CN101793399B - 用于涡轮机的燃料喷嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于涡轮机的燃料喷嘴。具体而言，一种涡轮机(2)包括压缩机(4)、涡轮(10)和可操作地连接到涡轮(10)上的燃烧器(6)。涡轮机(2)还包括安装到燃烧器(6)上的罩盖部件(34)。罩盖部件(34)包括第一表面(35)和第二表面(36)。燃烧室(48)限定在燃烧器(6)内。喷射喷嘴(38，39)支承在罩盖部件(34)的第二表面(36)处。喷射喷嘴(38，39)包括经由内部流路(88)延伸至第二端(86)的第一端(84)。第一端(84)构造成用以接收一定量的第一流体，而第二端(86)构造成用以接收一定量的第二流体。第一流体和第二流体的混合物从喷射喷嘴(38，39)的第二端(86)排放。

Description

用于涡轮机的燃料喷嘴
技术领域
本文所公开的主题涉及涡轮机，并且更具体地涉及一种用于涡轮机的燃料喷嘴。
背景技术
一般而言，燃气涡轮发动机燃烧燃料/空气混合物，其释放热能以形成高温气流。高温气流经由热气通路引导到涡轮中。涡轮将来自于高温气流的热能转变成使涡轮轴旋转的机械能。涡轮可用于多种应用场合，例如用来向泵或发电机提供动力。
在燃气轮机中，发动机的效率随燃烧气流温度的升高而提高。令人遗憾的是，气流温度越高，产生氮氧化物(NOx)(一种受到联邦法规和州法规二者管制的排放物)的水平也越高。因此，在有效范围内运行的燃气轮机之间存在谨慎的平衡行为，同时还确保NOx的输出保持在法定水平以下。实现低NOx水平的一种方法在于确保燃料和空气在燃烧之前良好地混合。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种涡轮机包括压缩机、涡轮和可操作地连接到涡轮上的燃烧器。该涡轮机还包括安装到燃烧器上的端盖，以及定位在燃烧器内的罩盖部件。罩盖部件包括第一表面和第二表面。燃烧室限定在燃烧器内。此外，至少一个喷射喷嘴支承在罩盖部件的第二表面处。该至少一个喷射喷嘴包括主体，该主体具有经由内部流路延伸至第二端的第一端。第一端构造成用以接收一定量的第一流体，而第二端构造成用以接收一定量的第二流体。第二端将第一流体和第二流体的混合物从喷射喷嘴排放到燃烧室中。
根据本发明的另一方面，一种用于涡轮机的喷射喷嘴包括主体，该主体具有经由内部流路延伸至第二端的第一端。第一端构造成用以接收一定量的第一流体，而第二端构造成用以接收一定量的第二流体。第二端将第一流体和第二流体的混合物从喷射喷嘴排放到燃烧室中。
根据本发明的又一个方面，一种将第一流体和第二流体的可燃混合物引入涡轮机喷嘴中的方法，该涡轮机喷嘴包括主体，该主体具有经由内部流路延伸至安装在罩盖部件上的第二端的第一端，该方法包括引导第一流体穿过喷射喷嘴的第一端。第二流体从第二端引入喷射喷嘴中。第一流体和第二流体在内部流路内混合，以形成可燃混合物。可燃混合物经由第二端传递到燃烧室中。
通过结合附图的如下描述，这些及其它优点和特征将变得更为明显。
附图说明
在权利要求中具体地指出且明确地主张了视作为本发明的主题。通过结合附图的如下详细描述，本发明的前述及其它特征和优点将变得明显，在附图中：
图1为包括根据本发明的示例性实施例所形成的喷嘴的涡轮机的截面侧视图；
图2为图1中的涡轮机的燃烧器部分的截面视图；
图3为根据本发明的示例性实施例所形成的涡轮机喷嘴的截面视图；
图4为图3中的涡轮机喷嘴的分解视图；
图5为图3中的涡轮机喷嘴的导流末端(flow tip)部分的示例性实施例的截面视图；
图6为图3中的涡轮机喷嘴的另一导流末端部分的示例性实施例的截面视图；以及
图7为图3中的涡轮机喷嘴的又一导流末端部分的示例性实施例的截面视图。
