用於減少燃氣渦輪發動機的排放的方法和裝置的製作方法
2023-05-25 03:11:51
專利名稱：用於減少燃氣渦輪發動機的排放的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明是基於美國政府的支持在政府合同No.DE-FC02-00CH11063下完成的。美國政府對本發明具有一定的權利。
本發明大體上涉及燃氣渦輪發動機，更具體地涉及燃氣渦輪發動機的燃燒室。
背景技術：
微型渦輪是通常用於現場發電的小燃氣輪機。它們基於與噴氣式發動機相同的原理來工作，但可使用各種能買到的燃料，例如天然氣、柴油、生物柴油、汽油、煤油、丙烷、甲烷、沼氣、改良燃料、氣化產物等。微型渦輪具有可在與電網相連的模式、單機模式和雙態模式下工作的能力。與電網相連的模式通常允許裝置與電網並行地工作，提供了基荷調節和峰值調節。單機模式通常允許裝置完全與電網隔離而工作。在雙態模式中，裝置可在這兩種模式之間自動地切換。
微型渦輪通常用作辦公樓、零售店、小製造廠、家庭以及許多其它商業機構的後備或輔助電源。這些機構在傳統上通過配電線電網而由電力部門來供電。利用微型渦輪，這些機構就可在其自身位置處發電，並避免僅僅依賴於傳統的電網和電站。與電力部門通過電網所提供的電能相比，微型渦輪還可以成本更低和/或更可靠地發電。
全球範圍的空氣汙染已經催生了更嚴格的排放標準。這些標準管制由燃氣渦輪發動機的運轉所產生的氮氧化物(NOX)、未燃烴(UHC)和一氧化碳(CO)的排放。具體地說，由於工作期間的燃燒火焰的高溫，在燃氣渦輪發動機內形成了氮氧化物。
傳統的微型渦輪通常包括壓縮機、回流換熱器、燃燒室和渦輪。空氣在壓縮機中被壓縮，在回流換熱器中被加熱，在燃燒室中與燃料混合併燃燒，之後在渦輪中膨脹以產生可驅動渦輪的高壓熱燃氣。通常用管道將渦輪廢氣輸送穿過回流換熱器，以將熱量傳遞給進入空氣，從而增加了燃燒腔中的空氣燃料混合物的能量。燃氣輪機通常採用兩種類型的燃燒室，例如管形燃燒室和環形燃燒室，就排放和可操作性而言，各燃燒室都具有一定的特性上的優點和缺點。
管形燃燒室通常包括有插入到過渡段中的圓柱狀管形襯套，以及多個位於襯套頂端處的燃料空氣預混器。雖然這種系統實用且易於裝配，然而現有技術的管形燃燒室在達到超低排放和最大可操作性要求方面具有若干固有的缺點。現有技術的管形燃燒室相對較長，並提供了較長的燃燒室滯留時間。在低負載和/或低溫的工作期間，因較長的燃燒室滯留時間而降低了CO和UHC的濃度。然而，在高負載和/或高溫的工作期間，雙原子氮開始與燃燒的中間產物(氧原子、OH等)發生反應，NOX的排放隨時間而增加。因此，管形燃燒室的較長滯留時間導致了在高負載和/或高溫工作期間存在較高的NOX排放。與高負載和/或高溫下的工作相比，在較低壓力和類似的火焰溫度下，除非滯留時間增大，否則CO的濃度會顯著提高。這對微型渦輪的工作來說特別重要，因為微型渦輪具有比重型機器低得多的壓力比(通常約為4.0)。結果，必須對燃燒室進行改進以便能應用在同流換熱式微型渦輪上。
圖1顯示了現有技術的管形燃燒室。管形燃燒室2包括機匣4、預混裝置6、空氣入口8、管形襯套10、燃燒腔12、可選的過渡段14以及噴嘴16。在現有技術的管形燃燒室2的工作期間，燃燒空氣沿著箭頭A的方向經由入口8而進入到機匣4中。之後燃燒空氣進入到預混裝置6中，在這裡與燃料混合。然後通過預混裝置6將燃料空氣混合物噴射到燃燒腔12中，在這裡進行燃燒。在燃料空氣混合物燃燒之後，其經由過渡段14和噴嘴16排出。如所述，管形燃燒室的一個不利方面是其長度。燃燒產物從燃燒腔的上遊端流過整個腔並進入到過渡段中，最後經由噴嘴而離開。這導致了燃燒室滯留時間較長，因此在高溫和/或高負載的工作期間導致了較高水平的NOX排放。然而，管形燃燒室在低溫和/或低負載的工作期間能夠很好地工作，這是因為較長的燃燒室滯留時間會使CO和UHC在這一較長期間內燒掉(即更完全地氧化)，從而導致了較低水平的CO和UHC排放。另外，尤其對於微型渦輪的燃燒室而言，通常不需要過渡段，這是因為燃燒室的出口可與渦殼入口對齊，並可通過使用密封件來減小任何洩漏。
