[0002] 本
发明根据美国
能源署授予的合同号DE-FE0023965在美国政府的支持下进行。美国政府在本发明中享有一定权利。
技术领域
[0003] 本发明大体上涉及燃烧系统，并且更具体地涉及包括一级反应区(primary reaction zone)和二级反应区(secondary reaction zone)的燃烧系统，其包括喷射器，以用于将
流体喷入在一级反应区内生成的燃烧产物的流。
背景技术
[0004]
燃料从燃料源输送至燃气
涡轮机的燃烧段，在燃烧段中，燃料与空气混合并被点燃以生成热的燃烧产物。热的燃烧产物是工作气体，其被导向至涡轮段，在涡轮段中，工作气体实现涡轮
转子的旋转。已经发现的是，通过在主燃烧区下游设置二级燃烧区，可以减少由燃料在燃烧段中的燃烧产生的NOx气体。提供至二级燃烧区的燃料空气混合物可以是贫燃料混合物。
发明内容
[0005] 本发明所公开的技术的一个方面涉及一种微混合器喷射器，该喷射器具有在微混合器的上游面处包括具有间隔开的构型/布置的多个预混合管的紧凑布置和在下游面处更密集地装填的布置(packed arrangement)。
[0006] 本发明所公开的技术的一个示例性但非限制性方面涉及一种微混合器喷射器，该喷射器包括：燃料
增压室，其用于接纳燃料的供应；多个预混合管，其延伸穿过燃料增压室，每个管具有在管的进气端处的空气入口和在管的排放端处的出口，每个管的空气入口被构造用于接纳空气的供应，每个管具有形成于其中的多个燃料孔来接纳燃料的供应，以用于与空气在管中混合；以及上游面(upstream face)，其具有形成于其中的每个管的入口；和下游面，其具有形成于其中的每个管的出口；其中，每个管的空气入口具有第一几何形状，并且每个管的出口具有不同于第一几何形状的第二几何形状；并且其中，所述多个预混合管在上游面上的总入口区域(overall inlet area)大于所述多个预混合管在下游面上的总出口区域，使得所述多个预混合管在上游面处相对间隔开，而在下游面处更密集地装填(packed)。
[0007] 本发明所公开的技术的另一个示例性但非限制性方面涉及一种
燃烧器段，该燃烧器段包括：一级燃烧系统(primary combustion system)，其生成燃烧产物的流；二级燃烧系统(secondary combustion system)，其位于一级燃烧系统的下游，二级燃烧系统包括：至少一个微混合器喷射器，其用于将燃料/空气混合物输送到燃烧产物的流中，所述至少一个微混合器喷射器包括：燃料增压室，其用于接纳燃料的供应；多个预混合管，其延伸穿过燃料增压室，每个管具有在管的进气端处的空气入口和在管的排放端处的出口，每个管的空气入口被构造用于接纳空气的供应，每个管具有形成于其中的多个燃料孔来接纳燃料的供应，以用于与空气在管中混合；以及上游面，其具有形成于其中的每个管的入口；和下游面，其具有形成于其中的每个管的出口；其中，每个管的空气入口具有第一几何形状，并且每个管的出口具有不同于第一几何形状的第二几何形状；并且其中，所述多个预混合管在上游面上的总入口区域大于所述多个预混合管在下游面上的总出口区域，使得所述多个预混合管在上游面处相对间隔开，而在下游面处更密集地装填。
[0008] 当结合
附图时，本发明技术的其它方面、特征和优点将从下面的详细描述变得显而易见，附图是本公开的一部分并且以举例的方式示出了本发明的原理。
附图说明
[0009] 附图有利于理解本技术的各个示例。在这样的图中：
[0010] 图1是根据本发明所公开的技术的一个示例的
涡轮机械的部分横截面侧视图；
[0011] 图2是图1的涡轮机械的燃烧器的示例的横截面侧视图；
[0012] 图3是图2的放大详图；
[0013] 图4是根据本发明所公开的技术的一个示例的微混合器狭槽喷射器的前透视图；
[0014] 图5是图4的微混合器狭槽喷射器的后透视图；
[0015] 图6是图4的微混合器狭槽喷射器的另一个后透视图；
