TWI669447B - 用於在渦輪機引擎中的燃燒器內的燃料噴嘴的冷卻系統 - Google Patents

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Abstract

揭露一種用於在渦輪機引擎(14)中之燃料系統的冷卻系統(10)，該冷卻系統可用來冷卻燃料噴嘴(16)。該冷卻系統(10)可包含一個或多個圍繞該燃料噴嘴(16)而設置的冷卻系統外殼(18)，以便該冷卻系統外殼(18)形成一冷卻室(20)，該冷卻室係至少部分藉由該冷卻系統外殼(18)的內表面(22)和該燃料噴嘴(16)的外表面(24)來界定。該燃料噴嘴(16)可延伸入至少部分藉由燃燒器外殼(32)形成的燃燒器室(26)。該燃料噴嘴(16)可包含一個或多個燃料排出口(28)，且在該燃料噴嘴(16)之外表面(24)具有一開口(30)，及該排出口建構成不受該外殼(18)限制地排放的流體，該外殼係形成該冷卻系統冷卻室(20)。無論是否該燃料噴嘴(16)是在使用中，該冷卻系統(10)可提供冷卻流體以冷卻在該冷卻系統冷卻室(20)內的該燃料噴嘴(16)。

Description

用於在渦輪機引擎中的燃燒器內的燃料噴嘴的冷卻系統 關於聯邦政府資助的研究或開發聲明
本發明的開發部分是由美國能源部的先進渦輪開發計劃(Advanced Turbine Development Program)支持，合約編號DE-FC26-05NT42644。因此，美國政府可在本發明中具有一定的權利。
本發明大體上涉及渦輪機引擎，且更具體地是涉及用於在燃氣渦輪機引擎之燃燒器內的燃料系統組件的冷卻系統。
典型地，燃氣渦輪機引擎包含複數個注入器，用於將燃料注入燃燒器與火焰區上游的空氣混合。該等傳統渦輪機引擎的燃料注入器可配置在至少三種不同機制中的一種。燃料注入器可設置在一稀薄預混合火焰系統中，在該火焰系統中離燃料/空氣混合物點燃位置足夠遠的上游處，將燃料注入於氣流中，使得當在該火焰區中燃燒時，空氣和燃料完全混合。燃料注入器也可構造在一擴散火焰系統中，使得燃料和空氣同時混合和 燃燒。又在另一個結構中，其通常被稱為部分預混合系統，燃料注入器可在該火焰區上游的足夠距離處注入燃料，以便將一些空氣與該燃料混入。部分預混合系統是稀薄預混合火焰系統和擴散火焰系統的組合。
此外，各種軸向多級燃料噴嘴(axial stage fuel nozzles)已被設置在主燃區下游的次燃區內。該等軸向多級燃料噴嘴能使低氮氧化合物(NOx)在高溫作業，並減少燃燒器的動力作用。該等軸向多級燃料噴嘴可在該主燃區下游，發射出燃料或是燃料和稀釋液(通常為蒸汽)的混合物。如果該燃料或稀釋蒸汽流被切斷，通常該等軸向多級燃料噴嘴會失去作用。雖然蒸汽稀釋液用來作為冷卻流體是有效的，但它也很貴。因此，需要一更有成本效益的冷卻系統。
