CN102261659A - 涡轮机注射喷嘴组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮机注射喷嘴组件，具体而言，一种涡轮机(2)包括压缩机(4)、涡轮、操作地联接至该压缩机(4)和该涡轮的燃烧器(6)，以及安装在燃烧器(6)中的注射喷嘴组件(38，39)。注射喷嘴组件(38，39)包括用于调节通过该注射喷嘴组件(38，39)的流体流的旋流器部件(74)。该旋流器部件(74)包括中心部分(84)，自中心部分(84)延伸的多个叶片(74)，以及至少一个流调节带(94，95)。至少一个流调节带(94，95)在中心部分(84)周围延伸，并且在多个叶片(74)之间延伸，以提供在该注射喷嘴组件(38，39)内的局部化的流动阻碍。

Description

涡轮机注射喷嘴组件

技术领域

本文公开的主题涉及涡轮机领域，并且更特别地，涉及用于涡轮机的注射喷嘴组件。

背景技术

燃气涡轮发动机通常燃烧燃料/空气混合物，其释放热能以形成高温气体流。也即，燃料和空气通过注射喷嘴引入燃烧器并且点燃以形成高温气体流。高温气体流经由热气体通道输送至涡轮。涡轮将来自高温气体流的热能转换为使涡轮轴转动的机械能。涡轮可在多种应用中使用，例如为泵或发电机提供动力。

目前存在对更低的涡轮机排放的需求。一种降低排放的途径在于在燃烧器内产生更稳定的火焰前缘。在许多注射喷嘴组件中，流体流通过旋流器。顾名思义，旋流器赋予该流体流旋转，且一个好处是增加的下游稳定性。目前，旋流器的下游的流的速度分布可为高度非均匀的。此非均匀性包括中跨(mid-span)周围的速度峰，以及朝向注射喷嘴组件的内径的陡峭的梯度。此速度曲线会在燃烧器内产生稳定性问题。这些稳定性问题可阻止机器以较低排放水平的模式运转。

发明内容

根据本发明的一方面，一种涡轮机包括压缩机、涡轮、操作性地联接至该压缩机和涡轮的燃烧器，以及安装在燃烧器中的注射喷嘴组件。注射喷嘴组件包括用于调节通过该注射喷嘴组件的流体流的旋流器部件。旋流器部件包括中心部分，自中心部分延伸的多个叶片，以及至少一个流调节带。该至少一个流调节带在中心部分周围延伸，并且在多个叶片之间延伸，以提供在注射喷嘴组件内的局部化的流动阻碍。

根据本发明的另一方面，一种涡轮机注射喷嘴组件包括用于调节通过该注射喷嘴组件的流体流的旋流器部件。旋流器部件包括中心部分，自中心部分延伸的多个叶片，以及至少一个流调节带。至少一个流调节带在中心部分周围延伸，并且在多个叶片之间延伸，以提供在注射喷嘴组件内的局部化的流动阻碍。

根据本发明的又另一方面，一种调节在涡轮机注射喷嘴组件中的空气流的方法包括引导流体进入涡轮机注射喷嘴组件，并且引导流体通过布置在该涡轮机注射喷嘴组件中的旋流器部件。旋流器部件包括中心部分以及自该中心部分辐射的多个叶片。该方法还包括使流体通过多个叶片，并且阻碍通过多个叶片之间的一部分流体。

