專利名稱：燃燒設備中的燃料分級方法
技術領域：
本發(fā)明屬于燃燒和燃氣輪機的領域，特別是用于干低排放的燃氣輪機設計領域， 更具體地涉及用于將燃料和空氣預混合以實現(xiàn)超低燃燒排放的設備和方法。
背景技術：
預混合器能夠用于增強能量釋放/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(例如用于為燃氣輪機發(fā)動機或發(fā)電機提供動力的燃燒器)中的火焰穩(wěn)定性。為了簡便，本公開始終使用術語“燃燒器”，但是應當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，否則術語“燃燒器”、 “重整器”和“能量釋放/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”應該被認為完全可互換。當前現(xiàn)有技術中使用的預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,噴射出徑向輻條并且/或者集成到旋流葉片中。這些預混合器的輻條具有多個橫向于燃燒器入口的尺寸均勻的軸向孔。這些預混合器的設計傾向于使它們對于特定燃料-空氣動量流量比最優(yōu)化。因此，這些預混合器在狹窄的功率帶中最佳地工作，并且沒有在整個發(fā)動機操作包線上提供最均勻的燃料-空氣混合物。系統(tǒng)會產(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計與這些系統(tǒng)協(xié)作使用的預混合設備在更寬的操作條件范圍上更好地工作而進一步改進能量釋放/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等人的美國專利No. 5，857，339。燃料和/或空氣可通過離散的噴射器注入駐渦腔中，以引起該區(qū)域中更大的混合并且進一步提高火焰穩(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的美國專利No. 5，791，148。Haynes等人的GE全球研究“用于下一代燃氣輪機的先進燃燒系統(tǒng)，最終報告 (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混合物的實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實施例的美國專利No. 7，603，841中，Steele等人公開了一種具有入口預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。在該實施例中，后噴射器指向與進入的預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/或預混合的燃料和空氣的所有的TVC設計已經(jīng)設計為引起湍流，從而導致形成額外的渦流，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TVC腔中的雙駐渦。在這些腔中會發(fā)生的“自然”流動會是單渦流，該“自然”流動指的是在缺少預混合物噴射的情況下在腔中會自然發(fā)生的流體流動，假定流動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”中的第二渦流由預混合物噴射到TVC腔中而生成，不會以其它方式存在。在其它情況下，例如在僅提供單個渦流的情況下，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動，形成更多的湍流，或者以其它方式基本變形。Rakhmailov 共同轉(zhuǎn)讓的美國專利公報 2008/0092544A1 (Rakhmailov，544 公報)公開了一種預混合器，該預混合器與根據(jù)共同轉(zhuǎn)讓給Rakhmailov等人的美國專利 No. 7, 086 , 854(Rakhmailov’ 854)的公開設計的燃燒器組合配置。Rakhmailov’ 544公報中的預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速度，因而在高速度環(huán)境中進行入口預混合。雖然在Rakhmailov’ 544公報中描述的設計向Rakhmailov’ 854中描述的再循環(huán)渦流燃燒器添加入口預混合器，但是兩個公開都沒有包含用于直接向渦流腔中噴射燃料、 空氣和/或預混合的燃料和空氣的任何設備。實際上，Rakhmailov’ 854明顯教導不允許燃料進入再循環(huán)渦流腔中的熱再循環(huán)氣體中，闡述了湍流機械混合能夠減小整體再循環(huán)速度，導致不均勻的燃料分布，并且降低再循環(huán)流動加入入口流動處的溫度，這與Rakhmailov ‘854的設計目的相背。Roquemore 等人、Burris、Haynes 等人、Steele 等人、Rakhmailov ^854 和 Rakhmailov ‘544公報的全部相應公開均為了所有目的通過引用全部結(jié)合于此。理想的是在多個方面中改進現(xiàn)有技術。首先，理想的是通過使用于任意類型的燃燒器的入口預混合器更加適于寬范圍的操作條件而改進該預混合器。其次，理想的是在燃燒器的渦流區(qū)域中提供預混合而增強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)合地使用入口預混合器和渦流預混合器的方法。