環形燃燒室通常包括以環狀的形式直接定位在渦輪噴嘴上遊的環中的多個預混器。環形燃燒室的長度較短，因此具有相對較短的燃燒室滯留時間。在高負載和/或高溫的工作期間，由於在較短的環形燃燒室中燃燒室滯留時間較短，因此NOX排放的水平較低。然而，在低負載和/或低溫的工作期間，由於環形燃燒室的燃燒室滯留時間較短，這不允許一氧化碳(CO)和未燃烴(UHC)完全地燃盡(即氧化)，因此CO和UHC的濃度很高。
圖2顯示了現有技術的環形燃燒室50。如圖所示，典型的環形燃燒室50包括有形式為完全環形的單個火焰管，其包含在相應的連續環形的內燃燒室機匣52和外燃燒室機匣54中，沒有任何單獨的內部管形燃燒室。這種結構提供了最有效的燃料和空氣的混合，並且由於具有最優化的燃燒器表面積而可對燃氣進行最大程度的冷卻。由於其為環形的形狀，環形燃燒室不需要有過渡段，這使其比管形燃燒室更緊湊得多。如上所述，在用於低壓力比的燃氣輪機中時，環形燃燒室的一個不利方面是其長度較短。燃燒室滯留時間較短，因此在低溫和/或低負載的工作期間，存在有較高水平的CO和UHC排放。另外，環形燃燒室工作的另一個重要的不利方面是該燃燒系統具有多種聲學模式(橫向的和縱向的)，這尤其傾向於在貧預混焰的情況中被激發，並因此通常在高負載下導致了高振幅的壓力波動。然而，環形燃燒室在高溫或高負載的工作期間能夠很好地工作，這是因為較短的燃燒室滯留時間不會給NOX的排放帶來充足的生長時間，從而導致NOX排放的水平較低。而且，對於微型渦輪來說通常使用輻流式渦輪機，而環形燃燒室的幾何形狀上的布局最適合於軸流式渦輪機。
在微型渦輪發動機中，通常使用貧預混焰。在用於微型渦輪的管形燃燒室中，這是通過使用預混器來實現的，預混器可進行用於產生預混火焰和擴散火焰的雙重操作。後者通常在除了設計點(全速負載)之外的條件下使用，這時通常很難達到貧預混焰的穩定性。在環形燃燒室中採用周向上均勻布置的預混器陣列。此外，為了獲得均勻性和良好的模式因數，所有的預混器均類似地工作。結果是，在任一種預混器的結構中(如環形或管形)，在除了設計設定點之外的情況下都會產生較高的排放(例如在環形燃燒室中為CO和UHC的高排放，而在管形燃燒室的情況下為NOX的高排放)，而且在任一種預混器的結構中都沒有在不同燃料比下獨立地操作預混器的靈活性。
因此，需要一種能在低溫和/或低負載的工作期間以及在高溫或高負載的工作期間都可減少排放(即在設計設定點下的排放以及在設計設定點之外的工作條件下的排放)的無噪式燃燒室。
發明內容
本文公開了一種用於減少燃氣輪機排放的工藝和裝置。在一個實施例中，用於燃氣輪機的回流式燃燒室包括燃燒室機匣，其包括在其內部限定了燃燒腔的狹長的圓柱形燃燒室襯套，以及位於襯套與機匣之間的回流流體通道；位於燃燒腔上遊的旋流器和混合器組件，其中該組件包括環形地布置的旋流器和混合器，每個旋流器和混合器都包括中心體、連接在中心體上的內旋流器、與內旋流器相連的外旋流器以及護罩，該護罩包括在每個旋流器和混合器與燃燒腔之間延伸的環狀錐形壁；圓頂板，其包括有熱屏蔽，該熱屏蔽具有處於燃燒腔與旋流器和混合器組件之間的環形端部件；主燃料傳送系統，其包括與四個旋流器和混合器中的每一個均流體相通的燃料源，其中主燃料系統適於將燃料徑向地噴射到內、外旋流器中；以及副燃料傳送系統，其包括由護罩的環狀錐形壁和外壁所限定的流體通道，其中該流體通道與燃料源流體相通，主、副燃料傳送系統可獨立地控制四個旋流器和混合器中的每一個。
