[发明专利]燃烧系统和用于产生具预混合火焰特性的燃烧产物的方法

说明书

本发明公开一种燃烧系统和用于产生具预混合火焰特性的燃烧产物的方法。所述燃烧系统包括头端，所述头端包括液态燃料筒。所述液态燃料筒具有液态燃料喷射端口且被配置成经由扩散火焰产生燃烧产物。衬管被配置成将所述燃烧产物从所述头端递送到后部框架，且具有出口的喷射器沿着所述头端与所述后部框架之间的所述衬管定位。所述喷射器出口将氧化剂流朝内递送到所述衬管中，使得在所述燃烧产物到达所述后部框架之前所述燃烧产物的混合度和速度增大。本发明还提供一种在液态燃料燃烧系统中产生具有预混合火焰特征的燃烧产物的方法。

技术领域

本公开大体上涉及燃气涡轮燃烧器，且更确切地说，涉及用于燃烧燃气涡轮燃烧器中的液态燃料的系统和方法，尽管燃烧由扩散火焰产生，但使得离开燃烧器的燃烧气体展现预混合燃烧的特性。

背景技术

至少一些已知燃气涡轮组件包括压缩机、燃烧器（combustor）和涡轮。气体（例如，环境空气）流动通过压缩机，其中气体在递送到一个或多个燃烧器之前被压缩。在每个燃烧器中，压缩空气与燃料组合且被点燃以产生燃烧气体。燃烧气体从每个燃烧器引导到涡轮且通过涡轮，由此驱动涡轮，涡轮又接着为联接到涡轮的发电机供能。涡轮还可借助于公共轴或转子驱动压缩机。

燃烧气体的温度直接影响燃烧器的热力学效率、设计余量（design margins）和所得排放物。举例来说，较高的燃烧气体温度通常提高燃烧器的热力学效率。然而，较高的燃烧气体温度可加快双原子氮（diatomic nitrogen）的解离速率，由此在燃烧器中特定停留时间内增加例如氮氧化物（NO_X）等不期望的排放物的产生。相反，与减少的燃料流和/或部分负载操作（调低）相关联的较低的燃烧气体温度通常减缓燃烧气体的化学反应速率，由此在燃烧器中相同停留时间内增加一氧化碳（CO）和未燃尽的碳氢化合物（UHC）的产生。

为了平衡整体排放性能，同时优化燃烧器的热效率，某些燃烧器设计在两个（或多于两个）轴向隔开的级处产生燃烧气体。此类燃烧器在本发明中被称作包括“轴向燃料分级”（axial fuel staging；AFS）系统，其采用布置在主燃烧区下游的衬管周围的多个燃料喷射器。AFS燃料喷射器将燃料和空气径向递送通过衬管以提供到燃烧气体流场中的流体流通。

在具有AFS系统的燃烧器中，在燃烧器的上游端处的主要燃料喷嘴在轴向方向上将燃料和空气（或燃料/空气混合物）喷射到主要燃烧区中，且位于主要燃料喷嘴下游的位置处AFS燃料喷射器可用于在大体上径向方向上将燃料和空气（或第二燃料/空气混合物）喷射到位于主要燃烧区的下游的次要燃烧区中。在许多情况下，主要燃料喷嘴和AFS燃料喷射器均使用气态燃料操作。

当使用液态燃料操作时，常规燃烧系统中的主要燃料喷嘴会经历许多挑战。在一些状况下，液态喷淋可能不足以穿透给定区域，从而难以得到稳定的火焰。在其它状况下，液态喷淋可完全跨给定区域延伸，使得衬管润湿产生，从而引起衬管上液态燃料的焦化，继而可能导致热屏障涂层的散裂或衬管上的其它热应力。另外，如果液态燃料喷嘴未被设计成保持足够的冷却流，那么在远低于燃烧器的操作温度的温度下可能产生燃料喷嘴内的液态燃料的焦化。

发明内容

根据本公开的一个方面，燃烧系统包括头端（head end），所述头端包括液态燃料筒（liquid fuel cartridge）。所述液态燃料筒具有液态燃料喷射端口（fuel injectionports）且被配置成经由扩散火焰（diffusion flame）产生燃烧产物（combustionproducts）。衬管（liner）被配置成将所述燃烧产物从所述头端递送到后部框架（aftframe），并且具有出口（outlet）的喷射器（injector）沿着所述头端与所述后部框架之间的所述衬管定位。喷射器出口相对于燃烧产物流在主要径向方向上将氧化剂流（stream ofoxidant）递送到衬管中，使得在燃烧产物到达后部框架之前燃烧产物的混合度和速度增大。