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-空氣預混合設備和方法。該預混合器設備的期望屬性包括該預混合器應該在燃燒器入口的截面區(qū)域上提供均勻的燃料分布。該預混合器應該在寬的發(fā)動機操作條件范圍上提供均勻的燃料-空氣混合物。該預混合器應該提供短的預混合長度。該預混合器應該與寬范圍的燃料相容，包括在燃氣輪機中使用的所有氣體和液體燃料。該預混合器應該提供低排放產(chǎn)生。該預混合器或者單獨的預混合器應該可修改以有助于穩(wěn)定TVC的駐渦腔中的燃燒，與所設計的TVC的流動模式一致，流動模式包括所利用的低湍流模式。應該可以協(xié)調(diào)在設計中利用的任何多個預混合器的操作，以在系統(tǒng)的操作范圍上提供最好的操作。所提供的該預混合器系統(tǒng)和方法應該能適用于寬范圍的應用。在一個實施例中，這些目的可以通過提供入口預混合器組件實現(xiàn)，該入口預混合器組件包括轂、多個徑向輻條和多個附接到輻條上的、具有多個徑向指向的噴射孔的、同心的空氣動力學噴射圈。噴射孔設有多個不同直徑，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，為了與駐渦反應器設計結(jié)合使用，可以提供另一預混合器實施例， 其將預混合的燃料和空氣以與系統(tǒng)設計的腔中流動模式相容的方式直接噴射到駐渦腔中。 當與再循環(huán)渦流設計結(jié)合 使用時，該預混合器能夠布置成使得預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/或者加強環(huán)狀部中的燃燒。在其它設計中，預混合物可以在一個以上的TVC位置沿著與引入?yún)^(qū)域中的局部渦流一致的一個以上的方向引入。對于上述兩個實施例還可以提供彼此結(jié)合使用的方法，它們的設定彼此協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)以用于操作期間的燃料分級。已經(jīng)以該方式實現(xiàn)了極低的排放結(jié)果。在其它實施例中，提供可選的燃燒腔布局用于實踐在駐渦(TVC)燃燒設備中的燃料分級，包括入口預混合器和一個以上的渦流預混合器，該入口預混合器用于將燃料-空氣混合物噴入燃燒設備的入口中，渦流預混合器用于將燃料-空氣混合物噴入一個以上的駐渦腔的每一個內(nèi)的再循環(huán)渦流中。由預混合器供料的多個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方法結(jié)合使用，由此通過入口預混合器和相應的渦流預混合器引入的混合物的相對比例能夠根據(jù)操作條件改變。根據(jù)本發(fā)明的燃燒設備和方法可用于所有燃氣輪機應用，包括而不限于陸用發(fā)電、商用噴氣式飛機發(fā)動機、用于飛機的輔助動力單元(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說明將清楚本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點。


為了更加完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，現(xiàn)在結(jié)合附圖參照以下描述，附圖中類似的附圖標記表示類似的部件，其中圖I是根據(jù)本發(fā)明的某些實施例的、結(jié)合有兩個不同預混合器裝置的環(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所示的入口預混合器的截面圖，圖2B示出了包括該預混合器的輻條和圈元件的詳細截面圖。圖3是圖2A和2B所示的入口預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置。圖4是圖I所示的渦流預混合器的環(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組合使用的渦流預混合器的可選實施例。
圖6A-6C不出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的燃料分級策略的不例，圖6D-6E是火焰溫度vs發(fā)動機功率的對應曲線圖。圖7A-7D示出了結(jié)合有多個TVC腔的多種燃燒器布局可以與各個可控的入口預混合器和渦流預混合器結(jié)合使用。
具體實施例方式以下是對本發(fā)明的某些實施例的詳細描述，選擇 這些實施例以提供如何可以有利地實施本發(fā)明的示例。本發(fā)明的范圍不限于描述的具體實施例，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施、組成、實施例或特征。此外，應注意，本公開描述了均包括多個步驟的多個方法。本說明書中包含的任何內(nèi)容都不應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)利要求語句明確地規(guī)定。本公開可適用于任何燃氣輪機燃燒器或反應室。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。 其它方面也是相關的，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)換設備中，燃燒器和反應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。這里使用術語 “駐渦燃燒器”(TVC)來表示本公開可應用的一類設備，該術語將用來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 “駐渦反應腔”。