专利名称：双流切向进气喷嘴的燃烧方法
技术领域：
本发明涉及低NOx预混燃料的喷嘴，更具体地说，涉及用在燃气轮机中的喷嘴。
氮氧化物(下文中称为NOx)是在高温燃烧下生产的。NOx和一氧化碳(“CO”)是众所周知的污染物，因此，生成NOx和CO的燃烧装置受到更加严格的污染物排放标准的限制。这样，人们正在加倍努力地致力于减少燃烧装置中NOx和CO的生成。
其中一种解决方案是将燃料与过量的空气预混合，这样，在进行燃烧时伴随有局部的较高过量空气，结果导致了较低的燃烧温度并使生成的NOx降到最低限度。以这种方式工作的燃料喷嘴公开在美国专利US 5,307,634中，该专利披露了一种具有一个圆锥中心体的蜗壳式旋流器。这种燃料喷嘴是已知的切向进气式燃料喷嘴。它包括两个与端板相连的偏心圆筒弧形蜗壳。燃烧空气通过两个由偏心蜗壳形成的大致呈矩形的狭缝口进气旋流器，并且通过一个端板上的燃烧器入口排出，然后流入燃烧器。通过位于与内后缘对置的外蜗壳上的直线排列的孔口将燃料从总管喷入在各入口缝的空气流中，以在流入燃烧器前产生均匀的燃料空气混合物。
以稀燃料/空气混合比工作的切向进气式预混燃料喷嘴相对于现有技术的燃料喷嘴具有NOx的低排放特性。但遗憾的是，在上述专利中公开的那种燃料喷嘴由于这种稀工作状态，使得在正常的工作范围内燃烧不稳定。
我们所需要的是一种以实现低NOx和低CO排放为目标的稀燃料/空气比进行工作的切向进气燃料喷嘴的方法，该方法不会出现在现有技术中观察到的燃烧不稳定性。
所以，本发明的目的是提供一种以实现低NOx和低CO排放为目标的稀燃料/空气比进行工作的切向进气燃料喷嘴的方法，该方法不会出现在现有技术中观察到的燃烧不稳定性。
因此，在预混式燃烧的燃气轮机的燃烧器中的燃料燃烧的方法包括提供一个具有第一和第二端板的蜗壳式旋流器，第一端板相对于第二端板分隔设置并使它与第二端板之间限定出一个大致为圆柱形混合区，第二端板具有一个贯穿该端板延伸的燃烧器入口；提供一个位于混合区内的中心体，它具有朝燃烧器入口方向逐渐变细的的径向外表面，该表面大体延伸到混合区的整个长度上；将燃烧空气的第一部分基本连续地沿混合区的长度方向切向地引入该混合区；将混入燃烧空气中的燃料的第一部分作为燃烧空气引入混合区；通过使燃烧空气与燃料围绕中心体形成旋流使燃烧空气和燃料混合，同时使燃烧空气和燃料流向燃烧器入口；将燃烧空气的第二部分以径向朝内方向于燃烧器入口处引入第一部分，燃烧空气的第一和第二部分合起来形成总气流，而燃烧空气的第二部分占总气流的85-89％；以及在混合区外部燃烧燃料。
图1是沿图2的1-1线截取的本发明燃料喷嘴的横向剖视图；图2是朝本发明喷嘴的纵轴线向下看的横向剖视图；图3是沿图2的3-3线截取的本发明燃料喷嘴的横向剖视图。
参见图1，本发明的低NOx预混喷嘴10包括一个位于蜗壳式旋流器14内的中心体12。该蜗壳式旋流器14具有第一和第二端板16，18，第一端板与中心体12相连并与第二端板18分隔设置，第二端板具有贯穿该板的燃烧器入口20。多个(最好为两个)圆筒弧形蜗壳部件22，24从第一端板16延伸到第二端板18。
蜗壳部件22，24绕喷嘴10的纵轴26均匀地分隔配置，从而在它们之间限定了一个混合区28，如图2中所示。每个蜗壳部件22，24都有一个面向纵轴26的径向内表面并限定出一个绕中心线32，34部分回转的表面。这里所使用的术语“部分回转表面”指的是由一条直线绕一条中心线32，34旋转小于一整圈而得到的表面。
各蜗壳22都相对于另一蜗壳24隔开设置，各蜗壳22，24的中心线32，34位于混合区28内(如图2中所示)。参见图3，各中心线32，34都是平行并相对于纵轴26隔开的，所有中心线32，34都相对于纵轴26等距，从而限定出入口槽36，38，它们在每一对相邻蜗壳部件22，24之间沿平行于纵轴26的方向延伸，以便能将燃烧空气40引入混合区28。来自压缩机(图中未示出)的助燃空气42流过由中心线32，34偏置的蜗壳部件22，24的重叠端44，50，48，46形成的入口槽36，38。
