專利名稱：徑向貧直接注射燃燒器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器的空氣燃料混合器，以及混合空氣和燃 料的方法。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪機(jī)制造商定期地參與研究與設(shè)計(jì)計(jì)劃以制造新的燃?xì)鉁u輪機(jī)，其將以高 效率運(yùn)行而不會(huì)產(chǎn)生不合需要的空氣污染排放。由燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒傳統(tǒng)的碳?xì)浠衔锶剂?而通常產(chǎn)生的主要空氣污染排放物為氮氧化物、一氧化碳以及未燃燒的碳?xì)浠衔?。在?風(fēng)發(fā)動(dòng)機(jī)(air breathing engine)中的分子氮的氧化高度依賴于燃燒系統(tǒng)反應(yīng)區(qū)域中的 最高熱氣體溫度。形成氮氧化物(NOx)的化學(xué)反應(yīng)速度為溫度的指數(shù)函數(shù)。如果燃燒室熱 氣體的溫度被控制在足夠低的水平，將以低得多的速度產(chǎn)生熱氮氧化物(thermal NOx)。將燃燒器反應(yīng)區(qū)域的溫度控制在形成熱氮氧化物的水平以下的一種方法是在燃 燒前將燃料和空氣預(yù)混合成貧混合物。存在于貧預(yù)混合燃燒器的反應(yīng)區(qū)域中的過(guò)量空氣的 熱質(zhì)量吸收熱且將燃燒產(chǎn)物的溫度上升降低至一個(gè)水平，在該水平下熱氮氧化物以可接受 的速度形成，從而保持在排放標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。存在與干式低排放燃燒器相關(guān)的若干問題，干式低排放燃燒器利用燃料和空氣的 貧預(yù)混合運(yùn)行，其中燃料和空氣的可燃混合物存在于燃燒器的預(yù)混合部?jī)?nèi)，該預(yù)混合部位 于燃燒器的反應(yīng)區(qū)域的外部。由于回火或者自發(fā)火(autoignition)，存在在預(yù)混合部?jī)?nèi)發(fā) 生燃燒的傾向；回火在火焰從燃燒器反應(yīng)區(qū)域傳入預(yù)混合區(qū)域時(shí)發(fā)生，且導(dǎo)致火焰駐留在 燃料噴射柱(噴射橫流)或葉片后緣之后的尾流中；自發(fā)火發(fā)生在停留時(shí)間(dwell time) 以及在預(yù)混合部中的燃料/空氣混合物的溫度足以使燃燒無(wú)需點(diǎn)火裝置即可開始時(shí)。在預(yù) 混合部中燃燒的結(jié)果是排放性能劣化和/或?qū)︻A(yù)混合部的過(guò)熱以及損壞，預(yù)混合部典型地 不設(shè)計(jì)用來(lái)承受燃燒的熱。由此，一個(gè)需要解決的問題是防止導(dǎo)致預(yù)混合器內(nèi)的燃燒的回 火或自發(fā)火。另外，離開預(yù)混合器并進(jìn)入燃燒器的反應(yīng)區(qū)域的燃料和空氣的混合物必須非常均 勻，以達(dá)到所希望的排放性能。如果在流場(chǎng)中存在燃料/空氣混合強(qiáng)度明顯富于平均水平 的區(qū)域，則這些區(qū)域中的燃燒產(chǎn)物將會(huì)達(dá)到比平均水平更高的溫度，并將形成熱氮氧化物。 這可導(dǎo)致無(wú)法滿足依賴于溫度和停留時(shí)間的結(jié)合的NOx排放目標(biāo)。如果在流場(chǎng)中存在燃料 /空氣混合強(qiáng)度明顯貧于平均水平的區(qū)域，則可發(fā)生熄火，而無(wú)法將碳?xì)浠衔锖?或一氧 化碳氧化至平衡水平。這可導(dǎo)致無(wú)法滿足一氧化碳(CO)和/或未燃燒碳?xì)浠衔?UHC) 排放目標(biāo)。因此，另一個(gè)需要解決的問題是產(chǎn)生離開預(yù)混合器的燃料/空氣混合強(qiáng)度分布， 該燃料/空氣混合強(qiáng)度分布足夠均勻以滿足排放性能目標(biāo)。更進(jìn)一步，為了滿足在許多應(yīng)用中強(qiáng)加于燃?xì)鉁u輪機(jī)的排放性能目標(biāo)，有必 要將燃料/空氣混合強(qiáng)度降低到接近對(duì)于大多數(shù)碳?xì)浠衔锶剂系目扇夹韵孪?lean flammability limit)的水平。這導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c排放的降低。