CN1026020C - 减少NOx排放量并消除燃烧部件中应力开裂的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种后装式燃料喷嘴管壳组件，用于能用气态或蒸馏燃料的喷嘴。管壳组件包括一具有自后部开口端延伸到前部开口端的直通内通道的细长供水管。一安装接头固定于该管的外部靠近其后端处，用于将管壳组件安装在燃料喷嘴体的后端内。管壳的前端装有内水旋流器和外蒸馏燃料旋流器，而在燃料喷嘴体的前端装有空气旋流器，这样，在燃料喷嘴尖端部，外锥形空气喷雾体，中间蒸馏或气态燃料喷雾体与内锥形水喷雾体组合，在燃烧瞬间形成均匀混合物。

Description

本发明涉及用于燃气轮机的燃料喷嘴结构，尤其涉及应用喷水的燃料喷嘴，它能和气态及镏出燃料一起使用。

向燃气轮机的燃烧室内喷水是众所周知的。例如，在美国专利US-2，847，825中，公开了一种被用来在短时间内，例如在起飞和其它紧急情况下增加飞机燃气轮机推力的喷水系统。

在美国专利US-3，021，673中，公开了一种用于改进发动机加速特性的汽车燃气轮机喷水系统。

在美国专利US-4，044，549中，公开了一种保持低排放燃烧气体的方法，其中将水和燃料掺混是为了形成包含燃料液点的水蒸汽。

在美国专利US-4，110，973，US-4，160，362，US-4，259，837，US-4，290，558，US-4，337，618，US-4，342，198，US-4，519，769和US-4，600，151可也公开了为显著减少Nox排放量而采用的喷水系统。

在已知的喷水系统中，水一般是从燃料的某个方位径向向外喷射的，即雾化水经燃气喷嘴的旋流节流叶片阀输送的。然而，经验表明，由于水直接冲击的灼热的部件上的结果，这会在周围顶盖/机罩及燃烧室衬套部件内造成极大的温度梯度。所导致的热应力引起裂纹并大大降低了该部件的使用寿命，从而需要增加检查频数，保养和维修。

以前，用开裂倾向小的材料取代金属并用热障陶瓷涂层使金属隔热来尝试解决这个问题。尽管上述二种方法对所述部件使用寿命的延长有一点成功，然而，开裂依旧出现。

因此，本发明在于提供一处减少Nox排放量并消除燃烧部件中应力开裂的方法及其装置。按照本发明，喷射的水被直接引入火焰中心，在那里，控制Nox更加有效，并且还避免了水直接冲击在灼热金属上。本发明的燃料喷嘴利用对气态或馏出燃料喷水，还提供了燃烧所述二者的可能性。

业已证明，这一构思的初步试验是顺利的，特别是在用气态燃料运转时，水经双重燃料式喷嘴的燃油道喷入。结果表明Nox值已减小，衬套金属的温度梯度更为有利，动压力范围已保持在可以接受的程度。

按照本发明的减少燃气轮机中Nox排放量和消除由燃烧引起的燃烧部件中应力开裂的方法的一个实施例，包括如下步骤：

（a）提供具有设置燃料通道燃烧空气通道和水通道的喷咀组件的燃料喷咀体，其特征在于水通道大体沿喷咀纵轴线中心配置，燃烧空气通道处于水通道的径向外侧，燃料通道处于靠近燃烧空气通道并在其径向外侧;

（b）将燃料经燃料通道作为第一锥形喷雾体喷入燃气轮机的燃烧区内;

（c）将水经与所述纵轴线重合的所述喷咀组件内的水通道作为处于所述第一锥形喷雾体径向内侧的第二精细雾化喷雾体喷入所述燃烧室，以避免水直接冲撞在燃烧区内的灼热金属表面上。

按照上方法所述燃料为气态燃料;

