非基本運轉工況下隔離流速場的渦流火焰穩定器的製作方法

2023-09-23 01:08:50 2

專利名稱：非基本運轉工況下隔離流速場的渦流火焰穩定器的製作方法
技術領域：
本發明涉及透平燃燒器，尤其涉及在別的稀薄預混合火焰穩定器的穩定燃燒系統中用於非基本負荷運轉工況下增強燃燒的裝置和方法。
一般說來，在透平燃燒器中，過去一直採用兩種燃燒技術。一種稱為擴散火焰技術，包括將燃料噴入流徑燃燒器的空氣流內，並在它們混合後將燃料燃燒。該擴散火焰燃燒技術的優點包括自調節，並在工況寬廣變化下具有火焰穩定性。因此，設計了採用擴散燃燒技術的燃燒器，以使火焰保持在某一特定位置，避免熄滅和沿上遊或下遊移動。然而，擴散火焰技術引起極高的火焰溫度，它又造成不希望的排放，如高NOX排放。由於目前強調低汙染、低排放透平，一種降低擴散燃燒過程中高火焰溫度從而降低排放值的方法是提供為完全燃燒所需的還多的過量空氣。在該技術中，燃料和空氣在燃燒器燃燒區上遊預混合成一種極稀薄的燃料/空氣混合物。當該稀薄預混合燃料的空氣被引入該燃燒區時，該混合物點燃和燃燒，導致火焰溫度降低，因為有過量空氣。
由於在稀薄預混合燃燒系統中火焰溫度較低，因此火焰也比擴散燃燒系統中不穩定。為在稀薄預混合燃燒系統中保持火焰穩定性，在燃燒區上遊常採用火焰穩定器，以形成低速回流區，從而在火焰穩定器下遊的這些火焰穩定器渦區中保持火焰。這樣，在稀薄預混合燃燒過程中採用火焰穩定器以使燃燒過程穩定，同時保持較低的火焰溫度，具有較低的排放。
透平通常以預定的燃料/空氣比按稀薄預混合燃燒方式在基本負荷工況下運轉。在例如用於驅動發電機發電的透平中，燃料/空氣比隨負荷而變化。因此，在以一種轉速和恆定的流經燃燒系統的空氣流量運轉的工業燃氣透平中，任何負荷減小都要求相應減小燃料。當透平為獲得最高效率在基本負荷工況下運轉時，有諸如點火、轉子加速、轉子跟發電機同步，或低負荷運轉，這些情況存在著非基本運轉工況。
在這些非基本負荷、通常為低負荷工況下，那裡採用了低燃料/空氣比，預混合稀薄燃燒過程可潛在地變得不穩定和效率低，且接近或越過在那裡出現熄火的稀薄可燃極限。因此，在這些非基本負荷工況下，業已發現需要採用擴散燃燒過程而不是稀薄預混合燃燒過程，因為在低負荷時，擴散燃燒過程是有效且穩定的。這樣，燃料可以，例如，從用於稀薄預混合運轉的火焰穩定器或穩定器的葉轂處直接噴入該氣流內。然而，如果擴散燃燒過程被用於其幾何形狀為稀薄預混合燃燒設計的某個系統中，被噴燃料混入為稀薄預混合運轉所需的過量空氣中，導致不希望的排放，包括一氧化碳和未燃碳氫化合物。因此，在本發明的形成過程中，業已發現，雖然稀薄預混合燃燒器以基本負荷運轉時要求過量的空氣，然而當把擴散燃燒過程引入其幾何形狀為稀薄預混合燃燒設計的某一確定的燃燒器內時，特別在低燃料/空氣比時，使火焰無效和燃料不完全燃燒，從而析出未燃碳氧化合物和一氧化碳。
