專利名稱：燃料噴嘴及包括該燃料噴嘴的組件和燃?xì)鉁u輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
所公開 的實施例一般地涉及氣體和液體燃料渦輪機(jī)，包括環(huán)管或環(huán)形燃燒系統(tǒng)兩者，以及操作此類燃燒系統(tǒng)的方法。
背景技術(shù)：
干燥低NOx技術(shù)常規(guī)地用于通過利用燃料和空氣的預(yù)混來對帶有環(huán)管燃燒系統(tǒng)的工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)中的氣態(tài)燃料燃燒進(jìn)行排放控制。預(yù)混的主要好處是提供引起相對恒定的反應(yīng)區(qū)溫度的均勻燃燒速度。通過細(xì)心的空氣管理，可優(yōu)化這些溫度以產(chǎn)生很低的氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和未燃燒烴(UHC)的排放。中心預(yù)混燃料噴嘴的調(diào)制可通過允許燃料_空氣比率和外噴嘴的對應(yīng)反應(yīng)速度保持相對恒定同時改變進(jìn)入渦輪機(jī)的燃料輸入來擴(kuò)大操作范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員充分理解燃料分級是一種通過均勻的熱釋放來實現(xiàn)更高的渦輪機(jī)進(jìn)口溫度的手段。軸向分級的系統(tǒng)采用沿著燃燒器流動通路的多個燃料噴射平面。軸向燃料分級的利用需要特別的設(shè)計考慮來將燃料噴入高溫燃燒產(chǎn)物。軸向分級的燃燒器的較后級的高溫和高壓環(huán)境已阻礙了適用于商業(yè)應(yīng)用的魯棒性設(shè)計的開發(fā)。因此希望開發(fā)具有燃料系統(tǒng)構(gòu)造和/或利用分級燃料法的新型燃?xì)鉁u輪機(jī)，以便實現(xiàn)更低的峰值燃料溫度。預(yù)期此類燃?xì)鉁u輪機(jī)對應(yīng)地具有低NOx和CO排放。新型燃?xì)鉁u輪機(jī)呈現(xiàn)在此類“排放規(guī)定”體制內(nèi)的增加的可操作性范圍的能力將提供進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
提供了一種燃?xì)鉁u輪機(jī)燃料噴嘴。該燃料噴嘴具有物理構(gòu)造，使得噴嘴無法穩(wěn)定火焰直到約0. 65的當(dāng)量比。另一方面，提供了一種用于單級燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒器的組件。該組件包括圍繞中心軸線布置的外噴嘴陣列，以及位于所述中心軸線上的中心噴嘴，其中所述中心噴嘴具有物理構(gòu)造，使得中心噴嘴無法穩(wěn)定火焰直到約0. 65的當(dāng)量比。另一方面，提供了一種包括多個燃燒器的燃?xì)鉁u輪機(jī)。各燃燒器具有圍繞燃燒器的縱向軸線設(shè)置的多個外燃料噴嘴、大致沿著所述中心軸線布置的中心噴嘴以及單個燃燒區(qū)。中心噴嘴無法穩(wěn)定火焰直到約0. 65的當(dāng)量比。


當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，全部附圖中相似的附圖標(biāo)記代表相似的零件，其中圖1是對于燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒系統(tǒng)的燃燒器可操作性或火焰穩(wěn)定性的圖示；圖2是燃料空氣理論比率(χ軸線)相對于在15% O2的NOx水平(y軸線)的關(guān)系的圖形表示，顯示了延遲貧燃燃燒的好處；圖3示出了對于預(yù)混燃燒系統(tǒng)的火焰穩(wěn)定性的區(qū)域，區(qū)域“1”為常規(guī)燃料噴嘴無法穩(wěn)定火焰(常規(guī)貧燃熄火)的范圍，區(qū)域“2”為此改進(jìn)的燃料噴嘴無法穩(wěn)定火焰(擴(kuò)大的貧燃熄火)的范圍，而區(qū)域“3”為所有燃料噴嘴均可穩(wěn)定火焰的區(qū)域；圖4是根據(jù)一個實施例的渦輪機(jī)的環(huán)管燃燒器的示意性橫截面視圖；圖5是根據(jù)一個實施例的端蓋和燃料噴嘴組件的示意性前端視圖；圖6是根據(jù)一些實施例的外燃料噴嘴的示意性橫截面視圖；圖7是根據(jù)一個實施例的中心燃料噴嘴的示意性橫截面視
