[0002] 本
发明根据受
能源部颁发的合同No.DE-FC26-05NT42643由政府资助作出。政府对本发明拥有一定权利。
技术领域
[0003] 本文公开的主题涉及燃料喷嘴，并且更具体而言，涉及如果火焰进入喷嘴则切断燃料给送的喷嘴。
背景技术
[0004] 大多数预混燃料喷嘴构造设计成用以预混
天然气燃料。目前着重于设计和构造燃烧氢燃料的燃料喷嘴。氢燃料更具活性，并因此具有高得多的火焰速度。当设计用于预混燃烧系统的燃料喷嘴时，在燃烧过程发生部位的上游导入空气和燃料。一般而言，燃料喷嘴设计成使空气以比火焰可向上游传播更快的速度流经它们。当所用燃料为氢气时，更难将火焰保持在燃料喷嘴之外。如果火焰在任何时间段“回火”到预混器中，则它将损坏燃料喷嘴，因为火焰
温度几乎总是比喷嘴零件的
熔化温度高。如果喷嘴不能可靠地将火焰保持在燃料喷嘴之外，则必须考虑其它备选方案。
[0005] 过去曾使用NOx排放物和排气温度差距作为指标来检测回火损坏。当回火发生时，NOx增加并且排气温度差距经常但不会总是增加。NOx增加通常与回火的严重程度成比例。此外，取决于经受回火的
燃烧器在回火事件之前的状态，排气温度差距变化可变动，或减少或增加。排气温度差距不可预知的表现，加上排放物数据分散，已使得难以通过使用NOx和排气温度差距指标来确定是否发生回火。因此，依赖于NOx和排气轮廓(profile)在连续时刻的变化来确定是否已发生回火的方法是低效的。
[0006] 用于在
燃气轮机中检测回火事件的其它方法包括周期性的基准点检查，以确定是否已发生回火损坏。该方法依赖于作为
涡轮状况的函数的排气轮廓和NOx的可重复性。结合基于经验的限制，使用这些值的变化来确定是否已发生回火，甚至在数天后。这无助于在发生回火事件的瞬间确定回火事件。
[0007] 通常，当回火事件发生时主动将其熄灭是有利的。这要求首先感测回火事件，并且当感测到回火事件时关闭
阀，并且然后在火焰熄灭后重新启动燃料流。如上所述，首先感测回火事件的过程是不可靠和缓慢的过程。即使可瞬时地检测回火，也仍然需要切断通向喷嘴的燃料流。如果未在很短的时间段内纠正回火事件，或者如果回火导致喷嘴内的火焰保持事件，则喷嘴会被不可修复地损坏或毁坏。
[0008] 对于每个喷嘴加装回火感测设备、控制设备和
控制阀的成本是昂贵的。此外，在许多单独的喷射器上设置控制系统是不切实际的，预计将需要这样的控制系统，以便连续地燃烧富氢燃料。如果这些事实与不能够精确和快速地感测回火事件相结合，则显然需要其它的备选方案。
发明内容
[0009] 根据本发明的一个方面，提供一种燃料喷嘴组件。该组件包括具有第一端和第二端的外喷嘴本体以及具有第一端和第二端的至少一个内喷嘴管。喷嘴本体或喷嘴管中的一者包括燃料室(plenum)以及从该燃料室延伸的燃料通道，而喷嘴本体或喷嘴管中的另一者包括燃料喷射孔，该燃料喷射孔可滑动地与燃料通道对准，以在本体和管之间的
接口(interface)处介于它们之间形成燃料流动通路。喷嘴本体和喷嘴管在喷嘴本体的第一端和喷嘴管的第一端固定，抵抗相对运动。
