CN108006695B - 优化用于燃气轮机的预混合燃料喷嘴的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及优化用于燃气轮机的预混合燃料喷嘴的方法。所述方法包括这样的步骤，即设置喷嘴以使得当所述燃气轮机运行时，空气燃料混合物的轴向流场经由所述喷烧管在喷嘴头周围流动，并且在所述喷嘴头上形成具有至少两个不同径向尺寸的至少两个回流区作为环形涡流的一部分以提供强的火焰稳定和火焰传播能力。

Description

优化用于燃气轮机的预混合燃料喷嘴的方法

技术领域

本发明涉及一种用于燃气轮机的燃烧室。更特别地，本发明涉及一种优化用于燃气轮机的燃烧室的燃料喷嘴的方法。

背景技术

发电中常用到的典型燃气轮机利用燃烧室来产生具有高压和高温的燃烧气体以做功。这种燃气轮机一般包括进气区段、压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段以及排气区段。更具体而言，压缩机区段将已压缩的工作流体供应至燃烧区段。已压缩的工作流体和燃料在燃烧区段内混合并且燃烧以产生高压与高温的燃烧气体。燃烧气体流入涡轮区段，在该涡轮区段内燃烧气体膨胀以做功。膨胀的气体在排气区段内被释放。

燃烧区段包括一个或多个燃烧室，每个燃烧室具有燃烧室外壳、端盖、罩帽、燃料喷嘴(包括一中心预混合喷嘴和围绕中心预混合喷嘴的多个外围预混合喷嘴)、火焰筒、导流衬套以及过渡段。中心预混合喷嘴和外围预混合喷嘴直接从燃气轮机外部的连接装置或者从燃料歧管(端盖)获取燃料并且将其传送至燃烧室。

对喷嘴的要求包括：将由端盖供应的各种流体提供给它们所希望的喷射口，提供气流和燃料分配以确保燃烧室的正常运行，使火焰在必需的维修间隔期内保持在喷嘴附近而不损坏燃烧室，并且包括：足够的通道密封装置来提供无泄漏密封。

关于稳定火焰的喷嘴，大多数燃烧室在喷嘴上具有“稳定”火焰的位置。稳定火焰需要这样一个燃烧室的区域：在该区域气流通常较慢并且停留时间相对较长。于是该区域与主流动区交换部分燃烧的燃烧产物，使燃烧产物点燃，并且该区域自身由主气流进行再补充，主气流向该区域提供更多的燃料和空气以进行燃烧，从而使该区域保持为热的。

在火焰稳定区内发生相当少的热量释放。例如，总燃烧室热量释放的6％可能发生在火焰稳定区内。然而这些区域是至关重要的，因为它们限定了火焰的稳定性和形状并且由此限定了燃烧室的正常运行。

先前的火焰稳定器结构通常为钝体式或者是旋流稳焰式。钝体火焰稳定是指：燃烧室的一部分在其下游产生低速区，在该低速区轴向流动速度足够低以使得火焰能够停留在该处；大多数这样的装置在装置中产生驻涡或者部分驻涡，例如，如美国专利第7,003,961号(Kendrick等人)中可见。旋流稳焰是指：旋流式喷嘴使气流涡旋然后气流自然地散开并且在其中心产生回流的位置，例如，如美国专利第6,438,961号(Tuthill等人)中可见。火焰可以稳定地驻留在所产生的环形涡流中并且点燃向下流经喷烧管的气流的内表面。取决于几何/膨胀比，在气流的外侧也可以存在涡流，该涡流也能够形成火焰稳定区。有些系统使用钝体式和旋流稳焰式火焰稳定的组合。

在大多数设计中，对于喷嘴有利的是将火焰锚定在它们的下游喷嘴头。由于喷嘴头占用流动面积，因此所述喷嘴头通常不是很大。因此，喷嘴头尺寸越大，喷燃器管也必须越大以维持相同的流动面积。或者，如果保持相同的喷烧管尺寸，则气流必须增大。从而导致损失增大。尽可能具备最大的回流区是有利且通常更稳定的。回流区将热产物从反应区沿着喷嘴中心线带入上游以与由喷嘴传送的新鲜燃料空气混合物混合。

