CN103216851A - 具有弯曲部段的燃烧器喷嘴/预混器 - Google Patents

具有弯曲部段的燃烧器喷嘴/预混器 Download PDF

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Abstract

本发明提供具有弯曲部段的燃烧器喷嘴/预混器。一种用于在燃料和空气在燃气涡轮发动机中燃烧之前对燃料和空气进行预混的装置，该装置包括环形燃料通路，环形燃料通路接收来自燃料源的燃料。环形燃料通路包括燃料增压室并且具有波形形状，波形形状具有由波谷部段包绕的波峰部段。环形空气通路包绕环形燃料通路。环形空气通路接收将与燃料通路中的燃料混合的空气以用于下游燃烧。多个旋流器叶片邻近燃料增压室布置在环形空气通路中。

Description

具有弯曲部段的燃烧器喷嘴/预混器
技术领域
本发明涉及在燃料和空气在燃气涡轮发动机中燃烧之前对燃料和空气进行预混，并且更具体地，涉及包括弯曲部段以改进混合的燃烧器喷嘴/预混器。
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括用于对进入的空气流进行压缩的压缩机。空气流在燃烧器中与燃料混合并且点燃，以用于产生热燃烧气体。燃烧气体接着流向涡轮。涡轮从气体提取能量以用于驱动轴。轴为压缩机以及通常另一个元件(例如发电机)提供动力。
来自流套筒(flow sleeve)的冷空气进入燃烧器头端区域并且在多个喷嘴之间分配。总体而言，空气通过进口流动调节器(IFC)并且沿周向方向变得均匀。随后，空气在沿轴向设置的叶片的作用下旋转，并且燃料通过叶片中的孔被喷射至流中，以对燃料和空气进行预混。
来自燃烧气体的排气排放物通常是考虑因素并且可能受到强制限制。某些类型的燃气涡轮发动机设计成用于低排气排放物操作，并且具体而言，用于具有最小燃烧动力、充足的自动点火、以及火焰保持余量的低NOX(氮氧化物)操作。
低NOX燃烧器典型地包括围绕发动机的圆周沿周向彼此邻接的多个燃烧筒(can)。每一个筒都可以具有定位在其中的一个或多个燃料空气混合器或者喷嘴。喷嘴使用旋流空气来对燃料和空气进行混合，并且因此被称作“旋流器”。旋流器可以具有多个沿周向间隔开的叶片，以用于随着压缩空气流和燃料通过其中而对压缩空气流和燃料进行旋流和混合。
燃烧器喷嘴用于通过最小的压力损失提供燃料空气预混。在更短的距离上并且更高效地执行预混功能将是期望的。通过在更短的距离上的更多的燃料-空气混合，能够减少燃烧排放物。此外，现有的旋流器叶片典型地包括用于燃料的内部通路，并且因此，旋流器叶片的尺寸比期望中大并且制造更昂贵。简化结构并且消除旋流器叶片中的内部通路将是期望的。
发明内容
一种用于在燃料和空气在燃气涡轮发动机中燃烧之前对燃料和空气进行预混的装置包括环形燃料通路，环形燃料通路接收来自燃料源的燃料、包绕环形燃料通路的环形空气通路、以及多个旋流器叶片，多个旋流器叶片邻近燃料增压室部段布置在环形空气通路中。环形燃料通路具有上游通路、比上游通路窄的颈部通路、以及从颈部通路向较宽的通路弯曲的燃料增压室部段。环形空气通路接收将与燃料通路中的燃料混合的空气以用于下游燃烧。
在另一个示例性实施例中，一种燃烧器包括外壳、以及布置在外壳中的多个喷嘴。喷嘴中的每一个喷嘴都包括用于在燃料和空气在燃气涡轮机中燃烧之前对燃料和空气进行预混的装置的结构。
在又一个示例性实施例中，一种用于在燃料和空气在燃气涡轮发动机中燃烧之前对燃料和空气进行预混的装置包括环形燃料通路，环形燃料通路接收来自燃料源的燃料。环形燃料通路包括燃料增压室并且具有波形形状，波形形状具有由波谷部段包绕的波峰部段。环形空气通路包绕环形燃料通路。环形空气通路接收将与燃料通路中的燃料混合的空气以用于下游燃烧。多个旋流器叶片邻近燃料增压室布置在环形空气通路中。
附图说明
图1是燃气涡轮发动机的侧视横截面图；
图2是燃烧器喷嘴/预混器的剖视图；
图3是燃烧器喷嘴的端视图；以及
图4是示出了旋流器叶片的近视图。
具体实施方式
