CN1275692A - 用于将液体和/或气体燃料喷入燃烧室的喷管及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

在用于喷射流体和/或气体燃料进入燃烧室的燃料喷管(10)里,其燃料喷管(1)是属于第二或第三燃烧器的一部分,围绕着它,热气喷射流沿主流方向(33)流动,并且包括一个用于提供液体燃料的液体燃料通道(17),及用于将液体燃料从液体燃料通道(17)喷入燃烧室的第一装置(18),通过下述事实可以实现不需要附加水的操作,即该第一装置包括一个液体喷嘴(18),它可将液体燃料沿大体平行于主流方向(33)像一个平喷射那样喷入燃烧室。

Description

用于将液体和/或气体燃料喷入 燃烧室的喷管及其操作方法
本发明涉及燃烧技术领域，尤其是像用在燃气轮机上的燃烧技术。它涉及一个用于将液体和/或气体燃料喷入燃烧室的燃料喷管，该燃料喷管是第二或第三燃烧器的一部份，热气喷射流围绕着它沿主流方向流动，并且包括提供液体燃料的液体燃料通道及用于将液体燃料经由液体燃料通道喷入燃烧室的第一装置。
这样的燃料喷管已由例如申请人的早期专利申请DE-A1-4326802公开。
此外，本发明涉及一种操作这种燃料喷管的方法。
在开始部分提到的上述公开号DE-A1-4326802揭示了目前正用在申请人的燃气轮机上的燃料喷管(在这方面，也可以参见公开专利US-A-5,341,018，US-A-5,626,017及EP-A1-0620362)。在这种情况下，用于气体燃料和液体燃料(油，等等)的喷嘴是结合在一起的。
主燃烧器(EV燃烧器)的油雾的发展形成了平喷射原理。在这种情况下，液体燃料像喷射流一样穿过中心孔喷入燃烧室。燃料喷射流在EV燃烧器的旋涡区分解(在这方面参见，例如，EP-B1-0 321 809)。依靠调节液体燃料喷射流和所围绕的空气流之间的脉动比，可以设定喷射流分解的位置。
已知的SEV燃烧室内液体燃料的径向喷射及利用喷气嘴完成的液体燃料的雾化导致了必须将相当多的水与液体燃料喷射流混合，以便防止火焰回闪。
本发明的目的是提供一种在第二或第三燃烧器中用于喷射液体和/或气体燃料的燃料喷管，该燃料喷管可避免前面的喷管的上述缺陷，并且尤其是允许减少液体燃料在预混合阶段的停留时间及由此减少被混合的水的比例。
该目的可由权利要求1的所有特性来完成。本发明的实质在于通过一个平喷射喷嘴沿主流方向轴向喷射液体燃料。这种喷射形式的结果是减少了液体燃料在预混合阶段的停留时间并且由此仅需增加少量的水就可以防止火焰回闪。
按照本发明的燃料喷管的第一最佳实施例所描述的特征是，燃料喷管包括一个中心液体燃料管，其与喷管轴同心安装并且围绕液体燃料通道以便对液体燃料导向，还包括一个气管，其围绕液体燃料管并且在它与液体燃料管之间形成气体通道以便对气体燃料导向，以及一个喷管外壳，其围绕气管并且在它与气管之间形成空气通道以便对冷却或雾化的空气定向，另外还包括用于将气体燃料经气体通道喷射至燃烧室内的第二装置，和用于将空气经空气通道喷射至燃烧室内的第三装置，被定位的喷管轴基本平行于主流方向。这样可以采用较灵活的操作方式，在紧凑的结构中使用不同的燃料和燃料混合。
按照本发明燃料喷管的轴向液体燃料喷射流最好由空气层包围。这可由本发明的第二实施例来完成，在第二实施例里，液体燃料喷嘴安装在喷管轴中心，并且其中第三装置包括第一喷嘴装置，其以这样的方式设计，即通过该液体燃料喷嘴轴向喷出的液体燃料喷射流被轴向喷射的像外壳似的空气层所包围，或者第一喷嘴装置包括许多沿轴向定向的孔，这些沿轴向定向的孔围绕着液体燃料喷嘴分散布置，或者第一喷嘴装置包括一个同心地围绕着液体燃料喷嘴的环形间隙。