增大回流区的尺寸的一种方法是使气流起旋。预混合区内的叶片使气流旋转。该气流向下流经环形管道直至喷嘴的末端，或稍超过喷嘴的末端(如果喷嘴头凹进的话)。一旦旋流在自由空间中不受约束，则气流由于不再有环形管壁的约束力而膨胀。该膨胀的气流剪切其内侧的空气。由于该气流推挤下游的外部空气，空气不得不跑到中心线的上游以取代被挤走的空气。由于在外部进行剪切的气流也朝着旋流的方向旋转，该气流由此形成为环形涡流。

在预混合喷嘴的设计中，对于大多数构型，大部分空气在进入火焰筒和燃烧室之前随着其与燃料混合经过火焰筒的上游表面。

使气流起旋具有多种结果。使气流例如以25度至45度起旋导致高压下降，这导致很高的压降，该压降能消耗例如70MW燃气轮机中的390KW能量。这部分能量随热量消散，但是随着经由循环膨胀回收一部分能量会造成整体功率降低。显然，使气流完全不起旋将带来甚至更大的增益。

由于压力损失与速度的平方成比例，因此减少压力损失的一种方法为降低喷烧管内的气流速度。大型喷烧管的存在导致膨胀可用的罩帽自由空间甚至更小。并且使气流汇聚在一起，从而增大离开预混合器的气流之间的剪切速率。

旋流的使用使得很难或者无法设计非圆形对称的喷嘴。此外，由于气流的旋转特性不断地改变其与例如火焰筒和邻近的喷嘴的物理特征的关系，因此通过改变周向特性来设计火焰形状非常困难。旋流确实有利的一点是用于混合。由旋流造成的更长的螺旋形气流路径提供了更长的距离用于进行混合。

在基于旋流的系统中，外围喷嘴具有内在的优点。通过设计/构思，喷嘴具有圆对称性。虽然火焰形状和性质可以被改变，但是通常仅可以改变诸如燃料分布或旋流的径向特性。

在燃料喷嘴内，空气和燃料在燃烧之前进行预混合。由于与燃料混合的空气比燃烧所有燃料所需的空气更多，并且从而当燃料燃烧时会同时加热燃烧产物和过剩的空气，因此通过使燃料和空气预混合来有效地稀释空气。污染物NOx(氮氧化物)的产生与温度有很大关系。因此，通过尽可能降低火焰温度来尽可能减少NOx的产生。

希望开发一种运用产生较强的局部火焰稳定能力和火焰传播能力的轴向气流而非旋流的喷嘴构造，使得能够设计下游火焰层的形状。这利用线性流是能够实现的，因为喷嘴头的任何部分都可以是独特的。为了本发明的目的，“轴向气流”旨在意指具有名义上的零净旋流(zero net swirl)的流场。如所限定的，“轴向气流”可以具有次级运动。在这种情况下，虽然可能存在具有径向和周向速度的气流特征，但是净旋流/径向速度基本为零。由于线性流要考虑到下游火焰面的形状设计，所以十分希望提供一种优化下游火焰面形状的方法。

本文所引用的全部参考文献通过引用以其全部内容并入本文。

发明内容

提供了一种优化用于燃气轮机的预混合燃料喷嘴的方法，所述预混合燃料喷嘴包括喷烧管，所述喷烧管具有：内壁；开放的内部容积，该内部容积具有在所述喷烧管的上游端与下游端之间延伸的长度；纵轴线；以及垂直于所述纵轴线的截面积。所述方法包括这样的步骤，即设置喷嘴以使得当所述燃气轮机运行时，空气燃料混合物的轴向流场经由所述喷烧管在喷嘴头周围流动，并且在所述喷嘴头上形成具有至少两个不同径向尺寸的至少两个回流区作为环形涡流的一部分以提供强的火焰稳定和火焰传播能力。

本发明的第二实施例也包括一种优化用于燃气轮机的预混合燃料喷嘴的方法。所述预混合燃料喷嘴包括喷烧管，所述喷烧管具有：内壁；开放的内部容积，该内部容积具有在所述喷烧管的上游端与下游端之间延伸的长度；纵轴线；以及垂直于所述纵轴线的截面积。所述方法包括以下步骤：制造喷嘴头，其包括以下步骤：制造外体，所述外体具有面向所述喷烧管的下游端的外体外表面，所述外体外表面具有比所述喷烧管的截面积更小的截面积。所述方法接着实施制造一个或多个节段的步骤，所述一个或多个节段从所述外体朝着所述喷烧管的内壁径向向外呈放射状延伸，所述节段具有一组几何尺寸(外形尺寸、结构尺寸)，所述几何尺寸包括高度、宽度、形状和相对于所述喷烧管的纵轴线的倾斜角度。所述几何尺寸中的每一个都被选择成提供期望的喷嘴火焰形状。所述喷嘴头至少部分地安装在所述喷烧管中。

