CN102087026A - 二次燃料喷嘴中的燃料喷射 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及二次燃料喷嘴中的燃料喷射，具体而言，在燃气涡轮机燃烧系统用的传统二次燃料喷嘴中，二次空气进入并绕插塞流动，以通过插塞中的孔与喷射的燃料混合。提供了一种新颖的二次燃料喷嘴(10)，其中，燃料在二次空气入口位置的上游被喷射，这允许自流动区域中移除插塞。示例二次燃料喷嘴(10)包括输送燃料的喷嘴体(16)；喷嘴外壳(210)，其环绕喷嘴体(16)并限定用于二次空气(20)进入并流向喷嘴体(16)的一个末端的空气通道(220)；位于空气通道(220)上游的预混合燃料单元(500，600)，其将喷嘴体(16)所输送的燃料喷入二次空气(20)中，以在燃烧之前预混合。

Description

二次燃料喷嘴中的燃料喷射
技术领域
本发明涉及用于在燃气涡轮机系统中的二次燃料喷嘴中喷射燃料的系统和方法。
背景技术
政府机构已经制定要求减少排放物尤其是氧化氮(NOx)和一氧化碳(CO)的量多个规章，以试图减少来自燃气驱动的涡轮机的污染。更有效的燃烧过程，比如干式低NOx(DLN1)系统所提供的燃烧过程，可导致更低的燃烧排放。
一些早期的燃烧系统使用了产生扩散火焰的扩散型喷嘴。这是一种通过在火焰区中扩散而分别喷射燃料和空气并发生混合的喷嘴。扩散型喷嘴产生高排放，因为燃料和空气在高温下以理想配比燃烧。
为了改进扩散型喷嘴，可以预混合燃料和空气，使得燃料和空气在燃烧之前形成均匀的混合物，该混合物以比扩散型火焰更低的温度燃烧，产生更低的NOx排放。预混合可在燃料喷嘴内或燃料喷嘴外发生。
图1示意性地图示了燃气涡轮机，该燃气涡轮机包括燃烧室18和设置成用来将燃料喷入燃烧室18的二次燃料喷嘴10。压缩的二次空气20进入二次燃料喷嘴10，并沿向右的方向流向设在喷嘴体16外圆周周围的离散位置处的插塞12。二次燃料喷嘴10封入在帽中心喷嘴体24内。
图2更详细地图示了二次燃料喷嘴20的传统设计。二次燃料喷嘴10的喷嘴体16被圆柱形喷嘴外壳210包围。二次空气20通过设在喷嘴外壳210上的空气通道220进入。扩散型导向管11通过旋流器在喷嘴末梢14处将燃料直接喷入燃烧室18，以形成稳定的引导火焰。
二次燃料喷嘴10也包括多个离散的插塞12，其自燃料输送管路13供给燃料。提供插塞12来扩散燃料——就是说，将燃料喷洒入二次空气20——以在燃烧室的上游获得燃料和空气的预混合。从这点上，插塞12充当用来将燃料喷入二次空气20的喷射器。传统地，圆形燃料插塞12与圆形燃料扩散孔22一起使用来扩散燃料，如图3中所示。
回头参考图1和图2，可见到在传统的二次燃料喷嘴设计中，二次空气20进入二次燃料喷嘴10，并在二次空气入口位置下游处的插塞12周围流动，且与通过插塞12的孔的气态燃料混合。
将会理解的是，传统二次燃料喷嘴中的插塞可导致气流中的相当大的压降，因为它们在二次空气的流动区域中。例如，当二次燃料喷嘴中有六个插塞时，插塞阻塞大约29％的流动区域。导致的压降可不利地影响涡轮机的总效率，这又会导致排放增加。同样，插塞限制了改变燃料输送的能力。此外，插塞限制了适应宽范围的燃料体积流的灵活性。
发明内容
本发明的一个非限制性方面涉及一种二次燃料喷嘴，该喷嘴包括布置成在燃气涡轮机中输送燃烧用的燃料的喷嘴体，和环绕喷嘴体的喷嘴外壳。喷嘴外壳在喷嘴体的预定纵向位置处限定一个或多个空气通道，使得进入喷嘴外壳的二次空气自一个或多个空气通道流向喷嘴体的一个末端。设在一个或多个空气通道上游的预混合燃料单元布置成将喷嘴体所输送的燃料喷入二次空气，以在燃烧之前预混合燃料和空气。
本发明的另一个非限制性方面涉及一种燃气涡轮机，该燃气涡轮机包括燃烧室和二次燃料喷嘴，该二次燃料喷嘴布置成将预混合的燃料和空气提供到燃烧室中。上述的二次燃料喷嘴可用于燃气涡轮机中。
