專利名稱：被動空氣-燃料混合預燃室的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大體上涉及燃氣渦輪燃燒系統(tǒng)，并且更具體而言涉及使得能在燃氣渦輪燃燒系統(tǒng)中有較寬的燃料靈活性的被動空氣-燃料混合預燃室。
背景技術：
貧預混燃燒系統(tǒng)中的燃料靈活性對于燃氣渦輪而言是重要挑戰(zhàn)，因為最終用戶期望利用除天然氣體之外的多種可用燃料源。這些各種備選燃料具有不同的燃燒特性，并且可用量和成分隨季節(jié)變化。真正燃料靈活的燃燒系統(tǒng)必須能夠適應這些變化(利用理想地僅僅燃料控制設置方面的改變)。以氣態(tài)燃料(最常見的是天然氣)操作的現(xiàn)代燃氣渦輪依靠貧預混燃燒以便高效地實現(xiàn)政府法規(guī)所要求的低NOx排放水平。燃料-空氣預混過程通常發(fā)生在位于燃燒室正上游的預混器內(nèi)。在預混器中，燃料被噴射到大得多的空氣流動流中。燃料噴射通常發(fā)生為交叉流動射流的布置；然而，也可使用許多其它的方案。燃料通過流體流中的湍流結構混入空氣中。預混過程對許多因素敏感。在交叉流動射流混合的情況下，射流穿透對于燃料射流相對于主射流的動量通量比很敏感。如果射流動量通量太高，射流會過度穿透主射流。 這種較強的射流不但會在空氣通路中產(chǎn)生歪斜的燃料分布，而且射流還表現(xiàn)得類似于非流線體，從而產(chǎn)生強烈尾流的區(qū)域，其可為預混器內(nèi)不期望的火焰穩(wěn)定的潛在位置。相反，如果射流動量通量太低，則燃料從其孔中滴出且不會推出到主射流中，從而又導致歪斜的燃料分布。最終，較弱的預混導致帶有比平均值高和低的燃料/空氣比的區(qū)域。較高的燃料 /空氣比將促進過多的NOx產(chǎn)生，并且使火焰可能逆燃到預混器中；并且較低的燃料/空氣比可導致局部熄滅的火焰前緣。燃料-空氣預混器設計成在特定的燃氣渦輪條件設置下工作并帶有特定燃料特性工作。一個重要的燃料特性在于較低的熱值(LHV)，熱值等于每單位體積燃料的能量含量或反應熱。當LHV降低時，燃氣渦輪需要較高的燃料體積流率以便保持相同的功率輸出。然而，由于本文所述的一些挑戰(zhàn)，預混器被優(yōu)化在特定LHV值并且因此特定體積流率附近。預混器可合理地操作得遠超過較窄的LHV范圍；然而，如果燃料LHV變化得大于少許百分比， 預混質量會惡化。此外，當更大的體積流率被輸送穿過固定孔口時，驅動燃料噴射所需的壓降大致隨體積流率的平方增大。已發(fā)現(xiàn)燃料壓降的較大變化會增加某些燃燒動態(tài)狀況的敏感度。此外，增大燃料壓力將驅動額外的燃料壓縮設備要求，并且因此導致系統(tǒng)中的額外的成本和性能損失。目前，有時通過增加額外的燃料噴射回路來實現(xiàn)更寬的燃料靈活性。通常，需要這樣以便允許與低LHV燃料相關的高體積流率，同時不導致壓降以及因此燃料輸送壓力增大。不利的是，任何額外的燃料回路都需要對燃料之間的切換的額外控制，以及在回路未使用時利用空氣或惰性氣體來凈化回路。此外，由于典型的燃料噴射策略圍繞較窄的燃料范圍設計，任何額外回路只會增大在一個另外較窄的燃料范圍上(現(xiàn)在集中在不同LHV處) 操作的能力。鑒于上述問題，有利的是提供一種被動空氣-燃料混合預燃室，以便使燃氣渦輪燃燒系統(tǒng)中能夠有更寬的燃料靈活性，因而在單件燃燒器硬件內(nèi)提供較寬的燃料能力，從而接近燃料靈活性較寬的貧預混燃氣渦輪。該預燃室將1)在預混器內(nèi)提供被動補償以對于燃料體積流率的變化調(diào)整和控制壓降，幻對于燃料預混過程對燃料LHV的變化提供降低的敏感度，以及，3) —旦用于范圍較寬的燃料的應用，提供優(yōu)化預混器(燃料噴射)設計的能力。

