CN102759122A - 燃料喷嘴和用于运行燃烧器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料喷嘴和用于运行燃烧器的方法。公开了一种燃料喷嘴和用于运行燃烧器的方法。该方法包括使燃料和氧化剂流过燃料喷嘴，该燃料喷嘴包括各自构造成使燃料或氧化剂中的一个流过其中的内部管道、中间管道和外部管道。内部管道、中间管道或外部管道中的至少一个包括多个旋流叶片。该方法进一步包括在燃料喷嘴中对燃料和氧化剂施加旋流，以及将燃料和氧化剂从燃料喷嘴排到燃烧区中。

Description

燃料喷嘴和用于运行燃烧器的方法
技术领域
本公开大体涉及燃烧器，并且更具体而言，涉及燃烧器中的燃料喷嘴。
背景技术
燃气轮机系统广泛地用于诸如动力发生的领域中。传统的燃气轮机系统包括压缩机、燃烧器和涡轮。在传统的燃气轮机系统中，将压缩空气从压缩机提供给燃烧器。进入燃烧器的空气与燃料混合且燃烧。热的燃烧气体从燃烧器流到涡轮，以驱动燃气轮机系统和产生动力。
典型地利用天然气作为燃气轮机系统的主要燃料。在一些系统中，天然气流过燃料喷嘴，并且与工作流体混合，以提供用于燃烧的工作流体/燃料混合物。在其它系统中，燃烧器可为低氧系统和/或闭环系统的一部分，而工作流体可为低氧工作流体。在这些实施例中，燃料和氧化剂可流过燃料喷嘴，并且与工作流体混合在一起，以提供用于燃烧的合适的混合物。常常，在与任何大量工作流体混合之前，燃料和氧化剂可以近化学计量的比率流过燃料喷嘴，以确保高效率的燃烧。
在燃烧之前，已知的燃料喷嘴和燃烧器可能不会充分混合燃料和工作流体或氧化剂。这可导致效率较低的燃烧。特别地，在低氧系统中，燃料和氧化剂的不充分的混合可导致燃料和氧化剂在燃烧器中驻留较长时间，这可导致燃料和氧化剂被低氧工作流体稀释。这个稀释可降低燃烧效率。
因而，用于燃烧器的改进的燃料喷嘴和用于运行燃烧器的方法在本领域中将是期望的。例如，提供燃料与工作流体和/或氧化剂的改进的混合且改进燃烧效率的燃料喷嘴和方法将是有利的。具体而言，在低氧系统中提供改进的燃烧效率的燃料喷嘴和方法将是期望的。
发明内容
将在以下描述中部分地阐述本发明的各方面和优点，或者根据描述，本发明的各方面和优点可为显而易见的，或者可通过实践本发明来学习本发明的各方面和优点。
在一个实施例中，公开了一种用于燃烧器的燃料喷嘴。该燃料喷嘴包括内部管道，内部管道限定用于使燃料或氧化剂中的一个流过其中的第一流道，内部管道包括构造成对燃料或氧化剂中的该一个施加旋流的第一旋流装置。燃料喷嘴进一步包括中间管道，中间管道至少部分地包围内部管道，并且限定用于使燃料或氧化剂中的一个流过其中的第二流道，中间管道包括构造成对燃料或氧化剂中的该一个施加旋流的第二旋流装置。燃料喷嘴进一步包括外部管道，外部管道至少部分地包围中间管道，并且限定用于使燃料或氧化剂中的一个流过其中的第三流道，外部管道包括构造成对燃料或氧化剂中的该一个施加旋流的第三旋流装置。第一旋流装置、第二旋流装置或第三旋流装置中的至少一个包括多个旋流叶片，旋流叶片的至少一部分构造成对燃料或氧化剂中的该一个施加旋流。
在另一个实施例中，公开了一种用于运行燃烧器的方法。该方法包括使燃料和氧化剂流过燃料喷嘴，该燃料喷嘴包括各自构造成使燃料或氧化剂中的一个流过其中的内部管道、中间管道和外部管道。内部管道、中间管道或外部管道中的至少一个包括多个旋流叶片。该方法进一步包括在燃料喷嘴中对燃料和氧化剂施加旋流，以及将燃料和氧化剂从燃料喷嘴排到燃烧区中。
参照以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其它特征、方面与优点将变得更好理解。结合在本说明书中且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用来阐明本发明的原理。
附图说明
