CN107110503A - 用于减少在燃气涡轮机中的NOx排放的方法、空气燃料混合器、燃气涡轮机和旋流器 - Google Patents

Abstract

一种用于减少在燃气涡轮机中的NOx排放的方法，在该方法中一次空气流和燃料流供应到双环形反向旋转旋流器(4)中，所述一次空气流供应到内部和外部环形腔室(51,52)中，其中方法包含将燃料流喷射到内部环形腔室(51)中的步骤。另一实施例是燃气涡轮机空气燃料混合器(1)，该燃气涡轮机空气燃料混合器包含双环形反向旋转旋流器(4)，该双环形反向旋转旋流器包含适用于将燃料供给到旋流器的内部腔室(51)内部的燃料供给元件(3)；另一实施例是由这样的空气燃料混合器提供的燃气涡轮机。

Description

用于减少在燃气涡轮机中的NOx排放的方法、空气燃料混合 器、燃气涡轮机和旋流器

技术领域

在本文中公开的主体的实施例主要涉及用于减少在燃气涡轮机中的NOx排放的方法。

背景技术

在过去几年中燃气涡轮机污染物排放特别地在NOx排放方面的减少已经变得特别地期望的；更详细地由于在该事件上愈加严厉的政府法规这样的减少特别地需要。

随着时间流逝，在该领域中，已经探究了许多解决方案以便减少NOx排放；似乎给出了良好的结果的一个解决方案是所谓的“稀薄燃烧”(即当燃料与空气当量比保持成远低于化学计量(stoichiometric))，其代表了当火焰温度适当地控制时的有效的策略。

然而，仍然可能的是给定的燃烧器燃料/空气混合物由于由燃料喷嘴硬件导致的未达最优的混合分布而不是最优的：非理想的混合的区域那么能够出现并且热点能够在燃烧器中出现，导致局部的近化学计量的燃烧区域，因而导致NOx排放的恶化。

在已知技术中，为了促进均匀的燃料/空气混合，漩涡稳定燃料/空气混合器已经应用在燃气涡轮机工业中；一种特别的已知的空气燃料混合器是包含双环形反向旋转旋流器(dual annular counter rotating swirler，有时称为双环形对转旋流器)(也表示为DACRS)的空气燃料混合器，如在图1，2和3中示出的那样。

该空气燃料混合器100包含两个共轴的环形腔室，一个外部腔室101和一个内部腔室102；在每个腔室中设置有一定数量的叶片103,104，因此形成了所谓的“旋流器”：内部旋流器105和外部旋流器106。

由于两个旋流器105,106的叶片103和104的不同的形状，在进入旋流器的空气流107处给予有反向旋转运动。

空气流然后与喷入在外部旋流器105的腔室101中的燃料(特别地为燃气)流108混合：由于由反向旋转旋流器105,106产生的剪切层，高湍流级被促进并且尽管小的可用的导管长度仍能够改善燃料/空气混合。

燃料流108关于旋流器的旋转的轴线在横向方向上被喷射在在外部旋流器105的邻近的叶片103之间的导叶中，如能够在图3中认识到的那样。

其他的已知的解决方案是在美国专利5,251,447中描述的那些，在其中使用DACRS，并且燃料轴向地(在平行于旋流器的旋转的轴线的方向上)喷射在外部腔室内部。

另一已知的解决方案在美国专利5,351,447中显示的那种，在其中在由DACRS提供的空气燃料混合器中燃料不但在外部腔室中被供应而且轴向地喷射在内部和外部旋流器的交叉点处在后者下游。

试图总结，已知的解决方案的主要目标是在那样的范围中改善空气燃料混合作用，即在这些范围中呈现了局部的近化学计量燃烧区域：在这样的意义中，看起来在已知的解决方案中共同的标准是改善在混合器的外部部分中的该混合作用，其中呈现了热点和非理想的混合的非期望的区域。

尽管那些已知的解决方案通常是有效的，但NOx排放的更进一步的减少是期望的。

此外，那些种类的已知的空气燃料混合器对于制造可变性是特别地敏感的，因为加工公差能够强烈地影响混合器的整个性能；能够发生在同样的许多由相同的制造商制造的空气燃料混合器中显示了在一个混合器和另一个混合器之间在性能方面的大的差异，因而高的整修费用。