揭露一種用於渦輪機引擎中之燃料系統的冷 卻系統，該冷卻系統可用於冷卻燃料噴嘴。該冷卻系統可包含一個或多個圍繞該燃料噴嘴而設置的冷卻系統外殼，以便該冷卻系統外殼形成一冷卻室，該冷卻室係至少部分藉由該冷卻系統外殼的內表面和該燃料噴嘴的外表面來界定。該燃料噴嘴16可延伸入至少部分藉由燃燒器外殼形成的燃燒器室。該燃料噴嘴可包含一個或多個燃料排出口，且在該燃料噴嘴的外表面具有一開口，及該排出口建構成不受該外殼限制地排放流體，該外殼係形成該冷卻系統冷卻室。無論該燃料噴嘴是否在使用中，該冷卻系統可提供冷卻流體來冷卻在該冷卻系統冷卻室內的該燃料噴嘴。
在至少一個實施例中，該冷卻系統可包含一 個或多個燃料噴嘴，該噴嘴延伸入至少部分藉由燃燒器外殼形成的燃燒器室內。該燃料噴嘴可包含一個或多個燃料排出口，且在該燃料噴嘴之外表面具有一開口。該冷卻系統可包含圍繞該燃料噴嘴而設置的冷卻系統外殼。該冷卻系統外殼可形成一冷卻室，該冷卻室至少部分藉由該冷卻系統外殼的內表面和該燃料噴嘴的外表面來界定。在至少一個實施例中，該燃料噴嘴可以是設置在次燃區內的軸向多級噴嘴。該燃料噴嘴可設置成大致垂直於在該次燃區內的熱氣流方向。該燃料噴嘴可與一燃料源連通，及與一蒸汽源連通，從而形成一組合的燃料和蒸汽噴嘴。
在至少一個實施例中，該冷卻系統外殼可與 該燃料噴嘴同心。該冷卻系統外殼可具有圓錐形狀的外表面。該冷卻系統外殼可具有圓錐形狀的內表面。在該冷卻系統外殼之遠端處，在該燃料噴嘴的外表面和該冷卻系統外殼內表面之間的距離，小於在該燃燒器外殼之近端處，在該燃料噴嘴的外表面和該冷卻系統外殼內表面之間的距離。該冷卻系統外殼的遠端終止處比該燃料噴嘴的遠端終止處，更接近該燃燒器外殼。該燃料噴嘴的遠端可從該冷卻系統的遠端延伸出在1/4英吋和1 1/4英吋之間的距離。該燃料噴嘴的遠端從該冷卻系統的遠端延伸出在1/4英吋和3/4英吋之間的距離。該燃料噴嘴的遠端可包含一個或多個排出口，該等排出口排放不受該外殼限制的流體，該外殼係形成該冷卻系統冷卻 室。該冷卻系統也可包含一個或多個定中心支柱，該等定中心支柱從該冷卻系統外殼的內表面延伸，用於保持該外殼圍繞該燃料噴嘴的位置。
在使用期間，可將外層空氣被注入到該燃燒 器室內用以燃燒。該外層空氣的一部分可能不被注入到該燃燒器室，反而可能流掉並注入藉由在該冷卻系統外殼和該燃料噴嘴之間空間形成的該冷卻室。如此，無論該燃料噴嘴是否在使用中，該冷卻系統以一少量的外層空氣，覆蓋該燃料噴嘴來冷卻該燃料噴嘴。因此，當在該主燃區內的燃料噴嘴被使用時，在該次燃區內的該燃料噴嘴不必在該燃氣渦輪機引擎整個作業的時間一直被使用。替代地，該冷卻系統提供了靈活性，使得不需使用在該次燃區內的燃料噴嘴，而可使用在該主燃區內的該等燃料噴嘴。
該冷卻系統的一個優點是，該冷卻系統提供 冷卻空氣到圍繞該燃料噴嘴至少一部分的該冷卻室，從而該燃料噴嘴設置在該燃燒器室內，且該燃料噴嘴不使用時，即使該燃燒器在作業中，也能防止損壞該燃料噴嘴。因為冷卻空氣薄膜形成於通道中以保護該噴嘴的頂端，從而該噴嘴可延伸超出該冷卻室。
使用該冷卻系統的另一個優點是，當連接到 該燃料噴嘴的燃料被關閉時，連接到該噴嘴的蒸汽供應能被關閉，不像傳統系統，縱使當供應到該噴嘴的燃料被切斷時，該蒸汽必須不斷地供應到燃料噴嘴，以防止高溫燃燒氣體損壞該燃料噴嘴。
而該冷卻系統的另一個優點是，該等定中心 支柱可使該冷卻系統外殼圍繞該燃料噴嘴而排齊。
