CN101818909B - 燃料喷嘴歧管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了燃料喷嘴(100)歧管，其包括法兰(102)、芯柱(103)和旋流器(130)。法兰(102)具有流体地连接到沿径向延伸的第一流动通路(186)上的第一流体入口(171)，芯柱(103)至少包括沿轴向延伸且仅部分地沿周向延伸的流动通道(181，182)，以及旋流器(130)至少具有沿径向延伸的第一预混通路(176)。法兰(102)和芯柱(103)可包括同质构件或两个分离构件，其将沿轴向延伸的第一流动通道(188)流体地连接到第一流动通路(154)上，以形成在法兰(102)与芯柱(103)之间的流体连接，旋流器(130)包括另一构件，其与法兰(102)和芯柱(103)构件配合在一起且流体地连接第一预混通路(154)和第一流动通道(182)。

Description

燃料喷嘴歧管
技术领域
本文所公开的主题涉及燃料喷嘴，并且更具体地涉及一种在单个构件中具有分立通路的燃料喷嘴歧管。
背景技术
燃气轮机燃烧常规碳氢燃料通常所产生的主要空气污染排放物为氮氧化物、一氧化碳以及未燃的碳氢化合物。本领域中所公知的是，喷气发动机中氮分子的氧化极大地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温度控制在低于形成热NOx的水平上的一种方法，是在燃烧之前将燃料和空气预混成贫燃料混合物(lean mixture)，这通常称为干式低NOx(DLN)燃烧系统。存在于贫燃料预混燃烧器反应区中的过量空气的热质量吸收热量且将燃烧产物的温升降低至热NOx显著减少的水平。图1中示出了燃料喷嘴的一个实例，该燃料喷嘴通过使用旋流器而实现了均匀的燃料/空气流混合。
图1为具有输入流调节器10的燃料喷嘴1的透视图，该燃料喷嘴1提供大部分的空气用于喷嘴的燃烧。输入流调节器包括环形流动通路11，该通路11在内径处由结实的圆柱形内壁12、在外径处由有孔的圆柱形外壁13以及在上游端处由有孔的端盖14所界定。在流动通路11的中心是一个或多个环形转动叶片15。预混器空气从高压仓室21经由端盖14和圆柱形外壁13中的穿孔(perforation)进入输入流调节器10中，该高压仓室21包绕除排放端35以外的整个组件。
在燃烧空气流出输入流调节器10之后，其进入旋流器组件(有时称为旋流喷嘴组件)22中。旋流器组件22包括由一系列翼片(air foil)形转动叶片连接的套节(hub)23和管套(shroud)24，该转动叶片将旋流给予穿过预混器的燃烧空气。各转动叶片均包含经由翼片核心的第一流体供送通路25和第二流体供送通路26。这些流体供送通路将燃料和/或空气分配给穿透翼片壁部的第一燃料喷射孔(未示出)和第二喷射孔(也未示出)。这些燃料喷射孔可定位在转动叶片的压力侧、吸入侧，或两侧上。燃料经由入口端口31和环形通路32，33进入旋流器组件22，其向转动叶片内的流体供送通路25，26供给。燃料在旋流器组件22中开始与燃烧空气混合，且燃料/空气的混合在环形通路34中完成。在流出环形通路34之后，燃料/空气混合物进入发生燃烧的燃烧器反应区35中。
在喷嘴组件的中心处是具有槽形气体末端42的常规扩散焰燃料喷嘴41，其收容来自环形通路43的燃烧空气和穿过气体孔44的燃料。该燃料喷嘴的本体包括波纹管45，用以补偿在该喷嘴与预混器之间的差热膨胀。
通常用于在不同回路中传递燃料和空气的图1中的多同心管设计十分良好地用于多个回路，但随着回路数目的增加，便难以封装和确保耐久性。结果，回路的设计便变得受到限制。此外，由于流体在构成大多数燃料喷嘴的多个薄的同心管的各侧上进行流动，故这些管的金属处于不同的金属温度。分离的金属管的温度差造成在通常为铜焊的管连接处的热应变。轴向应变也是一个问题。尽管可由诸如波纹管或其它适合装置的膨胀接头减轻轴向应变，但这会增加喷嘴的成本和造成封装限制。燃料喷嘴的薄金属管的径向应变也是喷嘴设计温度的考虑因素，但径向应变通常难以减轻。
