CN101949540A - 对涡轮燃烧器燃料喷嘴中火焰稳定和回火的主动控制 - Google Patents

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严钟昊
W·S·齐明斯基
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Abstract

本发明涉及对涡轮燃烧器燃料喷嘴中火焰稳定和回火的主动控制。具体而言，一种系统包括涡轮燃烧器燃料喷嘴(12)。涡轮燃烧器燃料喷嘴(12)包括：空气通路(67)；燃料通路(69)；燃料-空气混合物区域(92)，其接收来自于空气通路(67)的空气(31)和接收来自于燃料通路(69)的燃料(14)；以及流体喷射孔(84)，其构造成用以响应于检测到表示火焰在涡轮燃烧器燃料喷嘴(12)内的状态而在燃料-空气混合物区域(92)中喷射流体。

Description

对涡轮燃烧器燃料喷嘴中火焰稳定和回火的主动控制
有关美国联邦资助的研究&开发声明
本发明根据美国能源部所授予的DE-FC26-05NT42643号合同由美国政府支持完成。美国政府拥有本发明的一定权利。
技术领域
文中的主题涉及用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴。更具体而言，本公开主题涉及消除与燃料喷嘴相关的回火和火焰稳定。
背景技术
燃气涡轮发动机燃烧燃料和空气的混合物以产生热的燃烧气体，该气体继而又驱动一个或多个涡轮。具体而言，热燃烧气体迫使涡轮叶片旋转，从而驱动轴用以旋转一个或多个负载，例如，发电机。如所了解的那样，火焰形成在具有燃料和空气的可燃混合物的燃烧区中。令人遗憾的是，火焰可能潜在地从燃烧区向上游传播到燃料喷嘴中，这可导致因燃烧热而造成破坏。此种现象通常称为回火。同样，火焰有时可能形成在表面上或附近，这也可导致因燃烧热而造成破坏。此种现象通常称为火焰稳定。例如，火焰稳定可发生在低速区域中的燃料喷嘴上或附近。具体而言，喷射燃料流到空气流中可在燃料流的喷射点附近造成低速区域，这可能导致火焰稳定。
发明内容
下文概述了与初始要求得到专利保护的本发明的范围相称的一些实施例。这些实施例并非旨在限制要求得到专利保护的本发明的范围，而是这些实施例仅意图提供对本发明可能形式的简要概述。实际上，本发明可包含可能类似或不同于下文所阐述的实施例的多种形式。
在第一实施例中，一种系统包括涡轮燃烧器燃料喷嘴，该燃料喷嘴包括：涡流导叶；以及喷射孔，其构造成用以响应于检测到表示火焰在涡轮燃烧器燃料喷嘴内的状态而在涡流导叶的下游区域中喷射流体。
在第二实施例中，一种系统包括涡轮燃烧器燃料喷嘴，该燃料喷嘴包括：空气通路；燃料通路；燃料-空气混合物区域，其接收来自于空气通路的空气和接收来自于燃料通路的燃料；以及流体喷射孔，其构造成用以响应于检测到表示火焰在涡轮燃烧器燃料喷嘴内的状态而在燃料-空气混合物区域中喷射流体。
在第三实施例中，一种系统包括：燃料喷嘴火焰传感器，其构造成用以检测表示火焰在涡轮燃烧器燃料喷嘴内的状态；以及燃料喷嘴火焰控制器，其构造成用以响应于来自燃料喷嘴火焰传感器的表示该状态的信号而控制喷射流体到涡轮燃烧器燃料喷嘴中。
附图说明
当参考附图研读以下详细描述时，将会更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，全部附图中相似的符合表示相似的部分，在附图中：
图1是根据本技术的实施例的燃气涡轮系统的示意性方框图；
图2是根据本技术的实施例的燃气涡轮发动机(如图1中所示)的剖面侧视图；
图3是燃气涡轮发动机(如图2中所示)的燃烧器的剖面侧视图，显示了根据本技术的实施例的多个燃料喷嘴；
图4是根据本技术的实施例的燃料喷嘴(如图3中所示)的方框图；和
图5是根据本技术的一些实施例的燃料喷嘴(如图4中所示)的预混合器的透视剖视图；以及
图6是根据本技术的实施例的燃料喷嘴(如图3中所示)的透视剖视图。
零件清单
10涡轮系统
12燃料喷嘴
14燃料源
16空气源
18稀释剂源
20燃烧器
22箭头
24涡轮
26轴
28压缩机
30负载
31空气源
32空气进口
33排气出口
34火焰监控器
36传感器
38控制器
40涡轮叶片
42叶片
44头端
46端盖
48燃烧器帽盖组件
50燃烧器室
52流动套筒
54衬套
56中空环形空间
58过渡件
60定向线
62仓室
64喷嘴空气进口
66上游部分
67流体通路
68环形本体
69定向箭头
70环形通道
72涡流导叶
73轴向方向
74径向方向
75周向方向
76壁
78燃料隔间
80燃料喷射孔
81定向流动线
82下游部分
84流体喷射孔
86流体隔间
88环形壁
90主要空气阀
92预混合器
94分隔件
96下游端部分
98上游端部分
100分隔件
102燃料隔间
104流体隔间
106燃料出口
108入口
110毂侧孔
112中心本体末梢孔
114侧孔
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。为了提供对这些实施例的简要描述，在说明书中并未对实际实施方案的所有特征进行描述。应懂得的是，在任一此类实际实施方案的开发中，如同在任一工程或设计项目中那样，必须作出许多特定实施方案的决定用以实现开发人员的特定目标，例如与系统相关和商务相关的约束的一致性，这可能在一种实施方案与另一种实施方案之间而有所不同。而且，应懂得的是，此类开发工作可能很复杂和耗费时间，但对于具有本公开内容益处的普通技术人员而言仍将会是设计、制作和生产的常规事项。
在介绍本发明的各种实施例的元件时，用语“一”、“一个”、“该”和“所述”意指具有元件中的一个或多个。用词“包括”、“包含”和“具有”旨在表示包含性的和意指除了所列元件外还可具有其它元件。
