CN103363524A - 扩散燃烧器燃料喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种扩散燃烧器燃料喷嘴，其用于在燃烧器中喷射空气流以及一个或多个燃料流。所述燃料喷嘴可包括：用于所述一个或多个燃料流的一个或多个气体燃料通道；内部具有一个或多个空气室的旋流器，所述空气室围绕所述气体燃料通道；以及具有一个或多个帘槽的套环，所述帘槽围绕所述旋流器。所述空气流被分成，通过所述空气室的旋流器流，以及通过所述帘槽的帘流。

Description

扩散燃烧器燃料喷嘴

技术领域

本发明大体上涉及燃气涡轮发动机，确切地说，涉及一种扩散燃烧器燃料喷嘴，所述燃料喷嘴使用空气帘流来减少氮氧化物等排放物，同时维持有效的性能。

背景技术

燃气涡轮发动机的操作效率通常随着燃烧流温度的升高而增大。然而，较高的燃烧流温度可能会导致生成高水平的氮氧化物（NO_x）以及其他类型的有害排放物。此类排放物在美国可能会受到联邦法规和州法规的约束，并且在国外也可能会受到类似法规的约束。因此，需要在有效温度范围内操作燃气涡轮发动机，同时又需要确保氮氧化物和其他类型受限排放物的输出很好地保持在强制性水平以下，这两方面之间存在一种平衡的做法。还可以改变许多其他类型的操作参数，以提供这种最佳平衡。

在包括扩散型燃烧器（即，非预混燃烧器）的燃气涡轮发动机中，燃料被喷射到空气旋流器中。空气还流经旋流器以同燃料混合，以用于下游燃烧。然而，燃料以及得到的热燃烧气体可能会卷入旋流器下游的回流区中。因此，围绕燃料喷嘴和燃烧室的衬里可能会经受相对较高的首端温度（high head-end temperatures）。此外，当燃烧器燃烧某些类型的液体燃料时，所述相对较高的首端温度可能会进一步升高。此类高温可能对衬里和其他部件的完整性和寿命造成影响。

因此，燃气涡轮发动机的燃烧器，尤其是扩散型燃烧器，需要使用一种改进的燃料喷嘴。这种用于扩散燃烧器的燃料喷嘴能够在产生有限排放物的情况下，使得其中的燃料流和空气流有效地燃烧，同时还能限制衬里温度以增长部件寿命。

发明内容

本发明在此提供一种用于在燃烧器中喷射空气流以及一个或多个燃料流的燃料喷嘴。所述燃料喷嘴可以包括：所述一个或多个燃料流的一个或多个气体燃料通道；内部具有一个或多个空气室的旋流器，所述空气室围绕所述气体燃料通道；以及具有一个或多个帘槽（curtain slot）的套环，所述帘槽围绕所述旋流器。所述空气流被划分为通过所述空气室的旋流器流、以及通过所述帘槽的帘流（curtainflow）。

本发明进一步提供了一种用于对燃烧器中的燃料喷嘴进行操作的方法。所述方法可以包括以下步骤：通过燃料喷嘴提供一个或多个燃料流；在燃料喷嘴附近提供空气流；以及将空气流划分为通过旋流器的旋流器流以及通过套环的帘流，以使得帘流围绕旋流器流的混合的燃料-空气流以及一个或多个燃料流。

本发明进一步提供了一种用于在扩散燃烧器中喷射空气流以及一个或多个燃料流的燃料喷嘴。所述燃料喷嘴可以包括：用于所述燃料流的一个或多个气体燃料通道；围绕所述气体燃料通道的旋流器；以及围绕所述旋流器的套环。所述旋流器可以包括多个旋流叶片，所述旋流叶片限定了旋流器中的多个空气室。所述套环可以包括多个帘槽。空气流可以划分为通过空气室的旋流器流、以及通过帘槽的帘流。