[0016] 图7是根据所公开的技术的另一个示例的微混合器的局部后透视图；
[0017] 图8是图4的微混合器狭槽喷射器的左侧视图；
[0018] 图9是图4的微混合器狭槽喷射器的右侧视图；
[0019] 图10是图4的微混合器狭槽喷射器的俯视图；
[0020] 图11是图4的微混合器狭槽喷射器的前视图；
[0021] 图12是沿着图10中的线12-12的横截面前透视图；
[0022] 图13是沿着图8中的线13-13的横截面后透视图；
[0023] 图14是沿着图8中的线13-13的横截面前透视图；
[0024] 图15是沿着图11中的线15-15的横截面前透视图；
[0025] 图16是沿着图10中的线16-16的横截面前透视图；以及
[0026] 图17是示意图，示出了根据本发明所公开的技术的一个示例的在二级燃烧系统中使用的流体的流动路径。
具体实施方式
[0027] 图1是根据本发明所公开的技术的一个
实施例的涡轮机械10的局部横截面侧视图。涡轮机械10可包括一级燃烧系统22和二级燃烧系统24，二级燃烧系统24包括至少一个微混合器狭槽喷射器200(图1中未示出)，用于将二级流体(secondary fluid)喷入由一级燃烧系统22生成的燃烧产物的流中。
[0028] 涡轮机械10的一个实施例可包括：入口段14；
压缩机段16，其在入口段14的下游；燃烧段20，其包括在入口段14下游的一级燃烧系统22和在一级燃烧系统22下游的二级燃烧系统24；涡轮段18和排气段26。如图2所示，例如，二级燃烧系统24可包括至少一个微混合器狭槽喷射器200，用于将例如但不限于燃料和空气混合物的二级流体喷入从一级燃烧系统
22流出的燃烧产物的流中。
[0029] 再次参看图1，涡轮机械10也可包括涡轮段18。涡轮段18可以通过公共轴连接驱动压缩机段16和负载28。负载28可以是但不限于发
电机、机械
驱动器等。
[0030] 燃烧段20可包括多个周向间隔开的燃烧器110的圆形阵列。燃料和空气混合物可以在每个燃烧器110中燃烧以产生燃烧产物的流，燃烧产物的流可以流过过渡件122，然后流至涡轮段18的多个涡轮
喷嘴112。常规的燃烧器110在美国
专利第5，259，184号中有所描述。出于本
说明书描述的目的，可能仅引用一个燃烧器110，但围绕燃烧段20布置的所有其它燃烧器110都可以与图示燃烧器110基本上相同。
[0031] 虽然图1示出了多个周向间隔开的燃烧器110并且图2显示了可以视为罐式燃烧器的燃烧器110的横截面，但本发明所公开的技术可以结合其它燃烧器系统使用，包括但不限于环形或罐式燃烧器系统。
[0032] 图2是图1中的燃烧段20的燃烧器110的一个实施例的横截面侧视图。图2示出了在组件内包括一级燃烧系统22和二级燃烧系统24的燃烧器110；如在美国专利第6,047,550号和美国专利第6,192,688号中所描述的。燃烧器110包括多个微混合器狭槽喷射器200和过渡件122，过渡件122通常允许所生成的燃烧产物流至涡轮喷嘴112。
[0033] 一级燃烧系统22可包括壳体126、端盖128、多个起动燃料喷嘴130、多个预混合燃料喷嘴116、端帽组件134、流动
套管120、以及在流动套管120内的燃烧衬里132。端帽组件134的示例在美国专利第5,274,991号中有所描述。在一级燃烧系统22中的燃烧可以在燃烧衬里132内进行。通常，助燃空气在燃烧衬里132内经由流动套管120导向，并且通过形成于端帽组件134中的多个开口进入燃烧衬里132。空气可以在横跨端帽组件134的压差下进入燃烧衬里132，并且在燃烧衬里132内与来自起动燃料喷嘴130和/或预混合燃料喷嘴116的燃料混合。因此，燃烧反应在燃烧衬里132内进行，这释放驱动涡轮段18的
热能。
[0034] 来自一级燃烧系统22的高压空气可以从环形增压室144进入流动套管120和冲击套管118。由一系列静叶、
