CN102155739A - 具有被动吹扫空气通路的涡轮发动机的燃料喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有被动吹扫空气通路的涡轮发动机的燃料喷嘴。用于涡轮机的第二燃料喷嘴(100)包括被动吹扫空气通路(110)，被动吹扫空气通路(110)在喷嘴运行的所有时间里对第二喷嘴(100)提供吹扫空气。被动吹扫空气通路(110)吸入来自喷嘴的上游端附近的位置(162)的空气。因为位于喷嘴的下游端处的空气和位于喷嘴的上游端处的空气之间的压差的原因，吹扫空气将在喷嘴运行时始终运动通过被动吹扫空气通路。不需要供应压缩吹扫空气。

Description

具有被动吹扫空气通路的涡轮发动机的燃料喷嘴

技术领域

本发明涉及一种用于涡轮发动机的燃料喷嘴。

背景技术

在发电行业中使用的涡轮发动机典型地包括多个燃烧器，该多个燃烧器同心地布置在通向涡轮区段的输入端周围。在图1中显示了典型的燃烧器组件。该燃烧器组件包括第一燃料喷嘴和第二燃料喷嘴两者。

第一燃料喷嘴和第二燃料喷嘴将燃料喷射到从涡轮机的压缩机侧接收到的压缩空气流中。燃料与空气混合，然后燃料-空气混合物在燃料喷射器的下游、一个或多个燃烧区中被点燃。理想地，在位于燃料喷嘴的远端的下游的位置处发生燃烧，使得喷嘴本身不经受非常高的温度。另外，燃料喷嘴包括吹扫空气通路是普遍的，吹扫空气通路引导设计成以便冷却喷嘴的压缩空气流。

在一些涡轮机运行条件期间，临时阻止燃料喷嘴的吹扫空气通路引导冷却空气流。在那些情况下，邻近燃烧区的燃料喷嘴部分可经受非常高的温度，非常高的温度会损害燃料喷嘴。典型地，喷嘴的下游端会经受最高的温度，并且因此最有可能受损。

发明内容

在一方面，本发明可实施为一种用于涡轮发动机的燃料喷嘴，该燃料喷嘴包括：具有中心纵向轴线的细长壳体；至少一个燃料输送通路，其沿着壳体的至少一部分延伸；以及主动吹扫空气通路，其沿着壳体延伸，并且将吹扫空气输送到位于喷嘴的排出端处的至少一个主动吹扫空气排出开口。燃料喷嘴还包括被动吹扫空气通路，其具有接纳来自喷嘴外部及壳体的上游端附近的位置的空气的入口，并且具有位于喷嘴的排出端处的出口。

在另一方面，本发明可实施为一种用于涡轮发动机的燃料喷嘴，该燃料喷嘴包括：具有中心纵向轴线的细长壳体；燃料输送通路，其沿着壳体的至少一部分延伸；以及主动吹扫空气通路，其沿着壳体延伸，并且将吹扫空气输送到位于该喷嘴的下游端处的至少一个主动吹扫空气排出开口。该燃料喷嘴还包括被动吹扫空气通路，其具有接纳来自喷嘴外部及壳体的上游端附近的位置的空气的入口，并且具有位于喷嘴的下游端处的出口，其中，当在运行的涡轮发动机中使用燃料喷嘴时，喷嘴外部及壳体的上游端附近的空气与位于被动吹扫空气通路的出口处的空气之间的压差促使吹扫空气沿着被动吹扫空气通路从入口流到出口。

附图说明

图1是示出了涡轮发动机的典型燃烧器的元件的截面图；

图2是在涡轮发动机的燃烧器中使用的第二燃料喷射喷嘴的截面图；

图3是第二燃料喷嘴的另一个实施例的截面图；以及

图4是示出了在燃料传输过程期间存在于两个不同的燃料喷嘴的尖端处的温度的曲线图。

部件列表

10  涡轮

12  压缩机

20  过渡导管

30  流动套管

35  端盖

40  燃烧器衬套

50  燃烧器盖

50  成角度的壁

60  第一燃料喷嘴

70  第二燃料喷嘴

80  气室

90  第一燃烧区

100 第二燃料喷嘴

100 第二燃烧区

110 中心通路

110 第一通路

110 中心吹扫空气通路

115 旋流器板

120 第二(引导燃料)通路

125 旋流器板

130 第三通路

140 第四通路

145 燃料喷射器

146 燃料输送孔口

150 集管/歧管

160 第二通路

162 燃料输送线路

162 孔口

164 吹扫空气线路

166 过渡燃料输送线路

166 过渡燃料供应线路

170 第一通路

具体实施方式

图1中示出了用于涡轮发动机的典型的燃烧器组件。如该图中所示，燃烧器包括过渡导管20，过渡导管20将燃烧气体传送到涡轮区段中。过渡导管20附连到燃烧器衬套40上。流动套管30包围燃烧器衬套40的外部。

