用于燃烧设备的涡流预混合器制造技术

在一个实施例中，提供预混合器用于例如与驻涡（TVC）燃烧器一起使用，该预混合器将预混合的燃料和空气以与腔中的自然涡流流动相容的方式直接喷入再循环涡流中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术属于燃烧和燃气轮机的领域，特别是用于干低排放的燃气轮机设计领域，更具体地涉及用于将燃料和空气预混合以实现超低燃烧排放的设备和方法。
技术介绍
预混合器能够用于增强能量释放/转换系统(例如用于为燃气轮机发动机或发电机提供动力的燃烧器)中的火焰稳定性。为了简便，本公开始终使用术语“燃烧器”，但是应当理解本公开更加普遍地涉及能够根据操作条件作为燃烧器或燃料重整器以及专用燃烧器和重整器设备操作的能量释放/转换系统。除非文中另外明确要求，否则术语“燃烧器”、“重整器”和“能量释放/转换系统”应该被认为完全可互换。当前现有技术中使用的预混合器包括置于燃烧器入口处的“毂和辐条”构型的单元，例如通用电气、Pratt&Whitney、西门子所采用的那些单元,其中燃料通过毂供应,喷射出径向辐条并且/或者集成到旋流叶片中。这些预混合器的辐条具有多个横向于燃烧器入口的尺寸均匀的轴向孔。这些预混合器的设计倾向于使它们对于特定燃料-空气动量流量比最优化。因此，这些预混合器在狭窄的功率带中最佳地工作，并且没有在整个发动机操作包线上提供最均匀的燃料-空气混合物。系统会产生太贫或太富的燃料-空气区域，从而不利地影响排放。因此，看上去可以通过重新设计与这些系统协作使用的预混合设备在更宽的操作条件范围上更好地工作而进一步改进能量释放/转换系统的操作。在公知为“驻涡”燃烧器(TVC，在本公开中稍后讨论)的一类燃烧设备中，在燃烧区域中，例如在钝体之间或者燃烧器的壁中提供腔，在腔中将形成涡流和/或其它湍流，从而稳定贫混合物的燃烧。例如参见授予Roquemore等人的美国专利No. 5，857，339。燃料和/或空气可通过离散的喷射器喷入驻涡腔中，以引起该区域中更大的混合并且进一步提高火焰稳定性。离散的燃料和空气喷射器可例如位于由燃烧腔的壁限定的驻涡区域的前壁和后壁上。例如参见Burrus的美国专利No. 5，791，148。Haynes等人的GE全球研究“用于下一代燃气轮机的先进燃烧系统，最终报告(Advanced Combustion Systems for Next Generation Gas Turbines, Final Report)，，，2006年I月(DE-FC26-01NT41020)描述了与Burrus描述的燃烧器布局类似的燃烧器。在Haynes等人公开的某些实施例中，作为前述离散的燃料和空气入口的替代，燃料和空气可以预混合，通过入口锥并且/或者通过燃烧腔的前壁或后壁引入。在入口锥和燃烧腔中都引入预混合物的实施例生成了堆积的双涡流，以及高度湍流混合。在描述了另一 TVC实施例的美国专利No. 7，603，841中，Steele等人公开了一种具有入口预混合以及向由钝体部分地限定的燃烧腔中喷射的后喷射器的燃烧器。在该实施例中，后喷射器指向与进入的预混合物流相反的方向，以引起湍流涡流混合。至今为止，向燃烧腔中喷射燃料、空气和 /或预混合的燃料和空气的所有的TVC设计已经设计为引起湍流，从而导致形成额外的涡流，或者以其它方式增加涡流腔中的湍流混合。例如，Haynes等人的图3-7示出了每个TVC腔中的双驻涡。在这些腔中会发生的“自然”流动会是单涡流，该“自然”流动指的是在缺少预混合物喷射的情况下在腔中会自然发生的流体流动，假定流动以其它方式通过燃烧器的主流径发生。在Haynes等人的图3-7所示的情况下，所示“双涡流”中的第二涡流由预混合物喷射到TVC腔中而生成，不会以其它方式存在。在其它情况下，例如在仅提供单个涡流的情况下，所示的主涡流可能以其它方式存在，但是基本通过添加预混合物的冲击而修正，例如通过从其在腔中的自然位置平移运动，形成更多的湍流，或者以其它方式基本变形。Rakhmailov 共同转让的美国专利公报 2008/0092544A1 (RakhmaiΙον’ 544 公报)公开了一种预混合器，该预混合器与根据共同转让给Rakhmailov等人的美国专利No. 7, 086, 854 (RakhmaiIovj 854)的公开设计的燃烧器组合配置。Rakhmailov’ 544公报中的预混合器仅在燃烧器的入口处配置。该燃烧器的入口具有高流体流动速度，因而在高速度环境中进行入口预混合。