該冷卻系統的另一個優點是，該冷卻系統提 供冷卻空氣到圍繞該燃料噴嘴之該冷卻室。在使用期間燃料和蒸汽的混合物發射通過該燃料噴嘴，且在未使用時期期間沒有蒸汽或燃料流動通過該燃料噴嘴。
該冷卻系統的又一個優點是，該冷卻系統外 殼可具有一長度，確保該燃料噴嘴保持冷卻，但並沒有影響從該燃料噴嘴頂端來的燃料注入模式。
在下文中更詳細描述這些和其他的實施例。
10‧‧‧冷卻系統
12‧‧‧燃料系統
14‧‧‧渦輪機引擎
16‧‧‧燃料噴嘴
18‧‧‧冷卻系統外殼
20‧‧‧冷卻室
22‧‧‧內表面
24‧‧‧外表面
26‧‧‧燃燒器室
28‧‧‧燃料排出口
30‧‧‧開口
32‧‧‧燃燒器外殼
34‧‧‧次燃區
36‧‧‧主燃區
38‧‧‧燃料源
40‧‧‧蒸汽源
42‧‧‧遠端
44‧‧‧近端
46‧‧‧遠端
48‧‧‧定中心支柱
50‧‧‧中心線
併入說明書和構成具一部分的附圖，係舉例 說明本發明所揭露的實施例，並且連同其說明可揭露本發明的原理。
第1圖係部分渦輪機引擎之的剖面側視圖，該渦輪機引擎包含在一燃燒器中的一燃料系統，該燃燒器具有設置在一次燃區中的燃料噴嘴，該次燃區具有一用於保護該等燃料噴嘴的冷卻系統。
第2圖係一燃燒器的示意圖，該燃燒器具有設置在一次燃區中的燃料噴嘴，該次燃區具有一用於保護該等燃料噴嘴的冷卻系統。
第3圖係設置在一燃燒器內之次燃區中之一燃料噴嘴的立體圖。
第4圖係設置在一燃燒器內之次燃區中之一燃料噴嘴的立體圖，而以一冷卻系統設置圍繞該燃料噴嘴。
第5圖係具有複數個定中心支柱之一冷卻系統外殼的立體圖，該等複數個定中心支柱從該冷卻系統外殼的內表面徑向朝內延伸。
第6圖係沿第4圖剖面線6-6所取的該冷卻系統和該燃料噴嘴之剖視圖。
第1至6圖揭露了用於渦輪機引擎14中的燃 料系統12之冷卻系統10，該冷卻系統係可用於冷卻燃料噴嘴16。該冷卻系統10可包含一個或多個設置圍繞該燃料噴嘴16的冷卻系統外殼18，以便該冷卻系統外殼18形成一冷卻室20，該冷卻室至少部分地藉由該冷卻系統外殼18的內表面22和該燃料噴嘴16的外表面24來界定。該燃料噴嘴16可延伸入至少部分藉由一燃燒器外殼32形成的燃燒器室26內。該燃料噴嘴16可包含一個或多個如在第3和4圖中所示燃料排出口32、在該燃料噴嘴16的外表面24之開口30，且該排出口建構成不受該外殼18限制地排出流體，該外殼係形成該冷卻系統冷卻室20。無論該燃料噴嘴16是否在使用中，該冷卻系統10可提供冷卻流體來冷卻在該冷卻系統冷卻室20內該燃料噴嘴16。
在至少一個實施例中，如在第3圖中所示， 該冷卻系統10可包含一個或多個燃料噴嘴16，該噴嘴延伸入至少部分藉由一燃燒器外殼32形成的燃燒器室26內。如在第3和4圖中所示，該燃料噴嘴16可包含一個或多個燃料排出口28，並且具有在該燃料噴嘴16 之外表面24內的開口30。該冷卻系統外殼18可設置圍繞該燃料噴嘴16。在至少一個實施例中，如在第1和2圖中所示，該燃料噴嘴16可以是設置在次燃區34內的軸向多級噴嘴16，該次燃區係位在主燃區36之下游。 該燃料噴嘴16可設置成大致垂直於在該次燃區34內的熱氣流方向。該燃料噴嘴16可與一燃料源38連通，及與一蒸汽源40連通，從而形成一組合的燃料和蒸汽噴嘴16。
