CN102297429A - 燃料喷嘴组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料喷嘴组件，具体而言，公开了一种用于在燃料喷嘴组件(28)的预混合环状空间(60)中使辅助燃料(70)预混合的嵌件(100)。该嵌件(100)包括筒芯(102)，其穿过燃料喷嘴组件(28)的至少一部分延伸，并构造成使辅助燃料(70)流过其中。嵌件(100)还包括联接在筒芯(102)上的转接器(104)，该转接器(104)限定了燃料气室(116)和至少一个径向延伸的喷射孔(118)。所述至少一个喷射孔(118)构造成从筒芯(102)接受至少一部分辅助燃料(70)，并将辅助燃料(70)喷射到预混合环状空间(60)中。

Description

燃料喷嘴组件

技术领域

本发明公开大致涉及燃气涡轮机系统，更具体地说涉及燃气涡轮机系统中的燃料喷嘴组件。

背景技术

燃气涡轮机系统广泛地应用于诸如发电等领域。传统的燃气涡轮机系统包括压缩机、燃烧器和涡轮。在典型的燃气涡轮机系统中，压缩空气从压缩机提供至燃烧器。进入燃烧器的空气与燃料混合并燃烧。热的燃烧气体从燃烧器流向涡轮以驱动燃气涡轮机系统并产生功率。

天然气典型地用作用于燃气涡轮机系统的主要燃料。天然气在燃烧器中或其附近与燃料喷嘴组件中的空气相混合，从而提供用于燃烧的稀薄的预混合的空气/燃料混合物。燃气涡轮机系统典型地还需要辅助燃料，其容许系统在不能获得主要燃料时继续运转。辅助燃料典型地是液态燃料，例如油。

用于在燃料喷嘴组件中供应辅助燃料的典型的现有技术方案供应辅助燃料作为直接喷洒到点火源中或其附近的燃料流。同利用主要燃料获得的相对较稀薄的预混合的空气/燃料混合物相反，此燃料流是相对较浓燃料的混合物。因此，燃烧的辅助燃料混合物的温度和引起的NO_X的生成率典型地是不适宜地高。为了降低温度和NO_X水平，典型地供应水和压缩的雾化空气并在燃料喷洒到点火源中时使水和压缩的雾化空气与辅助燃料相混合。然而，此系统是相对较低效、浪费且昂贵的。例如，必须利用独立的系统供应水和供应并压缩雾化的空气。

此外，因为辅助燃料通过燃料喷嘴组件供应并流动，所以其可能造成结焦。结焦是燃料分子被氧化热解或破坏性分馏成更小的有机化合物，并且在高温下进一步分解成固体碳粒子。结焦因而造成固体碳粒子沉积在燃料喷嘴组件的各种表面上，导致燃料喷嘴组件中的流中断。

因而，在本领域中将需要一种用于使辅助燃料在燃料喷嘴组件中预混合的装置。另外，在燃料喷嘴组件中用于供应辅助燃料的装置将是有利的，其减少了相关的费用并提高了相关的效率。此外，在燃料喷嘴组件中将需要用于供应辅助燃料的装置，其防止或减少了燃料喷嘴组件中的结焦。

发明内容

本发明的方面和优势将在以下描述中将部分地陈述，或者可从描述中明白，或者可通过本发明的实践获悉。

在一个实施例中，公开了一种用于在燃料喷嘴组件的预混合环状空间中使辅助燃料预混合的嵌件。该嵌件包括筒芯，该筒芯穿过燃料喷嘴组件的至少一部分，并构造成使辅助燃料流过其中。嵌件还包括联接在筒芯上的转接器，转接器限定了燃料气室和至少一个径向延伸的喷射孔。该至少一个喷射孔构造成从筒芯接受至少一部分辅助燃料，并将辅助燃料喷射到预混合环状空间中。

在另一实施例中，公开了一种用于使辅助燃料预混合的燃料喷嘴组件。燃料喷嘴组件包括其间限定了预混合环状空间的外燃烧管和内燃烧管，内燃烧管进一步限定了内环状空间。燃料喷嘴组件还包括一种嵌件，该嵌件包括筒芯和转接器，筒芯延伸穿过燃料喷嘴组件的至少一部分，并构造成使辅助燃料流过其中，而转接器联接在筒芯和内燃烧管上，转接器限定了燃料气室和至少一个径向延伸的喷射孔。喷射孔构造成从筒芯接受至少一部分辅助燃料，并将辅助燃料喷射到预混合环状空间中。