尽管薄的金属管路提供了一定的抗弯刚度，但由在其中使用喷嘴的涡轮在弯曲共振下驱动通常是有风险的。最后，在燃料回路的出口之间的轴向分离可严格地限制分离回路的接头的设计。所形成的接头可能有损耐久性。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种燃料喷嘴。该喷嘴包括具有喷嘴末端设置在其中的喷烧管(burner tube)。法兰连接到喷烧管上，且具有分别流体地连接到第一流动通路和第二流动通路上的第一流体入口和第二流体入口。还提供了芯柱(stem)，其至少具有大致沿轴向延伸的第一流动通道和第二流动通道。芯柱的流动通道彼此沿周向设置，且分别流体地连接到第一流动通路和第二流动通路上。还包括旋流器。其至少具有沿径向延伸的第一预混通路和第二预混通路，各预混通路分别流体地连接到第一流动通道和第二流动通道上，法兰和芯柱包括单个构件。
根据本发明的另一个方面，提供了一种在燃料喷嘴中使用的燃料喷嘴歧管。其包括分别流体地连接到第一流动通路和第二流动通路上的第一流体入口和第二流体入口，以及至少具有第一流动通道和第二流动通道的大致沿轴向延伸的芯柱，所述第一流动通道相对于所述芯柱轴线与所述第二流动通道偏心地设置。提供了具有多个沿径向延伸的叶片的旋流器。各叶片均至少具有位于其中的沿径向延伸的第一预混通路和第二预混通路，该预混通路分别流体地连接到第一流动通道和第二流动通道上。法兰和芯柱分别包括单独的构件，该构件配合在一起且将流动通道分别流体地连接到第一流动通路和第二流动通路上，以便在法兰与芯柱之间形成流体连接。
根据本发明的又一个方面，提供了一种包括法兰、芯柱和旋流器的燃料喷嘴歧管。法兰具有流体地连接到沿径向延伸的第一流动通路上的第一流体入口，芯柱至少包括沿轴向延伸且仅部分地沿周向延伸的第一流动通道，而旋流器至少具有沿径向延伸的第一预混通路。法兰和芯柱包括将沿轴向延伸的第一流动通道流体地连接到第一流动通路上以便在法兰与芯柱之间形成流体连接的第一同质(homogeneous)构件，旋流器包括第二构件，其与第一构件配合在一起且流体地连接第一预混通路和第一流动通道。
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认作是本发明的主题。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很明显，在附图中：
图1为现有技术的燃料喷嘴的截面透视图；
图2为根据本发明的燃料喷嘴的截面；
图3描绘了根据本发明的图2中的喷嘴的嵌套式流动回路；
图4为图3中的流动回路的局部端视图；
图5为根据本发明的燃料喷嘴的一部分的分解视图；
图6为图5中所见的燃料喷嘴部分的截面分解视图；
图7为本发明的另一实施例的截面分解视图；
图8为图7中的实施例的流动回路；
图9为本发明的又一个实施例的截面分解视图；
图10为图9中所示的实施例的流动回路；
图11为本发明的再一个实施例的截面分解视图；
图12为图11中所示的实施例的流动回路。
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
45波纹管
100燃料喷嘴
101喷烧管
102法兰
103芯柱部分
104筒形孔口
105外部周向表面
106进入端开口
107流出开口
108流出端开口
111外部周边表面
112外端
113内端
114倒角区域
115外部周向表面
121沉孔
122心轴区域
123周向表面
124端部环形面
130旋流器
131套节部分
132中部区域
133端部区域
134外部周向表面
135内部周向表面
136邻接面
138火焰区
140歧管
151旋流器叶片
152前缘
153后缘
154第一外部预混通路
155第二内部预混通路
156外表面
157多个孔口
161第一内部仓室
162第二内部仓室
163出口孔口
171第一外部预混流体入口
173筒形孔口入口
174内部预混流体入口
175外部预混流动通路
176内部预混流动通路
181外部预混流动通道
182内部预混流动通道
183孔口开口
184孔口开口
186扩散空气流动通路
188扩散流动通道
191孔口开口
193扩散空气环形空间
194扩散管
195单个芯柱构件
229旋流器叶片
251预混通路
252预混通路
253预混通路
254预混通路
255预混通路
257出口孔口
261燃料仓室
262燃料仓室
263燃料仓室
264燃料仓室
265燃料仓室
275多个流动通路
276多个流动通路
277多个流动通路
281多个流动通道
282多个流动通道
283多个流动通道
295芯柱构件
302法兰
303芯柱部分
304插口部分
305内部周向表面
306套管部分
311外部预混燃料仓室
312内部预混燃料仓室
330旋流器构件
404扩散燃料筒形孔口
405内部周向脊部
406凹形槽
407扩散燃料筒
495芯柱构件
