專利名稱：雙流切向進氣噴嘴的燃燒方法
技術領域：
本發明涉及低NOx預混燃料的噴嘴，更具體地說，涉及用在燃氣輪機中的噴嘴。
氮氧化物(下文中稱為NOx)是在高溫燃燒下生產的。NOx和一氧化碳(“CO”)是眾所周知的污染物，因此，生成NOx和CO的燃燒裝置受到更加嚴格的污染物排放標準的限制。這樣，人們正在加倍努力地致力于減少燃燒裝置中NOx和CO的生成。
其中一種解決方案是將燃料與過量的空氣預混合，這樣，在進行燃燒時伴隨有局部的較高過量空氣，結果導致了較低的燃燒溫度并使生成的NOx降到最低限度。以這種方式工作的燃料噴嘴公開在美國專利US 5,307,634中，該專利披露了一種具有一個圓錐中心體的蝸殼式旋流器。這種燃料噴嘴是已知的切向進氣式燃料噴嘴。它包括兩個與端板相連的偏心圓筒弧形蝸殼。燃燒空氣通過兩個由偏心蝸殼形成的大致呈矩形的狹縫口進氣旋流器，并且通過一個端板上的燃燒器入口排出，然后流入燃燒器。通過位于與內后緣對置的外蝸殼上的直線排列的孔口將燃料從總管噴入在各入口縫的空氣流中，以在流入燃燒器前產生均勻的燃料空氣混合物。
以稀燃料/空氣混合比工作的切向進氣式預混燃料噴嘴相對于現有技術的燃料噴嘴具有NOx的低排放特性。但遺憾的是，在上述專利中公開的那種燃料噴嘴由于這種稀工作狀態，使得在正常的工作范圍內燃燒不穩定。
我們所需要的是一種以實現低NOx和低CO排放為目標的稀燃料/空氣比進行工作的切向進氣燃料噴嘴的方法，該方法不會出現在現有技術中觀察到的燃燒不穩定性。
所以，本發明的目的是提供一種以實現低NOx和低CO排放為目標的稀燃料/空氣比進行工作的切向進氣燃料噴嘴的方法，該方法不會出現在現有技術中觀察到的燃燒不穩定性。
因此，在預混式燃燒的燃氣輪機的燃燒器中的燃料燃燒的方法包括提供一個具有第一和第二端板的蝸殼式旋流器，第一端板相對于第二端板分隔設置并使它與第二端板之間限定出一個大致為圓柱形混合區，第二端板具有一個貫穿該端板延伸的燃燒器入口；提供一個位于混合區內的中心體，它具有朝燃燒器入口方向逐漸變細的的徑向外表面，該表面大體延伸到混合區的整個長度上；將燃燒空氣的第一部分基本連續地沿混合區的長度方向切向地引入該混合區；將混入燃燒空氣中的燃料的第一部分作為燃燒空氣引入混合區；通過使燃燒空氣與燃料圍繞中心體形成旋流使燃燒空氣和燃料混合，同時使燃燒空氣和燃料流向燃燒器入口；將燃燒空氣的第二部分以徑向朝內方向于燃燒器入口處引入第一部分，燃燒空氣的第一和第二部分合起來形成總氣流，而燃燒空氣的第二部分占總氣流的85-89％；以及在混合區外部燃燒燃料。
圖1是沿圖2的1-1線截取的本發明燃料噴嘴的橫向剖視圖；圖2是朝本發明噴嘴的縱軸線向下看的橫向剖視圖；圖3是沿圖2的3-3線截取的本發明燃料噴嘴的橫向剖視圖。
參見圖1，本發明的低NOx預混噴嘴10包括一個位于蝸殼式旋流器14內的中心體12。該蝸殼式旋流器14具有第一和第二端板16，18，第一端板與中心體12相連并與第二端板18分隔設置，第二端板具有貫穿該板的燃燒器入口20。多個(最好為兩個)圓筒弧形蝸殼部件22，24從第一端板16延伸到第二端板18。
蝸殼部件22，24繞噴嘴10的縱軸26均勻地分隔配置，從而在它們之間限定了一個混合區28，如圖2中所示。每個蝸殼部件22，24都有一個面向縱軸26的徑向內表面并限定出一個繞中心線32，34部分回轉的表面。這里所使用的術語“部分回轉表面”指的是由一條直線繞一條中心線32，34旋轉小于一整圈而得到的表面。
各蝸殼22都相對于另一蝸殼24隔開設置，各蝸殼22，24的中心線32，34位于混合區28內(如圖2中所示)。參見圖3，各中心線32，34都是平行并相對于縱軸26隔開的，所有中心線32，34都相對于縱軸26等距，從而限定出入口槽36，38，它們在每一對相鄰蝸殼部件22，24之間沿平行于縱軸26的方向延伸，以便能將燃燒空氣40引入混合區28。來自壓縮機(圖中未示出)的助燃空氣42流過由中心線32，34偏置的蝸殼部件22，24的重疊端44，50，48，46形成的入口槽36，38。
