專利名稱：用于擴(kuò)散燃燒系統(tǒng)的輔助注水的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的擴(kuò)散火焰燃燒器，并且更具體地涉及將液態(tài)水的形式的水供給至這種擴(kuò)散火焰燃燒器。
背景技術(shù)：
NOx是用于單氮氧化物NO和NO2 ( 一氧化氮和二氧化氮)的統(tǒng)稱。燃燒器的發(fā)展聚焦于滿足尾氣NOx排放量，而不會(huì)負(fù)面影響到作為整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分的其他關(guān)鍵區(qū)。通過擴(kuò)散火焰燃燒器，水或蒸汽可被注入到燃燒器中，以控制NOx的排放。注入的水可導(dǎo)致不必要的穩(wěn)定性問題，其采用與套裂紋(liner cracking)有關(guān)的高燃燒室動(dòng)態(tài)性能和耐用性問題的形式。這種系統(tǒng)的發(fā)展需要這些矛盾的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一排放、動(dòng)力學(xué)和硬件壽命一處于微妙的平衡。在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的擴(kuò)散火焰燃燒器中，經(jīng)常以諸如甲烷或天然氣的氣態(tài)來(lái)供給主燃料。在燃燒器中，燃?xì)馀c壓縮空氣以及液體、水蒸汽或蒸汽的形式的水混合。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)需要燃料和水的適當(dāng)混合。用于分配和混合H2O的無(wú)效方法會(huì)導(dǎo)致更大的NOx排放量和不可接受的動(dòng)態(tài)性能。因此，通過在較高的火焰溫度下使發(fā)動(dòng)機(jī)可承受地運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅利于降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排放量，而且可期望改善燃燒動(dòng)力學(xué)和發(fā)動(dòng)機(jī)性能；本發(fā)明便于實(shí)現(xiàn)各個(gè)所述這些目標(biāo)。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的各方面，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)包括具有主燃料出口和輔助噴嘴的燃料噴嘴組件，輔助噴嘴用于在主燃料出口的下游將液體噴射到燃燒器的火焰區(qū)中。與主燃料出口流體連通的燃料管路將燃料供給至主燃料出口。在主燃料出口的上游，主水管路供水用于與燃料混合，而輔助管路通過輔助液體噴霧噴嘴將水提供到火焰區(qū)。輔助噴嘴在燃料噴嘴組件的中心線上對(duì)準(zhǔn)。輔助液體噴嘴以空心噴霧(hollow cone spray)模式將水分注到燃燒器中。單獨(dú)的管路也可以將諸如液體油燃料的輔助燃料提供到輔助液體噴嘴。主燃料可以是氣態(tài)的。燃料噴嘴組件還可包括霧化空氣帽，其具有圍繞液體噴嘴的多個(gè)孔。本發(fā)明的各方面還提出了一種用于在渦輪機(jī)燃燒器中控制排放的方法，其包括以下步驟將主水注入到第一燃料流中；通過燃料噴嘴組件將第一燃料流和水的混合物供給至燃燒室；在火焰區(qū)中燃燒第一燃料流；以及將輔助水以空心噴霧模式注入到火焰區(qū)中。這些系統(tǒng)和方法改進(jìn)了對(duì)排放的控制，同時(shí)管理了燃燒動(dòng)力學(xué)并且減少了系統(tǒng)硬 件的磨損。
圖1是用于具有主供水管路和輔助供水管路的擴(kuò)散火焰燃燒器的燃料噴嘴組件的示意圖。圖2是圖1的右手端不意圖，不出了霧化空氣帽和液體燃料噴嘴。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，設(shè)置了用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)散火焰燃燒器的燃料噴嘴組件I。燃料管路2可將燃料3供給至燃料噴嘴組件I。主流體(水)管路4可將諸如水的第一流體供給至與燃料管路2聯(lián)接的注水環(huán)形擋板(donut) 5。注水環(huán)形擋板5可以安裝成環(huán)繞或包圍燃料管路2。