CN102679400B - 具有预喷嘴混合帽盖组件的燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有预喷嘴混合帽盖组件的燃烧器。具体而言,本申请及随之产生的专利提供了围绕燃烧器(25)的帽盖部件(60)定位以便混合空气流(20)和燃料流(30)的预喷嘴混合帽盖组件(100)。预喷嘴混合帽盖组件(100)可包括与燃料流(30)连通的燃料仓室(170)和与空气流(20)连通并延伸经过燃料仓室(170)的多个管(130)。每个管(130)可在其中包括多个燃料孔(150),使得燃料仓室(170)中的燃料流(30)经过燃料孔(150)传送并与空气流(20)相混合。

Description

具有预喷嘴混合帽盖组件的燃烧器
技术领域
本申请主要涉及燃气涡轮发动机的燃烧器,且更具体地涉及一种燃烧器,其具有预喷嘴混合帽盖组件以便在燃料喷嘴的上游混合燃料和空气并具有经由其提供的冷却空气流。
背景技术
在燃气涡轮发动机中,操作效率通常随着燃烧流温度的上升而提高。然而,较高的燃烧流温度会产生较高水平的氮氧化物(“NOx”)和其它类型的排放物。此类排放物会受到美国联邦法规和州法规二者的管制并且在国外还会受到类似法规的管制。因此,在有效温度范围内操作燃气涡轮发动机同时还确保NOx和其它类型的管制排放物的输出保持低于规定水平之间存在平衡行为。
若干类型的已知燃气涡轮发动机设计,例如使用干式低NOx(“DLN”)燃烧器的那些,通常在反应或燃烧区的上游预混合燃料流和空气流以便减少经由多个预混合燃料喷嘴的NOx排放物。此种预混合趋于减少总体燃烧温度,且因此趋于减少NOx排放物等。
然而,预混合还会引起若干操作问题,例如火焰稳定、逆燃、自动点火等。这些问题对于使用高反应性燃料而言可能是具体的考虑因素。例如,对于任何相当大部分的氢或其它类型的燃料而言,火焰可存在于燃料喷嘴上游的燃烧器头端中。因此,任何类型的燃料富集气阱(pocket)均会维持火焰并引起燃烧器损坏。
其它预混合问题可归因于燃料流和空气流的无规律性。例如,存在若干流动障碍物会扰乱经过流动套筒和衬套之间的进入通路的流动。对于具有喷射燃料到头端上游的空气流中的燃料喷射器导叶的燃烧器而言,这些流动干扰会在导叶后缘上产生流动再循环区。这些再循环区可导致产生可燃燃料-空气混合物的稳定气阱,而这继而又会导致产生火焰稳定或在给定点火源情况下的其它类型的燃烧事件。
因此,期望有一种改进的燃气涡轮燃烧器设计。优选的是此种燃烧器设计可提供不易引起火焰稳定的燃料喷射。同样的是,此种燃烧器设计还可提供更快的混合以便限制火焰稳定的风险。此种燃烧器设计优选的是能够适应不同类型的燃料。
发明内容
因此,本申请及随之产生的专利提供了一种预喷嘴混合帽盖组件,其围绕燃烧器的帽盖部件定位用于混合空气流和燃料流。预喷嘴混合帽盖组件可包括与燃料流连通的燃料仓室(plenum)和与空气流连通并延伸经过燃料仓室的多个管。每个管都可在其中包括多个燃料孔,使得燃料仓室中的燃料流经过燃料孔传送并与空气流相混合。
本申请及随之产生的专利还提供了一种围绕具有多个燃烧器燃料喷嘴的帽盖部件混合空气流和燃料流的方法。该方法可包括以下步骤:提供空气流至围绕帽盖部件定位的多个管,提供燃料流至环绕该管的燃料仓室,传送燃料流经过每个管中的多个燃料孔,以及在管中和/或管下游混合空气流和燃料流。
本申请及随之产生的专利还提供了一种预喷嘴混合帽盖组件,其围绕燃烧器的帽盖部件定位用于混合空气流和燃料流。预喷嘴混合帽盖组件可包括与燃料流连通的燃料仓室,与空气流连通并延伸经过燃料仓室的多个管,以及邻近燃料仓室定位并且这些管经由其延伸的空气仓室。每个管都可在其中包括多个燃料孔,使得燃料仓室中的燃料流经过燃料孔传送并与空气流混合。
当结合若干附图和所附权利要求研读如下详细说明时,本领域普通技术人员将清楚本申请的这些及其它的特征和改进。
附图说明
图1是如可在文中使用的已知燃气涡轮发动机的示意图。
图2是已知燃气涡轮发动机的燃烧器的侧截面视图。
图3是如可在文中所述的预喷嘴混合帽盖组件的透视图。
图4是图3中的预喷嘴混合帽盖组件的局部侧截面视图。
图5是如可在文中所述的预喷嘴混合帽盖组件的备选实施例的侧截面视图,在其中增加了冷却回路。
