CN101713549A - 用于在燃气涡轮机中混合空气-燃料的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在燃气涡轮机中混合空气-燃料的系统及方法。在一些实施例中，一种系统包括用于涡轮发动机(10)的燃料喷嘴(12)，该燃料喷嘴(12)包括定位在燃料喷嘴(12)的内基部(82，90)上的渐缩形中心本体(52，76，84)、空气旋流器(54)，以及位于渐缩形中心本体(52，76，84)中与空气旋流器(54)隔开的燃料端口(56，78，86)。

Description

用于在燃气涡轮机中混合空气-燃料的系统及方法

技术领域

本文大体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及一种具有改进的燃料-空气混合特性的燃料喷嘴。

背景技术

燃气涡轮发动机通过产生流过涡轮的压缩气体使涡轮自旋。压缩气体通过燃烧燃料如丙烷、天然气、煤油或喷气燃料来产生，这些燃料在通过一组燃料喷嘴喷射到燃烧器或燃烧室中之后进行燃烧。通过燃料喷嘴混合的燃料和气体显著地影响发动机的性能和排放。具体而言，更为严格的排放法规和燃料价格的上涨使得气体和液体燃料的稀薄预混成为改进燃气涡轮机性能的重点。

发明内容

在一个实施例中，该系统包括用于涡轮发动机的燃料喷嘴，该燃料喷嘴包括定位在燃料喷嘴内基部上的渐缩形中心本体、空气旋流器，以及位于渐缩形中心本体中与空气旋流器隔开的燃料端口。在另一个实施例中，该方法包括从燃料喷嘴基部区域上的钟形本体中喷射燃料，沿与燃料交叉的流动方向旋动空气，以及使燃料和空气流过具有大体上光滑曲面的文丘里管(venturi)室。

附图说明

当参照附图阅读如下详细描述时，本文的这些及其它特征、方面和优点将变得更容易理解，所有附图中的相似标号表示相似的零件，在附图中：

图1为根据本技术的实施例的具有联接到燃烧器上的燃料喷嘴的涡轮机系统的框图；

图2为如图1中所示的涡轮机系统的实施例的剖面侧视图；

图3为如图1和图2中所示的具有燃料喷嘴的燃烧器的实施例的剖面侧视图；

图4为根据本技术的一些实施例的具有文丘里管及燃料分配中心本体以改善燃料空气的混合的燃料喷嘴的截面透视图；

图5为根据本技术的实施例的如图4中所示的燃料喷嘴的剖面侧视图；

图6为根据本技术的实施例的如图4中所示的燃料喷嘴的剖面端视图；

图7为根据本技术的实施例的构造成用于分配液体燃料的喷嘴中心本体的侧视图；以及

图8为根据本技术的另一个实施例的构造成用于分配液体燃料的喷嘴中心本体的侧视图。

具体实施方式

下文将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了致力于提供对这些实施例的简要描述，故在说明书中并未描述实际实现方式的所有特征。应当认识到，在任何这些实际实现方式的开发中，如在任何工程或设计项目中一样，必须作出许多因实现方式而异的特殊决定，以实现开发者的特定目标，如遵循关于系统和关于商业的约束，这可根据实施方式而异。此外，应当认识到，虽然这些开发工作可能很复杂且耗时，但对于受益于本公开内容的普通技术人员来说，仍将是设计、制作和生产的例行任务。

在介绍本发明的多种实施例的元件时，用词“一个”、“一种”、“该”，以及“所述”用来意指存在元件中的一个或多个。用语“包括″、“包含”，以及“具有”视作为包括性的，且意指存在除所列元件外的其它元件。

如下文进行详细论述的那样，燃料喷嘴系统的各种实施例可用于改善涡轮发动机系统的性能。具体而言，燃料喷嘴的实施例包括会聚发散文丘里管室，其包括具有小的会聚角(小于30度)和小的发散角(小于12度)的光滑内壁表面。文丘里管室中的光滑表面可改善空气燃料混合物，以及减少回流区和/或混合停滞区。文丘里管的光滑内表面通常没有尖锐的边缘或角，如果存在的话，它可能会干扰经过喷嘴的流动，以及可导致流动分离。此外，改善空气燃料混合物将会导致提高涡轮机性能和减少排放。减少涡轮机系统内的回流区会降低喷嘴本身中不需要的火焰稳定的可能性。例如，燃料喷嘴基部附近的火焰稳定可导致对包括在燃料喷嘴基部中的构件进行不需要的辐射。一个实施例还包括具有空气槽口的径向旋流器，其可沿内喷嘴壁位于燃料喷嘴的基部。此外，本体可附接到喷嘴基部的中心上，其中，该本体具有燃料进入孔，以能够在来自于旋流器的空气与从燃料进入孔流出的燃料之间进行交叉流动混合。如下文将进一步描述，燃料喷嘴的公开实施例使得能够改善空气燃料混合物，以及消除或减小基部附近或燃料喷嘴本体内的火焰稳定。