在一些实施例中，如下文详细阐述，燃气涡轮发动机包括一个或多个燃料喷嘴，该燃料喷嘴具有流体喷射孔(例如，喷射孔)用以阻止与回火和/或火焰稳定相关联的热破坏。具体而言，各个燃料喷嘴均可包括具有多个涡流导叶的燃料-空气预混合器，这些涡流导叶成周向布置地设置在空气流动通路中。燃料喷嘴还可包括相对于燃料喷嘴的纵向轴线和穿过燃料喷嘴的主要空气流的方向成交叉流动或成一定角度流动的流体喷射孔(例如，空气喷射孔)。例如，流体(例如，空气)喷射孔可位于在燃料喷嘴的中心本体(例如，毂)和外壁(例如，护罩)上，使得孔相对于纵向轴线沿径向向内和沿径向向外引导空气。此外，喷射孔可直接地位于燃料喷嘴中的各涡流导叶后缘之前。喷射孔通过无论火焰是否锚定在涡流导叶的后缘上或燃料出口之后均将其吹灭而改善了火焰稳定裕度和降低了回火可能性。这可通过稳定的空气喷射或调制经过喷射孔的空气来进行。各方法均可通过将火焰在导叶后缘处分成至少两个区域或通过使其颤振而扰乱在燃料孔之后稳定的整个火焰。因此，喷射的空气可通过使火焰的能量变弱且因此使火焰在燃烧器处稳定而将其分开。而且，喷射的空气可降低火焰稳定区域中的温度，用以消除在那些位置处再次点火的可能性。经由高速喷射流体到低速区域中，流体的喷射可减少低速区域，也就是，可能出现火焰的停滞区域。这可形成火焰不太可能出现和/或保持的高速区域。
现在转到附图且首先参看图1，显示了涡轮系统10的实施例的方框图。该图包括一个或多个燃料喷嘴12、燃料源14、空气源16、稀释剂源18，以及燃烧器20。如图所示，燃料源14引导液体燃料或气体燃料(例如，天然气)通向涡轮系统10，穿过燃料喷嘴12进入燃烧器20中。在与加压空气(箭头22所示)混合后，在燃烧器20中发生点火且最终形成的排出气体导致涡轮24内的叶片旋转。在涡轮24中的叶片和轴26之间的联接导致轴26旋转，该轴26还联接到整个涡轮系统10的若干构件上，如图所示。例如，所示的轴26传动地联接到压缩机28和负载30上。如所了解的那样，负载30可以是可经由涡轮系统10的旋转输出而产生动力的任何适合的装置，例如发电装备或车辆。
空气源31可经由管道引导空气通向空气进口32，该空气进口32然后引导空气进入压缩机28中。压缩机28包括传动地联接到轴26上的多个叶片，从而压缩来自于空气进口32的空气且经由空气源16引导其通向燃料喷嘴12和燃烧器20。在该接合处，还可从稀释剂源18引导稀释剂通向燃料喷嘴12。稀释剂例如可以是诸如氮气的惰性气体，其可有助于减少在燃烧空气/燃料混合物期间不合需要的排放物，或可有助于产生对于在燃烧器中燃烧的适当压力水平。作为备选，稀释剂可以是水或另一流体。燃料喷嘴12然后可混合加压空气和燃料(以及稀释剂，如果需要的话)，用以产生最优的混合比以便燃烧，例如，导致燃料更为完全地燃尽而不浪费燃料或导致过多排放物的燃烧。作为此种燃烧的结果，产生了经过涡轮24并在排气出口33离开系统10的排出气体。如下文详细阐述，燃料喷嘴12的实施例包括至少一个流体喷射孔(例如，空气喷射孔)，该喷射孔构造成用以响应于检测到表示在涡轮燃烧器燃料喷嘴12内的火焰的状态而在涡流导叶的下游区域喷射流体(例如，空气)。
检测到表示火焰在涡轮燃烧器燃料喷嘴12内的状态可通过连接到一个或多个传感器36(例如，火焰传感器)上的火焰监控器34而予以记录。传感器36可以是用于检测燃料喷嘴12内的压力变化的压力传感器，用于检测燃料喷嘴12中的温度变化的热传感器，和/或用于检测燃料喷嘴12中的光变化的光学传感器。以这种方式，传感器36可感测表示在燃料喷嘴12中或回火或火焰稳定的状态。传感器36可响应于对于火焰监控器34的火焰状态而传送信号至火焰监控器34。
火焰监控器34例如可以是专用集成电路(ASIC)或可接收来自于传感器36的信号和可产生已在燃料喷嘴12中检测到火焰的指示的其它检测装置。该指示可传送至控制器38。控制器38可从火焰监控器34接收在燃料喷嘴12中检测到火焰的指示。控制器38例如可以是处理器或ASIC。在一个实施例中，火焰监控器34和控制器38可以是单个处理器的器件。控制器38例如可操作以改变影响燃料喷嘴12的状态。例如，控制器38可操作以增加或减少经由调节燃料源14而供送至燃料喷嘴12的燃料，增加或减少经由调节空气源16而供送至燃料喷嘴12的空气，和/或增加或减少经由调节稀释剂源18而供送至燃料喷嘴12的稀释剂。通过调节在燃料喷嘴中混合的成分，控制器38可改变在燃烧器20中的燃烧状态，因此导致在燃料喷嘴12的一个或多个中所检测到的火焰熄灭。此外，控制器38可选择性地控制一个或多个流体喷射孔(例如，空气、燃料、稀释剂等)，该流体喷射孔具体地取向成用以减少或消除助长回火或火焰稳定的状态，或者是减少或消除回火或火焰稳定的实际事件。例如，如下文所述，控制器38可选择性地启动和/或调制流体流过这些流体喷射孔，用以消除低速区域，形成交叉流动，或大体扰乱燃料喷嘴12内的火焰和将其吹灭。
图2显示了在图1中示意性地绘出的涡轮系统10的实施例的截面侧视图，该涡轮系统10可采用如上文所述的流体喷射孔。涡轮系统10包括位于一个或多个燃烧器20内的一个或多个燃料喷嘴12。运行中，空气穿过空气进口32进入涡轮系统10且可在压缩机28中受到加压。压缩空气然后可与燃料相混合以便在燃烧器20内燃烧。例如，燃料喷嘴12可采用适合于最优的燃烧、排放物、燃料消耗以及动力输出的比率喷射燃料-空气混合物到燃烧器20中。燃烧产生热的加压排出气体，该排出气体然后驱动在涡轮24内的一个或多个叶片用以旋转轴26且因此旋转压缩机28和负载30。涡轮叶片40的旋转导致轴26旋转，从而导致压缩机28内的叶片42汲取由进口32所接收的空气且对其加压。
