Dln雙燃料主噴嘴的制作方法

專利名稱：Dln雙燃料主噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大致涉及用于DLN燃氣輪機的燃燒器的主噴嘴(primary nozzle)，且更具體地涉及主噴嘴以天然氣和合成氣操作的雙氣體燃料性能。
背景技術(shù)：
多年來，對燃氣輪機動力設(shè)備低排放的規(guī)章性要求變得越來越嚴格?，F(xiàn)在，全世界的環(huán)境機構(gòu)甚至還要求新型燃氣輪機和現(xiàn)有燃氣輪機的N0x和其它污染物的更低的排放率。減少燃燒渦輪的NOx排放的傳統(tǒng)方法(水和蒸汽噴射)在達到許多地區(qū)所要求的極低水平的能力上受到了限制。 通用電氣公司的干式低NOx(Dry Low N0x， DLN)系統(tǒng)結(jié)合分級的預(yù)先混合燃燒過程和燃氣輪機的SPEEDTRONICTM來控制燃料和關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可包括兩種主要的性能評價方式。第一種評價為滿足氣體和油燃料兩者的基底負載下所要求的排放水平，同時控制跨越燃氣輪機負載范圍的這些水平的變化。第二種評價為系統(tǒng)的操作性。DLN燃燒系統(tǒng)的設(shè)計還要求硬件特征和操作方法同時地允許在火焰區(qū)中的當(dāng)量比和停留時間(排放控制的關(guān)鍵燃燒參數(shù))足夠低，以實現(xiàn)低NOx排放，但可帶有可接受的燃燒噪聲(動力學(xué))水平、在部分負載操作時的穩(wěn)定性和用于CO燃盡的充足時間。 通用電氣公司的DLN-1燃燒器為設(shè)計成使用天然氣燃料并能夠以液體燃料進行操作的兩級預(yù)先混合燃燒器。燃燒器提供有包括副燃料噴嘴的燃料噴射系統(tǒng)，副燃料噴嘴定位在燃燒器的中心軸線上，中心軸線由多個主燃料噴嘴環(huán)繞，主燃料噴嘴繞副燃料噴嘴對稱地配置。DLN-1燃燒器在利用貧預(yù)先混合概念維持高效率水平的同時，維持非常低的廢氣排放水平。在貧預(yù)先混合燃燒過程中，分別從相對于預(yù)先混合區(qū)具有不同動態(tài)特性的供應(yīng)源輸送燃料和空氣。這種貧預(yù)先混合燃燒過程經(jīng)受著可能增大的微弱的限制波動周期，導(dǎo)致氣體壓力和溫度的大的波動，這在燃燒動力學(xué)中是公知的。過度燃燒動態(tài)壓力可能導(dǎo)致燃燒器的損壞。通過使燃料和空氣供應(yīng)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和預(yù)先混合器匹配，可以降低貧預(yù)先混合燃燒系統(tǒng)的燃燒動態(tài)壓力水平。通過基本上平衡空氣和燃料入口至預(yù)先混合器區(qū)的壓力降，DLN-1燃燒器主噴嘴減少燃燒器預(yù)先混合器區(qū)中的動態(tài)壓力波動。部分地通過在從燃料室到預(yù)先混合器的排放孔上游包括在主噴嘴的燃料室中的孔而實施均衡。上游孔提供燃料室中的與空氣入口的壓力相當(dāng)?shù)娜剂蠅毫?，且排放孔提供與空氣供應(yīng)壓力降相等的燃料壓力降?；旧辖档突蛘呦擞扇剂?空氣濃度波動導(dǎo)致的預(yù)先混合器區(qū)中的壓力波動，如布萊克所描述的那樣(US 5， 211， 004)。 DLN-1燃燒器受到廣泛應(yīng)用。然而，這些燃燒器主要設(shè)計成用于天然氣燃燒。鑒于可選的氣體燃料的可利用性和天然氣燃料成本的增加，新顧客要求燃燒器具有更大的燃料靈活性。更具體地說，顧客希望燃燒器能夠以混合合成氣運行，且還能夠單獨以天然氣運行(靈活的雙燃料)。合成氣(合成氣體的簡稱)是指氫氣和一氧化碳(有時還含有二氧化碳)的混合物。混合的合成氣可為天然氣/氫氣/一氧化碳的混合物。合成氣是可燃燒的，并經(jīng)常作為燃料源使用，但是體積能量密度比天然氣的一半還少。由于合成氣的體積流
