CN106574775B

CN106574775B - 具有双孔口雾化器的多功能燃料喷嘴

Info

Publication number: CN106574775B
Application number: CN201480081200.2A
Authority: CN
Inventors: S.A.拉米尔; V.V.巴夫; R.L.萨克维; C.波利佐普洛斯; K.F.阿布-贾乌德
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2014-08-14
Filing date: 2014-08-14
Publication date: 2019-10-18
Anticipated expiration: 2034-08-14
Also published as: JP2017524891A; US20170204785A1; WO2016024976A1; JP6410924B2; US10132240B2; EP3180565A1; CN106574775A; EP3180565B1

Abstract

提供一种用于燃烧涡轮发动机的多功能燃料喷嘴（10）。环形燃料喷射喷枪（12）可包括第一流体回路（14）和第二流体回路（16）。第一流体回路和第二流体回路中的一者在燃烧涡轮发动机的液体燃料操作模式期间可输送液体燃料。第一流体回路和第二流体回路中的另一者可输送可选的非燃料流体。雾化器（30）安置在喷枪的下游端处。雾化器可具有：第一喷出孔口（32），其响应于第一流体回路以形成第一雾化喷出锥（34）；以及第二喷出孔口（36），其响应于第二流体回路以形成第二雾化喷出锥（38）。由雾化器形成的第一和第二喷出锥（34、38）可为在预先确定的角度范围内彼此相交的同心锥。

Description

具有双孔口雾化器的多功能燃料喷嘴

背景

1. 技术领域

所公开的实施例涉及用于燃烧涡轮发动机（诸如，燃气涡轮发动机）的燃料喷嘴。更具体地，所公开的实施例涉及具有双孔口雾化器的改进的多功能燃料喷嘴，所述双孔雾化器被构造成形成相交的雾化喷雾锥。

2. 相关技术的描述

燃气涡轮发动机包括一个或多个燃烧室，所述燃烧室被构造成通过在压缩气体中燃烧燃料来产生热工作气体。采用燃料喷射组件或喷嘴来将燃料引入到每个燃烧室中。为向用户提供灵活性，这样的燃料喷嘴可以是多燃料类型的，其能够燃烧液体燃料或气体燃料之一，或同时燃烧液体燃料和气体燃料两者。

燃气涡轮机燃烧室中的燃烧导致在所燃烧的气体中形成氮的氧化物（NOx），这被认为是不理想的。用于减少NOx的形成的一种技术涉及经由燃料喷射喷嘴将水与燃料一起喷射到燃烧室中。美国专利申请号13/163,826公开了一种燃料喷嘴组件，所述燃料喷嘴组件能够连同液态水喷射一起，燃烧气体燃料或液体燃料之一，或者两者。

发明内容

本发明提供一种用于燃烧涡轮发动机的多功能燃料喷嘴，其包括：

环形燃料喷射喷枪，其包括第一流体回路和第二流体回路，

其中，所述第一流体回路居中地安置在所述喷枪内，其中，所述第一流体回路沿所述喷枪的纵向轴线延伸以将第一流体输送到所述喷枪的下游端，

其中，所述第二流体回路围绕所述第一流体回路环形地安置以将第二流体输送到所述喷枪的所述下游端，其中，所述第一流体和所述第二流体中的一者包括液体燃料，其在所述燃烧涡轮发动机的液体燃料操作模式期间通过所述第一流体回路和所述第二流体回路中的一者输送，

其中，通过所述第一流体回路和所述第二流体回路中的另一者输送的所述第一流体和所述第二流体中的另一者包括非燃料流体；

安置在所述喷枪的所述下游端处的雾化器，所述雾化器具有第一喷出孔口，所述第一喷出孔口响应于所述第一流体回路以形成第一雾化喷出锥，所述雾化器进一步具有第二喷出孔口，所述第二喷出孔口响应于所述第二流体回路以形成第二雾化喷出锥，其中，所述雾化器的所述第一喷出孔口和所述第二喷出孔口相应地被构造成使得用所述雾化器形成的所述第一雾化喷出锥和所述第二雾化喷出锥包括在相交的角度范围内彼此相交的同心锥；以及