参照以下描述和所附权利要求，本发明的这些以及其它的特征、方面和优点将变得更好理解。包含在本说明书中并组成本说明书的一部分发附图显示了本发明的实施例，并且与细节描述一起用于解释本发明的原理。

附图说明

在参照附图所做的说明书中为本领域中的普通技术人员阐述了本发明的完整且能够实施的发明公开，包括其最佳模式，其中：

图1是本发明公开的燃气涡轮机系统的若干部分的横截面图；

图2是本发明公开的燃料喷嘴组件中的嵌件的一个实施例的横截面图；

图3是图2中所示的本发明公开的转接器的一个实施例的透视图；

图4是本发明公开的嵌件的另一实施例的横截面图；

图5是本发明公开的嵌件的另一实施例的横截面图；且

图6是本发明公开的嵌件的另一实施例的横截面图。

零部件列表：

10燃气涡轮机

12压缩机段

14燃烧器段

16燃烧器

18涡轮段

20燃烧系统

22过渡件

24燃烧外壳

26端盖

28燃料喷嘴组件

30流套筒

32燃烧室

34冲击套筒

42空气

44入口流量调节器

46通道

48通道

50通道

56空气旋流器叶片

58燃料喷射口

60预混合环状空间

62外燃烧管

64内燃烧管

70辅助燃料

100嵌件

102筒芯

104转接器

106内环状空间

108上游内环状空间

110下游内环状空间

112密封构件

114结合部

116燃料气室

118喷射孔

120预混合通道

122扩散通道

123顶端

124冷却剂入口通道

126冷却剂出口通道

128冷却剂歧管

130冷却剂

132旁路通道

134冷却剂孔

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例，图中显示了其一个或多个示例。各个示例是作为本发明的说明，而非本发明的限制而提供的。实际上，本领域中的技术人员应该懂得，在不脱离本发明的范围或精神的条件下可在本发明中做出各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分而被显示或被描述的特征可与另一实施例一起使用，从而产生又进一步的实施例。因而，假如修改和变化在所附权利要求及其等价物的范围内，则本发明意图覆盖这种修改和变化。

参看图1，显示了燃气涡轮机系统10的若干个部分的简化图。系统10包括压缩机段12，其用于压缩流入到系统10中的气体，例如空气。应该懂得，虽然气体在本文可被指定为空气，但是该气体可以是适合于燃气涡轮机系统10中使用的任何气体。从压缩机段12排出的压缩空气流入到燃烧器段14中，其通常由围绕系统10的轴线成环形阵列设置的多个燃烧器16表征(图1中只显示了其中一个燃烧器)。进入燃烧器段14中的空气与燃料混合并燃烧。热的燃烧气体从各个燃烧器16流向涡轮段18以驱动系统10，并产生功率。

仍然参看图1，燃气涡轮机10中的各个燃烧器16可包括用于使空气/燃料混合物混合和燃烧的燃烧系统20以及用于使热的燃烧气体流向涡轮段18的过渡件22。各个燃烧器16的燃烧系统20可包括燃烧外壳24、端盖26和多个燃料喷嘴组件28。还应该懂得，各个燃烧器16和燃烧系统20可包括若干个燃料喷嘴组件28。通过一个或多个歧管(未显示)可将燃料供应给各个燃料喷嘴组件28。

在操作期间，离开压缩机段12的压缩空气穿过燃烧室32的流套筒30和过渡件22的冲击套筒34流入各个燃烧器16，在此处其形成涡流并与喷射到各个燃料喷嘴组件28中的燃料相混合。离开各个燃料喷嘴组件28的空气/燃料混合物流入燃烧室32，在那里其被燃烧。热的燃烧气体然后通过过渡件22流向涡轮段18，从而驱动系统10并产生功率。然而，应该懂得燃烧器16不需要按照上面所述和本文所示进行构造，并通常可具有允许压缩空气与燃料混合、燃烧并传送至系统10的涡轮段18的任何结构。

参看图2，显示了燃料喷嘴组件28。如本文论述的那样，待燃烧的空气42可流过燃料喷嘴组件28的外环状空间。如图所示，燃料喷嘴组件28可包括入口流量调节器44，以改善空气42的空气流速分布。燃料喷嘴组件28还可包括多个同心的管道，其限定了离散的环形通道46，48和50。通道46可供应空气流，而通道48和50可通过燃料喷嘴组件28供应主要燃料(未显示)，例如天然气。主要燃料可通过多个空气旋流器叶片56而进一步供应至燃烧器16的燃烧室36(图1)。从入口流量调节器44流出的空气42可通过空气旋流器叶片56引导，从而赋予空气42涡流模式，并促进空气42与主要燃料的混合。空气旋流器叶片56可包括燃料喷射口或孔58，其将从预混合燃料通道48和50流出的燃料喷射到空气42中。然后空气42和主要燃料可流入由外燃烧管62和内燃烧管64限定的预混合环状空间60中，其中空气42和主要燃料在进入燃烧室36之前进行混合。然而，应该容易懂得，上述燃料喷嘴组件28可按照本领域技术人员通常已知的任何方式进行构造或布置，并且不需要如本文所述进行构造。