具体实施方式
现参看图2至图6，示出了经过燃料喷嘴100的截面，在此将参照特定实施例来描述本发明，而并不对其进行限制。燃料喷嘴100包括安置在中心轴线A上且连接到具有芯柱部分103的法兰102上的喷烧管101。法兰102和芯柱部分103包括流体地连接的沿轴向延伸的燃料筒形孔口104，该筒形孔口104由筒形孔口104的外部周向表面105限定，在燃料筒形孔口104的进入端开口106与流出端开口108之间延伸。
法兰102包括在外端112与内端113之间延伸的外部周边表面111，喷烧管101附接到内端113上。芯柱103从法兰102的倒角区域114延伸。芯柱103包括收敛至沉孔121的外部周向表面115。自沉孔121延伸的是心轴区域122，其具有大致沿轴向延伸的外部周向表面123。周向表面123延伸至位于流出开口107处的端部环形面124。
如图2、图5和图6中所示，旋流器(有时称为旋流喷嘴)130示为连接到芯柱部分103的心轴区域122上。旋流器130包括具有中部区域132和端部区域133的沿轴向延伸的套节部分131。套节部分131包括外部周向表面134和内部周向表面135，它们与中心轴线A同心且在中部区域132中的环形邻接面136和邻近喷烧管101内的火焰区138的端部区域133中的环形端面137之间延伸。喷嘴末端108设置成邻近火焰区138。为了清楚起见，除图2外均省略了喷嘴末端108。
旋流器130连接到芯柱部分103上，以形成歧管140。具体而言，环形邻接面136与沉孔121共同作用，且心轴部分122的外部周向表面123与旋流器130中部区域132中的内部周向表面135大致接合接触。
多个旋流器叶片151从外部周向表面134和套节部分131延伸。如本领域中公知的那样，旋流器叶片具有翼片形外表面156，其前缘152具有比后缘153更大的截面轮廓。旋流器叶片151从外部周向表面134沿径向延伸，且具有用于将非均匀气流分配给予整个叶片151的复合外表面156。
各叶片151均包括限定为第一外部预混通路154和第二内部预混通路155的中空内部区域。各叶片151均包括在预混通路154和155与外表面156之间延伸的多个孔口157。内部周向表面135包括分别为周向槽形的第一外部仓室161和第二内部仓室162。如图6中最佳所见，预混通路154和155由出口孔口163流体地连接到第一仓室161和第二仓室162上。
现在将描述本发明的流动回路。流动回路定位在歧管140内。图3和图4逐步示出了缺少结构的流动回路，以便有助于理解本发明。为了清楚起见，将参照图5和图6来描述可与图3和图4中所示的流动回路互换且具有相同参考标号的歧管140内的流动回路。法兰102包括定位在法兰102的外部周向面111上的第一外部预混流体入口171。筒形孔口入口173和内部预混流体入口174定位在法兰102的外端112上。入口171与沿周向延伸的外部预混流动通路175成流体连接，而入口174与沿径向延伸的内部预混流动通路176成流体连接。
芯柱部分103包括多个大致沿轴向延伸的外部预混流动通道181，该流动通道181流体地连接到外部预混流动通路175上，且分别为彼此沿周向设置且与中心轴线A偏心地设置的分立流动通道。如本文所用，偏心或偏心地设置是指流动通道并非围绕中心轴线设置，而是代之以具有与燃料喷嘴100的中心轴线A偏离的中心。可构想出的是，三个分立的流动通道181从外部预混流动通路175延伸，图3和图4中示出了其中的一个流动通路。此外，芯柱部分103包括大致沿轴向延伸的内部预混流动通道182，其流体地连接到内部预混流动通路176上，且与中心轴线A以及与外部预混流动通道181两者偏心地设置。如图3至图6中最佳可见，预混流动通道181和182分别终止于心轴部分122上的孔口开口183和184处。当芯柱部分103附接到旋流器130上时，孔口183和184分别与仓室161和162连通，分别经由仓室161和162实现了在流动通道181和182与预混通路154和155之间的流体连通。
扩散空气经由沿径向延伸的扩散空气流动通路186引入芯柱部分103中。如图4中最佳所见，存在三个流动通路186，各个通路均独立地流体连接到三个沿轴向延伸的扩散流动通道188上。扩散流动通道188相对于中心轴线A且相对于流动通道181和182偏心地设置。扩散流动通道188终止于环形端面124中的孔口开口191处。此后，如图2中所见，容许扩散空气沿套节部分131内的扩散空气环形空间193流动，限定在设置于筒形孔口104内的扩散管194与套节部分131的内部周向表面135之间，直到扩散空气流出而进入火焰区138中。