在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整和能够实施的公开，包括其最佳模式，说明书参照了附图，其中：
图1是根据本公开一个实施例的燃气轮机系统的若干部分的横截面图；
图2是根据本公开的一个实施例的燃烧器和燃料喷嘴的一部分的透视图；
图3是根据本公开的一个实施例的燃料喷嘴的正视图；
图4是根据本公开的一个实施例的燃料喷嘴的沿着图4的线4-4的横截面侧视图；以及
图5是根据本公开的一个实施例的燃料喷嘴的具有多个剖面部分的侧视图。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，在图中示出了实施例的一个或多个实例。以阐明本发明而非限制本发明的方式来提供各个实例。事实上，对本领域技术人员将显而易见的是，可在本发明中作出各种修改和变型，而不偏离本发明的范围或精神。例如，示出或描述成一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生另外的另一个实施例。因而，意图的是本发明覆盖在所附权利要求及其等效方案的范围内的这样的修改和变型。
参照图1，示出了燃气轮机系统10的若干部分的简化视图。系统10包括用于对下面论述的工作流体加压的压缩机区段12，工作流体流过系统10。从压缩机区段12排出的加压工作流体流到燃烧器区段14中，燃烧器区段14的特征大体为在系统10的轴线的周围设置成环形阵列的多个燃烧器16(在图1中仅示出了其中的一个)。进入燃烧器区段14的工作流体如下面论述的那样与燃料且可选地与氧化剂混合，并且燃烧。热的燃烧气体从各个燃烧器16流到涡轮区段18，以驱动系统10和产生动力。
在燃气轮机10中的各个燃烧器16可包括用于混合和燃烧工作流体、燃料和(如果需要的话)氧化剂的多种构件。例如，燃烧器16可包括壳体20。可为大体环形的套管的多种套管可至少部分地设置在壳体20中。例如，燃烧器衬套22可大体在其中限定燃烧区24。可大体在燃烧区24中发生工作流体、燃料和可选的氧化剂的燃烧。产生的热的燃烧气体可向下游通过燃烧衬套22而流到过渡件26中。流动套管30可大体包围燃烧器衬套22的至少一部分，并且在它们之间限定流径32。冲击套管34可大体包围过渡件26的至少一部分，并且在它们之间限定流径36。进入燃烧器区段14的工作流体可在壳体20中向上游流动，并且工作流体的至少一部分可通过限定在流动套管和30和冲击套管34中的孔(未显示)进入流径32和36。如下面论述的那样，工作流体然后可进入燃烧区24，以进行燃烧。
燃烧器16可进一步包括燃料喷嘴40或多个燃料喷嘴40。燃料以及可选地氧化剂可通过一个或多个歧管(未显示)而供应到燃料喷嘴40。另外，如果期望的话，工作流体可供应到燃料喷嘴40。如下面论述的那样，燃料喷嘴40或多个燃料喷嘴40可将燃料、氧化剂和/或工作流体供应给燃烧区24，以进行燃烧。
应当容易地理解，燃烧器16不必构造成上面描述和本文示出的那样，而是可大体具有容许工作流体与燃料混合、燃烧且传送到系统10的涡轮区段18的任何构造。例如，本公开包括环形燃烧器和筒仓(silo)型燃烧器以及任何其它适当的燃烧器。
在许多情况下，在燃烧发生之前快速且彻底地混合燃料、氧化剂和/或工作流体可为合乎需要的。例如，快速且彻底的混合可促进有高的火焰温度，这又可促进有高效率的燃烧和火焰稳定性。
因而，本公开涉及改进的燃料喷嘴40，以及涉及包含燃料喷嘴40的燃烧器16。在一些实施例中，例如图2中显示的实施例，燃烧器16可为低氧燃烧器16。具体而言，在一些实施例中，低氧燃烧器16可为将再循环的排气用作工作流体的大体闭合的系统10的一部分。在这些实施例中，工作流体42可为低氧工作流体42。燃料44和氧化剂46可流过燃料喷嘴40至低氧燃烧区24，以进行燃烧。低氧工作流体42可通过限定在燃烧器衬套22中的孔口48或者通过任何其它适当的位置流到燃烧区24中，从而在燃烧区24中产生低氧环境。
