CN102124268A - 燃料喷射器及其组装方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种燃料喷射器。该燃料喷射器包括喷嘴、冷却组件和联接到喷嘴上的顶端(500)。该顶端包括含有限定于其中的冷却通道(530)的底座(508)、从底座向外延伸且与冷却通道成流动连通的第一过渡部件(504)，以及从底座向外延伸且与冷却通道成流动连通的第二过渡部件(506)，其中，底座、第一过渡部件和第二过渡部件一体地形成在一起。该顶端构造成用以联接到冷却组件上，以便经由第一过渡部件和第二过渡部件引导冷却流体流经过冷却通道。

Description

燃料喷射器及其组装方法
发明背景
本公开内容其领域主要涉及整体气化联合循环(IGCC)动力生成系统(或整体气化联合循环发电系统)，并且更具体地涉及结合IGCC动力生成系统使用的燃料喷射器。
公知的气化器将燃料、空气或氧、蒸汽、煤和/或石灰石的混合物部分地转化成通常称为″合成气″的氧化气体。在许多公知的动力生成系统中，将合成气供给至燃气涡轮发动机的燃烧器以向将电功率供给至电网的发电机提供动力。在许多公知的动力生成系统中，来自于燃气涡轮发动机的排气供给至热回收蒸汽发生器，该热回收蒸汽发生器产生蒸汽用于驱动蒸汽轮机，使得由蒸汽轮机产生的动力也驱动将电功率供给至电网的发电机。
燃料、空气或氧、蒸汽和/或石灰石从单独的来源经由燃料喷射器喷射到气化器中，该燃料喷射器将燃料源联接到燃料喷嘴上。在许多公知的动力生成系统中，燃料喷射器喷嘴部分地延伸到气化器中，且因此经受极端的机械应力和/或热应力。一些燃料喷射器组件依靠形成在燃料喷射器喷嘴顶端(或头，tip)内的冷却通道来引导冷却流体流经过该顶端。此外，冷却盘管(coil)可联接成与喷嘴顶端流动连通，以便提供冷却流体流经过冷却通道来加强对燃料喷射器喷嘴的冷却。然而，在至少一些喷嘴中，当受到在气化器内产生的极端机械应力和热应力时，位于燃料喷射器顶端与冷却盘管之间的过渡可能易于出故障。
发明简述
一方面，提供了一种组装燃料喷射器的方法。该方法包括提供燃料喷射器顶端，该燃料喷射器顶端包括含有冷却通道的底座(或基座，base)、从底座向外延伸的第一过渡部件，以及从底座向外延伸的第二过渡部件，其中，冷却通道、第一过渡部件和第二过渡部件一体地形成在一起。该方法还包括将燃料喷射器顶端联接到燃料喷射器上，以及将冷却组件联接到燃料喷射器上，以便经由第一过渡部件和第二过渡部件引导冷却流体流经过冷却通道。
另一方面，提供了一种燃料喷射器。该燃料喷射器包括喷嘴、冷却组件以及联接到喷嘴上的顶端。该顶端包括含有限定于其中的冷却通道的底座、从底座向外延伸且与冷却通道成流体连通的第一过渡部件，以及从底座向外延伸且与冷却通道成流动连通的第二过渡部件，其中，底座、第一过渡部件和第二过渡部件一体地形成在一起。该顶端构造成用以联接到冷却组件上，以便经由第一过渡部件和第二过渡部件引导冷却流体流经过冷却通道。
另一方面，提供了一种动力生成系统。该动力生成系统包括燃气涡轮发动机、联接到燃气涡轮发动机上的气化器，以及至少部分地延伸到气化器中的燃料喷射器。该燃料喷射器包括喷嘴。该系统还包括联接到燃料喷射器上的冷却组件，以及联接到喷嘴上的顶端。该顶端包括含有限定于其中的冷却通道的底座、从底座向外延伸且与冷却通道成流动连通的第一过渡部件，以及从底座向外延伸且与冷却通道成流体连通的第二过渡部件。底座、第一过渡部件和第二过渡部件一体地形成在一起。该顶端构造成用以联接到冷却组件上，以便经由第一过渡部件和第二过渡部件引导冷却流体流经过冷却通道。
附图简述
图1为示例性整体气化联合循环(IGCC)动力生成系统的简图；
图2为可结合图1中所示系统使用的示例性高级固体物(或固体粒子，solids)去除气化器的简图；
图3为可结合图2中所示气化器使用的燃料喷射器的放大截面视图；
图4为附接有燃料喷射器顶端的图3中所示燃料喷射器的局部透视图；以及
