用于燃气轮机燃烧器的耐火焰稳定的燃料和空气预混合器

摘要

本发明涉及用于燃气轮机燃烧器的耐火焰稳定的燃料和空气预混合器。具体而言，提供了一种具有主动冷却的燃料喷嘴。该燃料喷嘴包括外周壁(11)、在燃料和空气预混合器(14)中同心地设置在外壁(11)内的喷嘴中心体(12)。该燃料和空气预混合器包括空气入口(15)、燃料入口(16)和限定在外周壁(11)和中心体(12)之间的预混合通道(121)。提供了气体燃料通道(23)。第一冷却通道(32)包括在中心体(12)内，以及第二冷却通道(43，143)限定在中心体(12)和外壁(11)之间。

说明书

技术领域

本文所公开的主题涉及用于燃气涡轮机燃烧系统的燃料和空气预混合器，更具体地涉及将允许火焰稳定而不会遭受系统损坏的冷却系统。

背景技术

由燃气涡轮机燃烧常规碳氢化合物燃料所产生的主要的空气污染排放物通常是氮氧化物、一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物。在本领域已知的是，吸气发动机中的氮分子氧化高度地依赖于燃烧系统反应区域中的最高热气温度。一种将热力发动机燃烧器反应区域的温度控制在形成热的Nox的程度之下的方法是在燃烧之前使燃料和空气预混合成稀薄混合物，通常称作干式低NOx(DLN)燃烧系统。稀薄预混合燃烧器的反应区域中存在的过量空气的热质量吸收热，并将燃烧产物的温升降低到明显减少热的Nox的程度。

存在与利用稀薄地预混合的燃料和空气进行操作的干式低排放燃烧器相关的若干难点。也就是说，燃料和空气的可燃混合物存在于燃烧器的预混合段内，该预混合段在燃烧器的反应区域的外部。通常，具有一定大的喷燃器管速，高于该喷燃器管速，预混合器中的火焰将推出到初级燃烧区域。由于回火(发生在当火焰从燃烧器反应区域传播到预混合段时)或自动点火(发生在当用于预混合段中的燃料/空气混合物的停留时间和温度足够能启动燃烧而没有回火或其它点火事件时)，在预混合段内有机会发生燃烧。预混合段中的燃烧结果和喷嘴中的合成燃烧，导致排放性能的下降和/或过热以及对预混合段的损坏。换句话说，由于非常大的热负荷，如果火焰保持在预混合器中，则中心体、喷燃器管和/或叶片的损坏可能发生在10秒内。

利用天然气作为燃料，具有足够火焰稳定裕度(margin)的预混合器通常可设计成具有适度低的空气侧压降。然而，对于反应性更强的燃料，例如合成气体(“合成气”)、具有预燃烧碳俘获的合成气(其形成高氢燃料)、甚至具有更高碳氢百分比的天然气，针对火焰稳定裕度和目标压降进行设计称为一种挑战。由于达到当前技术发展水平的喷嘴设计点可达到3000华氏度的高火焰温度，进入喷嘴的回火可引起在非常短的时间内对喷嘴的大范围损坏。对于高氢燃料和针对这些燃料进行修改的DLN预混合器的实验揭示了当前技术发展水平的喷嘴在发动机现实条件下通过火焰稳定测试的难度。“通过”测试是指预混合器内的火焰未保留在预混合器中，而是置于正常燃烧区域的下游。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种燃料喷嘴，其包括外周壁和同心地布置在外周壁内的喷嘴中心体。提供了一种燃料/空气预混合器，其包括空气入口、燃料入口和限定在外壁和中心体之间并至少部分地周向延伸的预混合通道。还提供了一种限定在中心体内并至少部分地周向延伸的气体燃料流动通道。喷嘴包括限定在中心体内并在其中至少部分地周向延伸的第一冷却通道，以及限定在中心体和外周壁之间的第二冷却通道。

根据本发明的另一个方面，提供一种冷却燃料喷嘴的方法。燃料喷嘴包括外周壁、布置在其它壁内的喷嘴中心体、燃料/空气预混合器，该燃料/空气预混合器包括空气入口、燃料入口和限定在外周壁和中心体之间的预混合通道。至少一个冷却通道限定在喷嘴之内并在其中至少部分地周向延伸，以及气体燃料流动通道限定在中心体内并在其中至少部分地周向延伸。该方法包括使冷却流体流过冷却通道和使冷却流体冲击中心体端面的内表面。该方法进一步包括使冷却流体邻近外壁流动和将冷却流体排出到限定在喷嘴中心体和喷嘴外壁之间的预混合通道。