图3示出了具有多个燃料喷嘴12的燃烧器20的实施例的剖面侧视图，该燃料喷嘴12可分别采用流体喷射孔来消除低速区域，形成交叉流动，或大体上扰乱燃料喷嘴12内的火焰和将其吹灭。在一些实施例中，燃烧器20的头端44包括端盖46。另外，燃烧器20的头端44可包括燃烧器帽盖组件48，该帽盖组件48隔离燃烧室50并收容燃料喷嘴12。燃料喷嘴12引导燃料、空气和其它流体通向燃烧器20。在图中，多个燃料喷嘴12附接到端盖46上，靠近燃烧器20的基部，并穿过燃烧器帽盖组件48。例如，燃烧器帽盖组件48接收一个或多个燃料喷嘴12并形成燃烧边界。各燃料喷嘴12均有助于混合加压空气和燃料并引导混合物穿过燃烧器帽盖组件48进入燃烧器20的燃烧室50中。燃料-空气混合物然后可在燃烧室50中燃烧，从而形成热的加压排出气体。这些加压排出气体驱动涡轮24内的叶片40旋转。燃烧器20包括流动套筒52和形成燃烧室50的燃烧器衬套54。在一些实施例中，流动套筒52和衬套54彼此共轴或同心用以限定中空的环形空间56，该环形空间56可允许空气通过以便冷却并进入到燃烧区50(例如，经由衬套54和/或燃料喷嘴12中的穿孔)中。衬套54的设计提供了燃料-空气混合物朝向涡轮24沿着定向线60通向过渡件58(例如，收敛区段)的最优流动。例如，燃料喷嘴12可将加压燃料-空气混合物分配到燃烧室50中，在其中发生混合物的燃烧。最终形成的排出气体沿着定向线60流过过渡件58通向涡轮24，导致涡轮24的叶片40连同轴26一起旋转。
在该过程期间，经由在燃烧室50中的燃烧所产生的火焰可能会回火，例如，火焰可从燃烧室50传播到燃料喷嘴12的一个或多个中。为了帮助从燃料喷嘴除去该火焰，可结合流体(例如，空气、燃料、水、稀释剂等)喷射孔采用控制器38来减少或消除助长燃料喷嘴12中的回火和火焰稳定的状态。也就是说，流体喷射孔例如可经由高速喷射流体到可能出现火焰的低速区域中而减少低速区域，用以产生火焰不太可能得以维持的高速区域。
图4是燃料喷嘴12(如图3中所示)，以及压缩机28、空气源16、火焰监控器34、传感器36和控制器38的方框图。如上文所述，压缩机28可提供压缩空气至空气源16，该空气源16可引向仓室62以及位于喷嘴12上游66部分的喷嘴空气进口64二者。另外，稀释剂可从稀释剂源18沿着喷嘴12的中心本体部分68(例如，环形本体)中的流体通路(由定向箭头67所示)进行引导。该流体通路67可操作用以冷却从燃料源14沿着位于喷嘴12中心本体68中的燃料通道70(例如，环形通道)内的燃料通路(由定向箭头69所示)进行传送的燃料。如将在下文阐述的那样，稀释剂、燃料和空气可混合以形成燃烧混合物(例如，燃料-空气混合物)用于在燃烧室50中燃烧。
如图所示，喷嘴12可包括一个或多个涡流导叶72。各涡流导叶72均可以是中空本体，例如，中空翼型本体，其可在燃料喷嘴12内引起涡流流动。因此，燃料喷嘴12可鉴于该涡流特征而描述为涡流喷嘴(swozzle)。应注意的是，燃料喷嘴12的各个方面可参考轴向方向或轴线73、径向方向或轴线74和周向方向或轴线75进行描述。例如，轴线73对应于纵向中心线或纵向方向，轴线74对应于相对于纵向中心线的横向或径向方向，以及轴线75对应于围绕纵向中心线的周向方向。
燃料可沿轴向73流经燃料通道70直至其邻接燃料通道70中的壁76。一旦邻接壁76，燃料可沿径向74流动到中空涡流导叶72的燃料隔间78中并且可经由燃料孔80(例如，燃料喷射孔)离开燃料隔间78进入包绕涡流导叶72的混合区域中。在该混合区域，燃料与引自空气源16沿着定向箭头81运动的压缩空气相互作用。如上文所述，该燃料-空气混合物可通过涡流导叶72而涡动，以有助于混合燃料和空气以便合适地燃烧。
如上文所示，回火可出现在燃料喷嘴12中，具体出现在燃料喷嘴12的下游部分82中。为了减少发生回火，流体喷射孔84(例如，空气喷射孔)可用来喷射流体(例如，空气)到燃料喷嘴12的下游部分82中。这些喷射孔84例如可具有直径大约小于燃料孔80直径的80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％或10％。流体喷射孔84可包括在涡流导叶72的流体隔间86中、在仓室62中，和/或在燃料喷嘴12的中心本体68中。喷射自这些孔84的流体(例如，空气)可关于定向流动线81成角度或交叉。应注意到的是，孔84例如可喷射空气到燃料喷嘴12中。作为备选，也可代替或结合经由孔84所喷射的空气采用其它流体如氮气、水和/或燃料。因此，直接从凹入面上的涡流导叶后缘之前以及从中心本体和外壁所喷射的流体可相对于主要空气的定向流81沿着定向箭头81以大约小于20度和30度至90度的角度进入喷嘴12的下游部分82。在实施例中，流体可相对于主要空气的定向流81沿着定向箭头81以大约小于20度或大约在30度至90度之间的角度进入喷嘴12的下游部分82。如可看到的那样，输送至中心本体68(例如，毂)上的孔84的空气可穿过导叶72的流体隔间86，而仓室62可提供空气至燃料喷嘴12的外壁88(例如，环形壁)上的孔84。应注意的是，中心本体68和外壁88相对于彼此可共轴或同心。中心本体68上的孔84可经由沿着定向线67行进的稀释剂接收流体。此外，输送至中心本体68上的孔84的空气可联接到输送管上，该输送管连接到外壁88孔84的空气输送管上。在一个实施例中，可调阀可安放在输送管之间，该输送管可由控制器38进行控制，用以在从火焰监控器34接收到已在燃料喷嘴12中检测到火焰的指示时调节对于各个输送管的流体流(例如，空气流)率。控制器38还可操作主要空气阀90用以控制空气不但流动到燃料喷嘴12的上游部分66而且流动到传送至仓室62以便输送到孔84的空气(或流体)中。
应注意的是，流体(或空气)可持续流过孔84，或空气可进行调制(例如，脉动)。作为备选，流体可处于“切断”状态，且之后在检测到火焰时转至“接通”。如果流体持续流过孔84，当需要高速射流来熄灭火焰时可使其增加。例如，经过射流的流速可增加至沿着定向线81的主要空气流的速度的大约1.25、1.3、1.5、1.75、2、2.5、3、3.5或更大倍。类似的是，如果流体在先前未流动时经引导穿过孔84，则流体可以沿着定向线81的主要空气流的速度大约1.05或更大倍的速度流动。
