[发明专利]特定造型的后缘旋流燃烧预混合器和方法

说明书

技术领域

本文中公开的主题的实施例通常涉及用于产生在涡轮压缩发动机中使用的大致均匀的压缩空气-燃料混合物的方法和系统，并且，更加特定地，涉及具有一组带有特定造型的后缘的叶片的旋流器。

背景技术

大气污染的关注已经在世界范围内导致了更加严格的排放标准，对于工业生产、发电以及推进应用而言，该排放标准要求燃气涡轮机排放的显著减少。氮氧化物(NO_x)为由人类行为产生的主要污染物之一。NO_x通常形成于燃气涡轮发动机中的火焰的高温区域中。降低火焰温度导致了NO_x排放的减少。例如，图1是显示NO_x排放量和火焰温度之间的相互关系的图。以针对15％O₂修正的体积比的百万分率(ppmvd)来表示图的y轴上的NO_x量(对于飞行器推进系统而言，类似的NO_x排放以每一质量单位的所使用的液体燃料进行报导)。x轴上的火焰温度为开尔文度(K)。这些点代表在宽范围的测试条件内采取的数据，但显示了NO_x排放量和火焰温度之间的相互关系。

已很好地确立的降低火焰温度的技术包括将高纯度的水或蒸汽注入燃烧器中以及使用选择性的催化还原。然而，通常命名为湿式低NO_x技术的这两种技术需要广泛地使用辅助设备，这导致增加了能量产生的成本。另外，使用这些技术所需要的空间在航改发动机(aero-derivative engine)及飞行器发动机中是个难题。

航改发动机经常用在用于海底油气田的勘探和开采的油井平台和气井平台上。这些发动机可以被视为变型的飞行器发动机，该飞行器发动机用于为油泵和气泵产生机械驱动或者用作发电机，而不是用于推进。因为它们的高功率、高效率以及高紧凑度，航改发动机被用在油井平台和气井平台上。航改发动机典型地变型成使用天然气作为燃料(代替液体燃料)，但液体燃料也能够用作备用燃料。

根据历史的观点，发动机中的火焰过去常常是带有局部化的热点的扩散火焰，该局部化的热点具有绝热的火焰温度。扩散火焰产生了数百ppm的NO_x量，并非常稳定。相反，一些当前的污染管理要求NO_x量为不大于5ppm。

另一种已知的降低火焰的温度并从而降低NO_x排放的方法，在燃烧之前均匀地混合燃料和压缩空气。在扩散火焰中，存在着具有不同比例的燃料和空气的区域，例如，以0.1、1、2及5的化学计量比为特征。相反，通过使用预混合器，可以实现0.5的恒定的化学计量比。也就是说，空气-燃料混合物的不均匀性使火焰局部地更热。已知使用燃料和压缩空气的均匀混合物的技术为干式低NO_x技术。传统地放置在压缩机和涡轮机之间的预混合器可以配置成实现压缩空气和燃料的均匀混合物。预混合器可以是燃烧器的一部分。

图2显示了常规的航改预混合器10的分解图。由压缩机产生的压缩空气沿着流动方向15流入预混合器10中。预混合器10包括混合部分20和套筒(shroud)30。混合部分20和套筒30配置成彼此接合。

燃料通过位于混合部分20的轮缘(rim)50上的燃料孔(喷嘴)40而被径向地注入混合部分20中。在混合部分20内，双环的反向旋转的旋流器(swirler)60具有中心体70以及被中间轮缘85分开的两组叶片80和90。叶片80形成内旋流器，该内旋流器配置成引导穿过其的流，以在垂直于流动方向15的平面中产生内旋转。叶片90形成反向旋转的旋流器，该反向旋转的旋流器配置成引导穿过其的流，以在垂直于流动方向15的平面中产生外旋转。因此，在穿过双环的反向旋转的旋流器60之后，如图3所示，存在着具有相对的平面内旋转的两个流75和95。高湍流在流之间的剪切层出现，引起了压缩空气和燃料的快速且均匀的混合。当两个流沿着流动方向前进时，该混合从大致中间轮缘85的位置向着中心和外侧而径向地扩展。

双环的反向旋转的常规的旋流器60具有复杂的几何结构，制造昂贵，并且，根据流体动力学的观点，旋流器60是难以控制的，因为湍流通常是激烈的不稳定的现象。

于是，将期望提供一种带有改善的性能的更廉价的预混合器。

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