用於冷卻低NOx燃燒器中的燃燒室/文丘裡管的裝置/方法
2023-05-31 01:07:26 2
專利名稱：用於冷卻低NOx燃燒器中的燃燒室/文丘裡管的裝置/方法
技術領域：
本發明大體涉及了用於減少燃氣渦輪燃燒系統中的氮氧化物 (NOx)排放的裝置。更具體地說，本發明涉及用於冷卻燃燒室/文丘裡 管以減少氮氧化物排放的裝置。
背景技術：
眾所周知的是，渦輪的溫度影響燃氣渦輪發動機的效率。因此， 越來越傾向於4吏用更高的溫度，這將《I起渦輪上的熱載荷的增加以及 更高的NOx排放。還眾所周知的是，當燃燒器入口溫度升高時，NOx 的排放呈指數級增加。渦輪部件上的這種熱載荷因大量地暴露於來自 燃料空氣混合物的熱通量而產生，該混合物來自燃燒室。
近年來，政府的排放法規越來越關注燃氣渦輪的汙染物排放。氮 氧化物因造成空氣汙染而受到特別關注。
美國專利5,117,636涉及用於冷卻燃燒室與文丘裡管壁的裝置。 在該專利中，該裝置使用來自單個入口的壓縮空氣來冷卻文丘裡管 壁，接著沿下遊方向離開而進入燃燒室。人們發現的是，為了維持高 效率的燃燒器，冷卻的空氣應在距離文丘裡喉管合理的距離處排出 (dump)。否則，冷卻空氣將向上遊移動進入燃燒室，即所謂的回流， 從而危及穩定的火焰。
美國專利6,446,438也涉及用於冷卻燃燒室與文丘裡管壁的裝置。 但在該專利中，該裝置使用了逆流(upstreamflow),將冷卻的空氣重新 導入預混合室，從而沒有空氣被排出至燃燒室。
本發明涉及改進包括文丘裡管壁的燃燒室的冷卻並且同時減少 氮氧化物的排放。
發明內容
提供了 一種乾式(dry)低氮氧化物(NOx)排放的燃燒器，其包括 預混合室，其用於混合燃料與冷卻氣體；和燃燒室，其位於預混合室 的下遊，用於燃燒已預混合的燃料與冷卻氣體。該燃燒器還包括文丘 裡管，其具有大致環形的壁並且位於預混合室與燃燒室之間，該環形 壁包括限定收縮部分(constricted portion)的匯聚壁部分和發散壁部分， 已預混合的燃料與空氣通過文丘裡管到達燃燒室。該壁限定了用於冷 卻氣流的通道，該通道沿燃燒室軸向延伸並具有使冷卻氣體流入燃燒 室的出口。位於匯聚壁部分和發散壁部分處的多個入口將冷卻氣體吸 入通道以產生沖擊冷卻效果。布置在入口的下遊的多個紊流器與冷卻 氣體相互作用以產生紊流冷卻效果。燃燒器可在相當大的溫度範圍內 被有效地點燃，以減少燃燒器的NOx排放。
還提供了 一種燃燒室中的乾式低氮氧化物(NOx)排放的方法，其 包括預混合燃料與冷卻氣體以及收縮該燃料與冷卻氣體流。該方法還 包括冷卻氣體的沖擊冷卻和冷3卩氣體的紊流冷卻。該方法還包括在相 當大的溫度範圍內燃燒已預混合的燃料和冷卻氣體，從而減少NOx 排放。
圖1是現有技術燃氣渦輪燃燒器系統的截面的簡化視圖； 圖2是本發明示例性實施例的燃氣渦輪燃燒器系統的截面的簡化 視圖3是圖2的燃氣渦輪燃燒器系統的前方集成環(forward integrating ring)的截面圖。
附圖標記
燃燒器 10,30 燃料 11,31
文丘裡管12,46
燃料流控制器13,33
預混合室14，36
燃料噴嘴15,34
燃燒室16,32
孔17,48
上壁18,40
中心線19，35
下壁20，42
外壁21,37
氣流通路22，44
母體襯裡(parent liner)23，38
入口24，56
方向箭頭25，39
排出開口26，64
匯聚壁27，41
發散壁29,43
紊流冷卻部分58
支撐條60
紊流器62
前方集成環50
集成環實體52
集成環角形鰭狀物(angled fin)5具體實施例方式