在水通道和空气通道径向之间的所述喷咀组件内设置馏出燃料通道，并任选地将所述馏出燃料喷入燃烧区内;所述馏出燃料在输入所述燃烧区之前形成涡旋;所述喷水步骤是通过将供水管装入燃料喷咀体后端内以便在喷咀体内形成中心水道来完成的;所述燃料喷射步骤是通过将供水管的排出孔跟所述燃料喷咀体的排出孔同心且轴向邻近 配置来完成的;所述燃烧空气在输入所述燃烧室之前形成涡旋;所述气态燃料在输入所述燃烧室之前形成涡旋;所述水在输入所述燃烧室之前形成涡旋。

按照本发明的减少燃气轮机中因燃烧产生的Nox排放物的方法的另一个实施例，包括如下步骤：

（a）将水、气态燃料和燃烧空气的三种独立的锥形喷雾体自燃料喷咀输入燃烧室内，其中所述水喷雾体在所述水、燃料和燃烧空气的三种独立锥形喷雾体的径向最内侧;而所述气态燃料喷雾体在所述水、燃料和燃烧空气的三种独立喷雾体的径向最外侧;

（b）使所述水、燃料和燃烧空气混合以便在燃烧室的燃烧区内形成均匀的混合物。

按照上述方法，所述水、燃料和空气在输入所述燃烧室之前形成涡旋;并提出设置馏出燃料通道的步骤，该通道用于任选地喷射馏出燃料，作为在所述水喷雾体和燃烧空气喷雾体径向之间的第四个锥形喷雾体。

按照为实施本发明的方法所采用的一种装置的典型实施例，它在压力下将水输送到燃料喷嘴的管壳，具有细长管件，在管件前端有一排出孔，在管件后端有一安装接头，在该细长管件上靠近所述后端处有一安装件，用以将管壳固定在燃料喷嘴体内靠过后端处，一燃料旋流器设置在所述细长件外表面上靠近其前端处，所述燃料旋流器具有表面装置，当装入燃料喷嘴体内时，用以跟燃料喷嘴端装件的内表面啮合，其特点为在燃料旋流器内装有一个和其大致轴向和径向对中的水旋流器;所述细长管件具有一个第一直径，所述排出孔具有一个小于所述第一直径的第二直径。

根据随后的关于本发明的叙述，本发明另外的目的和优点便会变得明显。

图1为带有按本发明的一个典型实施例装于其内的后装式管壳组件的燃料喷嘴体横剖视图;

图2为自图1的燃料喷嘴体上拆出来的后装式管壳组件的部分横剖视图;

图3为图1所示的燃料喷嘴体的后装式管壳组件的后视图;

图4为图1所示的喷嘴体前端部的放大视图;

图5为在图1所示的燃料喷嘴体上应用的空气旋流器部件的放大横剖视图;

图6为图5所示的空气旋流器的正视图;

图7为装于图2所示的所述管壳组件前端的蒸馏式燃料离心式喷嘴放大侧视图;

图8为图7所示的蒸馏式燃料离心式喷嘴的正视图;

图9为应用于图2所示的管壳组件前端的水旋流器的放大轴测图;

图10为图9所示的水旋流器侧视图;

图11为图9所示的水旋流器后视图;

图12为图9所示的水旋流器前视图;

参照图1，按照本发明的燃料喷嘴体铸件10，具有一个用于连接燃气轮机燃烧室外壳组件12A（以虚线部分表示出）的整体安装突缘12。燃料喷嘴体10被设计成用于既能燃烧气体，也能燃烧蒸馏燃料。为此，燃料喷嘴体10设有带内通道14，它包括进口端16和出口端18，用于将气态燃料输送到燃烧器燃烧区20内。

在燃料喷嘴体10内设有第二通道22，它包括进口端24和出口端26，用于将空气输送到燃烧器燃烧区20内。

在燃料喷嘴体10内同轴线配置有第三通道28，它自后部进口端30延伸到前部出口端32，用于将馏出燃料，即燃油输送到燃烧区20内。

安装在燃料喷嘴体10前端上的是喷嘴组件34，它包括一个外部气体喷嘴36，一个中间空气锥形漏斗38和一个内部空气旋流器40，喷嘴组件34可借助于螺纹固定在喷嘴体10上，下面将要详细说明。

