用于低排放燃气涡轮燃烧器的空气燃料预混合器 |
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| 申请号 | CN201580022638.8 | 申请日 | 2015-03-18 | 公开(公告)号 | CN106471313B | 公开(公告)日 | 2019-08-13 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | S.李; N.D.乔世; K.R.麦克芒努斯; | ||||
| 摘要 | 一种用于 燃料 和空气在燃气 涡轮 发动机 中燃烧之前预混合的系统，包括：混合管道；沿着混合管道的中 心轴 线 定位 的中心体燃料喷射器；定位成邻近混合管道的上游端以使穿过其流动的空气沿第一旋流方向旋流的外部环形旋流器；以及定位成邻近混合管道上游端以使穿过其流动的空气沿第二旋流方向旋流的内部环形旋流器。该系统包括毂，该毂将所述内部和外部环形旋流器隔离以允许穿过其的空气流独立地旋转；以及多个中空路径，该中空路径定位成围绕中心体燃料喷射器在径向外部并且位于内部环形旋流器的径向内侧面处以容许扫掠空气流越过中心体燃料喷射器的表面。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于燃料和空气在燃气涡轮发动机中燃烧之前预混合的系统，包括： |
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| 说明书全文 | 用于低排放燃气涡轮燃烧器的空气燃料预混合器技术领域[0001] 本技术主要地涉及用于燃气涡轮发动机的燃烧器的空气燃料混合器，并且具体地涉及一种空气燃料混合器，其均匀地混合燃料和空气以便降低因点燃燃料－空气混合物所形成的NOx并且最大限度地降低在其中的自燃和逆燃。 背景技术[0002] 通常，用于燃气涡轮燃烧器的空气－燃料混合器提供气态和/或液体燃料至混合管道以便与空气混合来形成均匀的空气/燃料混合物。每个空气－燃料混合器均包括混合管道、位于混合管道内的中心体燃料喷射器、邻近混合管道的上游端的一组内部和外部反向旋转旋流器，以及将内部和外部旋流器隔离以容许穿过其的空气流独立地旋转的毂。然而，经过内部旋流器的空气流膨胀并且围绕中心体形成再循环气泡区（涡旋）。喷射到再循环气泡区中的燃料趋于具有容许液体燃料与空气流混合的长久停留时间并且导致自燃，因而损坏空气－燃料预混合器的构件。此外，这些双燃料混合器设计不包括特征结构来充分地延长燃料在混合管道中的停留时间以便提高燃料－空气预混合用于低NOx排放而不导致自燃或逆燃。因此，尽管为了更好地预混合燃料－空气用于低NOx排放而必须增长燃料在混合管道中的停留时间，但必须除去再循环气泡区来防止在高动力操作条件下发生自燃和/或逆燃。 [0003] 因此，需要有一种将燃料和空气在燃气涡轮发动机中燃烧之前预混合的系统和方法，其较好地解决了自燃和逆燃的问题，同时保持注重液体和/或气态燃料与空气的均匀混合以便减少因点燃空气/燃料混合物所形成的NOx。发明内容 [0004] 根据本技术的一个实例，一种用于燃料和空气在燃气涡轮发动机中燃烧之前预混合的系统，包括具有由壁限定的圆形截面的混合管道。该系统还包括中心体燃料喷射器，其沿着混合管道的中心轴线定位并且基本上延伸所述混合管道的整个长度。另外，该系统包括外部环形旋流器，该外部环形旋流器定位成邻近混合管道的上游端并且包括定向成以便使穿过其流动的空气沿第一旋流方向旋流的多个环向地隔开的翼片；以及内部环形旋流器，该内部环形旋流器定位成邻近混合管道上游端并且包括定向成以便使穿过其流动的空气沿与第一旋流方向相反的第二旋流方向旋流的多个环向地隔开的翼片。该系统包括毂，该毂将所述内部和外部环形旋流器隔离以允许穿过其的空气流独立地旋转；以及多个中空路径，该中空路径定位成围绕中心体燃料喷射器在径向外部并且位于内部环形旋流器的径向内侧面处。该多个中空路径构造成容许扫掠空气流越过中心体燃料喷射器的表面以便消除在中心体燃料喷射器附近形成任何再循环区。 [0005] 根据本技术的一个实例，一种用于将燃料和空气在燃气涡轮发动机中燃烧之前预混合的方法包括从定位成邻近混合管道的上游端的外部环形旋流器沿第一旋流方向引导第一压缩空气流到混合管道中。