CN102901122B - 用于燃气涡轮机系统的预混装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于燃气涡轮机系统的预混装置，其包括围绕预混装置的面的外周的非旋流元件以及基本位于该面的中心处的旋流组件。非旋流元件在预混物被输送至燃气涡轮机系统的燃烧器之前对预混物进行预混。旋流组件在流体被输送至燃烧器之前干扰流体的流动。预混物包括燃料和氧化剂，并且被旋流组件干扰的流体包括氧化剂或预混物。

Description

用于燃气涡轮机系统的预混装置

技术领域

本发明的主题总体涉及燃气涡轮机系统。具体而言，本发明的一个或多个方面涉及预混装置，以在燃气涡轮机系统的燃烧器中燃烧之前对燃料、氧化剂、稀释剂、其它气体混合物、或者其任何组合进行预混。

背景技术

在燃气涡轮机系统中，燃料和空气在系统的燃烧器中燃烧，以产生高温、高压工作气体。涡轮将通过涡轮叶片的工作气体的膨胀转化成机械能，所述机械能接着能够用于做有用功，例如，发电。

众所周知，提高燃烧器的反应区域中的温度能够提高燃气涡轮机系统的效率。同样众所周知，氮氧化物（NO_X）的形成随着燃烧器中的峰值温度增加。干低NO_X（DLN）燃气涡轮机系统通过以下方式使不期望的NO_X的形成最少化：在燃烧之前对燃料和空气进行预混，使得燃烧区域中的温度分层（stratification）显著减少以降低峰值温度，并且使得燃烧器内的温度场尽可能的均匀。

对于高级DLN燃烧器开发而言，主要限制中的一个限制是燃烧动态现象，即燃烧操作期间与声学相关的动态不稳定性。高动态幅值通常是由燃烧室内的温度场中的波动（热释放）和压力振荡造成的。这种高动态现象能够影响发动机的硬件寿命和系统可操作性，从而导致例如机械疲劳和热疲劳的问题，进而导致硬件损坏、系统效率低、不期望的火焰熄灭（blowout）、以及危及排放性能。

已经进行了多种尝试来减轻燃烧动态现象，以便防止燃烧性能的劣化。通常，工业燃气涡轮机燃烧系统中的基本方法包括被动控制和主动控制。被动控制指使用燃烧器硬件设计特征和特性来减少动压振荡或热释放水平、或者同时减少动压振荡和热释放水平。另一方面，能够通过引入压力或温度波动（受到适当控制）以调节热释放与压力振荡之间的耦合、从而减小燃烧动态的幅值来实现主动控制。

已知当热释放和压力波动同相位时燃烧动态现象加剧。因此，减轻动态现象的常见解决方案的特征在于对燃烧器中的热释放和压力波动去相位（dephasing）。用于解决燃气涡轮机燃烧器中的一些动态关注问题的一种代表性装置是谐振器。然而，其应用已经被限于通过完全或纯吸收（pure absorption）声能来衰减高频（即大于1000Hz）不稳定性。此外，谐振器的安装伴随着空气管理，所述空气管理对于用于低排放性能的预混设计而言有时是不期望的。

因此，期望提供一种预混装置，所述预混装置使燃烧动态现象最小化，同时保持低排放特性，而不会引入纯粹动态缓解（puredynamics-mitigation）装置。

发明内容

本发明的一个非限制性方面涉及一种用于燃气涡轮机系统的预混装置。该装置包括多个非旋流元件，所述多个非旋流元件围绕预混装置的面的外周分布。每个非旋流元件都布置成在预混物被输送至燃气涡轮机系统的燃烧器以用于燃烧之前对预混物进行预混。该装置还包括旋流组件，该旋流组件基本位于预混装置的所述面的中心处，以便被多个非旋流元件包绕。该旋流组件布置成在流体被输送至燃烧器之前干扰流体的流动。该旋流组件包括多个旋流叶片。预混物包括燃料和氧化剂，并且被旋流组件干扰的流体包括氧化剂或预混物。