駐渦腔可容納一個渦流、雙渦流或多個渦流。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。燃燒器或反應室還可具有多個駐潤腔。之前討論了根據(jù)Roquemore等人、Burris、Haynes等人、以及Steele等人的TVC實施例的示例。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語的目的也應認為是TVC。根據(jù)反應器設計，額外的考慮能夠與TVC相關。渦流通常設計為幫助保持燃燒器的火焰穩(wěn)定性。一些設計還依賴于利用低湍流特性以幫助實現(xiàn)均勻混合，允許貧混合物在較低的燃燒溫度點燃，從而改進排放。實際上，能量釋放/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的操作可受到波動和擾動，例如由于燃料流動或壓縮機流動的不連續(xù)性、小表面不連續(xù)性、或者數(shù)據(jù)異常，該數(shù)據(jù)異常是當真實流體以高速度沿著真實機器表面動態(tài)行進并且彼此實時化學反應的時候連續(xù)層流的小偏差產(chǎn)生的不可避免的結(jié)果。這些波動和不連續(xù)性能夠不時地導致火焰不穩(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這些設計以及其它設計 (其中可以在引入燃料-空氣混合物之后允許或促進湍流)的排放性能和穩(wěn)定性。在TVC設計中，主入口上游的預混合器已經(jīng)用于幫助混合燃料和空氣。然而，試驗表明有相當大的空間來改進這些入口預混合器設計的性能。在某些TVC設計中，燃料、空氣和/或預混合的燃料和空氣已經(jīng)直接噴射到燃燒渦流中，以使整個燃燒器操作穩(wěn)定。例如，某些這類設計的目的是使用渦流預混合器、或者離散地噴射燃料和/或空氣，以引起一個以上的額外渦流(否則會存在更少或僅有一個的渦流)，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間。然而，之前實踐的這類燃料或混合物的直接噴射(其中燃料、空氣和/或預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，并且對于排放控制不是最優(yōu)的。
從而，在本領域中除已經(jīng)實踐之外的另外不同的模式能夠是有利的，對于TVC(包括低湍流TVC)和非TVC設計都是如此。然而，為了成功地使用預混合器，有些問題必須克服。通常從壓縮機向能量釋放/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)供給處于壓縮狀態(tài)的燃燒空氣。在作為壓縮機輸出的特征的較高的壓力和溫度下的預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)境中的預混合可以以在將預混合物引入燃燒室之前減少預混合物的停留時間的方式執(zhí)行。這意味著預混合設備應當優(yōu)選可行地接近燃燒器入口(短預混合長度)， 而同時為期望的預混合水平提供足夠的停留時間(可通過具有小的預混合規(guī)模而部分實現(xiàn))。因此，用于實現(xiàn)快速均勻預混合的構(gòu)造是優(yōu)選的。另外，預混合器優(yōu)選應該與系統(tǒng)設計的其它部分相容。例如，在低湍流系統(tǒng)中，預混合器應該不依賴或者引入與整個系統(tǒng)設計不一致的大規(guī)模湍流。在其它TVC設計中，預混合器應該以與期望的腔流場一致的方式引入混合物。
考慮到前述原理和評論，已經(jīng)研發(fā)了兩個互補的預混合器設計。圖I是根據(jù)本發(fā)明的某些實施例的、結(jié)合有兩個不同預混合器裝置的示例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)造軸對稱的同時，是“筒式”設計(有時稱為“環(huán)筒”，但是區(qū)別于“全環(huán)”設計)，使得在圖I中均部分示出的多個這樣的“筒”能夠布置成圓形構(gòu)造， 它們的出口共同圍繞大渦輪機指向。這樣的布置一般用于為用于發(fā)電應用的大規(guī)模燃氣輪機(例如渦輪機的軸驅(qū)動大發(fā)電機的情況)提供動力。雖然圖I和4集中于筒式設計，但本領域技術人員會認識到，該設計的原理可容易地適于“全環(huán)”燃燒器設計，其中單個環(huán)形燃燒器被設計為與例如渦輪機的環(huán)形流體入口匹配。除了大規(guī)模發(fā)電渦輪機之外，全環(huán)設計可例如用于商用噴氣飛機發(fā)動機和輔助動力單元(APU)。所有這些構(gòu)造和它們所支持的應用處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。圖I所示的實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上游的壓縮機入口 10處引入。入口預混合器21位于壓縮機入口 10與燃燒器入口 6 之間。在該實施例中，大致錐形的鈍體3和4設置在預混合器21與燃燒器入口 6之間，以提供噴嘴來加速離開預混合器21的預混合物。(然而，注意在環(huán)形設計中，取代的是，鈍體可以是圍繞整個環(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)。)