CN102692036A - 具有带有人字形肋的燃料喷嘴衬套的燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有带有人字形肋的燃料喷嘴衬套的燃烧器。所述燃料喷嘴可以具有用于所述气流的一个或多个空气通道、用于所述燃料流的一个或多个燃料桩以及与所述空气通道相连通并且包绕所述燃料桩的衬套。所述衬套可以在其上包括多个肋，从而促进所述气流和所述燃料流在其中混合。

Description

具有带有人字形肋的燃料喷嘴衬套的燃烧器

技术领域

本发明总体涉及燃气涡轮发动机和其它类型的涡轮机械，并且更具体地涉及用于燃气涡轮发动机的燃烧器，该燃烧器中具有带有人字形肋(chevron like ribs)的燃料喷嘴，从而促进良好的燃料/空气混合。

背景技术

在燃气涡轮发动机中，操作效率通常随着燃烧流的温度的增加而提高。但是，较高的燃烧流温度可以产生较高水平的氮氧化物(“NO_X”)和其它类型的排放物。这些排放物可以同时受到美国联邦和国家规定的制约，并且还受到国外类似的规定的制约。因此，在高效温度范围中对燃气涡轮发动机进行操作的同时还保证NO_X的输出以及其它类型的规定排放物保持在强制水平以下之间需进行平衡动作。

若干类型的已知的燃气涡轮发动机设计(例如那些使用干式低NO_X(“DLN”)燃烧器的设计)通常对反应区或燃烧区上游的燃料流和气流进行预混合，以便通过多个预混合燃料喷嘴降低NO_X排放物。这样的预混合易于降低总体燃烧温度并且因此降低NO_X排放物等。

但是，预混合还可能有若干操作问题，例如火焰稳定、回火、自动点火等。当使用高活性燃料时，这些问题尤其是值得考虑的。例如，在具有任何显著部分的氢或其它类型的燃料时，火焰可以出现在燃料喷嘴上游的燃烧器的头部端。因此，任何类型的富含燃料的凹部(pocket)都可以维持火焰并且对燃烧器以及相关部件造成损坏，或者至少减少其寿命。

因此，需要一种改进的燃烧器设计，其具有改进的燃料/空气混合，从而避免这些已知的操作问题，同时继续限制不希望的排放物。这样的燃烧器设计优选地能够以安全并且高效的方式容纳不同类型的燃料。

发明内容

本发明以及所得到的专利因此提供一种用于在燃烧器内混合气流和燃料流的燃料喷嘴。该燃料喷嘴可以具有用于气流的一个或多个空气通道、用于燃料流的一个或多个燃料桩以及与空气通道相连通并且包绕燃料桩(fuel pegs)的衬套。衬套可以在其上包括多个肋，从而促进气流和燃料流在其中混合。

所述燃料喷嘴包括次级燃料喷嘴。所述燃料喷嘴进一步包括气体主体，所述气体主体具有与所述一个或多个燃料桩相连通的一个或多个内部通路。所述气体主体和所述衬套在其之间限定了预混合区域。所述多个肋延伸到所述预混合区域中。所述气流和所述燃料流在所述预混合区域中形成混合流。所述燃料喷嘴进一步包括围绕所述衬套定位的涡流器。所述多个肋包括所述衬套上的人字形图案；所述多个肋包括第一列肋、第二列肋和两者之间的偏移。所述一个或多个燃料桩包括一个或多个旋流喷嘴叶片。

本发明以及所得到的专利进一步提供一种用于预混合燃料喷嘴中的气流和燃料流的方法。该方法可以包括以下步骤：使气流通过一个或多个空气通道进入预混合区域；使燃料流通过一个或多个燃料通道进入预混合区域；将多个肋定位在预混合区域中；沿多个肋在气流和燃料流中产生湍流；以及使气流和燃料流混合。

将所述多个肋定位在所述预混合区域中的步骤包括将所述多个肋定位在人字形图案中；及将所述多个肋定位在其间具有偏移的第一列和第二列中。所述方法进一步包括产生所述气流和所述燃料流的混合流的步骤，和使所述混合流通过涡流器的步骤。

本发明以及所得到的专利进一步提供一种用于混合气流和燃料流的燃烧器。该燃烧器可以包括多个初级燃料喷嘴以及次级燃料喷嘴。次级燃料喷嘴可以包括用于气流的一个或多个空气通道、用于燃料流的一个或多个燃料桩以及衬套。衬套可以在其上包括多个肋，从而促进气流和燃料流在其中混合。

所述燃料主体和所述衬套在其之间限定了预混合区域，所述多个肋延伸到所述预混合区域中。所述多个肋包括所述衬套上的人字形图案；所述多个肋包括第一列肋、第二列肋以及两者之间的偏移。

