CN103062804B - 用于低氧燃料喷嘴组件的扩射式喷嘴以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于燃气涡轮机中的燃烧室的燃料喷嘴组件。所述燃料喷嘴组件包括：可连接到气体燃料源的第一通道和第四通道；可连接到气体氧化剂源的第二通道；以及连接到稀释剂气体源的第三通道，其中所述第一通道是中心通道，且经配置在所述中心通道的排出端处从喷嘴排出气体燃料，所述第二通道经配置通过与所述中心通道的所述喷嘴邻近的喷嘴来排出气体氧化剂，所述第三通道经配置通过与所述第二通道的所述喷嘴邻近的喷嘴来排出稀释剂气体，且所述第四通道经配置在所述第一、第二和第三通道的排出口位置的下游排出所述气体燃料。

Description

用于低氧燃料喷嘴组件的扩射式喷嘴以及方法

技术领域

本发明总体上涉及用于燃烧室的燃料喷嘴，更确切地，涉及将燃料和空气从燃料喷嘴引入燃气涡轮机燃烧室的燃烧区域。

背景技术

具有在低氧条件下运行的燃烧室的燃气涡轮机通常称为低氧燃气涡轮机。这些燃气涡轮机可用于碳捕获装置中，以及用于具有高排出气体再循环的装置中。

燃气涡轮机中的工作流体通常是在压缩机中压缩、在燃烧室中受热，且驱动涡轮机的气体。低氧燃气涡轮机中的工作流体所具有的氧气浓度通常低于正常大气空气中的氧气浓度。例如，工作流体可以是来自燃气涡轮机的排出气体与大气空气的组合。由于存在排出气体，因此工作流体的氧含量相对低于大气空气的氧含量。

氧气是燃烧室中的燃烧所需的。工作流体的氧气浓度较低，需要对燃烧室进行配置，以实现在较低氧条件下进行完全且稳定的燃烧。为了提供燃烧所需的足够氧气，可将氧化剂气体与燃料一起注入燃烧室中。氧化剂气体可以是大气空气、纯氧、氧气和二氧化碳(CO2)的混合物，或其他富氧气体。

发明内容

已开发出一种燃料喷嘴组件，所述燃料喷嘴组件被配置用于低氧燃气涡轮机。所述燃料喷嘴组件在短停留时间内提供高效燃烧和基本完全的燃烧。所述燃料喷嘴组件提供强火焰稳定性。

所述燃料喷嘴组件包括四个共轴通道，用于气体燃料、氧化剂气体和稀释剂气体。所述四个通道包括用于燃料的中心和外通道；用于氧化剂气体的第二环形通道；以及用于稀释剂气体的第三环形通道，其中第四通道是最外部通道。中心燃料通道以及氧化剂和稀释剂气体的通道的各排出端大体对齐且安置在空腔内，例如安置在锥形壳体内，所述锥形壳体通向燃烧室的燃烧腔。所述外燃料通道可以与所述空腔的排出端对齐。

就内部的三个通道而言，每个通道的排出端包括在燃料喷嘴组件的端部将气体从通道引入空腔中的喷嘴，例如，短窄通道。这些气体在空腔中混合。中心通道和第三通道的喷嘴可以经过定向，以将顺时针旋流分别引入燃料和稀释剂气体中。第二通道的喷嘴将逆时针旋流引入氧化剂气体中。第二通道的喷嘴成环状布置在中心通道的各喷嘴与第三通道的喷嘴环之间。使旋流气体流反向旋转可促进燃料、氧化剂和稀释剂气体快速混合。添加稀释剂气体趋于延迟燃烧，直到气体混合物位于燃料喷嘴组件下游。

由燃料喷嘴组件提供的燃烧可以通过调节从各个通道流出的气体的速率来进行控制。例如，稀释剂气体的量可以调节，以确保在气体混合物超出燃料喷嘴组件的端部之前延迟燃烧。此外，燃烧可以通过调节燃料分开，例如，从中心通道排出的气体燃料与从第四通道排出的气体燃料之比来进行控制。这种控制可以包括调节燃料反应速率、火焰锚定位置以及火焰温度。