围绕所述喷枪的所述纵向轴线周向地安置的多个气体燃料通道，所述多个气体燃料通道相对于所述环形喷枪在周向外部定位，其中，在所述发动机的气体燃料操作模式期间，所述非燃料流体包括水，所述水通过所述第一流体回路和所述第二流体回路中的至少一者输送，并且其中，所述第一雾化喷出锥和所述第二雾化喷出锥中的至少一者包括由雾化水形成的相应锥，其中，所述第一雾化喷出锥与所述第二雾化喷出锥之间的相对更大的相交角度差异有助于在所述液体燃料的点火事件期间增强雾化，并且所述第一雾化喷出锥与所述第二雾化喷出锥之间的相对更小的相交角度差异有助于在气体燃料操作期间增强NOx减少。

附图说明

图1是体现本发明的方面的多功能燃料喷嘴的一个非限制性实施例的剖面、侧视图。

图2是示出雾化器的一个非限制性示例的细节的等轴测、局部剖面图，所述雾化器安置在体现本发明的方面的多功能燃料喷嘴的下游端处。

图3是图1中所示的多功能燃料喷嘴的后视等轴测视图。

图4是图1中所示的多功能燃料喷嘴的前视等轴测视图。

图5是示出喷嘴帽的一个非限制性示例的细节的等轴测、局部剖面图，所述喷嘴帽安置在体现本发明的方面的多功能燃料喷嘴的下游端处。

图6是图5中所示的喷嘴帽和安装在喷嘴帽的前部面上的隔热罩的局部侧视图。

图7是示出隔热罩并进一步示出喷嘴帽中的居中安置的孔的前视等轴测视图。

图8是喷嘴帽中的气体燃料通道的示意性表示。

图9是示出隔热罩并进一步示出安装在喷嘴帽的孔中的雾化器组件的一个非限制性示例的前视等轴测视图。

图10是示出包括雾化器的环形阵列的喷嘴帽的另一个非限制性示例的细节的前视局部等轴测视图，所述喷嘴帽安置在体现本发明的另外的方面的多功能燃料喷嘴的下游端处。

图11是示出在雾化器的阵列中的一个雾化器的细节的剖面、局部等轴测视图。

图12是体现雾化器的环形阵列的多功能燃料喷嘴的一个非限制性实施例的剖面、侧视图。

图13和图14示出相应的非限制性实施例，其包括阵列中的不同数目的雾化器和用这样的雾化器阵列形成的喷出锥的不同角展度。

具体实施方式

本发明的发明人已认识到，在某些现有技术的多燃料喷嘴的背景下会出现一些问题。例如，为减少NOx排放量，已知这些多燃料喷嘴将水喷射到燃烧室筒体中。该喷射通常呈能够冲击筒体中的内壁衬里的非雾化（例如，结实的（solid））水射流或水流的形式，且因此，这些水射流或水流能够在衬里壁上施加大量热损坏并最终导致缩短这样的衬里壁的寿命。

至少鉴于这样的认识，本发明人提出一种创新的多功能燃料喷嘴，其成本有效且可靠地对以精细雾化水锥的形式来喷射水是有效的。雾化锥可被构造成减少NOx排放量，同时减少耗水量并满足相关燃烧性能要求，诸如可涉及燃烧动力学、衬里壁温度等。所提出的燃料喷嘴能够通过多种操作功能来提供增强的操作通用性。能够取决于给定应用的需求来可选地互换该多种操作功能。将在下文的公开内容中论述所提出的多功能燃料喷嘴的其他方面。

图1是体现本发明的方面的多功能燃料喷嘴10的一个非限制性实施例的剖面、侧视图。在这个实施例中，多功能燃料喷嘴10包括环形燃料喷射喷枪12，所述燃料喷射喷枪包括第一流体回路14和第二流体回路16。第一流体回路14居中安置在燃料喷射喷枪12内。第一流体回路14沿喷枪12的纵向轴线18延伸以将第一流体（由箭头20示意性地表示）输送到喷枪12的下游端22。