4率必須是天然氣的體積流率值的兩倍以上才能得到相同的燃燒火焰溫度，所以若還將現(xiàn)在用于天然氣燃料的相同主噴嘴用于合成氣的操作，則合成氣燃料壓力比率將非常高(超過1. 7)。這種高燃料壓力比率可能要求增加用于燃料供應(yīng)的壓縮機。 之前的雙燃料噴嘴設(shè)計致力于氣態(tài)和液態(tài)的雙燃料應(yīng)用，而不是具有大范圍變化的沃泊值的雙氣態(tài)燃料。這里，用每標(biāo)準立方英尺的英熱單位(British thermal unit,Btu)的氣體的高熱值除以其相對于空氣的比重的平方根來定義燃料的沃泊值。氣體的沃泊值越高，氣體量的熱值越大。包括Martling的US 6837052在內(nèi)的其它雙燃料專利采用增加附加噴嘴的方式，其需要重新構(gòu)造燃燒器的幾何形狀。 因此，需要提供具有以雙燃料進行操作的性能的DLN-l燃燒器，其中雙燃料包括帶有迥然不同的沃泊值的雙氣態(tài)燃料。而且還需要提供這種雙燃料性能而對整個燃燒器結(jié)構(gòu)不進行較大改動。而且，噴嘴設(shè)計應(yīng)當(dāng)不會負面影響天然氣的操作性，并應(yīng)當(dāng)確保合成氣燃燒在流動、混合、動力學(xué)和排放模式方面提供與天然氣燃燒相當(dāng)?shù)男阅堋?br>
發(fā)明內(nèi)容
簡而言之，根據(jù)一方面，提供了一種雙燃料主噴嘴，其用于通過副噴嘴(secondarynozzle)和多個主噴嘴操作的燃氣輪機的燃燒器。主噴嘴繞副噴嘴同心地布置，其中將包括第一氣體燃料或者第二氣體燃料的氣體燃料、來自燃氣輪機壓縮機的壓縮空氣、以及吹洗空氣供應(yīng)給雙燃料主噴嘴。雙燃料主噴嘴包括混合室。外燃料回路設(shè)置成與混合室流體連通并適用于輸送渦旋的空氣和第一氣體燃料或者第二氣體燃料的混合物。內(nèi)燃料回路設(shè)置成與混合室流體連通，且適于當(dāng)外燃料回路輸送第一氣體燃料時輸送吹洗空氣，當(dāng)外燃料回路輸送第二氣體燃料時輸送第二氣體燃料。 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種構(gòu)造用于DLN1燃氣輪機的燃燒器的雙燃料主噴嘴的方法，其通過定位在燃燒器的中心軸線上的副噴嘴操作，多個主噴嘴繞副噴嘴同心地布置。在該配置中，可以將第一氣體燃料、第二氣體燃料、來自燃氣輪機壓縮機的壓縮空氣、和吹洗空氣供應(yīng)給雙燃料主噴嘴。 該方法包括構(gòu)造主體；主體下游的混合室；和定位在主體前端和混合室上游的旋流器。旋流器包括從主體徑向地延伸的多個旋流葉片。旋流器還包括用于與主體的外室的流體連通的部件以允許第一氣體燃料或者第二氣體燃料進入混合室，并使壓縮空氣和第一氣體燃料或者第二氣體燃料的旋流的混合物從外室進入混合室。該方法還包括在主體中形成中心室，其中，中心室適于從內(nèi)燃料回路接收第二氣體燃料或者吹洗空氣并包括流體連通部件，用于排入混合室。該方法進一步包括在主體中形成外室，其中，外室適于從外燃料回路接收第一氣體燃料或者第二氣體燃料，并包括流體連通部件，用于將第一氣體燃料或者第二氣體燃料排入旋流器的多個旋流葉片。 而且，該方法從外部體積(頭端室)接收壓縮空氣，該外部體積由主體的外室的外壁徑向向內(nèi)限定邊界，并在下游側(cè)由旋流器的旋流葉片限定邊界，其中外部體積(volume)適于從燃氣輪機壓縮機接收壓縮空氣，以通過旋流葉片與來自外室的第一氣體燃料或者第二氣體燃料混合。 第一氣體燃料或者第二氣體燃料被外燃料回路的外室接收。在將第一氣體燃料供應(yīng)給外室時，空氣吹洗由中心室的內(nèi)燃料回路接收。該方法在將第二氣體燃料供應(yīng)給外室且一旦外燃料回路的壓力比率達到預(yù)先確定的值時，從中心室的內(nèi)燃料回路接收第二氣體燃料。 