CN1188211A - 低噪音预混燃料喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种切向进气燃料喷嘴,它具有燃烧器进口,该进口允许空气和燃料离开喷嘴进入燃烧器。该进口包括收缩表面、燃烧器表面和在它们之间延伸的筒形表面,收缩表面沿喷嘴的纵轴延伸一第一距离,筒形表面沿所述的轴延伸一第二距离,第二距离是第一距离的至少30%。

Description

低噪音予混燃料喷嘴

本发明涉及低氮氧化物(NOx)予混火焰喷嘴，特别是用在燃气涡轮机上的这类喷嘴。

高温燃烧的结果会产生氮氧化物(以后称之为NOx)。NOx是众所周知的污染物，因此产生NOx的燃烧设备要遵守严格的排放标准。所以，为了在燃烧设备中减少NOx的形成，人们做了大量努力。

一种解决方案是将燃料与过量的空气予混，使在局部高过量空气下发生燃烧，这样使燃烧温度较低而使生成的NOx最少。这样运行的一种切向进气喷嘴已显示在美国专利5307634中，该专利公开了一种具有锥形中心本体的涡形旋流器。该类型的燃料喷嘴被称之为切向进气喷嘴，它包括两个偏心圆柱弧面涡壳，它们连至两个端板上。燃烧空气通过形成在偏心涡壳上的两个基本上是矩形的进口流入旋流器，从一个端板上的燃烧器进口出去，流进燃烧器中。位于外侧涡壳上对着内部后缘的、呈线性排列的喷口将燃料从一总管喷入各进口处的空气流中，使在流进燃烧器之前产生均匀的燃料空气混合物。

切向进气式予混燃料喷嘴与现有技术中的燃料喷嘴相比，大大地降低了NOx的排放。然而就象公开在上述专利中的燃料喷嘴，当它用在燃气涡轮机上时，其运行寿命非常短，部分原因是由于火焰固定在喷嘴中心本体中。因此这种类型的切向进料喷嘴不能商业化地用于燃气涡轮机上。

这样就需要一种切向进气喷嘴，当它用于燃气涡轮机上时，与现有技术相比能显著提高运行寿命。

因此本发明目的是提供一种低NOx燃料喷嘴，当它用于燃气涡轮机上时，与现有技术相比能显著提高运行寿命。

本发明的另一目的是提供一种切向进料喷嘴，它能显著地减少火焰固定在其中心本体内的倾向，同时保持NOx产物在可接受的较低值。

与此相对应，本发明的一种切向进气燃料喷嘴具有一个纵轴和两个柱形弧面涡壳，各中心线彼此偏离。这些涡壳的搭接端形成了它们之间的空气进口，用于将空气/燃料混合物引入燃料喷嘴。燃烧器端端板具有燃烧器进口，它允许空气和燃料离开喷嘴进入燃烧器。该进口包括一个收缩表面、一个扩张表面、和一个在它们之间延伸的筒形表面。收缩表面沿喷嘴的纵轴延伸一第一距离，筒形表面沿所述的轴延伸一第二距离，第二距离是第一距离的至少5％。与燃烧器端端板相对的另一端板封闭了喷嘴的流通面积，涡壳就固定在这些端板之间。

位于涡壳之间、并与所述的轴同轴的中心本体具有一个径向外表面，它包括锥台部分和筒形部分，锥台部分限定了与纵轴同轴的锥台的外表面，筒形部分与纵轴同轴，它限定了筒形件的外表面。中心本体具有底座，它包括至少一个穿过该底座的空气供应口和一个内部通道。锥台部分朝内部通道的排放口方向渐缩，筒形部分位于锥台部分和排放口所在的平面之间。与所述的轴同轴、穿过底座延伸、并在内通道截止的燃料喷管向中心本体内的空气流提供燃料。