按照本發明，採用了稀薄預混合燃燒器系統的幾何形狀未穩定火焰以便在燃燒器中產生利用擴散燃燒過程增強非基本負荷或低負荷燃燒過程的流動條件。在本發明中，這是這樣實現的通過隔離經燃燒器流入獨立流速場的氣流，每一流速場僅包含流過該火焰穩定器的總流量的一部分，該火焰穩定器被用於穩定稀薄預混合燃燒過程中的火焰;在有限數量的獨立流場中採用擴散燃燒過程。這樣由於形成局部高燃料/空氣比，有助於點燃和以低燃料/空氣比運轉，和所有空氣直接捲入燃燒室相比，能出現更強烈和更完全的燃燒。局部強烈的燃燒產生較少的一氧化碳和未燃的碳氫排放物，同時保持火焰穩定性。這樣，本發明採用了應用於稀薄預混合燃燒過程的火焰穩定器，使火焰穩定以形成獨立的流速場，當在另一具有確定幾何形狀的用於稀薄預混合燃燒運轉的燃燒室中採用擴散燃燒過程時，它們同時提供火焰穩定性和高的燃燒效率。
尤其是，這些火焰穩定器被配置成產生反轉的同心流場。也就是說，火焰穩定器被配置成用於稀薄預混合燃燒運轉的常見的徑向組，但在不同的徑向位置上被轉動或傾斜，以便在相反的圓周方向上形成流速分量，從而建立相應的獨立流速場。因此，在燃燒殼體內形成同心反轉渦流場。這些流速場形成一個界面或剪切層，它將這些流動相互隔離。因此，燃料可直接噴入總流量場的子組中，通常是徑向最內的流速場，其中僅利用流經該燃燒器的總空氣流中的一部分在上述總流速場的子組中可建立擴散燃燒過程。也就是說，該燃料被直接噴入具有強渦旋空氣的區域中，通過獨立流速場之間形成的剪切層跟流經燃燒器的其餘氣流隔離。
此外，對於內、外火焰穩定器組提供了同心和獨立的流速場，可以理解，徑向內流速度具有高度密集的火焰穩定器區，因此有較高的經燃燒器的流動阻塞。這允許在下遊流速場內有較大的再循環，因此提高了火焰穩定性，並允許有更多的時間用於擴散過程中燃燒引入的燃料。
按照本發明，在一個優先的實施例中，設有一透平燃燒器，包括一個在以透平基本負荷運轉時用於產生低排放物的燃燒區中，用於接收稀薄預混合燃料和空氣及其燃燒流的外殼，和一個配置於燃燒區上遊外殼內的火焰穩定器組，該穩定器具有一個細長的頂部和沿下遊方向從那裡擴展延伸的表面，以穩定燃燒預混合燃料和空氣時燃燒區內的火焰。該火焰穩定器組成形和配置成把流經穩定器組下遊的外殼進入至少兩獨立的流速場的流動隔離，每一流速場包含流過穩定器的總流量的一部分。設置一些裝置，用於在透平以非基本負荷運轉工況運轉期間把燃料引入一個或多個獨立的流速場內，以便在一個獨立的流體流速場內產生擴散過程燃燒，其局部高的燃料/空氣比在非基本負荷工況下能更強烈和更完全的燃燒。
按照本發明，在另一優先實施例中，設有一透平燃燒室，包括一個在以透平基本負荷運轉時用於產生低排放物的燃燒區中，用於接收稀薄預混合燃料和空氣及其燃燒流的外殼，在外殼中用於穩定當燃燒預混合燃料和空氣時燃燒區中火焰的裝置以及用於把經外殼流入至少兩個獨立的流速場內的流動隔離裝置，每一流速場包含流經外殼的總流量的一部分。設置一些裝置，用以在透平以非基本負荷工況運轉期間把燃料引入至少一個獨立的流速場內，以便在至少一個獨立的流體流速場內產生擴散過程燃燒，其局部高的燃料/空氣比在非基本負荷工況下能更強烈和更完全的燃燒。
按照本發明，在另一個優先實施例中，提供一種操作透平燃燒器的方法，包括如下步驟提供一個具有一外殼、一燃燒區和一組在燃燒區上遊的火焰穩定器的燃燒器;提供一個流過該組火焰穩定器、用以在燃燒區內燃燒、從而在基本負荷工況下為透平提供稀薄預混合低排放運轉的稀薄預混合燃料和空氣流;在該穩定器下遊的外殼內形成至少兩個獨立的流速場，每一流速場包含流過該排穩定器的總流量的一部分;將流速場彼此隔離以形成一隔離的燃燒區，並在非基本負荷運轉工況下將燃料供給隔離的燃燒區，以便在隔離的燃燒區內形成局部高燃燒/空氣比，跟所有流動被捲入整個燃燒區內的燃燒相比，能更強烈和更完全的燃燒。