在該實施例的其它細節(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有壓力端口 12 ； 用于點火器(未示出)的安裝點15設置在環(huán)狀部的壁中。而且在該實施例(即，筒式燃燒器)中，燃燒器容納在大致筒形的外殼41中。在所示實施例中，還設置第二預混合器31 (渦流預混合器)。第二預混合器向再循環(huán)空間7中噴射，但是其方式與現(xiàn)有技術中實踐的預混合的燃料和空氣的噴射不同。在現(xiàn)有技術的渦流預混合器中，預混合的空氣和燃料以計算出的方式被引入TVC腔中，而生成一個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。在所示實施例中，將預混合的燃料和空氣噴入渦流區(qū)域被設計成增強腔中的自然渦流，例如，在與腔中的自然再循環(huán)流動相切并且同向的方向上沿著外部壁引入腔中。從而，其增強了渦流流動，而沒有擾亂或者明顯增加湍流。應理解的是，雖然圖I示出了就位的預混 合器21和預混合器31，但是可以設置預混合器21或31中的任一個而取消另一個，盡管在本公開的稍后討論中存在有利地具有兩個預混合器的操作模式。在一個實施例中，渦流預混合器31包括多個燃料噴射器，所述燃料噴射器均圍繞環(huán)狀部7的外壁的周邊布置，相對于燃燒器出口的方向切向指向，靠近環(huán)狀部7的上死點因此近似與其相切，從而與環(huán)狀部7中的流體的自然再循環(huán)流動同向地噴射預混合物。在圖I 的截面圖中僅示出了一個這樣的噴射器，但是應當理解通過圍繞環(huán)狀部7的周邊并排的類似噴射器來復制噴射器結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在將進一步詳細地描述兩個預混合器系統(tǒng)。入口預混合器圖2A、2B和3示出了入口預混合器21的進一步細節(jié)。在預混合器21反映的實施例中，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)由四個徑向輻條19等流出至安裝在燃料輻條上的四個同心圈2A、2B等中。燃料與軸向成0-90度范圍內(nèi)的角度(正或負(即，根據(jù)具體的圈對而遠離或者朝向軸線)，但是在任何情況下都使得角度的絕對值在0-90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)，進入來自壓縮機的高速空氣中。同心圈2A、2B等和輻條19是空氣動力學形狀的，如圖2B所示。圈的數(shù)量應該在2 到大約5的范圍內(nèi)，并且應該優(yōu)選提供小于50%或者更優(yōu)選小于40%的流動阻塞。圈2A、 2B等中的燃料孔口(孔)201、202等被選為提供燃料至進入空氣的足夠滲透，從而在發(fā)動機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，從而以負荷曲線上的不同點為目標。在替代實施例中，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定向為沿主要徑向方向?qū)⑷剂蠂娚涞浇徊媪鲃拥膲嚎s機空氣中。在該實施例中，為了容易制造，孔被定向為相對于軸向成近似±70度。然而，該角度不是關鍵的。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?，為了不同功率范圍，即不同燃料-空氣動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混合實驗、CFD或經(jīng)驗公式、 或者它們的任意組合而確定?？椎目倲?shù)量可以大于傳統(tǒng)預混合器中的對應數(shù)量。在一個構(gòu)造中，孔尺寸被選為提供三個不同尺寸的多個孔，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(0-30% 發(fā)動機負荷)；中間孔可以定尺寸為用于優(yōu)化的中等功率操作(0-70%發(fā)動機負荷)；大孔可以定尺寸為用于優(yōu)化的高功率操作(70-100%發(fā)動機負荷)，并且組合使用以在整個功率范圍上提供最均勻的混合。優(yōu)選地，在兩個相鄰圈上跨過由這兩個圈限定的環(huán)形通道，每個孔與不同尺寸的孔成對。每個上述孔直徑(在本示例中為三個不同直徑，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中示出了一個示例性孔布局。角度X I和X 2(圖中未示出)是徑向角度孔偏移。下表作為一個可能的不例不出了對于所不實施例中的八排孔的四分之一的孔布局
排號角度xl(第一孔)角度X 2(間隔)孑L
~ 15126
2712767
36 ΓδΠ
~ 1~256 813 5 Γδ5 217
~6 3 537624
~ 3 5H26
