CN102313299A - 用于涡轮机的喷嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于涡轮机的喷嘴，具体而言，涡轮机包括压缩机、可操作地连接到压缩机上的燃烧器、安装在燃烧器上的端盖和可操作地连接到燃烧器上的喷嘴组件。喷嘴组件包括延伸到第二端部的第一端部，以及设置在第二端部处的多个管元件。限定流体通道的多个管元件的每一个均包括本体，该本体具有延伸到第二末端区段的第一末端区段。第二末端区段伸出喷嘴组件的第二端部。

Description

用于涡轮机的喷嘴
联邦研究声明
本发明根据由美国能源部提供的合同No.DE-FC26-05NT42643利用政府支持作出。政府对本发明拥有一定权利。
技术领域
本文公开的主题涉及涡轮机的领域，更具体而言涉及用于涡轮机的喷嘴。
背景技术
一般而言，燃气涡轮发动机燃烧释放热能的燃料/空气混合物而形成高温气流。该高温气流经由热气体通路被引导到涡轮。涡轮将来自高温气流的热能转换为使涡轮轴旋转的机械能。涡轮可用于各种各样的应用中，例如用于向泵或发电机提供动力。
在燃气涡轮机中，发动机效率随着燃烧气流温度升高而提高。遗憾的是，较高的气流温度产生较高水平的氮氧化物(NOx)，一种受到联邦和州规章限制的排放物。因此，在使燃气涡轮机在有效范围内运行同时还确保NOx的输出保持低于规定水平之间存在谨慎的平衡方案。一种实现低NOx水平的方法是确保燃料和空气在燃烧之前的良好混合。此外，当使用纯H2或高H2燃烧时，燃料射流渗透不足以与可获得的空气混合。因此燃料将流经喷射器的预混器管部中的边界层。该燃料特性导致限制涡轮机的整体运行范围的闪回状态。
发明内容
根据本发明的一方面，一种涡轮机包括压缩机、可操作地连接到该压缩机上的燃烧器、安装在该燃烧器上的端盖和可操作地连接到该燃烧器上的喷嘴组件。该喷嘴组件包括延伸到第二端部的第一端部，以及设置在第二端部处的多个管元件。多个管元件的每一个均限定包括本体的流体通道，该本体具有延伸到第二末端区段的第一末端区段。第二末端区段伸出喷嘴组件的第二端部。
根据本发明的另一方面，一种用于涡轮机的喷嘴组件包括延伸到第二端部的第一端部，以及设置在第二端部处的多个管元件。多个管元件的每一个均限定包括本体的流体通道，该本体具有延伸到第二末端区段的第一末端区段。第二末端区段伸出喷嘴组件的第二端部。
这些和其它优点和特征将从结合附图的以下说明变得更加明显。
附图说明
视为本发明的主题在权利要求书中具体指出并清楚地主张权利。从结合附图的以下详细描述，本发明的前述及其它特征和优点显而易见，在附图中：
图1是根据示例性实施例构成的包括多管喷嘴的示例性涡轮机的截面侧视图；
图2是图1的示例性涡轮机的燃烧器部分的截面图；
图3是根据示例性实施例构成的包括多个喷嘴组件的图2的燃烧器部分的局部截面侧视图；
图4是图3的多个喷嘴组件中的一个的局部详图；
图5是根据示例性实施例的另一方面的喷嘴组件的局部详图；
图6是根据该示例性实施例的再一方面的喷嘴组件的局部详图；
图7是根据该示例性实施例的再另一方面的喷嘴组件的局部详图；
图8是根据该示例性实施例的又一方面的喷嘴组件的局部详图；
图9是根据该示例性实施例的再又一方面的喷嘴组件的局部详图；以及
图10是根据该示例性实施例的再又一方面的喷嘴组件的局部详图。
详细描述通过参照附图举例解释了本发明的实施例及优点和特征。
零部件清单
2涡轮机
4压缩机
5压缩机组件
6燃烧器
8喷射器组件壳体
10涡轮
21图2
22扩散器
24压缩机排放气室
30端盖
38，39，40喷嘴组件
41内部流动通路
44燃烧器外壳
46燃烧器衬垫
48燃烧室
49环形燃烧冷却通道
55过渡件
62第一级涡轮喷嘴
64内壁(55)
65外壁(55)
66，137，205，248，348开口(65)
68环形通道
72引导腔
80第一端部(38)
82，166，224，324第二端部(38)