标号列表
10燃气涡轮发动机
15压缩机
20空气流
25燃烧器
30燃料流
35燃烧气体流
40涡轮
45负载
50燃烧室
55燃料喷嘴
60帽盖部件
65燃料喷射器
70涡流器
75进入空气流动路径
80衬套
85流动套筒
90预喷嘴燃料喷射系统
92燃料喷射器
94喷射器孔
96压缩机排放压力空气流
98压缩机排放压力空气路径
100混合帽盖组件
110第一板
120第二板
130管
140斜切边缘
150燃料孔
160燃料进口
170燃料仓室
200混合帽盖组件
210冷却回路
220第三板
230流动套筒孔
240空气仓室
250帽盖体孔
260帽盖面
具体实施方式
现参看附图,在其中贯穿各个视图相同的标号表示相同的元件,图1示出了如可在文中使用的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可包括压缩机15。压缩机15压缩进入空气流20。压缩机输送压缩的空气流20至燃烧器25。燃烧器25混合压缩的空气流20和压缩的燃料流30并点燃该混合物以产生燃烧气体流35。尽管仅示出了单个的燃烧器25,但燃气涡轮发动机10可包括任何数目的燃烧器25。继而,燃烧气体流35输送至涡轮40。燃烧气体流35驱动涡轮40以便产生机械功。在涡轮40中所产生的机械功驱动压缩机15和诸如发电机等的外部负载45。
燃气涡轮发动机10可使用天然气、各种类型的合成气,和/或其它类型的燃料。燃气涡轮发动机10可为由通用电气公司(Schenectady,NewYork)提供的多种不同燃气涡轮发动机中的任何一种,包括诸如重型9FA燃气涡轮发动机等的那些。燃气涡轮发动机10可具有不同的构造并且可使用其它类型的构件。其它类型的燃气涡轮发动机也可在文中使用。多燃气涡轮发动机、其它类型的涡轮,以及其它类型的动力生成设备也可在文中一起使用。
图2示出了可结合燃气涡轮发动机10使用的已知燃烧器25的简化实例。通常描述的是,燃烧器25可包括在其中定位有多个燃料喷嘴55的燃烧室50。燃料喷嘴55可定位和支承在帽盖部件60等之内。燃料喷嘴55还可包括多个燃料喷射器65。燃料喷射器65可围绕一个或多个涡流器70定位。涡流器70帮助在其中的空气流20和燃料流30的预混合。燃料喷射器65可结合预混合燃料等使用。其它类型的燃料和其它类型的燃料回路可在文中使用。
空气流20可经由进入空气路径75从压缩机15进入燃烧器25。进入空气路径75可限定在燃烧室50的衬套80和外部流动套筒85之间。空气流20可沿着进入空气路径75行进且然后在燃料喷嘴55附近反转方向。空气流20和燃料流30可在燃烧室50内的燃料喷嘴55的下游点燃,使得燃烧气体流35可引向涡轮40。其它构造和其它构件可在文中使用。
燃烧器25还可具有贫预喷嘴燃料喷射系统90,其围绕衬套80和流动套筒85之间的进入空气路径75定位。贫预喷嘴燃料喷射系统90可具有多个燃料杆柱(peg)或燃料喷射器92。燃料喷射器92可具有空气动力学翼型或流线形状。其它形状可在文中使用。燃料喷射器92均可在其中具有多个喷射器孔94。燃料喷射器92和喷射孔94的数目和定位可针对预混合进行优化。预混合燃料或其它类型的燃料流30可在文中使用。
帽盖部件60还可经由压缩机排放压力空气路径98等而与压缩机排放压力空气流96直接连通。压缩机排放压力空气流96相比于自压缩机15沿着整个进入空气路径75行进的空气流20可压力稍微较高。压缩机排放压力空气流96可用于冷却帽盖部件60和可能地其它构件。压缩机排放压力空气路径98可为直接始自压缩机15、扩散器等的路径。而且,压缩机排放压力空气路径98可环绕流动套筒85等定位。其它构件和其它构造可在文中使用。
图3和图4示出了如可在文中所述的预喷嘴混合帽盖组件100的一个实例。预喷嘴混合帽盖组件100可围绕帽盖体60定位并定位在限定于衬套80和流动套筒85之间的进入空气路径75中以接收空气流20。同样的是,预喷嘴混合帽盖100可与燃料流30连通以便在燃料喷嘴55的上游混合燃料流和空气流。因此,预喷嘴混合帽盖组件100可代替上文在预喷嘴燃料喷射系统90等中描述的燃料喷射器92进行使用。