现在详细参照图1和4，气体喷嘴36包括一锥部42，一后安装部44及一个设有多个沿前端中央孔口46分布的斜壁孔48的前端46。外壳50借助于多个斜翼或肋52固定于锥部42，从而形成通道54，后者用于把来自压气机的附加空气形成旋流并引入燃烧区20，下面将详细叙述。

气体喷嘴36的后安装部44制有外螺纹，用于跟在喷嘴体10径向最外部56上制出的内螺纹相啮合。

中间空气喷嘴38设有中央孔58′的前端58，锥部60，正好在锥部60后的圆柱部62及后安装部64。后安装部64具有外螺纹，用于跟在喷嘴体10的径向中间部66上制出的内螺纹相啮合。

内空气旋流器40，详细示于图5和6，制成具有中央扩口孔68′与自锥部向后延伸至后安装部72的一般圆柱形台阶部70。后者设有外螺纹，用于跟在喷嘴体10的径向最内部74上制出的内螺纹相啮合。

从上面的叙述，尤其是从图1和4中会明白，气体喷嘴36和中间空气喷嘴38相啮合，形成跟气体通道14直接连通的气体通道76。当燃气轮机处于气态燃料燃烧工况时，气体流经通道14流入通道76，并从壁孔48排出，由环50引入燃烧区20。

同时，中间空气喷嘴38和内空气旋流器40相组合，形成跟喷嘴 体10内的空气通道直接连通的通道78。空气流经通道22流入通道78并从空气喷嘴38的孔口58′和蒸馏喷嘴40的前锥部68形成的小孔80排出。

正如在图6中清楚看到的，空气旋流器40在其外圆周表面上设有多条斜槽82，它使空气在从小孔80排出之前流经通道78以产生旋流。

空气旋流器40也设有内孔84，它自开口后端86延伸到前部小径孔口68′。孔84构成用于蒸馏燃料的第三通道28延伸部分，这样，当燃气轮机处于蒸馏燃料燃烧工况时，馏出燃料自蒸馏燃料进口28′流经通道28，在端部86处进入孔84，并于孔口68′处排出。

按照上面的叙述，会进一步明白，在将喷嘴组件34连接到喷嘴体10的过程中，首先用螺纹连接空气旋流器40，接着连接中间空气喷嘴38，然后连接气体喷嘴36。在连接气体喷嘴36时，其前端的径向向内定向凸缘88跟空气喷嘴38上形成的环形凸肩90接合，将空气喷嘴锁定在适当位置上。同时，将锁板92撑在气体喷嘴36和喷嘴体10的径向最外部60之间，将气体喷嘴锁定在适当位置上。

和本发明的典型实施例进一步相一致，后装式管壳组件94从喷嘴体10的后面插在蒸馏通道28内。

详细参照图1，2和4，所述座组件94包括一细长的管件或供水管96，它具有自后部开口端100延伸至前部开口端102的内部直通通道98。安装接头100借助于任何适当的手段，最好是焊接在邻近于后端100固定于管96的外部。接头104制有前螺纹部106，中间密封凸缘108（适于跟密封垫108′配合）和后端110。管接头112固定于管96的后端100，以便连接于供水管（未示出）。

管96的前端102在其外表面114上制有螺纹，以安装蒸馏燃料旋流器116，可以沿其后端缘117周围将它焊于适当的位置。在图2，4，7和8中清楚看出，蒸馏旋流器116是一种普通的管件，它具有自开口后端118沿旋流器的主要长度部分延伸的内螺纹（见图2和4）。旋流器的前端120是锥形的，以122表示，终止于排出孔124。蒸馏旋流器116在其外表面上靠近内螺纹的最前部分具有扩展的环形凸缘或环130，其上开有多条斜沟槽132，用于使蒸馏燃料产生涡旋，下面会详细叙述。就在环式凸缘130的前头，在旋流器116的普通圆柱部分134上制有多个沿圆周分布的平台136，它为涡旋着的蒸馏燃料创造了额外的空间。

