[发明专利]用于燃气轮机燃烧器的耐火焰稳定的燃料和空气预混合器

说明书

技术领域

本文所公开的主题涉及用于燃气涡轮机燃烧系统的燃料和空气 预混合器，更具体地涉及将允许火焰稳定而不会遭受系统损坏的冷却 系统。

背景技术

由燃气涡轮机燃烧常规碳氢化合物燃料所产生的主要的空气污 染排放物通常是氮氧化物、一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物。在本领 域已知的是，吸气发动机中的氮分子氧化高度地依赖于燃烧系统反应 区域中的最高热气温度。一种将热力发动机燃烧器反应区域的温度控 制在形成热的Nox的程度之下的方法是在燃烧之前使燃料和空气预 混合成稀薄混合物，通常称作干式低NOx(DLN)燃烧系统。稀薄预混 合燃烧器的反应区域中存在的过量空气的热质量吸收热，并将燃烧产 物的温升降低到明显减少热的Nox的程度。

存在与利用稀薄地预混合的燃料和空气进行操作的干式低排放 燃烧器相关的若干难点。也就是说，燃料和空气的可燃混合物存在于 燃烧器的预混合段内，该预混合段在燃烧器的反应区域的外部。通常， 具有一定大的喷燃器管速，高于该喷燃器管速，预混合器中的火焰将 推出到初级燃烧区域。由于回火(发生在当火焰从燃烧器反应区域传播 到预混合段时)或自动点火(发生在当用于预混合段中的燃料/空气混合 物的停留时间和温度足够能启动燃烧而没有回火或其它点火事件时)， 在预混合段内有机会发生燃烧。预混合段中的燃烧结果和喷嘴中的合 成燃烧，导致排放性能的下降和/或过热以及对预混合段的损坏。换句 话说，由于非常大的热负荷，如果火焰保持在预混合器中，则中心体、 喷燃器管和/或叶片的损坏可能发生在10秒内。

利用天然气作为燃料，具有足够火焰稳定裕度(margin)的预混合 器通常可设计成具有适度低的空气侧压降。然而，对于反应性更强的 燃料，例如合成气体(“合成气”)、具有预燃烧碳俘获的合成气(其形 成高氢燃料)、甚至具有更高碳氢百分比的天然气，针对火焰稳定裕度 和目标压降进行设计称为一种挑战。由于达到当前技术发展水平的喷 嘴设计点可达到3000华氏度的高火焰温度，进入喷嘴的回火可引起 在非常短的时间内对喷嘴的大范围损坏。对于高氢燃料和针对这些燃 料进行修改的DLN预混合器的实验揭示了当前技术发展水平的喷嘴 在发动机现实条件下通过火焰稳定测试的难度。“通过”测试是指预 混合器内的火焰未保留在预混合器中，而是置于正常燃烧区域的下 游。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种燃料喷嘴，其包括外周壁和 同心地布置在外周壁内的喷嘴中心体。提供了一种燃料/空气预混合 器，其包括空气入口、燃料入口和限定在外壁和中心体之间并至少部 分地周向延伸的预混合通道。还提供了一种限定在中心体内并至少部 分地周向延伸的气体燃料流动通道。喷嘴包括限定在中心体内并在其 中至少部分地周向延伸的第一冷却通道，以及限定在中心体和外周壁 之间的第二冷却通道。

根据本发明的另一个方面，提供一种冷却燃料喷嘴的方法。燃料 喷嘴包括外周壁、布置在其它壁内的喷嘴中心体、燃料/空气预混合器， 该燃料/空气预混合器包括空气入口、燃料入口和限定在外周壁和中心 体之间的预混合通道。至少一个冷却通道限定在喷嘴之内并在其中至 少部分地周向延伸，以及气体燃料流动通道限定在中心体内并在其中 至少部分地周向延伸。该方法包括使冷却流体流过冷却通道和使冷却 流体冲击中心体端面的内表面。该方法进一步包括使冷却流体邻近外 壁流动和将冷却流体排出到限定在喷嘴中心体和喷嘴外壁之间的预 混合通道。

本发明的主动冷却预混合器将允许耐火焰稳定的DLN燃烧系统 的可操作性，因此允许足够的时间来检测预混合器中的火焰，并利用 控制系统来更正情势。这有利地允许燃烧系统使用合成气、高氢和其 它反应性燃料运行来明显减少昂贵硬件损坏和强迫损耗的风险。

通过结合附图的下述说明，这些和其它优点和特征将变得更加明 显。

附图说明

本发明的主题在所附权利要求中得到特别地指出和清楚地要求。 通过结合附图的下述具体实施方式，本发明的前述和其它特征和优点 变得明显，其中：

图1是根据本发明的耐火焰稳定喷嘴；

图2是本发明的耐火焰稳定喷嘴的另一个实施例；

图3是本发明的耐火焰稳定喷嘴的另一个实施例。