根據另一實施例，用於燃氣輪機的回流式燃燒室包括燃燒室機匣，其包括在其內部限定了燃燒腔的狹長的圓柱形燃燒室襯套，以及位於襯套與機匣之間的回流流體通道，其中燃燒室襯套包括多個圍繞著主燃燒區域的開口，以及多個圍繞著燃燒腔的摻混區域而徑向地布置在襯套內的開口；位於燃燒腔上遊的旋流器和混合器組件；以及處於燃燒腔與旋流器和混合器組件之間的圓頂板，其包括有熱屏蔽，該熱屏蔽具有環形端部件，其中圓頂板還包括多個用於在燃氣輪機的工作期間提供衝擊在熱屏蔽的背側上的氣流的流體開口，其中，所述多個圍繞著主燃燒區域而徑向地布置在襯套內的開口提供了流體流，該流體流在燃氣輪機的工作期間衝擊在熱屏蔽的背側上。
在採用包括有多個旋流器和混合器組件的管形燃燒室的燃氣輪機中，用於減少NOX排放的工藝包括為所述多個旋流器和混合器組件中的至少一個組件而單獨地操作主燃料傳送系統，其中主燃料傳送系統將燃料噴射到所述至少一個旋流器和混合器組件的旋流器中，以便在不同於其它旋流器和混合器組件的燃料空氣當量比下工作；以及為所述多個旋流器和混合器組件中的每一個組件而操作副燃料傳送系統，其中副燃料傳送系統經由設在護罩中的開口而將燃料噴射到燃燒腔中，該護罩圍繞著所述多個旋流器和混合器組件中的每一個組件。
下面將通過下述詳細介紹和附圖來示例性地說明上述及其它的特徵。
現在來看附圖，其中採用相同的標號來表示相似的零件圖1是現有技術的管形燃燒室的截面側視圖；圖2是現有技術的環形燃燒室的截面側視圖；圖3是同流換熱式微型渦輪的透視圖；圖4是根據本發明的回流式管形燃燒室的截面圖；圖5是燃燒室襯套的側視圖；圖6是圓頂板和熱屏蔽組件的透視圖；圖7是用於管形燃燒室的旋流器和預混器組件的平面圖；圖8是單個旋流器和混合器的平面圖；圖9是單個旋流器和混合器的截面圖；圖10是顯示了副燃料傳送系統和用於冷卻熱屏蔽的空氣衝擊通道的放大的截面圖；和圖11用圖表顯示了在圖3所示微型渦輪的全速且滿載的情況下燃燒室襯套上的CO和NOX的排放。
圖中各標號的含義如下2管形燃燒室；4機匣；6預混裝置；8空氣入口；10管形襯套；12燃燒腔；14過渡段；16噴嘴；50環形燃燒室；52內機匣；54外機匣；100同流換熱式微型渦輪組件；102燃燒室組件；104渦輪渦殼；106壓縮機機殼；108發生器；110同流換熱器；112外機匣；114機匣部分；116機匣部分；118機匣部分；120端蓋；122燃燒室襯套；124燃燒腔；126上遊端；128下遊端；130過渡段；131呼拉密封件；132流體通道；134圓頂板；135環狀布置的開口；136熱屏蔽；137通孔；138點火器；139機匣開口；140旋流器和混合器組件；141襯套開口；142「衝擊」襯套開口；143凸緣；144摻混孔；146肋；148襯套凸緣；150凹槽；152交叉管開口；154旋流器和混合器；156旋流器和混合器；158旋流器和混合器；160旋流器和混合器；162板；164燃料噴嘴；166燃料噴嘴；168燃料噴嘴；170燃料噴嘴；172通孔；174預混合器杯體；176中心體；178內旋流器；180外旋流器；182護罩；184對稱軸線；186上遊側；188下遊側；190內旋流器前緣；192外旋流器後緣；194距離；196中心體前緣；198外旋流器前緣；200外葉片；202內葉片；204輪轂；206流體通道；208錐形壁；210高壓室；212燃料噴嘴；213流體通道；214流體通道；216套圈；218套圈固定器；220圓頂板的「衝擊」開口；222中心體的主體部分；224燃料噴射開口。
具體實施例方式
本文所公開的是一種用於在發動機負荷的全部工作範圍內和在環境條件下減少廢氣排放如CO、NOX及UHC的排放的燃氣輪機裝置和工藝。這種燃氣輪機裝置通常包括具有預混器陣列的回流式管形燃燒室，其中預混器的陣列可相互間獨立地起作用。通過以預定的陣列模式單獨地操作預混器的陣列，便可在設計點處有利地使用貧預混焰來控制燃料的當量比，由此控制火焰溫度，從而降低在設計點之外的條件下的有毒廢氣的排放。而且，出於與預混器陣列的單獨操作有關的額外自由度的原因，即將在本文中介紹的預混器陣列的單獨使用可提高燃氣輪機的動力。
