一种结合了ＤＡＣＲＳ型燃烧器和旋流喷嘴型燃烧器的特征的混合结构，提供了轴流对转式叶片旋流器的高混合能力，以及非流线型中心体的良好的动态火焰稳定性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及重型工业燃气轮机，更具体地说涉及用于燃气轮机的燃烧器，其包括燃料/空气预混器以及用于稳定燃气轮机燃烧室中的已预混燃烧气体的结构。
技术介绍
燃气轮机的制造商经常性地专注于用来生产新型燃气轮机的研究和工程项目，这种燃气轮机能够高效率地运转，同时不会产生不合要求的空气污染排放物。燃烧传统烃类燃料的燃气轮机通常产生的主要空气污染排放物是氮的氧化物、一氧化碳以及未燃烃。在本领域中众所周知，喷气发动机中的分子氮的氧化在很大程度上取决于燃烧系统反应区中的最高热气温度。形成氮的氧化物(NOX)的化学反应的速度是温度的指数函数。如果将燃烧室的热气温度控制在足够低的水平，那么就不会产生热的NOX。将燃烧室反应区的温度控制在低于会形成热NOX的温度水平的一种优选方法是，在燃烧之前将燃料和空气预混成贫混合气。存在于贫预混式燃烧室的反应区中的过量空气的热质量吸收热量，并将燃烧产物的温升降低到不会形成热NOX的水平。若干问题与干燥低排放物的燃烧室相关，这种燃烧室在燃料和空气的贫预混条件下工作，其中燃料和空气的可燃混合气存在于燃烧室中的位于燃烧室反应区之外的预混部分中。由于逆燃或自燃的原因，在预混部分中可能会发生燃烧，当火焰从燃烧室反应区扩散到预混部分时会发生逆燃，当燃料/空气混合气在预混部分中的滞留时间和温度足以使得在没有点火器的条件下也能启动燃烧时就会发生自燃。在预混部分中产生燃烧的结果是排放性能降低和/或预混部分过热和受损，而预混部分通常未被设计成能承受燃烧的热量。因此，要解决的问题是防止会导致在预混器中产生燃烧的逆燃或自燃。另外，离开预混器并进入燃烧室反应区中的燃料和空气混合气必须是非常均匀的，以达到所需的排放性能。如果在流场中存在其中燃料/空气混合气浓度显著高于平均水平的区域，那么这些区域中的燃烧产物将达到比平均水平更高的温度，并且会形成热NOX。这可能导致无法根据温度和滞留时间的组合来满足NOX排放的目标。如果在流场中存在其中燃料/空气混合气浓度显著低于平均水平的区域，那么就可能发生熄火，导致不能将烃和/或一氧化碳氧化至平衡水平。这可能导致无法满足一氧化碳(CO)和/或未燃烃(UHC)的排放目标。因此，需要解决的另一问题是产生离开预混器的足够均匀以满足排放性能目标的燃料/空气混合气的浓度分布。另外，为了满足在许多应用中施加于燃气轮机上的排放性能目标，需要将燃料/空气混合气的浓度降低到接近大多数烃类燃料的贫燃极限的水平。这将导致火焰扩散速度和排放物的降低。结果，贫预混式燃烧室将变得比大多数传统的扩散火焰式燃烧室更不稳定，并经常导致燃烧所产生的较高水平的动态压力波动(动态特性)。动态特性可能具有负面影响，例如因磨损或疲劳、逆燃或爆裂而引起燃烧室和涡轮硬件的损坏。因此，需要解决的另一问题是将燃烧的动态特性控制在可接受的低水平。用于减少排放物的贫预混式燃料喷射器普遍用于整个行业中，其已经被简化应用于重型工业燃气轮机中超过二十年。在美国专利No.5259184中介绍了这种装置的一个代表性示例，该专利公开通过引用结合于本文中。这种装置已经在减少燃气轮机的废气排放物的领域中取得了重大进展。在不使用喷射稀释剂如蒸气或水的条件下，相对于现有技术的扩散火焰式燃烧器而言，氮的氧化物NOX的排放已降低了一个数量级或更多。然而，如上所述，在排放性能方面的这些收获是在冒有会引起若干问题的风险下取得的。特别是，由于过热的原因，被保持在装置的预混部分中的逆燃和火焰会导致排放性能降低和/或硬件破坏。另外，燃烧所产生的动态压力波动的水平增加，导致燃烧系统的部件和/或燃气轮机的其它部件的使用寿命因磨损或高周疲劳失效而缩短。此外，为了避免会导致高水平的动态压力波动、逆燃或爆裂的状况，燃气轮机的操作复杂性增加，和/或必须对燃气轮机设定操作限制。除了这些问题之外，传统的贫预混式燃烧室无法在燃料和空气非常均匀地预混的条件下实现最大可能地减少排放物。双环形对转式旋流器(DACRS)型燃料喷射器的旋流器是已知的，其因较高的流体剪切和湍流而具有非常良好的混合特性，在美国专利No.5165241、No.5251447、No.5351477、No.5590529、No.5638682和No.5680766中介绍了其代表性的示例，这些专利的公开内容通过引用结合于本文中。