叶片、其它压缩机部件114和扩散器136表示的压缩机段16供应此高压空气。每个预混合燃料喷嘴116可包括旋流器148，旋流器148可包括多个旋流静叶150，其赋予进入的空气旋转，并且允许进入的燃料分布在旋转的空气流中。燃料和空气然后在预混合燃料喷嘴116内的环形通道中混合，然后在一级反应区152内反应。
[0035] 如图2和3所示，多个微混合器狭槽喷射器200可以穿透过渡件122或燃烧衬里132，并且将额外的燃料混合物引入燃烧器110内的二级反应区124中。离开一级反应区152的燃烧产物可以处于允许二级燃料混合物自燃的热
力学状态(thermodynamic state)。所得到的二级
烃类燃料(secondary hydrocarbon fuel)
氧化反应在过渡件122中基本上完成。二级燃烧系统24和微混合器狭槽喷射器200的一个实施例可以允许燃烧与在一级燃烧系统22内燃烧的燃料不同的燃料。例如，喷射器可以允许燃烧合成燃料、
合成气等。
[0036] 参看图2和3，本发明所公开的技术的一个实施例可以利用位于燃烧衬里132或过渡件122内的至少一个微混合器狭槽喷射器200起作用。本发明所公开的技术的一个备选实施例可以包含
定位(例如，周向地)在燃烧衬里132或过渡件122中的多个微混合器狭槽喷射器200，如图2和3所示。
[0037] 转到图4-6，示出了微混合器狭槽喷射器200。微混合器狭槽喷射器200被构造成接收空气和燃料的供应，并且排放燃料/空气混合物(例如，贫燃料/空气混合物)。虽然由于在一级反应区下游的燃烧衬里132和过渡件122的周向区域内存在有限的空间，微混合器狭槽喷射器具有紧凑布置，但微混合器狭槽喷射器的构型使得能够产生具有较高程度的燃料空气混合度的燃料空气混合物。充分混合的燃料空气流是优选的，以便最大限度减少氮氧化物(N0x)排放物的形成。
[0038] 微混合器狭槽喷射器200包括主体205，其具有上游面207和下游面209，如图4-6所示。多个预混合管220在上游面207和下游面209之间延伸，形成在上游面207中的多个对应的空气入口223和在下游面中的多个对应的出口227。空气入口223布置成接纳空气的供应(例如，从压缩机段16中抽出的)。
[0039] 参看图4-6和10，燃料入口210形成于主体205中并且被构造成接纳燃料的供应。燃料入口与主体205内的燃料增压室(fuel plenum)230流体连通，如在图12中最清楚所示。增压室230中的燃料通过每个管220中的多个燃料孔225被接纳以与管中的空气混合。所述多个预混合管220具有在增压室230(朝着上游面207)中间隔开的布置，如在图12中可看到的。该布置使得燃料能够围绕所有管流动，以便在各管之间均匀地分布，这导致充分混合的燃料/空气流。
[0040] 如在图13-15中最清楚看到的，所述多个预混合管220中的每一个具有进气端222、过渡部分224和排放端226。进气端222包括形成于主体205的上游面207中的空气入口223。燃料孔225也优选地形成于管的进气端222中。在图示实施例中，每个管的空气入口223具有非直线形状(例如，诸如圆形形状的弧形形状)。管的非直线形状延续进入并且优选地穿过管的进气端222。非直线形状有利于管的间隔开的布置，并提供在管中的多个均匀分布的燃料孔225。
[0041] 仍然参看图13-15，每个管220的过渡部分224在进气端222和排放端226之间延伸。过渡部分224也是其中管从非直线形状转变至非圆形形状(例如，直线形状(rectilinear shape))的每个管的部分。
[0042] 每个管220的排放端226从过渡部分224延伸至出口227，出口227形成于微混合器狭槽喷射器的下游面209中，如在图13-15中可看到的。出口227具有非圆形形状(例如，诸如矩形的直线形状)。出口227的非圆形形状有利于下游面209上的出口的密集装填(dense packing)。例如，每个管220可以由具有紧邻的管220的至少一个(例如，2个或3个)公共壁定界，使得在紧邻的管之间不存在空间。在图示示例中，每个管220(除了在上端和下端处的四个管之外)具有带有紧邻的管的至少三个公共壁。本领域的技术人员应当认识到，出口可具有其它非圆形形状，例如，图7所示三
