二級v形火焰穩定器燃料噴射混合器的製作方法
2023-11-10 12:21:37 2
專利名稱：二級v形火焰穩定器燃料噴射混合器的製作方法
近年來，政府當局和燃氣輪機製造商逐漸關注汙染排放。自從19世紀70年代早期以來，燃氣輪機排放控制法規一直在執行中。排放情況，例如已由加洲及美國環境保護署公布。所關心的主要汙染物一直是氮氧化物(NOx)，因為這些氧化物乃是空氣汙染的先質。為了符合可適用的法規，在燃燒器火焰區內噴入水，以降低火焰溫度。結果，除了一氧化碳或未燃的碳氫化合物排放量降低外，NOx量降低到40%。然而，更為嚴格的排放限制已導致需要將近乎相等於燃料流量的水量噴入燃燒火焰區內，在燃用天然氣的發動機內這會影響燃燒系統的性能。當然，燃燒器能穩定且有效地燃燒是非常重要的。此外，還通常要求燃燒器結構既能燃燒氣體燃料，也能燃燒燃油。
為了達到所要求與希望的低排放，燃料與氧化劑在其內混合與燃燒的燃氣輪機燃燒器的工作已變得更為複雜。現代的不用水的低NOx二級混合燃燒器是設計來用天然氣燃料工作的，但藉助於噴霧空氣能以液體燃料來工作。第一級通常由一文丘利管，即一個收縮與擴張區段所組成，它用於加速自第一級排出的氣流，並且在其下遊工作面外形成一回流區，以增強火焰的穩定作用。加速自來第一級的氣流的目的乃是防制火焰自第二級擴散到第一級，以便燃燒器能按預混合工況工作。
在以天然氣燃燒的預混合工況中，第一級用於混合燃料和空氣，並將較均勻、稀薄、未燃的燃料空氣混合物輸送到第二級。該混合物是相當稀薄的，以致只有少量的NOx產生，然而這樣的稀薄也會使燃燒不穩定與無效。因此，一部分燃料在第二級噴嘴中燃燒作為保持預混合氣流燃燒的引火源。此外，在文丘利管的下遊側的回流區起到有助於火焰穩定的作用。
在預混合燃氣輪機燃燒器中，希望保持下述功能，而同時使燃料經濟性最好，汙染排放最少(1)形成一種在到達燃燒區之前促進燃料與氧化劑混合的流型;
(2)抑制火焰經燃料-氧化劑流(一種稱為逆火的現象)逆流而上的擴散;
(3)在下遊形成一種促進火焰穩定化的流型;
(4)在燃燒過程開始之前，有助於液體燃料的霧化與汽化過程;
(5)規定在氧化劑流中間燃料噴射的位置;
(6)有助於各燃燒器之間同時著火過程。
在過去幾年中，通過若干裝置，直至三個裝置已達到了上述功能。在單級燃燒器內能達到所有這些功能，這是現在所希望的。
此外，由於世界燃料供應與價格易變，利用不斷變化的燃料市場的能力已成為一種經濟需要。燃氣輪機燃燒器應設計成用各種各樣的燃料來工作，包括諸如天然氣或煤衍生氣體的各種氣體燃料及諸如輕餾份油的各種液體燃料。
已經研製了各種燃氣輪機燃燒器及有關結構來實現燃氣輪機運轉中的低排放。例如，參看美國專利US-3，358，413;US-3，958，416;US-3，946，553;US-4，292，801及US-4，420，929。還參看由W.T.Bethtel，M.Kuwat及R.M.Washam於1990年2月5日申請的並轉讓給本發明同一受讓人的序號為071474，394的共同未決專利申請。還參看由L.B.Davis所著的「燃氣輪機燃燒與排放」，通用電氣公司燃氣輪機參考叢書刊物GER-3568，1988年10月。此外，已採用配置於航空器噴氣發動機加力燃燒室或助力器內排氣流道中的V形件來達到火焰穩定化。然而，迄今所採用的方法並沒有使所有上述的考慮與功能最佳化。
因此，本發明的一個目的是使上述考慮與功能在燃氣輪機燃燒器內最佳化。
本發明的另一個目的是把燃料噴嘴、混合器及火焰穩定器按其功能組合成一個組合體。
本發明的又一個目的是通過將燃料噴嘴、混合器及火焰穩定器按其功能組合成一個組合體來改善燃氣輪機燃燒系統的工作。
本發明的還有一個目的是改善燃氣輪機燃燒器對燃料與空氣混合的操作，同時保持一個穩定的燃燒系統。
本發明的再有一個目的是提供一種改進的有效而可靠的燃氣輪機燃燒器結構，它用氣體和液體燃料，包括餾出油來工作。
按照本發明的一個優先實施例，燃氣輪機燃燒器設有產生氧化劑流和燃料流以便在燃燒器的一端區域內預混合的裝置。該燃料可以是氣體和/或液體，預混合的燃料和氧化劑混合物隨後被引導，流過多排安裝在流道內的凸形件，它們的頂朝上遊指向氧化劑，它們的後緣朝下遊伸向火焰，以有助於在燃料-氧化劑霧化、蒸發和預混合中防止逆火，並在氧化劑流中間提供燃料噴射的部位。
凸形件可以是V形的，並包括將燃料噴射到該氣流中的孔口，可以配置成這樣，第二排的每個頂被定位在前排相鄰兩後緣之間間隔的下遊。這些排可以垂直於氣流或傾斜，在各種實施例中可繞燃燒器軸線環形或徑向延伸，或既環形又徑向。
圖1表示在採用氣體燃料和氧化劑流的燃氣輪機燃燒器中本發明的一個實施例;
圖2表示圖1中凸型角形火焰穩定器的放大視圖;
圖3和圖4表示用於氣體燃料噴射到預混合的燃料與氧化劑流中的本發明的另一實施例;
圖5表示用於將液體和氣體燃料兩者噴射到預混合的燃料與氧化劑流中的本發明的又一個實施例;
圖6表示圖5中凸型角形火焰穩定器的放大視圖;
圖7表示用於將液體和氣體燃料兩者噴射到燃燒器流內的本發明的再一個實施例;
圖8和圖9表示圖7中凸型角形火焰穩定器的放大視圖;