84，168，226，326气室(38)
86，170，228，328端壁
90，175，230，330多个管元件
100，177，233，333燃料进口管
120，180，235，335导管
124，183，237，337中央接收端口
128，190，240，340内部燃料传送气室
130，196，243，343本体(90)
132，198，244，344第一末端区段(90)
134，200，245，345第二末端区段(90)
135，202，246，346中间区段(90)
143，209，250，350接口区
144右
160，220，320喷嘴组件
211缓坡
255凹入区域
360成角度的区域
400管元件
402第一端
404第二端
具体实施方式
首先参照图1，根据示例性实施例构造的涡轮机总体以2表示。涡轮机2包括压缩机4和燃烧器组件5，该燃烧器组件5具有设置有燃料喷嘴或喷射器组件壳体8的至少一个燃烧器6。涡轮机2还包括涡轮10。在一个实施例中，涡轮机2为重负荷燃气涡轮发动机，然而，应理解的是，示例性实施例并不局限于任何一种特定的发动机构造并且可与各种各样其它的燃气涡轮发动机相结合使用。
如图2中最佳地示出，燃烧器6与压缩机4以及涡轮10流动连通地联接。压缩机4包括彼此流动连通地联接的扩散器22和压缩机排放气室24。燃烧器6还包括定位在其第一端处的端盖30。如以下将更充分地讨论的那样，端盖30支撑多个喷嘴组件，其中三个以38到40表示。燃烧器6还包括燃烧器外壳44和燃烧器衬垫46。如图所示，燃烧器衬垫46从燃烧器外壳44径向向内定位以便限定燃烧室48。环形燃烧器冷却通道49限定在燃烧器外壳44与燃烧器衬垫46之间。过渡件55将燃烧器6联接到涡轮10上。过渡件55将在下游的燃烧器48中产生的燃烧气体引向第一级涡轮喷嘴(未示出)。朝着这一端，过渡件55包括内壁64和外壁65。外壁65包括多个开口66，开口66通向限定在内壁64与外壁65之间的环形通道68。内壁64限定在燃烧室48与涡轮10之间延伸的引导腔72。
在运行期间，空气流经压缩机4并且压缩空气被供给到燃烧器6，且更具体而言被供给到喷射器组件38、39和40。同时，燃料被传给喷射器组件38到40以与空气混合并形成可燃混合物。当然，应理解的是，燃烧器6可包括附加喷嘴组件(未示出)并且涡轮机2可包括附加燃烧器(也未示出)。任何情况下，可燃混合物被引导到燃烧室48并被点燃而形成燃烧气体。燃烧气体然后被引导到涡轮10。来自燃烧气体的热能被转换为机械、旋转能。
就这一点而言，应理解的是，提出上述结构以便更彻底地理解涉及喷嘴组件38到40的特定结构的示例性实施例。然而，由于各喷嘴38到40是类似的，因此以下将在理解喷嘴组件39和40包括类似的结构的情况下参考喷嘴组件38进行详细描述。
如图3中所示，喷嘴组件38包括第一端部或燃料进口80，其经具有端壁86的燃料室84延伸到第二端部或周壁82。喷嘴组件38还包括以围绕周壁82径向延伸的多排布置的多个管元件，其中之一总体以90表示。如以下将更充分地讨论的，管元件90从燃料进口管100接收燃料，该燃料进口管100经喷嘴组件38从端盖30(图2)延伸到导管120，然后继续延伸到中央接收端口124。然后，燃料填充喷嘴组件38中的上游燃料传送气室128并在与空气混合并被引向燃烧室48之前被分配给多个管元件90的每一个。根据示例性实施例的一方面，上游燃料传送气室128由相邻的管元件90之间存在的间隙限定。通过此布置，燃料使周壁82冷却下来并从多个管元件90去除热量。由于高H2火焰通常很接近周壁82粘连(anchoring)并升高多个管元件90的温度，因此希望散热。因此，示例性实施例通过降低在周壁82和多个管元件90处的温度而提高闪回裕量。
