CN102454996A - 用于冷却喷嘴的系统和方法 - Google Patents

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CN102454996A CN2011103546216A CN201110354621A CN102454996A CN 102454996 A CN102454996 A CN 102454996A CN 2011103546216 A CN2011103546216 A CN 2011103546216A CN 201110354621 A CN201110354621 A CN 201110354621A CN 102454996 A CN102454996 A CN 102454996A
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Abstract

本发明涉及用于冷却喷嘴的系统和方法。一种喷嘴(12)包括中心体(34)和护罩(36)，其周向围绕该中心体(34)的至少一部分以限定在中心体(34)与护罩(36)之间的环形通道(40)。多个孔(46)通过中心体(34)到环形通道(40)，并且压室(44)在中心体(34)内部延伸并且与多个孔(46)流体连通。冷却介质(32)与压室(44)流体连通。一种用于冷却喷嘴(12)的方法包括：使冷却介质(32)流过压室(44)横过喷嘴(12)的表面。

Description

用于冷却喷嘴的系统和方法
技术领域
本发明大体涉及用于冷却喷嘴的系统和方法。特别地，本发明的实施例可提供冷却介质以冷却喷嘴的表面。
背景技术
燃气涡轮广泛用于工业和功率发生操作中。典型的燃气涡轮包括在前端的轴向压缩器、围绕中间的一个或多个燃烧器和在后端的涡轮。外界空气进入压缩器，并且压缩器中的旋转叶片和固定静叶(vane)逐渐地给予动能到空气以生产处于高能状态的压缩工作流体。压缩工作流体离开压缩器并且流过燃烧器中的喷嘴，在燃烧器中压缩工作流体与燃料混合并且点燃以生成具有高的温度和压力的燃烧气体。燃烧气体在涡轮中膨胀以做功。例如，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。
广泛已知燃气涡轮的热力学效率随操作温度，即燃烧气体温度，增加而增加。然而，如果燃料和空气在燃烧之前没有均匀混合，局部过热点可在燃烧器中形成。局部过热点增加了可损害喷嘴的燃烧器中的火焰逆燃进喷嘴和/或附着在喷嘴内部的概率。虽然火焰逆燃和火焰保持(flame holding)可对任何燃料发生，但是它们更容易对诸如氢的具有更高燃烧速率和更宽的可燃性范围的高度反应的燃料发生。
多种技术存在以在最小化逆燃和火焰保持的同时允许更高的操作温度。这些技术中的许多设法减少局部过热点和/或减少低流动区以防止或者减少逆燃或火焰保持的发生。例如，喷嘴设计中的连续改进导致燃料和空气在燃烧之前的更均匀的混合以减少或防止局部过热点在燃烧器中形成。可选地，或此外，喷嘴已设计成确保通过喷嘴的燃料和/或空气的最小流动速率以冷却喷嘴表面和/或防止燃烧器火焰逆燃进喷嘴。然而，喷嘴设计中为减少和/或防止火焰保持或逆燃的发生的连续改进将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点以下在下文描述中陈述，或者可从描述中显而易见，或者通过本发明的实践而学习。
本发明的一实施例为包括中心体和护罩的喷嘴，护罩周向围绕中心体的至少一部分以限定在中心体与护罩之间的环形通道。多个孔通过中心体到环形通道，并且压室在中心体内部延伸并且与多个孔流体连通。冷却介质与压室流体连通。
本发明的另一实施例为包括中心体和护罩的喷嘴，护罩周向围绕中心体的至少一部分以限定在中心体和护罩之间的环形通道。护罩限定了通过护罩到环形通道的多个通道，并且压室与通过护罩的多个通道流体连通。冷却介质与压室流体连通。
本发明还包括一种用于冷却喷嘴的方法。该方法包括使冷却介质流过压室横过喷嘴的表面。
在阅读说明书后，本领域技术人员将更好地理解这些实施例的特征和方面及其它。
附图说明
本发明的完整并且能够实现的公开，包括对本领域技术人员的本发明的最佳模式，更特别地在参考附图的说明书的剩余部分陈述，其中：
图1为根据本发明的一实施例的燃烧器的简化侧截面视图；
图2为图1中示出的燃烧器的轴向截面视图；
图3为根据本发明的实施例的喷嘴的简化侧截面视图；
图4为图3中示出的静叶的侧截面视图；
图5为根据可选实施例的图3中示出的静叶的侧截面视图；
图6为根据本发明的可选实施例的喷嘴的简化侧截面视图；并且
图7为图6中示出的静叶的透视图。
部件列表
10燃烧器
12喷嘴
14顶盖
16外壳
18端盖
20衬垫
22燃烧室
24流动套筒
26流动口
28环形通道
30歧管
32冷却介质的供应
34中心体
36护罩
38轴向中心线
40环形通道
42静叶
44压室
46中心体中的孔
48静叶中的端口
50护罩中的通道
52条板(louver)
62喷嘴
64中心体
66护罩
68静叶
70轴向中心线
72环形通道
74压室
76中心体中的孔
78静叶中的端口
80护罩中的通道
具体实施方式
现在将详述参考以介绍本发明的实施例，其中的一个或多个实例在附图中示出。该详述描述利用数字和字母标记以指示附图中的特征。附图和描述中相同或类似的标记用于指示本发明的相同或类似的部分。
各实例以本发明的解释，而非本发明的限制的方式提供。事实上，对本领域技术人员显而易见的是，可在本发明中做出修改和变型而不脱离本发明的范围或精神。例如，作为一实施例的部分示出或描述的特征可用在另一实施例上以产生又一实施例。因而，意图本发明覆盖在所附权利要求和它们的等价物的范围内的这种修改和变型。
本发明的各种实施例提供冷却到喷嘴表面以减少火焰保持的发生，并且如果火焰保持发生则减少和/或防止对喷嘴表面的任何损害。具体实施例可包括冷却介质的供应，其使冷却介质流过或横过喷嘴表面以通过喷嘴的薄膜式和/或喷射式冷却来冷却喷嘴。
图1示出根据本发明的一实施例的燃烧器10的简化截面。如所示，燃烧器10大体包括径向配置在顶盖14中的一个或多个喷嘴12。外壳16可围绕燃烧器10以包含离开压缩器(未示出)的空气或压缩工作流体。端盖18和衬垫20可限定喷嘴12的下游的燃烧室22。带有流动口26的流动套筒24可围绕衬垫20以限定在流动套筒24与衬垫20之间的环形通道28。
