CN103216852A - 具有阶梯形中心体的轴流式燃料喷嘴 - Google Patents

具有阶梯形中心体的轴流式燃料喷嘴 Download PDF

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Abstract

一种具有阶梯形中心体的轴流式燃料喷嘴。本发明涉及并提供一种用于燃气涡轮机的轴流式燃料喷嘴，该轴流式燃料喷嘴包括多个环形通路以用于输送燃烧材料。环形空气通路接收压缩机排气，并且多个旋流器叶片槽定位成邻近环形空气通路的轴向端部。第一环形通路相对于环形空气通路沿径向向内布置并且包括第一开口，第一开口定位成邻近第一环形通路的轴向端部并且定位在旋流器叶片槽的下游。第二环形通路相对于第一环形通路沿径向向内布置并且包括第二开口，第二开口定位成邻近第二环形通路的轴向端部并且定位在第一开口的下游。

Description

具有阶梯形中心体的轴流式燃料喷嘴
技术领域
本发明涉及燃料喷嘴，并且更具体地，涉及用于燃气涡轮机的轴流式燃料喷嘴，该轴流式燃料喷嘴包括多个环形通路以有利于混合。
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括压缩机，以用于对进入的空气流进行压缩。空气流在燃烧器内与燃料相混合并且点燃，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对轴进行驱动。该轴为压缩机以及例如发电机的大体另一个元件提供动力。来自燃烧气体的废气排放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废气排放操作，并且具体而言，用于具有最小的燃烧动力、充分自动点燃、和火焰保持裕度的低NOX(氮氧化物)操作。
在现有低NOX燃烧器喷嘴的中，液体燃料回路将燃料和水直接喷射到再循环区域(燃烧区域)中。燃料的充分燃烧产生高温，从而使得形成较高的排放。现有设计也同时使用雾化空气和水用于减少NOX。提供使液体燃料在预混通路中更好地雾化以降低排放同时还使得更好地使用幕空气的简单设计将是期望的。
发明内容
在一个示例性实施例中，一种用于燃气涡轮机的轴流式燃料喷嘴包括多个环形通路以用于输送燃烧材料。环形空气通路接收压缩机排气，并且多个旋流器叶片槽定位成邻近环形空气通路的轴向端部。第一环形通路相对于环形空气通路沿径向向内布置并且包括第一开口，第一开口定位成邻近第一环形通路的轴向端部并且定位在旋流器叶片槽的下游。第二环形通路相对于第一环形通路沿径向向内布置并且包括第二开口，第二开口定位成邻近第二环形通路的轴向端部并且定位在第一开口的下游。
在另一个示例性实施例中，环形空气通路接收压缩机排气，并且多个旋流器叶片槽定位成邻近环形空气通路的轴向端部。环形空气通路通过旋流器叶片槽将幕空气/雾化空气输送至位于旋流器叶片槽下游的预混区域。环形液体燃料通路相对于环形空气通路沿径向向内布置并且将液体燃料输送至预混区域。环形水通路相对于环形液体燃料通路沿径向向内布置并且将水输送至预混区域，其中水用于对燃料喷嘴进行冷却并且有利于液体燃料与压缩机排气的混合。
在又一个示例性实施例中，一种对用于在燃气涡轮机中燃烧的燃料和空气进行预混的方法包括以下步骤：使压缩机排气通过环形空气通路并且通过定位成邻近环形空气通路的轴向端部的多个旋流器叶片槽流向位于旋流器叶片槽下游的预混区域；通过相对于环形空气通路沿径向向内布置的第一环形通路将(1)燃料、(2)水、和(3)燃料与水的混合物中的一种输送至预混区域；以及通过相对于第一环形通路沿径向向内布置的第二环形通路将(1)水和(2)空气中的一种输送至预混区域。
