专利名称：用于减少燃气涡轮发动机的排放的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明是基于美国政府的支持在政府合同No.DE-FC02-00CH11063下完成的。美国政府对本发明具有一定的权利。
本发明大体上涉及燃气涡轮发动机，更具体地涉及燃气涡轮发动机的燃烧室。
背景技术：
微型涡轮是通常用于现场发电的小燃气轮机。它们基于与喷气式发动机相同的原理来工作，但可使用各种能买到的燃料，例如天然气、柴油、生物柴油、汽油、煤油、丙烷、甲烷、沼气、改良燃料、气化产物等。微型涡轮具有可在与电网相连的模式、单机模式和双态模式下工作的能力。与电网相连的模式通常允许装置与电网并行地工作，提供了基荷调节和峰值调节。单机模式通常允许装置完全与电网隔离而工作。在双态模式中，装置可在这两种模式之间自动地切换。
微型涡轮通常用作办公楼、零售店、小制造厂、家庭以及许多其它商业机构的后备或辅助电源。这些机构在传统上通过配电线电网而由电力部门来供电。利用微型涡轮，这些机构就可在其自身位置处发电，并避免仅仅依赖于传统的电网和电站。与电力部门通过电网所提供的电能相比，微型涡轮还可以成本更低和/或更可靠地发电。
全球范围的空气污染已经催生了更严格的排放标准。这些标准管制由燃气涡轮发动机的运转所产生的氮氧化物(NOX)、未燃烃(UHC)和一氧化碳(CO)的排放。具体地说，由于工作期间的燃烧火焰的高温，在燃气涡轮发动机内形成了氮氧化物。
传统的微型涡轮通常包括压缩机、回流换热器、燃烧室和涡轮。空气在压缩机中被压缩，在回流换热器中被加热，在燃烧室中与燃料混合并燃烧，之后在涡轮中膨胀以产生可驱动涡轮的高压热燃气。通常用管道将涡轮废气输送穿过回流换热器，以将热量传递给进入空气，从而增加了燃烧腔中的空气燃料混合物的能量。燃气轮机通常采用两种类型的燃烧室，例如管形燃烧室和环形燃烧室，就排放和可操作性而言，各燃烧室都具有一定的特性上的优点和缺点。
管形燃烧室通常包括有插入到过渡段中的圆柱状管形衬套，以及多个位于衬套顶端处的燃料空气预混器。虽然这种系统实用且易于装配，然而现有技术的管形燃烧室在达到超低排放和最大可操作性要求方面具有若干固有的缺点。现有技术的管形燃烧室相对较长，并提供了较长的燃烧室滞留时间。在低负载和/或低温的工作期间，因较长的燃烧室滞留时间而降低了CO和UHC的浓度。然而，在高负载和/或高温的工作期间，双原子氮开始与燃烧的中间产物(氧原子、OH等)发生反应，NOX的排放随时间而增加。因此，管形燃烧室的较长滞留时间导致了在高负载和/或高温工作期间存在较高的NOX排放。与高负载和/或高温下的工作相比，在较低压力和类似的火焰温度下，除非滞留时间增大，否则CO的浓度会显著提高。这对微型涡轮的工作来说特别重要，因为微型涡轮具有比重型机器低得多的压力比(通常约为4.0)。结果，必须对燃烧室进行改进以便能应用在同流换热式微型涡轮上。
图1显示了现有技术的管形燃烧室。管形燃烧室2包括机匣4、预混装置6、空气入口8、管形衬套10、燃烧腔12、可选的过渡段14以及喷嘴16。在现有技术的管形燃烧室2的工作期间，燃烧空气沿着箭头A的方向经由入口8而进入到机匣4中。之后燃烧空气进入到预混装置6中，在这里与燃料混合。然后通过预混装置6将燃料空气混合物喷射到燃烧腔12中，在这里进行燃烧。在燃料空气混合物燃烧之后，其经由过渡段14和喷嘴16排出。如所述，管形燃烧室的一个不利方面是其长度。燃烧产物从燃烧腔的上游端流过整个腔并进入到过渡段中，最后经由喷嘴而离开。这导致了燃烧室滞留时间较长，因此在高温和/或高负载的工作期间导致了较高水平的NOX排放。然而，管形燃烧室在低温和/或低负载的工作期间能够很好地工作，这是因为较长的燃烧室滞留时间会使CO和UHC在这一较长期间内烧掉(即更完全地氧化)，从而导致了较低水平的CO和UHC排放。另外，尤其对于微型涡轮的燃烧室而言，通常不需要过渡段，这是因为燃烧室的出口可与涡壳入口对齐，并可通过使用密封件来减小任何泄漏。