現參見圖3，其中顯示了同流換熱式微型渦輪100的透視圖。微型渦輪100大體上包括回流式管形燃燒室組件102、渦輪渦殼104、壓縮機機殼106、發生器108和同流換熱器110。
在工作中，被高度壓縮的空氣傳遞到燃燒室組件102中，與燃料混合併被點燃。燃料可以是任何類型的燃料，例如液態、氣態、低BTU的燃料等。之後燃氣在渦輪渦殼104中膨脹，以便在渦殼內驅動渦輪，然後通過導管排放到同流換熱器110中。由膨脹的高壓燃氣所驅動的渦輪旋轉可以通過發生器108而以本領域的技術人員所公知的方式轉換成電能。
圖4顯示了圖3所示燃燒室組件102的截面。燃燒室組件102與壓縮裝置(未示出)協同工作，以便驅動與燃燒室組件102(未示出)流體相通的燃氣輪機(例如容納在圖3所示的渦輪渦殼104中)。燃燒室組件102包括圓柱形的外燃燒室機匣112，其具有一個或多個用於為燃燒室組件102提供流體的入口。機匣112最好由多個機匣部分114，116，118構成，它們可通過螺栓接合或其它的方式連接在一起。如將要討論的那樣，可通過多個機匣部分的使用來緊密地固定住設置在燃燒室機匣112中的各個部件的凸緣。在燃燒室機匣112的遠離渦輪渦殼104的一端優選通過螺栓連接了端蓋120(在這裡也稱為擴壓蓋)。這樣，如以下將詳細描述的那樣，在渦輪100的工作期間會在燃燒室組件102中產生回流(即逆流)。
在外燃燒室機匣112中設有圓柱形的燃燒室襯套122，在其中限定了一個圓柱形的燃燒腔124，即管形燃燒室。圖5顯示了燃燒室襯套122的側視圖。燃燒室襯套122通常包括可產生燃燒火焰的主內部區域，以及位於該主內部區域下遊的摻混區域。在襯套122中的通常形成了主區域的部分中徑向地設置了多個開口142，而摻混孔144徑向地圍繞著燃燒室襯套122，從而大致限定了摻混區域。如以下將詳細描述的那樣，在工作期間，開口142可有利地為熱屏蔽136提供衝擊空氣。在下遊處，摻混孔144提供了多條摻混射流，以便降低平均溫度並減少襯套122的壁附近的熱點，因此可在燃燒室襯套122的出口平面上獲得可接受的燃燒模式因數。環繞著襯套122的多個肋146形成了用於熱傳遞並加固襯套的湍流器。燃燒室襯套122還包括凸緣148，其用於將襯套122對接式地固定在機匣112的環形槽150中(見圖4)。燃燒室襯套122還可包括輔助開口152，其用於點火器、點火器的交叉火管等。
如圖4所示，燃燒腔124具有上遊端126和下遊端128。燃燒產物流離開燃燒腔124的下遊端128，進入到過渡段130或渦殼中，該過渡段或渦殼通過密封件131而疊置於燃燒室襯套122的端部上，該密封件131也稱為呼啦密封件(hula seal)，其固定地連接在燃燒室襯套122的一端上。過渡段130用於使燃燒室襯套122的圓形截面經由噴嘴(未示出)而過渡到渦輪入口(未示出)的扇形部分中，從而允許燃燒產物流進入到渦輪中，使得渦輪能夠利用燃燒產物的能量來驅動渦輪。在一個優選實施例中，燃燒室襯套122的長度必須足夠長，以便在燃燒產物離開襯套而進入過渡段130之前允許CO在低負載或低溫工作中充分地燃盡。箭頭132所示的流體通道由燃燒室襯套122和機匣112之間的空間來限定。流體通道132允許流體如空氣在渦輪100的工作期間反向流動。