[0010] 根据本发明的另一个方面，提供一种如果火焰进入喷嘴则被动地熄灭给送到燃料喷嘴的燃料的方法。它包括具有第一端和第二端的外喷嘴本体，具有第一端和第二端的至少一个内喷嘴管，以及喷嘴本体或喷嘴管中的一者包括燃料室和从该燃料室延伸的燃料通道。喷嘴本体或喷嘴管中的另一者包括邻近燃料通道的燃料喷射孔，以在本体和管之间的接口处在它们之间形成燃料流动通路。该方法包括将喷嘴本体和喷嘴管在第一端固定，抵抗相对运动，允许或喷嘴管或喷嘴本体响应于进入喷嘴管的火焰而相对于另一者滑动，以及在接口处闭合燃料流动通路以熄灭火焰。
[0011] 从以下结合
附图的描述，这些及其它优点和特征将变得更加明显。
附图说明
[0012] 视为本发明的主题在
权利要求书中具体指出并清楚地主张权利。从以下结合附图的详细描述，本发明的上述及其它目的、特征和优点显而易见，在附图中：
[0013] 图1是本发明的燃料喷嘴组件的截面图；
[0014] 图2是从图1标有“图2”的区域的详图；
[0015] 图3是本发明的喷嘴组件沿截面截取的等距视图；
[0016] 图4和图5是本发明的燃料喷嘴组件的前、后等距视图。零件清单[0017] 10燃料喷嘴
[0018] 11外喷嘴本体
[0019] 12外周面
[0020] 13内周面
[0021] 14内喷嘴管
[0022] 15外周面
[0023] 16内周面
[0024] 21后端
[0025] 22隔壁
[0026] 23前端
[0028] 31燃料室
[0029] 32燃料通道
[0030] 33接口
[0031] 34开口
[0032] 35外侧
[0033] 36内侧
[0034] 37环形圈
[0035] 41环形槽
[0036] 42和43环形槽
[0038] 54平移面
[0039] 55凸缘部
[0040] 56燃料喷射孔(或孔口)
[0041] 60内部混合区(或潜在火焰区)
[0042] 61端面
[0043] 101期望的燃料区域
具体实施方式
[0044] 主动燃料熄灭和喷嘴的本发明旨在如果火焰进入喷嘴则切断供应到燃料喷嘴的燃料给送。虽然喷嘴本体和喷嘴管的一端被固定，但是相对端由于火焰导致的
热膨胀而自由增长。热增长导致燃料喷射孔(或孔口)中的一者从在它们之间形成燃料流动通路的大体对准的
位置相对于气体通道平移。当孔口和通道平移而未对准时，气体喷射在燃料室和喷嘴内部之间受到阻滞。结果，火焰将熄灭。
[0045] 现在参考图1，其中将参考特定
实施例描述本发明而不限制本发明，示出了通过燃料喷嘴10的截面。燃料喷嘴10包括具有外周面12和内周面13的外喷嘴本体11。燃料喷嘴10还包括具有外周面15和内周面16的内喷嘴管14。管11和管14沿中心线A轴向延伸并且通过隔壁22在后端21同心地保持在适当位置。
[0046] 燃料在前端23喷射到燃料喷嘴10中。
歧管板24与外喷嘴本体11的内周面13刚性地连接。位于歧管板24内并且周向地示出的是燃料室31。燃料通道32从燃料室31延伸到喷嘴本体11和喷嘴管14之间的接口33。一系列的开口34穿过歧管板24在外侧35和内侧36之间延伸，形成环形圈37。环形槽41从开口34的中心线且在侧35和侧36之间沿径向延伸，以形成燃料贮存部(pocket)。在环形圈37中加工较深的环形槽42、43，环形槽42布置在外侧35和槽41之间，而环形槽43布置在槽41和内侧36之间。
[0047]
活塞环52和活塞环53分别位于槽42和槽43内，并且在接口33处摩擦接合与环形圈37相对的喷嘴管14的平移面54。平移面54形成喷嘴管14的凸缘部55的最外周面。燃料喷射孔(或孔口)56位于凸缘部55内。如图所示，燃料喷射孔布置成相对于喷嘴管14的内部混合区(或潜在火焰区)60以一定
