CN107917442B - 用于燃气涡轮的双燃料同心喷嘴 - Google Patents

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Abstract

一种特别是用于顺序燃气涡轮的顺序喷燃器的双燃料喷射器的双燃料同心喷嘴；双燃料同心喷嘴包括：‑喷嘴下游端，其构造成沿热气主流喷射气体燃料、液体燃料和载体空气；‑液体燃料导管，其限定用于将液体燃料供应连接到喷嘴下游端上的液体燃料通道，液体燃料导管在喷嘴下游端处包括下游端边缘；‑气体燃料导管，其同心地包围液体燃料导管，且在液体燃料导管的外表面和气体燃料导管的内表面之间限定气体燃料通道，以将气体气室连接到喷嘴下游端上，气体燃料导管在喷嘴下游端处包括下游端边缘；‑侧向表面，其同心地包围气体燃料导管，且在气体燃料导管的外表面和侧向表面的内表面之间限定载体空气通道，以将空气气室连接到喷嘴下游端上，侧向表面包括下游端边缘；气体燃料导管的下游端边缘相对于液体燃料导管的下游端边缘凹入喷嘴下游端内。

Description

用于燃气涡轮的双燃料同心喷嘴
技术领域
本发明涉及用于燃气涡轮的双燃料同心喷嘴。
特别地，本发明涉及用于燃气涡轮的顺序喷燃器的双燃料喷射器的双燃料同心喷嘴。
此外，本申请涉及燃气涡轮，特别是顺序燃气涡轮，其包括设有多个此双燃料同心喷嘴的双燃料喷射器。
背景技术
如已知的那样，燃气涡轮动力装置(在下面仅燃气涡轮)包括转子，其设有上游压缩机、至少一个燃烧室和至少一个下游涡轮。用语“下游”和“上游”指的是从压缩机到涡轮经过燃气涡轮的主气流的方向。特别地，压缩机包括供应有空气的入口和构造成用以压缩进入压缩机的空气的多个叶片和导叶。离开压缩机的压缩空气流到气室中且从那里进入到喷燃器中。在喷燃器内，压缩空气与至少一种燃料混合。这种燃料和压缩空气的混合物流到燃烧室中，在那里该混合物燃烧。所得的热气体离开燃烧器室且在涡轮中膨胀，从而对转子做功。
为了实现高效率，需要高的涡轮入口温度。然而，由于该高温，会产生高NOx排放水平。
为了减少这些排放且为了提高操作灵活性，现今已知一种特定类型的燃气涡轮，称为“顺序”燃气涡轮。
大体上，顺序燃气涡轮包括串联的两个燃烧室。根据第一类顺序燃气涡轮，两个燃烧室由成级的涡轮叶片(称为高压涡轮)物理地分开。
跟随主气流，该第一类顺序燃气涡轮包括压缩机、第一燃烧室(通常具有环形形状)、高压涡轮、第二燃烧室(通常具有环形形状)和低压涡轮。压缩机和两个涡轮连接到公共转子上，公共转子围绕轴线旋转且由同心壳包围。压缩机供应有空气且压缩空气。压缩空气流到气室中且从那里进入到预混合喷燃器中，在那里该压缩空气与经由燃料供应引入的至少一种燃料混合。燃料/压缩空气混合物流到第一燃烧室中，在那里该混合物燃烧。
所得的热气体离开第一燃烧器室且在高压涡轮中部分地膨胀，从而对转子做功。
在高压涡轮的下游，部分地膨胀的气体流到第二燃烧室中。
部分地膨胀的气体具有高温且包含足以进一步燃烧的氧，基于自点燃，燃烧在第二燃烧室中发生。再加热的气体离开第二燃烧室且流到低压涡轮中，在那里再加热的气体膨胀，从而对转子做功。
在前面提到的第二燃烧室中，燃料通过连接到燃料喷枪上的特定喷射器沿热气流喷射。
上面提到的特定喷射器中的每一个包括流线型本体，本体具有前缘、后缘，且通常具有附接到流线型本体的侧向壁上的涡流产生器。在流线型本体中，喷射器包括分开的导管，导管分别供应有气体燃料、液体燃料(例如油)和载体空气。特别地，以上导管彼此布置成实现双燃料同心喷嘴，其中油导管置于中间，气体燃料置成包围油燃料导管，而载体空气导管则置成包围气体燃料导管。液体燃料和气体燃料的双燃料供给允许燃气涡轮在宽范围的条件下具有高效率。