预喷嘴混合帽盖组件100可至少包括一对板,也即定位在帽盖部件60上并环绕帽盖部件60的第一板110和第二板120。板110、120可具有任何形状、尺寸或构造。多个管130可从第一板110延伸至第二板120。管130可具有任何形状、尺寸或构造。任何数目的管130都可在文中使用。每个管130都可在第二板120的入口附近具有斜切边缘或半径140。每个管130都可具有定位在其中的多个小燃料孔150。燃料孔150可具有任何形状、尺寸或构造。任何数目的燃料孔150都可在文中使用。管130和燃料孔150的长度、计数和直径以及其轴向位置都可变化以改变总体混合特性和火焰稳定特性以及经由其的压力降。
预喷嘴混合帽盖组件100可具有与燃料流30连通的燃料进口160。燃料进口160可通向定位在板110、120之间的燃料仓室170。燃料流30可流经燃料进口160并进入燃料仓室170中。燃料流30然后可经过每个管130内的燃料孔150传送以便在向下游流动至帽盖部件60内的燃料喷嘴55之前与经由管传送的空气流20相混合。空气流20和燃料流30可在管130中和/或管130的下游混合。其它构件和其它构造可在文中使用。
图5示出了预喷嘴混合帽盖组件200的又一实施例。混合帽盖200可具有混合帽盖组件100的构件并增加了冷却回路210。冷却回路210可由定位在其上游端的附加板(也即第三板220)限定。因此,管130延伸经过所有的板110、120和220。
在该实例中,压缩机排放压力空气路径98可围绕流动套筒85定位。因此,压缩机排放压力空气流96可经由定位在流动套筒85内的多个流动套筒孔230进入冷却回路210。任何数目的流动套筒孔230都可以任何形状、尺寸或构造使用。冷却回路210还可包括空气仓室240,并且管130经由空气仓室240延伸。冷却回路210可终止于多个帽盖体孔250,这些孔250围绕帽盖部件60定位并与帽盖部件60连通。任何数目的帽盖体孔250都可以任何形状、尺寸或构造使用。
因此,压缩机排放压力空气流96可从压缩机排放压力空气路径98传送,经过流动套筒孔230,进入空气仓室240,并经由帽盖体孔250进入帽盖体60中。因此,压缩机排放压力空气流96可用来对帽盖体60、尤其是沿着其帽盖面260提供冷却。其它构件和其它构造可在文中使用。
因此,预喷嘴混合帽盖组件100,200在燃料喷嘴55的上游提供了良好的燃料-空气混合。具体而言,在其中可提供增加的混合和更快的混合。对于增加的混合,帽盖面260可向下游移动以减少燃烧器容量和驻留时间。较短的驻留时间将是期望的以满足排放目标。同样的是,更快的混合可导致火焰稳定风险较低。具体而言,总体喷射方案可能更不易发生火焰稳定。较高的火焰稳定裕度还将提供用以燃烧较高反应性燃料例如氢和较高碳化氢的能力。
压缩机排放压力空气流96的使用提供了改进的帽盖面冷却和耐用性。帽盖耐用性通过提高在燃烧动态特性(dynamics)期间向上游推动热气体的阻力而得以改进,也就是说,较高帽盖压力可最大限度地降低燃烧动态特性的影响并且可用于冲击冷却。而且,将会减少冷却所需的空气量。
应清楚的是,以上所述仅涉及本申请的一些实施例,并且本领域普通技术人员在不脱离由所附权利要求及其等同方案所限定的本发明的总体精神和范围的情况下可在文中作出许多修改和变动。

Claims (17)

1.一种预喷嘴混合帽盖组件(100),其围绕燃烧器(25)的帽盖部件(60)定位以便在多个燃料喷嘴的上游混合空气流(20)和燃料流(30),所述预喷嘴混合帽盖组件(100)包括:
与所述燃料流(30)连通的燃料仓室(170);
与所述空气流(20)连通并延伸经过所述燃料仓室(170)的多个管(130),其中,所述燃料仓室围绕所述多个管的下游端定位;
所述多个管(130)中的每个均在其中包括多个燃料孔(150),使得所述燃料仓室(170)中的燃料流(30)经过所述多个燃料孔(150)传送并在所述多个燃料喷嘴的上游与所述空气流(20)混合;以及
空气仓室,所述多个管经由所述空气仓室延伸,其中,所述空气仓室围绕所述多个管的上游端定位,其中,所述空气仓室定位在所述燃料仓室的上游。
2.根据权利要求1所述的预喷嘴混合帽盖组件(100),其特征在于,所述预喷嘴混合帽盖组件(100)还包括多个板,并且所述多个管(130)经由所述多个板延伸。