圖10是本發明的一個補充實施例，表示採用徑向角形火焰穩定器;
圖11和圖12是圖10中所示的實施例的變型;
圖13是本發明的另一補充實施例，表示採用環形與徑向角形火焰穩定器;
圖14表示適於用作各種凸形件的橫截面。
參照圖1，燃氣輪機燃燒器10包括一圓柱形腔12，一軸對稱燃料噴嘴或在一端呈軸對稱形的燃料噴嘴14以及在鄰近下遊或排出端18的區域內的燃燒區16。燃料，諸如氣體燃料20，由燃料流量控制器22輸送到燃料噴嘴14，噴嘴14將燃料經上遊端24噴射到腔12的內部。由燃氣輪機壓氣機或其它源26輸送的氧化劑30，諸如空氣，以提高的壓力，一般處於大約10-30大氣壓的量級，經一個或多個一個的圍繞腔12的圓周配置的空氣入口28被引入到燃燒器10。與氧化劑混合的燃料以傳統的方式，諸如藉助於火花塞34被點燃，以便在燃燒區16內燃燒。處於燃燒區內的腔12圓周上的氣口36是為補充空氣用的，使燃燒過程在聲音、穩定性、排放以及排氣溫度分布方面達到最佳化。
出於敘述的目的，在圖1中表示了許多可能結構中的一種。二排凸型角形火焰穩定器或非流線體件42和44配置成跟氣體燃料與氧化劑流46正交。如在圖1中所示的，在第一排或行內有4個間隔的凸型角形火焰穩定器42，橫穿腔12的實際橫截面部分延伸，而在角形火焰穩定器42的下遊有3個間隔的凸型角形火焰穩定器，它們大體平行於角形火焰穩定器42，橫穿腔12中區的實際橫截面部分延伸。注意角形火焰穩定器44的頂，諸如頂50，配置在頂50上遊的兩角形火焰穩定器42的鄰近兩腿之間的區內。凸型角形火焰穩定器44和42的所有的頂逆流指向下遊端24，而張開端或後緣，諸如52順流向燃燒區16延伸。
如在圖2中清楚表示的，凸型角形火焰穩定器42和44包括自頂50以45°、最好從20°至70°數量級的角度54向外延伸的後緣52。後緣在一個實施例中的長度56是2寸，而正交於流道的這些角型火焰穩定器寬度在那個實施例中處於5寸的量級。這基本上是在那個位置上腔12內壁的橫向寬度，因為角形火焰穩定器42和44焊接或固定在應有位置上，該處角形火焰穩定器的端部和腔12的內壁卻好相接觸。
在運行中，來自燃料流量控制器22的燃料20由噴嘴14噴射到來自燃氣輪機壓氣機26的氧化劑流30內。凸型角形火焰穩定器42和44使氣流擾動，它促進了燃料-氧化劑的混合。燃料和氧化劑混合的程度在把廢氣排放中的汙染物，諸如NOx，減至最少量方面是重要的。在通過運行來獲得最大燃料經濟性的稀薄預混合燃氣輪機燃燒器中這是特別關注的。沿著凸型角形燃燒穩定器42和44，特別沿著下遊角形燃燒穩定器44的預混合流體的加速，還有助於防止燃燒區16內燃燒過程逆流擴散到圍繞氧化劑入口28的預混合區。此外，由凸型角形燃燒穩定器44引起的氣流束的分離與回流穩定了燃燒過程。本發明的火焰保持能力，由於稀薄預混合燃燒火焰對熄火的較大的敏感度，其重要性增加了。
下面參照圖3和4。圖3和4表示一種利用如44的凸型角形燃燒穩定器來把氣體燃料引入預混合的燃料與氧化劑流的方案。氣體燃料20由諸如22的燃料流量控制器供給3個凸型角形燃燒穩定器142中的每一個。角形燃燒穩定器142配置於上遊行，代替凸型角形燃燒穩定器42。如在圖4中清楚表示的，上遊角形燃燒穩定器142包括一個接受氣體燃料20的普通圓柱形空心歧管頂150。然而如在圖4中清楚表示的，沿著上遊凸型角形燃燒穩定器142有一系列間隔的孔口154和156。歧管150上的孔口154靠近角形燃燒穩定器壁或顎板160，而歧管上的孔口156靠近另一角形燃燒穩定器壁或顎板162，以便相應地形成沿後緣160和162的氣體燃料流164和166。這樣，上遊凸型角形燃燒穩定器142用作燃料引入部位，而不是使全部燃料20引入角形燃燒穩定器的上遊。本實施例具有若干優點。凸型角形燃燒穩定器142提供了一個可與燃料噴嘴14一起使用的附加燃料配置部位。此外，該實施例提供了一種將氧化劑流內的燃料在空間上均勻地分布與混合靈活方法。再一個優點是該結構有助於限制混合過程的停留時間，這又有助於防止回流，防止燃燒區16內火焰逆流擴散到燃料氧化劑流，並防止角形燃燒穩定器142上遊氣流的自動著火，即自燃。
下面參照圖5和6中所示的實施例，在組合的氣體和液體燃料系統內，燃料流量控制器222A供給氣體燃料20，而燃料流量控制器222B供給液體燃料224。氣體燃料20引入圓柱形歧管頂250的左邊或上遊部位252的中心區，在該實施例中該中心區被分隔壁253分隔成2部分，分隔壁253橫貫圓柱形歧管頂配置，並沿其長度延伸。圓柱形歧管250的下遊部位255接收液體燃料324，然而經一系列在至少某些沿後緣260與262的接合點263延伸的上遊凸型角形火焰穩定器上的間隔孔口258噴射到氧化劑-氣體燃料流內。