本发明的另一个非限制性方面涉及一种用于燃气涡轮机系统的预混装置。该装置包括一个或多个非旋流元件，所述一个或多个非旋流元件围绕预混装置的面分布。每个非旋流元件都布置成在预混物被输送至燃气涡轮机系统的燃烧器以用于燃烧之前对预混物进行预混。该装置还包括一个或多个旋流组件，所述一个或多个旋流组件围绕预混装置的所述面分布。每个旋流组件都布置成在流体被输送至燃烧器之前干扰流体的流动。每个旋流组件都包括多个旋流叶片。预混物包括燃料和氧化剂，并且被每个旋流组件干扰的流体包括氧化剂或预混物。

附图说明

通过下文示例性实施例的详细描述并结合附图，本发明的这些和其它特征将得到更好的理解，在附图中：

图1示出了示例性燃气涡轮机系统的横截面；

图2示出了根据本发明的实施例的预混装置；

图3示出了根据本发明的实施例的预混装置；

图4和图5示出了根据本发明的实施例的燃料喷嘴，该燃料喷嘴使用具有罩的旋流组件；

图6和图7示出了根据本发明的进一步的实施例的预混装置；

图8示出了根据本发明的实施例的预混装置，该预混装置具有作为非旋流元件的微型混合器；

图9和图10示出了根据本发明的进一步的实施例的微型混合器的横截面；

图11示出了根据本发明的实施例的预混装置，该预混装置具有作为非旋流元件的富含催化剂的、稀薄燃烧喷嘴；以及

图12示出了根据本发明的实施例的预混装置，该预混装置具有作为非旋流元件的扇形喷嘴（sector nozzle）。

具体实施方式

对燃气涡轮机燃烧器的预混装置进行描述。所述装置实现了低动态现象，但很少地至没有牺牲低排放性能。至少部分地由于该新颖的预混装置所实现的低动态现象/效果，能够维持或增加燃烧器硬件的操作寿命。

图1示出了示例性燃气涡轮机系统的横截面。系统10包括压缩机11和燃烧器14。燃烧器14包括壁16以限定燃烧室12。一个或多个预混喷嘴110延伸穿过壁16、并且进入燃烧室12。燃料进口21向预混装置110供给燃料，燃料在燃烧之前与来自压缩机11的压缩空气预混。更一般而言，可以说燃料与氧化剂预混。稀释剂、其它气体混合物、以及其任何组合也能够与燃料和氧化剂预混并且进入燃烧室12，混合物在燃烧室12处被点燃以形成高温、高压工作气体。涡轮30将来自燃烧器14的工作气体的热能（所述热能使轴31旋转）转化成机械能。尽管示出了单个燃烧器14，但是涡轮机系统能够包括多个燃烧器。

在非限制性的方面中，旋流技术和非旋流技术同时用于对燃料、氧化剂、稀释剂、其它气体混合物、以及其组合进行预混。图2示出了预混装置110的非限制性实施例，该预混装置110可以用于燃气涡轮机系统10对燃料、氧化剂、稀释剂、其它气体混合物、或者其任何组合进行预混。具体而言，示出了预混装置110的面向燃烧室12的面210。在附图中，面210示为圆形。然而，该面的形状并不限于此——该面的形状能够是三角形、正方形、矩形、椭圆形等。

预混装置110包括一个或多个非旋流元件220。非旋流元件220在将燃料和氧化剂混合物输送至燃烧室12之前对燃料和氧化剂进行预混。除了燃料和氧化剂，非旋流元件220还可以对稀释剂、其它气体混合物、或者其任何组合进行预混。为了便于参考，短语“预混物”将用于指代燃料和氧化物连同待预混的零（含量的）或多种液体、零（含量的）或多种稀释剂、以及零（含量的）或多种其它气体混合物。换句话说，除了燃料和氧化剂，预混物还能够包括液体、稀释剂、和气体混合物的任何组合。稀释剂可以/能够是惰性的。此外，一些气体混合物可以/能够部分或全部发生反应。

尽管图2中示出多个非旋流元件220，但是非旋流元件220的数量也能够少至一个。此外，尽管非旋流元件220示为圆形，但是其形状并不限于此。例如，如图3所示，非旋流元件220可以呈矩形。当具有多个非旋流元件220时，能够具有形状（例如，圆形、三角形、矩形、多边形等）的混合以及尺寸的混合，并且尺寸和形状不必彼此对应。也就是说，形状相似的元件不必具有相似的尺寸，并且尺寸相似的元件不必具有相似的形状。

