CN102052682A - 次燃料喷嘴文丘里管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于燃烧器(100)的次燃料喷嘴组件(110)。该次燃料喷嘴组件(110)可包括衬套(120)，通往引燃器顶端(150)的燃料通道(140)，和从衬套(120)延伸且在引燃器顶端(150)下游的文丘里管(170)。

Description

次燃料喷嘴文丘里管
技术领域
本申请大体上涉及燃气轮机且更特别地涉及在次燃料喷嘴中使用文丘里管以允许减少的引燃流量。
背景技术
当前的干式低NOX(DLN)燃气轮机的设计大体上利用稀薄燃料-空气混合物操作。稀薄燃料-空气混合物包括与大量过量空气预混合的一定量的燃料，其在燃烧腔室中燃烧。可通过组合在次燃料喷嘴中心的扩散引燃与由次旋流器形成的漩涡而使火焰稳定。但是扩散引燃可为NOX排放的主要来源，NOX排放受美国联邦和州法规和国外类似法规限制。但如果在燃烧器管顶端处没有火焰附加器，通常不能减少到扩散引燃的气体流动。火焰附加器可对燃烧器管顶端和整个燃烧器的耐用性造成不利影响，因而通常必须维持通过扩散引燃的最小预定燃料流量。
因此需要在引燃管顶端无相关火焰保持和其它不利影响的情况下，减小引燃燃料流量。这种减小的引燃燃料流量将提供NOX排放减少以及提高燃烧器管耐用性。
发明内容
因此本申请提供用于燃烧器的次燃料喷嘴组件。次燃料喷嘴组件可包括衬套、通往引燃器顶端的燃料通道和从衬套延伸且在引燃器顶端下游的文丘里管。
本申请还提供一种燃烧器。该燃烧器可包括次燃料喷嘴组件和位于次燃料喷嘴组件下游的次燃烧腔室，其中，次燃料喷嘴组件具有位于其中的次燃料喷嘴组件文丘里管，次燃烧腔室具有位于其中的次燃烧腔室文丘里管。
本申请还提供减少次喷嘴引燃器顶端附近火焰保持的方法。该方法可包括以下步骤：使燃料通过次喷嘴引燃器顶端流动；使空气通过旋流器流动；将文丘里管定位于次喷嘴引燃器顶端的下游；使燃料流动和空气流动通过文丘里管收缩和膨胀；以及，在文丘里管附近形成回流区。
通过阅读下文的具体实施方式，当结合若干附图和所附权利要求书来理解时，本发明的这些和其它特点和改进对于本领域普通技术人员将会变得显而易见。
附图说明
图1示出已知的干式低NOX燃烧器的部分截面图。
图2示出已知的带有外部旋流器的燃烧器中心体的部分侧视截面图。
图3示出一种已知的次预混合扩散燃料喷嘴的部分截面图。
图4示出如本文描述的带有次文丘里管的燃料喷嘴侧视剖视图。
图5示出带图4的文丘里管燃料喷嘴的侧视截面图，示出回流图案。
部件列表
12 燃气轮机
14 压缩机
16 燃烧器
18 涡轮
20 过渡管
24 主燃烧腔室
26 次燃烧腔室
28 文丘里管
30 流动套筒
32 外壳体
34 涡轮壳体
36 主喷嘴
38 次喷嘴
40 后壁
42 旋流器
44 外壁
46 百叶窗
48 百叶窗
50 中心体
51 衬套
52 外旋流器
53 冷却孔
54 次旋流器
56 燃料喷嘴组件
58 后构件
60 外套筒
62 核芯部分
64 预混合通道
66 空气通道
68 空气通道
72 径向孔
74 气栓
76 开口
78 预混合区
80 旋流器
82 引燃孔
84 引燃开口
86  引燃器顶端
100 燃烧器
110 燃料喷嘴组件
120 衬套
130 旋流器
140 燃料通道
145 外套筒
150 引燃器顶端
160 旋流器
170 次文丘里管
180 喉部边缘
190 扩展部
200 前面
210 回流区
具体实施方式