发明内容

为了实现NOx排放的进一步更好的减少，当使用由双环形反向旋转旋流器提供的空气燃料混合器时，重要的想法是将燃料流喷射在内部的旋流器的内部腔室中。

根据另一增强方案，另一重要的想法是将燃料流仅仅喷射在内部的旋流器的内部腔室中，因此使外部旋流器免去任何燃料(燃气)喷射。

在本文中公开的主题的第一实施例相应于用于减少在燃气涡轮机中NOx排放的方法，在该方法中一次空气流(a flow of primary air，有时称为初级空气流)和燃料流供应到双环形反向旋转旋流器中，所述一次空气流供应到旋流器的内部和外部环形腔室中，该方法此外包含将燃料流喷射到内部环形腔室中的步骤。

已经发现并且测试的是，通过供应双环形反向旋转旋流器的内部腔室增强在燃料和空气之间的混合作用并且允许NOx减少。

在本文中公开的主题的第二实施例相应于用于燃气涡轮机的空气燃料混合器，包含用于供给一次空气的一次空气导管，用于供给燃料特别地燃气的燃料导管，双环形反向旋转旋流器，其在其一圈中走红包含彼此共轴的一个内部旋流器和一个外部旋流器；所述空气燃料混合器此外包含可操作地连接到所述燃料导管的燃料供给元件，所述燃料供给元件适用于将燃料供给在所述内部腔室的内部。

以该方式，用于燃气涡轮机的所述空气燃料混合器适用于执行在上面描述的方法，带有涉及NOx减少的重要的优点。

如将在下面的描述中更详细地描述的那样，根据在本文中公开的主题由空气燃料混合器实现的另一重要的优点是这样的混合器对于制造可变性是不太敏感的，并且在同样的需要混合器的一个混合器和另一个混合器之间在性能方面的差异是减小的。

第三实施例包含燃气涡轮机，该燃气涡轮机包含根据第二实施例的空气燃料混合器。

第四实施例包含双环形反向旋转旋流器，包含彼此共轴并且分别包含容纳内部叶片的内部腔室和容纳外部叶片的外部腔室的一个内部旋流器和一个外部旋流器，其中旋流器包含适用于将燃料供给在所述内部腔室内部的燃料供给元件。

附图说明

结合在本文中并且组成说明书的一部分的附图图示了本发明的示例性的实施例并且与详细描述一起解释了这些实施例。在图中：

图1示出了根据已知技术的空气燃料混合器的截面图，

图2示出了根据已知技术的空气燃料混合器的正视图，

图3示出了图1的混合器的细节的截面图，

图4示出了根据在本文中公开的主题的实施例的空气燃料混合器的截面图，

图5示出了包含在图4的实施例的混合器中的双环形反向旋转旋流器的透视图，

图6和7示出了图5的双环形反向旋转旋流器沿两个不同的截面获取的截面图，

图8示出了在图4的空气燃料混合器和已知的混合器之间的燃料浓度分布对比，并且

图9示出了在图4的空气燃料混合器和已知的混合器之间的NOx排放对比。

具体实施方式

示例性的实施例的下面的描述参考附图。

下面的描述不限制本发明。相反本发明的范围由所附权利要求限定。

贯穿说明书对于“一个实施例”或“实施例”的参考结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在公开的主题的至少一个实施例中。因此，在贯穿说明书的各种位置出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定指代相同的实施例。此外，特定特征、结构或特性可以任何适合的方式在一个或多个实施例中组合。

在本文中公开的本主题的一个实施例是用于减少在燃气涡轮机中的NOx排放的方法，在其中一次空气流和燃料(燃气)流供应到双环形反向旋转旋流器中，所述一次空气流供应到内部和外部环形腔室二者中，并且设置成将燃料流喷射到内部环形腔室中。

该方法允许更好的混合作用和NOx的减少，因为燃料能够喷射在进入旋流器的空气的全部量中。

根据该方法的一种改进方案，设置成将燃料流在双环形反向旋转旋流器内只喷射到内部腔室中，因此使外部腔室免于任何燃料喷射或供给。

措辞“在旋流器内”参考从入口到出口的空气流方向用于表示在旋流器的末端“上游”的区域；措辞“双环形反向旋转旋流器的末端”表示混合器的(垂直于旋流器的轴线)的区段，旋流器的叶片终止在该区段中。

必须注意的是，在旋流器的末端下游在空气流中能够存在其他的燃料喷射点，例如如果使用先导燃料：那些其他的燃料喷射无论如何在旋流器外部，特别地旋流器本身的末端下游。

特别地，根据测试结果(参考图8和9)已经示出了，由于(当考虑旋流器本身的末端上游的区域时)只在旋流器的内部腔室中喷射燃料，获得在燃料和一次空气之间还更好的混合作用，从而能够达到最优的燃料浓度分布，这避免了热点或局部的近化学计量燃烧区域以及因此NOx排放减少：已经发现富峰朝向轴线移动。这允许具有与先导扩散燃烧形态相互作用的更贫的混合，并且导致具有NOx减少的积极的影响。