现在将结合下面标识的图形更加详细地描述本发明。
附图说明
图1是包括置于其内的二次燃料喷嘴的燃气涡轮机的视图；
图2是传统的二次燃料喷嘴的视图；
图3是传统的二次燃料喷嘴的插塞的视图；
图4和图5是二次空气入口位置上游的非限制性燃料喷射位置的侧视和透视图；
图6和图7是二次燃料喷嘴的第一非限制性实施例的透视图和剖切侧视图；
图8和图9是设在第一实施例的预混合燃料单元上的非限制性示例燃料喷射孔布置的视图；
图10和图11分别是二次燃料喷嘴的第二非限制性实施例的透视图和剖切侧视图；
图12是第二实施例的非限制性燃料歧管的视图；
图13和图14是设在第二实施例的预混合燃料单元上的非限制性示例燃料喷射孔布置的视图。
图15和图16是二次燃料喷嘴的第三非限制性实施例的透视图和侧视图；以及
图17、18、19和20是第三实施例的非限制性变型的视图。
部件列表
  参考标号   部件
  10   二次燃料喷嘴
  13   燃料输送管路
  16   喷嘴体
  18   燃烧室
  20   二次空气
  210   喷嘴外壳
  220   空气通道
  500，600   预混合燃料单元
  510   第一板
  520   第二板
  530，630   燃料喷射孔
  540，640   预混合连接管路
  550   燃料增压室
  610   板
  620   燃料歧管
  650   燃料分配体
  660   分配连接器
  710   燃料延伸管
具体实施方式
为了便于阅读，用语“二次燃料喷嘴”、“燃料喷嘴”和“喷嘴”在本公开中将可互换地使用。如上所解释的那样，传统的喷嘴包括二次空气的流动区域中的插塞，该插塞可在气流中导致相当大的压降，从而导致许多不利的影响。在本发明喷嘴的一个或多个实施例中，燃料在二次空气入口位置的上游被喷射。这消除了对于用来输送预混合用的燃料的插塞的需要。
图4和图5图示了在二次空气入口位置的上游提供燃料喷射的示例。在图4中，划叉的圆表示传统燃料喷嘴的插塞的位置，而未划叉的圆表示根据本发明的一个或多个实施例的优选燃料喷射位置。如所见的，传统的燃料喷射位置位于二次空气入口位置的下游。相反地，优选的燃料喷射位置在二次空气入口位置的上游，其对应于用于二次空气20的空气通道220的位置。
在提供透视图的图5中，虚线区400对应于图4的未划叉的圆，并表示用于燃料喷射的优选位置。空气通道220由围绕喷嘴体16的喷嘴外壳210限定。二次空气20通过空气通道220进入喷嘴外壳210，并向右流向喷嘴体16的一个末端，喷嘴末梢14置于此处。尽管为了简化仅示出了一个空气通道220，但可有由喷嘴外壳210限定的多个空气通道220。
在二次空气入口位置的上游喷射燃料消除了对传统二次燃料喷嘴的燃料输送插塞的需要。就是说，发明性的二次燃料喷嘴可没有空气通道下游的空气流动区域中的燃料输送插塞，其最小化了空气流动阻塞。流动区域中插塞的移除相应地减少压降，这又提高了燃烧效率，并导致更低的排放。
发明性燃料喷嘴还跟有其它的优点。例如，在上游喷射燃料为燃料混合提供了更多长度。减少的压降可允许更大一部分燃烧器空气流用于二次燃料喷嘴中。也有潜在的调低(turndown)、动态变化以及CO排放的好处，以增加二次空气和燃料分离。增加的二次空气-燃料分离将有助于具有更稳定的二次火焰，并因此将改善调低和动态变化性能。通过二次燃料喷嘴减少的压降又减少了总的压降，这增加了总的系统效率。上游的燃料喷射改善了对于更广范围的燃料体积流使用燃料喷嘴设计的灵活性。由于燃料可以以同向流动的方式喷射，这减少了燃料喷射后的堵塞，这导致了再循环区域和插塞型燃料喷射中的驻焰(flame holding)。此布置也提供了更多的具有最小堵塞效果的燃料面积，由于需要更大面积的低能含量燃料可用于此类喷嘴中，此布置增强了系统的燃料灵活性。
