CN102563701B - 预混合喷嘴 - Google Patents

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Abstract

提供燃烧器的预混合喷嘴(10)，其包括：气体预混合器模块(20)；中央主体(30)，其能够在后膛装入到该气体预混合器模块(20)内；以及在气体预混合器模块(20)与中央主体(30)之间的可变形的顺应性界面(40)。

Description

预混合喷嘴
技术领域
本文所公开的主题涉及用于低排放工业燃气涡轮中的燃烧器的预混合喷嘴。
背景技术
在低排放燃气涡轮发动机的燃烧系统(有时称作干式低NOx(DLN)燃烧器)中，预混合空气与燃料在安置于涡轮上游的燃烧器内燃烧，在涡轮中，从燃烧所产生的高温流体得到机械能。然后电能从机械能生成且传输到电路。燃烧器典型地包括具有预混合通路的燃料喷嘴，在预混合通路中空气与燃料彼此混合。进行这种预混合以降低燃烧器中的峰值火焰温度且减少废气流中氮氧化物(NOx)的形成。
为了燃料灵活性和功率系统可用性，低排放燃气涡轮常常配备有喷射油作为二次或备用燃料的系统，作为气体预混合器的补充。这种油喷射器典型地通过气体预混合器的中心插入，使得油喷射出口与燃烧器反应区连通。由于油燃料在燃烧之前并不蒸发且并不与空气混合，而是直接喷射到反应区内，故必须将大量水(在大型发电涡轮的情况下每天数十万加仑)喷射到反应区内以降低火焰温度和NOx排放到管理者所规定的水平。实际上，目前的方法常常需要直接喷射比燃料更多的水以达到接近当油燃料点火时通常预期的42ppm的NOx水平。
而且，在目前后膛装入(breech-loaded)/油盒/气体预混合器组件中，全都在一端刚性地支承且在远端彼此相对自由移动的同心管彼此嵌套管。在涡轮操作期间，管的远端倾向于响应于由燃气涡轮发动机产生的宽谱噪音而振动且彼此接触。管和喷嘴尖端构件因此倾向于严重磨损且在配合零件之间微振磨损。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种燃烧器的预混合喷嘴，其包括：气体预混合器模块；中央主体，其能够在后膛装入到气体预混合器模块内；以及在气体预混合器模块与中央主体之间的可变形的顺应性界面(compliant interface)。
根据本发明的另一方面，提供一种具有端盖的燃烧器的预混合喷嘴，其包括：气体预混合器模块，其安装到端盖上；中央主体，其能够通过端盖在后膛装入到气体预混合器模块内；以及在气体预混合器模块与中央主体之间的可变形的顺应性界面。
根据本发明的又一方面，提供一种燃烧器的预混合喷嘴，其包括：外部主体，其具有外环形护罩和内环形壁，外环形护罩形成为限定预混合腔，内环形壁形成为限定在预混合腔上游在内环形壁的外表面与外环形护罩之间的预混合通路；中央主体，其装入到由内环形壁限定的后膛内，以递送燃料到预混合通路；以及密封元件，其安置成用于径向地插置在内环形壁的内径与中央主体的外径之间，以在后膛内支承中央主体。
通过结合附图的以下描述，这些和其它优点和特征将变得更显然。
附图说明
被认为是本发明的主题在说明书的所附的权利要求中特别地指出且明确地主张。通过结合附图的以下的详细描述，本发明的前述和其它特征和优点将显然，在附图中：
图1是气体预混合器模块的侧剖视图；
图2是中央主体的侧剖视图；
图3是图1的中央主体在后膛装入到图1的气体预混合器模块内的侧剖视图；
图4是密封元件的透视图；以及
图5至图7是次密封元件的透视图。
详细描述参看附图以举例说明的方式解释本发明的实施例，以及优点和特征。
部件列表：
10 预混合喷嘴
20 气体预混合器模块
21 外环形护罩
22 内环形壁
23 上游端
24 中游部分
25 下游端
26 预混合腔
27 空气入口
28 预混合通路
30 中央主体
32 安装凸缘端部
33 扩散尖端
34 中央部分
35 燃料入口
40 密封元件
41 蜂窝密封件
50 安装凸缘
51 结构杆支承管(structural stem support tube)
55 后膛
60 空气旋流器
65 空气喷射器
66 次密封元件
67 吹扫膜路径
70 c形密封件
71 c形密封件主体
72 轴向c形密封件
73 轴向c形密封件主体
74 超c形密封件
75 超c形密封件主体
具体实施方式
燃烧器的预混合喷嘴的内部构件使用焊接、钎焊、螺纹连接、圆锥配合或简单地增加的接触表面尺寸而以悬臂方式支承，或者由密封元件沿着其长度额外地支承。允许在中央主体与气体预混合器模块之间的不同的热生长，同时阻尼和减弱振动。密封元件不提供在模块之间的强导热路径，并且因此帮助隔离中央主体中的液体-燃料湿润表面。
参看图1至图3，提供具有端盖的燃烧器的预混合喷嘴10，该预混合喷嘴10包括外部主体，诸如气体预混合器模块20；中央主体30和密封元件40。
如图1所示，气体预混合器模块20具有外环形护罩21和内环形壁22。外环形护罩21从上游端23延伸经过中游部分24并到达下游端25。在下游端25，外环形护罩21形成为在其内部限定预混合腔26。在上游端23，外环形护罩21和内环形壁22协作地限定空气入口27，压缩机排出空气通过空气入口27进入气体预混合器模块20。沿着中游部分24，外环形护罩21和内环形壁22协作地限定预混合通路28，在预混合通路28中可燃流体在进入预混合腔26之前预混合。