图5为图4中所示燃料喷射器顶端的透视图。
具体实施方式
图1为示例性整体气化联合循环(IGCC)动力生成系统100的简图。IGCC系统100主要包括主空气压缩机102、联接成与压缩机102流动连通的空气分离单元104、联接成与空气分离单元104流动连通的气化器106、联接成与气化器106流动连通的燃气涡轮发动机101，以及蒸汽轮机108。在操作中，主空气压缩机102压缩环境空气。压缩空气经引导通向空气分离单元104。除了主空气压缩机102，或作为主空气压缩机102的备选方案，来自于燃气涡轮发动机的压缩机103的压缩空气可供给至空气分离单元104。空气分离单元104使用压缩空气来产生由气化器106使用的氧。更具体而言，空气分离单元104将压缩空气分成单独的氧气流和气体副产物(或副产气体，有时称为″过程气体″)。由空气分离单元104产生的过程气体包括氮气，且在文中将称为″氮过程气体(或氮气过程气体)″。氮过程气体还可包括其它气体，例如但不限于氧气和/或氩气。例如，在一些实施例中，氮过程气体包括大约95％至大约100％之间的氮气。如下文更为详细描述的那样，氧气流经引导通向气化器106来用于产生部分燃烧的气体，文中称为″合成气″，以便由燃气涡轮发动机101用作燃料。在IGCC系统100中，至少一部分的氮过程气流(也即，空气分离单元104的副产物)排放至大气。此外，在IGCC系统100中，一部分氮过程气流喷射到燃气涡轮发动机燃烧器103的燃烧区中，以便于控制发动机101的排放物，且更具体而言是便于降低燃烧温度和降低发动机101中一氧化二氮的排放水平。IGCC系统100还可包括压缩机109，其用于在氮气流喷射到燃烧区中之前压缩该氮过程气流。
气化器106将燃料、由空气分离单元104供送的氧、蒸汽和/或石灰石转化成合成气输出，以便由燃气涡轮发动机101使用。尽管气化器106可使用任何燃料，但在IGCC系统100中，气化器106使用煤、石油焦、残油、油乳剂、含油砂和/或其它类似燃料。在IGCC系统100中，由气化器106产生的合成气包括二氧化碳。由气化器106产生的合成气可在引导至燃气涡轮发动机燃烧器103以便其燃烧之前在净化装置(clean-up device)110中清洁。在净化期间二氧化碳可与合成气分离并排放至大气。来自于燃气涡轮发动机101的动力(或功率)输出驱动将电功率供给至电网的发电机112。来自于燃气涡轮发动机101的排出气体供给至热回收蒸汽发生器114，该热回收蒸汽发生器114产生蒸汽用于驱动蒸汽轮机108。由蒸汽轮机108产生的动力驱动将电功率提供给电网的发电机118，且来自于热回收蒸汽发生器114的蒸汽供给至气化器106以产生合成气。
图2为可结合系统100(图1中所示)使用的高级固体物去除气化器200的示例性实施例的简图。在示例性实施例中，气化器200包括上壳体202、下壳体204，以及在二者之间延伸的大致圆柱形的容器本体206。燃料喷射器208穿过上壳体202，以使燃料流能够引入气化器200中。燃料喷射器208包括喷嘴210，该喷嘴210以预定图案(或模式，pattern)212将燃料排放到限定在气化器200中的燃烧区214中。燃料流过限定在燃料喷射器208中的一个或多个管道(图2中未示出)，且经由喷嘴210离开燃料喷射器208。燃料可在进入喷嘴210之前与其它物质相混合，和/或可在从喷嘴210排出之后与其它物质相混合。例如，燃料可在进入喷嘴210之前与从系统100的处理(或过程)中回收的微粒(fine)相混合，和/或燃料可在喷嘴210处或喷嘴210下游与诸如空气或氧的氧化剂相混合。
