燃燒設備中的燃料分級方法

2023-06-03 01:20:41

專利名稱：燃燒設備中的燃料分級方法
技術領域：
本發明屬於燃燒和燃氣輪機的領域，特別是用於幹低排放的燃氣輪機設計領域， 更具體地涉及用於將燃料和空氣預混合以實現超低燃燒排放的設備和方法。
背景技術：
預混合器能夠用於增強能量釋放/轉換系統(例如用於為燃氣輪機發動機或發電機提供動力的燃燒器)中的火焰穩定性。為了簡便，本公開始終使用術語「燃燒器」，但是應當理解本公開更加普遍地涉及能夠根據操作條件作為燃燒器或燃料重整器以及專用燃燒器和重整器設備操作的能量釋放/轉換系統。除非文中另外明確要求，否則術語「燃燒器」、 「重整器」和「能量釋放/轉換系統」應該被認為完全可互換。當前現有技術中使用的預混合器包括置於燃燒器入口處的「轂和輻條」構型的單元，例如通用電氣、Pratt & Whitney、西門子所採用的那些單元,其中燃料通過轂供應,噴射出徑向輻條並且/或者集成到旋流葉片中。這些預混合器的輻條具有多個橫向於燃燒器入口的尺寸均勻的軸向孔。這些預混合器的設計傾向於使它們對於特定燃料-空氣動量流量比最優化。因此，這些預混合器在狹窄的功率帶中最佳地工作，並且沒有在整個發動機操作包線上提供最均勻的燃料-空氣混合物。系統會產生太貧或太富的燃料-空氣區域，從而不利地影響排放。因此，看上去可以通過重新設計與這些系統協作使用的預混合設備在更寬的操作條件範圍上更好地工作而進一步改進能量釋放/轉換系統的操作。在公知為「駐渦」燃燒器(TVC，在本公開中稍後討論)的一類燃燒設備中，在燃燒區域中，例如在鈍體之間或者燃燒器的壁中提供腔，在腔中將形成渦流和/或其它湍流，從而穩定貧混合物的燃燒。例如參見授予Roquemore等人的美國專利No. 5，857，339。燃料和/或空氣可通過離散的噴射器注入駐渦腔中，以引起該區域中更大的混合併且進一步提高火焰穩定性。離散的燃料和空氣噴射器可例如位於由燃燒腔的壁限定的駐渦區域的前壁和後壁上。例如參見Burrus的美國專利No. 5，791，148。Haynes等人的GE全球研究「用於下一代燃氣輪機的先進燃燒系統，最終報告 (Advanced Combustion Systems for Next Generation Gas Turbines, Final Report)」， 2006年I月(DE-FC26-01NT41020)描述了與Burrus描述的燃燒器布局類似的燃燒器。在 Haynes等人公開的某些實施例中，作為前述離散的燃料和空氣入口的替代，燃料和空氣可以預混合，通過入口錐並且/或者通過燃燒腔的前壁或後壁引入。在入口錐和燃燒腔中都引入預混合物的實施例生成了堆積的雙渦流，以及高度湍流混合。在描述了另一 TVC實施例的美國專利No. 7，603，841中，Steele等人公開了一種具有入口預混合以及向由鈍體部分地限定的燃燒腔中噴射的後噴射器的燃燒器。在該實施例中，後噴射器指向與進入的預混合物流相反的方向，以引起湍流渦流混合。至今為止，向燃燒腔中噴射燃料、空氣和/或預混合的燃料和空氣的所有的TVC設計已經設計為引起湍流，從而導致形成額外的渦流，或者以其它方式增加渦流腔中的湍流混合。例如，Haynes等人的圖3-7示出了每個TVC腔中的雙駐渦。在這些腔中會發生的「自然」流動會是單渦流，該「自然」流動指的是在缺少預混合物噴射的情況下在腔中會自然發生的流體流動，假定流動以其它方式通過燃燒器的主流徑發生。在Haynes等人的圖3-7所示的情況下，所示「雙渦流」中的第二渦流由預混合物噴射到TVC腔中而生成，不會以其它方式存在。在其它情況下，例如在僅提供單個渦流的情況下，所示的主渦流可能以其它方式存在，但是基本通過添加預混合物的衝擊而修正，例如通過從其在腔中的自然位置平移運動，形成更多的湍流，或者以其它方式基本變形。Rakhmailov 共同轉讓的美國專利公報 2008/0092544A1 (Rakhmailov，544 公報)公開了一種預混合器，該預混合器與根據共同轉讓給Rakhmailov等人的美國專利 No. 7, 086 , 854(Rakhmailov』 854)的公開設計的燃燒器組合配置。Rakhmailov』 544公報中的預混合器僅在燃燒器的入口處配置。該燃燒器的入口具有高流體流動速度，因而在高速度環境中進行入口預混合。雖然在Rakhmailov』 544公報中描述的設計向Rakhmailov』 854中描述的再循環渦流燃燒器添加入口預混合器，但是兩個公開都沒有包含用於直接向渦流腔中噴射燃料、 空氣和/或預混合的燃料和空氣的任何設備。