通过结合若干附图和所附权利要求书来回顾以下具体实施方式，所属领域的一般技术人员将清楚地了解本发明和相应专利的这些和其他特征以及改进。

附图说明

图1是示出了压缩机、燃烧器以及涡轮的燃气涡轮发动机的示意图。

图2是如图1所示的燃烧器的一个实例的侧视图。

图3是可以用在图2的燃烧器中的燃料喷嘴的侧视截面图。

图4是图3中的燃料喷嘴的正视平面图。

图5是本说明书中所描述的燃料喷嘴的局部透视图。

图6是用于与图5中的燃料喷嘴一起使用的喷嘴套环的透视图。

具体实施方式

现参阅附图，在附图中，相同数字指示各个视图中的相同元件，图1示出了本说明书中可以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对进入的空气流20进行压缩。压缩机15将压缩空气流20输送到燃烧器25。燃烧器25将压缩空气流20与加压燃料流30混合，然后点燃所述混合物以产生燃烧气体流35。尽管只示出了单个燃烧器25，但是燃气涡轮发动机10可以包括任意数目个燃烧器25。燃烧气体流35随后输送到涡轮40。燃烧气体流35驱动涡轮40，从而产生机械功。涡轮40中产生的机械功经由轴45驱动压缩机15，并驱动发电机等外部负载50。本说明书中可以使用其他配置和其他部件。

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/或者其他类型的燃料。燃气涡轮发动机10可以是位于纽约州斯卡奈塔第（Schenectady，New York）的通用电气公司（General ElectricCompany）所提供的多种不同燃气涡轮发动机中的任意一种，包括（但不限于）7或9系列重型燃气涡轮发动机以及类似的燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机10可以具有不同配置，而且可以使用其他类型的部件。本说明书中还可以使用其他类型的燃气涡轮发动机。本说明书中还可以同时使用多个燃气涡轮发动机、其他类型的涡轮以及其他类型的发电设备。

图2示出了可以用于燃气涡轮发动机10以及类似设备中的燃烧器25的一个实例。燃烧器25可以包括位于其中的多个燃料喷嘴55。如上文所述，每个燃料喷嘴55可以引导空气流20、燃料流30以及其他流体的可选流，以在燃烧器25中实现燃烧。可以按任意配置来使用任意数目个燃料喷嘴55。燃料喷嘴55可以连接到燃烧器25的首端（head-end）65附近的端盖60。空气流20和燃料流30可以经引导而通过端盖60与首端65，进入每个燃料喷嘴55中，从而在燃料喷嘴55的下游分配燃料-空气混合物。

燃烧器25还可以包括位于其中的燃烧室70。燃烧室70可以由燃烧壳体75、燃烧衬里80、导流套管85等来限定。衬里80和导流套管85可以相对于彼此得到同轴定位，从而限定空气路径90以使空气流20从空气路径90中穿过。燃烧室70可以通向下游过渡连接件95。空气流20和燃料流30可以在燃料喷嘴55的下游混合，以在燃烧室70内燃烧。随后，经由过渡连接件95，燃烧气体流35被导向涡轮40，从而在涡轮40中产生有用功。本说明书中还可以使用其他部件和其他配置。

图3和图4示出了可以用于燃烧器25以及类似装置中的燃料喷嘴55的一个实例。燃料喷嘴55可以是扩散燃料喷嘴100。具体而言，燃料喷嘴55可以是双燃料喷嘴105。鉴于此，燃料流30可以包括一个或多个气体燃料（例如，天然气）流110，以及一个或多个液体燃料（例如，合成气等）流115。本说明书中还可以使用其他类型的燃料流以及其他类型的燃料流组合。

燃料喷嘴55可以包括外管120。外管120可以通向具有燃料喷嘴头130的下游面125。外管120可以包括位于其中的多个燃料、空气以及水通道。具体而言，多个气体燃料通道135可以延伸穿过外管120，并且可以沿轴向定位在下游面125附近。气体燃料通道135可以与气体燃料流110连通。多个顶端出口140也可以延伸穿过外管120，并且可以定位在燃料喷嘴头130附近。顶端出口140可以包括与液体燃料流115连通的液体燃料出口145。顶端出口140还可以包括与雾化空气流连通的雾化空气出口150、以及与水流连通的水出口155。本说明书中还可以使用其他部件和其他配置。