結(jié)果，與更傳統(tǒng)的擴(kuò)散 型火焰燃燒器相比，貧預(yù)混合燃燒器趨向于較不穩(wěn)定，且經(jīng)常導(dǎo)致高水平的燃燒驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)壓力波動(dòng)(動(dòng)態(tài)變化(dynamics))。動(dòng)態(tài)變化可具有不利后果，例如由于磨損或疲勞、回火 或熄滅而產(chǎn)生的燃燒器和渦輪機(jī)硬件損壞。因此，另一個(gè)要解決的問題是將燃燒動(dòng)態(tài)變化 控制到可接受地低的水平。用于減輕排放的貧預(yù)混合燃料噴射器在整個(gè)行業(yè)中使用，二十多年來(lái)，已經(jīng)被簡(jiǎn) 化為在重型工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)中實(shí)施。在美國(guó)專利5，259，184中描述了此類裝置的代表性示 例。在減輕燃?xì)鉁u輪機(jī)廢氣排放的領(lǐng)域中，此類裝置已經(jīng)取得進(jìn)展。在不使用例如蒸汽或 水的稀釋劑注射的情況下，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的擴(kuò)散火焰燃燒器將氮氧化物、NOx, 排放物減少一個(gè)數(shù)量級(jí)甚至更多。然而如上文指出，這些排放性能方面的得益是冒著引起若干問題的風(fēng)險(xiǎn)取得的。 尤其是在裝置的預(yù)混合部?jī)?nèi)的回火和駐焰(flameholding)導(dǎo)致因過(guò)熱而產(chǎn)生的排放性能 劣化和/或硬件損壞。另外，增長(zhǎng)的燃燒驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)壓力活動(dòng)的水平導(dǎo)致因磨損或高周疲勞 失效產(chǎn)生的燃燒系統(tǒng)部件和/或燃?xì)鉁u輪機(jī)其他部件的有效壽命降低。又更進(jìn)一步，為避 免引起高水平動(dòng)態(tài)壓力活動(dòng)、回火或熄滅的條件，燃?xì)鉁u輪機(jī)操作復(fù)雜性增加和/或?qū)θ?氣渦輪機(jī)的操作限制是必要的。除這些問題之外，傳統(tǒng)貧預(yù)混合燃燒器沒有以燃料和空氣的理想均勻的預(yù)混合實(shí) 現(xiàn)可能的最大排放降低。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒器包括燃燒管、多個(gè)空 氣通路、多個(gè)燃料通路以及徑向空氣旋流器；燃燒管具有入口端和出口端；多個(gè)空氣通路 在燃燒管中軸向地延伸，構(gòu)造成從入口端向出口端輸送空氣流；多個(gè)燃料通路沿燃燒管軸 向地延伸且圍繞多個(gè)空氣通路隔開，構(gòu)造成從入口端向出口端輸送燃料；徑向空氣旋流器 設(shè)置在出口端處，構(gòu)造成徑向地將空氣流引向出口端且給空氣流賦予旋轉(zhuǎn)。徑向空氣旋流 器包括用來(lái)引導(dǎo)和旋轉(zhuǎn)空氣流的多個(gè)葉片以及端板。端板包括多個(gè)燃料注射孔，以徑向地 將燃料注入旋轉(zhuǎn)著的空氣流。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供了在燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃燒器中混合燃料和空氣的 方法。燃燒器包括燃燒管，燃燒管包括入口端、出口端、多個(gè)軸向空氣通路以及多個(gè)軸向燃 料通路。該方法包括在入口端處將空氣流引入空氣通路；將燃料引入燃料通路；在出口端 處旋轉(zhuǎn)空氣流；以及徑向地將燃料注入旋轉(zhuǎn)著的空氣流。


圖1至5示意性地描繪了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的燃燒器。圖6示意性地描繪了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的燃燒器。圖7和8示意性地描繪了根據(jù)又一個(gè)實(shí)施例的燃燒器。圖9示意性地描繪了根據(jù)再一個(gè)實(shí)施例的燃燒器。圖10示意性地描繪了根據(jù)又再一個(gè)實(shí)施例的燃燒器。部件列表2燃燒器4燃燒管
6 入口端8 出口端 10 凸緣12空氣通路14燃料通路16燃料注射孔18中心體20中心通路22徑向空氣旋流器裝置24注射的燃料(燃料通路)26空氣流28 葉片30注射的燃料(中心體)32中心體尖端34 軸線36前面/前板38燃料注射孔40薄環(huán)形部42中心體末端部分44燃料注射管46燃料注射管
