CN110873337A - 具有冷却微通道的双燃料喷枪 - Google Patents

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马里奥·普德贾
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Abstract

本发明题为“具有冷却微通道的双燃料喷枪”。本发明提供了一种用于燃烧器的喷枪(100),喷枪包括在同心阵列中的最内导管(150)、中间导管(160)、以及最外导管(170)。导管(150,160,170)限定相应的流体通路(154,164和174)以及相应的燃料喷射通道(156,166,176)。冷却微通道(200)在第三流体通路(174)中的入口和最外导管(170)的外表面上的出口之间延伸。

Description

具有冷却微通道的双燃料喷枪
技术领域
本公开涉及燃烧器的喷枪,诸如可用于将液体燃料或气体燃料喷射到顺序燃气涡轮机的再热燃烧器中。该喷枪包括冷却微通道和具有大致类似于扁长球体的形状的尖端。
背景技术
用于发电的一些燃气涡轮机包括顺序燃烧系统,其中来自第一环形燃烧器的燃烧产物在被引入第二(再热)环形燃烧器之前穿过第一涡轮机部分。在第二燃烧器中,再热燃烧器将附加气体燃料或液体燃料引入环形燃烧室中,其中它被从第一涡轮机部分接收的燃烧产物点燃。所得燃烧产物被引导到第二涡轮机部分中,其中它们用于驱动涡轮机叶片关于联接到发电机的轴的旋转。
燃料由被构造用于双燃料操作(即,在气体燃料和液体燃料上交替操作)的喷枪引入第二燃烧器的混合室中。此类喷枪的一个示例在授予EROGLU等人的美国专利8,943,831中有所描述。如图1和图2所示,喷枪1包括主体2,该主体限定具有用于喷射液体燃料5的第一喷射通路4的第一管道3和具有用于喷射气体燃料8的第二喷射通路7的第二管道6。第二管道6同轴地围绕第一管道3。主体2还包括同轴地围绕第二管道6的第三管道15。第三管道15包括用于喷射空气18的第三喷射通路16和第四喷射通路17。
第一喷射通路4的出口10相对于第二喷射端口7的出口11轴向地移位。第三喷射通路16同轴地围绕第一喷射通路4的出口端部10,并且第四喷射通路17同轴地围绕第二喷射通路7的出口11。第三喷射通路16由第三管道15的壁中的孔限定,从而限定围绕每个第一喷射通路4的出口10的间隙。
因为喷枪设置在穿过第一燃烧器和第一涡轮机部分的燃烧产物的热气体流动路径内,所以有必要冷却喷枪以防止损坏并延长使用寿命。在EROGLU专利中,穿过第三管道15的空气18用于对流地冷却喷枪。然而,此类冷却空气18必须处于足够低的温度和足够高的压力下以实现必要的冷却。在冷却空气18中实现必要的压力和温度可能需要使用压缩机(或增压压缩机)和/或换热器,它们是不期望地降低燃气涡轮机的总体操作效率的附加负载。
因此,提供用于二次燃烧器的喷枪将是有用的,该喷枪保持喷枪所需的双燃料功能,并且被构造成在较低的压力和/或更高的温度下使用空气来冷却喷枪,从而改善涡轮机效率。
发明内容
用于燃烧器的喷枪包括:最内导管,该最内导管限定第一流体通路和多个第一燃料喷射通道,每个第一燃料喷射通道终止于第一出口处;周向围绕最内导管的中间导管,中间导管限定第二流体通路和多个第二燃料喷射通道,每个第二燃料喷射通道终止于第二出口处;周向围绕中间导管的最外导管,最外导管限定第三流体通路、穿过最外导管并围绕第一出口的多个第三空气出口、穿过最外导管并围绕第二出口的多个第四空气出口、和多个冷却微通道;其中每个冷却微通道包括与第三流体通路流体连通的微通道入口以及在最外导管的外表面上的微通道出口,并在其间延伸。
附图说明
本说明书涉及本领域的普通技术人员,陈述了本发明的系统和方法的完整且能够实现的公开,包括使用该系统和方法的最佳模式。本说明书涉及附图,其中:
图1为用于燃气涡轮机燃烧器的常规燃烧器喷枪的横截面侧视图;
图2是图1的燃烧器喷枪的尖端的横截面侧视图;