由参考图的下文的描述，这些和其它优势以及特征将变得更显而易见。

附图说明

在本说明书所附的权利要求书中，被认为是本发明的主题被特别地指出并且清楚地要求权利。由结合附图的下文的详细描述，本发明的前述及其它特征和优势是显而易见的，其中：

图1是包括具有根据一个示例性实施例的旋流器部件的注射喷嘴组件的涡轮机的横截面侧视图；

图2是图1的注射喷嘴组件的横截面视图；

图3是图2的注射喷嘴组件的部分侧视图，图示了根据一个示例性实施例安装至旋流器部件的流调节带；

图4是图2的注射喷嘴组件的部分侧视图，图示了根据一个示例性实施例安装至旋流器部件的第一和第二流调节带；

图5是根据一个示例性实施例的一方面的流调节带的横截面视图；

图6是根据一个示例性实施例的另一方面的流调节带的横截面视图；

图7是根据一个示例性实施例的又另一方面的流调节带的横截面视图；并且

图8是图示了带有流调节带的注射喷嘴组件和不带有流调节带的注射喷嘴组件的下游流体流速度分布的曲线图。

通过参考图的实例，详细描述解释了本发明的实施例连同优势和特点。

零部件清单：

2                             涡轮机

4                             压缩机

5                             压缩机组件

6                             燃烧器

10                            涡轮

30                            端盖

34                            燃烧室

38，39                        注射喷嘴组件

44                            燃料入口部分

45                            阀组件

54                            中心体

58                            主要混合区域

63                            辅助燃料喷嘴组件

66                            上游端

67                            下游端

69                            出口

74                            旋流器部件

84                            中心部分

86                            多个叶片

94，95                         流调节带

110                            矩形轮廓

112                            第一侧

113                            第二侧

114                            第三侧

115                            第四侧

120，130                       空气动力学的轮廓

123，124                       圆形的表面

126，127                       曲线表面

134                            大致三角形部分

136，137                       成角度的表面

139                            第二三角形部分

141，142                       成角度的表面

147，160                       速度曲线

148                            峰

162                            基本恒定的速度部分

具体实施方式

参考图1，根据一个示例性实施例构造的涡轮机总体由2指示。涡轮机2包括压缩机4和具有至少一个燃烧器6的燃烧器组件5。涡轮机2还包括涡轮段10。值得注意的是，本文描述的公开的示例性实施例可被结合到多种涡轮机中。本文所示和描述的涡轮机2仅为一个示例性装置。

如所示，燃烧器6流动连通地与压缩机4和涡轮段10联接。燃烧器6包括定位在其第一端处的端盖30，以及定位在其第二端处的燃烧室34。端盖30提供对多个燃料或注射喷嘴组件的支承，其中两个燃料或注射喷嘴组件由38和39指示。在此处将参考图2来描述注射喷嘴组件38，且理解注射喷嘴组件39包括类似的结构。

注射喷嘴组件38包括具有阀组件45的燃料进口部分44。注射喷嘴组件38还包括部分地限定主要混合区域58的中心体54。燃料与空气混合、进入主要混合区域58并且通入燃烧室34以被点燃。在某些运行模式期间，燃料的一部分在被重新引入主要混合区域58之前被引导通过辅助燃料喷嘴63。辅助燃料喷嘴63包括上游端66，该上游端66流体地连接至燃料进口44和引向燃烧室34的下游端67。下游端67包括用于在多种运行模式期间和之间排放吹扫空气的多个出口，其中一个出口在图4中标示为69。进行吹扫空气的排放以充分限制火焰进入辅助燃料喷嘴63。

根据图3和图4中图示的一个示例性实施例，注射喷嘴组件38还显示为包括布置在辅助燃料喷嘴63的下游端67处的旋流器部件74。旋流器部件74构造为将“旋转”赋予从主要混合区域58通往燃烧室34的燃料/空气混合物。该“旋转”增强了燃料和空气的混合，导致更完全的燃烧。旋流器部件74包括中心部分84和总体由86所指示的多个叶片。叶片86从中心部件84径向地朝外延伸，并且包括构造为将期望的“旋转”赋予通过主要混合区域58的燃料/空气混合物的桨距(pitch)和轮廓。为进一步操纵通过多个叶片86之上的空气流，旋流器部件74包括第一流调节带94和第二流调节带95(图4)。第一和第二流调节带94和95在中心部分84周围径向地延伸，并且在多个叶片86之间延伸，从而产生对通过主要混合区域58的一部分燃料/空气混合物的阻碍。如将在下文更充分地讨论的，对燃料/空气流的阻碍增强了燃烧器6内的火焰稳定性。