本发明的主动冷却预混合器将允许耐火焰稳定的DLN燃烧系统的可操作性，因此允许足够的时间来检测预混合器中的火焰，并利用控制系统来更正情势。这有利地允许燃烧系统使用合成气、高氢和其它反应性燃料运行来明显减少昂贵硬件损坏和强迫损耗的风险。

通过结合附图的下述说明，这些和其它优点和特征将变得更加明显。

附图说明

本发明的主题在所附权利要求中得到特别地指出和清楚地要求。通过结合附图的下述具体实施方式，本发明的前述和其它特征和优点变得明显，其中：

图1是根据本发明的耐火焰稳定喷嘴；

图2是本发明的耐火焰稳定喷嘴的另一个实施例；

图3是本发明的耐火焰稳定喷嘴的另一个实施例。

通过参考附图的示例，具体实施方式解释了本发明的实施例以及优点和特征。

零件清单

  10  喷燃器组件  11  外周壁  12  喷嘴中心体  11  外壁  14  燃料/空气预混合器  15  空气入口  16  燃料入口  22  涡旋叶片  17  叶片通道  21  环形预混合通道

  10  喷燃器组件  23  燃料通道  24  中间壁  26  叶片通道  25  燃料喷射口  30  燃烧区域  31  冷却剂入口  32  冷却通道  33  端壁  34  流动通道  35  肋  36  内周向壁  41  开口  42  室  43  环形腔  44  内部喷燃器壁  45  小孔  110  喷燃器组件  111  外周壁  112  喷嘴中心体  114  燃料/空气预混合器

  10  喷燃器组件  115  空气入口  116  燃料入口  122  涡旋叶片  117  叶片通道  121  预混合通道  132  燃料通道  133  端壁  134  反向流动通道  135  肋  134  流动通道  135  肋  136  内周向壁  142  室  122  叶片  125  喷射口117  叶片通道115  空气入口120  预混合通道144  内部喷燃器壁143  环形腔

  10  喷燃器组件146  环形孔口147  环形端壁146  环形孔口343  环形腔311  外周壁344  内部喷燃器壁345，346  小孔347  环形端壁222  叶片217  叶片通道351  肋

具体实施方式

火焰稳定容限可利用高级的冷却系统来完成。本发明的冷却系统包括背侧对流冷却、冲击冷却和薄膜冷却的组合。工作冷却剂流体可以是本领域技术人员已知的任何流体，其包括但不限于氮气、空气、燃料或其某些组合。因此，由于喷嘴无需是抗火焰稳定的，故本发明允许扩展备选的喷嘴设计，当结合高级冷却系统一起使用时，喷嘴可以是耐火焰稳定的。

现在参考图1，示出了经过喷燃器组件10的截面，在此，本发明将参考特定实施例进行描述而非对其进行限制。喷燃器组件10包括外周壁11和布置在外壁11内的喷嘴中心体12。燃料/空气预混合器14包括空气入口15、燃料入口16、自其喷射燃料的涡旋叶片22、在叶片之间的限定为叶片通道17的区域，以及位于外壁11和中心体12之间的处于预混合器14下游的环形预混合通道21。

如图所示，燃料通过燃料入口16到达燃料通道23中而进入喷嘴中心体12。燃料冲击中间壁24，因此径向地引入到位于叶片22的前半部内的叶片通道26，以及通过燃料喷射口25排出到叶片通道17内。同时，主空气通过空气入口15引入到叶片通道17中。当空气越过叶片22的翼型形状时，它开始与自一个或多个端口25排出的气体燃料相混合，并在预混合通道21内继续混合。叶片可被弯曲，以向流体施加涡旋。当燃料/空气混合物退出预混合通道21时，它进入发生燃烧的正常燃烧区域30。这种气动设计在混合空气和燃料以降低排放方面是非常有效的，也可有效地对在燃烧器反应区域中燃料喷嘴出口下游的火焰提供稳定性。

在低NOx的全负荷运转中，火焰应该位于预混合通道21的下游。有时，进入预混合通道21和/或叶片通道17时，将发生火焰的回火。如果回火或另一火焰诱导事件发生，则火焰可能保持在预混合器中并使中心体12、喷燃器和/或叶片22受到损坏。

