CN101124398A - 燃料喷射器 - Google Patents

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Abstract

一种燃料喷射器，包括：燃料供应管路(1)，用于将燃料从燃料喷射器的底端(3)输送到喷射器的顶端(5)；位于燃料喷射器顶端(5)处的喷嘴(7)，用于将燃料喷入燃烧室；导热装置(11、12)，用于将热量从位于喷射器顶端的所述喷嘴(7)传导至喷射器的底端，以冷却喷嘴；和壳体(13)，用于所述燃料供应管路(1)、所述喷嘴(7)和所述导热装置，其中所述导热装置与喷射器的所述顶端(5)和底端(3)之间的所述燃料供应管路(1)热隔绝。

Description

燃料喷射器
本发明涉及一种燃料喷射器。更特别地，本发明涉及一种燃料喷射器，包括：燃料供应管路，用于将燃料从燃料喷射器的底端输送到喷射器的顶端；位于燃料喷射器顶端的喷嘴，用于将燃料喷入燃烧室；和用于燃料供应管路和喷嘴的壳体。
重要的是，仔细地管理位于喷射器顶端的喷嘴的温度，以便避免积碳的形成(formation of carbon)沉积在喷嘴内表面上和沉积在连接到喷嘴的管路的内表面上。由于液体燃料在超过已知值的温度下的化学裂解，所以会导致这种碳的沉积。例如，柴油和煤通常在超过200℃的温度下化学裂解。
已知的是，可容许的一定量的积碳能提供的效果是：液体燃料经过燃料供应管路和喷嘴的流速足够高，而能够防止大部分的这种碳粘附在这些部件的内表面上。这种方法已经被用在用于燃气轮机的燃料喷射器中，其中在最具风险的燃料供应管路和喷嘴的区域中，仔细控制近壁(near wall)雷诺数。由此，在这种燃料喷射器中，喷嘴的温度会超过200℃。然而，在燃气轮机需要在宽的载荷范围内运行的情况下就会产生问题，液体燃料流速会降低但喷嘴温度仍然在200℃附近或更高。例如，这种问题会在采用了所谓分级系统(staged system)的燃气轮机中发生，分级系统例如是在干燥低发射(DryLow Emission：DLE)燃烧室上使用的。
根据本发明，提供一种燃料喷射器，包括：燃料供应管路，用于将燃料从燃料喷射器的底端输送到喷射器的顶端；位于燃料喷射器顶端的喷嘴，用于将燃料喷入燃烧室；导热装置，用于将热量从位于喷射器顶端的所述喷嘴传导至喷射器的底端，以冷却喷嘴；和壳体，用于所述燃料供应管路、所述喷嘴和所述导热装置。
在根据本发明的第一燃料喷射器中，所述壳体延伸所述燃料供应管路的整个长度。
在根据本发明的第二燃料喷射器中，所述壳体并不沿所述燃料供应管路的长度的中部延伸，以使得该燃料供应管路的中部和所述导热装置暴露在所述燃料喷射器之外。
优选地，所述导热装置与所述喷嘴物理接触，但与所述燃料供应管路和位于喷射器的所述顶端和底端之间的所述壳体热隔绝。热隔绝适宜包括在所述导热装置与所述燃料供应管路之间的物理间隔以及所述导热装置与所述壳体之间的物理间隔，所述壳体位于喷射器的所述顶端和底端之间。
优选地，所述导热装置与位于喷射器顶端的所述壳体之间存在最小物理接触。
优选地，所述导热装置相对于喷射器的所述顶端的端面而凹入，且所述壳体形成为在所述导热装置和喷射器的所述顶端的所述端面之间延伸。
优选地，所述导热装置与位于喷射器底端的所述壳体物理接触。
优选地，对喷射器的所述底端施加冷却。适于通过利用被喷射器所使用的辅助气体来实现冷却，以辅助燃料向燃烧室的喷射。
优选地，所述导热装置为管的形式，该管在喷射器的所述顶端和底端之间延伸，且围绕所述燃料供应管路并与之共轴。
参考所附附图，以示例的方式，对本发明进行描述，其中图1至4为根据本发明的第一燃料喷射器至第四燃料喷射器的各个纵向截面。
参见图1，第一燃料喷射器包括：燃料供应管路1，用于将燃料从燃料喷射器的底端3输送到喷射器的顶端5；位于顶端5的喷嘴7，用于将燃料喷入燃烧室，见燃料喷雾9；具有高导热性的管11，用于将热量从位于顶端5的喷嘴7传导至底端3，以冷却喷嘴7；和壳体13，用于燃料供应管路1、喷嘴7和管11。
