以如本说明书中所描述的用于燃气涡轮发动机的燃烧器的示意图。
[0011]图3是图2的燃烧器的短暂剧烈淬火区域的一部分的示意图。
【具体实施方式】
[0012]现在参照附图，其中相同的附图标记在全部若干附图中代表相同的元件，图1示出了可以如本文中所使用的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可以包括压缩机15。压缩机15对进入的空气流20进行压缩。压缩机15驱动压缩空气流20至燃烧器25。燃烧器25将压缩空气流20与加压燃料流30混合，并且点燃混合物以产生燃烧气体流35。尽管仅示出了一个燃烧器25，但是燃气涡轮发动机10可以包括任何数量的燃烧器25。燃烧气体流35接着被输送至涡轮40。燃烧气体流35驱动涡轮40，以便产生机械功。涡轮40中所产生的机械功通过轴45驱动压缩机15以及外部负载50 (例如发电机等)。
[0013]燃气涡轮发动机10的燃烧器25可以使用天然气、液体燃料、各种类型的合成气、和/或其它类型的燃料。燃气涡轮发动机10可以是由纽约斯卡奈塔第的通用电气公司提供的多种不同的燃气涡轮发动机中的任何一种，其中包括但不限于例如7系列或9系列重型燃气涡轮发动机等的那些燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机10可以具有不同的构造并且可以使用其它类型的部件。本文中也可以使用其它类型的燃气涡轮发动机。本说明书中还可以一起使用多种燃气涡轮发动机、其它类型的涡轮机、以及其它类型的发电设备。
[0014]图2示出了可以如本说明书中所描述的燃烧器100的例子。燃烧器100可以用于上文所描述的燃气涡轮发动机10等中。燃烧器100可以从位于头部端120处的端盖110延伸至位于邻近涡轮40的后端140处的过渡件130。内衬150可以从头部端120朝向后端140延伸。内衬150可以在其中限定燃烧区域160。内衬150可以被冲击套筒170等包绕。冲击套筒170向内衬150提供冲击冷却。流动路径180可以与冲击套筒170连通。流动路径180可以提供来自压缩机15或其它位置处的空气流20，以用于冷却和燃烧。燃烧器100可以由外壳190从头部端120到后端140封闭。本说明书中也可以使用其它部件和其它构造。
[0015]燃烧器100可以包括中心射流部200。中心射流部200可以从端盖110延伸。中心射流部200可以包括中心空气喷射器210，中心空气喷射器210与空气流20连通。中心空气喷射器210可以被旋流器220包绕。旋流器220可以具有任何尺寸、形状、或构造。旋流器220将旋流喷射到从流动路径180延伸的空气流20中，以形成高旋流淬火流225。本说明书中可以使用其它部件和其它构造。
[0016]燃烧器100还可以包括一个或多个驻涡腔230。驻涡腔230可以在头部端120定位并且可以完全或部分地包绕中心射流部200。每一个驻涡腔230都可以由环形后壁240、环形前壁250、和径向外壁260限定。驻涡腔230还可以具有通向中心射流部200的腔开口 270。驻涡腔230可以包括多个套管(thimble)射流部或空气喷射器280以用于驱动所捕获的再循环流。驻涡腔230还可以包括一个或多个前壁燃料喷射器290和/或一个或多个后壁燃料喷射器300。在本实施例中，前壁燃料喷射器290可以包括一个或多个气体燃料喷射器310和/或一个或多个液体燃料喷射器320。空气喷射器280以及燃料喷射器290、300的数量和位置可以发生变化。本说明书中也可以使用其它部件和其它构造。
[0017]驻涡腔的空气喷射器280以及燃料喷射器290、300可以被构造成驱动其中的涡旋330。空气流20和燃料流30混合并且燃烧以形成燃烧气体流35。燃烧气体35朝向中心射流部200膨胀并且延伸穿过驻涡腔230中的腔开口 270。本说明书中可以使用其它部件和其它构造。
[0018]短暂剧烈淬火区域340可以定位在中心射流部200和驻涡腔230的下游。短暂剧烈淬火区域340可以由内衬150的收缩形状350限定。多个淬火空气喷射器360可以包绕用于其中的空气流20的短暂剧烈淬火区域340。短暂剧烈淬火区域340还可以具有形成在其中的多个槽370或者其它类型的成形孔。槽370可以具有基本人字形图案380。本说明书中可以使用多种其它不同的形状。槽370的数量、尺寸、形状、和取向可以发生变化。因此，沿槽370的空气流20可以形成外部淬火流385。如图3中所示，槽370对通过中心射流部200的旋流器230所喷射的高旋流淬火流225产生影响。本说明书中可以使用其它部件和其它构造。
[0019]燃烧器100可以包括位于短暂剧烈淬火区域340下游的膨胀区域390。膨胀区域390可以具有内衬150的膨胀形状400以用于较大的流动区域。膨胀区域390的形状可以是基本轴对称的。膨胀区域390可以朝向过渡件130延伸。本说明书中可以使用多个稀释/调节射流部(trim jets)410。其中可以形成一个或多个贫再循环区域420以用于贫燃烧稳定性。本说明书中还可以使用其它部件和其它构造。
[0020]在使用中，可以通过空气流20对燃烧器100进行冲击冷却，从而通过冲击套筒170对内衬150进行冷却。因此，可以在流动路径180中对沿流动路径180的空气流20进行预热。空气流20可以被允许通过空气喷射器280进入驻涡腔230。同样地，燃料流30被允许通过前壁燃料喷射器290和后壁燃料喷射器320进入驻涡腔230中。可以使用气体燃料喷射器310和/或液体燃料喷射器320。因此，驻涡腔230在其中形成涡旋330。驻涡腔230提供了充足的停留时间以用于液体燃料的基本完全汽化以及低温富燃烧的适当的混合和化学计量比，即，大于大约1.5的当量比。具体而言，驻涡腔230提供低温下的稳定的富燃
