[發明專利]一種陣列駐渦燃料-空氣預混器

有效

• 申請號: 201110380006.2
• 申請日: 2011-11-25
• 公開（公告）號: CN103134078A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發明（設計）人: 王岳;于宗明;孔文俊;王寶瑞;艾育華
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: F23R3/28
• 分類號: F23R3/28
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明涉及燃氣輪機技術領域，是用于燃氣輪機燃燒室的一種陣列駐渦燃料-空氣預混器。本發明包括燃料空氣預混器及與之配合用于引導和組織氣流和穩定火焰的外周壁和中心體結構。

背景技術

燃氣輪機是化石能源清潔利用的重要設備之一。隨著國家燃氣輪機污染物排放標準的日益嚴格，降低氮氧化物(NOx)排放的技術對增強燃氣輪機的市場競爭力起關鍵作用。

NOx的生成機理主要有三種：熱力型，燃料型和快速型。對于以天然氣等清潔能源為主要燃料的燃氣輪機而言，以熱力型NOx為主，控制熱力型NOx的生成需要降低燃燒室內火焰的峰值溫度。一種方法是擴散燃燒加注氮氣或水蒸氣等稀釋劑，但帶來效率降低、設備和控制復雜等問題。有效并且先進的方法是用預混器將燃料和空氣在進入燃燒室之前混合均勻，形成燃料-空氣比例低于燃燒化學當量比的貧混合氣后再送入燃燒室進行燃燒，這種貧預混式燃料室也稱為干式低NOx(DLN)或干式低排放(DLE)燃燒室，已成為主流技術并且在燃氣輪機行業中普遍應用，是燃氣輪機降低污染的重大進展，美國專利No.5259184介紹了這種裝置的一個代表性示例。

對于貧預混燃燒室，預混器對其工作性能有重要影響。在預混器中，燃料和空氣分別進入，在流動中接觸并混合。如果預混器中混合過程需要時間較長并且不可控制，那么在燃燒室較高的空氣進氣溫度和壓力下，燃料-空氣混合氣容易因流動和濃度不均勻，在一些局部發生自燃和回火，導致燃燒發生在預混器內，損壞部件，使燃燒室不能安全穩定工作。因此加強燃料-空氣摻混、縮短停留時間、增加流動和混合過程的可控程度是改進預混器技術的方向之一。

為了達到更加苛刻的NOx排放指標，要求預混器出口處的燃料-空氣混合氣接近燃料的貧燃極限。如果混合不夠均勻，按照接近貧燃極限加注的燃料容易在局部不滿足著火條件從而引起火焰局部淬熄，發生震蕩燃燒甚至脫火，因此需要進一步增加預混器的混合均勻性。

貧預混火焰對氣流擾動極為敏感，擾動也是震蕩燃燒和脫火的重要誘發因素，因此希望預混器能降低氣流擾動，實現出口流動平穩。

發展低碳燃燒和替代燃料，要求燃氣輪機在高效低污染的同時拓展燃料適應性，用貧預混燃燒室燃燒含氫和高含氫燃料。氫氣的可燃范圍寬，火焰溫度高、火焰傳播速度快，火焰動態特征強烈，對于預混器防自燃、防回火、摻混均勻、降低氣流擾動提出了更高的要求。

目前應用在貧預混燃燒室上的預混器采用旋流剪切以增強混合，需要較長的混合段與混合時間，流動和混合的可控性差，對于天然氣燃料，不能完全避免自燃和回火，對于含氫和高氫的替代燃料不可用。其混合的均勻性不夠，且旋流剪切容易引發大尺度非穩態旋渦，形成擾動，因此支持天然氣燃料接近貧燃極限的穩定預混燃燒有困難，實際應用中要求復雜的燃燒模態組合及控制策略加以配合。

雙環形對轉式旋流預混器是較早應用于燃氣輪機燃燒室的燃料-空氣預混器，由于構造了強剪切流場，這一類型的預混器具有較好的混合性能，但是由于不能在出口下游的流場中心區域產生較強的回流流動，以及剪切流帶來的擾動和間歇性，這種預混器的火焰穩定性較差。美國專利No.5165241、No.5251447、No.5351477、No.5590529、No.5638682和No.5680766介紹了其代表性的示例。

旋流噴嘴型燃料-空氣預混器使用較大的來流導向葉片產生旋流，并在葉片前緣噴注燃料，使得預混器出口下游流場中產生了混合氣體的中心回流流動，改善了火焰穩定性。但是由于流動中的剪切作用較弱，燃料與空氣的摻混均勻度較低，因此這種預混器的摻混性能并不理想。美國專利No.6438961介紹了這一預混器的代表性示例。

雙環形對轉式旋流噴嘴預混器綜合了上述兩種預混器的設計特點，采用兩級對轉旋流器結構，并在葉片前緣噴注燃料，利用旋流器出口的兩股反向旋流的剪切進一步強化混合，利用預混器出口處的非流線型中心體產生回流流動，提高火焰穩定性。但是由于預混器出口流場存在強剪切和回流分離流動，其下游流場出現大尺度非穩態旋渦，流動平穩性較差，從而直接影響了貧燃料預混火焰的穩定性。中國專利CN1707163A介紹了這一預混器的代表性示例。