环形燃烧室通常包括以环状的形式直接定位在涡轮喷嘴上游的环中的多个预混器。环形燃烧室的长度较短，因此具有相对较短的燃烧室滞留时间。在高负载和/或高温的工作期间，由于在较短的环形燃烧室中燃烧室滞留时间较短，因此NOX排放的水平较低。然而，在低负载和/或低温的工作期间，由于环形燃烧室的燃烧室滞留时间较短，这不允许一氧化碳(CO)和未燃烃(UHC)完全地燃尽(即氧化)，因此CO和UHC的浓度很高。
图2显示了现有技术的环形燃烧室50。如图所示，典型的环形燃烧室50包括有形式为完全环形的单个火焰管，其包含在相应的连续环形的内燃烧室机匣52和外燃烧室机匣54中，没有任何单独的内部管形燃烧室。这种结构提供了最有效的燃料和空气的混合，并且由于具有最优化的燃烧器表面积而可对燃气进行最大程度的冷却。由于其为环形的形状，环形燃烧室不需要有过渡段，这使其比管形燃烧室更紧凑得多。如上所述，在用于低压力比的燃气轮机中时，环形燃烧室的一个不利方面是其长度较短。燃烧室滞留时间较短，因此在低温和/或低负载的工作期间，存在有较高水平的CO和UHC排放。另外，环形燃烧室工作的另一个重要的不利方面是该燃烧系统具有多种声学模式(横向的和纵向的)，这尤其倾向于在贫预混焰的情况中被激发，并因此通常在高负载下导致了高振幅的压力波动。然而，环形燃烧室在高温或高负载的工作期间能够很好地工作，这是因为较短的燃烧室滞留时间不会给NOX的排放带来充足的生长时间，从而导致NOX排放的水平较低。而且，对于微型涡轮来说通常使用辐流式涡轮机，而环形燃烧室的几何形状上的布局最适合于轴流式涡轮机。
在微型涡轮发动机中，通常使用贫预混焰。在用于微型涡轮的管形燃烧室中，这是通过使用预混器来实现的，预混器可进行用于产生预混火焰和扩散火焰的双重操作。后者通常在除了设计点(全速负载)之外的条件下使用，这时通常很难达到贫预混焰的稳定性。在环形燃烧室中采用周向上均匀布置的预混器阵列。此外，为了获得均匀性和良好的模式因数，所有的预混器均类似地工作。结果是，在任一种预混器的结构中(如环形或管形)，在除了设计设定点之外的情况下都会产生较高的排放(例如在环形燃烧室中为CO和UHC的高排放，而在管形燃烧室的情况下为NOX的高排放)，而且在任一种预混器的结构中都没有在不同燃料比下独立地操作预混器的灵活性。
因此，需要一种能在低温和/或低负载的工作期间以及在高温或高负载的工作期间都可减少排放(即在设计设定点下的排放以及在设计设定点之外的工作条件下的排放)的无噪式燃烧室。
发明内容
本文公开了一种用于减少燃气轮机排放的工艺和装置。在一个实施例中，用于燃气轮机的回流式燃烧室包括燃烧室机匣，其包括在其内部限定了燃烧腔的狭长的圆柱形燃烧室衬套，以及位于衬套与机匣之间的回流流体通道；位于燃烧腔上游的旋流器和混合器组件，其中该组件包括环形地布置的旋流器和混合器，每个旋流器和混合器都包括中心体、连接在中心体上的内旋流器、与内旋流器相连的外旋流器以及护罩，该护罩包括在每个旋流器和混合器与燃烧腔之间延伸的环状锥形壁；圆顶板，其包括有热屏蔽，该热屏蔽具有处于燃烧腔与旋流器和混合器组件之间的环形端部件；主燃料传送系统，其包括与四个旋流器和混合器中的每一个均流体相通的燃料源，其中主燃料系统适于将燃料径向地喷射到内、外旋流器中；以及副燃料传送系统，其包括由护罩的环状锥形壁和外壁所限定的流体通道，其中该流体通道与燃料源流体相通，主、副燃料传送系统可独立地控制四个旋流器和混合器中的每一个。