但是，应当理解，本公开不限于具有上面公开的设计的低氧燃烧器16。相反，任何适当的低氧燃烧器16或燃烧器16大体都在本公开的范围和精神内。
根据本公开，燃料44可为任何适当的流体，例如任何适当的气体。在示例性实施例中，燃料44可为天然气。氧化剂46可为任何适当的氧化剂。在示例性实施例中，氧化剂46可为空气或纯氧。另外，应当理解，在一些实施例中，氧化剂46可只是工作流体42的一部分。例如，在低氧燃烧器16中，氧化剂46可大体为与工作流体42的分开的流体，并且可对燃烧区24提供额外的氧，以协助燃烧。但是，在不是低氧的燃烧器16中，工作流体42可包含足够的氧来进行燃烧，而且氧化剂46可只是工作流体42的一部分，或者可为可提供额外的氧的单独的流体。
如上面论述的那样，燃料44和/或氧化剂46可流过燃料喷嘴40至燃烧区24。另外，燃料喷嘴40设计可促进燃料44和/或氧化剂46在燃烧区24中快速且彻底地混合，使得出现较高效率的燃烧。
因而，如图2至5中显示的那样，根据本公开的燃料喷嘴40可包括内部管道52和至少部分地包围内部管道52的中间管道54，以及至少部分地包围中间管道54的外部管道56。在示例性实施例中，该各种管道可具有大体圆柱形的形状，但是应当理解，各个管道可具有任何适当的形状和大小。内部管道52可限定通过其中的第一流道62。中间管道54可例如在中间管道54和内部管道52之间限定通过其中的第二流道64。外部管道56可例如在外部管道56和中间管道54之间限定通过其中的第三流道66。流道62、64、66各自可使燃料44和/或氧化剂46流过其中，并且可进一步将这个燃料44和/或氧化剂46提供给燃烧区24，以进行混合和燃烧。例如，在示例性实施例中，第一流道62和第三流道66可使燃料44流过其中，而第二流道64可使氧化剂46流过其中。但是，应当理解，流道62、64、66中的任一个均可使燃料44和/或氧化剂如所期望或需要的那样以任何构造流过其中。
如所显示的那样，各个管道52、54、56可包括旋流装置或多个旋流装置。例如，内部管道52可包括第一旋流装置72，中间管道54可包括第二旋流装置74，而外部管道56可包括第三旋流装置76。旋流装置72、74、76中的各个可构造成对流过相应的流道62、64、66的燃料44和/或氧化剂施加旋流。如本文所用，旋流表示相对于延伸通过流量喷嘴40的大体轴向流轴线80旋转。流过该各种通道62、64、66的燃料44和/或氧化剂46可大体沿着轴向流轴线80流动。在对流施加旋流之后，在流大体沿着轴向流轴线80继续时，燃料44和/或氧化剂46可以具有旋转分量的方式流动。
对燃料流44和/或氧化剂流46中的各个施加旋流可导致单独的流在从燃料喷嘴40排到燃烧区24中之后快速且高效地混合。这个混合可激励较高效的燃烧，如上面论述的那样。
在一些实施例中，为了进一步促进各种流的混合，各种旋流装置可构造成施加大体与其它旋流装置所施加的旋流相反的旋流。例如，在一个示例性实施例中，第二旋流装置74可构造成对流过第二流道64的燃料44和/或氧化剂46施加大体与第一旋流装置72和第三旋流装置76所施加的旋流相反的旋流。备选地，任何旋流装置均可施加大体与任何其它旋流装置相反的旋流。
为了对流过该各种燃料通道62、64、66的燃料44和/或氧化剂46施加旋流，旋流装置可如图5中显示的那样相对于轴向流轴线80大体以角度82定位。相对于轴向流轴线80以一定角度定位表示流过或流经旋流装置的燃料44和/或氧化剂46在离开旋流装置之后具有相对于轴向流轴线80成角度的流分量。在一些实施例中，旋流装置中的一个或多个的至少一部分的(例如下面论述的通道或叶片的)角度82可在40°和60°之间的范围中。但是，应当理解，本公开不限于上面公开的角度范围，而是相反，任何适当的角度或角度范围均在本公开的范围和精神内。
