[发明专利]预混设备、包括预混设备的燃气涡轮机及使用方法

说明书

技术领域

本发明一般地涉及燃烧涡轮机，或者更特定地，涉及包括燃料预混器的燃烧涡轮机及其使用方法。

背景技术

许多应用中采用燃烧涡轮发动机。在其最普通的应用中，采用涡轮机以产生用于飞机的推力和用于电力产生的旋转动力。涡轮机一般地通过由具有氧化剂，例如空气的燃料混合物燃烧得到的气体的膨胀产生旋转能量操作。如图1中所示，一般地由附图标记10指示的涡轮发动机包括四个主要部件：进口段12、压缩段14、燃烧段16、和涡轮机段18。在使用中，压缩段14通过进口段12吸取流体流20(例如空气)且使用一连串的带叶片的转子22和定子23压缩流体流20。压缩空气20然后被引到燃烧段16，其中，其与燃料(例如煤油、柴油、汽油、氢气、生物柴油、液化天然气等)混合且点火。对于例如图中显示的筒环型燃烧室24，预混器26的多阵列布置在压力通风系统28的一端处，且在压力通风系统28的另一端处为导管30(也就是从筒到环形区的过渡件)。对于筒型燃烧室，典型地采用多预混器。预混器26将燃料32与相对流动衬管中的流体20的大部分混合，之后发送混合物到压力通风系统28内，混合物在此燃烧，之后其与流动通过布置在压力通风系统28内的孔口34(稀释孔)的压缩流体流20的剩余部分混合。采用得到的燃料混合物以支持在压力通风系统28内的燃烧反应36，其产生排气38。排气38通过涡轮机段18，其引起涡轮机段18内的转子40旋转。在很多情况下，压缩段14和涡轮机段18经由轴42机械地连接，使得燃烧反应给压缩段提供动力，也就是，引起压缩段14内的带叶片的转子22旋转。排气38排出出涡轮机段18。包括可替换设计的涡轮机能够包括多轴。显然，包括这些类型的预混器的燃气涡轮机具有相对长的燃烧段。

如图2更清楚地显示，每个预混器26布置在筒44内且一般地包括交叉流动燃料喷射器46和围绕燃料喷射器径向布置的混合器部分(也称为旋流器)48。混合器部分48典型地包括倾斜轮叶50的环形阵列，其在第一端上固定到燃料喷射器46且在第二端上固定到筒44。布置在轮叶50之间或者上的为次级燃料喷射喷嘴52，其能够供应燃料32给在倾斜轮叶50之间流动的压缩流体流20。流体流20一般地包括从涡轮机10的压缩段14(图1)流动的压缩空气(或者合适的燃料氧化剂)。当流体流20流动通过其时，倾斜轮叶50生成紊流(例如涡旋)，其促进流体流20内的燃料32的分散，以形成燃料预混物54。燃料喷射器46还包括主要喷射喷嘴56，其喷射主要燃料到燃料预混物54内，在喷射器56的下游形成燃料喷流55。

在使用中，燃料预混物54在区域58中的预混器下游点火，其还导致主燃烧区58。燃烧反应的产物然后经由与燃烧室24流体连通的喷嘴30(参见图1)被推动通过涡轮机段。涡轮机产生功，例如轴的旋转。

在这些现有技术预混器构造中，当它约束压缩流体流20流动通过其时，观察到大约4-5％或者更多的显著的通过混合器和燃烧室部分16的压降。因此，涡轮机的效率降低。此外，混合器部分48引起涡流形成，也就是在有限的区域内流体螺旋运动。涡流的效果为燃料混合物58能够包括在筒44附近的富燃料混合物和在筒44的中心线附近的稀燃料混合物，其能够导致燃烧中的局部化差异，引起涡轮机效率的进一步降低、声音扰动和NOx排放。燃烧反应的稳定性对于涡轮机性能是重要的。影响燃烧反应稳定性的多个变量的一个为燃料的混合。如果燃料没有合适地混合，燃烧反应将无效率且在燃烧室体积内波动，例如过富与过稀运行交替，其中系统将变得不稳定。此外，如果燃烧反应过稀，供应燃料中的瞬变能够引起振荡，其减少发动机的使用寿命，且也引起燃烧的熄灭(通常称为稀油熄火)。更进一步，混合物的稳定性影响发动机产生的NOx和烟灰，也影响燃烧温度。

本领域中需要的是燃烧涡轮机应用的更有效的燃料预混器及其操作方法，其能够提供足够的燃料混合物而没有高压降引起的不希望的效率降低。燃烧室长度的缩减也是希望的，以提高压缩机到涡轮机的紧密联接。此外，再热循环能够从通过使用在这种循环中的燃烧室的紧凑性和低压降获益，从而增加其效率。

发明内容

在此讨论的是翼片燃料预混器、采用翼片燃料预混器的燃烧涡轮机及其使用方法。在一个实施例中，燃气涡轮机包括构造用于压缩流体流的压缩段；联接到压缩段且适合于接收压缩流体流并燃烧燃料的燃烧段，燃烧段包括预混器，预混器包括适合于以大致切向于翼片的角度喷射燃料以提供柯恩达效应的柯恩达异型燃料喷射翼片的环形阵列；和与燃烧段流体连通的涡轮机段。