CN102384488A - 燃料喷嘴和用于旋流控制的方法 - Google Patents

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CN102384488A CN2011102684280A CN201110268428A CN102384488A CN 102384488 A CN102384488 A CN 102384488A CN 2011102684280 A CN2011102684280 A CN 2011102684280A CN 201110268428 A CN201110268428 A CN 201110268428A CN 102384488 A CN102384488 A CN 102384488A
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Abstract

本发明涉及燃料喷嘴和用于旋流控制的方法。根据本公开内容的一个方面，提供了一种用于喷射燃料的方法，其中该方法包括在圆锥体结构内的通路中混合空气和燃料以形成空气-燃料混合物，以及将空气-燃料混合物从通路引导至燃烧室中。该方法还包括利用空气-燃料混合物形成旋流，以及调整至少一个可调导叶的位置来控制火焰稳定性和控制空气-燃料混合物旋流的特性。

Description

燃料喷嘴和用于旋流控制的方法
技术领域
本文所公开的主题涉及燃气轮机。更具体而言，本主题涉及燃气轮机中的燃烧器。
背景技术
在燃气轮机中，燃烧器将燃料或空气-燃料混合物的化学能转化成热能。热能通过流体，通常是来自于压缩机的空气传送至涡轮，在涡轮中热能转化成机械能。多种因素会影响热能转化成机械能的效率。这些因素可包括叶片通过频率、燃料供送波动、燃料类型和反应性、燃烧器头端容积、燃料喷嘴设计、空气-燃料轮廓(profile)、火焰形状、空气-燃料混合、火焰保持(flame holding)和火焰稳定性。例如，由于燃烧性状和/或成本而期望有高反应性的燃料。然而，高反应性燃料会增大火焰保持的发生率。火焰稳定性受燃料喷嘴影响，因为它们将空气-燃料混合物射出到燃烧室中。对火焰稳定性的控制可导致对燃烧位置的控制，在此情况下期望的是防止火焰部分形成在燃料喷嘴中。此外，喷嘴中的火焰扩张可导致不充分燃烧和缩短喷嘴及燃烧器的寿命。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于喷射燃料的设备，其中该设备包括圆锥体结构，该圆锥体结构包括用以在燃烧室中形成空气-燃料混合物旋流(swirl)的通道。该设备还包括定位在通道中的至少一个可调导叶(vane)，该可调导叶构造成用以控制空气-燃料混合物的旋流和控制火焰稳定性。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于喷射燃料的方法，其中该方法包括在圆锥体结构内的通道中混合空气和燃料以形成空气-燃料混合物，以及将空气-燃料混合物从通道引导至燃烧室中。该方法还包括利用空气-燃料混合物形成旋流，以及调整至少一个可调导叶的位置来控制火焰稳定性和控制空气-燃料混合物旋流的特性。
通过结合附图的如下描述，这些及其它优点和特征将变得更为明显。
附图说明
在所附权利要求中具体地指出且明确地主张了认作是本发明的主题。通过结合附图的如下详细描述，本发明的前述及其它特征和优点将变得明显，在附图中：
图1为包括燃烧器、燃料喷嘴和压缩机的燃气涡轮发动机实施例的一部分的截面侧视图；
图2为燃料喷嘴实施例的详细截面侧视图；
图3为燃料喷嘴实施例的详细截面侧视图；
图4为如图2中所示的可调导叶的实施例的截面视图；以及
图5为如图3中所示的可调导叶和圆锥体结构的实施例的截面视图。
本详细说明通过参照附图以举例的方式阐述了本公开内容的实施例以及优点和特征。
零件清单
10燃气涡轮发动机
100燃烧器
102压缩机
103涡轮
104燃料喷嘴
105盖板
106供给空气
107供给燃料
108排放仓室