第二流体回路16围绕第一流体回路14环形地安置以将第二流体（由箭头24示意性地表示）输送到喷枪12的下游端22。如可在图3中了解的，居中安置的第一入口15可用来将第一流体20引入到第一流体回路14中。类似地，第二入口17可用来将第二流体24引入到第二流体回路16中。

如下文中将更详细地论述的，在一个非限制性实施例中，第一流体20或第二流体24中的一者可包括液体燃料，诸如石油馏分，其在燃烧涡轮发动机的液体燃料操作模式期间通过第一流体回路14和第二流体回路16中的一者输送。通过第一流体回路14和第二流体回路16中的另一者输送的第一流体20和第二流体24中的另一者可包括可选的非燃料流体，诸如空气或水。

雾化器30安置在喷枪12的下游端22处。如可在图2中了解的，在一个非限制性实施例中，雾化器30包括第一喷出孔口32，所述第一喷出孔口响应于第一流体回路14以形成第一雾化喷出锥（由线34示意性地表示（图1））。雾化器30进一步包括第二喷出孔口36，所述第二喷出孔口响应于第二流体回路16以形成第二雾化喷出锥（由线38示意性地表示（图2））。因此，将理解的是在这个实施例中，雾化器30包括双孔口雾化器。

在一个非限制性实施例中，雾化器30的孔口32、36相应地被构造成使得用雾化器30形成的第一和第二喷出锥34、38包括同心样式，诸如在预先确定的角度范围内彼此相交的锥。在不受限制的情况下，这样的样式可包括实心锥、半实心锥、中空锥、精细喷雾锥、多层空气、或单独的液滴（喷雾）。

在一个非限制性实施例中，第一雾化喷出锥34的角度范围（θ1，（图1））从近似80度扩展到近似120度。在另外的非限制性实施例中，第一雾化喷出锥34的角度范围θ1从近似90度扩展到近似115度。在又另外的非限制性实施例中，第一雾化喷出锥34的角度范围θ1从近似104度扩展到近似110度。

在一个非限制性实施例中，第二雾化喷出锥38的角度范围（θ2）从近似40度扩展到近似90度。在另外的非限制性实施例中，第二雾化喷出锥38的角度范围θ2从近似60度扩展到近似80度。

据信，第一雾化喷出锥34与第二雾化喷出锥38之间的相对更大的角度差异倾向于在液体燃料的点火事件期间提供增强的雾化。相反，第一雾化喷出锥34与第二雾化喷出锥38之间的相对更小的角度差异倾向于在气体燃料操作期间提供增强的NOx减少能力。例如，其中第一雾化喷出锥34的角度范围θ1为近似110度且第二雾化喷出锥38的角度范围θ2为近似40度的非限制性组合与例如其中第一雾化喷出锥34的角度范围θ1为近似110度且第二雾化喷出锥38的角度范围θ2为近似80度的另一个非限制性组合相比将很可能在液体燃料的点火事件期间提供增强的雾化。如上文所述，后一示例组合将很可能在气体燃料操作期间提供增强的NOx减少能力。广义地说，第一雾化锥与第二雾化锥的相交的预先确定的角度范围可被调整以优化发动机的期望操作特性，诸如在液体燃料的点火事件期间的雾化性能、NOx减少性能等。

根据所公开的实施例的方面，可基于给定应用的需求来可选地互换相应地由第一流体回路14和第二流体回路16提供的操作功能及由雾化器30形成的第一喷出锥34和第二喷出锥38。也就是说，可基于给定应用的需求来可选地互换相应地通过第一流体回路14和第二流体回路16输送的流体的类型。

例如，在一个非限制性实施例中，在液体燃料的点火事件期间，可选的非燃料流体可包括空气（在一个示例情况下，所述空气通过第一流体回路14输送）且在这种情况下第一雾化喷出锥38包括空气锥，并且液体燃料包括石油燃料（所述石油燃料通过第二流体回路16输送）且在这种情况下第二雾化喷出锥34包括雾化石油燃料锥。在这个实施例中，在液体燃料的点火事件之后，可选的非燃料流体包括水（代替空气）（所述水通过第一流体回路14输送），且第一雾化喷出锥34包括雾化水锥。

