[发明专利]预混合式直接喷射盘

说明书

技术领域

本文中所公开的主题涉及预混合式直接喷射燃烧系统，并 且更具体而言，涉及一种具有良好的混合、抗火焰稳定(flame holding) 和抗回火的直接喷射盘。

背景技术

由燃烧传统碳氢化合物燃料的燃气轮机通常产生的主要 空气污染排放物为氮氧化物、一氧化碳以及未燃烧的碳氢化合物。本 领域中众说周知的是，吸气式发动机中的分子态氮的氧化极大地取决 于燃烧系统反应区中的最高热气体温度。将热力发动机燃烧器的反应 区的温度控制在形成热NOx的水平以下的一种方法是在燃烧前将燃 料和空气预混合成贫混合物。

存在与利用燃料和空气的贫预混合而运行的干式低排放 燃烧器相关的若干问题。更确切地说，燃料和空气的可燃混合物存在 于燃烧器的预混合区段内，该预混合区段在燃烧器的反应区外部。典 型地，存在一定的整体(bulk)预混合区速度，若高于该速度则预混合器 中的火焰将被推出到主燃烧区。然而，某些燃料(例如氢或合成气)具 有高火焰速度。由于高的湍流火焰速度和宽的可燃性范围，因此预混 合氢燃料燃烧系统设计受到在合理的喷嘴压力损失下火焰稳定和回 火的挑战。使用直接燃料喷射方法的关于氢和合成气燃料的扩散燃烧 固有地产生比贫预混合燃烧高的NOx。

关于天然气作为燃料，带有足够的火焰稳定界限(即，用于 在预混合器内部不带有火焰稳定而运行的空气动力窗口)的预混合器 通常可设计成带有适当低的空气侧压降。然而，关于更活性的燃料(例 如高氢燃料)，对于火焰稳定界限和目标压降的设计成为挑战。由于现 有技术水平的喷嘴的设计点可接近3000华氏度的整体火焰温度，因 此引起稳定火焰的进入到喷嘴中的回火可在很短的时段中造成对喷 嘴的极大损伤。

发明内容

本发明为一种预混合式直接喷射盘设计，其提供带有低的 燃烧产生的NOx且转化为高的燃气轮机效率的低的流动压力损失的 燃料空气混合。该预混合式直接喷射盘设计成替代在罐式燃烧器的保 持端处通常见到的燃料喷嘴和盖罩组件。本发明耐用、易于构造，并 且具有进入到喷嘴中的火焰的回火的低危险。

根据本发明的一方面，提供一种用于燃料/空气混合燃烧器 组件中的燃料/空气混合盘。该盘包括第一面、第二面以及设置在两者 之间且适合与燃料流动通路处于流体连通的至少一个燃料室。多个燃 料/空气混合管在第一面和第二面之间延伸通过预混合盘，各混合管包 括在进口端和出口端之间沿着管轴线轴向延伸的外管壁并且与该至 少一个燃料室处于流体连通。多个燃料/空气混合管的至少一部分还包 括具有延伸通过所述外管壁的燃料喷射孔直径的至少一个燃料喷射 孔。该至少一个燃料喷射孔具有相对于所述管轴线的喷射角，所述喷 射角在20到90度的范围中。后退距离(recession distance)在所述燃料 喷射孔和所述出口端之间沿着所述管轴线延伸，所述后退距离是所述 燃料喷射孔直径的约5到100倍(said recession distance being about 5 to 100 times greater than said fuel injection hole diameter)。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于燃料/空气预混合 燃烧器组件中的燃料/空气混合盘。该盘包括第一面、第二面以及设置 在两者之间且适合与燃料流动通路处于流体连通的至少一个燃料室。 多个燃料/空气混合管在第一面和第二面之间延伸通过预混合盘，各混 合管包括在进口端和出口端之间沿着管轴线轴向延伸的外管壁并且 与该至少一个燃料室处于流体连通，以及具有内径的内管表面。多个 燃料/空气混合管中的每一个还包括具有延伸通过所述外管壁的燃料 喷射孔直径的至少一个燃料喷射孔。该至少一个燃料喷射孔具有相对 于所述管轴线的喷射角，所述内管表面的所述内径是所述燃料喷射孔 直径的2到20倍。后退距离在所述燃料喷射孔和所述出口端之间沿 着所述管轴线延伸，所述后退距离是所述燃料喷射孔直径的约1到50 倍。