图1示出了燃气涡轮发动机10的横截面图。燃气涡轮发动机10包括压缩机20，以对进入的空气流进行压缩。压缩空气流接着被输送至燃烧器30，在燃烧器30处，压缩空气流与来自多个进入燃料线路40的燃料混合。燃烧器30可以包括布置在外壳55中的多个燃烧器筒或喷嘴50。众所周知，燃料和空气可以在喷嘴50内混合并且点燃。热燃烧气体接着被输送至涡轮60，以便驱动压缩机20和外部负载(例如发电机等)。喷嘴50典型地包括一个或多个旋流器。
图2是根据优选实施例的燃烧器喷嘴/预混器的剖视图。喷嘴50是在外壳55内以阵列布置的若干喷嘴中的一个。喷嘴50包括环形燃料通路62，环形燃料通路62接收来自燃料源的燃料。环形燃料通路62包括上游通路64、如图所示地比上游通路64窄的颈部通路66、以及从颈部通路66向较宽的通路弯曲的燃料增压室部段68。燃料通路如图所示地限定了波形形状，该波形形状具有由波谷部段包绕的波峰部段。环形空气通路70包绕环形燃料通路62，并且接收将与燃料通路62中的燃料混合的空气以用于下游燃烧。空气通路70的入口71可以是如图所示的圆形。多个旋流器叶片72邻近燃料增压室部段68布置在环形空气通路70中。
燃料增压室部段68包括位于环形燃料通路62中的燃料孔74。在示例性实施例中，喷嘴包括至少40个燃料孔74。优选地，燃料孔74布置在燃料增压室部段68的较宽的通路(最宽的部段)中。如图2中所示，燃料增压室部段68向较宽的通路的下游变窄，使得较宽的通路限定波峰部段。燃料孔74优选地布置在波峰部段中。此外，旋流器叶片72布置成邻近波峰部段包绕环形燃料通路62。燃料孔74定位在旋流器叶片之间。通过继续参照图2，燃料孔74可以定位在旋流器叶片72的后缘的上游，使得燃料具有充分的轴向速度，从而降低火焰保持的风险。
依靠弯曲的燃料通路62和相应地弯曲的空气通路70，环形空气通路的外部表面基本对应于燃料增压室部段68类似地弯曲。弯曲的外部表面76向外壳55提供轻微的压缩/扩散并且由此减少引入的周向非均匀性。即，喷嘴50以及外壳55的表面形成用作流动调节器的会聚/发散通路。由于空气的180°转动，因而可以高效地消除来自压缩机的非均匀性。总体而言，将通过外侧弯曲和圆形入口来分配空气而没有显著的非均匀性。
与现有设计相比，代替轴向旋流器，所描述的实施例的结构是弯曲或波状的。来自头端的空气通过圆形入口71，以保持周向均匀性。环形空气通路70中的空气向上流动至弯曲部段，从而进一步用于去除非均匀性。随后，空气通过叶片72并且与经由燃料孔74进入空气路径的燃料混合。由于叶片并不包括用于燃料的通路，因此叶片能够高度气动地制成。此外，叶片能够制造成比现有叶片短大约50％，从而提供额外的燃料/空气预混长度，或者备选地，能够缩短喷嘴。此外，在不具有燃料通路的情况下，能够将叶片制造得更薄，从而用于降低旋流器的总体重量。弯曲或波状的结构使得空气能够沿径向向上行进并且向下来到燃料喷射处。所得到的径向流有利于燃料与空气混合(轴向旋流器中不存在径向流)。
燃料从喷嘴的下游弯曲部处喷射但是仍然处于高半径处，使得预混是高效的。位于下方的燃料增压室能够制造成发散的，以减少压力变化。能够提供两个叶片之间或者叶片下游处的多个燃料孔部位。孔部位应该使得来自多个燃料孔的燃料并不混合，并且燃料流并不导向叶片的后缘。应当注意到，通过将燃料孔定位在轴向速度略高的区域中，降低了火焰保持的风险。该结构影响略微径向的流，从而造成早期混合。此外，无需流动调节装置，并且总体压降减少的程度较大。
较短和空气动力学的叶片以及圆形入口使得喷嘴在压降方面非常高效。仅有的压降将是由于燃烧器管中的流的旋转。此外，由于旋流器独立于叶片核心和腔，因此能够制造得更短，从而提供缩短旋流器长度的机会或者提供通过相同长度提供更佳混合的机会。在喷嘴的外部上，通过会聚-发散通路，该设计在流套筒出口处之后过滤掉CDC空气中的非均匀性。由于压缩-扩散是平滑的，因此使得相关的压力损失最小化。
尽管已经结合当前被认为是最可实施并且优选的实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不限于所公开的实施例，而是相反，旨在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种改型和等同布置。