在顶端5处，管11与喷嘴7物理接触，以实现与喷嘴7的较好的热连通。类似地，在底端3处，管11与壳体13物理接触，以实现与壳体13的较好的热连通。这种物理接触通过管11的法兰12来实现。在顶端5和底端3之间，管11与燃料供应管路1和壳体13物理地间隔开，以便在顶端和底端之间与这些部件热隔绝。在顶端5处，管11通过定位装置14位于壳体13的中央。定位装置14的形式必须使得管11和壳体13之间有最小的物理接触，以便确保最小热连通。因而，定位装置14适宜包括具有锥形顶端的柱体或具有刀子状边缘的环。在底端3处，燃料供应管路1与燃料供应端配件16连通。
在喷射器顶端5处的管11的端部15相对于顶端5的端面17而凹入，以便使管11与端面17处的热量隔离开。进而，壳体13包括覆盖结构19，其在管11的端部15和端面17之间延伸，以为管11掩蔽端面17处的热量。
在使用燃料喷射器的过程中，沿着位于热的顶端5和较冷的底端3之间的管11存在温度梯度。结果，喷嘴7内的热量沿管11传导至底端3，以冷却喷嘴7和燃料供应管路1。管11和壳体13之间的最小物理接触确保由管11吸收的热量绝大多数来自喷嘴7，即确保管11操作为仅冷却喷嘴7而不冷却壳体13。管11和燃料供应管路1之间的间隔以及管11与壳体13之间的间隔能确保沿管11的温度梯度不会通过这些部件中的任何一个的热连通而混乱，且通过遮盖物构造19对端部15的掩蔽能确保被管11吸收的顶端5的端面17处的热量最小，由此使从喷嘴7吸收的热量最大。
管11适宜由铝、铜或镁来制造。在使用铜的情况下，应对管进行涂层，例如涂以铬，以防止与可能存在于燃料喷射器/引擎中的镍互互相作用。管11还可由钨或石墨来制造。在使用石墨的情况下，由于石墨强度低，管可通过将例如石墨条这样的分散石墨装配在适当的支承结构中来构建，支承结构例如铝或其他金属。每个分散的石墨可适当地导向，以提供高的导热性。
要实现的是，应主要有两条供喷嘴7中存在的热量从喷嘴7传出的路径。这些路径为高导热性的管11和燃料供应管路1。当然，需要使被燃料供应管路1吸收的热量最小，以便使管路1中燃料的化学裂解最小或防止其发生。燃料喷射器的设计应是这样的：至少60％的热通量由管11吸收，其余40％由燃料供应管路1吸收。优选的是，至少80％的热通量由管11吸收，其余20％由燃料供应管路1吸收。更优选的是，90％的热通量由管11吸收，其余10％由燃料供应管路1吸收。
对底端3的额外的冷取可用来使沿管11的温度梯度增加并由此改善喷嘴7和燃料供应管路1的冷却效率。这种额外冷却的例子存在于图2的第二燃料喷射器中。
在图2的第二燃料喷射器中，与图1的第一燃料喷射器相同的部件标以相同的附图标记。第二燃料喷射器与第一喷射器的不同之处在于，使用空气来辅助燃料喷雾9的形成，以及帮助冷却燃料喷射器的底端3。由此，空气经由口31进入，绕空气辅助沟道33循环流动，以帮助冷却底端3，空气在法兰12和配件16之间行进、沿燃料供应管路1和管11之间的空间行进并进入喷嘴7，在喷嘴7处空气以已知的方式来辅助燃料喷雾9的形成。
在图3的第三实施例中，与图1的第一燃料喷射器相同的部件标以相同的附图标记。第三燃料喷射器与第一喷射器的不同之处在于，壳体13并不沿燃料供应管路1和管11的长度的中部延伸，以使得管路1和管11的中部暴露在燃料喷射器之外。换句话说，在区域41处，管路1和管11离开壳体13，以便暴露在燃料喷射器之外，而在区域43处回到壳体13中。
在图4的第四实施例中，与图2的第二燃料喷射器相同的部件标以相同的附图标记。第四燃料喷射器与第一喷射器的不同之处在于，壳体13并不沿燃料供应管路1和管11的长度的中部延伸，以使得管路1和管11的中部暴露在燃料喷射器之外。换句话说，在区域51处，管路1和管11离开壳体13，以便暴露在燃料喷射器之外，而在区域53处回到壳体13中。
应理解，根据本发明的燃料喷射器当用于燃气轮机时能增加载荷范围，在该载荷范围内引擎可在没有由于碳沉积所导致的问题的情况下运行。这是通过非常有效地对燃料喷射器的喷嘴进行冷却来实现的。这使得喷射器内的燃料流速降低，而不会出现流动不能有效防止碳沉积在喷射器内部的问题。

