用于火焰稳定的系统及方法技术方案

提供了一种用于火焰稳定的系统及方法，其通过改进火焰稳定来防止初始的贫熄火。燃烧器轮廓选定成保持期望水平的功率输出，同时最小化或消除机外空气排放(50,52)并且最小化排放物。选定的燃烧器轮廓将平均轴功率保持在从大约50％高达全功率的范围中，同时在保持此类功率设定时消除机外空气排放(50,52)。实施例允许燃烧器在较低火焰温度下以可接受的排放物操作。由于燃烧器可在部分功率操作期间以较低体积火焰温度操作，故可减少或甚至消除低效机外排放的使用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】 【附图说明】 图1为示出用于火焰稳定的系统的实施例的所选特征的设置在燃烧器内的预混 器的截面视图。 图2-9示出了与用于火焰稳定的系统和方法的实施例相关联的喷燃器模式中的 操作；其中， 图2为设置在燃烧器内的预混器的截面视图，其示出了发动机启动时的喷燃器模 式1操作。 图3为设置在燃烧器内的多个预混器的端视图，其关于喷燃器模式1操作的图2 中所示的截面视图。 图4为示出喷燃器模式2操作的设置在燃烧器内的预混器的截面视图。 图5为设置在燃烧器内的多个预混器的端视图，其关于喷燃器模式2操作的图4 中所示的截面视图。 图6为示出喷燃器模式3操作的设置在燃烧器内的预混器的截面视图。 图7为设置在燃烧器内的多个预混器的端视图，其关于喷燃器模式3操作的图6 中所示的截面视图。 图8为示出喷燃器模式4操作的设置在燃烧器内的预混器的截面视图。 图9为设置在燃烧器内的多个预混器的端视图，其关于喷燃器模式4操作的图8 中所示的截面视图。 图1〇示出了随功率和控制温度变化的现有技术的典型DLE分级。 图11示出了随功率和控制温度变化的与用于火焰稳定的系统和方法的实施例相 关联的分级。 图12示出了随平均轴功率和平均热效率变化的相比于用于火焰稳定的系统和方 法的实施例的图10的现有技术的系统。
技术介绍
在海洋和工业应用，尤其是机械传动应用中利用的燃气涡轮特征在于作为构件的 燃烧器，并且通常在部分功率下操作达延长的时间段。部分功率在本文中意思是在低于 100%负载下的操作。随着燃料价格的上涨，改进的部分功率效率是操作者非常期望的性 质。 喷嘴设置在涡轮燃烧器内，该喷嘴用于将燃料引入到穿过燃烧器的空气流中。点 火器典型地用于引起所得的空气燃料混合物在燃烧器内焚烧。焚烧的空气燃料混合物发送 出燃烧器，并且穿过一个或更多个涡轮以提取功率，该功率驱动压缩系统，并且向操作者提 供有用功。 干式低排放物（下文为DLE)燃烧器为依靠贫预混燃烧的燃气涡轮发动机构件，其 在体积火焰温度（下文为T flaJ窗口内操作，在该体积火焰温度窗口内，排放物在极限内。 Tfl_为由进入供燃料的燃烧器杯的空气和燃料的完全燃烧引起的计算出的绝热火焰温度。 在Tfl_的最大值下，氮氧化物（NOx)的排放物剧烈地增加。在Tfl_的最小值下（下文为 TflaMlin)，作为不合乎需要的燃烧副产物的一氧化碳（C0)的排放物增加。在本领域中，典型 的操作在于向机外排放压缩机空气，以便减少该不合乎需要的排放副产物。然而，机外排放 空气提取的此类现有技术的使用用于在期望的温度范围的窄带中保持局部T flanre，但其还降 低了局部功率效率，从而增加了燃料操作费用。 因此，将解决的问题在于最大化DLE燃气涡轮的部分功能率效率特性，同时最小 化不合乎需要的排放物副产物。机外排放空气提取典型地在部分功率操作下使用，以通过 将燃烧器体积火焰温度保持在窄带中来保持DLE系统中的可接受排放物。此外，现有技术 中已经看到限制量的预混环和杯的分级。随着排放物法规变得更严格，体积火焰温度的可 接受窗口变得更加窄，并且难以实现。随着T fl_带变窄，发动机需要增加排放空气的使用 来保持在可接受的体积火焰温度的窗口中。 避免排放技术（BAT)关于通过减少排放空气提取量来改进干式低排放物（DLE)发 动机的部分功率效率的方法。