[发明专利]一种阵列驻涡燃料-空气预混器

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，是用于燃气轮机燃烧室的一种阵列驻涡燃料-空气预混器。本发明包括燃料空气预混器及与之配合用于引导和组织气流和稳定火焰的外周壁和中心体结构。

背景技术

燃气轮机是化石能源清洁利用的重要设备之一。随着国家燃气轮机污染物排放标准的日益严格，降低氮氧化物(NOx)排放的技术对增强燃气轮机的市场竞争力起关键作用。

NOx的生成机理主要有三种：热力型，燃料型和快速型。对于以天然气等清洁能源为主要燃料的燃气轮机而言，以热力型NOx为主，控制热力型NOx的生成需要降低燃烧室内火焰的峰值温度。一种方法是扩散燃烧加注氮气或水蒸气等稀释剂，但带来效率降低、设备和控制复杂等问题。有效并且先进的方法是用预混器将燃料和空气在进入燃烧室之前混合均匀，形成燃料-空气比例低于燃烧化学当量比的贫混合气后再送入燃烧室进行燃烧，这种贫预混式燃料室也称为干式低NOx(DLN)或干式低排放(DLE)燃烧室，已成为主流技术并且在燃气轮机行业中普遍应用，是燃气轮机降低污染的重大进展，美国专利No.5259184介绍了这种装置的一个代表性示例。

对于贫预混燃烧室，预混器对其工作性能有重要影响。在预混器中，燃料和空气分别进入，在流动中接触并混合。如果预混器中混合过程需要时间较长并且不可控制，那么在燃烧室较高的空气进气温度和压力下，燃料-空气混合气容易因流动和浓度不均匀，在一些局部发生自燃和回火，导致燃烧发生在预混器内，损坏部件，使燃烧室不能安全稳定工作。因此加强燃料-空气掺混、缩短停留时间、增加流动和混合过程的可控程度是改进预混器技术的方向之一。

为了达到更加苛刻的NOx排放指标，要求预混器出口处的燃料-空气混合气接近燃料的贫燃极限。如果混合不够均匀，按照接近贫燃极限加注的燃料容易在局部不满足着火条件从而引起火焰局部淬熄，发生震荡燃烧甚至脱火，因此需要进一步增加预混器的混合均匀性。

贫预混火焰对气流扰动极为敏感，扰动也是震荡燃烧和脱火的重要诱发因素，因此希望预混器能降低气流扰动，实现出口流动平稳。

发展低碳燃烧和替代燃料，要求燃气轮机在高效低污染的同时拓展燃料适应性，用贫预混燃烧室燃烧含氢和高含氢燃料。氢气的可燃范围宽，火焰温度高、火焰传播速度快，火焰动态特征强烈，对于预混器防自燃、防回火、掺混均匀、降低气流扰动提出了更高的要求。

目前应用在贫预混燃烧室上的预混器采用旋流剪切以增强混合，需要较长的混合段与混合时间，流动和混合的可控性差，对于天然气燃料，不能完全避免自燃和回火，对于含氢和高氢的替代燃料不可用。其混合的均匀性不够，且旋流剪切容易引发大尺度非稳态旋涡，形成扰动，因此支持天然气燃料接近贫燃极限的稳定预混燃烧有困难，实际应用中要求复杂的燃烧模态组合及控制策略加以配合。

双环形对转式旋流预混器是较早应用于燃气轮机燃烧室的燃料-空气预混器，由于构造了强剪切流场，这一类型的预混器具有较好的混合性能，但是由于不能在出口下游的流场中心区域产生较强的回流流动，以及剪切流带来的扰动和间歇性，这种预混器的火焰稳定性较差。美国专利No.5165241、No.5251447、No.5351477、No.5590529、No.5638682和No.5680766介绍了其代表性的示例。

旋流喷嘴型燃料-空气预混器使用较大的来流导向叶片产生旋流，并在叶片前缘喷注燃料，使得预混器出口下游流场中产生了混合气体的中心回流流动，改善了火焰稳定性。但是由于流动中的剪切作用较弱，燃料与空气的掺混均匀度较低，因此这种预混器的掺混性能并不理想。美国专利No.6438961介绍了这一预混器的代表性示例。

双环形对转式旋流喷嘴预混器综合了上述两种预混器的设计特点，采用两级对转旋流器结构，并在叶片前缘喷注燃料，利用旋流器出口的两股反向旋流的剪切进一步强化混合，利用预混器出口处的非流线型中心体产生回流流动，提高火焰稳定性。但是由于预混器出口流场存在强剪切和回流分离流动，其下游流场出现大尺度非稳态旋涡，流动平稳性较差，从而直接影响了贫燃料预混火焰的稳定性。中国专利CN1707163A介绍了这一预混器的代表性示例。