在內(nèi)燃料回路和外燃料回路中以第二氣體燃料操作時，將內(nèi)燃料回路和外燃料回路的燃料壓力比率維持成低于預(yù)先確定的值。 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種通過用于DLN1燃氣輪機的燃燒器的雙燃料主噴嘴操作的方法，其通過定位在燃燒器的中心軸線上的副噴嘴操作，多個主噴嘴繞中心噴嘴同心地布置，將第一氣體燃料、第二氣體燃料、來自燃氣輪機壓縮機的壓縮空氣、和吹洗空氣供應(yīng)給雙燃料主噴嘴。該方法包括形成外燃料回路、形成內(nèi)燃料回路和從外部體積接收壓縮空氣，該外部體積由主體的外室的外壁徑向向內(nèi)地限定邊界，并且在下游側(cè)由旋流器的旋流葉片限定邊界，該外部體積適于從燃氣輪機壓縮機接收壓縮空氣，以便通過旋流葉片與來自外室的第一氣體燃料或者第二氣體燃料混合。


在參考附圖閱讀隨后的詳細描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點將變
得更好理解，在各附圖中相同標(biāo)號代表相同部分，其中 圖1為示范性燃氣輪機發(fā)動機的示意圖示； 圖2為DLN燃燒器的簡化視圖； 圖3A圖示了雙燃料主噴嘴的實施例的軸向截面； 圖3B圖示了通過主噴嘴的燃料和空氣流； 圖4圖示了從下游混合室看的雙燃料主噴嘴的實施例； 圖5A和5B圖示了對于在混合室中的流動和混合的雙燃料主噴嘴的實施例在帶有和不帶有空氣吹洗的天然氣操作之間的比較；禾口 圖6A和6B圖示了對于在混合室中的流動和混合的雙燃料主噴嘴的實施例在天然氣和合成氣操作之間的比較。標(biāo)號列表100燃氣輪機發(fā)動機102壓縮機104燃燒器108渦輪IIO轉(zhuǎn)子205 DLN燃燒器210副噴嘴220主噴嘴233加壓空氣228冷卻通道235導(dǎo)流套筒236腔體241主壁242罩/中心體243前壁244文丘里管245端蓋240燃燒襯套300雙燃料主噴嘴301外燃料回路302內(nèi)燃料回路305中心軸線310主體320旋流器325旋流葉片330混合室340壓縮空氣進入路徑345外室350主室352室分離器壁355預(yù)設(shè)孔360副室362前端365噴射孔370中心室372環(huán)形壁374前壁375錐形頭部376噴射孔377中心噴射孔378周邊噴射孔379噴射角度380天然氣385合成氣390吹洗空氣510帶有空氣吹洗的NG操作的截面平均燃料/空氣不混合度520不帶有空氣吹洗的NG操作的截面平均燃料/空氣不混合度530帶有空氣吹洗的NG操作的速度不均勻度540不帶有空氣吹洗的NG操作的速度不均勻度610 NG操作的截面平均燃料/空氣不混合度620合成氣操作的截面平均燃料/空氣不混合度630 NG操作的速度不均勻度640合成氣操作的速度不均勻度
具體實施例方式
本發(fā)明的以下實施例具有許多優(yōu)點，包括允許DLN-1燃燒器的主噴嘴選擇性地燃燒第一氣體燃料或者第二氣體燃料，其中兩種氣體燃料可以具有迥然不同的能量含量。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，天然氣可以為第一氣體燃料，合成氣可以為第二氣體燃料。而且，合成氣燃料可以為以20% /36% /44%組成的天然氣/氫氣/ 一氧化碳(NG/H2/C0)。本發(fā)明在維持總體性能的同時指導(dǎo)用于雙燃料操作(天然氣和H乂CO混合的合成氣)的DLN燃燒器的主噴嘴設(shè)計。 燃燒器的總體設(shè)計方法為在副噴嘴中燃燒天然氣，主噴嘴具有雙燃料性能。因而燃燒器可通過新的方式用100%的天然氣向副噴嘴提供燃料和用合成氣向主噴嘴提供燃料進行操作，或者可以繼續(xù)像以前那樣，通過100%的天然氣用于副噴嘴和100%的天然氣用于主噴嘴進行操作。 圖1為示范性燃氣輪機發(fā)動機100的示意圖示。發(fā)動機100包括壓縮機102和多個周向隔開的燃燒器104。發(fā)動機100還包括渦輪108和公共壓縮機/渦輪軸110 (有時稱
