三元組反向旋轉渦漩器和使用方法技術

本發明專利技術涉及三元組反向旋轉渦漩器和使用方法。燃料-空氣混合器包括環形罩、反向旋轉的內渦漩器和外渦漩器、分離內渦漩器和外渦漩器的轂、沿環形罩軸向延伸的中心體、布置在外渦漩器徑向外側周向地繞環形罩的燃料罩、和布置在內渦漩器和外渦漩器下游的徑向渦漩器，徑向渦漩器構造為允許與流過內渦漩器和外渦漩器的流分開的從環形罩壁外側區域進入環形罩的第二氣體流的獨立徑向旋轉，徑向旋轉的第二氣體流在鄰近環形罩的外壁的區域處進入環形罩。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術的實施例一般地涉及燃燒器，且更特定地涉及用于低排放燃燒過程的稀薄預混合燃燒器的燃料-空氣混合器。
技術介紹
在歷史上，從燃料獲取能量在帶有擴散控制(也稱為非預混合)燃燒的燃燒器內進行，其中反應物最初是分離的且反應僅發生在燃料和氧化劑之間的界面上，在此處混合及反應均發生。這樣的裝置的例子包括但不僅限于航空燃氣渦輪發動機和用于動力生成、船舶推進、氣體壓縮、熱電聯產、和海洋平臺動力等的航改燃氣輪機。在設計這樣的燃燒器中，工程師具有挑戰性的不僅在于對維持或降低燃燒器的總尺寸、增加最大運行溫度和增加比能量釋放率的持續需求，而且在于對降低法規限制的污染物的形成以及它們到環境中的排放的日益增長的需求。所關心的主要污染物的例子包括氮的氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、未燃燒和部分燃燒的碳氫化合物和溫室氣體,例如二氧化碳(CO2)。因為在發生燃燒時對流體機械混合、與局部化學當量燃燒相關的峰值溫度、在升高的溫度區域內的駐留時間和氧的可獲得性的依賴所導致的控制流動中局部成分變化的困難，所以對于滿足當前和將來的排放要求同時維持增加性能的希望水平，擴散燃燒器提供了有限的能力。近來，稀薄預混合燃燒器已用于進一步降低不希望的污染物的排放水平。在這些燃燒器中，通過使用燃料-空氣混合器，在任何顯著的化學反應在燃燒器內發生前，使準確的燃料和氧化劑的量在混合室或混合區域內很好地混合，因此便于對以上所列出的擴散燃燒器和其他本領域中已知的燃燒器的困難的控制。預混合燃燒器的常規燃料-空氣混合器合并多組內反向旋轉渦漩器和外反向旋轉渦漩器，它們一般地鄰近混合道的上游端布置以向空氣流賦予渦漩。已知在這樣的設備內的不同的燃料噴射方式，包括向內和/或外環形渦漩器提供第一燃料，內和/或外環形渦漩器可以包括空心的葉片，葉片帶有與罩內的燃料歧管流體連通的內腔，和/或將第二燃料通過由中心體壁內與第二燃料充滿區流體連通的多個孔的交叉射流而噴射到混合道內。在這樣的設備中，來自壓縮機的高壓空氣通過渦漩器被噴射到混合道內以形成強烈的剪切區域且燃料從外渦漩器葉片通道和/或中心體孔噴射到混合道內，使得在燃料/空氣混合物在混合道的下游端供給出到燃燒器內且點燃前高壓空氣和燃料被混合。因為交叉射流和局部燃料噴射點和渦漩被賦予的方式，在常規的燃料-空氣混合器內的燃料濃度在混合器壁附近在出口面處最高，因此阻礙了在混合道出口處對燃料濃度局部變化的控制，特別是當考慮到對于能以大范圍的燃料適當地運行的燃燒器的需求時，大范圍的燃料包括但不限制于天然氣、氫氣和合成燃料氣體(也已知為合成氣)，其是從煤或其他材料氣化過程所獲得的富含一氧化碳和氫的氣體。