在示例性实施例中，当主要燃料不能供本发明公开的系统10和燃料喷嘴组件28使用时，或者否则在需要时，可使辅助燃料70流过燃料喷嘴组件28，与空气42混合并进行燃烧。在示例性实施例中，辅助燃料70可能是液态燃料，例如油或油混合物。然而，应该懂得，本发明公开的辅助燃料可能是用于燃料喷嘴组件28中使用的任何合适的燃料。

因而在燃料喷嘴组件28中可提供用于供辅助燃料70流过其中的嵌件100。本发明公开的嵌件100可有利地容许辅助燃料70与空气42在燃料喷嘴组件28的预混合环状空间60中进行预混合，使得提供给燃烧室36并在燃烧室36中燃烧的空气/燃料混合物是相对较稀薄的混合物。另外，空气/燃料混合物可在预混合环状空间60中有利地进行雾化。此外，如下面论述的那样，本发明公开的嵌件100可防止或减少燃料喷嘴组件28中的结焦。

如图2到图6中所示，嵌件100可包括筒芯102和转接器104。筒芯102可穿过至少燃料喷嘴组件28的一部分延伸，并可构造成使辅助燃料70流过其中。例如，筒芯102可为管道、管子、导管或其它合适的装置。如本文论述的那样，筒芯102可从一个或更多辅助燃料歧管(未显示)接受辅助燃料70，并且辅助燃料70可流过筒芯102。筒芯102通常可设置在内燃烧管64内。例如，筒芯102可延伸通过通道46。此外，内燃烧管64可限定内环状空间106。内环状空间106可与通道46保持流体连通。筒芯102可延伸通过内环状空间106。筒芯102可具有任何合适的横截面形状或尺寸。例如，在一些实施例中，筒芯102可具有大致圆形或椭圆形的横截面。此外，筒芯102沿着其长度不需要是线性的或具有相同的横截面；例如，筒芯102可以是弯曲的和/或锥形的。

转接器104可联接在筒芯102上，并设置在燃料喷嘴组件28中。此外，转接器104可联接到内燃烧管64上。例如，在某些实施例中，转接器104可通过例如焊接而连接到，或者可通过例如合适的机械紧固装置或密封装置而紧固到内燃烧管64上，并且如果需要可翻新到现有的内燃烧管64上。备选地，转接器104可为内燃烧管64的整体构件。此外，转接器104可定位在燃料喷嘴28中，使得内环状空间106被分成上游内环状空间108和下游内环状空间110。

如图2和图4到图5中所示，筒芯102可紧固在转接器104上。例如，筒芯102可通过使用一个或多个密封构件112而固定到转接器上。密封构件112例如可为环形唇密封圈或其它合适的密封装置。应该懂得，如下面论述的那样，诸如内通道的筒芯102的部分可延伸穿过或经过密封构件112。备选地或附加地，如图6中所示，筒芯102可连接到转接器104上。例如，筒芯102可在结合部114或任何其它合适的结合部处通过例如焊接而连接到转接器104上。应该懂得，如下面论述的那样，诸如内通道的筒芯102的部分可延伸穿过或经过结合部114。

转接器104可限定燃料气室116和至少一个径向延伸的喷射孔118，或多个径向延伸的喷射孔118，图3中显示了转接器的一个实施例。喷射孔118可构造成从筒芯12接受至少一部分辅助燃料70，并可将辅助燃料70喷射到预混合环状空间60中。例如，辅助燃料70可流过筒芯102。至少一部分辅助燃料70可离开筒芯102进入燃料气室116。然后可通过喷射孔118传送燃料气室116中的辅助燃料70。喷射孔118可径向向外穿过转接器104而延伸至转接器104的外表面，该外表面可暴露于预混合环状空间60中。因而，辅助燃料70可从燃料气室116穿过喷射孔118而流入预混合环状空间60。一旦从喷射孔118喷射到预混合环状空间60中，辅助燃料70就可与空气旋流器叶片56下游的空气42相混合，从而容许辅助燃料70的预混合。