圖8是根據(jù)一個實施例的中心燃料噴嘴的示意性橫截面視圖；圖9是根據(jù)一個實施例的中心燃料噴嘴的示意性橫截面視圖；圖10是根據(jù)一個實施例的中心燃料噴嘴的示意性橫截面視圖；圖11是根據(jù)一個實施例的中心燃料噴嘴的示意性橫截面視圖；圖12是根據(jù)一個實施例的中心燃料噴嘴的示意性橫截面視圖；圖13是根據(jù)一個實施例的中心燃料噴嘴的示意性橫截面視圖；圖14A是對于常規(guī)環(huán)管燃燒器的火焰形狀的圖示；圖14B是對于根據(jù)一個實施例的環(huán)管燃燒器的火焰形狀的圖示；以及圖14C是對于根據(jù)一個實施例的環(huán)管燃燒器的火焰形狀的圖示。零部件列表10燃?xì)鉁u輪機(jī)12壓縮機(jī)14燃燒器16 葉片18過渡管道20火花塞22聯(lián)焰管24燃燒器外殼26渦輪機(jī)外殼28 螺栓30端蓋組件32外燃料噴嘴組件33中心噴嘴34流套筒35凸緣接頭36夕卜壁37對接接頭38燃燒襯里39 支柱40 內(nèi)壁42燃燒襯里罩蓋組件44 孔口46預(yù)混管
47 后板48浮動套環(huán)49 后板

50旋流器52后供應(yīng)區(qū)段54被動空氣吹掃進(jìn)口56 通道60最前端62 進(jìn)口64預(yù)混氣體通道68燃料噴射端口70燃燒區(qū)72后供應(yīng)區(qū)段74遠(yuǎn)輸送區(qū)段76 管78 管80預(yù)混氣體通道82預(yù)混氣體燃料進(jìn)口84 導(dǎo)管86徑向燃料噴射器88燃料噴射端口90 通道92 管94霧化空氣進(jìn)口96 孔98 通道100 管102 進(jìn)水口106液態(tài)燃料進(jìn)口108排放孔112 提取端口114壓縮機(jī)排放區(qū)域116噴嘴末端118旋流器120燃燒器管122 喇叭口出口124燃料噴射栓銷126旋流噴嘴128進(jìn)口流量調(diào)節(jié)器
具體實施例方式以上簡要描述陳述了本發(fā)明的各種實施例的特征，以便更好地理解以下詳細(xì)描述，并且更好地認(rèn)識本發(fā)明對本領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。當(dāng)然，本發(fā)明存在其它特征，下文將描述這些特征且其將用于所附權(quán)利要求的主題。在這方面，在詳細(xì)解釋本發(fā)明的若干實施例之前，應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的各種實施例的應(yīng)用并不限于以下描述中陳述或附圖所示的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件布置的細(xì)節(jié)。本發(fā)明能夠具有其他實施例并以不同方式實踐和實施。此外，應(yīng)該理解的是，本文采用的措辭和術(shù)語出于描述的目的且不應(yīng)當(dāng)被視為限制。如本文所用的用語“第一”、“第二”等不表示任何次序、數(shù)量或重要性，而是用來將一個元件與另一元件進(jìn)行區(qū)分。本文的用語“一”和“一個”不表示數(shù)量限制，而是表示存在至少一個所引用的項目。結(jié)合數(shù)量使用的修飾語“約”包括所述的值并具有上下文所指示的含義(例如，包括與特定數(shù)量的測量值相關(guān)的誤差程度)。