各蜗壳部件22，24还包括一个用于在燃料通过一个入口槽36，38进入混合区28时将其引入燃烧空气40内的燃料管52，54。可提供液态或气态(但最好是气态)燃料的第一供料管(图中未示出)连接在各燃料管52，54上。与纵轴26同轴的燃烧器入口20位于紧靠燃烧器56的位置，以便将来自本发明的燃料和燃烧空气输送到燃烧器56内，燃料和空气在燃烧器中燃烧。
再参见图1，中心体12具有一个底座58，该底座至少具有一个，最好多个贯穿其延伸的供气口60，62，并且底座58垂直于穿过该底座的纵轴26。中心体12还具有一个与纵轴26同轴的内通道64。在本发明的优选实施例中，内通道64包括具有第一端68和第二端70的第一圆柱形通道66和直径大于第一圆柱形通道66并且同样具有第一端74和第二端76的第二圆柱形通道72。第二圆柱形通道72通过一个圆锥形通道78与第一圆柱形通道66相通。该圆锥形通道78具有直径等于第一圆柱形通道66直径的第一端80和直径等于第二圆柱形通道72直径的第二端82。每条通道66，72，78都与纵轴26同轴，并且圆锥形通道78的第一端80与第一圆柱形通道66的第二端70成一整体，而圆锥形通道78的第二端82与第二圆柱形通道72的第一端74成一整体。第一圆柱形通道66包括一个排气孔68，该孔为圆形并与纵轴26平行，它位于第一圆柱形通道66的第一端68上。
参见图3，中心体12的径向外表面84包括一个限定一个与纵轴26同轴并朝底座58方向扩张的锥台外表面的锥台部分86和与该锥台部分86连成一体的圆柱形部分88，该圆柱形部分限定了一个圆柱体的表面，并与轴26同轴。在该优选实施例中，圆柱形部分88终止于排气孔68所在的平面上，锥台部分86在底座58处的直径比锥台部分86在锥顶处的直径大2.65倍，而锥台体的高度90(底座58与锥台体86相交处的平面与锥台体86的锥顶所在的平面之间的距离)大约为锥台部分86在底座68处的直径的1.3倍。圆柱形部分88位于锥台部分86和排气孔68之间。如图3所示，内通道64由中心体12的径向外表面沿径向包围，该锥台部分86与纵轴26同轴，并且中心体12连接在底座58上，使锥台86朝圆柱形部分88方向变细并终止于圆柱形部分88。如图2所示，锥台86的底座装配在内接于混合区28的圆92上，圆92的圆心94位于纵轴26上。本领域的专业技术人员很容易理解到，混合区28的横截面不一定是圆形的。
参见图1，内腔100位于底座58与第二圆柱形通道72的第二端76之间的中心体12内，并且该第二圆柱形通道72终止于内腔100。通过底座58上与内腔100连通的送风口60，62向内腔100输送空气102，内腔100又将空气通过第二圆柱形通道72的第二端76提供给内通道64。第一端板16上具有开孔104，106，它们与底座58上的送风口60，62对正，这样不会影响来自燃气轮机的压缩机的燃烧空气102的流动。旋流器108(最好为现有技术中的径向入流式旋流器)与纵轴26同轴并位于内腔100内紧靠第二圆柱形通道72的第二端76处，以使从内腔100进入内通道64的所有空气都必须通过旋流器108。
也与纵轴26同轴的燃料喷管110穿过底座58、内腔100和旋流器108进入内通道64的第二圆柱形通道72。第二圆柱形通道72的较大直径包含了燃料喷管110的横截面积，因而使第二圆柱形通道72的流通面积基本上等于第一圆柱形通道66的流通面积。可提供液体或气体燃料的第二燃料供给管路(图中未示出)连接在燃料喷管110上，以便将燃料提供给燃料喷管110内的内通道112。燃料喷口114设在燃料喷管110上并给燃料提供通路，以使燃料能从燃料喷管110进入内通道64。
参见图3，燃烧器入口20与纵轴26同轴并有一个收缩表面116、一个扩张表面117和一个圆柱形表面118，表面118限定了一个入口20的喉部平面120。收缩表面116、扩张表面117和圆柱形表面118都与纵轴26同轴，并且收缩表面116位于第一端板16和圆柱形表面118之间。收缩表面116基本上为圆锥形并朝圆柱形表面118方向收缩，而扩张表面最好是通过椭圆的一部分绕纵轴26旋转来限定。