Claims (16)

1.一种燃料喷射器，包括：燃料供应管路，用于将燃料从燃料喷射器的底端输送到喷射器的顶端；位于燃料喷射器顶端处的喷嘴，用于将燃料喷入燃烧室；导热装置，用于将热量从位于喷射器顶端的所述喷嘴传导至喷射器的底端，以冷却喷嘴；和壳体，用于所述燃料供应管路、所述喷嘴和所述导热装置，其中所述导热装置与喷射器的所述顶端和底端之间的所述燃料供应管路热隔绝。
2.如权利要求1所述的喷射器，其中所述壳体延伸所述燃料供应管路的整个长度。
3.如权利要求1所述的喷射器，其中所述壳体并不沿所述燃料供应管路的长度的中部延伸，以使得该燃料供应管路的中部和所述导热装置暴露在所述燃料喷射器之外。
4.如权利要求1或2或3所述的喷射器，其中所述导热装置与所述喷嘴物理接触，并与位于喷射器的所述顶端和底端之间的所述壳体热隔绝。
5.如权利要求4所述的喷射器，其中所述热隔绝包括，在所述导热装置与所述燃料供应管路之间的物理间隔以及所述导热装置与所述壳体之间的物理间隔，所述壳体位于喷射器的所述顶端和底端之间。
6.如前述任何一项权利要求所述的喷射器，其中所述导热装置与位于喷射器顶端的所述壳体之间存在最小物理接触。
7.如前述任何一项权利要求所述的喷射器，其中所述导热装置相对于喷射器的所述顶端的端面凹入，且所述壳体形成为在所述导热装置和喷射器的所述顶端的所述端面之间延伸。
8.如前述任何一项权利要求所述的喷射器，其中所述导热装置与位于喷射器底端的所述壳体物理接触。
9.如前述任何一项权利要求所述的喷射器，其中对喷射器的所述底端施加冷却。
10.如权利要求9所述的喷射器，其中通过利用被喷射器所使用的辅助气体来实现所述冷却，以辅助燃料向燃烧室的喷射。
11.如前述任何一项权利要求所述的喷射器，其中所述导热装置为管的形式，该管在喷射器的所述顶端和底端之间延伸，且围绕所述燃料供应管路并与之共轴线。
12.如前述任何一项权利要求所述的喷射器，其中所述导热装置包括从铝、铜、镁、钨和石墨组成的组中选择的材料。
13.如前述任何一项权利要求所述的喷射器，其中所述导热装置从所述喷嘴处至少获取60％的热通量。
14.如前述任何一项权利要求所述的喷射器，其中所述导热装置从所述喷嘴处至少获取80％的热通量。
15.如前述任何一项权利要求所述的喷射器，其中所述导热装置从所述喷嘴处至少获取90％的热通量。
16.如前述任何一项权利要求所述的喷射器，其适用于燃气轮机。
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