CN101839497A - 用于燃气轮机燃烧器的燃料喷射 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃气轮机燃烧器的燃料喷射。具体而言，一种喷射器，包括表面(132)和形成在该表面(132)中的喷射器孔(124，508)。该喷射器还包括形成在表面(132)中的槽(140，516)，该槽(140，516)包绕喷射器孔(124，508)。

Description

用于燃气轮机燃烧器的燃料喷射
技术领域
本文公开的主题涉及燃气轮机，并且具体而言，涉及用于燃气轮机燃烧器的燃料喷射。
背景技术
在用于燃气轮机的典型燃烧器中，通过相对于输入空气流的横向流喷射来引导燃料。通过改变燃料射流的角度和/或通过采用用于燃料排出孔的非常规设计，可实现较小地减小与横向流喷射相关的问题的级别和/或严重性。然而，横向流中的燃料射流形成位于燃料射流后方的回流区或气泡。该回流气泡的尺寸取决于多种因素，包括射流直径以及在射流与主流之间的动量比率。回流气泡的尺寸通常随着燃料射流的直径和动量增加。当燃料射流以横向流进行引导时，燃料可能变得夹带在燃料射流后方，通向在射流后方的回流区或气泡中的可燃混合物。在该区域中可发生火焰稳定，引起构件损坏。而且，燃料射流造成的边界层破裂可引起在喷嘴中心体上、导叶上以及在扩散器中的流动分离。还趋于形成引起火焰稳定或回火(flashback)的富含燃料的边界层。
发明内容
根据本发明的一方面，喷射器包括表面和形成在该表面中的喷射器孔。该喷射器还包括形成在该表面中的槽，该槽包绕喷射器孔。
根据本发明的另一方面，燃料喷射器包括界定流体流路的表面，以及形成在该表面中的燃料喷射器孔。该燃料喷射器还包括形成在该表面中的槽，该槽包绕燃料喷射器孔。
根据本发明的再一方面，燃料喷射器包括具有表面的本体、至少穿过该本体的一部分厚度所形成的燃料喷射器孔。该燃料喷射器还包括形成在该表面中的槽，该槽包绕燃料喷射器孔。
根据以下结合附图的描述，这些和其它的优点和特征将变得更加明显。
附图说明
视为本发明的主题在权利要求书中具体地指出并清楚地主张权利。根据以下结合附图的详细描述，本发明的上述及其它特征和优点变得明显，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的预混器的空气旋流器或转动导叶旋流喷嘴组件的一部分的透视图，该预混器为用于燃气轮机的燃烧器的零件；
图2包括图2A和图2B，分别为根据本发明的一个实施例的图1的预混器的燃料喷射器部分的正视图和侧视图；
图3包括图3A和图3B，分别为根据本发明的另一个实施例的图1的预混器的燃料喷射器部分的正视图和侧视图；
图4是根据现有技术的燃料喷射器栓柱(peg)的透视图；以及
图5是按照本发明的一个实施例的燃料喷射器栓柱的透视图。
详细描述参照附图举例说明了本发明的实施例以及优点和特征。
零件清单
100        旋流喷嘴组件
104        毂(hub)
108        护罩(shroud)
112        翼片/导叶
116，120，124燃料喷射孔
128        燃料流/带箭头的线
132        壁
136         壁部分
140         槽
144         主气流/带箭头的线
148         通道气流/带箭头的线
152         槽区段
160         孔
400，500    栓柱
404，504    栓柱的长度
408，508    开口
412，512    气流
516         槽
具体实施方式
本发明的各种实施例控制燃料射流相对于输入空气流形成横向流并且可应用于多种类型的燃料喷嘴中，而不论下文所述的燃料喷射孔的位置如何。图1中示出了根据本发明的一个实施例的预混器的空气旋流器或转动导叶旋流喷嘴组件100的一部分，该预混器为用于燃气轮机的燃烧器的零件。燃烧空气通常由输入流调节器以公知方式传送到旋流喷嘴组件100。在图1中，该空气流的方向通常向下，但可代替直接向下而稍微成一定角度。
旋流喷嘴组件100包括内中心体或毂104以及外护罩108，毂104和护罩108通过一系列的翼片状转动导叶或翼片112连接，该翼片将旋流给予经过旋流喷嘴组件100的燃烧空气。各转动导叶112既包含本领域公知的一次燃料供给通路，又包含二次燃料供给通路，两种通路通常穿过翼片或导叶112的芯部(core)形成。燃料通路分配燃料给一系列的一次气体燃料喷射孔116和一系列的二次气体燃料喷射孔120，这些喷射孔穿过翼片或导叶112的壁并对向下流动的燃烧空气提供向外横向流动的燃料。这些燃料喷射孔116、120可位于转动导叶112的压力侧、吸入侧或两侧上。燃料通过分别给送一次转动导叶通路116和二次转动导叶通路120的本领域公知的入口端口和环形通路进入旋流喷嘴组件100。燃料在旋流喷嘴组件100中开始与燃烧空气混合，并且燃料/空气混合在环形通路(未示出)中完成，该环形通路如本领域公知由旋流喷嘴毂延伸部分和旋流喷嘴护罩延伸部分形成。在离开环形通路后，燃料/空气混合物进入其中发生燃烧的燃烧器反应区。