因此，除了這種結構的上述優點之外，如同圖3與圖4的實施例中那樣，歧管250的上遊部位252允許氣體燃料自20沿圓柱形歧管頂250的上遊部位252並經噴射氣體燃料流264和266的間隔孔254和256噴射到氧化劑流內。此外，實質上是第二歧管的歧管250的下遊部位255，允許液體燃料224經孔口258噴射到氧化劑與氣體燃料流內。這就對某些或所有上遊凸型角形火焰穩定器242提供了附加的液體燃料(224)量。這一附加燃料量使在空間上均勻分布的液體燃料224的引入成為可能，而凸型角形火焰穩定器242由於圍繞角形火焰穩定器上遊面249的剪切流而有助於液體燃料的霧化。此外，相信由於加熱而增強的汽化作用是由燃料流224撞擊在穩定火焰的凸型成形火焰穩定器244的上遊側上而引起的，火焰穩定器244配置於液體燃料224經上遊角形火焰穩定器242上的孔口258噴射的下遊。這些特性有助於預汽化，並有助於燃料-氧化劑混合，這種混合對於稀薄預混合燃燒器的成功運行是重要的。而且正和圖2、3、4實施例的情況一樣，相信逆火的可能性由於將燃料引入到供給燃燒區16的加速氣流中而受到限制。
上遊排和下遊排的凸型角形火焰穩定器242與244分別用於引入燃料，如圖7、8、9所示。參照圖7、8、9，由燃料流量控制器222A供給的氣體燃料20供給上遊凸型角形火焰穩定器342的某些或所有歧管350，以便經一系列靠近後緣360和362的上遊端的歧管上的間隔孔口354與356被噴出，從而沿著上遊角形火焰穩定器後緣的外側供給氣體燃料流320。這樣，上遊凸型角形火焰穩定器用作代替或補充由燃料噴嘴14引入的燃料20的氣體燃料引入部位。由燃料流量控制器222B供給的液體燃料224供給某些或所有的下遊凸型角形火焰穩定器344的歧管350，以便經一系列靠近後緣360與362上遊端的歧管上的間隔孔口354與356被噴出，從而沿著下遊角形火焰穩定器後緣的外側供給燃料。
這樣，下遊凸型角形火焰穩定器用作液體燃料引入部位。上遊噴射氣體燃料20和下遊噴射液體燃料324跟由壓氣機26噴出的氧化劑流30混合，通過將液體燃料噴入到一直存在於燃燒區16內的始終會聚的氣流中這進一步減少了逆火的可能性。
在一種特殊的結構裡，如果液體燃料是從上遊角形火焰穩定器342排內噴射的，即使可能會出現逆火，那麼在上遊排中是氣體燃料的情況下，由於一些氣體燃料混合物的火焰速度較低，逆火或許不會出現。然而，上遊氣體燃料部位提供了較好混合的潛在可能，因此，可被保留在某些結構裡，那裡液體燃料噴射被移到下遊角形火焰穩定器344排。
雖然通過例子已說明了凸型角形火焰穩定器，本發明的其它實施例可具有弧形非流線型體，或具有沿氣流流來和以不等的角度正交於氣流流來的寬闊的表面，或以大於和氣流方向成90°的夾角正交於氣流流來的寬闊表面，只要它們產生充分的擾動和混合。此外，雖然已敘述了二排的角形火焰穩定器，然而，可以提供配置於氧化劑流和燃燒器火焰之間的二排或多排的角形火焰穩定器。
這些排列的幾何圖形相對地不受限制，以便能使燃料噴嘴的操作最佳化。這些排列可以是和圖1、5和7中所示的正交於燃料-氧化劑流延伸的平行件。要不然，這些排列可以自某個中心歧管徑向向外延伸，中心歧管可以是如圖10中簡略表示的環形結構。
圖10表示在燃氣輪機燃燒器10的圓柱腔12內的角形火焰穩定器的徑向布局，其中燃燒器氣流是流向圖面內的。燃料自燃料供給管412供給環形歧管或燃料輸入口410。環形歧管410將燃料經許多角形火焰穩定器的頂432，434和436供給各自的徑向角形火焰穩定器，諸如422，424和426。燃料經沿角形火焰穩定器按照例如在圖5中所表示的方式間隔的孔自徑向角形火焰穩定器422，424和426中排出。徑向角形火焰穩定器422，424，426的角度間隔，尺寸及徑向長度是可以改變的，以滿足為最佳運行所要求的燃料流動與混合特性。此外，在第二級排列位置上可設置輔助的徑向角形火焰穩定器。角度方位處在徑向角形火焰穩定器對422，424與424，426之間的以虛線表示的二個這樣的輔助徑向角形火焰穩定器分別用標號444與446表示。實際上，諸如422，424，426，444與446的徑向角形火焰穩定器圍繞燃氣輪機燃燒器10的軸線會完全地被定位，並沿周形歧管410的周圍以相等的角度間隔。在一般的燃燒器內，一排中徑向角形火焰穩定器的數目可在6至18之間變化。下遊排的徑向角形火焰穩定器的數目通常和上遊排的數目相等，或是它們的倍或是它們的約數。這就是說，在某一流道內二排中角形火焰穩定器數目之比往往會是一個整數。
再則，諸如422，424，426，444和446的徑向角形火焰穩定器可以是傾斜的，也就是說，最靠近燃氣輪機燃燒器10與第一圓形歧管410中心的它們的端部處在比遠離燃氣輪機燃燒器中心的端部更上遊。二排角形火焰穩定器都可以傾斜，不過其中的一排可垂直於燃燒器的軸線延伸。這些布置簡略地示於圖11與圖12。
首先參看圖11，箭頭450和452指向燃氣輪機燃燒器10的圓柱腔12的下遊方向，因而也表示其中的流動方向。上遊排徑向角形火焰穩定器454與456及下遊排的徑向角形火焰穩定器458與460是這樣傾斜的，它們的外端464與466及468與470分別比它們的內端474與476及478與480處在更下遊。在圖12中，包括徑向角形火焰穩定器464與466的上遊排是基本垂直於由箭頭450與452所示流動的凸形件，而包括徑向角形火焰穩定器468與470的下遊排則是傾斜的。