發(fā)明內(nèi)容
簡言之，根據(jù)一個實施例，提供了一種被動空氣-燃料混合預燃室，其使得燃氣渦輪燃燒系統(tǒng)中能夠有較寬的燃料靈活性。該預燃室包括一個或多個燃料通路，每個燃料通路包括上游部分，并且還包括下游部分，該下游部分包括至少一個燃料噴射孔口 ；以及一個或多個流體管道，每個流體管道使上游部分的燃料通路與一個或多個空氣通路相連，使得穿過燃料通路的燃料在與穿過一個或多個相應流體管道的空氣混合時，在從大約150Btu/scf至大約900Btu/scf的較寬范圍的燃料低熱值(LHV)內(nèi)，跨過每個燃料噴射孔口的壓降與相應空氣通路壓降自平衡。


當參照附圖來閱讀下述詳細描述時，本發(fā)明的這些與其它特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解，所有附圖中的相似標號表示相似部件，在附圖中圖1為示出根據(jù)一個實施例的帶有空氣-燃料混合預燃室的燃料靈活的預混器的簡圖；圖2顯示的是，使用常規(guī)燃料-空氣預混器對比使用根據(jù)一個實施例的燃料靈活的預混器時，響應于穿過燃料噴射器的燃料的燃料LHV的變化，跨過空氣-燃料混合預燃室的燃料噴射孔口的壓降變化的圖表；圖3顯示的是，使用常規(guī)燃料-空氣預混器對比使用根據(jù)一個實施例的燃料靈活的預混器時，響應于穿過燃料噴射器的燃料的燃料LHV的變化，穿過燃料噴射孔口的動量通量比變化的圖表；圖4為示出較寬燃料流率范圍內(nèi)的實驗測得的預混分布的圖表，其指出了范圍大于8x的燃料體積流率的一致預混表現(xiàn)；圖5為示出根據(jù)另一實施例的帶有空氣-燃料混合預燃室的燃料靈活的預混器的簡圖，其中燃料被噴射通過位于空氣旋流器葉片下游的單獨管柱；圖6為示出根據(jù)另一實施例的帶有空氣-燃料混合預燃室的燃料靈活的預混器的簡圖，其中燃料從空氣旋流器葉片的后緣噴射；
圖7為示出根據(jù)另一實施例的帶有空氣-燃料混合預燃室的燃料靈活的預混器的簡圖，其中燃料在空氣旋流器葉片下游從中心體和/或燃燒管表面噴射；圖8為示出連接到被動空氣-燃料混合預燃室上的多于一個燃料增壓室的圖示， 其中各增壓室具有大小合適的預混孔口，以便對燃燒系統(tǒng)內(nèi)的多個燃料-空氣預混噴嘴引起相同的燃料分布；以及圖9為示出位于氣流通路的停滯區(qū)中的流體管道的圖示。盡管上述圖示闡述了備選實施例，但還可構思本發(fā)明的其它實施例，如該論述中提到的那樣。在所有情形中，本公開通過代表性而非限制性的方式呈現(xiàn)了本發(fā)明的示出的實施例。本領域技術人員可設計出落在本發(fā)明的原理的范圍和精神內(nèi)的許多其它修改和實
施例。
項目清單
10燃料靈活的預混器
12預燃室
14流體管道
15擋板(baffle)
18空氣通路
19空氣流
20燃料通路
21燃料流
22燃料孔口
24空氣旋流器
26空氣旋流器
50燃料靈活的預混器
52空氣-燃料混合預:
54燃料混合物
56管柱(peg)
58空氣旋流器葉片
60燃料靈活的預混器
62空氣-燃料混合預:
64燃料孔口
66空氣旋流器葉片
70燃料靈活的預燃室
74中心體
75燃料孔口
76燃燒管表面
78空氣旋流器葉片
