[发明专利]一种用于涡轮发动机的预混合装置

说明书

本发明是基于美国能源部(DOE)所授的合同No.DE-FC26-05NT4263在政 府资助下产生的。政府拥有该发明的一定权利。

技术领域

本发明的示例性实施方式，涉及涡轮机燃烧系统的领域，尤其是涉及用于涡 轮机燃烧器的预混合装置。

背景技术

通常，燃气涡轮发动机燃烧油/气混合物，该油/气混合物释放热能以形成高 温气流(gas stream)。该高温气流经由热气管线而通到涡轮。该涡轮将高温气流 的热能转换为旋转涡轮轴的机械能。该轴可具有多种应用，例如为泵或者发电 机提供动力。

在燃气涡轮机中，发动机效率随着燃烧气流温度的增加而增加。不幸的是， 较高的气流温度产生较高级别(level)的氮氧化物(NOx)，该排放物必须符合 于联邦和州的条例。因而，需要在有效的范围内存在操作燃气涡轮机期间精细 的平衡作用，同时还要确保低于规定水平的氮氧化物的排出。

可通过确保燃油和空气的非常好的混合而实现产生低的氮氧化物(NO_X)级 别。不同的技术，例如干低的氮氧化物(DLN)燃烧器包括低级(lean)预混燃 烧器和低级的直接喷射燃烧器，这些技术用于确保适当的混合。在采用低级预 混燃烧器的涡轮机中，燃料在允许进入反应或者燃烧区域之前在预混装置中与 空气进行预混合。预混合降低了燃烧温度以及，进而也降低了氮氧化物的排出。 然而，由于采用特殊的燃料，预混合可导致自动燃烧、逆火和/或保持在预混合 装置内的火焰。

在采用低级直接喷射(LDI)概念的涡轮机中，燃料和空气可在混合之前， 直接被引导并分别引导到燃烧线路中，该燃烧线路布置在燃烧器的上游端。然 而，一些采用LDI概念的系统遇到了在燃烧线路内部的快速和均匀的混合贫 (lean)燃料和富空气的困难。在该区域的局部火焰温度可超过形成最小的氮氧 化物的阈值温度，并且将氮氧化物的产物提高到不希望的级别。在一定情况下， 添加稀释剂以降低氮氧化物的级别。然而，惰性稀释剂并不是速效的，反而会 影响发动机的热效率，以及增加投资和操作成本。

其他系统可采用具有位于反应区域下游的稀释区域的燃烧器。在这种情况 下，惰性稀释剂被直接引导到稀释区域并且与油/气混合物进行混合以实现预定 的混合物和/或进入到涡轮机段的气流的温度、然而，正如上面所讨论的那样， 惰性稀释剂通常并不有效，反而会影响发动机的热效率，以及增加投资和操作 成本。此外，在反应区域下游添加稀释剂，并不导致氮氧化物级别的产生显著 的改变。

发明内容

根据本发明的一个示范性实施方式，用于涡轮发动机的预混合装置，包括 具有进口部分、出口部分和外壁的主体，该外壁可选择地限定至少一个流体传 输高压间；以及多个流体传输管，这些管延伸穿过该至少一个流体传输高压间 的至少一部分。多个流体传输管的每个包括至少一个流体连通到该至少一个流 体传输高压间的流体传输开口。在该结构中，第一流体可选择地传输到该至少 一个流体传输高压间，其穿过该至少一个流体传输开口并且在涡轮发动机的燃 烧室中燃烧之前，与流过该多个流体传输管的第二流体混合。

根据本发明的另一示范性实施方式，提供了一种在混合装置中形成可燃烧 混合物的方法，该混合装置具有主体，该主体包括进口部分、出口部分和可选 择地限定至少一个流体传输高压间的外壁。该方法包括将第一流体引导到该至 少一个流体传输高压间中，以及通过多个流体传输管传输第二流体，该多个流 体传输管延伸穿过该至少一个流体传输高压间。该多个流体传输管的每个包括 进口端部、出口端部以及中间部分。该方法进一步包括使第一流体流过形成在 每个该多个流体传输管的流体传输开口，在该多个流体传输管中混合第一和第 二流体，并且将该第一和第二流体从每个该多个流体传输管的出口端部传输到 燃烧室。