在上游端23的上游，另外的构件包括安装凸缘50、结构杆支承管51和空气旋流器60。安装凸缘50在燃烧器中支承预混合喷嘴10的安装，结构杆支承管51从安装凸缘50延伸到上游端23。同心的燃料管和气体管限定于安装凸缘50和结构杆支承管51内。
中央主体30可装入到由安装凸缘50、结构杆支承管51和内环形壁22限定的后膛55内，并且构造为递送燃料，诸如干性油、液体燃料、吹扫空气和/或气体燃料，至少到预混合通路28。可经由形成于中央主体30的外径和内环形壁22中的燃料喷射器孔，诸如液体燃料雾化器，来实现递送。中央主体30大体上具有管状形状且为中空的，使得燃料能递送到其内部31。
如图2所示，中央主体包括安装凸缘端部32、扩散尖端33和中央部分34。中央部分34轴向地插置于安装凸缘端部32与扩散尖端33之间。中央主体30还包括在安装凸缘端部32处的液体和吹扫空气/气体燃料入口35，并且至少部分地在端盖上在安装凸缘端部32处以悬臂方式支承。此外，至少中央主体30的内部31经由形成于扩散尖端33处的开口与燃烧器的燃烧区连通。
在中央主体30至少部分地在端盖处以悬臂方式支承的情况下，密封元件40安置成用于径向地插置于内环形壁22的内径与中央主体30的外径之间。在此位置，密封元件30向后膛55内的中央主体30提供额外支承。密封元件40的较大接触表面积和相对顺应性的性质也充当阻尼器来减少由气体模块与液体模块组件所经历的相对移动、微振磨损和振动应力水平，从而得到改进的耐用性和延长的构件寿命。
如图3所示，密封元件40通过焊接、钎焊、冶金结合或某种其它类型的结合过程而安装于内环形壁22内。通过端盖、后膛55和密封元件40插入中央主体30而将中央主体30装入到后膛55内，其中扩散尖端33为前端。在完全插入时，安装凸缘端部32联接到端盖且中央主体30的中央部分34由密封元件40在气体预混合器模块20的中游部分24附近支承。
参看图4，密封元件40可包括限定迷宫密封件和/或蜂窝密封件41的可变形和/或顺应性材料。以此方式，可提供中央主体30的支承，而不会使得支承为刚性致使由巨大旋转涡轮机或者由燃烧诱导动态压力振荡(常常被称作燃烧噪音或燃烧动态)所产生的正常振动能造成微振磨损、接触表面磨损或由于疲劳而开裂。也就是说，密封元件40的顺应性和可变形性用于阻尼在中央主体30与气体预混合器模块20之间的相对振动，使得允许某些振动但避免可能会导致这些构件损坏的中央主体30与气体预混合器模块20之间的接触。密封元件40也可由具有低导热率的材料形成，使得在气体预混合器模块20与中央主体30之间的传热受到限制并且使得中央主体30中的液体-燃料湿润表面能与由气体预混合器模块20中的空气旋流器吸收的对流隔离。
参看图1和图3，外环形护罩21还可形成为在预混合通路28的轴向上游的位置处限定压缩机排出空气喷射器65。外环形护罩21的空气旋流器60可安置于压缩机排出空气喷射器65的下游和预混合通路28的上游或预混合通路28内。外环形护罩21还可包括次密封元件66。次密封元件66安置成用于径向地插置于空气旋流器60与中央主体30之间，以向后膛内的中央主体30提供额外支承。
如图3所示，空气旋流器60的内径向部分可与中央主体30的外径径向地移位，并且次密封元件66可与压缩机排出空气喷射器65轴向地移位。对于此布置，可形成吹扫膜路径67用于压缩机排出空气(CPD)通过压缩机排出空气喷射器65进入气体预混合器模块20。并未经由空气旋流器60立即进入预混合通路28的压缩机排出空气的至少一部分沿着压缩机排出空气喷射器65径向向内流动，从而冲击中央主体30，并且然后在允许它流到预混合通路28之前沿着中央主体30的外径朝向次密封元件66轴向流动。
由吹扫膜路径67提供的CPD膜避免了由尾迹、厚边界层和其它弱二次流造成的火焰逆燃到预混合器内，其中局部混合速度低于湍流火焰速度。当试图蒸发和预混合柴油燃料时，在无膜的情况下，这将特别困难，柴油燃料在其到达高于大约400华氏度至500华氏度的温度时在大约数毫秒内自动点燃。CPD膜扫走可能来到这些表面上的任何液体油，从而避免了固体碳形成，该固体碳可能会拦截预混合器空气流，从而形成厚边界层和固态碳沉积后的尾迹，其将造成预混合火焰蔓延到预混合环形空间内且焚烧并不设计用于火焰的系统的部分。因此，对于预混合油燃烧，避免了原本要用于NOx控制的数百万加仑的水的需要。额外地提供利用CPD膜吹扫边界层以及将液体燃料喷射器直接安装到中央主体30上的能力。
参看图5至图7，次密封元件66可包括下列中的一个或多个：c形密封件70，其具有c形密封件主体71，其中c形截面在下游方向上敞开(参看图5)；轴向c形密封件72，其具有轴向c形密封件主体73，其中c形截面径向向外敞开(参看图6)；以及超c形密封件74，其具有超c形密封件主体75，其中密封件的端部卷曲到彼此中且朝向上游方向(参看图7)。
虽然仅关于有限数目的实施例描述了本发明，但应易于了解本发明并不限于这些公开的实施例。而是，可修改本发明以合并之前未描述的任意目的的变型、更改、替代或等效布置，但这些仍与本发明的精神和范围相符。此外，虽然描述了本发明的各种实施例，应了解本发明的方面可仅包括所描述实施例中的某些。因此，本发明不应视作受前文的描述限制，而是仅受所附权利要求的范围限制。

