專利名稱：用于燃燒設(shè)備的渦流預(yù)混合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃燒和燃?xì)廨啓C(jī)的領(lǐng)域，特別是用于干低排放的燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，更具體地涉及用于將燃料和空氣預(yù)混合以實(shí)現(xiàn)超低燃燒排放的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
預(yù)混合器能夠用于增強(qiáng)能量釋放/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(例如用于為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力的燃燒器)中的火焰穩(wěn)定性。為了簡(jiǎn)便，本公開始終使用術(shù)語(yǔ)“燃燒器”，但是應(yīng)當(dāng)理解本公開更加普遍地涉及能夠根據(jù)操作條件作為燃燒器或燃料重整器以及專用燃燒器和重整器設(shè)備操作的能量釋放/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。除非文中另外明確要求，否則術(shù)語(yǔ)“燃燒器”、“重整器”和“能量釋放/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”應(yīng)該被認(rèn)為完全可互換。當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)中使用的預(yù)混合器包括置于燃燒器入口處的“轂和輻條”構(gòu)型的單元，例如通用電氣、Pratt&Whitney、西門子所采用的那些單元,其中燃料通過轂供應(yīng),噴射出徑向輻條并且/或者集成到旋流葉片中。這些預(yù)混合器的輻條具有多個(gè)橫向于燃燒器入口的尺寸均勻的軸向孔。這些預(yù)混合器的設(shè)計(jì)傾向于使它們對(duì)于特定燃料-空氣動(dòng)量流量比最優(yōu)化。因此，這些預(yù)混合器在狹窄的功率帶中最佳地工作，并且沒有在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)操作包線上提供最均勻的燃料-空氣混合物。系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生太貧或太富的燃料-空氣區(qū)域，從而不利地影響排放。因此，看上去可以通過重新設(shè)計(jì)與這些系統(tǒng)協(xié)作使用的預(yù)混合設(shè)備在更寬的操作條件范圍上更好地工作而進(jìn)一步改進(jìn)能量釋放/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的操作。在公知為“駐渦”燃燒器(TVC，在本公開中稍后討論)的一類燃燒設(shè)備中，在燃燒區(qū)域中，例如在鈍體之間或者燃燒器的壁中提供腔，在腔中將形成渦流和/或其它湍流，從而穩(wěn)定貧混合物的燃燒。例如參見授予Roquemore等人的美國(guó)專利No. 5，857，339。燃料和/或空氣可通過離散的噴射器噴入駐渦腔中，以引起該區(qū)域中更大的混合并且進(jìn)一步提高火焰穩(wěn)定性。離散的燃料和空氣噴射器可例如位于由燃燒腔的壁限定的駐渦區(qū)域的前壁和后壁上。例如參見Burrus的美國(guó)專利No. 5，791，148。Haynes等人的GE全球研究“用于下一代燃?xì)廨啓C(jī)的先進(jìn)燃燒系統(tǒng)，最終報(bào)告(Advanced Combustion Systems for Next Generation Gas Turbines, Final Report)，，，2006年I月(DE-FC26-01NT41020)描述了與Burrus描述的燃燒器布局類似的燃燒器。在Haynes等人公開的某些實(shí)施例中，作為前述離散的燃料和空氣入口的替代，燃料和空氣可以預(yù)混合，通過入口錐并且/或者通過燃燒腔的前壁或后壁引入。在入口錐和燃燒腔中都引入預(yù)混合物的實(shí)施例生成了堆積的雙渦流，以及高度湍流混合。