再次参照图2，预混装置110还包括一个或多个旋流组件230（图2中仅示出一个旋流组件230）。由于同时利用旋流组件或多个旋流组件230以及非旋流元件或多个非旋流元件220，预混装置110还可以被称作“混合型（hybrid）”。每个旋流组件230都可以包括旋流叶片232和包绕旋流叶片232的罩234。罩234由虚线示出，以表示罩234是任选的。同样，尽管旋流组件230示为圆形，但是其形状并不限于此，即，旋流组件230能够具有任何形状（例如，圆形、三角形、矩形、多边形等）。旋流组件230的尺寸也不受限制。这表示罩234也能够具有任何形状和尺寸。

在流体被输送至燃烧室12之前，旋流组件230干扰流体——氧化剂、燃料、稀释剂、其它气体混合物、或者其组合的流动。尽管未示出，但是旋流叶片232可以任选地设置有从其输送燃料的一个或多个燃料喷射端口。通过罩234，旋流组件230能够用作旋流燃料喷嘴（也称作旋流喷嘴（swozzle））——以对预混物进行预混。无论具有或不具有罩234，旋流叶片232都能够干扰流动，以增加或加强从非旋流元件220离开的均匀的反应物、氧化剂、和稀释剂混合物。

图4和图5示出了燃料喷嘴的示例，该燃料喷嘴使用具有罩的旋流组件，即旋流喷嘴。在图4中，燃料喷嘴包括进口流动调节器（IFC）126、旋流喷嘴230、和从旋流组件230延伸的罩延伸部134。空气或氧化剂通过IFC126进入旋流喷嘴。IFC126包括位于外侧直径处的穿孔圆柱外壁128和位于上游端部处的穿孔端帽130。氧化剂通过端帽130和圆柱外壁128中的穿孔进入IFC126。参照图5，示例性旋流组件包括叶片（在该附图中标记为140）和设置在叶片140之间的轮辐（spokes）142。每个轮辐142都能够包括任何数量的喷射端口（标记为144），以用于将燃料喷射到通过叶片打旋的氧化剂中。

再次参照图2，尽管示出了单个旋流组件230，但是完全可以构想预混装置110能够包括任何数量的旋流组件230，所述任何数量的旋流组件230中的一些、都不或全部都可以包括罩234。在包括罩234的那些旋流组件230中，一些旋流组件230可以对预混物进行预混，即，一些旋流组件可以是旋流喷嘴。无论任何特定的旋流组件230是否为旋流喷嘴，组件230都可以具有不同的形状和尺寸，并且所述形状和尺寸不必彼此对应。

在图2中，圆形旋流组件230基本位于面210的中心处并且被圆形的非旋流元件220包绕。尽管这可能是旋流组件230优选的位置和几何形状，但是不应当将其理解为构成限制。的确，情况可能与图2相反，即，一个或多个非旋流元件220能够被一个或多个旋流组件230包绕。这种相反的预混装置的示例示于图6中。图6中的预混装置110包括被多个旋流组件230包绕的非旋流元件220，所述多个旋流组件230中的每一个都能够是旋流喷嘴、或者不是旋流喷嘴。然而，代替由多个旋流组件230包绕非旋流元件220的情况，单个旋流喷嘴230能够如图7所示地包绕非旋流元件220。

所提供的示例到目前为止证明了预混装置110能够包括任何数量和任何形状的非旋流元件220、任何数量和任何形状的旋流组件230，并且非旋流元件220和旋流组件230可以以任何方式分布在面210上。此外，尽管未示出，但是非旋流元件220和旋流组件230可以在火焰侧上具有不同的侵入部（intrusion），即，非旋流元件220和旋流组件230不必沿轴向方向共用相同的端板/端平面（end plane）。当具有多个非旋流元件220时，其相对于彼此具有不同的侵入部。当具有多个旋流组件230时，情况是相同的。

对于本说明书的大部分情况而言，以多少有点规律的方式分布在预混装置110的圆形面210上的、具有相似侵入部的圆形旋流组件230和非旋流元件220将示为示例。然而，应当牢记，除非通过其它方式具体提出，否则所公开的本发明的范围并不受到所示示例的限制。