已经显示特别地引起关注的是至少在内部腔室中的喷射点处喷射燃料流，所述喷射点位于邻近外部环形腔室：以该方式燃料在内部和外部旋流器之间的剧烈剪切区域的附近喷射并且强烈的湍流有助于还更好的燃料空气混合。

就该程度而言将引起关注的是在内部旋流器和外部旋流器之间的分划毂形件处在内部旋流器的侧边上喷射燃料。

优选地存在以该方式设置的多个喷射点；特别地，非常有利的解决方案是对于由内部旋流器的两个邻近的叶片限定的每个导叶提供两个燃料喷射点；以该方式，(用于每个内部导叶的)整个燃料流能够再分成两部分用于更好地产生与空气的混合。

在该情况中，可选地并且有利地设置成对于内部腔室的每个导叶具有第一燃料流的喷射，其大于第二燃料流的喷射；特别地，对于内部腔室的每个导叶，第一燃料流靠近旋流器的入口区段喷射(即旋流器叶片在该入口区段处开始)，而第二燃料流靠近旋流器的旋流器的出口区段(旋流器叶片在该出口区段处终止)被喷射。

尽管原则上将是可能的是以多种方式在内部腔室中喷射燃料，但是已经发现特别地有利的解决方式是关于旋流器轴线在横向方向上且朝向旋流器轴线喷射燃料流。燃料流的方向因此是向心的。

用于将这样的燃料供应到内部腔室中的供给路径能够改变，但是测试已经显示将特别地引起关注的是至少通过在外部腔室中穿过并且在内部腔室中终止的横向供给路径将燃料供给到内部腔室中。

以该方式，可能的是通过至少一个横向供给路径或在一个备选的解决方案中通过两个横向供给路径对限定在内部旋流器的两个邻近的叶片之间的每个内部导叶进行供应。

必须注意的是，原则上也将可能的是对于内部的腔室的每个导叶也具有三个，四个或更多供给路径和/或喷射点，尽管增加其数量将经受与对于相对简单的构造的需要的平衡。

优选地，当每个外部叶片62由一个供给管道(或者第一供给管道或者第二供给管道)提供时，具有第一供给管道71的外部叶片62与具有第二供给管道72的外部叶片交替；第一供给管道71具有比第二供给管道72更大的通道区域；所有第一供给管道71在第一共同平面中对齐并且所有第二供给管道72在第二共同平面上对齐，第一平面比第二平面更靠近旋流器的空气入口。因为在该实施例中外部叶片的数量是内部叶片的数量的两倍，对于每个内部导叶设置有两个供给管道，特别地一个第一供给管道71和一个第二供给管道72。

在本文中公开的主题的另一实施例是空气燃料混合器，参考图5-7在下面描述。

用于燃气涡轮机的空气燃料混合器1包含用于供给一次空气的一次空气导管2和用于供给燃料特别地燃气的燃料导管3。

必须理解的是，在附图中，这样的导管2和3仅仅为了说明性的目的被绘出并且其形状和位置能够根据情况改变；例如燃料导管3能够简单地以适用于联结到装置的燃料供给线路(未示出)的歧管的形式。

空气燃料混合器1包含双环形反向旋转旋流器4；这样的双环形反向旋转旋流器具有轴向的、径向的还是轴向的/径向的类型对于NOx减少的优势的程度是不重要的。

这样的旋流器4包含围绕如在图6和7中示出的轴线X彼此共轴的一个内部旋流器5和一个外部旋流器6。

内部旋流器5容纳在外部旋流器6内部，关于后者具有减小的直径。

内部旋流器包含一个环形内部腔室51和容纳在所述内部腔室51中的内部叶片52。

与内部旋流器5同中心的外部旋流器6在其一圈中包含环形外部腔室61和容纳在所述外部腔室61中的外部叶片62。

一次空气导管2可操作地与内部旋流器5和外部旋流器6连接(或处于流体联通中)；一次空气流因此由于内部和外部叶片52,62的不同的形状和定向理想地再分成两个反向旋转流。