如果旋流喷嘴组件100通过空气动力的转动导叶112的压力侧中的孔116、120喷射燃料，则减少了对气流场的干扰。然而，在燃料射流下游可能依然存在小的回流气泡。此外，可形成可能促使回火的富含燃料的边界层。如果一部分的燃料喷射孔116、120位于导叶112的吸入侧上则存在相同的缺点。此外，回流气泡的尺寸可在相同的整体流动状态下增加并且燃料射流可引起流动分离。
图1中示出了旋流喷嘴组件100的几何形状的细节。如已指出，各转动导叶112的表面上设有两组燃料喷射孔116、120，包括一次燃料喷射孔116和二次燃料喷射孔120。燃料分别通过一次气体通路和二次气体通路给送到这些燃料喷射孔。通过这两个喷射路径的燃料流受到单独地控制，从而能够对从旋流喷嘴毂104到旋流喷嘴护罩108的径向燃料/空气浓度分布轮廓(profile)进行控制。
在图1以及图2A和图2B中，示出了中心体或毂104，其包括根据本发明的一个实施例的附加燃料喷射器孔124。孔124可为圆柱形的形状，并且在一个实施例中，孔124贯通毂104的整个厚度形成，如图2A和图2B所示。然而，孔124可采取任何其它适当的形状。带箭头128的线示出燃料穿过孔124从毂104内侧并穿过毂104而进入毂104与护罩108之间的空间中的流动(即，“燃料射流”128)，一对转动导叶112位于该空间中。面向护罩108的毂104的内壁132(其用作毂104的边界面132)包括向外突出的部分136，并且在该部分136中还形成了槽140作为一个实施例中的通道，突出体136的表面还形成毂104的边界面的一部分。在一个实施例中，燃料喷射孔124形成在槽140的大致底部附近。
在一个实施例中，槽140的底部(如在图2A和图2B中所示)可刚好开始于燃料喷射孔124下方并且在相对于主空气流的上游方向上沿着毂104的外壁132的表面延伸，该主空气流在图2B中以带箭头144的线表示。因此，主空气流144处于相对于离开燃料喷射孔124的燃料的横向流中。如果槽140与局部主气流方向144粗略对准，则获得相对最大的益处。气流扩展到可进入的流动区域中且因此气流将最终填充在槽140中，如带箭头148的线所示。截留在槽140内的空气沿着由槽140限定出的通道流动。在接近燃料射流128处，气流受到燃料射流128阻挡并且受到槽140的侧壁的限制。如果槽140比燃料射流128宽，则通道140中的气流将由于在燃料射流128后方(并且在此通常将形成回流气泡)产生的低压所引起的增加的压力梯度而在燃料射流128周围运动。在处于燃料射流128下游的槽140的底部(如在图2A和图2B中所示)，截留在通道140中的气流将喷射到主流(在处于燃料射流128下游的回流区域中)中，如线148所示。因此，新鲜空气添加到该区域，防止了火焰稳定。在该区域中排出的气流的量取决于槽140的尺寸。此外，取决于槽140的底部的形状，通道气流148可垂直于壁132排出(图2B)或沿着壁132(图3B)经引导用以增强边界层和避免流动分离和/或富含燃料的边界层。
图3A和图3B分别为根据本发明的另一个实施例的图1的旋流喷嘴组件100的燃料喷射器部分的正视图和侧视图。由于该实施例在一定程度上类似于图2A和图2B的实施例，故相似的参考标号表示相似的元件。图3A和图3B的实施例与图2A和图2B的实施例之间的区别在于槽140在终止于“V”形构造的区段152中进一步向下延伸。虽然图3B中未示出，可形成燃料回流气泡，但是在该实施例中，气泡本身将不会附于毂104的内壁的表面132上，从而防止了任何火焰稳定的出现。图3A和图3B的实施例示出了通过控制形成在毂104的壁132中的槽140的形状可控制通道气流的方向的事实。在图3B中，与图2B中通道气流垂直于壁132排出的情形相比，通道气流148沿着壁132受到引导。
在一个备选实施例中，通过形成在毂顶面中的孔160可将燃料引导到毂104(图1)中。在毂104的本体内可形成一个或多个燃料回路，以将燃料引导到燃料喷射孔124，从而如上所述从喷射孔124向外喷射该燃料。
槽140可如图2和图3所示地形成在突出体136中或可印刻在毂的外表面132中。槽仅需足够长以在燃料排出孔上游充满空气。计算流体力学(CFD)已用来验证截留在槽140内的流的预期性能。