尽管优选的是燃料喷嘴没有二次空气入口位置的下游的插塞，但本发明确实考虑了至少一些燃料喷射会在下游发生。例如，如果因下游燃料喷射机构引起的空气流动阻塞最小，即，其在一些预定容差水平上或低于这些预定容差水平时，上游和下游燃料喷射的组合是可能的。这可能是在某些情况下，提供一些下游的燃料喷射可有利于燃料和空气过程的整个预混合。如果提供下游的燃料喷射，可经由插塞或其它机构。
图6和图7图示了本发明的二次燃料喷嘴的第一实施例。图6为透视图，而图7是剖切侧视图。二次燃料喷嘴包括喷嘴体16，该喷嘴体16布置成输送燃气涡轮机中的燃烧用燃料。
为了简化说明，围绕喷嘴体16的喷嘴外壳210在这些图形中被省略了。空气通道220的位置由在喷嘴体16的预定纵向位置处进入喷嘴外壳210的二次空气20图示。二次空气20向右流向喷嘴体16的一个末端。
该第一实施例包括置于空气通道220上游的预混合燃料单元500。预混合燃料单元500将喷嘴体16所输送的燃料喷入二次空气20中，以便在燃烧室中燃烧之前预混合燃料和二次空气。
预混合燃料单元500所喷射的燃料自喷嘴主体16，且尤其从设在喷嘴体16内的一个或多个燃料供给管路13供给。如图7中所见，一个或多个预混合连接管路540将燃料供给管路13连接至预混合燃料单元500。提供预混合燃料单元500的前视图的图8图示了四个预混合连接管路540。然而，预混合连接管路540可以是任何数目，并可以以任何期望的方式分配在喷嘴体16的圆周周围。
燃料供给管路13可自底座28至喷嘴末梢14附近——如图4中所见几乎喷嘴体16的整个长度——纵向地延伸。但这不是严格必需的。燃料供给管路13仅需要沿喷嘴体16的部分长度提供，以使能够与预混合连接管路540连接。
尽管为了简化仅在图6和图7中图示了单个燃料供给管路13，但设想了可有多个燃料供给管路13来供给预混合燃料单元500。当有多个燃料供给管路13时，例如可对每一个进行控制，以便具有变化的燃料输送速率，从而对燃料和空气的最优预混合提供更多的控制。燃料供给管路13的长度无需相等——各个管路可沿喷嘴体16的特定长度提供。
中心通道26也可设定在喷嘴体16内。中心通道26输送要供给扩散引导管11的燃料，以将燃料直接喷入燃烧室18。
第一实施例的预混合燃料单元500包括位于空气通道220上游的第一板510，以及位于更上游的第二板520，以便形成具有限定在板510、520之间的体积空间的燃料增压室550。多个燃料喷射孔530设在第一板510上。预混合连接管路540将燃料增压室550连接到燃料输送管路13上，使得燃料增压室550可充满借助多个燃料喷射孔530喷入二次空气20中的燃料。
第一板510和第二板520之间的分离应当足能产生燃料增压室550内的均匀燃料分配所需的体积空间，容纳在该空间内的燃料可自燃料增压室550喷入空气流20中。在燃料增压室550内不具有足够的体积会在燃料增压室550内产生非均匀的分配，导致通过燃料喷射孔530的非均匀燃料喷射，这将导致低排放所需的空气-燃料混合减少。另外，非均匀分配也会影响喷嘴的驻焰能力。在一个实施例中，燃料增压室550的体积空间由第一和第二板510、520横向地限定，并由喷嘴体16和喷嘴外壳210径向地、周向地限定。
呈简单布置的燃料喷射孔530可以如图8中所示周向地布置。应当注意的是，燃料喷射孔530的布置不需要限于离第一板510的中心的任何特定径向距离。实际上，优选地是，可分配燃料喷射孔530以便径向地、周向地变化或两种都有，如图9中所示。就是说，在两个喷射孔530之间，它们可布置在第一板510上的位置，这些位置彼此径向地或周向地不同，或者径向地和周向地均不同。