為轉(zhuǎn)子iio)。 在操作中，空氣流過壓縮機102，從而將壓縮空氣供應(yīng)給燃燒器104。燃料被引導(dǎo)至燃燒器104內(nèi)的燃燒器區(qū)域，在此燃料與空氣混合并被點燃。產(chǎn)生燃燒氣體并將其引導(dǎo)到渦輪108，在此將氣流熱能轉(zhuǎn)化成機械轉(zhuǎn)動能。渦輪108可旋轉(zhuǎn)地與軸110聯(lián)接并驅(qū)動軸110。應(yīng)當(dāng)理解，本文使用的術(shù)語"流體"包括流動的任何介質(zhì)或者材料，而不限于氣體和空氣。 圖2為DLN燃燒器205的簡化視圖。用于燃燒器的燃料噴射系統(tǒng)包括副噴嘴210和徑向地繞副噴嘴布置的多個主噴嘴220。來自壓縮機(未顯示)的加壓空氣233被引導(dǎo)通過燃燒器(未顯示)之間的過渡件中的流通道，然后通過導(dǎo)流套筒235和燃燒襯套240之間的燃燒室冷卻通道228。加壓空氣233繼續(xù)進入圍繞主噴嘴220和副噴嘴210的腔體236。主、副噴嘴由端蓋245支撐。 在預(yù)先混合模式中，向主、副噴嘴兩者提供燃料。對于主噴嘴，在混合室225中混合燃料和空氣?；旌鲜铱梢杂扇紵髦鞅?41、罩/中心體242和文丘里管244的前壁243形成。燃料和空氣在燃燒室250中點燃。殼230使燃燒室250與外部環(huán)境隔離，諸如周圍的渦輪構(gòu)件。產(chǎn)生的燃燒氣體被從燃燒室250引導(dǎo)通過過渡件(未顯示)而向渦輪噴嘴(未顯示)前進。 天然氣和合成氣具有在公共燃料噴嘴中會影響操作的一些明顯不同的特性。由于為了提供相同燃燒火焰溫度合成氣的體積流率比所需的NG值的兩倍還多，所以若使用用于NG燃料的相同的主噴嘴，則合成氣燃料壓力比率會非常高(超過1. 7)。對驅(qū)動合成氣較大所需體積流而言必需的極高壓力比率是不可接受的，因為需要附加的壓縮機將氣體燃料壓縮至這種高壓力。因此，為維持以天然氣操作的主噴嘴的操作性，并同時減少其合成氣操作的壓力比率，主噴嘴包括外燃料回路和內(nèi)燃料回路。對于天然氣(NG)操作，天然氣燃料僅通過外燃料回路，而內(nèi)燃料回路經(jīng)空氣吹洗。對于合成氣操作，合成氣燃料最初通過外燃料回路。 一旦外燃料回路燃料噴射壓力比率達到預(yù)先確定的值(約1. 4，對于噴嘴操作其被認為是可接受的)，內(nèi)燃料回路被打開以在內(nèi)燃料回路和外燃料回路兩者上將各噴嘴的燃料壓力比率維持成低于預(yù)先確定的值。同時，雙燃料主噴嘴在貧混合和排放控制方面維持原來的DLN-1主噴嘴的期望特性。而且，雙燃料主噴嘴通過基本上平衡空氣和燃料入口至預(yù)先混合器區(qū)的壓力降而有助于減少燃燒器預(yù)先混合器區(qū)內(nèi)的動態(tài)壓力波動。
因而通過增加第二燃料回路實現(xiàn)了雙燃料性能，而不需要改變噴嘴數(shù)量或者對燃燒器結(jié)構(gòu)作重大改動。雙燃料回路具有許多優(yōu)點并允許多種燃料類型的組合、空氣和稀釋 劑注入燃燒室。兩個燃料回路還允許各自控制的、兩種不同類型的燃料的共同點火。通過 改變內(nèi)燃料回路和外燃料回路之間的燃料分流，兩個燃料回路可以有效控制燃料/空氣混 合分布、動力學(xué)、主預(yù)點火和排放。兩個燃料回路還允許稀釋劑通過其中一個回路被噴射進 入主室。任一燃料回路可用空氣或者稀釋劑吹洗。 具體而言，內(nèi)燃料回路可以在持久的擴散燃燒模式中以所有氣態(tài)燃料運行。內(nèi)燃 料回路在噴嘴下游提供快速燃料/空氣混合。通過內(nèi)燃料回路的空氣吹洗或者稀釋劑吹洗 還會引起通過外燃料回路提供的天然氣操作的可忽略的影響。 為維持主噴嘴的NG操作性，并同時減少其合成氣操作壓力比率，已經(jīng)提供了雙燃 料主噴嘴，如圖3A、圖3B和圖4所示。圖3A圖示了雙燃料主噴嘴的實施例的軸向截面。圖 3B圖示了通過主噴嘴的燃料和空氣流。圖4圖示了從下游混合室看的雙燃料主噴嘴的視 圖。雙燃料主噴嘴300包括主體310、主體前端的旋流器320及主體和旋流器下游的混合 室330。主體提供外燃料回路301和內(nèi)燃料回路302。在噴嘴300外設(shè)置有壓縮空氣入口 340，以使來自燃氣輪機壓縮機的壓縮空氣進入旋流器320的旋流葉片325。