在一些实施例中，旋流装置可包括通道或多个通道。例如，如图2至4中显示的那样，在一些实施例中，管道中的一个或多个(例如内部管道52)可包括尖部102。尖部102可大体为管道的可大体阻碍燃料44和/或氧化剂46流过相关联的流道(例如第一流道62)的实心部分。在示例性实施例中，如图2至4中显示的那样，尖部102可设置在管道的端部处，例如在燃烧区24附近的下游端处。在这些实施例中，旋流装置可包括限定在尖部102中且延伸通过其中的通道104或多个通道104。通道104的至少一部分可构造成对流过其中的燃料44和/或氧化剂46施加旋流。例如，通道104可如上面论述的那样相对于轴向流轴线82成角度地延伸通过尖部102，使得在从通道104中排出之后，燃料流44和/或氧化剂流46具有相对于轴向流轴线82成角度的流分量。通道104可大体为笔直的、弯曲的，或者具有适于提供这个成角度的流分量的任何其它构造。应当理解，第一旋流装置72、第二旋流装置74和/或第三旋流装置76中的任一个均可如所期望或需要的那样包括通道104或多个通道104。
在其它实施例中，旋流装置可包括叶片106或多个叶片106。例如，如图2至5中所显示的那样，在一些实施例中，管道中的一个或多个(例如中间管道54和外部管道56)可包括多个叶片106。叶片106可在流道中(例如在第二流道64和第三流道66中)设置成大体环形的阵列。叶片106的至少一部分可构造成对流道中流经的燃料44和/或氧化剂46施加旋流。例如，叶片106可如上面论述的那样相对于轴向流轴线82成角度地定位，使得在经过叶片106之后，燃料流44和/或氧化剂流46具有相对于轴向流轴线82成角度的流分量。叶片106可大体为笔直的、弯曲的，或者具有适于提供这个成角度的流分量的任何其它构造。应当理解，第一旋流装置72、第二旋流装置74和/或第三旋流装置76中的任一个均可如所期望或需要的那样包括叶片106或多个叶片106，。
在一些实施例中，燃料喷嘴40可进一步包括延伸通过流道或多个流道的至少一部分的点火器装置或多个点火器装置。可提供点火器装置来或者单独地或者在混合在一起时，点燃燃料、氧化剂和/或工作流体，以导致燃烧。例如，如图4中显示的那样，点火器装置112或多个点火器装置112可延伸通过第一流道62的至少一部分。如果需要的话，在一些实施例中，点火器装置114或多个点火器装置114可额外地延伸通过第二流道64和/或第三流道66，以接近第一流道62。在一些实施例中，点火器装置112可延伸经过第一流道62，使得点火器装置112的端部113设置在燃烧区24中。在其它实施例中，端部113可设置在第一流道62中。设置在第一流道62中的旋流装置(例如第一旋流装置72)可如所期望或需要的那样在点火器装置112的端部113的上游或下游。
另外或备选地，如图4中显示的那样，点火器装置114或多个点火器装置114可延伸通过第二流道64的至少一部分。如所显示的那样，在一些实施例中，点火器装置114或多个点火器装置114可额外地延伸通过第三流道66，以接近第二流道64。在一些实施例中，点火器装置114可延伸经过第二流道64，使得点火器装置114的端部115设置在燃烧区24中。在其它实施例中，端部115可设置在第二流道64中。设置在第二流道64中的旋流装置(例如第二旋流装置74)可如所期望或需要的那样在点火器装置114的端部115的上游或下游。
另外或备选地，点火器装置(未显示)或多个点火器装置可延伸通过第三流道66的至少一部分。在一些实施例中，点火器装置可延伸经过第三流道66，使得点火器装置的端部设置在燃烧区24中。在其它实施例中，端部可设置在第三流道66中。设置在第三流道66中的旋流装置(例如第三旋流装置76)可如所期望或需要的那样在点火器装置的端部的上游或下游。
点火器装置112或114可为适于点燃工作流体42、燃料44或氧化剂46的任何装置。例如，点火器装置112或114可为产生火焰的喷火器，或者可为产生火花、激光的装置或任何其它适当的点火源。