在描述了另一 TVC實(shí)施例的美國(guó)專利No. 7，603，841中，Steele等人公開了一種具有入口預(yù)混合以及向由鈍體部分地限定的燃燒腔中噴射的后噴射器的燃燒器。在該實(shí)施例中，后噴射器指向與進(jìn)入的預(yù)混合物流相反的方向，以引起湍流渦流混合。至今為止，向燃燒腔中噴射燃料、空氣和 /或預(yù)混合的燃料和空氣的所有的TVC設(shè)計(jì)已經(jīng)設(shè)計(jì)為引起湍流，從而導(dǎo)致形成額外的渦流，或者以其它方式增加渦流腔中的湍流混合。例如，Haynes等人的圖3-7示出了每個(gè)TVC腔中的雙駐渦。在這些腔中會(huì)發(fā)生的“自然”流動(dòng)會(huì)是單渦流，該“自然”流動(dòng)指的是在缺少預(yù)混合物噴射的情況下在腔中會(huì)自然發(fā)生的流體流動(dòng)，假定流動(dòng)以其它方式通過燃燒器的主流徑發(fā)生。在Haynes等人的圖3-7所示的情況下，所示“雙渦流”中的第二渦流由預(yù)混合物噴射到TVC腔中而生成，不會(huì)以其它方式存在。在其它情況下，例如在僅提供單個(gè)渦流的情況下，所示的主渦流可能以其它方式存在，但是基本通過添加預(yù)混合物的沖擊而修正，例如通過從其在腔中的自然位置平移運(yùn)動(dòng)，形成更多的湍流，或者以其它方式基本變形。Rakhmailov 共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利公報(bào) 2008/0092544A1 (RakhmaiΙον’ 544 公報(bào))公開了一種預(yù)混合器，該預(yù)混合器與根據(jù)共同轉(zhuǎn)讓給Rakhmailov等人的美國(guó)專利No. 7, 086, 854 (RakhmaiIovj 854)的公開設(shè)計(jì)的燃燒器組合配置。Rakhmailov’ 544公報(bào)中的預(yù)混合器僅在燃燒器的入口處配置。該燃燒器的入口具有高流體流動(dòng)速度，因而在高速度環(huán)境中進(jìn)行入口預(yù)混合。雖然在Rakhmailov’ 544公報(bào)中描述的設(shè)計(jì)向Rakhmailov’ 854中描述的再循環(huán)渦流燃燒器添加入口預(yù)混合器，但是兩個(gè)公開都沒有包含用于直接向渦流腔中噴射燃料、空氣和/或預(yù)混合的燃料和空氣的任何設(shè)備。實(shí)際上，Rakhmailov’ 854明顯教導(dǎo)不允許燃料進(jìn)入再循環(huán)渦流腔中的熱再循環(huán)氣體中，闡述了湍流機(jī)械混合能夠減小整體再循環(huán)速度，導(dǎo)致不均勻的燃料分布，并且降低再循環(huán)流動(dòng)加入入口流動(dòng)處的溫度，這與Rakhmailov ‘854的設(shè)計(jì)目的相背。Roquemore 等人、Burris、Haynes 等人、Steele 等人、Rakhmailov ^854 和Rakhmailov ‘544公報(bào)的全部相應(yīng)公開均為了所有目的通過引用全部結(jié)合于此。理想的是在多個(gè)方面中改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)。首先，理想的是通過使用于任意類型的燃燒器的入口預(yù)混合器更加適于寬范圍的操作條件而改進(jìn)該預(yù)混合器。其次，理想的是在燃燒器的渦流區(qū)域中提供預(yù)混合而增強(qiáng)而不是擾亂正常渦流。第三，理想的是提供用于有利地彼此結(jié)合地使用入口預(yù)混合器和渦流預(yù)混合器的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在燃燒器中使用的優(yōu)良的燃料一空氣預(yù)混合設(shè)備和方法。該預(yù)混合器設(shè)備的期望屬性包括該預(yù)混合器應(yīng)該在燃燒器入口的截面區(qū)域上提供均勻的燃料分布。該預(yù)混合器應(yīng)該在寬的發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件范圍上提供均勻的燃料一空氣混合物。該預(yù)混合器應(yīng)該提供短的預(yù)混合長(zhǎng)度。該預(yù)混合器應(yīng)該與寬范圍的燃料相容，包括在燃?xì)廨啓C(jī)中使用的所有氣體和液體燃料。該預(yù)混合器應(yīng)該提供低排放產(chǎn)生。