外燃料回路301包括主室350和副室360，主室350通過燃燒器(未顯示)的后板 從外部氣體供應(yīng)接收氣體燃料，副室360從主室350接收氣體燃料。主室350和副室360可 以環(huán)形同心地繞噴嘴300的中心軸線305。主室350和副室360可以由室分離器壁352隔 開，室分離器壁352可以包括控制室之間氣體燃料流量的多個預(yù)設(shè)孔(pre-orifice)355。 副室360的前端362可包括多個噴射孔365，用于將氣體燃料排入旋流器320，以使氣體燃 料與來自燃氣輪機(圖1)的壓縮機的壓縮空氣340混合。 內(nèi)燃料回路302包括中心室370，其繞噴嘴300的中心軸線305同心，其通過燃燒 器(未顯示)的后板接收來自外部氣體供應(yīng)的氣體燃料。中心室370可以通過環(huán)形壁372 徑向地與第一燃料回路301的主室350和副室360分離，且其前端374可以為逐漸變細。中 心室370的前端374的錐形頭部(conical nose) 375可延伸通過旋流器320的中心進入混 合室330，由此允許從內(nèi)燃料回路302直接進入混合室330。錐形頭部375可包括多個噴射 孔。在優(yōu)選實施例中，中心噴射孔377可以沿噴嘴300的中心軸線305設(shè)置，且八個周邊噴 射孔378可以繞中心噴射孔377徑向地和周向地對稱布置，包括相對于中心軸線的噴射角 度379。噴射孔尺寸、噴射角度和位置可以布置成優(yōu)化相對于原來的DLN主噴嘴的雙燃料主 噴嘴在性能上的影響，并僅局部地限制相對于噴嘴排放的差異。 在雙燃料主噴嘴的優(yōu)選實施例中，多個預(yù)設(shè)孔355可以包括8軸向-定向孔，其繞 噴嘴300的中心軸線305徑向地和周向地對稱布置。優(yōu)選實施例可以包括通過連通旋流器 320的入口的副室360的前端362的16個噴射孔365，其中從空氣進入路徑到旋流器葉片 325的壓縮空氣340的交叉流(cross flow)使來自外燃料回路301的排放變?yōu)樾?。?噴射孔尺寸、噴射角度329和位置優(yōu)化成維持與原來的燃料主噴嘴相當(dāng)?shù)男阅埽H局部 地限制差異。預(yù)設(shè)孔355可以延伸通過室分離器壁352，將用于多個噴射孔365的副室360 中的燃料壓力減少至大約預(yù)先確定的壓力，由此空氣供應(yīng)進入開口和噴射孔具有基本相同 的壓力降，由此充分地減小或者減少混合室330中燃料-空氣濃度波動。以這種方式，外燃 料回路302重復(fù)DLN-1主噴嘴的作用，在預(yù)先混合器中減小燃料_空氣濃度的波動，由此便 于燃燒動態(tài)性能的維護。
圖3B顯示了通過主噴嘴的燃料和空氣路徑。為以天然氣(NG)進行操作，將NG380 供應(yīng)至外燃料回路，將吹洗空氣390供應(yīng)至內(nèi)燃料回路。為以合成氣進行操作，將合成氣 385供應(yīng)至外燃料回路和內(nèi)燃料回路兩者。混合的燃料和氣體(流出物)395流向混合室 330的下游并在下游混合。 圖4提供了主噴嘴300的實施例的下游面的視圖。在主體310內(nèi)，內(nèi)燃料回路的 錐形頭部375包括中心噴射孔377和周邊噴射孔378。旋流器320包括多個旋流葉片325， 其中來自外燃料回路的噴射孔365將外燃料回路的氣體燃料噴射進入旋流葉片325之間的 空氣流。對于天然氣操作，僅通過噴射孔365提供NG，而通過中心噴射孔377和周邊噴射 孔378提供空氣吹洗。