如本文所用的修飾語“(多個)”旨在包括其修飾的項目的單數(shù)和復(fù)數(shù)兩者，從而包括 個或多個該項目。說明書全文中對“一個實施例”或“實施例”的提及是指結(jié)合實施例所述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特征被包括在至少一個實施例中。因此，短語“在一個實施例中”或“在實施例中”在說明書全文的各個位置的出現(xiàn)不一定指的是同一實施例。此外，特定特征、結(jié)構(gòu)或特點(diǎn)可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)合在一個或更多個實施例中。本文提供的是一種燃料噴嘴，以及包括該噴嘴的組件和燃?xì)鉁u輪機(jī)，其利用燃料分級來對氣態(tài)燃料實現(xiàn)極低的排放。噴嘴、組件和燃燒器結(jié)合了物理構(gòu)造，使得在不利用下游燃料噴射的情況下避免了火焰穩(wěn)定。因此提供了期望的低排放。圖1是對于常規(guī)燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒系統(tǒng)的火焰穩(wěn)定性的圖形表示。如圖所示，火焰穩(wěn)定性是燃料/空氣比率和空氣流量的函數(shù)。存在穩(wěn)定燃燒區(qū)域，其尺寸潛在地受包括燃料類型的若干變量影響。本文提供的噴嘴、組件和燃燒器物理地構(gòu)造成使得穩(wěn)定燃燒區(qū)域減小，而火焰穩(wěn)定區(qū)域增加?；鹧娣€(wěn)定的避免又允許未燃燒的燃料超過相鄰的燃料噴嘴的主反應(yīng)區(qū)向下游傳播。S卩，本發(fā)明的噴嘴所支持的火焰將不會立刻燃燒，而是將在組件和/或燃燒器的燃燒器區(qū)內(nèi)燃燒。結(jié)果類似于通過軸向燃料分級提供的結(jié)果，沒有對于下游燃料噴射的常規(guī)要求。軸向燃料分級或延遲貧燃噴射對來自預(yù)混火焰的NOx排放的好處在圖2中圖形地表示。常規(guī)的NOx與燃料/空氣的關(guān)系用實線示出，而采用軸向燃料分級的噴嘴、組件和燃燒器中發(fā)生的NOx與燃料/空氣的關(guān)系通過虛線表示(也時常被本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員稱為延遲貧燃噴射)。如圖所示，提供了操作燃料/空氣比率的強(qiáng)化區(qū)域，其還能夠在期望的 NOx排放內(nèi)操作。一部分燃料的延遲引入能實現(xiàn)整個火焰區(qū)的擴(kuò)大，這又引起峰值溫度的下降和NOx排放的降低。然而，還不可能示范將延遲或下游燃料噴嘴安放在高溫燃燒氣體的通路中的實用手段。在本發(fā)明的噴嘴、組件和燃燒器中，此強(qiáng)化操作區(qū)域由噴嘴的物理構(gòu)造提供，使得能夠避免延遲貧燃噴射，同時又可獲得相同的效果。即使本發(fā)明的噴嘴能夠在不需要此類構(gòu)造的情況下提供延遲貧燃噴射的好處，但該噴嘴也還是能夠在高燃料/空氣比率下使用，即，大于0. 65的燃料/空氣比率，以便在低功率模式下操作。圖3是NOx排放對燃料空氣比率的圖形表示。該曲線圖的右手側(cè)區(qū)域顯示了對于預(yù)混燃料噴嘴貧燃熄火的正常范圍。中心區(qū)域顯示了使用本發(fā)明的中心燃料噴嘴的實施例可實現(xiàn)的擴(kuò)大的貧燃熄火范圍。左側(cè)區(qū)域顯示了中心燃料噴嘴由于不足的燃料流量或過低的燃料-空氣比率而不能發(fā)生火焰穩(wěn)定的范圍而因此，本文提供了這樣一種噴嘴，其理想地可為燃燒器組件的一部分，在工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)上以環(huán)形或環(huán)管構(gòu)造布置。本發(fā)明的噴嘴、組件和燃燒器有利地以低到中等燃料/ 空氣比率采用，例如，以小于0. 