用于在燃气轮机中混合燃料的装置 |
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| 申请号 | CN201110411018.7 | 申请日 | 2011-12-02 | 公开(公告)号 | CN102628593B | 公开(公告)日 | 2016-08-03 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | 严钟昊; T·E·约翰逊; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于在 燃气轮机 中混合 燃料 的装置。具体而言，一种 燃烧器 喷嘴 包括入口表面和位于入口表面下游的出口表面，其中出口表面具有凹进的中央部分。多个燃料管道径向地布置在凹进的中央部分外，其中该多个燃料管道延伸穿过出口表面。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种燃烧器喷嘴(12)，包括： |
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| 说明书全文 | 用于在燃气轮机中混合燃料的装置技术领域背景技术[0004] 燃气轮机广泛地用于工业和动力生成运行。典型的燃气轮机包括位于前部的轴向压缩机、在中间附近的一个或多个燃烧器，以及处在后方的涡轮。环境空气进入压缩机，且压缩机中的旋转叶片和静止导叶逐渐地给予动能给工作流体(例如，空气)以在高度增能的状态下产生压缩工作流体。压缩工作流体离开压缩机并流动经过燃烧器中的喷嘴，在燃烧器中，该工作流体与燃料相混合并点燃以生成具有较高温度、压力和速度的燃烧气体。燃烧气体在涡轮中膨胀以做功。例如，燃烧气体在涡轮中的膨胀可使得连接到发电机上的轴旋转以发电。 [0005] 广泛公知的是，燃气轮机的热力学效率随着操作温度(也即燃烧气体温度)增加而增加。然而，如果燃料和空气在燃烧之前未经均匀地混合，则在燃烧器中于喷嘴引出口附近可能存在局部热点。局部热点增加了发生会损坏喷嘴的火焰逆燃和火焰稳定的机会。尽管对于任何燃料而言都会发生火焰逆燃和火焰稳定，但它们更易于发生在诸如氢的高反应燃料上，这些燃料具有较高反应性和较宽的可燃性范围。局部热点还会增加生成氮的氧化物、一氧化碳，以及未燃的碳化氢，它们都是不希望的排气排放物。 [0006] 存在多种技术以容许较高操作温度，同时最大限度地减少局部热点和不希望的排放物。例如，已开发出各种喷嘴来在燃烧之前更为一致地混合较高反应性燃料和工作流体。然而，经常的是，较高反应性燃料喷嘴包括多个混合管，这些混合管导致跨过喷嘴的较大压差。此外，较高反应性燃料喷嘴通常在喷嘴的中心部分并不包括混合管。中心部分没有管增加了对较高压差的需要以满足所需的质量流率。此外，中心部分没有管可在中心部分附近产生燃烧气体的再循环区，这增加了中心部分和相邻混合管的局部温度。增加的局部温度可导致增加与喷嘴相关的维护和修理成本。因此，能支持日益较高的燃烧温度和较高反应燃料的喷嘴设计的持续改进将是有用的。 发明内容[0007] 本发明的方面和优点在下文于以下描述中进行了阐述，或可根据该描述而清楚，或可通过本发明的实施而懂得。 [0008] 本发明的一个实施例是燃烧器喷嘴，其包括入口表面和位于入口表面下游的出口表面，其中出口表面具有凹进的中央部分。多个燃料管道径向地布置在凹进中央部分的外部，其中该多个燃料管道延伸穿过出口表面。 [0009] 本发明的另一实施例是燃烧器喷嘴，其包括限定轴向中心线的圆周套罩。出口表面从圆周套罩径向地向内延伸并具有凹进的中央部分。多个燃料管道周向地包绕凹进的中央部分并延伸穿过出口表面。 [0010] 在又一实施例中，燃烧器喷嘴包括再循环盖帽，以及周向地包绕再循环盖帽的多个燃料管道。该多个燃料管道中的各个均包括大致圆柱形通道，以及再循环盖帽包括下游的凹进部分。 [0012] 在包括参照附图的余下说明书中向本领域的普通技术人员更为具体地阐述了本发明包括其最佳模式的完整和能够实施的公开内容，在附图中： [0013] 图1是根据本发明一个实施例的燃烧器的简化截面； [0014] 图2是根据本发明一个实施例的图1中所示的喷嘴的放大简化截面； [0015] 图3是具有平坦出口表面的喷嘴的速度分布的示例性曲线图；以及 [0016] 图4是图2中所示喷嘴的速度分布的示例性曲线图。 [0017] 零件清单 [0018] 10 燃烧器 [0019] 12 喷嘴 [0020] 14 顶盖帽 [0021] 16 壳体 [0022] 18 端盖帽 [0023] 20 衬套 [0024] 22 燃烧室 [0025] 24 流动套筒 [0026] 26 流动孔 [0027] 28 环形通道 [0028] 30 入口表面 [0029] 32 出口表面 [0030] 34 套罩 [0031] 36 多个燃料管道 [0032] 38 燃料管道入口 [0033] 40 燃料管道出口 [0034] 42 凹进或弯曲的中央部分或再循环盖帽 [0035] 44 凹陷或凹入部分 [0036] 46 轴向中心线 [0037] 48 燃料仓室 [0038] 50 隔板 [0039] 52 燃料端口 [0040] 54 流动箭头 [0041] 56 燃烧产物 具体实施方式[0042] 现在将详细描述本发明的现有实施例，其中的一个或多个实例已在附图中示出。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中相同或相似的标记用于指代本发明的相同或相似的部分。 [0043] 各实例均是通过阐释本发明的方式来提供的，而非对本发明进行限制。实际上，本领域普通技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中进行修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分所示和描述的特征可用于另一实施例上以产生又一实施例。因此，本发明意图涵盖归入所附权利要求及其等同方案的范围内的这些修改和变型。 [0044] 图1示出了根据本发明一个实施例的燃烧器10的简化截面。如图所示，燃烧器10可包括径向(或放射状)地布置在顶盖帽14中的一个或多个喷嘴12。壳体16可包绕燃烧器10以容纳离开压缩机(未示出)的空气或压缩工作流体。端盖帽18和衬套20大体包绕位于喷嘴12下游的燃烧室22。具有流动孔26的流动套筒24可包绕衬套20以在流动套筒24和衬套20之间限定环形通道28。压缩工作流体可穿过流动套筒24中的流动孔26以沿着衬套20的外部流动，从而对衬套20提供膜冷却或对流冷却。压缩工作流体然后反转方向以流动穿过该一个或多个喷嘴12并进入燃烧室22中，在燃烧室中该工作流体与燃料混合并点燃以产生具有较高温度和压力的燃烧气体。 [0045] 如图2中所示，喷嘴12通常包括入口表面30、出口表面32、套罩34，以及多个燃料管道36。入口表面30、出口表面32以及套罩34大体限定喷嘴12的容量以及在其中的一个或多个仓室。例如，如图2中所示，入口表面30可限定喷嘴12的上游表面，出口表面32可限定喷嘴12的下游表面，以及套罩34可周向地包绕入口表面30和出口表面32以及燃料管道36以限定喷嘴12的外周长。如文中所用，用语“上游”和“下游”是指构件在流体路径中的相对位置。例如，如果流体从构件A流动至构件B，则构件A在构件B上游。相反，如果构件B接收来自构件A的流体流动，则构件B在构件A下游。 [0046] 入口表面30可为平或弯曲的表面，其邻近地连接各燃料管道36的入口38。以此方式，入口表面30导引或引导压缩工作流体进入并经过各燃料管道36。类似的是，出口表面32可为邻近地连接各燃料管道36的出口40的平或弯曲表面。如图2中所示，一个或多个燃料管道36的出口40可向出口表面32下游延伸大约0.01-0.1英寸。此外，出口表面32可具有凹进的或弯曲的中央部分或再循环盖帽42，其向上游或在入口表面30的方向上可为成角度或弯曲的。凹进或弯曲的中央部分或再循环盖帽42可因此包括凹陷或凹入部分44。 [0047] 套罩34周向地包绕入口表面30、出口表面32和/或燃料管道36中的一个或多个以限定喷嘴12的轴向中心线46。以此方式，入口表面30、出口表面32以及燃料管道36从圆周套罩34径向地向内延伸。 [0048] 燃料仓室48从入口表面30上游延伸至燃料源(未示出)并从入口表面30下游延伸进入喷嘴12中以供送燃料至喷嘴12。在具体实施例中，如图2中所示，燃料仓室48可延伸经过喷嘴12的轴向长度，使得燃料仓室48从出口表面32和/或凹进的中央部分或再循环盖帽42向上游延伸。 [0049] 在入口表面30和出口表面32之间的隔板50可连接到燃料仓室48上以径向地导引喷嘴12内的燃料而冲击和冷却燃料管道36和出口表面32，包括再循环盖帽42或弯曲的中央部分44。然后，燃料可向上转向并穿过燃料管道36中的燃料端口52而进入燃料管道36。燃料端口52因此提供在燃料仓室48和燃料管道36之间的流体连通。取决于设计需要，一些或全部燃料管道36都可包括燃料端口52。燃料端口52可简单地包括位于燃料管道36中的开口或开孔，其容许燃料流动或注入到燃料管道36中。燃料端口52可关于喷嘴12的轴向中心线46成角度以改变燃料进入燃料管道36所处的角度，因此改变燃料在与空气混合之前穿透进入燃料管道36中的距离。例如，如图2中所示，燃料端口52可关于喷嘴12的轴向中心线46成大约30度和大约90度之间的角度以当燃料和压缩工作流体流动经过燃料管道36并进入燃烧室22中时增强混合。 [0050] 燃料管道36大体径向地布置在凹进或弯曲的中央部分或再循环盖帽42的外部并可延伸穿过和/或超出出口表面32。例如，燃料管道36可以对准或交错的同心圆而周向地包绕凹进或弯曲的中央部分或再循环盖帽42。各燃料管道36均大体包括可从入口38连续地延伸至出口40的大致圆柱形通道或管。在具体实施例中，一个或多个燃料管道36的出口40可从出口表面32向下游延伸大约0.01-0.1英寸。燃料管道36可彼此平行。作为备选，在具体实施例中，燃料管道36可相对于彼此沿轴向轻微地倾斜以增强离开燃料管道36进入燃烧室22中的燃料和空气的旋动或混合。燃料管道36的轴向截面可为圆形、椭圆形、正方形、三角形，或事实上根据希望的任何几何形状。 [0051] 图3和图4提供在燃烧室22中的流体流动的示例性曲线图以显示本发明各种实施例的增强的流动特性。箭头54表示燃烧气体的旋动涡流，其在凹进或弯曲的中央部分或再循环盖帽42附近循环。如图3中所示，再循环盖帽42的大致平坦表面紧邻再循环盖帽42的中央部分产生较低速度的燃烧气体。这产生再循环盖帽42的中央部分和相邻燃料管道36的较高表面温度。而且，再循环的燃烧产物56可接触并加热相邻燃料管道36的燃料管道出口40。这可导致喷嘴12的加速磨损和/或过早破坏。相比之下，图4显示了再循环盖帽42的凹进或凹入部分44(如图2中所示)紧邻再循环盖帽42的凹进或凹入部分44产生相对较高速度的燃烧气体。此外，再循环盖帽42的凹进或凹入部分44引导再循环的燃烧产物56以避免与相邻燃料管道36的燃料管道出口40相接触。这产生中心部分或再循环盖帽42和相邻燃料管道36的较低表面温度，减少对喷嘴12的磨损和/或损坏。 [0052] 本书面描述使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，并且还使得本领域普通技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域普通技术人员所想到的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的文字语言并无不同的结构元件或者如果这些其它实例包括与权利要求的文字语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些其它实例处在权利要求的范围内。 |
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