来自涡轮机的压缩机区段的压缩空气被传送到燃烧器衬套40和流动套管30之间的环形空间中。图1中的箭头示出了压缩空气的运动方向。如图1所示，压缩空气沿着燃烧器衬套40和流动套管30之间的环形空间运动到燃烧器的上端。然后压缩空气转弯且进入燃烧器衬套40内部的空间。

多个燃料喷嘴60、70位于燃烧器的上游端处。多个第一燃料喷嘴60安装在燃烧器盖50周围的环形环件中。另外，至少一个第二燃料喷嘴70位于燃烧器的中心中。如图1所示，第二燃料喷嘴70典型地沿着燃烧器的长度延伸更大的距离。

在燃烧器内的燃烧典型地发生在两个不同的位置中。存在第一燃烧区90，其位于燃烧器的远的上游端处且邻近第一燃料喷嘴60的排出端。另外，存在第二燃烧区100，其沿着燃烧器的长度位于更远的地方且邻近第二燃料喷嘴70的排出端。在一些燃烧器中，成角度的壁50使文丘里管形成于第一燃烧区90和第二燃烧区100之间。成角度的壁50颈缩，以减小燃烧器的内径。由成角度的壁50形成的文丘里管提高了紧接着空气-燃料混合物进入第二燃烧区100之前空气和燃料穿过该燃烧器的这个区段的速度。

在最初的起动过程期间，通过第一燃料喷嘴60和第二燃料喷嘴70两者将燃料输送到燃烧器中。空气燃料混合物在第一燃烧区90和第二燃烧区100两者中点燃。涡轮机的运行速度提高，而且将典型地为发电机形式的负载布置在涡轮机上。

为了实现最佳排放，合乎需要的是仅在第二燃烧区100中发生燃烧。因此，尽管必须首先使得在第一燃烧区90和第二燃烧区100两者中发生燃烧，但是在起动过程期间的某个点处，必须消除第一燃烧区90中的燃烧。

为了消除第一燃烧区90中的燃烧，必须临时切断通往第一燃料喷嘴60的燃料。在此过渡时间段期间，仍然通过第二燃料喷嘴70将燃料输送到第二燃烧区100中。一旦已经切断了通往第一燃料喷嘴60的燃料达一段时间，第一燃烧区90中的燃烧就将停止，而且燃烧将仅继续在第二燃烧区100中进行。

因为负载布置在涡轮机上，以及为了确保涡轮机维持此负载，所以不能简单地切断通往第一燃料喷嘴的燃料。相反，必须在过渡时间段期间将大致相同量的燃料不断地输送到燃烧器中。因此，在典型的过渡序列中，当切断通往第一燃料喷嘴60的燃料时，通过第一燃料喷嘴60输送的相同量的燃料改为通过第二燃料喷嘴70的通道来输送。这意味着第二燃料喷嘴70必须输送之前通过第一燃料喷嘴60和第二燃料喷嘴70两者输送到燃烧器中的所有燃料。

一旦第一燃烧区90中不再进行燃烧，燃料就可再次通过第一燃料喷嘴60来输送。通过第一喷嘴60输送的燃料将在第一燃烧区的内部周围打漩，以与周围的空气完全混合，而且当空气-燃料混合物运动到第二燃烧区100中时，空气-燃料混合物将被点燃。因此，在稳态运行期间，合乎需要的是通过第一燃料喷嘴60和第二燃料喷嘴70两者输送燃料，而且所有的空气和燃料均在第二燃烧区100中燃烧。在提供了典型的第二燃料喷嘴70的描述之后，将在下面描述这个燃料过渡过程的更多细节。

图2是典型的第二燃料喷嘴100的功能图。该第二燃料喷嘴包括沿着喷嘴的壳体的长度延伸的多个通路。在图2所示的实施例中，存在可用来将燃料或空气输送到喷嘴的下游端的中心通路110。第二通路120同心地包围第一通路110。还存在同心地包围第二通路120的第三通路130。最后，存在同心地包围第三通路130的第四通路140。这些通路中的至少一个会将燃料输送到多个沿径向延伸的燃料喷射器145。在一些实施例中，第四通路140可将燃料输送到燃料喷射器145。在其它实施例中，第三通路130可将燃料输送到燃料喷射器145，而且第四通路140可用作吹扫空气通路。

