CN102162643A - 燃料喷射器喷嘴 - Google Patents

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CN102162643A CN2011100871189A CN201110087118A CN102162643A CN 102162643 A CN102162643 A CN 102162643A CN 2011100871189 A CN2011100871189 A CN 2011100871189A CN 201110087118 A CN201110087118 A CN 201110087118A CN 102162643 A CN102162643 A CN 102162643A
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S·霍斯拉
M·拉尔
D·S·察亨特鲍尔
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

本发明涉及一种燃料喷射器喷嘴。公开了一种燃料喷射器喷嘴(10)。该喷嘴包括喷嘴主体(12)，其具有从燃料入口(20)通过燃料出口导管(24)延伸到燃料出口(22)的燃料导管(18)，和从流体入口(40)通过流体出口导管(44)延伸到流体出口(42)的流体导管(38)。燃料出口导管和燃料出口构造成在加压液体燃料(26)引入燃料导管之后从该燃料出口产生液体燃料射流(23)。流体出口导管和流体出口构造成在加压液体流体(46)引入流体导管之后从该流体出口产生液体流体射流(43)，其中液体燃料射流和液体流体射流构造成相互撞击并产生雾化燃料的流动流(25)。

Description

燃料喷射器喷嘴
技术领域
本发明大体涉及燃料喷射器喷嘴。
背景技术
在许多情况下，同备选的燃料相比，天然气由于它的较低成本和合乎需求的燃烧特性而成为使燃气轮机燃烧的燃料选择。然而，取决于成本、可用性和期望的燃烧特性，许多燃气涡轮具有燃烧天然气或者液体燃料(包括各种等级的柴油燃料-例如2号柴油燃料)的能力。在许多情况下，液体燃料系统主要用作备用系统。例如，当前的干式低NOx(DLN)燃烧器通常利用备用液体燃料系统。在其它情况下，由于液体燃料的较低的成本或者增强的可用性，燃气轮机站点季节性地以液体燃料运行。
虽然液体燃料系统是合乎需求的，但是作为备用的或者备选的燃料供给系统，它们的运行和维护成本在目前来说是非常高的。雾化空气常常被用于提供液体燃料的雾化以获得合乎需要的燃烧特性，包括改善的排放和涡轮性能。雾化空气系统需要放出压缩机空气并且使用泵来将气压提高到足够雾化液体燃料的程度。它们强加了额外的资本设备和维护费用，并且降低了涡轮和动力设备的效率。因此，去除雾化空气系统是合乎需要的，以便减少资本设备和维护费用、降低系统的复杂性以及改进动力设备可靠性和加热率。
因此，期望一种避免如上所述的缺陷的改进的液体燃料供给系统和供给燃料的方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，公开了一种燃料喷射器喷嘴。该喷嘴包括喷嘴主体，该喷嘴主体具有从燃料入口通过燃料出口导管延伸到燃料出口的燃料导管，和从流体入口通过流体出口导管延伸到流体出口的流体导管。燃料出口导管和燃料出口构造成在加压液体燃料引入燃料导管后从燃料出口产生液体燃料射流。流体出口导管和流体出口构造成在加压流体引入流体导管后从流体出口产生流体射流，其中液体燃料射流和流体射流构造成相互撞击并产生雾化燃料的流动流。
根据结合附图所得的以下描述，这些和其它优点以及特征将变得更加显而易见。
附图说明
在说明书结论部分处的权利要求书中特别地指出并且清楚地要求保护被认为本发明的主题。根据结合附图得到的以下详细描述，本发明的上述的以及其它的特征和优点显而易见，在附图中：
图1是本文公开的燃料喷射器喷嘴的一个示意性实施例的正面透视图；
图2是图1的燃料喷射器喷嘴的后部透视图；
图3是图2的放大图，其还包括用于示出燃料喷射器喷嘴的内部特征的虚线；
图4是沿截面4-4得到的图1的燃料喷射器喷嘴的截面图；
图5是沿截面5-5得到的图2的燃料喷射器喷嘴的截面图；
图6是燃料喷射器喷嘴和结合了该喷嘴的燃料喷射器的一个示意性实施例的透视图；
图7是沿截面7-7得到的图6的示意性实施例的截面图；
图8是沿截面8-8得到的图6的示意性实施例的截面图；
图9是本文公开的燃烧器燃料喷嘴的一个示意性实施例的截面图；
图10是本文公开的多个燃烧器燃料喷嘴和结合了该多个燃烧器燃料喷嘴的燃烧器罐的一个示意性实施例的正面透视图；
图11是本文公开的燃料喷射器喷嘴的第二示意性实施例的截面图；
图12是制造燃料喷射器喷嘴的方法的流程图；和
图13是控制燃气轮机的燃烧器的方法的流程图。
参照附图，通过示例的方式，详细的描述阐述了本发明的实施例，以及优点和特征。