3θΓδ14這些特征的組合在發(fā)動機操作范圍上提供了減小的混合長度和規(guī)模，較寬的混合均勻性包線，并且與氣體和液體燃料相容。現(xiàn)有技術的燃料-空氣混合器還包括一些如前討論的轂和輻條設計。然而，它們沒有從同心圈噴射燃料或者提供多個不同的噴射孔尺寸，并且它們沒有在任何給定的發(fā)動機負荷點處表現(xiàn)和/或?qū)崿F(xiàn)相同程度的混合均勻性。現(xiàn)有技術的預混合策略不會實現(xiàn)本發(fā)明的低排放性能。由于通過(a)不均勻孔尺寸、(b)多個孔和(C)較小/較短的混合規(guī)模實現(xiàn)的較高混合水平，上述入口預混合器實現(xiàn)了平坦的混合曲線和Ν0Χ、CO、UHC等超低的燃燒排放水平。這在較大的發(fā)動機操作包線上提供了整體更優(yōu)的混合均勻性。這里描述的方法能夠適合任何發(fā)動機燃料安排(即，如何在發(fā)動機的操作包線上計量燃料燃料vs發(fā)動機負荷)， 并且與氣體或液體燃料相容。其可適于任何使用液體和/或氣體燃料、用于任何應用的燃燒器，該應用包括但不限于發(fā)電，用于飛行的主推進噴氣發(fā)動機(包括渦輪風扇、渦輪噴氣發(fā)動機、沖壓噴氣發(fā)動機等)和APU。在幾個普通燃氣渦輪發(fā)動機操作負荷點處的幾個月的燃燒測試表明，該預混合器與本文描述的其它部件協(xié)作能夠提供超低排放結(jié)果(同時N0X、C0、UHC<3ppm，15%的O2)。渦流預混合器在一個實施例中，如圖I和圖4中的渦流預混合器31所示，燃料和空氣在噴入環(huán)狀部/腔流動之前預混合。噴射器提供小的混合規(guī)模、多個噴射位點、以及短的所需預混合長度。燃料和空氣在噴射到環(huán)狀部中之前被預混合，或者部分地預混合。預混合物的二次噴射有助于環(huán)狀部/腔流動的整體穩(wěn)定性。在圖I所示的實施例中，環(huán)狀部7中的自然流動，即在沒有預混合物噴射時將存在的流動(例如由于流體流過燃燒器的主流徑(從入口 6到出口 5)而產(chǎn)生的流動)，會是從接近出口的脫離點14沿著環(huán)狀部7的再循環(huán)空間的曲線壁回到接近燃燒器入口 6的點循環(huán)的單個渦流22。在該實施例中，渦流腔7盡管容納單個渦流，但是較大，延長了腔內(nèi)用于燃燒的停 留時間。與現(xiàn)有技術不同，預混合器31將預混合的燃料和空氣與壁23相切地直接噴入再循環(huán)區(qū)域(駐渦腔)7，因而與腔中的自然渦流22對齊，從而引入預混合物而對渦流22的自然流動模式的擾亂最小并且沒有明顯增加湍流。如圖4所示，在一個實施例中，渦流預混合器31具有由管狀燃料入口 39供料的單獨的燃料歧管99，燃料歧管99緊鄰空氣進入口 8，將燃料在噴入腔內(nèi)之前通過端口 8送入進入空氣流中。在所示實施例中，燃料歧管99包圍環(huán)狀部7，但是僅有單個燃料入口 39 (盡管入口可以在其它徑向位置復制)。而且在該實施例中，燃料歧管99被具有孔42等、用于計量進入子歧管43中的燃料的圓形擴散(DP)板38分隔，以減少單個供給管布置中燃料壓力的周向不均勻性。從子歧管43流動的燃料進入進入空氣流(從8)，經(jīng)過燃料孔口(孔)100 等，與進入空氣混合，并且通過孔24進入環(huán)狀部7。預混合方式不是關鍵的，但是在當前實施例中是交叉流的簡單噴射。本申請可以是任何流體燃料類型一液體、氣體、低BTU、富氫 (“合成”)氣體等等。如圖4中的多個孔24所示，元件8、100和24圍繞環(huán)狀部7的周邊周向復制，燃料歧管99形成共同供給所有預混合器入口的圓柱形結(jié)構(gòu)。在該實施例中，再循環(huán)渦流從出口 5到入口 6，進入的預混合物以設計成導致以低湍流近似與再循環(huán)渦流相切并且沿著與再循環(huán)渦流大約相同的方向的平滑進入的方式導入環(huán)狀部7中。在一個實施例中，可以設有圍繞環(huán)狀部7的外壁的外形周邊均勻隔開的近似100個以上的這類孔(24等)，每個孔具有小于一英寸的直徑，在環(huán)狀部7的外周極點之前正切指向。例如在一個實施例中，可以設有圍繞環(huán)狀部7的外壁的環(huán)形周邊布置的近似100個以上的噴射器端口，每個噴射器端口具有大約O. I英寸至大約O. 2英寸的直徑。通常期望具有多個噴射器端口用于均勻和連續(xù)的預混合引入，端口數(shù)量越大，端口直徑越小(由渦流容器的整體尺寸規(guī)定)，在任意特定尺寸規(guī)模下較大的數(shù)量和較小的端口尺寸受到流體流動考慮限制，因為由于小端口尺寸而使摩擦增加。這樣，進入的混合物平滑進入，形成用于渦流22的邊界層。通過渦流預混合器31流入環(huán)狀部中的預混合充料既增強/加強了環(huán)狀流動，又提供了自由基群的高燃燒強度，以進一步穩(wěn)定主流動。預混合器31能夠位于圍繞環(huán)狀部7周邊的任何位置，但是當再循環(huán)是沿著從出口到入口的方向運動的單個渦流時，預混合器31優(yōu)選在圖4所示的象限中，更優(yōu)選地為了較長的停留時間，入口接近該圖中的點A(即，更接近脫離點14)。圖I和4所示的預混合器-TVC組合反應了如何可以在筒式燃燒器中結(jié)合本發(fā)明的實施例。在大規(guī)模發(fā)電應用中，多個該燃燒器可以以大致圓形布置配置到燃氣輪機的出口，燃氣輪機進而聯(lián)接到發(fā)電機?？諝膺M入口 8還可從所示的筒式構(gòu)造修改為環(huán)形構(gòu)造。環(huán)形構(gòu)造的端口布置在布局上類似于圖4所示，尺寸定為圍繞環(huán)形燃燒器的周邊裝配。環(huán)形燃燒器也可附接到用于大規(guī)模發(fā)電的燃氣輪機。此外，本發(fā)明的環(huán)形變型可例如應用于用于飛行的主推進噴氣發(fā)動機(包括渦輪風扇、渦輪噴氣發(fā)動機、沖壓噴氣發(fā)動機等)，或者應用于用作APU的較小燃氣輪機/發(fā)電機。其它應用包括在整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)工廠和熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)或廢熱發(fā)電工廠中的燃燒渦輪機。