图1是本发明燃料喷嘴的横向断面图，取自图2的1-1线；

图2是沿本发明喷嘴的纵轴向下看的断面图；

图3是本发明燃料喷嘴横向的断面图，取自图2的3-3线。

参照图1，本发明的低NOx予混燃料喷嘴10包括一个中心本体12，它在涡形旋流器14内。涡形旋流器14包括第一和第二端板16、18，第一端板与中心本体12相连并与第二端板18间隔开来，第二端板上具有延伸穿过该板的燃烧器进口20，若干(最好是两个)柱形弧面涡壳件22、24从第一端板16延伸至第二端板18。

如图2所示，涡壳件22、24相对于喷嘴10的纵轴26均匀地间隔开，由此限定了它们之间的混合区28。每个涡壳件22、24都有一个对着纵轴26的径向内表面，并限定了绕中心线32、34旋转的部分旋转表面。这里所说的“部分旋转表面”是指，使一条线绕中心线32、34之一做不到一圈的旋转所产生的表面。

如图2所示，每个涡壳件22同其它涡壳件24呈间隔关系，各涡壳件22、24的中心线32、34位于混合区28内。参照图3，各中心线32、34平行于纵轴26并与其有一定的间隔，所有中心线32、34都与纵轴26等距，这样限定了每对相邻的涡壳件22、24之间的平行于纵轴26延伸的进口槽36、38，这些进口槽将燃烧空气40引入混合区28。来自压缩机(未示出)的助燃空气42流过由具有偏离中心线32、34的涡壳件22、24的搭接端44、50、48、46所形成的进口槽36、38。

各涡壳件22、24还包括燃料管52、54，当燃烧空气40通过进口槽36、38之一被引入混合区28时，燃料管将燃料引入燃烧空气中。第一燃料供应线(未示出)与各燃料管52、54相连，它可供应液体或气体燃料，但最好是气体燃料。与纵轴26同轴的燃烧器进口20紧挨着燃烧器56，用于根据本发明将燃料和燃烧空气排进燃烧器56，燃料和空气的燃烧就在此处进行。

再回过头来参照图1，中心本体12具有底座58，它具有至少一个(最好是若干个)穿过该底座的空气供应口60、62，并且底座58与通过其的延伸纵轴26垂直。中心本体12还具有与纵轴26同轴的内部通道64。在本发明的优选实施例中，内部通道64包括第一筒形通道66和第二筒形通道72，第一筒形通道具有第一端68和第二端70，第二筒形通道的直径大于第一筒形通道的直径，它也有第一端74和第二端76。第二筒形通道72和第一筒形通道66通过一渐缩通道78相连通，该渐缩通道具有第一端80和第二端82，第一端80的直径等于第一筒形通道66的直径，第二端82的直径等于第二筒形通道72的直径。每个通道66、72、78都与纵轴26同轴，渐缩通道78的第一端80与第一筒形通道66的第二端70是一体，渐缩通道78的第二端82与第二筒形通道72的第一端74是一体。第一筒形通道66包括排放口68，它是与纵轴26同轴的园形，该排放口位于第一筒形通道66的第一端68处。

参照图3，中心本体12的径向外表面84包括锥台部分86和曲面部分88，锥台部分与纵轴26同轴，它朝底座58方向扩口，锥台部分86限定了锥台的外表面，曲面部分88同锥台部分86为一体，它较好地限定了绕纵轴26旋转一弧线所产生的表面部分，该弧线与锥台部分86相切且中心位于其径向朝外处。在该优选实施例中，锥台部分86在排放口68所在的平面处截止，锥台部分86的底部(不要同中心体的底座58相混淆)直径是其顶部直径的2.65倍，锥台部分86的高度90(锥台部分底部平面和锥台部分顶部平面之间的距离)约是锥台部分底部直径的1.9倍。正如以下详述的，位于底座58和锥台部分86之间的曲面部分88具有光滑的过渡表面，使进入靠近底座58的切向进气喷嘴10的燃烧空气40轴向旋转。如图3所示，内部通道64位于中心本体12的径向外表面84之内，锥台部分86与纵轴26同轴，中心本体12与底座58相连使得锥台部分变细的那一端终止于第一筒形通道66的排放口68处。