根据另一实施例，用于燃气轮机的回流式燃烧室包括燃烧室机匣，其包括在其内部限定了燃烧腔的狭长的圆柱形燃烧室衬套，以及位于衬套与机匣之间的回流流体通道，其中燃烧室衬套包括多个围绕着主燃烧区域的开口，以及多个围绕着燃烧腔的掺混区域而径向地布置在衬套内的开口；位于燃烧腔上游的旋流器和混合器组件；以及处于燃烧腔与旋流器和混合器组件之间的圆顶板，其包括有热屏蔽，该热屏蔽具有环形端部件，其中圆顶板还包括多个用于在燃气轮机的工作期间提供冲击在热屏蔽的背侧上的气流的流体开口，其中，所述多个围绕着主燃烧区域而径向地布置在衬套内的开口提供了流体流，该流体流在燃气轮机的工作期间冲击在热屏蔽的背侧上。
在采用包括有多个旋流器和混合器组件的管形燃烧室的燃气轮机中，用于减少NOX排放的工艺包括为所述多个旋流器和混合器组件中的至少一个组件而单独地操作主燃料传送系统，其中主燃料传送系统将燃料喷射到所述至少一个旋流器和混合器组件的旋流器中，以便在不同于其它旋流器和混合器组件的燃料空气当量比下工作；以及为所述多个旋流器和混合器组件中的每一个组件而操作副燃料传送系统，其中副燃料传送系统经由设在护罩中的开口而将燃料喷射到燃烧腔中，该护罩围绕着所述多个旋流器和混合器组件中的每一个组件。
下面将通过下述详细介绍和附图来示例性地说明上述及其它的特征。
现在来看附图，其中采用相同的标号来表示相似的零件图1是现有技术的管形燃烧室的截面侧视图；图2是现有技术的环形燃烧室的截面侧视图；图3是同流换热式微型涡轮的透视图；图4是根据本发明的回流式管形燃烧室的截面图；图5是燃烧室衬套的侧视图；图6是圆顶板和热屏蔽组件的透视图；图7是用于管形燃烧室的旋流器和预混器组件的平面图；图8是单个旋流器和混合器的平面图；图9是单个旋流器和混合器的截面图；图10是显示了副燃料传送系统和用于冷却热屏蔽的空气冲击通道的放大的截面图；和图11用图表显示了在图3所示微型涡轮的全速且满载的情况下燃烧室衬套上的CO和NOX的排放。
图中各标号的含义如下2管形燃烧室；4机匣；6预混装置；8空气入口；10管形衬套；12燃烧腔；14过渡段；16喷嘴；50环形燃烧室；52内机匣；54外机匣；100同流换热式微型涡轮组件；102燃烧室组件；104涡轮涡壳；106压缩机机壳；108发生器；110同流换热器；112外机匣；114机匣部分；116机匣部分；118机匣部分；120端盖；122燃烧室衬套；124燃烧腔；126上游端；128下游端；130过渡段；131呼拉密封件；132流体通道；134圆顶板；135环状布置的开口；136热屏蔽；137通孔；138点火器；139机匣开口；140旋流器和混合器组件；141衬套开口；142“冲击”衬套开口；143凸缘；144掺混孔；146肋；148衬套凸缘；150凹槽；152交叉管开口；154旋流器和混合器；156旋流器和混合器；158旋流器和混合器；160旋流器和混合器；162板；164燃料喷嘴；166燃料喷嘴；168燃料喷嘴；170燃料喷嘴；172通孔；174预混合器杯体；176中心体；178内旋流器；180外旋流器；182护罩；184对称轴线；186上游侧；188下游侧；190内旋流器前缘；192外旋流器后缘；194距离；196中心体前缘；198外旋流器前缘；200外叶片；202内叶片；204轮毂；206流体通道；208锥形壁；210高压室；212燃料喷嘴；213流体通道；214流体通道；216套圈；218套圈固定器；220圆顶板的“冲击”开口；222中心体的主体部分；224燃料喷射开口。
具体实施例方式
本文所公开的是一种用于在发动机负荷的全部工作范围内和在环境条件下减少废气排放如CO、NOX及UHC的排放的燃气轮机装置和工艺。这种燃气轮机装置通常包括具有预混器阵列的回流式管形燃烧室，其中预混器的阵列可相互间独立地起作用。通过以预定的阵列模式单独地操作预混器的阵列，便可在设计点处有利地使用贫预混焰来控制燃料的当量比，由此控制火焰温度，从而降低在设计点之外的条件下的有毒废气的排放。而且，出于与预混器阵列的单独操作有关的额外自由度的原因，即将在本文中介绍的预混器阵列的单独使用可提高燃气轮机的动力。