65的燃料/空氣比率，如典型地可用于高功率模式下那樣。圖4是穿過包括環(huán)管燃燒器構(gòu)造的渦輪機(jī)的其中一個燃燒器的示意性截面圖。燃?xì)鉁u輪機(jī)10包括壓縮機(jī)12 (部分示出)、多個燃燒器14(示出一個)以及此處由單個葉片 16代表的渦輪。盡管未具體示出，但渦輪沿共同的軸線驅(qū)動地連接到壓縮機(jī)12上。壓縮機(jī) 12對進(jìn)氣加壓，進(jìn)氣隨后反向流向燃燒器14，此處進(jìn)氣被用于冷卻燃燒器14并向燃燒過程提供空氣。如上所述，該燃?xì)鉁u輪機(jī)包括圍繞燃?xì)鉁u輪機(jī)的外周定位的多個燃燒器14。雙壁過渡管道18將各燃燒器的出口端與渦輪的進(jìn)口端連接，以將熱燃燒產(chǎn)物輸送到渦輪。以通常的方式借助與聯(lián)焰管22相結(jié)合的火花塞20在各個燃燒器14中實現(xiàn)點(diǎn)燃。各燃燒器14均包括大致圓柱形燃燒器外殼24，該燃燒器外殼在開口前端處借助于螺栓28固定在渦輪機(jī)外殼26上。燃燒外殼的后端或近端由端蓋組件30封閉，該端蓋組件30包括如以下更詳細(xì)地描述的用于將氣態(tài)燃料、液態(tài)燃料、空氣和水供給到燃燒器14的供應(yīng)管、歧管和相關(guān)的閥。端蓋組件30接納圍繞燃燒器14的縱向軸線布置成圓形陣列的多個(例如，三到六個)“外”燃料噴嘴組件32 (示出一個)，以及一個中心噴嘴33。在燃燒器外殼24內(nèi)，以與其成大致同心的關(guān)系安裝了大致圓柱形流套筒34，該流套筒34在其前端處連接到雙壁過渡管道18的外壁36上。流套筒34借助徑向凸緣35在其后端在對接接頭37處連接到燃燒器外殼24上，燃燒器外殼24的前、后區(qū)段在該對接接頭37中被連接。在流動套筒34內(nèi)，同心地布置了燃燒襯里38，該燃燒襯里38在其前端與過渡管道18的內(nèi)壁40連接。燃燒襯里38的后端由燃燒襯里罩帽組件42支撐，該罩帽組件又由多個支柱39和相關(guān)的安裝組件支撐在燃燒器外殼內(nèi)。過渡管道18的外壁36和流套筒34 的從燃燒器外殼24被栓接在渦輪機(jī)外殼上的位置向前延伸的那部分在它們各自的外周表面上形成有孔口 44的陣列，以容許空氣從壓縮機(jī)12經(jīng)孔口 44朝燃燒器的上游端或后端反向流入流套筒34與襯里38之間的環(huán)形空間(如圖1中通過流動箭頭所示)。燃燒襯里罩帽組件42支撐多個預(yù)混管46，對每一個“外”燃料噴嘴組件32和中心噴嘴33均有一個。更具體而言，各預(yù)混管46分別由前板47和后板49在其前端和后端處被支撐在燃燒襯里罩帽組件42內(nèi)，每一個均設(shè)置有與開口端再混合管46對準(zhǔn)的開口。前板 47(設(shè)置有冷卻孔口陣列的沖擊板)可通過屏蔽板(未示出)屏蔽燃燒器火焰的熱輻射。后板49安裝在多個向后延伸的浮動套環(huán)48 (每個預(yù)混管46 —個，布置成與后板中的開口大致對準(zhǔn))上，各套環(huán)48支撐與相應(yīng)噴嘴組件的徑向最外部壁成環(huán)繞關(guān)系的空氣旋流器50。該布置使得在襯里38與流套筒34之間的環(huán)形空間中流動的空氣在燃燒器的后端中(在端蓋組件30與套管孔口 44之間)被迫再一次反轉(zhuǎn)方向并流經(jīng)旋流器50和預(yù)混管46。燃燒襯里罩帽組件42的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)、襯里罩帽組件被支撐在燃燒器外殼內(nèi)的方式和預(yù)混管46被支撐在襯里罩帽組件中的方式是美國專利No. 5，259，184的主題，在此通過引用而整體結(jié)合在本文中。