實際上，Rakhmailov』 854明顯教導不允許燃料進入再循環渦流腔中的熱再循環氣體中，闡述了湍流機械混合能夠減小整體再循環速度，導致不均勻的燃料分布，並且降低再循環流動加入入口流動處的溫度，這與Rakhmailov 『854的設計目的相背。Roquemore 等人、Burris、Haynes 等人、Steele 等人、Rakhmailov ^854 和 Rakhmailov 『544公報的全部相應公開均為了所有目的通過引用全部結合於此。理想的是在多個方面中改進現有技術。首先，理想的是通過使用於任意類型的燃燒器的入口預混合器更加適於寬範圍的操作條件而改進該預混合器。其次，理想的是在燃燒器的渦流區域中提供預混合而增強而不是擾亂正常渦流。第三，理想的是提供用於有利地彼此結合地使用入口預混合器和渦流預混合器的方法。

發明內容
本發明的目的是提供一種在燃燒器中使用的優良的燃料-空氣預混合設備和方法。該預混合器設備的期望屬性包括該預混合器應該在燃燒器入口的截面區域上提供均勻的燃料分布。該預混合器應該在寬的發動機操作條件範圍上提供均勻的燃料-空氣混合物。該預混合器應該提供短的預混合長度。該預混合器應該與寬範圍的燃料相容，包括在燃氣輪機中使用的所有氣體和液體燃料。該預混合器應該提供低排放產生。該預混合器或者單獨的預混合器應該可修改以有助於穩定TVC的駐渦腔中的燃燒，與所設計的TVC的流動模式一致，流動模式包括所利用的低湍流模式。應該可以協調在設計中利用的任何多個預混合器的操作，以在系統的操作範圍上提供最好的操作。所提供的該預混合器系統和方法應該能適用於寬範圍的應用。在一個實施例中，這些目的可以通過提供入口預混合器組件實現，該入口預混合器組件包括轂、多個徑向輻條和多個附接到輻條上的、具有多個徑向指向的噴射孔的、同心的空氣動力學噴射圈。噴射孔設有多個不同直徑，以有利於在寬功率範圍上的良好混合。由於構造和孔尺寸，組件與氣體和液體相容。由於在截面區域上的燃料噴射位點數量較多，徑向、同心噴射結構允許短的噴射路徑。在第二方面中，為了與駐渦反應器設計結合使用，可以提供另一預混合器實施例， 其將預混合的燃料和空氣以與系統設計的腔中流動模式相容的方式直接噴射到駐渦腔中。 當與再循環渦流設計結合 使用時，該預混合器能夠布置成使得預混合的燃料和空氣以平滑連續的方式切向加入渦流，並且/或者加強環狀部中的燃燒。在其它設計中，預混合物可以在一個以上的TVC位置沿著與引入區域中的局部渦流一致的一個以上的方向引入。對於上述兩個實施例還可以提供彼此結合使用的方法，它們的設定彼此協調調節以用於操作期間的燃料分級。已經以該方式實現了極低的排放結果。在其它實施例中，提供可選的燃燒腔布局用於實踐在駐渦(TVC)燃燒設備中的燃料分級，包括入口預混合器和一個以上的渦流預混合器，該入口預混合器用於將燃料-空氣混合物噴入燃燒設備的入口中，渦流預混合器用於將燃料-空氣混合物噴入一個以上的駐渦腔的每一個內的再循環渦流中。由預混合器供料的多個TVC腔例如可布局成軸向、徑向、周向、內部或者這些布置的組合。這些布局可以與燃料分級方法結合使用，由此通過入口預混合器和相應的渦流預混合器引入的混合物的相對比例能夠根據操作條件改變。根據本發明的燃燒設備和方法可用於所有燃氣輪機應用，包括而不限於陸用發電、商用噴氣式飛機發動機、用於飛機的輔助動力單元(APU)、整體煤氣化聯合循環(IGCC) 工廠、熱電聯產(CHP)或廢熱發電工廠。從附圖和之後的詳細說明將清楚本發明的其它方面和優點。


為了更加完整地理解本發明及其優點，現在結合附圖參照以下描述，附圖中類似的附圖標記表示類似的部件，其中圖I是根據本發明的某些實施例的、結合有兩個不同預混合器裝置的環筒燃燒器從入口側到出口側的立體截面圖。圖2A示出了圖I所示的入口預混合器的截面圖，圖2B示出了包括該預混合器的輻條和圈元件的詳細截面圖。圖3是圖2A和2B所示的入口預混合器的另外的截面圖，還示出了在噴射圈中燃料噴射孔口的設置。圖4是圖I所示的渦流預混合器的環狀部從外部的局部剖切立體圖。圖5示出了與在駐渦腔中具有直線壁的TVC組合使用的渦流預混合器的可選實施例。
圖6A-6C不出了根據本發明一個實施例的燃料分級策略的不例，圖6D-6E是火焰溫度vs發動機功率的對應曲線圖。圖7A-7D示出了結合有多個TVC腔的多種燃燒器布局可以與各個可控的入口預混合器和渦流預混合器結合使用。