图3为燃料喷射器208的放大截面视图。在示例性实施例中，燃料喷射器208包括中央燃料流导管302和同心地对准的环形燃料流导管304和306，该环形燃料流导管304和306在喷嘴210的出口端308处汇合而形成出口孔310。在操作期间，燃料喷射器208经由导管304提供含碳燃料的连续燃料流，且主氧化剂和副氧化剂流经导管302和306。在备选实施例中，导管304提供固体含碳燃料的液相浆料，举例来说，例如煤-水浆料。含氧气体和含碳浆料流在超过燃料喷射器喷嘴210出口孔310的预定距离A处但紧邻喷嘴出口端308而汇合在一起以形成反应区R，在其中点燃新出现(或刚形成)的燃料流。燃料流的自燃通过分解或雾化从喷嘴出口孔310排出的汇合燃料流而加强。这种雾化促进产物反应和发热，这是气化过程所需的。结果，限定为紧邻出口端308的反应区R其特征在于强热(或急剧加热)，例如，温度范围从大约2400℉至3000℉。为了驱使流体经过反应区R和远离喷嘴出口孔310的距离D，流体以相对较高的速度行进经过导管302、304和306。
图4为燃料喷射器208的局部透视图，其中，燃料喷射器顶端500联接到燃料喷射器208上以便于冷却该燃料喷射器。冷却组件400联接成与燃料喷射器顶端500流动连通。在示例性实施例中，冷却组件400包括用于将冷却流体引入燃料喷射器顶端500中的第一流体输送管线402(例如，第一中空冷却盘管)，以及用于接收从燃料喷射器顶端500排放的冷却流体的第二流体输送管线404(例如，第二中空冷却盘管)。在一个实施例中，第一流体输送管线402和第二流体输送管线404缠绕在一起，和/或围绕燃料喷射器208的至少一部分包绕。在另一实施例中，第一流体输送管线402和第二流体输送管线404中仅有一个围绕燃料喷射器208的至少一部分包绕。作为备选，冷却组件400可包括使冷却组件400能够起到如本文所述作用的任何适合的流体输送管线布置。
图5为燃料喷射器顶端500的备选透视图。在示例性实施例中，燃料喷射器顶端500包括外壳(housing)502、从外壳502延伸的第一过渡部件504，以及从外壳502延伸的第二过渡部件506。在示例性实施例中，第一过渡部件504和第二过渡部件506从外壳502的相反两侧上延伸。作为备选，第一过渡部件504和第二过渡部件506可从外壳502上的能使燃料喷射器顶端500起到如本文所述作用的任何位置延伸。在示例性实施例中，燃料喷射器顶端500使用模制工艺(例如，铸造工艺)形成，使得外壳502、第一过渡部件504和第二过渡部件506一体地形成在一起。如本文所用，用语″一体地形成在一起″是指形成为一件式(例如，通过铸造工艺)的结构，而并非表示联接在一起(例如，通过焊接工艺)的单独形成的构件。在示例性实施例中，燃料喷射器顶端500由能够经受高于大约2000℉的温度的材料制成。例如，在一个实施例中，燃料喷射器顶端500由能够经受2400℉或超过2400℉的材料制成。
外壳502大致为环形，且包括底座508、安装凸缘(flange)510，以及在底座508与安装凸缘510之间延伸的成角(或倾斜)唇部512。在示例性实施例中，底座508、安装凸缘510和成角唇部512分别相对于横向延伸穿过外壳502的中心轴线Y大致同轴地对准。外壳502限定喷射器顶端入口514和喷射器顶端出口516。喷射器顶端入口514其尺寸形成为用以在其中收容燃料喷射器顶端500的至少一部分。
底座508包括内壁518和外壁520。内壁518包括内表面522和外表面524，而外壁520包括内表面526和外表面528。在示例性实施例中，底座508为中空的，使得外壁内表面526和内壁外表面524在其间限定冷却通道530。在示例性实施例中，外壁外表面528具有大致抛物线的截面。作为备选，外壁外表面528可形成为具有能使底座508起到如本文所述作用的任何适合的轮廓。内壁内表面522的第一部分532大致为截头圆锥形，而内壁内表面522的第二部分534大致为圆柱形。在备选实施例中，内壁内表面522可具有能使燃料喷射器顶端500起到如本文所述作用的任何适合的形状。在示例性实施例中，内壁内表面522外接出口孔310(图3中所示)，使得在燃料喷射器顶端500联接到燃料喷射器208(图3中所示)上时限定用于从出口孔310排出的燃料的流动通路。更具体而言，在示例性实施例中，内壁内表面522具有第一直径D1，其小于出口孔310的直径D3(图3中所示)。表面522的减小的直径D1便于将排出自出口孔310的燃料灌入气化器106(图2中所示)中。内壁内表面522具有第二直径D2，其大于出口端308(图3中所示)的直径D4(图3中所示)，以便使燃料喷射器顶端500能够联接到燃料喷射器208(图3中所示)上。