部件列表：
10燃料筒喷嘴
12喷嘴主体
14入口端
16出口端
18燃料导管
20燃料入口
22燃料出口
23射流
24燃料出口导管
25合成流动流
26液体燃料
27入口
28导管轴线
29纵向轴线
31焦点
38流体导管
40流体入口
42流体出口
43射流
44流体出口导管
46液体流体
47入口
48出口导管轴线
50喷嘴头
52转接器
100燃料筒
112分隔管
114安装法兰
116入口端
118出口端
120内管
122外管
124燃料线路
126流体线路
128凹部
130焊缝
132外部燃料线路
134可分离的可附连的连接器
136外部流体线路
138可分离地可附连的连接器
140安装法兰线路
200燃烧器燃料喷嘴
210天然气线路
212内管
214燃料筒腔体
216开口
218远端
300燃烧器罐
具体实施方式
参见图1-10，示出了燃料喷射器喷嘴10的一个示意性实施例。燃料喷射器喷嘴10包括喷嘴主体12，其构造成用于附连到在燃气轮机(未示出)的燃烧器(未示出)中使用的燃料筒或者燃料喷射器100上，并且与其流体连通，以提供液体燃料的射流、或者液体燃料和另外的流体(例如水)的射流，以便将用于在燃烧器的燃烧室(未示出)中燃烧的燃料雾化。喷嘴主体12可具有任何合适的形状，包括所示的正圆柱形，并且通常将具有被构造成用于附连到与它连接(图6)的燃料喷射器100上的形状。喷嘴主体12具有入口端14和相对的排出端或者出口端16。
喷嘴主体12还包括燃料导管18，其从在入口端14上的燃料入口20延伸到位于出口端16上的燃料出口22或者多个燃料出口22。燃料出口或者多个燃料出口22与位于出口端16附近的燃料出口导管24或者多个燃料出口导管24流体连通。燃料出口22与燃料导管18和相应的燃料出口导管24流体连通并且用作它们的终端。例如如图1-7中所示，多个燃料出口导管24可以从单个燃料导管18延伸，该燃料导管18用作用来分配加压液体燃料(由箭头26示出)的腔室(plenum)，加压液体燃料流入燃料入口20、通过燃料导管18并且流入燃料出口导管24，此处其作为液体燃料26的加压流动流或者射流23通过出口端16上的燃料出口22被排出。液体燃料26可以包括任何适合于在燃气轮机的燃烧室中燃烧的液态烃，包括各种等级的柴油燃料(例如2号柴油燃料)。燃料导管18可以具有任何合适的大小与形状。在图1-7的示意性实施例中，燃料导管18具有半圆形截面形状，其具有远离燃料入口20而大小增加的面积。
燃料出口导管24具有位于燃料导管18的半圆形截面中的入口27。与燃料导管18相比，燃料出口导管24可具有更小的截面积和不同的截面形状，以便提高加压液体燃料26的压力以及提供具有预定射流特性(例如压力、流率、射流形状等等)的液体燃料26的射流23。燃料出口导管24和燃料出口22可以具有任何合适的截面形状、截面大小、长度、空间位置和定向，以便使用从其中流过的那部分加压液体燃料26来提供具有预定射流特性的射流23。预定射流特性可以被选择用来提供如本文所述的液体燃料的雾化。在图1-7的示意性实施例中，燃料出口导管24具有相应的向内会聚的燃料出口导管轴线28，且燃料出口22以及燃料出口导管24被隔开以提供远离出口端16向内会聚的液体燃料26的射流23。在图1-7的示意性实施例中，燃料出口22沿径向以及沿周向绕纵向轴线29隔开，使得相应的液体燃料射流23沿着纵向轴线29在由燃料射流角(α)确定的焦点处集中(图7)，该燃料射流角由燃料出口导管轴线28与纵向轴线29(之间)的角度来限定。燃料射流角(α)可以选择为以便提供射流或者多个射流23与液体流体的射流或者多个射流的预定撞击特性(如本文描述)，以提供具有预定流特性-包括流形状、大小、雾化颗粒大小(例如平均大小)和大小分布、液体燃料质量流率等等-的雾化液体燃料26的合成流动流25。
喷嘴主体12还包括从入口端14上的流体入口40延伸到位于出口端16上的流体出口42或者多个流体出口42的流体导管38。流体出口或者多个流体出口42与位于出口端16附近的流体出口导管42或者多个导管44流体连通。流体出口42与流体导管38和相应的流体出口导管44流体连通并且用作它们的终端。例如如图1-7中所示，多个流体出口导管44可以从单个流体导管38延伸，该流体导管38用作用来分配加压液体流体(由箭头46示出)的腔室，加压液体流体流入流体入口40、通过流体导管38并且流入流体出口导管44，此处其作为液体燃料46的加压流动流或者射流43通过出口端16上的流体出口42被排出。流体导管38可以具有任何合适的大小与形状。在图1-7的示意性实施例中，流体导管38具有在喷嘴主体12中沿其长度相同的半环或圈状截面形状。