3.根据权利要求2所述的预喷嘴混合帽盖组件(100),其特征在于,所述多个板包括第一板(110)和第二板(120),以及其中,所述第一板(110)和所述第二板(120)在二者之间限定所述燃料仓室(170)。
4.根据权利要求3所述的预喷嘴混合帽盖组件(100),其特征在于,所述多个板包括第三板(220),以及其中,所述第二板(120)和所述第三板(220)在二者之间限定所述空气仓室(240)。
5.根据权利要求1所述的预喷嘴混合帽盖组件(100),其特征在于,所述多个管(130)中的每个均包括斜切边缘(140)。
6.根据权利要求1所述的预喷嘴混合帽盖组件(100),其特征在于,所述预喷嘴混合帽盖组件(100)还包括与所述燃料流(30)和所述燃料仓室(170)连通的燃料进口(160)。
7.根据权利要求1所述的预喷嘴混合帽盖组件(100),其特征在于,所述预喷嘴混合帽盖组件(100)还在其中包括冷却回路(210)。
8.根据权利要求7所述的预喷嘴混合帽盖组件(100),其特征在于,所述冷却回路(210)包括多个流动套筒孔(230)。
9.根据权利要求8所述的预喷嘴混合帽盖组件(100),其特征在于,所述冷却回路(210)经由所述多个流动套筒孔(230)而与压缩机排放压力空气流(96)连通。
10.根据权利要求7所述的预喷嘴混合帽盖组件(100),其特征在于,所述冷却回路(210)包括所述空气仓室(240),并且所述多个管(130)经由所述空气仓室(240)延伸。
11.根据权利要求7所述的预喷嘴混合帽盖组件(100),其特征在于,所述冷却回路(210)包括多个帽盖体孔(250),所述帽盖体孔(250)与所述帽盖部件(60)连通以便冷却其帽盖面(260)。
12.一种围绕具有燃烧器(25)的多个燃料喷嘴(55)的帽盖部件(60)混合空气流(20)和燃料流(30)的方法,包括:
提供所述空气流(20)至围绕所述帽盖部件(60)定位的多个管(130);
提供所述燃料流(30)至环绕所述多个管(130)的下游端的燃料仓室(170);
传送所述燃料流(30)经过所述多个管(130)中的每个中的多个燃料孔(150);
在所述多个管(130)中和/或所述多个管(130)的下游并且在所述燃料喷嘴的上游混合所述空气流(20)和所述燃料流(30);
提供压缩机排放压力空气流(96)至围绕所述多个管(130)的上游端定位的空气仓室(240),其中,所述空气仓室定位在所述燃料仓室的上游;以及
从所述空气仓室传送所述压缩机排放压力空气流经过所述多个管到达所述帽盖部件的帽盖面。
13.根据权利要求12所述的方法,其特征在于,所述方法还包括以下步骤:提供所述压缩机排放压力空气流(96)至所述帽盖部件(60)。
14.根据权利要求13所述的方法,其特征在于,所述方法还包括以下步骤:冷却所述帽盖部件(60)的帽盖面(260)。
15.一种预喷嘴混合帽盖组件(100),其围绕燃烧器(25)的帽盖部件(60)定位以便在多个燃料喷嘴的上游混合空气流(20)和燃料流(30),所述预喷嘴混合帽盖组件(100)包括:
与所述燃料流(30)连通的燃料仓室(170);
与所述空气流(20)连通并延伸经过所述燃料仓室(170)的多个管(130),其中,所述燃料仓室围绕所述多个管的下游端定位;
所述多个管(130)中的每个均在其中包括多个燃料孔(150),使得所述燃料仓室(170)中的燃料流(30)经过所述多个燃料孔(150)传送并在所述多个燃料喷嘴的上游与所述空气流(20)混合;以及
邻近所述燃料仓室定位的空气仓室,所述多个管经由所述空气仓室延伸,其中,所述空气仓室围绕所述多个管的上游端定位,其中,所述空气仓室定位在所述燃料仓室的上游。
16.根据权利要求15所述的预喷嘴混合帽盖组件(100),其特征在于,所述预喷嘴混合帽盖组件(100)还包括多个板,并且所述多个管(130)经由所述多个板延伸。
17.根据权利要求16所述的预喷嘴混合帽盖组件(100),其特征在于,所述多个板包括第一板(110)和第二板(120),以及其中,所述第一板(110)和所述第二板(120)在二者之间限定所述燃料仓室(170)。
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