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[0021]燃烧气体35接着流入短暂剧烈淬火区域340中。短暂剧烈淬火区域340中所提供的淬火流225、385可以具有足够高的应变率和强度，以便使燃烧气体35的火焰熄灭。具体而言，短暂剧烈淬火区域340将来自驻涡腔230的富燃烧产物流430夹置在通过槽370与人字形图案380的来自淬火空气喷射器360的外部淬火流385和来自中心射流部200的旋流器220的高旋流淬火流225之间。因此，淬火流225、385的强度和应变防止高温燃烧同时快速混合以用于膨胀区域390下游的贫燃烧。接着，短暂剧烈淬火区域340下游的膨胀区域390的膨胀形状400接着提供稳定和贫燃烧，即，在相对较低温度下的小于大约0.49的当量比等。本说明书中也可以使用其它部件和其它构造。
[0022]使用本说明书中所描述的燃烧器100中的短暂剧烈淬火区域340提供用于燃烧例如重质燃料油等的高燃料结合氮液体燃料的低氮氧化物解决方案。因此，短暂剧烈淬火区域340的淬火流225、385允许具有低排放的低温燃烧而无需催化剂等。
[0023]应当显而易见的是，上文仅涉及本申请以及所获得的专利的某些实施例。本领域技术人员可以在不偏离由下文的权利要求及其等同形式限定的本发明的大体精神和范围的情况下在本文中进行多种改变和改型。
【权利要求】
1.一种用于燃烧多个空气流(20)和多个燃料流(30)的燃烧器(100)，所述燃烧器(100)包括: 中心旋流器(220)，所述中心旋流器(220)用于产生高旋流淬火空气流(225)； 包绕所述中心旋流器的多个驻涡腔(230)，所述多个驻涡腔(230)用于产生燃烧气体流(35)； 位于所述多个驻涡腔下游的短暂剧烈淬火区域(340)，所述短暂剧烈淬火区域(340)用于对外部淬火空气流(385)与所述高旋流淬火空气流(225)之间的燃烧气体流进行淬火；以及 膨胀区域(390)，所述膨胀区域(390)位于所述短暂剧烈淬火区域下游。
2.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述短暂剧烈淬火区域(340)包括具有收缩形状(350)的内衬(150)。
3.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述膨胀区域(390)包括具有膨胀形状(400)的内衬(150)。
4.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述多个驻涡腔(230)包括多个空气喷射器(280)。
5.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述多个驻涡腔(230)包括多个燃料喷射器(290，300, 310, 320)。
6.根据权利要求5所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述多个燃料喷射器(290，300，310.320)包括后壁燃料喷射器(300)或前壁燃料喷射器(290)。
7.根据权利要求5所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述多个燃料喷射器(290，300，310.320)包括气体燃料喷射器(310)和液体燃料喷射器(320)。
8.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述多个驻涡腔(230)中的每一个都在其中产生燃料/空气涡旋(330)。
9.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述短暂剧烈淬火区域(340)包括多个淬火空气喷射器(360)，以提供外部淬火空气流(385)。
10.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述短暂剧烈淬火区域(340)包括位于其中的多个槽(370 )。
11.根据权利要求10所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述多个槽(370)包括人字形图案(380)。
12.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述膨胀区域(390)包括位于其中的一个或多个贫再循环区域(420 )。
13.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述燃烧器(100)还包括位于所述膨胀区域(390)下游的过渡件(130)。
14.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述燃烧器(100)还包括冲击冷却内衬(150)。
15.一种在燃烧器(100)中燃烧空气流(20)和燃料流(30)的方法，所述方法包括: 部分地燃烧驻涡腔(230)中的燃料流和空气流以用于低温富燃烧； 将短暂剧烈淬火区域(340)中的低温富燃烧淬火成富燃烧产物；以及 燃烧膨胀区域(390)中的富燃烧产物以用于低温贫燃烧。
16.一种用于燃烧多个空气流和多个燃料流的燃烧器，所述燃烧器包括: 中心旋流器，所述中心旋流器用于产生高旋流淬火空气流； 包绕所述中心旋流器的多个驻涡腔，所述多个驻涡腔用于产生燃烧气体流；以及 短暂剧烈淬火区域，所述短暂剧烈淬火区域位于所述多个驻涡腔下游； 所述短暂剧烈淬火区域包括多个淬火空气喷射器以及位于其中的多个槽，以用于产生外部淬火空气流从而对所述外部淬火空气流与所述高旋流淬火空气流之间的燃烧气体流进行淬火。
17.根据权利要求16所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括位于所述短暂剧烈淬火区域下游的具有膨胀形状的膨胀区域。
18.根据权利要求16所述的燃烧器，其特征在于，所述短暂剧烈淬火区域包括具有收缩形状的内衬。
19.根据权利要求16所述的燃烧器，其特征在于，所述多个驻涡腔包括气体燃料喷射器和液体燃料喷射器。
20.根据权利要求1 6所述的燃烧器，其特征在于，所述多个槽包括人字形图案。
【文档编号】F23D14/46GK103471099SQ201310220598
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年6月5日 优先权日:2012年6月5日
【发明者】W.F.小卡內尔, G.A.博德曼 申请人:通用电气公司