本发明公开的筒芯102可限定一个通道或多个通道。通道可构造成使辅助燃料70或另一流体流过其中。在示例性实施例中，如图4到图6中所示，多个通道可为同心对准的通道。应该懂得，通道可如图4到图6中所示进行对准，或者可以任何其它合适的排列进行对准。

如图2和图4到图6中所示，筒芯102可限定预混合通道120。预混合通道120可与转接器104保持流体连通。流过筒芯102的辅助燃料70至少一部分可通过预混合通道120而流入燃料气室116，用于喷射到预混合环状空间60中。

如图5和图6中所示，筒芯102可进一步限定扩散通道122。扩散通道122可构造成绕过转接器104。例如，流过筒芯102的辅助燃料70的一部分可流过扩散通道122。这部分辅助燃料70可流过扩散通道122并供应至燃料喷嘴组件28的顶端123。设置在顶端123附近的引燃火焰(未显示)可点燃离开扩散通道122和顶端123的辅助燃料70。通过扩散通道122供应的辅助燃料70可用作通过用于预混合目的的预混合通道120所供应的辅助燃料70的备用系统，或者可与预混合通道120协同使用，或否则按需要进行利用。

如图4中所示，筒芯102可进一步限定冷却剂入口通道124和冷却剂出口通道126。在示例性实施例中，转接器可限定至少一个冷却剂歧管128，或多个冷却剂歧管128。冷却剂歧管128可与冷却剂入口通道124保持流体连通，并且可进一步与冷却剂出口通道126保持流体连通。冷却剂入口通道124可构造成将冷却剂130，例如空气42或任何其它合适的冷却剂提供给转接器104。例如，可将冷却剂130从冷却剂供应歧管(未显示)供应给筒芯102。冷却剂130可流过冷却剂入口通道124，并可供应给转接器104。在示例性实施例中，可通过限定在转接器中的冷却剂歧管128而将冷却剂130供应给转接器104。冷却剂歧管128可使冷却剂130流过其中，冷却转接器104，并且还通过提供流以松散和除去现有的结焦并防止结焦的沉积，从而防止或减少结焦。冷却剂歧管128然后可将冷却剂130供应给冷却剂出口通道126。冷却剂出口通道126可冷却剂130流过其中，并排出冷却剂130。冷却剂130可在燃料喷嘴组件28的外面排出，或者可通过燃料喷嘴组件28而排入通道46以用于再循环，或者可以另外以任何其它适合的形式排出。

应该懂得，辅助燃料70、冷却剂130或穿过筒芯102的各种通道的任何其它流体的流量可手动或通过利用合适的控制系统进行控制和调节。

在示例性实施例中，本发明公开的转接器104可限定至少一个纵向延伸的旁路通道132，或多个纵向延伸的旁路通道132。旁路通道132可构造成使空气42或冷却剂130流过转接器104。例如，如上面论述的那样，转接器104可联接在内燃烧管64上，并且可将内环状空间106分隔成上游内环状空间108和下游内环状空间110。旁路通道132可与内环状空间106保持流体连通。例如，旁路通道132可与上游内环状空间108和下游内环状空间110两者均保持流体连通。因而，通过通道46流入环状空间106，例如上游内环状空间108中的空气42或冷却剂130可通过旁路通道132并流入下游内环状空间110。流过旁路通道132的空气42或冷却剂130可冷却转接器104，并且可通过提供流以松散和除去现有的结焦并防止结焦的沉积，从而进一步防止或减少结焦。

在示例性实施例中，内燃烧管64可限定至少一个径向延伸的冷却剂孔134，或多个径向延伸的冷却剂孔134。冷却剂孔134可设于内燃烧管64中，与下游内环状空间110相邻。提供给下游内环状空间110的空气42或冷却剂130的至少一部分因而可通过冷却剂孔134而流入预混合环状空间60。冷却剂孔134可定制尺寸、成形并布置成使得流过冷却剂孔134的空气42或冷却剂130为内燃烧管64提供薄膜冷却，从而冷却内燃烧管64，并且通过提供薄膜以松散和除去现有的结焦并防止结焦的沉积，从而进一步防止或减少燃烧管64的外表面上的结焦。

本发明公开的嵌件100有利地为燃气涡轮机10的燃料喷嘴组件28中的辅助燃料70提供了预混合。此外，嵌件100减少了费用，并提高了与提供辅助燃料相关的效率。例如，嵌件100不需要使用水来冷却燃烧的辅助燃料70，而且还不需要独立的压缩雾化空气源。另外，嵌件100提供了遍及燃料喷嘴组件28的各种空气和冷却剂流，从而防止或减少由于使用辅助燃料70而引起的燃料喷嘴组件28中的结焦。