該預(yù)混合器或者單獨(dú)的預(yù)混合器應(yīng)該可修改以有助于穩(wěn)定TVC的駐渦腔中的燃燒，與所設(shè)計(jì)的TVC的流動(dòng)模式一致，流動(dòng)模式包括所利用的低湍流模式。應(yīng)該可以協(xié)調(diào)在設(shè)計(jì)中利用的任何多個(gè)預(yù)混合器的操作，以在系統(tǒng)的操作范圍上提供最好的操作。所提供的該預(yù)混合器系統(tǒng)和方法應(yīng)該能適用于寬范圍的應(yīng)用。在一個(gè)實(shí)施例中，這些目的可以通過提供入口預(yù)混合器組件實(shí)現(xiàn)，該入口預(yù)混合器組件包括轂、多個(gè)徑向輻條和多個(gè)附接到輻條上的、具有多個(gè)徑向指向的噴射孔的、同心的空氣動(dòng)力學(xué)噴射圈。噴射孔設(shè)有多個(gè)不同直徑，以有利于在寬功率范圍上的良好混合。由于構(gòu)造和孔尺寸，組件與氣體和液體相容。由于在截面區(qū)域上的燃料噴射位點(diǎn)數(shù)量較多，徑向、同心噴射結(jié)構(gòu)允許短的噴射路徑。在第二方面中，為了與駐渦反應(yīng)器設(shè)計(jì)結(jié)合使 用，可以提供另一預(yù)混合器實(shí)施例，其將預(yù)混合的燃料和空氣以與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的腔中流動(dòng)模式相容的方式直接噴射到駐渦腔中。當(dāng)與再循環(huán)渦流設(shè)計(jì)結(jié)合使用時(shí)，該預(yù)混合器能夠布置成使得預(yù)混合的燃料和空氣以平滑連續(xù)的方式切向加入渦流，并且/或者加強(qiáng)環(huán)狀部中的燃燒。在其它設(shè)計(jì)中，預(yù)混合物可以在一個(gè)以上的TVC位置沿著與引入?yún)^(qū)域中的局部渦流一致的一個(gè)以上的方向引入。對(duì)于上述兩個(gè)實(shí)施例還可以提供彼此結(jié)合使用的方法，它們的設(shè)定彼此協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)以用于操作期間的燃料分級(jí)。已經(jīng)以該方式實(shí)現(xiàn)了極低的排放結(jié)果。在其它實(shí)施例中，提供可選的燃燒腔布局用于實(shí)踐在駐渦(TVC)燃燒設(shè)備中的燃料分級(jí)，包括入口預(yù)混合器和一個(gè)以上的渦流預(yù)混合器，該入口預(yù)混合器用于將燃料一空氣混合物噴入燃燒設(shè)備的入口中，渦流預(yù)混合器用于將燃料一空氣混合物噴入一個(gè)以上的駐渦腔的每一個(gè)內(nèi)的再循環(huán)渦流中。由預(yù)混合器供料的多個(gè)TVC腔例如可布局成軸向、徑向、周向、內(nèi)部或者這些布置的組合。這些布局可以與燃料分級(jí)方法結(jié)合使用，由此通過入口預(yù)混合器和相應(yīng)的渦流預(yù)混合器引入的混合物的相對(duì)比例能夠根據(jù)操作條件改變。根據(jù)本發(fā)明的燃燒設(shè)備和方法可用于所有燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用，包括而不限于陸用發(fā)電、商用噴氣式飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、用于飛機(jī)的輔助動(dòng)力單元(APU)、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)工廠、熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)或廢熱發(fā)電工廠。從附圖和之后的詳細(xì)說(shuō)明將清楚本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)。