如图4中最佳地示出，管元件90包括本体130，该本体130具有第一末端区段或进口132，其经中间区段135从端壁86延伸到第二末端区段或出口134。中间区段135包括将管元件90与上游燃料传送气室128流体连接的开口(未示出)。出口134伸出喷嘴组件38的周壁82，由此限定接口区143。根据示例性实施例的一方面，出口134从周壁82延伸约0.1D到约1.2D(此处D为管元件90的内径)之间。
根据所示的示例性实施例，接口区143以大致垂直的角度被限定在周壁82与出口134之间。使出口134伸出周壁82使得喷嘴组件38不仅能够实现燃料和空气的更彻底的混合，从而形成转而导致更彻底的燃烧的更稳定的火焰，而且能够减少闪回的发生。即，管元件90的突出端部形成增强混合的流动旋涡。增强的混合引起导致更低排放的更彻底的燃烧。增强的混合还极大地限制了闪回。此外，使出口134伸出周壁82在接口区143处形成混合区域(未单独标注)。该混合区域提供用于燃料和空气蓄积的更深的凹穴，该凹穴导致在周壁82处的更稀薄的混合物。该更稀薄的混合物降低了闪回的概率。通过消除或降低闪回的概率，涡轮机2可以在更低的调低(turn down)模式下运行。
现将参考图5描述根据另一示例性实施例的喷嘴组件160，其中相似的参考标号在相应视图中代表对应的零部件。喷嘴组件160包括第一端部(未示出)，其经具有端壁170的燃料室(未示出)延伸到第二端部或周壁166。以类似于上述的方式，喷嘴组件160还包括以围绕周壁166径向延伸的多排(未示出)而布置的多个管元件，其中之一总体以175表示。
管元件175包括本体196，该本体196具有第一末端区段或进口198，其经中间区段202从端壁170延伸到第二末端区段或出口200。中间区段202包括将管元件175与上游燃料传送气室(未示出)流体连接的开口(未示出)。出口200伸出喷嘴组件160的周壁166，由此限定接口区209。根据示例性实施例的一方面，出口200从周壁166延伸约0.1D到约1.2D(此处D为管元件175的内径)之间。
根据所示的示例性实施例，接口区209通过缓坡结合部限定在周壁166与出口200之间。更具体而言，在所示的示例性实施例中，周壁166包括具有接口区209的大致平坦表面，该接口区209形成到管元件175的出口200的缓坡连接。以与上述类似的方式，使出口200伸出周壁166使得喷嘴组件160不仅能够实现燃料和空气的更彻底的混合，从而形成引起更彻底的燃烧的更稳定的火焰，而且能够减少闪回的发生。即，管元件175的突出端部形成增强混合的流动旋涡。增强的混合引起导致更低排放的更彻底的燃烧，并防止闪回。通过消除或降低闪回的概率，涡轮机2可以在更低的调低模式下运行。
现将参考图6描述根据另一示例性实施例的喷嘴组件220，其中相似的参考标号代表相应视图中对应的零件。喷嘴组件220包括第一端部(未示出)，其经具有端壁228的内部气室(未示出)延伸到第二端部或周壁224。喷嘴组件220还包括以围绕周壁224径向延伸的多排(未示出)而布置的多个管元件，其中之一总体以230表示。
根据图6中所示的示例性实施例，管元件230包括本体243，该本体243具有第一末端区段或进口244，其经中间区段246从端壁228延伸到第二末端区段或出口245。中间区段246包括将管元件230与上游燃料传送气室(未示出)流体连接的开口(也未示出)。第二末端区段245伸出喷嘴组件220的周壁224，由此限定接口区250。根据示例性实施例的一方面，出口245从周壁224延伸约0.1D到约1.2D(此处D为管元件230的内径)之间。
根据所示的示例性实施例，接口区250通过大致倾斜的结合部被限定在周壁224与出口245之间。更具体而言，在所示的示例性实施例中，周壁224包括凹陷表面，例如，具有在多个管元件230的每一个之间的空隙区域处存在的多个凹窝或凹入区域255的表面。这样，接口区250形成到管元件230的出口245的缓坡连接。同样以与上述类似的方式，通过使出口245伸出周壁224使得喷嘴组件220不仅能够实现燃料和空气的更彻底的混合从而形成转而引起更彻底的燃烧的更稳定的火焰，而且能够减少闪回的发生。