制造一个或多个节段的步骤包括制造可绕所述外体在周向上等间隔地隔开的节段。然而，替换地，制造一个或多个节段的步骤也可包括制造绕所述外体非对称地布置的节段。制造一个或多个节段的步骤可包括制造这样的节段，即，在所制造的节段之中，所述外体上的至少一个节段在高度、宽度、形状和倾斜角度中的至少一者方面不同于所述外体上的另一个节段。制造一个或多个节段以提供期望的喷嘴火焰形状的步骤可包括制造所述一个或多个节段以使得当所述燃气轮机运行时，空气燃料混合物的轴向流场经由所述喷烧管在所述喷嘴头周围流动，并且利用所述节段在所述喷嘴头上形成至少两个环形回流区以提供强的火焰稳定和火焰传播能力。制造一个或多个节段的步骤可包括使至少一个所述节段的远端向所述喷烧管的内壁不完全延伸。替换地或附加地，制造一个或多个节段的步骤可包括使至少一个所述节段的远端完全延伸至所述喷烧管的内壁。制造一个或多个节段的步骤可包括使所述一个或多个节段中的至少一个节段的完全延伸至所述喷烧管的内壁的远端封闭并具有吹扫槽。制造一个或多个节段的步骤可包括使所述一个或多个节段中的至少一个节段的下游表面为平面状。最后，制造一个或多个节段的步骤可包括使至少一个节段的下游表面相对于所述喷烧管的纵轴线的角度在105度至165度的范围内。

重要的是要注意到，喷嘴头上的节段的数量、间距和形状是在本发明中进行优化的关键要素。

附图说明

本发明将结合附图来进行描述，在所述附图中，同样的附图标记指代相同的要素，其中：

图1为根据本发明示例性实施例的具有预混合燃料喷嘴的燃气轮机燃烧室的简化的截面立视图；

图2为图1的燃烧室的罩帽前板、预混合喷嘴和喷烧管的等距前视图；

图3为图2的罩帽前板和喷烧管的等距后视图，为了清楚起见未示出外围预混合燃料喷嘴；

图4为图2的罩帽前板和喷烧管的前立视图；

图5为图1的预混合燃料喷嘴的喷嘴头的前立视图；

图6为图5的喷嘴头的后立视图；

图7为图5的喷嘴头的等距前视图；

图8为大致沿着图2的线8--8截取的图2的罩帽前板、预混合喷嘴和喷烧管的截面、等距视图；

图9为大致沿着图2的线9--9截取的图6的中心喷嘴总成的截面、等距视图；

图10为图1的预混合燃料喷嘴的供替代的喷嘴头的等距前视图；

图11为图10的预混合燃料喷嘴的喷嘴头的前立视图；

图12为图10的喷嘴头的后立视图；

图13为大致沿着图10的线13--13截取的图6的中心喷嘴总成的截面、等距视图；

图14A为本发明喷嘴头周围的经由喷烧管的简化的局部模拟流场，其中示出喷嘴头的节段周围的所述流场；

图14B为绕与本发明喷嘴头形成对照的喷嘴头经由喷烧管的简化的局部模拟流场，所述喷嘴头的节段下游表面相对于喷烧管的纵轴线没有成角度地倾斜；

图15A为本发明喷嘴头周围的经由喷烧管的简化的局部模拟流场，其中示出各节段之间的所述流场；

图15B为绕与本发明喷嘴头形成对照的喷嘴头经由喷烧管的简化的局部模拟流场，所述喷嘴头的节段下游表面相对于喷烧管的纵轴线没有成角度地倾斜，其中示出各节段之间的所述流场；