图4中示出了现有技术燃料喷射器栓柱400。栓柱400通常为燃气轮机的燃烧器的预混器部分的零件。栓柱400可由喷燃器(burner)的外壳以公知方式在一端(例如，如在图4中所示的右端)受到支承，或栓柱400可由外壳以及由例如位于中央的扩散喷燃器在两端受到支承。此外，可设置多个栓柱400。栓柱400示出为圆柱形状，但是可为任何适当的形状。栓柱400用以从燃料源提供燃料，该燃料源向下行进栓柱400的长度404(即，如在图4中所示从右至左)并从例如两个开口408离开栓柱400。可设置多于或少于两个的开口408，并且该开口可采用任何方式相对于彼此定向。离开各开口408的燃料射流通常相对于入射气流412成一定角度(例如，45度、90度等)定向。燃料然后与气流混合到一定程度且之后通常被提供到预混器内的腔室，在其中通常发生进一步的混合。
该现有技术栓柱设计存在的一个问题是，横向流中的燃料射流形成位于燃料射流后方的回流区或气泡。如前所述，该回流气泡的尺寸取决于多种因素，包括射流直径和射流与主流之间的动量比率。回流气泡在尺寸上通常随着燃料射流的直径和动量增加。当燃料射流以横向流进行引导时，燃料可变得被夹带在燃料射流后方，通向在射流后方的回流区或气泡中的可燃混合物。火焰稳定可能发生在该区域中，引起例如预混器的损坏。
图5中示出了根据本发明的一个实施例的燃料喷射器栓柱500。该实施例的栓柱500与现有技术的栓柱400在一定程度上的类似之处在于，沿栓柱500的长度504向下提供燃料流且各燃料射流通过相关的开口508流出，其中，各燃料射流处于与入射空气流512成一定角度定向的横向流中。图5的实施例的栓柱500的主要区别是现在槽516形成在栓柱500的表面中。如图5所示，在一个实施例中，槽516形成在两个开口508之间的整个周向长度上，从而连接这些开口。槽516的用途与上文所述的图2和图3的实施例的槽140相似。也就是说，一些来自入射空气流512的空气被截留在槽516内且在槽516内运动，并且最终从其喷射并进入主空气流中。这防止了回流气泡的形成，并因此防止了在离开开口508的燃料射流后方的区域中出现火焰稳定。
虽然已参考毂104的外表面132描述了本发明的实施例，但是应当理解的是，本发明的各种实施例可用于界定流路的任何其它表面中并且可用于燃料喷射(例如，护罩或甚至转动导叶)。
本发明的实施例控制射流形成横向流并且可应用于所有燃料喷嘴，而不论燃料喷射孔的位置如何。此外，本发明的实施例提供了改进与此类燃料喷射相关的性能特征(例如，燃料射流穿透和燃料/空气混合特征)的燃料射流。还提供了稳健的机构来控制和帮助燃料射流形成横向流。同时，消除了与横向流喷射相关的主要缺点，例如位于射流后方的回流气泡，这样，当燃料射流以横向流进行引导时，燃料被夹带在燃料射流后方，通向在射流后方的回流气泡中的可燃混合物并且在该区域中可能出现破坏性的火焰稳定。本发明的实施例不允许回流气泡形成或控制回流气泡内的容积和/或燃料-空气比率。
尽管已结合仅有限数量的实施例详细地描述了本发明，但应当容易理解的是，本发明并不局限于这些公开的实施例。相反而言，本发明可进行修改，用以结合非此前所述但与本发明的精神和范围相称的任一数量的变型、改型、替换或等同布置。此外，尽管已描述了本发明的各种实施例，但是应该理解的是，本发明的方面可仅包括所描述的实施例的一部分。因此，本发明不应视为由前述描述所限制，而仅是由所附权利要求的范围来限制。

Claims (8)

1.一种喷射器，包括：
表面(132)；
形成在所述表面(132)中的喷射器孔(124，508)；以及
形成在所述表面(132)中的槽(140，516)，所述槽(140，516)包绕所述喷射器孔(124，508)。
2.根据权利要求1所述的喷射器，其特征在于，所述表面(132)包括旋流喷嘴组件(100)的边界面。
3.根据权利要求1所述的喷射器，其特征在于，所述表面(132)包括栓柱(500)的表面。
4.根据权利要求1所述的喷射器，其特征在于，所述喷射器孔(124，508)包括适当成形的孔。
5.根据权利要求1所述的喷射器，其特征在于，第一流体(128)流经过所述喷射器孔(124，516)并离开所述喷射器孔(124，516)，第二流体(144)流经过所述槽(140，516)，所述第一流体(128)流相对于经过所述槽(140，516)的所述第二流体(144)流以一定角度离开所述喷射器孔(124，516)。
6.根据权利要求5所述的喷射器，其特征在于，所述槽(140，516)与所述第二流体(144)流的方向对准。
7.根据权利要求5所述的喷射器，其特征在于，所述第一流体(128)包括可燃燃料。
8.根据权利要求5所述的喷射器，其特征在于，所述第二流体(144)包括空气。
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