作为空气层围绕液体燃料喷射流的空气可以被更好地利用，至少可以用于喷管头部的部分冷却。这可由本发明第二实施例的改进来完成，即通过将第一喷嘴装置或孔或环形间隙经一头部通道与该空气通道相连，穿过喷管头部来完成，由此，喷管头部可以被流入头部通道的空气所冷却。
在本发明更佳的实施例中，来自气体通道的气体燃料通过各自相对于喷管轴被径向导向的喷嘴孔径向喷出进入燃烧室，来自喷嘴孔的气体喷射流在各种情况中均被空气层同心地包围着，并且用于气体燃料的喷嘴孔在各种情况中均是由径向安装的导向管形成，该导向管与气体通道相连并且通过喷管外壳的外壳口敞开进入燃烧室，并且外壳口相对于导向管外径，以如此方式选定，即一环形间隙留有空隙以便产生围绕气体喷射流的空气层。
另外一个最佳实施例，其区别在于极其简单的几何结构，特征是气体燃料相对于液体燃料同心地喷射，像一个平喷射，基本平行于主流方向，在这里，两种燃料喷射流被空气层同心围绕着，其中同心地围绕着液体燃料喷嘴的第一环形间隙设置用于喷射气体燃料，而同心地围绕着第一环形间隙的第二环形间隙设置用于形成空气层。
根据本发明，操作这种燃料喷管的方法的特征在于：在每种情况下液体燃料均通过液体燃料喷嘴喷入燃烧室，并且空气通过第一和第二环形间隙喷入燃烧室。
此外，可以想象，平行于主流方向形成的，燃料喷管的轴向部分，在形成的流入旋涡区(热气体的〕没有尾流区出现时，将被缩短。喷管内的液体燃料直接在径向稳定器或支撑臂处喷出的喷管实施例也是可以想象的(DE-A1-4326802的图1中的4)。这个杆可以设计成或多或少有利于流体的方式的轮廓。根据本发明，最佳喷射是通过平喷射轴向完成的，并且垂直于用于被空气包围的气体燃料的主流方向。这个实施例有个优点即该喷管容易安装并且需要较少的冷却空气。
进一步的各实施例记载于下列各从属权利要求中。
下面将参照实施例及相关的附图对本发明进行更详细的解释，其中：
图1显示了本发明最佳实施例中燃料喷管的头部区域的纵向剖面图，其中气体燃料的径向喷射是通过轴向形成并且以直角处偏转至径向导管的气体喷嘴喷出的，并且具有空气层；
图2显示了与图1相类似的实施例示范，其径向气体喷嘴直接由源于气管的导向管形成；
图3显示了本发明另一最佳实施例中燃料喷管的头部区域的纵向剖面图，具有相对于液体燃料喷射流同心喷射的轴向气体燃料，及同心的，且包围着两种燃料喷射流的空气。
下面将参照所示实施例及相关附图对本发明进行详细描述：
图1给出了本发明燃料喷管的第一最佳实施例的纵向剖视图。燃料喷管10，沿着喷管轴31延伸，依次与围绕喷管流动的热气流的主流方向33大体平行，图1仅仅显示了它的头部位置。液体燃料管16，气管14及喷管外壳12安装在喷管10内一个位于另一个的内侧，与喷管轴31同心。该液体燃料管16的内部形成液体燃料的通道17，通过它，液体燃料，特别是油或类似燃料被定向以所画箭头方向喷入喷管头部11。液体燃料管16和气管14之间形成气体通道15，通过它，气体燃料以所画箭头方向被导向，以便喷入喷管头部11。最后，空气通道13，在气管14与喷管外壳12之间形成，通过它，空气被导向，以所画箭头方向喷入喷管头部11。
根据本发明，液体燃料是以平喷射方式沿轴向喷入燃烧室内的，燃料喷管10延伸至燃烧室中。此端，液体燃料通道17在喷管头部11内收缩，形成轴向的液体燃料喷嘴18。从液体燃料喷嘴18中释放出的液体燃料喷射流最好由空气层裹住(包围〕。在此端，轴向孔20围绕着液体燃料喷嘴18布置，在一个同心环上，通过它的空气可沿轴向排出并包围液体燃料喷射流。为达到此目的所需的空气从空气通道13经头部通道19供入，沿着边缘流动并穿过喷管头部11。由此达到喷管头部11也可以由流过它的空气进行冷却的效果。