如在第4和5圖中所示，該冷卻系統外殼18 形成一冷卻室20，該冷卻室至少部分藉由該冷卻系統外殼18的內表面22和該燃料噴嘴16的外表面24來界定。 在至少一個實施例中，該冷卻系統外殼18可與該燃料噴嘴16同心。如在第6圖中所示，該冷卻系統外殼18可具有圓錐形狀的外表面。該冷卻系統外殼18可具有圓錐形狀的內表面22。在至少一個實施例中，在該冷卻系統外殼18之遠端42處理該燃料噴嘴16的外表面24和該冷卻系統外殼18內表面22之間的距離，小於在該燃燒器外殼32之近端44處，在該燃料噴嘴16的一外表面24和該冷卻系統外殼18內表面22之間的距離。
如在第4和6圖中所示，該冷卻系統外殼18 的遠端42終止處比該燃料噴嘴16的遠端46終止處更接近該燃燒器外殼32。該燃料噴嘴16的遠端46可從該冷卻系統10的遠端42延伸出在1/4英吋和1 1/4英吋之間的距離。在另一個實施例中，該燃料噴嘴16的遠端46可從該冷卻系統10的遠端42延伸出在1/4英吋和3/4 英吋之間的距離。該燃料噴嘴16的遠端46可包含一個或多個排出口28，該等排出口排放不受該外殼18限制的流體，該外殼係形成該冷卻系統冷卻室20。
該冷卻系統外殼18可由能被暴露於該燃燒 器室26內高溫氣體的材料來形成。例如，該冷卻系統外殼18的材料可從，但不限於，赫史特合金(HASTELLOY)和英高鎳(INCONEL)材料來形成。
如在第5圖中所示，該冷卻系統外殼18可包 含一個或多個定中心支柱48，該等定中心支柱從該外殼18的內表面22朝向該外殼18的一中心線50延伸，用於保持該外殼18圍繞該燃料噴嘴16的位置。該等定中心支柱48可與或可不與該燃料噴嘴16的外表面24接觸。在該等定中心支柱48與該燃料噴嘴16的外表面24接觸的實施例中，該定中心支柱48的全長或該定中心支柱48的一部分可與該燃料噴嘴16接觸。該定中心支柱48可延伸到該冷卻系統外殼18的整個長度，或延伸到該冷卻系統外殼18長度的一部分。在至少一個實施例中，該冷卻系統10可包含三個從該冷卻系統外殼18徑向朝內延伸的定中心支柱48。在其它實施例中，該冷卻系統10可包含另一個數目的從該冷卻系統外殼18徑向朝內延伸的定中心支柱48，例如一個、兩個、四個、或更多個定中心支柱48。
在使用期間，可將外層空氣注入到該燃燒器 室26內用以燃燒。該外層空氣的一部分可能不是被注入到該燃燒器室26，反而可能流掉並注入藉由在該冷卻系 統外層18和該燃料噴嘴16之間空間形成的該冷卻室20。如此，無論該燃料噴嘴16是否在使用中，該冷卻系統10以一少量的外層空氣覆蓋該燃料噴嘴16來冷卻該燃料噴嘴16。因此，當在該主燃區36內的燃料噴嘴被使用時，在該次燃區34內的該燃料噴嘴16不必在該燃氣渦輪機引擎14整個作業的時間一直被使用。替代地，該冷卻系統10提供了靈活性，使得不需使用在該次燃區34內的燃料噴嘴16，而可使用在該主燃區36內的該等燃料噴嘴。
以上所述是為了說明、解釋、和描述本發明 實施例的目的而提供。這些實施例的修改和變化對熟悉此技術領域的人是顯而易見的，且在不偏離本發明的範圍或精神下，可進行這些實施例的修改和變化。