现参看附图，在若干视图中，相似的附图标记表示相似部件。图1示出已知的干式低NOX燃气轮机12的一个实例。该燃气轮机12可包括压缩机14(部分示出)、多个燃烧器16(为了方便和清楚起见，仅示出一个)、和由单个叶片代表的涡轮18。众所周知，压缩机14对进入空气加压。压缩的空气流入到燃烧器16，在燃烧器16中，压缩的空气用于冷却燃烧器16并用于燃烧过程。在此处可使用任意多个燃烧器16。过渡管20连接每个燃烧器16的出口端与涡轮18的入口端，以递送热燃烧气体。在此处也可使用其它配置。
每个燃烧器16包括主或上游燃烧腔室24和次或下游燃烧腔室26。腔室24、26由文丘里管28分开。文丘里管28正好是在次或下游燃烧腔室26上游的缩小直径的区域。根据伯努利(Bernoulli)原理，文丘里管28通常增加燃烧气体的速度同时降低其中的压力。燃烧器16可被燃烧器流动套筒30包围。流动套筒30导送从压缩机14排放的空气流动。燃烧器16还可被外壳体32包围，外壳体32栓接到涡轮壳体34上。
多个主喷嘴36可向上游燃烧腔室24提供燃料。主喷嘴36以角度阵列排列于中心次喷嘴38周围。主喷嘴36中的每一个可穿过后壁40突伸到主燃烧腔室24内。次喷嘴38可从后壁40延伸以将燃料引入到次燃烧腔室26内。燃料可以本领域已知方式通过燃料管线递送到主喷嘴36和次喷嘴38。在此处可使用其它喷嘴36、38。
举例而言，燃烧空气可通过多个空气旋流器42引入到主喷嘴36内。空气旋流器42可位于喷嘴36的出口端附近。旋流器42引入旋流燃烧空气，旋流燃烧空气与来自喷嘴36的燃料混合以提供可燃混合物。用于旋流器42的燃烧空气可经由流动套筒30和燃烧器外壁44从压缩机14得到。燃烧器16的壁44可在主燃烧腔室24周围设置槽或百叶窗46。类似的槽或百叶窗48可位于次燃烧腔室26的周围或下游。槽或百叶窗46、48可提供空气用于冷却目的和向燃烧区24、26内提供稀释空气来防止火焰温度的尖峰值(spike)。
次喷嘴38可位于中心体50内，且可包括被外旋流器52包围的衬套51，如图2所示。外旋流器52可包括多个冲击冷却孔53以便冷却衬套51。再次参看图1，次旋流器54也可位于次喷嘴38内。类似于上文所述的旋流器42，燃烧空气在与燃料混合之前穿过次喷嘴38中的次旋流器54。
现参看图3，示出仅气体次燃料喷嘴组件56的实例。可供应燃料以通过扩散管P1维持火焰和通过管P2维持预混合火焰。管P1，P2可相对于彼此同心地布置。后构件或气体主体58可包括外套筒部分60和内部中空核芯部分62，以便在其中形成预混合燃料通道64。多个轴向空气通道66可形成于预混合通道64周围的后构件58内。相似数量的径向壁部可置于套筒部分60端部周围。径向壁部可具有多个倾斜的径向孔口以允许衬套52内的空气进入相应空气通道68。组件58后端可适于接纳燃料管P1，P2。
多个径向孔72可设于组件58前部周围。径向孔72可允许相似数量的气栓(gas peg)74接纳于其中以与预混合燃料通道64建立流通。每个栓74可设置多个孔口或开口76允许燃料从预混合燃料通道64排放到预混合区78。预混合区78可位于外套筒60与衬套51之间。栓74分配燃料到空气流内使得燃料与空气在预混合区78中的良好混合可降低NOX排放。火焰保持旋流器80可置于次喷嘴56前端使预混合的燃料与空气在衬套51内的流动形成漩涡。
在使用中，燃料可通过预混合通道64、引燃孔82和引燃开口84到引燃器顶端86。此燃料以及来自旋流器80的空气可提供扩散火焰引燃。同时，供应到预混合燃料通道64的大部分燃料可流入到栓74内，以从开口76朝向衬套54排放从而与空气混合并点燃。其它设计、配置和方法也可用于次燃料喷嘴组件56和类似构件。
图4示出如本文所述的燃烧器100。燃烧器100可包括次燃料喷嘴组件110。类似于上文所述的次燃料喷嘴组件56，次燃料喷嘴组件110可包括引导至外旋流器130的衬套120。多个燃料通道140可位于衬套120内，燃料通道140以类似于上文所述的方式封闭于外套筒145中。若干燃料通道140可延伸到引燃器顶端150等。引燃器顶端150可由次旋流器160包围，如上文所述。空气可通过次旋流器160流动以便与燃料流动混合。此处可使用许多其它类型的次喷嘴配置。