蒸馏旋流器116锥部122的外表面和内蒸馏喷嘴40的内锥表面组合，形成蒸馏燃料的环形排出孔138。

水旋流器140用螺纹安装于蒸馏燃料旋流器116内。在图2、4和9-12中，可清楚地看出，水旋流器140包括普通圆柱形实心主体部分142，前锥面144和具有外螺纹148的径向扩展的安装部分146。

在实心的主体部分外轴向延伸的前锥面144上制有多条成角度定向的旋流槽150（在图9和10中仅表示其中的一条，但在图12中表示了它们全部），如下面详细所述。用于使流经管94的水产生旋流。在水旋流器内制有轴向的螺旋推进器槽152，能使旋流器用螺纹固定在蒸馏燃料旋流器116的前端内。

安装就位后，在图4中可清楚看到，水旋流器的前锥面144和蒸馏燃料旋流器116的锥部122的内锥面相接合，这样涡旋槽150和锥部122的内锥面相组合，形成多条沿圆周封密通道。同时，在锥面144和径向扩展的安装部148之间形成了环形空间154。结果，流经 管112的水必须流过槽152，环形空间154和涡旋槽152以便自孔124排出。

水旋流器140可用螺纹固定在蒸馏燃料旋流器116内，后者然后用螺纹固定于管94的前端102，这样管的前端102支撑着水旋流器140的后端。

为把供水管壳94组装到燃料喷嘴体10上，管94自喷嘴体的后端插入其内，使安装接头104的前螺纹部106跟在通道28的阶梯镗孔部分上，制出的内螺纹156相啮合。在管壳组件的前端，蒸馏燃料旋流器116的径向扩展环130跟蒸馏喷嘴40的内表面相接合，从而为管壳组件在喷嘴体10的前端处提供支承。

在使用中，正如上面已阐明的，喷嘴体10和管壳组件94既可用于气态燃料燃烧工况中，也可用于蒸馏燃料燃烧工况中。

在燃烧气态燃料时，在进口28′的上游处切断蒸馏燃料供应，把气态燃料经进口16和通道14引进喷嘴体10内。气态燃料流经锥形气体通道76，当它经斜孔48排出时，便产生锥形喷雾的旋流。同时，在压力下将空气经进口24和通道22引入喷嘴体。然而空气流经通道78，当它经小孔80排出之前流经斜槽82时，也产生锥形旋流。同时，来自压气机的额外空气流经由环54和气体喷嘴38的锥部42确定的通道54，借助于翼或肋52产生涡旋。

与此同时，在压力下将水经进口100和通道28引入管96内。水经槽152流入水旋流器140内，经产生涡旋的斜沟槽150进入环形空间154。水经小孔124排出，在那里它被经小孔80排出的空气所雾化，然后引入火焰中心，在那里它与燃料及空气混合，从而在燃烧区20内形成一种均匀燃料/空气/水混合物。

在燃气轮机内燃烧蒸馏燃料的情况下，在进口16的上游处切断气态燃料供应，蒸馏燃料经进口28′和通道28引入喷嘴体10。蒸馏燃料在经小孔138排出之间流过斜槽132时，便形成涡旋，在燃烧区20内它在经小孔138排出处与空气及水混合（如上所述）。

也会理解，既能燃烧气态燃料，也可燃烧蒸馏燃料的燃料喷嘴体的上述后装式管壳组件，由于将水直接喷入火焰中心会减少Nox排放量。同时，这种安排避免了水直接冲击于燃气轮机燃烧室的灼热金属部件上，因此各燃烧部件由于应力引起的潜在开裂危险就被减至最小程度或被消除。