110环形空气流动通道
112空气-燃料混合物
114燃烧室
116热排出气流
118过渡件
120涡轮喷嘴
200燃料喷嘴
202外圆锥体
204内圆锥体
206凸缘
208空气通道
210可调导叶
211圆锥形室
212气态燃料流
214通道
216燃料入口
218空气燃料混合物
220液体燃料端口
222液体燃料
224轴向流动
226旋流流动
228旋流平均半径
230轴线
300燃料喷嘴
302外圆锥体
304内圆锥体
306空气通道
308中心圆锥体
310凸缘
312可调导叶
313切向轴线
314气态燃料流
316通道
318气体燃料入口
320空气燃料混合物
322液体燃料端口
324流
326下游流动
328涡流(vortex)
330旋流平均半径
332轴线
400可调引导导叶
402前缘
404后缘
406枢转点
500外圆锥体
502内圆锥体
504中心圆锥体
506可调引导导叶
508可调引导导叶
510通道
512通道
514空气燃料混合物流
516空气燃料混合物流
518箭头
520枢转点
522枢转点
524角
具体实施方式
图1为包括燃烧器100和压缩机102的燃气涡轮发动机10的实施例的一部分的截面侧视图。燃气涡轮发动机包括压缩机102、燃烧器100和涡轮103，其中该涡轮示意性地绘出。在涡轮发动机10中，燃烧器100中的空气燃料混合物的燃烧使涡轮103旋转以生成旋转输出形式的机械能。涡轮103的旋转还在压缩机102内压缩空气。此外，燃气涡轮发动机可包括多个压缩机102、燃烧器100和涡轮103。
一方面，燃烧器100使用液体和/或气体燃料，如天然气体或富氢合成气体，以便使发动机运转。例如，燃料喷嘴104联接到盖板105上并引入供给空气106和供给燃料107。供给空气106和供给燃料107与燃料喷嘴104成流体连通。空气流或供给空气106从排放仓室108和压缩机102的扩散器109引导至燃料喷嘴104。燃料喷嘴104将供给燃料107与供给空气106相混合以产生空气-燃料混合物，且将空气-燃料混合物排放到燃烧器100中。如图所示，空气从扩散器109引导至排放仓室108，且沿环形通道110引导至燃料喷嘴104。燃料喷嘴104将空气-燃料混合物由箭头112所示那样引导至燃烧室114中，从而引起燃烧，该燃烧形成热加压排出气体116。燃烧器100将热加压排出气体116经由过渡件118引导到涡轮喷嘴120中，导致涡轮103旋转。
在实施例中，燃料喷嘴104将供给空气106与供给燃料107相混合，以产生空气-燃料混合物的旋流，该旋流形成进入燃烧室114中的流动112。例如，燃料喷嘴104将空气-燃料混合物以适合的比例喷射到燃烧器114中，以便改善燃烧、排放、燃料消耗和功率输出。空气-燃料混合物的特性和空气-燃料旋流可影响燃烧。例如，燃料喷嘴104的构造改变喷嘴流的平均旋流半径和/或速度，从而影响火焰位置和降低喷嘴104中火焰保持的发生率。火焰保持可描述为在喷嘴中不期望的位置处形成火焰，其中火焰导致能破坏喷嘴的高温。火焰稳定性可描述为对燃烧器中火焰的位置和大小的控制，其中选定大小的稳定火焰一致地形成在燃烧室中的选定位置。
图2为燃料喷嘴200的实施例的截面侧视图。燃料喷嘴200包括联接到凸缘206上的外圆锥体202和内圆锥体204。用于空气-燃料混合物流动的通道208定位在外圆锥体202与内圆锥体204之间。外圆锥体202和内圆锥体204也描述为形成圆锥体结构。可调导叶210定位在通道208内，以便控制空气-燃料混合物进入圆锥形室211中的流动。气态燃料流212沿燃料通道214引导，其中，燃料经由入口216喷射且在通道208中与来自于压缩机的空气相混合。在实施例中，可调导叶210构造成用以在空气-燃料混合物如箭头218所示那样进入圆锥形室211时控制空气-燃料混合物的旋流。如图所示，液体燃料端口220定位在喷嘴200的上游部分中，以在涡轮发动机启动期间引导液体燃料流222来与空气-燃料旋流混合物相混合。