现转到附图且首先参看图1，示出了燃气涡轮机系统10的一个实施例的框图。该图包括燃料喷嘴12、燃料源14，以及燃烧器16。如图所示，燃料源14向涡轮机系统10输送液体燃料或气体燃料如天然气，经由燃料喷嘴12进入燃烧器16中。如下文所述，燃料喷嘴12构造成用以喷射燃料和将燃料与压缩空气相混合，得到改善的燃料-空气混合物。燃烧器16点燃和燃烧燃料-空气混合物，且之后将热的加压排气传递到涡轮18中。排气经过涡轮18中的涡轮叶片，从而驱动涡轮18旋转。涡轮18中的叶片与轴19之间的联接继而又促使轴19旋转，如图所示，轴19还联接到整个涡轮机系统10的多个构件上。最后，燃烧过程的排气可经由排气出口20排出涡轮机系统10。

在涡轮机系统10的实施例中，压缩机翼片或叶片作为压缩机22的构件包括在内。压缩机22内的叶片可联接到轴19上，且将随着轴19受到涡轮18驱动而旋转时进行旋转。压缩机22可经由空气入口24使空气进入到涡轮机系统10中。此外，轴19可联接到负载26上，该负载26可通过轴19的旋转而被供以动力。如所认识到的，负载26可为可经由涡轮机系统10的旋转输出而产生动力的任何适合的装置，如发电设备或外部机械负载。例如，负载26可包括发电机、飞机螺旋桨等。空气入口24通过适合的机构如冷空气入口使空气30进入涡轮机系统10中，以便随后通过燃料喷嘴12将空气30与燃料源14相混合。如下文将详细地进行描述的那样，由涡轮机系统10吸收的空气30可通过压缩机22内的旋转叶片供送和压缩成压缩空气。如箭头32所示，压缩空气然后可供送到燃料喷嘴12中。燃料喷嘴12然后可混合压缩空气和燃料(由标号34示出)，以产生最佳混合比来用于燃烧，例如，促使燃料更为完全地烧尽的燃烧，以便不浪费燃料或产生过多排放物。涡轮机系统10的一个实施例包括燃料喷嘴12内的一些结构和构件，以改善空气燃料混合物，从而提高性能和减少排放。

图2示出了涡轮机系统10的一个实施例的剖面侧视图。如图所示，该实施例包括联接到环形阵列的燃烧器16上的压缩机22。例如，六个燃烧器16定位在所示的涡轮机系统10中。各燃烧器16均包括一个或多个燃料喷嘴12，其将空气燃料混合物供送给定位在各燃烧器16内的燃烧区。例如，各燃烧器16均可包括呈环形或其它合适布置的1，2，3，4，5，6，7，8，9，10个或多个燃料喷嘴12。空气燃料混合物在燃烧器16内的燃烧将会促使涡轮18内的翼片或叶片随着排气朝排气出口20传递而旋转。如下文将详细地描述，燃料喷嘴12的一些实施例包括多种独特特征用以改善空气燃料混合物，从而改善燃烧，减少不期望的排气排放物，以及改善燃料消耗。

