CN103363547A - 用于防止燃烧器组件中的回火的***和方法 - Google Patents

用于防止燃烧器组件中的回火的***和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于防止燃烧器组件中的回火的***和方法。本发明的实施例包括一种燃烧器组件。该燃烧器组件可以包括燃烧室、第一增压室、第二增压室、以及一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管。细长的空气/燃料预混喷射管中的每一个都可以包括第一长度部，第一长度部至少部分地布置在第一增压室内并且构造成接收来自第一增压室的第一流体。此外，细长的空气/燃料预混喷射管中的每一个都可以包括第二长度部，第二长度部布置在第一长度部的下游并且至少部分地布置在第二增压室内。第二长度部可以由多孔壁形成，多孔壁构造成允许来自第二增压室的第二流体进入第二长度部并且围绕多孔壁产生边界层。

Description

用于防止燃烧器组件中的回火的***和方法
关于联邦赞助研究或开发的声明
本发明是根据由能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42643在政府支持下进行的。政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
本发明的实施例总体涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及燃烧器组件。
背景技术
燃气涡轮机效率通常随着燃烧气体流的温度上升而提高。然而，较高的燃烧气体流温度可能产生较高水平的不期望的排放物，例如氮氧化物(NOX)等。NOX排放物通常受到政府法规的监管。因此，改进的燃气涡轮机效率必须与遵守排放物法规取得平衡。
可以通过提供燃料流与空气流的良好混合来实现较低的NOX排放物水平。例如，在被准许进入反应区或燃烧区之前，燃料流和空气流可以在干式低NOX(DLN)燃烧器中进行预混。这种预混倾向于降低燃烧温度和NOX排放物输出。
燃料流和空气流通常在紧凑包装的空气/燃料预混管束中进行预混，以在燃烧室中形成轴向射流。紧凑包装的空气/燃料预混管束可能遭受回火(flash back)。例如，氢燃料或者其它的高反应性燃料可能沿预混管的壁在移动较慢的边界层内回火。
发明内容
上文所描述的需要和/或问题中的一些或者全部都可以由本发明的某些实施例解决。根据本发明的一个实施例，公开一种燃烧器组件。该燃烧器组件可以包括燃烧室、第一增压室、第二增压室、以及一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管。细长的空气/燃料预混喷射管中的每一个都可以包括第一长度部，第一长度部至少部分地布置在第一增压室内、并且构造成接收来自第一增压室的第一流体。此外，细长的空气/燃料预混喷射管中的每一个可以包括第二长度部，第二长度部布置在第一长度部的下游、并且至少部分地布置在第二增压室内。第二长度部可以由多孔壁形成，多孔壁构造成允许来自第二增压室的第二流体进入第二长度部、并且围绕多孔壁产生边界层。通过该方式，在某些实施例中，第二增压室可以承载可能是惰性气体或者具有低反应性的燃料的气态流体(在下文中将被称作燃料)。
所述一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管均包括：第一端部，所述第一端部向压缩空气流开放；以及第二端部，所述第二端部向所述燃烧室开放。所述第一长度部包括一个或多个孔，所述一个或多个孔构造成接收来自所述第一增压室的第一流体。所述第一增压室和所述第二增压室布置成彼此相邻。所述多孔壁由致密开放式单元金属、包括多个孔的管、或者压实金属线网中的至少一种形成。所述多孔壁由陶瓷材料、金属材料、或者陶瓷-金属材料中的一种形成。所述第一流体是高反应性燃料。所述第二流体是低反应性燃料；或者是不具有反应性的流体；或者是氮气。稀薄的所述边界层是不可燃烧的。空气/燃料混合物在所述一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管的中心处的速度大于所述边界层处的速度。通过所述多孔壁进入所述一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管的所述第二流体迫使空气/燃料混合物远离所述多孔壁。