本详细说明通过举例的方式，参照附图阐述了本发明的实施例以及优点和特征。零件清单2涡轮机4压缩机5燃烧器组件6燃烧器8喷射器组件壳体10涡轮12压缩机/涡轮轴22扩散器24压缩机排气仓室(discharge plenum)30端盖34罩盖部件35第一表面36第二表面38燃料/喷射器喷嘴组件39燃料/喷射器喷嘴组件44燃烧器外壳46燃烧器衬套48燃烧室49环形燃烧室冷却通道55过渡件62第一级涡轮喷嘴64内壁(55)65外壁(55)66多个开口68环形通道72引导腔80主体84第一端86第二端88内部流路90第一开口91第二开口/排放口94外部导流套筒(flow sleeve)95内部导流套筒100燃料仓室103第一端104多个开口106第二端115湍流器(turbulator)部件118多个流动导叶119多个流动导叶120多个流动导叶121多个流动导叶122多个流动导叶128排放端口(118)129排放端口(122)140导流筒(flow cartridge)143导流末端144主体145环形壁146终止端147开口150导流末端155主体158大致光滑的内表面170导流末端173主体175肋条(rib)178湍流器部件
具体实施方式
如在本申请中所用，用语“轴向”和“轴向地”是指大致平行于喷烧管(burner tube)组件中心体的中心纵轴线延伸的方向和定向。如本申请中所用，用语“径向”和“径向地”是指大致垂直于中心体的中心纵轴线延伸的方向和定向。如本申请中所用，用语“上游”和“下游”是指相对于有关中心体的中心纵轴线的轴向流动方向的方向和定向。
首先参看图1，大体上以2示出了根据本发明的示例性实施例所构造的涡轮机。涡轮机2包括压缩机4和具有至少一个燃烧器6的燃烧器组件5，燃烧器6设有燃料喷嘴或喷射器组件壳体8。涡轮机发动机2还包括涡轮10和公共的压缩机/涡轮轴12。在一个实施例中，燃气涡轮发动机2为市售的General Electric Company(Greenville，South Carolina)的PG93719FBA重型燃气涡轮发动机。值得注意的是，本发明不限于任何一种特定的发动机，而是可结合其它燃气涡轮发动机使用。
如图2中最佳地示出，燃烧器6联接成与压缩机4和涡轮10流动连通。压缩机4包括扩散器22和压缩机排气仓室24，它们联接成彼此流动连通。燃烧器6还包括定位在其第一端处的端盖30，以及罩盖部件34。罩盖部件34包括第一表面35和相反的第二表面36。如下文将更为全面地描述的那样，罩盖部件34，且更具体而言是第一表面35，向多个燃料或喷射喷嘴组件38和39提供结构支承。燃烧器6还包括燃烧器外壳44和燃烧器衬套46。如图所示，燃烧器衬套46从燃烧器外壳44沿径向向内地定位，以便限定燃烧室48。环形燃烧室冷却通道49限定在燃烧器外壳44与燃烧器衬套46之间。过渡件55将燃烧器6联接到涡轮10上。过渡件55将在燃烧室48中所产生的燃烧气体向下游引向第一级涡轮喷嘴62。为此，过渡件55包括内壁64和外壁65。外壁65包括多个开口66，这些开口66通向限定在内壁64与外壁65之间的环形通道68。内壁64限定在燃烧室48与涡轮10之间延伸的引导腔72。
在工作期间，空气流过压缩机4，且压缩空气供送给燃烧器6，而更具体而言是供送给喷射器组件38和39。同时，燃料传递至喷射器组件38和39，以便与空气相混合并形成可燃混合物。可燃混合物经引导通向燃烧室48，且被点燃以形成燃烧气体。然后，燃烧气体引导到涡轮10。来自燃烧气体的热能转变成用来驱动轴12的机械旋转能。