围绕多个管元件的每一个增设多个凹入区域提供了增强的燃料循环，其引起周壁224处的边界层区域中逐渐变稀薄的燃料分布。更稀薄的燃料分布进一步降低了喷嘴组件220处闪回的可能性。通过此布置，燃料使周壁224冷却下来并通过鳍片(未示出)从多个管元件230散热。由于高H2火焰通常很接近周壁224粘连并升高多个管元件230的温度，因此希望散热。因此，示例性实施例通过降低周壁224和多个管元件230处的温度而提高闪回裕量。
现将参考图7描述根据另一示例性实施例的喷嘴组件320，其中类似的参考标号代表相应视图中对应的零件。喷嘴组件320包括第一端部(未示出)，其经具有端壁328的内部气室326延伸到第二端部或周壁324。喷嘴组件320还包括以围绕周壁324径向延伸的多排布置的多个管元件，其中之一总体以330表示。
以与上述类似的方式，管元件330从燃料进口管(未示出)接收燃料，该燃料进口管经喷嘴组件320从端盖30(图2)延伸到中央接收端口(也未示出)。管元件330包括本体343，该本体343具有第一末端区段或进口344，其经中间区段345从端壁328延伸到第二末端区段或出口346。中间区段346包括将管元件330与上游燃料传送气室(未示出)流体连接的开口(也未示出)。出口345伸出喷嘴组件320的周壁324，由此限定接口区350。根据示例性实施例的一方面，出口345从周壁324延伸约0.1D到约1.2D(其中D为管元件330的内径)之间。
根据所示的示例性实施例，接口区350以大致垂直的角度被限定在周壁324与出口345之间。以这种方式，接口区350建立与管元件330的第二末端区段324的连接。同样以与上述类似的方式，使出口345伸出周壁324使得喷嘴组件320不仅能够实现燃料和空气的更彻底的混合从而形成转而引起更彻底的燃烧的更稳定的火焰，而且能够减少闪回的发生。进一步根据所示的示例性方面，喷嘴组件320包括布置在多排中的内排(未单独标注)中的多个成角度的管元件，其中之一总体以360表示。管元件360包括成角度的区域365。成角度的区域365在燃烧室48(图2)中的第一排和第二排(未单独标注)管元件330处形成集中火焰稳定区和较稀薄薄的火焰，这进一步增强了引起更彻底的燃烧和更低排放的火焰稳定性。
根据图8中所示的另一示例性方面，其中相似的参考标号在相应视图中代表对应的零件，喷嘴组件320包括布置在包围中央接收端口(未示出)的最内排(未单独标注)中的多个成角度的管元件400。成角度的管元件400相对于喷嘴组件320的纵向轴线(未单独标注)从第一末端区段或进口402到第二末端区段或出口404成角度。根据示例性实施例的一方面，成角度的管元件400相对于喷嘴组件320的纵向轴线成小于20°的角度。
现将参考图9描述根据另一示例性实施例的喷嘴组件420。喷嘴组件420包括第一端部(未示出)，其经具有端壁428的内部气室426延伸到第二端部或周壁424。喷嘴组件420还包括围绕中央接收端口(未示出)周向布置的多个管元件430。管元件430包括围绕中央接收端口布置的第一排或最内排440、围绕第一排440布置的第二排442、围绕第二排442布置的第三排444和围绕第三排444布置的第四排446。当然，应理解的是，管元件430的排数可以变化。例如第三排444中的管元件430包括本体480，该本体480具有第一末端区段或进口482，其经中间区段485从端壁428延伸到第二末端区段或出口483。中间区段485包括将管元件430与上游燃料传送气室(未示出)流体连接的开口(也未示出)。第二末端区段483伸出喷嘴组件420的第二端部424，由此限定接口区490。根据示例性实施例的一方面，出口483从周壁424延伸约0.1D到约1.2D(其中D为管元件430的内径)之间。