通过阅览本说明书结合若干附图和所附权利要求的详细说明，本发明的这些以及其它的特征和改进对于本领域技术人员而言将变得显而易见。

附图说明

图1是已知的燃气涡轮发动机的示意图。

图2是干式低NO_X燃烧器的横截面图。

图3是可以在本说明书进行描述的燃烧器的次级燃料喷嘴的横截面图。

图4是具有以假想线示出的衬套的图3的次级燃料喷嘴的局部透视图。

图5是图3的次级燃料喷嘴中所使用的人字形肋的透视图。

图6是可以在本说明书中用作燃料桩(fuel peg)的旋流喷嘴(swozzle)叶片的透视图。

具体实施方式

现在参照附图，其中相似的附图标记在全部若干视图中代表相似的元件，图1示出了可以在本说明书中使用的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可以包括压缩机15。压缩机15对进入的气流20进行压缩。压缩机将压缩的气流20输送到燃烧器25。燃烧器25将压缩的气流20与压缩的燃料流30混合，并且对混合物进行点火以产生燃烧气体流35。尽管仅示出了单个燃烧器25，但是燃气涡轮发动机10可以包括任何数量的燃烧器25。燃烧气体流35接着输送至涡轮机40。燃烧气体流35对涡轮机40进行驱动，从而产生机械功。涡轮机40中产生的机械功通过轴45对压缩机15以及例如发电机等外部负载50进行驱动。

燃气涡轮发动机10可以使用天然气、各种类型的合成气以及/或者其它类型的燃料。燃气涡轮发动机10可以是Schenectady(NewYork)的General Electric Company提供的多种不同的燃气涡轮发动机中的任何一种，其中包括但不限于那些例如重型燃气涡轮发动机等的燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机10可以具有不同的构造并且可以使用其它类型的部件。本说明书还可以使用其它类型的燃气涡轮发动机。本说明书还可以同时使用多种燃气涡轮发动机、其它类型的涡轮机以及其它类型的发电设备。

图2示出了本发明可以使用的燃烧器25的一个示例。在这个示例中，可以使用干式低NO_X燃烧器55。总体而言，干式低NO_X燃烧器55可以包括包绕中央次级喷嘴65的多个初级喷嘴60。初级喷嘴60和次级喷嘴65可以位于端帽70内，并且面朝下游燃烧区75设置。燃烧区75延伸到位于涡轮机40的正上游的过渡件80中。在进入燃料喷嘴60、65以用于在上面所述的燃烧区75中进行燃烧之前，来自压缩机15的空气可以进入在流动套筒90与衬套95之间延伸的流动路径85。本发明还可以使用其它的构造和其它的部件。

图3和图4示出了可以在本说明书进行描述的燃烧器100的一部分。如上所述，燃烧器100可以包括一个或多个燃料喷嘴110。在这个示例中，示出了次级燃料喷嘴120。本发明还可以使用其它类型的燃料喷嘴。总体而言，次级燃料喷嘴120包括延伸通过端帽70的气体主体130。气体主体130具有与气流20和燃料流30相连通的多个内部通路140。一个或多个内部通路140可以通向多个燃料桩150。燃料桩150包括多个开孔或孔口160，以允许燃料流30的一部分通过其中。

次级燃料喷嘴120还包括包绕气体主体130的衬套170。衬套170可以从位于上游端的一个或多个轴向空气通道180延伸至位于下游端的涡流器190。轴向空气通道180可以与上面所述的来自压缩机15的气流20或其它的气流20相连通。衬套170和气体主体130可以在两者之间限定预混合区域200。预混合区域200允许来自轴向空气通道180的气流20与来自燃料桩150的燃料流30混合成其中的混合流210。混合流210接着可以在涡流器190内打旋，以促进进一步混合。接着可以在燃烧器100下游的燃烧区75中点燃混合流210。本发明还可以使用其它的部件和其它的构造。

燃烧器100可以包括位于衬套170中的多个肋220。肋220可以围绕燃料桩150与涡流器190之间的预混合区域200进行定位。肋220可以延伸到预混合区域200中。肋220可以定位成人字形图案230。如图5所示，人字形图案230可以包括第一成角列240和相对的第二成角列250。第一成角列240与第二成角列250之间可以具有位于其间的偏移260。因此列240、250在轴向方向上进行偏移。列240、250可以相对于流20、30的方向成角度。各列240、250中的肋220的数量可以改变。肋220相对于流20、30的方向的角度可以改变。各个肋220的间隔和高度可以改变。尽管肋220示为基本是直的，但是肋220还可以具有弯曲形状或者任何其它期望的形状。可以在周向和/或轴向方向上使用多个列240、250。

肋220在人字形图案230中的位置保证了肋220的一端作为前缘270，而另一个边缘作为后缘280。随着撞击前缘270，流的一部分可以在肋220之间被导向。肋220之间的这个流与来自相对端的另一个流相遇，从而形成小的再循环区。再循环区迫使流从具有成人字形图案230的肋220的表面径向远离地延伸。径向流使得主流沿周向转向并且从前缘270进入肋220之间的通道。因此这个流进一步增加了径向运动，并且保证了流不断地径向移位。这个顺序建立了总体流场中的径向运动。这样一来，可以提供流20、30的均匀混合。因此，可以通过肋220以及人字形图案230的设计和构造改变径向运动的量以及混合的量。

