CN107208894A - 用于在燃气涡轮机中喷射替代燃料的包括波瓣混合器和叶片的燃料喷射器 - Google Patents

用于在燃气涡轮机中喷射替代燃料的包括波瓣混合器和叶片的燃料喷射器 Download PDF

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Abstract

提供一种燃料喷射器，其用于在燃气涡轮机中喷射具有不同能量密度的替代燃料。第一燃料供应通道（18）可以流体地联接到在多个叶片（20）中的径向通路（22），其分支成多个通路（24）（例如，轴向通路）以在横向流动喷射中没有射流的情况下喷射第一燃料。这可以有效地减少在具有相对高的火焰速度的燃料中的回火。带有用于喷射第二燃料的波瓣（32）的混合器（30）可以布置在燃料输送管（12）的下游端部处。燃料‑规定路线结构（38）可被构造成在相应波瓣内为第二燃料规定路线，以便第二燃料的燃料喷射相对于混合器的中心区域径向朝外发生。这可以有助于空气和燃料的改善的（例如，相对更均匀的）混合。

Description

用于在燃气涡轮机中喷射替代燃料的包括波瓣混合器和叶片 的燃料喷射器
关于联邦政府资助的研发的声明
本发明的研发部分地由美国能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42644支持。因此，美国政府可享有本发明的某些权利。
背景技术
1. 技术领域
所公开的实施例大体涉及用于燃气涡轮机的燃料喷射器，并且更具体地，涉及包括波瓣混合器和叶片的燃料喷射器，其用于在涡轮机中喷射替代燃料。
2. 相关技术的描述
经济考虑已经推动了除了使用诸如天然气和液体燃料（例如，油）的燃料外，能够使用替代燃料的燃气涡轮机的发展，替代燃料诸如可以涉及合成气体（例如，合成气）。这些合成气体通常来自诸如煤、石油焦或生物质的固体原料的气化过程。这些过程可以导致具有实质上不同的燃料性质的燃料，诸如成分、热值和密度，包括相对高的氢含量和沃泊指数（WI）显著变化的燃气流。沃泊指数通常用于比较包括不同成分的燃料的燃烧能量输出。例如，如果在大约相同的操作条件（诸如压力和阀设定）下，两种燃料具有相同的沃泊指数，则能量输出将实际上相同。
使用具有不同的燃料性质的燃料能够提出各种挑战。例如，随着燃料的热值下降，将需要更大的流动面积以输送和喷射燃料到涡轮机中并且提供相同热值。因此，已知构造不同的通路用于喷射器流动以适应燃料的沃泊指数变化。另一挑战在于，与天然气相比较，具有高氢含量的燃料能够导致相对高的火焰速度，且所得到的高火焰速度能够在涡轮发动机的燃烧器中导致回火。参见美国专利8,661,779和8,511,087，作为涉及叶片的现有技术燃料喷射器的示例，其在燃气涡轮机中使用横向流动（cross-flow）中的传统射流来喷射替代燃料。
附图说明
图1是如可以在能够使用替代燃料的燃气涡轮机中使用的、体现本发明的方面的燃料喷射器的一个非限制性实施例的等距视图。
图2是体现本发明的方面的燃料喷射器的下游端部的正视图。
图3是体现本发明的方面的波瓣混合器的下游端部的正视图。
图4是体现本发明的方面的波瓣混合器的等距视图。
图5是诸如能够受益于本发明的公开实施例的燃气涡轮发动机的燃烧涡轮发动机的一个非限制性实施例的简化示意图。
具体实施方式
本发明的发明人已经认识到在可能涉及用于在燃气涡轮机中喷射替代燃料的波瓣混合器和叶片的某些现有技术燃料喷射器的背景中会出现某些问题。例如，一些已知的燃料喷射器设计涉及叶片，其使用横向流动喷射中的射流以获得进入涡轮发动机的燃烧器中的良好混合的燃料/空气流。然而，此类设计可能展现出回火的倾向，尤其是在具有高氢含量的燃料的背景中。鉴于这样的认识，本发明人提出一种新型燃料喷射器布置，其中，燃料在横向流动喷射中没有射流的情况下喷射，诸如沿着空气流动的方向代替在横向流动喷射中的传统射流。额外地，本发明人已经进一步认识到包括波瓣混合器的一个已知的燃料喷射器设计可以导致不利于空气和燃料的相对均匀混合的某些混合地带，诸如与其他混合地带相比在其中空气流动可能稍微减少的地带。因此，本发明人进一步提出一种燃料-规定路线（fuel-routing）结构，其有助于空气和燃料的改善混合。