具體實(shí)施例方式參考圖1至5，燃燒器2包括具有入口端6和出口端8的燃燒管4。給燃燒管4提 供凸緣10用于將燃燒器2安裝到燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中。應(yīng)該理解的是凸緣10可與燃燒管4 一體地形成，或者可單獨(dú)地提供。也應(yīng)該理解的是可給燃燒器2提供其它安裝裝置。燃燒管4包括多個(gè)空氣通路12?？諝馔?2環(huán)繞包括中心通路20的中心體18。 中心體18與燃燒管4的軸線34共軸。多個(gè)燃料通路14圍繞空氣通路12設(shè)置。徑向空氣 旋流器裝置22設(shè)置在燃燒器2的出口端8處，以給空氣流26賦予旋轉(zhuǎn)(圖2)。徑向空氣 旋流器裝置22包括多個(gè)葉片28，多個(gè)葉片28圍繞出口端8的圓周設(shè)置在前板36和中心體 18的中心體尖端32之間。在前板36中設(shè)置了多個(gè)燃料注射孔16，以從燃料通路14徑向地將燃料注入燃燒 管4。從燃料通路14注射的燃料24與由徑向空氣旋流器裝置22的葉片28旋轉(zhuǎn)的空氣流 26混合。在燃燒器2的出口端8處，燃料24被注入空氣流，此處大部分空氣質(zhì)量流集中在 薄的環(huán)形部40中(圖5)。注射的燃料30也從中心體18的中心通路20經(jīng)過(guò)中心體尖端 32提供。由于空氣和燃料沒有預(yù)混合，駐焰被減輕或消除。前板36也被空氣流冷卻，而葉 片28如鰭片一樣作用而協(xié)助傳熱。中心體18包括末端部分42，該末端部分42構(gòu)造成減小回流區(qū)域且加速空氣流 26，空氣流26否則可能攜帶熱燃燒產(chǎn)物或反應(yīng)物回到燃燒管4中，這會(huì)產(chǎn)生局部過(guò)熱點(diǎn)(local hot spots)并導(dǎo)致?lián)p壞?？衫弥行捏w18來(lái)用第二燃料或后備燃料(例如天然 氣)啟動(dòng)。應(yīng)該理解的是中心體18也可由用于液體燃料的液體燃料盒或霧化器組件替代。注射的燃料24、30可為高反應(yīng)性燃料，例如純氫或各種氫/ 一氧化碳和碳?xì)浠?物的混合物。在徑向旋轉(zhuǎn)著的空氣流中注射燃料24、30提供了快速的空氣燃料混合，這減 少了排放，并防止了可發(fā)生在預(yù)混合燃燒系統(tǒng)中的不可預(yù)測(cè)的駐焰和回火?？梢愿淖?nèi)剂衔恢煤蜐B透深度，這將提供對(duì)燃料分布和混合的更多控制，以減少 和控制排放?？梢蕾囉谌剂系姆磻?yīng)性而改變?nèi)剂衔恢?，從而提供獲得低排放必需的散布和 混合ο參考圖6，根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的燃燒器2包括圍繞中心體尖端32設(shè)置的多個(gè)燃料 注射孔38。參考圖7和8，在另一個(gè)實(shí)施例中，燃燒器2包括圍繞前板36中的開口的外圍設(shè)置 的多個(gè)燃料注射管44。多個(gè)燃料注射管46圍繞中心體尖端32設(shè)置。如在圖9中顯示，在另一個(gè)實(shí)施例中，燃燒器2包括具有葉片28a、28b的徑向空氣 旋流器裝置22。燃料注射管44設(shè)置在葉片28a、28b之間，以注射與空氣流26混合的燃料 24，從而形成燃料-空氣混合物。前板36可延伸到在燃料注射環(huán)44的出口附近的位置，以 引導(dǎo)被葉片28b旋轉(zhuǎn)的空氣流26b與來(lái)自燃料孔的燃料24混合。由葉片28b提供的空氣 流26b與來(lái)自燃料注射管44的燃料24形成第一燃料注射環(huán)，而由葉片28a提供的空氣流 26a與來(lái)自燃料注射管44的燃料24形成第二燃料注射環(huán)。在圖9中顯示了兩個(gè)徑向空氣 旋流器，但應(yīng)該理解的是可設(shè)置兩個(gè)以上的徑向空氣旋流器。參考圖10，根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，除具有在出口 44處設(shè)置在徑向空氣旋流器裝置22 的葉片28a、28b之間的燃料注射孔的燃料環(huán)之外，燃燒器2還包括在前板36中的燃料注射 孔16。來(lái)自燃料注射孔16的燃料24以及來(lái)自燃料注射管44的燃料24與被葉片28b旋轉(zhuǎn) 的空氣流26b形成第一燃料注射環(huán)。來(lái)自燃料注射管44的燃料24還與被葉片28a旋轉(zhuǎn)的 空氣流26a形成第二燃料注射環(huán)。