Claims (10)

1.一种燃烧器的预混合喷嘴(10)，包括：
气体预混合器模块(20)；
中央主体(30)，其能够在后膛装入到所述气体预混合器模块(20)内；以及
在所述气体预混合器模块(20)与所述中央主体(30)之间的可变形的顺应性界面(40)；
其中，所述气体预混合器模块自所述预混合喷嘴的上游端(23)延伸穿过中游部分(24)，所述气体预混合器模块包括外环形护罩(21)和内环形壁(22)，在所述上游端处所述外环形护罩和所述内环形壁界定空气入口(27)，在所述中游部分处所述外环形护罩和所述内环形壁界定预混合通路(28)；
其中，所述可变形的顺应性界面设置在所述中游部分处，以支承所述中央主体和阻尼在所述中央主体与所述气体预混合器模块之间的相对振动和磨损。
2.根据权利要求1所述的预混合喷嘴，其特征在于，还包括：安装凸缘(50)、结构杆支承管(51)和空气旋流器(60)。
3.根据权利要求1所述的预混合喷嘴，其特征在于，所述可变形的顺应性界面安装于所述气体预混合器模块(20)的内径与所述中央主体(30)的外径之间。
4.根据权利要求1所述的预混合喷嘴，其特征在于，所述中央主体(30)包括：
安装凸缘端部(32)；
扩散尖端(33)；以及
中央部分(34)，其轴向地插置于所述安装凸缘端部(32)与所述扩散尖端(33)之间，并且与所述可变形的顺应性界面轴向对准。
5.一种具有端盖的燃烧器的预混合喷嘴(10)，所述预混合喷嘴(10)包括：
气体预混合器模块(20)，其安装到所述端盖上；
中央主体(30)，其能够通过所述端盖在后膛装入到所述气体预混合器模块(20)内；以及
在所述气体预混合器模块(20)与所述中央主体(30)之间的可变形的顺应性界面(40)；
其中，所述气体预混合器模块自所述预混合喷嘴的上游端(23)延伸穿过中游部分(24)，所述气体预混合器模块包括外环形护罩(21)和内环形壁(22)，在所述上游端处所述外环形护罩和所述内环形壁界定空气入口(27)，在所述中游部分处所述外环形护罩和所述内环形壁界定预混合通路(28)；
其中，所述可变形的顺应性界面设置在所述中游部分处，以支承所述中央主体和阻尼在所述中央主体与所述气体预混合器模块之间的相对振动和磨损。
6.根据权利要求5所述的预混合喷嘴，其特征在于，还包括：安装凸缘(50)、结构杆支承管(51)和空气旋流器(60)。
7.根据权利要求5所述的预混合喷嘴(10)，其特征在于，所述中央主体(30)包括：
安装凸缘端部(32)；
扩散尖端(33)；以及
中央部分(34)，其轴向地插置于所述安装凸缘端部(32)与所述扩散尖端(33)之间，并且与所述可变形的顺应性界面(40)轴向对准。
8.根据权利要求7所述的预混合喷嘴(10)，其特征在于，所述中央主体(30)包括在所述安装凸缘端部(32)处的液体和气体燃料入口(35)。
9.根据权利要求7所述的预混合喷嘴(10)，其特征在于，所述中央主体(30)在所述端盖上在所述安装凸缘端部(32)处以悬臂方式支承。
10.根据权利要求7所述的预混合喷嘴(10)，其特征在于，所述中央主体(30)的内部经由所述扩散尖端(33)与所述燃烧器的燃烧区连通。
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