燃燒室組件102還包括設在燃燒室襯套122的上遊端126處並與之相鄰的圓頂板134。圖6顯示了圓頂板134的更詳細的透視圖。如圖所示，圓頂板134自身在形狀上大致是平的和圓形的。圓頂板134包括位於外凸緣143上的通孔137，其用於在燃燒室組件102的裝配期間將圓頂板134固定在燃燒室襯套122的凸緣148上。在一個優選實施例中，圓頂板134包括如這裡所顯示並介紹的四個環狀布置的開口135，每個開口在數量上都對應於在燃燒室組件102中所採用的旋流器和混合器組件。然而應當注意的是，本說明書並不意味著局限於這四個環狀布置的開口，其取決於在燃燒室組件102中使用的旋流器和混合器組件的數量。最好採用多於兩個的旋流器和混合器組件，其中最大的數量受到空間約束和成本的限制。另外，如在下文中所詳細介紹的那樣，圓頂板134包括多條允許燃料和/或空氣從中穿過的流體通道220。該流體通道220相對於環狀布置的開口135來說要小一些。熱屏蔽136與圓頂板134的其中一個主平面形成一體，或者固定地連接到其上。熱屏蔽136優選為杯形，並具有與圓頂板中的各個環狀布置的開口135固定地相連的杆部。再回來看圖4，之後將熱屏蔽136定位在面向燃燒腔124的下遊，而將旋流器和預混器組件140的環形陣列布置在上遊。熱屏蔽136包括環形的端部件，其將燃燒室襯套122與在內部的主燃燒區域中燃燒的火焰隔開。
點火器138經由開口139，141而延伸穿過燃燒室機匣112和襯套122，並設置在熱屏蔽136的下遊。圓頂板的開口220和燃燒室襯套的開口142協同操作，使得在工作期間流經這些開口142，220的氣流可以基本上垂直於熱屏蔽136的角度而直接衝擊在熱屏蔽136的背側上，然後與來自燃燒腔124中的火焰下遊的流體流混合，從而為降低當量比提供了輔助手段。
如圖7更清楚地顯示，旋流器和預混器組件140包括四個環狀布置的旋流器和混合器組件154，156，158，160，它們圍繞著板162的中心軸線等距地徑向布置。雖然圖中顯示了採用四個環狀布置的旋流器和混合器組件，然而也可使用其它的環狀旋流器和混合器組件的布置，以提供所需的燃燒模式。各個環狀的旋流器和混合器組件都各自包括一個燃料噴嘴164，166，168，170，它們可被單獨地操作以調節燃料/空氣混合物中的燃料量，從而為在諸如全速、滿載、低負載、低速、停機等不同工作條件下降低NOX的整體排放而提供了一種手段。通過噴嘴164，166，168和170的燃料傳送形成了主燃料傳送系統。另外，由於燃燒室組件102採用管形燃燒室襯套，因此可減少CO和UHC的排放，這是因為相對環形燃燒室而言，在燃燒腔124中的滯留時間較長。板162還包括通孔172，其用於將旋流器和預混器組件140固定在機匣112上。
圖8和9顯示了單個旋流器和預混器組件(例如154或156或158或160)的截面圖和平面圖。各組件都包括預混器杯體174，其允許燃料和空氣在其中均勻地混合，並將燃料/空氣混合物引導至燃燒腔124中。各預混器杯體174都包括中心體176、內旋流器178、外旋流器180，以及從上遊側186延伸到下遊側188的對稱軸線184。在旋流器和混合器組件的下遊設有護罩182，即收斂的混合管道。燃料噴嘴164與包圍了外旋流器180的壁中的開口224流體相通。這樣，如將在下文中將詳細描述的那樣，可以同時徑向地和與外旋流器180基本上垂直地噴射燃料。
各內旋流器178在中心體176的徑向外側固定在中心體176上，其中內旋流器包括前緣190和後緣192。可採用包括滑動配合、點焊、環氧樹脂粘合等在內的任何方式來進行固定。各外旋流器180從內旋流器178的徑向外側固定在內旋流器178上。外旋流器180連接成使得內旋流器的前緣190處於外旋流器180的前緣198的上遊且離其為一定距離194的位置處。此外，當與外旋流器180相連時，中心體176定位成使得中心體的前緣196大致與內旋流器前緣190共面，並且處於外旋流器前緣198的上遊且離其為一定距離194的位置處。如圖所示，中心體176的最前端部分最好為錐形。