如圖9和10中所示，徑向貧直接注射(lean direct injection)可包括一個(gè)以上 的旋流器和燃料注射環(huán)，以增強(qiáng)混合且適應(yīng)燃燒器空氣動(dòng)力學(xué)流場(chǎng)。部分地由于增強(qiáng)的空 氣剪切，與出口附近的燃料環(huán)相比，徑向旋流器之間的燃料注射環(huán)可使得能夠與空氣更快 速地混合。徑向旋流器之間的燃料注射管可較少地暴露于燃燒器火焰區(qū)域并降低燃料的任 何熱劣化且由此降低燃料焦化。如圖9和10中所示，為了更低的NOx，可設(shè)置兩個(gè)燃料注 射環(huán)以減小富燃料、高溫度的燃燒區(qū)域的尺寸。應(yīng)該理解的是可設(shè)置兩個(gè)以上的燃料注射 環(huán)。額外的燃料注射環(huán)可使得能夠在保持可接受的動(dòng)態(tài)變化、燃料壓縮成本、耐久性和排放 的同時(shí)使用具有寬范圍的沃泊數(shù)和反應(yīng)速度的燃料。多個(gè)徑向旋流器可在關(guān)小、排放、墻面 供熱(wall heating)、出口溫度曲線和燃料適應(yīng)性之間提供額外的折衷范圍。徑向貧直接注射燃燒器可將高反應(yīng)性燃料(例如純氫或各種氫/ 一氧化碳與碳?xì)?化合物的混合物)注入徑向旋轉(zhuǎn)的空氣流場(chǎng)中，這提供了減少排放和防止在預(yù)混合燃燒系 統(tǒng)中提出挑戰(zhàn)的不可預(yù)測(cè)的駐焰和回火等問題所必需的快速空氣燃料混合?？諝獗粡较虻匾肭倚D(zhuǎn)，燃料被徑向地注入空氣流，其中大部分空氣質(zhì)量流集 中在燃燒器的出口部處的薄環(huán)形部中。燃料注射管的使用使得可以改變?nèi)剂衔恢煤蜐B透深 度，這可對(duì)燃料分布和混合提供更多控制，以減少和控制排放。燃料注射通路的數(shù)量和/或位置，或者燃料注射孔和/或燃料注射管的數(shù)量和/或位置，可設(shè)計(jì)成改善燃料分布與混合 以獲得更低的排放。燃料徑向注入旋轉(zhuǎn)的空氣流也可用作用于預(yù)混合燃燒器設(shè)計(jì)系統(tǒng)的預(yù)混合器。 雖然已經(jīng)聯(lián)系目前認(rèn)為是最實(shí)用且優(yōu)選的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但應(yīng)該理 解的是本發(fā)明不限于公開的實(shí)施例，相反，本發(fā)明意圖覆蓋包括在所附權(quán)利要求的精神和 范圍內(nèi)的各種變型以及等價(jià)裝置。
權(quán)利要求
一種用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒器(2)，包括燃燒管(4)，其具有入口端(6)和出口端(8)；多個(gè)空氣通路(12)，其在所述燃燒管(4)中軸向地延伸，且構(gòu)造成從所述入口端(6)向所述出口端(8)輸送空氣流(26)；多個(gè)燃料通路(14)，其在所述燃燒管(4)中軸向地且周向地延伸，并圍繞所述多個(gè)空氣通路(12)隔開，且構(gòu)造成從所述入口端(6)向所述出口端(8)輸送燃料(24)；以及徑向空氣旋流器(22)，其設(shè)置在所述出口端處，構(gòu)造成徑向地向所述出口端(8)引導(dǎo)所述空氣流(26)，并給所述空氣流(26)賦予旋轉(zhuǎn)，所述徑向空氣旋流器(22)包括用來(lái)引導(dǎo)和旋轉(zhuǎn)所述空氣流(26)的多個(gè)葉片(28)以及端板(36)，其中，所述端板(36)包括多個(gè)燃料注射通路(16；44)，以徑向地將所述燃料(24)注入旋轉(zhuǎn)著的空氣流(26)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其特征在于，所述燃燒器還包括在所述入口端(6)和所述出口端(8)之間同軸地布置在所述燃燒管(4)中的中心體 (18)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃燒器，其特征在于，所述中心體(18)包括構(gòu)造成將燃料 (30)輸送到所述徑向空氣旋流器(22)附近的位置的中心通路(20)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的燃燒器，其特征在于，所述中心體(18)包括構(gòu)造成加速 