CN101713548A - 用于副燃料喷嘴的管状燃料喷射器 - Google Patents

用于副燃料喷嘴的管状燃料喷射器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于副燃料喷嘴的管状燃料喷射器。具体而言，一种用于燃气涡轮机中的副燃料喷嘴的燃料喷射器包括轴向定向的空气槽口(202)，以及设置在空气槽口之间的多个燃料喷射孔(204)。该多个燃料喷射孔包括轴向定向的喷射孔以及周向定向的喷射孔，使得经由多个燃料喷射孔输入的燃料沿周向和轴向二者进行喷射，以便与流过空气槽口的空气相混合。

Description

用于副燃料喷嘴的管状燃料喷射器
技术领域
本发明涉及燃气涡轮机燃烧器，并且更具体地涉及用于减少空气污染物如氮氧化物(NOx)的燃气涡轮机燃烧器的改进方案。
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括压缩机段、燃烧器段，以及至少一个涡轮段。压缩机压缩与燃料相混合且引入到燃烧器中的空气。然后，点燃该混合物，产生热的燃烧气体。将燃烧气体引入到涡轮中，该涡轮从燃烧气体中获取能量向压缩机供以动力，以及用于产生有用功向负载如发电机供以动力。
现有的干式低NOx(DLN)燃烧系统具有副燃料喷嘴，其提供支持主火焰的火焰。离开副燃料喷嘴的燃料/空气混合物没有完全地预混合并且有助于从燃气涡轮机中生成NOx。
希望的是，增大副燃料喷嘴中的空气/燃料的混合度，以实现减少来自于燃气涡轮机的NOx。
发明内容
在示例性实施例中，用于燃气涡轮机的副燃料喷嘴包括与多个环形燃料通路相联接的燃料歧管，以及与燃料歧管成流体连通且设置成包绕该多个环形燃料通路的管状燃料喷射器。管状燃料喷射器包括多个轴向定向的空气槽口，以及设置在该多个空气槽口之间的多个燃料喷嘴孔。多个燃料喷射孔定向成使得来自于燃料歧管的燃料至少沿周向喷射，以便与流过该多个空气槽口的空气相混合。
在另一个示例性实施例中，用于燃气涡轮机的副燃料喷嘴包括与多个环形燃料通路相联接的燃料歧管，以及与燃料歧管成流体连通且设置成包绕该多个环形燃料通路的管状燃料喷射器。管状燃料喷射器包括设置成围绕管状燃料喷射器的圆周的多个轴向定向的空气槽口，以及设置在该多个空气槽口之间的多个燃料喷射孔。该多个燃料喷射孔包括轴向定向的喷射孔以及周向定向的喷射孔，使得来自于燃料歧管的燃料沿周向和轴向喷射，以便与流过该多个空气槽口的空气相混合。
在又一个示例性实施例中，燃料喷射器设置成用于燃气涡轮机中的副燃料喷嘴。燃料喷射器包括轴向定向的空气槽口，以及设置在空气槽口之间的多个燃料喷嘴孔。该多个燃料喷射孔包括轴向定向的喷射孔以及周向定向的喷射孔，使得经由该多个燃料喷射孔输入的燃料沿周向和轴向二者进行喷射，以便与流过空气槽口的空气相混合。
附图说明
图1为现有技术公知的干式低NOx燃烧器的局部截面图；
图2为现有技术的副预混合/扩散燃料喷嘴的局部截面图；
图3示出了用于现有技术的副燃料喷嘴的插塞(peg)布置；
图4示出了现有技术的副喷嘴的插塞中的燃料排放孔的布置；
图5示出了用于燃料预混合的现有技术的歧管；
图6为示出燃料喷嘴的管状燃料喷射器的透视图；以及
图7为管状燃料喷射器的局部放大图。
零件清单
12燃气涡轮机
14压缩机
16燃烧器
18叶片
20过渡管路
24上游燃烧室
26下游燃烧室
28文丘里喉管区域
30燃烧器流动套筒
32涡轮机外壳
36主喷嘴
38副喷嘴
40后壁
42空气旋流器
44圆柱形壁
46槽口或散热孔(louver)
48槽口或散热孔
50中心本体
52衬套
54旋流器
56副燃料喷嘴组件
P1扩散管
P2管
58气体本体
60外套筒部分
62内部中空心子部分
64预混合燃料通路
68轴向空气通路
70开孔
75副喷嘴本体