具體實施例方式以下是對本發明的某些實施例的詳細描述，選擇 這些實施例以提供如何可以有利地實施本發明的示例。本發明的範圍不限於描述的具體實施例，也不限於附圖中所示或者發明內容或摘要中闡述或描述的任何具體實施、組成、實施例或特徵。此外，應注意，本公開描述了均包括多個步驟的多個方法。本說明書中包含的任何內容都不應理解為暗示這些方法中的步驟的任何必需順序，除非由權利要求語句明確地規定。本公開可適用於任何燃氣輪機燃燒器或反應室。本公開的某些方面與具有用於氣體燃料或攜帶氣體的液體燃料和氧化劑(空氣)的入口的任何能量釋放/轉換系統相關。 其它方面也是相關的，只要能量釋放/轉換系統具有TVC特徵，如下所述。在多種能量釋放/轉換設備中，燃燒器和反應室在一些方面具有基本穩定狀態的渦流循環，渦流循環至少部分地位於從燃燒器入口到出口的直接流徑之外。這裡使用術語 「駐渦燃燒器」(TVC)來表示本公開可應用的一類設備，該術語將用來最普遍地指代具有這類特徵的能量釋放/轉換系統(燃燒器和/或重整器)，含有渦流的燃燒器的內部將稱為 「駐渦反應腔」。駐渦腔可容納一個渦流、雙渦流或多個渦流。駐渦腔可具有連續的彎曲壁， 或者其可具有直線或其它形狀的壁，或者形成在鈍體之間，或者是壁和鈍體的組合。燃燒器或反應室還可具有多個駐潤腔。之前討論了根據Roquemore等人、Burris、Haynes等人、以及Steele等人的TVC實施例的示例。在RakhmaiIov』854中公開的能量釋放/轉換系統儘管在材料方面與那些TVC不同，但是為了本公開中採用的術語的目的也應認為是TVC。根據反應器設計，額外的考慮能夠與TVC相關。渦流通常設計為幫助保持燃燒器的火焰穩定性。一些設計還依賴於利用低湍流特性以幫助實現均勻混合，允許貧混合物在較低的燃燒溫度點燃，從而改進排放。實際上，能量釋放/轉換系統的操作可受到波動和擾動，例如由於燃料流動或壓縮機流動的不連續性、小表面不連續性、或者數據異常，該數據異常是當真實流體以高速度沿著真實機器表面動態行進並且彼此實時化學反應的時候連續層流的小偏差產生的不可避免的結果。這些波動和不連續性能夠不時地導致火焰不穩定。在燃燒(或重整)之前燃料和空氣的徹底混合能夠用於改進這些設計以及其它設計 (其中可以在引入燃料-空氣混合物之後允許或促進湍流)的排放性能和穩定性。在TVC設計中，主入口上遊的預混合器已經用於幫助混合燃料和空氣。然而，試驗表明有相當大的空間來改進這些入口預混合器設計的性能。在某些TVC設計中，燃料、空氣和/或預混合的燃料和空氣已經直接噴射到燃燒渦流中，以使整個燃燒器操作穩定。例如，某些這類設計的目的是使用渦流預混合器、或者離散地噴射燃料和/或空氣，以引起一個以上的額外渦流(否則會存在更少或僅有一個的渦流)，以產生更多的混合湍流，並增加TVC渦流腔中流體的停留時間。然而，之前實踐的這類燃料或混合物的直接噴射(其中燃料、空氣和/或預混合的燃料和空氣擾亂性地噴射到自然渦流)能夠導致不規則的混合和熱點，並且對於排放控制不是最優的。
從而，在本領域中除已經實踐之外的另外不同的模式能夠是有利的，對於TVC(包括低湍流TVC)和非TVC設計都是如此。然而，為了成功地使用預混合器，有些問題必須克服。通常從壓縮機向能量釋放/轉換系統供給處於壓縮狀態的燃燒空氣。在作為壓縮機輸出的特徵的較高的壓力和溫度下的預混合的燃料和空氣趨於是高度爆炸性的。為了避免該爆炸，該環境中的預混合可以以在將預混合物引入燃燒室之前減少預混合物的停留時間的方式執行。這意味著預混合設備應當優選可行地接近燃燒器入口(短預混合長度)， 而同時為期望的預混合水平提供足夠的停留時間(可通過具有小的預混合規模而部分實現)。因此，用於實現快速均勻預混合的構造是優選的。另外，預混合器優選應該與系統設計的其它部分相容。例如，在低湍流系統中，預混合器應該不依賴或者引入與整個系統設計不一致的大規模湍流。在其它TVC設計中，預混合器應該以與期望的腔流場一致的方式引入混合物。
考慮到前述原理和評論，已經研發了兩個互補的預混合器設計。圖I是根據本發明的某些實施例的、結合有兩個不同預混合器裝置的示例21和31的燃燒器從入口側到出口側的立體截面圖。圖I的燃燒器在內部構造軸對稱的同時，是「筒式」設計(有時稱為「環筒」，但是區別於「全環」設計)，使得在圖I中均部分示出的多個這樣的「筒」能夠布置成圓形構造， 它們的出口共同圍繞大渦輪機指向。這樣的布置一般用於為用於發電應用的大規模燃氣輪機(例如渦輪機的軸驅動大發電機的情況)提供動力。雖然圖I和4集中於筒式設計，但本領域技術人員會認識到，該設計的原理可容易地適於「全環」燃燒器設計，其中單個環形燃燒器被設計為與例如渦輪機的環形流體入口匹配。除了大規模發電渦輪機之外，全環設計可例如用於商用噴氣飛機發動機和輔助動力單元(APU)。所有這些構造和它們所支持的應用處於本發明的範圍內。圖I所示的實施例中的筒式燃燒器具有入口 6、出口 5、再循環區域7和脫離點14。 在三維空間中，再循環區域7形成了圍繞從入口 6到出口 5的主流動軸線的環狀結構，在該環狀結構中渦流22將在燃燒器操作期間再循環，燃燒氣體的一部分在點14處脫離並且沿著彎曲壁23在彎曲壁23內圍繞環狀部7再循環而再加入入口 6。