现参见图3，其中显示了同流换热式微型涡轮100的透视图。微型涡轮100大体上包括回流式管形燃烧室组件102、涡轮涡壳104、压缩机机壳106、发生器108和同流换热器110。
在工作中，被高度压缩的空气传递到燃烧室组件102中，与燃料混合并被点燃。燃料可以是任何类型的燃料，例如液态、气态、低BTU的燃料等。之后燃气在涡轮涡壳104中膨胀，以便在涡壳内驱动涡轮，然后通过导管排放到同流换热器110中。由膨胀的高压燃气所驱动的涡轮旋转可以通过发生器108而以本领域的技术人员所公知的方式转换成电能。
图4显示了图3所示燃烧室组件102的截面。燃烧室组件102与压缩装置(未示出)协同工作，以便驱动与燃烧室组件102(未示出)流体相通的燃气轮机(例如容纳在图3所示的涡轮涡壳104中)。燃烧室组件102包括圆柱形的外燃烧室机匣112，其具有一个或多个用于为燃烧室组件102提供流体的入口。机匣112最好由多个机匣部分114，116，118构成，它们可通过螺栓接合或其它的方式连接在一起。如将要讨论的那样，可通过多个机匣部分的使用来紧密地固定住设置在燃烧室机匣112中的各个部件的凸缘。在燃烧室机匣112的远离涡轮涡壳104的一端优选通过螺栓连接了端盖120(在这里也称为扩压盖)。这样，如以下将详细描述的那样，在涡轮100的工作期间会在燃烧室组件102中产生回流(即逆流)。
在外燃烧室机匣112中设有圆柱形的燃烧室衬套122，在其中限定了一个圆柱形的燃烧腔124，即管形燃烧室。图5显示了燃烧室衬套122的侧视图。燃烧室衬套122通常包括可产生燃烧火焰的主内部区域，以及位于该主内部区域下游的掺混区域。在衬套122中的通常形成了主区域的部分中径向地设置了多个开口142，而掺混孔144径向地围绕着燃烧室衬套122，从而大致限定了掺混区域。如以下将详细描述的那样，在工作期间，开口142可有利地为热屏蔽136提供冲击空气。在下游处，掺混孔144提供了多条掺混射流，以便降低平均温度并减少衬套122的壁附近的热点，因此可在燃烧室衬套122的出口平面上获得可接受的燃烧模式因数。环绕着衬套122的多个肋146形成了用于热传递并加固衬套的湍流器。燃烧室衬套122还包括凸缘148，其用于将衬套122对接式地固定在机匣112的环形槽150中(见图4)。燃烧室衬套122还可包括辅助开口152，其用于点火器、点火器的交叉火管等。
如图4所示，燃烧腔124具有上游端126和下游端128。燃烧产物流离开燃烧腔124的下游端128，进入到过渡段130或涡壳中，该过渡段或涡壳通过密封件131而叠置于燃烧室衬套122的端部上，该密封件131也称为呼啦密封件(hula seal)，其固定地连接在燃烧室衬套122的一端上。过渡段130用于使燃烧室衬套122的圆形截面经由喷嘴(未示出)而过渡到涡轮入口(未示出)的扇形部分中，从而允许燃烧产物流进入到涡轮中，使得涡轮能够利用燃烧产物的能量来驱动涡轮。在一个优选实施例中，燃烧室衬套122的长度必须足够长，以便在燃烧产物离开衬套而进入过渡段130之前允许CO在低负载或低温工作中充分地燃尽。箭头132所示的流体通道由燃烧室衬套122和机匣112之间的空间来限定。流体通道132允许流体如空气在涡轮100的工作期间反向流动。