本文描述的渦流混合器不限于如圖I和4所示具有曲線壁的TVC設計。例如如圖 5所示，渦流預混合器可以與具有矩形壁534等的TVC腔一起使用。圖5所示的燃燒器501 內(nèi)的TVC腔532具有在三側(cè)上為近似矩形的環(huán)繞壁輪廓。(在該實施例中，TVC腔531基本是TVC腔532的鏡像并且類似設置)。TVC腔532成形并且尺寸定為使得由通過燃燒器501 的主流動534在其中建立由箭頭533近似指示的單個渦流。預混合的燃料和空氣可以以增強TVC腔中的自然渦流的方式引入，例如在與箭頭510和509對應的位置中的一個或兩個位置處引入。在箭頭510的情況下，預混合物噴射近似與渦流533相切，并且基本沿著與渦流533相鄰的壁534進入。在箭頭509的情況下(代表可以與箭頭510相關的預混合器結(jié)合使用或者不結(jié)合使用的附加預混合器)，噴射再次與渦流533近似相切，而且與進入流動 535加入渦流533的方向基本對齊。圖5所示的TVC設計可用于三維矩形結(jié)構(gòu)(即，在圖5的頁面的上下延伸)中，圖 5示出該結(jié)構(gòu)的截面。可選地，具有這類腔的TVC設計可以以環(huán)面三維“包繞”，以形成環(huán)形燃燒室，“上”和“下”環(huán)形渦流腔具有直線壁，截面同樣與圖5所示的上下腔區(qū)域531和532 對應。矩形設計可用作筒式燃燒器，環(huán)形設計用作環(huán)形燃燒器，并且分別配置在與關于圖I 和4的實施例描述類似的應用中。燃料分級盡管如前所述，預混合器21和31能夠獨立作用，這里描述的兩個預混合器21和 31的組合、或者其它類型的入口噴射器和直接渦流噴射器的組合，能夠用在任何TVC應用的燃料分級策略中。相對于入口預混合器21增加通過渦流預混合器31的燃料進量能夠在發(fā)動機減負荷和部分功率應用期間使操作更加穩(wěn)定。向預混合器31和21添加相對等量的空氣允許優(yōu)良的減負荷性能。這可以取決于發(fā)動機，從而可以改變這些部分。然而典型地，通過預混合器31的空氣應該一般少于通過預混合器21的空氣，或者更精確地說，20-40%。更一般地，本發(fā)明的一個實施例設想的燃料分級使得在燃燒器中的多個離散位置噴射燃料，以在窄帶中維持火焰溫度，使得N0X/C0/UHC排放低于目標速率。當發(fā)動機加速時，燃料初始僅通過渦流預混合器31的孔100噴射，直到火焰溫度(Φ)達到它們的NOX限值。見圖6A和6D。在中等功率帶(圖6B)中，切換操作使得主要通過入口預混合器21供給燃料。在高功率范圍(圖6C)中，燃料通過入口預混合器21和渦流預混合器31兩者噴射。這樣燃料離散區(qū)域允許在將NOX和CO保持在規(guī)定限值內(nèi)的同時“沿著(walk up)”功率曲線,如火焰溫度要求的那樣。見圖6E。此外，燃燒器能夠設計有多個TVC腔，每個TVC腔具有單獨的預混合器入口。各個 TVC腔中的噴射能夠相對彼此并且相對入口預混合改變，以提供更精細的控制，而且通過允許經(jīng)一系列腔燃料供給的增量變化而不是依靠單個腔中的較大燃料供給變化，改進了減負荷期間的溫度均勻性。參照圖I和4中的實施例，優(yōu)選地，渦流預混合器31在操作期間未完全關閉。相反，優(yōu)選的是將燃料供給的比例從一個預混合器到下一個預混合器分階段，同時總是保持渦流預混合器31至少最小地打開。其它實施例可涉及多個TVC腔。例如，圖7A所示的實施例包括入口預混合器791 和軸向定位的兩個TVC腔，上游TVC腔702和下游TVC腔703，它們具有對應的預混合器入口 742 和 743。由預混合器供料的多個TVC腔可包括相對彼此徑向定位的TVC腔。該布置的一個示例在圖7B中示出，圖7B示出了徑向布置的腔712和713，對應的預混合器入口 752和 753，以及入口預混合器792。多腔布置中的每個TVC腔，例如圖7A和7B所示的TVC腔，可具有如所示的自身的渦流預混合器入口(或者可選地，離散的燃料和/或空氣入口)，這些入口能夠獨立于其它腔和/或主入口被供給燃料。該布置提供更大數(shù)量的燃料-空氣區(qū)域，從而能通過經(jīng)過更大數(shù)量的燃燒區(qū)域散布燃料供給變化而提供更優(yōu)的減負荷性能。在其它實施例中，TVC腔可僅位于燃 燒器內(nèi)部，如圖7C和7D所示。這些腔可例如是曲線和軸向分級的，例如圖7C中的腔722和723、以及對應的預混合器入口 762和763 (以及入口預混合器793)，這些腔可以是直線和軸向分級的，例如圖7D中的腔732和733、以及對應的預混合器入口 772和773 (以及入口預混合器794)，或者腔形狀、位置和布置的其它組合。優(yōu)選地，在軸向布置的多腔TVC實施例中，最上游的腔(至少)，例如圖7A中的腔 702會在操作期間被連續(xù)供給燃料，不過供給水平可變化。在徑向構(gòu)造中，優(yōu)選半徑最大的腔(至少)，例如圖7B中的腔712，會在操作期間被連續(xù)供給燃料，同樣供給水平可變化。如上所述，上述操作方式不限于本公開具體示出或描述的入口預混合器和渦流預混合器。雖然此處設想的“燃料分級”的操作原理主要具體參照本文具體教導的預混合器設計進行描述，但是應理解，提供入口預混合器和直接渦流預混合器的組合的任何TVC都能從該方法中潛在受益。對于超低排放性能而言，可以被獨立供給燃料的入口預混合器和一個以上的渦流預混合器的組合比之前可用的提供了更優(yōu)的優(yōu)化。每個預混合器優(yōu)選提供了減小的混合長度和/或規(guī)模，得到在發(fā)動機操作包線上更寬的混合均勻性范圍，因此得到優(yōu)良的排放性能，與多種燃料相容(氣體或液體)，能夠適于任何發(fā)動機燃料安排并且實際上對于燃料分級應用是優(yōu)化的。