如果来自于孔84的流体是脉动的，则其可采用近似小于20Hz的频率进行调制。对离开孔84的流体的调制可近似小于10Hz。在其它的实施例中，对离开孔84的流体的调制可近似为1、2、3、4、5、6、7、8、9或10Hz。此种调制可足以改变喷嘴中的火焰状态，以将任何火焰从燃料喷嘴的下游区域82(例如，导叶72的下游)分开。还应注意的是，离开孔的流体的速度以或连续或调制的方式可以是主要空气流的速度的大约1.25、1.3、1.5、1.75、2、2.5、3、3.5或更大倍。另外，离开孔的流体的速度以或连续或调制的方式可以是主要空气流的速度的大约1.3倍至3倍。
图5是在图4的弧形线5-5内所截取的燃料喷嘴12预混合器区段92的实施例的透视剖视图。预混合器92包括围绕喷嘴中心本体68沿周向75设置的涡流导叶72，其中，导叶72从喷嘴中心本体68沿径向74向外延伸至外壁88。如图所示，各涡流导叶72均为中空本体，例如中空翼型本体，具有燃料隔间78、流体隔间86，以及位于隔间78和隔间86之间的分隔件94。燃料经由燃料孔80离开燃料隔间78。
控制器38可操作用以防止或主动消除喷嘴12中的火焰。例如，在由火焰监控器34检测到在燃料喷嘴12中回火或火焰稳定的情况下，控制器38可调节经由一个或多个阀流过喷射孔84的空气，如先前所述。喷射孔84可提供熄灭力，该力可用作校正措施来消除回火或火焰稳定。具体而言，热破坏可发生在涡流导叶72的下游端部分96(例如，下游末梢)处。因此，通过将喷射孔84定位成邻近该端部分96，可减少或消除对涡流导叶72的热破坏并且还可降低对燃料喷嘴12(例如，更上游66)的任何进一步破坏的可能性。
在所示实施例中，预混合器92包括八个涡流导叶72，这些涡流导叶围绕喷嘴中心本体68的圆周75以45度增量相等地间隔开。在一些实施例中，预混合器92可包括以相等或不同增量围绕喷嘴中心本体68的圆周75设置的任意数目的涡流导叶72(例如，8个或10个)。涡流导叶72构造成用以使流动涡动，且因此引起燃料-空气混合。如图所示，各涡流导叶72均从上游端部分98至下游端部分96翘曲或弯曲。具体而言，上游端部分98大体上取向在沿轴线73的轴向方向上，而下游端部分96则大体上成角度的、弯曲的或定向成沿着轴线73远离轴向方向。例如，下游端部分96可相对于上游端部分98成大约5度至60度的角度，或大约10度至45度的角度。结果，各个涡流导叶72的下游端部分96偏压或引导流动到围绕轴线73的旋转通路中(例如，涡流流动)。此种涡流流动增强了燃料-空气在输送到燃烧器20中之前在燃料喷嘴12内的混合。
另外，一个或多个喷射孔84可设置在导叶72上位于下游端部分96处，以及中心本体68和/或外壁88上。例如，这些喷射孔84可具有大约40mil(密耳)的直径(例如，50mil直径燃料孔的80％)、45mil或50mil的直径。各涡流导叶72均可包括1、2、3或更多个喷射孔84，以及在10个涡流导叶的情况下，可在导叶后缘上具有10个喷射孔84，或在中心本体68上和/或在外壁88(例如，在仓室62内并沿着外壁88)具有更多喷射孔84。
此外，各喷射孔84均可取向在沿着轴线73的轴向方向上，和/或在沿着轴线74的径向方向上。换言之，各喷射孔84均可相对于涡流导叶72和/或中心本体68和外壁88的表面具有简单或复合的角度。例如，喷射孔84可相对于主要空气的定向流81以大约小于20度以及30度至90度的角度致使空气流动到预混合器92中。使喷射孔84以这种方式成角度可允许更为完全地熄灭预混合器92中的任何火焰。因此，流体经由喷射孔84的喷射可平行于主要燃料-空气流，或相对于纵向轴线和相对于主要燃料-空气流交叉。以这种方式，孔84可经由喷射空气、水、氮气、燃料或另一流体到喷嘴12中减少或消除助长回火和火焰稳定(例如，低速区域)的状态。
图6是燃料喷嘴12的透视剖视图。如图6中所示，燃料喷嘴可包括仓室62、中心本体68、导叶72、燃料孔80，以及外壁88。中心本体68可包括将燃料隔间102与流体隔间104分隔开的分隔件100。燃料隔间102可接收来自于燃料源14的燃料且可引导燃料穿过燃料出口106通向导叶72，且之后穿过孔80离开，如先前所述。流体隔间104可经由联接到导叶72的流体隔间86上的入口108接收来自于仓室62的空气。以这种方式，流体(例如，空气)可从仓室62流动，经过导叶72，并进入流体隔间104中。流体可沿着轴向方向73行进穿过流体隔间104，经由两个毂侧孔110(例如，它们可类似于先前关于图4所述的中心本体68中的喷射孔84)以及中心本体末梢孔112离开流体隔间104，以便继续与喷嘴12的燃料-空气混合物相混合。另外，护罩侧孔114(例如，它们可类似于先前关于图4所阐述的外壁88中的喷射孔84)，可采用以或连续或调制的方式喷射流体到燃料喷嘴12中以使火焰消散(如上文所述)。以这种方式，可由仓室66供送所有待喷射到燃料喷嘴12中以使燃料喷嘴12中的火焰熄灭的流体。
因此，孔84可相对于主要燃料-空气流经喷嘴的方向以大致平行或纵向交叉的方式喷射流体如空气、稀释剂(例如，水、氮气等)和/或燃料。喷射可发生自中心本体68、导叶72和/或外壁88(例如，在仓室62中)。流体例如可沿径向向内、沿径向向外、沿轴向或以相对于燃料喷嘴12纵向轴线的特定角度进行引导。另外，控制器38仅当在燃料喷嘴12的特定区域中检测到火焰时可触发喷射和/或喷射可一直发生以及当在那些区域中检测到火焰时可提高速度。也就是说，控制器可采用基线流率增加经由孔的流动(例如，使得经由孔84所喷射的流体的速度提高大约50％、100％、150％、200％或更多)，或控制器可控制对经由孔84的流体流的调制(例如，脉动)。