在一个替代的非限制性实施例中，在液体燃料（在这个替代实施例中，所述液体燃料通过代替第二回路16的第一回路14输送）的点火事件期间，且因此在这种情况下，第一雾化喷出锥34包括雾化石油燃料锥，且可选的非燃料流体包括空气，在这种情况下，所述空气通过代替第一回路14的第二回路16输送，且因此第二雾化喷出锥38包括空气锥。在液体燃料的点火事件之后，可选的非燃料流体包括水（代替空气），在这个替代实施例中，所述水通过第二流体回路16输送，且因此第二雾化喷出锥38包括由雾化水形成的锥。

在一个非限制性实施例中，多个气体燃料通道40围绕燃料喷枪12的纵向轴线18周向地安置。气体燃料通道40相对于燃料喷枪12在周向外部定位。气体入口42可用来将气体燃料（由箭头43示意性地表示）引入到气体燃料通道40中。在一个非限制性实施例中，在发动机的气体燃料操作模式期间，可选的非燃料流体包括水，所述水通过第一流体回路14和第二流体回路16中的至少一者输送，且因此第一和第二喷出锥38、34中的至少一者包括由雾化水形成的相应锥。可选地，在发动机的气体燃料操作模式期间，多个气体燃料通道40可被构造成单独地或与第一和第二流体回路14、16中的至少一者组合来输送与燃料气体混合的水。在一个非限制性实施例中，可通过环形入口44（图1）将水（由箭头45示意性地表示）引入到多个气体燃料通道40中。

图5是示出喷嘴帽50的一个非限制性实施例的细节的等轴测、局部剖面图，所述喷嘴帽安置在多燃料喷嘴10的下游端22处。如可在图6和图7中了解的，隔热罩60被安装到喷嘴帽50上。多个冷却通道62（为了简化图示，图6中仅示出了用于输送冷却介质（诸如，空气（由箭头63示意性地表示（图6））的一个冷却通道）布置在喷嘴帽的前部面52与隔热罩的对应后侧64之间。

在一个非限制性实施例中，喷嘴帽50包括周向地布置在喷嘴帽50的前部面52上的多个雉堞状结构（castellation）53（图5）。相邻雉堞状结构的相互面对的侧表面54在喷嘴帽50的前部面52上限定相应的凹部。隔热罩60的后侧64的第一部分邻接抵靠在喷嘴帽50的前部面52上的雉堞状结构53的相应顶部表面55。隔热罩60的后侧64的第二部分（不邻接抵靠雉堞状结构53的相应顶部表面55的部分）布置成靠近喷嘴帽50的前部面52上的凹部的对应顶部区域以形成多个冷却通道62。

在一个非限制性实施例中，隔热罩60包括环形唇状物65（图7、图9），所述环形唇状物包括围绕喷嘴10的纵向轴线18周向地安置的多个槽66。槽66定位成将冷却空气馈送到冷却通道62。喷嘴帽50包括居中定位的孔56（图7），所述孔被布置成容纳喷嘴10的燃料喷枪12的下游部分。燃料喷枪12的下游部分包括雾化器组件58（图9），诸如可包括雾化器30。

在一个非限制性实施例中，冷却通道62布置成在朝向居中定位的孔56的方向上输送冷却介质以在雾化器组件58的前部面上排出冷却介质。

喷嘴帽50进一步包括围绕喷嘴10的纵向轴线18周向地安置的多个气体燃料通道68（图8）。气体燃料通道68包括布置在雉堞状结构53的相应顶部表面55处的出口70（图5）。隔热罩60类似地包括与布置在雉堞状结构的相应顶部表面处的出口70对应的多个开口72。

在一个非限制性实施例中，隔热罩60包括从隔热罩60的内径径向地延伸预先确定的距离的多个狭缝74。狭缝74可置于隔热罩60中的多个开口72中的至少一些相邻对之间。如本领域技术人员将理解的，狭缝74为隔热罩60提供应力消除功能。