在示例性实施例中，冷却通道530为环形的，且其尺寸形成为用以外接出口孔310。作为备选，冷却通道530可具有任何形状，和/或可仅部分地外接出口孔310。外壁520限定冷却通道入口孔口536和冷却通道出口孔口538，其中，冷却通道出口孔口538定位成与入口孔口536大致在直径上相对。在示例性实施例中，冷却流体经由入口孔口536进入通道530，且经由出口孔口538离开冷却通道530。在另一实施例中，孔口536和538彼此邻近。作为备选，孔口536和538可沿外壁520限定在能使燃料喷射器顶端500起到如本文所述作用的任何位置上。
在示例性实施例中，第一流体输送管线402(图4中所示)和/或第二流体输送管线404(图4中所示)具有有限的弯曲度(flexion)，使得第一过渡部件504和/或第二过渡部件506通过使用具有复杂弯曲几何形状的过渡部件504和/或506而分别联接到流体输送管线402和/或404上。为了便于将燃料喷射器顶端500联接成与冷却组件400(图4中所示)流动连通，第一过渡部件504在第一过渡区域540处与外壁520一体地形成，与冷却通道入口孔口536成流动连通，且延伸至第一连接端544。第二过渡部件506在第二过渡区域542处与外壁520一体地形成，与冷却通道出口孔口538成流动连通，且延伸至第二连接端546。在示例性实施例中，第一过渡部件504和/或第二过渡部件506大致为管状，且沿任何期望的方向从底座508成弓形地分别延伸至第一连接端544或第二连接端546，以此方式而便于与冷却组件400的平稳过渡。
在示例性实施例中，当燃料排放经过燃料喷射器顶端500时，燃料中热能的不均匀分布可引起相对于燃料喷射器顶端500在位置和强度上有所变化的不成比例的动态热应力。在示例性实施例中，为了便于产生遍及冷却通道530的冷却流体均匀流动分布，第一过渡部件504和/或第二过渡部件506形成为分别在过渡区域540和/或542处具有内径D5，该内径D5大于分别限定在连接端544和/或546处的内径D6。在一个实施例中，第一过渡区域540和/或第二过渡区域542随其延伸远离底座508而成渐缩形，使得第一过渡部件504和/或第二过渡部件506以斜角横切外壁内表面526，该斜角便于来自于过渡部件504和/或506的冷却流体流进出冷却通道530的平稳过渡。在另一实施例中，第一过渡区域540和/或第二过渡区域542随其延伸远离底座508而成渐缩形，且第一过渡部件504和/或第二过渡部件506的相应的中间部分552或554分别在第一过渡区域540与第一连接端544之间和/或在第二过渡区域542与第二连接端546之间具有大致恒定的内径D7。在又一实施例中，第一过渡部件504和/或第二过渡部件506具有经由其的大致恒定的内径D5、D6或D7。作为备选，第一过渡部件504和/或第二过渡部件506可具有能使燃料喷射器顶端500起到如本文所述作用的任何内径。如本文所用，用语“直径”限定为跨过任何截面形状(例如，矩形、三角形等)的距离，且不限于仅描述跨过圆形或椭圆形截面形状的距离。
在示例性实施例中，燃料喷射器顶端500联接到燃料喷射器208和冷却组件400上，以便于冷却燃料喷射器208。具体而言，喷射器顶端入口514将燃料喷射器208的一部分收容于其中，使得燃料喷射器208定位成邻近内壁内表面522，以便将排出自燃料喷射器208的燃料流引导经过燃料喷射器顶端500并进入气化器106中。当燃料喷射器208定位在燃料喷射器顶端500内时，第一过渡部件504在第一接头556(图4中所示)处联接到第一流体输送管线402上，以及第二过渡部件506在第二接头558(图4中所示)处联接到第二流体输送管线404上。因此，燃料喷射器顶端500将经由其的冷却流体流从第一过渡部件504引导，经过入口孔口536、经过冷却通道530、经过出口孔口538，且经过第二过渡部件506，从而便于通过燃料喷射器208与流过冷却通道530的冷却流体之间的传导性热传递来降低燃料喷射器208的操作温度。