提供了实施例，其包括BAT来实现低功率状态下的扩散焰操 作、高功率状态下的预混焰操作，以及中间功率设定下的预混/扩散焰的组合，从而提供了 降低排放空气要求以改进性能同时满足严格的排放物要求的手段。加强的贫熄火（下文为 ELB0)是指如下构想：选定的特征允许在如在现有系统可遭受火焰完全熄火的损失的 边缘处看到的非常接近空气/燃料比的贫空气/燃料比和温度下操作。可变的ELB0是指 以优化贫操作的方式按期望改变燃料输送的能力。 现有技术的DLE发动机中的燃料系统设计要求主要集中于全负载效率和排放物。 尽管是值得的目标并且人们开始满足本领域中不断增长的需要，但利用可变ELB0燃料的 实施例在从启动到全功率的较宽阔功率设定范围下提供了提高的效率和减少的排放物。备 选方案向大多数预混器提供了可变ELB0,以提高燃料系统的功能，并且优化全功率排放物 的减少，并且实现T fl_下的部分功率下调。 为了改进传统DLE应用中的部分功率效率，主要途径在于添加周向分级模式，其 中燃烧器的若干杯关闭（即，不供燃料）。该途径将局部冷区引入在燃烧器中，从而增加了 C0排放物，并且需要附加的控制阀和附加的时间来映射（map)周向模式。 本领域中的设计包括使用两个杯和三个杯的预混器。图示提供了用于利用预混器 中的三个杯的那些系统的A杯、B杯和C杯。减少对排放空气提取的需要的本领域中的其 它设计包括可变面积涡轮喷嘴（VATN)和排放再喷射（也称为旁通排放）回到动力涡轮中。 然而，这些现有技术的设计相对昂贵，已经经历有限的可靠性，并且相比于本实施例在技术 上复杂。 进一步详细而言，现有技术的DLE发动机提取压缩机排放来提供机外排放空气提 取，作为保持燃烧器火焰温度高于下阈值的手段，低于该下阈值，C0和UHC排放物快速增 力口。下阈值称为初始贫熄火。
技术实现思路
相比之下，提供了实施例，其通过改进火焰稳定来提供防止初始贫熄火的手段，从 而使燃烧器能够在较低火焰温度下以可接受的排放物操作。实施例允许燃烧器在部分功率 操作期间在较低的体积火焰温度下操作，从而减少或甚至消除低效机外排放空气提取的使 用。 在解决该问题时，提供了实施例，其利用可变ELB0来作为预混器的特征，并且将 燃料直接喷射到燃烧室中。ELB0燃料的该使用通过产生小高温扩散焰来改进火焰稳定，该 小高温扩散焰用作通过一个或更多个预混器进入燃烧器的燃料空气混合物的点火源。相比 之下，大部分燃烧为贫预混的。一个或更多个预混器均可具有一个或更多个杯，其中实施例 包括具有两个杯A和B (如图1中所示）的那些；并且备选方案包括具有三个杯A，B和C (未 示出）的那些。提供了实施例和备选方案，它们增大了火焰温度（TflaiJ的范围，这允许在 可接受的排放物水平处或低于可接受的排放物水平的期望有效操作。该解决方案包括使用 可变且独立地控制的ELB0燃料，从而允许在整个操作范围内优化排放物，并且提供了特征 为控制/分级逻辑的控制系统以允许火焰在低功率状态下在操作中主要是扩散焰，而在高 功率状态下主要是预混操作。操作者清楚地认识到与部分功率热效率的仅一个百分点的改 进相关联的成本节省。因此，这些实施例对于所有操作者具有较高的值，其中来自提供的实 施例的使用的可测量的结果包括在相比于在类似条件下操作的已知技术的DLE燃气轮机 时的、部分功率热效率的高达3个百分点的改进。尽管增大了部分功率效率，但实施例还降 低了燃料系统成本和复杂性。附加的备选方案利用扩散焰并且从而降低燃烧声音。就此而 言，实施例用于通过减小暂时的声音来改进燃烧系统的持久性。相比于现有技术的分级DLE 燃烧器，实施例还提供了在部分功率操作期间保持更一致的离开轮廓和图案因素以及较低 的涡本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于火焰稳定的系统，所述系统包括具有一个或更多个预混器的燃烧器，各个预混器具有一个或更多个预混杯，并且各个预混器形成并且设置在一个或更多个可变ELBO通道内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.12.20 US 61/577,934;2012.07.25 US 13/557,7501. 