更具体而言，涡轮10经由轴12(图1中所示)驱动压缩机4。当压缩机4旋转时，如相关箭头所示，压缩空气排放到扩散器22中。在示例性实施例中，压缩机4所排放的大部分空气经由压缩机排气仓室24引向燃烧器6，而剩余的压缩空气经引导来用于冷却发动机构件。排气仓室24内的压缩空气经由外壁开口66引导到过渡件55中以及环形通道68中。然后，空气经引导从环形通道68穿过环形燃烧室冷却通道49，且通向喷射喷嘴组件38和39。燃料和空气相混合，形成经点燃在燃烧室48内形成燃烧气体的可燃混合物。燃烧器外壳44有助于保护燃烧室48及其相关燃烧过程不受外界环境(举例来说，例如周围的涡轮构件)干扰。燃烧气体经引导从燃烧室48穿过引导腔72，且引向涡轮喷嘴62。冲击第一级涡轮喷嘴62的热气产生旋转力，该旋转力最终通过涡轮2做功。
在这一点上，应当理解的是，上述构造是为了更为完全地理解本发明的示例性实施例而提出的，其针对的是喷射喷嘴组件38和39的特定结构。然而，由于各喷射喷嘴组件38，39相似地形成，故在理解喷射喷嘴组件39相似地形成的情况下，将按照所参照的喷射喷嘴组件38进行详细描述。
如图3和图4中最佳示出的那样，喷射喷嘴组件38包括主体80，该主体80具有延伸至第二端86的第一端84，限定了内部流路88。主体80包括定位在第一端84处的第一开口90，以及布置在第二端86处的第二开口或排放口91。喷射喷嘴组件38安装到燃烧室48内的罩盖部件34上。更具体而言，主体80的第二端86连接到罩盖部件34的第一表面35上。如下文将更为全面地描述的那样，燃料进入喷嘴组件38的第二端86，且传递到内部流路88内，以便在燃烧室48内进行燃烧之前与空气相混合。利用这种构造，显著地减少了端盖30上的任何所需的燃料进口配件。此外，将喷嘴组件38安装到罩盖部件34上使得能够使用数目增加的喷嘴组件，而同时降低端盖30的复杂性。
如图3和图4中进一步示出的那样，喷射喷嘴组件38包括外部导流套筒94和内部导流套筒95。内部导流套筒94和外部导流套筒95连接成用以限定环形燃料仓室100。如图所示，燃料仓室100包括具有多个开口104的第一端或进口端部分103，以及第二端106。喷射喷嘴组件38还包括旋流器或湍流器部件115，其具有流体地连接到环形燃料仓室100上的多个流动导叶118-122。更具体而言，流动导叶118-122包括通向环形燃料仓室100的多个排放端口(例如，结合导叶118示出为128，以及结合导叶122示出为129)。利用该布置，燃料穿过开口104并进入环形燃料仓室100。燃料在环形燃料仓室100内流至第二端106。然后，燃料在离开排放端口128和129之前传递到流动导叶118-122中，以便与穿过内部流路88的空气相混合。
进一步根据所示的示例性实施例，燃料喷嘴组件38包括纵向地延伸穿过内部流路88的导流筒140。导流筒140包括邻近燃料喷嘴组件38的第二端86定位的导流末端143。如图5中最佳示出的那样，燃料末端143包括具有环形壁145和终止端146的主体144。终止端146设有大体上以147示出的多个开口。利用此构造，导流末端143构成了提供在导流筒140上的基线(baseline)末端。除基线143之外，导流筒140可设有各种其它的导流末端，这取决于所期望的燃烧特性和/或排放物控制。例如，如图6中所示，导流末端150包括具有大致光滑的内表面158的主体155。利用该布置，导流末端150限定了非旋流的导流末端，在其中，流过导流筒140的部分空气保持大致为非湍流的。相反，导流筒140可设有旋流的导流末端，如在图7中示出为170。导流末端170包括具有环形肋条175的主体173，环形肋条175设有多个湍流器部件178。导流末端170将旋流作用给予到在导流筒140内流动的部分空气上。除上文之外，导流末端150和170设计成用以接收可选的构件，例如，提供附加的气体或液体流动回路的构件、点火器、火焰探测器等。