多个燃料输送孔口146形成于沿径向延伸的燃料喷射器145上。因此，输送到燃料喷射器的燃料通过燃料输送孔口146离开。在正常运行期间，压缩空气沿着燃料喷嘴的外部的长度流动。因此，离开燃料输送孔口146的燃料与沿着燃料喷嘴的长度传送的空气混合，以产生空气-燃料混合物，然后可点燃该空气-燃料混合物。虽然没有显示，但是各种不同的旋流器装置可位于沿径向延伸的燃料喷射器的上游和/或下游，以加大空气的旋流和混合动作，从而改善空气与输送通过燃料输送孔口146的燃料的混合。

通过燃料喷射器145输送燃料形成了燃料喷嘴的一种燃料输送机制。但是，燃料还典型地通过内部通路中的一个或多个来输送。例如，可通过第二通路120来输送燃料。此燃料输送回路通常被称为引导燃料回路。通过第二或引导燃料通路120输送的燃料离开燃料喷嘴的下游端，并且也被点燃。由穿过引导通路或第二通路120的燃料所产生的火焰通常被称为引导火焰。引导火焰非常稳定，并且典型地不会经历灭火。

第三通路130典型地传递吹扫空气和/或燃料。通过第三通路130输送的吹扫空气用来冷却外部喷嘴尖端。特别地，吹扫空气冷却燃料喷嘴的下游端，该下游端典型地经受最高温度，因为燃烧区位于燃料喷嘴的排出端的正下游。另外，通过位于燃料喷射喷嘴的中心处的第一通路110频繁地输送吹扫空气。此处，再次，穿过第一通路110的吹扫空气设计成以便冷却喷嘴，并且尤其冷却喷嘴的下游端。

集管或歧管150形成于喷嘴的上游端处。集管150包括设计成以便将燃料和空气输送到燃料喷嘴内部的第一通路、第二通路、第三通路和第四通路中的各种通路。集管150将典型地连接到燃料输送线路162和吹扫空气线路164上。吹扫空气线路164将连接到压缩空气源上，压缩空气源典型地从涡轮机的压缩机区段分接出来。因此，输送压缩空气的线路164将典型地延伸到涡轮机的压缩机区段上的分接头或压缩机排气气室。

另外，过渡燃料输送线路166也连接到歧管150上。过渡燃料输送线路166将燃料运送到第二燃料喷嘴100，否则该燃料将会由第一燃料喷嘴传递且从第一燃料喷嘴中输送出来。因此，在如上所述的燃料过渡过程期间，当切断来自第一燃料喷嘴的燃料时，将通过过渡燃料输送线路166将该燃料输送到第二燃料喷嘴100。

如以上所阐述的那样，当是时候停止燃烧器的第一燃烧区90中的燃烧时，切断通往第一燃料喷嘴60的燃料，而且否则将会通过第一燃料喷嘴60输送的燃料改为被传送到第二燃料喷嘴70。而且如以上所阐述的那样，必须通过第二燃料喷嘴70将燃料输送到第二燃烧区100中。

因为通路中的一个已经在输送燃料通过沿径向延伸的燃料喷射器145，而且因为引导燃料通路120已经在输送燃料通过第二燃料喷嘴，所以可用来将燃料输送到第二燃烧区中的第二燃料喷嘴的仅其它部分是喷嘴内的传递吹扫物的通路。因此，在燃料过渡过程期间，通过过渡燃料输送线路166输送到第二燃料喷嘴的燃料典型地被传送到吹扫空气通路中。这意味着必须切断通常通过这些通路传递的吹扫空气，并且燃料改为通过这些通路来输送。而且在断开吹扫空气以及将燃料传送到吹扫空气通路中所需的时间期间，没有燃料或吹扫空气流过吹扫空气通路。

如以上所阐述的那样，燃料将输送通过吹扫空气通路，直到第一燃烧区90中的燃烧停止为止。在此时间段期间，燃料穿过吹扫空气通路，并且燃料起作用来冷却第二燃料喷嘴的下游端。因此，在燃料运动通过吹扫空气通路时，在第二燃料喷嘴的下游端处的温度保持相对低。