圆柱形表面118在喉部平面120和扩张表面之间延伸一定的距离121。扩张表面117在圆柱形成表面118与燃烧器入口20的燃烧器表面122之间延伸，该燃烧器表面122垂直于纵轴26，并限定了本发明燃料喷嘴10的出口平面124。为了使燃料/空气混合物在通过燃烧器入口20时达到所需的轴向速度，通过该入口20的燃烧空气必将流经位于燃烧器入口20处的最小流动区，或喉部区。为了实现这一目的，圆柱形表面118距离纵轴26的预定半径应比锥台部分86在底座58处的半径至少小10％。
收缩表面116终止于喉部平面120，该收缩表面116在此处的直径等于圆柱形表面118的直径。如图3所示，喉部平面120位于出口平面124和内通道64的排气孔68之间，而收缩表面116位于圆柱形表面118和第一端板16之间。为了在燃烧器入口20内达到理想的燃料/空气混合物的速度分布，该收缩表面116沿纵轴26延伸预定的距离126，并且圆柱形表面118沿纵轴26延伸第二段距离128，该距离128至少等于预定距离126的5％。
在运行时，通过喷嘴10的总气流量的11-15％经开孔104，106和底座58的供风口60，62进入中心体12的内腔100。燃烧空气通过径向入流旋流器108流出内腔100，然后以相对于纵轴26大致切向的速度或以旋流方式进入内通道64。当该旋流燃烧空气通过燃料喷管110时，燃料(最好为气态形式)从燃料喷管110喷入内通道64中并与旋流的燃烧空气混合。然后，燃料和燃烧空气的混合物从第二圆柱通道72通过锥形通道78流入第一圆柱形通道66。混合物再流过第一圆柱形通道66的整个长度，然后混合物刚好在离燃烧器入口20的喉部平面120很近之处或在该喉部平面120处从第一圆柱形通道66中流出，从而提供燃料/空气混合物的中心流。
等于通过燃料喷嘴10的总气流的85-89％的助燃空气经入口槽36，38被送入混合区28。这里所使用的术语“总气流”指的是进入入口槽36，38的燃烧空气和进入供风口60，62的燃烧空气的总和。将供给燃料管52，54的燃料(最好是气态燃料)喷射到流经入口槽36，38的燃烧空气中并开始与之混合。由于蜗壳部件22，24的这种形状，使混合物形成围绕中心体12旋流的环形气流，并且该燃料/空气混合物在旋流过程中继续混合，同时沿纵轴26流向燃烧器入口20。燃料空气浓度按下述方式来确定如果理想的总燃料/空气比为化学理想配比燃烧所需比率的0.5倍，那么中心流的燃料/空气比为化学理想配比的0.54倍，其它流的燃料/空气比则为化学理想配比的0.493倍。
在第一圆柱形通道66中，由蜗壳式旋流器14的环形流的旋流最好与燃料/空气混合物的旋流一同旋转，并且其角速度至少等于在第一圆柱形通道66中燃料/空气混合物的角速度。由于中心体12的形状，环形流的轴向速度保持在能防止燃烧器火焰流向蜗壳旋流器14内并贴到中心体12的外表面84的速度。当燃料/空气混合物流出第一圆柱形通道66时，中心流的旋流燃料/空气混合物由蜗壳旋流器14的环流所包围，并且这两股流径向地流入圆柱形表面118内，然后流经扩张表面117，一直流到混合区28下游的燃烧入口20的出口平面124。
经测试这种燃料喷嘴10具有稀燃料/空气比，该比率能达到低NOx和低CO排放率并不会出现在现有技术中观察到的燃烧不稳定性的目标。喷嘴工作的要点在于空气和燃料是在两股流之间分开的。在此之前，必须有足够的燃料通过中心流，以使总火焰稳定，燃料/空气比也不应当太高，否则会产生大量NOx，而且不能消耗其余的燃料火焰。此外，提供给两股空气流的燃料必须分成独立控制的几股，以使中心流中的燃料比率在工作过程中可改变，以便获得最佳排放量。
本发明在以下几个方面不同于其它的引导和稳定方法。首先，本发明应用于稀预混系统。将一股流只比另一股中燃料量略高的两股流预混合。这样就产生比传统通过火焰扩散引导的方法低得多的排放量。在别处缺少火焰的情况下，本发明的确不具有提供火焰源的功能，但具有提供持久稳定的火焰的特性和低排放量的功能。