圖13以簡略的方式表示本發明的圓環排列型。參照圖13，構成上遊排的圓環形角形火焰穩定器500與502和圓形歧管504同心。圓環形角形火焰穩定器500由徑向支撐臂508，510與512支撐，它們之中的一個或多個可能是空心的，用於將燃料輸送到圓環形角形火焰穩定器500。燃料由配置於圓形歧管內的燃料供應管514供給圓形支管504。徑向支撐臂508，510與512可做成角形火焰穩定器的形體，以便構成徑向與環形角形火焰穩定器的組合體。間置在上遊排500，502之後和之間的是下遊排環形角形火焰穩定器520和522，所有的環形角形火焰穩定器由徑向臂支撐，後者可從圓形歧管504或從該排的環形內角形火焰穩定器上延伸。這就是說，環形角形火焰穩定器502可被支撐在自環形角形火焰穩定器500延伸出的徑向臂或角形火焰穩定器上，而環形角形火焰穩定器552可被支撐在自環形角形火焰穩定器520延伸出的徑向臂或角形火焰穩定器上。這樣一種配置由支撐著下遊排520，522的環形內角形火焰穩定器520的徑向臂528，530與532及在下遊環形角形火焰穩定器排520，522之間延伸的徑向臂538，540與542的圖解得到說明。同樣，徑向臂538，540與542可形成為角形火焰穩定器形，而如果燃料是經下遊環形角形火焰穩定器520，522噴射的話，其中的一個或多個可將燃料自環形角形火焰穩定器520輸送到環形角形火焰穩定器522。
圖14表示適應於本發明的各種凸形體中的某一些。凸形件550基本上是平的，向下遊端彎成輕微的圓角。箭頭556與558沿來自燃燒器腔12的最初預混合區的燃料-氧化劑流方向指向下遊。凸形件552更多地採取V型結構，後緣568與570跟軸線566之間的夾角562與564大於45°，而凸形件554包括後緣574與576，它們與軸線566的夾角小於45°。在本發明的申請中，用於上遊或混合排中的凸形件可比下遊或火焰保持排中的凸形件更扁平。橫截面更像550與552的凸形件可更好地適於上遊燃料噴射與混合排，而橫截面更像552與554的凸形件可更好地適於下遊火焰保持排。凸形件552與554的實際的角度在特殊應用場合下將由在該特殊應用場合下所用的燃燒器幾何形狀與燃料所確定。為了得到適當的回流，即紊流，與適當的混合，特別在上遊混合排內，諸如568與570的後緣，在端部580與582處應分別收尾成具有尖角而不是圓角。
因此，應該理解，通過改變角形火焰穩定器的尺寸與橫截面以及改變後緣跟燃燒器中燃料-氧化劑流的夾角，對燃氣輪機燃料噴嘴極大地增加設計變量是可能的。此外，能夠改變無論是平行的、圓環形的或徑向的角形火焰穩定器的排數，每排中角形火焰穩定器的數目以及各排跟燃料-氧化劑流的角度變量。它們可正交於氣流或傾斜的。一級可以是正交的，而另一級可以是傾斜的。因此可以改變與組合的數目是非常大的，從而在設計和控制燃料-氧化劑混合與流動方面提供了大的幅度與靈活性，而同時達到了火焰穩定化與最佳性能及效率，適當地改變到把不希望的排放，如NOx，減至最少。
其它可能的排列組態包括代替徑向角形火焰穩定器的圓環形角形火焰穩定器，或二者的組合。一種與徑向排列組合在一起的可能的圓環形排列用虛線474與476示於圖10，其中環形排角形火焰穩定器474與476跟包括徑向角形火焰穩定器422，424與426的徑向排組合在一起。此外，圓形歧管，諸如圖10中的410與圖13中的504的直徑在上遊排和下遊排中的任一排中或二排中可以變化。
在某些應用場合下，可能希望使第一排不僅較鈍，而且較小。第一排的後緣最好是矩形的，或至少有幾個角，它們不是圓的，以形成一些後緣，這些後緣斷開流經角形火焰穩定器的氣流。所導致的逆環流，即回流對混合是合乎需要的，但回流區，即渦區，離上遊排不應超過第二級的端部，以便阻止回流將火焰引向或推向上遊。下遊排應產生一種大於火焰速度的足夠的燃料-氧化劑流速度。在上述許多組態中，燃料-氧化劑流取S型路線，這種路線進一步使上遊燃料-氧化劑與火焰隔離。
在二級角形火焰穩定器排列中，燃料混合最好在上遊排中完成，由於遠離火焰，上遊排主要地起燃料-氧化劑混合器的作用，這就增加並進一步混合流過上遊各排的預混合的燃料-氧化劑。早先預混合的燃料-氧化劑就這樣進一步地混合，而其它的燃料可以添加，以達到額外的可控預混合。下遊排基本上產生火焰穩定作用，它加速氣流流動，並抑制火焰被推回到上遊的任何傾向，雖然其它燃料也可在下遊排內添加與預混合。因此，各上遊燃料噴射與混合排可採用壓扁的，即扁平的凸形件結構。例如它們可以是普通的圓形而不是凸形。另一下遊排設計得使反向流動最少或被阻止，因而通常更加彎曲，即凸形，具有較小的中心角。
下遊排角形火焰穩定器較採用文丘利管能提供許多優點，以加速氣流流動來防止逆火。角形火焰穩定器的間隔，尺寸和數目及其幾何形狀是可以變化的，通過改變與控制所形成的流動渦區的大小，流動渦區的數目以及渦區間間隔的能力，提供了大為增加的設計靈活性。這種設計靈活性也簡化了模擬試驗及隨後的使燃料噴射結構最佳化的結構試驗。這種自燃燒器中心線至燃燒器壁經改善的連貫的徑向渦區是有好處的，因為它導致了較好的火焰穩定流型。此外，下遊排構成了第三級，在那裡可應用額外的燃料噴射。