尽管跟目前认为是最实际和优先的实施例一起叙述了本发明，应当明白本发明并不限于所公开的实施例，正相反，本发明要覆盖包含在内所附权利要求书的精神与范围内的各种变型和等同物。

Claims (14)

1、一种减少燃气轮机中Nox排放量和消除由燃烧引起的燃烧部件中应力开裂的方法，包括如下步骤：

(a)提供具有设置燃料通道(14)、燃烧空气通道(22)和水通道(98)的喷咀组件的燃料喷咀体(10)，其特征在于水通道(98)大体沿喷咀纵轴线中心配置，燃烧空气通道(22)处于水通道(98)的径向外侧，燃烧通道(14)处于靠近燃烧空气通道(22)并在其径向外侧；

(b)将燃料经燃料通道(14)作为第一锥形喷雾体喷入燃气轮机的燃烧区内；

(c)将水经与所述纵轴线重合的所述喷咀组件内的水通道(98)作为处于所述第一锥形喷雾体径向内侧的第二精细雾化喷雾体喷入所述燃烧室，以避免水直接冲撞在燃烧区(20)内的灼热金属表面上。

2、按权利要求1所述的方法，其特征在于所述燃料为气态燃料。

3、按权利要求2所述的方法，其特征在于水通道（98）和空气通道（22）径向之间的所述喷咀组件内设置馏出燃料通道（28），并任选地将所述馏出燃料喷入燃烧区（20）内。

4、按权利要求3所述的方法，其特征在于所述馏出燃料在输入所述燃烧区之前形成涡旋。

5、按权利要求1所述的方法，其特征在于所述喷水步骤是通过将供水管（94）装入燃料喷咀体（10）后端（86）内以便在喷咀体（10）内形成中心水道（98）来完成的。

6、按权利要求5所述的方法，其特征在于所述燃料喷射步骤是通过将供水管（94）的排出孔（124）跟所述燃料喷咀体的排出孔同心且轴向邻近本配置来完成的。

7、按权利要求1所述的方法，其特征在于所述燃料空气在输入所述燃烧室之前形成涡旋。

8、按权利要求1所述的方法，其特征在于所述气态燃料在输入所述燃烧室之前形成涡旋。

9、按权利要求1所述的方法，其特征在于所述水在输入所述燃烧室之前形成涡旋。

10、一种减少燃气轮机中因燃烧产生的Nox排放物的方法，其特征在于如下步骤：

（a）将水、气态燃料和燃烧空气的三种离散的锥形喷雾体自燃料喷咀输入燃烧室内，其中所述水喷雾体在所述水、燃料和燃烧空气的三种离散锥形喷雾体的径向最内侧;而所述气态燃料喷雾体在所述水、燃料和燃烧空气的三种离散喷雾体的径向最外侧;

（b）使所述水、燃料加燃烧空气混合以便在燃烧室的燃烧区形成均匀的混合物。

11、按权利要求10的方法，其特征在于所述水、燃料和空气在输入所述燃烧室之前形成涡旋。

12、按权利要求11的方法，其特征在于设置馏出燃料通道的步骤，该通道用于任选地喷射馏出燃料，作为在所述喷雾体和燃烧空气喷雾体径向之间的第四个锥形喷雾体。

13、一种在压力下将水输送到燃料喷咀孔的管壳，具有细长管件（96），在管件前端（102）有一排出孔（124），在管件后端（100）有一安装接头（104），在该细长管件上靠近所述后端处有一安装件（108），用以将管壳固定在燃料喷咀体内靠近后端处，一燃料旋流器（116）设置在所述细长件外表面上靠近其前端处，所述燃烧旋流器具有表面装置（130），当装入燃料喷咀体内时，用以跟燃料喷咀端装件的内表面啮合，其特征在于在燃料旋流器（116）内装有一个或其大致轴向和径向对中的水旋流器（140）。

14、一种按权利要求13所述的管壳，其特征在于所述细长管件（96）具有一个第一直径，所述排出孔（124）具有一个小于所述第一直径的第二直径。

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