內旋流器178和外旋流器180最好分別構造成使得各旋流器中的流體可以相互間反向地旋轉。輪轂204將各內旋流器178與各外旋流器180分開。如圖8更清楚地顯示，旋流器178和180通常分別具有外渦流葉片200和內渦流葉片202，各葉片相對於穿過旋流器和混合器組件中心的縱向軸線184形成為處於約40°到約60°範圍內的角度。在內旋流器178中流動的空氣品質與在外旋流器180中流動的空氣品質之比通常是約1∶3。這種空氣品質比可在旋流器178，180的下遊處的護罩182中產生有效的燃料和空氣混合(由於上面所提到的反向渦流的原因)，並具有用於在燃燒室內保持充分的火焰穩定性的足夠的滯留渦流(對應於外旋流器具有更大的空氣品質部分)。
中心體176可以是直的圓柱形部分，或者是從上遊端到下遊端的表面覆蓋範圍基本上均勻的部件。中心體176優選設置成與組件的對稱軸線184同軸。如上所述，出於氣流的目的，中心體的前緣優選為錐形。在一個實施例中，中心體176鑄造在預混器杯體174中，其尺寸加工成使其緊鄰於護罩182的下遊端之前終止。為了具備雙燃料能力，中心體176還可容納有液態燃料傳送系統，其在此處未示出。
護罩182優選包括環狀的錐形壁208，如圖所示，其從護罩182的最前部到圓頂板134均勻地變窄，以提高護罩182內的流動速度。由於護罩182是收斂的，因此護罩182中的燃料/空氣混合物的流動被加速，這有助於減少積聚在護罩182中的邊界層，因而減小了逆燃阻塞。護罩182還包括圍繞著護罩徑向地設置的燃料高壓室210。在護罩182中形成了多條從高壓室210延伸到燃燒腔124中的流體通道206。在這種特殊的構造中，各旋流器和混合器組件優選包括八個這種流體通道。燃料高壓室210和從中延伸出來的流體通道206與副燃料噴嘴216流體相通，從而形成了副燃料系統。
圖10顯示了燃燒室組件102的一部分的放大截面，以便更清楚地顯示出副燃料傳送系統以及分別位於圓頂板134和襯套122上的開口142，220，這些開口用於使空氣衝擊在熱屏蔽136的背側上。另外，圖10顯示了夾在形成於圓頂板134中的凹槽內的L形套圈216。優選用套圈固定器218來保持套圈216以允許其運動。套圈216在圓頂板134和限定了護罩182的外壁之間的運動允許這些部件之間的相對運動，同時形成了可調節的流體通道214，該通道與流體通道132流體相通。這樣，流體如穿過流體通道132的空氣可以通過由套圈216的運動所控制的通道而流入燃燒區域。
燃料岐管系統(未示出)通過燃料噴嘴(即本文所介紹的主系統的燃料噴嘴164，166，168和170以及副系統的燃料噴嘴212，214，216和218)而與主、輔燃料傳送系統流體相通。如上所述，主燃料傳送系統基本上垂直於外旋流器180來傳送燃料。副燃料傳送系統藉助於形成於護罩182中的高壓室210和流體通道206來傳送燃料。逆向空氣主要通過流體通道132而流經燃燒室組件102。第二空氣通過流體通道214流動。優選能夠單獨地控制主、副燃料傳送系統。作為選擇，可以單獨地控制用於各種旋流器和混合器組件的主、副燃料傳送系統的一部分。這樣，所有或一部分旋流器和混合器組件可以在不同的當量比下操作，從而可單獨地獲得不同的火焰溫度。結果，可以控制包括全速和滿載條件在內的不同負荷下的排放。
岐管系統通常包括多條燃料導管，其在燃料源(未示出)和所述各個燃料噴嘴之間延伸。例如，燃料噴嘴164等與外旋流器180相通，從而形成了主燃料傳送系統的一部分。主燃料傳送系統經由側壁開口224而將燃料徑向地噴射到外旋流器180中。護罩182具有副燃料傳送系統，其以擴散焰的方式經由多個開口142來傳送燃料(並由套圈216來調整)。燃料噴嘴216與岐管相通，以將燃料噴射到由護罩182限定的流體通道206中。主、副燃料傳送系統可以變化，以使組合燃料流對應於固定火焰溫度所需的當量比。最好，各旋流器和預混器組件(154，156，158，160)可以在不同的當量比下工作，以產生符合燃燒室規定的排放，並獲得工作穩定性且較低的燃燒動力。通過點火器138在燃燒室中進行點火。如果在特定燃氣渦輪發動機上需要有多個燃燒腔，那麼可以本領域的技術人員已知的普通方式來使用交叉火管。