内部和外部腔室51,61二者部分地由分隔毂形件56限定；外部腔室61然后也由外面的毂形件68限定，而内部腔室51也由内部的毂形件58限定。

内部叶片52因此与内部的毂形件58和分隔毂形件56(优选地单件式地)联结，而外部叶片与分隔毂形件56和外面的毂形件68(优选地单件式地)联结。

根据在本文中公开的实施例，空气燃料混合器1此外包含可操作地连接到所述燃料导管3的燃料供给元件，所述燃料供给元件适用于在内部腔室51内部供给燃料。

根据特别地有利的实施例，外部腔室61不具有任何燃料喷射元件。

换句话说，在旋流器内(在“在旋流器的末端上游”方面)燃料供给元件包括可操作地连接到导管3并且在内部腔室51中终止(敞开)的至少一个管道(或导管)，用于仅仅在所述内部腔室51中供给燃料；在内部腔室中的燃料供给元件的开口能够因此认作为“喷射点”。

以该方式，燃料供给元件限定了用于将这样的燃料供应到内部腔室中的燃料供给路径。

在一个优选的但非限制性的实施例中，燃料供给元件在外部旋流器6的两个不同的并且邻近的叶片62中包含第一横向燃料供给管道71和第二横向燃料供给管道72；以该方式，获得了横向燃料供给路径。

措辞“横向”在此用于表示基本上置于具有旋流器的轴线X作为垂线的平面上的方向。

更普遍地，根据本主题，能够存在不同数量的燃料供给管道用于在内部腔室51中供给燃料：仅仅一个燃料供给管道，两个，三个或更多燃料供给管道也以关于示图中的那些管道不同的方式成形或甚至未容纳在叶片62中，但是例如设置为靠近叶片(或在其他的位置中，在该其他的位置中优选地它们不与由旋流器4的叶片给予到一次空气流的旋转干涉)穿过的专用的导管。

在附图中示出的有利的实施例中，第一和第二横向燃料供给管道71,72至少部分地优选地完全地容纳在外部叶片62内部，如能够在图6和7中最佳地看到的那样。

每个燃料供给管道71,72由位于外面的毂形件68上的入口和位于分隔毂形件56上在后者的内部腔室侧边上的出口提供：以该方式，在使用中，每个燃料供给管道71,72能够通过(可操作地与燃料导管3连接的)入口供应并且由在分隔毂形件56上的出口在内部腔室51中喷射燃料。

优选地，燃料供给管道71,72关于旋流器的轴线X提供横向路径(参看图6和7)。

在附图中显示的有利的实施例中，存在多个第一燃料供给管道71(在图6的横截面中显示)所有在共同第一平面上对齐，并且存在多个第二燃料供给管道72(在图7的横截面中显示)所有在共同第二平面上对齐。第一和第二共同平面二者彼此平行并且(是不同的)并且垂直于旋流器的轴线X。

优选地，每个燃料供给管道71,72成形为在外部叶片中的直孔，所述孔的轴线关于内部的毂形件58基本上相切。

措辞“基本上相切”在本文中用于表示参考的方向不是与毂形件本身完全“相切”–因为出口必须在毂形件56中敞开-但是具有非常接近切线方向的定向，例如与相切于内部的毂形件58的方向形成包含在10-15°之间的角度。

在另一不同的实施例中，每个燃料供给管道71,72成形为在外部叶片中的直孔，所述孔的轴线关于分隔毂形件56基本上为径向的。

实施例(在该实施例中燃料供给管道是在外部叶片中的直孔)已经显示引起关注的针对与对于制造过程的敏感性有关的内容的优势：实现带有一定的直径的直孔然而是带有在制造方面减少的误差的非常简单的操作，因而导致在精加工和精确确定尺寸方面更可预言的结果。

在附图中显示的有利的实施例中，第一和第二供给管道71,72的直径是不同的，一个大于另一个；特别地，具有其更靠近一次空气入口的出口的燃料供给管道71具有更大的直径；这允许更靠近空气入口供应燃料流的主要部分并且获得更好的混合。直径包含在1.8和2.0mm之间，优选地1.4mm

更通常地，能够表达的是，如果第一和第二横向燃料供给管道71,72不是圆形的，那么第一横向燃料供给管道71具有比第二横向燃料供给管道通道范围更大的通道范围。

空气燃料混合器1能够如显示的那样此外包含，收敛的导管19以及在空气燃料混合器顶端上的共轴的先导器(pilot)。

附加的可是可选的特征是直接地在旋流器4的末端下游将导管21的圆柱形的部分直接地设置在收敛的导管19的上游，如在图4中显示的那样。

因为在燃料混合器顶端上(在收敛的导管19的末端处)设置有先导器，导管21的圆柱形的部分的效果是允许用于空气和燃料混合的一定的滞留时间，以便在它们到达先导器并且燃烧前进一步加强两者的混合。