按照本發明，在另一個優先實施例中，提供一種操作透平燃燒器的方法，包括以下步驟提一個具有一外殼和一燃燒區的燃燒器;將稀薄預混合燃料和空氣流供給用於在其內燃燒的燃燒區、從而在基本負荷工況下為透平提供稀薄預混合低排放運轉;在外殼內形成至少兩個獨立的流速場，每一流速場包含流經該外殼的總流量的一部分;將流速場彼此隔離，以形成一隔離的燃燒區;並在非基本負荷運轉工況下將燃料供給隔離的燃燒區，跟所有流量被捲入整個燃燒區內的燃燒相比，能在其內更強烈和更完全的燃燒。
因此，本發明的主要目的是提供新穎的和改善的便於透平燃燒器操作的裝置和方法，這種燃燒器是為藉助增強燃燒過程在基本運轉工況下進行稀薄預混合火焰穩定器穩定燃燒設計的，此時，在非基本負荷工況下採用其它的稀薄預混合火焰穩定器穩定燃燒系統的幾何形狀按擴散燃燒模式運轉的。
本發明的這些和其它的目的和優點在參照下列說明書、附錄的權利要求書及附圖後將變得更加明顯。


圖1是表示現有按燃燒器簡圖的縱剖面圖;
圖2A是徑向延伸的火焰穩定器的側視圖，表示其在流動中的位置，用於將空氣流偏轉成沿圓周方向的分量，取自大致在圖2E中的2A-2A線附近;
圖2B是圖2E中所示的燃燒器的側向剖視圖，取自大致在2B-2B線附近，表示按照本發明用於隔離流速場以增強在非基本負荷運轉工況下的燃燒的渦流火焰穩定器配置;
圖2C和2D是表示火焰穩定器的相應橫剖面圖，分別取自圖2B中大致在2C-2C及2D-2D線附近;
圖2E是類似於圖1的視圖，表示按照本發明在燃燒器中的渦流火焰穩定器配置。
現在詳細參照本發明的優先實施例，在附圖中表示了其中的一個例子。
參照圖1，表示一種現有技術的燃燒器，由一個普通圓柱形殼體10組成，它具有一中央管12，中央管可包括一燃料噴咀以及若干徑向延伸的沿圓周間隔的普通V型火焰穩定器14，後者配置於以直箭頭表示的空氣流內。在一種用作稀薄預混合燃燒的燃燒器中，V型火焰穩定器的頂端處於上遊方向，其腿自頂端沿相反的圓周方向和下遊以相等角度延伸，以便在火焰穩定器的下遊形成一紊流渦區或尾跡，為穩定火焰建立一回流區。在管子12外圍的外殼10內的區域中或在管子12中或在兩者中，通過任何適當的手段在火焰穩定器的上遊形成預混合的燃料和空氣。稀薄預混合燃燒然後出現在火焰穩定器下遊的某一燃燒區內。然而，按非基本負荷運轉時，該系統的固定的幾何形狀會使效率降低，並使排放增高。
按照本發明，如圖2A-2E所示，提供一種幾何形狀(E)固定的稀薄預混合燃燒器系統，在基本負荷工況下能以高效率和低排放運轉，在非基本負荷，即低於基本負荷運轉工況下還能藉助擴散技術進行燃燒，從而顯著改善燃燒效率和排放。為了做到這些，尤其是相對於圖2B和2E，提供了一種燃燒器，它具有一個普通圓柱形外殼20;一個軸向延伸的中心管22，如下面所說的，可用於燃料噴射;若干徑向延伸、沿圓周間隔的V型火焰穩定器，布置成徑向內、外組，分別以26和28標記。每一個火焰穩定器26和28的幾何形狀製成V形，具有一個頂端(圖2A)30和一對自頂端沿流徑外殼20的氣流的下遊方向延伸的腿32和34。然而，V型火焰穩定器內組26是帶角度和傾斜的，其腿34跟軸向氣流的夾角大於另一腿跟軸向氣流的夾角。在一個特定的優先實施例中，V型穩定器內組26的腿32大致平行於軸向氣流而延伸。