本发明的歧管140使用包括法兰102和芯柱部分103的厚壁式单芯柱构件195中的沿周向分离的燃料和空气流动通道181，182和188，以形成流动回路。这些分离的流动通道相对于中心轴线A偏心，且因此容许多个构造。在图2至图6的实施例中，法兰102和芯柱103中的各者均包括配合在一起的单个构件，从而容许独特的流动回路构造。法兰102和芯柱103中各者的单个构件可通过熔模铸造形成，使得各者均为单个的一体式构件，这是通过焊接分立的独立件来形成单个构件，或通过其它公知的制造方法。实际上，歧管140的整体在制造期间可形成为单个构件，例如，通过熔模铸造、压模铸造，或本文所述的或本领域中所公知的其它制造方法中的一种。
燃料进入流动通路175和176，而扩散空气经由法兰102和芯柱部分103两者进入芯柱构件195内的流动通路186。燃料流出通路175，176而进入沿轴向分离的流动通道181和182中，该流动通道181和182供给仓室161和162，且还供给旋流器叶片151内的独立的预混通路154和155。扩散空气进入沿轴向分离的流动通道188中，其供给扩散空气环形空间193。
厚壁式芯柱构件195由于在燃料喷嘴内的温度梯度而改善了热应变。具体而言，壁厚和热回路与冷回路的分离最大限度地减小了热应变。还通过歧管140而极大地减少了劳动和零件量。将会认识到的是，歧管140包括芯柱构件195和旋流器130，该旋流器130也是已制成为一体式构件的单个铸造构件，例如，这是通过熔模铸造、压模铸造，通过焊接分立的独立件来形成单个构件，或通过其它公知的制造方法。歧管140容许除去如图1中所示的波纹管45，以及多个同心管和连接同心管所需的铜焊。此外，厚壁式构件歧管140提供效果显著的抗弯刚度。将会认到的是，由于流动回路沿轴向分离，故流动通道181，182和188包括连续铜焊区域，从而消除了将薄壁式管附接在一起所固有的应力集中。
现参看示出本发明的另一实施例的图7和图8，且其中相似的元件由相似的标号标示，芯柱构件295包括多个流动通路275，276和277。通路275，276和277分别供给多个流动通道281，282和283。流动通道281，282和283分别供给燃料仓室261，262和263且与燃料仓室261，262和263连通，该燃料仓室261，262和263分别定位在旋流器230的内部周向面235上，仓室为周向槽形。旋流器230的附加燃料仓室264和265由流动通道(未示出)供给。
将会认识到的是，任意数目的流动通道和燃料仓室可容纳在本发明的芯柱构件195或295内。此外，流动通道可与独立的流动仓室或多个选定的流动仓室连通。在本实施例中，燃料仓室261，262，263，264和265分别与从燃料仓室261，262，263，264和265延伸的独立预混通路251，252，253，254和255连通。多个预混通路可从各燃料仓室延伸。例如，如图8中所示，多个预混流动通路252从燃料仓室262延伸。预混通路251，252，253，254和255中的各者均终止于独立的出口孔口257。该“高度可调的”实施例旨在提供十分灵活的燃料喷嘴，其可引导燃料流独立地分流到旋流器叶片229的吸入侧(在此，压力流减少)和/或旋流器叶片229的压力侧(在此，压力流受到压缩)，以及在各旋流器叶片229的内部位置、中心位置和/或外部位置处沿径向分流。这种灵活性容许系统探索出许多不同的燃料混合策略，这可提供在排放物、输出和效率间权衡的益处。局部“最佳点”可构筑在较不复杂的燃料喷嘴中，且使燃烧效率、输出和排放物方面的技术有所进步。
此外，图7和图8的实施例示出了用于芯柱构件295内的扩散空气的更为常规的布置。扩散空气经由流动通路281和282引入芯柱构件295中。此后，容许扩散空气在筒形孔口204内沿周向流动。
在图9和图10的实施例中，法兰302和芯柱部分303分别形成独立的构件。法兰302、芯柱部分303和旋流器构件330的独立构件当配合在一起时便形成歧管340。为了适应这一变化，外部预混燃料仓室311和内部预混燃料仓室312分别介于沿径向延伸的流动通路175和176与沿轴向延伸的流动通道181和182之间。法兰302包括具有内部周向表面305的插口部分304，在内部周向表面305内，模制出了凹口来形成燃料仓室311和312。当组装时，插口部分304收容芯柱部分303的套管部分306，以便燃料仓室311和312分别与流动通道181和182成流体连通。