77安装法兰
78径向孔
80径向气体喷射器管道(插塞)
82孔口
85中心腔
90预混合区域
96旋流器槽口
98引导孔(pilot bore)
100引导孔口
108直径减小的前端
116火焰稳定旋流器
150燃料分配装置
155环形燃料歧管
160支承套筒
165支承圆筒
170孔
175空气流
180下游面
185开孔
186第一径向距离
187第二径向距离
200管状燃料喷射器
202空气槽口
204燃料喷射孔
206端面
具体实施方式
图1示出了用于燃气涡轮机12的现有技术的燃烧器，其包括压缩机14(部分地示出)、多个燃烧器16(为了方便和清楚起见示出了一个)，以及由单个叶片表示的涡轮18。涡轮18沿共同的轴线传动地连接到压缩机14上，但并未明确示出。压缩机14压缩进入空气，进入空气然后反向流动至燃烧器16，在该处，进入空气用于冷却燃烧器16，且为燃烧过程提供空气。尽管仅示出了一个燃烧器16，但燃气涡轮机12包括定位成围绕其周边的多个燃烧器16。过渡管路20将各燃烧器16的出口端与涡轮18的入口端相连，以向涡轮18输送热的燃烧产物。
各燃烧器16均包括由文丘里喉管区域28分开的主燃烧室或上游燃烧室24和副燃烧室或下游燃烧室26。燃烧器16由燃烧器流动套筒30包绕，燃烧器流动套筒30将压缩机排放空气流引导到燃烧器中。燃烧器还由外部壳体31包绕，外部壳体31用螺栓连接到涡轮机壳体32上。
主喷嘴36提高通向上游燃烧室24的燃料输送，并且布置成围绕中心副喷嘴38的环形阵列。各主喷嘴36均穿过后壁40伸入主燃烧室24中。副喷嘴38从后壁40延伸至喉管区域28，以便将燃料引入副燃烧室26中。燃料以本领域中所公知的方式经由燃料管线(未示出)输送给主喷嘴36。
燃烧空气通过定位成邻近喷嘴36出口端的空气旋流器42引入到燃料级中。旋流器42引入旋流的燃烧空气到室24中，该旋流的燃烧空气与来自于喷嘴36的燃料相混合并且提供用于在启动时燃烧的可燃混合物。用于旋流器42的燃烧空气来自于压缩机14，以及燃烧流动套筒30与燃烧室壁44之间的空气路径。燃烧器的圆柱形壁44在主燃烧室24中设有槽口或散热孔46，在副燃烧室26下游设有类似的槽口或散热孔48来用于冷却目的，以及用于将稀释空气引入燃烧区来防止火焰温度显著上升。副喷嘴38定位在中心本体50内，且延伸穿过设有旋流器54的衬套52，燃烧空气经由该旋流器54引入以便与来自于副喷嘴的燃料相混合。
现参看图2，示出了仅气体(gas-only)的副燃料喷嘴组件56。燃料通过扩散管P1供送以维持火焰，以及通过管P2供送以维持预混合火焰，在通向副燃料喷嘴组件56的入口处，扩散管P1和管P2设置成相对于彼此同心。
下面将主要描述预混合燃料的副喷嘴组件56。后部构件或气体本体58包括外套筒部分60和内部中空心子部分62，其中，内部中空心子部分62设有形成预混合燃料通路64的中心孔。多个轴向空气通路68形成在与预混合燃料通路64成包绕关系的后部构件58的前半部分中。相同数目(例如，四个)的径向壁部设置成围绕套筒部分60的端部，且均包括倾斜的径向开孔70，以便容许衬套52内的空气进入对应的空气通路68。如图2中所示，构件58的后端适于在安装法兰77内分别收容燃料管P1，P2。
多个径向孔78提供成围绕构件58前部的圆周，容许相同数目的径向气体喷嘴器管道(插塞)80收容于其中，从而建立与预混合燃料通路64的连通。各插塞80设有多个开孔或孔口82，使得来自于预混合通路64的燃料可排放到副喷嘴组件56与衬套52之间的预混合区域90中以便与衬套内的燃烧空气相混合。插塞80设计成用以将燃料分配到空气流中。燃料和空气在预混合区域90中的良好混合是减少氮氧化物(NOx)排放所必需的。可以或不与喷嘴形成一体的火焰稳定旋流器116定位在副喷嘴的前端，在直径减小的前端108与衬套52之间沿径向延伸，以便使在衬套内流动的预混合的燃料/空气涡旋。燃烧空气将进入如由图2中的箭头所示的副喷嘴组件56(上文是38)和通孔70，而燃料将流过预混合通路64、引导孔98和引导孔口100。该燃料连同来自于旋流器槽口96的空气一起提供了扩散火焰的分引导(sub-pilot)。同时，供送给预混合通路的大多数燃料将流入气体喷射器80中，以便从孔口82中朝向衬套52排放，在衬套52处，该燃料与空气相混合。
