[发明专利]具有提高的混合能力的用于头端直接空气喷射的设备

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃气涡轮发动机的燃烧系统，更确切地说，涉及改善的燃烧室设计以及使用直接空气喷射和例如排气再循环流(“EGR”)的大体惰性的气体进料用作主要工作流体的方法。(术语“惰性气体流”和“大体惰性的气体流”在本说明书中可替换使用，用来指具有少的、残余量的氧气的EGR类型的气体流)。根据本发明的方法和设备减少来自燃气涡轮发动机的不需要气体排放物的形成，同时增加燃烧室的总效率。

背景技术

大体惰性的气体大体惰性的气体燃气涡轮发动机通常包括压缩机部分、燃烧室部分和旋转以产生电能的涡轮机。压缩机将较高压的气体直接排入燃烧室中，在所述燃烧室中，烃燃料被喷射、混合并且燃烧以产生热能和动能。随后，燃烧气体被引导到并且通过涡轮机的一个或多个级，所述涡轮机的一个或多个级从排气中提取旋转能，所述旋转能随后用于产生电能。大部分现有的燃气涡轮发动机包括围绕旋转轴周向定位的多个燃烧室。为了实现最高的运行效率，燃烧室在不同的燃料成分、压力、温度和燃料/空气比的宽的范围上运行，优选是既能使用液态燃料又能使用气态燃料。大部分的燃气涡轮发动机还倾向于在稍微“富余(rich)”的模式下运行，即，进料中具有比燃烧完所有的烃燃料混合物所需的精确化学计量更少量的氧气，这导致至少一些不完全燃烧，并且因此产生一氧化碳和其它副产品。

在大部分系统中，一些CO₂分解为CO和O₂，燃烧排气总是含有少量多余的CO和氧气，这取决于具体的燃烧室运行环境。除非被移除，；否则，当流入并且穿过例如涡轮机和热回收蒸汽发生器的燃烧室下游的部件时，上述成分(包括残余量的氧气)将存留在系统中。结果，来自常规燃气涡轮发动机的最终排气流包括N₂和CO₂，还有少量的CO，O₂以及氮氧化物，所有这些排气流最终必须在下游操作中被移除或发生反应(例如用催化剂处理)，从而保持所需的燃气涡轮机效率。

具有改善排放物的燃烧室的需要是对空气污染关注的直接结果，其产生于更严厉的国内和国际污染控制标准，例如由美国国家环境保护局(Environmental Protection Agency)发布的管制氮氧化物、未燃烧的烃和一氧化碳排放的污染控制标准。不需要的排放物通常分为两大种类：由高火焰温度导致的排放物(例如NOx)；以及由较低火焰温度形成的排放物，例如CO，所述较低火焰温度不可让基本的燃料-空气反应完全。为了减少NO_X排放物而在低燃烧温度下运行可导致不完全的或部分不完全的燃烧，这会转而导致过量的未燃烧的烃和一氧化碳的产生，还会导致较低的能量输出和较低的发动机热效率。另一方面，较高的燃烧温度趋向于提高热效率并且降低未燃烧的烃和CO的量，但是如果燃烧混合物和运行环境没有合适地得到监视和控制，那么也能产生较多量的NO_X。

两个额外的实际问题会影响对形成于涡轮机排气中的不需要排放物的量的控制的需要。首先，由于在多燃烧室设计中对送至每个燃烧室的燃料的精确量的控制能力有限，因此燃料-空气比的控制也是有限的。第二，个别的燃烧室趋向于用稍微不同的燃料-空气比来运行，从而导致基于“罐-罐(can)”的排放物的不同。如上所述，在过去，那些设计问题促进了用稍微过量的燃料来使燃气涡轮发动机运行的需求，其中排气中出现的所有的(或近乎所有的)氧气使用催化剂处理以最终消耗掉和/或消除掉。然而，在最初燃烧期间，要控制产生的CO的精确量是有困难的，尤其是基于个别的燃烧室的情况。

尽管在过去几年间提出了许多燃烧室设计来提高燃烧之前燃料与空气的混合，但是改善燃烧室构造的需求仍然存在，以便当火焰温度偶尔变得过高时或当燃烧不完全而在排气中留有残余的氧气和CO时，减少NO_X等不需要成分的形成。因此，该产业仍在寻找预燃烧系统，该预燃烧系统提供燃烧室上游处的改善的燃料/空气混合和更高的热效率，且同时减少燃烧发生期间和之后产生的NO_X和未燃烧烃排放物。