各蝸殼部件22，24還包括一個用于在燃料通過一個入口槽36，38進入混合區28時將其引入燃燒空氣40內的燃料管52，54。可提供液態或氣態(但最好是氣態)燃料的第一供料管(圖中未示出)連接在各燃料管52，54上。與縱軸26同軸的燃燒器入口20位于緊靠燃燒器56的位置，以便將來自本發明的燃料和燃燒空氣輸送到燃燒器56內，燃料和空氣在燃燒器中燃燒。
再參見圖1，中心體12具有一個底座58，該底座至少具有一個，最好多個貫穿其延伸的供氣口60，62，并且底座58垂直于穿過該底座的縱軸26。中心體12還具有一個與縱軸26同軸的內通道64。在本發明的優選實施例中，內通道64包括具有第一端68和第二端70的第一圓柱形通道66和直徑大于第一圓柱形通道66并且同樣具有第一端74和第二端76的第二圓柱形通道72。第二圓柱形通道72通過一個圓錐形通道78與第一圓柱形通道66相通。該圓錐形通道78具有直徑等于第一圓柱形通道66直徑的第一端80和直徑等于第二圓柱形通道72直徑的第二端82。每條通道66，72，78都與縱軸26同軸，并且圓錐形通道78的第一端80與第一圓柱形通道66的第二端70成一整體，而圓錐形通道78的第二端82與第二圓柱形通道72的第一端74成一整體。第一圓柱形通道66包括一個排氣孔68，該孔為圓形并與縱軸26平行，它位于第一圓柱形通道66的第一端68上。
參見圖3，中心體12的徑向外表面84包括一個限定一個與縱軸26同軸并朝底座58方向擴張的錐臺外表面的錐臺部分86和與該錐臺部分86連成一體的圓柱形部分88，該圓柱形部分限定了一個圓柱體的表面，并與軸26同軸。在該優選實施例中，圓柱形部分88終止于排氣孔68所在的平面上，錐臺部分86在底座58處的直徑比錐臺部分86在錐頂處的直徑大2.65倍，而錐臺體的高度90(底座58與錐臺體86相交處的平面與錐臺體86的錐頂所在的平面之間的距離)大約為錐臺部分86在底座68處的直徑的1.3倍。圓柱形部分88位于錐臺部分86和排氣孔68之間。如圖3所示，內通道64由中心體12的徑向外表面沿徑向包圍，該錐臺部分86與縱軸26同軸，并且中心體12連接在底座58上，使錐臺86朝圓柱形部分88方向變細并終止于圓柱形部分88。如圖2所示，錐臺86的底座裝配在內接于混合區28的圓92上，圓92的圓心94位于縱軸26上。本領域的專業技術人員很容易理解到，混合區28的橫截面不一定是圓形的。
參見圖1，內腔100位于底座58與第二圓柱形通道72的第二端76之間的中心體12內，并且該第二圓柱形通道72終止于內腔100。通過底座58上與內腔100連通的送風口60，62向內腔100輸送空氣102，內腔100又將空氣通過第二圓柱形通道72的第二端76提供給內通道64。第一端板16上具有開孔104，106，它們與底座58上的送風口60，62對正，這樣不會影響來自燃氣輪機的壓縮機的燃燒空氣102的流動。旋流器108(最好為現有技術中的徑向入流式旋流器)與縱軸26同軸并位于內腔100內緊靠第二圓柱形通道72的第二端76處，以使從內腔100進入內通道64的所有空氣都必須通過旋流器108。
也與縱軸26同軸的燃料噴管110穿過底座58、內腔100和旋流器108進入內通道64的第二圓柱形通道72。第二圓柱形通道72的較大直徑包含了燃料噴管110的橫截面積，因而使第二圓柱形通道72的流通面積基本上等于第一圓柱形通道66的流通面積。可提供液體或氣體燃料的第二燃料供給管路(圖中未示出)連接在燃料噴管110上，以便將燃料提供給燃料噴管110內的內通道112。燃料噴口114設在燃料噴管110上并給燃料提供通路，以使燃料能從燃料噴管110進入內通道64。
參見圖3，燃燒器入口20與縱軸26同軸并有一個收縮表面116、一個擴張表面117和一個圓柱形表面118，表面118限定了一個入口20的喉部平面120。收縮表面116、擴張表面117和圓柱形表面118都與縱軸26同軸，并且收縮表面116位于第一端板16和圓柱形表面118之間。收縮表面116基本上為圓錐形并朝圓柱形表面118方向收縮，而擴張表面最好是通過橢圓的一部分繞縱軸26旋轉來限定。
