CN102032575A - 用于燃气涡轮机喷嘴的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮机喷嘴的装置和方法，具体而言，一种喷嘴(12)包括进口(34)、出口(36)和轴向中心线(44)。护罩(42)环绕从进口(34)向出口(36)延伸的轴向中心线(44)，并且限定圆周。接近进口(34)的圆周大于在进口(34)的下游的第一点处的圆周，并且在进口(34)的下游的第一点处的圆周小于在第一点的下游的第二点处的圆周。一种用于通过喷嘴(12)供应燃料的方法沿着第一路径引导第一空气流，并且沿着第二路径引导第二空气流。该方法还包括将燃料喷入第一路径或第二路径中的至少一个路径，并且加速第一空气流或第二空气流中的至少一个空气流。

Description

用于燃气涡轮机喷嘴的装置和方法

技术领域

本发明一般地涉及用于将燃料供应至燃气涡轮机的装置和方法。具体地，本发明包括可用在燃气涡轮机中的燃烧器中的特型喷嘴(contoured nozzle)。

背景技术

燃气涡轮机广泛用在用于动力生产的商业运行中。在较高的温度下运行燃气涡轮机通常增加了燃气涡轮机的热力学效率。然而，如果燃料和空气未在燃烧之前很好地混合，则较高的运行温度常在燃烧器中靠近喷嘴出口处产生局部热点。局部热点可增加火焰回闪(flash back)和驻焰(flame holding)的可能性。对任何燃料均可发生火焰回闪和驻焰，并且尤其与高反应性燃料(例如氢燃料)相关。高反应性燃料具有比具有低反应性的燃料高得多的燃烧速度和宽得多的可燃性范围。在运行期间应避免火焰回闪和驻焰，因为在此类事件中喷嘴可被烧毁。另外，不均匀的燃料/空气混合和局部热点增加了NOx的产生，并且不均匀燃料/空气混合和局部热点增加了一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物的排放，所有这些都是不期望的废气排放。

存在多种技术以允许较高的运行温度，同时最小化局部热点和非期望的排放。例如，已经开发出许多喷嘴以在燃烧之前更均匀地混合燃料和工作流体。更均匀的燃料混合允许燃气涡轮机在接近完全预混合的燃烧下运行，该运行产生较少的热点并且产生较低的排放。当火焰燃烧速度高于局部流速时，发生驻焰和火焰回闪。为预防驻焰或火焰回闪，需要增加流速，这常要求跨越喷嘴的额外的压降，并且跨越喷嘴的该压降降低了燃气涡轮机的总热力学效率。

因此，存在对改进的喷嘴的持续需求，该喷嘴可支持日益增高的燃烧温度和高反应燃料，同时最小化局部热点、驻焰以及跨越喷嘴的压降。

发明内容

本发明的各方面和优点在以下描述中阐明，或可通过描述而变得显而易见，或可通过发明的实践来获悉。

本发明的一个实施例为包括轴向中心线和设置在该轴向中心线周围的中心体的喷嘴。该中心体包括前缘和在前缘的下游的后缘。护罩环绕中心体并限定圆周。该喷嘴进一步包括在中心体和护罩之间的多个叶片，并且接近中心体的前缘的护罩的圆周大于接近中心体的后缘的护罩的圆周。

在本发明的另一实施例中，喷嘴包括进口、在进口下游的出口和在进口和出口之间的轴向中心线。该喷嘴进一步包括护罩，该护罩环绕轴向中心线，从进口向出口延伸，并且限定圆周。接近进口的护罩的圆周大于在进口的下游的第一点处的护罩的圆周，并且在进口的下游的第一点处的护罩的圆周小于在第一点的下游的第二点处的护罩的圆周。

本发明的另一个实施例包括一种用于通过喷嘴供应燃料的方法。该方法包括引导第一空气流沿着第一路径通过喷嘴的轴向中心线，引导第二空气流沿着第二路径越过多个叶片，以及将第一路径从第二路径分开。该方法还包括将燃料喷入第一路径或第二路径中的至少一个路径，并且加速第一空气流或第二空气流中的至少一个空气流。

在查看了说明书之后，那些本领域技术人员将更好地领会此类实施例的特性和各方面，以及其它。

附图说明

本发明的完全且使能的公开，包括对本领域技术人员的最佳模式更详尽地在说明书的剩余部分中阐明，包括对附图的参考，其中：

图1是具有在本发明的范围内的喷嘴的燃气涡轮机的简化横截面；

图2是沿着线A-A所取的图1中所示喷嘴的简化平面图；

图3是在图1中所示喷嘴的简化透视横截面；以及

图4是在本发明的范围内的旋流器叶片的一个实施例的横截面。

部件列表

10 燃气涡轮机

12 喷嘴

14 压缩机

16 燃烧器

18 涡轮

20 转子

22 压缩机排放气室

24 衬里

26 燃烧室

28 反应区域

30 过渡件

32 顶盖

34 喷嘴进口

36 喷嘴出口

38 中心体

40 旋流器叶片

42 护罩

44 轴向中心线

46 中心体前缘

48 中心体后缘

50 旋流器叶片前缘

52 旋流器叶片后缘

54 旋流器叶片内部通道

56  燃料输入孔

58 第一点

60 第二点

62 圆柱

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例，一个或多个该发明的示例在附图中图示。详细的描述使用数字和字母标号来指代图中的特征。在图中类似或相似的标号和描述已用于指代本发明的类似或相似的部件。