被壓縮的燃燒空氣在入口 6上遊的壓縮機入口 10處引入。入口預混合器21位於壓縮機入口 10與燃燒器入口 6 之間。在該實施例中，大致錐形的鈍體3和4設置在預混合器21與燃燒器入口 6之間，以提供噴嘴來加速離開預混合器21的預混合物。(然而，注意在環形設計中，取代的是，鈍體可以是圍繞整個環形燃燒器入口環狀延伸(為漸縮圈)的「2D」元件，而不是如圖所示形成錐形結構。)在該實施例的其它細節中，鈍體3、4抵靠板11終止，板11在三維空間中在入口區域6的中心形成圓形壁；鈍體3、4由周向布置在入口區域6內的徑向輻條17支撐；孔16 設置在板11中，用於壁冷卻(洩流、撞擊洩流等)；在燃燒器入口的上遊設有壓力埠 12 ； 用於點火器(未示出)的安裝點15設置在環狀部的壁中。而且在該實施例(即，筒式燃燒器)中，燃燒器容納在大致筒形的外殼41中。在所示實施例中，還設置第二預混合器31 (渦流預混合器)。第二預混合器向再循環空間7中噴射，但是其方式與現有技術中實踐的預混合的燃料和空氣的噴射不同。在現有技術的渦流預混合器中，預混合的空氣和燃料以計算出的方式被引入TVC腔中，而生成一個以上的額外全新的渦流，或者大大擾亂自然存在的渦流的流場。在所示實施例中，將預混合的燃料和空氣噴入渦流區域被設計成增強腔中的自然渦流，例如，在與腔中的自然再循環流動相切並且同向的方向上沿著外部壁引入腔中。從而，其增強了渦流流動，而沒有擾亂或者明顯增加湍流。應理解的是，雖然圖I示出了就位的預混 合器21和預混合器31，但是可以設置預混合器21或31中的任一個而取消另一個，儘管在本公開的稍後討論中存在有利地具有兩個預混合器的操作模式。在一個實施例中，渦流預混合器31包括多個燃料噴射器，所述燃料噴射器均圍繞環狀部7的外壁的周邊布置，相對於燃燒器出口的方向切向指向，靠近環狀部7的上死點因此近似與其相切，從而與環狀部7中的流體的自然再循環流動同向地噴射預混合物。在圖I 的截面圖中僅示出了一個這樣的噴射器，但是應當理解通過圍繞環狀部7的周邊並排的類似噴射器來複製噴射器結構。現在將進一步詳細地描述兩個預混合器系統。入口預混合器圖2A、2B和3示出了入口預混合器21的進一步細節。在預混合器21反映的實施例中，燃料(可以是氣體或液體燃料)在燃料入口 13處引入中心轂1，並且經由四個徑向輻條19等流出至安裝在燃料輻條上的四個同心圈2A、2B等中。燃料與軸向成0-90度範圍內的角度(正或負(即，根據具體的圈對而遠離或者朝向軸線)，但是在任何情況下都使得角度的絕對值在0-90度的範圍內，更優選地與軸向成30-90度角)噴射到形成在相鄰的圈 2A、2B等之間的環形通道內，進入來自壓縮機的高速空氣中。同心圈2A、2B等和輻條19是空氣動力學形狀的，如圖2B所示。圈的數量應該在2 到大約5的範圍內，並且應該優選提供小於50%或者更優選小於40%的流動阻塞。圈2A、 2B等中的燃料孔口(孔)201、202等被選為提供燃料至進入空氣的足夠滲透，從而在發動機的操作包線上提供最徹底混合(最小未混合水平)的混合物。因此，它們有不同的尺寸 /直徑，從而以負荷曲線上的不同點為目標。在替代實施例中，燃料能夠從圈結構的外徑212而不是轂211供給到輻條。優選地，孔201和202定向為沿主要徑向方向將燃料噴射到交叉流動的壓縮機空氣中。在該實施例中，為了容易製造，孔被定向為相對於軸向成近似±70度。然而，該角度不是關鍵的。通常，角度範圍能從大約±0度到大約±90度；優選在大約±60度與大約 ±90度之間；更優選為大約±90度。孔尺寸是不均勻的，為了不同功率範圍，即不同燃料-空氣動量流量比水平中的更優性能而提供不同尺寸的孔。不同的孔尺寸能夠通過冷流動混合實驗、CFD或經驗公式、 或者它們的任意組合而確定。孔的總數量可以大於傳統預混合器中的對應數量。在一個構造中，孔尺寸被選為提供三個不同尺寸的多個孔，它們適於分別在低、中和高功率帶中給出最優的混合。例如，小孔可以定尺寸為用於優化的低功率操作(0-30% 發動機負荷)；中間孔可以定尺寸為用於優化的中等功率操作(0-70%發動機負荷)；大孔可以定尺寸為用於優化的高功率操作(70-100%發動機負荷)，並且組合使用以在整個功率範圍上提供最均勻的混合。優選地，在兩個相鄰圈上跨過由這兩個圈限定的環形通道，每個孔與不同尺寸的孔成對。每個上述孔直徑(在本示例中為三個不同直徑，不過可以是更大的數)可以近似均勻地周向分布，以確保在預混合物入口的橫截面區域中最均勻的混合物。圖3中示出了一個示例性孔布局。角度X I和X 2(圖中未示出)是徑向角度孔偏移。下表作為一個可能的不例不出了對於所不實施例中的八排孔的四分之一的孔布局
排號角度xl(第一孔)角度X 2(間隔)孑L