圖5示意性地顯示了圖4中所示的環(huán)管燃燒器的端蓋裝置的一個實施例的燃料噴嘴組件的前端視圖。如上所述，外燃料噴嘴組件32和一個中心噴嘴33附接在端蓋30上。 端蓋30包括如以下詳述的內(nèi)部通道，其將氣態(tài)和液態(tài)燃料、水以及霧化空氣供應(yīng)到噴嘴。 用于供應(yīng)各種流體的管道和管又連接到端蓋組件的外表面上。

外燃料噴嘴組件32和中心噴嘴33通常可構(gòu)造成供應(yīng)預(yù)混氣態(tài)燃料、液態(tài)燃料、噴水、霧化空氣和/或擴(kuò)散燃料。在一些實施例中，外燃料噴嘴組件32和中心噴嘴33構(gòu)造成提供預(yù)混氣態(tài)燃料。參照圖6，各外燃料噴嘴組件32包括近端或后供應(yīng)區(qū)段72，帶有用于接收液態(tài)燃料、噴水、霧化空氣和預(yù)混氣體燃料的進(jìn)口，并帶有用于供應(yīng)各上述流體的適當(dāng)?shù)倪B接通道。如上所述，外燃料噴嘴組件32各構(gòu)造成接收預(yù)混氣態(tài)燃料，并將其供應(yīng)到燃料噴嘴組件的前或遠(yuǎn)輸送區(qū)段74中的相應(yīng)通道。外燃料噴嘴組件可構(gòu)造成以便大致平行于中心燃料噴嘴組件33的縱向軸線(對稱軸線)，或可相對于該軸線向外傾斜使得它們的火焰朝向襯里壁成角度。此類構(gòu)造使得中心噴嘴燃料能夠在點(diǎn)燃之前進(jìn)一步向下游前進(jìn)。盡管只要實現(xiàn)了前述目的具體角度并不是關(guān)鍵的，但傾斜角度會受襯里的壁限制。預(yù)期相對于中心燃料噴嘴33的縱向軸線的可用傾斜角度的范圍為從約Γ到約7°。在所示的實施例中，外燃料噴嘴組件32的前輸送區(qū)段由一系列同心管組成。管76 和78限定經(jīng)由導(dǎo)管84接收來自后供應(yīng)區(qū)段72中的預(yù)混氣體燃料進(jìn)口 82的預(yù)混氣體燃料的預(yù)混氣體通道80。預(yù)混氣體通道80與多個徑向燃料噴射器86連通，各燃料噴射器86均設(shè)置有用于將氣體燃料排放到位于預(yù)混管46內(nèi)的預(yù)混區(qū)中的多個燃料噴射端口或孔88。 噴射的預(yù)混燃料與從壓縮機(jī)12反向流動的空氣混合。第二通道90被限定在同心管78和92之間并用于經(jīng)由孔96將來自霧化空氣進(jìn)口 94的霧化空氣供應(yīng)到燃燒器14的燃燒區(qū)70。第三通道98被限定在同心管92和100之間并用于將來自進(jìn)水口 102的水供應(yīng)到燃燒區(qū)70，從而以本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解的方式實現(xiàn) NOx減少。形成外噴嘴32的一系列同心管的最內(nèi)部的管100本身經(jīng)由液態(tài)燃料進(jìn)口 106形成中央通道。液態(tài)燃料借助于處于外噴嘴組件32的中心的排放孔108離開噴嘴。因此，所有外噴嘴32和中心氣體噴嘴33提供預(yù)混氣態(tài)燃料。中心噴嘴33但非外噴嘴32提供被動空氣吹掃，且各外噴嘴32但非中心噴嘴33構(gòu)造成用于輸送液態(tài)燃料、用于減少排放物的水和霧化空氣。多個四個一組的栓銷(未示出)周向定位在前燃燒外殼周圍，從而經(jīng)每個栓銷的8個孔分配燃料。中心燃料噴嘴33設(shè)置有最小化湍流和流動再循環(huán)使得火焰穩(wěn)定性貧乏的物理構(gòu)造。中心噴嘴33因此能夠以低于約0.65的當(dāng)量比提供此類火焰去穩(wěn)。向中心噴嘴33提供這種能力的物理構(gòu)造的非限制性的實例包括一個或多個空氣動力學(xué)特征，比方說例如流線型噴嘴末端、噴嘴末端空氣吹掃、流線型旋流器、雙旋流器、雙反轉(zhuǎn)旋流器、組合的旋流器和噴嘴、進(jìn)口流量調(diào)節(jié)器、燃燒器管出口喇叭口和/或發(fā)散的燃燒器管壁。例如，在一些實施例中，中心燃料噴嘴33可單獨(dú)或與既冷卻噴嘴的后部區(qū)域又激冷剩余的再循環(huán)區(qū)域的噴嘴末端空氣吹掃相結(jié)合地設(shè)置有流線型末端。