80燃料靈活的預混器
82燃料增壓室
84燃料增壓室
86增壓室預混孔口87空氣-燃料混合預燃室88增壓室預混孔口89燃料-空氣預混噴嘴90燃料靈活的預混器92流體管道94流體管道
具體實施例方式本文所述的實施例的作用在于，通過使燃料噴射和預混過程能夠在較大范圍的燃料LHV以及因此燃料體積流率內(nèi)更為一致，解決燃氣渦輪燃燒系統(tǒng)中燃料靈活的預混的挑戰(zhàn)。在基本上所有燃氣渦輪燃燒系統(tǒng)預混器設計中，壓降都出現(xiàn)在氣流通路中，通?？邕^一個或多個旋流器、葉片或孔口。在一種設計方法中，跨過燃料噴射孔口的壓降設計成大致匹配空氣側上的壓降。這樣，燃燒系統(tǒng)中的任何聲音擾亂都會同等地影響空氣流和燃料流兩者；因此，不論聲壓波動如何，燃料/空氣比仍保持略微恒定。然而，如果引入帶有強烈差異的LHV的新燃料，除了其它效果，燃料噴射壓降上的變化將導致該系統(tǒng)變得不再平衡。圖1為示出根據(jù)一個實施例的帶有空氣-燃料混合預燃室12的燃料靈活的預混器10的簡圖。預燃室12包括使上游空氣通路18與燃料通路20相連的一個或多個流體管道14，從而導致空氣流19和燃料流21中的壓力自平衡。根據(jù)一個實施例，流體管道14可包括一個或多個擋板15。該過程被動地發(fā)生。例如，從壓力平衡時的較低LHV值開始，隨著LHV增大，需要較少的燃料流。跨過燃料孔口 22的壓降開始減小。在這一點上，上游空氣壓力高于燃料壓力，并且空氣開始經(jīng)由流體管道14流入預燃室12中，同時流率會增大直到壓降再次平衡。取決于流體互連部14的有效區(qū)域和空氣旋流器2436及燃料孔口 22的有效區(qū)域，該過程能夠保持跨過相應的空氣旋流器MJ6和相應燃料噴射孔口 22的壓降， 這些壓降跨過很寬的燃料LHV范圍彼此相對接近，例如，壓降在LHV從大約150Btu/SCf變化至大約900Btu/SCf時差別不大于大約20%。各流體互連部的有效區(qū)域通過考慮相應的燃料通路和空氣通路的特定大小、形狀和幾何特征以及所期望的燃料LHV的操作范圍來設計。根據(jù)一個實施例，跨過燃料孔口 22的實際壓降在相同的燃料范圍內(nèi)僅略微改變額定值的大約4%至50%，與之相比，在該燃料范圍內(nèi)，典型預混器中的燃料壓降的變化幾乎為 100 倍。圖2示出的是，使用常規(guī)燃料-空氣預混器對比根據(jù)使用本文所述原理的一個實施例的燃料靈活的預混器時，響應于穿過燃料噴射器的燃料的燃料LHV的變化，跨過空氣-燃料混合預燃室的燃料噴射孔口的預測壓降的圖示。這些原理可如多種燃料-空氣預混器幾何形狀那樣(例如本文參照圖1以及圖5至圖9所述的結構)容易地應用。本文所述的燃料通路20和相應的空氣通路18之間的流體連通導致燃料的被動改變，使得至少從燃料噴射和混合的觀點而言迫使其如本文所述的那樣跨過較寬的燃料LHV 范圍一致地表現(xiàn)。這通過使一些空氣與燃料按需要被動地混合來保持跨過噴射孔口 22的體積燃料混合物的流幾乎恒定來實現(xiàn)。噴射的燃料混合物有時為純?nèi)剂?低LHV燃料)， 并且在其它時候為富燃料-空氣混合物(高LHV燃料)。許多低LHV燃料由于其較高的N2和/或CO含量而具有類似于空氣的分子量。因此，不但體積流保持穩(wěn)定，而且實際上質量流也保持穩(wěn)定；并且因此穿過燃料噴射孔口 22的動量通量也保持在較小變化內(nèi)。