附图说明
图1是燃气涡轮发动机的侧横截面图；
图2是根据实施例的燃料喷嘴的剖面图；以及
图3是燃料喷嘴的端视图。
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的燃料相混合。燃烧器30可以包括布置在外壳55中的多个燃烧器罐或喷嘴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，以便对压缩机20和外部负载(例如发动机等)进行驱动。喷嘴50典型地包括一个或多个旋流器。
图2是通过根据所描述的实施例的轴流式燃料喷嘴的横截面。燃料喷嘴包括多个环形通路。环形空气通路62限定了径向最外侧的通路并且接收压缩机排气。如图所示，多个旋流器叶片槽64定位成邻近环形空气通路62的轴向端部。第一环形通路66相对于环形空气通路62沿径向向内布置。第一环形空气通路66包括第一开口68，第一开口68定位成邻近通路66的轴向端部。开口68定位在旋流器叶片槽64的下游。第二环形通路70相对于第一环形通路沿径向向内布置，并且包括第二开口72，第二开口72定位成邻近通路70的轴向端部并且定位在第一开口68的下游。
在一个实施例中，第一环形通路66与液体燃料源相联接。由此，第一开口68相对于环形空气通路62定位成使得通过旋流器叶片槽64的空气使流过第一开口68的液体燃料至少部分地雾化。在该布置中，第二环形通路70可以与水源相联接。由此，第二开口72相对于第一开口68定位成使得通过第二开口72的水冲击或影响流过第一开口68的液体燃料。邻近第一开口68和第二开口72的位于旋流器叶片槽64上游的区域用作预混区域。
在备选操作中，第二环形通路70可以与空气源相联接。由此，第二开口72相对于第一开口68定位成使得通过第二开口72的空气冲击或影响流过第一开口68的液体燃料。第二开口72可以定向成使得通过第二开口72的空气沿喷嘴中心体的远端产生环形空气层。环形空气层或空气幕用于对中心体进行冷却，并且还使液体燃料射流雾化。
第一环形通路66仍然可以备选地与混合的液体燃料和水的源相联接。使用水用于使系统较冷，由此减少积炭。此外，水用于对火焰温度进行冷却和降低NOX排放。第二环形通路70中的空气用于清洁燃料输入下游的表面，从而能够减少与火焰保持相关的考虑因素。
在操作期间，所有三个通路都可以仅与空气源相联接。
叶片槽64产生剪力并且增加气体混合。较大的角度(例如，大于45°)通过增加涡流而加强中心再循环，这对于火焰稳定性而言是期望的。燃料孔68优选地置位成使得空气通路62中的高速空气用于使燃料射流中断。能够通过对孔68和槽64的数量进行控制而容易地控制动量比。增加水也用于使燃料射流中断并且减少NOX，同时还对液体燃料进行冷却并且防止堵塞(抗结焦)。
参照图2和图3，主燃烧空气流过主燃烧空气旋流器74，主燃烧空气旋流器74布置在主燃烧空气通路76的上游端部处。如图所示，主燃烧空气通路76布置成包绕环形空气通路62。主燃烧空气旋流器包括叶片78，叶片78定向成将涡流施加给流过主燃烧空气旋流器74的空气。环形空气通路62中的旋流器叶片槽64可以定向成具有与主燃烧空气旋流器74的叶片78相同的取向或者具有相反的取向。随着旋流器叶片槽64与主旋流器叶片78对准，通过喷嘴实现压降减小的效果；并且随着以相反的取向布置槽，可以实现更佳混合。