图2提供图1中示出的燃烧器10的俯视图。燃烧器10的各种实施例可包括喷嘴的不同的数目与配置。例如，在图2示出的实施例中，燃烧器10包括径向配置的五个喷嘴12。工作流体流过在流动套筒24与衬垫20之间的环形通道28直到它到达端盖18，在端盖18处工作流体反向以流过喷嘴12并且进入燃烧室22。
如图1和2所示，歧管30可连接到喷嘴12以供应冷却介质32到喷嘴12、通过喷嘴12和/或在喷嘴12上。歧管30可包括为本领域技术人员所知的用于提供流体连通的任何管道和阀配置。冷却介质32可包括适合于移除热的任何流体而且还可流过燃烧室22和下游构件。例如，冷却介质32可包括蒸汽、惰性气体、稀释剂或为本领域技术人员所知的另一适合的流体。
图3示出根据本发明的一实施例的喷嘴12的简化截面。如图3所示，喷嘴12大体包括中心体34和护罩36。中心体34大体沿喷嘴12的轴向中心线38延伸。护罩36周向围绕中心体34的至少一部分以在中心体34和护罩36之间限定环形通道40。喷嘴12还可包括在中心体34和护罩36之间的环形通道40中的静叶42，其给予切向速度到流过静叶42的燃料和/或工作流体。以这种方式，工作流体可流过环形通道40并且与从中心体34和/或静叶42注入环形通道40的燃料混合。
如图3所示，喷嘴12还可包括在中心体34内和/或在喷嘴12外沿护罩36延伸的压室44和提供在压室44与环形通道40之间的流体连通的多个口、孔、端口或通道。如在本文中所用，术语“口”、“孔”、“端口”和“通道”意图为在意义上大致等同并且可用作彼此的同义词。压室44与冷却介质32的供应流体连通并且分配冷却介质32到中心体34、护罩36和/或静叶42。如图3所示，中心体34还可限定通过中心体34到环形通道40的多个孔46。结果，冷却介质32可从冷却介质32的供应流过在中心体34中的压室44，并且流出孔46进入环形通道40。以这种方式，冷却介质可沿中心体34的外表面流动以提供薄膜式冷却到中心体34以从喷嘴12移除热。
如在图3、4和5中进一步示出，静叶42可限定通过静叶42到环形通道40的多个端口48。端口48可在静叶42的一侧或两侧上和/或处于静叶42的尖端。以这种方式，冷却介质32可从冷却介质32的供应流过压室44到静叶42，并且流出静叶42以提供薄膜式冷却到静叶42的一个或多个表面以从喷嘴12移除热。
护罩36可类似地限定通过护罩36到环形通道40的多个通道50。如图3所示，压室44可提供流体连通用于冷却介质32流过压室44并且流过多个通道50，其通过护罩36到环形通道40。由于冷却介质32流过多个通道50，故它提供薄膜式冷却到护罩36的内表面以从喷嘴12移除热。
孔46、端口48和通道50中的多种变型是可能的并且在本发明的具体实施例的范围内。例如，孔46、端口48和通道50可包括任何几何形状并且可布置成相对于轴向中心线38处于各种角度，以改变流过各自的孔46、端口48和/或通道50并且进入环形通道40的冷却介质32的径向、轴向或切向速度。可选地，或此外，条板52、鳍或类似结构可设置成邻近孔46、端口48和/或通道50中的一个或多个，以重新引导流过各自的孔46、端口48和/或通道50的冷却介质32。条板52、鳍或类似的结构可相对于轴向中心线38为直的、成角度或弯曲，以给予期望的径向、轴向或切向速度到冷却介质32。例如，如图3所示，本发明的范围内的具体实施例可包括设置在选定孔46和通道50的直接上游的条板52，以沿中心体34和护罩36的表面分别重新引导冷却介质32以改善由冷却介质32提供到中心体34和护罩36的薄膜式冷却。类似地，静叶42可包括在一侧或两侧上邻近一个或多个端口48的条板52。此外，如图5所示，静叶42的厚度可在各条板52的下游逐渐减小。以这种方式，条板52可大致与静叶42的上游表面齐平并且重新引导在条板52下游流动的冷却介质32而不影响条板52的上游的流体流动路径。在本发明的范围内的具体实施例可包括中心体34和/或护罩36的厚度或表面轮廓的类似的改变。孔46、端口48和通道50的实际的几何形状、角度和位置和/或条板52的利用将基于大量设计和操作考虑，诸如例如，预期燃料、燃料流动速率和/或工作流体流动速率进行选定。
图6提供根据本发明的可选实施例的喷嘴62。喷嘴62可再包括如关于图3先前描述的中心体64、护罩66和一个或多个静叶68。具体地，中心体64大体沿喷嘴62的轴向中心线70延伸，并且护罩66周向围绕中心体64的至少一部分以限定在中心体64和护罩66之间的环形通道72。静叶68，如果存在，给予切向速度到流过静叶68的燃料和/或工作流体。以这种方式，工作流体可流过环形通道72并且与从中心体64和/或静叶68注入环形通道72的燃料混合。
在图6示出的实施例中，压室74延伸进中心体64和/或在喷嘴62外部围绕护罩66延伸。压室74与冷却介质32的供应流体连通并且分配冷却介质32到中心体64、护罩66和/或静叶68。如图6所示，中心体64还可限定多个孔76，静叶68还可限定多个端口78，并且护罩66还可限定多个通道80。孔76、端口78和通道80大体比关于在图3、4和5中示出的实施例先前描述的相似的孔46、端口48和通道50更小且更紧密地间隔。例如，如图7所示，静叶68中的端口78紧密间隔以提供喷射式冷却到静叶68的表面和/或静叶68的后缘和前缘。以这种方式，冷却介质32可流过压室74并且流出以下中的一个或多个：中心体64中的孔76、静叶68中的端口78和/或护罩66中的通道80，以提供喷射式冷却到中心体64、静叶68和/或护罩66的表面。
本领域技术人员将容易地理解在图3、4、5、6和7中示出的实施例提供用于冷却喷嘴12、62的方法。具体地，该方法使冷却介质32流过压室44、74并且横过喷嘴12、62的表面。例如，方法可包括使冷却介质32流过中心体34、64、静叶42、68和/或护罩36、66，以提供薄膜式和/或喷射式冷却到喷嘴12、62的表面。
该书面描述利用实例公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制备和利用任何装置或系统并且执行任何结合的方法。本发明的可取得专利权的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果其它实例包括与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质差异的等效结构元件，则这种其它实例预期在权利要求的范围内。

