CN102401380A - 用于在燃气涡轮喷嘴中混合燃料的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在燃气涡轮喷嘴中混合燃料的装置和方法。具体而言，一种喷嘴(12)包括燃料室(42)以及燃料室(42)下游的空气室(46)。燃料通道(32)关于喷嘴(12)的轴向中心线(48)径向地向外，该燃料通道(32)包括入口(52)和在入口(52)下游的出口(54)。燃料通道(32)中的燃料端口(56)提供燃料室(42)与燃料通道(32)之间的流体连通。燃料通道(32)中在燃料端口(56)下游的空气端口(58)提供空气室(46)与燃料通道(32)之间的流体连通。一种用于在燃烧前在喷嘴(12)中混合燃料与空气的方法包括使燃料流至燃料室(42)以及使空气流至燃料室(42)下游的空气室(46)。该方法还包括将燃料从燃料室(42)喷射通过燃料通道(32)中的燃料端口(56)以及将空气从空气室(46)喷射通过燃料通道(32)中的空气端口(58)。

Description

用于在燃气涡轮喷嘴中混合燃料的装置和方法
联邦研究声明
该发明是利用政府支持在由美国能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42643下做出的。政府享有本发明中的一定权利。
技术领域
本发明大体上涉及用于给燃气涡轮供给燃料的装置和方法。具体而言，本发明描述了一种可用于给燃气涡轮中的燃烧器供给燃料的喷嘴。
背景技术
燃气涡轮被广泛地用于工业和发电操作。典型的燃气涡轮包括在前部的轴向压缩机，围绕中部的一个或多个燃烧器，以及在后部的涡轮。周围空气进入压缩机，并且压缩机中的旋转叶片和固定静叶渐进地赋予工作流体(空气)以动能，用以产生处于高能状态的压缩工作流体。压缩的工作流体离开压缩机并且流动通过燃烧器中的喷嘴，其在那里与燃料混合并点燃以产生具有高的温度、压力和速度的燃烧气体。该燃烧气体在涡轮中膨胀以产生功。举例而言，燃烧气体在涡轮中的膨胀可使连接到发电机的轴旋转以发电。
众所周知，燃气涡轮的热力学效率随着操作温度(即，燃烧气体温度)增加而提高。然而，如果燃料和空气在燃烧之前未均匀地混合，在燃烧器中靠近喷嘴出口可形成局部过热点。局部过热点增加可损坏喷嘴的火焰逆燃(flame flash back)和拢焰(flame holding)出现的机会。虽然火焰逆燃和拢焰可关于任何燃料出现，但是，它们更容易关于诸如氢这样的高反应性燃料(其具有更高的燃烧速率和更宽的可燃范围)出现。局部过热点还可增加氮氧化物、一氧化碳以及未燃烧的烃的产生，所有这些都是不期望的废气排放。
存在多种技术以允许更高的操作温度同时最大程度地减少局部过热点和不期望的排放。举例而言，多种喷嘴已被开发以便在燃烧之前使较高反应性的燃料与工作流体更均匀地混合。然而，较高反应性的燃料的较高燃烧速率仍造成有助于火焰逆燃和/或拢焰事件的环境。因此，能支持越来越高的燃烧温度和更高反应性燃料的喷嘴设计上的持续改进将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点在下面的描述中阐述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实施本发明而被教导。
本发明的一个实施例是一种包括燃料室(fuel plenum)以及位于燃料室下游的空气室(air plenum)的喷嘴。喷嘴的轴向中心线的径向地向外的多个燃料通道包括入口以及位于入口下游的出口，并且允许空气流动通过该入口。该多个燃料通道中的燃料端口提供燃料室与该多个燃料通道之间的流体连通。位于燃料端口下游的该多个燃料通道中的空气端口提供空气室与该多个燃料通道之间的流体连通。
在本发明的范围内的另一实施例是一种包括护罩的喷嘴，该护罩周向地围绕喷嘴。护罩内的多个挡板跨过喷嘴沿径向延伸并且限定燃料室和空气室，其中，空气室在燃料室的下游。多个燃料通道关于喷嘴的中心线径向地向外，其中，该多个燃料通道被限定为流体通路，并且包括：入口和在入口下游的出口，与燃料室处于流体连通的燃料端口，以及与空气室处于流体连通的空气端口，其中，空气端口在燃料端口下游。