在示例性实施例中，第一接头556和/或第二接头558使用连结工艺(例如，焊接、铜焊等)形成。作为备选，第一接头556和/或第二接头558可使用能使燃料喷射器顶端500起到如本文所述作用的任何适合的制造工艺来形成。在示例性实施例中，由于第一过渡部件504和第二过渡部件506与底座508一体地形成且远离出口孔310延伸，故第一接头556和/或第二接头558在燃料喷射器顶端500联接到燃料喷射器208上时向外与出口孔310间隔开距离B。因此，有助于减少可在接头556和/或558上引起的氧化、热应力和/或其它潜在的接头破损根源。
本文所述的方法和系统使燃料喷射器顶端能够以便于冷却燃料喷射器的方式联接到燃料喷射器上。本文所述的方法和系统还使燃料喷射器顶端能够与燃料喷射器冷却组件对接，以便实现遍及燃料喷射器顶端的冷却流体的大致均匀的流动分布，从而减小在燃料喷射器上引起的氧化和/或热应力。本文所述的方法和系统还便于提高燃料喷射器顶端的可靠性，且从而延长燃料喷射器的使用寿命，同时还降低与制造燃料喷射器顶端相关的成本。
上文详细描述了燃料喷射器及其组装方法的示例性实施例。本文所述的方法和系统不限于本文所述的特定实施例，而是该方法和系统的组成部分可与本文所述的其它组成部分独立和分开地使用。例如，本文所述的方法和系统可具有不限于如本文所述的结合IGCC动力生成系统实施的其它应用。确切而言，本文所述的方法和系统可结合各种其它行业而予以实施和使用。
尽管已根据各种特定实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将认识到，本发明可利用落在权利要求的精神和范围内的修改而予以实施。

Claims (20)

1.一种组装燃料喷射器的方法，所述方法包括：
提供燃料喷射器顶端，所述燃料喷射器顶端包括含有冷却通道的底座、从所述底座向外延伸的第一过渡部件，以及从所述底座向外延伸的第二过渡部件，其中，所述冷却通道、所述第一过渡部件和所述第二过渡部件一体地形成在一起；
将所述燃料喷射器顶端联接到燃料喷射器上；以及
将冷却组件联接到所述燃料喷射器上，以便经由所述第一过渡部件和所述第二过渡部件引导冷却流体流穿过所述冷却通道。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供燃料喷射器顶端还包括提供在其中至少所述第一过渡部件从所述底座成弓形地向外延伸的顶端。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供燃料喷射器顶端还包括提供在其中至少所述第一过渡部件包括过渡区域和连接端的燃料喷射器顶端，其中，所述过渡区域处的内径大于所述连接端处的内径。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供燃料喷射器顶端还包括提供在其中至少所述第一过渡部件包括远离所述底座成渐缩形的过渡区域的燃料喷射器顶端。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供燃料喷射器顶端还包括使用铸造工艺形成所述底座、所述第一过渡部件以及所述第二过渡部件。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，提供燃料喷射器顶端还包括提供在其中所述过渡区域的内表面以斜角横切所述底座的内表面的燃料喷射器顶端。
7.一种燃料喷射器，包括：
喷嘴；
冷却组件；以及