在EP3023697中公开了设有高压涡轮和多个前面描述的双燃料同心喷射器的顺序燃气涡轮的示例。
现今已知的第二类顺序燃气涡轮不设有高压涡轮。根据此类燃气涡轮，两个燃烧室整体结合在单个壳(例如罐形的)中。当然，此类燃气涡轮设有多个罐燃烧器，其围绕涡轮轴线布置成环。以上顺序燃气涡轮的第二燃烧室也可设有多个前面描述的双燃料同心喷嘴。
在EP2837888中描述了所提供的顺序燃气涡轮和多个双燃料同心喷嘴的示例，且其中两个燃烧室整体结合在单个壳中。
根据现有技术的实践，液体燃料的导管、气体燃料的导管和界定载体空气通道的侧向壁包括一直延伸到各个双燃料喷射器的流线型本体的后缘的壁。换句话说，根据现有技术的实践，同心导管的分隔壁的下游端边缘布置在同一平面上。图1是前面描述的根据现有技术的双燃料同心喷嘴的示意性截面图。
遗憾的是，在燃气涡轮的液体燃料操作期间，其中没有流通过气体导管，乳浊液进入气体导管，从而因此缩短喷射器的寿命。
根据现有技术，现今以上技术问题的解决办法包括，在液体燃料操作期间用空气连续吹扫燃料气体导管。然而，该解决办法要求燃料气体导管和冷却空气回路之间有额外的互连。
发明内容
因此，本发明的主要目标是提供一种用于燃气涡轮、特别是用于燃气涡轮的顺序喷燃器的备选双燃料同心喷嘴，它允许克服前面描述的现有技术的问题。
为了实现上面提到的目标，本发明提供一种用于燃气涡轮、特别是用于燃气涡轮的顺序喷燃器的双燃料喷射器的双燃料同心喷嘴。双燃料同心喷嘴包括：
-喷嘴下游端，其构造成沿热气主流喷射气体燃料、液体燃料和载体空气；
-液体燃料导管，其限定用于将液体燃料供应连接到喷嘴下游端上的液体燃料通道，液体燃料导管在喷嘴下游端处包括下游端边缘；
-气体燃料导管，其同心地包围液体燃料导管，且在液体燃料导管的外表面和气体燃料导管的内表面之间限定气体燃料通道，以将气体气室连接到喷嘴下游端上，气体燃料导管在喷嘴下游端处包括下游端边缘；
-侧向壁，其同心地包围气体燃料导管，且在气体燃料导管的外表面和侧向壁的内表面之间限定载体空气通道，以将空气气室连接到喷嘴下游端上，侧向壁在喷嘴下游端处包括下游端边缘。
根据本发明的第一方面，气体燃料导管的下游端边缘相对于液体燃料导管的下游端边缘凹入喷嘴下游端内。
有利地，在液体(油)燃料操作期间，以上构造允许实现由载体空气执行的空气动力学阻挡作用，其构造成用以避免任何乳浊液渗透到气体燃料导管内。实际上，气体燃料导管的凹入下游端边缘允许在凹入部分中产生流体地关闭气体燃料通道的空气动力学涡流。
特别地，气体燃料导管的下游端边缘相对于侧向壁的下游端边缘凹入喷嘴下游端内。优选地，液体燃料导管的下游端边缘与侧向壁的下游端边缘齐平。
有利地，根据以上解决办法，在气体燃料操作期间，以上构造允许对相对于热气主流离开喷嘴的燃料气体实现有用的空气动力学屏蔽作用。实际上，由载体空气产生的屏蔽作用仍然有效，因为两个同流射流(燃料气体和空气)在喷嘴出口之前的混合不强烈。
当然，气体和液体燃料导管的特定几何设置对本发明的所需结果有重要影响。优选地：
-气体燃料导管的下游端边缘和液体燃料导管的下游端边缘之间的凹入距离R优选大于侧向壁和液体燃料导管之间的距离F；更优选地，凹入距离R比距离F的两倍大；
-凹入距离R优选小于侧向壁的内表面之间的距离O；然而，凹入距离R比距离O的一半大；
-距离F优选大于气体燃料导管的厚度；
-侧向壁和气体燃料导管之间的距离D优选大于气体燃料导管和液体燃料导管之间的距离C；
-距离D优选大于气体燃料导管的厚度；