為了更加完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在結(jié)合附圖參照以下描述，附圖中類似的附圖標(biāo)記表示類似的部件，其中圖I是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的、結(jié)合有兩個(gè)不同預(yù)混合器裝置的環(huán)筒燃燒器從入口側(cè)到出口側(cè)的立體截面圖。圖2A示出了圖I所示的入口預(yù)混合器的截面圖，圖2B示出了包括該預(yù)混合器的輻條和圈元件的詳細(xì)截面圖。圖3是圖2A和2B所示的入口預(yù)混合器的另外的截面圖，還示出了在噴射圈中燃料噴射孔口的設(shè)置。圖4是圖I所示的渦流預(yù)混合器的環(huán)狀部從外部的局部剖切立體圖。圖5示出了與在駐渦腔中具有直線壁的TVC組合使用的渦流預(yù)混合器的可選實(shí)施例。
圖6A-6C不出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的燃料分級(jí)策略的不例，圖6D-6E是火焰溫度vs發(fā)動(dòng)機(jī)功率的對(duì)應(yīng)曲線圖。圖7A-7D示出了結(jié)合有多個(gè)TVC腔的多種 燃燒器布局可以與各個(gè)可控的入口預(yù)混合器和渦流預(yù)混合器結(jié)合使用。
具體實(shí)施例方式以下是對(duì)本發(fā)明的某些實(shí)施例的詳細(xì)描述，選擇這些實(shí)施例以提供如何可以有利地實(shí)施本發(fā)明的示例。本發(fā)明的范圍不限于描述的具體實(shí)施例，也不限于附圖中所示或者發(fā)明內(nèi)容或摘要中闡述或描述的任何具體實(shí)施、組成、實(shí)施例或特征。此外，應(yīng)注意，本公開描述了均包括多個(gè)步驟的多個(gè)方法。本說(shuō)明書中包含的任何內(nèi)容都不應(yīng)理解為暗示這些方法中的步驟的任何必需順序，除非由權(quán)利要求語(yǔ)句明確地規(guī)定。本公開可適用于任何燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器或反應(yīng)室。本公開的某些方面與具有用于氣體燃料或攜帶氣體的液體燃料和氧化劑(空氣)的入口的任何能量釋放/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相關(guān)。其它方面也是相關(guān)的，只要能量釋放/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有TVC特征，如下所述。在多種能量釋放/轉(zhuǎn)換設(shè)備中，燃燒器和反應(yīng)室在一些方面具有基本穩(wěn)定狀態(tài)的渦流循環(huán)，渦流循環(huán)至少部分地位于從燃燒器入口到出口的直接流徑之外。這里使用術(shù)語(yǔ)“駐渦燃燒器”(TVC)來(lái)表示本公開可應(yīng)用的一類設(shè)備，該術(shù)語(yǔ)將用來(lái)最普遍地指代具有這類特征的能量釋放/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(燃燒器和/或重整器)，含有渦流的燃燒器的內(nèi)部將稱為“駐渦反應(yīng)腔”。駐渦腔可容納一個(gè)渦流、雙渦流或多個(gè)渦流。駐渦腔可具有連續(xù)的彎曲壁，或者其可具有直線或其它形狀的壁，或者形成在鈍體之間，或者是壁和鈍體的組合。燃燒器或反應(yīng)室還可具有多個(gè)駐潤(rùn)腔。之前討論了根據(jù)Roquemore等人、Burris、Haynes等人、以及Steele等人的TVC實(shí)施例的示例。在RakhmaiIov’854中公開的能量釋放/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)盡管在材料方面與那些TVC不同，但是為了本公開中采用的術(shù)語(yǔ)的目的也應(yīng)認(rèn)為是TVC。根據(jù)反應(yīng)器設(shè)計(jì)，額外的考慮能夠與TVC相關(guān)。渦流通常設(shè)計(jì)為幫助保持燃燒器的火焰穩(wěn)定性。一些設(shè)計(jì)還依賴于利用低湍流特性以幫助實(shí)現(xiàn)均勻混合，允許貧混合物在較低的燃燒溫度點(diǎn)燃，從而改進(jìn)排放。實(shí)際上，能量釋放/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的操作可受到波動(dòng)和擾動(dòng)，例如由于燃料流動(dòng)或壓縮機(jī)流動(dòng)的不連續(xù)性、小表面不連續(xù)性、或者數(shù)據(jù)異常，該數(shù)據(jù)異常是當(dāng)真實(shí)流體以高速度沿著真實(shí)機(jī)器表面動(dòng)態(tài)行進(jìn)并且彼此實(shí)時(shí)化學(xué)反應(yīng)的時(shí)候連續(xù)層流的小偏差產(chǎn)生的不可避免的結(jié)果。