本发明还包括一种用于在燃烧之前在喷嘴中混合燃料与空气的方法。该方法包括：使空气流动通过多个燃料通道的入口，使燃料流至燃料室，以及使空气流至燃料室下游的空气室。该方法还包括：将燃料从燃料室喷射通过该多个燃料通道中的燃料端口，其中，该多个燃料通道关于喷嘴的轴向中心线径向地向外；以及，将空气从空气室喷射通过该多个燃料通道中的空气端口，其中，空气端口在燃料端口下游。
本领域普通技术人员在阅读该说明书之后将更好理解这样的实施例的特征和方面以及其它的。
附图说明
本发明的完全和充分的公开，包括其对于本领域技术人员而言的最佳模式，在该说明书的其余部分中被更具体地阐述，包括对附图的参考，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的燃烧器的简化截面；
图2是根据本发明的一个实施例的喷嘴的放大截面；
图3是图1中所示的燃烧器的一部分的放大截面；
图4是根据本发明的一个实施例的喷嘴的平面图；
图5是根据本发明的一个实施例的燃烧器顶帽的平面图；以及
图6是根据本发明的备选实施例的燃烧器顶帽的平面图。
项目清单
  参考标号  构件
  10  燃烧器
  12  喷嘴
  14  顶帽
  16  外壳
  18  端帽
  20  衬套
  22  燃烧室
  24  流套筒(flow sleeve)
  26  流孔(flow hole)
  28  环形通路
  30   护罩
  32   燃料通道
  34   顶部挡板
  36   中间挡板
  38   底部挡板
  40   燃料管道
  42   燃料室
  44   空气端口
  46   空气室
  48   中心线
  50   圆柱形通路
  52   入口
  54   出口
  56   燃料端口
  58   空气端口
  60   饼形喷嘴
具体实施方式
现在将更详细地对本发明的实施例进行参考，其中一个或多个示例在附图中示出。该详细描述使用数字和字母标记来表示附图中的特征。在附图和描述中使用相似或类似标记来表示本发明的相似或类似部件。
各示例是为了解释本发明而非限制本发明而提供的。实际上，对于本领域技术人员而言，显而易见的是，在不偏离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中作出修改和变型。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可被用在另一实施例上以产生更进一步的实施例。因此，本发明意图覆盖落在所附权利要求及其等同物范围内的这样的修改和变型。
本发明的实施例包括具有多个燃料通道的喷嘴，该燃料通道在燃烧之前使燃料与空气混合。通常，燃料流入喷嘴中的燃料室中。空气(通常包括来自压缩机的压缩工作流体)流入燃料室下游的单独的空气室中。来自燃料室的燃料然后流入或被喷射到燃料通道内，该燃料通道径向地位于喷嘴的轴向中心线外。同样，来自空气室的空气流入或被喷射到燃料通道内，以便沿着燃料通道的表面流动并且在离开喷嘴之前在其中与燃料混合。在喷嘴外部和在空气室外部流动的空气也可流入燃料通道内，以便在离开喷嘴之前在其中与燃料混合。这样，燃料通道在喷嘴下游提供燃料与空气更均匀的混合和可能更倾向于的混合物。
图1示出了根据本发明的一个实施例的燃烧器10的简化截面。如所示的那样，燃烧器10通常包括径向地布置在顶帽14中的一个或多个喷嘴12。外壳16可围绕燃烧器10以便容纳离开压缩机(未示出)的空气或压缩工作流体。端帽18和衬套20可在喷嘴12下游限定燃烧室22。带有流孔26的流套筒24可围绕衬套20以便在流套筒24与衬套20之间限定环形通路28。
如图2中所示，喷嘴12通常包括护罩30，护罩30周向地围绕多个燃料通道32。护罩30可包括一个或多个隔板或挡板，隔板或挡板在喷嘴12内限定离散的腔室或段。举例而言，如图2中所示，护罩30内的顶部挡板34、中部挡板36和底部挡板38可跨过喷嘴12的宽度或直径沿径向延伸。这样，燃料可进入喷嘴12(例如通过燃料管道40)，并且流入由顶部挡板34和中间挡板36限定的燃料室42内。同样，空气或来自压缩机的压缩工作流体可通过燃料通道的入口以及护罩30中的一个或多个空气端口44流入由中部挡板36和底部挡板38限定的空气室46内。