该方法还包括从定位成邻近混合管道的上游端的内部环形旋流器沿与第一旋流方向相反的第二旋流方向引导第二压缩空气流到混合管道中。另外，该方法包括从沿着混合管道的中心轴线定位的中心体燃料喷射器喷射燃料到混合管道中。此外，该方法包括从定位成围绕中心体燃料喷射器在径向外部并且位于内部环形旋流器的径向内侧面处的多个中空路径传送扫掠空气流越过中心体燃料喷射器的表面进入混合管道中。 [0006] 根据本技术的一个实例，一种燃气涡轮包括空气燃料预混合器，该空气燃料预混合器包括具有由壁限定的圆形截面的混合管道。燃料空气预混合器包括：中心体燃料喷射器，该中心体燃料喷射器定位成沿着混合管道的中心轴线并且基本上延伸所述混合管道的整个长度；外部环形旋流器，该外部环形旋流器定位成邻近混合管道的上游端并且包括定向成以便使穿过其流动的空气沿第一旋流方向旋流的多个环向地隔开的翼片；内部环形旋流器，该内部环形旋流器定位成邻近混合管道上游端并且包括定向成以便使穿过其流动的空气沿与第一旋流方向相反的第二旋流方向旋流的多个环向地隔开的翼片；以及毂，该毂将所述内部和外部环形旋流器隔离以允许穿过其的空气流独立地旋转。空气燃料预混合器还包括多个中空路径，其定位成围绕中心体燃料喷射器在径向外部并且位于内部环形旋流器的径向内侧面处。该多个中空路径构造成容许扫掠空气流越过中心体燃料喷射器的表面以便消除在中心体燃料喷射器附近形成任何再循环区。附图说明 [0007] 当参照附图阅读下文详细描述时，本技术的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图中同样的标号贯穿各图表示同样的部件，其中： [0008] 图1示出根据本技术的一个实例的经过包括空气－燃料混合器的单个环形燃烧器结构的局部截面视图； [0009] 图2为根据本技术的一个实例的在图1中所绘空气－燃料混合器和燃烧器穹顶（dome）部分的放大、局部截面视图； [0010] 图3示出根据本技术的一个实例的描绘在围绕中心体燃料喷射器的混合管道中（图1、图2中所示）的流体的流动速度轮廓的对照的图表； [0011] 图4为根据本技术的一个实例的空气－燃料混合器12的透视图； [0012] 图5为根据本技术的一个实例的空气－燃料混合器12的前视图； [0013] 图6为根据本技术的另一实例的空气－燃料混合器12的前视图； [0014] 图7为用于将燃料和空气在燃气涡轮发动机中燃烧之前预混合的方法的流程图100。 具体实施方式[0015] 当介绍本技术的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一种”、“该”和“所述”意图表示具有元件中的一个或更多个。用语“包括”、“包含”以及“具有”意指包含性的并且表示除了所列元件外还可能具有附加的元件。操作参数的任何实例并不排除所公开实例的其它参数。 [0016] 在图1中，示出了根据本技术的一个实例的经过单个环形燃烧器设备10的局部截面视图，该燃烧器设备的类型适于在包括空气－燃料混合器12的燃气涡轮发动机中使用。燃烧设备10包括在其中限定燃烧室16的中空本体14。中空本体14在形式上通常为环形并且由外部衬套18、内部衬套20，以及穹顶形端部或穹顶22构成。中空本体14的穹顶形端部22包括旋流杯24，该旋流杯在其中设置有空气－燃料混合器12以促进燃料和空气在其中均匀地混合，并且随后引导燃料/空气混合物到燃烧室16中，同时最小限度地形成因其点燃引起的污染物。另外，护罩26提供为在空气－燃料混合器12的上游端处对其环绕。 [0017] 如图所示，空气燃料混合器12包括具有由环形壁30限定的圆形截面的混合管道28，铜焊或以其它方式设置在旋流杯24中的内部环形旋流器32和外部环形旋流器34。混合管道28容许均匀地混合从压缩机（未示出）流经内部和外部环形旋流器32、34的高压空气与喷射自中心体燃料喷射器44的燃料。内部和外部环形旋流器32和34构造成分别具有翼片36和38（图2中所示）以便促使提供至其的空气流反向旋转（参见图2）。毂40用于将内部和外部环形旋流器32和34隔离，这容许它们为同心环形并且仍然各自地旋转进入其上游端的空气 42。