在工作中，壓縮空氣通過逆流或同流而被朝向端蓋120引導，在端蓋處壓縮空氣分成通過預混器154，156，158，160的燃燒空氣，經過開口146和142的圓頂板13和熱屏蔽136上的衝擊空氣，以及經過開口144的摻混空氣。圓頂板和熱屏蔽的衝擊空氣以基本上垂直於氣流的角度衝擊在熱屏蔽136的背側上，並在下遊與燃氣進一步混合。燃氣分別經由內旋流器178和外旋流器180而與預混燃料預混合，並且被傳遞到火焰前端。護罩182具有副燃料迴路，其以擴散焰的方式通過護罩頂部處的多個開口來傳送副油道燃料。這兩個燃料傳送系統最好能獨立地操作和控制。對於固定的火焰溫度來說，可以單獨地操作各旋流器和預混器組件，從而使組合燃料流對應於所需的當量比。這樣，各旋流器和混合器組件(圖中顯示為四個)可以在不同的當量比下操作，以產生符合燃燒室規定的排放，並獲得工作穩定性且較低的燃燒動力。為了傳熱的目的，將剩餘空氣(摻混空氣)朝向開口144引導，以減少通常在高溫下產生的NOX的排放。
由於提供給燃燒室組件102的燃料/空氣混合物含有比完全地燃燒燃料所需的更多的空氣，而且空氣在燃燒之前與燃料混合，因此這種燃燒室是貧預混式燃燒室。因此，該燃燒室的燃料/空氣混合物的當量比優選小於1。
下面將提供一些例子來說明本發明的一些實施例。它們並不意味著在任何方面限制了本發明。
示例1在本例中，對圖3所示渦輪的排放進行監測，該渦輪採用了根據本發明的管形燃燒室。在微型渦輪的全速且滿載(FSFL)的工作期間，監測燃燒室襯套上的不同點處的排放。如圖11所示，在整個燃燒室襯套上，NOX的排放小於約百萬分之三(3ppm)。雖然管形燃燒室中的滯留時間比環形燃燒室中的更長一些，但是在管形燃燒室中採用的單獨操作的預混器提供了NOX排放最少且動壓力波動最小的穩定工藝。在FSFL條件下，燃燒室襯套上的一氧化碳的平均濃度小於約10ppm。在低負荷和/或低溫的工作期間，由於火焰結構緊湊且燃燒室滯留時間較長，因此一氧化碳(CO)和未燃烴的濃度有望達到最小。
雖然已經參考示範性實施例介紹了本發明，然而本領域的技術人員應當理解，在不脫離本發明範圍的前提下，可以對其進行各種修改並對其部件進行等效替換。另外，在不脫離本發明的實質範圍的前提下，可進行多種修改來使特定的情況和材料適應於本發明的內容。因此，本發明並不限於被認為是執行本發明的最佳方式的所公開的特定實施例，而是本發明將包括屬於所附權利要求範圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種用於燃氣輪機的回流式燃燒室(102)，包括圓柱形的燃燒室機匣(112)，其包括設於一端處的端蓋(120)以及與燃氣輪機流體相通的敞開端；設在所述機匣(112)中的圓柱形的燃燒室襯套(122)，在其內部限定了燃燒腔(124)，在其外部限定了位於所述機匣(122)與所述襯套(112)之間的回流流體通道(132)；處於所述燃燒腔(124)上遊的旋流器和混合器組件(140)，其中所述組件(140)包括環狀布置的旋流器和混合器，各個所述環狀布置的旋流器和混合器都包括中心體(176)、連接在所述中心體(176)上的內旋流器(178)、與所述內旋流器(178)相連的外旋流器(180)以及護罩(182)，所述護罩(182)包括在各個所述旋流器和混合器與所述燃燒腔(124)之間延伸的環狀錐形壁(208)；圓頂板(134)，其處於所述燃燒腔(124)與所述旋流器和混合器組件(140)之間；主燃料傳送系統，其包括與四個旋流器和混合器中的每一個均流體相通的燃料源，其中所述主燃料系統適於將燃料徑向地噴射到所述外旋流器(180)中；和副燃料傳送系統，其包括處於所述護罩(182)的環狀錐形壁(208)中的流體通道(206)，其中所述流體通道(206)與所述燃料源流體相通，對於每一個所述旋流器和混合器來說都可以單獨地控制所述主、副燃料傳送系統。
