[发明专利]用于燃气轮机燃烧器的同轴式燃料和空气预混合器

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机(gas turbine)，且尤其地，涉及用于燃气轮机(其适合但不局限于供含氢燃料使用)的空气/燃料预混合器(premixer)。

背景技术

燃气涡轮发动机将压缩空气与燃料混合，以便在燃烧器中点燃，从而产生燃烧气体，从中产生能量和功率。燃烧传统的烃类燃料的燃气轮机所产生的典型的空气污染物是氮氧化物(NO_X)、一氧化碳(CO)和未燃烧的烃。在本领域中已经知晓NO_X成形率按指数规律地依赖于温度，温度又与馈送至燃烧室(combustion chamber)中的混合物的燃料空气比相关联。为了减少污染物排放，在燃烧之前将燃料和空气预混合成贫混合物。

近年来，作为以带有比传统煤电厂更低的污染物排放的方式将煤转换成功率的一种措施，燃气轮机开始使用煤衍生合成气体(“合成气”)。某些合成气燃料，例如包含大量的氢的合成气燃料是高度活性的(highly reactive)，使得在预混合器中更可能发生火焰保持(flame holding)、自燃和逆燃等问题，从而使排放性能降低并由于过热而导致硬件损伤。

在现有技术中已经知道在预混合器中可能会出现再循环区。例如，至空气横流中的燃料喷射常会在燃料射流(jet)后面引起再循环区，在该处，燃料参与二次流动，导致与在该区域之外相比燃料在这个区域中驻留的时间长得多。对于高度活性的燃料，高的火焰速度和短的吹出时间(blow-off time)意味着火焰保持更可能发生在低速的再循环区中。对于高度活性的燃料，某些预混合器可减少关于火焰保持的倾向，但常常以遭受预混合器中的大的压力降为代价。因而，存在有对于可供高度活性的燃料使用而不损害涡轮的效率、功能性或寿命周期的空气/燃料预混合器的需求。

本发明的目的和优点在以下描述中将部分地被陈述，或者可从描述中被明白，或者可通过本发明的实践而被学习到。除了另有限定的以外，本文所使用的所有技术和科学用语和缩略词具有与本发明所属领域中的普通技术人员通常所理解的相同的含义。虽然在本发明的实践中可使用与本文所述相似或等效的方法和构造，合适的方法和构造被描述而并不意图用任何这种方法和构造来限制本文的发明。

附图说明

图1a是同轴式环形空气/燃料预混合器的一实施例的轴向示意图，图1b是其横截面图，并且图1c是其等距视图。

图2是带有惰性气体流的空气/燃料预混合器的一实施例的轴向示意图。

图3是带有惰性气体流的空气/燃料预混合器的一实施例的横截面图。

图4是具有带有成弧形的(curved)端部的内环形壁和外环形壁的空气/燃料预混合器的一实施例的放大图。

图5和图6是具有带有尖的(sharp)端部的内环形壁和外环形壁的空气/燃料预混合器的实施例的放大图。

图7是空气/燃料预混合器的一实施例的放大图，其具有带有逐渐减小的壁厚的喷嘴的内环形壁和外环形壁。

图8a和图8b是分别在喷嘴的末端(tip)具有排出孔或连续的排出缝的空气/燃料预混合器的横截面图。

图9a是带有旋流叶片(swirl vane)的空气/燃料预混合器的一实施例的轴向示意图，而图9b是其横截面图。

图10是带有成形成(shaped)非圆形的喷嘴的空气/燃料预混合器的一实施例的横截面图。

图11是空气/燃料预混合器的一实施例的等距视图。

图12是空气/燃料预混合器的一实施例的等距视图。

图13是空气/燃料预混合器的一实施例的横截面图。部件列表：10空气/燃料预混合器12周壁(peripheral wall)14混合室(mixing chamber)15混合室的排出端16燃烧室20喷嘴22外环形壁23外空气通道24内环形壁25内空气通道26燃料气体环带(annulus)27燃料气体通道30第三环形壁32第四环形壁34外惰性环带35外惰性气体通道36内惰性环带37内惰性气体通道38漩涡装置(swirling means)40排出孔42末端44排出缝46支柱(struts)48入口空气通道50盖子52支柱燃料导向器54燃料入口(fuel inlet)

具体实施方式

本发明的实施例包含燃气轮机燃烧器，其包括适合但不局限于供高度活性的燃料使用的空气/燃料预混合器。本发明的空气/燃料预混合器可供包括但不局限于天然气、合成气、无碳合成气、以及高氢含量气体的任何气体燃料使用。