-距离F优选地大于液体燃料导管的内表面之间的距离I；更优选地，距离F比距离I的两倍大；
-距离I优选大于距离C。
本发明还涉及一种用于燃气涡轮的顺序喷燃器的双燃料喷射器，其中双燃料喷射器包括多个前面描述的双燃料同心喷嘴。
此外，本发明还涉及一种顺序燃气涡轮，其包括设有多个前面描述的双燃料同心喷嘴的至少一个双燃料喷射器。
要理解的是，前面的大体描述和以下详细描述都是示例性的，且意于提供请求保护的发明的进一步解释。从以下描述、附图和权利要求，本发明的其他优点和特征将是明显的。
在所附权利要求中特别地阐述本发明的新颖特征。
附图说明
在恰当地参照附图来仔细阅读详细描述之后，本发明的其他好处和优点将变得明显。
然而，本发明本身可通过参照本发明的以下详细描述来最佳地理解，以下详细描述结合附图描述了本发明的示例性实施例，在附图中：
-图1是用于燃气涡轮的顺序燃烧器的双燃料喷射器的一部分的示意性截面图，其中此双燃料喷射器设有根据现有技术的同心喷嘴；
-图2和3是顺序燃气涡轮的两个不同示例的示意性截面图，顺序燃气涡轮可设有具有根据本发明的同心喷嘴的双燃料喷射器；
-图4是可设有根据本发明的同心喷嘴的双燃料喷射器的示意性透视图；
-图5是根据本发明的双燃料同心喷嘴的示例的示意性截面图；
-图6和7是根据本发明的图5的双燃料同心喷射器的示意图；
-图8是图7的双燃料喷射器的喷嘴下游端的放大示意性截面图；特别地，图8公开了在液体(油)燃料操作期间由载体空气执行的阻挡作用，以便避免乳浊液渗透到气体燃料导管内。
具体实施方式
结合附图，在下文根据优选实施例来描述本发明的技术内容和详细描述，优选实施例不用来限制其执行范围。根据所附权利要求而进行的任何等效变型和修改全部由本发明请求保护的权利要求覆盖。
现在将参照附图2-7来详细地描述本发明。
现在参照图2，图2是顺序燃气涡轮1的第一示例的示意图，顺序燃气涡轮1可设有多个根据本发明的双燃料同心喷嘴。特别地，图2公开了具有高压和低压涡轮的顺序燃气涡轮。
跟随主气流2，燃气涡轮1包括压缩机3、第一燃烧室4、高压涡轮5、第二燃烧室6和低压涡轮7。压缩机3和两个涡轮5、7是公共转子8的部分，公共转子8围绕轴线9旋转且由同心壳10包围。
压缩机3供应有空气，且设有构造成用以压缩进入压缩机3的空气的旋转叶片18和定子导叶19。压缩空气流到气室11中且从那里进入到预混合喷燃器12中，在那里该压缩空气与至少一种燃料混合，该至少一种燃料经由第一燃料喷射器(其由第一燃料供应13供应)引入。燃料/压缩空气混合物流到第一燃烧室4中，在那里该混合物燃烧。
所得的热气体离开第一燃烧器室4且在高压涡轮5中部分地膨胀，从而对转子8做功。
在高压涡轮5的下游，部分地膨胀的气体流到第二喷燃器中，在那里燃料经由由燃料喷枪14供应的第二燃料喷射器(未显示)喷射。
部分地膨胀的气体具有高温且包含足以进一步燃烧的氧，基于自点燃，布置在第二喷燃器下游的第二燃烧室6中发生燃烧。再加热的气体离开第二燃烧室6且流到低压涡轮7中，在那里再加热的气体膨胀，从而对转子8做功。
低压涡轮7包括成多级(或排)的转子叶片15，它们沿主流方向串联布置。此成级的叶片15由成级的定子导叶16插入。转子叶片15连接到转子8上，而定子导叶16连接到导叶托架17上，导叶托架17是包围低压涡轮7的同心壳。