燃料喷射孔530的分配不需要是规则的。例如，为了使喷嘴体16的表面的浸润最小化，可分配燃料喷射孔530，使得更多的喷射孔被提供在径向更远离中心的距离处。孔530也不限于任何特定的形状，它们可以是圆形、正方形、长方形、弧形等等。另外，孔530的尺寸也不受限制。关于燃料喷射孔530的一个或多个因素——分配、形状、尺寸——可以变化，以提供期望的燃料喷射图案和数量，以便最优化燃料与空气的预混合，从而获得有效的燃烧。
图10和图11图示了本发明的二次燃料喷嘴的第二实施例。图10是透视图，图11是剖切侧视图。再次为了简化，喷嘴外壳210未被示出。类似于第一实施例，第二实施例包括喷嘴体16，并且进入喷嘴外壳210所限定的空气通道220的二次空气20向右流向喷嘴体16的一个末端。
两个实施例之间的一个差别在于预混合燃料单元。第二实施例的预混合燃料单元600包括板610，该板610具有位于空气通道220的上游的多个燃料喷射孔630，其非常类似于第一实施例的第一板510。然而，不是形成具有另一个板的燃料增压室，第二实施例预混合燃料单元600包括位于空气通道220更上游的燃料歧管620。燃料歧管620将燃料自喷嘴体16输送至燃料喷射孔630，以便将燃料喷入二次空气20。
如图12中所示，燃料歧管620包括燃料分配体650，以及一个或多个预混合连接管路640，该预混合连接管路640将燃料分配体560连接到燃料输送管路13上。第二实施例的预混合连接管路640起类似于第一实施例的预混合连接管路540的功能。
燃料歧管620也包括多个分配连接器660。如图10和图11中所示，分配连接器660将燃料分配体650连接到燃料喷射孔630上，使得来自喷嘴体16的燃料经由燃料喷射孔630被喷射入二次空气20。
在图10中，仅有两个燃料喷射孔630显示为通过分配连接器660与分配体650连接。这样做是为了最小化图形中的混乱。实际上，更优选的是，连接各燃料喷射孔630。这是因为板610所起功能的其中一个功能是防止空气进入预混合燃料单元600的左侧上的腔内，该腔可产生驻焰区域。将燃料喷射孔630断开可允许一些空气反流到腔内，潜在地产生非期望的驻焰区域。
然而应当注意的是，本发明的确考虑了在发生驻焰区域的可能性最小的程度上留下一个或多个燃料喷射孔630不连接，即可能性保持在预定阈值水平或阈值水平之下。例如，可提供单独的机构来密封一些或所有未连接的燃料喷射孔630。
类似于第一实施例，多个燃料喷射孔630可布置成以不同的方式变化。如图13和图14中所见，燃料喷射孔630可定位成径向地和/或周向地变化。同样，尺寸和/或形状可以变化。
第二实施例的燃料歧管620相对于第一实施例的体积空间550的一个优点是减少了燃料泄漏的可能性。例如，第一板510和第二板520可仅在内圆周上焊接。在外圆周上，板和喷嘴体210之间的间隙可用密封件闭合。如果密封件失效，燃料会漏入空气流中。然而，如果在第二实施例中，即使密封件失效，泄漏的可能性也较低，因为燃料通过分配连接器660供应。因而减少了燃料泄漏的可能性。另外，同样在密封件失效的情况下，空气会冲入第一实施例中的板510、520之间的体积空间。然而，在第二实施例的情况下，空气将不与燃料形成接触，因为燃料穿过闭合的分配连接器660。
图15和图16图示了第三燃料喷嘴实施例。图15是透视图，图16是剖切侧视图。第三实施例可看作是第一实施例的扩展，因为它包括了第一实施例的所有元件，比如喷嘴体16和预混合燃料单元500。但是另外，提供了一个或多个燃料延伸管710。各个燃料延伸管710自其中一个燃料喷射孔530向空气通道220延伸。燃料延伸管710允许在确定燃料首先与空气预混合的精确位置方面的设计灵活性。
