[发明专利]具有沿径向分级的经预混合母火以改进可操作性的燃烧器

说明书

技术领域

本发明大体涉及用于提高燃烧稳定性和减少燃气涡轮燃烧器中的排放的系统和方法。更特别地，对燃烧器预混合器和燃料喷射位置提供改进。

背景技术

为了减少来自燃气涡轮的污染排放量，政府机构已经颁布了许多法令，要求减少氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)的量。较低的燃烧排放通常可归因于较高效的燃烧过程，尤其是关于燃料喷射器位置、空气流率和混合有效性。

早期的燃烧系统利用扩散型喷嘴，其中，燃料通过扩散在火焰区附近与燃料喷嘴外部的空气混合。扩散型喷嘴产生高排放，因为燃料和空气以化学计量的方式在高温下燃烧，以保持充分的燃烧器稳定性和低的燃烧动态。

一种燃烧技术改进是利用预混合，使得燃料和空气在燃烧之前混合，形成均匀的混合物，混合物在比扩散型火焰更低的温度下燃烧，并且产生较低的NOx排放。预混合可在燃料喷嘴的内部或外部进行，只要它在燃烧区的上游即可。在图1中显示现有技术的预混合燃烧器的示例。燃烧器8具有多个燃料喷嘴18，它们各自将燃料喷射到预混合腔体19中，在那里，燃料与来自稳压室10的压缩空气6混合，然后进入燃烧室20。在燃烧之前将燃料和空气预混合在一起允许燃料和空气形成较均匀的混合物，混合物将较完全地燃烧，从而产生较低的排放。但是，在这个构造中，燃料相对而言在燃烧器的同一平面上喷射，而且防碍通过改变混合长度来进行改进的任何可能性。

可通过多个燃烧级来实现预混合和减少排放的备选手段，多个燃烧级允许随着负载增加而增强预混合。现在参照图2，显示了现有技术的多级燃烧器的示例。燃烧器30具有由文丘里管(venturi)33分开的第一燃烧室31和第二燃烧室32，文丘里管33具有狭窄的喉部区域34。虽然取决于负载状况，可在第一或第二燃烧室或这两个燃烧室中进行燃烧，但当通过喷嘴区域35喷射的燃料在第二燃烧室32中燃烧之前在第一燃烧室31中与压缩空气完全混合时，出现最低排放水平。因此，具有文丘里管的这个多级燃烧器在较高的负载状况下更有效。

要求燃气涡轮发动机以多种功率设置运行。在燃气涡轮发动机联接以驱动发电机时，通常根据发电机上的负载量或发电机必须产生的功率来测量发动机的所需输出。全负载状况是其中从发电机中抽取最高发电容量的点。这对于用来发电的陆上燃气涡轮是最普遍的运行点。但是，电需求常常不需要发电机的全容量，而且运营者想以较低的负载设置运行发动机，使得仅产生要求的负载，从而节约燃料和降低运行成本。已经了解到现有技术的燃烧系统在较低的负载设置下变得不稳定，尤其是低于50%的负载，同时还产生不可接受的NOx和CO排放水平。这主要是因为大多数燃烧系统分级，以在高负载设置下实现最高效的运行。可能不稳定的燃烧和较高的排放的结合常常防碍发动机运营者以较低的负载设置运行发动机，迫使发动机要么以较高的设置运行，从而燃烧额外的燃料，要么停机，并且从而损失原本根据部分负载需求就可产生的宝贵收入。

关于使发动机停机的另一个问题是发动机硬件引起额外的循环。循环通常被定义为发动机经过正常的作业范围。发动机厂商典型地根据运行时间或等效运行循环来评价硬件寿命。因此，引起额外的循环可减少硬件寿命，需要发动机运营者支付过早维修或更换的费用。需要这样的系统：该系统可在部分负载状况和全负载状况下提供火焰稳定性和低排放的好处，使得发动机可在较低的负载状况下高效地运行，从而消除在不要求高负载运行时的燃料浪费，或者消除在停机时对发动机引起额外的循环。

发明内容

本发明公开一种混合器，其用于在多个运行负载条件下在燃烧以及通往燃烧器的燃料流的精确分级之前预混合燃料和空气，以便减少排放。混合器运行来以便选择性地增加通往母火火焰的边界层的燃料流，从而提高用于点燃喷射到燃烧器中的其它燃料的母火火焰的稳定性。更特别地，在本发明的实施例中，公开一种用于燃气涡轮燃烧器的预混合器。预混合器包括端盖，端盖具有包含在其中的多个燃料稳压室和径向进流旋流器。径向进流旋流器包括定向成至少部分地垂直于燃烧器的纵向轴线的多个导叶。多个导叶各自具有与端盖的多个燃料稳压室处于流体连通的多个燃料喷射器。预混合器进一步包括内壁和外壁，它们两者从大体垂直于纵向轴线的方向延伸，并且过渡到大体平行于纵向轴线的方向。