根据本发明的另一个实施例，公开一种燃烧器组件。该燃烧器组件可以包括燃烧室、第一燃料增压室、第二燃料增压室、以及一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管。细长的空气/燃料预混喷射管中的每一个都可以包括第一长度部，第一长度部至少部分地布置在第一燃料增压室内、并且构造成接收来自第一燃料增压室的第一燃料，以产生第一空气/燃料混合物。此外，细长的空气/燃料预混喷射管中的每一个都可以包括第二长度部，第二长度部布置在第一长度部的下游、并且至少部分地布置在第二燃料增压室内。第二长度部可以由多孔壁形成，多孔壁构造成允许来自第二燃料增压室的第二燃料进入第二长度部，并且围绕多孔壁产生第二空气/燃料混合物的边界层。
所述一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管均包括：第一端部，所述第一端部向压缩空气流开放；以及第二端部，所述第二端部向所述燃烧室开放。所述第一燃料是高反应性燃料，并且所述第二燃料是低反应性燃料。所述第二燃料也可以是氮气。所述第一空气/燃料混合物在所述一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管的中心处的速度大于所述第二空气/燃料混合物在所述边界层处的速度。通过所述多孔壁进入所述一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管的第二流体迫使所述第一空气/燃料混合物远离所述多孔壁。
此外，根据本发明的另一个实施例，公开一种用于燃烧器中的空气/燃料预混的方法。该方法可以包括将空气流引导至一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管中。该方法还可以包括将来自第一燃料增压室的第一燃料沿第一长度部引导至细长的空气/燃料预混喷射管中。此外，该方法可以包括使来自第二燃料增压室的第二燃料通过多孔壁沿第二长度部扩散至细长的空气/燃料预混喷射管中，以在第一长度部的下游围绕多孔壁产生边界层。
通过下文的详细描述、附图、以及所附权利要求，对于本领域技术人员而言，本发明的其它实施例、方面、和特征将变得显而易见。
附图说明
现在将参照附图，附图不必按照比例绘制，并且在附图中：
图1是具有压缩机、燃烧器、和涡轮的燃气涡轮发动机的示例性示意图；
图2是根据一个实施例的燃烧器组件的一部分的横截面图。
具体实施方式
现在将参照附图在下文中对说明性实施例进行更充分地描述，附图中示出了一些但不是所有的实施例。本发明可以以多种不同的形式实施并且不应当被理解为受到本文中所阐述的实施例的限制。相似的附图标记在全文中表示相似元件。
说明性实施例除了其它的内容还涉及燃烧器组件，该燃烧器组件包括驻涡腔(trapped vortex cavity)。图1示出了可以在本说明书中所使用的燃气涡轮发动机10的示意图。众所周知，燃气涡轮发动机10可以包括压缩机15。压缩机15对进入的空气流20进行压缩。压缩机15将压缩空气流20输送至燃烧器25。燃烧器25将压缩空气流20与加压燃料流30混合并且点燃混合物，以产生燃烧气体流35。尽管仅示出了单个燃烧器25，但是燃气涡轮发动机10可以包括任何数量的燃烧器25。燃烧气体流35接着被输送至涡轮40。燃烧气体流35驱动涡轮40，以便产生机械功。涡轮40中所产生的机械功通过轴45驱动压缩机15和外部负载50(例如发电机等)。
燃气涡轮发动机10可以使用天然气、各种类型的合成气、以及/或者其它类型的燃料。燃气涡轮发动机10可以是由Schenectady，NewYork的General Electric Company提供的多种不同的燃气涡轮发动机中的任何一种，其中包括但不限于例如7系列或9系列重型燃气涡轮发动机等的那些燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机10可以具有不同的构造并且可以使用其它类型的部件。
本说明书中还可以使用其它类型的燃气涡轮发动机。本说明书中还可以一起使用多种燃气涡轮发动机、其它类型的涡轮机、以及其它类型的发电设备。
图2示出了图1中的燃烧器25的部件；具体而言，是环形微型混合器燃料喷射器100或其一部分的剖视图。在某些实施例中，燃料喷射器100可以包括前部板102、中部板104、和后部板106。前部板102、中部板104、和后部板106可以由外部套筒108包绕。在某些方面中，前部板102、中部板104、和外部套筒108可以共同形成第一燃料增压室110。在其它方面中，中部板104、后部板106、和外部套筒108可以共同形成第二燃料增压室112。第一管道114可以将第一燃料供给至第一燃料增压室110，并且第二管道116可以将第二燃料供给至第二燃料增压室112。
