CN102563697B - 用于点燃燃烧器的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于点燃燃烧器的装置和方法，其中喷嘴包括设有轴向中心线的中心体。防护罩按圆周方向环绕中心体的至少一部分，从而在中心体和防护罩之间构成环形通道。填料空间位于所述中心体内且实质上平行于与所述轴向中心线，点火器也位于所述中心体内且通常与所述填料空间相邻。一种用于点燃燃烧器的方法，其包括使燃料流经在喷嘴中轴向对齐的中心体，以及使工作流体流经环形通道，其中所述环形通道实质上平行于所述中心体，且沿所述中心体的方向径向向外。所述方法进一步包括从位于中心体内部的点火器中发射光束、火花或火焰中的至少一种。

Description

用于点燃燃烧器的装置和方法
技术领域
本发明大体上涉及一种点燃燃烧器的装置和方法。在各特定实施例中，所述装置可能包括喷嘴或燃烧器，所述燃烧器具有与喷嘴的轴向中心线对齐的点火器。
背景技术
燃气涡轮机、飞机发动机和许多其他基于燃烧的系统包括一个或多个燃烧器，所述燃烧器将工作流体(如空气)与燃料混合，然后点燃燃料空气混合物，从而产生高温高压的燃烧气体。图1显示燃烧器10的简化截面图，所述燃烧器10可能包括在(例如)燃气涡轮机中。在颠倒方向并通过一个或多个喷嘴18流入燃烧室20之前，工作流体12可能会在导流套筒14和内衬16之间流动。喷嘴18会将燃料和工作流体12混合，然后点燃系统22点燃燃烧室20中的燃料空气混合物。
例如，点燃系统22可能包括火花塞或激光器，其将火花或光束发射到燃烧室20中。或者(此外)，点燃系统22可能包括交叉管24，其将火焰(例如从相邻的燃烧器)提供给燃烧室20。无论是哪种情况，点燃系统22通常会沿燃烧室20的一侧定位，这样点燃系统22可大约在燃料空气混合物进入燃烧室20的同时将火花、光束或火焰发射到燃烧室20中，从而提高点燃系统22的可靠性。
点燃系统22沿着燃烧室20的一侧定位有多个缺点。例如，图1所示的点燃系统22各自都要穿过燃烧器10的内衬16，从而可能在穿透处或其周围造成泄漏和/或湍流。此外，点燃系统22沿着燃烧器10的一侧定位必然会干扰工作流体12在内衬16和导流套管14之间流动，从而增加工作流体12在燃烧器10上产生的压差，因而降低燃气涡轮机的整体效率。上述两个缺点，以及与侧面安装的点燃系统22相关的其他缺点会减少可用来与喷嘴18中的燃料进行混合的工作流体的量和/或流速。可用于与燃料进行预混合的工作流体量对最高火焰温度和NOx的排放量有直接影响。
最近，人们尝试将点燃系统并入燃烧器10的后端(breechend)，以减少或消除对工作流体12的流动产生的任何干扰。然而，位于燃烧器后端的喷嘴18的大小和数目必然会限制点燃系统可利用的表面面积。因此，一种可减少或消除穿透燃烧器10的一侧和/或干扰工作流体12的用于点燃燃烧器10的改良系统和方法将很实用。
发明内容
以下说明将阐明本发明的各方面内容和优点，或者，这些方面和优点在说明中可能是显而易见的，或者通过实践本发明能够推导出。
本发明的一个实施例涉及一种喷嘴，其包括设有轴向中心线的中心体；防护罩按圆周方向环绕中心体的至少一部分，从而在中心体和防护罩之间构成环形通道；填料空间，位于所述中心体内且实质上平行于与所述轴向中心线；及点火器，也位于所述中心体内且通常与所述填料空间相邻。
所述环形通道实质上平行于所述中心体。所述填料空间向穿过所述中心体的液体燃料提供流体连通，并向穿过所述中心体的稀释剂提供流体连通。所述点火器包括火花塞、激光器或焰源中的至少一种，并实质上平行于轴向中心线发射光束、火花或火焰中的至少一种。所述点火器置于所述填料空间的径向向外方向。所述喷嘴进一步包括位于所述防护罩与所述中心体之间的所述环形通道中的多片叶片。
