用于燃气涡轮机系统的预混装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种用于燃气涡轮机系统的预混装置，其包括围绕预混装置的面的外周的非旋流元件以及基本位于该面的中心处的旋流组件。非旋流元件在预混物被输送至燃气涡轮机系统的燃烧器之前对预混物进行预混。旋流组件在流体被输送至燃烧器之前干扰流体的流动。预混物包括燃料和氧化剂，并且被旋流组件干扰的流体包括氧化剂或预混物。

【技术实现步骤摘要】
用于燃气涡轮机系统的预混装置
本专利技术的主题总体涉及燃气涡轮机系统。具体而言，本专利技术的一个或多个方面涉及预混装置，以在燃气涡轮机系统的燃烧器中燃烧之前对燃料、氧化剂、稀释剂、其它气体混合物、或者其任何组合进行预混。
技术介绍
在燃气涡轮机系统中，燃料和空气在系统的燃烧器中燃烧，以产生高温、高压工作气体。涡轮将通过涡轮叶片的工作气体的膨胀转化成机械能，所述机械能接着能够用于做有用功，例如，发电。众所周知，提高燃烧器的反应区域中的温度能够提高燃气涡轮机系统的效率。同样众所周知，氮氧化物（NOX）的形成随着燃烧器中的峰值温度增加。干低NOX（DLN）燃气涡轮机系统通过以下方式使不期望的NOX的形成最少化：在燃烧之前对燃料和空气进行预混，使得燃烧区域中的温度分层（stratification）显著减少以降低峰值温度，并且使得燃烧器内的温度场尽可能的均匀。对于高级DLN燃烧器开发而言，主要限制中的一个限制是燃烧动态现象，即燃烧操作期间与声学相关的动态不稳定性。高动态幅值通常是由燃烧室内的温度场中的波动（热释放）和压力振荡造成的。这种高动态现象能够影响发动机的硬件寿命和系统可操作性，从而导致例如机械疲劳和热疲劳的问题，进而导致硬件损坏、系统效率低、不期望的火焰熄灭（blowout）、以及危及排放性能。已经进行了多种尝试来减轻燃烧动态现象，以便防止燃烧性能的劣化。通常，工业燃气涡轮机燃烧系统中的基本方法包括被动控制和主动控制。被动控制指使用燃烧器硬件设计特征和特性来减少动压振荡或热释放水平、或者同时减少动压振荡和热释放水平。另一方面，能够通过引入压力或温度波动（受到适当控制）以调节热释放与压力振荡之间的耦合、从而减小燃烧动态的幅值来实现主动控制。已知当热释放和压力波动同相位时燃烧动态现象加剧。因此，减轻动态现象的常见解决方案的特征在于对燃烧器中的热释放和压力波动去相位（dephasing）。用于解决燃气涡轮机燃烧器中的一些动态关注问题的一种代表性装置是谐振器。然而，其应用已经被限于通过完全或纯吸收（pureabsorption）声能来衰减高频（即大于1000Hz）不稳定性。此外，谐振器的安装伴随着空气管理，所述空气管理对于用于低排放性能的预混设计而言有时是不期望的。因此，期望提供一种预混装置，所述预混装置使燃烧动态现象最小化，同时保持低排放特性，而不会引入纯粹动态缓解（puredynamics-mitigation）装置。
技术实现思路
本专利技术的一个非限制性方面涉及一种用于燃气涡轮机系统的预混装置。该装置包括多个非旋流元件，所述多个非旋流元件围绕预混装置的面的外周分布。每个非旋流元件都布置成在预混物被输送至燃气涡轮机系统的燃烧器以用于燃烧之前对预混物进行预混。该装置还包括旋流组件，该旋流组件基本位于预混装置的所述面的中心处，以便被多个非旋流元件包绕。该旋流组件布置成在流体被输送至燃烧器之前干扰流体的流动。该旋流组件包括多个旋流叶片。预混物包括燃料和氧化剂，并且被旋流组件干扰的流体包括氧化剂或预混物。本专利技术的另一个非限制性方面涉及一种用于燃气涡轮机系统的预混装置。该装置包括一个或多个非旋流元件，所述一个或多个非旋流元件围绕预混装置的面分布。