燃料通道32关于喷嘴12的轴向中心线48径向地向外排列并且沿着喷嘴12的轴向长度大体上彼此平行地延伸穿过一个或多个挡板34、36、38。举例而言，如图2和图3中所示，每个燃料通道32大体上从燃料室42延伸穿过空气室46到喷嘴12的下游出口。这样，燃料通道32能提供燃料与空气的混合物至燃烧室22。燃料通道32通常包括管或通路50、入口52、出口54、一个或多个燃料端口56以及一个或多个空气端口58。管或通路50可为圆形、椭圆形、方形、三角形或任何已知的几何形状。入口52和出口54可在燃料通道32的上游端和下游端简单地包括开口，该开口允许空气自由地流动通过燃料通道32并且与通过燃料端口56喷射到燃料通道32内的燃料混合。
燃料端口56提供燃料室42与燃料通道32之间的流体连通。取决于设计需要，一些或所有燃料通道32可包括燃料端口56。燃料通道56可在管或通路50中简单地包括开口或孔口，其允许燃料从燃料室42流入或被喷射到燃料通道32内。燃料端口56可相对于喷嘴12的轴向中心线48成角度以改变燃料进入燃料通道32所处的角度，因而改变燃料在与空气混合之前透入燃料通道32内的距离。举例而言，如图2中所示，燃料端口56可相对于喷嘴12的轴向中心线48成角度为介于大约30度和大约90度之间。
空气端口58同样地提供空气室46与燃料通道32之间的流体连通。空气或来自压缩机的压缩工作流体因此可通过护罩30中的空气端口44流入空气室46内。该空气然后可从空气室46流动通过空气端口58到燃料通道32中。空气断开58可在管或通路50中简单地包括开口或孔口，其允许空气从空气室46流入或被喷射到燃料通道32内。如图2中所示，空气端口58可相对于喷嘴12的轴向中心线48成角度为小于大约30度，以便改变空气在与燃料混合之前透入燃料通道32的距离。
这样，燃料通道32提供穿过其的三个单独的流体流路径，如由图2中的箭头所示的那样。第一流路径简单地为通过入口52进入并且在出口54处离开喷嘴12之前完全地流动通过管或通路50的空气。来自压缩机的大约60％至大约90％的空气可流动通过该第一路径。第二流路径为通过燃料端口56进入并且与从入口52到出口54行进的空气相混合的燃料。第三流路径为空气，其通过空气端口58进入，并且形成十分靠近管50的表面的空气层以防止管50内的逆燃和拢焰，或者在离开喷嘴12前与前述的燃料/空气混合物混合。来自压缩机的大约2％至30％的空气可流动通过该第三路径。
图2和图3提供了图1中所示的燃烧器10的一部分的放大截面，利用箭头以显示空气或来自压缩机的压缩工作流体的不同的流路径。如图3中所示，空气可在流套筒24与衬套20之间朝喷嘴12流动。当空气到达喷嘴12并且沿护罩30的外部行进时，其中一些空气可流动通过空气端口44到空气室46中，如图2中所示的那样。一旦在空气室46中，该空气可流动通过空气端口58到燃料通道32中，其在燃料通道32中与燃料混合，之后离开喷嘴12到燃烧室22中。回到图3，沿着护罩30的外部行进的其余空气到达端帽18，其在端帽18那里反向并流入燃料通道32的入口52内。一旦在燃料通道32中，该空气与通过燃料端口56进入的燃料混合，之后离开喷嘴12到燃烧室22中。
图4、图5和图6提供了从燃烧室22上游看到的顶帽14的不同平面图。举例而言，图4提供了之前所述和所示的喷嘴12的平面图。如图4中所示，燃料通道32呈现为关于喷嘴12的轴向中心线48径向地向外的圆。如图5和图6中所示，喷嘴12可为圆形、三角形、方形、椭圆形或几乎任何形状，并且可以不同几何形状布置在顶帽14中。举例而言，喷嘴12可被布置为六个喷嘴围绕单个喷嘴，如图5中所示的那样。或者，一系列饼形喷嘴60可围绕圆形喷嘴12，如图6中所示的那样。本领域普通技术人员应当理解，本发明不限于个别喷嘴或喷嘴布置的任何特定几何形状或燃料通道的数量，除非在权利要求中特别地叙述。
本发明的各种实施例可提供优于现有喷嘴的若干优点。举例而言，燃料通道32的使用允许燃料更快地流过喷嘴12，从而减少燃料流过喷嘴12所用的时间。另外，本发明的范围内的喷嘴12可被安装在现有燃烧器中，从而允许对现有喷嘴更便宜的改进。