因此，火焰很難在該區(qū)域附著，即，中心燃料噴嘴33與常規(guī)的中心燃料噴嘴相比呈現(xiàn)減少的火焰穩(wěn)定性。而因此，從中心燃料噴嘴33分配的預(yù)混燃料將在點(diǎn)燃之前向下游行進(jìn)或?qū)α?。其結(jié)果類似于軸向燃料分級的效果，但有利地不需要下游燃料噴射。在一些實施例中，中心燃料噴嘴33可包括任何數(shù)量的呈任何構(gòu)造的旋流器。例如，中心噴嘴33可設(shè)置有流線型旋流器、雙旋流器、雙反轉(zhuǎn)旋流器、與噴嘴或燃料銷結(jié)合的旋 流器等。任何此類旋流器均可提供被分配到其中的流體的旋轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)流動，并且可起作用以使在中心燃料噴嘴33的末端處提供的火焰去穩(wěn)?；蛘撸行娜剂蠂娮?3可設(shè)置在具有“喇叭形”出口的燃燒器管內(nèi)。進(jìn)口流量調(diào)節(jié)器也可用于實現(xiàn)期望的火焰去穩(wěn)，或者，其可由不同的外噴嘴構(gòu)造提供。任何這些可被單獨(dú)使用或以任何結(jié)合使用。圖7-13中示出了中心燃料噴嘴33的此類構(gòu)造的若干實施例。圖7中示出了中心燃料噴嘴33的一個實施例。如圖所示，中心燃料噴嘴組件33 包括帶通道56的近或后供應(yīng)區(qū)段52，該通道56貫穿中心噴嘴組件33延伸并用于接收被動空氣吹掃。進(jìn)口 54可操作地設(shè)置成經(jīng)由提取端口 112接收來自壓縮機(jī)排放區(qū)域114的空氣，兩者均在圖3中示出。中心通道56經(jīng)由在中心燃料噴嘴組件33的最前端60處限定的噴嘴末端空氣吹掃孔58被動地將空氣供應(yīng)到燃燒器14(圖3)的燃燒區(qū)70。在渦輪機(jī)10 的上下文中，中心燃料噴嘴組件33的遠(yuǎn)或前排放端60位于預(yù)混管46內(nèi)，并接近其遠(yuǎn)端或前端。進(jìn)口 62也被限定在用于預(yù)混氣體燃料的噴嘴的后供應(yīng)區(qū)段52中。(多個)預(yù)混氣體通道64與多個徑向燃料噴射器66連通，各燃料噴射器設(shè)置有用于將預(yù)混氣體燃料排放到位于預(yù)混管46內(nèi)的預(yù)混區(qū)中的多個燃料噴射端口或孔68。圖8和9顯示了中心燃料噴嘴33的兩個附加實施例。更具體而言，在圖8和9中所示的實施例中，中心燃料噴嘴33設(shè)置有流線型噴嘴末端116，以及噴嘴末端空氣吹掃端口 114，以冷卻中心燃料噴嘴33的末端，并防止火焰附著于其上。圖8和9中所示的實施例也采用旋流器以便使火焰去穩(wěn)，圖8的實施例顯示了單個流線型環(huán)形旋流器118，而圖9的實施例利用了雙環(huán)形旋流器118。圖10顯示了中心燃料噴嘴33的一個附加實施例，其中燃燒器管120設(shè)置有喇叭口出口 122。雖然不希望受任何理論約束，但相信為燃燒器管120設(shè)置此類出口可減少湍流和流動再循環(huán)，湍流和流動再循環(huán)又可增強(qiáng)火焰穩(wěn)定性。圖11顯示了中心燃料噴嘴33的一個實施例，其中旋流器118和燃料噴射栓銷124相結(jié)合而形成“旋流噴嘴” 126。該實施例因此有利地提供了一種形成湍流、渦旋生成或再循環(huán)的機(jī)會更少的更符合空氣動力學(xué)的構(gòu)造。圖11還顯示了燃燒器管120上的喇叭口出口 122，盡管如上所述，但情況不一定如此， 并且可單獨(dú)或與一個或多個任何其它此類構(gòu)造相結(jié)合地利用允許中心燃料噴嘴33以低于 0. 65的燃料/空氣比率提供去穩(wěn)的火焰的任何單個構(gòu)造。圖12顯示了中心燃料噴嘴33的又一實施例，其中進(jìn)口流量調(diào)節(jié)器128緊鄰結(jié)合的旋流器118和燃料栓銷124或“旋流噴嘴” 126設(shè)置。