如图10到图12中所示的，在一个非限制性实施例中，居中定位的雾化器80（例如，单孔口雾化器）可安置在喷嘴帽82的居中定位的孔中以形成第一雾化喷出锥（由线83示意性地表示（图12））。在这个实施例中，雾化器的阵列84可安装在喷嘴帽82中以形成相应的第二雾化喷出锥的阵列（所述阵列中的一个锥由线85示意性地表示（图12））。雾化器阵列84可围绕喷枪的纵向轴线18周向地安置。雾化器阵列84可相对于居中定位的雾化器80在径向外部定位以形成相应的第二雾化喷出锥的阵列。在一个非限制性实施例中，雾化器阵列84包括环形阵列，且喷嘴帽82包括安置在喷嘴帽82的前部面上的雾化器出口的环形阵列86。

在一个非限制性实施例中，在发动机的液体燃料操作模式中，居中定位的雾化器80联接到输送液体燃料的第一流体回路87（图12）以形成液体燃料的雾化锥，且周向地安置的雾化器的阵列84联接到输送水的第二流体回路88以形成水锥的雾化阵列。

在一个替代实施例中，在发动机的液体燃料操作模式期间，居中定位的雾化器80联接到第一流体回路87，在这个替代实施例中，所述第一流体回路输送水以形成水的雾化锥，且周向地安置的雾化器的阵列84联接到第二流体回路88，在这个替代实施例中，所述第二流体回路输送液体燃料以形成液体燃料锥的雾化阵列。

喷嘴帽82进一步包括围绕纵向轴线18周向地安置的多个气体燃料通道90。多个气体燃料通道90相对于雾化器的阵列84在径向外部定位。

在一个非限制性实施例中，在发动机的气体燃料操作模式期间，雾化器的阵列84联接到输送水的第一流体回路87以形成水锥的雾化阵列。在一个替代实施例中，在发动机的气体燃料操作模式期间，居中定位的雾化器80联接到第二流体回路88，在这个替代实施例中，所述第二流体回路输送水以形成水的雾化锥。

如在图13和图14中概念上可以理解的，阵列中的雾化器的数目和/或相应的第二雾化喷出锥的角展度可布置成以燃烧室筒体92中的期望区为目标。图13示出非限制性实施例，其中，阵列中的雾化器的数目为12个且每个锥的角展度为近似50度。图14示出非限制性实施例，其中，阵列中的雾化器的数目为6个且每个锥的角展度为近似70度。

在一个非限制性实施例中，可通过相应的螺纹连接94（图11）将雾化器的阵列84固定到喷嘴帽82。这便于移除和更换雾化器的阵列中的相应雾化器。在一个可选实施例中，阵列84中的雾化器的数目可涉及移除至少一些雾化器并用相应的合适插塞96（图10示出了一个示例带插塞的出口）来塞住先前由移除的雾化器占据的出口。

在操作中，所公开的多功能燃料喷嘴的方面有效地允许在适当裕度内满足NOx目标水平，且进一步允许实际上消除对燃烧室筒体的衬里壁的水冲击，并且这有助于改进衬里耐久性并适当地满足与涡轮发动机的这些部件有关的预先确定的服务间隔。

尽管已以示例性形式公开了本公开的实施例，但是对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离如在随附权利要求中所阐述的本发明及其等效物的精神和范围的情况下，能够在其中作出许多修改、添加和删除。

Claims

1.一种用于燃烧涡轮发动机的多功能燃料喷嘴，其包括：

环形燃料喷射喷枪（12），其包括第一流体回路（14）和第二流体回路（16），

其中，所述第一流体回路（14）居中地安置在所述喷枪内，其中，所述第一流体回路沿所述喷枪的纵向轴线延伸以将第一流体输送到所述喷枪的下游端（22），

其中，所述第二流体回路（16）围绕所述第一流体回路环形地安置以将第二流体输送到所述喷枪的所述下游端，其中，所述第一流体和所述第二流体中的一者包括液体燃料，其在所述燃烧涡轮发动机的液体燃料操作模式期间通过所述第一流体回路和所述第二流体回路中的一者输送，