有规律的布置的一个示例是这样的预混装置110：该预混装置110包括包绕旋流组件230的多个非旋流元件220，多个非旋流元件220围绕预混装置110的面210的外周分布，旋流组件230基本位于面210的中心处。每个非旋流元件220都能够在将预混物输送至燃气涡轮机系统10的燃烧器14之前对预混物进行预混。旋流组件230能够包括多个旋流叶片232，以在将流体输送至燃烧器14之前干扰流体的流动，所述流体能够包括氧化剂或预混物。旋流组件230能够为旋流喷嘴。

在上述的有规律布置的示例中，表明了预混装置110包括“一个”旋流组件230。这不应当被理解为表示“仅有一个”旋流组件。相反，除非通过其它方式声明，否则这应当被理解为表示“至少一个”。的确，除非通过其它方式声明，否则术语“一个”应当一般被理解为表示“至少一个”。

图8示出了本发明的有规律地布置的预混装置实施例。如图可见，预混装置110包括被六个管束320包绕的旋流组件230。管束320对应于非旋流元件220。图9更详细地示出了示例性管束320的横截面。如图可见，管束320包括多个预混微型管410，所述多个预混微型管410通常分组或连接，使得管束320可以像单个燃料喷嘴一样起作用。在图9的示例性管束320中，壳体430通常用于对预混微型管410进行分组或连接。预混物能够在每个微型管410中进行预混，预混物能够被喷射。管束320还可以被称作微型混合器320。任选地，每个微型混合器320都可以包括一个或多个谐振器440。微型混合器320允许大火焰保持裕量（a large flame holding margin）、非常低的排放、以及广的MWI范围操作。

微型管410、壳体430、以及谐振器440全部示为圆形，但是像非旋流元件220和旋流组件230一样，管束320的元件410、430、440的形状和尺寸并不限于此。此外，能够具有任何数量的谐振器440，包括也可以完全没有谐振器440。此外，谐振器440不必居中。的确，对组成管束320的各元件的分布具有很少的限制，甚至没有限制。

如图10所示，可以具有其它的管束构造，其中管束320包括多个矩形微型管410。应当理解，其构造并不限于图9和图10所示的那些构造。

再次参照图8，图示实施例中的旋流组件230是中心定位的旋流喷嘴。但是像上文所提示的，本发明并不限于此。尽管这种规律的布置可能是优选的，但是旋流组件230不必中心定位。此外，旋流组件230不必包括罩234。此外，多个旋流组件230可以每个都设置有或不设置有罩234。再次重复，对旋流组件230和管束320的数量具有很少限制甚至没有限制，并且对其几何形状同样具有很少限制甚至没有限制。此外，管束320在几何形状、微型管计数、微型管尺寸、谐振器计数、谐振器尺寸等方面不必相同。

图11示出了本发明的另一个有规律地布置的预混装置实施例。如图可见，预混装置110包括非圆形旋流组件230和对应于非旋流元件的六个富含催化剂的、稀薄燃烧（RCL）喷嘴（rich-catalytic,lean burnnozzles）520。在这个特定情况中，RCL喷嘴520呈梯形，但是其形状不限于此。顾名思义，预混物通过催化剂，以提高稀薄火焰稳定性（lean flame stability）。

每个RCL喷嘴520都包括位于梯形壳524内的一个或多个管道522。为了使混乱（clutter）最小化，未示出燃料喷射孔和燃料喷射端口。假设预混物沿垂直于附图所示平面的方向在壳524的内部和管道522的外部流动。预混物还可以在旋流组件230内流动。管道522和壳524加厚着色/设置阴影，以表示暴露于预混物的表面——管道522的外部表面和壳524的内部表面——包覆有催化材料，例如铂或钯。任选地，管道522可以用于承载冷却剂。

尽管壳524在图11中示为梯形，但是可以构想为其它形状。同样，尽管有规律的布置可能是优选的，但是壳524的几何形状不必相同。即使其几何形状相似，壳524仍然能够具有不同尺寸。此外，尽管附图中示出了单个中心定位的非圆形旋流组件230，但是完全可以设计为围绕预混装置的面分布的具有不同形状的多个旋流组件，所述多个旋流组件具有或不具有同样能够呈不同形状的罩。