例如，在諸如圖7A所示的軸向多腔布局中，用于燃燒器加負荷和減負荷的一個燃料分級策略可能涉及到在0-33%的功率經(jīng)過第一環(huán)狀部預混合器入口 742供給燃料，在 33-66%功率的范圍內(nèi)放棄預混合器742，而主要通過主入口預混合器791供給燃料，然后在66-100%功率的范圍內(nèi)使用經(jīng)過所有三個預混合器791、742和743的實質(zhì)流動?？梢詫τ趫D1、4、6A-6C、7A-7D中所示的任意布局以及其它構(gòu)造設計類似以及變化的策略。在一些實施例中，可以手動致動對于各個預混合器的燃料控制；在其它實施例中，控制可以基于諸如功率、溫度、NOX或CO濃度、時間等的輸入而計算機化，或者可利用手動超越控制裝置而計算機化。以上概述的燃料分級方法不限于與具有關于圖I和4討論的結(jié)構(gòu)特性的預混合器一起使用。例如，Haynes等對于主燃燒器入口和TVC腔二者都利用傳統(tǒng)的預混合器。然而，與上述類似的技術可以利用該燃燒器實踐，以從一個預混合器到另一個預混合器將燃料和空氣流動分階段，或者將預混合器組合為最適合各種功率帶中的操作。類似地，上述燃料分級的利用延及到需 要可變功率輸出的所有類型的燃氣輪機應用，包括大框架發(fā)電、包括主推進噴氣發(fā)動機(包括渦輪風扇、渦輪噴氣發(fā)動機、沖壓噴氣發(fā)動機等)和APU的飛行應用、以及在整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)工廠和熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP) 或廢熱發(fā)電工廠中的燃燒渦輪機。因此明顯的是，本發(fā)明符合上述目的，相比現(xiàn)有技術在易于使用和有效性方面提供了許多優(yōu)點。盡管已經(jīng)詳細描述本發(fā)明，但應理解，各種修改、替代和變更可容易被本領域技術人員發(fā)現(xiàn)并且可以在這里做出而不脫離由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于在具有至少一個駐渦腔的TVC反應器的操作中進行燃料分級的方法，所述反應器還具有入口預混合器和至少一個渦流預混合器，所述入口預混合器將燃料和空氣混合，并且將燃料-空氣混合物引入所述TVC反應器的主入口中，所述至少一個渦流預混合器將燃料和空氣混合，并且將燃料-空氣混合物直接引入所述TVC反應器的至少一個所述駐渦腔中，所述方法包括調(diào)節(jié)通過所述入口預混合器和所述渦流預混合器引入的燃料-空氣混合物的比例，以在所述TVC反應器的操作期間適應不同負荷。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中 (a)所述入口預混合器包括多個同心共面、空氣動力學成形的圈元件、所述圈元件位于所述入口的上游，在所述流徑中軸向?qū)R，每個所述圈元件具有用于燃料的內(nèi)部通道，每個所述圈元件還包括多個燃料噴射孔口，由此燃料可從所述內(nèi)部通道流入接近所述圈的入口流體流，并且其中每對所述圈元件在其間限定環(huán)形通道，其中所述圈被進一步修改，由此 (i)所述燃料噴射孔口定向為相對軸向以絕對值從大約O度到大約90度的角度噴射燃料；并且 ( )所述多個燃料噴射孔口具有不均勻直徑，所述直徑定為不同尺寸，每個所述尺寸選為提供用于具體的燃料-空氣動量流量比范圍；并且 (b)所述渦流預混合器包括燃料入口、空氣入口、燃料和空氣在其中混合的室、以及用于燃料-空氣混合物的出口，其中所述預混合器以使得所述出口將所述燃料-空氣混合物直接引入所述駐渦反應腔內(nèi)的方式附接到所述TVC反應器，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近似同向地加入所述渦流的角度被引入所述駐渦腔中。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，在起動和低功率操作直到達到NOX排放限值時，僅通過所述渦流預混合器供給燃料。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，在起動和低功率操作直到達到NOX排放限值時，僅通過所述渦流預混合器供給燃料。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，在中等功率操作時，主要通過所述入口預混合器供給燃料。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，在中等功率操作時，主要通過所述入口預混合器供給燃料。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，在高功率操作時，通過所述渦流預混合器和入口預混合器二者供給燃料。
8.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，在高功率操作時，通過所述渦流預混合器和入口預混合器二者供給燃料。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，流過所述渦流預混合器的空氣量小于流過所述入口預混合器的空氣量。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，流過所述渦流預混合器的空氣量比流過所述入口預混合器的空氣量小大約50%。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，流過所述渦流預混合器的空氣量在流過所述入口預混合器的空氣量的大約20%至大約40%的范圍內(nèi)。