图3为燃烧器16实施例的详细的剖面侧视图。如图所示，燃烧器16包括在燃烧器16基部39处附接到端盖38上的燃料喷嘴12。燃烧器16的典型布置可包括五个或六个燃料喷嘴12。燃烧器16的其它实施例可使用单个的大燃料喷嘴12。燃料喷嘴12的表面和几何形状设计成用以提供最佳混合物，以及用于空气和燃料在其向下游流动进入燃烧器16的流动通路，从而能使腔室中的燃烧得以增强，因而在燃气涡轮机中产生更多动力。燃料混合物从燃料喷嘴12沿方向40向下游排放到燃烧器外壳44内的燃烧区42中。燃烧区42为在燃烧器16内最适合点燃空气燃料混合物的位置。例如，在端盖38附近，上游燃料的火焰稳定或自动点燃可导致燃烧损坏，可能会融化燃烧器的硬件构件。此外，通常期望在基部39下游燃烧空气燃料混合物，以减小从燃烧区42至燃料喷嘴12的热传递。在所示的实施例中，燃烧区42定位在燃烧器外壳44内，位于燃料喷嘴12的下游和过渡件46的上游，过渡件46在出口47处将加压排气引向涡轮18。过渡件46包括会聚段，其在燃烧的排气流出燃烧器16时能使压力升高，从而产生更大的力来转动涡轮18。排气继而又促使轴19旋转来驱动负载26。在一个实施例中，燃烧器16还包括定位在外壳44内的衬套48，用以提供用于冷却空气流的中空环形通路，该冷却空气流冷却围绕燃烧区42的外壳44。衬套48还可提供适合的轮廓来改善在出口47处从燃料喷嘴12至涡轮18的流动。

图4中的截面透视图示出了燃料喷嘴12的实施例。燃料喷嘴12的示图包括具有光滑表面51的文丘里管50，其包括小的会聚角和小的发散角。文丘里管50能使燃料喷嘴12内的空气和燃料的混合物得以改善。从内表面上除去尖锐的边缘和角导致改善了空气和燃料在燃料喷嘴12中的流动和混合。此外，中心本体52可将燃料释放到燃料喷嘴12中。中心本体52构造成用以在旋流器翼片54与光滑表面55之间产生中空环形区域53。如图所示，本体52可为具有光滑表面55而没有尖锐边缘的渐缩形状，且大体上为钟形，尖锐的边缘可产生不需要的回流区。本体52的渐缩钟形表面可伸入喷嘴中，占据在其它设计中可能出现停滞的区域。不期望在区域中出现停滞，因为停滞可导致流动向下游不连续的区间。本体52从而通过将其定位在燃料喷嘴12的上游部分内来消除停滞。此外，径向旋流器翼片54可引入空气以便与燃料相混合，该燃料沿本体52的光滑表面55由燃料孔或端口56喷出。文丘里管50包括会聚段60和发散段62，它们设计成用以在空气燃料混合物沿方向64向下游流动时，使流动加速(会聚段60)，然后使流动减速(发散段62)。在一个实施例中，会聚段60相对于轴线58的角度61可小于30度、小于20度，或为大约20度至30度。发散段62的角度63可为大约10度、大约15度，或小于大约10度。在其它实施例中，由于文丘里管50的长度、燃料和/或空气的性质、本体52的形状及其它燃料喷嘴参数，会聚段60的角度61和发散段62的角度63是可变化的。如所认识到的那样，上述角度为许多可能的角度的实例。此外，在选择文丘里管50角度时的一个重要考虑因素是，使流动变得始终粘附在表面上的方式来确定该角度，从而避免分离。文丘里管50、中心本体52及翼片54改善了空气燃料混合物和整个燃料喷嘴12的压降，以减小喷嘴12内的回流区，从而导致在由箭头66所示的喷嘴12端部下游或附近的期望位置上产生火焰。通过降低在环形区域53上游附近点燃以及在端部区域66下游附近产生移动火焰的可能性，定位在喷嘴基部68附近的构件避免了由火焰和较高的金属温度所引起的辐射。

如所认识到的那样，喷嘴基部68联接到端盖38上，从而提供了在喷嘴12与端盖38之间的密封和结构支承。在一个实施例中，穿过旋流器翼片54的空气径向流70可横向于气体燃料的燃料流72，且与气体燃料的燃料流72相交。空气和燃料的交叉流动70，72在喷嘴12内产生了最佳混合布置。此外，本体52和文丘里管50的设计及光滑表面51和55减少了在喷嘴喉部75附近过早地生成火焰，减少了回流区，以及改善了喷嘴12内的流动。例如，本体52和文丘里管50的光滑表面51和55促使空气燃料混合物流向下游64传递，以粘附到喷嘴12的内壁上。此外，由于在到达喷嘴端部66(在此将产生燃烧)之前所行进的距离，使得喷嘴12在轴向58上的长度能够增强混合物。此外，环形区域53、渐缩形中心本体52以及空气旋流器54提供了具有光滑表面的环境，以允许平稳地向下游流动，同时提供了空气和燃料的交叉相交输入，以促进改善混合物。

