CN101424407A - 用于罐状环形双燃料燃烧器的稀预混向心多环状分级喷嘴 - Google Patents

用于罐状环形双燃料燃烧器的稀预混向心多环状分级喷嘴 Download PDF

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CN101424407A
CN101424407A CNA2008101731418A CN200810173141A CN101424407A CN 101424407 A CN101424407 A CN 101424407A CN A2008101731418 A CNA2008101731418 A CN A2008101731418A CN 200810173141 A CN200810173141 A CN 200810173141A CN 101424407 A CN101424407 A CN 101424407A
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T·E·约翰逊
J·F·麦康瑙海
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Abstract

本发明涉及用于罐状环形双燃料燃烧器的稀预混向心多环状分级喷嘴，具体而言，提供了一种用于在罐状环形双燃料燃气涡轮机燃烧器(100)中产生三个独立的燃烧区域的稀预混合、向心式、多环状的分级喷嘴(120)。该喷嘴(120)包括由气体引燃喷嘴(150)和中心燃料盒(155)供应燃料的引燃区域(Z1)；由内部主气体燃料供应燃料的稳焰器区域(Z2)；由外部主气体燃料供应燃料的主火焰区域(Z3)；用于使到喷嘴(120)的进气的一部分与内部主气体燃料以及外部主气体燃料混合的主径向旋流器(120)；端盖组件；以及用来控制所供给的内部主气体燃料和所供给的外部主气体燃料的比值的外部装置。

Description

用于罐状环形双燃料燃烧器的稀预混向心多环状分级喷嘴
技术领域
本发明一般地涉及燃气涡轮机燃烧器，更具体地说，涉及一种用于罐状环形双燃料燃烧器的稀预混合(lean premix)、向心式多环状的分级喷嘴，其显著地减少或消除了燃烧动态变化(combustion dynamics)。
背景技术
图1显示了一种用于重型工业燃气涡轮机10的现有技术燃烧器，其包括压缩机12(部分显示)、多个燃烧器14(出于方便和清晰起见显示了一个燃烧器)和涡轮16(由单个叶片代表)。虽然没有特别显示，涡轮16沿着公共轴线而传动地连接在压缩机12上。压缩机12将进气加压，该进气之后逆向流向燃烧器14，在这里其用于冷却燃烧器14，并为燃烧过程提供空气。虽然只显示了一个燃烧器14，但燃气涡轮机10包括多个定位在其外围的燃烧器14。过渡管道18将各燃烧器14的出口端与涡轮16的入口端连接起来，以便将热的燃烧产物输送给涡轮16。
各燃烧器14包括基本上圆柱形的燃烧器外壳24，其在敞开的前端通过螺栓28而固定在涡轮机外壳26上。燃烧器外壳24的后端被端盖组件30关闭，该端盖组件30可包括传统的供给管道、集管和相关联的阀门等，用于将气体、液体燃料和空气(以及如果需要的水)供给燃烧器14。端盖组件30容纳多个(例如五个)燃料喷嘴组件32(出于方便和清晰起见只显示了一个)，这些燃料喷嘴组件32围绕燃烧器14的纵轴线设置成圆形阵列。各燃料喷嘴组件32是一种基本圆柱形的主体，该主体具有后供给段52和前输送段54，后供给段52具有入口，用于接收气体燃料、液体燃料和空气(和如果需要的水)。
在燃烧器外壳24中，以相对于其基本同心的关系安装有基本上圆柱形的流套管34，该流套管34在其前端处连接到过渡管道18的外壁36上。该流套管34在其后端处通过径向法兰35而在对接接头37处连接在燃烧器外壳24上，在这里燃烧器外壳24的前段和后段连接在一起。
在流套管34中有同心设置的燃烧器衬套38，该衬套38在其前端处与过渡管道18的内壁40相连。燃烧器衬套38的后端由燃烧器衬套盖组件42支撑，而该盖组件42则由多个撑杆39支撑在燃烧器外壳24中。将会懂得，过渡管道18的外壁36，以及在通过螺栓将燃烧器外壳24固定于涡轮外壳26(通过螺栓28)上的位置向前延伸的流套管34的那一部分，在它们各自的外围表面上形成有阵列孔44，以允许空气逆向从压缩机12穿过孔44而朝着燃烧器14的上游或后端流到流套管34和衬套38之间的环形间隙中(如图1中所示的流箭头所示)。
燃烧器衬套盖组件42支撑多个预混合管道46，对于每个燃料喷嘴组件32有一个预混合管道46。更具体地说，各预混合管道46在其前端和后端处分别通过前板和后板47，49而支撑在燃烧器衬套盖组件42中，前板和后板47，49各设有与末端开口的预混合管道46对准的开口。预混合管道46受支撑使得相应的燃料喷嘴组件32的前输送段54同心地设置在预混合管道46中。
后板49安装多个向后延伸的浮箍48(对于每个预混合管道46有一个浮箍)，浮箍48设置成与背板49中的开口基本对准。各浮箍48支撑与相应的燃料喷嘴组件32成环绕关系的环形空气旋流器50。径向燃料喷射器66设于旋流器50的下游，用于将气体燃料排放到定位于预混合管道46中的预混合区域69中。该布置使得在衬套38和流套管34之间的环形间隙内流动的空气在燃烧器14的后端中被迫再次反向(在端盖组件30和套管盖组件42之间)，并在进入预混合管道46下游的衬套38的燃烧区域或燃烧室70中之前，流过旋流器50和预混合管道46。在多个燃烧器14中通过火花塞20结合交叉点火管道22(显示了一个)以通常的方式实现点火。
在发电厂设计中，减少向大气中排放有害气体例如氮氧化物(NOX)是主要问题。已经开发出低NOX燃烧器来解决这个问题，其采用稀预混合燃烧，且多个燃烧器附接在单个燃烧室上，例如图1中所述。各燃烧器包括带有居中设置的燃料喷嘴的流管道，燃料喷嘴包括圆柱形的轮毂，该轮毂支撑燃料喷射器和空气旋流器，并具有位于其下游端的平面。除了用于低NOX运行的预混合注入级之外，各燃料喷嘴能够包括用于起动和应急操作的扩散注入级和用于液体燃料操作的液体燃料注入级。
气体燃料和液体燃料的扩散典型地通过定位在燃料喷嘴的平的端面上的孔而注入。在低NOX(预混合)运行期间，燃料通过燃料喷射器注入，并与流管道中的旋流空气相混合。扩散和液体燃料回路典型地在预混合操作期间利用空气进行吹扫，以使火焰气体不进入通道。通过燃料喷嘴之后的非流线体再循环和旋流脱落(如果存在旋流的话)使燃烧火焰稳定。对于预混合系统，由于燃烧不稳定性而典型地产生强的压力波动。燃烧不稳定性被认为与从燃料喷嘴的非流线型末端顺翼展方向的涡流的发散相关联。这些压力波动能够严重地限制装置的运行，并且在某些情况下甚至可能造成对燃烧器硬件的物理损坏。此外，穿过扩散和液体燃料回路的吹扫空气流被直接注入到再循环区域中。这种直接注入降低了局部温度和再循环的强度，对火焰稳定性产生了负面影响。因此，需要一种低NOX燃烧器，其减小了压力波动，并避免了将吹扫空气直接注入到再循环区域中的负面影响。
如之前所述，这些当代的重型工业用干式低NOX(DLN)罐状环形燃气涡轮机燃烧器通常采用多重(或群)预混合喷嘴，其利用平的或带角度的盖/穹顶组件与罐状燃烧器衬套对接。需要多个喷嘴来混合和分级输送燃料，以便在预期的操作性和设计空间内达成调节(turndown)和性能。然而，这种方法产生了复杂且昂贵的组件。
另外，在头端将空气和燃料均匀地分布到该群预混合燃料喷嘴中是较困难的，并且通常导致到所有喷嘴中的不太理想的均匀气流，或者产生相当大量的寄生压降/损失。同传统的扩散型燃烧相比，旋流稳定的稀预混合(LP)燃烧倾向于对燃烧所致的振动(动力不稳定性)高度敏感。
历史上，在燃气涡轮发动机工业中，在LP系统中曾降低火焰温度(或主区域温度)来减少NOX排放。随着可接受的NOX废气排放水平已被降低至百万分之几(ppm)的水平(主要是由新的政府法规驱动)，火焰温度已经被驱动至非常接近稀熄灭(LBO)极限，至少对于具有高甲烷含量的燃料是如此。对于这种稀混合物，局部燃料-空气混合比的轻微周期性的变化会导致局部放热和放热率相对较大的周期性变化——甚至包括局部的周期性的火焰熄灭。当放热波动与燃烧室内部所遭受的压力波动结构性地同相时，离散的振荡频率(或音调)可在振幅上放大。