图16是根据本发明的一种示例性方法在燃气轮机运行期间喷嘴头上的可能流场的一个示例的透视图；

图17是图16的喷嘴头上的流场的正视图；

图18是图17的喷嘴头上的流场的侧视图；以及

图19A至图19F是具有不同节段形状的各种示例性喷嘴头的透视图，每种形状都是用以提供期望的喷嘴火焰形状的一组几何尺寸，包括高度、宽度、截面形状和相对于喷烧管纵轴线的倾斜角度。

具体实施方式

将参考如下实施例来更详细地描述本发明，但是应当理解的是，本发明并不被视为限于这些实施例。

现在参考附图，其中贯穿多幅图，同样的附图标记指代相同的要素，图1中示出了根据本发明的第一示例性实施例的具有预混合喷嘴12、22的燃烧室10。燃烧室10的主要部件包括燃烧室外壳14、端盖16、罩帽18、反应区20、中心预混合燃料喷嘴12和多个外围预混合燃料喷嘴22。喷嘴12、22用于将空气燃料混合物21喷射至反应区20。

如图2至图9中最佳地可见，预混合燃料喷嘴12、22大体包括燃料和空气预混合器23、喷嘴头24以及喷烧管25。值得注意的是，对于喷嘴头24，本发明可以令人满意地与中心预混合燃料喷嘴12和外围预混合燃料喷嘴22中的某些或全部一起使用。根据本发明的方法对喷嘴头24进行的优化可以针对任意或全部喷嘴12、22来实现。

喷嘴头24包括包围可选的内腔28的外体26。喷烧管25具有内壁27、开放的内部容积29，并且具有在喷烧管25的上游端33与下游端35之间延伸的长度31(见图8)。喷烧管25具有纵轴线B和垂直于喷烧管25的截面积39(如图4中的交叉影线区域所示)。

喷嘴头24的外体26具有开放端30、封闭端32以及外体外表面36，所述外体外表面36位于封闭端32上，面向喷烧管25的下游端35。外体外表面36面向喷烧管25的下游端35并且具有比喷烧管25的截面积39更小的截面积37(将斜线部分与图4的交叉影线部分作对比)。外体外表面36可以是平面状。

可选的内腔28适于接纳冷却空气。喷嘴头24的封闭端32具有毗邻内腔28的内表面34。封闭端32具有在内表面34与外体外表面36之间延伸的多个孔38。如现有技术中所已知的，这些孔38可以设置为与喷烧管25的纵轴线B成角度地倾斜。

如图5至图9中所见，至少一个节段40例如如在图4的中心预混合燃料喷嘴中那样以均匀分布的周向间隔从外体26朝着喷烧管25的内壁27向外呈放射状延伸，或者如在图4的外围预混合燃料喷嘴的示例中所示的那样非对称(非均匀)隔开地从外体26朝着喷烧管25的内壁27向外呈放射状延伸。各个节段40可以长度相同或者长度不同，并且可以完全延伸至喷烧管内壁27或者向喷烧管内壁27不完全延伸。图10至图13中示出了具有呈不规则角度且长度不同的节段40’的喷嘴头24’的示例。喷嘴头24’示出为没有可选的孔(下文将讨论)。(按不同方式)分隔开及使用不同数量的节段40和/或改变节段40的几何特性以实现特定火焰形状的能力是本方法的关键要素。

关于中心预混合喷嘴12，最简单的实施方式是使节段40的数量与外围预混合喷嘴22的数量相同。一种排列是使节段40与外围预混合喷嘴22对齐以将火焰从中心预混合喷嘴12输送至外围预混合燃料喷嘴22。

如图9中最佳地可见，每个节段40可具有内导管42，所述内导管42具有与内腔28流体连通的开放近端44(见图8)，其中，空气适于从内腔28流进内导管42。每个节段40还具有封闭远端46、毗邻外体26的外体外表面36设置的节段下游表面48(例如平面状)以及，可选地，位于内导管42与节段下游表面48之间的多个节段孔50。孔50提供内导管42与节段下游表面48之间的流体连通，以供空气从内导管42流出每个节段40。每个节段40的节段下游表面48可以相对于喷烧管25的纵轴线B成角度地倾斜，例如成105度至165度的角度。例如，见图9的角度C。

每个节段40的封闭远端46可包括吹扫槽54，以确保始终有空气燃料混合物流流过喷嘴头24。如果节段40的高度与喷烧管25近似相同并且延伸至喷烧管的内壁27(例如，如图4和图8中所见)，则即使这两个部件接触或者差不多接触，吹扫槽54也确保节段40的远端46的区域持续地被冲洗。对于如图10至图13中所示的长度较短的节段40’来说，这种吹扫槽54不是必须的。