對于合成氣操作，通過外燃料回路的噴射孔365和內(nèi)燃料回路的中 心噴射孔377和周邊噴射孔378提供合成氣。 已經(jīng)利用計算流體動力學(xué)(CFD)模擬工具進行優(yōu)化設(shè)計以局部地限制影響，并維 持總體性能不變。新設(shè)計具有包括主燃料室、8個預(yù)設(shè)孔、副燃料室和16個燃料噴射孔的外 燃料回路。外部燃料向旋流器空氣通道噴射，并與交叉流空氣混合。內(nèi)燃料回路包括主室 和9個噴射孔。燃料孔尺寸、噴射角度和孔位置利用CFD進行優(yōu)化以盡量降低對總體性能 的影響。 選擇設(shè)計參數(shù)(包括燃料壓力比率、燃料孔尺寸、噴射器的渦旋角度、噴射器的徑 向角度和噴射器的位置)的組合，以相對于合成氣操作進行優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明，通過參數(shù) 組合的適當(dāng)選擇，可將燃料效果的影響限制在噴嘴的第一半部內(nèi)。在噴嘴出口下游和靠近 噴嘴出口處，合成氣燃料的流動和混合模式與NG燃料逐漸趨同。 已經(jīng)利用CFD來優(yōu)化內(nèi)燃料回路燃料孔尺寸、噴射角度和孔位置以保持高的總體 燃燒器性能。已經(jīng)對新設(shè)計的噴嘴對天然氣和H"CO混合的合成氣進行了測試。測試結(jié)果 表明，用于天然氣和H"CO混合的合成氣的新噴嘴與以天然氣操作的單燃料主噴嘴很相像。
在天然氣操作期間，內(nèi)燃料回路必須用空氣吹洗以防止下游燃燒器火焰倒回內(nèi)燃 料回路造成損壞。由此對于NG操作，對重要性能的關(guān)注在于內(nèi)燃料回路吹洗空氣流是否將 影響噴嘴的操作性。為評估NG操作性，模擬了兩種噴嘴工作情況。兩種工作情況均使NG 通過外燃料回路，但是僅在一種工作情況下用空氣吹洗內(nèi)回路。這些模擬結(jié)果清楚地表明， 通過內(nèi)燃料回路的空氣吹洗僅改變靠近噴嘴噴射位置的流動和混合。在噴嘴下游，流動和 混合模式彼此完全相似。 圖5A和圖5B圖示了雙燃料主噴嘴的實施例在帶有和不帶有空氣吹洗的天然氣操 作之間在混合室中的流動和混合的比較。圖5A圖示了對于在內(nèi)燃料回路上帶有空氣吹洗 的天然氣操作沿噴嘴軸線的截面平均的燃料/空氣不混合度510和對于沿噴嘴軸線在內(nèi) 燃料回路上不帶有空氣吹洗的天然氣操作沿噴嘴軸線的截面平均的燃料/空氣不混合度 520。圖5B圖示了對于在內(nèi)燃料回路上帶有空氣吹洗的天然氣操作沿噴嘴軸線的速度不均 勻度530和對于不帶有空氣吹洗的天然氣操作沿噴嘴軸線的不均勻度540。這些模擬結(jié)果 清楚地表明，內(nèi)回路空氣吹洗僅改變靠近噴嘴噴射位置的流動和混合，而在混合室下游的 不混合度和速度不均勻度大致趨同。分析還顯示來自噴嘴噴射下游的相當(dāng)?shù)妮S向速度、燃 料/空氣當(dāng)量比和流動向量。因而，與其原來的設(shè)計相比，重新設(shè)計的雙燃料主噴嘴將不會 改變其NG操作性。計算機模擬的實驗數(shù)據(jù)已經(jīng)確認雙燃料噴嘴的重新設(shè)計未改變NG操作 性。
對于合成氣操作，與NG相比的高體積的合成氣流率將不可避免地改變原來的流 動和混合模式。再次利用CFD工具優(yōu)化雙燃料主噴嘴設(shè)計而達成對總體性能的盡可能小的 影響。利用設(shè)計參數(shù)(包括燃料壓力比率、燃料孔尺寸、噴射器的渦旋角度、噴射器的徑向 角度和噴射器的位置)的組合進行優(yōu)化設(shè)計。圖6A和圖6B圖示了雙燃料主噴嘴實施例在 天然氣操作和合成氣操作之間混合室中燃料/空氣不混合度和速度不均勻度的比較。圖6A 圖示了對于天然氣操作沿噴嘴軸線的截面平均的燃料/空氣不混合度610和對于合成氣操 作沿噴嘴軸線的截面平均的燃料/空氣不混合度620。