虽然在Rakhmailov’ 544公报中描述的设计向Rakhmailov’ 854中描述的再循环涡流燃烧器添加入口预混合器，但是两个公开都没有包含用于直接向涡流腔中喷射燃料、空气和/或预混合的燃料和空气的任何设备。实际上，Rakhmailov’ 854明显教导不允许燃料进入再循环涡流腔中的热再循环气体中，阐述了湍流机械混合能够减小整体再循环速度，导致不均匀的燃料分布，并且降低再循环流动加入入口流动处的温度，这与Rakhmailov ‘854的设计目的相背。Roquemore 等人、Burris、Haynes 等人、Steele 等人、Rakhmailov ^854 和Rakhmailov ‘544公报的全部相应公开均为了所有目的通过引用全部结合于此。理想的是在多个方面中改进现有技术。首先，理想的是通过使用于任意类型的燃烧器的入口预混合器更加适于宽范围的操作条件而改进该预混合器。其次，理想的是在燃烧器的涡流区域中提供预混合而增强而不是扰乱正常涡流。第三，理想的是提供用于有利地彼此结合地使用入口预混合器和涡流预混合器的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种在燃烧器中使用的优良的燃料一空气预混合设备和方法。该预混合器设备的期望属性包括该预混合器应该在燃烧器入口的截面区域上提供均匀的燃料分布。该预混合器应该在宽的发动机操作条件范围上提供均匀的燃料一空气混合物。该预混合器应该提供短的预混合长度。该预混合器应该与宽范围的燃料相容，包括在燃气轮机中使用的所有气体和液体燃料。该预混合器应该提供低排放产生。该预混合器或者单独的预混合器应该可修改以有助于稳定TVC的驻涡腔中的燃烧，与所设计的TVC的流动模式一致，流动模式包括所利用的低湍流模式。应该可以协调在设计中利用的任何多个预混合器的操作，以在系统的操作范围上提供最好的操作。所提供的该预混合器系统和方法应该能适用于宽范围的应用。在一个实施例中，这些目的可以通过提供入口预混合器组件实现，该入口预混合器组件包括毂、多个径向辐条和多个附接到辐条上的、具有多个径向指向的喷射孔的、同心的空气动力学喷射圈。喷射孔设有多个不同直径，以有利于在宽功率范围上的良好混合。由于构造和孔尺寸，组件与气体和液体相容。由于在截面区域上的燃料喷射位点数量较多，径向、同心喷射结构允许短的喷射路径。在第二方面中，为了与驻涡反应器设计结合使 用，可以提供另一预混合器实施例，其将预混合的燃料和空气以与系统设计的腔中流动模式相容的方式直接喷射到驻涡腔中。当与再循环涡流设计结合使用时，该预混合器能够布置成使得预混合的燃料和空气以平滑连续的方式切向加入涡流，并且/或者加强环状部中的燃烧。在其它设计中，预混合物可以在一个以上的TVC位置沿着与引入区域中的局部涡流一致的一个以上的方向引入。对于上述两个实施例还可以提供彼此结合使用的方法，它们的设定彼此协调调节以用于操作期间的燃料分级。已经以该方式实现了极低的排放结果。在其它实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.09.13 US 61/241,9401.预混合器与TVC反应器的组合，所述预混合器包括燃料入口、空气入口、在其中混合燃料和空气的室、以及用于燃料-空气混合物的出口 ；所述TVC反应器包括至少一个驻涡腔，所述至少一个驻涡腔的形状和尺寸形成为使得通过所述反应器的流体的主流动足以引起在所述腔内循环的涡流，而与来自所述预混合器的燃料-空气混合物的任意流动无关；其中所述预混合器定位在所述TVC反应器上，使得所述出口将所述燃料-空气混合物直接引入所述驻涡腔中，并且使得所述燃料-空气混合物以使得所述燃料-空气混合物与所述涡流流动近似同向地加入所述涡流流动的角度被引入所述驻涡腔中。2.如权利要求I所述的预混合器和TVC反应器，其中，所述驻涡腔具有位于所述反应器的入口和出口之间的弯曲壁，其中所述预混合器还包括至少一个喷射管，所述至少一个喷射管与所述弯曲壁相切定向，并且从所述反应器的外部穿过所述弯曲壁延伸到所述驻涡腔中。3.如权利要求2所述的预混合器和TVC反应器，其中，所述TVC是筒式燃烧器，还包括围绕所述TVC的径向周边周向布置的多个所述喷射管。4.如权利要求2所述的预混合器和TVC反应器，其中，所述TVC是环形燃烧器，还包括围绕所述TVC的环形周边布置的多个所述喷射管。5.如权利要求3所述的预混合器和TVC反应器，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·W·肯德里克，
申请(专利权)人：贫焰公司，
类型：发明
国别省市：