已设想出一种用于燃气涡轮机中燃烧室的燃料喷嘴组件，包括：可连接到气体燃料源的第一通道；可连接到气体氧化剂源的第二通道；连接到稀释剂气体源的第三通道；以及也可连接到气体燃料源的第四通道，其中所述第一通道是中心通道，且经配置以在中心通道的排出端处从喷嘴排出气体燃料，所述第二通道经配置以通过邻近中心通道喷嘴的喷嘴排出气体氧化剂，并且第三通道经配置以通过邻近第二通道喷嘴的喷嘴排出稀释剂气体。第一、第二和第三通道可以与中心通道的轴线共轴，第三通道的喷嘴形成环绕所述轴线的环形阵列，且第二通道的喷嘴形成环绕所述轴线、且位于第三通道的环形阵列与中心通道的喷嘴之间的环形阵列。第四通道的排出端可以在燃料喷嘴组件的端部处与空腔的下游端轴向对齐，其中所述空腔容纳前三个通道的喷嘴的出口端。

在所述燃料喷嘴组件中，第一通道的喷嘴包括窄通道，这些窄通道各自具有径向向外定向的桨距角以及在40度到60度范围内的正偏航角，且其中第二和第三通道的喷嘴各自具有径向向内定向的桨距角以及5度到16度的偏航角，其中第三通道的喷嘴的偏航角为正，而第二通道的喷嘴的偏航角为负。

稀释剂气体源可以是燃气涡轮机的压缩机，且稀释剂气体包括流过燃气涡轮机的工作流体。氧化剂气体源是大气，且氧化剂气体包括大气空气。

已设想出一种用于具有较低氧工作流体的燃气涡轮机的燃烧室，其中所述燃烧室包括：燃烧腔，所述燃烧腔具有供燃烧气体流向燃气涡轮机的涡轮的下游端以及与所述下游端相对的入口端；燃料喷嘴组件，位于燃烧室的上游端，包括可连接到气体燃料源的第一和第四通道，可连接到气体氧化剂源的第二通道，以及连接到稀释剂气体源的第三通道，其中第一通道是中心通道，且经配置以在中心通道的排出端处从喷嘴排出气体燃料，所述第二通道经配置以通过邻近中心通道喷嘴的喷嘴排出气体氧化剂，所述第三通道经配置以通过邻近第二通道喷嘴的喷嘴排出稀释剂气体，且第四通道经配置以通过第一、第二和第三通道来排出排放物下游的气体燃料。

已设想出一种用于在低氧燃气涡轮机的燃烧室中产生燃烧气体的方法，其中燃烧室包括燃料喷嘴组件和燃烧腔，所述方法包括：从延伸穿过燃料喷嘴组件的中心通道以及第四通道排出燃料，其中燃料以朝第一旋转方向旋转的旋流方式在燃料喷嘴组件的端部处从中心通道排出到空腔中；将氧化剂从第二通道排出到腔室中，所述第二通道包括邻近第一通道的排出端的排出端，其中氧化剂以朝第二旋转方向旋转的旋流方式排出到所述空腔中，第二旋转方向与第一旋转方向相反；将稀释剂从第三通道排出，所述第三通道包括邻近第二通道的排出端的排出端，其中稀释剂以朝第一旋转方向旋转的旋流方式排出到空腔中；通过将稀释剂排出到空腔中来延迟燃料和氧化剂的燃烧；将燃料从位于空腔的开放端下游的第四通道排出；以及在燃烧腔中以及所述空腔的开放端下游开始燃料与氧化剂的燃烧。