本公开进一步涉及用于运行燃烧器14的方法。该方法可包括例如使燃料44和氧化剂46流过燃料喷嘴40。燃料喷嘴40可如上面论述的那样包括各自构造成使燃料44或氧化剂46中的一个流过其中的内部管道52、中间管道54和外部管道56。
该方法可进一步包括如上面论述的那样在燃料喷嘴40中对燃料44和氧化剂46施加旋流。该方法可进一步包括如上面论述的那样将燃料44和氧化剂46从燃料喷嘴40排到燃烧区24中。
另外，在一些实施例中，本方法可包括如上面论述的那样在燃烧区24中燃烧燃料44和氧化剂46。
本公开的燃料喷嘴和方法可提供燃料44和氧化剂46的较好的混合，从而促进有较迅速的燃烧、较短的驻留时间、较大的火焰区和近化学计量的状况。例如，燃料44和氧化剂46的快速燃烧可最大程度地减少燃料44和氧化剂46暴露于工作流体42的时间。另外，快速燃烧可导致有较高的火焰温度，这又可促进有较高效率的燃烧和较好的火焰稳定性。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例包括不异于权利要求的字面语言的结构元素，或者如果这样的其它实例包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则它们意图处于权利要求的范围之内。

Claims (20)

1.一种用于燃烧器的燃料喷嘴，包括：
内部管道，其限定用于使燃料或氧化剂中的一个流过其中的第一流道，所述内部管道包括构造成对所述燃料或所述氧化剂中的所述一个施加旋流的第一旋流装置；
中间管道，其至少部分地包围所述内部管道，并且限定用于使燃料或氧化剂中的一个流过其中的第二流道，所述中间管道包括构造成对所述燃料或所述氧化剂中的所述一个施加旋流的第二旋流装置；以及；
外部管道，其至少部分地包围所述中间管道，并且限定用于使燃料或氧化剂中的一个流过其中的第三流道，所述外部管道包括构造成对所述燃料或所述氧化剂中的所述一个施加旋流的第三旋流装置，
其中，所述第一旋流装置、所述第二旋流装置或所述第三旋流装置中的至少一个包括多个旋流叶片，所述旋流叶片的至少一部分构造成对所述燃料或所述氧化剂中的所述一个施加旋流。
2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述第一流道使燃料流过其中，所述第二流道使氧化剂流过其中，并且所述第三流道使燃料流过其中。
3.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述燃料是天然气。
4.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述氧化剂是氧。
5.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述第二旋流装置构造成施加大体与所述第一旋流装置和所述第三旋流装置的旋流相反的旋流。
6.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述第一流道、所述第二流道和所述第三流道中的各个限定大体轴向的轴线，并且其中，所述第一旋流装置、所述第二旋流装置和所述第三旋流装置中的各个相对于所述轴向轴线以介于大约40°和大约60°之间的范围中的角度定位。
7.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述内部管道包括尖部，并且所述第一旋流装置包括限定在所述尖部中且构造成对所述燃料或所述氧化剂中的所述一个施加旋流的通道。
8.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述第二旋流装置和所述第三旋流装置各自包括多个旋流叶片，所述旋流叶片的至少一部分构造成对所述燃料或所述氧化剂中的所述一个施加旋流。