图12示出了本发明的另一个有规律地布置的预混装置实施例。如图可见，预混装置110包括非圆形旋流组件230和扇形喷嘴（sectornozzles）620。在该特定情况中，对应于非旋流元件的扇形喷嘴620的数量为六个，但是这并不构成限制。如图可见，每个扇形喷嘴620都设置有可以开孔的板622，板622形成有预混物从其流出的孔口624的阵列。

应当不足为奇的是，完全可以构想或设计出预混装置110的多种变型。预混装置110能够包括任何数量的非旋流元件220和任何数量的旋流组件230。尽管应当具有至少一个非旋流元件220和至少一个旋流组件230，但是非旋流元件220和旋流组件230的数量不必通过任何方式彼此对应。非旋流元件220和旋流组件230可以以任何方式围绕预混装置110的面210分布，并且非旋流元件220和旋流组件230的火焰侧上的侵入部也可以发生变化。

旋流组件230能够具有任何形状和尺寸，并且其形状和尺寸不必彼此对应。在旋流组件230中，能够存在具有罩234的任何数量（包括零）的旋流组件230和不具有罩234的任何数量（包括零）的旋流组件230。非旋流元件220也能够具有任何形状和尺寸，并且其形状和尺寸不必彼此对应。在非旋流元件220中，能够具有任何数量的微型混合器320（包括零）、RCL喷嘴520（包括零）和扇形喷嘴620（包括零）。这些并不是非旋流元件220仅有的示例。微型混合器320不必全部相同。例如，一些微型混合器320可以包括谐振器440、而其它微型混合器320可以不包括谐振器440。RCL喷嘴520不必全部相同，例如，一些RCL喷嘴520可以承载冷却剂、并且其它RCL喷嘴520可以不承载冷却剂。同样地，扇形喷嘴620不必全部相同。

本发明预混装置的各种方面的非穷尽的优点列表包括低燃烧动态现象、低排放、加强的稀薄火焰保持裕量、以及广的MWI操作范围。

本说明使用示例对本发明进行了公开（其中包括最佳模式），并且还使本领域内的技术人员能够实施本发明（其中包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法）。本发明的可专利范围通过权利要求进行限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它的示例。如果这种其它的示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这种其它的示例包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件，则期望这些其它的示例落入权利要求的范围中。

Claims (20)

1.一种用于燃气涡轮机系统的预混装置，所述预混装置包括：

燃料进口，所述燃料进口构造为接收燃料并将燃料引导到所述预混装置；

多个非旋流元件，所述多个非旋流元件围绕所述预混装置的面的外周分布，每个非旋流元件都布置成接收来自所述燃料进口的燃料，并且在被相应的非旋流元件预混合的所述燃料和氧化剂的预混物被输送至所述燃气涡轮机系统的燃烧器以用于燃烧之前，所述每个非旋流元件对被所述非旋流元件预混合的所述预混物进行预混；以及

旋流组件，所述旋流组件基本位于所述预混装置的所述面的中心处，以便被所述多个非旋流元件包绕，所述旋流组件也是布置成接收来自所述燃料进口的燃料、并预混合所述燃料和流入的氧化剂以形成预混物，并且所述旋流组件布置成在被所述旋流组件预混合的所述预混物被输送至所述燃烧器之前干扰被所述旋流组件预混合的所述预混物的流动。