附图说明

本发明的结构、操作和特征将在以下进一步描述并在附图中图示，其中：

图1是工业燃气涡轮机中的传统燃烧室的截面图。

图2是朝端盖方向看去时燃烧室内部的示意图，且图示了燃料喷嘴组件的前视图。

图3是燃烧室的一部分的截面图，其中该截面是沿着燃烧室的轴线的。

图4是燃料喷嘴组件24的截面图，该组件可包括分别用于燃料、氧化剂和稀释剂气体的共心(concentric)通道。

图5是燃料喷嘴组件的排出端的透视图。

具体实施方式

图1是以部分截面示出低氧燃气涡轮发动机10的侧视图，该燃气涡轮发动机包括轴流式涡轮机12、环形阵列的燃烧室14，以及轴流式压缩机16。如低氧气体等工作流体由压缩机进行压缩，并通过管道输送到各燃烧室14。每个燃烧室的第一端连接到提供气体燃料20和如大气空气等氧化剂气体22的歧管。燃料、氧化剂和工作流体流过燃料喷嘴组件24，并在燃烧室的燃烧腔26中燃烧。燃烧气体28从燃烧腔室流过管道30，以驱动涡轮机的涡轮动叶片(叶片)32，并转动燃气涡轮机的轴。轴的旋转驱动压缩机16，并将传输来自燃气涡轮机的可用输出功率。

每个燃烧室可具有外部的大体柱形壳体34，该壳体容纳柱形内衬36和柱形导流套管38，这两个部件彼此共轴。燃烧腔26在导流套管38内并由导流套管38限定。用于工作流体18的环形管道40在导流套管与环绕套管的内衬36之间。随着工作流体通过管道40，工作流体冷却燃烧室并经由导流套管中的开口流入燃烧腔中，在该燃烧腔中，工作流体与流向管道40的燃烧气体混合。

端盖42在与导管40相对的一端处封闭每个燃烧室。端盖支撑至歧管的联轴器(couplings)44，歧管向每个燃烧室提供气体燃料20和氧化剂气体22。端盖42包括将燃料20和氧化剂气体22导向燃料喷嘴组件24的通道。

图2是朝端盖方向看去时燃烧室14的内部的示意图，且图示了燃料喷嘴组件24的前视图。圆形挡板46从端盖的内表面偏移了间隙48(图3)。挡板具有圆形开口49，燃料喷嘴穿过这些开口延伸。也称为稀释剂气体的工作流体流到挡板后，并穿过间隙48而流向燃料喷嘴组件24。燃料喷嘴经过定向以将燃料、气体和工作流体排到燃烧腔26中(图1)。燃料喷嘴组件24在端盖上的装置可以是如图2所示的阵列，具有中心燃料喷嘴组件和单个燃料喷嘴组件的阵列，或其他燃料喷嘴组件装置。

图3是燃烧室14的一部分的截面侧视图，其中图示了用于燃料和氧化剂歧管的联轴器44、端盖42、挡板46和燃料喷嘴组件24。燃料流过联轴器44的通道50、52，穿过端盖，并流向燃料喷嘴组件24。类似地，氧化剂气体流过联轴器的通道54，穿过端盖，并流向燃料喷嘴组件。氧化剂气体和燃料可以流过单独的通道。燃料和氧化剂可以不混合，直到它们从燃料喷嘴组件中排出。

图4是燃料喷嘴组件24的截面图，该组件可包括分别用于燃料、氧化剂和稀释剂气体的共心通道。这些通道可包括用于燃料的中心通道60，该通道与歧管44的燃料通道52流体连通。第二通道62邻近中心通道；其用于如大气空气等氧化剂气体；且与歧管中的氧化剂通道54流体连通。第二通道可以成环形，且与中心通道共心。第二通道在第三通道64与中心通道之间。第三通道64用于如低氧工作流体等稀释剂，该稀释剂流到挡板46与端盖的内表面56之间的间隙66中。第四通道68用于从歧管44的通道50接纳的气体燃料。第四通道在其他通道的径向外部，并靠近燃料喷嘴组件的外围。第四通道68可以包括管状通道70，这些通道与燃料喷嘴组件的轴线72平行，延伸穿过间隙66，并允许稀释剂在这些通道的外表面上流向第三通道64。

燃料喷嘴组件24中靠近出口58的部分包括用于各通道的喷嘴，这些喷嘴使从这些通道排出的气体旋动(swirl)。中心通道60的排出端包括喷嘴74(端壁中的窄通道)，这些喷嘴可以圆形阵列布置，并沿着相对于通道的轴线72形成的锥角发散(diverge)。锥角的顶点在喷嘴74的上游，以使气体燃料以桨距角排出，例如，以10度到45度的桨距角排出，该桨距角既在喷嘴的下游，又在轴线72的径向外部。除了桨距角之外，例如，喷嘴74可以具有相对于轴线72的40度到60度的偏航角。偏航角使从喷嘴排出的燃料(参见箭头76)以顺时针旋转方向围绕轴线72旋动。中心通道还可包括值班喷嘴(pilotnozzle)，该喷嘴排出用于燃烧室启动条件下的燃料。