根据所示的示例性实施例，布置在第一排440中的多个管元件430相对于喷嘴组件420的中心线以第一角度定位。根据示例性实施例的一方面，第一排440中的管元件430成约20°的角度。此外，布置在第二排442中的多个管元件430相对于喷嘴组件420的中心线以第二角度布置，该第二角度与第一角度明显不同。根据所示的示例性方面，第二排442中的管元件430成约10°的角度。第一排440和第二排442的角度在燃烧室48中的第一排440、第二排442和第三排444处形成集中火焰稳定区和较稀薄的火焰，这进一步增强了引起更彻底的燃烧和更低排放的火焰稳定性。
现将参考图10描述根据另一示例性实施例的喷嘴组件520。喷嘴组件520包括第一端部(未示出)，其经具有端壁528的内部气室526延伸到第二端部或周壁524。喷嘴组件520还包括围绕中央接收端口(未示出)周向布置的多个管元件530。管元件530包括第一排或最内排540、围绕第一排540布置的第二排542、围绕第二排542布置的第三排544和围绕第三排544布置的第四排546。当然，应理解的是，管元件530的排数可以变化。例如排546中的管元件530包括本体580，该本体580具有第一末端区段或进口582，其经中间区段585从端壁528延伸到第二末端区段或出口583。中间区段585包括将管元件530与上游燃料传送气室(未示出)流体连接的开口(也未示出)。出口583伸出喷嘴组件520的第二端部524，由此限定接口区590。根据示例性实施例的一方面，出口583从周壁524延伸约0.1D到约1.2D(此处D为管元件530的内径)之间。
根据所示的示例性实施例，布置在第一排540中的多个管元件530相对于喷嘴组件520的中心线以第一角度定位。根据示例性实施例的一方面，第一排540中的管元件530成约20°的角度。布置在第二排542中的多个管元件530相对于喷嘴组件520的中心线成第二角度布置，该第二角度与第一角度明显不同。根据所示的示例性方面，第二排542中的管元件530成约15°的角度。布置在第三排544中的多个管元件530相对于喷嘴组件520的中心线以第三角度布置，该第三角度与第一角度和第二角度明显不同。根据所示的示例性方面，第三排544中的管元件530成约10°的角度。布置在第四排546中的多个管元件530相对于喷嘴组件520的中心线以第四角度布置，该第四角度与第一角度、第二角度和第三角度明显不同。根据所示的示例性方面，第四排546中的管元件530成约5°的角度。第一排440、第二排442、第三排444和第四排446的角度在燃烧室48中形成集中火焰稳定区和较稀薄火焰，这进一步增强了引起更彻底的燃烧和更低排放的火焰稳定性。
就这一点而言，应理解的是，示例性实施例提供了具有伸出喷嘴的热面的管元件的喷嘴组件。使管元件伸出热面不仅实现了燃料和空气的更彻底的混合，而且减少了闪回的发生。更彻底的燃烧引起更少的NOx排放物，同事减少闪回使得涡轮机能够在低于当前可能的调低模式下运行。在调低模式下，流速较低，这趋于形成闪回状态。通过在喷嘴的端部处形成较稀薄的混合物，减少了闪回状态，从而允许涡轮机在更低的调低模式下运行，以进一步节省燃料。
虽然已结合仅有限数量的实施例详细地描述了本发明，但应当容易理解的是，本发明并不局限于这些公开的实施例。相反，可对本发明进行修改以加入此前未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变型、改型、替换或等同装置。此外，虽然已经描述本发明的各种实施例，但应理解，本发明的各个方面可仅包括其中一部分所述的实施例。因此，本发明不应被视为由前面的描述来限制，而是仅由所附权利要求的范围来限制。

Claims (10)

1.一种涡轮机(2)，包括：
压缩机(4)；
可操作地连接到所述压缩机(4)上的燃烧器(6)；
安装在所述燃烧器(6)上的端盖(30)；以及
