CN101713541B - 预混合直接喷射喷嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及预混合直接喷射喷嘴。公开了一种具有带有外周边壁(112)的主要主体部分(111)的喷射喷嘴(110)。喷嘴(110)包括设置在主要主体部分(111)内的多个燃料/空气混合管(130)和以流体的方式连接到该多个燃料/空气混合管(130)上的燃料流道(114)。燃料和空气在该多个管(130)内部分地预混合。具有在第一端(154)和相对的第二端(155)之间延伸的外周边壁(152)的第二主体部分(151)连接到主要主体部分(111)上。来自主要主体部分(111)的部分地预混合的燃料和空气混合物在第二主体部分(151)内得到进一步的混合。第二主体部分(151)自第一端(154)朝所述第二端(155)会聚。第二主体部分(151)还包括沿着第二主体(151)周围的所有壁延伸的冷却通道(181)，以针对偶尔发生的进入第二主体(151)中的火焰回火提供抗热损伤性。

Description

预混合直接喷射喷嘴
联邦研究声明
本发明在美国能源部(Department of Energy)授予的合同No.DE-FC26-05NT42643下由美国政府支持完成。美国政府享有对本发明的某些权利。
技术领域
本文公开的主题涉及预混合直接喷射喷嘴，且更具体地，涉及包括用以提供抗热损伤性的冷却系统的、具有更好的混合的直接喷射喷嘴。
背景技术
燃烧传统的烃燃料的燃气轮机通常所产生的主要的空气污染排放物为氮的氧化物、一氧化碳和未燃烧的烃。在本领域中众所周知的是，吸气式发动机中的分子氮的氧化很大程度上取决于燃烧系统反应区中的最高热气体温度。将热力发动机燃烧器的反应区的温度控制在形成热NOx的水平以下的一种方法是在燃烧之前使燃料和空气预混合成贫混合物。
存在与以贫预混合燃料和空气来运行的干式低排放燃烧器有关的若干问题。即：在燃烧器的反应区外部的燃烧器预混合区段内存在燃料和空气的可燃混合物。通常，存在某种大燃烧炉(burner)管速度，在该速度以上，预混合器的火焰将被推出到主燃烧区。由于在火焰从燃烧器反应区传播到预混合区段中时发生的回火，或者当预混合区段中的燃料/空气混合物的停留时间和温度足以在没有点火器的情况下启动燃烧时发生的自燃，存在在预混合区段内发生燃烧的趋势。预混合区段中的燃烧和因此发生的喷嘴中的燃烧的后果是排放性能的退化和/或对预混合区段的过加热和损伤。
在天然气作为燃料的情况下，具有足够的火焰稳定界限的预混合器通常可设计有适度低的空气侧压降。然而，对于更易起反应的燃料，例如高氢燃料，设计火焰稳定界限和目标压降则变成一种挑战。由于目前水平的喷嘴的设计点为约3000华氏摄氏度的火焰温度，所以进入喷嘴中的回火可能会在很短的一段时间中对喷嘴造成损伤。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种具有带有外周边壁的主要主体部分的喷射喷嘴。该喷嘴包括设置在主要主体部分内的多个燃料喷射管和以流体的方式(即流体可在其之间流动的方式)连接到该多个燃料喷射管上的燃料流道。具有在第一端和相对的第二端之间延伸的外周边壁的第二主体部分连接到主要主体部分上。第二主体部分自第一端朝所述第二端会聚，并且还包括至少部分地沿着外周边壁延伸的冷却通道。
根据本发明的另一个方面，提供了一种冷却喷射喷嘴的方法，其包括将第一流体导入设置在喷嘴的主要主体部分内的多个喷射管中，以及使第二流体流入该多个喷射管中。在该多个喷射管中混合第一流体和第二流体，且使第一流体和第二流体加速进入具有第二混合区的喷嘴的第二主体部分中。第一流体和第二流体被排出越过所述第二主体部分的外壁而到达燃烧区，同时沿着第二主体部分的外壁的至少一部分来传送冷却剂。