角度地引导燃料。可以理解的是，燃料喷射孔56可以任何取向布置成用以满足整个燃烧系统的要求。凸缘部55的端面61从内部混合区60向外展开，使得喷嘴管14即使在管14的热膨胀期间也可保持与空气源
接触。可以理解的是，管14的热膨胀将导致凸缘部55的端面61由于从内部混合区60到端面61的不均匀的温度传播而有些不一致地运动。
[0048] 在正常操作中，空气在端面61注入喷嘴管14中，而燃料喷射到燃料室31中，由此燃料流动地流经燃料通道32，进入由环形槽41所形成的燃料贮存部中，并随后经燃料喷射孔口56进入管14的内部混合区60中。空气和燃料在其中混合并排出到期望的燃烧区域101中。为了在期望的燃烧区域101发生燃烧，喷嘴设计成使空气以比火焰可向上游传播更快的速度流经它们。然而，当使用氢气时将火焰保持在燃料喷嘴之外是困难的。当这发生时，火焰回火到喷嘴管14的内部混合区60中。随着时间的推移，或者如果火焰保持在内部混合区60中，则火焰将毁坏燃料喷嘴，因为火焰温度比零件的熔化温度高。
[0049] 当火焰进入内部混合区60时，管14将加热。喷嘴管14和喷嘴本体11之间的环形
隔热空间62保持喷嘴本体11以相似的方式加热。由内部混合区60中的火焰所导致的加热过程可将温度从正常操作的约800°F驱动到高达4000°F。自然热膨胀然后导致喷嘴管14相对于喷嘴本体11增长。由于喷嘴本体11和喷嘴管14固定在隔壁22而非固定在接口33，所以喷嘴管14的凸缘部55以大体轴向的方式平移，当参考图2时示出为“轴向增长的变化”。燃料喷射孔56然后平移而接触甚至越过活塞环52，有效地切断了通向内部火焰区60的燃料流。一旦通向燃料喷射孔56的燃料流被封住，火就会由于缺乏燃料而自然熄灭。在火焰熄灭后，喷嘴管14热收缩返回到燃料喷嘴10的操作状态，从而重新开启燃料室31和内部火焰区60之间的燃料流动通路。
[0050] 本发明的设计当喷嘴管14变热时利用被动机构来切断通向喷嘴管14的燃料，同时仍提供密封以禁止
燃料气体泄漏到喷嘴组件的不期望的区域中。用于燃料室31和内部混合区60之间的燃料流动通路的密封由活塞环52和53提供，活塞环52和53分别收容在槽42和43中且允许摩擦接合以及在接口33沿平移面54滑动。
[0051] 可以理解的是，本发明的设计可在燃料喷嘴组件10中结合任意数目的喷嘴管14。如图3A至图3C所示，三个喷嘴管包含在单个的喷嘴本体11中，每个喷嘴管都如上文所述喷射有空气燃料混合物。当火焰进入任何一个喷嘴管14的内部混合区60时，通向该单独的喷嘴的燃料将被切断直到喷嘴管热收缩到正常操作状态为止。可进一步理解的是，喷嘴管14可构造成所需的任何尺寸的组件，且可在喷嘴本体11中包括数目不受限制的喷嘴管。
本发明还允许如果喷嘴管14由于长期暴露于热循环导致的热恶化而损坏时易于对其单独地更换。
[0052] 虽然已结合仅有限数目的实施例详细描述本发明，但应当容易地理解，本发明不局限于此类披露的实施例。相反而言，本发明可
修改成结合非此前所述而是与本发明的精神和范围相当的任意数目的变型、改型、替代或等同装置。此外，虽然已描述本发明的各种实施例，但是可以理解的是，本发明的方面可仅包括所述实施例的一部分。相应而言，本发明不应视为受前述描述的限制，而是仅受所附权利要求的限制。