所述空氣流(26)的位于所述出口端(8)附近的末端部分(42)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃燒器，其特征在于，所述中心體(18)包括圍繞所述中心通 路(20)的多個(gè)燃料注射通路(38 ；46)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃燒器，其特征在于，圍繞所述中心通路(20)的所述燃料注 射通路包括多個(gè)燃料注射管(46)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的燃燒器，其特征在于，所述端板(36)的燃料注 射通路包括多個(gè)燃料注射管(44)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃燒器，其特征在于，所述燃料注射管(44)設(shè)置在限定第一 環(huán)的第一多個(gè)葉片(28a)和限定第二環(huán)的第二多個(gè)葉片(28b)之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的燃燒器，其特征在于，所述燃料注射管(44)的出口在所 述端板(36)附近。
10.一種在燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃燒器(2)中混合空氣(26)和燃料(24)的方法，所述燃燒器 ⑵包括具有入口端(6)、出口端(8)、多個(gè)軸向空氣通路(12)以及多個(gè)軸向燃料通路(14) 的燃燒管(4)，所述方法包括在所述入口端(6)處將空氣流(26)引入所述空氣通路(12)； 將燃料(24)引入所述多個(gè)軸向燃料通路(14)； 在所述出口端(8)處旋轉(zhuǎn)所述空氣流(26)；以及 徑向地將所述燃料(24)注入旋轉(zhuǎn)著的空氣流(26)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，徑向地注射所述燃料(24)包括從圍繞 所述出口端(8)徑向地隔開的多個(gè)燃料注射通路(16 ；44)注射所述燃料(24)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述方法還包括將第二燃料(30)引入設(shè)置在所述燃燒管(4)中的中心體(18)的中心通路(20)；以及 從所述中心體(18)將所述第二燃料(30)注入所述旋轉(zhuǎn)著的空氣流(26)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法還包括從與所述中心通路(20)徑向地隔開的多個(gè)燃料注射通路(38 ；46)將所述第二燃料 (30)注入所述旋轉(zhuǎn)著的空氣流(26)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 在所述出口端(8)附近的所述中心體(18)的末端(42)上加速所述空氣流(26)。
15.根據(jù)權(quán)利要求10至14中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所述出口端(8)處旋 轉(zhuǎn)所述空氣流(26)包括在第一環(huán)和第二環(huán)中旋轉(zhuǎn)所述空氣流。
全文摘要
本發(fā)明涉及徑向貧直接注射燃燒器，具體而言，用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器包括燃燒管、多個(gè)空氣通路、多個(gè)燃料通路以及徑向空氣旋流器；燃燒管具有入口端和出口端；多個(gè)空氣通路在燃燒管中軸向地延伸，構(gòu)造成從入口端向出口端輸送空氣流；多個(gè)燃料通路沿著燃燒管軸向地延伸的且圍繞多個(gè)空氣通路隔開，構(gòu)造成從入口端向出口端輸送燃料；徑向空氣旋流器設(shè)置在出口端處，構(gòu)造成向出口端徑向地引導(dǎo)空氣流且給空氣流賦予旋轉(zhuǎn)。在燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃燒器中混合空氣和燃料的方法包括在入口端處將空氣流引入空氣通路；將燃料引入燃料通路；在出口端處旋轉(zhuǎn)空氣流；以及徑向地將燃料注入旋轉(zhuǎn)著的空氣流。
文檔編號(hào)F23D14/70GK101881448SQ20101013178
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月23日
發(fā)明者A·R·罕, C·X·史蒂文森, G·O·克雷默 申請(qǐng)人:通用電氣公司