在这一点上，应当理解的是，上述示例性实施例提供了一种喷射喷嘴组件，该喷射喷嘴组件提高了燃烧器几何形状的灵活性，容许增加燃料喷射器的数目，降低端盖几何形状的复杂性。此外，该喷射喷嘴组件使得能够使用单个的燃料回路将燃料供送给各燃烧器，以及容许单个的燃料回路。然而，还应当理解的是，结合本发明的示例性实施例示出的涡轮机只是一个实例。还可使用包括更少或更多数量的燃烧器和/或喷射器组件的其它涡轮机。此外，应当理解的是，罩盖部件可构造成用以仅支承单个喷射器组件或可安装的任意数目的喷射器组件。
尽管本发明仅结合了有限数量的实施例进行了详细描述，但应当容易理解的是，本发明并不限于这些公开的实施例。相反，本发明可进行修改，以结合任意数目的此前并未描述但与本发明的精神和范围相匹配的变型、备选方案、替换方案或等效布置。此外，尽管已描述了本发明的多种实施例，但应当理解，本发明的方面可仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不应看作是由以上说明所限制，而是仅由所附权利要求的范围来限制。

Claims (7)

1.一种涡轮机(2)，包括：
压缩机(4)；
涡轮(10)；
可操作地连接到所述涡轮(10)上的燃烧器(6)；
安装到所述燃烧器(6)上的端盖(30)；
定位在所述燃烧器(6)内的罩盖部件(34)，所述罩盖部件(34)包括第一表面(35)和第二表面(36)；
限定在所述燃烧器(6)内的燃烧室(48)；以及
支承在所述罩盖部件(34)的第二表面(36)处的至少一个喷射喷嘴(38，39)，所述至少一个喷射喷嘴(38，39)包括主体(80)，所述主体(80)具有经由内部流路(88)延伸至第二端(86)的第一端(84)，所述至少一个喷射喷嘴(38，39)包括环形燃料仓室(100)，所述环形燃料仓室(100)具有设置在所述主体(80)的第二端(86)处的至少一个燃料进口(103)，所述第一端(84)构造成用以接收一定量的第一流体，以及所述环形燃料仓室(100)构造成用以通过所述至少一个燃料进口(103)接收一定量的第二流体，所述第二端(86)将所述第一流体和所述第二流体的混合物从所述喷射喷嘴(38，39)排放到所述燃烧室(48)中；
其中，所述至少一个喷射喷嘴(38，39)包括内部导流筒(140)，所述内部导流筒(140)包括对所述第一流体给予流动特性的导流末端(143)。
2.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述导流末端(143)为非旋流末端。
3.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述导流末端(143)为旋流末端，所述旋流末端包括内部肋条部件(175)。
4.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述导流末端(143)为基线末端，所述基线末端包括壁部(145)，具有形成在其中的多个开口(147)。
5.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述至少一个喷射喷嘴(38，39)还包括内部导流套筒(95)和外部导流套筒(94)，所述内部导流套筒(95)安装在所述外部导流套筒(94)上，以便限定所述环形燃料仓室(100)。
6.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述至少一个喷射喷嘴(38，39)包括具有多个流动导叶(118-122)的湍流器部件(115)，所述湍流器部件(115)沿所述至少一个喷射喷嘴(38，39)的内部流路(88)布置。
7.根据权利要求6所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述多个流动导叶(118-122)中的各者均包括多个排放端口(128，129)中的至少一个。
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