Claims (12)

1.一种喷嘴(12)，包括：
a.中心体(34)；
b.护罩(36)，其周向围绕所述中心体(34)的至少一部分，以限定在所述中心体(34)与所述护罩(36)之间的环形通道(40)；
c.通过所述中心体(34)到所述环形通道(40)的多个孔(46)；
d.在所述中心体(34)内部延伸并且与所述多个孔(46)流体连通的压室(44)；和
e.与所述压室(44)流体连通的冷却介质(32)。
2.根据权利要求1所述的喷嘴(12)，其特征在于，所述冷却介质(32)包含蒸汽、惰性气体或稀释剂中的至少一种。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的喷嘴(12)，其特征在于，还包括在所述中心体(34)与所述护罩(36)之间的至少一个静叶(42)，其中，所述至少一个静叶(42)限定通过所述至少一个静叶(42)到所述环形通道(40)的多个端口(48)。
4.根据权利要求3所述的喷嘴(12)，其特征在于，所述压室(44)与所述至少一个静叶(42)中的所述多个端口(48)流体连通。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的喷嘴(12)，其特征在于，所述护罩(36)限定通过所述护罩(36)到所述环形通道(40)的多个通道(50)。
6.根据权利要求5所述的喷嘴(12)，其特征在于，所述压室(44)与通过所述护罩(36)的多个通道(50)流体连通。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的喷嘴(12)，其特征在于，还包括连接到所述中心体(34)并且邻近所述多个孔(46)中的至少一个的条板(52)。
8.一种用于冷却喷嘴(12)的方法，包括：
a.使冷却介质(32)流过压室(44)横过所述喷嘴(12)的表面。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括使所述冷却介质(32)流过在所述喷嘴(12)中的中心体(34)。
10.根据权利要求8到9中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括使所述冷却介质(32)流过围绕所述喷嘴(12)的护罩(36)。
11.根据权利要求8到10中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括使所述冷却介质(32)流过在护罩(36)和中心体(34)之间延伸的静叶(42)。
12.根据权利要求8到11中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括喷射式冷却所述喷嘴(12)的表面。
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