本发明的另一实施例涉及一种燃烧器，所述燃烧器包括端盖和径向置于端盖中的多个喷嘴；多个喷嘴中的每个都包括设有轴向中心线的中心体；防护罩按圆周方向环绕中心体的至少一部分，从而在中心体和防护罩之间构成环形通道；填料空间，位于中心体内且实质上平行于轴向中心线；及点火器，位于多个喷嘴中的至少一个的中心体内。
所述填料空间向穿过所述中心体的液体燃料提供流体连通，并向穿过所述中心体的稀释剂提供流体连通。所述点火器包括火花塞、激光器或焰源中的至少一种，并实质上平行于轴向中心线发射光束、火花或火焰中的至少一种。所述点火器设于所述填料空间的径向向外方向。所述燃烧室进一步包括多片位于所述防护罩与所述中心体之间的所述环形通道中的叶片。
本发明的各实施例还包括一种用于点燃燃烧器的方法。所述方法包括使燃料流经在喷嘴中轴向对齐的中心体；使工作流体流经环形通道，其中所述环形通道实质上平行于中心体，且沿中心体的方向径向向外；以及从位于中心体内部的点火器中发射光束、火花或火焰中的至少一种。
所述方法进一步包括使液体燃料流经所述中心体，并且实质上平行于所述喷嘴的轴向中心线发射光束、火花或火焰中的至少一种；及进一步包括沿燃料流经所述中心体的径向向外的方向发射光束、火花或火焰中的至少一种。
所属领域的一般技术人员可通过查看说明书的内容来更好地了解此类实施例的特征和方面，以及其他内容。
附图说明
本说明书的其余部分参考附图，针对所属领域一般技术人员，完整且可实现地详细披露了本发明，包括其最佳模式，其中：
图1为示例性燃烧器的简化侧视截面示意图；
图2为根据本发明的一个实施例的喷嘴的透视图；
图3为图2所示喷嘴的一部分的放大透视图；
图4为根据本发明的一个实施例的燃烧器的简化侧视截面示意图；
图5为根据图4所示的本发明的一个实施例的燃烧器的简化轴向截面示意图；以及
图6为根据图4所示的本发明的一个替代性实施例的燃烧器的简化轴向截面示意图。
元件符号列表：
参考标号 部件 参考标号 部件
10 燃烧器 12 工作流体
14 导流套管 16 内衬
18 喷嘴 20 燃烧室
22 点燃系统 24 交叉管
30 喷嘴 32 中心体
34 防护罩 36 叶片
38 轴向中心线 40 环形通道
42 燃料口 44 燃料间
46 稀释剂间 48 开口
50 下游表面 52 点火器
56 激光器 58 光管
60 焦点 70 燃烧器
72 端盖 74 内衬
76 燃烧室 78 工作流体
80 导流套管
具体实施方式
现在将详细阐述本发明的各实施例，附图中将图示本发明实施例的一个或多个实例。具体实施方式中使用数字和字母标识来指代附图中的特征。附图和说明中类似或相同的标识用于指代本发明的类似或相同的部分。
各个实例用以解释本发明而非限定本发明。事实上，所属领域的一般技术人员可轻易在不脱离本发明的范围或精神的情况下，对本发明作各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分图示或描述的特征可用于其他实施例中，从而得到另一个实施例。因此，本发明应涵盖所有基于所附权利要求书和其等效物的范围内的修改和变化。
本发明的各实施例包括一种用于点燃燃烧器的装置，所述装置提供一种用于点燃燃烧器的可靠方法。例如，一些实施例可包括一种内部有点燃系统的喷嘴，所述点燃系统通常与喷嘴的轴向中心线对齐。各替代性实施例可以将多个喷嘴并入燃烧器中，其中一个或多个喷嘴的内部设有点燃系统。这样，本发明的多种实施例提供一种用于点燃燃烧器而无需额外穿透燃烧器侧面的可靠的系统和方法，因为穿透燃烧器侧面可能会干扰燃烧器周围或通过燃烧器的流体流。
图2为根据本发明的一个实施例的喷嘴30的透视图，图3为图2所示的喷嘴30的一部分的放大透视图。如图2和图3所示，喷嘴30通常包括中心体32、防护罩34和多片叶片36。中心体32定位在喷嘴30的中心，且通常沿喷嘴30的长延伸，从而构成喷嘴30的轴向中心线38。如图2所示，防护罩34按圆周方向环绕中心体32的大部分或至少一部分，从而在中心体32和防护罩34之间形成环形通道40。环形通道40可能实质上平行于中心体32，例如图2和图3所示。叶片36通常在中心体32与防护罩34之间的环形通道40中径向延伸，燃料可通过叶片36内的燃料口42从中心体32和/或防护罩34供应。在各特定实施例中，如图2和图3所示，可能使叶片36相对于轴向中心线38弯曲或成一个角度，以使流过叶片36的工作流体和/或燃料具有切向速度，从而在燃烧之前使环形通道40中的工作流体与燃料充分混合。