现在参照图3，图3是顺序燃气涡轮1的第二示例的示意图，顺序燃气涡轮1可设有多个根据本发明的双燃料同心喷嘴。特别地，图3公开了顺序燃气涡轮20，其设有压缩机29、仅一个涡轮21和顺序燃烧器布置22。图3的顺序燃烧器布置22包括第一喷燃器24、第一燃烧室25、第二喷燃器26和第二燃烧室27。第一喷燃器24、第一燃烧室25、第二喷燃器26和第二燃烧室27布置成按顺序处于流体流连接。顺序燃烧器布置22可按环形形状容纳在燃烧器壳28中，或可实现为围绕涡轮轴线布置成环的多个罐的形式。第一燃料经由第一燃料喷射器(未显示)引入到第一喷燃器24中，其中燃料与由压缩机29供应的压缩气体混合。第二燃料经由第二燃料喷射器(未显示)引入到第二喷燃器26中，且与离开第一燃烧室25的热气体混合。离开第二燃烧室27的热气体在涡轮21中膨胀，从而对转子30做功。
现在参照图4，图4是双燃料喷射器31的示例，其构造成用作前面在图2和3的燃气涡轮中描述的第二燃料喷射器。
特别地，图4公开了双燃料喷射器31，其包括四个单独的指状物32，指状物32在上板33和下板34之间平行地延伸，从而界定第二喷燃器。各个指状物32构造成流线型本体，流线型本体具有流线型截面轮廓(像翼型件)。流线型本体32具有基本平行于热气流M的两个侧向表面42，热气流M在上板33和下板34之间经过第二喷燃器。侧向表面42在它们的上游侧处由前缘35连结，且在它们的下游侧处连结，从而形成后缘36。
用于喷射与空气混合的气体和液体燃料的多个同心喷嘴37沿后缘36分布。在所述本体的后缘区域中提供用于改进混合质量且减小所述顺序燃烧器中的压力损耗的器件，该器件呈多个涡流产生器38的形式，它们在后缘区域处的两侧处布置在流线型本体上。
代替涡流产生器38，后缘36可实现为在后缘36处的喷嘴37之间延伸的凸起的形式。
流线型本体32包括沿纵向(即，正交于气体主流)延伸的气体气室39，以按分布将气体燃料引入到各个指状物32中。气体气室39布置在前缘35和后缘36之间的中间。此外，流线型本体32包括位于前缘35附近的沿纵向延伸的空气气室40，以及液体燃料供应41，通常是油。
现在参照图5，图5是图4的双燃料喷射器的一部分的截面图，其中显示了根据本发明的双燃料同心喷嘴的示例。
特别地，图5公开了气体燃料、液体燃料和载体空气如何从相应的气体燃料气室39、液体燃料供应41和空气气室40供应到喷嘴37。
液体燃料供应41通过大致正交于液体燃料供应41的液体燃料导管43而连接到喷嘴37的下游端上。因此液体燃料经过由液体燃料导管43限定的通道而从液体燃料导管43流到喷嘴37的下游端。气体气室39通过同心布置且包围液体燃料导管43的气体燃料导管44而连接到喷嘴37的下游端上。因此气体燃料经过限定在液体燃料导管43的外壁和气体燃料导管44的内壁之间的通道从气体气室39流到喷嘴37的下游端。
载体空气经过限定在气体燃料导管44的外壁和流线型本体32的侧向壁42的内壁之间的通道而从空气气室40流到喷嘴37的下游端。图5的侧向壁42的内表面还设有销45，以改进流线型本体32的冷却。
现在参照图6，图6是喷嘴37的正面示意图。
特别地，图6公开了，内液体燃料导管43、外气体燃料导管44和侧向表面42至少在喷嘴下游端37处具有圆形截面。因此，液体燃料通道46具有圆形截面，气体燃料通道47具有同心且包围液体燃料通道46的环形截面，且载体空气通道48具有同心且包围气体燃料通道47的环形截面。
现在参照图7，图7是沿截线VII-VII的图6的双燃料同心喷嘴37的截面示意图。特别地，图7相对于气体燃料导管44的下游端边缘50和液体燃料导管43的下游端边缘51显示了喷嘴下游端边缘49。
喷嘴下游端边缘由双燃料同心喷嘴37的侧向壁42的下游端边缘49限定。根据图7，液体燃料导管43的下游端边缘51与侧向壁42的喷嘴下游端边缘49齐平。在该实施例中，气体燃料导管44的下游端边缘50相对于侧向壁42的喷嘴下游端边缘49凹入，且因此，也相对于液体燃料导管43的下游端边缘51凹入。换句话说，气体燃料导管44的下游端边缘50相对于喷嘴下游端边缘以距离R布置在喷嘴37内。在该凹入部分R处，侧向表面42的内壁因此面向液体燃料导管43的外表面。因此，在侧向壁42和液体燃料导管43之间存在自由距离F。