在以下详细描述中，陈述各种具体细节以便提供对这样的实施例的彻底理解。然而，本领域技术人员将理解本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践，本发明不受限于所描绘的实施例，并且本发明可以在各种各样的替代实施例中实践。在其他情形中，被本领域技术人员良好理解的方法、过程和部件未被详细描述以避免不必要的和累赘的解释。
此外，不同操作可以描述为多个分立步骤，其以有助于理解本发明的实施例的方式执行。然而，描述的顺序不应当解释为暗示这些操作需要以其给出的顺序执行，也不应当解释为其甚至是依赖于顺序的，除非另有指示。而且，短语“在一个实施例中”的重复使用不必然指的是同一个实施例，尽管其可以是同一个实施例。应当注意，所公开的实施例不需要解释为是互斥实施例，因为这样的公开实施例的方面可以取决于给定应用的需要通过本领域技术人员适当地组合。
如在本申请中使用的术语“包括”、“包含”“具有”等预期是同义的，除非另有指示。最后，如在本文中使用的，短语“被构造成”或“布置成”包含如下概念：在短语“被构造成”或“布置成”之前的特征有意地并明确地设计为或制成为以特定方式起作用或发挥功能，且不应当被解释为意思是特征恰好具有以特定方式起作用或发挥功能的能力或适用性，除非如此指示。
图1是如可以在能够使用替代燃料的燃气涡轮机中使用的、体现本发明的方面的燃料喷射器10的一个非限制性实施例的等距视图。燃料输送管结构12沿着燃料喷射器10的中心轴线14设置。燃料输送管结构12可以通过护罩16围绕。第一燃料供应通道18可以布置在燃料输送管结构12中。
多个叶片20可以围绕燃料输送管结构12周向设置，诸如布置在燃料输送管结构12和护罩16之间。可以在每个叶片20中构造径向通路22。径向通路22与第一燃料供应通道18流体连通以接收第一燃料。在一个非限制性实施例中，径向通路22可被构造成分支成一组通路24（例如，轴向通路），每个通路均具有孔口26，其被布置成不以横向流动模式的射流喷射第一燃料，诸如沿通过箭头25示意性表示的空气流动的方向。相信该布置（在横向流动喷射中没有射流的情况下）显著减小通常在带有高氢含量的燃料的背景中遇到的回火倾向。如在图2中可以理解的，多个叶片20可包括相应扭转角度，其在一个非限制性实施例中可以包括在叶片的末端处达到大约20度。
第二燃料供应通道27布置在燃料输送管结构12中。第二燃料供应通道27可以延伸至燃料输送管结构12的下游端部28，其中，带有多个波瓣32（例如，径向细长的折叠边缘）的混合器30被设置用于第二燃料的燃料喷射。
在一个非限制性实施例中，输送管结构12可以包括同轴设置的内管34和外管36，其中，内管34包括第二燃料供应通道27，并且其中，第一燃料供应通道18环状地设置在内管34和外管36之间。在一个非限制性实施例中，第一燃料和第二燃料可以包括具有不同能量密度的燃料。例如，不作为限制，在第一燃料供应通道18中流动的第一燃料可以包括合成气，并且在第二燃料供应通道27中流动的第二燃料可以包括天然气。
在一个非限制性实施例中，混合器30包括用于在相应波瓣内为第二燃料规定路线的装置，诸如燃料-规定路线结构38，其被构造成在相应波瓣内为第二燃料规定路线，以便第二燃料的燃料喷射相对于混合器的中心区域径向朝外发生，诸如在相应波瓣的径向中间部分和相应波瓣的径向最外面部分之间。这在图3中通过标记有字母Lop的线概念地表示（例如，指示其处燃料流动发生的敞开波瓣部段），该线在相应波瓣的径向中间部分和相应波瓣的径向最外面部分之间延伸。