在第二通道62的排出端处的喷嘴78使氧化剂气体(参见箭头80)直接流入燃料的扩展锥形旋流中(箭头76)。喷嘴78使氧化剂气体以逆时针方向旋动，该方向与从中心通道60排出的气体的旋动方向相反。氧化剂与燃料的碰撞流动和相对旋流实现快速且有力的混合，以促进燃料快速且完全燃料。

喷嘴在环形通道和中心通道各自的排出端处以环形阵列布置。为了形成旋流，中部和内部环形通道的喷嘴以相对于通道轴线的斜角(obliqueangle)定向。随着气体从通道排出到燃烧区域中，中部和内部环形通道的这些喷嘴使工作流体和氧化剂以相反旋转方向旋动。类似地，中心通道的排出喷嘴可以相对于轴线成角度。相反，外部通道的喷嘴可以与轴线对齐，且使从该通道排出的燃料流不旋动。

相反的旋动使得工作流体与氧化剂流之间形成剪切，从而有助于快速混合这些流以及邻近旋流的气体燃料流。混合还通过燃料从中心通道中的倾斜喷嘴(anglednozzles)直接流入氧化剂和工作流体的旋流中来得到促进。

第二通道的喷嘴78可以圆形阵列布置，且沿相对于轴线72的桨距(锥形)角会聚，例如，该角可为20度到26度。喷嘴78的锥形角的顶点在喷嘴的下游。除了归因于锥形角的桨距角之外，喷嘴78可具有相对于轴线72的偏航角，例如，该偏航角可为5度到16度。喷嘴78的偏航角与中心通道的偏航角相反，例如，喷嘴的偏航角为负，中心通道的偏航角为正。所述桨距角和偏航角使喷嘴78将下游且径向向内的氧化剂气体导向从中心通道60的喷嘴74排出的燃料气体。

第三通道70在排出端处具有圆形阵列的喷嘴82，以用于将如工作流体等稀释剂注入燃料和氧化剂气体的旋动混合物中。低氧工作流体的注入可推迟和延迟燃烧，直到燃料和氧化剂在燃料喷嘴组件的端部处的空腔84的下游，例如，径向向外的扩展锥形部分。

第三通道的喷嘴82可以圆形阵列布置，且以例如30度到36度的桨距(锥形)角对齐。喷嘴82会聚，以使锥形角的桨距角向燃料喷嘴组件的轴线72径向向内。喷嘴82还可经配置以具有5度到16度的正偏航角，以随着工作流体流入燃料和氧化剂气体的混合物中，引起工作流体的顺时针旋流。工作流体的旋流和会聚流(箭头86)形成剪切流，并促使工作流体、氧化剂和燃料气体快速混合。这种有力且快速的混合能够在混合物流过空腔84的端部时快速发生燃烧。此外，快速燃烧将导致火焰温度高，从而实现有效燃烧以及良好的火焰稳定性。

从第四通道68排出燃料气体的喷嘴88可与空腔84的端部对齐，且以桨距角和偏航角定向成与轴线72平行。燃料可以沿轴向从喷嘴88排出，且不引起旋动。

由喷嘴88排出的燃料气体在空腔84的下游燃烧。来自喷嘴88的燃料流在轴向上相对于从中心通道60排出的燃料分级(staged)。由喷嘴88排出的燃料气体的轴向流动和速度可用于将燃烧从空腔84的端部向下游移动，从而减小因空腔84内的火焰锚定而损坏燃料喷嘴的风险。此外，流过通道50、68以及流过喷嘴8的燃料速率可以进行调节，例如，以减少氮氧化物(NOx)排放。