随着当前LP燃烧器变得更为稀且使燃料在空间上更为均匀，以满足日益降低的NOX排放，并且被日益要求在广泛的燃料范围内运转的同时满足那些排放目标，对于给定的系统加大了遭受不可接受的高水平的燃烧动态变化的风险。
虽然之前已经尝试过大型单喷嘴DLN，低NOX的罐状环形燃气涡轮燃烧系统，但是大多数由于可操作性、耐用性和排放问题而失败了。缺乏智能可调的操作参数和缺乏多个独立的燃烧分级区域已经导致行业接受模块化的多喷嘴(群)构造。多喷嘴设计容许将燃料分布在喷嘴子组上分级或偏斜(skewing)，以便不仅促进点火和调节，而且提供一种可调的操作参数，以便避开在设计操作范围内运转时所遭遇的动力变化(或振动)。
使燃烧器中的燃料分布产生偏斜的最后阶段是产生更热的温度区域，其驱动NOX的产生。因而，如果需要太多的偏斜以平抑动态变化或不稳定性，那么可能产生违反规定的NOX排放极限的情况，可能致使该单位不能使用。工业燃气涡轮机中的LP燃烧动态变化典型地通过一些方法来被动地减少，这些方法通常是试验和错误的过程，其可能是昂贵且不确定的。下面列出了某些方法：1)移动燃料注入点，以便改变从注入点至火焰头的燃料输送时间，2)改变燃料喷射孔尺寸，以改变跨越孔的压降和声音阻抗，和3)修改燃烧室或喷嘴的几何形状(例如，直径、角度、长度)以影响涡流脱落、频率和振幅或燃烧室中的火焰形状。
这些方法试图利用燃烧室中的压力或声音扰动迫使放热中的任何扰动都不同相(或相位破坏)。通过为燃烧系统增加声音衰减(例如，赫尔姆霍茨共振器或四分之一波长管)已经减少或消除了燃烧器动力变化。过去，上面的方法会被考虑并被事后进行实际演练以揭示高的燃烧器动力变化，而不是在程序的初始设计阶段主动地设计它们。
因此，需要提供一种更简单、可伸缩、更便宜的LP燃烧器，其可在统计意义和绝对意义上基本尽可能不在设计/操作范围内的任何负荷下，激励或引发离散的燃烧振动，同时具有上面对燃料-混合物品质的平均耐受性。假设如果找到上面的解决方案，并且因而极大地减小了在给定的设计操作范围内总是遭受的离散的动力变化的风险，那么对于给定的系统，调至最小排放的效率和几率将得到显著的提升。本质上，动力变化在整个燃烧器设计过程中将不再有这种显著且难以控制的部分。
发明内容
本发明涉及一种利用稀预混合的向心式多环状的分级喷嘴，在燃气涡轮机燃烧器中产生三个独立的燃烧区域的设备和方法，从而以较低的氮氧化物(NOX)排放提供稳定的燃烧。
简要地说，根据本发明的一个方面，提供了一种稀预混合的向心式多环状的分级喷嘴，其用于在罐状环形双燃料燃气涡轮机燃烧器中产生三个独立的燃烧区域。这种稀预混合的向心式多环状的分级喷嘴(后文中称之为单独大径向喷嘴)包括由中心燃料盒供应燃料的引燃区域；由内部主气体燃料供应燃料的稳焰器区域；由外部主气体燃料供应燃料的主火焰区域；用于使喷嘴进气的一部分与内部主气体燃料供给和外部主气体燃料供给混合的主径向旋流器；端盖；以及用于控制所供应的引燃气体燃料、内部主气体燃料以及外部主气体燃料的比率的装置。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于燃气涡轮发动机的罐状环形双燃料燃烧器。该燃烧器包括结合外部燃烧器管道和主径向旋流器的稀预混合向心式多环状的分级喷嘴(以下称之为单独大径向喷嘴)，安装在燃烧器外壳的端盖上。在单独大径向喷嘴的外部燃烧器管道的下游设有主燃烧区域。还提供了来自压缩机源的压缩空气源。空气进气室径向地包围该单独大径向喷嘴，并且径向地由该燃烧器的外壁界定边界。用于压缩空气的扩散器沿反向路径接收来自压缩机的压缩空气，并将压缩空气以复原的压力排放到进气室中。整流器安装在主径向旋流器的顶部，并包围外部燃烧器管道的一部分，其用于使从扩散器至空气进气室的气流平滑。
根据本发明的第三方面，提供了一种利用稀预混合的向心式多环状的分级喷嘴(后文中称之为单独大径向喷嘴)的方法，该喷嘴带有独立的燃烧区域，其中该单独大径向喷嘴包括位于燃气涡轮机燃烧器中的引燃区域、稳焰器区域和主要区域，用于以较低的氮氧化物(NOX)排放提供稳定的燃烧。该方法包括为喷嘴提供大的空气供给；在喷嘴内的分级；使放热在空间上分散到多个离散的区域内；使放热在时间上分布；以及使下游中心再循环区域通风。
附图说明
当参照附图阅读以下详细说明时，将更好地理解本发明的这些以及其它特征、方面和优势，其中在所有附图中相似的标号表示相似的部件，其中：
图1显示了带有多个喷嘴的现有技术燃烧器；
图2显示了发明性燃烧器的一个实施例，其包括一种发明性的单独大径向喷嘴燃烧器；
图3A显示了等轴剖视图，其显示了用于该发明性单独大径向喷嘴结构的一个实施例的内部结构；
图3B显示了轴向横截面图，其显示了用于该发明性单独大径向喷嘴结构的一个实施例的内部结构；
图4显示了用于该发明性单独大径向喷嘴的一个实施例的端盖板的供给端视图；
图5显示了该发明性单独大径向喷嘴的一个实施例的端盖和背板中的燃料廊道和燃料渗透；
图6A显示了用于该发明性单独大径向喷嘴的一个实施例的主径向旋流器的等轴视图；
图6B显示了用于该发明性单独大径向喷嘴的一个实施例的主径向旋流器上的主旋流叶片的详图；
图6C显示了用于该发明性单独大径向喷嘴的一个实施例的主径向旋流器的正视图；
图6D显示了用于该发明性单独大径向喷嘴的一个实施例的主径向旋流器的主旋流叶片和中心轮毂的截面图；
图6E显示了用于该发明性单独大径向喷嘴的一个实施例的主径向旋流器的背板和中心轮毂的截面图；
图7显示了该发明性燃烧器的头端的横截面，其描绘了该发明性单独大径向喷嘴的一个实施例的气流和独立的燃烧区域；
图8显示了用于该发明性单独大径向喷嘴的一个实施例的中心稳焰器、气体引燃环面和中心燃料盒；
图9A和9B显示了用于该发明性单独大径向喷嘴的一个实施例的气体引燃喷嘴的喷嘴主体；
图10显示了用于该发明性单独大径向喷嘴的一个实施例的双燃料中心燃料盒的轴向截面图；且
图11显示了用于该发明性单独大径向喷嘴的稳焰器杯的一个备选实施例。
部件列表：
10 燃气涡轮机                 52   后供给段
12 压缩机                     54   前输送段
14 燃烧室；                   66   径向燃料喷射器
16 涡轮叶片                   69   预混合区
18 过渡管道                   70   燃烧室；
20 火花塞                     100  罐状环形双燃料燃烧器
22 交叉点火管道               105  燃烧器外壳
24 燃烧器外壳                 106  流套管
26 涡轮机外壳                 110  燃烧器衬套
28 螺栓                       111  锥形穹顶
30 端盖组件                   112  扩展件
32 燃料喷嘴组件               113  外部燃烧器管道
34 流套管                     114  主燃烧室；
36 过渡管道的外壁             115  环状空间
38 衬套                       116  扩散器
39 撑杆                       117  进气室
42 燃烧器衬套盖组件           118  整流器
44 孔                         120  稀预混合的向心式多环
46 预混合管道                 状的分级喷嘴(单独大径向
47 前板                       喷嘴)
48 浮动轴环                   130  端盖组件
49 后板                       135  后表面
50 燃料旋流器                 138  前表面
140 主径向旋流器                220 主内部气体穿孔