因此，使用肋220以及人字形图案230有助于产生径向流场，以便将气流20和燃料流30混合到混合流210中。改进的燃料/空气混合有助于改进燃料/空气比例，并且还提供相当均匀的燃料/空气分布。肋220以及人字形图案230可以改变以用于期望的燃料/空气分布。

在对气流20与燃料流30进行混合方面的改进应当有助于减少所产生的总体排放物。此外，肋220以及人字形图案230的定位和构造可以改变，并且因此，燃料/空气分布(profile)可以改变，从而消除或减少下游热点。这样一来，可以改进下游部件的耐久性和寿命。还可以在不需要以显著压降作为代价的情况下增加燃料/空气混合。

尽管本说明书已经以DLN1+燃烧器为条件对燃料喷嘴120进行了解释，但是本发明可以使用具有任何类型的燃料喷嘴的任何类型的燃烧器。该DLN1+燃烧器由Schenectady(New York)的General ElectricCompany提供。本发明所使用的燃烧器可以是DLN1燃烧器、DLN2燃烧器、DLN2.6燃烧器、DLN2+燃烧器等。在DLN2燃烧器等的示例中，燃料桩150可以成旋流喷嘴叶片(swozzle vane)290的形式。如图6所示，开孔160沿旋流喷嘴叶片290的长度延伸，以用于使燃料流30通过其中。肋220可以位于旋流喷嘴叶片290的下游，以促进上面所述的预混合区域200中的良好混合。本发明还可以使用具有其它构造和其它部件的其它类型的燃烧器和燃料喷嘴。

应该显而易见的是，上面仅涉及本发明的特定实施例，并且本领域技术人员可以在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本发明的总体精神和范围的前提下对本发明进行多种变化和改型。

Claims (15)

1.一种用于混合燃烧器(100)内的气流(20)和燃料流(30)的燃料喷嘴(120)，其包括：

用于所述气流(20)的一个或多个空气通道(180)；

用于所述燃料流(30)的一个或多个燃料桩(150)；以及

衬套(170)，所述衬套(170)与所述一个或多个空气通道(180)相连通、并且包绕所述一个或多个燃料桩(150)；

其中所述衬套(170)在其上包括多个肋(220)，从而促进所述气流(20)和所述燃料流(30)的混合。

2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(120)，其特征在于，所述燃料喷嘴(120)包括次级燃料喷嘴(120)。

3.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(120)，其特征在于，所述燃料喷嘴(120)进一步包括气体主体(130)，所述气体主体(130)具有与所述一个或多个燃料桩(150)相连通的一个或多个内部通路(140)。

4.根据权利要求3所述的燃料喷嘴(120)，其特征在于，所述气体主体(130)和所述衬套(170)在其之间限定了预混合区域(200)。

5.根据权利要求4所述的燃料喷嘴(120)，其特征在于，所述多个肋(220)延伸到所述预混合区域(200)中。

6.根据权利要求4所述的燃料喷嘴(120)，其特征在于，所述气流(20)和所述燃料流(30)在所述预混合区域(200)中形成混合流。

7.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(120)，其特征在于，所述燃料喷嘴(120)进一步包括围绕所述衬套(170)定位的涡流器(190)。

8.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(120)，其特征在于，所述多个肋(220)包括所述衬套(170)上的人字形图案(230)。

9.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(120)，其特征在于，所述多个肋(220)包括第一列肋(240)、第二列肋(250)和两者之间的偏移(260)。

10.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(120)，其特征在于，所述一个或多个燃料桩(150)包括一个或多个旋流喷嘴叶片(290)。

11.一种用于预混合燃料喷嘴(120)中的气流(20)和燃料流(30)的方法，所述方法包括以下步骤：

使所述气流(20)通过一个或多个空气通道(180)进入预混合区域(200)；

使所述燃料流(30)通过一个或多个燃料通道(150)进入所述预混合区域(200)；

将多个肋(220)定位在所述预混合区域(200)中；

沿所述多个肋(220)在所述气流(20)和所述燃料流(30)中产生湍流；以及

使所述气流(20)和所述燃料流(30)混合。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，将所述多个肋(220)定位在所述预混合区域(200)中的步骤包括将所述多个肋(220)定位在人字形图案(230)中。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，将所述多个肋(220)定位在所述预混合区域(200)中的步骤包括将所述多个肋(220)定位在其间具有偏移(260)的第一列(240)和第二列(250)中。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括产生所述气流(20)和所述燃料流(30)的混合流(210)的步骤。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使所述混合流(210)通过涡流器(190)的步骤。

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