最后，当观察图8的测试结果时，能够直接地认识到在一个已知的解决方案(连续的黑线)和在本文中公开的解决方案(白正方形)之间的燃料浓度分布；这允许简要地得到在NOx减少方面的优势，其从图9是良好地显而易见的；在后者中在关于火焰温度的NOx排放的已知的解决方案(黑点)和本解决方案(白正方形)之间的视觉的对比明显地示出了达到的减少。

Claims (15)

1.一种用于减少在燃气涡轮机中NOx排放的方法，在该方法中一次空气流和燃料流供应到至少由具有内部环形腔室和外部环形腔室的双环形反向旋转旋流器装备的空气燃料混合器中，所述一次空气流供应到所述内部环形腔室和所述外部环形腔室中，

其中方法包含向心地将所述燃料流经由邻近所述外部环形腔室位于所述内部环形腔室中的喷射点仅仅喷射到旋流器的所述内部环形腔室中的步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，在该方法中设置成在关于旋流器轴线的横向方向上喷射所述燃料流。

3.根据前述权利要求中任一项或多项所述的方法，包含至少通过在所述外部腔室中穿过并且在所述内部腔室中终止的横向供给路径将所述燃料流供给到所述内部腔室中的步骤。

4.根据前述权利要求中任一项或多项所述的方法，其特征在于，所述旋流器包含容纳在所述外部腔室中的外部叶片和由两个邻近的外部叶片限定的外部导叶，在其中每个外部叶片设置成带有至少一个横向供给路径。

5.根据前述权利要求中任一项或多项所述的方法，其特征在于，所述旋流器包含容纳在所述内部腔室中的内部叶片和由两个邻近的内部叶片限定的内部导叶，燃料通过两个横向供给路径喷射到每个内部导叶中。

6.一种用于燃气涡轮机的空气燃料混合器(1)，包含：

用于供给一次空气的一次空气导管(2)，

用于供给燃料特别地燃气的燃料导管(3)，

双环形反向旋转旋流器(4)，在其一圈中包含彼此共轴并且分别包含内部腔室(51)和外部腔室(52)的一个内部旋流器(5)和一个外部旋流器(6)，

所述一次空气导管(2)与所述内部旋流器(5)和所述外部旋流器(6)处于流体联通中，

其中所述空气燃料混合器(1)此外包含可操作地连接到所述燃料导管(3)的燃料供给元件(71,72)，所述燃料供给元件(7)适用于仅仅在所述内部腔室(51)内部供给燃料。

7.根据权利要求6所述的空气燃料混合器(1)，其特征在于，所述燃料供给元件(71,72)包括可操作地连接到所述燃料导管(3)并且在所述内部腔室(51)中终止的至少一个管道。

8.根据权利要求6或7所述的空气燃料混合器(1)，其特征在于，所述燃料供给元件(71,72)至少部分地优选地完全地穿过所述外部腔室(61)。

9.根据权利要求8所述的空气燃料混合器(1)，其特征在于，所述外部旋流器(6)包含外部叶片(62)，其中所述燃料供给元件(71,72)包含至少部分地优选地完全地容纳在所述外部叶片(62)内部的第一横向燃料供给管道(71)。

10.根据权利要求8或9所述的空气燃料混合器(1)，其特征在于，所述燃料供给元件(71,72)此外包含至少部分地优选地完全地容纳在所述外部室(61)内部优选地在所述外部叶片(62)内部的第二横向燃料供给管道(72)。

11.根据权利要求9或10所述的空气燃料混合器(1)，在该空气燃料混合器中所述双环形反向旋转旋流器包含在所述内部腔室和所述外部腔室之间的分隔毂形件(56)，所述燃料供给管道(71,72)在所述分隔毂形件处通入所述内部腔室中。

12.根据权利要求9和10所述的空气燃料混合器(1)，其特征在于，所述第一横向燃料供给管道(71)靠近所述一次空气导管(2)并且所述第二横向燃料供给管道(72)远离所述一次空气导管(2)，所述第一横向燃料供给管道(71)具有比第二横向燃料供给管道通道范围更大的通道范围。

13.根据权利要求7到12中任一项所述的空气燃料混合器(1)，其特征在于，所述至少一个管道具有包含在1.8和2.0mm之间优选地1.4mm的直径。

14.一种燃气涡轮机，包含根据权利要求6到13中任一项所述的空气燃料混合器。

15.一种双环形反向旋转旋流器，包含彼此共轴并且分别包含容纳内部叶片的内部腔室(51)和容纳外部叶片的外部腔室(52)的一个内部旋流器(5)以及一个外部旋流器(6)，其特征在于，所述旋流器包含适用于仅仅在所述内部腔室(51)内部供给燃料的燃料供给元件(71,72)。