9.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述燃料喷嘴进一步包括延伸通过所述第一流道、所述第二流道或所述第三流道中的一个的至少一部分的点火器装置。
10.一种燃烧器，包括：
燃烧器衬套，所述燃烧器衬套在其中限定燃烧区；以及
与所述燃烧器衬套处于流体连通的燃料喷嘴，所述燃料喷嘴包括：
内部管道，其限定用于使燃料或氧化剂中的一个流过其中的第一流道，所述内部管道包括构造成对所述燃料或所述氧化剂中的所述一个施加旋流的第一旋流装置；
中间管道，其至少部分地包围所述内部管道，并且限定用于使燃料或氧化剂中的一个流过其中的第二流道，所述中间管道包括构造成对所述燃料或所述氧化剂中的所述一个施加旋流的第二旋流装置；以及；
外部管道，其至少部分地包围所述中间管道，并且限定用于使燃料或氧化剂中的一个流过其中的第三流道，所述外部管道包括构造成对所述燃料或所述氧化剂中的所述一个施加旋流的第三旋流装置；
其中，所述第一旋流装置、所述第二旋流装置或所述第三旋流装置中的至少一个包括多个旋流叶片，所述旋流叶片的至少一部分构造成对所述燃料或所述氧化剂中的所述一个施加旋流。
11.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧区是低氧燃烧区。
12.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述第一流道使燃料流过其中，所述第二流道使氧化剂流过其中，而所述第三流道使燃料流过其中。
13.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述第二旋流装置构造成施加大体与所述第一旋流装置和所述第三旋流装置的旋流相反的旋流。
14.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述第一流道、所述第二流道和所述第三流道中的各个限定大体轴向的轴线，并且其中，所述第一旋流装置、所述第二旋流装置和所述第三旋流装置中的各个相对于所述轴向轴线以介于大约40°和大约60°之间的范围中的角度定位。
15.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述内部管道包括尖部，并且所述第一旋流装置包括限定在所述尖部中且构造成对所述燃料或所述氧化剂中的所述一个施加旋流的通道。
16.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述第二旋流装置和所述第三旋流装置各自包括多个旋流叶片，所述旋流叶片的至少一部分构造成对所述燃料或所述氧化剂中的所述一个施加旋流。
17.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器进一步包括延伸通过所述第一流道、所述第二流道或所述第三流道中的一个的至少一部分的点火器装置。
18.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述点火器装置延伸通过所述第一流道的至少一部分，并且延伸到所述燃烧区中。
19.一种运行燃烧器的方法，包括：
使燃料和氧化剂流过燃料喷嘴，所述燃料喷嘴包括各自构造成使所述燃料或所述氧化剂中的一个流过其中的内部管道、中间管道和外部管道，其中，所述内部管道、所述中间管道或所述外部管道中的至少一个包括多个旋流叶片；
在所述燃料喷嘴中对所述燃料和所述氧化剂施加旋流；以及
将所述燃料和所述氧化剂从所述燃料喷嘴排到燃烧区中。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在所述燃烧区中燃烧所述燃料和所述氧化剂。
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