各示例通过对本发明的说明而非对本发明的限制来提供。实际上，对于那些本领域中的技术人员来说显而易见的是，可对本发明进行修改和变化而不背离其范围或精神。例如，图示或描述为一个实施例的一部分的特征可用在另一实施例上以产生又另一个实施例。因此，其意图在于本发明覆盖此类在所附权利要求书及其等价物的范围内的修改和变化。

图1显示了具有在本发明的范围内的喷嘴12的燃气涡轮机10。该燃气涡轮机10通常包括在前部的压缩机14，在中部周围的一个或多个燃烧器16，以及在后部的涡轮18。压缩机14和涡轮18可共享共同的转子20。

压缩机14通过压缩工作流体以将其带至高度赋能状态来赋予工作流体(空气)动能。受压缩的工作流体离开压缩机14并且通过压缩机排放气室22流向燃烧器16。衬里24环绕各燃烧器16并且限定燃烧室26。喷嘴12将燃料和受压缩的工作流体在下游的混合区域28中混合。可能的燃料包括高炉煤气、焦炉煤气、天然气、汽化的液化天然气(LNG)、氢以及丙烷。燃料和工作流体的混合物流向燃烧室26，在此处其点燃以产生具有高的温度和压力的燃烧气体。燃烧气体通过过渡件30流向涡轮18，在此处它们膨胀以产生功。

图2显示了图1中所示的喷嘴12沿着线A-A所取的简化平面图，并且图3显示了图1中所示的喷嘴12的简化透视横截面。如图2和3中所示，顶盖32为喷嘴12提供结构性支承。喷嘴12以多种几何形状排列在顶盖32上，例如六个喷嘴12环绕着单独的喷嘴12，如图2中所示。另外的几何形状包括七个喷嘴环绕单独的喷嘴或根据特定设计需要的任何合适的形状。各喷嘴12包括进口34和在进口34的下游(即在空气流的方向上)的出口36。各喷嘴12可进一步包括中心体38，多个旋流器叶片40和/或护罩42。

中心体38在形状上通常为圆形，并且设置在喷嘴12的轴向中心线44周围，尽管中心体38的特殊形状和同心性并不是在本发明的范围内的每个实施例的必要条件。中心体38包括接近喷嘴12的进口34的前缘46和在前缘46的下游(即在空气流的方向上)的后缘48。前缘46可倒圆以最小化经过中心体38的任一侧的空气流的任何分裂。后缘48可在一个点处终结以最小化经过中心体38的燃料和空气混合物的任何回流。前缘46和后缘48的组合可因此对中心体38限定翼型件形状。

旋流器叶片40在中心体38和护罩42之间延伸。各喷嘴12通常包括三到十二个旋流器叶片40，尽管本发明的范围取决于特定的设计需要而包括任意数目的旋流器叶片40。

图4显示了在本发明范围内的旋流器叶片40的一个实施例的横截面。与关于中心体38一样，各旋流器叶片40包括接近喷嘴12的进口34的前缘50和在前缘50的下游(即在空气流的方向上)的后缘52。前缘50可倒圆并且包括圆角，在该圆角处前缘连接到中心体38和护罩42上以最小化通过旋流器叶片40的任一侧的空气流的任何分裂。后缘52可在一个点处终结以最小化跨越旋流器叶片40的燃料和空气混合物的任何回流。前缘50和后缘52的组合可因此对旋流器叶片40限定翼型件形状。

如图4中所示，旋流器叶片40可进一步包括为通过护罩42、旋流器叶片40和中心体38的燃料流提供流体连通的内部通道54或空腔。位于中心体38的任一侧、旋流器叶片40的任一侧和/或在护罩42的内侧上的燃料输入孔56可用于将燃料喷入空气流。燃料输入孔56的直径可在大约0.010英寸和0.080英寸之间，并且燃料输入孔56可相对于轴向中心线44成大约25度到90度的角度。燃料输入孔56的直径和角度联合以确保燃料充分地渗入气流，并防止燃料简单地沿着中心体38、旋流器叶片40和/或护罩42流动。燃料输入孔56的直径和角度还联合以确保局部驻焰的可能性最小化。

旋流器叶片40可与轴向中心线44对齐来使进入下游混合区域28的空气流稳定。在备选实施例中，旋流器叶片40的后缘52可相对于轴向中心线44成多达大约60度的角度，以在通过旋流器叶片40的空气流上赋予漩涡运动。由旋流器叶片40赋予的漩涡运动在离开旋流器叶片40的漩涡空气流和离开中心体38的非漩涡空气流之间产生剪切力。此剪切力促进燃料和受压缩的工作流体在下游的混合区域28中的改善的混合，潜在地允许更短的喷嘴12，该喷嘴12减少了压力损失、原料和制造成本。驻焰和回闪的余量也将得到改善。