在图1所示的实施例中，气体燃料相对于喷管轴31径向地从气体通道15喷出，并且由此相对于主流方向径向喷入燃烧室。该气体通道15在达到喷管头部11之前被封闭环22所封闭。轴向孔23设置在围绕着喷管轴31的封闭环22内。气体燃料通过轴向孔23以轴向燃料喷射流的形式喷出。在随后的弯曲偏转面24内，轴向燃料喷射流在直角处向外偏转，然后进入一个径向导管25，该径向导管25引导喷射流经空气通道13无阻碍地向外。这些径向导管25，在它们的管口部位，同时形成喷嘴孔26以便沿径向喷射气体燃料。由此，径向导管25可以打开进入燃烧室，与外壳口27对应，导管25穿过外壳口27并设置在喷管外壳12上。该外壳口27，相对于各自的径向导管25的外径，以如此方法选定，即环形开口留有空隙，以便产生围绕着气体喷射流的保护空气层。
图2显示了一个与图1不同的实施例。这里，被空气层包围的气体燃料的径向喷射流是以略微不同的方式形成的。在此端，该气体通道15刚好进入喷管头部11并且在此构成端部。该径向导管25，在此种情况下正好与空气通道13十字交叉，并且通过与之相对应的外壳口27以同喷管外壳12相平齐的方式打开进入燃烧室，并形成喷嘴孔26，直接与气管14相连，因此，轴向孔和偏转面可以省略。这将导致可以简化燃料喷管10的结构。图2中，液体燃料以同图1中相同的方式喷射及被空气层所包裹。
然而，不难想象，在这一平喷射方式中，该被空气层包围的气体喷射流也可以轴向形成，而不是径向。图3中给出了相应的实施例示范。在这个实例里，液体燃料供给，气体供给和空气供给被制成与该喷管轴同心的结构，该液体燃料喷嘴18位于中心。该液体燃料喷嘴18由第一环形间隙29同心围绕着，气体燃料通过第一环形间隙29轴向喷射。该气体燃料从气体通道15经相连的通道28供入，在通道28内可安装用于诸管相互支撑的连接腹板32。该第一环形间隙29被第二环形间隙21同心围绕，通过它的空气层沿轴向喷射并包围所述两种燃料喷射流(这种环形间隙也可以用于图1和图2中，代替所述的孔20〕。另外，在图3所述的结构中，空气通道13和气体通道15之间的连接由所设置的连接孔30完成。其结果，即便是在部分负载量的燃料流动期间，通过用附加的空气代替减少的燃料量，仍然可以维持气体喷射流的喷射脉冲。此外，根据图3所示，不难想象，在该燃料喷管的液体燃料燃烧期间，空气也可以进入第一环形间隙29(也就是气体喷嘴)。
总体来说，本发明产生一种燃料喷管，其可减少对附加水的需求。在这种情况下，该气体的喷射可以径向(图1、2)或轴向(图3)或也可以相对于主流方向33的其它角度方向完成，特别是具有一个或多个喷射流。纯气体或液体燃料喷管也是可能的。最后，平行于主流方向形成的，燃料喷管的轴向部分，在当流入旋涡区(热气体的〕以没有尾流区出现的方式构成时，将被缩短。此外，喷管内的液体燃料直接在径向稳定器处喷出的喷管实施例也是不难想象的。这个稳定器的杆可以设计成或多或少有利于流体的方式的轮廓。在这种情况下，最佳喷射是通过一个平喷射轴向完成，并且垂直于用于被空气包围的气体燃料的主流方向。这个实施例有个优点即该喷管容易安装并且需要较少的冷却空气。

Claims (15)

1、一种用于将流体和/或气体燃料喷入燃烧室的燃料喷管(10)，其是属于第二或第三燃烧器的一部分，围绕着它，热气喷射流以主流方向(33)流动，并且包括用于提供液体燃料的液体燃料通道(17)及用于将液体燃料从液体燃料通道(17)喷入燃烧室的第一装置(18)，其特征在于：该第一装置包括一个液体喷嘴(18)，将液体燃料沿大体平行于主流方向(33)像一个平喷射那样喷入燃烧室。