一旦第一燃烧区90中的燃烧停止，燃料就转回到第一燃料喷嘴，而且吹扫空气可被再次输送通过喷嘴的吹扫空气通路。但是，切换过程要花一定量的时间。典型地，燃料将立即切换回到第一燃料喷嘴60。但是，在切换之后的较短时间段内，燃料将仍然驻留在喷嘴的吹扫空气通路中。

当吹扫空气再次被引入吹扫空气通路中时，吹扫空气将强制残留在这些通路中的燃料离开喷嘴的下游端。如果吹扫空气立即接入到其正常流量水平，这会在第一燃料喷嘴也已经在输送燃料的同时迅速地将大量燃料喷射到第二燃烧区110中，这会在燃烧区中导致喘振，而且可能在涡轮机的负载输出中导致作为结果而发生的喘振。由于这些原因，一旦燃料已经切换回到第一燃料喷嘴，吹扫空气就逐渐且缓慢地被引回到吹扫空气通路中，使得那些通路中的任何燃料都逐渐被推出到第二燃烧区中。而且这还延迟了吹扫空气正常地流动以冷却喷嘴的下游端之前的时间。

如上面所阐述的那样，在燃料过渡过程期间，在喷嘴的下游端处的温度可在两个时间点处升高到非常高的温度。图4的上半部显示了在典型的燃料过渡过程期间在喷嘴的尖端处的温度的图表。如图4所示，将切断通往第一喷嘴的燃料，然后将关断通往第二喷嘴的吹扫空气。在那个时间点处，在燃料喷嘴的下游尖端处的温度开始非常迅速地升高。在喷嘴的下游端处的温度将继续升高，直到燃料运动通过吹扫空气通路为止。

在正常的稳态条件期间，当吹扫空气被输送通过喷嘴时，喷嘴的尖端保持大约为300°F。一旦吹扫空气停止，温度就迅速升高超过1000°F。一旦传输燃料(其之前通过第一喷嘴输送到燃烧器中)开始流过第二喷嘴的吹扫空气通路，温度就迅速回到与燃料温度(的温度)相接近的温度。

在燃料被输送通过第二喷嘴的吹扫空气通路的时间期间，温度保持为相对低的安全温度。但是，一旦传输燃料供应停止且再次通过第一喷嘴将燃料输送到燃烧器中，在第二喷嘴的尖端处的温度就再次开始升高。温度将继续升高，直到吹扫空气逐渐被引入吹扫空气通路中，如以上所阐述的那样。一旦吹扫空气再次流过第二喷嘴的吹扫空气通路，温度就再次返回到正常。

如图4的上半部所示，在第二喷嘴的尖端处的温度趋向于在燃料传输过程期间的两个不同的时间点处达到峰值。当吹扫空气已经被关断且还没有燃料流过第二喷嘴的吹扫空气通路时，出现第一峰值。当传输燃料切断时且在吹扫空气再次正常地流过吹扫空气通路之前，出现第二峰值。在这两个事件期间，在喷嘴的尖端处的温度可升高到高达1500°F。这些温度可能对喷嘴尖端的材料相当有害，并且可造成永久性损伤。

图3显示了第二燃料喷嘴的修改版本。这个实施例类似于图2所示的实施例，但是，中心吹扫空气通路110已经修改成与在喷嘴的上游侧处形成于燃料喷嘴的外部上的孔口连通。如图3所示，第一通路170联接到中心吹扫空气通路110的入口上。第一通路170沿径向延伸且联接到第二通路160上，第二通路160通往喷嘴的集管150上的孔口162。另外，在这个实施例中，旋流器板115位于中心吹扫空气通路110的下游端处。旋流器板125还位于引导燃料通路120中。

当如图3所示的第二燃料喷嘴在燃烧器内部运行时，在喷嘴的下游端附近的压力将低于在喷嘴的上游端附近的压力。因为旋流器板导致压降，所以可通过在中心吹扫空气通路110内增加旋流器板115来提高上游端和下游端之间的压差。因为燃料喷嘴的上游端处的空气的压力高于下游端处的压力，所以在喷嘴的稳态运行期间，将通过孔口162吸入空气，而且空气将流过第一通路170和第二通路160进入吹扫空气通路110的入口中，然后沿着中心吹扫空气通路110流动。只要在燃烧器内进行正常操作，该流动就将保持继续。