在一個實施例中，後緣(如圖6中的260與2621跟中心軸線的夾角均為37°。由這種角形火焰穩定器所產生的渦區大約是後緣寬度的4倍。另一方面，垂直於燃料-氧化劑流配置的基本二維的凸形件會產生一個接近二維凸形件寬度的渦區。這樣，可以調節或設計後緣的夾角，以便在燃氣輪機燃燒器10的圓柱形燃燒室12的幾何界限內產生一個可接受的渦區。因此，設計一種大的渦區長寬比來保持火焰，同時提供一種較短的渦區來混合是可能的，而且或許是所希望的，結果，導致了這樣一種燃燒器結構，其中下遊排的後緣角做成小於上遊排的後緣角。
因此，對凸型角形火焰穩定器的特殊外形的設計考慮將取決於所用燃料及為使運行安全性與可靠性最佳化的其它設計考慮，同時燃料經濟性與排放也作為其中一個因素來考慮。通過例子說明的本發明的各種實施例是用來增強燃料蒸發、燃料配置、燃料混合及燃氣輪機燃燒器內的火焰穩定性的，不過，本發明可用於其它的混合和/或燃燒系統。
因此，儘管通過一些優先的實施例敘述了本發明，然而，這些實施例僅僅作為例子來提供的。凡熟悉本技術領域的人會想到種種變更，改變與取代，包括上面討論的那些，而不脫離本發明與下列的權利要求的範圍。
權利要求
1.在一種用於混合與燃燒燃料及氧化劑的燃氣輪機燃燒器中，包括一個在其上遊端區內用於引入並混合燃料與氧化劑而在其下遊端區內用於燃燒所述燃料與氧化劑混合物的外殼；二排或多排在所述外殼的上遊端內的凸形件，它們正交於自上遊端區至下遊端區的混合物流延伸；所述凸形件包括一個連接一對後緣的頂；所述凸形件的頂指向所述外殼的上遊端，而所述凸形件的後緣自所述頂朝所述外殼下遊端向外延伸；將氧化劑噴入所述上遊端區使一股氧化劑流流向下遊燃燒端區的裝置；將所述燃料噴入所述上遊端區以便與所述氧化劑流混合的裝置；所述凸形件配置於所述混合物流的流道內，並正交於該混合物流道延伸；第一排凸形件促使所述燃料和氧化劑混合，第二排凸形件促使混合區跟所述燃燒端區分隔開。
2.按權利要求1所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於在至少所述一些凸形件上的孔口構成了將至少一些燃料噴入氧化劑流內的裝置。
3.按權利要求2所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於所述孔口沿至少一些凸形件這樣間隔分布，使經所述孔口噴出的燃料與所述混合物流混合。
4.按權利要求2所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於所述孔口配置於接近所述一些凸形件的頂。
5.按權利要求3所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於第一排凸形件橫跨所述外殼基本上排成一直線，並配置於第一排凸形件的下遊。
6.按權利要求5所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於第一排凸形件與第二排凸形件基本上平行。
7.按權利要求5所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於至少一些第二下遊排凸形件的頂配置成指向第一排相鄰凸形件後緣之間的孔口。
8.按權利要求1所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於噴射燃料的裝置包括將氣體燃料經配置於接近至少一些凸形件頂的第一孔口噴入所述混合物流的裝置，以及將液體燃料經配置於接近至少一些凸形件頂的第二孔口噴入所述混合物流的裝置。
9.按權利要求8所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於適於將氣體燃料的液體燃料噴入所述混合物流的凸形件頂基本上是細長的歧管。
10.按權利要求9所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於第一排凸形件配置在第二排凸形件的上遊，所述氣體燃料接通第一排凸形件中的至少某一些凸形件。
11.按權利要求10所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於所述液體燃料接通第二排凸形件的某些凸形件，以便在噴射氣體燃料的下遊將液體燃料噴入所述混合物流。
12.按權利要求1所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於第一歧管沿一個或多個凸形件的頂延伸，以便使沿一個或多個凸形件間隔分布的第一組孔口跟適於接通經第一歧管流到第一組間隔孔口的氣體燃料的燃料源的第一進口連通;第二歧管靠近第一歧管延伸，以便使沿一個或多個所述凸形件間隔分布的第二組孔口跟適於接通經第二歧管流到第二組間隔分布孔口的液體燃料的燃料源的第二進口連通。
13.按權利要求12所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於第一與第二歧管處於第一排凸形件上。