多个细长的空气/燃料预混喷射管118可以至少部分地布置在第一燃料增压室110和第二燃料增压室112内。例如，细长的空气/燃料预混喷射管118可以包括第一端部121，第一端部121从前部板102延伸通过中部板104、并且围绕后部板106终止于第二端部123。高压压缩机排放空气流120可以在上游进口122处进入细长的空气/燃料预混喷射管118，并且在下游出口125处排放至燃烧器124中，在细长的空气/燃料预混喷射管118处，空气如下文所讨论地与第一燃料和第二燃料混合。
细长的空气/燃料预混喷射管118可以包括第一长度部120，第一长度部120至少部分地布置在第一燃料增压室110内。第一长度部120可以构造成接收来自第一燃料增压室110的第一燃料，以在细长的空气/燃料预混喷射管118内产生第一空气/燃料混合物。例如，第一燃料可以沿第一长度部120通过一个或多个孔117(如由流动路径箭头119所表示的)进入细长的空气/燃料预混喷射管118，以在细长的空气/燃料预混喷射管118内产生第一空气/燃料混合物。
细长的空气/燃料预混喷射管118还可以包括第二长度部122，第二长度部122布置在第一长度部120的下游、并且至少部分地布置在第二燃料增压室112内。第二长度部122可以由多孔壁123形成，多孔壁123构造成允许来自第二燃料增压室112的第二燃料沿第二长度部122均匀地流出，并且沿多孔壁123的内部产生第二空气/燃料混合物的边界层。例如，第二长度部122可以由耐热的多孔材料形成，例如致密的开放式单元金属。此外，第二长度部122例如可以包括具有多个非常小的孔(例如通过电子束或激光制成)的管，或者压实的金属线网(compacted wire mesh)。第二长度部122还可以由陶瓷材料、金属材料、或者陶瓷-金属材料形成。
在操作中，第一燃料通过第一燃料管道114进入第一燃料增压室110。第一燃料接着沿第一长度部120通过一个或多个孔117进入细长的空气/燃料预混喷射管118，在细长的空气/燃料预混喷射管118处，第一燃料随着沿第一长度部120和第二长度部122向下行进至燃烧器124而与空气混合。如上所述，移动较慢的经过预混的空气/燃料混合物的边界层可以形成为邻近细长的空气/燃料预混喷射管118的多孔壁123。如果边界层内的空气/燃料混合物具有足够的反应性、并且足够慢，那么火焰就可能从燃烧器124向上游传播至细长的空气/燃料预混喷射管118中。这将典型地毁坏燃料喷射器，原因是火焰温度可能比管材料的熔化温度高很多。为了解决该问题，可以允许第二燃料或流体沿第二长度部122通过细长的空气/燃料预混喷射管118的多孔壁123流入移动较慢的边界层中，而不造成任何回流区(recirculationzones)。流入边界层中的第二燃料可以是具有低反应性、或者不具有反应性的，例如氮气。在某些方面中，通过多孔壁123进入细长的空气/燃料预混喷射管18的第二燃料可以迫使反应性较高的第一空气/燃料混合物远离多孔壁123。因此，反应性较低的第二空气/燃料混合物可以围绕多孔壁123布置，从而形成边界层。
尽管已经以在典型实施例中对本发明进行了图示和描述，但是不期望使本发明限于图示的细节，原因是能够在不以任何方式偏离本发明的精神的前提下进行各种改型和替代。这样一来，本领域技术人员仅仅通过常规实验就能够想到本文中所公开的本发明的进一步的改型和等同形式，并且所有的这种改型和等同形式都被认为属于由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种燃烧器组件，所述燃烧器组件包括：
燃烧室；
第一增压室；
第二增压室；以及
一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管，所述一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管中的每一个都包括：
第一长度部，所述第一长度部至少部分地布置在所述第一增压室内、并且构造成接收来自所述第一增压室的第一流体；以及
第二长度部，所述第二长度部布置在所述第一长度部的下游、并且至少部分地布置在所述第二增压室内，其中所述第二长度部由多孔壁形成，所述多孔壁构造成允许来自所述第二增压室的第二流体进入所述第二长度部、并且围绕所述多孔壁产生边界层。
2.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管均包括：
第一端部，所述第一端部向压缩空气流开放；以及
第二端部，所述第二端部向所述燃烧室开放。
3.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述第一长度部包括一个或多个孔，所述一个或多个孔构造成接收来自所述第一增压室的第一流体。
4.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述第一增压室和所述第二增压室布置成彼此相邻。