参见图1中的示意性图示，DACRS型燃烧器10由收敛型中心体12和对转式叶片组14构成，叶片组14限定了相对于中心体轴线20的径向内通道16和径向外通道18，这些同轴通道均具有旋流叶片。这种喷嘴结构由外径支撑杆22来支撑，其包含了用于将燃料输送到外通道18的叶片中的燃料歧管24。虽然已知DACRS型燃料喷射器的旋流器具有非常良好的混合特性，但是这些旋流器并不能在中心线处产生强大的循环流，因此经常需要另外地喷射未预混燃料，以便使火焰完全稳定。这种未预混燃料将NOX的排放量增大到高于如同燃料和空气完全混合时可能达到的水平。旋流喷嘴(swozzle)型燃烧器采用了沿着燃烧器的中心线延伸的圆柱形中心体，在美国专利No.6438961中介绍了该燃烧器的代表性例子，其公开内容通过引用结合于本文中。这种中心体的末端设有非流线形体，从而在其尾流处形成了使火焰稳定的强烈的再循环区域。这类燃烧器的结构是已知的，其具有良好的固有火焰稳定性。参看图2，图中示意性地显示了旋流喷嘴型燃烧器的一个例子。空气在标号40处从高压气室进入到燃烧器42中，高压气室包围了该组件，但伸入到燃烧室反应区中的排气端44除外。在穿过入口40之后，空气进入到旋流器或“旋流喷嘴”组件50中。旋流喷嘴组件包括毂部52(如中心体)以及由一系列翼型形状的导向叶片56所连接的护罩54，其中叶片56将涡流施加到经过预混器的燃烧空气中。各导向叶片56包括穿过翼型芯部的气体燃料供给通道。这些燃料通道将气体燃料分布到穿过翼型壁的气体燃料注入孔(未示出)中。气体燃料经由为导向叶片通道58供料的入口和环形通道60而进入到旋流喷嘴组件中。气体燃料在旋流喷嘴组件62中开始与燃烧空气混合，并且在由中心体延伸部分64和旋流喷嘴护罩延伸部分66所形成的环形通道中完成燃料/空气的混合。在离开环形通道之后，燃料/空气混合气进入燃烧室反应区，在这里进行燃烧。DACRS型和旋流喷嘴型燃烧器都是沿用已久的燃烧器技术。但是这并不是说这些燃烧器不能得到提高。的确，如上所述，DACRS型燃烧器通常并不能提供良好的预混火焰稳定性。另一方面，旋流喷嘴型燃烧器通常无法实现燃料和空气的完全均匀的预混。
技术实现思路
本专利技术提供了一种燃烧器概念的独特组合，其包括有展示出极佳混合特性的双重对转式轴流旋流器，以及可提供良好火焰稳定性的圆柱形的非流线型中心体。这样，本专利技术可体现为用于工业燃气轮机的燃烧系统中的燃烧器，该燃烧器包括外周壁；同轴地设置在所述外壁中的燃烧器中心体；包括空气入口、至少一个燃料入口和分配环的燃料/空气预混器，所述分配环与中心体一起限定了相对于中心体轴线的第一径向内通道，并与外壁一起限定了第二径向外通道，第一和第二通道均具有可对穿过预混器的燃烧空气施加涡流的气流导向叶片，所述叶片分别与所述中心体和所述分配环相连，以及与所述分配环和所述外壁相连；以及气体燃料的流动通道，其形成在所本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种在工业燃气轮机的燃烧系统中使用的燃烧器，所述燃烧器包括：外周壁（１５４，１６６，３６６）；同轴地设置在所述外壁中的燃烧器中心体（１５２，１６４，２５２，３６４）；包括空气入口（１４０）、至少一个燃料入口（１６１， １６３，２６３，２６８，２７０，３６３）和分配环（１５３）的燃料／空气预混器（１５０，３５０），所述分配环与中心体一起限定了相对于中心体轴线的第一径向内通道（１１６，２１６），并与所述外壁一起限定了第二径向外通道（１１８，２１８），所述第一和第二通道均具有可对穿过所述预混器的燃烧空气施加涡流的气流导向叶片（１５６，１５７，２５６，２５７），所述叶片分别与所述中心体和所述分配环相连，以及与所述分配环和所述外壁相连；和气体燃料的流动通道（１６０，３６０），其形成在所述中心 体内并至少部分地沿着所述中心体周向地延伸，用于将气体燃料引导至所述燃料／空气预混器（１５０，３５０）中。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：TE约翰逊，SK维德纳，KW麦马汉，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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