流体出口导管44具有位于流体导管38的半环形截面中的入口47。与流体导管38相比，流体出口导管44可具有更小的截面积和不同的截面形状，以便提高加压液体流体46的压力以及提供具有预定射流特性(例如压力、流率、射流形状等等)的液体流体46的射流43。流体出口导管44和流体出口42可以具有任何合适的截面形状、截面大小、长度、空间位置和定向，以便由从其中流过的那部分加压液体流体46提供具有预定射流特性的射流43。预定射流特性可以选择为以便提供液体燃料26的雾化，如本文所述。在图1-7的示意性实施例中，流体出口导管44具有相应的向内会聚的流体出口导管轴线48，且流体出口42以及导管44被隔开以提供远离出口端16向内会聚的液体流体46的射流43。在图1-7的示意性实施例中，流体出口42沿径向以及沿周向绕喷嘴主体12的纵向轴线29隔开，使得液体燃料46的射流43或者多个射流43被集中而沿着纵向轴线29在由燃料射流角(α)和流体射流角(β)确定的焦点处撞击液体燃料26的射流23或者多个射流，其中角β由流体出口导管轴线48与纵向轴线29(之间)的角度来限定。该角(β)可以选择为以便提供射流或者多个射流23与射流或者多个射流43的预定冲击和撞击特性，包括具有预定流特性(包括流形状、大小、雾化颗粒大小(例如平均大小)和大小分布、液体燃料质量流率等等)的雾化液体燃料26的合成流动流25。
液体流体46的射流43用于撞击液体燃料26的射流23以及形成雾化液体燃料26的流动流25。在一个示意性实施例中，液体流体46可以包括液体燃料26，使得射流43实际上为射流23。在该实施例中，液体燃料26的至少两个射流23彼此撞击，以使液体燃料26雾化并且形成包括雾化液体燃料26的流动流25。任意数量的射流23可以彼此撞击以提供流动流25，该流动流包括具有如本文所述的预定流特性-包括液体燃料的预定质量流率-的雾化液体燃料26。在该实施例中，各个射流23将如本文所述被定向和引导，以便由也被定向和引导成用来提供期望的撞击的至少一个其它的射流23撞击。焦点31或者撞击点可被选择为落在纵向轴线29上，或者可以通过燃料出口22和燃料出口导管24的适当定向和位置来选择，以便将该焦点31定位在不在纵向轴线29上的、出口端16前面的位置处，如图7所示。将了解，通过限定被定向成用于本文所述的撞击的多个射流23对，对应的多个焦点31可以限定在出口端16之前的对应的多个位置上，并且包括雾化液体燃料26的对应的多个流动流25可以形成具有预定复合流特性的复合流动流25′。在该实施例中，液体燃料26可以通过成如图7中所示的那种构造的燃料导管18和流体导管38两者来供应，其中液体流体46为燃料，使得两个导管实际上是燃料导管，或者喷嘴主体仅仅具有单个燃料导管18，该单个燃料导管构造成以便为燃料出口导管24和流体出口导管44进行供应，使得它们两者实际上都是燃料出口导管24。
在另一个示意性实施例中，液体流体46可以包括水以提供预定燃烧特性，例如燃烧器中的温度、涡轮入口温度、或者点火温度(firingtemperature)的降低。在该实施例中，液体燃料26的至少一个射流23和液体流体46的至少一个射流43彼此撞击，以雾化并且乳化液体燃料26和液体流体46(例如，水)，并且形成包括雾化和乳化的液体燃料26-液体流体46的流动流25。不意图由理论限定，液体燃料的射流23和液体流体46的射流43的撞击既雾化又混合了液体燃料26和液体流体46，从而产生液体燃料26-液体流体46的雾化乳剂。该雾化乳剂可以包括覆盖或者包覆有燃料的雾化水滴。通过燃烧器提供的热使得水滴迅速地气化。与水的气化相关联的气化热会降低有待被降低的燃烧器内的温度，并且快速的气化使得滴碎裂，从而提供进一步更小的燃料滴，并且进一步增强它的雾化和燃烧特性。任意数量的射流23可以与任意数量的射流43撞击以提供流动流25，该流动流包括具有本文所述的预定流特性的雾化和乳化的液体燃料26-液体流体46。在该实施例中，液体燃料26的各个射流23将如本文所述的那样被定向和引导，以便由同样被定向及引导为以便提供期望的撞击的液体流体46的至少一个射流43撞击。焦点31或者撞击点可以选择为落在纵向轴线29上，或者可以通过燃料出口22和燃料出口导管24以及流体出口42和流体出口导管44的适当定向和位置来选择，以便将该焦点31定位在不在纵向轴线29上的、出口端16前面的位置处，如图7所示。将了解，通过限定被定向为用于本文所述的撞击的多个射流23和射流43对，对应的多个焦点31可以限定在出口端16之前的对应的多个位置上，并且雾化液体燃料26的对应的多个流动流25可以形成具有预定的复合流特性的复合流动流25′。