根据本发明的又一个方面，提供了一种冷却喷射喷嘴的方法，其包括将第一流体导入设置在喷嘴的主要主体部分内的多个喷射管中，以及使第二流体流入所述多个喷射管中。在该多个喷射管中混合第一流体和第二流体，且使第一经混合的流体和第二经混合的流体加速进入包括第二混合区的所述喷嘴的第二主体部分中。将第一流体和第二流体输送越过所述第二主体部分的外壁而到达燃烧区，同时沿着与所述第二主体部分的内表面相对的表面的至少一部分冲击冷却剂，且将冷却剂排放到第二混合区中，以沿着第二主体部分的所述内表面的至少一部分建立薄膜冷却区。
结合附图，根据以下描述，这些和其它优点和特征将变得更加显而易见。
附图说明
在说明书的结论处的权利要求书中特别地指出和明确地要求保护了被视为本发明的主题。结合附图，根据以下具体实施方式，本发明的上述和其它目的、特征和优点是显而易见的，在附图中：
图1是根据本发明的包括喷射喷嘴的位置的燃气轮机发动机的截面图；
图2是根据本发明的喷射喷嘴的截面图；
图3是图2的“图3”区域的详细图；以及
图4是图3的沿着线4-4获得的剖面图。
具体实施方式参照附图以实例的方式阐明了本发明的实施例以及优点和特征。
部件列表：
燃气涡轮机发动机10
压缩机11
燃烧器组件14
燃烧器组件壁16
燃烧室12
预混合装置或喷嘴110
燃料入口21
涡轮机30
压缩机/涡轮机轴31
主要主体部分111
外周边壁112
内周边壁113
限定燃料流道114
内部空间115
入口端116
管束121
出口端117
燃料/空气混合管130
带136
第一端区段131
第二端区段132
中间部分133
第一流体入口134
限定流体出口135
燃料腔室141
流体入口142
混合区150
第二主体部分151
外周边壁152
内周边壁153
第一端154
第二端155
面160
冷却剂腔室171
孔口172
冷却流道173
漏孔174
冷却流道181
入口孔口182
冷却出口孔口183
具体实施方式
现参看图1，其显示了示例性燃气轮机发动机10的示意性说明，在不限制本发明的情况下，将在图1中参看特定实施例对本发明进行描述。发动机10包括压缩机11和燃烧器组件14。燃烧器组件14包括至少部分地限定了燃烧室12的燃烧器组件壁16。预混合装置或喷嘴110延伸通过燃烧器组件壁16，且通入燃烧室12中。如以下将更充分地讨论的那样，喷嘴110接收通过燃料入口21的第一流体或燃料，以及来自压缩机11的第二流体或压缩空气。燃料和压缩空气被混合，通入燃烧室12中，且被点燃以形成高温、高压燃烧产物或气流。虽然在示例性实施例中仅显示了单个燃烧器组件14，但是发动机10可包括多个燃烧器组件14。在任何情况下，发动机10都还包括涡轮机30和压缩机/涡轮机轴31(有时被称为转子)。以本领域已知的方式，涡轮机30联接到轴31上，且驱动轴31，而轴31又驱动压缩机11。
在运行中，空气流入压缩机11中且被压缩成高压气体。高压气体被供应到燃烧器组件14，且其与燃料(例如过程气体和/或合成气体(合成气))在喷嘴110中混合。燃料/空气混合物或可燃混合物传送到燃烧室12中且被点燃以形成高压、高温燃烧气流。或者，燃烧器组件14可燃烧包括但不限于天然气和/或燃料油的燃料。在任何情况下，燃烧器组件14都将燃烧气流引导到涡轮机30，涡轮机30将热能转化为机械转动能。
现参看图2，其显示了贯穿燃料喷射喷嘴110的截面。喷嘴110包括主要主体部分111，该主要主体部分111具有限定了设置在其之间的燃料流道114的外周边壁112和内周边壁113。内周边壁113内的内部空间115通过喷嘴110的入口端116接收来自压缩机11的空气供应。
现参看显示了喷嘴110的另外的细节的图3和4，多个燃料喷射管显示为管束121，且其被显示为邻近主要主体部分111的出口端117。管束121由彼此附连的单独的燃料/空气混合管(或喷射管)130组成，且由端盖136或其它传统的附接件保持成束。各个单独的燃料/空气混合管130包括第一端区段131，该第一端区段131通过中间部分133而延伸到第二端区段132。第一端区段133限定了第一流体入口134，而第二端区段132限定了流体出口135