150 气体引燃喷嘴                223 中心燃料盒
155 中心燃料盒                  224 中心燃料盒法兰
160 中央稳焰器                  225 中心燃料盒法兰螺栓
170 外部稳焰器                  230 气体导引器连接
175 外部燃烧器管道              232 液体燃料导引器连接
178 燃烧器管道的下游端          234 空气辅助连接
179 支撑凸缘                    236 点火器/火焰探测器连
180 基底部分                    接
183 螺栓                        240 背板
185 主外部燃气供给              241 底面
190 主内部燃气供给              242 安装面
195 液体燃料供给                243 液体燃料供给穿孔后部
200 中心轴线                    244 主液体燃料廊道(fuel
201 后段                        gallery)
202 前段                        245 液体燃料注入点
203 中央空腔                    246 液体燃料输送穿孔端盖
204 前表面                      247 液体燃料输送穿孔背板
205 端盖板                      248 雾化器
206 燃烧器螺栓孔                249 隔热衬套
207 外部环向表面                250 旋流叶片
208 引燃孔                      252 燃料末梢
209 螺栓孔                      255 环形旋流容积
210 气体引燃喷嘴座面            257 背板的环向边缘
212 气体引燃喷嘴法兰            260 中央轮毂
214气体引燃喷嘴后法兰螺         263 内表面
栓                              265 中央空腔
215 主外部气体穿孔              270 圆柱形支撑轮毂
273 外部支撑凸缘                  370 圆柱形轮毂
274 内部支撑凸缘                  371 凹穴
275 径向空气通道                  372 螺栓孔
277 出口                          375 V形元件
278 中央空腔                      376 开口端
280 脱旋流器                      377 顶点
285 中心轮毂                      380 环面末梢
290 V形槽组件                     381 第一凹穴
295 支撑塔                        382 第二凹穴
296 支撑塔的内壁                  383 第三凹穴
300 内部燃烧器管道                385 内部燃烧器管道顶部
310 主外部气体廊道                390 倾斜边缘
311 内壁                          400 来自扩散器的气流
312 外壁                          401 从进气室流入主径向旋
315 上端                          流器的空气
317 内壁                          402 流向中央稳焰器区域的
318 外壁                          流
319 上端                          405 流向主区域的流
330 主内部气体廊道                605 环向预混合空间
345 环形室                        610 翼型件
347 环形室的入口                  615 前缘
348 环形室的下游出口              620 后缘
350 圆柱形支撑塔                  625 轴线
355 支撑臂                        630 锐角
360 径向叶片                      635 半径
365 内燃烧器管道壁                640 带注入点的侧面
366 内壁                          642 没有注入点的侧面
368 圆柱形轮毂的内壁              645 底面
650 顶面                       852 渐缩头部的外表面
655 主外部气体燃料注入点       855 气体引燃预混合器
657 主外部气体燃料注入孔       857 混合叶片
660 气流                       860 引燃气体孔
665 燃料腔                     862 内部引燃气体燃料腔
670 内螺纹孔                   864 气体引燃气流空间
680 主内部燃气注入穿孔         865 末梢冲击护罩
685 孔                         866 末梢孔
690 主内部燃气注入点           870 燃料盒进给孔
695 注入末梢                   872 中心燃料盒的外表面
805 主体                       873 气腔
810 环形壳                     875 点火器
815 后部法兰                   880 液体燃料导引器
816 螺栓孔                     881 圆锥形环面
817 前座面                     882 隔热罩
818 中心孔                     883 偏置的钻孔
819 凸起面                     884 气喷雾化器护罩
820 后表面                     885 端部末梢
821 内螺纹孔                   890 圆柱形燃料腔
825 气体引燃环面               891 液体导引主体
830 外表面                     892 旋流室壁
835 下壳                       893 旋流室
836 下壳的外表面               894 空气环面间隙
840 渐缩壳                     895 空气辅助环面
842 渐缩壳的外表面             896 空气辅助旋流器
845 中央壳                     900 单独大径向喷嘴
847 外轴向面                   905 中央稳焰器
850 渐缩头部                   910 穿孔杯
915 中央轴线              950 进入中央稳焰器的30％
920 孔                    的燃料空气混合物
930 圆角                  955 引燃空气燃料混合物
940 护罩                  960 引燃喷嘴
945 内部燃烧器管道壁
具体实施方式