燃料喷嘴组件24可为大体柱形，且短于如第2009/0241508号美国专利申请公开案所示喷嘴等具有管状燃料喷嘴的燃料喷嘴。燃料喷嘴组件的直径(D)可以大体等于燃料喷嘴组件中从端盖42的内表面56向外延伸的部分的长度(L)。此外，燃料喷嘴组件24的出口58可与燃烧套管38的最接近端盖的轴向端对齐。

图5是燃料喷嘴组件24的排出端的透视图。中心通道的排出端88在延伸到第二和第三通道的排出端的椎体的尖端处。中心通道的喷嘴74、第二通道的圆形阵列喷嘴78，以及第三通道的圆形阵列喷嘴82沿着所述椎体的斜坡延伸。喷嘴74、78和82各自的出口在空腔84的凹处内。第三通道的喷嘴82成环形环绕空腔的外边缘延伸。空腔的边缘和燃料喷嘴的排出端安置在燃烧室套管端部的凹处90中。

燃料组件24经配置以实现有效和完全燃烧，其中火焰稳定性良好，且在化学当量燃烧条件下或接近该条件下运行。通过在空腔84内将稀释剂气体与燃料和氧化剂气体混合，可在混合物位于空腔和燃料喷嘴组件下游之前延迟燃烧。燃料、氧化剂气体和稀释剂气体的反向旋动促进在空腔内进行有力且完全的气体混合，以有效且完全地燃烧。

稀释剂气体的流速可进行调节，以促进在燃料喷嘴组件下游的所需位置处燃烧。类似地，从第四通道68排出的燃料的流速可调节而有助于有效且完全燃烧、火焰稳定性良好，且NOx排放低。

虽然已结合目前被认为是最具实用性和优选的实施例说明了本发明，但应了解本发明不限于已公开的实施例，相反，而是旨在涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效配置。

Claims (18)

1.一种用于燃气涡轮机中的燃烧室的燃料喷嘴组件，所述燃料喷嘴组件包括：

各自连接到气体燃料源的第一通道和第四通道，连接到气体氧化剂源的第二通道，以及连接到稀释剂气体源的第三通道；

其中所述第一通道是中心通道且经配置在所述中心通道的排出端处的喷嘴排出所述气体燃料，其中所述排出端在所述燃料喷嘴组件的空腔内，所述第二通道经配置通过与所述中心通道的所述喷嘴邻近且在所述空腔内的喷嘴来排出所述气体氧化剂，所述第三通道经配置通过与所述第二通道的所述喷嘴邻近且位于所述空腔内的喷嘴来排出稀释剂气体，且所述第四通道经配置在所述空腔的开放端的下游排出所述气体燃料。

2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件，其中所述第二、第三和第四通道与所述中心通道的轴线共轴，所述第三通道的所述喷嘴形成环绕所述轴线的环形阵列，所述第二通道的所述喷嘴形成环绕所述轴线且位于所述第三通道的所述环形阵列与所述中心通道的所述喷嘴之间的环形阵列，且所述第四通道的所述喷嘴形成环绕所述空腔的所述开放端的环形阵列。

3.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件，所述第四通道的排出端与所述燃料喷嘴组件的下游端轴向对齐。

4.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件，其中所述第一通道的喷嘴包括窄通道，所述窄通道各自具有径向向外定向的桨距角以及在40度到60度范围内的正偏航角，且其中所述第二和第三通道的喷嘴各自具有径向向内定向的桨距角以及5度到16度的偏航角，其中所述第三通道的所述喷嘴的所述偏航角为正，而所述第二通道的所述喷嘴的所述偏航角为负。

5.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件，其中所述稀释剂气体源是所述燃气涡轮机的压缩机，且所述稀释剂气体包括流过所述燃气涡轮机的工作流体。

6.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件，其中所述氧化剂气体源是大气，且所述氧化剂气体包括大气空气。