图5为燃料喷嘴12实施例的详细的侧视图。在所示的实施例中，燃料喷嘴12包括会聚段60和发散段62，它们能够减小燃料喷嘴12整个长度上的压降。具体而言，段60和段62的几何形状导致喷嘴端部66附近的压力损失降低。在一个实施例中，会聚段60设计成用以抑制沿本体52的流动分离，这可稳定喷嘴喉部75上游的火焰。换句话说，会聚段60构造成用以防止在本体52和喷嘴喉部75附近由空气燃料混合物流的分离或停滞所引起的火焰分布。此外，发散段62设计成用以防止喷嘴喉部75下游靠近喷嘴壁73的流动分离，而非位于喷嘴端部66中心的流动分离。

如上文所述，文丘里管50的光滑内表面51通过消除尖锐的边缘和角来降低在到达喷嘴端部66之前的火焰分布的可能性。燃料从燃料孔56中由箭头72所示轴向地喷出，该燃料与由箭头70所示径向地进入喷嘴12中的空气相混合。旋流入口翼片54设计成用以在空气沿方向70进入喷嘴12时在喷嘴12内产生围绕轴线58的旋流效果。换句话说，旋流翼片54的角定向产生围绕喷嘴轴线58的旋转气流，这能够获得最佳的空气燃料混合物。例如，天然气燃料可沿方向72流出燃料孔或端口56，在该处，燃料与从方向70(从成一定角度的旋流翼片54)进入的空气相交。当混合物围绕轴线58旋动时，交叉相交的空气和燃料可沿方向64向下游行进，从而进一步混合空气和燃料。当混合的空气和燃料在喷嘴端部区域66中点燃时，文丘里管50产生降低的压降。燃料从低压区的区域中的燃料端口56中释放，该低压区由从旋流器翼片54沿径向70流动的空气产生。

本体52可为来自于喷嘴基部68的突出体，或附接到喷嘴基部68上的单独构件。如图所示，自基部表面74到本体52表面55的平缓光滑的斜面通常会沿下游方向64偏斜或引导流动，从而减小在基部表面74、环形区域53、中心本体52和喉部75附近的不期望的火焰形成和火焰稳定的可能性。例如，燃料喷嘴12使角度沿平缓光滑的斜面从大约90度(即，垂直)变化到大约0度(即，平行)，使得中心本体52的表面55用作沿下游方向64平缓地转向轴线58。可描述为钟形的本体52设计，以及文丘里管50的光滑会聚区域60和发散区域62确保了火焰将定位在喷嘴出口66附近，远离喷嘴喉部区域75。火焰靠近喷嘴端部66而非喉部区域75的定位大体上减小或防止了对喷嘴12内的金属表面如本体52的不需要的加热，不需要的加热可导致自动点燃未混合的燃料。

图6为如图5中的线6-6所示的截面端视图中示出的喷嘴12实施例的示图，该图是从上游观察喷嘴12。在一个实施例中，喷嘴12包括旋流器翼片54，其构造成用以在空气沿方向70进入喷嘴12中时产生围绕喷嘴轴线58的旋流效果。如图所示，旋流器翼片54朝向但偏离77轴线58沿径向向内延伸，使得空气流在环形区域53中大体上与来自于燃料孔56的燃料流交叉地旋动。喷嘴12的一个实施例包括具有钟形表面55的本体52，其具有燃料孔56，燃料孔56大体在空气进入方向70的横向方向上轴向地释放气态燃料。由旋流器翼片54以及空气进入70相对于气体进入72大体横向的布置所产生的旋流效果致使空气燃料混合物得以改善，从而将火焰沿下游方向64定位在喷嘴端部66上。