一个或多个填料空间可在中心体32内轴向延伸，从而提供进入和/或通过中心体32的流体连通。例如，如图2和图3所示，燃料间44和稀释剂间46可能沿中心体32的长度和/或通过中心体32延伸。所述燃料可包括液体燃料或气体燃料，所述稀释剂可包括工作流体、水、蒸汽、惰性气体或适用于稀释燃料和/或从中心体32带走热量的其它液体。燃料间44和稀释剂间46可在喷嘴30下游表面50的开口48处终止，从而向气体燃料、液体燃料或稀释剂提供流入中心体32并通过中心体32的流体连通。或者(此外)，稀释剂间46可能止于靠近中心体32下游表面50的位置，从而向稀释剂提供流入中心体32的流体连通，并冲击冷却中心体32的下游表面50。燃料间44和稀释剂间46可与喷嘴30的轴向中心线38同轴，或如图2和图3所示，燃料间44和稀释剂间46可与轴向中心线38对齐，且径向偏离所述轴向中心线38。
如图2和图3所示，喷嘴30进一步可包括点火器52，所述点火器52位于中心体32的圆周内部和/或内，并穿过中心体32轴向延伸。与燃料间44和稀释剂间46相同，点火器52也可能与轴向中心线38同轴或径向偏离轴向中心线38。此外，点火器52可在靠近中心体32下游表面50中的开口48的位置终止，这样所述点火器52靠近中心体32的下游表面50处的燃料间44。点火器52可包括所属领域一般技术人员已知的用于提供点火源的任何合适的装置。例如，点火器52可包括实质上平行于喷嘴30的轴向中心线38发射火花的火花塞。类似地，点火器52可包括用引燃燃料供应的等离子点火器、喷灯或焰源。需要时，可使点火器52通电以点燃引燃燃料，从而实质上平行于喷嘴30的轴向中心线发射火焰。如图2和图3所示，点火器52可包括激光器56，其将产生一束穿过中心体32的光管58的光束。如图3所示，所述光束可在中心体32的下游形成焦点60，这样，激光器56会实质上平行于喷嘴30的轴向中心线38发射光束，以在中心体32外点燃从燃料间44流出的燃料。
图4为根据本发明的一个实施例的、并入图2和图3所示的喷嘴30的燃烧器70的简化侧视截面示意图。燃烧器70通常包括构成燃烧室76的端盖72和内衬74。工作流体78通常沿内衬74与导流套管80之间的燃烧室76的外围流动，直到到达喷嘴30为止，在喷嘴30中，工作流体78会从相反方向流经环形通道40和/或喷嘴30的中心体32，然后流入燃烧室76。
图5和图6为根据本发明的多种实施例的燃烧器70的轴向示意图。如图所示，各种几何结构、形状和大小的喷嘴30可径向排列或设置在端盖72中。例如，根据特定实施例，多个喷嘴30可围绕单个喷嘴30，而且喷嘴30的直径可能各不相同。图5和图6进一步显示点火器52的数量及其相对于燃料间44的位置可根据特定实施例而改变。例如，如图5和图6所示，燃烧器70可包括喷嘴30中的两个或更多个中的点火器52，从而在点火器52中的一个无法使用的情况下提供多余或备用点火源。此外，可将喷嘴30分为不同的子集以适应多种操作方式，并且点火器52可包括于不同子集的喷嘴30中，使喷嘴30的每个子集都有一个专用点火器52。此外，每个点火器52可以位于燃料间44的径向向外方向，如图5所示，或者燃料间44的径向向内方向，如图6所示。在其他实施例中，一个或多个点火器52可设于喷嘴30外的端盖72中。点火器52相对于燃料间44的特定径向位置取决于多种设计因素，例如，燃料的类型、燃烧效率、喷嘴30或燃料间44与内衬74的接近程度，以及其他操作经验因素。所属领域一般技术人员将容易了解，图2到图6中所示的各实施例因此提供了一种在无需穿透内衬74和/或导流套管80的情况下点燃燃烧器70的可靠装置。因此，减少或完全避免了与内衬74和/或导流套管80的穿透处有关的普遍缺点，如泄露、磨损、过多的维修和流动阻力。