如图3至图4中所示，如在现有技术的副燃料喷嘴中所进行的那样，燃料与空气的预混合可包括围绕预混合容积90中的副喷嘴本体75的周边等距间隔开的多个插塞80。各插塞80均可包括在插塞长度上延伸的中心腔85。如上文关于图2进行描述的那样，各插塞的内端部可在径向燃料孔的位置处附接到喷嘴本体上，从而建立在喷嘴本体中的燃料腔与插塞的中心腔之间的连通。沿插塞80的下游表面，提供了始自中心内腔85的多个燃料排放孔82，从而提供了将预混合燃料排放到副喷嘴本体75与衬套52之间的空气流中。三个径向定位的燃料排放孔82沿插塞80的下游侧提供。孔位置沿该排孔的定位是变化的。在该现有技术的副喷嘴中，六个插塞围绕副喷嘴本体75的圆周均匀地分布，其中，沿插塞的下游侧具有三个孔口用于分散燃料。然而，燃料和空气的有效混合并不完全。燃料和空气的更为完全的混合可产生较低的NOx排放和更为稳定的燃烧。
上述喷嘴构造提供了通过扩散火焰引导来维持预混合工作模式。然而，燃气涡轮机的增多的排放是空气和燃料在燃烧室中燃烧之前未充分混合的结果。上述的现有插塞设计不能将燃料和空气适当地混合来获得低排放所需的混合程度。改变插塞中的孔位置的尝试已不能实现燃料和空气令人满意的混合。
图5示出了如由Kraft等人在美国专利No.6,446,439和美国专利No.6,282,904中所述的用于副燃料喷嘴的燃料分配装置150。环形燃料歧管155通过支承圆筒165安装到支承套筒160上。歧管155呈矩形截面。支承套筒160通过焊接固定到副燃料喷嘴(未示出)的本体上。副喷嘴本体中的燃料穿过支承套筒中的孔170，且穿过支承圆筒165而进入中空环形燃料歧管155中。环形燃料歧管155定位在围绕副喷嘴本体(未示出)的空气流175中。燃料通过开孔185阵列从环形燃料歧管的下游面180进行分配。开孔185可在空气流内距中心轴线为第一径向距离186或第二径向距离187。开孔185相对于空气流的方向可以共线或成一定角度。然而，矩形环面限制了相对于空气流方向的开孔角度。
用于燃料预混合分配的圆柱形环形燃料歧管155可提供在插塞布置上的径向和周向的燃料分配。然而，环形歧管对于混合具有源自受限的流动角度的限制，该受限的流动角度可相对于空气流产生，且尤其是相对于进入空气流中的径向和轴向燃料分配。
因此，需要提供一种备选结构来改进在副喷嘴中的燃料-空气预混合，以促进更低的排放和提高燃烧动力。
对于用来将燃料喷射到主流空气中的现有燃料插塞而言，提供来用以混合燃料和空气的轴向长度不够充分，且在该燃料/空气混合物进入燃烧区之前仍存在未混合的。参看图6和图7，管状燃料喷射器200增加了轴向长度，以更好地混合燃料和空气，并且还增加了燃料的横向流(cross-flow)喷射，以促进更好地混合燃料和空气。
管状燃料喷射器200从端盖组件30中伸出，并且与形成端盖组件30的一部分的燃料歧管成流体连通。管状燃料喷射器200设置成包绕燃料喷嘴32的环形燃料通路。管状燃料喷射器200包括多个轴向定向的空气槽口202，以及设置在空气槽口202之间的多个燃料喷嘴孔204。继续参看图6和图7，轴向定向的空气槽口202优选形成为如图所示的椭圆形，其中，长轴沿轴向定向。空气槽口202优选为围绕管状燃料喷射器200的圆周均匀地设置。