本发明的以下实施例具有许多优点，包括以下若干创新且独特的特征：(1)容许只用一个大径向喷嘴和衬套改型替代多个(例如，六个)预混合喷嘴(每个罐)和燃烧室盖，从而达到显著地减少部件数量，节省成本，并显著地简化燃烧器的头端；(2)使用穹顶式扩散器设计以从背面对流地冷却衬套的穹顶，并在使燃料和空气在大径向喷嘴中预混合之前，同时复原静压力，从而使寄生的压力损失更少，并使更多的空气可用于预混合；(3)提供在相对较低的压降(例如<4％)下快速(例如<3msec)且完全地使大量燃料(～2lbm/sec)和空气(～60lbm/sec)蒸发和混合的能力；以及(4)使用气体燃料或液体燃料，其通过在燃烧室中策略地分布或分散放热(在时间和空间上)和燃料输送时间，同时输送必要的系统调节性能和较低的废气排放，其比当前的稀预混合(LP)燃气涡轮机的燃烧系统更为健壮，且不太容易发生燃烧引发的振动。
该设计的效果是多层面的：(1)每个罐的五个或更多个喷嘴用一个来替代以显著降低成本和减少部件数量；(2)显著减少或甚至完全消除工业燃气涡轮机的燃烧器中的燃烧动态变化/离散频率的振动，同时保持所需的排放水平；(3)气体和液体燃料的灵活性，其倚赖于成功的燃烧动态改进；(4)用液体燃料的DLN，如2号柴油，同时消除了对注水和高压雾化空气的需求；和(5)低至百万分之几(ppmv)的有害排放。
为了成功地从多喷嘴装置过渡至单个大喷嘴，需要喷嘴内分级。在这种设计中使用了带角度的V形槽稳焰器的区域，其提供用于在主预混合喷嘴中进行燃料分级的区域。例如，在预混合器中在轮毂(或中心体)附近使燃料-空气比偏向更富足，这可以容许中心稳焰器区域以相对于旁通流更高的等效比燃烧，这可有利于(或甚至是必要的)点火、机器加速、低负荷运转或处理突然的负载转移。结合其它分级特征(如预混合引燃特征)偏置燃料-空气比，将容许单独大径向喷嘴替代燃气涡轮机燃烧系统中的每个燃烧器的多个喷嘴(例如六个)，其相当于显著地减少燃烧系统和发动机作为整体的部件数量，并节省成本。相对于设计范围内所遭遇的燃烧温度而言，减少燃烧动态变化将在保持或甚至减少有害排放(例如未完全燃烧的烃类(UHC)、NOX和一氧化碳(CO))的同时而实现。
当恰当混合的设定反应物百分比(例如，大约33％的喷嘴反应物)被重定向而以主燃烧器上游带角度的离散的V形槽区域阵列形式进行燃烧时，这种稀预混合的向心式多环状的分级喷嘴(以下称之为单独大径向喷嘴)，其通过设计而更不可能激励燃烧引发的离散的振动频率。穿过圆锥形的V形槽部件结构的轴向射流阵列减轻了离散的动力变化，并以若干方式改善了排放。
首先，该阵列将放热分解到空间内多重离散的反应区域中，各区域在比整个燃烧器小得多的空间规模下发生反应。这有效地限制了能量释放的量，这能够结构性地在燃烧室中耦合于特殊的声音谐振频率。
其次，这种带角度的V形槽产生了多重燃料输送时间，其在时间上分布(或分散)放热。也就是说，沿着V形槽长度的各个点具有其自身相关联的输送时间：即燃料注入点和燃烧点之间的时间。这同样有效地限制了放热能量的量，这能够结构性地耦合于特定的燃烧室声音谐振频率。
第三，脱旋流部件的功能是使下游中心再循环区域(CRZ)“通风”，其源自涡流破碎。从中心圆锥开始，扩展的射流阵列将非旋流的轴向动量直接注入到CRZ中，这减小了CRZ的尺寸和散料停留时间。这又通过减少燃烧产物分子在燃烧器内部的主区域(火焰)温度下所耗费的平均时间而减少了氮氧化物(NOX)的产生。用于NOX产生的“温度时间”概念在高于2900F的火焰温度下变得日益重要，在该温度下，热的NOX(或Zeldovich)成形机理开始加速，并且其对整个系统NOX水平的贡献开始显著地增加。
喷嘴还提供了一种针对不需要水和雾化空气的柴油液体燃料进行操作的防焦设计。该设计各方面通过隔热的燃料廊道壁防止了燃料廊道焦化，以实现高的可靠性。液体燃料迅速地雾化并完全地扩散到预混合器气流中，使其离开热的预混合器表面，从而蒸发并迅速地与空气相混合。这种液体注入机制对燃气操作没有负面影响。消除了对注水和高压雾化空气的需求，进一步节省了费用。
完全的燃料-空气混合是快速(大约2毫秒)彻底的(大于97％)，并且需要较低的预混合器压力差(～2％)，从而减少所需要的预混合器停留时间，以形成一种更短更紧凑的设计，并在“提前的”燃气涡轮机状态下停留在低于柴油自点火时间之下。
本发明的几个其它方面和优势将在描述中变得清晰。通过燃料分级(3个伪独立的燃烧区域)增强了调节能力。使用背面冷却的穹顶消除了对火焰区域中的衬套冷却空气的需求。
另外，轴线对称的径向燃烧分级不会使燃烧器衬套遭受非对称的负荷，从而提供了改进的燃烧器衬套的耐用性。
此外，还具有改进的内部预混合器火焰稳定阻力/裕量：流在整个预混合器喷嘴中被加速；平均速度(bulk velocity)保持在大约300ft/sec以上。
V形槽倾斜角度(径向轴平面)和脱旋流叶片剖面选择为两个参数来进行优化。V形槽倾斜角度在30度至60度之间变化，以使倾斜角度最大化，同时仍能产生界限明确的连续的V形槽尾流，以支撑独立的燃烧区域。对于非反应的CFD，40度的构造是最大的角度，该角度仍产生连续的V形槽尾流，且其它的喷嘴特征被保持恒定。脱旋流叶片剖面通过使入口叶片角度与进入的旋流对准，并利用层叠的几何形状来使流加速穿过部件而被成功地调整/优化；因而，防止了在部件中的任何流分离。
图2显示了发明性的燃烧器中所采用的该发明性的单独大径向喷嘴的一个实施例。该单独大径向喷嘴燃烧器100包括大体上圆柱形的燃烧器外壳105，该外壳105在敞开的前端处可通过将燃烧器衬套插入到过渡件中而紧固在用于连接涡轮的过渡件(未显示)上。然后该过渡件可在敞开的前端处通过螺栓以常用的方式紧固在涡轮机外壳上。燃烧器外壳的后端被端盖组件130关闭，该端盖组件130适合于针对气体燃料、液体燃料、空气和动力的供给管道、集管、阀门和装配件(未显示)的传统组装件。端盖组件130是大径向喷嘴组件120的一部分，并将大径向喷嘴组件120固定在燃烧器外壳105上。
在燃烧器外壳105中，以与其基本同心的关系安装有流套管106。在流套管106中，同心地设置有燃烧器衬套110，该衬套110在其前端112处连接于其所插入的过渡衬套的内壁上(未显示)。燃烧器衬套110的后端形成了位于主燃烧器114上的截顶圆锥形的穹顶111，该截顶圆锥形的穹顶111在其中心对于从大径向喷嘴120流来的燃料和燃烧产物是敞开的，并且还与大径向喷嘴120的外部燃烧器管道113相配合。
用于燃烧过程的空气可从空气压缩机抽吸到过渡件(如之前参照图1所述)中，之后穿过流套管和燃烧器衬套外壁之间的环形间隙115。在环形间隙的后端，同心安装的扩散器116使空气膨胀进入用于大径向喷嘴120的进气室117中。穹顶111用作扩散器116的内部同心壁，从而容许穹顶111由流过扩散器116的空气进行背面冷却。同时，在使燃料和空气在大径向喷嘴120中进行预混合之前，扩散器116复原空气的静压力，导致较少的寄生压力损失，并且更多的空气可用于预混合。环绕该大径向喷嘴120的中心的整流器118使空气平滑地进入到进气室117中，进一步减少了寄生的压力损失。
该大径向喷嘴120还包括主径向旋流器140、气体引燃喷嘴150、带V形槽稳焰器的中心稳焰器160、以及外部稳焰器170。中心稳焰器160和外部稳焰器170在它们的前端处向主燃烧器114敞开。
端盖130可以是大致圆柱形的法兰，其设计成与燃烧器外壳105相配合，并在燃烧器100中支撑径向喷嘴组件120。端盖130的后表面135提供了用于双燃料(气体燃料和液体燃料)以及用于气体引燃喷嘴150的渗透作用。在图3A中显示了外部主气体供给190、内部主气体供给190和多个液体气体接头195中的一个接头。用于燃料和空气的渗透装置允许连接至现有的燃料、空气和电力管线(未显示)的燃烧器构造上。
图3A显示了等轴剖视图，其显示了用于该发明性的单独大径向喷嘴结构的一个实施例的内部结构。图3B显示了轴向横截面图，其显示了用于该发明性的单独大径向喷嘴的一个实施例的内部结构。喷嘴是沿着中心轴线200而轴对称的。
端盖组件130包括端盖板205以及后段201、前段202和中央空腔203。主径向旋流器140包括背板240、多个旋流叶片250和中央轮毂260，轮毂260中有中央空腔265。背板240在其安装表面241处用螺栓固定在端盖板205上。