节段40可以具有如不同附图(见图2和图4至图12)中所示的形状。然而，本发明旨在包括基本上任何细长构型的节段——其能适当地工作以实现所希望的结果，如本文所述的节段。图19A至图19F示出了具有不同截面形状的节段的示例。通常，各个节段40的上游部分应当具有适当的空气动力学几何结构以确保在后缘(即，节段40的节段下游表面48的边缘)的上游基本无分离区域。但是，使不同节段的后缘具备这种节段的纯粹的空气动力学几何结构实际上是较次要的。喷嘴头24上的不同节段40可具有相同的物理几何结构，然而，作为选择，只要能够达到本文所述的期望结果(包括强的火焰稳定能力和强的火焰传播能力)，喷嘴头24上的一个或多个节段40也可具有完全不同的几何结构。

本发明涉及优化用于燃气轮机的一个或多个燃料喷嘴12、22的方法。喷嘴12、22大体如本文所描述的那样。该方法旨在提供这样的一个或多个喷嘴，所述喷嘴使得当燃气轮机运行时，空气燃料混合物的轴向流场经由喷烧管在喷嘴头周围流动，并且在喷嘴头上形成具有至少两个不同径向尺寸的至少两个回流区作为环形涡流的一部分以提供强的火焰稳定和火焰传播能力。这可通过制造具有在形状、数量和绕外体26的布置方面有所优化的节段40的喷嘴头24来实现。节段形状的作用效果可例如从图16至图18中看到，这些图示出了具有示例性火焰形状的单个喷嘴头24，其中各节段40是等间隔隔开的，并且具有相同的几何尺寸。基于这些图，本领域技术人员能容易看出，改变节段40的数量、间距和几何尺寸将产生不同的火焰形状。本发明旨在获得特定的期望火焰形状。本方法涉及外体26上的具有各种尺寸(例如包括高度、宽度、形状和相对于喷烧管25的纵轴线的倾斜角度)的节段40。针对节段40的这一组几何尺寸中的每一个都被选择成提供期望的喷嘴火焰形状。喷嘴头24至少部分地位于喷烧管中。

例如，节段40可设计成绕外体26在周向上等间隔地隔开，例如如在图4的喷嘴头24的中心预混合燃料喷嘴中所示的那样。然而，节段40也可制造成绕外体26非对称/非等间距地布置，例如如在图4的外围预混合燃料喷嘴22中所示的那样。

喷嘴头24可具有几何尺寸全都相同的节段40，或全都不同的节段40，或有相同也有不同的组合情况的节段40。本发明旨在通过选择外体26上的节段40的数量、几何尺寸(高度、宽度、形状和倾斜角度等)和位置来进行优化。这样，对于特定喷嘴头24的节段40中的一些或全部(或一个都没有)可向其相关的喷烧管25的内壁27不完全延伸或完全延伸。

以这种方式构造，喷嘴头24形成燃料空气混合物的两个或更多个具有不同径向尺寸的回流区，这些回流区汇合以形成不规则的环形回流区52，以提供强的火焰稳定能力和强的火焰传播能力。值得注意的是，标准的旋流式喷嘴具有旋转形式的单个环形涡流(toroidal vortex)。在本发明中，所述回流区由两个或多个具有不同径向尺寸并且为不规则环形(即不是旋转形式)的区域构成。本发明产生不同尺寸的涡流系(vortices)，这些不同尺寸的涡流系可被调节以产生具有不同性能的不同火焰形状。

节段40实际上在空气燃料混合物的气流中形成空洞，以在下游侧产生低速气流区——在该低速气流区，轴向速度低于火焰速度并且通过在喷烧管与节段40的远端46之间流通的气流来加快自旋。

喷嘴头24的节段40如果被设置为与外围预混合喷嘴22对齐则提供这样的装置：经由该装置，始终运行的中心预混合喷嘴12可以分享火焰并且点燃在燃气轮机加载过程中断断续续地工作的外围预混合喷嘴22。这里，气流从中心喷嘴头朝着外围喷嘴向外移动。