燃料喷射孔204定向成使得来自于燃料歧管的燃料至少沿周向喷射，以便与流过空气槽口202的空气相混合。至少一个燃料喷射孔204优选为沿轴向定向，使得来自于燃料歧管的燃料沿轴向喷射，以便与流过空气槽口202的空气相混合。在此情形中，管状燃料喷射器200包括位于轴向远端(即，距端盖组件30的最远端)上的端面206。轴向定向的燃料喷射孔204示为设置在端面206中。
因此，燃料喷射孔的定向提供了燃料的横向流动和轴向流动的结合，这有助于改善燃料和空气在副燃料喷嘴出口处的预混合。此外，减小了系统中的压降，这有助于改善燃气涡轮机的效率，导致燃烧相同数量的燃料可产生更多能量。
优选实施例的管状燃料喷射器提供了增加的轴向长度来用于燃料与空气相混合，以提供更好的混合度。此外，燃料喷射孔的定向提供了将燃料横向流动地喷射到空气中，以提供更好的燃料和空气的混合物。
尽管已结合当前认作是最为实用和优选的实施例来描述了本发明，但应当理解，本发明不限于所公开的实施例，而相反是旨在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的多种修改和等同布置。

Claims (9)

1.一种用于燃气涡轮机的副燃料喷嘴，包括：
与多个环形燃料通路相联接的燃料歧管(155)；以及
管状燃料喷射器(200)，其与所述燃料歧管成流体连通且设置成包绕所述多个环形燃料通路，所述管状燃料喷射器包括多个轴向定向的空气槽口(202)以及设置在所述多个空气槽口之间的多个燃料喷射孔(204)，其中，所述多个燃料喷射孔定向成使得来自于所述燃料歧管的燃料至少沿周向喷射，以便与流过所述多个空气槽口的空气相混合。
2.根据权利要求1所述的副燃料喷嘴，其特征在于，所述多个燃料喷射孔(204)中的至少一个燃料喷射孔为轴向地定向，使得来自于所述燃料歧管(155)的燃料沿轴向喷射，以便与流过所述多个空气槽口(202)的空气相混合。
3.根据权利要求2所述的副燃料喷嘴，其特征在于，所述管状燃料喷射器(200)包括位于轴向远端的端面(206)，以及其中，所述至少一个轴向定向的燃料喷射孔(204)设置在所述端面中。
4.根据权利要求1所述的副燃料喷嘴，其特征在于，所述多个轴向定向的空气槽口(202)形成为长轴沿所述轴向定向的椭圆形。
5.根据权利要求4所述的副燃料喷嘴，其特征在于，所述多个空气槽口(202)均匀地设置成围绕所述管状燃料喷射器(200)的圆周。
6.一种用于燃气涡轮机的副燃料喷嘴，包括：
与多个环形燃料通路相联接的燃料歧管(155)；以及
管状燃料喷射器(200)，其与所述燃料歧管成流体连通且设置成包绕所述多个环形燃料通路，所述管状燃料喷射器包括设置成围绕所述管状燃料喷射器的圆周的多个轴向定向的空气槽口(202)，以及设置在所述空气槽口之间的多个燃料喷射孔(204)，其中，所述多个燃料喷射孔包括轴向定向的喷射孔以及周向定向的喷射孔，使得来自于所述燃料歧管的燃料沿周向和轴向二者进行喷射，以便与流过所述多个空气槽口的空气相混合。
7.根据权利要求6所述的副燃料喷嘴，其特征在于，所述管状燃料喷射器(200)包括位于轴向远端的端面(206)，以及其中，所述轴向定向的燃料喷射孔(204)设置在所述端面中。
8.根据权利要求6所述的副燃料喷嘴，其特征在于，所述多个轴向定向的空气槽口(202)形成为长轴沿所述轴向定向的椭圆形。
9.一种用于燃气涡轮机中的副燃料喷嘴的燃料喷射器，所述燃料喷射器包括轴向定向的空气槽口(202)以及设置在所述空气槽口之间的多个燃料喷射孔(204)，其中，所述多个燃料喷射孔包括轴向定向的喷射孔以及周向定向的喷射孔，使得经由所述多个燃料喷射孔输入的燃料沿周向和轴向二者进行喷射，以便与流过所述空气槽口的空气相混合。
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