本文使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域中的技术人员能够实践本发明，包括制造和利用任何装置或系统，并执行任何所结合的方法。本发明可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域中的技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例包括并非不同于权利要求字面语言的结构元件，或者如果其包括与权利要求语言无实质差异的等效的结构元件，那么这些其它示例都属于权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种用于在燃料喷嘴组件(28)的预混合环状空间(60)中使辅助燃料(70)预混合的嵌件(100)，所述嵌件(100)包括：

筒芯(102)，其穿过所述燃料喷嘴组件(28)的至少一部分延伸，并构造成使所述辅助燃料(70)流过其中；和

联接在所述筒芯(102)上的转接器(104)，所述转接器(104)限定燃料气室(116)和至少一个径向延伸的喷射孔(118)，

其中所述至少一个喷射孔(118)构造成从所述筒芯(102)接受至少一部分所述辅助燃料(70)，并将所述辅助燃料(70)喷入所述预混合环状空间(60)。

2.根据权利要求1所述的嵌件(100)，其特征在于，所述筒芯(102)限定预混合通道(120)，所述预混合通道(120)与所述转接器(104)保持流体连通。

3.根据权利要求1到2中的任一项所述的嵌件(100)，其特征在于，所述筒芯(102)限定构造成绕过所述转接器(104)的扩散通道(122)。

4.根据权利要求1到3中的任一项所述的嵌件(100)，其特征在于，所述筒芯(102)限定构造成将冷却剂(130)提供给所述转接器(104)的冷却剂入口通道(124)。

5.根据权利要求4所述的嵌件(100)，其特征在于，所述筒芯(102)限定构造成从所述转接器(104)接受所述冷却剂(130)的冷却剂出口通道(126)。

6.根据权利要求4所述的嵌件(100)，其特征在于，所述转接器(104)限定至少一个冷却剂歧管(128)，所述至少一个冷却剂歧管(128)与所述冷却剂入口通道(124)保持流体连通。

7.根据权利要求1到6中的任一项所述的嵌件(100)，其特征在于，所述转接器(104)限定至少一个纵向地延伸的旁路通道(132)。

8.根据权利要求1到7中的任一项所述的嵌件(100)，其特征在于，所述嵌件还包括至少一个密封构件(112)，所述至少一个密封构件(112)构造成将所述筒芯(102)和所述转接器(104)紧固在一起。

9.一种用于使辅助燃料(70)预混合的燃料喷嘴组件(28)，所述燃料喷嘴组件(28)包括：

其间限定了预混合环状空间(60)的外燃烧管(62)和内燃烧管(64)，所述内燃烧管(64)进一步限定了内环状空间(106)；和

嵌件(100)，所述嵌件(100)包括筒芯(102)和转接器(104)，所述筒芯(102)穿过所述燃料喷嘴组件(28)的至少一部分延伸，并且构造成使所述辅助燃料(70)流过其中，而所述转接器(104)联接在所述筒芯(102)和所述内燃烧管(64)上，所述转接器(104)限定燃料气室(116)和至少一个径向延伸的喷射孔(118)，

其中所述至少一个喷射孔(118)构造成从所述筒芯(102)接受至少一部分所述辅助燃料(70)，并将所述辅助燃料(70)喷射到所述预混合环状空间(60)中。

10.根据权利要求9所述的燃料喷嘴组件(28)，其特征在于，所述内燃烧管(64)限定至少一个径向延伸的冷却剂孔(134)。

11.根据权利要求9到10中的任一项所述的燃料喷嘴组件(28)，其特征在于，所述筒芯(102)限定预混合通道(120)，所述预混合通道(120)与所述转接器(104)保持流体连通。

12.根据权利要求9到11中的任一项所述的燃料喷嘴组件(28)，其特征在于，所述筒芯(102)限定构造成绕过所述转接器(104)的扩散通道(122)。

13.根据权利要求12所述的燃料喷嘴组件(28)，其特征在于，所述燃料喷嘴组件(28)还包括顶端(123)，并且其中一部分所述辅助燃料(70)流过所述扩散通道(122)并供应给所述顶端(123)。

14.根据权利要求9到13中的任一项所述的燃料喷嘴组件(28)，其特征在于，所述筒芯(102)限定构造成将冷却剂(130)提供给所述转接器(104)的冷却剂入口通道(124)。

15.根据权利要求9到14中的任一项所述的燃料喷嘴组件(28)，其特征在于，所述转接器(104)限定至少一个纵向地延伸的旁路通道(132)。

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