本书面描述采用包括最佳模式的实例来公开本发明，并且还使得本领域普通技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何相结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求所限定，并且可包括本领域普通技术人员所想到的其它实例。如果此类其它实例具有与权利要求的文字语言并无不同的结构元件或如果此类其它实例包括与权利要求的文字语言无实质区别的同等结构元件，则认为此类其它实例落在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种系统，包括：
涡轮燃烧器燃料喷嘴(12)，其包括：
空气通路(67)；
燃料通路(69)；
燃料-空气混合物区域(92)，其接收来自于所述空气通路(67)的空气(31)和接收来自于所述燃料通路(69)的燃料(14)；以及
流体喷射孔(84)，其构造成用以响应于检测到表示火焰在所述涡轮燃烧器燃料喷嘴(12)内的状态而在所述燃料-空气混合物区域(92)中喷射流体。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括设置在所述燃料-空气混合物区域(92)中的涡流导叶(72)。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流体喷射孔(84)取向成相对于沿着所述涡轮燃烧器燃料喷嘴(12)的轴线的轴向流动方向(73)交叉。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述流体喷射孔(84)相对于沿着所述涡轮燃烧器燃料喷嘴(12)的轴线的所述轴向流动方向(73)以在大约30度至90度之间的角度定向。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流体喷射孔(84)相对于沿着所述涡轮燃烧器燃料喷嘴(12)的轴线的轴向流动方向(73)的轴线从成角度的导叶(72)凹入面以至少小于大约20度的角度定向。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括构造成用以检测表示火焰的状态的传感器(36)，其中，所述传感器(36)设置在所述涡轮燃烧器燃料喷嘴(12)内。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述传感器(36)包括压力传感器、温度传感器、光学传感器或它们的组合。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流体喷射孔(84)包括构造成以相比于经过所述燃料-空气混合物区域(92)的燃料-空气流更大的速度、或以调制频率或它们的组合喷射如所述流体那样的空气(31)的喷射孔(84)。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流体喷射孔(84)构造成用以喷射如所述流体那样的不可燃烧的流体。
10.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涡轮燃烧器燃料喷嘴(12)的燃烧器(20)，具有所述涡轮燃烧器燃料喷嘴(12)的涡轮发动机(10)，或它们的组合。
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DE (1) DE102010016616A1 (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102620938A (zh) * 2012-04-09 2012-08-01 北京理工大学 活塞式发动机回火检测装置及回火试验方法
CN103015358A (zh) * 2011-09-23 2013-04-03 金朝晖 用于除冰雪的燃气发生器和相应的除冰雪设备
CN103363549A (zh) * 2012-04-05 2013-10-23 通用电气公司 一种燃烧器以及用于向燃烧器供应燃料的方法
CN103453554A (zh) * 2012-05-30 2013-12-18 通用电气公司 用于在涡轮发动机中使用的燃料喷射组件及其组装方法
CN104534474A (zh) * 2014-12-08 2015-04-22 北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司 一种燃气轮机及应用该燃气轮机检测回火的方法
CN109416179A (zh) * 2016-12-20 2019-03-01 三菱重工业株式会社 主喷嘴、燃烧器和主喷嘴的制造方法
CN111322637A (zh) * 2018-12-14 2020-06-23 通用电气公司 旋转爆震推进系统
CN113557392A (zh) * 2019-04-05 2021-10-26 三菱动力株式会社 燃烧器及燃气轮机

Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8024932B1 (en) * 2010-04-07 2011-09-27 General Electric Company System and method for a combustor nozzle
US8418469B2 (en) * 2010-09-27 2013-04-16 General Electric Company Fuel nozzle assembly for gas turbine system
US20120125004A1 (en) * 2010-11-19 2012-05-24 General Electric Company Combustor premixer
WO2012075110A1 (en) * 2010-11-30 2012-06-07 Fives North American Combustion, Inc. Premix flashback control