14.按權利要求12所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於第一歧管配置在第二歧管的上遊。
15.按權利要求14所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於第二組間隔的孔口配置在一個或多個凸形件的後緣之間，它們按照這樣配置將液體燃料噴入這些後緣之間或範圍內的區域。
16.按權利要求15所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於第一組間隔分布的孔口配置於一個或多個凸形件的後緣外表面的外邊，它們按照這樣配置噴射氣體燃料，使其沿這些後緣流動。
17.按權利要求12所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於至少有二排橫跨第一歧管延伸的間隔分布的孔口，其中一排孔口配置於靠近一個後緣的外表面，以便噴射氣體燃料，使其沿所述一個後緣的外表面流動，而另一排孔口配置於靠近另一個後緣的外表面，以便噴射氣體燃料，使其沿所述另一個後緣的外表面流動。
18.按權利要求17所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於第一與第二歧管構成一個基本圓形橫截面的管子，具有一縱向壁，將管子分成二個具有基本半圓形橫截面的歧管。
19.按權利要求1所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於第一排凸形件配置於第二排凸形件的上遊，第一排凸形件包括第一間隔分布的孔口，它們配置在靠近第一排凸形件中的至少一些凸形件的頂處，所述第一孔口適於接通到氣體燃料源，第二排凸形件包括第一間隔分布的孔口，它們各不相同地配置在靠近第二排凸形件的後緣，適於接通到液體燃料源。
20.按權利要求1所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於所述燃料噴射裝置包括配置於氧化劑噴射裝置上遊的燃燒器內的一個或多個燃料噴嘴。
21.在一個用於混合與燃燒燃料及氧化劑的燃氣輪機燃燒器中，包括具有一個靠近其端區的上遊混合區的燃燒器外殼;用於在壓力下將氧化劑輸入到上遊混合區以產生流向下遊燃燒區的氧化劑流的裝置;用於將燃料噴入在所述氧化劑輸入裝置與所述燃燒區之間的上遊混合物內的裝置;所述燃燒噴射裝置包括一上遊排與一下遊排的凸形件，這些凸形件在水平面內基本橫跨所述外殼橫交於所述氣流延伸;所述凸形件包括一個連接一對後緣的頂，所述凸形件的頂指向外殼的上遊端，所述凸形件的後緣自所述頂向外向所述燃燒區延伸;下遊排凸形件中的至少一些凸形件的頂指向並接近上遊排中相鄰凸形件的相鄰後緣間的區間;所述燃料噴射裝置還包括沿一個或多個凸形件以正交於氣流方向間隔分布的孔口;因此，將所述排凸形件配置得產生氣流擾動，從而防止火焰自燃燒區向混合區擴散。
22.按權利要求21所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於所述間隔分布的卡口處在靠近所述凸形件中至少一些凸形件的頂，並且至少一個燃燒進口連通於所述間隔分布的孔口，以便輸入燃料。
23.按權利要求22所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於還包括一個在上遊排凸形件上遊用於預混合燃料與氧化劑的噴射燃料的燃料噴嘴。
24.按權利要求23所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於所述凸形件包括將氣體燃料經靠近凸形件的頂配置的第一間隔分布的孔口噴入預混合流的裝置，以及將液體燃料經靠近凸形件中一些凸形件的頂配置的第二間隔分布的孔口噴入所述流的裝置。
25.按權利要求24所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於凸形體的頂是一些歧管，包括至少一個將燃料輸入所述歧管的燃料通道，而所述間隔孔口沿所述歧管連通，以便將燃料經這些孔口噴入所述流內。
26.按權利要求21所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於所述燃料為經上遊排內一些凸形件中的第一歧管接通的氣體燃料，以便經第一間隔分布的孔口將其噴入在所述頂區域內的氧化劑流內。
27.按權利要求26所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於液體燃料經下遊排內一些凸形件中的第二歧管接通，以便經第二間隔分布的孔口將其噴入在下遊凸形件頂區域內的氧化劑流內。
28.按權利要求21所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於第一歧管沿一個或多個凸形件頂延伸，以便使沿第一歧管間隔分布的第一組間隔孔口跟適於接通經第一歧管流到第一組間隔孔口的氣體燃料的燃料源的第一燃料進口連通，第二歧管靠近第一歧管延伸，以便使沿第二歧管間隔分布的第二組間隔孔口跟適於接通液體燃料源的第二燃料進口連通。