在一个实施例中，可调导叶210沿轴向分级，其中，一个或多个导叶210的位置经调整以控制空气-燃料旋流混合物的轴向流动分量。例如，沿轴向分级的可调导叶210为翼型形状的，且沿径向轴线223枢转，从而在空气-燃料混合物流入218室211中时影响由箭头224所示的喷嘴流的轴向分量。这在图4中进行了详细描述。因此，可调导叶210的位置和对应的轴向流动分量导致喷嘴流226下游或轴向速度的变化，从而降低了火焰保持的倾向。因此，沿轴向分级的可调导叶210改善了燃烧效率，同时减小了燃料喷嘴200上的磨损和撕裂。此外，可调导叶210可构造成用以控制喷嘴流226的各种特性，例如旋流平均半径228、径向流动速度、轴向流动速度、旋流涡旋长度以及影响燃烧的其它特性。如图所示，旋流平均半径228从喷嘴轴线230测量，其中旋流平均半径228为喷嘴涡流总体大小的一个量度。在一些实施例中，旋流平均半径228和涡流大小影响空气-燃料混合物和涡轮的燃烧效率。
继续参看图2，可调导叶210构造成用以允许通过增加空气-燃料混合物226的轴向流动或速度分量而使用高反应性的气态燃料。具体而言，沿轴向分级的可调导叶210可构造成用以增加轴向流动分量来推动燃烧室中的空气-燃料混合物。因此，在使用高反应性或挥发性的燃料时，可调导叶210减小了火焰保持或逆燃的机会。在一些实施例中，由于高火焰温度和相关化学和热力学特性，故期望使用高反应性燃料，例如具有高氢含量(例如H2)和较高级烷烃的那些燃料。因此，具有可调导叶210的燃料喷嘴200构造成用以提供对空气-燃料混合物的流动控制，这允许在涡轮发动机中使用一定范围的燃料。例如，当在涡轮中使用低反应性的燃料时，至少一个可调导叶210处在中性位置，在此情况下没有轴向流动分量加至空气-燃料混合物。这是合乎期望的，因为喷嘴中火焰保持和有害燃烧的风险通过低反应性燃料而降低。此外，当使用高反应性燃料时，至少一个可调导叶210在通道208中沿径向轴线223枢转，以便将轴向流动分量加至空气-燃料混合物226，从而将流动引导至燃烧室中。在一个实施例中，可调导叶210的位置增加轴向速度分量，该轴向速度分量导致在燃烧室中引起期望的燃烧。此外，通过将空气-燃料混合物226推动或引导到燃烧室中，降低了燃料喷嘴200中的火焰保持的可能性，同时还加强了火焰稳定性和对火焰稳定性的控制。燃料喷嘴200可包含一个或多个可调导叶210，该可调导叶210可为构造成用以控制在所选方向上的流体流的任何适合的形状，例如翼型。在实施例中，可调导叶210是同步的，其中各导叶210均类似地定位而导致跨过燃料喷嘴200的流体流的方向分量大致相似。作为备选，各可调导叶210均独立地运动而导致来自通道208所选区域的不同流体流进入圆锥形室211中。此外，可调导叶210可由任何适合的耐用且坚固的材料制成，如钢合金或复合材料。
图3为燃料喷嘴300的另一实施例的截面侧视图。燃料喷嘴300(或″燃料喷射器″)包括外圆锥体302、内圆锥体304和通道306。通道306定位在内圆锥体304与外圆锥体302之间，以便将空气-燃料流引导到喷嘴300中。如图所示，中心圆锥体308定位在外圆锥体302与内圆锥体304之间，在此情况下这些构件形成喷嘴300中的圆锥体结构。中心圆锥体308将通道306分成用于燃料喷嘴300的至少一部分的两个通道。外圆锥体302、内圆锥体304和中心圆锥体308分别联接到凸缘310上。可调导叶312定位在外圆锥体302与中心圆锥体308之间。类似的是，可调导叶312定位在内圆锥体304与中心圆锥体308之间。在实施例中，可调导叶312可枢转地联接到一部分圆锥体结构上。例如，第一可调导叶312可枢转地联接到外圆锥体302上，而第二可调导叶312可枢转地联接到中心圆锥体308上，其中，可调导叶312定位成用以在空气-燃料混合物流经通道306时对其控制。如图所示，可调导叶312联接成沿切向轴线313枢转。