同樣，其徑向外組V型穩定器28其腿跟軸向氣流成一角度偏置。尤其是，在外組穩定器28中，每一穩定器的腿32跟軸向氣流的夾角大於腿34跟軸向氣流的夾角，後者最好平行於軸向氣流而延伸。因此，V型穩定器26和28布置成這樣它們的腿沿相反方向、以其跟軸向氣流的夾角大於另一腿跟軸向氣流的夾角而延伸。由於使這些腿形成這樣的角度狀態，便能將火焰穩定器成形和配置得使氣流沿相反的圓周方向產生流速分量，如箭頭A和B所示，表示由於它們跟軸向氣流成角度而使火焰穩定器下遊沿圓周方向產生流動。結果，在火焰穩定器下遊形成兩個同心和隔離的反轉流速場或區，每一個包含流過穩定器的總流量的一部分。可以理解，出於結構考慮，在外組穩定器28的內端處，在內組穩定器26的外端周圍設置一中間件24。
參照圖2B和2E，由於V型穩定器的方位和配置而產生的沿圓周方向相反旋轉的同心流沿V型穩定器下遊在該兩個同心流之間形成一界面或剪切層，以Ⅰ表示。因此，在穩定器26和28的下遊存在兩個彼此隔離的獨立流速場，每一個包含流過該穩定器的總流量的一部分。
內、外穩定器組26、28的普遍傾斜的外形起著跟採用稀薄預混合燃燒模式的現有燃燒系統中的V型穩定器大致相同的作用。這就是說，內、外穩定器組中的每一V型穩定器在其下遊形成一循環紊流渦區，以使火焰穩定。在稀薄預混合模式中的反轉流動的渦流作用對稀薄預混合燃燒過程不產生有害的影響。按照本發明使V型穩定器傾斜或形成角度，當希望採用擴散燃燒模式時，在非基本負荷運轉工況下，為增強燃燒過程創造了條件。剪切層Ⅰ把構成獨立流速場的兩同心區隔離。這樣，在非基本負荷運轉工況下，可將燃料經中心管22直接噴入在分別由內、外穩定器組26和28限定的獨立流速場中的一個內用於按擴散燃燒模式燃燒的空氣流內。出於下面所討論的理由，最好把燃料噴入由內穩定器組26限定的區域內。由於V型穩定器的存在，在擴散燃燒模式中火焰穩定性提高了。重要的是，在流經該外殼的空氣總流量的僅一部分中形成了一個局部的高燃料/空氣比，跟假如流經外殼20的所有空氣被直接捲入燃燒的情況相比，能產生更強烈和更完全的燃燒。較高的局部火焰溫度產生較少的一氧化碳與未燃的碳氫排放。注意當按稀薄預混合燃燒模式運轉時，擴散燃燒模式僅在整個燃燒區的一部分中形成一隔離的燃燒區。無論按兩種燃燒模式中的哪一種運轉，不要求該系統的幾何形狀改變。
本發明的好處還通過在由內火焰穩定器組產生的隔離的流速場中而不是由外火焰穩定器組產生的流速場中採用擴散燃燒模式來提供。由於沿燃燒器的軸線的集中的穩定器區，內火焰穩定器組形成較大程度的空氣流阻塞，從而提供較大的流經該區內燃燒器的氣流再循環。這種再循環為在擴散燃燒模式期間引入要被燃燒的燃料提供額外的時間。然而，將會理解，可採用相反的外形，即在隔離的外流速場內通過增加阻塞，即增加最外組V型穩定器28的數量或區域，或兩者來提供擴散燃燒模式。