根据该示例性实施例的一方面，各流调节带94、95包括矩形轮廓，例如在图5中以110所示。矩形轮廓110包括由水平侧114和115连接的第一和第二面垂直侧112和113。当然应理解的是，用语“垂直的”和“水平的”仅用于描述的目的，并且不应被认为是限制定向。通过此布置，侧114和/或侧115提供了对通过主要混合区域58的燃料/空气的流的阻碍。根据该示例性实施例的另一方面，各流调节带94、95包括空气动力学的轮廓，例如在图6中以120所示。空气动力学的轮廓120包括由相对的曲线表面126和127连接的第一和第二通常圆形的表面123和124，从而限定翼型件。以类似于上文描述的方式，曲线表面126和127提供对通过主要混合区域58的燃料/空气的流的阻碍。根据该示例性实施例的又另一方面，流调节带94、95包括空气动力学的轮廓，例如以图7中的130所示。空气动力学的轮廓130包括具有第一和第二成角度的表面136和137的第一大致三角形部分134，以及具有第一和第二成角度的表面141和142的第二大致三角形部分139。在此处应理解的是，上文描述的几何形状是示例性的。根据示例性实施例，流调节带可采取多种形式、形状和/或尺寸。还应理解的是，流调节带94和95可包括类似的轮廓或各形成有不同的轮廓。例如，流调节带94可包括矩形轮廓，而流调节带95可包括空气动力学的轮廓。

各上述轮廓形成了对通过主要混合区域58的燃料/空气混合物流的特定阻碍以获得更稳定的火焰前缘。如图8中所示，在传统的燃料注射器系统中，燃料/空气混合物流具有带有中跨峰值148的非均匀的速度曲线147，以及朝向该注射喷嘴组件的内径的陡峭的速度梯度。与此相反，根据该示例性实施例的流调节带提供了产生燃料/空气混合物的注射喷嘴组件，该燃料/空气混合物拥有具有基本恒定的速度部分162的速度曲线160。基本恒定的速度部分162已显示为产生更稳定的火焰前缘，其允许燃料的提高的调低(turndown)，从而改善了吹灭点并降低了氮氧化物排放。

在此处应理解的是，该示范性实施例可应用在宽范围的燃气涡轮机中，并且不限于所示的示例。同样，尽管注射喷嘴组件被显示和描述为包括两个流调节带，但应显而易见的是，流调节带的数目和位置可取决于期望的速度曲线而变化。最后应理解的是，所示用于流调节带的轮廓是示例性的，并且可包括多种其它几何形状。

尽管本发明仅联系有限数目的实施例来详细描述，但应轻易理解的是本发明不限于此类公开的实施例。相反，本发明可被修改来结合至此未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变化、改型、替代或等价装置。另外，尽管已描述了本发明的各种实施例，但应理解的是本发明的多个方面可仅包括一些已描述的实施例。因此，本发明不应视为由以上描述限制，而是仅由所附的权利要求的范围限制。

Claims (9)

1.一种涡轮机(2)，包括：

压缩机(4)；

涡轮段(10)；

操作性地联接至所述压缩机(4)和所述涡轮段(10)的燃烧器(6)；以及

安装在所述燃烧器(6)中的注射喷嘴组件(38，39)，所述注射喷嘴组件(38，39)包括用于调节通过所述注射喷嘴组件(38，39)的流体流的旋流器部件(74)，所述旋流器部件(74)包括中心部分(84)、自所述中心部分(84)延伸的多个叶片(74)以及至少一个流调节带(94，95)，所述至少一个流调节带(94，95)在所述中心部分(84)周围并在所述多个叶片(74)之间延伸，所述至少一个流调节带(94，95)提供在所述注射喷嘴组件(38，39)内的局部化的流动阻碍。

2.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述至少一个流调节带(94，95)包括矩形轮廓(110)。

3.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述至少一个流调节带(94，95)包括空气动力学的轮廓(120)。

4.根据权利要求3所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述空气动力学的轮廓(120，130)包括至少一个圆形的表面(123，124)。

5.根据权利要求3所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述空气动力学的轮廓(120，130)包括至少一个曲线表面(126，127)。

6.根据权利要求3所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述空气动力学的轮廓(120，130)包括至少一个成角度的表面(136，137，141，142)。

7.根据权利要求3所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述空气动力学的轮廓(120，130)包括至少一个大致三角形的部分(139)。

8.根据权利要求7所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述至少一个大致三角形的部分(139)包括第一大致三角形部分(139)和第二大致三角型部分(139)。

9.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述至少一个流调节带(94，95)包括同心地布置在所述中心部分(84)周围的第一流调节带和第二流调节带。

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