燃料流道114以流体的方式连接到燃料腔室141上，该燃料腔室141又以流体的方式连接到设置在该多个单独的燃料/空气混合管130中的各个混合管中的流体入口142上。在这种布置下，空气流入管130的第一流体入口134中，而燃料通过燃料流道114，并进入腔室141。燃料在多个燃料喷射管130的周围流动，且通过单独的流体入口142，以与管131内的空气混合来形成燃料/空气混合物。燃料/空气混合物自出口135进入加速区或混合区150中，且在其外部被点燃，以形成输送到涡轮机30的高温、高压气体火焰。
加速区或混合区150由第二主体部分151限定，该第二主体部分151具有外周边壁152和内周边壁153，壁152和153在第一端154和第二端155之间延伸。第一端154邻近管束130的流体出口135而连接到主要主体部分111上。如图3中最佳地看到，第二主体部分在第一端154和第二端155之间会聚，从而在管束130的下游建立加速区150。这导致燃料和空气在离开流体出口135之后持续地混合，且具有使燃料/空气混合物加速到加速区150和第二端155外部的火焰区的作用。管束130形成面160，该面160沿着单独的管131的第二端区段132呈球形罩穹顶的形式。穹顶形状被构想为用来防止流体出口135处有突然的面积扩张而使得沿着内周边壁153的周边的管131倒入加速区150中。
在对于低NOx的满负载运行中，火焰应当越过加速区150而驻留在下游。有时将出现火焰回火进入加速区150中。如果出现回火或其它火焰诱导事件，火焰可能会保持在加速区150中，且对第二主体部分151以及甚至管束130造成损坏。因此，沿着第二主体部分151的外周边壁152的至少一部分引进冷却剂。
冷却剂被引入邻近管束130和第二主体部分151的外周边壁152的冷却剂腔室171中。冷却剂流过孔口172，且绕着管束130在管冷却通道173中流动。此后，允许冷却剂自面160、自管束130的多个漏孔130漏入加速区150中。冷却剂还冷却管束的离开表面160，以防止热损害。
来自腔室171的冷却剂还被引入第二主体部分151的外周边壁152和内周边壁153之间的间隙中的壁冷却通道181中。冷却剂通过沿着外周边壁152的多个入口孔口182进入冷却通道181。如图所示，冷却入口孔口182与外周边壁152大体成直角，以提供对着内周边壁153的冲击冷却作用。冷却通道181还包括沿内周边壁153定位的冷却出口孔口183。如图所示，内周边壁153和外周边壁154同心地隔开，但是以任何间距来增强冷却剂流动都是可接受的。当冷却流体自冷却出口孔口183流动时，内周边壁153的内表面以薄膜冷却的方式被冷却。如图所示，在喷嘴110内发生火焰回火或火焰稳定事件的情况下，沿着外周边壁152的外表面和冷却通道181内的薄膜冷却、冲击冷却和对流冷却的组合提供了抗热损伤性。将理解的是，这些类型的冷却中的任何一种都可能足以防止由于回火或火焰稳定产生的损伤。
虽然已经仅结合有限数量的实施例对本发明进行了详细的描述，但是应当容易地理解，本发明不限于这样的所公开的实施例。相反，可对本发明进行修改，以结合本文未描述的但与本发明的精神和范围相当的任何数量的变型、修改、替换或等效布置。另外，虽然已经对本发明的各个实施例进行了描述，但是应当理解，本发明的各方面可仅包括所公开的实施例中的某些。因此，本发明不应视为受前述说明的限制，而是仅受所附的权利要求书的范围的限制。

Claims (20)

1.一种喷射喷嘴，包括：
具有外周边壁的主要主体部分；
设置在所述主要主体部分内的多个单独的燃料／空气混合管，所述多个燃料／空气混合管设置成束；
以流体的方式连接到所述多个燃料／空气混合管上的燃料流道，所述燃料流道界定于所述主要主体部分的外周边壁和内周边壁之间；
具有在第一端和相对的第二端之间延伸的外周边壁的第二主体部分，所述第一端邻近所述多个燃料／空气混合管而连接到所述主要主体部分上，所述第二主体部分从所述第一端朝向所述第二端会聚；以及
在所述第二主体部分处且至少部分地沿着所述第二主体部分的外周边壁延伸的第一冷却通道。
2.根据权利要求1所述的喷射喷嘴，其特征在于，所述喷射喷嘴包括定位在所述多个燃料／空气混合管附近的第二冷却通道。
3.根据权利要求1所述的喷射喷嘴，其特征在于，所述多个混合管在所述多个混合管中的各个的流体出口附近附连在一起，以形成单管束。