如图2所示，锥台部分86的底部放入内切于混合区28的园形92内，其中心94在纵轴上。本领域技术人员容易理解，由于混合区28的截面不是圆形，因此曲面部分88为和它配合就必须切割。斜道部分96、98在曲面部分88的伸进各进口槽36、38的地方，该部分被加工形成翼形斜面96、98，  翼形斜面96、98给进入进口36、38的空气导向，使其离开底座58，进到混合区28内的曲面部分88上。

参照图1，内室100位于中心本体12的底座58和第二筒形通道72的第二端76之间，第二筒形通道在室100处截止。空气102通过底座58上的空气供应口60、62供应至室100，然后室100又通过第二筒形通道72的第二端76将空气供应至内部通道64。第一端板16具有开口104、106，它们与底座58的空气供应口60、62对准，以不影响来自燃气涡轮压缩机的燃烧空气102的流动。旋流器108(最好是本领域称之为径向内流式的那种)与纵轴26同轴，它布置在室100内紧靠第二筒形通道72的第二端76，使得从室100进入内部通道64的所有燃烧空气都必须经过旋流器108。

一个与纵轴26同轴的燃料喷管110，穿过底座58、仓100和旋流器108，伸进内部通道64的第二筒形通道72。第二筒形通道72的较大的直径与燃料喷管110的截面积配合，使得第二筒形通道72内的流通面积基本上等于第一筒形通道66的流通面积。可以供应液体或气体燃料的第二燃料供应线(未示出)与燃料喷管110相连，向燃料喷管110的内通道112供应燃料。燃料喷口114位于燃料喷管110上，用于使燃料从燃料喷管110进入内部通道64。

参照图3，燃烧器进口20与纵轴26同轴，它包括收缩表面116和筒形表面118，筒形表面限定了进口的喉部。收缩表面116和筒形表面118都与纵轴26同轴，收缩表面116位于第一端板16和筒形表面118之间。收缩表面116基本上是锥形的，它朝筒形表面118的方向变窄。筒形表面118在喉部平面120和燃烧器进口20的、垂直于纵轴26的燃烧器表面122之间延伸，限定了本发明燃料喷嘴10的出口平面124。为使流过燃烧器进口20的燃料/空气混合物达到理想的轴向速度，流过此处的燃烧空气在燃烧器进口20处必须遇到最小流动截面，或者说是喉部面积。为达到这一结果，筒形表面118位于离纵轴26为予定半径处，即至少小于锥台部分86底部半径的10％。

收缩表面116在喉部平面120处中止，在这里，收缩表面116的直径等于筒形表面118的直径。如图3所示，喉部平面120位于出口平面124和内部通道64的排放口68之间，收缩表面116位于筒形表面118和第一端板16之间。为在燃烧器进口20内建立所需的燃料/空气混合物的速度分布，收缩表面116延纵轴26延伸一预定距离126，筒形表面118延纵轴26延伸一第二距离128，该距离至少是预定距离126的30％。

在运行中，来自燃气涡轮压缩机的燃烧空气流过开口104、106和底座58上的空气供应口60、62，进入中心本体12的室100中。燃烧空气通过径向内流式旋流器108离开室100，以大体切向速度或以涡流的形式(相对于纵轴26旋转的速度)进入内部通道64。当该旋转的燃烧空气流过燃料喷管1 10时，燃料(最好为气体形式)从燃料喷管110喷进内部通道64中并与旋转的燃烧空气相混合。然后燃料和燃烧空气的混合物从第二筒形通道72经过渐缩通道78流进第一筒形通道66。然后混合物沿第一筒形通道66的长度下行，在接近(或在)燃烧器进口20的喉部平面120处离开筒形通道66，这样就提供了一燃料空气混合的中心流。

来自燃气涡轮压缩机的助燃烧空气通过各进口槽36、38进入混合区28。进入到紧靠底座58的进口槽36、38的空气，由斜道96、98导向，进入涡形旋流器14的混合区内的曲面部分88上。供给燃料导管52、54的燃料(最好是气体燃料)喷进流过进口槽36、38的燃烧空气中，并在这里混合。由于涡壳件22、24的形状，这种混合物建立了绕中心本体12旋转的一个环流，并且当随着其沿纵轴26流向燃烧器进口区20而旋转时燃料/空气混合物继续混合。