7.一种用于具有低氧工作流体的燃气涡轮机的燃烧室，其中所述燃烧室包括：

燃烧腔，所述燃烧腔具有下游端，燃烧气体经由所述下游端流向所述燃气涡轮机的涡轮，且所述燃烧腔具有与所述下游端相对的入口端；

位所述燃烧室的上游端的燃料喷嘴组件，所述燃料喷嘴组件包括连接到气体燃料源的中心通道和第四通道，连接到到气体氧化剂源的第二通道以及连接到稀释剂气体源的第三通道，其中所述中心通道经配置在所述中心通道的排出端处将所述气体燃料从喷嘴排出到所述燃料喷组组件内的空腔中，所述第二通道经配置通过与所述中心通道的所述喷嘴邻近的喷嘴将所述气体氧化剂排出到所述空腔中，所述第三通道经配置通过与所述第二通道的所述喷嘴邻近的喷嘴将稀释剂气体排出到所述空腔中，且所述第四通道经配置在所述空腔的下游排出所述气体燃料。

8.根据权利要求7所述的燃烧室燃料喷嘴组件，其中所述第二、第三和第四通道与所述中心通道的轴线共轴，所述第三通道的喷嘴形成环绕所述轴线的环形阵列，所述第二通道的喷嘴形成环绕所述轴线且位于所述第三通道的所述环形阵列与所述中心通道的所述喷嘴之间的环形阵列，且所述第四通道的所述喷嘴形成环绕所述空腔的下游开放端的环形阵列。

9.根据权利要求7所述的燃烧室，其中所述第四通道的排出端与所述燃料喷嘴组件的下游轴向对齐。

10.根据权利要求7所述的燃烧室，其中所述中心通道的所述喷嘴包括窄通道，所述窄通道各自具有径向向外定向的桨距角以及在40度到60度范围内的正偏航角，且其中所述第二和第三通道的所述喷嘴各自具有径向向内定向的桨距角以及5度到16度的偏航角，其中所述第三通道的所述喷嘴的所述偏航角为正，而所述第二通道的所述喷嘴的所述偏航角为负。

11.根据权利要求7所述的燃烧室，其中所述稀释剂气体源是所述燃气涡轮机的压缩机，且所述稀释剂气体包括流过所述燃气涡轮机的工作流体。

12.根据权利要求7所述的燃烧室，其中所述氧化剂气体源是大气，且所述氧化剂气体包括大气空气。

13.一种用于在低氧燃气涡轮机的燃烧室中产生燃烧气体的方法，其中所述燃烧室包括燃料喷嘴组件和燃烧腔，所述方法包括：

从各自延伸穿过所述燃料喷嘴组件的中心通道和第四通道排出燃料，其中所述燃料以朝第一旋转方向旋转的旋流方式在所述燃料喷嘴组件的端部从所述中心通道排入空腔中；

将氧化剂从邻近所述中心通道的第二通道排入所述空腔中，其中所述第二通道的排出端邻近所述中心通道的排出端，且其中所述氧化剂以朝第二旋转方向旋转的旋流方式排入所述空腔中，所述第二旋转方向与所述第一旋转方向相反；

从邻近所述第二通道的第三通道排出稀释剂，其中所述第三通道的排出端邻近所述第二通道的所述排出端，且其中所述稀释剂以朝所述第一旋转方向旋转的旋流方式排入到所述空腔中；

通过将所述稀释剂排入所述空腔中来延迟所述燃料和所述氧化剂的燃烧；

从与所述空腔的下游开放端邻近的所述第四通道的排出端排出所述燃料，以及

点燃所述燃烧腔中以及所述空腔的所述开放端的下游的所述燃料和所述氧化剂。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述燃料从所述第四通道的所述排出端中的喷嘴排出，所述喷嘴环绕所述空腔的所述开放端延伸。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述稀释剂是来自所述燃气涡轮机的压缩工作流体，且由所述燃气涡轮机的压缩机排出，其中在由所述压缩机排出时，所述工作流体包括来自所述燃气涡轮机的排出气体。

16.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二和第三通道与所述中心通道的轴线共轴，且所述氧化剂和稀释剂各自以单独的锥形旋流排出，所述旋流向所述中心通道排出的所述燃料径向向内延伸。

17.根据权利要求13所述的方法，其中所述氧化剂和所述稀释剂分别以在5度到16度范围内的偏航角从第二和第三通道排出，以形成所述旋流。

18.根据权利要求13所述的方法，其中所述氧化剂气体源是大气空气，且所述氧化剂气体包括大气空气。