燃烧室组件102还包括设在燃烧室衬套122的上游端126处并与之相邻的圆顶板134。图6显示了圆顶板134的更详细的透视图。如图所示，圆顶板134自身在形状上大致是平的和圆形的。圆顶板134包括位于外凸缘143上的通孔137，其用于在燃烧室组件102的装配期间将圆顶板134固定在燃烧室衬套122的凸缘148上。在一个优选实施例中，圆顶板134包括如这里所显示并介绍的四个环状布置的开口135，每个开口在数量上都对应于在燃烧室组件102中所采用的旋流器和混合器组件。然而应当注意的是，本说明书并不意味着局限于这四个环状布置的开口，其取决于在燃烧室组件102中使用的旋流器和混合器组件的数量。最好采用多于两个的旋流器和混合器组件，其中最大的数量受到空间约束和成本的限制。另外，如在下文中所详细介绍的那样，圆顶板134包括多条允许燃料和/或空气从中穿过的流体通道220。该流体通道220相对于环状布置的开口135来说要小一些。热屏蔽136与圆顶板134的其中一个主平面形成一体，或者固定地连接到其上。热屏蔽136优选为杯形，并具有与圆顶板中的各个环状布置的开口135固定地相连的杆部。再回来看图4，之后将热屏蔽136定位在面向燃烧腔124的下游，而将旋流器和预混器组件140的环形阵列布置在上游。热屏蔽136包括环形的端部件，其将燃烧室衬套122与在内部的主燃烧区域中燃烧的火焰隔开。
点火器138经由开口139，141而延伸穿过燃烧室机匣112和衬套122，并设置在热屏蔽136的下游。圆顶板的开口220和燃烧室衬套的开口142协同操作，使得在工作期间流经这些开口142，220的气流可以基本上垂直于热屏蔽136的角度而直接冲击在热屏蔽136的背侧上，然后与来自燃烧腔124中的火焰下游的流体流混合，从而为降低当量比提供了辅助手段。
如图7更清楚地显示，旋流器和预混器组件140包括四个环状布置的旋流器和混合器组件154，156，158，160，它们围绕着板162的中心轴线等距地径向布置。虽然图中显示了采用四个环状布置的旋流器和混合器组件，然而也可使用其它的环状旋流器和混合器组件的布置，以提供所需的燃烧模式。各个环状的旋流器和混合器组件都各自包括一个燃料喷嘴164，166，168，170，它们可被单独地操作以调节燃料/空气混合物中的燃料量，从而为在诸如全速、满载、低负载、低速、停机等不同工作条件下降低NOX的整体排放而提供了一种手段。通过喷嘴164，166，168和170的燃料传送形成了主燃料传送系统。另外，由于燃烧室组件102采用管形燃烧室衬套，因此可减少CO和UHC的排放，这是因为相对环形燃烧室而言，在燃烧腔124中的滞留时间较长。板162还包括通孔172，其用于将旋流器和预混器组件140固定在机匣112上。
图8和9显示了单个旋流器和预混器组件(例如154或156或158或160)的截面图和平面图。各组件都包括预混器杯体174，其允许燃料和空气在其中均匀地混合，并将燃料/空气混合物引导至燃烧腔124中。各预混器杯体174都包括中心体176、内旋流器178、外旋流器180，以及从上游侧186延伸到下游侧188的对称轴线184。在旋流器和混合器组件的下游设有护罩182，即收敛的混合管道。燃料喷嘴164与包围了外旋流器180的壁中的开口224流体相通。这样，如将在下文中将详细描述的那样，可以同时径向地和与外旋流器180基本上垂直地喷射燃料。
各内旋流器178在中心体176的径向外侧固定在中心体176上，其中内旋流器包括前缘190和后缘192。可采用包括滑动配合、点焊、环氧树脂粘合等在内的任何方式来进行固定。各外旋流器180从内旋流器178的径向外侧固定在内旋流器178上。外旋流器180连接成使得内旋流器的前缘190处于外旋流器180的前缘198的上游且离其为一定距离194的位置处。此外，当与外旋流器180相连时，中心体176定位成使得中心体的前缘196大致与内旋流器前缘190共面，并且处于外旋流器前缘198的上游且离其为一定距离194的位置处。如图所示，中心体176的最前端部分最好为锥形。