由涡旋器14产生的环流的旋转最好与第一筒形通道66中的燃料/空气混合物的旋转为同向，并且最好具有与第一筒形通道66中的燃料/空气混合物至少是一样大的角速度。由于中心本体12的形状，环流的轴向速度保持在这样的速度，该速度能防止燃烧器火焰移进涡形旋流器14而到达中心本体12的外表面84。一旦离开第一筒形通道66，中心流旋转的燃料/空气混合物就被涡形旋流器14的环流包围，两股流进入燃烧器进口20的喉部120，在筒形表面118的径向内侧流动，直至到达混合区28下游的燃烧器进口20的出口平面124。

一旦离开燃烧器进口20，中心流和环流之间的相互作用产生中心环流区200，它在出口平面124的下游(也就是说，出口平面位于中心环流区和内部通道排放口之间)，二者有一定间隔。在筒形表面118与燃烧器进口20的燃烧器表面122相遇处所形成的尖锐边沿130使燃料/空气混合物突然膨胀，造成燃料/空气混合物在中心再循环区200径向之外的环流运动。该“外部”环流区300产生的燃烧和火焰使这一外部火焰靠近边沿130，但是火焰与出口平面124又有一定距离并在其下游。本发明的设计使得在所有的运行工况下，环流区200和300都与出口平面124保持一定距离。

本发明的燃料喷嘴10能切实减少流动过程中的波动，并减少了由此引起的热释放速度，这些波动和热量释放可造成过量的燃烧器压力波动和发出声响。本发明消除了上面所述的燃烧过程和出口平面124之间的相互作用，显著降低了声音波动。因此本发明为切向进气燃料喷嘴10中的过分的压力波动提供了一种解决方案，并同时能达到低排放量的要求。

尽管参照详细的实施例对本发明进行了描述和示意，但是本领域的普通技术人员知道，在不偏离本发明权利要求限定的原则和范围内，可以在形式和细节上作出多种变化。

Claims (19)

1、一种用于燃气轮机上的燃料喷嘴组件，包括中心本体和涡形旋流器，

中心本体包括：

一个纵轴，

一个径向外表面，它包括锥台部分和曲面部分，锥台部分限定了锥台的外表面，锥台与纵轴同轴并向锥台底座扩张，曲面部分同锥台部分成一整体，较好地限定了一部分表面，该表面由绕纵轴旋转一弧线形成，弧线与锥台部分相切，其圆心位于锥台径向外侧，

一个中心本体底座，所述的中心本体底座具有至少一个穿过该底座的空气供应口，

一个与纵轴同轴的内部通道，它包括第一筒形通道，第二筒形通道，和一个渐缩通道，每个通道都具有第一端和第二端，所述的第二筒形通道的直径大于第一筒形通道的直径，所述的第二筒形通道通过所述的渐缩通道与所述的第一筒形通道相连通，所述的渐缩通道的第一端与所述的第一筒形通道的第二端成一整体，所述的渐缩通道的第二端与所述的第二筒形通道的第一端成一整体，所述的渐缩通道的第一端的直径等于第一筒形通道的直径，所述的渐缩通道的第二端的直径等于第二筒形通道的直径，每个所述的通道都与纵轴同轴，所述的第一筒形通道包括一圆形排放口，它与所述的轴同轴，位于所述的第一筒形通道的第一端，

一个内室，位于所述的中心本体底座和所述的第二筒形通道的第二端之间，所述的空气供应口通过所述的室与所述的第二筒形通道相连通，

一个与所述的轴同轴的旋流器，它位于室内，紧靠着第二筒形通道的第二端，

一个与所述的轴同轴的燃料喷管，它穿过所述的中心本体底座、所述的内室和所述的旋流器，并在所述的第二筒形通道内截止；

涡壳旋流器具有：

第一和第二端板，所述的第一端板与所述的第二端板呈间隔关系，所述的第二端板具有穿过该端板的燃烧器进口，所述的进口与所述的轴同轴，它包括一个收缩表面、一个燃烧器表面和一个筒形表面，筒形表面从收缩表面延伸至燃烧器表面，