2.根據權利要求1所述的回流式燃燒室(102)，其特徵在於，所述圓頂板(134)還包括與之相連的熱屏蔽(136)，其中所述熱屏蔽(136)包括環狀的端部件。
3.根據上述權利要求中任一項所述的回流式燃燒室(102)，其特徵在於，所述圓頂板(134)還包括多個流體開口(220)，其可在所述燃氣輪機的工作期間提供衝擊在所述熱屏蔽(136)的背側上的氣流。
4.根據上述權利要求中任一項所述的回流式燃燒室(102)，其特徵在於，所述圓柱形的燃燒室襯套(122)包括圍繞著主燃燒區域的多個開口(142)，其可在所述燃氣輪機的工作期間提供衝擊在所述熱屏蔽(136)的背側上的氣流。
5.根據上述權利要求中任一項所述的回流式燃燒室(102)，其特徵在於，所述內旋流器(178)和外旋流器(180)中的每一個均相互間逆向地旋轉。
6.根據上述權利要求中任一項所述的回流式燃燒室(102)，其特徵在於，所述護罩(182)包括與燃料噴嘴(212)流體相通的高壓室(210)，以便從所述燃料源中引入燃料，所述高壓室(210)與位於所述護罩(182)的環狀錐形壁(208)中的所述流體通道(206)流體相通。
7.一種用於在採用了管形燃燒室(102)的燃氣輪機中減少NOX排放的工藝，所述管形燃燒室(102)包括多個旋流器和混合器組件(140)，所述工藝包括為所述多個旋流器和混合器組件(140)中的至少一個組件而單獨地操作主燃料傳送系統，其中所述主燃料傳送系統將燃料噴射到所述至少一個旋流器和混合器組件(140)的旋流器(180)中，以便在不同於其它旋流器和混合器組件(140)的燃料空氣當量比下工作；和為所述多個旋流器和混合器組件(140)中的每一個組件而操作副燃料傳送系統，其中所述副燃料傳送系統經由設在護罩(182)中的開口(206)而將燃料噴射到燃燒腔(124)中，所述護罩圍繞著所述多個旋流器和混合器組件(140)中的每一個組件。
8.根據權利要求7所述的工藝，其特徵在於，操作所述主燃料傳送系統包括將燃料以基本上垂直於流體流動的角度來將燃料噴射到所述多個旋流器和混合器組件(140)中，所述流體的流動穿過所述多個旋流器和混合器組件(140)中的每一個旋流器(180)。
9.根據上述權利要求中任一項所述的工藝，其特徵在於，所述工藝還包括使空氣以基本上垂直於熱屏蔽(136)的角度而流過形成於圓頂板(134)和燃燒室襯套(122)中的開口(142，220)，其中所述圓頂板(134)與所述多個旋流器和混合器組件(140)相連，並且所述熱屏蔽(136)包括與所述圓頂板(134)相連的環形端部件。
10.根據上述權利要求中任一項所述的工藝，其特徵在於，所述至少一個旋流器和混合器組件(140)中的每一個組件在不同的火焰溫度下工作。
全文摘要
一種低排放的渦輪，其包括回流式管形燃燒室(102)，該燃燒室通常包括主、副燃料傳送系統，它們可被單獨地控制以在設計設定點和設計設定點之外的條件下產生較低的一氧化碳、未燃烴和氮氧化物的排放。該回流式管形燃燒室(102)通常包括位於燃燒室內的旋流器和混合器組件(140)，其中每一個旋流器和混合器組件(140)都包括環狀布置的旋流器和混合器陣列，其包括可單獨地控制的主、副燃料傳送系統。本文還公開了一種管形燃燒室(102)，其包括可對熱屏蔽(136)的背側形成垂直衝擊的流體通道(142，220)。本文還公開了一種用於操作管形燃燒室的工藝。
文檔編號F23R3/28GK1601181SQ200410058978
公開日2005年3月30日 申請日期2004年7月22日 優先權日2003年9月22日
發明者A·科利巴巴－埃武勒特, M·J·鮑曼, S·R·桑德爾森, A·J·迪安 申請人:通用電氣公司