雖然，連同目前被認為是最實用的以及優先實施例已敘述了本發明，應當理解，本發明並不被限於該公開的實施例，而卻相反，意在覆蓋各種修改和包括所附權利要求書的精神和範圍。
權利要求
1.一種透平燃燒器，包括一個在基本負荷運轉工況產生低排放的在燃燒區內用於接收稀薄預混合燃料和空氣及其燃燒氣流的外殼；在所述外殼內用於在燃燒預混合的燃料和空氣時穩定燃燒區內火焰的裝置；用於隔離經所述外殼流入至少兩個獨立的流速場的裝置，每個流速場包含流經所述外殼的總流量的一部分；用於在透平以非基本負荷工況運轉期間將燃料引入所述獨立流速場中的至少一個內以產生擴散技術燃燒、藉助於局部高的燃料/空氣比能在非基本負荷運轉工況下更強烈更完全燃燒的裝置。
2.按權利要求1所述的燃燒器，其特徵在於所述隔離裝置被配置成能環繞流經所述外殼的氣流的軸線沿圓周方向產生一流速分量以限定所述一個流速場。
3.按權利要求2所述的燃燒器，其特徵在於所述隔離裝置在燃燒室內被定向成能環繞流經所述外殼的軸線沿兩相反的圓周方向產生流速分量以限定兩個獨立的流速場，所述一個流速場由該兩獨立流速場的一個組成。
4.按權利要求3所述的燃燒器，其特徵在於所述隔離裝置配置成使分離的流速場基本上相互同心和鄰接，在相反方向的流動之間形成一剪切流層，從而基本上使該兩流速場相互隔離。
5.按權利要求4所述的燃燒器，其特徵在於所述燃料引入裝置將燃料引入該同心流速場的徑向內流速場內。
6.一種操作透平燃燒室的方法，包括如下步驟設置一個具有一外殼和一燃燒區的燃燒器;將一個稀薄、預混合燃料和空氣流輸入用於在其內燃燒的所述燃燒區，從而在基本負荷工況下能使透平進行稀薄預混合低排放運轉;在所述外殼內形成至少兩個獨立的流速場，每一流速場包含流經所述外殼的總流量的一部分;使所述流速場相互隔離，以形成一個隔離的燃燒區;在非基本負荷運轉工況下將燃料供給所述隔離的燃燒區以便在所述隔離的燃燒區內形成一局部高燃料/空氣比，跟所述氣流被捲入整個燃燒區內的燃燒相比，能在其內更強烈和更完全的燃燒。
7.按權利要求6所述的方法，其特徵在於形成兩個獨立流速場的步驟包括沿某一圓周方向產生每個流速場的分量。
8.按權利要求6所述的方法，其特徵在於形成兩個獨立流速場的步驟包括沿彼此相反的圓周方向產生所述流速場的分量。
9.按極利要求6所述的方法，其特徵在於隔離流速場的步驟包括在兩個流速場之間形成一剪切分界面以使流速場彼此隔離。
全文摘要
一種燃燒器，包括內、外組普通V形、徑向延伸、圓周間隔、沿圓周方向彼此傾斜以便在其下遊產生同心、隔離沿圓周反向流的火焰穩定器，在基本負荷運轉時採用稀薄預混合燃燒模式，在非基本負荷運轉時，特別在低負荷運轉工況下，通過將燃料直接噴入供給隔離流場中的一個流場內，最好徑向內流場內的空氣中來採用擴散燃燒模式，以產生穩定、局部猛烈火焰，導致比非基本負荷運轉工況下採用稀薄預混合燃燒模式較高的燃燒效率和低排放。
文檔編號F23C7/00GK1080044SQ9310308
公開日1993年12月29日 申請日期1993年3月13日 優先權日1992年3月16日
發明者R·M·沃森姆, 小·B·A·蒂包特 申請人:通用電氣公司