本发明的主动冷却喷燃器组件10允许耐火焰稳定的干式低NOx燃烧系统在火焰可保持在喷燃器10中的情形下的可操作性。因此，冷却气体通过冷却剂入口31引入到中心体12。冷却剂在冷却通道32内行进，直到它冲击端壁33的内部为止，因此，冷却剂回流并进入回流通道34。回流通道34与冷却通道32同中心，且包括沿流动通道34环形布置的一系列肋35，以便优化和提高传热。显然，肋35可采取多种外形，包括周向地依赖于流动通道34的内周向壁36的分离的弧形环圈或同样依赖于流动通道34的内周向壁36的独立凸起物。

在与端壁33相对的回流通道34末端，冷却剂冲击中间壁24，并穿过开口41引入到叶片22尾半部的室42中。冷却剂通过室42，并进入限定在外周壁11和内部喷燃器壁44之间的环形腔43中。位于内部喷燃器壁44中的多个小孔45可用来允许冷却剂在内部喷燃器壁44上形成膜，以保护它免受热的燃烧气体。冷却剂也可在环形腔43内轴向向上地引导，以便冷却剂可流出叶片22前半部上游的小孔45。

现在将进一步描述图1中的流。当燃料通过入口16进入燃料通道23并从喷射口25流出时，冷却剂引入冷却剂入口31。当冷却剂在冷却通道32内流动时，它周向地冷却通道32的内部直至其冲击端壁33，直接邻近燃烧反应区域提供冲击冷却。当冷却剂在回流通道34内沿轴向再次向上游引导时，邻近预混合通道21提供背侧对流冷却。一旦冷却剂通过叶片22的室42，则其进入环形腔43并经小孔或孔口45流出以便在喷燃器壁11的内部环形表面44上提供薄膜冷却。这种主动冷却预混合器系统允许火焰保持在预混合通道21内一段明显的时间而不会损坏喷燃器10。对装置的测试发现，火焰保持在预混合器中具有稳定的喷燃器壁温度，在一次观察持续一分钟而没有发生损坏。在重复的测试中，火焰保持的总时间大于7分钟而没有损坏。

现在参考图2，示出了喷燃器组件110的另一个实施例。喷燃器组件110的表面形状类似于喷燃器组件10，并且相同的元件用相同的标号表示。然而，明显的是，喷燃器组件110的冷却器件在功能上不同于喷燃器组件10。

喷燃器组件110包括外周壁111和布置在外周壁111内的喷嘴中心体112。燃料/空气预混合器114包括空气入口115、燃料入口116、涡旋叶片122、在叶片之间的限定为叶片通道117的区域，以及位于外壁111和中心体112之间的处于混合器114下游的预混合通道121。

如所示，燃料通过燃料入口116到达燃料通道132而进入喷嘴中心体112。燃料沿中心体112的整个长度轴向地行进，并冲击端壁133的内部，因此燃料回流并进入回流通道134。回流通道134定位成与燃料流动通道132同中心，且可包含沿流动通道134环形地布置的一系列肋135，以便优化和提高如文中所述的传热。如同图1中的实施例，肋135可采取任何形状，包括周向依赖于流动通道134的内周向壁136的分离的弧形环圈或同样依赖于流动通道134的内周向壁136的独立凸起物。

在与端壁133相对的回流通道134轴向延伸的末端，燃料冲击中间壁124，并引入位于叶片22的中部和尾部的室142中。因此，燃料通过喷射口125排入叶片通道117。同时，主空气通过空气入口115引入到叶片通道117。随着空气经过叶片122的翼型形状，它开始与从喷射口125排出的气体燃料相混合，并在预混合通道121内继续混合。当燃料/空气混合物排出预混合通道120时，它大致充分地混合且进入燃烧发生的燃烧器反应区域。该喷燃器110在混合空气和燃料、获得低排放以及在燃烧器反应区域中稳定燃料喷嘴出口下游的火焰都是非常有效的。