Claims (19)

1.一种用于在燃料和空气在燃气涡轮发动机中燃烧之前对燃料和空气进行预混的装置，所述装置包括：
环形燃料通路，所述环形燃料通路接收来自燃料源的燃料，所述环形燃料通路具有上游通路、比所述上游通路窄的颈部通路、以及从所述颈部通路向较宽的通路弯曲的燃料增压室部段；
环形空气通路，所述环形空气通路包绕所述环形燃料通路，所述环形空气通路接收将与所述燃料通路中的燃料混合的空气以用于下游燃烧；以及
多个旋流器叶片，所述多个旋流器叶片邻近所述燃料增压室部段布置在所述环形空气通路中。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述燃料增压室部段包括位于所述环形燃料通路中的燃料孔，所述燃料孔布置在所述燃料增压室部段的所述较宽的通路中。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述燃料增压室部段向所述较宽的通路的下游变窄，使得所述较宽的通路限定了波峰部段，并且所述燃料孔布置在所述波峰部段中。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述旋流器叶片布置成邻近所述波峰部段包绕所述环形燃料通路。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述燃料孔布置在所述旋流器叶片之间。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置包括至少40个燃料孔。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述环形空气通路的外部表面与所述燃料增压室部段基本相对应地弯曲，弯曲的所述外部表面降低输入空气引入的周向不均匀性。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述燃料增压室部段包括位于所述环形燃料通路中的燃料孔，所述燃料孔布置在所述旋流器叶片的后缘的上游，使得燃料具有充分的轴向速度。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，通向所述环形空气通路的入口是圆形的。
10.一种燃烧器，所述燃烧器包括：
外壳；以及
多个喷嘴，所述多个喷嘴布置在所述外壳中，其中所述喷嘴中的每一个喷嘴都包括：
环形燃料通路，所述环形燃料通路接收来自燃料源的燃料，所述环形燃料通路具有上游通路、比所述上游通路窄的颈部通路、以及从所述颈部通路向较宽的通路弯曲的燃料增压室部段，
环形空气通路，所述环形空气通路包绕所述环形燃料通路，所述环形空气通路接收将与所述燃料通路中的燃料混合的空气以用于下游燃烧，以及
多个旋流器叶片，所述多个旋流器叶片邻近所述燃料增压室部段布置在所述环形空气通路中。
11.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述燃料增压室部段包括位于所述环形燃料通路中的燃料孔，所述燃料孔布置在所述燃料增压室部段的所述较宽的通路中。
12.根据权利要求11所述的燃烧器，其特征在于，所述燃料增压室部段向所述较宽的通路的下游变窄，使得所述较宽的通路限定了波峰部段，并且所述燃料孔布置在所述波峰部段中。
13.根据权利要求12所述的燃烧器，其特征在于，所述旋流器叶片布置成邻近所述波峰部段包绕所述环形燃料通路。
14.根据权利要求13所述的燃烧器，其特征在于，所述燃料孔布置在所述旋流器叶片之间。
15.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述环形空气通路的外部表面与所述燃料增压室部段基本对应地弯曲，所述环形空气通路的所述外部表面和所述外壳的内部表面限定了头端空气通路，其中所述头端空气通路成形为降低输入空气引入的周向非均匀性。
16.根据权利要求15所述的燃烧器，其特征在于，通向所述环形空气通路的入口是圆形的。
17.一种用于在燃料和空气在燃气涡轮发动机中燃烧之前对燃料和空气进行预混的装置，所述装置包括：
环形燃料通路，所述环形燃料通路接收来自燃料源的燃料，所述环形燃料通路包括燃料增压室并且具有波形形状，所述波形形状具有由波谷部段包绕的波峰部段；
环形空气通路，所述环形空气通路包绕所述环形燃料通路，所述环形空气通路接收将与所述燃料通路中的燃料混合的空气以用于下游燃烧；以及
多个旋流器叶片，所述多个旋流器叶片邻近所述燃料增压室布置在所述环形空气通路中。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述燃料增压室包括位于所述环形燃料通路中的燃料孔。
19.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述燃料孔布置在所述波峰部段中。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20130724