因此，輸送到火焰區的燃料濃度分布形式可能包含不希望的空間變化，因此最小化了預混合對于污染物形成過程的完全影響以及對于在燃燒區內的總體火焰穩定性的影響可能性。因此存在對于在具有在其出口處的提高的控制燃料濃度局部變化能力同時維持在混合道內的流動分離和火焰保持控制的稀薄預混合燃燒器中使用的燃料-空氣混合器的需求。此增加的控制將允許開發具有降低的長度而大體上不影響設備內的總體壓力下降的預混合設備。
技術實現思路
以上總結的和其他在本領域中已知的需求的一個或多個通過燃料-空氣混合器解決，該燃料-空氣混合器包括由壁限定的環形罩、布置在環形罩的上游端部部分處的第一和第二渦漩器，第二渦漩器布置在第一渦漩器徑向外側、將第一和第二渦漩器分開的轂、沿環形罩軸向延伸的中心體、在環形罩的上游端部部分處繞環形罩周向布置的燃料罩、和布置在內渦漩器和外渦漩器下游的第三渦漩器，第三渦漩器構造為在從鄰近環形罩壁的環形罩外側區域進入第三渦漩器的第二氣體流上施加獨立的旋轉。披露本專利技術的實施例也包括低排放燃燒器和具有以上總結的燃料-空氣混合器的燃氣渦輪機燃燒器。在所披露的專利技術的另一個方面中，燃氣渦輪機披露為包括壓縮機、燃燒燃料和空氣的預先混合的混合物的與壓縮機流體連通的燃燒器、和位于燃燒器下游的使離開燃燒器的高溫氣體流膨脹的渦輪機。這樣的燃氣渦輪機的燃燒器具有燃料-空氣混合器，燃料-空氣混合器包括由壁限定的環形罩、布置在環形罩的上游端部部分處的第一和第二渦漩器，第二渦漩器布置在第一渦漩器徑向外側、將第一和第二渦漩器分開的轂、沿環形罩軸向延伸的中心體、在環形罩的上游端部部分處繞環形罩周向布置的燃料罩、和布置在內渦漩器和外渦漩器下游的第三渦漩器，第三渦漩器構造為在從鄰近環形罩壁的環形罩外側區域進入第三渦漩器的第二氣體流上施加獨立的旋轉。在披露的本專利技術的另一個方面中，披露了氣體到液體轉化系統，氣體到液體轉化系統包括構造為從空氣分離氧的空氣分離單元、用于準備天然氣的氣體處理單元、用于使氧與天然氣在升高的溫度和壓力下反應以產生富含一氧化碳和氫氣的合成氣的燃燒器、和與燃燒器流體連通以從合成氣獲取功且熄滅合成氣的渦輪膨脹器。這樣的氣體到液體轉化系統的燃燒器包括燃料-空氣混合器，燃料-空氣混合器具有由壁限定的環形罩、布置在環形罩的上游端部部分處的第一和第二渦漩器，第二渦漩器布置在第一渦漩器徑向外側、將第一和第二渦漩器分開的轂、沿環形罩軸向延伸的中心體、在環形罩的上游端部部分處繞環形罩周向布置的燃料罩、和布置在內渦漩器和外渦漩器下游的第三渦漩器，第三渦漩器構造為在從鄰近環形罩壁的環形罩外側區域進入第三渦漩器的第二氣體流上施加獨立的旋轉。用于在燃燒系統中預混合燃料和氧化劑的方法也在所披露的本專利技術的實施例的范圍內，這樣的方法包括如下步驟將第一氧化劑流吸入燃料-空氣混合器的環形罩內側，在第一渦鏇器內使第一氧化劑流的第一部分在第一方向渦鏇，在第二渦鏇器內使第一氧化劑流的第二部分在與第一方向相對的第二方向渦漩，將燃料從燃料罩噴射到燃料-空氣混合器內，將第二氣態流吸入環形罩內側，和在第三渦漩器內使第二氣態流渦漩，第三渦漩器布置在燃料罩和第一和第二渦漩器的軸向位置下游，第二氣態流從環形罩外側的區域吸入，且第二氣態流的渦漩為使得控制環形罩的出口處的環形罩壁附近的燃料濃度。