這些波動(dòng)和不連續(xù)性能夠不時(shí)地導(dǎo)致火焰不穩(wěn)定。在燃燒(或重整)之前燃料和空氣的徹底混合能夠用于改進(jìn)這些設(shè)計(jì)以及其它設(shè)計(jì)(其中可以在引入燃料-空氣混合物之后允許或促進(jìn)湍流)的排放性能和穩(wěn)定性。在TVC設(shè)計(jì)中，主入口上游的預(yù)混合器已經(jīng)用于幫助混合燃料和空氣。然而，試驗(yàn)表明有相當(dāng)大的空間來(lái)改進(jìn)這些入口預(yù)混合器設(shè)計(jì)的性能。在某些TVC設(shè)計(jì)中，燃料、空氣和/或預(yù)混合的燃料和空氣已經(jīng)直接噴射到燃燒渦流中，以使整個(gè)燃燒器操作穩(wěn)定。例如，某些這類設(shè)計(jì)的目的是使用渦流預(yù)混合器、或者離散地噴射燃料和/或空氣，以引起一個(gè)以上的額外渦流(否則會(huì)存在更少或僅有一個(gè)的渦流)，以產(chǎn)生更多的混合湍流，并增加TVC渦流腔中流體的停留時(shí)間。然而，之前實(shí)踐的這類燃料或混合物的直接噴射(其中燃料、空氣和/或預(yù)混合的燃料和空氣擾亂性地噴射到自然渦流)能夠?qū)е虏灰?guī)則的混合和熱點(diǎn)，并且對(duì)于排放控制不是最優(yōu)的。
從而，在本領(lǐng)域中除已經(jīng)實(shí)踐之外的另外不同的模式能夠是有利的，對(duì)于TVC (包括低湍流TVC)和非TVC設(shè)計(jì)都是如此。然而，為了成功地使用預(yù)混合器，有些問題必須克服。通常從壓縮機(jī)向能量釋放/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)供給處于壓縮狀態(tài)的燃燒空氣。在作為壓縮機(jī)輸出的特征的較高的壓力和溫度下的預(yù)混合的燃料和空氣趨于是高度爆炸性的。為了避免該爆炸，該環(huán)境中的預(yù)混合可以以在將預(yù)混合物引入燃燒室之前減少預(yù)混合物的停留時(shí)間的方式執(zhí)行。這意味著預(yù)混合設(shè)備應(yīng)當(dāng)優(yōu)選可行地接近燃燒器入口(短預(yù)混合長(zhǎng)度)，而同時(shí)為期望的預(yù)混合水平提供足夠的停留時(shí)間(可通過具有小的預(yù)混合規(guī)模而部分實(shí)現(xiàn))。因此，用于實(shí)現(xiàn)快速均勻預(yù)混合的構(gòu)造是優(yōu)選的。另外，預(yù)混合器優(yōu)選應(yīng)該與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的其它部分相容。例如，在低湍流系統(tǒng)中，預(yù)混合器應(yīng)該不依賴或者引入與整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不一致的大規(guī)模湍流。在其它TVC設(shè)計(jì)中，預(yù)混合器應(yīng)該以與期望的腔流場(chǎng)一致的方式引入混合物。 考慮到前述原理和評(píng)論，已經(jīng)研發(fā)了兩個(gè)互補(bǔ)的預(yù)混合器設(shè)計(jì)。圖I是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的、結(jié)合有兩個(gè)不同預(yù)混合器裝置的示例21和31的燃燒器從入口側(cè)到出口側(cè)的立體截面圖。圖I的燃燒器在內(nèi)部構(gòu)造軸對(duì)稱的同時(shí)，是“筒式”設(shè)計(jì)(有時(shí)稱為“環(huán)筒”，但是區(qū)別于“全環(huán)”設(shè)計(jì))，使得在圖I中均部分示出的多個(gè)這樣的“筒”能夠布置成圓形構(gòu)造，它們的出口共同圍繞大渦輪機(jī)指向。這樣的布置一般用于為用于發(fā)電應(yīng)用的大規(guī)模燃?xì)廨啓C(jī)(例如渦輪機(jī)的軸驅(qū)動(dòng)大發(fā)電機(jī)的情況)提供動(dòng)力。