圖3示出的是，使用常規(guī)燃料-空氣預混器對比根據(jù)使用本文中所述的(例如參看圖1所述的)原理的一個實施例的燃料靈活的預混器10時，響應于穿過燃料噴射器的燃料的燃料LHV的變化，穿過燃料噴射孔口 22的動量通量比(燃料流的動量通量，相對于空氣流的動量通量)的變化的圖示。圖4為自實驗數(shù)據(jù)示出燃料/空氣混合的周向平均的徑向分布的圖示，該實驗數(shù)據(jù)使用了根據(jù)使用本文所述的原理的一個實施例(例如參看圖1所述的)的燃料靈活的預混器10。燃料與空氣的局部質量比通過體積平均的燃料與空氣比而標準化，使得1. 0的值產(chǎn)生完美混合。對于這種設計的燃料壓降和動量通量比像圖2和圖3中那樣表現(xiàn)。清楚的是，具有從大約150Btu/scf至大約900Btu/scf的LHV的較寬范圍的燃料全部得到相似的混合性能。如圖2中所示，這種混合利用燃料噴射孔口壓降中的有限變化而實現(xiàn)。圖5、圖6、圖7、圖8和圖9為使用本文所述的原理的燃料靈活的預混器的其它實施例。更具體而言，圖5為示出根據(jù)另一實施例的帶有空氣-燃料混合預燃室52的燃料靈活的預混器50的簡圖，其中燃料混合物M被噴射通過位于空氣旋流器葉片58下游的單獨管柱56。圖6為示出根據(jù)另一實施例的帶有空氣-燃料混合預燃室62的燃料靈活的預混器60的簡圖，其中燃料混合物M在空氣旋流器葉片66的后緣處從燃料孔口 64噴射。圖7為示出根據(jù)另一實施例的帶有空氣-燃料混合預燃室72的燃料靈活的預混器70的簡圖，其中燃料混合物M經(jīng)由多個燃料孔口 75在空氣旋流器葉片78的下游從中心體74和/或燃燒管表面76噴射。圖8為示出根據(jù)還有另一實施例的燃料靈活的預混器80的圖示。燃料靈活的預混器80包括連接到被動空氣-燃料混合預燃室87上的多于一個燃料增壓室82、84，其中各增壓室82、84具有大小合適的預混孔口 86、88，以便對燃燒系統(tǒng)內(nèi)的多個燃料-空氣預混噴嘴89引起相同的燃料分配。圖9為根據(jù)還有另一實施例的燃料靈活的預混器90的圖示。燃料靈活的預混器 90包括位于氣流通路96的停滯區(qū)中的流體管道92、94。盡管本文僅示出和描述了本發(fā)明的某些實施例，但本領域技術人員可想到許多修改和變化。因此，應當理解，所附權利要求意圖覆蓋落入本發(fā)明的真實精神內(nèi)的所有這樣的修改和變化。
權利要求
1.一種燃氣渦輪燃燒系統(tǒng)被動空氣-燃料混合預燃室(10)，包括一個或多個燃料通路00)，每個燃料通路包括上游部分，并且還包括至少一個下游燃料噴射孔口 02)；以及一個或多個流體管道(14)，每個流體管道包括使上游燃料通路與一個或多個空氣通路 (18)相連的截面區(qū)域，其中，所述流體管道截面區(qū)域基于相應燃料通路OO)和空氣通路 (18)的截面區(qū)域，并且所述流體管道截面區(qū)域相比于所述相應燃料通路OO)和空氣通路 (18)的截面區(qū)域大到當穿過所述燃料通路OO)的具有較寬和可變范圍的熱值以及因此體積流率的燃料與穿過一個或多個連接的流體管道(14)的空氣混合時，足以引起跨過每個連接的燃料噴射孔口 0 的壓降以被動方式與相應空氣通路壓降基本自平衡。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃氣渦輪燃燒系統(tǒng)預燃室(10)，其特征在于，所述燃料通路 (20)、空氣通路(18)、流體管道(14)和燃料噴射孔口 0 —起構造成使得所述燃燒系統(tǒng)中的聲音擾動以大致成比例的量影響空氣流和燃料流，從而使得所述燃料與空氣流比率保持基本恒定。