通过继续参照图2，环形空气通路62的远端80可以从第一厚度逐渐变细至第二较薄厚度，如图所示。例如，远端处的厚度可以像0.012-0.020英寸(12-20密尔)那样小或者更小。端部80示为位于旋流器叶片槽64的下游并且大体沿径向与第一开口68对准。在第一环形通路66通过开口68输送液体燃料的实施例中，端部80防止液体燃料与燃烧器管外壳相接触。这对防止火焰保持以及防止对燃烧器外壳的损坏方面是期望的。唇缘用于产生液体燃料或液体燃料射流的薄膜，以用于使燃料更好地雾化。
传统上，空气通路62用于冷却喷嘴中心体82。如虚线所示，喷嘴中心体也可以逐渐变细，其中较大的中心体直径对于火焰稳定而言能够是更佳的。通路62驱动压缩机排气通过旋流器叶片槽64。通过所描述的实施例的结构，该空气分流，使得其首先用于使液体燃料射流雾化，并且接着通过在中心体和尖端处形成仅有空气的层而对中心体和中心体尖端进行冷却。在操作期间，随着与主旋流器空气在毂上方产生抗剪层，该空气能够用于进一步混合。能够具有这样的燃料孔图案：该燃料孔图案产生略微跨过毂中部的丰富气体燃料空气混合分布。即，随着幕空气与主空气混合，能够调节燃料-空气混合分布。
下一个径向向内通路66可以用于液体燃料，或者如上所述，在操作期间，可以通过空气对该径向向内通路66进行吹扫。回路可以仅容纳液体燃料或乳液燃料(与水混合的液体燃料)。
下一个径向向内通路70优选地用于水，该水对位于下方的液体燃料进行冷却，以避免积碳/结焦问题。如图所示，孔72置位成使得流过孔的水撞击燃料射流并且通过燃料射流之后的水去除任何低速区域(以避免就在射流之后的火焰保持)。水有助于使燃料射流中断。在下游部位处，水与燃料相混合并且同时燃烧用于降低局部温度且减少NOX形成。
液体燃料孔口68和水孔口72可以置位成彼此靠近，使得水可以具有更多机会来冲击液体燃料/与液体燃料相混合。如上所述，在备选实施例中，可以包括具有低压比的雾化空气而不是水。冷的雾化空气可以对位于下方的液体燃料通路进行冷却，并且将有助于使液体燃料射流雾化。
总体而言，该设计提供通过更佳雾化和预混结合液体燃料(导致较低排放)的低成本方式。该设计也增强气体燃料操作且对中心体尖端进行冷却。经过改进的雾化和预混用于减少集中燃烧以及所获得的高温，由此降低NOX排放。通过提供具有抗剪层的用于气体侧预混的幕空气，能够实现中心体尖端附近的快速混合。该设计还可以降低对水的需要并且可以消除对雾化空气的使用，由此改进液体燃料操作的热耗率。
尽管已经结合当前被认为是最可实践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 (18)

1.一种用于燃气涡轮机的轴流式燃料喷嘴，所述轴流式燃料喷嘴包括：
环形空气通路，所述环形空气通路接收压缩机排气；
多个旋流器叶片槽，所述多个旋流器叶片槽定位成邻近所述环形空气通路的轴向端部；
第一环形通路，所述第一环形通路相对于所述环形空气通路沿径向向内布置并且包括第一开口，所述第一开口定位成邻近所述第一环形通路的轴向端部并且定位在所述旋流器叶片槽的下游；以及
第二环形通路，所述第二环形通路相对于所述第一环形通路沿径向向内布置并且包括第二开口，所述第二开口定位成邻近所述第二环形通路的轴向端部并且定位在所述第一开口的下游。
2.根据权利要求1所述的轴流式燃料喷嘴，其特征在于，所述第一环形通路与液体燃料源相联接。
3.根据权利要求2所述的轴流式燃料喷嘴，其特征在于，所述第一开口相对于所述环形空气通路定位成使得通过所述旋流器叶片槽的空气使流过所述第一开口的液体燃料至少部分地雾化。
4.根据权利要求3所述的轴流式燃料喷嘴，其特征在于，所述第二环形通路与水源相联接。
5.根据权利要求4所述的轴流式燃料喷嘴，其特征在于，所述第二开口相对于所述第一开口定位成使得通过所述第二开口的水冲击流过所述第一开口的液体燃料。