Claims (12)

  1. 一種用於渦輪機引擎(14)之燃料系統的冷卻系統(10)，其特徵在於：至少一個燃料噴嘴(16)，延伸入至少部分藉由一燃燒器外殼(32)形成的一燃燒器室(26)，其中該至少一個燃料噴嘴(16)包含至少一個燃料排出口(28)，且在該至少一個燃料噴嘴(16)之外表面(24)內具有一開口(30)；及至少一個冷卻系統外殼(18)，圍繞該至少一個燃料噴嘴(16)而設置，其中該至少一個冷卻系統外殼(18)形成一冷卻室(20)，該冷卻室至少部分地藉由該至少一個冷卻系統外殼(18)的一內表面(22)和該至少一個燃料噴嘴(16)的一外表面(24)來界定，其中無論該燃料噴嘴是否在使用中，該冷卻系統提供冷卻流體來冷卻在該冷卻系統冷卻室內的該燃料噴嘴。
  2. 如請求項1之冷卻系統(10)，其中該至少一個燃料噴嘴(16)是設置在一次燃區(34)內的一軸向多級噴嘴。
  3. 如請求項2之冷卻系統(10)，其中該至少一個燃料噴嘴(16)設置成大致垂直於在該次燃區(34)內的熱氣流方向。
  4. 如請求項1之冷卻系統(10)，其中該至少一個燃料噴嘴(16)與一燃料源(38)連通，及與一蒸汽源(40)連通，從而形成一組合的燃料和蒸汽噴嘴。
  5. 如請求項1之冷卻系統(10)，其中該至少一個冷卻系統外殼(18)與該至少一個燃料噴嘴(16)同心。
  6. 如請求項1之冷卻系統(10)，其中該至少一個冷卻系統外殼(18)具有的該外表面(24)為圓錐形狀，且其中該至少一個冷卻系統外殼(18)具有的內表面(22)為圓錐形狀。
  7. 如請求項1之冷卻系統(10)，其中在該至少一個冷卻系統外殼(18)之遠端(42)處，在該至少一個燃料噴嘴(16)的外表面(24)和該至少一個冷卻系統外殼(18)內表面(22)之間的距離，小於在該燃燒器外殼(32)一近端處，在該至少一個燃料噴嘴(16)的外表面(24)和在該至少一個冷卻系統外殼(18)的內表面(22)之間的距離。
  8. 如請求項1之冷卻系統(10)，其中該至少一個冷卻系統外殼(18)的一遠端(42)終止處，比該至少一個燃料噴嘴(16)的一遠端(46)終止處更接近該燃燒器外殼(32)。
  9. 如請求項8之冷卻系統(10)，其中該至少一個燃料噴嘴(16)的遠端(46)從該至少一個冷卻系統外殼(18)的遠端(42)延伸在1/4英吋和1又1/4英吋之間的距離。
  10. 如請求項8之冷卻系統(10)，其中該至少一個燃料噴嘴(16)的遠端(46)從該至少一個冷卻系統外殼(18)的遠端(42)延伸在1/4英吋和3/4英吋之間的距離。
  11. 如請求項8之冷卻系統(10)，其中該至少一個燃料噴嘴(16)的遠端(46)包含至少一個排出口(28)，該排出口排放不受該外殼(18)限制的流體，該外殼(18)係形成該至少一個冷卻系統冷卻室(20)。
  12. 如請求項1之冷卻系統(10)，其中至少一個定中心支柱(48)從該至少一個冷卻系統外殼(18)的內表面(22)延伸。
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