本发明所解决的一个问题是开发一种运用线性流而非旋流(swirl flow)的喷嘴构造。本发明在喷嘴头上产生具有两种或多种尺寸的环形流特征的回流区。这产生了强的局部火焰稳定和火焰传播能力，同时流场的简化使得能够(在设计的物理限度之内)明确地设计下游火焰面的形状以及因此其特性。

本发明的目标之一为在喷嘴头的下游产生具有不同径向尺寸的回流区。在旋流设计中，喷嘴头具有圆对称性并且由于气流的旋流特性而具有旋转形状。在具有线性流的设计中，如本发明中，上述限制不是必需的。喷嘴头的任何部分都可以是独特的。

本发明的优点在于将较大型喷嘴的某些特征赋予较小型喷嘴。例如，本发明：

●增大在喷嘴下游回流的质量流，使其(火焰)更稳定；

●将火焰运送至喷烧管的外半径区域以点燃罩帽上的气流；

●赋予喷嘴头不同的性能，这些性能可以影响火焰形状而不会改变其他任何部分；

○每个节段的尺寸(高度/宽度/形状/倾斜度)及每个节段与其他任何节段的角度关系是任意的，从而赋予了大的灵活性；

●多个半独立火焰稳定器的存在使得如果一个部件开始熄灭，则不同部件能够交叉点火。这导致了极低的极限贫燃熄火(LBO)，即，其中喷嘴仍然能够可靠地稳定火焰的最低化学计量。

本发明提供了直接设计火焰形状/几何性能的能力。在以往，更改喷嘴的特征以试图引起火焰性能的改变，但是这种改变的确切性质并未完全知晓。旋流的相互作用，即使在燃烧室的相对简单的几何环境的情况下，也使得不能够有效地进行准确设计。旋流的作用意味着任何特性在周向上随着轴向距离变化而变化，因此所述改变可能在某处是有利的，而在另一处是不利的。

应当注意，本发明要求每个节段40具有朝向喷烧管25的下游端相对于喷烧管的纵轴线B成角度地倾斜的节段下游表面48。由于下游表面48成角度地倾斜，因此当燃气轮机运行时，空气燃料混合物的轴向流场通过喷烧管并围绕喷嘴头流动，并且利用节段在喷嘴头上产生两个或更多个具有不同径向尺寸的回流区，以提供强的火焰稳定和火焰传播能力。

如果存在有所述节段但是所述节段下游表面并不是朝向喷烧管的下游端相对于喷烧管的纵轴线成角度地倾斜，则所述结果并不会出现。图14A和图15A示出本发明喷嘴头24周围的经由喷烧管25的简化的局部模拟流场，其中节段40具有相对于喷烧管的纵轴线B成角度地倾斜的下游表面48。图14B和图15B示出喷嘴头24b周围的经由喷烧管25b的简化的流场，其中节段40b的下游表面48b没有相对于喷烧管25b的纵轴线B’成角度地倾斜(即，垂直于喷烧管25b的纵轴线B’)。比较图14A、图15A与图14B、图15B。图14A示出具有与节段高度相类似的尺寸的回流区，而图14B却没有。

本发明的分段式喷嘴头24的主要特征在于能够在节段下游表面48下游产生两个或更多个不同尺寸的涡流系。在喷烧管25、节段下游表面48和喷嘴头24的外体26之间流通的气流剪切在节段下游表面48的下游的空气。这种剪切动作向下游输送气流。因此空气燃料混合物21的气流沿喷嘴中心线向上游行进以代替被置换的气流。紧接着在气流开始向下流经喷烧管25之后，涡流系(vortices)在喷嘴头24的下游聚集。由于喷嘴头36的外表面和节段40具有不同的径向尺寸，因此，与这些结构相关联的涡流系类似地具有不同的尺寸。在每个节段40的下游产生涡流，并且对于节段40之间的每个区域存在一个涡流(vortex)。从而，涡流结构的总数目等于节段40的数目的两倍，其中对于单个节段40最少存在两个涡流结构。