空气－燃料混合器12还包括中心体燃料喷射器44，其定位成沿着混合管道28的中心轴线46并且基本上延伸混合管道28的整个长度。在一个实例中，中心体燃料喷射器44与燃料供应源48和吹扫空气供应源50成流体连通。在另一实例中，来自压缩机的空气42的一部分可用来供给空气到中心体燃料喷射器44中。 [0018] 空气－燃料混合器12还包括多个中空路径52，其定位成围绕中心体燃料喷射器44在径向外部并且位于内部环形旋流器32的径向内侧面处。该多个中空路径52构造成容许扫掠空气流越过中心体燃料喷射器的表面以便消除围绕中心体燃料喷射器44形成任何再循环区。在一个实例中，该多个中空路径52由设置在内部环形旋流器32和中心体燃料喷射器44之间的多个直翼片80（图5中所示）形成。在另一实例中，该多个中空路径52包括设置在内部环形旋流器32的翼片36（如图2中所示）的内部径向部分上的多个孔90（图6中所示）。 [0019] 图2为根据本技术的一个实例的空气－燃料混合器12的放大、局部截面视图。中心体燃料喷射器44具有中心体前区段54，其基本上平行于穿过空气燃料混合器12的纵向轴线46；以及中心体后区段56，其基本上均匀地会聚至中心体燃料喷射器44的下游末端58。中心体燃料喷射器44优选地包括穿过下游末端58的通道60以便准许相对高轴向速度的空气进入邻近下游末端58的燃烧室16（图1中所示）。这种设计减小了局部的燃料/空气比以帮助将火焰向下游末端58的下游推动。 [0020] 中心体燃料喷射器44还包括直接地定位在中心体后区段56的上游的多个燃料孔洞62，燃料也可从该燃料孔洞喷射到混合管道28中（图1中所示）。在一个实例中，该多个燃料孔洞62优选地定位在中心体前区段54的上游。燃料经由该多个燃料孔洞62在上游喷射到混合管道28（图1中所示）中可促使燃料－空气混合物的停留时间增长，导致为降低NOx排放所需的燃料和空气的充分混合。 [0021] 另外，该多个燃料孔洞62围绕中心体前区段54环向地隔开并且尽管该多个燃料孔洞62的数目和大小取决于供给至其的燃料的数量、燃料的压力以及旋流器32和34的数目和具体设计，但已发现4至12个孔洞可胜任地工作。燃料经由中心体燃料喷射器44的上游部分中的燃料通道64供给至该多个燃料孔洞62。燃料通道64继而与燃料供应源48和控制机构成流动连通，例如通过进入中心体燃料喷射器44的上游部分的燃料喷嘴。将应理解的是，如果气态和液体燃料将喷射到燃料空气混合器12内，则气体燃料将优选地经由外部旋流器34中的通道喷射而液体燃料将经由该多个燃料孔洞62喷射。 [0022] 另外，燃料通道64还与空气供应源51相关联以便空气将流经围绕该多个燃料孔洞62中的每一个的开口65（图4中所示），从而用作防护层以防止燃料进入中心体再循环气泡区和防止燃料保持停留在中心体燃料喷射器44的表面上。当液体燃料未喷射到燃料通道64中时，空气或者气态燃料将喷射到其中以替代液体燃料。如图所示，空气－燃料混合器12还包括中空路径52以便提供扫掠空气流越过中心体燃料喷射器44的表面来完全地或部分地消除围绕中心体燃料喷射器44形成任何再循环气泡区。 [0023] 图3示出图表70，其描绘在具有定位成围绕中心体燃料喷射器在径向外部的多个中空路径的本发明和没有多个中空路径的燃料空气混合器之间在混合管道中的旋流器出口处流体的轴向流动速度轮廓的对照。主要的差异在于根据本技术的实例的中心体燃料喷射器44表面（图1、图2中所示）附近。图表70包括在X轴上流体在混合管道中的轴向速度。内部环形旋流器和外部环形旋流器的无量纲径向高度示出在Y轴上，在中心体表面处具有Y轴的零点。当在燃料空气混合器中不存在中空路径52（如图1和图2中所示）的情况下，有再循环区形成，由此具有围绕中心体燃料喷射器44流动的流体的负速度轮廓72，而在混合管道28中流体的流动速度轮廓74清楚地示出正流动速度（朝向混合管道的下游）。这是因为在空气－燃料混合器12中存在中空路径52，其提供扫掠空气流越过中心体燃料喷射器44的表面，从而完全地消除围绕中心体燃料喷射器44形成任何再循环气泡区。 [0024] 在操作中，来自压缩机（未示出）的压缩空气喷射到燃料空气混合器12的上游端中，在其中该压缩空气穿过内部和外部旋流器32和34并且进入混合管道28。