參考圖1，大體顯示了已有的燃氣渦輪燃燒器10。該燃燒器10 包括文丘裡管12，用於預混合空氣與燃料的環形預混合室M以及燃 燒室16。渦輪壓縮機(未顯示)向預混合室14提供氣流，該預混合室
14接著引入燃料並形成燃料空氣混合物。燃料11通過燃料流控制器 13提供至一個或多個燃料噴嘴15。空氣通過一個或多個進入孔17引 入。燃燒室16的形狀是圍繞燃燒器中心線19的大致圓柱形，且被壁 21和母體襯裡或壁23所包圍。如箭頭25所示，該燃料-空氣混合物 沿下遊方向移向燃燒室16。在此處，燃料-空氣混合物的流動被匯聚 壁/發散壁27和29所收縮，該匯聚壁/發散壁27和29限定了具有約 112.5度錐角的錐形。該收縮使燃料-空氣的混合物加速進入它將在其 中燃燒的燃燒室16，這將在文丘裡管12上生成大量的熱通量。渦輪 壓縮機(未顯示)通過入口 24提供冷卻空氣，以在上壁18與下壁20之 間進入通路22，從而產生後側(backside)衝擊冷卻。冷卻空氣隨後將通 過文丘裡管的通路22向下遊移動，從而冷卻通路22的壁。冷卻空氣 沿著燃燒室壁通過排出開口 26離開。該空氣隨後用於燃燒室16內的 冷卻和燃燒工藝。
參考圖2，本發明實施例的燃氣渦輪燃燒器大體示為30。燃氣渦 輪燃燒器30大體包括燃燒室32,燃料噴嘴34(如此處所示， 一些燃氣 渦輪在各燃燒器中採用多個噴鳴"，環形預混合室36及文丘裡管46。 渦輪壓縮機(未顯示)向預混合室36提供氣流，該預混合室36接著引 入燃料形成燃料空氣混合物。燃料31通過燃料流控制器33提供至燃 料噴嘴34。空氣通過一個或多個進入孔48引入。燃燒室32的形狀是 圍繞燃燒器中心線35的大致圓柱形，且被壁37和母體襯裡或壁38 所包圍。基本為圓柱形的母體襯裡38包括上壁40和下壁42，從而限 定了燃燒室32。上壁40與下壁42之間的徑向空間限定了氣流通道或 通路44。
如箭頭39所示，該燃料-空氣混合物沿下遊方向移向燃燒室32。 在此處，燃料-空氣混合物的流動被匯聚壁/發散壁41和43所收縮， 該匯聚壁/發散壁41和43限定了具有約67.5度錐角的錐形。但是， 認為介於約60度到約90度的範圍內的錐角提供了本發明的良好性能 和足夠冷卻的優點，並且處於本發明範圍內。已預混合的燃料和空氣
隨後將向下遊引入燃燒室32。基於伯努利原理，文丘裡管46引起的 流動收縮將使得混合物在通過匯聚壁時加速，由此在速度增加的同時 壓力將降低。因此，這將導致燃料-空氣的混合物加速進入它將在其中 燃燒的燃燒室32，這在需要冷卻的文丘裡管46上形成極大量的熱通 量。
文丘裡管46提供多種冷卻方式。 一種冷卻方式包括後側衝擊冷 卻，其中渦輪壓縮機(未顯示)通過多個入口或者縫56提供冷卻空氣(壓 縮空氣)，以在上壁40和下壁42之間進入通路44。入口56定向在母 體襯裡38的上壁40上，並且沿文丘裡管46的匯聚壁與和發散壁集 中。冷卻空氣隨後將向下遊通過文丘裡管的通路44移動到紊流冷卻 部分58。
紊流冷卻部分58被收縮，由此上壁40向內匯聚。為保持該形狀， 支撐條60位於紊流冷卻部分58的進口和排出口處。在紊流冷卻部分 58內，紊流器62沿下壁42縱向等距地定向，並且在文丘裡通路44 內向內地導向上壁40。紊流器62形成在冷卻空氣與上壁40和下壁 42的金屬之間的更多接觸，從而因紊流而促成更好的熱交換。
來自紊流冷卻部分58的冷卻空氣隨後將通過通路44移動至排出 開口 64。排出開口 64隨後將冷卻空氣釋放至燃燒室32內，這有助於 在燃燒過程中提供穩定的火焰以及為燃燒室32提供冷卻。
仍參考圖3,引入前方集成環50以減小通路44上的前方內部錐 形聯接點處的熱應力，並且同時保持高效的冷卻模式。前方集成環50 還設有防漏接頭。前方集成環50具有實體52及角形鰭狀物54，該角 形鰭狀物防護了接收有限量冷卻的通路44的一小部分，從而有助於 減少排放。鰭狀物54離開實體52軸向延伸，從而覆蓋通路44的足