雖然圖I和4集中于筒式設(shè)計(jì)，但本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，該設(shè)計(jì)的原理可容易地適于“全環(huán)”燃燒器設(shè)計(jì)，其中單個(gè)環(huán)形燃燒器被設(shè)計(jì)為與例如渦輪機(jī)的環(huán)形流體入口匹配。除了大規(guī)模發(fā)電渦輪機(jī)之外，全環(huán)設(shè)計(jì)可例如用于商用噴氣飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和輔助動(dòng)力單元(APU)。所有這些構(gòu)造和它們所支持的應(yīng)用處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。圖I所示的實(shí)施例中的筒式燃燒器具有入口 6、出口 5、再循環(huán)區(qū)域7和脫離點(diǎn)14。在三維空間中，再循環(huán)區(qū)域7形成了圍繞從入口 6到出口 5的主流動(dòng)軸線的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，在該環(huán)狀結(jié)構(gòu)中渦流22將在燃燒器操作期間再循環(huán)，燃燒氣體的一部分在點(diǎn)14處脫離并且沿著彎曲壁23在彎曲壁23內(nèi)圍繞環(huán)狀部7再循環(huán)而再加入入口 6。被壓縮的燃燒空氣在入口 6上游的壓縮機(jī)入口 10處引入。入口預(yù)混合器21位于壓縮機(jī)入口 10與燃燒器入口 6之間。在該實(shí)施例中，大致錐形的鈍體3和4設(shè)置在預(yù)混合器21與燃燒器入口 6之間，以提供噴嘴來(lái)加速離開預(yù)混合器21的預(yù)混合物。(然而，注意在環(huán)形設(shè)計(jì)中，取代的是，鈍體可以是圍繞整個(gè)環(huán)形燃燒器入口環(huán)狀延伸(為漸縮圈)的“2D”元件，而不是如圖所示形成錐形結(jié)構(gòu)。)在該實(shí)施例的其它細(xì)節(jié)中，鈍體3、4抵靠板11終止，板11在三維空間中在入口區(qū)域6的中心形成圓形壁；鈍體3、4由周向布置在入口區(qū)域6內(nèi)的徑向輻條17支撐；孔16設(shè)置在板11中，用于壁冷卻(泄流、撞擊泄流等);在燃燒器入口的上游設(shè)有壓力端口 12 ;用于點(diǎn)火器(未示出)的安裝點(diǎn)15設(shè)置在環(huán)狀部的壁中。而且在該實(shí)施例(即，筒式燃燒器)中，燃燒器容納在大致筒形的外殼41中。在所示實(shí)施例中，還設(shè)置第二預(yù)混合器31 (渦流預(yù)混合器)。第二預(yù)混合器向再循環(huán)空間7中噴射，但是其方式與現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)踐的預(yù)混合的燃料和空氣的噴射不同。在現(xiàn)有技術(shù)的渦流預(yù)混合器中，預(yù)混合的空氣和燃料以計(jì)算出的方式被引入TVC腔中，而生成一個(gè)以上的額外全新的渦流，或者大大擾亂自然存在的渦流的流場(chǎng)。在所示實(shí)施例中，將預(yù)混合的燃料和空氣噴入渦流區(qū)域被設(shè)計(jì)成增強(qiáng)腔中的自然渦流，例如，在與腔中的自然再循環(huán)流動(dòng)相切并且同向的方向上沿著外部壁引入 腔中。從而，其增強(qiáng)了渦流流動(dòng)，而沒有擾亂或者明顯增加湍流。應(yīng)理解的是，雖然圖I示出了就位的預(yù)混合器21和預(yù)混合器31，但是可以設(shè)置預(yù)混合器21或31中的任一個(gè)而取消另一個(gè)，盡管在本公開的稍后討論中存在有利地具有兩個(gè)預(yù)混合器的操作模式。在一個(gè)實(shí)施例中，渦流預(yù)混合器31包括多個(gè)燃料噴射器，所述燃料噴射器均圍繞環(huán)狀部7的外壁的周邊布置，相對(duì)于燃燒器出口的方向切向指向，靠近環(huán)狀部7的上死點(diǎn)因此近似與其相切，從而與環(huán)狀部7中的流體的自然再循環(huán)流動(dòng)同向地噴射預(yù)混合物。