图3为根据本公开的燃气涡轮机燃烧器的燃烧器喷枪的侧视图;
图4是图3的燃烧器喷枪的尖端的横截面侧视图;
图5是图3的燃烧器喷枪的横截面侧视图,其具有第一组冷却微通道的入口端口的插图编号;
图6是图3的燃烧器喷枪的侧视图,其示出了设置在燃烧器喷枪内的冷却微通道;
图7为图3的燃烧器喷枪的一部分的侧视图,其示出了沿着燃烧器喷枪的上游表面设置的冷却微通道;
图8为根据本公开的一个方面的第一冷却微通道的侧视图,该第一冷却微通道在围绕本发明的燃烧器喷枪的上游表面的第一方向上设置;
图9为根据本公开的一个方面的第二冷却微通道的侧视图,该第二冷却微通道在围绕本发明的燃烧器喷枪的上游表面的第二方向上设置;
图10为根据本公开的一个方面的图7所示的第一冷却微通道的侧视图,该第一冷却微通道沿着燃烧器喷枪的上游表面设置;
图11为根据本公开的另一方面的第二冷却微通道的侧视图,该第二冷却微通道沿着燃烧器喷枪的底表面设置;
图12为图3的燃烧器喷枪的尖端部分的侧面透视图,其示出了沿着尖端设置的冷却微通道;
图13为根据本公开的另一个方面的图12的冷却微通道中的一个冷却微通道的侧视图,该冷却微通道沿着本发明的燃烧器喷枪的尖端的底表面设置;
图14为根据本公开的又一个方面的第六冷却微通道的侧视图,该第六冷却微通道沿着本发明的燃烧器喷枪的露台设置;
图15为沿纵向轴线截取的本发明的燃烧器喷枪的尖端的剖视图,其示出了周向间隔开的保持特征结构;并且
图16为图15的保持特征结构的侧面透视图。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的各种实施方案,其一个或多个示例在附图中示出。该具体实施方式使用数字和字母标号来指代附图中的特征结构。已使用附图和描述中的相似或类似标号来指代本公开的相似或类似零件。
为了清楚地描述具有双燃料功能和微通道冷却的本发明燃烧器喷枪及其特征结构,将使用某些术语来指代和描述本公开范围内的相关机器部件。在可能的范围内,通用的行业术语将以与术语的接受含义一致的方式进行使用和采用。除非另有说明,否则应当对此类术语给出与本申请的上下文和所附权利要求书的范围一致的广义解释。本领域的普通技术人员将理解,通常可以使用若干不同或重叠的术语来引用特定部件。本文中可描述为单个部分的物体可以包括多个部件并且在另一个上下文中被引用为由多个部件组成。可替代地,本文中可描述为包括多个部件的物体可在别处称为单个集成部分。
此外,在本文中可定期使用若干描述性术语,如下所述。术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用,以将一个部件与另一个部件区分开来,并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
如本文所用,“下游”和“上游”是指示相对于流体流动的方向的术语,诸如通过涡轮发动机的工作流体。术语“下游”对应于流体流动方向,并且术语“上游”是指与流动(即流体流动来自的方向)相反的方向。术语“内部”用于描述接近部件的纵向轴线或中心的部件,而术语“外部”用于描述部件的纵向轴线或中心远侧的部件。
通常需要描述处于不同的径向、轴向和/或周向位置的零件。如图3所示,“A”轴线表示轴向定向。如本文所用,术语“轴向”和/或“轴向地”是指物体沿着轴线A的相对位置/方向,该轴线沿零件的长度延伸穿过流体入口的中心线(如图3中所示)。如本文进一步使用的,术语“径向”和/或“径向地”是指物体沿着轴线“R”的相对位置或方向,该轴线仅在一个位置处与轴线A相交。在一些实施方案中,轴线R基本上垂直于轴线A。最后,术语“周向”是指围绕轴线A的运动或位置(例如,轴线“C”)。术语“周向”可指围绕相应物体(例如,转子或零件的纵向轴线)的中心延伸的尺寸。