圓柱形表面118在喉部平面120和擴張表面之間延伸一定的距離121。擴張表面117在圓柱形成表面118與燃燒器入口20的燃燒器表面122之間延伸，該燃燒器表面122垂直于縱軸26，并限定了本發明燃料噴嘴10的出口平面124。為了使燃料/空氣混合物在通過燃燒器入口20時達到所需的軸向速度，通過該入口20的燃燒空氣必將流經位于燃燒器入口20處的最小流動區，或喉部區。為了實現這一目的，圓柱形表面118距離縱軸26的預定半徑應比錐臺部分86在底座58處的半徑至少小10％。
收縮表面116終止于喉部平面120，該收縮表面116在此處的直徑等于圓柱形表面118的直徑。如圖3所示，喉部平面120位于出口平面124和內通道64的排氣孔68之間，而收縮表面116位于圓柱形表面118和第一端板16之間。為了在燃燒器入口20內達到理想的燃料/空氣混合物的速度分布，該收縮表面116沿縱軸26延伸預定的距離126，并且圓柱形表面118沿縱軸26延伸第二段距離128，該距離128至少等于預定距離126的5％。
在運行時，通過噴嘴10的總氣流量的11-15％經開孔104，106和底座58的供風口60，62進入中心體12的內腔100。燃燒空氣通過徑向入流旋流器108流出內腔100，然后以相對于縱軸26大致切向的速度或以旋流方式進入內通道64。當該旋流燃燒空氣通過燃料噴管110時，燃料(最好為氣態形式)從燃料噴管110噴入內通道64中并與旋流的燃燒空氣混合。然后，燃料和燃燒空氣的混合物從第二圓柱通道72通過錐形通道78流入第一圓柱形通道66。混合物再流過第一圓柱形通道66的整個長度，然后混合物剛好在離燃燒器入口20的喉部平面120很近之處或在該喉部平面120處從第一圓柱形通道66中流出，從而提供燃料/空氣混合物的中心流。
等于通過燃料噴嘴10的總氣流的85-89％的助燃空氣經入口槽36，38被送入混合區28。這里所使用的術語“總氣流”指的是進入入口槽36，38的燃燒空氣和進入供風口60，62的燃燒空氣的總和。將供給燃料管52，54的燃料(最好是氣態燃料)噴射到流經入口槽36，38的燃燒空氣中并開始與之混合。由于蝸殼部件22，24的這種形狀，使混合物形成圍繞中心體12旋流的環形氣流，并且該燃料/空氣混合物在旋流過程中繼續混合，同時沿縱軸26流向燃燒器入口20。燃料空氣濃度按下述方式來確定如果理想的總燃料/空氣比為化學理想配比燃燒所需比率的0.5倍，那么中心流的燃料/空氣比為化學理想配比的0.54倍，其它流的燃料/空氣比則為化學理想配比的0.493倍。
在第一圓柱形通道66中，由蝸殼式旋流器14的環形流的旋流最好與燃料/空氣混合物的旋流一同旋轉，并且其角速度至少等于在第一圓柱形通道66中燃料/空氣混合物的角速度。由于中心體12的形狀，環形流的軸向速度保持在能防止燃燒器火焰流向蝸殼旋流器14內并貼到中心體12的外表面84的速度。當燃料/空氣混合物流出第一圓柱形通道66時，中心流的旋流燃料/空氣混合物由蝸殼旋流器14的環流所包圍，并且這兩股流徑向地流入圓柱形表面118內，然后流經擴張表面117，一直流到混合區28下游的燃燒入口20的出口平面124。
經測試這種燃料噴嘴10具有稀燃料/空氣比，該比率能達到低NOx和低CO排放率并不會出現在現有技術中觀察到的燃燒不穩定性的目標。噴嘴工作的要點在于空氣和燃料是在兩股流之間分開的。在此之前，必須有足夠的燃料通過中心流，以使總火焰穩定，燃料/空氣比也不應當太高，否則會產生大量NOx，而且不能消耗其余的燃料火焰。此外，提供給兩股空氣流的燃料必須分成獨立控制的幾股，以使中心流中的燃料比率在工作過程中可改變，以便獲得最佳排放量。
本發明在以下幾個方面不同于其它的引導和穩定方法。首先，本發明應用于稀預混系統。將一股流只比另一股中燃料量略高的兩股流預混合。這樣就產生比傳統通過火焰擴散引導的方法低得多的排放量。在別處缺少火焰的情況下，本發明的確不具有提供火焰源的功能，但具有提供持久穩定的火焰的特性和低排放量的功能。