每个非旋流元件都布置成在预混物被输送至燃气涡轮机系统的燃烧器以用于燃烧之前对预混物进行预混。该装置还包括一个或多个旋流组件，所述一个或多个旋流组件围绕预混装置的所述面分布。每个旋流组件都布置成在流体被输送至燃烧器之前干扰流体的流动。每个旋流组件都包括多个旋流叶片。预混物包括燃料和氧化剂，并且被每个旋流组件干扰的流体包括氧化剂或预混物。附图说明通过下文示例性实施例的详细描述并结合附图，本专利技术的这些和其它特征将得到更好的理解，在附图中：图1示出了示例性燃气涡轮机系统的横截面；图2示出了根据本专利技术的实施例的预混装置；图3示出了根据本专利技术的实施例的预混装置；图4和图5示出了根据本专利技术的实施例的燃料喷嘴，该燃料喷嘴使用具有罩的旋流组件；图6和图7示出了根据本专利技术的进一步的实施例的预混装置；图8示出了根据本专利技术的实施例的预混装置，该预混装置具有作为非旋流元件的微型混合器；图9和图10示出了根据本专利技术的进一步的实施例的微型混合器的横截面；图11示出了根据本专利技术的实施例的预混装置，该预混装置具有作为非旋流元件的富含催化剂的、稀薄燃烧喷嘴；以及图12示出了根据本专利技术的实施例的预混装置，该预混装置具有作为非旋流元件的扇形喷嘴（sectornozzle）。具体实施方式对燃气涡轮机燃烧器的预混装置进行描述。所述装置实现了低动态现象，但很少地至没有牺牲低排放性能。至少部分地由于该新颖的预混装置所实现的低动态现象/效果，能够维持或增加燃烧器硬件的操作寿命。图1示出了示例性燃气涡轮机系统的横截面。系统10包括压缩机11和燃烧器14。燃烧器14包括壁16以限定燃烧室12。一个或多个预混喷嘴110延伸穿过壁16、并且进入燃烧室12。燃料进口21向预混装置110供给燃料，燃料在燃烧之前与来自压缩机11的压缩空气预混。更一般而言，可以说燃料与氧化剂预混。稀释剂、其它气体混合物、以及其任何组合也能够与燃料和氧化剂预混并且进入燃烧室12，混合物在燃烧室12处被点燃以形成高温、高压工作气体。涡轮30将来自燃烧器14的工作气体的热能（所述热能使轴31旋转）转化成机械能。尽管示出了单个燃烧器14，但是涡轮机系统能够包括多个燃烧器。在非限制性的方面中，旋流技术和非旋流技术同时用于对燃料、氧化剂、稀释剂、其它气体混合物、以及其组合进行预混。图2示出了预混装置110的非限制性实施例，该预混装置110可以用于燃气涡轮机系统10对燃料、氧化剂、稀释剂、其它气体混合物、或者其任何组合进行预混。具体而言，示出了预混装置110的面向燃烧室12的面210。在附图中，面210示为圆形。然而，该面的形状并不限于此——该面的形状能够是三角形、正方形、矩形、椭圆形等。预混装置110包括一个或多个非旋流元件220。非旋流元件220在将燃料和氧化剂混合物输送至燃烧室12之前对燃料和氧化剂进行预混。除了燃料和氧化剂，非旋流元件220还可以对稀释剂、其它气体混合物、或者其任何组合进行预混。为了便于参考，短语“预混物”将用于指代燃料和氧化物连同待预混的零（含量的）或多种液体、零（含量的）或多种稀释剂、以及零（含量的）或多种其它气体混合物。换句话说，除了燃料和氧化剂，预混物还能够包括液体、稀释剂、和气体混合物的任何组合。稀释剂可以/能够是惰性的。此外，一些气体混合物可以/能够部分或全部发生反应。尽管图2中示出多个非旋流元件220，但是非旋流元件220的数量也能够少至一个。此外，尽管非旋流元件220示为圆形，但是其形状并不限于此。例如，如图3所示，非旋流元件220可以呈矩形。当具有多个非旋流元件220时，能够具有形状（例如，圆形、三角形、矩形、多边形等）的混合以及尺寸的混合，并且尺寸和形状不必彼此对应。也就是说，形状相似的元件不必具有相似的尺寸，并且尺寸相似的元件不必具有相似的形状。