至少两个柱形弧面涡壳件，每个涡壳件限定一个绕中心线旋转的部分旋转体，每个所述的涡壳件从所述的第一端板延伸至所述的第二端板，并对于轴均匀地间隔开，因此限定了它们之间的混合区，每个所述的涡壳件与其他涡壳件呈间隔关系，每个所述的中心线位于所述的混合区内，每个所述的中心线与所述的轴呈间隔关系、等距、并平行于所述的轴，由此限定了平行于所述轴延伸的、在各对相邻的涡壳件之间的进口槽，它们用于将燃烧空气引入所述的混合区，每个所述的涡壳件包括一个燃料导管，用于将燃料引入到通过所述的进口槽之一进入的燃烧空气中；

其中所述的第一端板与所述的第二端板相连。

2、如权利要求1所述的燃料喷嘴组件，其中所述的收缩表面沿所述的轴延伸一第一距离，所述的筒形表面沿所述的轴延伸一第二距离，所述的第二距离至少是第一距离的30％。

3、如权利要求2所述的燃料喷嘴组件，其中所述的燃烧器表面垂直于所述的轴。

4、如权利要求3所述的燃料喷嘴组件，其中筒形表面位于距轴预定的半径处，该半径比锥台部分在底座处的半径至少小10％。

5、如权利要求1所述的燃料喷嘴组件，其中所述的收缩表面沿所述的轴延伸一第一距离，所述的筒形表面沿所述的轴延伸一第二距离，所述的第二距离至少是第一距离的30％。

6、如权利要求5所述的燃料喷嘴组件，其中筒形表面位于距轴预定的半径处，该半径比锥台部分在底座处的半径至少小10％。

7、如权利要求6所述的燃料喷嘴组件，其中所述的燃烧器表面垂直于所述的轴。

8、如权利要求1所述的燃料喷嘴组件，其中所述的燃烧器表面垂直于所述的轴。

9、如权利要求8所述的燃料喷嘴组件，其中筒形表面位于距轴预定的半径处，该半径比锥台部分在底座处的半径至少小10％。

10、如权利要求9所述的燃料喷嘴组件，其中所述的收缩表面沿所述的轴延伸一第一距离，所述的筒形表面沿所述的轴延伸一第二距离，所述的第二距离至少是第一距离的30％。

11、如权利要求1所述的燃料喷嘴组件，其中所述的燃烧器表面垂直于所述的轴。

12、如权利要求11所述的燃料喷嘴组件，其中所述的收缩表面沿所述的轴延伸一第一距离，所述的筒形表面沿所述的轴延伸一第二距离，所述的第二距离至少是第一距离的30％。

13、如权利要求12所述的燃料喷嘴组件，其中筒形表面位于距轴预定的半径处，该半径比锥台部分在底座处的半径至少小10％。

14、如权利要求1所述的燃料喷嘴组件，其中筒形表面位于距轴预定的半径处，该半径比锥台部分在底座处的半径至少小10％。

15、如权利要求14所述的燃料喷嘴组件，其中所述的燃烧器表面垂直于所述的轴。

16、如权利要求15所述的燃料喷嘴组件，其中所述的收缩表面沿所述的轴延伸一第一距离，所述的筒形表面沿所述的轴延伸一第二距离，所述的第二距离至少是第一距离的30％。

17、如权利要求1所述的燃料喷嘴组件，其中筒形表面位于距轴预定的半径处，该半径比锥台部分在底座处的半径至少小10％。

18、如权利要求17所述的燃料喷嘴组件，其中所述的收缩表面沿所述的轴延伸一第一距离，所述的筒形表面沿所述的轴延伸一第二距离，所述的第二距离至少是第一距离的30％。

19、如权利要求18所述的燃料喷嘴组件，其中所述的燃烧器表面垂直于所述的轴。

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