以上的簡要描述闡述了本專利技術的特征，以使得更好地理解如下的本專利技術的詳細描述，且使得更好地認識到對本領域的貢獻。當然，存在本專利技術的其他特征，這些其他特征將在后文中描述且為附帶的權利要求書的主題。因此，在詳細解釋本專利技術的數個優選實施例前，應理解的是本專利技術在其應用上不限制于構造的細節和在如下的說明闡述或附圖內的圖示的部件的布置。本專利技術可以具有其他實施例且可以以多種方式實行和完成。也應理解的是，在此使用的措辭和術語用于描述目的且不應視作限制。同樣，本領域一般技術人員將認識到，本披露所基于的構思可以容易地用作用于設計用于完成本專利技術的數個目的的其他結構、方法和系統的基礎。因此，重要的是，權利要求書被視作包括這樣的等價構造，只要它們不偏離本專利技術的精神和范圍。進一步地，前述的摘要的目的是使得美國專利和商標局以及一般公眾且特別是本領域內的不熟悉專利或法律術語或措辭的科學家、工程師和從業者能從粗略的查閱而快速地確定本申請的技術披露的屬性和實質。因此，摘要不意圖于限定僅由權利要求書界定的本專利技術或本申請，也不意圖于以任何方式限制本專利技術的范圍。附圖說明通過結合附圖考慮而參考如下詳細描述使本專利技術變得更好理解，從而容易地獲得對本專利技術及其許多附帶優點的更完整的認識，各圖為本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種燃料?空氣混合器，其包括：由壁限定的具有圓形截面的環形罩，該環形罩具有沿軸向方向延伸的軸向軸線、沿徑向方向延伸的徑向軸線、和上游和下游端部部分；布置在環形罩的上游端部部分處的第一渦漩器；布置在環形罩的上游端部部分處在徑向方向上在第一渦漩器外側的第二渦漩器；將第一和第二渦漩器分離的轂，該轂構造為允許在環形罩的上游端部部分處進入環形罩的第一氣體流的第一部分和第二部分獨立旋轉，氣體流的第一和第二部分分別由第一和第二渦漩器旋轉；沿環形罩的軸向軸線延伸的中心體；布置在環形罩的上游端部部分處在徑向方向上在第二渦漩器外側且周向繞環形罩的燃料罩，該燃料罩構造為將燃料噴射到環形罩內以與氣體流的第一和第二部分混合；和在燃料罩和第一和第二渦漩器的軸向位置下游布置在燃料?空氣混合器中的第三渦漩器，該第三渦漩器為徑向渦漩器，其構造為允許從環形罩壁外側區域進入第三渦漩器的第二氣體流的獨立旋轉，第二氣體流在鄰近環形罩壁的區域處進入環形罩。

【技術特征摘要】