内旋流器178和外旋流器180最好分别构造成使得各旋流器中的流体可以相互间反向地旋转。轮毂204将各内旋流器178与各外旋流器180分开。如图8更清楚地显示，旋流器178和180通常分别具有外涡流叶片200和内涡流叶片202，各叶片相对于穿过旋流器和混合器组件中心的纵向轴线184形成为处于约40°到约60°范围内的角度。在内旋流器178中流动的空气质量与在外旋流器180中流动的空气质量之比通常是约1∶3。这种空气质量比可在旋流器178，180的下游处的护罩182中产生有效的燃料和空气混合(由于上面所提到的反向涡流的原因)，并具有用于在燃烧室内保持充分的火焰稳定性的足够的滞留涡流(对应于外旋流器具有更大的空气质量部分)。
中心体176可以是直的圆柱形部分，或者是从上游端到下游端的表面覆盖范围基本上均匀的部件。中心体176优选设置成与组件的对称轴线184同轴。如上所述，出于气流的目的，中心体的前缘优选为锥形。在一个实施例中，中心体176铸造在预混器杯体174中，其尺寸加工成使其紧邻于护罩182的下游端之前终止。为了具备双燃料能力，中心体176还可容纳有液态燃料传送系统，其在此处未示出。
护罩182优选包括环状的锥形壁208，如图所示，其从护罩182的最前部到圆顶板134均匀地变窄，以提高护罩182内的流动速度。由于护罩182是收敛的，因此护罩182中的燃料/空气混合物的流动被加速，这有助于减少积聚在护罩182中的边界层，因而减小了逆燃阻塞。护罩182还包括围绕着护罩径向地设置的燃料高压室210。在护罩182中形成了多条从高压室210延伸到燃烧腔124中的流体通道206。在这种特殊的构造中，各旋流器和混合器组件优选包括八个这种流体通道。燃料高压室210和从中延伸出来的流体通道206与副燃料喷嘴216流体相通，从而形成了副燃料系统。
图10显示了燃烧室组件102的一部分的放大截面，以便更清楚地显示出副燃料传送系统以及分别位于圆顶板134和衬套122上的开口142，220，这些开口用于使空气冲击在热屏蔽136的背侧上。另外，图10显示了夹在形成于圆顶板134中的凹槽内的L形套圈216。优选用套圈固定器218来保持套圈216以允许其运动。套圈216在圆顶板134和限定了护罩182的外壁之间的运动允许这些部件之间的相对运动，同时形成了可调节的流体通道214，该通道与流体通道132流体相通。这样，流体如穿过流体通道132的空气可以通过由套圈216的运动所控制的通道而流入燃烧区域。
燃料岐管系统(未示出)通过燃料喷嘴(即本文所介绍的主系统的燃料喷嘴164，166，168和170以及副系统的燃料喷嘴212，214，216和218)而与主、辅燃料传送系统流体相通。如上所述，主燃料传送系统基本上垂直于外旋流器180来传送燃料。副燃料传送系统借助于形成于护罩182中的高压室210和流体通道206来传送燃料。逆向空气主要通过流体通道132而流经燃烧室组件102。第二空气通过流体通道214流动。优选能够单独地控制主、副燃料传送系统。作为选择，可以单独地控制用于各种旋流器和混合器组件的主、副燃料传送系统的一部分。这样，所有或一部分旋流器和混合器组件可以在不同的当量比下操作，从而可单独地获得不同的火焰温度。结果，可以控制包括全速和满载条件在内的不同负荷下的排放。
岐管系统通常包括多条燃料导管，其在燃料源(未示出)和所述各个燃料喷嘴之间延伸。例如，燃料喷嘴164等与外旋流器180相通，从而形成了主燃料传送系统的一部分。主燃料传送系统经由侧壁开口224而将燃料径向地喷射到外旋流器180中。护罩182具有副燃料传送系统，其以扩散焰的方式经由多个开口142来传送燃料(并由套圈216来调整)。燃料喷嘴216与岐管相通，以将燃料喷射到由护罩182限定的流体通道206中。主、副燃料传送系统可以变化，以使组合燃料流对应于固定火焰温度所需的当量比。最好，各旋流器和预混器组件(154，156，158，160)可以在不同的当量比下工作，以产生符合燃烧室规定的排放，并获得工作稳定性且较低的燃烧动力。通过点火器138在燃烧室中进行点火。如果在特定燃气涡轮发动机上需要有多个燃烧腔，那么可以本领域的技术人员已知的普通方式来使用交叉火管。