圖6B圖示了對于天然氣操作沿噴嘴 軸線的速度不均勻度630和對于合成氣氣體操作沿噴嘴軸線的速度不均勻度640。分析還 顯示可將軸向速度、燃料/空氣當(dāng)量比和流動向量之間的差異限制在下游混合室的第一半 部。這些模擬結(jié)果清楚地表明，通過恰當(dāng)?shù)膮?shù)組合選擇，對于天然氣和合成氣操作，不混 合度和速度不均勻度值在混合室下游大致趨同。因而，與原來的設(shè)計的天然氣的操作性相 比，對于合成氣雙燃料主噴嘴的操作性將不會改變。 本發(fā)明擴展了具有大的沃泊值范圍的DLN-1燃燒器氣體燃料的燃料靈活性，諸如 從天然氣到合成氣(混合燃料)。利用CFD優(yōu)化燃料孔尺寸、噴射角度和孔位置以保持高的 總體燃燒器性能。除主噴嘴之外，整個燃燒器不需要改變。各主噴嘴均加有內(nèi)燃料回路以 擴展燃料體積流量范圍。已經(jīng)對噴嘴在天然氣和混合合成氣兩者進行了測試。測試結(jié)果表 明，對于天然氣和混合合成氣兩者，新噴嘴與單燃料噴嘴同樣良好地工作。
盡管本文中已經(jīng)描述了各種實施例，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，可以根據(jù)說明書進行元 件的各種組合、變型或改進，并在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
雙燃料主噴嘴(300)，用于通過副噴嘴和繞所述副噴嘴同心地布置的多個主噴嘴操作的燃氣輪機的燃燒器，其中，將包括第一氣體燃料和第二氣體燃料中的一種的氣體燃料、來自所述燃氣輪機壓縮機的壓縮空氣、以及吹洗空氣供應(yīng)給所述雙燃料主噴嘴，所述雙燃料主噴嘴包括混合室(330)；旋流器(320)；外燃料回路(301)，所述外燃料回路(301)與所述混合室(330)流體連通，并適于輸送第一氣體燃料和第二氣體燃料中的一種以與所述旋流器(320)中的空氣(340)混合；以及內(nèi)燃料回路(302)，所述內(nèi)燃料回路(302)與所述混合室(330)流體連通，且適于在所述外燃料回路(301)輸送第一氣體燃料時輸送吹洗空氣，當(dāng)所述外燃料回路(301)輸送第二氣體燃料時輸送所述第二氣體燃料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙燃料主噴嘴(300)，其特征在于，所述第一氣體燃料包括與所述第二氣體燃料的沃泊指數(shù)值不同的沃泊指數(shù)值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙燃料主噴嘴(300)，其特征在于，所述第一氣體燃料包括天然氣，所述第二氣體燃料包括合成氣。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙燃料主噴嘴(300)，其特征在于，在所述主噴嘴(300)以天然氣操作時，將天然氣供應(yīng)給所述外燃料回路(301)，將吹洗空氣供應(yīng)給所述內(nèi)燃料回路(302);并且其中，在主噴嘴(300)以合成氣操作時，將合成氣僅供應(yīng)給所述外燃料回路(301)，直到所述外燃料回路(301)的燃料壓力比率達到預(yù)先確定的限制，并在所述外燃料回路(302)的所述燃料壓力比率達到所述預(yù)先確定的限制之后，將合成氣進一步供應(yīng)給所述內(nèi)燃料回路，同時將所述燃料壓力比率維持在等于和低于所述外燃料回路(301)和所述內(nèi)燃料回路(302)的預(yù)先確定的限制中的至少一個。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙燃料主噴嘴(300)，其特征在于，所述內(nèi)燃料回路(302)在持久的擴散燃燒模式中能夠以所有氣態(tài)燃料操作。