在圖I的截面圖中僅示出了一個(gè)這樣的噴射器，但是應(yīng)當(dāng)理解通過圍繞環(huán)狀部7的周邊并排的類似噴射器來(lái)復(fù)制噴射器結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在將進(jìn)一步詳細(xì)地描述兩個(gè)預(yù)混合器系統(tǒng)。入口預(yù)混合器圖2A、2B和3示出了入口預(yù)混合器21的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。在預(yù)混合器21反映的實(shí)施例中，燃料(可以是氣體或液體燃料)在燃料入口 13處引入中心轂1，并且經(jīng)由四個(gè)徑向輻條19等流出至安裝在燃料輻條上的四個(gè)同心圈2A、2B等中。燃料與軸向成O — 90度范圍內(nèi)的角度(正或負(fù)(即，根據(jù)具體的圈對(duì)而遠(yuǎn)離或者朝向軸線)，但是在任何情況下都使得角度的絕對(duì)值在O — 90度的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地與軸向成30 - 90度角)噴射到形成在相鄰的圈2A、2B等之間的環(huán)形通道內(nèi)，進(jìn)入來(lái)自壓縮機(jī)的高速空氣中。同心圈2A、2B等和輻條19是空氣動(dòng)力學(xué)形狀的，如圖2B所示。圈的數(shù)量應(yīng)該在2到大約5的范圍內(nèi)，并且應(yīng)該優(yōu)選提供小于50%或者更優(yōu)選小于40%的流動(dòng)阻塞。圈2A、2B等中的燃料孔口(孔)201,202等被選為提供燃料至進(jìn)入空氣的足夠滲透，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)的操作包線上提供最徹底混合(最小未混合水平)的混合物。因此，它們有不同的尺寸/直徑，從而以負(fù)荷曲線上的不同點(diǎn)為目標(biāo)。在替代實(shí)施例中，燃料能夠從圈結(jié)構(gòu)的外徑212而不是轂211供給到輻條。優(yōu)選地，孔201和202定向?yàn)檠刂饕獜较蚍较驅(qū)⑷剂蠂娚涞浇徊媪鲃?dòng)的壓縮機(jī)空氣中。在該實(shí)施例中，為了容易制造，孔被定向?yàn)橄鄬?duì)于軸向成近似±70度。然而，該角度不是關(guān)鍵的。通常，角度范圍能從大約±0度到大約±90度；優(yōu)選在大約±60度與大約±90度之間；更優(yōu)選為大約±90度?？壮叽缡遣痪鶆虻模瑸榱瞬煌β史秶?，即不同燃料一空氣動(dòng)量流量比水平中的更優(yōu)性能而提供不同尺寸的孔。不同的孔尺寸能夠通過冷流動(dòng)混合實(shí)驗(yàn)、CFD或經(jīng)驗(yàn)公式、或者它們的任意組合而確定。孔的總數(shù)量可以大于傳統(tǒng)預(yù)混合器中的對(duì)應(yīng)數(shù)量。在一個(gè)構(gòu)造中，孔尺寸被選為提供三個(gè)不同尺寸的多個(gè)孔，它們適于分別在低、中和高功率帶中給出最優(yōu)的混合。例如，小孔可以定尺寸為用于優(yōu)化的低功率操作(O - 30%發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷)；中間孔可以定尺寸為用于優(yōu)化的中等功率操作(O - 70%發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷)；大孔可以定尺寸為用于優(yōu)化的高功率操作(70 - 100%發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷)，并且組合使用以在整個(gè)功率范圍上提供最均勻的混合。優(yōu)選地，在兩個(gè)相鄰圈上跨過由這兩個(gè)圈限定的環(huán)形通道，每個(gè)孔與不同尺寸的孔成對(duì)。每個(gè)上述孔直徑(在本示例中為三個(gè)不同直徑，不過可以是更大的數(shù))可以近似均勻地周向分布，以確保在預(yù)混合物入口的橫截面區(qū)域中最均勻的混合物。圖3中示出了一個(gè)示例性孔布局。角度Xl和X 2 (圖中未示出)是徑向角度孔偏移。下表作為一個(gè)可能的不例不出了對(duì)于所不實(shí)施例中的八排孔的四分之一的孔布局
權(quán)利要求
