CN102183020A - 预混合燃料喷嘴内部流通道的改进 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及预混合燃料喷嘴内部流通道的改进。具体而言，用于燃气涡轮机的喷嘴(28)包括管状喷嘴体(30)；以及多个中空的燃料喷射柱(42)，该中空的燃料喷射柱(42)在该管状喷嘴体的前端与尾端之间的一位置从该管状喷嘴体径向地延伸；其中，多个中空的燃料喷射柱中的每个中空的燃料喷射柱均具有外部泪珠状的横截面形状，并且各中空喷射柱中的燃料通路(68)具有基本匹配的内部泪珠状的横截面形状。

Description

预混合燃料喷嘴内部流通道的改进
技术领域
本发明涉及燃气涡轮机燃烧器技术，并且更具体地说，涉及具有改进的内部流通道设计的燃气涡轮机燃料喷嘴结构。
背景技术
在典型的“罐-环状”式的燃气涡轮机燃烧器装置中，若干燃烧器以环形阵列围绕涡轮机转子轴线设置，并将燃烧气体供给到涡轮机的第一级中。压缩机使入口空气增压，该空气然后转向(或者相反地流动)到燃烧器，其在燃烧器那里被用来冷却热的气体通道部件(pathcomponent)并为燃烧过程提供空气。各燃烧器组件包括大体上圆柱形的燃烧器(包括燃烧室)、燃料喷射系统以及将热的燃烧气流从燃烧器引导到涡轮机段入口的过渡件或管。这种类型的燃气涡轮机通常可包括6、10、14或18个围绕涡轮机转子轴线而设置的燃烧器。
一种特定的干式低NOx排放的燃烧系统包括用于各燃烧器的由多个燃料喷嘴组成的燃料喷射系统，该燃料喷嘴支撑在封闭了该燃烧器上游端的端盖上。各燃料喷嘴包括旋流器(swirler)以及位于该旋流器下游的径向定向的柱组件(peg assembly)。该旋流器与柱组件可以是整体铸件或多件铸件或者是装配的组件，并且通常具有从该燃料喷嘴体径向延伸出来的8-10个柱。各中空柱具有泪珠状的外形以及将燃料供给到多个口或孔的内部圆孔，燃料经该孔喷射到燃烧室中。该柱的径向外端被覆盖一个或多个孔的塞子封闭，需要另外钻孔穿过该塞子来重新打开该孔。另外，该塞子在流通道中导致不必要的内部“台阶”。同时，对于某些其它的低NOx燃烧系统，必须容纳更高的燃料流量，同时保持预定的燃料供给压力以及相同的外形与尺寸。因此，必须改进该内部通路，以便容纳更高的流量，同时保持外部几何形状基本不变。
发明内容
在一示例性但非限制性的实施例中，提供了用于燃气涡轮机的喷嘴，其包括管状喷嘴体；以及在该管状喷嘴体前端与尾端之间的一位置从该管状喷嘴体径向地延伸的多个中空的燃料喷射柱(hollow fuelinjection peg)；其中，该多个中空的燃料喷射柱中的每一个均具有外部泪珠状的横截面形状，并且每个中空喷射柱中的燃料通路均具有基本匹配的内部泪珠状的横截面形状。
在另一示例性但非限制性的实施例中，提供了用于燃气涡轮机的喷嘴，其包括管状喷嘴体；以及在该管状喷嘴体前端与尾端之间的一位置从该管状喷嘴体径向地延伸的多个中空的燃料喷射柱；多个中空的燃料喷射柱在前端与尾端之间的一位置从该管状喷嘴体基本垂直地径向延伸；并且其中，该管状喷嘴体具有连接至其前端的基座法兰，该基座法兰形成为具有细长弓形燃料入口槽的环形阵列，用于将燃料供给至连接到该多个燃料喷射柱上的管状喷嘴体中的通路。
在还有另一示例性但非限制性的实施例中，提供了用于燃气涡轮机的喷嘴，其包括管状喷嘴体；以及在该管状喷嘴体前端与尾端之间的一位置从该管状喷嘴体径向地延伸的多个中空的燃料喷射柱；其中，该多个中空的燃料喷射柱中的每个中空的燃料喷射柱均具有径向外端壁，其中，每个中空喷射柱中的燃料通路均具有在所述管状喷嘴体与该径向外端壁之间连续地延伸的基本平滑的表面。
现在将结合下面所示的附图而更详细地描述本发明。
附图说明
图1是贯穿罐-环状式燃气涡轮机燃烧器的一个截面；
图2是可用于图1的燃烧器中的喷嘴结构的透视图；
图3是根据本发明的一示例性但非限制性的实施例的修改的喷嘴的一个截面；
图4是从图3的喷嘴上移走的喷嘴端盖安装法兰(也被称为“基座法兰”)的透视图；
图5和图6是可选的基座法兰构造的透视图；
图7是根据本发明的一示例性但非限制性的实施例，如图3中的燃料喷射柱的放大的局部透视图，其被剖开以便更清楚地显示该柱的径向内边缘处的圆化的转角，以及实心的外顶端部分；