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙燃料主噴嘴(300)，其特征在于，所述外燃料回路(301)和所述內(nèi)燃料回路(302)包括具有各自燃料控制的、共同點火的兩種不同類型的氣態(tài)燃料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙燃料主噴嘴(300)，其特征在于，還包括主體(310);在所述主體(310)中的中心室(370)，適于為所述內(nèi)燃料回路(302)提供通道，包括與所述混合室(330)流體連通的部件；在所述主體(310)中的外室(345)，適于為所述外燃料回路(301)提供通道，包括與所述混合室(330)流體連通的部件；禾口在所述主體(310)上的旋流器(320)，包括多個旋流器葉片(325)，適于使來自所述主噴嘴(300)的外部體積(340)的壓縮空氣的交叉流渦旋以與從所述外燃料回路(301)噴射的所述第一氣體燃料和所述第二氣體燃料中的一種混合。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的雙燃料主噴嘴(300)，其特征在于，用于從所述中心室(310)到所述混合室(330)的流體連通的所述部件包括所述中心室(370)的前段(374)，所述前段(374)延伸進入所述混合室(330)，所述前段(374)包括在所述前段(374)和所述混合室(330)之間的多個噴射孔(376)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的雙燃料主噴嘴，其特征在于，所述多個噴射孔(376)包括在所述主噴嘴的中心軸線上的中心噴射孔(377);禾口繞所述中心孔(377)布置的多個周邊噴射孔(378)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的雙燃料主噴嘴(300)，其特征在于，用于所述外室(345)與所述混合室(330)的流體連通的所述部件包括通過所述外室(345)的前壁(362)的多個噴射孔(365)，所述噴射孔布置成關(guān)于所述主體(310)的中心軸線(305)對稱；禾口在所述旋流器(325)的所述多個旋流葉片(325)之間的路徑，向所述混合室(330)開□。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的雙燃料主噴嘴，其特征在于，所述外室(345)還包括主室(350);包括所述外室(350)的噴射孔的副室(360);隔開所述主室(350)和副室(360)的壁(352);禾口通過隔開所述主室(350)和副室(360)的所述壁(352)的多個預(yù)設(shè)孔(355)，其中，所述多個預(yù)設(shè)孔(355)的尺寸和數(shù)量與所述外室(345)的所述多個噴射孔(365)的尺寸和數(shù)量一致，以便在所述混合室(330)中充分地減小與燃燒動力學(xué)相關(guān)的燃料/空氣當(dāng)量比波動。
全文摘要
本發(fā)明涉及DLN雙燃料主噴嘴。具體而言，干式低NOx(DLN)燃燒器的主噴嘴(300)構(gòu)造成選擇性地燃燒第一氣體燃料或者第二氣體燃料，其中兩種氣體燃料可以具有迥然不同的能量含量。天然氣可以為第一氣體燃料，合成氣可以為第二氣體燃料。設(shè)置外燃料回路(301)和內(nèi)燃料回路(302)以通過改變在兩個燃料回路之間的燃料分流而有效控制燃料/空氣的混合分布、動力學(xué)、主預(yù)點火和排放控制。內(nèi)燃料回路(302)可在擴散燃燒模式中以多種氣體燃料運行。
文檔編號F23D14/58GK101769531SQ20091011367
公開日2010年7月7日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者A·R·汗, C·X·斯蒂芬森, C·吳, G·O·克雷默, W·S·齊明斯基, 左柏芳 申請人:通用電氣公司