在工作中，压缩空气通过逆流或同流而被朝向端盖120引导，在端盖处压缩空气分成通过预混器154，156，158，160的燃烧空气，经过开口146和142的圆顶板13和热屏蔽136上的冲击空气，以及经过开口144的掺混空气。圆顶板和热屏蔽的冲击空气以基本上垂直于气流的角度冲击在热屏蔽136的背侧上，并在下游与燃气进一步混合。燃气分别经由内旋流器178和外旋流器180而与预混燃料预混合，并且被传递到火焰前端。护罩182具有副燃料回路，其以扩散焰的方式通过护罩顶部处的多个开口来传送副油道燃料。这两个燃料传送系统最好能独立地操作和控制。对于固定的火焰温度来说，可以单独地操作各旋流器和预混器组件，从而使组合燃料流对应于所需的当量比。这样，各旋流器和混合器组件(图中显示为四个)可以在不同的当量比下操作，以产生符合燃烧室规定的排放，并获得工作稳定性且较低的燃烧动力。为了传热的目的，将剩余空气(掺混空气)朝向开口144引导，以减少通常在高温下产生的NOX的排放。
由于提供给燃烧室组件102的燃料/空气混合物含有比完全地燃烧燃料所需的更多的空气，而且空气在燃烧之前与燃料混合，因此这种燃烧室是贫预混式燃烧室。因此，该燃烧室的燃料/空气混合物的当量比优选小于1。
下面将提供一些例子来说明本发明的一些实施例。它们并不意味着在任何方面限制了本发明。
示例1在本例中，对图3所示涡轮的排放进行监测，该涡轮采用了根据本发明的管形燃烧室。在微型涡轮的全速且满载(FSFL)的工作期间，监测燃烧室衬套上的不同点处的排放。如图11所示，在整个燃烧室衬套上，NOX的排放小于约百万分之三(3ppm)。虽然管形燃烧室中的滞留时间比环形燃烧室中的更长一些，但是在管形燃烧室中采用的单独操作的预混器提供了NOX排放最少且动压力波动最小的稳定工艺。在FSFL条件下，燃烧室衬套上的一氧化碳的平均浓度小于约10ppm。在低负荷和/或低温的工作期间，由于火焰结构紧凑且燃烧室滞留时间较长，因此一氧化碳(CO)和未燃烃的浓度有望达到最小。
虽然已经参考示范性实施例介绍了本发明，然而本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明范围的前提下，可以对其进行各种修改并对其部件进行等效替换。另外，在不脱离本发明的实质范围的前提下，可进行多种修改来使特定的情况和材料适应于本发明的内容。因此，本发明并不限于被认为是执行本发明的最佳方式的所公开的特定实施例，而是本发明将包括属于所附权利要求范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种用于燃气轮机的回流式燃烧室(102)，包括圆柱形的燃烧室机匣(112)，其包括设于一端处的端盖(120)以及与燃气轮机流体相通的敞开端；设在所述机匣(112)中的圆柱形的燃烧室衬套(122)，在其内部限定了燃烧腔(124)，在其外部限定了位于所述机匣(122)与所述衬套(112)之间的回流流体通道(132)；处于所述燃烧腔(124)上游的旋流器和混合器组件(140)，其中所述组件(140)包括环状布置的旋流器和混合器，各个所述环状布置的旋流器和混合器都包括中心体(176)、连接在所述中心体(176)上的内旋流器(178)、与所述内旋流器(178)相连的外旋流器(180)以及护罩(182)，所述护罩(182)包括在各个所述旋流器和混合器与所述燃烧腔(124)之间延伸的环状锥形壁(208)；圆顶板(134)，其处于所述燃烧腔(124)与所述旋流器和混合器组件(140)之间；主燃料传送系统，其包括与四个旋流器和混合器中的每一个均流体相通的燃料源，其中所述主燃料系统适于将燃料径向地喷射到所述外旋流器(180)中；和副燃料传送系统，其包括处于所述护罩(182)的环状锥形壁(208)中的流体通道(206)，其中所述流体通道(206)与所述燃料源流体相通，对于每一个所述旋流器和混合器来说都可以单独地控制所述主、副燃料传送系统。