包括喷嘴头50和转接器52的喷嘴主体12可以通过任何合适的形成方法形成，包括将喷嘴主体12形成为一体的单件式构件，并且可以备选地由单一类型的剖面或者阴影表示。喷嘴主体12可以利用熔模铸造方法形成为一体式构件，以便产生转接器52的燃料导管18，然后利用传统的加工方法来产生转接器52的流体导管38和喷嘴头50的燃料出口导管24与流体出口导管44。备选地，喷嘴主体12可以通过将单独地形成的喷嘴头50连接到单独地形成的转接器52上而形成，喷嘴头50具有形成在其中的燃料出口导管24和流体出口导管44，转接器55具有形成在其中的燃料导管18和流体导管38。喷嘴头50和转接器52可以通过适合于在它们之间形成冶金结合51的任何连接方法(包括各种形式的焊接)来连接，使得冶金结合51可以包括焊缝。喷嘴头50和转接器52还可以通过铜焊相连接以形成冶金结合51，铜焊为一种金属连接工艺，其中填充金属分配在两个或者更多个紧密配合的部件之间(利用毛细管作用将铜焊材料吸入到部件之间的间隙中并且在它们之间形成冶金结合，从而冶金结合51可以包括铜焊接头)。转接器52可以这样形成：例如，通过熔模铸造来产生圆柱形外形和燃料导管18，且然后利用传统的加工技术来产生流体导管38。
喷嘴主体12可以由适于承受燃气轮机燃烧器的点火温度-大约2900°F的任何合适的高温材料形成。在一个示意性实施例中，喷嘴主体12可以由超级合金形成，例如包括(作为示例)哈氏合金(Hasalloy)X(UNS N06002)的镍基超级合金。喷嘴主体12的出口端16可以具有任何合适的形状轮廓，包括图7所示的向内凹的或者圆锥形的形状。
参照图6-8，燃料喷射器喷嘴10构造成用于与燃料喷射器100一起使用，并且部署在燃料喷射器100中。燃料喷射器100可以具有任何合适的截面形状和长度，包括图6-8中所示的基本上为圆柱形的形状。燃料喷射器100包括设置在安装法兰114内的分隔流体管112。分隔管112从入口端116延伸至与喷嘴主体12的入口端14相连的出口端118。可使用任何合适的分隔布置来对分隔管112进行分隔，以使得至少两种流体能够沿着管的长度从入口端116传送到出口端118，如图7和8所示，在一个示意性实施例中，使用同心管布置隔开分隔管112，其中内管120同心地设置在外管122内。内管120和外管122按它们的相应的内径和外径设置大小，以在内管120中限定燃料线路(circuit)124，以及在内管120和外管122之间限定流体线路126。在一个示意性实施例中，流体线路126可为用于如本文所述的那样提供加压液体燃料的燃料线路。在另一个示意性实施例中，流体线路126可以如本文所述提供加压液体流体46，包括水。可以使用任何合适的连接方法将喷嘴主体12连接到分隔管112上，包括各种形式的焊接。分隔管112的入口端或者多个入口端116将设置在形成于安装法兰114内的匹配凹部或者多个匹配凹部128中，并且可以通过焊缝或者多个焊缝130连接到安装法兰114上。燃料线路124通过包括不同管道或者导管(未示出)的外部燃料线路132与加压液体燃料26的源流体连通，可以使用合适的可分离地可附连的连接器134将该外部燃料线路132流体地连接到燃料喷射器100上。类似地，流体线路126通过包括用于传送液体流体46的不同管道或者导管(未示出)的外部流体线路136与加压液体流体46的源流体连通，该外部流体线路136可以通过可分离地可附连的连接器138可分离地与燃料喷射器100和安装法兰114分离。流体线路126还可以包括形成在流体线路126内并且与流体线路126流体连通的安装法兰导管140。
参见图9和10，燃料喷射器100可以设置在燃烧器燃料喷嘴200中，燃烧器燃料喷嘴200用于为燃气轮机的燃烧器提供作为主燃料的天然气。燃烧器燃料喷嘴200包括被限定燃料喷射器腔体214的内管212界定在一侧的天然气线路210，所述腔体构造成用于接收包括分隔管112和喷嘴10的燃料喷射器100，其中喷嘴主体12的出口端16设置在燃烧器喷嘴的远端218处的开口216中。喷嘴主体12构造成用于将作为雾化液体燃料-液体流体乳剂的副燃料或者备用燃料通过开口216喷入燃烧器。如图10所示，包括燃料喷射器100的多个燃烧器燃料喷嘴200可以组合而形成燃烧器罐300。多个燃烧器罐300(未示出)(各个燃烧器罐包含多个燃烧器燃料喷嘴200和燃料喷射器100)可以以传统的方式周向地围绕燃气轮机的燃烧器部分(未示出)定位，以便提供这样的燃气轮机：其具有双燃料能力，或者提供了具有供应主燃料(天然气)和副燃料或者备用燃料(液体燃料)的能力的燃气轮机。
图11示出了燃料喷射器喷嘴10的第二示意性实施例。燃料喷射器喷嘴10包括如本文所公开的喷嘴主体12和其它喷嘴元件。在该实施例中，转接器52的燃料导管18和流体导管38可以设置成使得一个导管设置在另一个导管中，包括这样的构造：其中一个导管相对于另一个导管同心地设置。在图11的示意性实施例中，燃料导管18设置在流体导管38中，且更特别地，燃料导管18同心地设置在流体导管38中。然而，这种构造可以倒转，使得流体导管38设置在燃料导管18内，且更特别而言，流体导管38同心地设置在燃料导管18中。在图11所示的构造中，燃料导管18构造成用于在入口端14上与燃料线路124流体连通，并且具有朝着邻接喷嘴头50的转接器52的出口端15和出口17打开的截头圆锥形状。流体导管38构造成用于在入口端14上与流体线路126流体连通，并且具有朝着邻接喷嘴头50的转接器52的出口端15和出口19打开的截头圆锥圈形形状，并且围绕燃料导管18。