图7为钟形布置的本体76的实施例的示图，该本体76构造用以释放喷嘴12中的液体燃料。本体76可用于喷嘴12的一些实施例，从而替换图4至图6中所示的本体52。液体燃料可供送给喷嘴12，且可经由轴向燃料孔78释放到喷嘴12中。在一些实施例中，可存在一个以上的轴向燃料孔78。如图所示，中心燃料孔78沿箭头80所示的轴向释放液体燃料。燃料孔或端口78与本体基部表面82偏离一定距离81。本体基部表面82可在基部表面74处附接或以其它方式联接到喷嘴基部68上，以限定环形区域53(见图5)。在其它实施例中，由于喷嘴12的长度、燃料和/或空气的性质、文丘里管50的形状以及其它燃料喷嘴参数而使得本体76的形状和孔78的位置是可变化的。例如，本体76可为圆锥形。如图所示，液体燃料沿方向80的流动可横向于旋动的空气流70(见图4)，从而产生对于空气燃料混合物的最佳布置。此外，燃料在处于本体76后方(即，下游)之前不会与空气相混合。在一些实施例中，空气燃料混合物沿方向64向下游传递，在位于喷嘴端部66附近点燃火焰之前穿过燃料喷嘴12的整个长度。

图8示出了本体84的实施例，该本体84构造成用以将液体燃料如天然气分配到燃料喷嘴12中。本体84可用于喷嘴12的一些实施例，从而替换图4至图6中所示的本体52。如图所示，气态燃料可经由气孔86沿由箭头88所示的轴向释放到燃料喷嘴12中。此外，燃料孔或端口86偏离本体基部表面90一定距离89。如所认识到的那样，燃料流88相对于旋动空气流70(见图4)的横向定向产生了对于空气燃料混合物的最佳布置。本体84包括本体基部表面90，其可在基部表面74处附接到喷嘴基部68上，以限定环形区域53(见图5)。在图7和图8中分别示出的本体76和84的光滑表面和形状容许燃料沿表面流动，从而减小了在喷嘴12喉部区域75中的自动点燃或回流区的可能性。分别根据燃料端口78和86的定向，燃料可沿本体76和84的表面与空气相混合。此外，根据燃料类型和其它因素，本体76和84的渐缩形状分别远离基部82或90可更尖，或更钝。

如所认识到的那样，本体52，76或84的设计可为钟形、圆锥形、渐缩形、具有圆边的大体圆柱形，或将促进空气燃料混合物的平稳流动的任何适合的光滑表面。换句话说，定位在喷嘴12内的本体52的设计用于减少或消除停滞区、回流区，以及在喷嘴12内过早的火焰分布。此外，燃料孔56的位置可定位在本体52内的任何适合位置上，以产生与进气70的最佳交叉，从而产生最佳混合物。例如，一个或多个燃料孔可布置在基部表面74上、沿表面55偏离、位于本体52，76或84的下游端上，或者它们的组合。在其它实施例中，作为轴向的替代，或除轴向之外，燃料孔56可促使燃料沿径向在喷嘴12中喷射。

尽管文中仅示出和描述了本文的一些特征，但本领域的技术人员可想到许多修改和变化。因此，应当理解到，所附权利要求旨在涵盖落入本文真正精神内的所有这些修改和变化。

Claims (10)

1.一种系统，包括：

燃料喷嘴(12)，其包括：

外部本体；

与所述外部本体同轴的渐缩形中心本体(52，76，84)，其中，在所述外部本体与所述渐缩形中心本体(52，76，84)之间设置有环形流动区域(53)；

定位在所述外部本体中的径向空气旋流器(54)；以及

会聚发散文丘里管室(50)，其具有大体上光滑的曲面(51)。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述渐缩形中心本体(52，76，84)从所述燃料喷嘴(12)的内基部表面(82，90)伸出。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述渐缩形中心本体(52，76，84)包括设置成与所述内基部表面(82，90)偏离(81，89)的至少一个燃料端口(56，78，86)。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述渐缩形中心本体(52，76，84)具有大体上为钟形的外部(55)。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述径向空气旋流器(54)包括围绕所述渐缩形中心本体(52，76，84)成周向布置的空气槽口(70)。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述渐缩形中心本体(52，76，84)包括具有定向成与所述燃料喷嘴(12)的纵轴线交叉的相应轴线的燃料端口。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述渐缩形中心本体(52，76，84)包括具有沿所述燃料喷嘴(12)的纵轴线成纵向定向的相应轴线的燃料端口(56，78，86)。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述会聚发散文丘里管室(50)包括小于大约15度的发散角(63)和小于大约30度的会聚角(61)。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括具有所述燃料喷嘴(12)的燃烧室(16)。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统包括设置在所述燃烧室(16)上游位于通向所述燃烧室(16)的进入通路中的压缩机(22)，以及设置在所述燃烧室(16)的下游位于离开所述燃烧室(16)的排出通路中的涡轮(18)。

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