燃料从中心体42的燃料孔洞62喷射到离开旋流器32和34的空气流（其包括在混合管道28的中间区域中的强烈的剪切层和分别沿着中心体燃料喷射器44和混合管道壁的边界层）中。在混合管道28的下游端，预混合的燃料/空气流供给到燃烧器室16的混合区中，该混合区由内部和外部衬套18和20（图1中所示）界定。预混合的燃料/空气流然后与燃烧室16（图1中所示）中的再循环热燃烧气体相混合。在一个实例中，该多个燃料孔洞62的角度与内部旋流空气流角度对准，这有助于将燃料射流携带到剪切层中，从而促进燃料－空气混合以便降低NOx排放。 [0025] 图4为根据本技术的一个实例的空气－燃料混合器12的透视图。如图所示，中心体燃料喷射器44包括多个燃料孔洞62。该多个燃料孔洞62中的每一个均包括围绕该多个燃料孔洞62中的每一个的开口65（图4中所示），从而用作防护层以防止燃料进入中心体再循环气泡区和防止燃料保持停留在中心体燃料喷射器44的表面上。这防止了自燃和可能的火焰稳定在混合管道28中。 [0026] 图5为根据本技术的一个实例的空气－燃料混合器12的前视图。如图所示，空气－燃料混合器12包括多个中空路径52，其由环向地安置在内部旋流器32和中心体燃料喷射器44之间的多个直翼片80形成。 [0027] 图6为根据本技术的另一实例的空气－燃料混合器12的前视图。如图所示，空气－燃料混合器12包括多个中空路径90，其为环向地设置在内部环形旋流器32的翼片36的内部径向部分上的多个孔。 [0028] 如上所述，由多个直翼片80所形成的多个中空路径52（图5）和多个孔90（图6）二者都提供扫掠空气流越过中心体燃料喷射器44的表面来完全地或部分地消除围绕中心体燃料喷射器44形成任何再循环气泡区。 [0029] 图7为用于将燃料和空气在燃气涡轮发动机中燃烧之前预混合的方法的流程图100。在步骤102，该方法包括从定位成邻近混合管道的上游端的外部环形旋流器沿第一旋流方向引导第一压缩空气流到混合管道中。在步骤104，该方法包括从定位成邻近混合管道的上游端的内部环形旋流器沿与第一旋流方向相反的第二旋流方向引导第二压缩空气流到混合管道中。在步骤106，该方法包括从沿着混合管道的中心轴线定位的中心体燃料喷射器喷射燃料到混合管道中。燃料从设置在中心体燃料喷射器中的多个孔洞喷射到混合管道中。该多个孔洞中的每一个均包括喷射角，该喷射角与内部环形旋流器的内部旋流翼片角对准以便燃料能够穿透到来自内部和外部环形旋流器的空气流的剪切层中。最后在步骤 108，该方法包括从定位成围绕中心体燃料喷射器在径向外部并且位于内部环形旋流器的径向内侧面处的多个中空路径传送扫掠空气流越过中心体燃料喷射器的表面进入混合管道中以便防止围绕中心体燃料喷射器形成再循环区。在一个实例中，该多个中空路径由设置在内部环形旋流器和中心体燃料喷射器之间的多个直翼片形成。在另一实例中，该多个中空路径包括设置在内部环形旋流器的翼片的内部径向部分上的多个孔。 [0030] 有利的是，本发明确保在混合管道中燃料空气充分地混合，从而降低NOx排放。另外，由于来自定位成围绕中心体燃料喷射器在径向外部并且位于内部环形旋流器的径向内侧面处的多个中空路径的扫掠空气流，本发明防止围绕中心体燃料喷射器形成再循环气泡区。通过除去再循环气泡区，在中心体燃料喷射器上的燃料孔洞定位在上游以便更好地混合燃料空气。这延长了燃料在燃料－空气混合器内的停留时间，以便可实现良好的燃料－空气预混合而不导致燃料保持停留在再循环区中和防止自燃。该多个中空路径通过提高正轴向速度且因此除去再循环区来调节中心体附近区域中的轴向速度轮廓。 [0031] 此外，技术人员将认识到来自不同实例的各种特征的互换性。类似地，所述的各种方法和特征以及对于每个此类方法和特征的其它已知等同方案可由本领域普通技术人员进行混合和匹配以根据本公开内容的原理来构成附加的系统和技术。当然，应当理解，上述的所有此类目的或优点并非必然地都可根据任何具体实例实现。因此，例如，本领域技术人员将认识到文中所述的系统和技术可采用以下方式来实施或施行，也即实现或改善文中所教导的一个优点或一组优点而并不必然地实现可在文中教导或暗示的其它目的或优点。 |
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