本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的并且不旨在进行限制。如本文所使用,单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式,除非上下文另有明确说明。将进一步理解,当在本说明书中使用时,术语“包括”和/或“包含”指定存在所述特征结构、整数、步骤、操作、元件和/或部件,但不排除存在或者添加一个或多个其他特征结构、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组。
每个示例是通过解释的方式而非限制的方式提供的。事实上,对于本领域技术人员来说显而易见的是,在不脱离本发明的范围或实质的情况下,可以进行修改和变型。例如,作为一个实施方案的一部分示出或描述的特征结构可以在另一个实施方案上使用,以产生又一个实施方案。因此,本公开旨在涵盖落入所附权利要求书及其等同物的范围内的此类修改和变型。
虽然出于举例说明的目的,本公开的示例性实施方案通常将在制造陆基发电燃气涡轮机的涡轮机喷嘴的上下文中描述,但本领域的普通技术人员将易于理解,本公开的实施方案可应用于涡轮机内的其他位置并且不限于陆基发电燃气涡轮机的涡轮机部件,除非在权利要求书中明确叙述。
现在将参考附图,图3示出了根据本公开的喷枪100。喷枪100包括主体102,该主体具有纵向轴线101、上游(入口)部分110和包括尖端部分130的下游部分120。弓形上部104在入口部分110和大致水平且横向于纵向轴线的露台106之间延伸。支撑支架108将入口部分110连接到与弓形上部104相对的露台106。中间部分140在露台106和下游部分120之间轴向地延伸。下游部分120具有扁长球体的大致形状(即,橄榄球或美式足球的形状),其具有弯曲的上表面122和弯曲的下表面124,该弯曲的上表面和弯曲的下表面接合在喷枪尖端126处。
与具有圆柱形表面的常规喷枪不同(如图1中所示),本发明的喷枪100的下游部分具有弯曲的下表面124。弯曲的上表面122和弯曲的下表面124改善下游部分120和尖端部分130内部和周围的冷却气流,促进燃烧产物围绕喷枪100的流动,并且防止热燃烧气体摄取到尖端部分130中。
尖端部分130的内部示于图4中。最内导管150限定通路154,该通道用于将液体燃料5(或液体燃料/水乳液)递送至液体燃料喷射通道156,这些液体燃料喷射通道相对于尖端部分130的轴向中心线131成锐角设置。每个液体燃料喷射通道156可包括从通路154到其出口158的轻微锥形部,在这种情况下液体燃料5将随着液体燃料5通过出口158喷射而加速。出口158与尖端部分130的表面127齐平或略微向内侧。表面127为喷枪100的下游部分120的上曲面122或下曲面124的一部分。
中间导管160周向围绕最内导管150并且限定通路164,该通路用于将气体燃料8递送至气体燃料喷射通道166,该气体燃料喷射通道的出口相对于轴向中心线131以大约90度角(±10度)设置。气体燃料喷射通道166的形状通常为截头圆锥形,并且在图示实施方案中,关于出口轴线(由箭头8表示)为非对称的。气体燃料喷射通道166的出口168的横截面积大于液体燃料喷射通道156的出口158。出口168在尖端部分130的表面127的略微向内侧。
最外导管170周向围绕中间导管160并限定喷枪100的主体102。最外导管170限定通路174,该通路用于将压缩冷却空气18递送至第一组空气出口176和第二组空气出口178,这些空气出口提供穿过喷枪尖端126并进入燃烧区域25的流体连通。当压缩冷却空气18被传递通过最外导管170时,主体102(包括下游部分120和尖端部分130)被对流地冷却。
第一组空气出口176设置在液体燃料出口158周围并且有助于冷却液体燃料通道156,从而防止焦化。另外,当喷射液体燃料5时,空气出口176可有助于雾化液体燃料5。第二组空气出口设置在气体燃料出口168周围,并且当气体燃料8被引入燃烧区域25中时提供与气体燃料8混合的空气18。此类混合有助于减少一氧化二氮(NOx)的排放。