在图11和图12中所示的再一个实施例中，芯柱构件495具有由一系列内部周向脊部405和使脊部405分离的一系列沿轴向延伸的凹形槽406所限定的扩散燃料筒形孔口404。内部脊部405限定孔口404的内径，而一系列沿轴向延伸的凹形槽406限定燃料筒形孔口404的外径。内部脊部405提供了用于支承图11中的局部剖面示出的扩散燃料筒407的附加刚性，以及甚至更高的抗弯刚度，这会增大燃料喷嘴的基本弯曲频率。
尽管仅结合了有限数量的实施例来详细描述本发明，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，但应当理解的是，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限制，而是仅由所附权利要求的范围来限制。

Claims (9)

1.一种燃料喷嘴(100)，包括：
具有中心轴线和喷嘴末端设置在其中的喷烧管(101)；
法兰(102)，其连接到所述喷烧管(101)上，且具有分别流体地连接到第一流动通路(175)和第二流动通路(176)上的第一流体入口(171)和第二流体入口；
芯柱(103)，其至少具有大致沿轴向延伸的第一流动通道和第二流动通道，各所述流动通道彼此沿周向设置，且分别流体地连接到至少所述第一流动通路(175)和所述第二流动通路(176)上；
旋流器(130)，其至少具有沿径向延伸的第一预混通路(154)和第二预混通路(155)，各所述预混通路均分别流体地连接到至少所述第一流动通道(181)和所述第二流动通道(182)上；
所述法兰(102)和所述芯柱(103)分别包括单个构件；
其中，所述芯柱(103)包括在沿径向延伸的第三流动通路与所述芯柱(103)内表面上的环形室之间延伸的大致沿轴向延伸的第三流动通道，所述第三流动通道流体地连接到所述第三流动通路和所述环形室上。
2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(100)，其特征在于，所述旋流器(130)是与所述芯柱(103)配合在一起的单个构件。
3.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(100)，其特征在于，所述第一流动通路(175)和所述第二流动通路(176)沿径向分别供给所述第一流动通道(181)和所述第二流动通道(182)。
4.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(100)，其特征在于，所述旋流器(130)包括多个叶片(151)，所述叶片(151)中的各者均具有沿径向延伸的至少所述第一预混通路(154)或所述第二预混通路(155)中的至少一者，所述叶片(151)中的各者均至少包括在外表面上的第一孔口(157)和第二孔口(157)，至少所述第一孔口(157)和所述第二孔口(157)中的各者均流体地连接到至少所述第一预混通路(154)和所述第二预混通路(155)中的仅一者上。
5.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(100)，其特征在于，所述第三流动通道与所述中心轴线偏心地设置。
6.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(100)，其特征在于，所述燃料喷嘴(100)包括流体地连接到所述第一流动通道和所述第一预混通路上的第一仓室(161)。
7.根据权利要求6所述的燃料喷嘴(100)，其特征在于，所述燃料喷嘴(100)包括流体地连接到所述第二流动通道和所述第二预混通路上的第二仓室。
8.根据权利要求7所述的燃料喷嘴(100)，其特征在于，所述旋流器(130)具有用于与所述芯柱(103)连通的内表面，所述第一仓室(161)和所述第二仓室(162)分别包括在所述内表面上的至少部分地延伸的周向槽。
9.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(100)，其特征在于，所述法兰(102)和所述芯柱(103)分别包括流体地连接的沿轴向延伸的燃料筒形孔口(404)，所述孔口(404)由包括一系列沿轴向延伸的凹形槽(406)的外表面所限定。
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