4.根据权利要求1所述的喷射喷嘴，其特征在于，所述冷却通道包括沿着所述第二主体部分的外周边壁的多个入口孔口。
5.根据权利要求4所述的喷射喷嘴，其特征在于，所述冷却入口孔口与所述外周边壁大体成直角。
6.根据权利要求4所述的喷射喷嘴，其特征在于，所述第一冷却通道限定在所述第二主体部分的所述外周边壁和内周边壁之间的间隙中。
7.根据权利要求6所述的喷射喷嘴，其特征在于，所述冷却通道包括沿着所述第二主体部分的所述内周边壁定位的冷却出口孔口。
8.根据权利要求1所述的喷射喷嘴，其特征在于，所述第一冷却通道限定在所述第二主体部分的所述外周边壁和内周边壁之间的间隙中。
9.根据权利要求8所述的喷射喷嘴，其特征在于，所述内周边壁和所述外周边壁大体同心地隔开。
10.根据权利要求8所述的喷射喷嘴，其特征在于，所述冷却通道包括沿着所述第二主体部分的所述内周边壁定位的冷却出口孔口。
11.一种冷却喷射喷嘴的方法，包括：
将第一流体导入设置在所述喷嘴的主要主体部分内的多个单独的混合管中，所述多个单独的混合管设置成束；
使第二流体流入所述多个混合管中；
在所述多个混合管中混合所述第一流体和第二流体；
使混合的所述第一流体和第二流体加速进入所述喷嘴的包括第二混合区的第二主体部分中；
使所述第一流体和第二流体越过所述第二主体部分的外壁而传递到燃烧区；以及
沿着所述第二主体部分的所述外壁的至少一部分来传送冷却剂，且
包括沿着所述多个混合管的一部分来传送冷却剂。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括将所述冷却剂导入所述第二混合区。
13.一种冷却喷射喷嘴的方法，包括：
将第一流体导入设置在所述喷嘴的主要主体部分内的多个单独的混合管中，所述多个单独的混合管设置成束；
使第二流体流入所述多个混合管中；
在所述多个混合管中混合所述第一流体和第二流体；
使混合的所述第一流体和第二流体加速进入所述喷嘴的包括第二混合区的第二主体部分中；
使所述第一流体和第二流体越过所述第二主体部分的外壁而传递到燃烧区；以及
沿着所述第二主体部分的所述外壁的至少一部分来传送冷却剂，包括
将所述冷却剂引入限定在所述第二混合区的所述外壁和内壁之间的间隙中的冷却通道。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，包括引导所述冷却剂通过所述内壁以及将其引导到所述第二混合区中。
15.一种冷却喷射喷嘴的方法，包括：
将第一流体导入设置在所述喷嘴的主要主体部分内的多个混合管中；
使第二流体流入所述多个单独的混合管中，所述多个单独的混合管设置成束；
在所述多个混合管中混合所述第一流体和第二流体；
使混合的所述第一流体和第二流体加速进入所述喷嘴的包括第二混合区的第二主体部分中；
使所述第一流体和第二流体越过所述第二主体部分的端壁而传递到燃烧区；以及
沿着与所述第二主体部分的内周边壁相对的表面的至少一部分冲击至少第一冷却剂；以及
将所述至少第一冷却剂排放到所述第二混合区中，以沿着所述第二主体部分的所述内周边壁的至少一部分建立薄膜冷却区。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，包括沿着所述多个混合管的一部分传送所述至少第一冷却剂。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，包括使所述至少第一冷却剂沿着所述第二主体部分的外表面流动，以进行对流冷却。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述冷却剂包含惰性气体。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述冷却剂包含氮气。
20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述冷却剂包含空气。
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