同心导管150、160、170在图5中整体示出。如图所示,入口部分110限定关于主体102的纵向轴线101设置的三个同轴导管入口152、162、172。每个导管150、160、170具有:平行于纵向轴线101的入口152、162、172;与相应入口152、162、172连通的上游弓形部分;主体102的中间部分140中的与上游弓形部分连通的竖直取向通路;和沿横向于纵向轴线101取向设置并与竖直取向通路连通的下游部分。
如将在下文中讨论的,具有其微通道的复杂图案的本发明的喷枪100的独特几何形状可通过增材制造方法来有效地制得。在此类情况下,气体燃料导管160的竖直取向通路可设置有肋部165的堆叠排列以有利于制造。
增材制造方法包括通过顺序和重复沉积和接合材料层来形成喷枪100及其冷却特征结构的任何制造方法。合适的制造方法包括但不限于本领域的普通技术人员已知的方法,如直接金属激光熔融(DMLM)、直接金属激光烧结(DMLS)、激光工程化净成形、选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔融(SLM)、电子束熔炼(EBM)、熔融沉积成型(FDM)或它们的组合。
在一个实施方案中,增材制造方法包括DMLM方法。DMLM方法包括提供并沉积金属合金粉末以形成具有预选厚度和预选形状的初始粉末层。聚焦能量源(即,激光或电子束)被引导在初始粉末层处以熔融金属合金粉末,并且将初始粉末层转变成喷枪100的一部分或其冷却特征结构(例如,微通道200)中的一个冷却特征结构。
接着,将附加金属合金粉末分层依次沉积在喷枪100的部分之上,以形成具有达到所需几何形状必需的预选厚度和预选形状的附加层。在沉积金属合金粉末的每个附加层之后,DMLM方法包括用聚焦能量源熔融附加层以增加组合厚度并形成喷枪100的至少一部分。然后可重复顺序沉积金属合金粉末的附加层并熔融附加层的步骤,以形成网状或近网形状的喷枪100。
虽然大部分空气18流过最外导管170以与燃料(5或8)一起引入穿过尖端部分130以对流地冷却主体102并与燃料混合,但是相对小百分比的空气18被转移到冷却微通道(例如200)的小空气入口(例如202)中,如可在上述DMLM过程中形成的。在由于暴露于进入的热燃烧气体而另外暴露于高温的临界区域中,流过微通道的空气沿喷枪100的外表面产生冷却膜。通过在这些区域中有策略地放置微通道,可有利地减少微通道的数量和冷却空气的量。较短的微通道(例如,长度为约1英寸的通道)可用于温度较高的区域,而较长的微通道(例如,长度为约2.5英寸至3英寸的通道)可用在其他区域中。
第一组这些冷却微通道200设置在喷枪100的在露台106的下游的中间部分140中。如图6和图7中所示,一些空气入口202将空气引导到微通道200a中,这些微通道横向延伸并包裹喷枪100的第一侧并且终止在空气出口204中(如图3中所示)。一些空气入口202将空气引导到微通道200b中,这些微通道围绕喷枪100的第二(相对)侧横向延伸并终止在相对侧的空气出口(未示出)中。空气入口202及其对应的微通道200交替布置以使冷却的表面区域最大化。
图8和图9示出了微通道200a和200b,其关于竖直取向的中间部分140的上游表面142横向延伸。在图8中,微通道200a以第一方向关于上游表面142横向延伸,使得空气入口202设置在第一侧的内表面上,并且空气出口204设置在第二(相对)侧的外表面上。在图9中,微通道200b以第二方向关于上游表面142横向延伸,使得空气入口202设置在第二侧的内表面上,并且空气出口204设置在第一侧的外表面上。在相反的方向上提供冷却流有助于确保区域被充分冷却。
图5至图7和图10示出了具有邻近最下游微通道200的入口212的第二组冷却微通道210。微通道210朝向或超出位于中间部分140和下游部分120之间的接合部145在大致轴向方向上延伸。如图6和图7所示,空气入口212可设置在同一平面中,而空气出口214、216可设置在不同的平面中。空气出口214设置在邻近接合部145的平面中,并且空气出口216设置在接合部145的下游以确保冷却主体102的拐角。较长的微通道210(即,具有空气出口216的那些微通道)最靠近主体102的竖直取向部分140的上游表面142,该上游表面暴露于来自第一涡轮机部分的燃烧气体的输入流。出口214、216可见于图3。