5.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述多孔壁由致密开放式单元金属、包括多个孔的管、或者压实金属线网中的至少一种形成。
6.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述多孔壁由陶瓷材料、金属材料、或者陶瓷-金属材料中的一种形成。
7.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述第一流体是高反应性燃料。
8.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述第二流体是低反应性燃料。
9.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述第二流体是不具有反应性的流体。
10.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述第二流体是氮气。
11.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，稀薄的所述边界层是不可燃烧的。
12.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，空气/燃料混合物在所述一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管的中心处的速度大于所述边界层处的速度。
13.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，通过所述多孔壁进入所述一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管的所述第二流体迫使空气/燃料混合物远离所述多孔壁。
14.一种燃烧器组件，所述燃烧器组件包括：
燃烧室；
第一燃料增压室；
第二燃料增压室；以及
一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管，所述一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管中的每一个都包括：
第一长度部，所述第一长度部至少部分地布置在所述第一燃料增压室内、并且构造成接收来自所述第一燃料增压室的第一燃料，以产生第一空气/燃料混合物；以及
第二长度部，所述第二长度部布置在所述第一长度部的下游、并且至少部分地布置在所述第二燃料增压室内，其中所述第二长度部由多孔壁形成，所述多孔壁构造成允许来自所述第二燃料增压室的第二燃料进入所述第二长度部、并且围绕所述多孔壁产生第二空气/燃料混合物的边界层。
15.根据权利要求14所述的燃烧器组件，其特征在于，所述一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管均包括：
第一端部，所述第一端部向压缩空气流开放；以及
第二端部，所述第二端部向所述燃烧室开放。
16.根据权利要求14所述的燃烧器组件，其特征在于，所述第一燃料是高反应性燃料，并且所述第二燃料是低反应性燃料。
17.根据权利要求14所述的燃烧器组件，其特征在于，所述第二燃料是氮气。
18.根据权利要求14所述的燃烧器组件，其特征在于，所述第一空气/燃料混合物在所述一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管的中心处的速度大于所述第二空气/燃料混合物在所述边界层处的速度。
19.根据权利要求14所述的燃烧器组件，其特征在于，通过所述多孔壁进入所述一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管的第二流体迫使所述第一空气/燃料混合物远离所述多孔壁。
20.一种用于燃烧器中的空气/燃料预混的方法，所述方法包括：
将空气流引导至一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管中；
将来自第一燃料增压室的第一燃料沿第一长度部引导至所述一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管中；以及
使来自第二燃料增压室的第二燃料通过多孔壁沿第二长度部扩散至所述一个或多个细长的空气/燃料预混喷射管中，以在所述第一长度部的下游围绕所述多孔壁产生边界层。
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