第二，两股(或多股)流形成单独的、整体的和均匀的火焰前锋。尽管可以争辩，连续的火焰总是形成单独的火焰前锋，但本发明的本质在于在单独的火焰结构中进行精细的操作和燃料控制。在经过检验的最成功的实施例中，两股流在燃料/空气比，在轴向速度，在旋转和温度等方面都是相互匹配的，它们的差异是很小的(即在燃料/空气比上有10％的差异)。因此，稀燃料火焰的好处是在减轻某种限制的情况下获得的。
第三，几股气流是用物理方法分开并可独立控制的。为了增强火焰的稳定性并减小排放量，液态燃料喷射器通常以液滴直径或速度上的差异来产生火焰的较浓部分和较稀部分。类似地，在稀预混气态燃料喷射器上的燃料口可以有不同的直径或位置，以便产生火焰的富燃料和稀燃料部分。或者为了改善富燃料或稀燃料环境，也可按空气动力学的方式进行控制，从而按这种方式产生分离。本发明与其它方式不同之处在于，它使气流保持物理分离，直到这些气流差不多都进入燃烧区为止，同时只需要足够的混合时间来形成上述单独的、整体的和均匀的火焰前锋。
虽然上面参照详细的实施例示出并描述了本发明，但本领域的专业技术人员可理解到，在不超出本发明权利要求所限定的构思和范围的情况下，可在形式上和细节上作各种不同的变换。
权利要求
1.一种在预混式燃烧的燃气轮机的燃烧器中的燃料燃烧的方法，包括提供一个具有第一和第二端板的蜗壳式旋流器，所述第一端板相对于所述第二端板分隔设置并使它与所述第二端板之间限定出一个大致为圆柱形混合区，所述第二端板具有一个贯穿该端板延伸的燃烧器入口；提供一个位于所述混合区内的中心体，它具有朝燃烧器入口方向逐渐变细的的径向外表面，该表面大体延伸到混合区的整个长度上；将燃烧空气的第一部分基本连续地沿所述混合区的长度方向切向地引入所述混合区；将混入所述燃烧空气中的燃料的第一部分作为所述燃烧空气引入所述混合区；通过使所述燃烧空气与燃料围绕中心体形成旋流使所述燃烧空气和燃料混合，同时使所述燃烧空气和燃料流向所述燃烧器入口；将上述燃烧空气的第一部分供入燃烧器入口；将燃烧空气的第二部分以径向朝内方向于所述燃烧器入口处引入所述第一部分，燃烧空气的所述第一和第二部分合起来形成总气流，而燃烧空气的所述第二部分占所述总气流的85-89％；以及在所述混合区外部燃烧所述燃料。
2.按照权利要求1的方法，其中将燃烧空气的第二部分以径向朝内方向于所述燃烧器入口处引入所述第一部分的步骤包括将燃烧空气的第二部分引入所述中心体；将燃料的第二部分引入燃烧空气的所述第二部分；将所述燃料的第二部分与燃烧空气的所述第二部分混合。
3.按照权利要求2的方法，其中被所述燃烧空气的第一部分分开的所述燃料的第一部分规定为第一燃料/空气浓度，被所述第二部分燃烧空气分开的第二部分燃料规定为第二燃料/空气浓度，理想的总燃料/空气比为化学理想配比燃烧所需比率的0.5倍，所述第一燃料/空气浓度为化学理想配比的0.493倍，所述第二燃料/空气浓度为化学理想配比的0.54倍。
4.按照权利要求3的方法，其中将燃烧空气的第二部分以径向朝内方向于所述燃烧器入口处引入所述第一部分由下述步骤来进行使所述燃烧空气的第二部分在所述中心体内以基本上等于第一部分的角速度的角速度进行旋流。
全文摘要
一种在预混式燃烧的燃气轮机的燃烧器中的燃料燃烧的方法,包括:提供一个具有第一和第二端板的蜗壳式旋流器,第一端板相对于第二端板分隔设置并使它与第二端板之间限定出一个大致为圆柱形混合区,第二端板具有一个贯穿该端板延伸的燃烧器入口;提供一个位于混合区内的中心体;将燃烧空气的第一部分引入混合区;将混入燃烧空气中的燃料的第一部分引入混合区;使燃烧空气和燃料混合,同时使所述燃烧空气和燃料流向所述燃烧器入口;将燃烧空气的第二部分以径向朝内方向于燃烧器入口处引入第一部分,燃烧空气的第一和第二部分合起来形成总气流,而燃烧空气的第二部分占所述总气流85—89%;以及在混合区外部燃烧燃料。
文档编号F23D17/00GK1194351SQ9711438
公开日1998年9月30日 申请日期1997年12月19日 优先权日1996年12月20日
发明者S·K·克拉梅尔, S·A·莫霍尔德, C·B·格拉维斯 申请人:联合工艺公司