该结果不会发生在钝体系统——例如在美国专利第7,003,961号(Kendrick等人)(在上述背景技术中讨论过)的图4的火焰稳定器中所示的钝体系统中。更特别地，中央本体和支柱置换气流并在它们的下游产生低速气流区域。中央火焰稳定捕获腔中的气流随着其由于温度升高而燃烧而膨胀，引起密度急剧下降。所产生的体积将部分地膨胀至支柱下游的低速区，因为相比于置换流经中央本体中的被驱动腔的高速气流而言这是一条低阻力路径。该气流将向外移动并且被流经支柱两侧的气流剪切。取决于设计细节，该剪切将要么激发冯卡门漩涡喷射要么激发一对稳定的涡流。

这些涡流的旋转轴线平行于角形火焰稳定器(gutter)的前表面或相对于燃烧室的中心线呈径向。具有这些特性的气流特征不会引起气流再回流至喷嘴/燃烧室中心线，如同具有带朝向喷烧管25的下游端相对于喷烧管25的纵轴线B成角度地倾斜的下游表面48的节段的喷嘴头24一样。

虽然本发明是详细地且参考本发明的具体实施例来进行了描述，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明实施各种改变和修改。

Claims (10)

1.一种优化用于燃气轮机的预混合燃料喷嘴的方法，所述预混合燃料喷嘴包括喷烧管，所述喷烧管具有：内壁；开放的内部容积，该内部容积具有在所述喷烧管的上游端与下游端之间延伸的长度；纵轴线；以及垂直于所述纵轴线的截面积，所述方法包括以下步骤：

(a)制造喷嘴头，其包括以下步骤：

(i)制造外体，所述外体具有面向所述喷烧管的下游端的外体外表面，所述外体外表面具有比所述喷烧管的截面积更小的截面积；和

(ii)制造一个或多个节段，所述一个或多个节段从所述外体朝着所述喷烧管的内壁径向向外呈放射状延伸，所述节段具有一组几何尺寸，所述几何尺寸包括高度、宽度、形状和相对于所述喷烧管的纵轴线的倾斜角度，所述一组几何尺寸中的每一个都被选择成提供期望的喷嘴火焰形状；和

(b)将所述喷嘴头至少部分地安装在所述喷烧管中。

2.根据权利要求1所述的优化用于燃气轮机的预混合燃料喷嘴的方法，其中，制造一个或多个节段的步骤包括制造绕所述外体在周向上等间隔地隔开的节段。

3.根据权利要求1所述的优化用于燃气轮机的预混合燃料喷嘴的方法，其中，制造一个或多个节段的步骤包括制造绕所述外体非对称地布置的节段。

4.根据权利要求1所述的优化用于燃气轮机的预混合燃料喷嘴的方法，其中，制造一个或多个节段的步骤包括制造这样的节段，即，在所制造的节段之中，所述外体上的至少一个节段在高度、宽度、形状和倾斜角度中的至少一者方面不同于所述外体上的另一个节段。

5.根据权利要求1所述的优化用于燃气轮机的预混合燃料喷嘴的方法，其中，制造一个或多个节段以提供期望的喷嘴火焰形状的步骤包括制造所述一个或多个节段以使得当所述燃气轮机运行时，空气燃料混合物的轴向流场经由所述喷烧管在所述喷嘴头周围流动，并且利用所述节段在所述喷嘴头上形成至少两个环形回流区以提供强的火焰稳定和火焰传播能力。

6.根据权利要求1所述的优化用于燃气轮机的预混合燃料喷嘴的方法，其中，制造一个或多个节段的步骤包括使至少一个所述节段的远端向所述喷烧管的内壁不完全延伸。

7.根据权利要求1所述的优化用于燃气轮机的预混合燃料喷嘴的方法，其中，制造一个或多个节段的步骤包括使至少一个所述节段的远端完全延伸至所述喷烧管的内壁。

8.根据权利要求7所述的优化用于燃气轮机的预混合燃料喷嘴的方法，其中，制造一个或多个节段的步骤包括使所述一个或多个节段中的至少一个节段的完全延伸至所述喷烧管的内壁的远端封闭并具有吹扫槽。

9.根据权利要求1所述的优化用于燃气轮机的预混合燃料喷嘴的方法，其中，制造一个或多个节段的步骤包括使所述一个或多个节段中的至少一个节段的下游表面为平面状。

10.根据权利要求1所述的优化用于燃气轮机的预混合燃料喷嘴的方法，其中，制造一个或多个节段的步骤包括使至少一个节段的下游表面相对于所述喷烧管的纵轴线的角度在105度至165度的范围内。