安置在所述喷枪的所述下游端处的雾化器（30），所述雾化器具有第一喷出孔口（32），所述第一喷出孔口响应于所述第一流体回路以形成第一雾化喷出锥（34），所述雾化器进一步具有第二喷出孔口（36），所述第二喷出孔口响应于所述第二流体回路以形成第二雾化喷出锥（38），其中，所述雾化器的所述第一喷出孔口和所述第二喷出孔口相应地被构造成使得用所述雾化器形成的所述第一雾化喷出锥和所述第二雾化喷出锥包括在相交的角度范围内彼此相交的同心锥；以及

围绕所述喷枪的所述纵向轴线周向地安置的多个气体燃料通道（16），所述多个气体燃料通道相对于所述环形喷枪在周向外部定位，其中，在所述发动机的气体燃料操作模式期间，所述非燃料流体包括水，所述水通过所述第一流体回路和所述第二流体回路中的至少一者输送，并且其中，所述第一雾化喷出锥和所述第二雾化喷出锥中的至少一者包括由雾化水形成的相应锥，其中，所述第一雾化喷出锥与所述第二雾化喷出锥之间的相对更大的相交角度差异有助于在所述液体燃料的点火事件期间增强雾化，并且所述第一雾化喷出锥与所述第二雾化喷出锥之间的相对更小的相交角度差异有助于在气体燃料操作期间增强NOx减少。

2.根据权利要求1所述的多功能燃料喷嘴，其中，在所述燃烧涡轮发动机的所述液体燃料操作模式中，所述第一雾化喷出锥包括所述液体燃料或所述非燃料流体中的一者，且所述第二雾化喷出锥包括所述液体燃料或所述非燃料流体中的另一者。

3.根据权利要求2所述的多功能燃料喷嘴，其中，在所述液体燃料的所述点火事件期间，所述非燃料流体包括空气，所述空气通过所述第一流体回路输送，并且所述第一雾化喷出锥包括空气锥，并且所述液体燃料包括石油燃料，所述石油燃料通过所述第二流体回路输送，并且所述第二雾化喷出锥包括雾化石油燃料锥，并且进一步其中，在所述液体燃料的所述点火事件之后，所述非燃料流体包括水，所述水通过所述第一流体回路输送，并且所述第一雾化喷出锥包括雾化水锥。

4.根据权利要求2所述的多功能燃料喷嘴，其中，在所述液体燃料的所述点火事件期间，所述液体燃料包括石油燃料，所述石油燃料通过所述第一流体回路输送，并且所述第一雾化喷出锥包括雾化石油燃料锥，并且所述非燃料流体包括空气，所述空气通过所述第二流体回路输送，并且所述第二雾化喷出锥包括空气锥，并且进一步其中，在所述液体燃料的所述点火事件之后，所述非燃料流体包括水，所述水通过所述第二流体回路输送，并且所述第二雾化喷出锥包括由雾化水形成的锥，其与所述雾化石油燃料锥混合。

5.根据权利要求3所述的多功能燃料喷嘴，其中，在所述发动机的所述气体燃料操作模式期间，所述非燃料流体包括水，所述水通过所述第一流体回路和所述第二流体回路中的至少一者输送，并且其中，所述第一雾化喷出锥和所述第二雾化喷出锥中的至少一者包括由雾化水形成的相应锥。

6.根据权利要求1所述的多功能燃料喷嘴，其中，在所述发动机的所述气体燃料操作模式期间，所述多个气体燃料通道中的至少一些输送与燃料气体混合的水。

7.根据权利要求1所述的多功能燃料喷嘴，其中，所述第一雾化喷出锥的角度范围从80度扩展到120度。

8.根据权利要求7所述的多功能燃料喷嘴，其中，所述第一雾化喷出锥的角度范围从90度扩展到115度。

9.根据权利要求8所述的多功能燃料喷嘴，其中，所述第一雾化喷出锥的角度范围从104度扩展到110度。

10.根据权利要求1、权利要求7至9中的任一项所述的多功能燃料喷嘴，其中，所述第二雾化喷出锥的角度范围从40度扩展到90度。

11.根据权利要求10所述的多功能燃料喷嘴，其中，所述第二雾化喷出锥的角度范围从60度扩展到80度。