在一个实施例中，气态燃料流或气态供给燃料314经由通道316导送至燃料入口318，在此情况下燃料在通道306中与空气相混合。可调导叶312将空气-燃料混合物320引导到圆锥形室321中，该空气-燃料混合物320向下游流动到燃烧室中。液体燃料端口322定位在喷嘴300的上游部分中，以便在涡轮发动机启动期间将液体燃料流324引导到圆锥形室321中。在一个实施例中，空气-燃料混合物320朝燃烧器向下游326流动，从而形成空气-燃料混合物涡流328。在实施例中，可调导叶312可称为径向可调导叶，因为它们控制空气-燃料涡流328的特性，例如涡流的旋流平均半径330。如图所示，旋流平均半径330为从喷嘴轴线332测量的尺寸，其中，径向可调导叶312在旋流流入燃烧室时控制旋流平均半径330。通过控制旋流平均半径330，便控制了火焰稳定性以改善效率和降低燃料喷嘴300和其它构件上的磨损。此外，通过控制旋流平均半径300，径向可调导叶312还影响涡流328的轴向长度。例如，径向可调导叶312定位成用以形成具有较小旋流平均半径330和较长涡流328轴向长度的涡流328，从而导致空气-燃料混合物延伸到燃烧室中。这导致火焰形成在室中的期望位置，从而控制火焰稳定性。在实施例中，当涡流328离开燃料喷嘴300时，可调导叶312还控制轴向速度，以便影响形成在燃烧室中的再循环气泡的大小，其中，大的再循环气泡也会影响火焰稳定性。
在实施例中，径向可调导叶312定位成相对于流动通路或圆锥体结构成一定角度。例如，第一径向可调导叶312在开启位置容许流动通行进入圆锥形室321中，而第二径向可调导叶312在闭合位置完全地阻挡进入室321的流动。在另一实施例中，径向可调导叶312的位置是同步的。在又一实施例中，单个径向可调导叶312定位在通道306中，以便控制空气-燃料旋流的特性。如本文所述，可调导叶312可构造成用以提供轴向和/或切向流动分量，以便改变空气-燃料混合物的轴向和/或切向流动速度，从而改善空气-燃料混合物和控制涡流的形成和大小。此外，通过控制空气-燃料旋流的参数，燃烧和火焰位置受到控制以减小火焰保持和防止对燃料喷嘴300的破坏。
图4为沿图2的线4-4所截取的可调导叶400实施例的截面视图。如图所示，可调引导导叶400为翼型形状，并包括前缘402、后缘404和枢转点406。可调引导导叶如箭头408所示那样围绕枢转点406运动，其中，可调引导导叶400的位置控制燃烧器中空气-燃料旋流的特性。相对于空气-燃料流412，可调引导导叶400的角410可将轴向流动分量加至空气-燃料旋流的速度上。在实施例中，可调引导导叶400描述为轴向可调引导导叶或沿轴向分级的引导导叶，其沿径向轴线414枢转而引起空气-燃料混合物的轴向流动分量的变化。在一个实例中，角410处在0度至90度之间以改变空气-燃料旋流的流动分量。在另一实例中，角410处在5度至60度之间以改变流动分量或将流动分量加至空气-燃料旋流上。
图5为沿图3的线5-5所截取的燃料喷嘴实施例的一部分的截面视图。燃料喷嘴的位置包括外圆锥体500、内圆锥体502、中心圆锥体504、第一可调引导导叶506和第二可调引导导叶508。第一可调引导导叶506定位在第一通道510中，而第二可调引导导叶508定位在第二通道512中。在一个实施例中，空气-燃料混合物分别如箭头514和516所示那样流经第一通道510和第二通道512。第一可调引导导叶506和第二可调引导导叶508的位置可分别如箭头516和518所示那样调整。第一可调导叶506包括枢转点520以允许枢转运动516。类似的是，第二可调导叶508包括枢转点522以允许枢转运动518。在实施例中，一个或多个可调引导导叶(506，508)定位在外圆锥体500与内圆锥体502之间。