2、如权利要求1所述的燃料喷管，其特征在于：该喷管(10)包括一个中心液体燃料管(16)，其与喷管轴(31)同心安装，并且封闭用于给液体燃料导向的液体燃料通道(17)，和一个气管(14)，其封闭液体燃料管(16)并且在它与液体燃料管(16)之间形成一个气体通道(15)用于给气体燃料导向，以及一个喷管外壳(12)，其封闭气管(14)并且在它与气管(14)之间形成一个空气通道(13)用于给冷却或雾化的空气导向，还包括第二装置(23，24，25，26)用于将气体燃料从气体通道(15)喷入燃烧室，以及第三装置(20；21；27)用于将空气从空气通道(13)喷入燃烧室，被定向的喷管轴大体与主流方向(33)平行。
3、如权利要求2所述的燃料喷管，其特征在于：液体燃料喷嘴(18)安装在喷管轴(31)的中心，并且所述的第三装置包括以这样方式设计的第一喷嘴装置(20、21)，即穿过液体燃料喷嘴(18)轴向排出的液体燃料喷射流被轴向排出的空气层像外壳一样包围着。
4、如权利要求3所述的燃料喷管，其特征在于：第一喷嘴装置包括许多被沿轴向导向的孔(20)，其围绕着液体燃料喷嘴(18)分散布置。
5、如权利要求3所述的燃料喷管，其特征在于：第一喷嘴装置包括一个环形间隙(21)，其同心地围绕着液体燃料喷嘴(18)。
6、如权利要求3-5之一所述的燃料喷管，其特征在于：第一喷嘴装置或孔(20)或环形间隙(21)经由头部通道(19)与空气通道(13)相连，穿过喷管头部(11)，这样，该喷管头部(11)可由在头部通道(19)内流动的空气冷却。
7、如权利要求2至6任一项所述的燃料喷管，其特征在于：来自气体通道(15)的气体燃料通过各种的相对于喷管轴(31)径向定向的喷嘴孔(26)径向喷入燃烧室。
8、如权利要求7所述的燃料喷管，其特征在于：来自喷嘴孔(26)的气体喷射流在每种情况下均被空气层同心包围着。
9、如权利要求8所述的燃料喷管，其特征在于：气体燃料喷嘴孔(26)在每种情况下均由一个径向安装的导向管(25)形成，导向管(25)与气体通道(15)相连并且通过位于喷管外壳(12)上的外壳口(27)，敞开着进入燃烧室，而外壳口(27)相对于导向管(25)的外径以这样的方式选定，即环形间隙留有空隙以便产生围绕着气体喷射流的空气层。
10、如权利要求9所述的燃料喷管，其特征在于：气体通道(15)在它对着喷管头部(11)的一端被封闭环(22)封闭，而位于导向管(25)内的封闭环(22)在每种情况下均设有一个轴向孔(23)便于气体燃料流过，并且流出孔(23)的气体燃料喷射流在每种情况下均通过偏转面(24)偏转进入导向管(25)。
11、如权利要求9所述的燃料喷管，其特征在于：气体通道(15)被导向刚好进入喷管头部(11)并且在该处形成端部，并且由此导向管(25)每个均与气管(14)相连通。
12、如权利要求2所述的燃料喷管，其特征在于：气体燃料如大体平行于主流方向(33)的一个平喷射那样与液体燃料同心地喷出，并且两种燃料喷射流均由空气层同心地包围着。
13、如权利要求12所述的燃料喷管，其特征在于：设置有同心围绕着液体燃料喷嘴(18)的第一环形间隙(29)，用于喷射气体燃料，并且设置有同心围绕着第一环形间隙(29)的第二环形间隙(21)，用于形成空气层。
14、如权利要求12和13中任一项所述的燃料喷管，其特征在于：连接孔(30)设置在空气通道(13)和气体通道(15)之间，并且允许部分空气流喷入气体燃料的主流中。
15、如权利要求13和14中任一项所述的操作燃料喷管的方法，其特征在于：在每种情况下液体燃料均通过液体燃料喷嘴(18)喷入燃烧室，而气体燃料则通过第一和第二环形间隙(参见29和31)喷入燃烧室。
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