中央稳焰器160安装在中央轮毂260的顶部。中央稳焰器160的中央轮毂285与主径向旋流器140的中央轮毂260相配合，以径向和轴向地支撑中央稳焰器160。径向叶片360支撑来自中央轮毂285的内部燃烧器管道300。多个V形槽290在内部燃烧器管道300和中央轮毂285之间延伸。中央空腔278成形于中央轮毂285中。在主径向旋流器140的旋流叶片250的顶部，安装有带圆柱形的外部燃烧器管道175的外部稳焰器170，其底部区域180径向地向外张开，并用螺栓183连接在旋流叶片250的顶部。外部燃烧器管道175的下游端178也向外张开并加强，以便为燃烧器的圆锥形穹顶111(图2)提供支撑。支撑凸缘179与燃烧器的圆锥形穹顶111相配合。来自主径向旋流器140的燃料-空气混合物通过402被输送至稳焰器区域，并通过405输送至主区域(图7)。中央空腔203，265和278容许插入气体引燃喷嘴150和中心燃料盒，气体引燃喷嘴150包括气体导引器，而中心燃料盒包括液体导引器和点火器。
图4显示了该发明性的单独大径向喷嘴的一个实施例的端盖板相对于该端盖板可安装在其中的燃烧器的后端视图。端盖板205包括整体的圆柱形后段201和具有小直径的圆柱形前段202(图3A)，这两层的中心都定在喷嘴的中心轴线200上。后段201的大小径向地设置成与燃烧器的后座面(未显示)相配合，并且结合多个螺栓孔206，这些螺栓孔206轴向形成并靠近后段201的外环面207，用于连接到燃烧器的该座面上。后段201还可包括多个导向孔208(类似地定向)，用于在准备用螺栓联接时使后段201相对于燃烧器的座面进行定位。前段202的座面205还可包括多个螺栓孔209，这些螺栓孔209与喷嘴的中心轴线200成同心的圆形构造，并适合于容纳来自背板240的安装表面241的螺栓，用于主径向旋流器250(图3A)。
可在端盖板205上连接两个独立的气体燃料供给。后段201包括连接在外部主供气入口管216上的外部主气体穿孔215，其带有外部主气体入口法兰217，用于连接至外部主气体燃料供给上(未显示)。后段201还包括内部主气体穿孔220，其带有用于连接至内部主气体供给(未显示)的接头219。端盖板205还可包括多个液体燃料供给穿孔243，其与喷嘴的中心轴线200同心地定位。
图4还图示了气体引燃喷嘴150的后端。中央空腔203限定在端盖板205中，该中央空腔203径向地从中心轴线200延伸，并穿过后段201和前段202，用于插入气体引燃喷嘴。该中央空腔203包括气体引燃喷嘴座面210(图3B)，该座面210带有螺纹连接，用于与气体引燃喷嘴后部法兰212相配合，以安装气体引燃喷嘴150
图5显示了该发明性喷嘴的一个实施例的端盖和背板中的燃料廊道。外部主气体穿孔215(图4)连接在端盖板205中的外部主气体廊道310上。该外部主气体廊道310限定了与喷嘴的中心轴线200同心的环形室。该外部主气体廊道310的内壁311和外壁312可径向地相对于喷嘴的中心轴线200进行定位，使得外部主气体廊道310的敞开的上端315与主旋流器背板240中的多个相应的外部主气体通道665相通(图3B)。
内部主气体穿孔220连接在端盖板205中的内部主气体廊道330上。内部主气体廊道330限定了与喷嘴的中心轴线200同心的环形室。内部主气体廊道330的内壁317和外壁318可与喷嘴的中心轴线200同心。内部主气体廊道330径向地定位在外部主气体通道310和中央空腔203之间。内部主气体廊道的内壁317和外壁318径向地定位，使得内部主气体廊道330的敞开的上端319与主旋流器背板240中的相应的内部主气体通道680相通(图7)，以便将内部主气体供给位于旋流叶片250之间的底面242上的内部主气体注入点695。
液体燃料供给穿孔243轴向地穿过端盖205的后段201，与主液体燃料廊道244相通。主液体燃料廊道244限定了与喷嘴的中心轴线200同心的环形室，该环形室除了液体燃料供给穿孔243和液体燃料输送穿孔246之外都被密封。主液体燃料廊道244径向地定位，以与液体燃料供给穿孔后端243以及端盖板205前面的液体燃料输送穿孔246对准。液体燃料输送穿孔246穿过端盖205的前段202，与主径向旋流器背板240中相应的液体燃料输送穿孔247相配合，该穿孔247通向用于主旋流器背板240中的液体燃料的雾化器248。主液体燃料廊道244的壁以及端盖205中的液体燃料供给穿孔和液体燃料输送穿孔246的壁，以及背板240中的燃料输送穿孔247的壁可设有隔热衬里249，以便将壁温保持在柴油液体燃料开始焦化的290华氏度以下。接头218设于液体燃料供给穿孔的外部，用于连接液体燃料供给。
因为端盖板205和主旋流器背板240以金属对金属的座面241进行配合，所以隔离了潜在的沿着座面204，241的从燃料腔的泄漏。在端盖板205的上座面204上可提供三个与喷嘴中心轴线200同心的环状的凹穴(图5)。第一凹穴381设于外部主气体廊道310的外侧。第二凹穴382设于外部主气体廊道310和内部主气体廊道330之间。第三凹穴383设于内部主气体廊道330的内侧。这些凹穴可设有C形环或其它合适的垫圈材料以防止沿着座面的流。
图6A-6E显示了用于该发明性喷嘴的一个实施例的主径向旋流器的各个视图。图6A显示了用于该发明性喷嘴的一个实施例的主径向旋流器的等轴视图。图6B显示了用于该发明性喷嘴的一个实施例的主径向旋流器上的主旋流叶片的详图。图6C显示了用于该发明性喷嘴的一个实施例的主径向旋流器的正视图。图6D显示了用于该发明性喷嘴的一个实施例的主径向旋流器的主旋流叶片和中心轮毂的截面图。图6E显示了用于该发明性喷嘴的一个实施例的主径向旋流器的背板和中心轮毂的截面图。
主径向旋流器140包括的背板240，该背板240带有一体的中央轮毂260、安装在背板240上并与背板240正交凸出的多个主旋流叶片250(朝向燃烧区域的下游)、容纳气体引燃喷嘴150的中央空腔265、以及在背板和主旋流叶片250中用以提供燃料和空气流的一系列内部通道。
背板240包括中心定于喷嘴的中心轴线200上的圆柱形的法兰。背板240的底面241的大小径向地设置成与端盖板205的前表面204相配合。背板的安装表面242结合多个环绕背板240外围的容纳螺栓孔372的凹穴371。螺栓孔372延伸至背板240的底面241，并与端盖板205的前表面204上的螺栓孔209对准。背板240的安装表面242用于安装多个主旋流叶片250，并容纳用于将燃料注入到主径向旋流器140内的气流中的注入点。
多个主旋流叶片250各包括实心金属翼型件610，该翼型件610可安装成与背板240正交，并轴向地朝向燃烧区域突出。主旋流叶片250可安装在周边螺栓孔凹穴371的径向内侧和中央轮毂260的径向外侧。各翼型件的前缘615通常径向向外地突出，并且后缘620通常径向向内地突出。各翼型件的轴线625可形成预设计的锐角α(大约15度)630，其具有自喷嘴的中心轴线200的半径635。虽然翼型件610的前缘615形成了曲面，但翼型件610的侧面640，641可形成到公共线性后缘620的直线渐缩形。翼型件610的底面645和顶面650形成平面。底面645可通过焊接或其它合适的工艺而安装在背板240的安装表面242上。
沿着与喷嘴的中心轴线200同心的半径提供了用于外部主气体燃料的多个注入点655，它们位于翼型件610的一个侧面640上，正好在弯曲的前缘615的内侧。外部主气体燃料的注入以大致垂直于穿过相邻旋流叶片之间的气流660的方式提供。然而，除了当前实施例中所包含的位置之外，注入点655还可在翼型件的两个侧面上以及其它位置处提供。注入点可沿着翼型件610的侧面640而大致均匀地轴向隔开，以容许外部主气体燃料均匀地分布到环绕的预混合空间605中的翼型件610之间的气流660中。翼型件610还包括供给注入孔657的内部燃料腔665。燃料腔665可以是大致圆柱形的孔，其从底面241上升而轴向地进入到翼型件610中并在注入孔657附近延伸且与之互通。燃料腔665从端板205中的燃料腔310引导外部主气体燃料。各个翼型件610中的注入孔657在径向方向上相对于圆柱形燃料腔665延伸，以便将燃料供给注入点655。各个翼型件610的顶面650还可包括内螺纹孔670，用于将外部燃烧器管道175紧固在主旋流叶片250上。