一种用于火焰稳定的系统，所述系统包括具有一个或更多个预混器的燃烧器，各个 预混器具有一个或更多个预混杯，并且各个预混器形成并且设置在一个或更多个可变ELBO 通道内。2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括放置成与所述杯流体连通的所述 一个或更多个可变ELBO通道，其中所述一个或更多个可变ELBO通道提供用于在各个杯下 游产生扩散焰的燃料，并且预混通道提供用于在各个杯下游产生预混焰的燃料。3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括总数为二十四个预混器的所述一 个或更多个预混器。4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括一个或更多个机外排放通道。5. 根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述一个或更多个机外排放通道为第一 机外排放通道和第二机外排放通道。6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括选定的燃烧器轮廓和图案，其中所 述预混器具有选自扩散、预混、两者的组的燃料流，没有燃料流；并且预混器的任何子集可 具有从所述组得到的燃料流的任何选择。7. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述选定的燃烧器轮廓提供了通过所述 喷燃器模式中的任一个的分级，包括无论如何以任何顺序的沿周向分级、按顺序遵循喷燃 器模式、改变选定的喷燃器模式中的预混器的利用，或按需要跳过任何喷燃器模式。8. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述选定的燃烧器轮廓保持期望水平的 功率输出，同时最小化或消除机外空气排放和最小化排放物。9. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述选定的燃烧器轮廓将平均轴功率保 持在从大约50%高达全功率的范围中，同时在保持此类功率设定时消除机外空气排放。10. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括为两个杯的一个或更多个预混 杯；A预混杯和B预混杯，并且所述一个或更多个可变ELBO通道为A预混杯预混通道和B预 混杯预混通道。11. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括为三个杯的一个或更多个预混 杯；A预混杯、B预混杯和C预混杯；所述一个或更多个可变ELBO通道为A预混杯预混通道、 B预混杯预混通道，以及C预混杯预混通道。12. -种用于火焰稳定的方法，包括以下步骤： a. 提供发动机，其具有用于燃料流的控制器、具有一个或更多个预混器的燃烧器，各个 预混器具有一个或更多个杯，所述一个或预混器形成并且设置在以下内：可变ELBO通道、 用于各个杯的预混通道，此类通道放置成与所述杯流体连通，其中所述可变ELBO通道在利 用时提供用于在各个杯下游产生扩散焰的燃料，并且所述预混通道在利用时提供用于在各 个杯下游产生预混焰的燃料； b. 起动所述发动机，由此燃料在启动时以喷燃器模式1按ELBO(扩散）燃料提供，并且 保持喷燃器模式1，其中AELB0(扩散）燃料流通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：MD杜尔宾，MA米勒，LK布拉克曼，DA林德，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US