12.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，在所述TVC反應器操作期間的基本所有時間，至少最小量的燃料-空氣混合物被通過所述渦流預混合器引入。
13.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，在所述TVC反應器操作期間的基本所有時間，至少最小量的燃料-空氣混合物被通過所述渦流預混合器引入。
14.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，該方法實踐為適應在所述TVC反應器起動期間的不同負荷。
15.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，該方法實踐為適應在所述TVC反應器減負荷期間的不同負荷。
16.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，該方法實踐在一系統(tǒng)中，該系統(tǒng)包括所述TVC反應器并且還包括燃氣輪機，所述系統(tǒng)適于發(fā)電。
17.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，該方法實踐在一系統(tǒng)中，該系統(tǒng)包括所述TVC反應器并且還包括燃氣輪機，所述系統(tǒng)適于用作用于飛行的推進噴氣發(fā)動機。
18.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，該方法實踐在一系統(tǒng)中，該系統(tǒng)包括所述TVC反應器并且還包括燃氣輪機，所述系統(tǒng)適于用作輔助發(fā)電單元。
19.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，該方法實踐在一系統(tǒng)中，該系統(tǒng)包括所述TVC反應器并且還包括燃氣輪機，所述組件適于作為用于熱電聯(lián)產(chǎn)工廠的燃燒渦輪機。
20.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，該方法實踐在一系統(tǒng)中，該系統(tǒng)包括所述TVC反應器并且還包括燃氣輪機，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。
21.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述TVC反應器包括多個駐渦腔，每個駐渦腔與至少一個所述渦流預混合器相關聯(lián)，所述方法還包括獨立地調(diào)節(jié)通過所述入口預混合器和每個所述渦流預混合器引入的燃料-空氣混合物的比例，以在所述TVC反應器的操作期間適應不同負荷。
22.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，該方法實踐為適應在所述TVC反應器起動期間的不同負荷。
23.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，該方法實踐為適應在所述TVC反應器減負荷期間的不同負荷。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述多個駐渦腔包括第一上游駐渦腔和第二下游駐渦腔，所述下游駐渦腔在所述TVC反應器中在所述第一駐渦腔的下游。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中，在起動和低功率操作直到達到NOX排放限值時，主要通過所述至少一個渦流預混合器供給燃料，所述至少一個渦流預混合器將燃料和空氣混合物直接引入所述上游駐渦腔內(nèi)。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中，該方法實踐至大約33%功率。
27.如權(quán)利要求24所述的方法，其中，在中等功率操作時，主要通過所述入口預混合器供給燃料。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，該方法從大約33%功率到大約66%功率實踐。
29.如權(quán)利要求24所述的方法，其中，在高功率操作時，基本通過所述入口預混合器和與每個所述駐渦腔相關聯(lián)的至少一個渦流預混合器提供燃料供給。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，該方法從大約66%功率在大約66%功率之上實踐。
31.如權(quán)利要求24所述的方法，其中，在所述TVC反應器操作期間的基本所有時間，至少最小量的燃料-空氣混合物被通過所述至少一個渦流預混合器引入，所述至少一個渦流預混合器將燃料和空氣混合物直接引入所述·上游駐渦腔內(nèi)。
全文摘要
在一個實施例中，提供用于駐渦(TVC)燃燒設備的燃料分級方法，該燃燒設備包括入口預混合器和渦流預混合器，入口預混合器用于將燃料-空氣混合物噴入燃燒設備的入口，渦流預混合器用于將燃料-空氣混合物噴入再循環(huán)渦流。燃燒設備可以是諸如燃氣輪機發(fā)動機的發(fā)動機的一部分。該方法包括根據(jù)負荷改變通過入口預混合器和渦流預混合器引入的混合物的相對比例。
文檔編號F02C1/00GK102713203SQ200980162278
公開日2012年10月3日 申請日期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 申請人:貧焰公司