2006.11.17 US 11/560,9311.一種燃料-空氣混合器，其包括由壁限定的具有圓形截面的環形罩，該環形罩具有沿軸向方向延伸的軸向軸線、沿徑向方向延伸的徑向軸線、和上游和下游端部部分；布置在環形罩的上游端部部分處的第一渦漩器；布置在環形罩的上游端部部分處在徑向方向上在第一渦漩器外側的第二渦漩器；將第一和第二渦漩器分離的轂，該轂構造為允許在環形罩的上游端部部分處進入環形罩的第一氣體流的第一部分和第二部分獨立旋轉，氣體流的第一和第二部分分別由第一和第二渦漩器旋轉；沿環形罩的軸向軸線延伸的中心體；布置在環形罩的上游端部部分處在徑向方向上在第二渦漩器外側且周向繞環形罩的燃料罩，該燃料罩構造為將燃料噴射到環形罩內以與氣體流的第一和第二部分混合；和在燃料罩和第一和第二渦漩器的軸向位置下游布置在燃料-空氣混合器中的第三渦漩器，該第三渦漩器為徑向渦漩器，其構造為允許從環形罩壁外側區域進入第三渦漩器的第二氣體流的獨立旋轉，第二氣體流在鄰近環形罩壁的區域處進入環形罩。2.根據權利要求1所述的燃料-空氣混合器，其中第一渦漩器和第二渦漩器反向旋轉，并且基于環形罩的出口平面處的所需燃料濃度值確定從第三渦漩器到第一渦漩器和第二渦漩器的軸向距離。3.根據權利要求1所述的燃料-空氣混合器，其中第一渦漩器和第二渦漩器是從包括徑向渦漩器、軸向渦漩器和徑向/軸向渦漩器的設備組中選出的。4.根據權利要求1所述的燃料-空氣混合器，其中第一渦漩器包括第一組葉片且燃料罩與第一組葉片流體連通。5.根據權利要求1所述的燃料-空氣混合器，其中第二渦漩器包括第二組葉片且燃料罩與第二組葉片流體連通。6.根據權利要求1所述的燃料-空氣混合器，其中第一和第二渦漩器分別包括第一組和第二組葉片，且燃料罩與第一組和第二組葉片流體連通。7 .根據權利要求1所述的燃料-空氣混合器，其中從燃料罩噴射到環形罩內的燃料是合成氣且第二氣體流是氮氣流，以折減第一氣體流內的氧量來控制位于環形罩下游處的燃燒區域內形成的NOx的量。8.根據權利要求1所述的燃料-空氣混合器，其中第二氣體流是空氣流且第二氣體流的獨立旋轉構造為降低鄰近環形罩壁的區域內在環形罩出口處的局部燃料濃度。9.根據權利要求1所述的燃料-空氣混合器，其中所述燃料是在包括天然氣、高氫氣體、氫、生物氣、一氧化碳和合成氣的物質組中進行選擇的。10.根據權利要求1所述的燃料-空氣混合器，第三渦漩器進一步包括第一環，其具有多個布置在其外表面上的葉片和從第一環的內邊緣軸向延伸的環形唇部；和從第一環軸向分開布置的第二環，以形成第一環和第二環之間的間隙，其包括多個布置在第一環外表面的葉片，第二環包括徑向向內延伸的第一表面以形成該間隙的第一部分和軸向延伸的第二表面以形成該間隙的第二部分，第二環也包括構造為接收燃料-空氣混合器的環形罩的套筒。11.一種包括根據權利要求1所述的燃料-空氣混合器的燃氣渦輪機燃燒器。12.根據權利要求11所述的燃氣渦輪機燃燒器，其中所述燃氣渦輪機燃燒器包括筒式燃燒器、或者筒式環形燃燒器、或者環形燃燒器。13.一種燃氣渦輪機，其包括壓縮機；與壓縮機流體連通的構造為燃燒燃料和空氣的預先混合的混合物的燃燒器，該燃燒器包括布置在燃燒器上游的燃料-空氣混合器，該燃料-空氣混合器包括由壁限定的具有圓形截面的環形罩，該環形罩具有沿軸向方向延伸的軸向軸線、沿徑向方向延伸的徑向軸線、和上游和下游端部部分；布置在環形罩的上游端部部分處的第一渦漩器；布置在環形罩的上游端部部分處在徑向方向上在第一渦漩器外側...

【專利技術屬性】
技術研發人員：AM埃爾卡迪，AT埃武萊特，
申請(專利權)人：通用電氣公司，
類型：發明
國別省市：