2.根据权利要求1所述的预混装置，其特征在于，所述多个非旋流元件包括一个或多个微型混合器，

每个微型混合器都包括多个通常连接的微型管，并且

所述预混物在每个微型管中进行预混。

3.根据权利要求2所述的预混装置，其特征在于，至少一个微型混合器进一步包括谐振器。

4.根据权利要求1所述的预混装置，其特征在于，所述多个非旋流元件包括一个或多个扇形喷嘴，并且

每个扇形喷嘴都包括板，所述板形成有孔口的阵列，所述预混物从所述孔口流出。

5.根据权利要求1所述的预混装置，其特征在于，所述旋流组件进一步包括设置在多个旋流叶片上的燃料喷射端口，从所述燃料喷射端口输送所述燃料。

6.根据权利要求5所述的预混装置，其特征在于，所述旋流组件是旋流喷嘴，所述旋流喷嘴包括包绕所述多个旋流叶片的罩。

7.根据权利要求1所述的预混装置，其特征在于，至少一个非旋流元件具有与所述旋流组件不同的位于火焰侧上的侵入部。

8.根据权利要求1所述的预混装置，其特征在于，除了所述燃料和所述氧化剂，所述预混物还包括具有稀释剂的任何组合。

9.根据权利要求1所述的预混装置，其特征在于，所述多个非旋流元件包括一个或多个富含催化剂的、稀薄燃烧(RCL)喷嘴，

每个稀薄燃烧喷嘴都包括由壳封闭的一个或多个管道，

催化材料粘结至所述壳的内表面、所述一个或多个管道的外表面、或者同时粘结至所述壳的内表面和所述一个或多个管道的外表面；并且

所述预混物在所述壳的内部和所述一个或多个管道的外部流动。

10.根据权利要求9所述的预混装置，其特征在于，至少一个稀薄燃烧喷嘴布置成在所述一个或多个管道中承载冷却剂。

11.一种用于燃气涡轮机系统的预混装置，所述预混装置包括：

燃料进口，所述燃料进口构造为接收燃料并将燃料引导到所述预混装置；一个或多个非旋流元件，所述一个或多个非旋流元件围绕所述预混装置的面分布，每个非旋流元件都布置成接收来自所述燃料进口的燃料，并且在被相应的非旋流元件预混合的所述燃料和氧化剂的预混物被输送至所述燃气涡轮机系统的燃烧器以用于燃烧之前，所述每个非旋流元件对被所述非旋流元件预混合的所述预混物进行预混；以及

一个或多个旋流组件，所述一个或多个旋流组件围绕所述预混装置的所述面分布，至少一个旋流组件都布置成接收来自所述燃料进口的燃料、并预混合所述燃料和流入的氧化剂以形成预混物，并且所述旋流组件布置成在被所述旋流组件预混合的所述预混物被输送至所述燃烧器之前干扰被所述旋流组件预混合的所述预混物的流动。

12.根据权利要求11所述的预混装置，其特征在于，所述一个或多个非旋流元件包括一个或多个微型混合器，

每个微型混合器都包括多个通常连接的微型管，并且

所述预混物在每个微型管中进行预混。

13.根据权利要求12所述的预混装置，其特征在于，至少一个微型混合器进一步包括谐振器。

14.根据权利要求11所述的预混装置，

其特征在于，所述一个或多个非旋流元件包括一个或多个扇形喷嘴，并且

每个扇形喷嘴都包括板，所述板形成有孔口的阵列，所述预混物从所述孔口流出。

15.根据权利要求11所述的预混装置，其特征在于，至少一个旋流组件进一步包括设置在多个旋流叶片上的燃料喷射端口，从所述燃料喷射端口输送所述燃料。

16.根据权利要求15所述的预混装置，其特征在于，所述至少一个旋流组件是旋流喷嘴，所述旋流喷嘴包括包绕所述多个旋流叶片的罩。

17.根据权利要求11所述的预混装置，其特征在于，至少一个非旋流元件具有与至少一个旋流组件不同的位于火焰侧上的侵入部。

18.根据权利要求11所述的预混装置，其特征在于，除了所述燃料和所述氧化剂，所述预混物还包括具有稀释剂的任何组合。

19.根据权利要求11所述的预混装置，其特征在于，所述一个或多个非旋流元件包括一个或多个富含催化剂的、稀薄燃烧(RCL)喷嘴，

每个稀薄燃烧喷嘴都包括由壳封闭的一个或多个管道，

催化材料粘结至所述壳的内表面、所述一个或多个管道的外表面、或者同时粘结至所述壳的内表面和所述一个或多个管道的外表面，并且

所述预混物在所述壳的内部和所述一个或多个管道的外部流动。

20.根据权利要求19所述的预混装置，其特征在于，至少一个稀薄燃烧喷嘴布置成承载所述一个或多个管道中的冷却剂。