US8307660B2 (en) * 2011-04-11 2012-11-13 General Electric Company Combustor nozzle and method for supplying fuel to a combustor
US20130040254A1 (en) * 2011-08-08 2013-02-14 General Electric Company System and method for monitoring a combustor
US20130189632A1 (en) * 2012-01-23 2013-07-25 General Electric Company Fuel nozzel
US20130219899A1 (en) * 2012-02-27 2013-08-29 General Electric Company Annular premixed pilot in fuel nozzle
US20130327050A1 (en) * 2012-06-07 2013-12-12 General Electric Company Controlling flame stability of a gas turbine generator
US9441835B2 (en) * 2012-10-08 2016-09-13 General Electric Company System and method for fuel and steam injection within a combustor
US9297535B2 (en) * 2013-02-25 2016-03-29 General Electric Company Fuel/air mixing system for fuel nozzle
US9377202B2 (en) 2013-03-15 2016-06-28 General Electric Company System and method for fuel blending and control in gas turbines
US9382850B2 (en) * 2013-03-21 2016-07-05 General Electric Company System and method for controlled fuel blending in gas turbines
US20150075170A1 (en) * 2013-09-17 2015-03-19 General Electric Company Method and system for augmenting the detection reliability of secondary flame detectors in a gas turbine
JP6191918B2 (ja) * 2014-03-20 2017-09-06 三菱日立パワーシステムズ株式会社 ノズル、バーナ、燃焼器、ガスタービン、ガスタービンシステム
US10370987B2 (en) 2014-04-03 2019-08-06 Mitsubishi Hitachi Power Systems, Ltd. Blade or vane row and gas turbine
JP6177187B2 (ja) * 2014-04-30 2017-08-09 三菱日立パワーシステムズ株式会社 ガスタービン燃焼器、ガスタービン、制御装置及び制御方法
US10480792B2 (en) * 2015-03-06 2019-11-19 General Electric Company Fuel staging in a gas turbine engine
US10591164B2 (en) 2015-03-12 2020-03-17 General Electric Company Fuel nozzle for a gas turbine engine
JP6626743B2 (ja) * 2016-03-03 2019-12-25 三菱重工業株式会社 燃焼装置及びガスタービン
JP6611341B2 (ja) * 2016-03-30 2019-11-27 三菱重工業株式会社 燃焼器、及びガスタービン
JP2017186950A (ja) * 2016-04-05 2017-10-12 三菱日立パワーシステムズ株式会社 ガスタービン燃焼器
US10234142B2 (en) * 2016-04-15 2019-03-19 Solar Turbines Incorporated Fuel delivery methods in combustion engine using wide range of gaseous fuels
CN107304711B (zh) * 2016-04-22 2021-03-05 罗伯特·博世有限公司 天然气发动机系统及其回火检测单元和方法
US11187414B2 (en) * 2020-03-31 2021-11-30 General Electric Company Fuel nozzle with improved swirler vane structure
EP4075065A1 (en) * 2021-04-13 2022-10-19 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Method for operation of a gas turbine

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0777081A2 (de) * 1995-12-02 1997-06-04 Abb Research Ltd. Vormischbrenner