進(jìn)口流量調(diào)節(jié)器128可被視為類似于整流器并用于向旋流器或旋流噴嘴提供均勻和一維的進(jìn)口流量。好處在于出現(xiàn)更少的湍流、渦旋生成或再循環(huán)。圖13顯示了中心燃料噴嘴33的一個實施例，其中燃燒器管120設(shè)置有喇叭口 122，其中喇叭口 122從平行于中心燃料噴嘴33的縱向軸線的平面發(fā)散。圖14A-14C中示出了與本發(fā)明的燃燒系統(tǒng)相比的常規(guī)噴嘴燃燒系統(tǒng)的火焰形狀。 更具體而言，圖14A中示出了常規(guī)的被動延遲貧燃燃燒系統(tǒng)，且顯示了所有燃料噴射器上穩(wěn)定的火焰。相反，圖14B中示出了包括本發(fā)明的中心噴嘴的實施例的本發(fā)明的燃燒系統(tǒng)，且顯示了僅在中心噴嘴更下游點(diǎn)燃的中心噴嘴上去穩(wěn)的火焰。圖14C顯示了另一個實施例，其中外燃料噴嘴向外傾斜，引起未燃燒的燃料在點(diǎn)燃之前更進(jìn)一步向下游對流。渦輪機(jī)在多種模式下依靠氣態(tài)燃料操作。第一模式將預(yù)混氣體燃料供應(yīng)到外噴嘴 32中的兩個和中心噴嘴33，以便渦輪機(jī)加速。從其點(diǎn)火和聯(lián)焰完成直到大約95%速度 ，到中心噴嘴33的預(yù)混燃料的流被切斷，并且該部分燃料被重新定向到外燃料噴嘴32中的兩個。從大約95%速度和極低負(fù)荷操作，到外燃料噴嘴32的預(yù)混燃料的流被切斷，且該部分燃料與供應(yīng)到中心噴嘴33的氣態(tài)燃料預(yù)混。隨著單位負(fù)載進(jìn)一步上升，預(yù)混氣態(tài)燃料被供應(yīng)到外噴嘴32中的兩個和中心燃料噴嘴33。在大約20%負(fù)載下，流從外燃料噴嘴32中的兩個轉(zhuǎn)移到外燃料噴嘴32中的三個，同時維持通過中心燃料噴嘴33的流。在大約30%負(fù)載下，通過中心燃料噴嘴33的預(yù)混氣態(tài)燃料的流被切斷且該部分預(yù)混氣體燃料通過外燃料噴嘴32中的兩個輸送使得所有外燃料噴嘴32輸送預(yù)混氣態(tài)燃料。在短暫的時間段期間，燃料被專門供應(yīng)到外預(yù)混和四個一組的噴嘴。當(dāng)達(dá)到大約30%負(fù)載時，中心噴嘴33被再次打開，以通過預(yù)混氣體燃料通道(64)輸送預(yù)混氣態(tài)燃料。以受控的燃料百分比對預(yù)混氣體噴嘴應(yīng)用此模式直到額定負(fù)載的100%。為了在模式1、3和4下操作，中心燃料噴嘴通常必須能夠以大于0. 65的當(dāng)量比穩(wěn)定火焰。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解的是，本公開內(nèi)容所基于的概念可被容易地用作設(shè)計用于實施本發(fā)明的若干目的的其它結(jié)構(gòu)、方法和/或系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，重要的是將權(quán)利要求視為包括此類等同的構(gòu)造，只要它們沒有偏離本發(fā)明的精神和范圍。雖然本文描述的主題的公開的實施例已在附圖中示出并且上文已結(jié)合若干示例性實施例具體而詳細(xì)地充分描述，但對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說顯而易見的是，許多改型、更改和省略是可能的而不實質(zhì)地偏離本文闡述的新穎教導(dǎo)、原理和概念，以及所附權(quán)利要求中述及的主題的優(yōu)點(diǎn)。因此，所公開的創(chuàng)新的適當(dāng)范圍應(yīng)當(dāng)僅由所附權(quán)利要求的最寬泛的解釋來確定以便涵蓋所有此類改型、更改和省略。此外，任何過程或方法步驟的次序或順序均可以根據(jù)備選實施例改變或重新排序。