29.按權利要求28所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於第一與第二歧管處在上遊排凸形件上。
30.按權利要求29所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於第一歧管配置於第二歧管的上遊。
31.按權利要求30所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於第二組沿第二歧管間隔分布的孔口處在一個或多個凸形件的後緣之間，它們按照這樣配置將液體燃料噴入這些後緣之間和範圍內的區域。
32.按權利要求31所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於沿第一歧管間隔分布的第一組孔口處在一個或多個凸形件後緣外表面之外，它們按照這樣配置噴射氣體燃料，使其沿這些後緣流動。
33.按權利要求32所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於至少有二排橫跨第一歧管延伸的間隔孔口，其中一排孔口配置於靠近一個後緣的外側，以便噴射氣體燃料，使其沿所述一個後緣的外側流動，而另一排孔口配置於靠近另一個後緣的外側，以便噴射氣體燃料，使其沿所述另一個後緣的外側流動。
34.按權利要求33所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於第一與第二歧管構成一個具有正交於所述流延伸的縱向壁的管子，從而所述管子被分成二個歧管。
35.按權利要求21所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於在上遊排內一個或多個凸形件中的間隔分布的孔口適於連通氣體燃料源，而在下遊排內一個或多個凸形件中的間隔分布的孔口適於連通液體燃料源。
36.按權利要求35所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於在上遊排內一個或多個凸形件接通氣體燃料，以便經上遊排內的間隔孔口噴射氣體燃料，使其沿上遊排內所述凸形件後緣的外側流動，而在下遊排內的一個或多個凸形件接通液體燃料，以便經下遊排內的間隔孔口噴射氣體燃料，使其流入在下遊排內所述凸形件後緣之間和範圍內的區域。
37.按權利要求36所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於在上遊排凸形件與下遊排凸形件是基本平行的。
38.按權利要求21所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於在所述凸形件上遊的一個或多個燃料噴嘴使燃料與氧化劑流預混合，所述燃料噴射裝置還包括上遊排內一個或多個凸形件中的間隔孔口下遊排內一個或多個凸形件中的間隔孔口，以便噴射額外的燃料，使其沿這些凸形件後緣的外側流動，跟預混合的燃料混合。
39.一種在燃燒器外殼內混合燃料與氧化劑使其自外殼的上遊區流至下遊區的方法，包括如下步驟在壓力將氧化劑輸入上遊區，使氧化劑流向下遊區;將燃料噴入上遊區的氧化劑流內，以便跟作為預混合流的氧化劑流混合，並被它帶走;在所述外殼內放入至少二排凸形件，正交於所述預混合流延伸;將額外燃料經與至少一排凸形件相聯繫的孔口噴入所述預混合流內;將包括噴射燃料的所述預混合流輸送到所述外殼的下遊區內。
40.一種在燃燒器外殼中使燃燒跟氧化劑混合自該外殼的上遊區流到下遊區的方法，包括如下步驟把氧化劑在壓力下引進所述上遊區，使氧化劑流向所述下遊區;把燃燒噴入在所述上遊區內的所述氧化劑流內，以跟所述氧化劑流混合成預混合流，並由該氧化劑流輸送;在所述外殼內，配置至少兩排凸形件，它們橫向於所述預混合流延伸;把額外的燃料經跟至少一排所述凸型體相連的孔口噴入所述預混合流;把包括被噴射燃料的所述混合物流輸送到所述外殼的下遊區。
41.一種按權利要求40所述的形成氣體混合物的方法，其特徵在於至少一些所述凸形件是V型的，並包括一個連接一對後緣的頂，每一V形件的頂配置成指向上遊區，所述後緣向下遊區延伸，所述凸形件對所述流動產生擾動。
42.按權利要求40所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於所述孔口配置在靠近所述凸形件頂處，並正交於所述預混合流延伸，並附加燃料經所述孔口輸入到所述預混合流內。
43.按權利要求42所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於所述外殼包括一燃氣輪機燃燒器，並在所述下遊區點燃所述氧化劑與燃料。
44.按權利要求43所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於所述附加燃料包括第二與第三燃料，並將第二與第三燃料經在凸形件周圍形成的擾動區內的所述孔口引入所述氣流內。