US20040088997A1 (en) * 2000-12-16 2004-05-13 Alstom (Switzerland) Ltd. Method for operating a premix burner
US6786047B2 (en) * 2002-09-17 2004-09-07 Siemens Westinghouse Power Corporation Flashback resistant pre-mix burner for a gas turbine combustor
US20080083229A1 (en) * 2006-10-06 2008-04-10 General Electric Company Combustor nozzle for a fuel-flexible combustion system
EP1923633A2 (en) * 2006-11-17 2008-05-21 Delavan Inc. Active combustion control system for gas turbine engines

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5199265A (en) * 1991-04-03 1993-04-06 General Electric Company Two stage (premixed/diffusion) gas only secondary fuel nozzle
JP3192041B2 (ja) * 1993-10-26 2001-07-23 株式会社日立製作所 ガスタービンの燃焼装置及びその制御方法
US6530223B1 (en) * 1998-10-09 2003-03-11 General Electric Company Multi-stage radial axial gas turbine engine combustor
JP2001108237A (ja) * 1999-10-07 2001-04-20 Hitachi Ltd ガスタービン燃焼装置
US7165405B2 (en) * 2002-07-15 2007-01-23 Power Systems Mfg. Llc Fully premixed secondary fuel nozzle with dual fuel capability
US6698207B1 (en) * 2002-09-11 2004-03-02 Siemens Westinghouse Power Corporation Flame-holding, single-mode nozzle assembly with tip cooling
JP3940705B2 (ja) * 2003-06-19 2007-07-04 株式会社日立製作所 ガスタービン燃焼器及びその燃料供給方法
US7506511B2 (en) * 2003-12-23 2009-03-24 Honeywell International Inc. Reduced exhaust emissions gas turbine engine combustor
US7185494B2 (en) * 2004-04-12 2007-03-06 General Electric Company Reduced center burner in multi-burner combustor and method for operating the combustor
US7197880B2 (en) * 2004-06-10 2007-04-03 United States Department Of Energy Lean blowoff detection sensor
US7278266B2 (en) * 2004-08-31 2007-10-09 General Electric Company Methods and apparatus for gas turbine engine lean blowout avoidance
US7721553B2 (en) * 2006-07-18 2010-05-25 Siemens Energy, Inc. Method and apparatus for detecting a flashback condition in a gas turbine
US20080078183A1 (en) * 2006-10-03 2008-04-03 General Electric Company Liquid fuel enhancement for natural gas swirl stabilized nozzle and method
EP2023041A1 (de) * 2007-07-27 2009-02-11 Siemens Aktiengesellschaft Vormischbrenner und Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners
US7980082B2 (en) * 2007-08-01 2011-07-19 General Electric Company Wobbe control and enhanced operability through in-line fuel reforming
US9353947B2 (en) * 2009-06-11 2016-05-31 General Electric Company Combustor flashback/flame holding detection via temperature sensing
US20110232296A1 (en) * 2010-03-24 2011-09-29 General Electric Company Optical fuel nozzle flashback detector