~ 15126
2712767
36 ΓδΠ
~ 1~256 813 5 Γδ5 217
~6 3 537624
~ 3 5H26
3θΓδ14這些特徵的組合在發動機操作範圍上提供了減小的混合長度和規模，較寬的混合均勻性包線，並且與氣體和液體燃料相容。現有技術的燃料-空氣混合器還包括一些如前討論的轂和輻條設計。然而，它們沒有從同心圈噴射燃料或者提供多個不同的噴射孔尺寸，並且它們沒有在任何給定的發動機負荷點處表現和/或實現相同程度的混合均勻性。現有技術的預混合策略不會實現本發明的低排放性能。由於通過(a)不均勻孔尺寸、(b)多個孔和(C)較小/較短的混合規模實現的較高混合水平，上述入口預混合器實現了平坦的混合曲線和Ν0Χ、CO、UHC等超低的燃燒排放水平。這在較大的發動機操作包線上提供了整體更優的混合均勻性。這裡描述的方法能夠適合任何發動機燃料安排(即，如何在發動機的操作包線上計量燃料燃料vs發動機負荷)， 並且與氣體或液體燃料相容。其可適於任何使用液體和/或氣體燃料、用於任何應用的燃燒器，該應用包括但不限於發電，用於飛行的主推進噴氣發動機(包括渦輪風扇、渦輪噴氣發動機、衝壓噴氣發動機等)和APU。在幾個普通燃氣渦輪發動機操作負荷點處的幾個月的燃燒測試表明，該預混合器與本文描述的其它部件協作能夠提供超低排放結果(同時N0X、C0、UHC<3ppm，15%的O2)。渦流預混合器在一個實施例中，如圖I和圖4中的渦流預混合器31所示，燃料和空氣在噴入環狀部/腔流動之前預混合。噴射器提供小的混合規模、多個噴射位點、以及短的所需預混合長度。燃料和空氣在噴射到環狀部中之前被預混合，或者部分地預混合。預混合物的二次噴射有助於環狀部/腔流動的整體穩定性。在圖I所示的實施例中，環狀部7中的自然流動，即在沒有預混合物噴射時將存在的流動(例如由於流體流過燃燒器的主流徑(從入口 6到出口 5)而產生的流動)，會是從接近出口的脫離點14沿著環狀部7的再循環空間的曲線壁回到接近燃燒器入口 6的點循環的單個渦流22。在該實施例中，渦流腔7儘管容納單個渦流，但是較大，延長了腔內用於燃燒的停 留時間。與現有技術不同，預混合器31將預混合的燃料和空氣與壁23相切地直接噴入再循環區域(駐渦腔)7，因而與腔中的自然渦流22對齊，從而引入預混合物而對渦流22的自然流動模式的擾亂最小並且沒有明顯增加湍流。如圖4所示，在一個實施例中，渦流預混合器31具有由管狀燃料入口 39供料的單獨的燃料歧管99，燃料歧管99緊鄰空氣進入口 8，將燃料在噴入腔內之前通過埠 8送入進入空氣流中。在所示實施例中，燃料歧管99包圍環狀部7，但是僅有單個燃料入口 39 (儘管入口可以在其它徑向位置複製)。而且在該實施例中，燃料歧管99被具有孔42等、用於計量進入子歧管43中的燃料的圓形擴散(DP)板38分隔，以減少單個供給管布置中燃料壓力的周向不均勻性。從子歧管43流動的燃料進入進入空氣流(從8)，經過燃料孔口(孔)100 等，與進入空氣混合，並且通過孔24進入環狀部7。預混合方式不是關鍵的，但是在當前實施例中是交叉流的簡單噴射。本申請可以是任何流體燃料類型一液體、氣體、低BTU、富氫 (「合成」)氣體等等。如圖4中的多個孔24所示，元件8、100和24圍繞環狀部7的周邊周向複製，燃料歧管99形成共同供給所有預混合器入口的圓柱形結構。在該實施例中，再循環渦流從出口 5到入口 6，進入的預混合物以設計成導致以低湍流近似與再循環渦流相切並且沿著與再循環渦流大約相同的方向的平滑進入的方式導入環狀部7中。在一個實施例中，可以設有圍繞環狀部7的外壁的外形周邊均勻隔開的近似100個以上的這類孔(24等)，每個孔具有小於一英寸的直徑，在環狀部7的外周極點之前正切指向。例如在一個實施例中，可以設有圍繞環狀部7的外壁的環形周邊布置的近似100個以上的噴射器埠，每個噴射器埠具有大約O. I英寸至大約O. 2英寸的直徑。通常期望具有多個噴射器埠用於均勻和連續的預混合引入，埠數量越大，埠直徑越小(由渦流容器的整體尺寸規定)，在任意特定尺寸規模下較大的數量和較小的埠尺寸受到流體流動考慮限制，因為由於小埠尺寸而使摩擦增加。這樣，進入的混合物平滑進入，形成用於渦流22的邊界層。通過渦流預混合器31流入環狀部中的預混合充料既增強/加強了環狀流動，又提供了自由基群的高燃燒強度，以進一步穩定主流動。預混合器31能夠位於圍繞環狀部7周邊的任何位置，但是當再循環是沿著從出口到入口的方向運動的單個渦流時，預混合器31優選在圖4所示的象限中，更優選地為了較長的停留時間，入口接近該圖中的點A(即，更接近脫離點14)。圖I和4所示的預混合器-TVC組合反應了如何可以在筒式燃燒器中結合本發明的實施例。在大規模發電應用中，多個該燃燒器可以以大致圓形布置配置到燃氣輪機的出口，燃氣輪機進而聯接到發電機。空氣進入口 8還可從所示的筒式構造修改為環形構造。環形構造的埠布置在布局上類似於圖4所示，尺寸定為圍繞環形燃燒器的周邊裝配。環形燃燒器也可附接到用於大規模發電的燃氣輪機。此外，本發明的環形變型可例如應用於用於飛行的主推進噴氣發動機(包括渦輪風扇、渦輪噴氣發動機、衝壓噴氣發動機等)，或者應用於用作APU的較小燃氣輪機/發電機。其它應用包括在整體煤氣化聯合循環(IGCC)工廠和熱電聯產(CHP)或廢熱發電工廠中的燃燒渦輪機。