背板240中的内部主气体穿孔680(图7)轴向地从端盖板205中的内部主气体廊道330朝着背板240的安装表面242延伸。在各个内部主气体穿孔680中可提供孔685，以控制气体排放。在安装面242上设有注入点690，该注入点690离相邻翼型件610的侧面640，642是大致等距离的，并且处于沿着相邻翼型件610的侧面640，642大约中途的点。对于示范性的24个翼型件610，提供了24个注入点690。在各个注入点690处的注入末梢695轻微地延伸至背板240的安装表面242上方，造成燃气注入到安装面上的气流薄层的上方。
在如上所述的燃气操作期间，气体燃料从轴向地沿着翼型件610的侧壁640定位的多个注入点655以及背板240的安装面242上的注入点695注入到主径向旋流器140的气流中。主气体燃料从如图4所示的两个独立的供给源供给，以影响环形旋涡容积(预混合器环面)255中的燃料-空气混合物的径向剖面。也就是说，通过改变来自两个供给源的燃料供给比，靠近最终穿过中央稳焰器装置的中央轮毂260的混合物，其可能比靠近旋流叶片250(其绕过中央稳焰器)的混合物更富足或更稀薄。可提供外部装置来控制所供给的内部主气体燃料和所供给的外部主气体燃料的该比值。这可包括控制节流装置、压力控制装置或其它本领域中已知的装置，该装置可在喷嘴外部实现。
在背板240的安装面242上还提供了多个液体燃料注入点245，用于操作液体燃料。液体燃料注入点245定位在背板240中的液体燃料输送通道246的顶部。背板240中的液体燃料通道246可包括隔热层249。液体燃料注入点245与中央轴线200同心，并且可定位以将液体燃料注入大致翼型610的后缘620所在地的环状旋流容积255中。在一个示范性装置中，围绕安装面242环向等距地提供了六个液体燃料注入点245。各液体燃料注入点245设有包括圆锥形的雾化器248的末梢252，该雾化器248拧入到用于液体燃料输送通道247的螺纹253中。雾化器248将液体燃料喷洒到垂直于安装面242的轴向气流中。
图7显示了该发明性燃烧器的头端的横截面，其描绘了形成该发明性喷嘴的一个实施例的独立的燃烧区域的气流和燃料空气流。如之前所述并参看图5-7，结合单独大径向喷嘴的该发明性燃烧器提供了三个独立的燃烧区域。引燃气体喷嘴150产生了引燃燃烧区域Z1。稳焰器燃烧区域Z2是由从脱旋流器280穿过中央稳焰器160中的V形槽290的轴向流产生的。主燃烧区域Z3是由在中央稳焰器160的内部燃烧器管道300和外部稳焰器170的外部燃烧器管道175之间流动进入主燃烧器114的燃料-空气混合物产生的。
气流从扩散器116流入进气室117。主旋流叶片250形成用于燃烧器的来自进气室117的进气的流路径660。进入喷嘴的空气的大约95％在主旋流叶片250之间流动。在具有自翼型件610注入的外部主气体和自安装面242上的注入点690注入的内部主气体和/或自雾化器248注入的液体燃料之后，进气由翼型件610定向，以便在逆时针方向(从燃烧端看去)上穿过环状的旋流容积255(在旋流叶片和中央轮毂之间的容积)产生旋流。在环状旋流容积255中，持续的旋流使燃料与空气进一步混合。
中央轮毂260包括中心定位于喷嘴的中心轴线200上的外部截顶的圆柱形锥形面，以便最大限度地减小对来自主旋流叶片的环向流动的燃料-空气混合物在上升进入中央稳焰器160时的流阻力。中央轮毂260形成了自背板240的安装面242升起的平滑表面以及向内倾斜的凹面，从而形成对中央稳焰器160的径向和轴向支撑。具体地说，在其截顶的上游，中央轮毂260为中央稳焰器160提供了外部环形支撑凸缘273。中央轮毂260的内表面263限定了空腔265，该空腔265容纳气体引燃喷嘴150，并包括使空气流向气体引燃喷嘴150的内部流路径。中央轮毂的内表面263还包括用于中央稳焰器160的内部环形安装凸缘274。
背板中的系列内部通道包括用于从端盖中的外部主气体廊道至旋流叶片的外部主气体的通道；用于从端盖中的内部主气体廊道至背板安装面上的燃气喷射器的通道；用于从端盖中的液体燃料输送穿孔至背板安装面上的雾化器的液体燃料通道；以及从背板的环向外缘至中央空腔的空气通道，其用于冷却并将预混合空气引向径向喷嘴中心/芯部。
用于内部主气体的内部通道680通向背板240的安装面242上的内部主气体喷射器顶端695，该内部通道680可包括各个通道中的孔685，以控制到喷射器顶端695的气体流速。背板240的外部环向表面257包括多个径向进给孔275，这些进给孔275向内指向中央空腔265，用于供应冷却空气流，并将预混合空气引向中央空腔265。用于外部主气体270、内部主气体680和液体燃料247的背板中的轴向通道位于不同径向进给孔275之间的环向位置处。
中央稳焰器160可包括中央轮毂285、中央空腔278、脱旋流器280，以及多个V形槽290、内部燃烧器管道300和支撑塔295。
当气流从主旋流叶片250之间被迫进入到环状旋流容积255的旋转流中时，唯一的离开路径在下游。主径向旋流器240中发生旋流的燃料-空气混合物的大约30％进入中央稳焰器160。该中央稳焰器160包括支撑塔350，该支撑塔350坐落在主径向旋流器240的中央轮毂260的顶部。支撑塔350与中央轮毂260的圆柱形支撑轮毂的外部支撑凸缘273和内部支撑凸缘274相配合，以便为中央稳焰器160提供轴向和径向的支撑。支撑塔300的支撑臂355坐落在外部支撑凸缘273和内部支撑凸缘274上。支撑塔295中的中央空腔280和中央轮毂285可容纳气体引燃喷嘴150。
参看图8，在支撑塔295的顶部坐落着脱旋流器280和与轮毂同心安装的圆锥形的V形槽稳焰部件。脱旋流器280包括多个位于中心轮毂285和内部燃烧器管道295之间的环形室345。环形室345在上游入口347和下游出口348处对燃料-空气混合物是敞开的。在各个环形室345之间提供了径向叶片360，该径向叶片从中央轮毂285延伸至内部燃烧器管道295。各径向叶片360从环形室345上游入口347处的略平的斜面弯向环形室345下游出口348处的陡峭的斜面。上游入口处的平的轴向斜面容纳来自主径向旋流器140的主旋流叶片250的燃料-空气混合物的环向旋流。来自主径向旋流器140的环状旋流容积255的燃料-空气混合物的大约30％流入脱旋流器280的环形室345。改变径向叶片360的倾斜度将环流重定向为离开各单独的环形室360的轴向定向的流。如之前所述，重定向的轴向流为中心再循环区域(CRZ)提供了通风。
参看图3B和图8，中央轮毂285的环形顶端380限定了平面I。内部燃烧器管道295的环形顶端限定了平面II。平面I在平面II的下游。脱旋流器280的径向叶片360在它们的下游端形成了位于中央轮毂285的环形顶端380和内部燃烧器管道300的顶端385之间的倾斜边缘，其以大约30％的倾斜度升高。
在各个径向叶片360的下游端设有V形槽290。V形槽290包括V形元件375，其开口端376面向下游。V形元件376的顶点377连接在中央轮毂的环形顶端380上并穿过中央轮毂的环形顶端380，且沿着径向壁360的下游边缘并穿过内部燃烧器管道300的顶端385。
外部稳焰器170包括大致圆柱形的外部燃烧器管道175，该管道175在上游端张开以形成用于与主旋流器相配合的环形座面。圆柱形管道径向包围燃烧室，并朝着燃烧室延伸出中央稳焰器160。外部燃烧器管道175的下游端190是加强的。凸缘195提供了用于与燃烧器的圆锥形穹顶111相接合的座面(图2)。外部燃烧器管道175的环形座面180在其上游端径向地向外张开。座面180形成了主径向旋流器140的主旋流器250上方的顶盖，从而限制了用于燃料-空气混合物从主径向旋流器140至下游流路径402和405的离开路径。座面180可利用多个螺栓而连接至用于主旋流叶片的各个翼型件的顶部，一个螺栓用于翼型件顶部的各螺纹孔。在中央稳焰器160的内部燃烧器管道295和外部稳焰器170的外部燃烧器管道175之间形成的环形间隙，其用于剩余70％的燃料-空气混合物从主径向旋流器140流405向燃烧器空间。
图8显示了用于该发明性的单独大径向喷嘴的一个实施例的中心稳焰器、气体引燃环面和中心燃料盒。用于剩余5％来自进气室的进气的空气流路径，其通过多个径向穿孔275(在该实施例为12个)从背板240的环向边缘257供向喷嘴140的中央空腔260。