次燃料喷嘴文丘里管170可位于衬套120内且在引燃器顶端150和次旋流器160下游。文丘里管170可具有尖锐喉部边缘180、突然扩展部190和前面200。文丘里管170的前面200可具有大于大约三十度(30°)角度从而使通过它的流动加速。尖锐喉部边缘180可控制中央回流区210的起点，如在下文中进一步描述。此处也可使用其它形状。
因此，在流动沿着文丘里管170的前面20、尖锐喉部边缘180和突然扩展部190传递时，文丘里管170迫使在次燃料喷嘴组件110内的燃料空气流动收缩和膨胀。如图5所示，随着流动加速和压力降低，此强迫收缩和膨胀可在文丘里管170的喉部180附近造成中央回流泡210。泡210可有助于使火焰远离引燃器顶端150稳定，即使在通过它的引燃燃料流量减小的情况下。举例而言，引燃燃料流量可减小大约0.1至0.3％。减少可取决于整个次喷嘴组件110的配置和其中的构件。
这种减少的引燃燃料流量可导致减少的NOx排放。另外，在文丘里管170后方的低速区可延长在引燃器顶端150的驻留时间，从而也能降低一氧化碳(CO)排放以及能改进主气体二次相互作用。因此使用文丘里管170可改进整个燃烧器稳定性及调低(turndown)。文丘里管170还可在引燃管顶端150附近提供抗回火性。因此使用文丘里管170可允许降低引燃燃料流率同时避免在引燃管顶端150附近的火焰保持。
显然，前文的描述仅涉及本申请的某些实施例且在不偏离由下文的权利要求书和其等效物所限定的本发明的基本精神和范围的情况下可由本领域普通技术人员对本发明做出许多变化和修改。

Claims (10)

1.一种用于燃烧器(100)的次燃料喷嘴组件(110)，其包括：
衬套(120)；
燃料通道(140)，其通往引燃器顶端(150)；以及
文丘里管(170)，其在所述引燃器顶端(150)下游从所述衬套(120)延伸。
2.如权利要求1所述的次燃料喷嘴组件(110)，其中所述文丘里管(170)包括喉部边缘(180)，喉部边缘(180)引导至扩展部(190)。
3.如权利要求1所述的次燃料喷嘴组件(110)，其中所述文丘里管(170)包括前面(200)。
4.如权利要求3所述的次燃料喷嘴组件(110)，其中所述前面(200)包括大于大约三十度(30°)的角。
5.如权利要求1所述的次燃料喷嘴组件(110)，其还包括位于所述引燃器顶端(150)附近的次旋流器(160)。
6.如权利要求1所述的次燃料喷嘴组件(110)，其还包括位于所述文丘里管下游的外旋流器(130)。
7.如权利要求1所述的次燃料喷嘴组件(110)，其还包括位于所述文丘里管(170)附近和所述衬套(120)内的回流区(210)。
8.一种减少次喷嘴引燃器顶端(150)附近火焰保持的方法，其包括：
使燃料通过次喷嘴引燃器顶端(150)流动；
使空气通过旋流器(160)流动；
将文丘里管(170)定位于所述次喷嘴引燃器顶端(150)下游；
通过所述文丘里管(170)使所述燃料流动和空气流动收缩和膨胀；以及
在所述文丘里管(170)附近形成回流区(210)。
9.如权利要求8所述的方法，其还包括减少通过所述次喷嘴引燃器顶端(150)的燃料流量的步骤。
10.如权利要求9所述的方法，其中减少通过所述次喷嘴引燃器顶端(150)的燃料流量的步骤还包括在不增加氧化氮排放的情况下减少所述流量。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20110511