權(quán)利要求
1.一種燃?xì)鉁u輪機(jī)燃料噴嘴(33)，其具有物理構(gòu)造使得所述噴嘴無法穩(wěn)定火焰直到約0. 65的當(dāng)量比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴，其特征在于，所述噴嘴由于其中結(jié)合了空氣動力學(xué)特征而呈現(xiàn)降低的火焰穩(wěn)定性。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料噴嘴，其特征在于，所述空氣動力學(xué)特征包括流線型噴嘴末端、噴嘴末端空氣吹掃、流線型旋流器、雙旋流器、雙反轉(zhuǎn)旋流器、組合的旋流器和噴嘴、進(jìn)口流量調(diào)節(jié)器、燃燒器管出口喇叭口和/或發(fā)散的燃燒器管壁中的至少一個。
4.一種單級燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒器中的組件，包括繞中心軸線布置的外噴嘴(32)陣列和位于所述中心軸線上的中心噴嘴(33)，其中，所述中心噴嘴(33)具有物理構(gòu)造使得所述中心噴嘴呈現(xiàn)去穩(wěn)的駐焰特性直到約0. 65的當(dāng)量比。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的組件，其特征在于，所述中心燃料噴嘴被特別設(shè)計成通過結(jié)合空氣動力學(xué)特征而降低火焰穩(wěn)定性。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的組件，其特征在于，所述空氣動力學(xué)特征包括流線型噴嘴末端、噴嘴末端空氣吹掃、流線型旋流器、雙旋流器、雙反轉(zhuǎn)旋流器、組合的旋流器和噴嘴、進(jìn)口流量調(diào)節(jié)器、燃燒器管出口喇叭口和/或發(fā)散的燃燒器管壁中的至少一個。
7.一種燃?xì)鉁u輪機(jī)，包括多個燃燒器，各燃燒器均具有圍繞所述燃燒器的縱向軸線布置的多個外燃料噴嘴、大致沿著所述縱向軸線設(shè)置的中心噴嘴和單個燃燒區(qū)，其中，所述中心噴嘴具有物理構(gòu)造使得所述中心噴嘴無法穩(wěn)定火焰直到約0. 65的當(dāng)量比。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)，其特征在于，所述中心燃料噴嘴被特別設(shè)計成通過結(jié)合空氣動力學(xué)特征而降低火焰穩(wěn)定性。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)，其特征在于，所述空氣動力學(xué)特征包括流線型噴嘴末端、噴嘴末端空氣吹掃、流線型旋流器、雙旋流器、雙反轉(zhuǎn)旋流器、組合的旋流器和噴嘴、進(jìn)口流量調(diào)節(jié)器、燃燒器管出口喇叭口和/或發(fā)散的燃燒器管壁中的至少一個。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃料噴嘴及包括該燃料噴嘴的組件和燃?xì)鉁u輪機(jī)，具體而言，提供了一種用于組件和燃?xì)鉁u輪機(jī)的噴嘴。噴嘴呈現(xiàn)去穩(wěn)的駐焰特性，即，噴嘴無法穩(wěn)定火焰直到約0.65的當(dāng)量比。因此，火焰熱量釋放被延遲，引起更低的峰值火焰溫度和對應(yīng)地更低的NOx水平。對于較高的當(dāng)量比保持火焰穩(wěn)定能力，以支持燃燒器在負(fù)載范圍的其它區(qū)域中操作。
文檔編號F23R3/28GK102345879SQ20111022437
公開日2012年2月8日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者C·L·范德沃爾特, J·M·海恩斯 申請人:通用電氣公司