现在参照图8，图8是在液体(油)燃料操作期间的根据本发明的双燃料同心喷嘴的表达。特别地，图8公开了在液体(油)燃料操作期间由载体空气执行的阻挡作用，其构造成避免任何乳浊液渗透到气体燃料导管内。
在液体(油)燃料操作期间，气体燃料不流过气体燃料通道47，而液体燃料和载体空气分别流过液体燃料通道46和载体空气通道48。在该操作构造中，气体燃料导管44的凹入下游端边缘50允许产生空气动力学屏蔽作用，其避免任何乳浊液渗透到气体燃料导管44内。实际上，在凹入部分R中，载体空气可自由膨胀，以便填充侧向表面42和液体燃料导管43之间的整个距离F。根据图8，载体空气产生流体地关闭气体燃料通道47的空气动力学涡流。特别地，载体空气产生相对于气体燃料通道47的外涡流和内涡流，它们阻挡气体燃料通道47，从而防止任何乳浊液回流到气体燃料导管44内。
虽然已经关于上面提到的本发明的优选实施例来解释了本发明，但要理解的是，可在不脱离本发明的范围的情况下进行许多其他可能的修改和变型。因此，构想到所附权利要求或多项权利要求将覆盖落入本发明的真实范围内的这样的修改和变型。

Claims (13)

1.一种用于燃气涡轮、特别是用于燃气涡轮的顺序喷燃器的双燃料喷射器的双燃料同心喷嘴；所述双燃料同心喷嘴(37)包括：
-喷嘴下游端(23)，其构造成沿热气主流(M)喷射气体燃料、液体燃料和载体空气；
-液体燃料导管(43)，其限定用于将液体燃料供应(41)连接到所述喷嘴下游端(23)上的液体燃料通道(46)，所述液体燃料导管(43)在所述喷嘴下游端(23)处包括下游端边缘(51)；
-气体燃料导管(44)，其同心地包围所述液体燃料导管(43)，且在所述液体燃料导管(43)的外表面和所述气体燃料导管(44)的内表面之间限定气体燃料通道(47)，以将气体气室(39)连接到所述喷嘴下游端(23)上，所述气体燃料导管(44)在所述喷嘴下游端(23)处包括下游端边缘(50)；
-侧向壁(42)，其同心地包围所述气体燃料导管(44)，且在所述气体燃料导管(44)的外表面和所述侧向表面(42)的内表面之间限定载体空气通道(48)，以将空气气室(40)连接到所述喷嘴下游端(23)上，所述侧向表面(42)在所述喷嘴下游端(23)处包括下游端边缘(49)；
其特征在于，
所述气体燃料导管(44)的下游端边缘(50)相对于所述液体燃料导管(43)的下游端边缘(51)凹入所述喷嘴下游端(23)内；
其中所述气体燃料导管(44)的下游端边缘(50)相对于所述侧向壁(42)的下游端边缘(49)凹入所述喷嘴下游端(23)内；
其中所述液体燃料导管(43)的下游端边缘(51)与所述侧向壁(42)的下游端边缘(49)齐平；
其中所述喷嘴下游端构造成使得经过所述载体空气通道的载体空气产生流体地关闭所述气体燃料通道的空气动力学涡流以防止任何乳浊液回流到所述气体燃料导管内。
2.根据权利要求1所述的喷嘴(37)，其特征在于，所述气体燃料导管(44)的下游端边缘(50)和所述液体燃料导管(43)的下游端边缘(51)之间的凹入距离(R)大于所述侧向壁(42)和所述液体燃料导管(43)之间的距离(F)。
3.根据权利要求2所述的喷嘴(37)，其特征在于，所述气体燃料导管(44)的下游端边缘(50)和所述液体燃料导管(43)的下游端边缘(51)之间的凹入距离(R)比所述侧向壁(42)和所述液体燃料导管(43)之间的距离(F)的两倍大。