该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还允许本领域技术人员来实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由所附权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种喷嘴(12)，包括
a.燃料室(42)；
b.位于所述燃料室(42)下游的空气室(46)；
c.多个燃料通道(32)，所述多个燃料通道(32)关于所述喷嘴(12)的轴向中心线(48)径向地向外，其中，所述多个燃料通道(32)中的每一个包括入口(52)和位于所述入口(52)下游的出口(54)；
d.位于所述多个燃料通道(32)中的燃料端口(56)，其中，所述燃料端口(56)提供所述燃料室(42)与所述多个燃料通道(32)之间的流体连通；以及
e.位于所述多个燃料通道(32)中的空气端口(58)，所述空气端口(58)在所述燃料端口(56)的下游，其中，所述空气端口(58)提供所述空气室(46)与所述多个燃料通道(32)之间的流体连通。
2.根据权利要求1所述的喷嘴(12)，其特征在于，所述多个燃料通道(32)中的每一个包括从所述燃料室(42)延伸到所述出口(54)的圆柱形通路(50)。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的喷嘴(12)，其特征在于，所述多个燃料通道(32)中的每一个包括所述燃料端口(56)。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的喷嘴(12)，其特征在于，所述多个燃料通道(32)中的每一个包括所述空气端口(58)。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的喷嘴(12)，其特征在于，所述燃料端口(56)相对于所述喷嘴(12)的所述轴向中心线(48)成角度为大约30度到大约90度。
6.根据权利要求5所述的喷嘴(12)，其特征在于，所述空气端口(58)相对于所述喷嘴(12)的所述轴向中心线(48)成角度为小于大约30度。
7.根据权利要求1到5中任一项所述的喷嘴(12)，其特征在于，所述喷嘴(12)还包括护罩(30)，所述护罩(30)周向地围绕所述多个燃料通道(32)。
8.根据权利要求7所述的喷嘴(12)，其特征在于，所述喷嘴(12)还包括位于所述护罩(30)内的挡板(36)，其中，所述挡板(36)分隔所述空气室(46)与所述燃料室(42)。
9.根据权利要求7或8中任一项所述的喷嘴(12)，其特征在于，所述护罩(30)包括至少一个与所述空气室(46)处于流体连通的空气端口(44)。
10.一种用于在燃烧之前在喷嘴(12)中混合燃料与空气的方法，包括：
a.使燃料流至燃料室(42)；
b.使空气流至所述燃料室(42)下游的空气室(46)；
c.将燃料从所述燃料室(42)喷射通过多个燃料通道(32)中的燃料端口(56)，其中，所述多个燃料通道(32)关于所述喷嘴(12)的轴向中心线(48)径向地向外；以及
d.将空气从空气室(46)喷射通过所述多个燃料通道(32)中的空气端口(58)，其中，所述空气端口(58)在所述燃料端口(56)的下游。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，将燃料喷射通过自所述喷嘴(12)的所述轴向中心线(48)成大约30度和大约90度之间的角度的所述燃料端口(56)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，将空气喷射通过相对于所述喷嘴(12)的所述轴向中心线(48)成小于大约30度的角度的所述空气端口(58)。
13.根据权利要求10或11中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，使空气流动通过护罩(30)中的空气端口(58)，所述护罩(30)外围地围绕所述多个燃料通道(32)。
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