可操作地连接到所述燃烧器(6)上的喷嘴组件(38，39，40)，所述喷嘴组件(38，39，40)包括延伸到第二端部(82，166，224，324)的第一端部(80)，以及设置在所述第二端部(82，166，224，324)处的多个管元件(90，175，230，330)，所述多个管元件(90，175，230，330)的每一个均限定包括本体的流体通道，所述本体具有延伸到第二末端区段(134，200，245，345)的第一末端区段(132，198，244，344)，所述第二末端区段(134，200，245，345)伸出所述喷嘴组件(38，39，40)的所述第二端部(82，166，224，324)。
2.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述涡轮机(2)还包括：定位在所述喷嘴组件(38，39，40)的所述第二端部(82，166，224，324)与所述多个管元件(90，175，230，330)的每一个的所述第二末端区段(134，200，245，345)之间的接口区(143，209，250，350)。
3.根据权利要求2所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述接口区(143，209，250，350)在所述喷嘴组件(38，39，40)的所述第二端部(82，166，224，324)与所述多个管元件(90，175，230，330)的每一个的所述第二末端区段(134，200，245，345)之间限定大致垂直的角度。
4.根据权利要求2所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述接口区(143，209，250，350)在所述喷嘴组件(38，39，40)的所述第二端部(82，166，224，324)与所述多个管元件(90，175，230，330)的每一个的所述第二末端区段(134，200，245，345)之间限定缓坡(211)连接。
5.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述涡轮机(2)还包括：形成在所述喷嘴组件(38，39，40)的所述第二端部(82，166，224，324)中的多个凹入区域(255)，所述多个凹入区域(255)定位在所述多个管元件(90，175，230，330)的相邻的管元件之间的空隙区域(255)处。
6.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述涡轮机(2)还包括：布置在喷嘴组件(38，39，40)中的中央接收端口(124，183，237，337)，所述多个管元件(90，175，230，330)以围绕所述中央接收端口(124，183，237，337)周向延伸的多排而布置，所述多排包括直接布置在所述中央接收端口(124，183，237，337)附近的第一排、围绕所述第一排布置的第二排、围绕所述第二排布置的第三排、围绕所述第三排布置的第四排和围绕所述第四排布置的第五排。
7.根据权利要求6所述的涡轮机(2)，其特征在于，布置在所述第一排中的所述多个管元件(90，175，230，330)的每一个均包括成角度的区域(360)。
8.根据权利要求7所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述成角度的区域(360)布置在所述喷嘴组件(38，39，40)内。
9.根据权利要求6所述的涡轮机(2)，其特征在于，布置在所述第一排中的所述多个管元件(90，175，230，330)的每一个均相对于所述喷嘴组件(38，39，40)的纵向轴线成角度。
10.根据权利要求6所述的涡轮机(2)，其特征在于，布置在所述第一排中的所述多个管元件(90，175，230，330)的每一个均以第一角度布置，并且布置在所述第二排中的所述多个管元件(90，175，230，330)的每一个均以第二角度布置，所述第二角度与所述第一角度明显不同。
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