注水環(huán)形擋板5可便于將一個(gè)或多個(gè)水流6注入到流過燃料管路2的燃料3中。另外地或可選地，水被注入到位于燃料噴嘴組件I下游的燃燒器的燃燒火焰區(qū)中。將水注入到燃料和燃燒區(qū)兩者之中可以控制尾氣排放，特別是N0X。如本文中所使用的，水指的是其各相，包括液體或水蒸汽、以及液體和水蒸汽的組合，并且包括液滴。本文中，水能夠替代地被稱作液體、水蒸汽或蒸汽。輔助流體(水)管路8還可以將諸如水的第二流體13供給至燃料噴嘴組件I。輔助水管路8(包括8A、8B)可以單獨(dú)使用或與主水管路4組合。主水管路4和輔助水管路8可以由相同或不同的水源7來(lái)供給。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)基于天然氣來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，它可利于經(jīng)主水管路4和輔助水管路8的兩個(gè)位置處來(lái)注入水。當(dāng)采用主水管路4和輔助水管路8兩者時(shí)，供水通常在兩個(gè)注入點(diǎn)(主要的和輔助的)之間平分。可以采用不同的供給比率。例如，經(jīng)由主水管路4的水供應(yīng)量與經(jīng)由輔助水管路8的水供應(yīng)量的比率可以是50:50、60:40、70:30、80:20、90:10、100:0、40:60、30:70、20:80、10:90或0:100 或者任何其他組合。輔助水管路8A可以通過燃料噴嘴組件I將水供給至燃燒器。參照?qǐng)D2，例如位于燃料噴嘴組件上的液體燃料噴嘴11可用于從輔助流體管路8A注水。如圖1中所示的，液體燃料噴嘴11可在燃料噴嘴組件的中心線12上對(duì)準(zhǔn)。中心線12可以與流過燃料噴嘴組件I的方向平行。有利地，液體燃料噴嘴11在中心線12周圍以空心噴霧模式均等地分配水。通過經(jīng)過液體燃料噴嘴11注入而提高了水噴霧的質(zhì)量，因?yàn)樗鼊?chuàng)建了均勻分布的以及小的水滴或顆粒。該模式可導(dǎo)致輔助水與氣體燃料的混合改善，以有效地降低NOx并改進(jìn)穩(wěn)定性。優(yōu)選地，液體燃料噴嘴11的流量(flow rate)標(biāo)定為約±3%。燃料噴嘴組件I可包括霧化空氣帽9。霧化空氣帽9可環(huán)繞輔助噴射液體燃料噴嘴11，并具有一個(gè)或多個(gè)孔10。例如，霧化空氣帽9可具有4個(gè)孔10。在現(xiàn)有的氣體燃料系統(tǒng)中，已通過孔10來(lái)供給水，但霧化空氣帽9可遭受不良的水分布，其例如經(jīng)由離散的一個(gè)或多個(gè)孔10注入所導(dǎo)致的較大液滴的形成而被引起。另外，由于在硬件組裝期間無(wú)法控制孔10的方位，用于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器位置之間的變化可以存在。根據(jù)本發(fā)明的各方面，在氣體燃料運(yùn)作期間，通過輔助注入液體燃料噴嘴11而不是霧化空氣帽9的孔10來(lái)供給水?；跉怏w燃料運(yùn)作，用于將水注入到燃燒器中的該替代的水注入方案有助于降低NOx排放，同時(shí)保持可接受的動(dòng)態(tài)活動(dòng)。測(cè)試表明，經(jīng)由液體燃料噴嘴11以更可控的方式來(lái)注水的實(shí)施方式可有助于所有三個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域一排放、動(dòng)力學(xué)和硬件壽命。在實(shí)施這一設(shè)計(jì)之前，發(fā)動(dòng)機(jī)難以滿足期望的減排目標(biāo)而且同時(shí)要維持可接受的動(dòng)態(tài)性能。因此，已發(fā)現(xiàn)有利的是，使用液體燃料噴嘴11而不是霧化空氣帽9將輔助水注入到火焰區(qū)中。霧化空氣帽用于在高負(fù)載液體燃料運(yùn)作期間注水。
權(quán)利要求
