[发明专利]三环形反向旋转涡漩器

说明书

技术领域

本发明的实施例一般地涉及燃烧器，且更特定地涉及用于低排放燃烧过程的稀薄预混合燃烧器的燃料-空气混合器。

背景技术

在历史上，从燃料获取能量在带有扩散控制(也称为非预混合)燃烧的燃烧器内进行，其中反应物最初是分离的且反应仅发生在燃料和氧化剂之间的界面上，在此处混合及反应均发生。这样的装置的例子包括但不仅限于航空燃气涡轮发动机和用于动力生成、船舶推进、气体压缩、热电联产、和海洋平台动力等的航改燃气轮机。在设计这样的燃烧器中，工程师具有挑战性的不仅在于对维持或降低燃烧器的总尺寸、增加最大运行温度和增加比能量释放率的持续需求，而且在于对降低法规限制的污染物的形成以及它们到环境中的排放的日益增长的需求。所关心的主要污染物的例子包括氮的氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、未燃烧和部分燃烧的碳氢化合物和温室气体，例如二氧化碳(CO₂)。因为在发生燃烧时对流体机械混合、与局部化学当量燃烧相关的峰值温度、在升高的温度区域内的驻留时间和氧的可获得性的依赖所导致的控制流动中局部成分变化的困难，所以对于满足当前和将来的排放要求同时维持增加性能的希望水平，扩散燃烧器提供了有限的能力。

近来，稀薄预混合燃烧器已用于进一步降低不希望的污染物的排放水平。在这些燃烧器中，通过使用燃料-空气混合器，在任何显著的化学反应在燃烧器内发生前，使准确的燃料和氧化剂的量在混合室或混合区域内很好地混合，因此便于对以上所列出的扩散燃烧器和其他本领域中已知的燃烧器的困难的控制。预混合燃烧器的常规燃料-空气混合器合并多组内反向旋转涡漩器和外反向旋转涡漩器，它们一般地邻近混合道的上游端布置以向空气流赋予涡漩。已知在这样的设备内的不同的燃料喷射方式，包括向内和/或外环形涡漩器提供第一燃料，内和/或外环形涡漩器可以包括空心的叶片，叶片带有与罩内的燃料歧管流体连通的内腔，和/或将第二燃料通过由中心体壁内与第二燃料充满区流体连通的多个孔的交叉射流而喷射到混合道内。在这样的设备中，来自压缩机的高压空气通过涡漩器被喷射到混合道内以形成强烈的剪切区域且燃料从外涡漩器叶片通道和/或中心体孔喷射到混合道内，使得在燃料/空气混合物在混合道的下游端供给出到燃烧器内且点燃前高压空气和燃料被混合。

因为交叉射流和局部燃料喷射点和涡漩被赋予的方式，在常规的燃料-空气混合器内的燃料浓度在混合器壁附近在出口面处最高，因此阻碍了在混合道出口处对燃料浓度局部变化的控制，特别是当考虑到对于能以大范围的燃料适当地运行的燃烧器的需求时，大范围的燃料包括但不限制于天然气、氢气和合成燃料气体(也已知为合成气)，其是从煤或其他材料气化过程所获得的富含一氧化碳和氢的气体。因此，输送到火焰区的燃料浓度分布形式可能包含不希望的空间变化，因此最小化了预混合对于污染物形成过程的完全影响以及对于在燃烧区内的总体火焰稳定性的影响可能性。

因此存在对于在具有在其出口处的提高的控制燃料浓度局部变化能力同时维持在混合道内的流动分离和火焰保持控制的稀薄预混合燃烧器中使用的燃料-空气混合器的需求。此增加的控制将允许开发具有降低的长度而大体上不影响设备内的总体压力下降的预混合设备。

发明内容

以上总结的和其他在本领域中已知的需求的一个或多个通过燃料-空气混合器解决，该燃料-空气混合器包括由壁限定的环形罩、布置在环形罩的上游端部部分处的第一和第二涡漩器，第二涡漩器布置在第一涡漩器径向外侧、将第一和第二涡漩器分开的毂、沿环形罩轴向延伸的中心体、在环形罩的上游端部部分处绕环形罩周向布置的燃料罩、和布置在内涡漩器和外涡漩器下游的第三涡漩器，第三涡漩器构造为在从邻近环形罩壁的环形罩外侧区域进入第三涡漩器的第二气体流上施加独立的旋转。披露本发明的实施例也包括低排放燃烧器和具有以上总结的燃料-空气混合器的燃气涡轮机燃烧器。

在所披露的发明的另一个方面中，燃气涡轮机披露为包括压缩机、燃烧燃料和空气的预先混合的混合物的与压缩机流体连通的燃烧器、和位于燃烧器下游的使离开燃烧器的高温气体流膨胀的涡轮机。这样的燃气涡轮机的燃烧器具有燃料-空气混合器，燃料-空气混合器包括由壁限定的环形罩、布置在环形罩的上游端部部分处的第一和第二涡漩器，第二涡漩器布置在第一涡漩器径向外侧、将第一和第二涡漩器分开的毂、沿环形罩轴向延伸的中心体、在环形罩的上游端部部分处绕环形罩周向布置的燃料罩、和布置在内涡漩器和外涡漩器下游的第三涡漩器，第三涡漩器构造为在从邻近环形罩壁的环形罩外侧区域进入第三涡漩器的第二气体流上施加独立的旋转。