在一个非限制性实施例中，取决于给定应用的需要，相应波瓣的径向中间部分可以设置在从相应波瓣高度的大约25%至相应波瓣高度的大约75%的范围中。如在图3中可以理解的，利用字母Lh标记的线表示波瓣高度，并且利用字母Lcl标记的线指示波瓣的通过燃料-规定路线结构38封闭的部段（有效地阻止在波瓣的该部段中的燃料流动），且该部段终止于在其处敞开波瓣部段Lop开始的相应波瓣的径向中间部分。该布置有效地相对于混合器的中心区域径向朝外喷射第二燃料。为第二燃料规定路线以径向远离混合器的中心区域喷射是有利的，因为通过混合器的中心区域的空气流动倾向于稍微减少，并且因此喷射燃料流动用于与该减少的空气流动混合可另外导致空气和燃料的不均匀混合，诸如包括相对燃料-富集的混合物的袋形区（pockets）的形成。因此，燃料-规定路线结构有助于空气和燃料的改善的（例如，相对更均匀的）混合。
在一个非限制性实施例中，如在图1和图4中可以理解的，燃料-规定路线结构38包括过渡表面42（例如，锥形形状），其被构造成将来自第二燃料供应通道27的燃料流动朝向相应波瓣中的管道44（图1）过渡。燃料-规定路线结构还可包括轴向延伸通过相应波瓣的规定路线表面46。规定路线表面设置在相应波瓣的径向中间部分处，以部分限定在相应波瓣中的管道44。在一个非限制性实施例中，燃料-规定路线结构38包括突出部48，其延伸超出相应波瓣预定轴向距离，并且限定朝向燃料-规定路线结构的末端50的弯曲轮廓。弯曲轮廓可以成形为在混合器的下游端部处提供流线型过渡。
图5是诸如能够受益于本发明的公开实施例的燃气涡轮发动机的燃烧涡轮发动机50的一个非限制性实施例的简化示意图。燃烧涡轮发动机50可以包括压缩机52、燃烧器54、燃烧室56和涡轮机58。在操作期间，压缩机52吸入环境空气，且提供压缩空气到扩散器60，扩散器将压缩空气传递到集气室62，通过集气室，压缩空气传递至燃烧器54，燃烧器混合压缩空气与燃料且经由过渡部64将燃烧的、热工作气体提供到涡轮机58，涡轮机58能够驱动发电装备（未示出）以进行发电。轴66被示出为连接涡轮机58以驱动压缩机52。体现本发明的方面的燃料喷射器的公开实施例可以合并在燃气涡轮发动机的每个燃烧器（例如，燃烧器54）中，以有利地实现具有不同能量密度的替代燃料的可靠且有成本效益的燃料喷射。在操作中且不作为限制，所公开的燃料喷射器布置预期抑制回火倾向，该回火倾向原本可在带有高氢含量的燃料的背景中出现。
将理解取决于给定应用的需要，用户能够任选地基于给定应用的需要修改本发明的方面。例如，尽管本发明的方面在一种组合的背景中描述，该组合包括构造成在横向流动喷射中没有射流的情况下喷射第一燃料的叶片和波瓣混合器，波瓣混合器包括有助于空气与第二燃料的改善的混合的燃料-规定路线结构，但是本发明的广泛方面不需要受限于这样的组合。例如，在某些应用中，用户可任选地结合传统叶片使用公开的波瓣混合器，该传统叶片诸如可被构造成利用横向流动喷射中的射流喷射第一燃料。替代地，在某些其他应用中，用户可任选地使用所公开的叶片与传统的波瓣混合器，所公开的叶片诸如可被构造成在横向流动喷射中没有射流的情况下喷射第一燃料，该传统的波瓣混合器诸如可以构造成没有所公开的燃料-规定路线结构。因此，所公开的实施例不需要以组合实施，尽管其可以这样实施，因为这样公开的实施例的方面可以取决于给定应用的需要单独地定制。
虽然已经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，能够在不脱离如在下述权利要求中陈述的本发明及其等同物的精神和范围的情况下，在所述实施例中做出许多修改、添加和删除。