当使用如图3所示的喷嘴时，在如上所述的燃料过渡过程期间，过渡燃料供应线路166将仅联接到第二通路、第三通路或第四通路中的一个或多个上。在燃料过渡过程期间，吹扫空气将持续地运动通过中心吹扫空气通路110。吹扫空气的这个持续供应确保在下游端处的喷嘴的尖端的温度将保持相对恒定，即使是在燃料过渡过程期间。另外，因为由于包围喷嘴的下游端的空气和喷嘴的上游端处的空气之间的压差的原因而产生了通过中心吹扫空气通路110的吹扫空气流，所以不需要从涡轮机的压缩机区段中提供单独的压缩吹扫空气供应。相反，仅仅从已经包围喷嘴的上游端的压缩空气中抽取运动通过中心吹扫空气通路110的吹扫空气。

在图3所示的实施例中，喷嘴的第二火焰探测器观察孔用作用于将空气输送到中心吹扫空气通路110的第二通路160。因此，唯一必要的是通过增加沿径向延伸的第一通路170来修改图2所示的第一个实施例，沿径向延伸的第一通路170将第二火焰探测器观察孔和入口连接到中心吹扫空气通路110上。因此，对原本的第二喷嘴的非常简单的修改可确保一直供应吹扫空气，即使是在燃料过渡过程期间。

另外，在图3所示的实施例中，中心吹扫空气通路110联接到通路170上，通路170伸出到喷嘴的上游端外部的位置。在备选实施例中，中心通路110之外的不同的通路可连接到通路170上。在另外的其它实施例中，通路170可连接到喷嘴内部的通路中的多个通路上。

图4的下部示出了在燃料过渡过程期间在图3中所示的喷嘴的下游端处的温度。如图中所示，燃料喷嘴的下游尖端的温度保持相对恒定(即使是在燃料过渡过程期间)。这防止喷嘴的下游端在燃料过渡过程期间由于高温而受损。

在前述描述中，图2和3中所示的实施例用作可如何在第二燃料喷嘴上提供被动吹扫空气回路以确保恒定的吹扫空气供应(即使在燃料过渡过程期间)的一个实例。图2和3所示的实施例示出了第二喷嘴具有两个吹扫空气通路、引导燃料通路和主燃料通路。在备选实施例中，通路可沿不同的定向来构造，而且可消除引导燃料通路。另外，一个燃料输送通路可将燃料输送到沿径向延伸的燃料喷射器，而且相同或不同的燃料输送通路还可将燃料输送通过位于喷嘴的下游端处的孔口。图2和3中所示的构造仅意图为说明性的而非限制性的。取决于特定涡轮机的要求，可以以各种不同的方式来构造第二燃料喷嘴。

虽然已经结合目前被认为最实用和优选的实施例的内容来描述了本发明，但是将理解，本发明不限于公开的实施例，而是相反，本发明意图覆盖包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (8)

1.一种用于涡轮发动机的燃料喷嘴，包括：

具有中心纵向轴线的细长壳体；

沿着所述壳体的至少一部分延伸的至少一个燃料输送通路(120，130)；

主动吹扫空气通路(140)，其沿着所述壳体延伸，并且将吹扫空气输送到位于所述喷嘴的排出端处的至少一个主动吹扫空气排出开口；以及

被动吹扫空气通路(110)，其具有接纳来自在所述喷嘴外部且在所述壳体的上游端附近的位置的空气的入口(162)，并且具有位于所述喷嘴的排出端处的出口。

2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，当所述燃料喷嘴在运行的涡轮发动机中使用时，在所述喷嘴外部且在所述壳体的所述上游端附近的空气与位于所述被动吹扫空气通路的所述出口处的空气之间的压差促使吹扫空气沿着所述被动吹扫空气通路(110)从所述入口流到所述出口。

3.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述燃料喷嘴进一步包括位于所述壳体的外部上的多个燃料喷射器(145)，其中，所述被动吹扫空气通路(110)的所述入口在所述燃料喷射器(145)的上游的位置处位于所述壳体上。

4.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述被动吹扫空气通路的所述入口包括：

在所述壳体上的开口(162)，其位于所述壳体的所述上游端附近；以及

第一传输通路(170)，其从所述被动吹扫空气通路(110)的上游端沿径向延伸通过所述喷嘴。

5.根据权利要求4所述的燃料喷嘴，其特征在于，到所述被动吹扫空气通路(110)的所述入口进一步包括从所述开口延伸到所述第一传输通路(170)的第二传输通路(160)。

6.根据权利要求5所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述第二传输通路(160)沿平行于所述壳体的中心纵向轴线的方向延伸。

7.根据权利要求5所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述第二传输通路(160)包括位于所述壳体上的第二火焰探测器观察孔的一部分。

8.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述燃料喷嘴进一步包括位于所述被动吹扫空气通路(110)中的旋流器板(115)。

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