图6和图7还示出了第三组微通道220,其具有空气入口222,哎空气入口以交替布置方式设置在第二组微通道210的空气出口214之间或具有空气出口216的微通道210之间。应当认识到,空气入口222设置在主体102的向内表面上,而空气出口214、216设置在主体102的外表面上。空气入口222设置在邻近接合部145的同一通用平面中。微通道220可具有不同的长度以优化围绕接合部145和主体102的拐角的冷却流,从而在不同的平面中产生空气出口224。出口224可见于图3。
图5、图6和图11示出了沿喷枪100的下游部分120的弯曲的下表面124延伸的第四组冷却微通道230。每个微通道230在弯曲的下表面124的内表面上的空气入口232和弯曲的下表面124的外表面上的空气出口234之间延伸。一个此类微通道230的出口234可见于图3。
图5、图6、图12和图13示出了设置在喷枪100的尖端部分130处的第五组冷却微通道240。在一个实施方案中,冷却微通道240从设置在尖端部分130的内表面上的空气入口242延伸到尖端部分130的外表面上的空气出口244(如图5中所示)。
图5、图6和图14示出了设置在喷枪100的露台106中的六组冷却微通道250。这些微通道中的每个微通道包括上表面106a中的空气入口252和下表面106b中的空气出口254并在其间的方向上大致横向延伸。微通道250定位为邻近下表面106b,以实现暴露于较高温度下的下表面106b的近表面冷却。
在具有设置在更热的外导管内的冷燃料导管的许多燃料喷枪中,部件之间的热差异可导致磨损,从而缩短喷枪的使用寿命。在本发明的喷枪100中,自定心固定系统300设置在位于中间导管160的外表面与最外导管170的内表面之间的通路174中。沿着喷枪100的纵向轴线101定位的固定系统300允许导管160、170沿下游部分120和尖端部分130的纵向轴线131运动。防止沿下游部分120(并且因此沿着喷枪100的纵向轴线101)的径向方向的运动。
固定系统300包括钩形元件302、304、306、308和T形栓310。钩形元件302、304、306、308从最外导管170径向地向内延伸并且以302/304和306/308成对地布置。钩形元件302和304彼此轴向地间隔开,并且钩形元件306和308彼此轴向地间隔开。钩形元件302和304与钩形元件306和308周向间隔开,使得元件302与元件306相对并且元件304与元件308相对。每个T形栓310的长度跨越钩形元件302、304和306、308的间距。
尽管固定系统300被示出为具有四组钩形元件302-308和T形栓310,但组的数量可以变化。
上文详细描述了具有冷却微通道的本发明的双燃料喷枪的示例性实施方案。本文所述的部件不限于本文描述的具体实施方案,而是方法和部件的各个方面可以独立地并且与本文描述的其他部件分开利用。例如,本文所述的部件可具有其他应用,这些应用不限于使用如本文所述用于发电气体涡轮机的环形燃烧器的实践。相反,本文所述的部件可在各种其他行业中实现和利用。
虽然已根据各种具体实施方案描述了技术进步,但本领域的技术人员将认识到,技术进步可以在权利要求书的实质和范围内通过修改来实践。

Claims (10)

1.一种用于燃烧器的喷枪,包括:
最内导管,所述最内导管限定第一流体通路和多个第一燃料喷射通道,每个第一燃料喷射通道终止于第一出口处;
中间导管,所述中间导管周向围绕所述最内导管,所述中间导管限定第二流体通路和多个第二燃料喷射通道,每个第二燃料喷射通道终止于第二出口处;