再次参照图2，预混装置110还包括一个或多个旋流组件230（图2中仅示出一个旋流组件230）。由于同时利用旋流组件或多个旋流组件230以及非旋流元件或多个非本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃气涡轮机系统的预混装置，所述预混装置包括：多个非旋流元件，所述多个非旋流元件围绕所述预混装置的面的外周分布，每个非旋流元件都布置成在预混物被输送至所述燃气涡轮机系统的燃烧器以用于燃烧之前对所述预混物进行预混；以及旋流组件，所述旋流组件基本位于所述预混装置的所述面的中心处，以便被所述多个非旋流元件包绕，所述旋流组件布置成在流体被输送至所述燃烧器之前干扰所述流体的流动，并且所述旋流组件包括多个旋流叶片，其中所述预混物包括燃料和氧化剂，并且被所述旋流组件干扰的所述流体包括所述氧化剂或所述预混物。

【技术特征摘要】
2011.07.29 US 13/194,3851.一种用于燃气涡轮机系统的预混装置，所述预混装置包括：燃料进口，所述燃料进口构造为接收燃料并将燃料引导到所述预混装置；多个非旋流元件，所述多个非旋流元件围绕所述预混装置的面的外周分布，每个非旋流元件都布置成接收来自所述燃料进口的燃料，并且在被相应的非旋流元件预混合的所述燃料和氧化剂的预混物被输送至所述燃气涡轮机系统的燃烧器以用于燃烧之前，所述每个非旋流元件对被所述非旋流元件预混合的所述预混物进行预混；以及旋流组件，所述旋流组件基本位于所述预混装置的所述面的中心处，以便被所述多个非旋流元件包绕，所述旋流组件也是布置成接收来自所述燃料进口的燃料、并预混合所述燃料和流入的氧化剂以形成预混物，并且所述旋流组件布置成在被所述旋流组件预混合的所述预混物被输送至所述燃烧器之前干扰被所述旋流组件预混合的所述预混物的流动。2.根据权利要求1所述的预混装置，其特征在于，所述多个非旋流元件包括一个或多个微型混合器，每个微型混合器都包括多个通常连接的微型管，并且所述预混物在每个微型管中进行预混。3.根据权利要求2所述的预混装置，其特征在于，至少一个微型混合器进一步包括谐振器。4.根据权利要求1所述的预混装置，其特征在于，所述多个非旋流元件包括一个或多个扇形喷嘴，并且每个扇形喷嘴都包括板，所述板形成有孔口的阵列，所述预混物从所述孔口流出。5.根据权利要求1所述的预混装置，其特征在于，所述旋流组件进一步包括设置在多个旋流叶片上的燃料喷射端口，从所述燃料喷射端口输送所述燃料。6.根据权利要求5所述的预混装置，其特征在于，所述旋流组件是旋流喷嘴，所述旋流喷嘴包括包绕所述多个旋流叶片的罩。7.根据权利要求1所述的预混装置，其特征在于，至少一个非旋流元件具有与所述旋流组件不同的位于火焰侧上的侵入部。8.根据权利要求1所述的预混装置，其特征在于，除了所述燃料和所述氧化剂，所述预混物还包括具有稀释剂的任何组合。9.根据权利要求1所述的预混装置，其特征在于，所述多个非旋流元件包括一个或多个富含催化剂的、稀薄燃烧(RCL)喷嘴，每个稀薄燃烧喷嘴都包括由壳封闭的一个或多个管道，催化材料粘结至所述壳的内表面、所述一个或多个管道的外表面、或者同时粘结至所述壳的内表面和所述一个或多个管道的外表面；并且所述预混物在所述壳的内部和所述一个或多个管道的外部流动。10.根据权利要求9所述的预混装置，其特征在于，至少一个稀薄燃烧喷嘴布置成在所述一个或多个管道中承...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴春阳，DW西蒙斯，MJ休斯，JD贝里，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：