6.根据权利要求2所述的轴流式燃料喷嘴，其特征在于，所述第二环形通路与空气源相联接。
7.根据权利要求6所述的轴流式燃料喷嘴，其特征在于，所述第二开口相对于所述第一开口定位成使得通过所述第二开口的空气冲击流过所述第一开口的液体燃料。
8.根据权利要求6所述的轴流式燃料喷嘴，其特征在于，所述第二开口定向成使得通过所述第二开口的空气沿喷嘴中心体的远端产生环形空气层。
9.根据权利要求1所述的轴流式燃料喷嘴，其特征在于，所述第一环形通路与液体燃料和水的混合源相联接。
10.根据权利要求1所述的轴流式燃料喷嘴，其特征在于，所述第二环形通路与水源相联接。
11.根据权利要求1所述的轴流式燃料喷嘴，其特征在于，所述第二环形通路与空气源相联接。
12.根据权利要求1所述的轴流式燃料喷嘴，其特征在于，所述第一环形通路与液体燃料源相联接，并且其中所述第二环形通路与水源相联接，所述第一开口相对于所述环形空气通路定位成使得通过所述旋流器叶片槽的空气使流过所述第一开口的燃料至少部分地雾化。
13.根据权利要求1所述的轴流式燃料喷嘴，其特征在于，所述轴流式燃料喷嘴进一步包括布置在主燃烧空气通路的上游端部处的主燃烧空气旋流器，所述主燃烧空气通路布置成包绕所述环形空气通路，其中所述主燃烧空气旋流器包括叶片，所述叶片定向成将涡流施加给流过所述主燃烧空气旋流器的空气，并且其中所述旋流器叶片槽定向成具有与所述主燃烧空气旋流器的所述叶片相同的取向。
14.根据权利要求1所述的轴流式燃料喷嘴，其特征在于，所述轴流式燃料喷嘴进一步包括布置在主燃烧空气通路的上游端部处的主燃烧空气旋流器，所述主燃烧空气通路布置成包绕所述环形空气通路，其中所述主燃烧空气旋流器包括叶片，所述叶片定向成将涡流施加给流过所述主燃烧空气旋流器的空气，并且其中所述旋流器叶片槽定向成具有与所述主燃烧空气旋流器相反的取向。
15.根据权利要求1所述的轴流式燃料喷嘴，其特征在于，所述环形空气通路的远端从第一厚度逐渐变细至第二较薄厚度。
16.一种用于燃气涡轮机的轴流式燃料喷嘴，所述轴流式燃料喷嘴包括：
环形空气通路，所述环形空气通路接收压缩机排气；
多个旋流器叶片槽，所述多个旋流器叶片槽定位成邻近所述环形空气通路的轴向端部，其中所述环形空气通路通过所述旋流器叶片槽将幕空气/雾化空气输送至位于所述旋流器叶片槽下游的预混区域；
环形液体燃料通路，所述环形液体燃料通路相对于所述环形空气通路沿径向向内布置，所述环形液体燃料通路将液体燃料输送至所述预混区域；以及
环形水通路，所述环形水通路相对于所述环形液体燃料通路沿径向向内布置，所述环形水通路将水输送至所述预混区域，其中水用于对所述燃料喷嘴进行冷却并且有利于液体燃料与压缩机排气的混合。
17.根据权利要求16所述轴流式燃料喷嘴，其特征在于，所述环形液体燃料通路包括第一开口，所述第一开口定位成邻近所述环形液体燃料通路的轴向端部并且定位在所述旋流器叶片槽的下游，并且其中所述环形水通路包括第二开口，所述第二开口定位成邻近所述环形水通路的轴向端部并且定位在所述第一开口的下游。
18.一种对用于在燃气涡轮机中燃烧的燃料和空气进行预混的方法，所述方法包括：
使压缩机排气通过环形空气通路并且通过定位成邻近所述环形空气通路的轴向端部的多个旋流器叶片槽流向位于所述旋流器叶片槽下游的预混区域；
通过相对于所述环形空气通路沿径向向内布置的第一环形通路将(1)燃料、(2)水、和(3)燃料与水的混合物中的一种输送至所述预混区域；以及
通过相对于所述第一环形通路沿径向向内布置的第二环形通路将(1)水和(2)空气中的一种输送至所述预混区域。
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