2.根据权利要求1所述的回流式燃烧室(102)，其特征在于，所述圆顶板(134)还包括与之相连的热屏蔽(136)，其中所述热屏蔽(136)包括环状的端部件。
3.根据上述权利要求中任一项所述的回流式燃烧室(102)，其特征在于，所述圆顶板(134)还包括多个流体开口(220)，其可在所述燃气轮机的工作期间提供冲击在所述热屏蔽(136)的背侧上的气流。
4.根据上述权利要求中任一项所述的回流式燃烧室(102)，其特征在于，所述圆柱形的燃烧室衬套(122)包括围绕着主燃烧区域的多个开口(142)，其可在所述燃气轮机的工作期间提供冲击在所述热屏蔽(136)的背侧上的气流。
5.根据上述权利要求中任一项所述的回流式燃烧室(102)，其特征在于，所述内旋流器(178)和外旋流器(180)中的每一个均相互间逆向地旋转。
6.根据上述权利要求中任一项所述的回流式燃烧室(102)，其特征在于，所述护罩(182)包括与燃料喷嘴(212)流体相通的高压室(210)，以便从所述燃料源中引入燃料，所述高压室(210)与位于所述护罩(182)的环状锥形壁(208)中的所述流体通道(206)流体相通。
7.一种用于在采用了管形燃烧室(102)的燃气轮机中减少NOX排放的工艺，所述管形燃烧室(102)包括多个旋流器和混合器组件(140)，所述工艺包括为所述多个旋流器和混合器组件(140)中的至少一个组件而单独地操作主燃料传送系统，其中所述主燃料传送系统将燃料喷射到所述至少一个旋流器和混合器组件(140)的旋流器(180)中，以便在不同于其它旋流器和混合器组件(140)的燃料空气当量比下工作；和为所述多个旋流器和混合器组件(140)中的每一个组件而操作副燃料传送系统，其中所述副燃料传送系统经由设在护罩(182)中的开口(206)而将燃料喷射到燃烧腔(124)中，所述护罩围绕着所述多个旋流器和混合器组件(140)中的每一个组件。
8.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于，操作所述主燃料传送系统包括将燃料以基本上垂直于流体流动的角度来将燃料喷射到所述多个旋流器和混合器组件(140)中，所述流体的流动穿过所述多个旋流器和混合器组件(140)中的每一个旋流器(180)。
9.根据上述权利要求中任一项所述的工艺，其特征在于，所述工艺还包括使空气以基本上垂直于热屏蔽(136)的角度而流过形成于圆顶板(134)和燃烧室衬套(122)中的开口(142，220)，其中所述圆顶板(134)与所述多个旋流器和混合器组件(140)相连，并且所述热屏蔽(136)包括与所述圆顶板(134)相连的环形端部件。
10.根据上述权利要求中任一项所述的工艺，其特征在于，所述至少一个旋流器和混合器组件(140)中的每一个组件在不同的火焰温度下工作。
全文摘要
一种低排放的涡轮，其包括回流式管形燃烧室(102)，该燃烧室通常包括主、副燃料传送系统，它们可被单独地控制以在设计设定点和设计设定点之外的条件下产生较低的一氧化碳、未燃烃和氮氧化物的排放。该回流式管形燃烧室(102)通常包括位于燃烧室内的旋流器和混合器组件(140)，其中每一个旋流器和混合器组件(140)都包括环状布置的旋流器和混合器阵列，其包括可单独地控制的主、副燃料传送系统。本文还公开了一种管形燃烧室(102)，其包括可对热屏蔽(136)的背侧形成垂直冲击的流体通道(142，220)。本文还公开了一种用于操作管形燃烧室的工艺。
文档编号F23R3/28GK1601181SQ200410058978
公开日2005年3月30日 申请日期2004年7月22日 优先权日2003年9月22日
发明者A·科利巴巴－埃武勒特, M·J·鲍曼, S·R·桑德尔森, A·J·迪安 申请人:通用电气公司