旋流器160可以定位在燃料喷嘴55的下游面125附近。旋流器160可以包括多个旋流叶片165。旋流叶片165可以限定多个空气室170。空气室170可以与来自端盖60的空气流20连通。针对至少一部分气体燃料流110，多个旋流器通道175可以从气体燃料通道135延伸到空气室170。因此，空气流20与气体燃料流110可以开始在旋流器160附近混合，以在下游燃烧室70内燃烧。一般而言，所有空气流20因此都会作为旋流器流180而通过旋流器160的空气室170。套环185可以围绕旋流器160。一个锥体（未图示）可以从燃料喷嘴55延伸到衬里80。本说明书中可以针对不同类型的燃料使用其他类型的燃料喷嘴55以及其他类型的燃烧器25。类似地，本说明书中还可以使用其他部件和其他配置。

图5和图6示出了本说明书将描述的燃料喷嘴200。燃料喷嘴200可以是扩散喷嘴210，扩散喷嘴210几乎不具有上游燃料-空气预混合。燃料喷嘴200还可以是用于喷射气体燃料流110和液体燃料流115二者的双燃料喷嘴220。本说明书中还可以使用其他类型的流。通过与上文所述方式类似的方式，燃料喷嘴200因此包括延伸穿过其中的一个或多个气体燃料通道230。气体燃料通道230可以朝向下游面240延伸。燃料喷嘴200还可以包括多个顶端出口250。顶端出口250可以定位在燃料喷嘴头260附近，燃料喷嘴头260位于下游面240附近。顶端出口250可以包括一个或多个液体燃料出口270以及用于雾化空气、水和类似物的出口。本说明书中还可以使用其他部件和其他配置。

燃料喷嘴200还可以包括旋流器280，旋流器280定位在燃料喷嘴200的下游面240附近。旋流器280围绕燃料喷嘴头260。旋流器280可以包括多个旋流叶片290，所述旋流叶片290限定了延伸穿过旋流叶片290中的多个空气室300。旋流叶片290和空气室300可以具有任意尺寸、形状或配置。本说明书中可以使用任意数目个旋流叶片290和空气室300。针对穿过多个旋流叶片气体燃料通道310的至少一部分气体燃料流110而言，气体燃料通道310可以从一个或多个气体燃料通道230延伸到空气室300。空气入口320可以限定在旋流器280的上游端上，旋流器280与来自端盖60的空气流20连通。空气入口320可以具有任意尺寸、形状或配置。本说明书中还可以使用其他部件和其他配置。

燃料喷嘴200还可以包括围绕旋流器280的套环330。锥体340可以从套环330处朝向衬里80延伸。所述套环330可以包括延伸穿过其中的多个帘槽350。帘槽350可以包括成一定角度的配置360。帘槽350可以具有任意尺寸、形状或配置。本说明书中可以使用任意数目个帘槽350。帘槽350可以从空气入口320附近延伸到下游面240。因此空气流20可以划分为，从旋流器280的空气室300中通过的旋流器流370、以及从套环330的帘槽350中延伸穿过的帘流380。旋流器流370和帘流380各自的比例都可以改变。本说明书中还可以使用其他部件和其他配置。

在使用过程中，至少一部分气体燃料流110延伸穿过气体燃料通道230，穿过旋流器叶片气体燃料通道310，并且进入旋流器280的空气室300中。类似地，液体燃料流115、雾化空气流以及水流通过顶端出口250。空气流20流经空气入口320，并且随后可以分为，通过空气室300的旋流器流370、以及从套环300的帘槽350中通过的帘流380。气体燃料流110与旋流器流370开始在旋流器280的空气室300内混合，以生成延伸到燃烧室70中的混合燃料-空气流390。考虑到帘槽350的成一定角度的配置360，帘流380可以按一定角度喷射。因此，帘流380用于包裹（blanket）此混合燃料-空气流390。

帘流380的喷射能防止混合燃料-空气流390和/或燃烧气体流35卷入燃料喷嘴200附近的回流区中。因此，帘流380的包裹效应（blanketing effect）可以减少NOx排放物以及类似物。具体而言，可以降低燃料-空气流390的可燃值（flammable value），从而改进排放并且延长衬里80以及热气通路中其他部件的有效寿命。在本说明书中，还可以降低水与燃料之比。