为了在燃料与空气混合之前使用燃料作为传热流体，图2所示的喷燃器组件的冷却器件不同于图1的冷却器件。相应而言，冷却气体通过冷却剂入口131到达冷却剂通道123而引入到中心体112。冷却剂冲击中间壁124，因此它径向地引入到位于叶片122的前半部内的叶片通道126。冷却剂通过叶片通道126并进入限定在外周壁111和内部喷燃器壁144之间的环形腔143。此后，冷却剂通过位于外壁111的环形端壁147内的环形孔口146流出环形腔143，并进入正常燃烧区域130。应该意识到，冷却剂也可通过一系列分离的孔/孔口或弧形孔口而非通过环形孔口146排出。

根据图2可意识到，燃料进入入口116并到达燃料通道132和从喷射口125排出，同时冷却剂引入到冷却剂入口131。然而，当在压力下引导燃料时，燃料通道132内的燃料提供了明显的冷却效果。它沿通道132流动并冲击中心体112的内部侧壁133。当在回流通道134内沿径向向上游地再次引导燃料流时，邻近预混合通道121提供背侧对流冷却。因此，中心体112的外周表面由于燃料在喷燃器110的内部通道中流动而通过冲击和对流二者进行冷却。冷却剂引入到冷却剂入口131和同心地围绕燃料通道132的冷却剂通道123中。冷却剂冲击中间壁124并沿径向再次引导经过叶片122的叶片通道126。喷燃器外周壁111进一步由冷却剂进行冷却，冷却剂经过环形腔143内并流出小孔145，因此在内部喷燃器壁144上提供薄膜冷却，并当冷却剂流过环形腔143时在外周壁111的外部提供背侧对流冷却。

现在转到图3，其是图1实施例的变型，并且使用相似标号来标识相似元件，图中示出了改良的冷却方案。具体而言，冷却剂通过叶片通道42并进入限定在外周壁311和内部喷燃器壁344之间的环形腔343。位于内部喷燃器壁344内分别邻近环形端壁347以及邻近叶片222前缘和叶片通道217的多个小孔345和346在那些区域中沿喷燃器壁344提供对准目标的薄膜冷却。

此外，一系列的肋351沿喷燃器壁344的外周和在环形腔343内呈环状布置，以类似于流动通道34的肋35的方式优化和提高传热。应当了解的是，肋351可在环形腔343内采取任何形状，包括弧形环圈或自喷燃器壁344延伸到环形腔343的独立凸起物。

在示出的实施例中，冷却流体总是流动的，喷燃器处于运转状态以允许预混合器在任何时候容许回火或火焰稳定事件。

本领域技术人员应当了解的是，薄膜冷却几何形状很大程度上可依赖于应用场合和喷嘴大小而变化。适当的冷却可依赖于所使用燃料的类型、燃料和空气流速以及控制燃料喷射和混合的特定几何形状而有所不同。作为示例，已然发现，对于1.5英寸直径范围的使用高氢燃料的喷嘴，当邻近冷却剂出口孔口之间的间距或横向间隔大约是薄膜冷却孔口直径的2倍至5倍时，就可获得足够的薄膜冷却。此外，冷却剂相对于外周壁平面的喷射角度可在20度至90度之间变化。最后，已经发现，当在喷燃器中冷却剂以相对于轴向流向的额外复合角进行喷射时可改善冷却。该复合角度也可从20度到90度之间变化，但测试表明大约30度的角度在许多不同的情况中运行。

本领域技术人员应当理解到，许多类型的气体冷却剂可以使用并可从一个实施例到另一个实施例而有所变化。冷却剂可依赖于此类因素变化，这些因素包括但不限于在工厂场所处冷却剂的可用性和数量、将冷却剂压缩到所需压力的成本、冷却剂的物理属性以及使用薄膜冷却时惰性气体的好处。例如，当冷却剂包括惰性气体如氮气时，喷燃器壁44或144上的薄膜冷却也用来大体上将壁与参与燃烧反应的任何物种隔离开来，这可进一步减少损坏的风险。冷却剂也可是任一种工作流体，包括但不限于氮气、空气或燃料。实际上，如本文所述，根据喷嘴设计和系统特性，不同冷却流体的组合也是可行的。

尽管已经结合有限数目的实施例详细地描述了本发明，但应当容易理解的是，本发明不限于这些公开的实施例。确切而言，可修改本发明以引入迄今未描述的各种变形、变更、替换或等效装置，但它们仍落在本发明的精神和范围之内。此外，尽管已经描述了本发明的不同实施例，但应当理解的是，本发明的方面可仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不应认为受限于前述说明，而是仅由所附权利要求的范围来限定。