多个四(个)燃料出口导管24以任何合适的径向间距沿径向与纵向轴线29隔开，并且以任何合适的周向间距沿周向彼此隔开。在图11的实施例中，导管以大约90度的间隔均等地隔开。导管包括如图11所示的两个燃料出口导管24，它们绕纵向轴线29沿径向均等地隔开，并且沿周向间隔开180°。然而，可以以任何合适的径向或者周向间距来使用任意数量的额外的燃料出口导管24。燃料出口导管24具有位于燃料导管18的圆形截面中的入口27。与燃料导管18相比，燃料出口导管24可具有更小的截面积和不同的截面形状，以便提高加压液体燃料26的压力并且提供具有预定射流特性-例如压力、流率、射流形状等等-的液体燃料26的射流23。燃料出口导管24和燃料出口22可以具有任何合适的截面形状、截面大小、长度、空间位置和定向，以便使用从其中流过的那部分加压液体燃料26提供具有预定射流特性的射流23。预定射流特性可以选择为以便提供如本文所述的液体燃料的雾化。在图11的示意性实施例中，燃料出口导管24具有相应的向内会聚的燃料出口导管轴线28，且燃料出口22以及燃料出口导管24被隔开，以提供远离出口端16向内会聚的液体燃料26的射流23。在图12的示意性实施例中，燃料出口22沿径向以及沿周向绕纵向轴线29隔开，使得相应的液体燃料射流23沿着纵向轴线29在由燃料射流角(α)确定的焦点31处集中，该燃料射流角由燃料出口导管轴线28和纵向轴线29(之间)的角度限定。燃料射流角(α)可以选择为以便提供射流23的预定撞击特性，以便提供具有预定流特性-包括流形状、大小、雾化颗粒大小(例如平均大小)和大小分布、液体燃料质量流率等等-的雾化液体燃料26的合成流动流25。在该实施例中，燃料喷射器100可以在仅有加压液体燃料26流而没有使用流入流体线路126的诸如水的加压液体流体46的情况下有利地运行，且仍然提供雾化液体燃料26流以用于燃烧。
多个四(个)流体出口导管44以任何合适的径向间距与纵向轴线29沿径向隔开，并且以任何合适的周向间距沿周向彼此隔开。在图11的实施例中，导管以90°的间隔均等地隔开。导管包括图11中所示的双流体出口导管44，其绕纵向轴线29沿径向均等地隔开并且沿周向间隔开180°。然而，可以以任何合适的径向或者周向间距使用任意数量的额外的流体出口导管44。在示出的实施例中，流体出口导管44的径向间距大于燃料出口导管24的径向间距，使得燃料出口导管24和燃料出口22同心地设置在流体出口导管44和流体导管42之内。流体出口导管44具有入口47，其位于流体导管38的环形或者圈形的截面中。与流体导管38相比，流体出口导管44可具有更小的截面积和不同的截面形状，以便提高加压液体流体46的压力并且提供具有预定射流特性-例如压力、流率、射流形状等等-的液体流体46的射流43。流体出口导管44和流体出口42可以具有任何合适的截面形状、截面大小、长度、空间位置和定向，以便由从其中流过的那部分加压液体流体46提供具有预定射流特性的射流43。预定射流特性可以选择为以便提供液体燃料26的进一步雾化，如本文所述。在图11的示意性实施例中，流体出口导管44具有相应的向内会聚的流体出口导管轴线48，并且流体出口42以及导管44被隔开，以提供远离出口端16向内会聚的液体流体46的射流43。在图11的示意性实施例中，流体出口42沿径向以及沿周向绕喷嘴主体12的纵向轴线29隔开，使得液体燃料46的射流43或者多个射流43被集中，以便也沿着纵向轴线29在由燃料射流角(α)和流体射流角(β)确定的焦点处撞击液体燃料26的该多个射流，其中，角β由流体出口导管轴线48和纵向轴线29(之间)的角度限定。该角(β)可以选择为以便提供射流或者多个射流23与射流或者多个射流43的预定冲击和撞击特性，包括具有预定流特性(包括流形状、大小、雾化颗粒大小(例如，平均大小)和大小分布、液体燃料质量流率等等)的雾化液体燃料26的合成流动流25。
在该实施例中，液体流体46可以包括水以提供预定燃烧特性，例如燃烧器中的温度、涡轮入口温度或者点火温度的降低。在该实施例中，液体燃料26的多个射流23和液体流体46的多个射流43彼此撞击，以雾化并且乳化液体燃料26和液体流体46(例如，水)并且形成包括雾化和乳化的液体燃料26-液体流体46的流动流25。不意图由理论限定，液体燃料的射流23和液体流体46的射流43的撞击既雾化又混合了液体燃料26和液体流体46，从而产生液体燃料26-液体流体46的雾化乳剂。该雾化乳剂可以包括覆盖或者包覆有燃料的雾化水滴。由燃烧器提供的热使得水滴迅速地气化。与水的气化相关联的气化热会降低有待被降低的燃烧器内的温度，并且快速的气化使得滴碎裂，从而提供进一步更小的燃料滴并且进一步增强了它的雾化和燃烧特性。任意数量的射流23可以与任意数量的射流43撞击，以提供流动流25，该流动流包括具有本文所述的预定流特性的雾化和乳化的液体燃料26-液体流体46。在该实施例中，液体燃料26的各个射流23将如本文所述的那样被定向及引导，以便由也被定向及引导为以便提供期望的撞击的液体流体46的至少一个射流43撞击。焦点31或者撞击点可以选择为落在纵向轴线29上，或者可以通过燃料出口22和燃料出口导管24以及流体出口42和流体出口导管44的适当定向和位置来选择，以便将焦点31定位在不在纵向轴线29上的、出口端16前面的位置处，如图7所示。将了解，通过限定被定向为用于本文所述的撞击的多个射流23和射流43对，对应的多个焦点31可以限定在出口端16之前的对应的多个位置上，并且雾化液体燃料26的对应的多个流动流25可以形成具有预定复合流特性的复合流动流25′。