本文描述的渦流混合器不限於如圖I和4所示具有曲線壁的TVC設計。例如如圖 5所示，渦流預混合器可以與具有矩形壁534等的TVC腔一起使用。圖5所示的燃燒器501 內的TVC腔532具有在三側上為近似矩形的環繞壁輪廓。(在該實施例中，TVC腔531基本是TVC腔532的鏡像並且類似設置)。TVC腔532成形並且尺寸定為使得由通過燃燒器501 的主流動534在其中建立由箭頭533近似指示的單個渦流。預混合的燃料和空氣可以以增強TVC腔中的自然渦流的方式引入，例如在與箭頭510和509對應的位置中的一個或兩個位置處引入。在箭頭510的情況下，預混合物噴射近似與渦流533相切，並且基本沿著與渦流533相鄰的壁534進入。在箭頭509的情況下(代表可以與箭頭510相關的預混合器結合使用或者不結合使用的附加預混合器)，噴射再次與渦流533近似相切，而且與進入流動 535加入渦流533的方向基本對齊。圖5所示的TVC設計可用於三維矩形結構(即，在圖5的頁面的上下延伸)中，圖 5示出該結構的截面。可選地，具有這類腔的TVC設計可以以環面三維「包繞」，以形成環形燃燒室，「上」和「下」環形渦流腔具有直線壁，截面同樣與圖5所示的上下腔區域531和532 對應。矩形設計可用作筒式燃燒器，環形設計用作環形燃燒器，並且分別配置在與關於圖I 和4的實施例描述類似的應用中。燃料分級儘管如前所述，預混合器21和31能夠獨立作用，這裡描述的兩個預混合器21和 31的組合、或者其它類型的入口噴射器和直接渦流噴射器的組合，能夠用在任何TVC應用的燃料分級策略中。相對於入口預混合器21增加通過渦流預混合器31的燃料進量能夠在發動機減負荷和部分功率應用期間使操作更加穩定。向預混合器31和21添加相對等量的空氣允許優良的減負荷性能。這可以取決於發動機，從而可以改變這些部分。然而典型地，通過預混合器31的空氣應該一般少於通過預混合器21的空氣，或者更精確地說，20-40%。更一般地，本發明的一個實施例設想的燃料分級使得在燃燒器中的多個離散位置噴射燃料，以在窄帶中維持火焰溫度，使得N0X/C0/UHC排放低於目標速率。當發動機加速時，燃料初始僅通過渦流預混合器31的孔100噴射，直到火焰溫度(Φ)達到它們的NOX限值。見圖6A和6D。在中等功率帶(圖6B)中，切換操作使得主要通過入口預混合器21供給燃料。在高功率範圍(圖6C)中，燃料通過入口預混合器21和渦流預混合器31兩者噴射。這樣燃料離散區域允許在將NOX和CO保持在規定限值內的同時「沿著(walk up)」功率曲線,如火焰溫度要求的那樣。見圖6E。此外，燃燒器能夠設計有多個TVC腔，每個TVC腔具有單獨的預混合器入口。各個 TVC腔中的噴射能夠相對彼此並且相對入口預混合改變，以提供更精細的控制，而且通過允許經一系列腔燃料供給的增量變化而不是依靠單個腔中的較大燃料供給變化，改進了減負荷期間的溫度均勻性。參照圖I和4中的實施例，優選地，渦流預混合器31在操作期間未完全關閉。相反，優選的是將燃料供給的比例從一個預混合器到下一個預混合器分階段，同時總是保持渦流預混合器31至少最小地打開。其它實施例可涉及多個TVC腔。例如，圖7A所示的實施例包括入口預混合器791 和軸向定位的兩個TVC腔，上遊TVC腔702和下遊TVC腔703，它們具有對應的預混合器入口 742 和 743。由預混合器供料的多個TVC腔可包括相對彼此徑向定位的TVC腔。該布置的一個示例在圖7B中示出，圖7B示出了徑向布置的腔712和713，對應的預混合器入口 752和 753，以及入口預混合器792。多腔布置中的每個TVC腔，例如圖7A和7B所示的TVC腔，可具有如所示的自身的渦流預混合器入口(或者可選地，離散的燃料和/或空氣入口)，這些入口能夠獨立於其它腔和/或主入口被供給燃料。該布置提供更大數量的燃料-空氣區域，從而能通過經過更大數量的燃燒區域散布燃料供給變化而提供更優的減負荷性能。在其它實施例中，TVC腔可僅位於燃 燒器內部，如圖7C和7D所示。