角形出口337。
[0043] 每个管的进气端222、过渡部分224和排放端226形成从空气入口223延伸至出口227的通道229，如图14所示。每个通道229的长度可以是相应的管220的直径的至少10倍，以允许燃料/空气混合物实现充分的预混合。在空气入口223处的管220的直径可以在0.25和
0.45英寸之间(例如，0.3-0.4英寸)。因此，微混合器狭槽喷射器200具有紧凑构型。然而，管
220的空气入口223和出口227的布置允
许可伸缩的构型；因此，更大和/或更小的构型是可行的。
[0044] 如在图4-6、图8、图9和图13-16中可看到的，微混合器狭槽喷射器200的主体205具有从上游面207到下游面209渐缩的轮廓。即，微混合器狭槽喷射器从上游端渐缩至下游端，在上游端处，所述多个预混合管220间隔开并且具有第一几何形状，在下游端处，管更密集地装填并且具有第二不同的几何形状。在图16中，示出了在管的排放端226之间的空间235。空间235小于在上游面207处的管之间的空间。在下游面209处，空间235被取消，从而允许管的出口227被堆叠，而不存在任何空间上的浪费。由于在出口227之间没有空间，离开出口的流相对于总出口区域236(如下文所述)的体积最大化。本领域的技术人员应当认识到，下游面209可布置成使得在管之间存在小的空间。
[0045] 如在图12和13中可看到的，在上游面207上并排布置的管在下游面209处竖直地堆叠，从而导致在下游面处的细长结构。
[0046] 换句话讲，总入口区域232(图11)大于总出口区域236(图5)，其中，总入口区域232表示在间隔开的布置中容纳所述多个预混合管220的空气入口223所需的上游面207的表面积，总出口区域236表示在紧密装填布置中容纳所述多个预混合管的出口所需的下游面209的表面积。因此，在下游面209上的总出口区域236具有沿着燃烧器110的纵向轴线延伸的细长结构。本领域的技术人员应当认识到，总出口区域236可具有不同于由下游面209的细长结构形成的狭槽形状的形状。例如，总出口区域236和下游面209可具有六边形形状。
[0047] 总出口区域236的细长结构有利于微混合器狭槽喷射器实现燃料/空气混合物向由一级燃烧系统产生的燃烧产物的流中的深度渗透。燃料/空气混合物的深度渗透导致燃料/空气混合物向燃烧产物的流中的有效夹带(efficient entrainment)，这使NOx排放物的形成最小化。
[0048] 转到图17，可以看到，相比更上游的出口，在燃烧流的方向上相对下游处的出口227实现向燃烧流中的更深渗透。出现这种情况是由于从每个相对上游的出口流出的燃料/空气混合物充当每个下游出口的
缓冲器，以使得每个下游出口的流能够开始在一定程度上被从燃烧流屏蔽，从而允许向燃烧流的逐步深入的渗透。结果，微混合器狭槽喷射器200可按比例缩放(be scaled)，以实现所需渗透，因为微混合器狭槽喷射器中的管的数量越大，在燃烧流的方向上总出口区域236的长度越大。
[0049] 应当指出，微混合器狭槽喷射器200可以在燃烧衬里132或过渡件122中安装成齐平或插入布置。如图3所示，齐平安装(flush mounting)可以减少从燃烧流传递到微混合器狭槽喷射器的热量，从而需要更少
能量来冷却微混合器狭槽喷射器。另一方面，燃料/空气混合物向燃烧流中的渗透可以通过将微混合器狭槽喷射器插入燃烧流内所需深度来增强。通过在经过时冷却微混合器狭槽喷射器的空气和燃料的流动可以防止微混合器狭槽喷射器的
过热。在图17中，微混合器狭槽喷射器200显示为略微插入过渡件122中。
[0050] 虽然已经结合目前被认为最可行且最优选的示例而描述了本发明，但应当理解，本发明不限于所公开的示例，相反，其意图
覆盖包括在所附
权利要求的精神和范围内的各种
修改和等效布置。