事实上在某些情况下，实际上更优选地是如图17中所示的那样变化燃料延伸管710的长度。燃料延伸管长度可在零(即无燃料延伸管)和预定长度之间变化。燃料延伸管710不需要都具有相同的形状。在图18中，看到一些管710具有横截面圆形形状，其它的具有正方形形状，如此等等。同样，一些燃料喷射孔530、630根本没有被连接的燃料延伸管710。一般而言，在任意两个燃料延伸管710之间，管可在长度、形状和/或尺寸上变化。
又更进一步的是，沿任何一个燃料延伸管710的长度横截面形状和/或尺寸无需保持不变。图19中的燃料延伸管710的视图被放大，以图示任何一个燃料延伸管710的形状可沿其长度变化。再一次，改变燃料延伸管710的可能性提供额外的灵活度，以优化燃料和空气的预混合，用于有效的燃烧。
图20示出了另一个变型，其中，燃料延伸管710自第二实施例的燃料喷射孔630延伸。该变型可看作是第二实施例燃料喷嘴的扩展。再一次，并非示出了所有的分配连接器660，以便最小化图形中的混乱。然而，应当理解的是，大体上所有的燃料喷射孔630通过分配连接器660被连接到燃料分配体650上，以便防止/最小化驻焰区域的发生。
该变型也允许确定连接到燃料喷射孔630的燃料延伸管710的特征的灵活性，这些特征包括长度、形状、尺寸以及沿各个燃料延伸管710的长度的形状。对于一些燃料喷射孔630，也可选择不提供燃料延伸管710。
尽管没有示出，允许具有一个或多个燃料延伸管710，其延伸使得燃料在空气通道220的下游被喷射。优选地，被此类延伸管710所引起的空气流动堵塞被保持在预定水平处或在预定水平之下。同样尽管未示出，燃料延伸管710的延伸方向也可变化。尽管可能优选地是，燃料延伸管710在大体上平行于喷嘴体16的方向上延伸，但在一些情况下可能具有一些在非平行方向上延伸的燃料延伸管710可促进更好的总体燃料和空气的预混合。
发明性的二次燃料喷嘴实施例可用来预混合进入燃气涡轮机的燃烧室18的燃料和空气，以用于燃烧。
因而将会理解的是，发明性的二次燃料喷嘴提供许多好处。此类好处的非穷举列表包括：在流动区域中移除插塞相应地减少压降，这可增强燃烧效率和导致更低的排放；在上游喷射燃料提供用于燃料混合的更长长度；减少的压降允许更高部分的用于二次燃料喷嘴中的燃烧器空气流；用于增加二次空气和燃料分离的调低、动态变化和CO排放受益；以及上游燃料喷射改善了使用发明性燃料喷嘴设计的灵活性，以用于更广范围的燃料体积流，包括使用具有更低能含量的燃料。
尽管已经结合目前认为是最实用的和优选的实施例描述了本发明，但应当理解的是，本发明不限于所公开的实施例。本发明意图覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的不同改型和等效布置。

Claims (15)

1.一种二次燃料喷嘴(10)，包括：
布置成输送燃气涡轮机中燃烧用的燃料的喷嘴体(16)；
环绕所述喷嘴体(16)的喷嘴外壳(210)，所述喷嘴外壳(210)在所述喷嘴体(16)的预定纵向位置处限定一个或多个空气通道(220)，使得进入所述喷嘴外壳(210)的二次空气(20)自所述一个或多个空气通道(220)流向所述喷嘴体(16)的一个末端；以及
预混合燃料单元(500，600)，其位于所述一个或多个空气通道(220)的上游，并布置成将由所述喷嘴体(16)输送的燃料喷入所述二次空气(20)中，以在燃烧之前预混合燃料和空气。
2.如权利要求1所述的二次燃料喷嘴(10)，其特征在于，在所述喷嘴体(16)内提供一个或多个燃料输送管路(13)，以便将要喷射的所述燃料供给所述预混合燃料单元(500，600)，各燃料输送管路(13)沿所述喷嘴体(16)的长度的至少一部分提供。
3.如权利要求1所述的二次燃料喷嘴(10)，其特征在于，所述预混合燃料单元(500)包括：
位于所述一个或多个空气通道(220)的上游的第一板(510)；