這些腔可例如是曲線和軸向分級的，例如圖7C中的腔722和723、以及對應的預混合器入口 762和763 (以及入口預混合器793)，這些腔可以是直線和軸向分級的，例如圖7D中的腔732和733、以及對應的預混合器入口 772和773 (以及入口預混合器794)，或者腔形狀、位置和布置的其它組合。優選地，在軸向布置的多腔TVC實施例中，最上遊的腔(至少)，例如圖7A中的腔 702會在操作期間被連續供給燃料，不過供給水平可變化。在徑向構造中，優選半徑最大的腔(至少)，例如圖7B中的腔712，會在操作期間被連續供給燃料，同樣供給水平可變化。如上所述，上述操作方式不限於本公開具體示出或描述的入口預混合器和渦流預混合器。雖然此處設想的「燃料分級」的操作原理主要具體參照本文具體教導的預混合器設計進行描述，但是應理解，提供入口預混合器和直接渦流預混合器的組合的任何TVC都能從該方法中潛在受益。對於超低排放性能而言，可以被獨立供給燃料的入口預混合器和一個以上的渦流預混合器的組合比之前可用的提供了更優的優化。每個預混合器優選提供了減小的混合長度和/或規模，得到在發動機操作包線上更寬的混合均勻性範圍，因此得到優良的排放性能，與多種燃料相容(氣體或液體)，能夠適於任何發動機燃料安排並且實際上對於燃料分級應用是優化的。例如，在諸如圖7A所示的軸向多腔布局中，用於燃燒器加負荷和減負荷的一個燃料分級策略可能涉及到在0-33%的功率經過第一環狀部預混合器入口 742供給燃料，在 33-66%功率的範圍內放棄預混合器742，而主要通過主入口預混合器791供給燃料，然後在66-100%功率的範圍內使用經過所有三個預混合器791、742和743的實質流動。可以對於圖1、4、6A-6C、7A-7D中所示的任意布局以及其它構造設計類似以及變化的策略。在一些實施例中，可以手動致動對於各個預混合器的燃料控制；在其它實施例中，控制可以基於諸如功率、溫度、NOX或CO濃度、時間等的輸入而計算機化，或者可利用手動超越控制裝置而計算機化。以上概述的燃料分級方法不限於與具有關於圖I和4討論的結構特性的預混合器一起使用。例如，Haynes等對於主燃燒器入口和TVC腔二者都利用傳統的預混合器。然而，與上述類似的技術可以利用該燃燒器實踐，以從一個預混合器到另一個預混合器將燃料和空氣流動分階段，或者將預混合器組合為最適合各種功率帶中的操作。類似地，上述燃料分級的利用延及到需 要可變功率輸出的所有類型的燃氣輪機應用，包括大框架發電、包括主推進噴氣發動機(包括渦輪風扇、渦輪噴氣發動機、衝壓噴氣發動機等)和APU的飛行應用、以及在整體煤氣化聯合循環(IGCC)工廠和熱電聯產(CHP) 或廢熱發電工廠中的燃燒渦輪機。因此明顯的是，本發明符合上述目的，相比現有技術在易於使用和有效性方面提供了許多優點。儘管已經詳細描述本發明，但應理解，各種修改、替代和變更可容易被本領域技術人員發現並且可以在這裡做出而不脫離由權利要求限定的本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種用於在具有至少一個駐渦腔的TVC反應器的操作中進行燃料分級的方法，所述反應器還具有入口預混合器和至少一個渦流預混合器，所述入口預混合器將燃料和空氣混合，並且將燃料-空氣混合物引入所述TVC反應器的主入口中，所述至少一個渦流預混合器將燃料和空氣混合，並且將燃料-空氣混合物直接引入所述TVC反應器的至少一個所述駐渦腔中，所述方法包括調節通過所述入口預混合器和所述渦流預混合器引入的燃料-空氣混合物的比例，以在所述TVC反應器的操作期間適應不同負荷。
2.如權利要求I所述的方法，其中 (a)所述入口預混合器包括多個同心共面、空氣動力學成形的圈元件、所述圈元件位於所述入口的上遊，在所述流徑中軸向對齊，每個所述圈元件具有用於燃料的內部通道，每個所述圈元件還包括多個燃料噴射孔口，由此燃料可從所述內部通道流入接近所述圈的入口流體流，並且其中每對所述圈元件在其間限定環形通道，其中所述圈被進一步修改，由此 (i)所述燃料噴射孔口定向為相對軸向以絕對值從大約O度到大約90度的角度噴射燃料；並且 ( )所述多個燃料噴射孔口具有不均勻直徑，所述直徑定為不同尺寸，每個所述尺寸選為提供用於具體的燃料-空氣動量流量比範圍；並且 (b)所述渦流預混合器包括燃料入口、空氣入口、燃料和空氣在其中混合的室、以及用於燃料-空氣混合物的出口，其中所述預混合器以使得所述出口將所述燃料-空氣混合物直接引入所述駐渦反應腔內的方式附接到所述TVC反應器，使得所述燃料-空氣混合物以使得所述燃料-空氣混合物與所述渦流近似同向地加入所述渦流的角度被引入所述駐渦腔中。
3.如權利要求I所述的方法，其中，在起動和低功率操作直到達到NOX排放限值時，僅通過所述渦流預混合器供給燃料。