联接到所述喷嘴上的顶端，所述顶端包括：
含有限定于其中的冷却通道的底座；
从所述底座向外延伸且与所述冷却通道成流动连通的第一过渡部件；以及
从所述底座向外延伸且与所述冷却通道成流动连通的第二过渡部件，其中，所述底座、所述第一过渡部件和所述第二过渡部件一体地形成在一起，所述顶端构造成用以联接到所述冷却组件上，以便经由所述第一过渡部件和所述第二过渡部件引导冷却流体流经过所述冷却通道。
8.根据权利要求7所述的燃料喷射器，其特征在于，至少所述第一过渡部件从所述底座成弓形地向外延伸。
9.根据权利要求7所述的燃料喷射器，其特征在于，至少所述第一过渡部件包括过渡区域和连接端，其中，所述过渡区域处的内径大于所述连接端处的内径。
10.根据权利要求7所述的燃料喷射器，其特征在于，至少所述第一过渡部件包括成渐缩形远离所述底座的过渡区域。
11.根据权利要求7所述的燃料喷射器，其特征在于，所述底座、所述第一过渡部件和所述第二过渡部件使用铸造工艺形成。
12.根据权利要求10所述的燃料喷射器，其特征在于，所述过渡区域的内表面以斜角横切所述底座的内表面。
13.一种动力生成系统，包括：
燃气涡轮发动机；
联接到所述燃气涡轮发动机上的气化器；
至少部分地延伸到所述气化器中的燃料喷射器，所述燃料喷射器包括喷嘴；
联接到所述燃料喷射器上的冷却组件；以及
联接到所述喷嘴上的顶端，所述顶端包括：
含有限定于其中的冷却通道的底座；
从所述底座向外延伸且与所述冷却通道成流动连通的第一过渡部件；以及
从所述底座向外延伸且与所述冷却通道成流动连通的第二过渡部件，其中，所述底座、所述第一过渡部件和所述第二过渡部件一体地形成在一起，所述顶端构造成用以联接到所述冷却组件上，以便经由所述第一过渡部件和所述第二过渡部件引导冷却流体流经过所述冷却通道。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，至少所述第一过渡部件从所述底座成弓形地向外延伸。
15.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，至少所述第一过渡部件包括过渡区域和连接端，其中，所述过渡区域处的内径大于所述连接端处的内径。
16.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，至少所述第一过渡部件包括成渐缩形远离所述底座的过渡区域。
17.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述底座、所述第一过渡部件和所述第二过渡部件使用铸造工艺形成。
18.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述冷却组件包括第一流体输送管线和第二流体输送管线，所述第一过渡部件包括在第一接头处联接到所述第一流体输送管线上的第一连接端，所述第二过渡部件包括在第二接头处联接到所述第二流体输送管线上的第二连接端，其中，所述第一接头和所述第二接头向外与所述底座间隔开一定距离，以便于减少施加到所述第一接头和所述第二接头中至少一个上的热应力。
19.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述冷却组件包括第一冷却盘管和第二冷却盘管，所述第一冷却盘管和所述第二冷却盘管中的至少一个外接所述燃料喷射器的一部分，其中，所述第一过渡部件和所述第二过渡部件中的至少一个从所述底座成弓形地向外延伸，以便于将所述第一过渡部件联接到所述第一冷却盘管上，以及将所述第二过渡部件联接到所述第二冷却盘管上。
20.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述过渡区域的内表面以斜角横切所述底座的内表面。
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