燃料喷射器喷嘴10和喷嘴主体12可以形成为一体式构件或者可以如本文所述通过连接转接器52和喷嘴头50形成为两件式构件。
燃料喷射器喷嘴10的入口端14设置在燃料喷射器100的出口端118上。喷嘴10可以通过任何合适的附连件或者附连方法设置在燃料喷射器100上，但是将优选利用冶金结合119进行附连。可以使用任何合适的冶金结合119，包括铜焊接头或者可以通过各种形式的焊接形成的焊缝。在图11的示意性实施例中，冶金结合119包括对接焊缝121。例如，对接焊缝121可以通过首先将内管120对焊到转接器52的入口端14的内部部分123上而形成。在对对接焊缝121的内部部分进行任何必需的检查之后，外管122可以对焊到转接器52的入口端14的外部部分125上。如图11所示，喷嘴主体12的入口端14包括台阶13，而燃料喷射器100的出口端118包括台阶113，并且这些台阶13，113匹配地设置。通过容许在不同的平面中进行焊接并且使用分离的焊接操作，这些匹配的台阶可用来帮助连接。在一个示意性实施例中，入口端可以向外跨出，其中入口端14的内部部分123远离转接器52向外突出，而燃料喷射器100的出口端通过内管120凹入向外突出的外管122中而跨出。
参见图12，制造燃料喷射器喷嘴10的方法500包括形成510用于与液体燃料26流体连通以产生液体燃料射流23并且与液体流体46流体连通以产生流体射流43(如本文所述)的喷嘴主体12。如本文所述，形成510可以可选地包括形成520一体式喷嘴主体12(例如通过熔模铸造或者烧结粉末金属压块)，并且还可以使用机械加工、钻孔及其它金属形成方法来产生喷嘴主体12的不同特征。备选地，形成510还可包括通过形成532转接器52、形成534喷嘴头50以及将转接器52连接536到喷嘴头50上(例如如本文所述通过焊接或者铜焊)，来形成两件式喷嘴主体530。方法500还可包括将喷嘴主体12的入口端14连接540到燃料喷射器100的出口端118上，其中喷嘴主体12的入口端成阶梯状而具有台阶13，并且构造成用于与燃料喷射器100的出口端118上的台阶113匹配接合。
参照图13，公开了控制燃气轮机的燃烧器的方法600。燃烧器和燃气轮机可以为任何合适的设计，包括各种传统的燃烧器和燃气轮机设计。方法600包括操作地将如本文所述的燃烧器罐300设置610在燃气轮机的燃烧器中。燃烧器罐300包括多个燃烧器燃料喷嘴200，它们各自具有燃料喷射器100，该燃料喷射器构造成以便选择性地将液体燃料、液体流体或者液体燃料和液体流体提供到燃料喷射器喷嘴10，该燃料喷射器喷嘴构造成以便分别提供多个液体燃料射流、多个液体流体射流或者它们的组合，它们又构造成以便分别提供雾化液体燃料流、雾化液体流体流、或者雾化和乳化的液体燃料-液体流体流。方法600还包括选择性地将一定量的液体燃料、液体流体或者它们的组合提供620至燃料喷射器喷嘴，以便分别产生预定的雾化液体燃料流、雾化液体流体流或者雾化和乳化的液体燃料-液体流体流。
例如，方法600可以用于图11所示的燃料喷射器100，以便仅通过燃料导管18和燃料出口导管24来选择性地提供620加压燃料，以产生用于在燃烧器中燃烧的雾化液体燃料流25。可以在燃气轮机的预定低负荷状态期间(其中不需要限制燃烧温度，或者其中例如燃烧器正斜坡上升到预定燃烧温度)使用这种运行构造。在一个示意性实施例中，低负荷状态为小于或等于燃气轮机的基本负荷的大约30％的负荷，且更特别地，为基本负荷的大约10％到大约30％的负荷状态。高负荷状态为高于燃气轮机的基本负荷的大约30％的负荷。该构造可以例如在燃气轮机的启动期间有利地用于限定启动模式。在启动时，低负荷状态存在，使得大体不必利用冷却流体(例如水)来冷却燃烧器以便控制废气排放。因此，该燃料供应仅仅可以在启动的时候使用，但是加压燃料26如本文所述被雾化，以便提高燃烧效率。