1.一種潤(rùn)輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng),包括 燃燒室，所述燃燒室提供用于被燃燒的燃料的火焰區(qū)； 燃料噴嘴組件，所述燃料噴嘴組件具有主燃料出口和輔助液體噴嘴，所述輔助液體噴嘴用于在所述主燃料出口的下游將液體噴射到所述火焰區(qū)中； 與所述主燃料出口流體連通的燃料管路，所述燃料管路用于將燃料供給至所述主燃料出口 ； 主水管路，所述主水管路與所述燃料管路流體連通并且在所述主燃料出口的上游供水用于與所述燃料管路中的燃料混合；以及 與輔助液體燃料噴嘴流體連通的輔助水管路，所述輔助水管路用于通過所述輔助液體噴嘴將水供給到所述火焰區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述輔助液體噴嘴大致在所述燃料噴嘴組件的中心線上對(duì)準(zhǔn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述輔助液體噴嘴以空心噴霧模式將水分注到燃燒器中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括輔助管路，所述輔助管路用于將輔助燃料或水供給至輔助噴嘴。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，輔助燃料是油燃料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，到達(dá)所述主燃料出口的燃料是氣態(tài)的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述燃料噴嘴組件包括霧化空氣帽，所述霧化空氣帽具有圍繞輔助燃料噴嘴的多個(gè)孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述液體噴嘴流量標(biāo)定為約±3%。
9.一種用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的燃料噴嘴組件，包括 燃料噴嘴組件，所述燃料噴嘴組件具有主燃料出口和輔助液體噴嘴，所述輔助液體噴嘴用于在所述主燃料出口的下游噴射液體； 與所述主燃料出口流體連通的燃料管路，所述燃料管路用于將燃料供給至所述主燃料出口 ； 主水管路，所述主水管路與所述燃料管路流體連通并且在所述主燃料出口的上游供水用于與所述燃料管路中的燃料混合；以及 與所述輔助液體噴嘴流體連通的輔助水管路，所述輔助水管路用于通過輔助燃料噴嘴供應(yīng)燃料或水。
10.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述輔助液體噴嘴大致在所述燃料噴嘴組件的中心線上對(duì)準(zhǔn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，在氣體燃料運(yùn)作期間，所述噴嘴以空心噴霧模式來(lái)分注水。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，還包括輔助燃料管路，所述輔助燃料管路用于將輔助燃料供給至所述輔助液體噴嘴。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，輔助燃料是油燃料。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，到達(dá)所述主燃料出口的燃料是氣態(tài)的。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述燃料噴嘴組件包括霧化空氣帽，所述霧化空氣帽具有圍繞所述輔助液體噴嘴的多個(gè)孔。
16.一種用于在渦輪機(jī)燃燒器中控制排放的方法，包括以下步驟 將水注入到主氣體燃料流中； 通過燃料噴嘴組件將與水一起注入的第一燃料流供給至燃燒室； 在火焰區(qū)中燃燒所述第一燃料流；以及 將水以空心噴霧模式注入到所述火焰區(qū)中。
全文摘要
通過一種燃燒器系統(tǒng)來(lái)管理渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的排放和燃燒動(dòng)力學(xué)，所述燃燒器系統(tǒng)將水(4)注入到主燃料流(3)中，并且將輔助水流(8A,8B)供給至經(jīng)過中央輔助液體噴嘴的燃燒器的或燃料噴嘴組件的火焰區(qū)。
文檔編號(hào)F02C3/30GK103069219SQ201180040284
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2011年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月23日
發(fā)明者K.F.阿布-賈歐德, S.E.芒福德 申請(qǐng)人:西門子能量股份有限公司