作为实现点火、燃烧器调节和改进稳定性的装置，中央气体引燃喷嘴150定位在圆锥形稳焰器容积的内部，位于上游直径最小端。气体引燃喷嘴150提供了中心燃料盒155，该燃料盒155可包括点火器/火焰探测器和液体气体导向器。
穿过用于主径向旋流器140的背板240的环向表面257的径向流孔275的流向径向喷嘴的气流的大约5％在内部分流。该空气的大约80％向前穿过位于中央轮毂的中央空腔265的内壁和气体引燃喷嘴150的环形壳810的外表面812之间的空气供给环面流向环形轴向旋流的气体引燃预混合器855。剩余空气穿过环形壳810中的多个径向进给孔875而进入到中心燃料盒中，以用于引燃液体的雾化和中心燃料盒顶端的冷却和吹扫。
图9A和9B显示了用于该发明性的单独大径向喷嘴的一个实施例的气体引燃喷嘴的喷嘴主体。
气体引燃喷嘴150包括带环形壳810的主体805，该环形壳810可通过端盖板205而从尾部装载到喷嘴140的中央空腔203中。环形壳810在其后端包括后部法兰815，该法兰815带有多个螺栓孔816，用于将其前表面817安装到端盖205的中央空腔203中的坐落凸缘210上。后部法兰815还设有用于插入中心燃料盒155的中心孔818，并且包括位于后表面820上围绕中心空腔的升高的表面819，中心空腔结合用于将中心燃料盒155用螺栓连接到气体引燃后部法兰815上的螺纹孔821。后部法兰815还设有用于连接至引燃气体燃料供给的穿孔230以用于气体引燃操作。
气体引燃喷嘴主体805穿过喷嘴120的中央空腔203，265，278，并进入到中央稳焰器160的圆柱形轮毂370中。气体引燃环形壳810以台阶形式从后端向前端渐缩。环形壳810包括下壳835、渐缩壳840、中央壳845和渐缩头部850。
环形气体引燃气流空间864也通过渐缩壳840和中央壳845的外表面842，847限定在圆柱形轮毂370的内壁368和支撑塔295的内壁296之间。来自背板240中的中央径向进给孔275的径向内端277的空气进入气体引燃气流空间864中，并轴向地流向轴向旋流的气体引燃预混合器855中。
用于引燃气体燃料的后部法兰815中的穿孔230为环形壳810的内部引燃气体燃料腔862供应燃料。下壳835中的内部引燃气体燃料腔842将引燃气体燃料供给位于环形壳810的内壁和中心燃料盒155的外表面872之间的环形引燃气体空间866。渐缩头部850在圆柱形轮毂370的附近延伸，从而在渐缩环形头部850的外表面830和圆柱形轮毂370的内表面368之间形成了气体引燃环面825中。多个引燃气体燃料孔860径向地穿过相邻的轴向混合叶片857之间上游入口处的环形壳，提供了引燃气体燃料注入点。中央壳845的前面部分容纳多个轴向混合叶片857，这些叶片857形状为外表面847上的翼型件的大致形状，用于将气体引燃燃料与气流空间864中向下游移动的空气混合起来，从而组成环形轴向旋流的气体引燃预混合器855。
中心燃料盒155包括安装在后部法兰224上的圆柱形主体405。中心燃料盒155插入到气体引燃喷嘴主体805的中央空腔203中，并用螺栓穿过后部法兰224联接至凸出的后表面820上。后部法兰224提供了用于连接至点火器和火焰探测器236上的轴向穿孔，并且在其环向表面上，提供了用于液体引燃燃料的径向穿孔232和用于空气的径向穿孔234。中心燃料盒155与喷嘴的中心轴线200对准。
图10显示了用于该发明性喷嘴的一个实施例的中心燃料盒155的轴向顶端的截面图。中心燃料盒155被径向地封闭在燃料盒壁872中，并且在下游端由端部末梢885封闭。点火器875沿轴向从中心燃料盒法兰224延伸至端部末梢885。液体燃料导引器880从中心燃料盒法兰224延伸至端部末梢885。气腔873接收用于中心燃料盒中的空气。通向中心燃料盒的空气从背板240中的径向进给孔275进入，并离开通孔277而进入引燃喷嘴150和支撑塔270的内表面368之间的空间864中。进入空间864的空气的一部分通过燃料盒进给孔870而进入中心燃料盒155中，填充点火器875和液体燃料导引器880周围的气腔，并向前延伸至末梢冲击护罩865。该末梢冲击护罩865将空腔的上端密封起来，并包括多个末梢孔867(本实施例中为18个孔)。来自末梢冲击护罩865的空气被引向位于点火器875下游端的环形空气通道876以支持点火。来自末梢冲击护罩865的空气还被供给液体燃料导引器880上的隔热罩882周围的圆锥形环状空间881。提供了穿过气喷雾化器护罩884的多个偏置的钻孔883。液体引燃燃料通过液体引燃主体891中的圆柱形空腔890提供。在末端的旋转室壁892的截顶圆锥形环状空间限定了用于液体燃料的内部旋流室893。在液体引燃主体891周围提供了用于隔热的环状空气间隙894。在环状空气间隙894周围设有空气辅助环状空间895，该空间895连接在中心燃料盒155的法兰224中的空气辅助供给上。在空气辅助环状空间895中定位有空气辅助旋流器896(该实施例包括8个旋流叶片897)。旋流叶片897将旋流运动传递给被引入旋流室893中的辅助空气。
图11显示了用于单独大径向喷嘴900的中央稳焰器的一个备选实施例。这里稳焰器905包括穿孔杯910。穿孔杯910包括围绕中心轴线915的多个孔920，来自环状空间区域的空气燃料混合物950的(大约)30％穿过这些孔，其部分地与来自引燃喷嘴960的引燃空气燃料混合物955相混合，并且部分地在这些孔920的出口处燃烧。孔920设有圆角930，以便最大限度地减小角部分离。在杯910周围设有护罩940，以将流引入杯中。杯920的下凸端945是敞开的，并且适合于接受来自气体引燃喷嘴960的引燃空气燃料混合物955。因而在这种情况下，放热发生在3个级中。第一级是引燃区域。第二级是空气-燃料混合物在这些孔920的出口处燃烧，而第三级是绕过穿孔杯920的流。
前面已经描述了用于燃气涡轮机燃烧器的单独大径向喷嘴，其提供了超越多喷嘴设计的主要的操作改良。首先，由喷嘴预混合器设计提供的喷嘴内燃烧分级，尤其圆锥形的脱旋流V形槽稳焰器是该设计的独特方面，该稳焰器与可控制的外部主气体燃料注入路径和内部主气体燃料注入路径相协作。这方面容许多个喷嘴(每个燃烧器)被一个喷嘴所替代，导致了主要的成本和部件数量的节省。其次，通过分散燃料输送时间和燃烧室中的放热而减轻燃烧动态变化/振动是一种新颖的方式。这种独特的特性还可容许更广范围的燃料在不需要修改或更换硬件的条件下进行燃烧。最后，在形成环形穹顶扩散其中燃烧器头端设计和喷嘴与燃烧器穹顶一体化的方式提供增强的简单性和功能性，该环形穹顶扩散器在对流地冷却衬套穹顶背面的同时恢复压力，而不需要引入独立的冷却空气源。
当前，该发明性喷嘴的大小已经针对GE9FB重型工业发动机进行设置；然而，其可扩大或缩小尺寸以用于几乎任何燃烧器环形设计(例如7H，9H，7FB，7FA，9FA，6C等等)。这种设计可针对现有组件进行改型翻新，或者其可作为一种新的产品而引入。
虽然在这里只显示和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将会想到许多改型和改变。因此，应该懂得，所附权利要求意图覆盖落在本发明的真实精神范围内的所有这类改型和改变。

Claims (10)

1.一种用于在罐状环形双燃料燃气涡轮燃烧器(100)中产生三个独立的燃烧区域的稀预混合、向心式、多环状的分级喷嘴(120)，所述喷嘴包括：
引燃区域(Z1)，其在液体操作期间由中心燃料盒(223)供应燃料，并且在气体操作期间由中心气体引燃喷嘴(150)供应燃料；
中央稳焰器区域(Z2)，其由内部主气体燃料供给来供应燃料；
主火焰区域(Z3)，其由外部主气体燃料供给来供应燃料；
用于将到所述喷嘴(120)的进气的一部分与所述内部主气体燃料供给以及所述外部主气体燃料供给进行混合的主径向旋流器(140)，其包括与端盖(130)成轴向对准而机械地固定的背板(240)；围绕所述喷嘴的中心轴线以圆形阵列大致等距地隔开的多个旋流叶片(250)；位于单独的旋流叶片(250)之间的环向空间内的预混合容积(205)；其中包括中央空腔(278)的中央轮毂(260)；以及位于所述多个旋流叶片(250)和所述中央轮毂(260)之间的环形旋流容积(255)；