4.根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴(37)，其特征在于，所述气体燃料导管(44)的下游端边缘(50)和所述液体燃料导管(43)的下游端边缘(51)之间的凹入距离(R)小于所述侧向表面(42)的内表面之间的距离(O)。
5.根据权利要求4所述的喷嘴(37)，其特征在于，所述气体燃料导管(44)的下游端边缘(50)和所述液体燃料导管(43)的下游端边缘(51)之间的凹入距离(R)比所述侧向壁(42)的内表面之间的距离(O)的一半大。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的喷嘴(37)，其特征在于，所述侧向壁(42)和所述液体燃料导管(43)之间的距离(F)大于所述气体燃料导管(44)的厚度。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的喷嘴(37)，其特征在于，所述侧向壁(42)和所述气体燃料导管(44)之间的距离(D)大于所述气体燃料导管(44)和所述液体燃料导管(43)之间的距离(C)。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的喷嘴(37)，其特征在于，所述侧向壁(42)和所述气体燃料导管(44)之间的距离(D)大于所述气体燃料导管(44)的厚度。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的喷嘴(37)，其特征在于，所述侧向壁(42)和所述液体燃料导管(43)之间的距离(F)大于所述液体燃料导管(43)的内表面之间的距离(I)。
10.根据权利要求9所述的喷嘴(37)，其特征在于，所述侧向壁(42)和所述液体燃料导管(43)之间的距离(F)比所述液体燃料导管(43)的内表面之间的距离(I)的两倍大。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的喷嘴(37)，其特征在于，所述液体燃料导管(43)的内表面之间的距离(I)大于所述气体燃料导管(44)和所述液体燃料导管(43)之间的距离(C)。
12.一种用于燃气涡轮的顺序喷燃器的双燃料喷射器(31)，所述双燃料喷射器(31)包括：
-多个单独的指状物(32)，其在所述喷燃器内延伸且具有流线型本体，所述流线型本体具有基本平行于热气主流(M)的两个侧向表面(42)，所述侧向表面(42)在上游侧处由前缘(35)连结，且在下游侧处由后缘(36)连结；
-沿所述指状物(32)的各个后缘(36)分布的多个双燃料同心喷嘴(37)；
-连接到所述双燃料同心喷嘴(37)上的气体气室(39)、空气气室(40)和液体燃料供应(41)；
其特征在于，
各个双燃料同心喷嘴(37)是根据前述权利要求中任一项所述的双燃料同心喷嘴(37)。
13.一种顺序燃气涡轮(1,20)，包括：
-转子(8,30)
-压缩机(3,29)
-与至少一个第一喷燃器(24)相关联的第一燃烧室(4,25)，各个第一喷燃器(24)包括第一燃料喷射器；
-与至少一个第二喷燃器(26)相关联的第二燃烧室(6,27)，各个第二喷燃器包括第二燃料喷射器(31)；
-至少一个涡轮(5,7,21)；
其特征在于，
所述第二燃料喷射器(31)是根据权利要求12所述的双燃料喷射器(31)。
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