夠多的部分以減小熱應力。
燃燒器30內的這種增強的前述多種冷卻空氣的方式減少了 NOx 排放，並且同時保持穩定的火焰。進一步地，由於前方集成環50的 引入以及文丘裡管46集成於母體襯裡38內，故洩漏路徑得以消除， 這明顯有助於前述用於控制流動變化的方式。更進一步地，約67.5度 的文丘裡管錐角也有助於冷卻且不犧牲性能。該多種冷卻方式的使 用，如衝擊和紊流，節約了冷卻空氣。NOx排放的減少也有助於遵守 政府法規。
雖然表示和描述了優選實施例，但是可對實施例進行各種改動或 者替換而不偏離本發明的精神和範圍。因此，可以理解本發明是以示 例性方式而不是以限制性方式進行描述。
權利要求
1.一種乾式低氮氧化物(NOx)排放的燃燒器(30)，其包括預混合室(36)，其用於混合燃料(11)與冷卻氣體；燃燒室(32)，其位於所述預混合室(36)的下遊，用於燃燒已預混合的燃料與冷卻氣體；及文丘裡管(46)，其具有大致環形的壁並且位於所述預混合室(36)與所述燃燒室(32)之間，所述環形壁包括限定收縮部分的匯聚壁部分(41)和發散壁部分(43)，所述已預混合的燃料與空氣通過所述文丘裡管(46)到達所述燃燒室(32)，所述壁限定了用於冷卻氣流的通道(44)，所述通道沿所述燃燒室(32)軸向延伸並具有使冷卻氣體流入所述燃燒室(32)的出口，位於所述匯聚壁部分(41)和所述發散壁部分(43)處的多個入口(56)將冷卻氣體吸入所述通道(44)以產生衝擊冷卻效果，布置在所述入口(56)的下遊的多個紊流器(62)與所述冷卻氣體相互作用以產生紊流冷卻效果；因此，所述燃燒器(30)可在相當大的溫度範圍內被有效地點燃，以減少所述燃燒器(30)的NOx排放。
2. 根據權利要求1所述的燃燒器(30)，其特徵在於，所述匯聚壁 部分(41)和所述發散壁部分(43)限定了介於約60度到約90度之間的錐 角。
3. 根據權利要求2所述的燃燒器(30)，其特徵在於，所述錐角為 約67.5度。
4. 根據權利要求1所述的燃燒器(30)，其特徵在於，所述文丘裡 管(46)還包括前方集成環(50)，所述前方集成環具有實體(52)和鰭狀物 (54)。
5. 根據權利要求4所述的燃燒器(30)，其特徵在於，所述鰭狀物 (54)離開所述前方集成環(50)的實體(52)軸向延伸。
6. 根據權利要求1所述的燃燒器(30)，其特徵在於，所述文丘裡管(46)集成於所述燃燒器(30)的母體村裡(38)內。
7. 根據權利要求1所述的燃燒器(30)，其特徵在於，所述通道(44) 的直徑在所述紊流器(62)所處的^f立置處減小。
全文摘要
本發明涉及用於冷卻低NOx燃燒器中的燃燒室/文丘裡管的裝置/方法。一種乾式低氮氧化物排放的燃燒器包括預混合室和燃燒室。該燃燒器還包括文丘裡管，其具有大致環形的壁並且位於預混合室與燃燒室之間，該環形壁包括限定收縮部分的匯聚壁部分和發散壁部分，已預混合的燃料與空氣通過文丘裡管到達燃燒室。該壁限定了用於冷卻氣流的通道，該通道沿燃燒室軸向延伸並具有使冷卻氣體流入燃燒室的出口。位於匯聚壁部分和發散壁部分處的多個入口將冷卻氣體吸入通道以產生衝擊冷卻效果。布置在入口的下遊的多個紊流器與冷卻氣體相互作用以產生紊流冷卻效果。燃燒器可在相當大的溫度範圍內被有效地點燃，以減少燃燒器的NOx排放。
文檔編號F23D14/78GK101349425SQ20081013163
公開日2009年1月21日 申請日期2008年7月15日 優先權日2007年7月16日
發明者D·W·西蒙斯, J·勒貝格, N·格魯姆斯, W·K·赫斯勒 申請人:通用電氣公司