位于所述一个或多个空气通道(220)的更上游的第二板(520)，以便形成具有限定在所述第一板(510)和第二板(520)之间的体积空间的燃料增压室(550)，所述燃料增压室(55)布置成充满从所述喷嘴体(16)输送的所述燃料；以及
多个燃料喷射孔(530)，其提供在所述第一板(510)上，并被布置成使得所述燃料增压室(550)中的所述燃料经由所述多个燃料喷射孔(530)被喷入所述二次空气(20)中。
4.如权利要求3所述的二次燃料喷嘴(10)，其特征在于，
一个或多个燃料输送管路(13)提供在所述喷嘴体(16)之内，各燃料输送管路沿所述喷嘴体(16)的长度部分；以及
所述预混合燃料单元(500)还包括一个或多个预混合连接管路(540)，该一个或多个预混合连接管路(540)将所述增压室(550)连接到所述一个或多个燃料输送管路(13)，以便将要喷射的所述燃料供给所述燃料增压室(550)。
5.如权利要求3所述的二次燃料喷嘴(10)，其特征在于，所述多个燃料喷射孔(530)中的至少两个在所述第一板(510)上布置在彼此径向地不同、周向地不同或者两者都不同的位置上。
6.如权利要求3所述的二次燃料喷嘴(10)，其特征在于，所述多个燃料喷射孔(530)中的至少两个在形状上不同、尺寸上不同或者在两者上都不同。
7.如权利要求3所述的二次燃料喷嘴(10)，其特征在于，所述二次燃料喷嘴还包括一个或多个燃料延伸管(710)，各个燃料延伸管自所述多个燃料喷射孔(530)中的一个向所述一个或多个空气通道(220)延伸。
8.如权利要求7所述的二次燃料喷嘴(10)，其特征在于，所述燃料延伸管(710)中的至少两个在长度、形状和尺寸中的任何一个或多个上不同。
9.如权利要求1所述的二次燃料喷嘴(10)，其特征在于，所述预混合燃料单元(600)包括：
位于所述一个或多个空气通道(220)的上游的板(610)；
提供在所述板上的多个燃料喷射孔(630)；以及
燃料歧管(620)，其位于所述一个或多个空气通道(220)的更上游，并布置成将燃料自所述喷嘴体(16)输送到所述多个燃料喷射孔(630)，以便经由所述多个燃料喷射孔(630)将所述燃料喷入所述二次空气(20)中。
10.如权利要求9所述的二次燃料喷嘴(10)，其特征在于，
一个或多个燃料输送管路(13)提供在所述喷嘴体(16)内，各燃料输送管路沿所述喷嘴体(16)的长度部分；以及
所述燃料歧管(620)包括：
燃料分配体(650)；
一个或多个预混合连接管路(640)，其将所述燃料分配体(650)连接到所述一个或多个燃料输送管路(13)上；以及
多个分配连接器(660)，其将所述燃料分配体(650)连接到所述多个燃料喷射孔(630)上。
11.如权利要求9所述的二次燃料喷嘴(10)，其特征在于，所述多个燃料喷射孔(630)中的至少两个在所述板上布置在彼此径向地不同、周向地不同或者两者都不同的位置上。
12.如权利要求9所述的二次燃料喷嘴(10)，其特征在于，所述多个燃料喷射孔(630)中的至少两个在形状上不同、尺寸上不同或者在两者上都不同。
13.如权利要求9所述的二次燃料喷嘴(10)，其特征在于，所述二次燃料喷嘴还包括一个或多个燃料延伸管(710)，各个燃料延伸管自所述多个燃料喷射孔(630)中的一个向所述一个或多个空气通道(220)延伸。
14.如权利要求13所述的二次燃料喷嘴(10)，其特征在于，所述燃料延伸管(710)中的至少两个在长度、形状和尺寸中任何一个或多个上不同。
15.如权利要求1所述的二次燃料喷嘴(10)，其特征在于，所述二次燃料喷嘴(10)在所述一个或多个空气通道(220)下游的流动区域中没有燃料输送插塞。
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