[发明专利]用于在燃气涡轮发动机内混合空气和燃气的燃烧管预混合器和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃气涡轮发动机燃烧室的空气燃料混合器，以及一种用于混合空气和燃料的方法。

背景技术

燃气涡轮机制造商一直致力于各种研究和工程项目以生产出能够高效运行而不产生不良空气污染排放物的新型燃气涡轮机。通常由燃烧常规烃类燃料的燃气涡轮机产生的主要空气污染排放物是氮氧化物、一氧化碳和未燃烧的烃类。喷气发动机中氮分子的氧化高度地依赖于燃烧系统反应区域内最高的热燃气温度。形成氮氧化物(NO_x)的化学反应速率是温度的指数函数。如果燃烧室热燃气的温度被控制到足够低的水平，那么就不会产生热NO_x。

一种将燃烧室反应区域内的温度控制在产生热NO_x的水平之下的方法是在燃烧之前将燃料和空气预混合为贫混合物。存在于贫预混合燃烧室反应区域内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产生热NO_x的水平。

用燃料和空气的贫预混合方式运行的于性低排放燃烧室有一些问题，其中在位于燃烧室反应区域以外的燃烧室的预混合区域内存在有空气燃料可燃混合物。由于回火或自燃，在预混合区域内会有发生燃烧的趋势，回火会在来自燃烧室反应区域的火焰传播至预混合区域内并导致火焰滞留在燃料喷射柱(交叉射流)或叶片尾缘后的尾流内时发生；自燃会在燃料/空气混合物在预混合区域内的驻留时间和温度足以在不需点火器启动的情况下燃烧时发生。在预混合区域内燃烧的后果是排放物性能下降和/或过热，并对通常未被设计成承受燃烧热量的预混合区域造成损害。因此，一个需要解决的问题就是防止在预混合器中导致燃烧的回火或自燃。

另外，离开预混合器并进入燃烧室反应区域的燃料和空气的混合物必须非常均质以达到所需的排放性能。如果流场中存在燃料/空气混合物浓度明显富于平均值的区域，那么这些区域内的燃烧产物就会达到高于平均值的温度，并会产生热NO_x。这样可能会导致无法满足取决于温度和驻留时间的组合的NO_x排放指标。如果流场中存在燃料/空气混合物浓度明显贫于平均值的区域，那么可能会发生熄火而无法将烃类和/或一氧化碳氧化至均衡水平。这样可能会导致无法满足一氧化碳(CO)和/或未燃烧烃类(UHC)的排放指标。因此，另一个需要解决的问题是生成一种离开预混合器时的燃料/空气混合物浓度分布，其足够均质以满足排放物性能指标。

更进一步，为了满足在各种应用中对燃气涡轮机规定的排放物性能指标，有必要将燃料/空气混合物浓度降至绝大多数烃类燃料的贫可燃性限制附近的水平。这样就会导致火焰传播速度以及排放量的降低。由此，贫预混合燃烧室与更加常规的扩散火焰型燃烧室相比倾向于更加不稳定，并且经常会导致高度燃烧造成的动态压力波动(动态性能)。动态性能可能具有不利的影响，例如由于磨损或疲劳、回火或爆缸造成燃烧室和涡轮机硬件受损。因此，另一个要解决的问题就是将燃烧室动态性能控制到可以接受的低水平。

为了减少排放物的贫、预混合燃料喷射器在工业领域广泛使用，已经在重型工业燃气涡轮机中付诸实施长达20多年。美国专利5259184中介绍了此类装置的一个代表性示例。此类装置在减少燃气涡轮机废气排放的领域内已经取得了进展。相对于现有技术中的扩散火焰燃烧室，将氮氧化物、NO_x、排放物减少一个或更多个数量级已经实现且无需使用注入的稀释液例如蒸汽或水。

然而如上所述，这些在排放性能方面的进步是在会引起一些问题的风险下实现的。特别地，在装置预混合区域内的回火和稳焰会导致排放性能降级和/或因过热造成的硬件损害。此外，升高级别的燃烧引起的动态压力作用会导致燃烧系统部件和/或其他燃气涡轮机部件因磨损或高周疲劳失效而缩短有效寿命。更进一步，为了避免引起高水平动态压力作用、回火或爆缸的情况，增加了燃气涡轮机操作的复杂性和/或有必要对燃气涡轮机实施操作限制。

除了这些问题之外，常规的贫预混合燃烧室没有利用完全均质的燃料和空气的预混合来尽可能地实现排放物减少的最大化。

发明内容

根据本发明的一个实施例，用于在燃气涡轮发动机内使用的燃烧器包括：具有输入端和输出端的燃烧管；多个槽，所述多个槽在燃烧管内形成且设置用于将气流切向地引入燃烧管内并向气流施加涡旋；沿燃烧管轴向延伸的多条燃料通道；以及为每一条燃料通道设置的多个燃料喷射孔。每一条燃料通道的燃料喷射孔中至少有一个被设置用于将燃料流切向地喷入燃烧管内相邻槽的气流之间以形成燃料和空气的协流(co-flow)。