图8是基本类似于图7但显示了靠近燃料喷射柱远端的之前的塞子的透视图；
图9是根据本发明的一示例性但非限制性的实施例，放大详细图示的如图7中所示的中空柱的入口；
图10是从图3上移走的喷嘴的旋流器部分的局部切除的透视图。
零部件清单
  28   喷嘴
  30   喷嘴体
  32   基座法兰
  34   传输段
  36   管状喷嘴体
  42   燃料喷射柱
  46   外管
  48   中间管
  50   通路
  52   基座法兰
  56   入口槽
  66   内部接口
  68   燃料通路
  72   端壁
具体实施方式
参见图1，燃气涡轮机10包括压缩机壳体12(部分显示)、多个燃烧器14(显示了一个)以及在此通过单个涡轮机喷嘴叶片16而展示的涡轮机入口段。虽然没有特别地显示，但是，涡轮机叶片沿着共同的轴线传动地连接到压缩机转子上。该压缩机使入口空气增压，该空气然后转向并相反地流动(如流体箭头所示)到燃烧器14中，其在那里被用来冷却燃烧器并为燃烧过程提供空气。
更具体地说，各燃烧器14包括大体上圆柱形的燃烧器壳体18，其通过例如螺栓22而固定到涡轮机壳体20上。该燃烧器壳体的前端被端盖组件24封闭，端盖组件24可包括常规的供给管、歧管以及相关的阀(大体上在26处显示)等，以用于将气体、液态燃料以及空气(如果需要还有水)进给到燃烧室中。端盖组件24接收以圆形阵列围绕燃烧器的纵向轴线而设置的多个(例如五个)扩散/预混合燃料喷嘴组件28(出于方便与清楚起见，仅显示了一个)。
转到图2，图1中所示的扩散/预混合燃料喷嘴组件28包括连接到后部供给段或基座法兰32上的喷嘴体30，以及前部燃料/空气传输段34。该喷嘴组件包括套圈(collar)36，其在套圈36与喷嘴体30之间限定了环形通路38。空气旋流器静叶40处于该环形通路内，其位于多个径向燃料喷射管或柱42的上游，其中各径向燃料喷射管或柱42均由多个排出孔44形成，用于将预混合气体排到环形通路38中和其下游。部件36、部件40和部件42一起组成可被铸造为单件或从分散的部件装配成的旋流器。关于该喷嘴结构的额外细节可在共有的美国专利No.5,685,139中找到。
现在参见图3，所示的喷嘴体类似于图2中所示的那样，但是具有如下面所述的内部修改。因此，该喷嘴体包括围绕中间管48的径向外管46，其限定了径向最外的通路50，用于将预混合的燃料气体传送到预混合区中，如下面进一步描述的那样。通路50在该喷嘴的前面有孔的顶端处封闭，迫使预混合气体离开径向燃料喷射柱42中的排出孔44并进入预混合区。
还参见图4，在一示例性但非限制性的方面，本发明在喷嘴基座法兰52中提供了第一的流改进设计特征，该喷嘴基座法兰52在其它方面类似于之前所述的基座法兰32(图3)。之前圆的进给孔现在被重新构造为弓形槽进给孔56，以便增加进入将燃料供给至径向定向的燃料喷射柱42的通路50的流通道的有效面积，并降低局部压力损失。该重新构造的进给孔56的弓形长度以及周向间隔可随需要而变化，以便达到特定要求。
图5和图6显示了设计用来增加进入通道50的燃料流通道的有效面积的可选基座法兰结构。例如，在图5中，之前的单个进给孔的构造被分别成组的紧挨着地间隔开的进给孔(大体上在60处显示)所取代。在图6中，该进给孔甚至以部分重叠的直径而更加紧挨地间隔开，从而有效地产生了细长的槽(大体上在64处显示)。
图7、图9和图10更详细地显示了另外的流改进特征，其涉及径向燃料喷射管或柱42以及其与喷嘴体30的径向外管46之间的接口的内部设计方面。在该重新构造的设计中，各径向燃料喷射器柱42在圆化的入口66处与径向外管46对接。优选地，该圆化的入口由处于大约0.06英寸和大约0.19英寸之间的范围的半径所限定。之前大体上90°转向进入中空柱中，会导致额外的压力损失，而提供该圆化的进口以使该转向平滑并降低该压力损失。
另外，之前的外部泪珠状形状的燃料喷射器柱42中的径向孔是圆的，并位于该泪珠状形状的柱的更宽边缘或导边(leading edge)上。在该重新构造的柱中，内部径向通路68与外部泪珠状形状相匹配，从而增加了该柱的内部容量，并且有效地在该柱中产生了一充气室(plenum)，用于多个喷射器孔70更准确的最佳进给。