45.按權利要求21所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於所述上遊混合區提供了燃料與氧化劑的預混合，而所述幾排凸形件使燃料與氧化劑產生進一步混合，並防止燃燒區內的火焰自下遊燃燒區逆流延伸到上遊混合區內。
46.按權利要求45所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於所述上遊排凸形件使燃料與氧化劑產生了進一步混合，而下遊排凸形件則保持火焰，防止火焰自燃燒區逆流延伸到混合區。
47.按權利要求21所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於至少所述一排凸形件是圓形的，並圍繞燃燒器的軸線配置。
48.按權利要求47所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於若干所述凸形件是圓形的，並圍繞燃燒器的軸線配置。
49.按權利要求21所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於所述幾排凸形件包括圍繞燃燒器軸線配置的圓形件與徑向件二種。
50.按權利要求49所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於所述下遊排凸形件其橫截面是V形的。
51.按權利要求50所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於所述上遊排凸形件其橫截面是V形的。
52.按權利要求21所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於所述凸形件的後緣跟燃料與氧化劑的軸向流成某一角度，下遊排凸形件後緣間的夾角小於上遊排凸形件後緣間的夾角。
53.按權利要求52所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於至少一些燃料經至少一些上遊排凸形件中的孔口能噴入到所述氣流中。
54.按權利要求1所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於至少一排凸形件橫截面是V形的。
55.按權利要求54所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於第一與第二排凸形件橫截面是V形的。
56.按權利要求1所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於所述凸形件的後緣跟所述混合物成一角度，第二排凸形件後緣間的夾角小於第一排凸形件後緣間的夾角。
57.按權利要求2所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於一些所述孔口是連通的，以便將氣體燃料噴入一些凸形件頂附近的混合物流內，而另一些孔口是連通的，以便將液體燃料噴入另一些凸形件頂附近的氧化劑流內。
58.按權利要求57所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於將至少一些燃料噴入混合物流內的裝置包括在凸形件頂處的一些大體細長的歧管及至少一個容許燃料進入連通至少一些凸形件中的孔口的各歧管的燃料孔口。
59.按權利要求1所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於至少一排凸形件是傾斜的，遠離所述燃燒器軸線的部分比接近所述軸線的部分處於更下遊。
60.按權利要求59所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於第一與第二兩排凸形件均是傾斜的。
61.按權利要求21所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於至少一組凸形件是傾斜的，其遠離燃燒器軸線的部分較接近所述軸線的部分處於更下遊。
62.按權利要求61所述的燃氣輪機燃燒器，其特徵在於上遊與下遊組凸形件兩者均是傾斜的。
全文摘要
一種燃氣輪機燃燒器設有一預混合器，氧化劑與燃料在其中混合，並使其經二組或多組跟氣流成垂直或傾向配置的凸形件流到燃燒區。凸形件產生擾動，並包括若干將一種或多種附加燃料引入預混合的氧化劑與燃料流中的孔口。可設置平行組、圓環形組與徑向組的凸形件或其他配合。下遊組橫截面是V形的，並提供火焰保持的能力，而上遊組原則上使燃料與氧化劑達到更充分的混合。
文檔編號F21V31/03GK1059398SQ91105880
公開日1992年3月11日 申請日期1991年8月22日 優先權日1990年8月28日
發明者羅伊·M·沃沙姆, 小路易斯·B·戴維斯, 查爾斯·E·斯蒂伯 申請人:通用電氣公司