Claims (20)

1.一种用于燃气涡轮机的燃料喷射器，其包括：
沿着所述燃料喷射器的中心轴线设置的燃料输送管结构，所述燃料输送管结构通过护罩围绕；
布置在所述燃料输送管结构中的第一燃料供应通道；
布置在所述燃料输送管结构和所述护罩之间的多个叶片；
在每个叶片中的径向通路，所述径向通路与所述第一燃料供应通道流体连通以接收第一燃料，其中，所述径向通路被构造成分支成一组轴向通路，每个轴向通路均具有布置成沿空气流动的方向喷射所述第一燃料的孔口；和
布置在所述燃料输送管结构中的第二燃料供应通道，所述第二燃料供应通道延伸至所述燃料输送管结构的下游端部，其中，带有用于第二燃料的燃料喷射的多个波瓣的混合器布置在所述下游端部处。
2.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中，所述混合器包括燃料-规定路线结构，其被构造成在相应波瓣内为所述第二燃料规定路线，以便所述第二燃料的燃料喷射在所述相应波瓣的径向中间部分和所述相应波瓣的径向最外面部分之间发生。
3.根据权利要求2所述的燃料喷射器，其中，所述相应波瓣的所述径向中间部分设置在从相应波瓣高度的大约25%至所述相应波瓣高度的大约75%的范围中。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的燃料喷射器，其中，所述燃料-规定路线结构包括过渡表面，其被构造成将来自所述第二燃料供应通道的燃料流动朝在所述相应波瓣中的管道过渡。
5.根据权利要求4所述的燃料喷射器，其中，所述燃料-规定路线结构包括轴向地延伸通过所述相应波瓣的规定路线表面，所述规定路线表面设置在所述相应波瓣的所述径向中间部分处以部分地限定在所述相应波瓣中的所述管道。
6.根据权利要求5所述的燃料喷射器，其中，所述燃料-规定路线结构包括突出部，其延伸超出所述相应波瓣预定轴向距离并且包括朝向所述燃料-规定路线结构的末端的弯曲轮廓。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的燃料喷射器，其中，所述多个叶片包括相应扭转角度。
8.根据权利要求7所述的燃料喷射器，其中，每个波瓣均相对于叶片设置在直接下游处。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的燃料喷射器，其中，所述输送管结构包括同轴设置的内管和外管，其中，所述内管包括所述第二燃料供应通道，并且其中，所述第一燃料供应通道环状地设置在所述内管和所述外管之间。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的燃料喷射器，其中，所述第一燃料并且所述第二燃料包括具有不同能量密度的燃料。
11.一种燃气涡轮机，其包括根据前述权利要求中的任一项所述的燃料喷射器。
12.一种用于燃气涡轮机的燃料喷射器，其包括：
沿着所述燃料喷射器的中心轴线设置的燃料输送管结构，所述燃料输送管结构；
布置在所述燃料输送管结构中的第一燃料供应通道；
围绕所述燃料输送管结构周向设置的多个叶片；
在每个叶片中的径向通路，所述径向通路与所述第一燃料供应通道流体连通以接收第一燃料，其中，所述径向通路被构造成分支成一组通路，每个通路均具有布置成不在横向流动中的射流中喷射所述第一燃料的孔口；
布置在所述燃料输送管结构中的第二燃料供应通道，所述第二燃料供应通道延伸至所述燃料输送管结构的下游端部，其中，带有用于第二燃料的燃料喷射的多个波瓣的混合器布置在所述下游端部处；和
装置，其用于在相应波瓣内为所述第二燃料规定路线，以便所述第二燃料的燃料喷射相对于所述混合器的中心区域径向朝外发生。
13.根据权利要求12所述的燃料喷射器，其中，所述一组通路包括轴向通路，每个轴向通路均具有布置成沿空气流动的方向喷射所述第一燃料的孔口。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的燃料喷射器，其中，用于规定路线的所述装置包括规定路线结构，其被构造成以便所述第二燃料的所述燃料喷射在所述相应波瓣的径向中间部分和所述相应波瓣的径向最外面部分之间发生。
15.根据权利要求14所述的燃料喷射器，其中，所述相应波瓣的所述径向中间部分设置在从相应波瓣高度的大约25%至所述相应波瓣高度的大约75%的范围中。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的燃料喷射器，其中，用于为所述第二燃料规定路线的所述装置包括过渡表面，其被构造成将来自所述第二燃料供应通道的燃料流动朝向所述相应波瓣中的管道过渡，其中，用于规定路线的所述装置还包括轴向延伸通过所述相应波瓣的规定路线表面，所述规定路线表面设置在所述相应波瓣的所述径向中间部分处以部分地限定在所述相应波瓣中的所述管道。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的燃料喷射器，其中，所述多个叶片包括相应扭转角度。
18.一种用于燃气涡轮机的燃料喷射器，其包括：
沿着所述燃料喷射器的中心轴线设置的燃料输送管结构，所述燃料输送管结构通过护罩围绕；
布置在所述燃料输送管结构中的第一燃料供应通道；
布置在所述燃料输送管结构和所述护罩之间的多个叶片，相应叶片包括与所述第一燃料供应通道流体连通以接收第一燃料的通路；和
布置在所述燃料输送管结构中的第二燃料供应通道，所述第二燃料供应通道延伸至所述燃料输送管结构的下游端部，其中，带有用于第二燃料的燃料喷射的多个波瓣的混合器布置在所述下游端部处，其中，所述混合器包括燃料-规定路线结构，其被构造成在相应波瓣内为所述第二燃料规定路线，以便所述第二燃料的燃料喷射在所述相应波瓣的径向中间部分和所述相应波瓣的径向最外面部分之间发生。
19.根据权利要求18所述的燃料喷射器，其中，所述相应波瓣的所述径向中间部分设置在从相应波瓣高度的大约25%至所述相应波瓣高度的大约75%的范围中。
20.根据权利要求18或权利要求19所述的燃料喷射器，其中，在所述相应叶片中的所述通路包括径向通路，其中，所述径向通路被构造成分支成一组轴向通路，每个轴向通路均具有布置成沿空气流动的方向喷射所述第一燃料的孔口。
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