第二，兩股(或多股)流形成單獨的、整體的和均勻的火焰前鋒。盡管可以爭辯，連續的火焰總是形成單獨的火焰前鋒，但本發明的本質在于在單獨的火焰結構中進行精細的操作和燃料控制。在經過檢驗的最成功的實施例中，兩股流在燃料/空氣比，在軸向速度，在旋轉和溫度等方面都是相互匹配的，它們的差異是很小的(即在燃料/空氣比上有10％的差異)。因此，稀燃料火焰的好處是在減輕某種限制的情況下獲得的。
第三，幾股氣流是用物理方法分開并可獨立控制的。為了增強火焰的穩定性并減小排放量，液態燃料噴射器通常以液滴直徑或速度上的差異來產生火焰的較濃部分和較稀部分。類似地，在稀預混氣態燃料噴射器上的燃料口可以有不同的直徑或位置，以便產生火焰的富燃料和稀燃料部分。或者為了改善富燃料或稀燃料環境，也可按空氣動力學的方式進行控制，從而按這種方式產生分離。本發明與其它方式不同之處在于，它使氣流保持物理分離，直到這些氣流差不多都進入燃燒區為止，同時只需要足夠的混合時間來形成上述單獨的、整體的和均勻的火焰前鋒。
雖然上面參照詳細的實施例示出并描述了本發明，但本領域的專業技術人員可理解到，在不超出本發明權利要求所限定的構思和范圍的情況下，可在形式上和細節上作各種不同的變換。
權利要求
1.一種在預混式燃燒的燃氣輪機的燃燒器中的燃料燃燒的方法，包括提供一個具有第一和第二端板的蝸殼式旋流器，所述第一端板相對于所述第二端板分隔設置并使它與所述第二端板之間限定出一個大致為圓柱形混合區，所述第二端板具有一個貫穿該端板延伸的燃燒器入口；提供一個位于所述混合區內的中心體，它具有朝燃燒器入口方向逐漸變細的的徑向外表面，該表面大體延伸到混合區的整個長度上；將燃燒空氣的第一部分基本連續地沿所述混合區的長度方向切向地引入所述混合區；將混入所述燃燒空氣中的燃料的第一部分作為所述燃燒空氣引入所述混合區；通過使所述燃燒空氣與燃料圍繞中心體形成旋流使所述燃燒空氣和燃料混合，同時使所述燃燒空氣和燃料流向所述燃燒器入口；將上述燃燒空氣的第一部分供入燃燒器入口；將燃燒空氣的第二部分以徑向朝內方向于所述燃燒器入口處引入所述第一部分，燃燒空氣的所述第一和第二部分合起來形成總氣流，而燃燒空氣的所述第二部分占所述總氣流的85-89％；以及在所述混合區外部燃燒所述燃料。
2.按照權利要求1的方法，其中將燃燒空氣的第二部分以徑向朝內方向于所述燃燒器入口處引入所述第一部分的步驟包括將燃燒空氣的第二部分引入所述中心體；將燃料的第二部分引入燃燒空氣的所述第二部分；將所述燃料的第二部分與燃燒空氣的所述第二部分混合。
3.按照權利要求2的方法，其中被所述燃燒空氣的第一部分分開的所述燃料的第一部分規定為第一燃料/空氣濃度，被所述第二部分燃燒空氣分開的第二部分燃料規定為第二燃料/空氣濃度，理想的總燃料/空氣比為化學理想配比燃燒所需比率的0.5倍，所述第一燃料/空氣濃度為化學理想配比的0.493倍，所述第二燃料/空氣濃度為化學理想配比的0.54倍。
4.按照權利要求3的方法，其中將燃燒空氣的第二部分以徑向朝內方向于所述燃燒器入口處引入所述第一部分由下述步驟來進行使所述燃燒空氣的第二部分在所述中心體內以基本上等于第一部分的角速度的角速度進行旋流。
全文摘要
一種在預混式燃燒的燃氣輪機的燃燒器中的燃料燃燒的方法,包括:提供一個具有第一和第二端板的蝸殼式旋流器,第一端板相對于第二端板分隔設置并使它與第二端板之間限定出一個大致為圓柱形混合區,第二端板具有一個貫穿該端板延伸的燃燒器入口;提供一個位于混合區內的中心體;將燃燒空氣的第一部分引入混合區;將混入燃燒空氣中的燃料的第一部分引入混合區;使燃燒空氣和燃料混合,同時使所述燃燒空氣和燃料流向所述燃燒器入口;將燃燒空氣的第二部分以徑向朝內方向于燃燒器入口處引入第一部分,燃燒空氣的第一和第二部分合起來形成總氣流,而燃燒空氣的第二部分占所述總氣流85—89%;以及在混合區外部燃燒燃料。
文檔編號F23D17/00GK1194351SQ9711438
公開日1998年9月30日 申請日期1997年12月19日 優先權日1996年12月20日
發明者S·K·克拉梅爾, S·A·莫霍爾德, C·B·格拉維斯 申請人:聯合工藝公司