图2到图6所示和所述的各实施例可进一步提供一种用于点燃燃烧器70的方法。所述方法可包括使液体燃料或气本燃料流经在喷嘴30内轴向对齐的中心体32，以及使工作流体78流经环形通道40。所述方法可进一步包括从位于中心体32中的点火器52中发射光束、火花或火焰中的至少一种。在各特定实施例中，可沿着实质上平行于喷嘴30的轴向中心线38的方向和/或沿着燃料流经中心体32径向向外的方向发射光束、火花或火焰。
该专利申请文件使用了各种实例来公开本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统、并实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的一般技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。

Claims (11)

1.一种喷嘴(30)，其包括：
中心体(32)，其中所述中心体(32)设有轴向中心线(38)；
防护罩(34)，其按圆周方向环绕所述中心体(32)的至少一部分，从而在所述中心体(32)与所述防护罩(34)之间形成一个环形通道(40)；
填料空间(44、46)，其位于所述中心体(32)内且实质上平行于所述轴向中心线(38)；以及
点火器(52)，其位于所述中心体(32)内且与所述填料空间(44、46)相邻，其中所述点火器设于所述填料空间(44、46)的径向向外位置。
2.根据权利要求1所述的喷嘴(30)，其特征在于，所述环形通道(40)实质上平行于所述中心体(32)。
3.根据权利要求1所述的喷嘴(30)，其特征在于，所述填料空间(44)向穿过所述中心体(32)的液体燃料提供流体连通。
4.根据权利要求1所述的喷嘴(30)，其特征在于，所述填料空间(46)向穿过所述中心体(32)的稀释剂提供流体连通。
5.根据权利要求1所述的喷嘴(30)，其特征在于，所述点火器(52)包括火花塞、激光器(56)或焰源中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的喷嘴(30)，其特征在于，所述点火器(52)实质上平行于所述轴向中心线(38)发射光束、火花或火焰中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的喷嘴(30)，其特征在于，进一步包括多片位于所述防护罩(34)与所述中心体(32)之间的所述环形通道(40)中的叶片(36)。
8.一种用于点燃燃烧器(10)的方法，其包括：
使燃料流经在喷嘴(30)中轴向对齐的中心体(32)；
使工作流体流经环形通道(40)，其中所述环形通道(40)实质上平行于所述中心体(32)，且沿所述中心体(32)的方向径向向外；以及
从位于所述中心体(32)内的点火器(52)中发射光束、火花或火焰中的至少一种，其中所述点火器设于相对流经所述中心体的所述燃料的径向向外的位置。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包括使液体燃料流经所述中心体(32)。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，进一步包括实质上平行于所述喷嘴(30)的轴向中心线(38)的方向发射光束、火花或火焰中的至少一种。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括沿燃料流经所述中心体(32)的方向径向向外发射光束、火花或火焰中的至少一种。
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