US8725384B2 (en) * 2012-02-10 2014-05-13 General Electic Company Detection system and method to detect flame holding event

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0777081A2 (de) * 1995-12-02 1997-06-04 Abb Research Ltd. Vormischbrenner
US20040088997A1 (en) * 2000-12-16 2004-05-13 Alstom (Switzerland) Ltd. Method for operating a premix burner
US6786047B2 (en) * 2002-09-17 2004-09-07 Siemens Westinghouse Power Corporation Flashback resistant pre-mix burner for a gas turbine combustor
US20080083229A1 (en) * 2006-10-06 2008-04-10 General Electric Company Combustor nozzle for a fuel-flexible combustion system
EP1923633A2 (en) * 2006-11-17 2008-05-21 Delavan Inc. Active combustion control system for gas turbine engines

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103015358A (zh) * 2011-09-23 2013-04-03 金朝晖 用于除冰雪的燃气发生器和相应的除冰雪设备
CN103015358B (zh) * 2011-09-23 2016-05-04 金朝晖 用于除冰雪的燃气发生器和相应的除冰雪设备
CN103363549B (zh) * 2012-04-05 2016-08-03 通用电气公司 一种燃烧器以及用于向燃烧器供应燃料的方法
CN103363549A (zh) * 2012-04-05 2013-10-23 通用电气公司 一种燃烧器以及用于向燃烧器供应燃料的方法
CN102620938B (zh) * 2012-04-09 2014-07-09 北京理工大学 活塞式发动机回火检测装置及回火试验方法
CN102620938A (zh) * 2012-04-09 2012-08-01 北京理工大学 活塞式发动机回火检测装置及回火试验方法
CN103453554A (zh) * 2012-05-30 2013-12-18 通用电气公司 用于在涡轮发动机中使用的燃料喷射组件及其组装方法
CN104534474B (zh) * 2014-12-08 2018-02-09 北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司 一种燃气轮机及应用该燃气轮机检测回火的方法
CN104534474A (zh) * 2014-12-08 2015-04-22 北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司 一种燃气轮机及应用该燃气轮机检测回火的方法
CN109416179A (zh) * 2016-12-20 2019-03-01 三菱重工业株式会社 主喷嘴、燃烧器和主喷嘴的制造方法
US10969101B2 (en) 2016-12-20 2021-04-06 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Main nozzle, combustor, and method for manufacturing main nozzle
CN111322637A (zh) * 2018-12-14 2020-06-23 通用电气公司 旋转爆震推进系统
US11898757B2 (en) 2018-12-14 2024-02-13 General Electric Company Rotating detonation propulsion system
CN113557392A (zh) * 2019-04-05 2021-10-26 三菱动力株式会社 燃烧器及燃气轮机
CN113557392B (zh) * 2019-04-05 2022-12-02 三菱重工业株式会社 燃烧器及燃气轮机
US11767977B2 (en) 2019-04-05 2023-09-26 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Combustor and gas turbine

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Publication number Publication date
DE102010016616A1 (de) 2011-01-13
US20110005189A1 (en) 2011-01-13
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JP2011017334A (ja) 2011-01-27

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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20110119