因此，本说明书中所描述的燃料喷嘴200能提供较低水平的天然气排放以及较宽的液体燃料灵活性。与提高燃料-空气预混合的现有方法相反，本说明书中所描述的燃料喷嘴200实际上降低了预混合，从而能改进总体的NO_x排放。这种降低燃料-空气预混合的非直观方法不同于此类现有燃料喷嘴设计和操作理论。因此，在本说明书中，帘流380的使用改进了排放以及总体的部件寿命。

应了解，上述说明仅涉及本发明和相应专利的某些实施例。所属领域的技术人员可以在不脱离本发明的基本精神和范围的情况下对本发明做多种改变和修改，本发明的精神和范围由所附权利要求书及其等效物来限定。

Claims (20)

1.一种用于在燃烧器中喷射空气流以及一个或多个燃料流的燃料喷嘴，其包括：

用于所述一个或多个燃料流的一个或多个气体燃料通道；

围绕所述一个或多个气体燃料通道的旋流器；

所述旋流器包括位于其中的一个或多个空气室；以及

围绕所述旋流器的套环；

所述套环包括一个或多个帘槽；

其中所述空气流被分成通过所述一个或多个空气室的旋流器流、以及通过所述一个或多个帘槽的帘流。

2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其中所述燃料喷嘴包括位于扩散燃烧器中的双燃料喷嘴。

3.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其中所述一个或多个燃料流包括流经所述一个或多个气体燃料通道的气体燃料。

4.根据权利要求3所述的燃料喷嘴，其中所述一个或多个气体燃料通道朝下游面延伸。

5.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其中所述一个或多个燃料流包括流经液体燃料出口的液体燃料。

6.根据权利要求5所述的燃料喷嘴，其中所述液体燃料出口包括设置在燃料喷嘴头附近的顶端出口。

7.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其中所述旋流器包括限定所述一个或多个空气室的多个旋流叶片。

8.根据权利要求7所述的燃料喷嘴，其中所述多个旋流叶片包括穿过所述旋流叶片的多个气体燃料通道。

9.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其进一步包括与所述一个或多个空气室以及所述一个或多个帘槽连通的空气入口。

10.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其中所述套环包括从所述套环开始延伸的锥体。

11.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其中所述一个或多个帘槽包括成一定角度的配置。

12.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其中所述帘流围绕所述旋流器流。

13.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其中所述帘流围绕所述旋流器流中的燃料空气流以及所述一个或多个燃料流。

14.根据权利要求1所述的燃料喷嘴，其中所述帘流沿衬里延伸。

15.一种用于对燃烧器中的燃料喷嘴进行操作的方法，其包括：

通过所述燃料喷嘴提供一个或多个燃料流；

在所述燃料喷嘴附近提供空气流；以及

将所述空气流划分为通过旋流器的旋流器流、以及通过套环的帘流，以使所述帘流围绕所述旋流器流中的燃料空气流以及所述一个或多个燃料流。

16.一种用于在扩散燃烧器中喷射空气流以及一个或多个燃料流的燃料喷嘴，其包括：

用于所述一个或多个燃料流的一个或多个气体燃料通道；

围绕所述一个或多个气体燃料通道的旋流器；

所述旋流器包括多个旋流叶片，所述旋流叶片限定所述旋流器中的多个空气室；以及

围绕所述旋流器的套环；

所述套环包括多个帘槽；

其中所述空气流被分成通过所述多个空气室的旋流器流、以及通过所述多个帘槽的帘流。

17.根据权利要求16所述的燃料喷嘴，其中所述多个旋流叶片包括穿过所述旋流叶片的多个气体燃料通道。

18.根据权利要求16所述的燃料喷嘴，其进一步包括与所述多个空气室和所述多个帘槽连通的空气入口。

19.根据权利要求16所述的燃料喷嘴，其中所述套环包括从所述套环开始延伸的锥体。

20.根据权利要求16所述的扩散燃烧器，其中一个或多个帘槽包括成一定角度的配置。

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