在一个实施例中，可调导叶506和508称为径向可调导叶，其中，导叶506和508构造成用以通过调整一个或多个导叶506和508的位置来控制喷嘴和燃烧室中空气-燃料涡流的大小和/或平均半径。例如，相对于空气-燃料流526调整第一引导导叶506的角524来控制涡流的特性，例如旋流平均半径。如图所示，径向引导导叶506和508构造成用以围绕两条切向轴线枢转，以实现对空气-燃料旋流参数的控制。一条或多条切向轴线大致平行于喷嘴圆锥体结构圆周的切线。在实施例中，中心圆锥体504未沿圆锥形喷嘴的整个圆周定位，而是仅定位在进入圆锥形室的通道(510，512)出口附近。例如，内圆锥体502和外圆锥体500形成用于部分喷嘴的单个通道，而通道510和512形成在中心圆锥体504结构所处的通道出口附近的部分喷嘴中。在其它实施例中，可调导叶506和508通过改变使用形状记忆材料的导叶的位置或形状来控制流动，其中，形状记忆材料构造成用以在对其施加能量时从第一形状改变至第二形状。例如，可调导叶506和508可包括混入挠性碳复合材料中的合金，例如镍钛，其中，电流有选择地施加到合金上以改变形状或尺寸，例如导叶的角或导叶的翼弦和/或跨距。
尽管本发明仅结合有限数量的实施例进行了详细描述，但应当容易理解，本发明并不限于这些公开的实施例。确切而言，本发明可进行修改，以结合任意数目的此前并未描述但与本发明的精神和范围相匹配的变型、备选方案、替换方案或等效布置。此外，尽管已描述了本发明的多种实施例，但应当理解，本发明的方面可仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不应看作是由以上说明限制，而是仅由所附权利要求的范围来限制。

Claims (10)

1.一种用于喷射燃料的方法，包括：
在圆锥体结构(202，204)内的通道(208)中混合空气和燃料以形成空气-燃料混合物；
将所述空气-燃料混合物从所述通道(208)引导到燃烧室(114)中；
利用所述空气-燃料混合物形成旋流(226)；以及
调整至少一个可调导叶(210)的位置以控制所述空气-燃料混合物的旋流(226)的特性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，调整至少一个可调导叶(210)的位置包括减少燃料喷嘴(200)中的火焰保持。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，调整至少一个可调导叶(210)的位置包括使所述至少一个可调导叶(210)沿径向轴线(223)枢转。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，调整至少一个可调导叶(312)的位置包括使所述至少一个可调导叶(312)沿切向轴线(313)枢转。
5.根据权利要求1或权利要求3所述的方法，其特征在于，调整至少一个可调导叶(210)的位置包括控制所述旋流(226)的平均半径(228)。
6.根据权利要求1或权利要求3所述的方法，其特征在于，调整至少一个可调导叶(210)的位置包括控制所述旋流(226)的轴向流动分量(224)。
7.一种燃烧器，包括：
燃烧室(114)；
与定位在所述燃烧室(114)中的至少一个燃料喷嘴(200)成流体连通的供给空气(106)；以及
与所述至少一个燃料喷嘴(200)成流体连通的供给燃料(108)，其中，所述至少一个燃料喷嘴(200)包括：
圆锥体结构(202，204)，所述圆锥体结构(202，204)包括通道(208)以在所述燃烧室(114)中形成空气-燃料旋流(226)；以及
定位在所述通道(208)中的至少一个可调导叶(210)，所述可调导叶(210)构造成用以控制所述空气-燃料旋流(226)的特性和控制火焰稳定性。
8.根据权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，所述空气-燃料旋流(226)的特性包括所述空气-燃料旋流(226)的轴向流动分量(224)。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，所述至少一个可调导叶(210)的位置构造成用以减少火焰保持。
10.根据权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，所述空气-燃料旋流(226)的特性包括所述旋流(226)的平均半径(228)。
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