方法600还可例如用于图11中所示的燃料喷射器100，以选择性地通过燃料导管18和燃料出口导管24来提供620加压液体燃料，以及通过流体导管38和流体出口导管44提供620加压流体，包括诸如水的冷却流体，以产生用于在燃烧器中燃烧的雾化和乳化的液体燃料26-液体流体46流25。此运行构造可以在燃烧器的预定运行状态期间使用，其中至少一个燃烧器燃料喷嘴200构造成以便提供液体燃料和液体流体两者，而对应的液体燃料射流和液体流体射流提供用于在燃烧器中燃烧的雾化和乳化的液体燃料-液体流体流。如本文所述，该流可以用于例如通过燃料的雾化和乳化提供增强的燃烧，包括预定燃烧效率。液体流体，例如水，还会降低可用来控制来自燃烧器的废气排放(特别地，通过降低在燃烧期间产生的NOx的量)的燃烧温度，以及提供排放物组分的预定分布和预定燃烧温度。因此，由燃料喷射器供给的液体燃料26和液体流体46的相对量可以被控制，以提供预定燃烧效率、燃烧温度或者排放物组分分布，或者它们的组合。无论以重量百分比还是以体积百分比来测量，量都可以控制为100＞X＞0，其中X为以液体燃料和液体流体总和的体积或者重量百分比来表示的燃料量，且液体流体的量由1-X限定。通过在燃烧器和燃气轮机的宽范围的正常运行状态下控制它们的量，可以有利地使用雾化和乳化的液体燃料26-液体流体46流25，以限定运行模式。在更高的涡轮速度和负荷下(其通常具有更高的燃烧温度，且其中废气排放符合性要求降低燃烧温度来提供排放物组分的预定分布)，可特别有利地使用它。
方法600还可以例如用于图11所示的燃料喷射器100，以便仅仅通过流体导管38和流体出口导管44来选择性地提供620(加压液体)加压液体流体，以产生雾化液体流体流25。该流可以结合其它的燃料喷射器(该其它燃料喷射器供应用于燃烧的雾化燃料26流25或者雾化和乳化的液体燃料26-液体流体46流25)使用，以冷却燃烧器或者降低燃烧温度并且提供冷却模式。在更高的涡轮速度和负荷(其通常具有更高的燃料消耗和燃烧温度，并且废气排放符合性需要进一步降低燃烧温度来提供排放物组分的预定分布)下，可特别有利地使用它。在燃烧器的高负荷状态期间，至少一个燃烧器燃料喷嘴200构造成仅提供液体流体，并且对应的液体流体射流提供用于冷却燃烧器或者降低燃烧温度的雾化液体流体流。
选择性地提供620还可包括，在从燃烧器的低负荷状态过渡到运行状态期间，将至少一个燃烧器燃料喷嘴200构造成仅提供液体燃料26并且对应的液体燃料射流23提供用于在低负荷状态期间在燃烧器中燃烧的雾化液体燃料流25，且过渡还包括将液体流体提供给这些燃烧器燃料喷嘴，以使得液体燃料射流和液体流体射流提供用于在燃烧器中燃烧的雾化和乳化的液体燃料-液体流体流。备选地，过渡可以包括将多个其它的燃烧器燃料喷嘴200构造成同时地提供液体燃料26和液体流体43两者，并且其它燃烧器燃料喷嘴200的对应的液体燃料射流26和液体流体射流23提供用于在燃烧器中燃烧的雾化和乳化的液体燃料-液体流体流25。在过渡期间提供的液体流体的量可以作为时间的函数而变化。例如，液体流体的量可以作为时间的函数根据预定分布来增加。例如，这可以用于控制燃烧器的加热速率，或者燃烧温度的增长率，以便获得燃烧器温度或者燃烧温度或者它们的组合的预定值，或者获得排放物组分的预定分布。
选择性地提供620还可包括，在从运行状态过渡到冷却状态期间，将至少一个燃烧器燃料喷嘴200构造成以便将液体燃料26和液体流体46提供给燃烧器燃料喷嘴200，使得液体燃料射流23和液体流体射流43提供用于在运行状态期间在燃烧器中燃烧的雾化和乳化的液体燃料-液体流体流25，且过渡包括从燃烧器燃料喷嘴去掉燃料，使得液体流体射流提供用于在燃烧器中进行冷却的雾化液体流体流。在过渡期间提供的液体燃料26的量可以作为时间的函数而变化。例如，液体流体的量可以作为时间的函数根据预定分布来增加。例如，这可以用于控制燃烧器的冷却速率，或者燃烧温度的降低率，以便获得燃烧器温度或者燃烧温度或者它们的组合的预定值，或者获得排放物组分的预定分布。
除了本文描述的可在容纳在单个燃烧器燃料喷嘴200中的单个燃料喷射器100内发生作用的控制之外，控制还可以在单个燃烧器罐300的多个燃烧器燃料喷嘴200内起作用，或者在燃气轮机的燃烧器中的多个燃烧器罐300的多个燃烧器燃料喷嘴200中起作用。例如，在一个示意性实施例中，燃烧器的任何或者所有的燃烧器罐300可以构造成使得可以在其中提供如本文所述的启动模式、运行模式或者冷却模式，或者它们的组合。
如本文所述，燃料喷射器喷嘴10和燃料喷射器100的使用使得雾化空气系统能够被去除，同时还通过在结合了该燃料喷射器喷嘴10和燃料喷射器100的燃气轮机燃烧器的液体燃料运行期间降低运行温度而改善了燃料的雾化并且实现了排放的减少，从而显著地降低了它们的复杂性以及系统、维护和运行成本。目前，在液体燃料运行期间已经喷射水来降低运行温度并且减少排放，但是燃料喷射器100和燃料喷射器喷嘴10的使用以及本文公开的它们的使用方法双重地利用液体流体(例如，水)喷射，以便还提供液体燃料的雾化，并且因为它们可容易地改型到现有的燃气轮机的燃烧器中而具有进一步重要的益处。
