[发明专利]用于将乳状液喷射到火焰中的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及优选用在燃气涡轮发动机中的、用于将乳状液喷射到火焰中的方法和设备，并且更具体地，本发明涉及一种适合于使发动机贫油部分预混（LPP）燃烧过程和发动机衰减（turndown）需求稳定的燃烧器，并且本发明还涉及一种使用例如为导引燃烧室的热源来提供燃烧产物（基团和热量）以使主贫油部分预混燃烧过程稳定的燃烧器。特别地，本发明针对在燃烧过程中将流体的乳状液喷射到主火焰中的喷嘴设备和方法。

背景技术

燃气涡轮发动机被用在包括发电、军用和商用航空、管道运输以及海运在内的各种应用中。在以LPP模式工作的燃气涡轮发动机中，燃料和空气被提供至燃烧室，在燃烧室，燃料和空气混合并且通过火焰点燃，由此开始燃烧。除热效率以及燃料和空气的适当混合之外，与燃气涡轮发动机中的燃烧过程相关联的主要问题与火焰稳定、脉动和噪声消除、以及污染排放物的控制有关，尤其是与氮氧化物（NOx）、CO、UHC、烟和颗粒排放物的控制有关。

在以LPP模式工作的工业燃气涡轮发动机中，通过添加比燃烧过程本身所需要的空气更多的空气来降低火焰温度。没有发生反应的过量空气在燃烧期间必定被加热，因而燃烧过程的火焰温度从大约2300K降低到1800K甚至更低（低于化学计量点）。火焰温度的这种降低是需要的以便显著地减少NOx排放。表现为最成功地减少NOx排放的方法是使燃烧过程贫油，使得火焰的温度降低到低于使双原子的氮气和氧气（N2和O2）游离并且重组成NO和NO2的温度。旋流稳定的燃烧流通常用在工业燃气涡轮发动机中以如上所述通过形成绕中心线的逆流（旋流引起的回流区）并且由此逆流将热量和自由基返回到进入的未燃烧的燃料和空气的混合物中来使燃烧稳定。需要由之前发生反应的燃料和空气产生的热量和自由基以引发（使燃料热解并引发链支化过程）并且维持新鲜的未反应的燃料和空气混合物的稳定的燃烧过程。燃气涡轮发动机中的稳定的燃烧需要产生燃烧产物并且将燃烧产物输送回上游以引发燃烧过程的循环燃烧过程。火焰前缘稳定在旋流引起的回流区的剪切层中。在剪切层内，“空气/燃料混合物的局部湍流火焰速率”必须要大于“局部空气/燃料混合物速率”，从而使火焰前缘/燃烧过程能够得以稳定。

文献WO2009121777A1公开了一种用于燃气轮机燃烧室的贫油-富油部分预混低排放燃烧器，所述燃烧器提供稳定的点燃和燃烧过程。所述燃烧器根据以下原理工作：将来自导引燃烧室排气装置的热量和高浓度自由基“供给”至在贫油预混空气/燃料旋流中燃烧的主火焰，由此维持主贫油预混火焰的快速且稳定的燃烧。导引燃烧室直接地向主旋流引起的回流区的前驻点和剪切层提供热量和补充高浓度的自由基，主贫油预混流与由导引燃烧室提供的高温气体燃烧产物在此混合。这允许主预混空气/燃料旋流燃烧的更贫油的混合和更低的温度，否则这将不能在燃烧器的工作状态期间自我保持在旋流稳定的回流中。所述文献的全部内容通过参引并入本文。如在该参考文献中公开的，现有技术示出设置成以气体燃料作为燃料的燃烧器。

为了减少出自所述类型的燃烧器中的主火焰的燃烧的NOx排放，提出将液体燃料和水的乳状液喷射到主火焰的上游端中，从而降低主火焰的温度。为了所述目的，需要乳状液喷射系统。所述乳状液可借助于常规的喷嘴来喷射。根据现有技术的用于相似目的的喷嘴的实例大体在US7568345、US6021635和US4600151中有描述。

在此参照附图来描述背景技术的技术。图1示出了现有技术的环形喷嘴的上半部分的截面图。在图中，附图标记1表示喷嘴101的对称轴线102。高温气体103沿着喷嘴的中央流向下游，同时内部空气104从高温气体103的出口105外侧掠过。所述内部空气在沿着喷嘴1的第一圆筒形壳体108的向外弯曲的壁107离开喷嘴之前经过旋流器106。在圆筒形壳体108内，液体109或两种流体的乳状液向下游流动到基本上平行于中心轴线102的第一环形通道110中并且在环形孔口111处离开喷嘴。第一圆筒形壳体的第一环形唇缘部分108a和第二环形唇缘部分108b被所述环形通道110分隔开。终止于第二唇缘的第二外部壳体112围绕第一壳体108同中心地设置。第二环形通道113形成在所述第一壳体108和所述第二壳体112之间。通过所述第二通道113，外部空气114的流在下游方向上流动并且外部空气114在于第二通道的口116处平行于中心轴线排出之前经过第二旋流器115。根据该现有技术，内部空气104散布成发散射流。内部空气将从孔口111出来的液体或乳状液109向外吹动，使得所述液体或乳状液遇到从口116出来的外部空气114的射流。随后，外部空气的射流将液体/乳状液分裂成液滴并且将其分布到射流中。