用于控制所述内部主气体燃料供给(220)和外部主气体燃料供给(215)的比值的装置；和
端盖(130)。
2.根据权利要求1所述的喷嘴(120)，其特征在于，所述主径向旋流器(140)包括：
圆柱形背板(240)；
中央轮毂(260)，其从所述背板(240)的下游表面(242)向下游轴向地突出，其中，所述中央轮毂(260)包括在下游端处截顶的平滑的锥形面(270)；
空腔(665)，其将外部主气体燃料供给从所述端盖(205)连接到所述多个旋流叶片(250)上；
多个喷嘴(690)，其安装在所述背板(240)的下游表面(242)上；
空腔(680)，其将内部主气体燃料供给从所述端盖(205)连接到所述多个喷嘴(690)上；
多个安装的液体燃料雾化器(248)，其安装在所述背板(240)的下游表面(242)上；
空腔(247)，其将液体燃料供给从所述端盖(205)连接至所述多个液体燃料雾化器上；和
沿着所述喷嘴(120)的中心轴线(200)的中央空腔(278)；和
多个径向定向的空腔(250)，其将所述背板的外部环向表面(275)与所述中央空腔(278)连接起来，用于将空气供给至所述中心燃料盒(223)和所述气体引燃喷嘴(150)。
3.根据权利要求2所述的喷嘴(120)，其特征在于，各所述多个旋流叶片(250)包括：
翼型件(610)，其从所述背板(240)的下游表面(242)朝着所述喷嘴(120)的燃烧端向下游轴向地突出，其中，所述翼型件(610)的中心线(225)与来自所述喷嘴(120)的中心轴线(200)的半径(635)形成预定的角度(630)，从而限定了环向预混合空间(605)，所述环向预混合空间(605)用于空气从所述主旋流器(250)的外部流向位于所述主旋流叶片(250)和所述中央轮毂(270)之间的环形旋流容积(255)；
位于各翼型件(610)中的内部空腔(665)，所述内部空腔(665)用于所述背板中的外部主气体燃料供给；
多个气体燃料喷射孔(657)，其用于将外部主气体燃料供给从所述内部空腔(665)分布至所述预混合空间(605)。
4.根据权利要求1所述的喷嘴(120)，其特征在于，所述端盖包括：
圆柱形板(205)，其包括用于机械地连接到燃烧器(100)上的外部径向安装面(207)和用于连接到所述背板(240)上的内部径向安装面(204)；
将外部主气体燃料供给(185)连接到所述背板(240)上的空腔；
将内部主气体燃料供给(190)连接到所述背板(240)上的空腔；
将液体燃料供给(195)连接到所述背板(240)上的多个空腔(246)；和
包括安装法兰(210)的中央空腔(203)，其用于容纳和安装气体引燃喷嘴(150)。
5.根据权利要求1所述的喷嘴(120)，其特征在于，所述中央稳焰器区域(Z2)包括：
中央轮毂(285)；
内部燃烧器管道壁(365)；
脱旋流器(280)，其用于转换所述主径向旋流器(250)的所述环形旋流容积(255)中的燃料-空气混合物的环流，并在轴向下游方向上使气流改变方向，其包括多个分段的径向隔室(345)，各隔室形成为环形段，所述环形段在外半径上由内部燃烧器管道壁(365)界定边界，而在内半径上由所述中央轮毂(385)的外壁界定边界，其中，相邻的隔室(345)由环向倾斜的径向壁的径向叶片(360)隔开，其中，该倾斜度从所述隔室(345)的上游入口(347)向所述隔室(345)的下游出口(348)逐渐增加，用于使所述环形旋流容积(255)中的所述燃料-空气混合物的一部分脱去旋流；和
V形槽稳焰器(290)，其包括围绕所述内部燃烧器管道壁(365)大致环向等距地隔开的多个径向定向的臂(360)，所述臂(360)连接在所述中央轮毂(285)的下游端上，并从所述中央轮毂(285)的下游端延伸至所述内部燃烧器管道(300)的下游轴向端，其中，内部燃烧器壁(365)处的连接位置定位在轮毂扩展部分处的连接位置的下游，从而形成了用于所述径向定向的臂(360)的预定的径向-轴向角度(630)，以及所述径向定向的臂(360)中的凸起形状的凹部，所述凸起形状的凹部(375)的顶点(377)指向上游。
6.根据权利要求5所述的喷嘴，其特征在于，所述中央轮毂(285)包括：
带有形成所述圆柱形管道(295)的内表面(296)的不规则形状的中央空腔(278)的圆柱形管道(295)，以容纳中央气体引燃喷嘴(150)，并且所述圆柱形管道(295)在上游端适于与所述主径向旋流器(140)的所述中央轮毂(260)相配合，所述圆柱形管道(295)还包括位于所述圆柱形管道(295)的下游轴向端上的轮毂扩展部分(380)，所述轮毂扩展部分(380)由周围的V形槽(290)以相等的间隔截断。
7.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述中央气体引燃喷嘴(150)包括：
大致圆柱形的主体(805)，其带有中央空腔和在上游端径向地扩展的螺栓连接法兰(815)；其中，该喷嘴主体(805)适于配合在所述稳焰器区域的所述端盖(205)、所述背板(240)和中央轮毂(285)的中央空腔(203，270，278)中；
多个径向进给孔(870)，其在所述喷嘴主体(805)上轴向地对准，以接受来自所述背板(240)的气流；
位于所述中央空腔(203，270，278)中的中心燃料盒(155)；
环状空间(864)，其适于将引燃气体燃料从位于所述中心燃料盒(155)下游端的气体引燃喷嘴(150)供给至气体导引器；
多个引燃混合叶片(857)，其适于将空气与引燃气体燃料进行混合；
多个径向地延伸的孔(860)，其穿过所述中心燃料盒(155)的壁(872)，位于相邻的引燃混合叶片(857)之间的上游；和
定位在所述引燃混合叶片(857)下游的环状空间(825)，其适于将混合的引燃气体-空气混合物供给所述引燃区域(Z1)。
8.根据权利要求7所述的喷嘴，其特征在于，所述中心燃料盒包括：
液体燃料导引器(880)；
用于所述液体燃料导引器(880)的空气辅助供给(873)；和
点火器(875)。
9.根据权利要求1所述的喷嘴(120)，其特征在于，所述主火焰区域(Z3)还包括：
圆柱形的内部燃烧器管道壁(365)，其中心定位于所述喷嘴(120)的中心轴线(200)上；
圆柱形的外部燃烧器管道(175)，其中心定位于所述喷嘴(120)的中心轴线(200)上，所述外部燃烧器管道(175)从所述主径向旋流器(140)向下游轴向地突出，并且包括比所述内部燃烧器管道壁(365)更大的直径；
所述外部燃烧器管道(175)的基底部分(180)，所述基底部分(180)在其上游端处径向地向外延伸，为环向表面，并在所述多个主旋流叶片(250)上方形成顶盖，且将燃料和空气引入所述环形混合区域。
10.一种用于燃气涡轮发动机的罐状环形双燃料燃烧器(100)，包括：
稀预混合、向心式、多环状的分级喷嘴(120)，其包括内部燃烧器管道(300)、外部燃烧器管道(113)和安装在端盖(130)上的主径向旋流器(240)，所述端盖(130)安装在燃烧器外壳(105)上；
位于所述喷嘴的所述外部燃烧器管道(113)下游的主燃烧区域(Z1)；
来自压缩机的压缩空气源；
空气进气室(117)，其径向地包围所述喷嘴(120)，并且径向地由所述燃烧器的外壳壁(105)界定边界；
用于所述压缩空气的扩散器(116)，所述扩散器(116)接收来自所述压缩机的反向流路径中的压缩空气，并以复原的压力将压缩空气排放至所述进气室(117)，其中，所述扩散器(116)包括与用于所述主燃烧区域上的穹顶(111)的背面重合的内壁，从而对所述穹顶(111)提供了来自穿过所述扩散器(116)的压缩空气的背面冷却；和
整流器(118)，其安装在所述主径向旋流器(240)的顶部，并包围所述外部燃烧器管道(113)的一部分，用于使从所述扩散器116到所述空气进气室117的气流平滑。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20090506