虽然已经结合仅有限数量的实施例详细地描述了本发明，但可容易明白，本发明不限于这些公开的实施例。相反，本发明可被修改以结合之前未被提及的但是与本发明的精神和范围相符的任意数量的变型、改变、替换或者等效布置。另外，虽然已经描述了本发明的各实施例，但是将理解，本发明的各方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不应视为受上述描述限制，而是仅受所附的权利要求的范围限制。

Claims (10)

1.一种燃料喷射器喷嘴(10)，包括：
喷嘴主体(12)；
设置在所述喷嘴主体(12)中、从燃料入口(20)通过燃料出口导管(24)延伸到燃料出口(22)的燃料导管(18)，所述燃料出口导管(24)和燃料出口(22)构造成在加压液体燃料(26)引入所述燃料导管(18)之后从所述燃料出口(22)产生液体燃料射流(23)；以及
从流体入口(40)通过流体出口导管(44)延伸到流体出口(42)的流体导管(38)，所述流体出口导管(44)和流体出口(42)构造成在加压液体流体(46)引入所述流体导管(38)之后从所述流体出口(42)产生流体射流，其中，所述液体燃料射流(23)和液体流体射流(43)构造成相互撞击，并产生雾化燃料的流动流(25)。
2.根据权利要求1所述的燃料喷射器喷嘴(10)，其特征在于，所述加压液体流体(46)是加压液体燃料(26)，且所述流体导管(38)是燃料导管(18)。
3.根据权利要求1所述的燃料喷射器喷嘴(10)，其特征在于，所述加压液体流体(46)包括水，且所述雾化燃料的流动流包括燃料-水乳剂。
4.根据权利要求1所述的燃料喷射器喷嘴(10)，其特征在于，所述液体燃料射流(23)和所述液体流体射流(43)向内会聚而在焦点处相互撞击。
5.根据权利要求1所述的燃料喷射器喷嘴(10)，其特征在于，所述燃料导管(18)从燃料入口(20)通过多个隔开的燃料出口导管(24)延伸到对应的多个隔开的燃料出口(22)，并且所述流体导管(38)从流体入口(40)通过多个隔开的流体出口导管(44)延伸到对应的多个隔开的流体出口(42)，所述燃料出口导管(24)和对应的燃料出口(22)构造成在加压液体燃料(26)引入所述燃料导管(18)之后从所述燃料出口(22)产生多个液体燃料射流(23)，所述多个流体出口导管(44)和对应的流体出口(42)构造成在加压液体流体(46)引入所述流体导管(38)之后从所述流体出口(42)产生多个液体流体射流(43)，其中，所述液体燃料射流(23)中的各个液体燃料射流撞击所述液体流体射流(43)中的至少一个，并且产生雾化燃料的流动流(25)。
6.根据权利要求5所述的燃料喷射器喷嘴(10)，其特征在于，所述多个燃料出口(22)和所述多个流体出口(42)沿径向及沿周向绕所述喷嘴主体(12)的纵向轴线(29)间隔开，并且其中，所述多个燃料出口导管(24)和燃料出口(22)以及所述多个流体出口导管(44)和流体出口(42)构造成以便分别产生从所述出口朝向所述纵向轴线(29)向内会聚的液体燃料射流(23)和液体流体射流(43)。
7.根据权利要求1所述的燃料喷射器喷嘴(10)，其特征在于，所述喷嘴主体(12)包括喷嘴头(50)和转接器(52)，所述燃料出口导管(24)和所述流体出口导管(44)设置在所述喷嘴头(50)中，所述燃料导管(18)和流体导管(38)设置在所述转接器(52)中，且所述喷嘴头(50)设置在所述转接器(52)上。
8.根据权利要求1所述的燃料喷射器喷嘴(10)，其特征在于，所述喷嘴主体(12)包括一体地形成的主体。
9.根据权利要求5所述的燃料喷射器喷嘴(10)，其特征在于，进一步构成了燃料喷射器(100)，所述燃料喷射器(100)包括：
分隔管(112)，具有入口端(116)、出口端(118)、从所述入口端(116)上的流体线路入口延伸到所述出口端(118)上的流体线路出口的流体线路(126)以及从所述入口端上的燃料线路入口延伸到所述出口端上的燃料线路出口的燃料线路(124)，所述喷嘴主体(12)设置在所述出口端(118)上，所述燃料线路出口与所述燃料入口流体连通，且所述流体线路出口与所述流体入口流体连通；和
设置在所述入口端(116)上的安装法兰(114)，所述安装法兰(114)构造成用于所述燃料线路入口与燃料线路(124)和外部燃料线路之间的流体连通，以及所述流体线路入口与流体线路(126)和外部流体线路(136)之间的流体连通。
10.根据权利要求9所述的燃料喷射器喷嘴(10)，其特征在于，进一步构成了燃烧器燃料喷嘴(200)，该燃烧器燃料喷嘴(200)包括在近端和远端之间延伸并且限定燃料喷射器腔体(214)的天然气线路(210)，其中，所述燃料喷射器设置在所述燃料喷射器腔体(214)内，所述喷嘴主体的出口端设置在所述燃烧器燃料喷嘴的远端(218)处的开口内，其中，所述喷嘴主体构造成以便喷射液体燃料和液体流体，以形成通过所述开口(216)排入燃烧室内的雾化燃料-液体流体乳剂。
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