护罩40环绕着中心体38和轴向中心线44，从进口34延伸到出口36，并且限定了圆周。当受压缩的工作流体进入喷嘴12时，中心体38沿着第一路径通过中心体38的内部、并沿着轴向中心线44引导第一空气流。护罩40和中心体38联合以沿着与第一路径分开的在护罩40和中心体38之间的第二路径引导第二空气流，并穿过旋流器叶片40。第一空气流与在中心体38的后缘48的下游的第二空气流以及喷入的燃料结合以产生混合物流。该混合物流前进至下游的混合区域28，在此处燃料和受压缩的工作流体在离开出口36并且进入燃烧室26之前继续混合。

护罩42的圆周通常从进口34到出口36变化，首先减小且然后增加，给予护罩40类似于文氏管的轮廓。在特定的实施例中，在进口34处的圆周和在出口36处的圆周可尺寸设置为在进口34和出口36处产生大致相等的横截面积，以最小化跨越喷嘴12的压降，并且最大化流通面积。

护罩42的圆周在进口34或中心体38的前缘46附近开始减小，并且继续减小直至到达在进口34的下游的第一点58。第一点58的精确位置可根据特定实施例的设计需要轻微变化，但其通常接近或在中心体38的后缘48的稍微下游处。接近进口34或中心体38的前缘46的圆周因此大于接近中心体38的后缘48的圆周。

在进口34和第一点58之间的圆周的减小与旋流器叶片40和中心体38的锥形形状相符。圆周上的此减小降低了用于第一和/或第二空气流的横截面积，导致第一和/或第二空气流的对应的加速或速度上的增加。在一些实施例中，预期从进口34到第一点58的圆周的减小可增加空气流速度两到三倍，从而降低了驻焰可能发生在燃料输入孔56附近和从燃料输入孔56到第一点58的下游的可能性。

护罩42的圆周从第一点58的下游开始增加直至其到达第二点60。第二点60的精确位置可在第一点58和出口36之间沿着护罩42的任何位置处，且实际位置依赖于特定实施例的设计需要。在第二点60处的圆周因此大于在第一点58处的圆周。

在第一点58和第二点60之间圆周的增加通常与下游混合区28的位置相符。圆周上的此增加增大了用于混合物流的横截面积，导致混合物流对应的减速或速度上的减少。相应地，流体压力损失得到恢复。

在图3中图示的实施例中，护罩42的圆周从第二点60到出口36保持不变。因此，护罩42限定了从第二点60到出口36的圆柱62。当混合物离开喷嘴12并且进入燃烧室26时，此不变的圆周使燃料和受压缩的工作流体的混合物的速度和压力稳定，从而降低火焰回闪可能发生在喷嘴12内的可能性。

本领域技术人员应领会的是，可以对在此处阐明的本发明的实施例进行修改和变化而不脱离由所附权利要求书及其等价物阐明的本发明的范围和精神。

Claims (10)

1.一种喷嘴(12)，包括：

a.轴向中心线(44)；

b.设置在所述轴向中心线(44)周围的中心体(38)，其中所述中心体(38)包括前缘(46)和在所述前缘(46)的下游的后缘(48)；

c.环绕所述中心体(38)并限定圆周的护罩(42)；

d.在所述中心体(38)和所述护罩(42)之间的多个叶片(40)；以及

e.其中接近所述中心体(38)的所述前缘(46)的所述护罩(42)的圆周大于接近所述中心体(38)的所述后缘(48)的所述护罩(42)的圆周。

2.根据权利要求1所述的喷嘴(12)，其特征在于，所述护罩(42)的圆周在所述中心体(38)的所述后缘(48)的下游的点处增加。

3.根据权利要求1或2的任一项所述的喷嘴(12)，其特征在于，所述护罩(42)限定在所述中心体(38)的所述后缘(48)的下游的圆柱。

4.根据权利要求1到3的任一项所述的喷嘴(12)，其特征在于，所述中心体(38)限定沿着所述轴向中心线(44)的至少一部分的流动路径。

5.根据权利要求1到4的任一项所述的喷嘴(12)，其特征在于，所述喷嘴还包括在所述中心体(38)、所述护罩(42)或所述多个叶片(40)中的至少一个中的多个燃料输入孔(56)。

6.一种通过喷嘴(12)供应燃料的方法，包括：

a.引导第一空气流沿着第一路径通过所述喷嘴(12)的轴向中心线(44)；

b.引导第二空气流沿着第二路径跨越多个叶片(40)；

c.将所述第一路径与所述第二路径分开；

d.将燃料喷入所述第一路径或所述第二路径中的至少一个路径；以及

e.加速所述第一空气流或所述第二空气流中的至少一个空气流。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括联合所述第一空气流和所述第二空气流以及喷入的燃料来产生混合物流。

8.根据权利要求6或7的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使所述混合物流减速。

9.根据权利要求6到8的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以相对于所述轴向中心线(44)大约25度到90度的角度将燃料喷入所述第一路径或所述第二路径中的至少一个路径。

10.根据权利要求6到9的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过具有大约0.01英寸到0.08英寸直径的多个燃料口喷射燃料。

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