4.如權利要求2所述的方法，其中，在起動和低功率操作直到達到NOX排放限值時，僅通過所述渦流預混合器供給燃料。
5.如權利要求I所述的方法，其中，在中等功率操作時，主要通過所述入口預混合器供給燃料。
6.如權利要求2所述的方法，其中，在中等功率操作時，主要通過所述入口預混合器供給燃料。
7.如權利要求I所述的方法，其中，在高功率操作時，通過所述渦流預混合器和入口預混合器二者供給燃料。
8.如權利要求2所述的方法，其中，在高功率操作時，通過所述渦流預混合器和入口預混合器二者供給燃料。
9.如權利要求7所述的方法，其中，流過所述渦流預混合器的空氣量小於流過所述入口預混合器的空氣量。
10.如權利要求9所述的方法，其中，流過所述渦流預混合器的空氣量比流過所述入口預混合器的空氣量小大約50%。
11.如權利要求10所述的方法，其中，流過所述渦流預混合器的空氣量在流過所述入口預混合器的空氣量的大約20%至大約40%的範圍內。
12.如權利要求I所述的方法，其中，在所述TVC反應器操作期間的基本所有時間，至少最小量的燃料-空氣混合物被通過所述渦流預混合器引入。
13.如權利要求2所述的方法，其中，在所述TVC反應器操作期間的基本所有時間，至少最小量的燃料-空氣混合物被通過所述渦流預混合器引入。
14.如權利要求I所述的方法，其中，該方法實踐為適應在所述TVC反應器起動期間的不同負荷。
15.如權利要求I所述的方法，其中，該方法實踐為適應在所述TVC反應器減負荷期間的不同負荷。
16.如權利要求I所述的方法，其中，該方法實踐在一系統中，該系統包括所述TVC反應器並且還包括燃氣輪機，所述系統適於發電。
17.如權利要求I所述的方法，其中，該方法實踐在一系統中，該系統包括所述TVC反應器並且還包括燃氣輪機，所述系統適於用作用於飛行的推進噴氣發動機。
18.如權利要求I所述的方法，其中，該方法實踐在一系統中，該系統包括所述TVC反應器並且還包括燃氣輪機，所述系統適於用作輔助發電單元。
19.如權利要求I所述的方法，其中，該方法實踐在一系統中，該系統包括所述TVC反應器並且還包括燃氣輪機，所述組件適於作為用於熱電聯產工廠的燃燒渦輪機。
20.如權利要求I所述的方法，其中，該方法實踐在一系統中，該系統包括所述TVC反應器並且還包括燃氣輪機，所述組件適於作為用於整體煤氣化聯合循環工廠的燃燒渦輪機。
21.如權利要求I所述的方法，其中，所述TVC反應器包括多個駐渦腔，每個駐渦腔與至少一個所述渦流預混合器相關聯，所述方法還包括獨立地調節通過所述入口預混合器和每個所述渦流預混合器引入的燃料-空氣混合物的比例，以在所述TVC反應器的操作期間適應不同負荷。
22.如權利要求I所述的方法，其中，該方法實踐為適應在所述TVC反應器起動期間的不同負荷。
23.如權利要求I所述的方法，其中，該方法實踐為適應在所述TVC反應器減負荷期間的不同負荷。
24.如權利要求21所述的方法，其中，所述多個駐渦腔包括第一上遊駐渦腔和第二下遊駐渦腔，所述下遊駐渦腔在所述TVC反應器中在所述第一駐渦腔的下遊。
25.如權利要求24所述的方法，其中，在起動和低功率操作直到達到NOX排放限值時，主要通過所述至少一個渦流預混合器供給燃料，所述至少一個渦流預混合器將燃料和空氣混合物直接引入所述上遊駐渦腔內。
26.如權利要求25所述的方法，其中，該方法實踐至大約33%功率。
27.如權利要求24所述的方法，其中，在中等功率操作時，主要通過所述入口預混合器供給燃料。
28.如權利要求27所述的方法，其中，該方法從大約33%功率到大約66%功率實踐。
29.如權利要求24所述的方法，其中，在高功率操作時，基本通過所述入口預混合器和與每個所述駐渦腔相關聯的至少一個渦流預混合器提供燃料供給。
30.如權利要求29所述的方法，其中，該方法從大約66%功率在大約66%功率之上實踐。
31.如權利要求24所述的方法，其中，在所述TVC反應器操作期間的基本所有時間，至少最小量的燃料-空氣混合物被通過所述至少一個渦流預混合器引入，所述至少一個渦流預混合器將燃料和空氣混合物直接引入所述·上遊駐渦腔內。
全文摘要
在一個實施例中，提供用於駐渦(TVC)燃燒設備的燃料分級方法，該燃燒設備包括入口預混合器和渦流預混合器，入口預混合器用於將燃料-空氣混合物噴入燃燒設備的入口，渦流預混合器用於將燃料-空氣混合物噴入再循環渦流。燃燒設備可以是諸如燃氣輪機發動機的發動機的一部分。該方法包括根據負荷改變通過入口預混合器和渦流預混合器引入的混合物的相對比例。
文檔編號F02C1/00GK102713203SQ200980162278
公開日2012年10月3日 申請日期2009年11月30日 優先權日2009年9月13日
發明者D·W·肯德裡克 申請人:貧焰公司