同时，在用来制造该旋流器36，40，42的暗铸(blind casting)或其它制造工艺期间，增大通路68的内部容量也使得可能产生整体式的顶端或端壁72，从而在用来封闭燃料喷射柱78(见图8)远端的(整体式样的或添加的)塞子76中消除了通常出现的台阶或肩部74。这也消除了钻孔穿过该塞子以打开闭塞的喷射口的需要。现在，该泪珠状形状的内部径向通路68具有从管46延伸到端壁72的平滑、连续并且均匀的横截面形状。应当理解，端壁72也可以是焊接或硬钎焊到该柱上的单独的帽，但无论如何，不会干扰通路68的内部横截面。
上面所述的流改进允许喷嘴以尽可能小的修改来处理更高的流量；减少了不必要的压力损失；并且允许燃料喷射轮廓的最佳化。
虽然结合了被认为是当前最实际和优选的实施例而描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的实施例，相反地，本发明意图覆盖包括在所附权利要求的精神与范围内的各种修改与等同设置。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮机的喷嘴(28)，包括：
管状喷嘴体(30)；和
多个中空的燃料喷射柱(42)，所述中空的燃料喷射柱在所述管状喷嘴体的前端与尾端之间的一位置从所述管状喷嘴体径向地延伸；其中，所述多个中空的燃料喷射柱(42)中的每个中空的燃料喷射柱均具有外部泪珠状的横截面形状，并且各所述中空喷射柱中的燃料通路(68)具有基本匹配的内部泪珠状的横截面形状。
2.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述管状喷嘴体(30)具有连接至其前端的基座法兰(52)，所述基座法兰形成为具有细长弓形燃料入口槽(56)的环形阵列，用于将燃料供给至连接到所述多个燃料喷射柱(42)上的所述管状喷嘴体中的通路(50)。
3.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述多个燃料喷射柱(42)的径向外端均被具有端壁(72)的芯帽封闭，所述内部泪珠状的横截面形状在所述管状喷嘴体与所述端壁之间连续地延伸；并且其特征还在于，各所述多个中空的燃料喷射柱与所述管状喷嘴体之间的内部接口(66)表面是圆化的。
4.根据权利要求3所述的喷嘴，其特征在于，所述内部接口表面(66)以大约0.06英寸和0.19英寸之间的半径而被圆化。
5.根据权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，所述多个燃料喷射柱(42)的径向外端均被具有端壁(72)的帽封闭，所述内部泪珠状的横截面形状在所述管状喷嘴体(30)与所述端壁(72)之间连续地延伸；并且其特征还在于，各所述多个中空的燃料喷射柱与所述管状喷嘴体之间的内部接口表面(66)是圆化的。
6.根据权利要求5所述的喷嘴，其特征在于，所述内部接口表面(66)以大约0.06英寸和0.19英寸之间的半径而被圆化。
7.根据权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，所述通路(50)由所述管状喷嘴体的第一径向外管(46)与同心地位于所述管状喷嘴体中的第二中间管(48)之间的径向间隔限定。
8.根据权利要求3所述的喷嘴(28)，其特征在于，所述芯帽(72)与所述中空的燃料喷射柱(42)是一个整体。
9.一种用于燃气涡轮机的喷嘴(28)，其包括：管状喷嘴体(36)；以及多个中空的燃料喷射柱(42)，所述中空的燃料喷射柱在所述管状喷嘴体的前端与尾端之间的一位置从所述管状喷嘴体径向地延伸；并且，其中，所述管状喷嘴体具有连接至其前端的基座法兰(52)，所述基座法兰形成为具有细长弓形燃料入口槽(56)的环形阵列，用于将燃料供给至连接到所述多个燃料喷射柱上的所述管状喷嘴体中的通路。
10.根据权利要求9所述的喷嘴，其特征在于，各所述中空的燃料喷射柱具有内部泪珠状的横截面形状，并且其中，所述多个燃料喷射柱的径向外端均被端壁(72)封闭，所述内部泪珠状的横截面形状在所述管状喷嘴体与所述端壁之间连续地延伸。
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