最外导管,所述最外导管周向围绕所述中间导管,所述最外导管限定第三流体通路、穿过所述最外导管并围绕所述第一出口的多个第三空气出口、穿过所述最外导管并围绕所述第二出口的多个第四空气出口、和设置在操作期间易于产生高温的区域中的多个冷却微通道;
其中每个冷却微通道包括与所述第三流体通路流体连通的微通道入口和所述最外导管的外表面上的微通道出口并在其间延伸,以沿着所述外表面产生冷却膜;
其中所述最内导管、所述中间导管和所述最外导管具有与所述喷枪的纵向轴线同轴的相应导管入口;并且
其中所述最内导管、所述中间导管和所述最外导管终止于垂直于所述喷枪的所述纵向轴线的尖端部分中。
2.根据权利要求1所述的喷枪,其中所述多个冷却微通道包括设置在所述最外导管的所述尖端部分中的第一组冷却微通道;
其中所述第一组冷却微通道的所述相应微通道入口设置在所述喷枪的所述纵向轴线下游的圆周阵列中;并且
其中所述第一组冷却微通道的所述相应微通道出口邻近所述尖端部分的喷枪尖端设置。
3.根据权利要求1所述的喷枪,其中所述最内导管、所述中间导管和所述最外导管中的每一者包括:流体连接到所述相应导管入口的上游弓形部分;与所述上游弓形部分流体连接并平行于所述纵向轴线的竖直取向部分;和与所述竖直取向部分流体连接并横向于所述纵向轴线的下游部分,其中所述下游部分包括所述尖端部分、上曲面和下曲面;并且
其中所述上曲面和所述下曲面朝向彼此弯曲并且在喷枪尖端处接合。
4.根据权利要求3所述的喷枪,其中所述多个冷却微通道包括设置在所述最外导管的所述竖直取向部分中的第二组冷却微通道;并且其中所述第二组冷却微通道横跨所述竖直取向部分的上游表面横向取向。
5.根据权利要求4所述的喷枪,其中所述第二组冷却微通道的第一子组的所述相应微通道入口设置在所述最外导管的所述上游表面的第一侧上,并且所述第二组冷却微通道的所述第一子组的所述相应微通道出口设置在所述最外导管的所述上游表面的第二侧上;并且
其中第二子组冷却微通道的所述相应微通道入口设置在所述最外导管的所述上游表面的所述第二侧上,并且所述第二组冷却微通道的所述第二子组的所述相应微通道出口设置在所述最外导管的所述上游表面的所述第一侧上。
6.根据权利要求5所述的喷枪,其中所述第一子组冷却微通道的所述相应微通道入口与所述第二组冷却微通道的所述相应微通道出口交替布置;并且其中所述第一子组冷却微通道的所述相应微通道出口与所述第二子组冷却微通道的所述相应微通道出口交替布置。
7.根据权利要求3所述的喷枪,其中所述多个冷却微通道包括在大致平行于所述纵向轴线的方向上延伸的第三组冷却微通道;
其中所述第三组冷却微通道的所述相应微通道入口设置在所述竖直取向部分内的共用平面中;
其中所述第三组冷却微通道的第一子组的所述相应微通道出口设置在处于所述最外导管的所述竖直取向部分和所述下游部分之间的接合部的上游;并且
其中所述第三组冷却微通道的第二子组的所述相应出口设置在所述接合部的下游。
8.根据权利要求7所述的喷枪,其中所述多个冷却微通道包括设置在所述下游部分中的邻近处于所述竖直取向部分和所述下游部分之间的接合部的第四组冷却微通道;并且
其中所述第四组冷却微通道的所述相应微通道入口以与所述第三组冷却微通道的所述第一子组的所述相应微通道出口交替布置的方式设置。
9.根据权利要求3所述的喷枪,还包括支撑臂和露台,所述支撑臂联接到所述上游弓形部分的上游端部,所述露台从所述最外导管的所述竖直取向部分延伸到所述支撑臂;
其中至少一个冷却微通道比所述露台的上表面更接近所述露台的下表面以大致横向方向延伸穿过所述露台,所述至少一个冷却微通道具有沿着所述露台的所述上表面的微通道入口和沿着所述露台的所述下表面的微通道出口。
10.根据权利要求3所述的喷枪,还包括固定系统,所述固定系统设置在所述下游部分内;
其中所述固定系统包括从所述最外导管径向地向内延伸的周向间隔开的钩形元件组和从所述中间导管径向向外延伸的对应T形栓,每个T形栓被设置在相应钩形元件组内;并且
其中每个钩形元件组包括布置成相对的对的四个钩形元件。
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