3.根據(jù)權利要求1所述的燃氣渦輪燃燒系統(tǒng)預燃室(10)，其特征在于，當穿過所述燃料通路OO)的燃料與穿過一個或多個連接的流體管道(14)的空氣混合時，跨過每個連接的燃料噴射孔口 0 的壓降以被動方式與相應空氣通路(18)的壓降基本自平衡，以便保持穿過每個燃料噴射孔口 0 的所述空氣-燃料混合物的流的動量通量基本匹配所述空氣流的動量通量。
4.根據(jù)權利要求1所述的燃氣渦輪燃燒系統(tǒng)預燃室(10)，其特征在于，燃料混合物經(jīng)由位于燃料管柱中的燃料噴射孔口(64)離開所述預燃室，所述燃料管柱位于空氣旋流器 (58)的下游。
5.根據(jù)權利要求1所述的燃氣渦輪燃燒系統(tǒng)預燃室(10)，其特征在于，燃料混合物經(jīng)由位于空氣旋流器(66)的后緣上的燃料噴射孔口(64)離開所述預燃室。
6.根據(jù)權利要求1所述的燃氣渦輪燃燒系統(tǒng)預燃室(10)，其特征在于，燃料混合物經(jīng)由位于所述預混器的中心體(74)上的空氣旋流器(78)下游的燃料噴射孔口(74)離開所述預燃室。
7.根據(jù)權利要求1所述的燃氣渦輪燃燒系統(tǒng)預燃室(10)，其特征在于，燃料混合物經(jīng)由位于所述預混器(76)的外周表面上的空氣旋流器(78)下游的燃料噴射孔口離開所述預燃室。
8.根據(jù)權利要求1所述的燃氣渦輪燃燒系統(tǒng)預燃室(10)，其特征在于，所述燃料通路連接到兩個或更多燃料增壓室(82，84)上，并且每個增壓室連接具有大小合適的孔口，以便產(chǎn)生壓降并對燃氣渦輪燃燒系統(tǒng)中的多個燃料預混噴嘴(86，88)引起相同的燃料分配。
9.根據(jù)權利要求1所述的燃氣渦輪燃燒系統(tǒng)預燃室(10)，其特征在于，擋板位于鄰近所述流體管道的預燃室中，使得基本防止燃料流過所述流體管道到其相應的空氣通路中。
10.根據(jù)權利要求1所述的燃氣渦輪燃燒系統(tǒng)預燃室(10)，其特征在于，所述流體管道 (92,94)位于相應空氣通路(96)的停滯區(qū)中，向上游面向來臨的空氣流，使得所述燃料通路中的壓力幾乎為所述來臨的空氣流的停滯壓力。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種被動空氣-燃料混合預燃室。具體而言，一種燃氣渦輪燃燒系統(tǒng)被動空氣-燃料混合預燃室(10)包括一個或多個燃料通路(20)。每個燃料通路(20)包括至少一個下游燃料噴射孔口(22)。一個或多個流體管道(14)使至少一個燃料通路的上游部分與一個或多個空氣通路(18)相連，使得穿過燃料通路的燃料在與穿過一個或多個連接的流體管道(14)的空氣相混合時，在大約150Btu/scf至大約900Btu/scf的較寬燃料低熱值(LHV)范圍內(nèi)，跨過每個燃料噴射孔口(22)的壓降以被動方式與相應空氣通路的壓降基本自平衡。每個流體管道(14)相對于相應的燃料通路(20)和空氣通路(18)的有效區(qū)域取決于所期望的燃料LHV操作范圍。
文檔編號F02C7/22GK102562311SQ20111032081
公開日2012年7月11日 申請日期2011年10月10日 優(yōu)先權日2010年12月10日
發(fā)明者F·陶, G·A·貝內(nèi)特, G·喬蒂普拉薩德, J·T·赫邦, M·P·貝斯普夫盧格 申請人:通用電氣公司