1.預(yù)混合器與TVC反應(yīng)器的組合，所述預(yù)混合器包括燃料入口、空氣入口、在其中混合燃料和空氣的室、以及用于燃料-空氣混合物的出口 ；所述TVC反應(yīng)器包括至少一個(gè)駐渦腔，所述至少一個(gè)駐渦腔的形狀和尺寸形成為使得通過所述反應(yīng)器的流體的主流動(dòng)足以引起在所述腔內(nèi)循環(huán)的渦流，而與來(lái)自所述預(yù)混合器的燃料-空氣混合物的任意流動(dòng)無(wú)關(guān)；其中所述預(yù)混合器定位在所述TVC反應(yīng)器上，使得所述出口將所述燃料-空氣混合物直接引入所述駐渦腔中，并且使得所述燃料-空氣混合物以使得所述燃料-空氣混合物與所述渦流流動(dòng)近似同向地加入所述渦流流動(dòng)的角度被引入所述駐渦腔中。
2.如權(quán)利要求I所述的預(yù)混合器和TVC反應(yīng)器，其中，所述駐渦腔具有位于所述反應(yīng)器的入口和出口之間的彎曲壁，其中所述預(yù)混合器還包括至少一個(gè)噴射管，所述至少一個(gè)噴射管與所述彎曲壁相切定向，并且從所述反應(yīng)器的外部穿過所述彎曲壁延伸到所述駐渦腔中。
3.如權(quán)利要求2所述的預(yù)混合器和TVC反應(yīng)器，其中，所述TVC是筒式燃燒器，還包括圍繞所述TVC的徑向周邊周向布置的多個(gè)所述噴射管。
4.如權(quán)利要求2所述的預(yù)混合器和TVC反應(yīng)器，其中，所述TVC是環(huán)形燃燒器，還包括圍繞所述TVC的環(huán)形周邊布置的多個(gè)所述噴射管。
5.如權(quán)利要求3所述的預(yù)混合器和TVC反應(yīng)器，其中，所述駐渦反應(yīng)室中的渦流流動(dòng)是從出口到入口，并且其中噴射管的所述周向布置位于在所述燃燒器的軸線的平面中取得的、從所述周邊的大約中點(diǎn)朝向所述出口延伸的四分之一圓中。
6.如權(quán)利要求3所述的預(yù)混合器和TVC反應(yīng)器，其中，所述多個(gè)噴射管是大約100個(gè)管，每個(gè)所述管具有大約O. 1-0. 2英寸的直徑。
7.如權(quán)利要求I所述的預(yù)混合器和TVC反應(yīng)器，其中，所述駐渦腔具有限定直線截面的壁，其中所述預(yù)混合器進(jìn)一步定向成將所述燃料-空氣混合物從至少一個(gè)入口與所述渦流基本同向地引入所述腔中。
8.如權(quán)利要求7所述的預(yù)混合器和TVC反應(yīng)器，其中，所述TVC是環(huán)形燃燒器，還包括圍繞所述TVC的環(huán)形周邊布置的多個(gè)所述噴射管。
9.一種組件，包括如權(quán)利要求I所述的預(yù)混合器和TVC反應(yīng)器，還包括燃?xì)廨啓C(jī)，所述組件適于發(fā)電。
10.一種組件，包括如權(quán)利要求I所述的預(yù)混合器和TVC反應(yīng)器，還包括燃?xì)廨啓C(jī)，所述組件適于用作用于飛行的推進(jìn)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。
11.一種組件，包括如權(quán)利要求I所述的預(yù)混合器和TVC反應(yīng)器，還包括燃?xì)廨啓C(jī)，所述組件適于作為輔助發(fā)電單元。
12.—種組件，包括如權(quán)利要求I所述的預(yù)混合器和TVC反應(yīng)器，還包括燃?xì)廨啓C(jī)，所述組件適于作為用于熱電聯(lián)產(chǎn)工廠的燃燒渦輪機(jī)。
13.—種組件，包括如權(quán)利要求I所述的預(yù)混合器和TVC反應(yīng)器，還包括燃?xì)廨啓C(jī)，所述組件適于作為用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)工廠的燃燒渦輪機(jī)。
全文摘要
在一個(gè)實(shí)施例中，提供預(yù)混合器用于例如與駐渦(TVC)燃燒器一起使用，該預(yù)混合器將預(yù)混合的燃料和空氣以與腔中的自然渦流流動(dòng)相容的方式直接噴入再循環(huán)渦流中。
文檔編號(hào)F23R3/30GK102713441SQ200980162280
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2009年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月13日
發(fā)明者D·W·肯德里克 申請(qǐng)人:貧焰公司