專利名稱：用于冷卻噴嘴的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及用于冷卻噴嘴的系統(tǒng)和方法。特別地，本發(fā)明的實施例可通過閉環(huán)冷卻回路(closed loop cooling circuit)提供冷卻介質(zhì)來冷卻噴嘴的表面。
背景技術(shù)：
燃氣渦輪(gas turbines)廣泛地用于工業(yè)和發(fā)電操作中。典型燃氣渦輪包括在前部的軸向壓縮機，在中部周圍的一個或多個燃燒器以及在后部的渦輪。周圍空氣進入壓縮機，且壓縮機中的旋轉(zhuǎn)葉片和靜止葉片漸進地賦予能量給空氣以產(chǎn)生在高能狀態(tài)的壓縮工作流體。壓縮工作流體離開壓縮機且通過噴嘴流到燃燒器中，在燃燒器中其與燃料混合并點燃以生成具有高溫和高壓的燃燒氣體。燃燒氣體在渦輪中膨脹以做功。舉例而言，燃燒氣體在渦輪中膨脹可使得連接到發(fā)電機的軸桿旋轉(zhuǎn)以發(fā)電。眾所周知，燃氣渦輪的熱力學效率隨著操作溫度(即，燃燒氣體溫度)升高而增力口。但是，如果燃料與空氣在燃燒之前并未均勻混合，那么在燃燒器中可形成局部熱點。局部熱點增加燃燒器中火焰反燃到噴嘴內(nèi)的機會和/或變得附著于噴嘴內(nèi)側(cè)，這可能會損壞噴嘴。盡管對于任何燃料都可能會出現(xiàn)火焰反燃(flame flash back)和火焰保持(flame holding)，但對于諸如氫氣的高反應(yīng)性燃料更易于出現(xiàn)這種情況，高反應(yīng)性燃料具有更高的焚燒速率和更寬的可燃性范圍。存在多種技術(shù)來允許更高的操作溫度同時最小化反燃和火焰保持。這些技術(shù)中的許多技術(shù)設(shè)法減少局部熱點和/或減小低流量區(qū)來防止或減少反燃或火焰保持的發(fā)生。舉例而言，噴嘴設(shè)計中的不斷改進導致燃料與空氣在燃燒之前更均勻混合，以減少或防止局部熱點形成于燃燒器中。作為替代或作為補充，噴嘴被設(shè)計成確保燃料和/或空氣通過噴嘴的最小流率，以冷卻噴嘴的表面和/或防止燃燒器火焰反燃到噴嘴內(nèi)。但是，在噴嘴設(shè)計中減少和/或防止火焰保持或反燃發(fā)生的不斷改進將是有用的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面和優(yōu)點在下文的描述中部分地陳述，或者可從該描述顯而易見，或者可通過實踐本發(fā)明而學習。本發(fā)明的一實施例是一種包括中央主體(center body)的噴嘴。護罩(shroud) 在周向包圍中央主體的至少一部分，以限定在中央主體與護罩之間的環(huán)形通路。閉環(huán)冷卻 [Η χ^ Φ^ ' Φ Μ' Φ (extending inside the center body)。本發(fā)明的另一實施例是一種包括中央主體的噴嘴。護罩在周向包圍中央主體的至少一部分，以限定在中央主體與護罩之間的環(huán)形通路。閉環(huán)冷卻回路沿著護罩在噴嘴外側(cè)延伸。本發(fā)明還包括一種用于冷卻噴嘴的方法。該方法包括使冷卻介質(zhì)通過噴嘴內(nèi)的閉環(huán)冷卻回路流動。通過閱讀本說明書，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將更佳地了解這些實施例和其它實施例的特征和方面。


在說明書的其余部分中并參考附圖向本領(lǐng)域技術(shù)人員更具體描述了全面并可實施的公開內(nèi)容(包括其最佳實施方式)，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一實施例的燃燒器的簡化側(cè)視截面圖；圖2是圖1所示的燃燒器的軸向截面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一實施例的噴嘴的簡化側(cè)視截面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一實施例的葉片的透視圖；以及圖5是根據(jù)本發(fā)明的替代實施例的葉片的透視圖。部件列表附圖標記部件10 燃燒器12 噴嘴14 頂帽16 殼體18 端帽20 襯里22 燃燒室24 流動襯套26 流動孔28 環(huán)形通路30 歧管32 冷卻介質(zhì)的供應(yīng)34 中央主體36 護罩38 軸向中心線40 環(huán)形通路42 葉片44 閉環(huán)冷卻回路46 供應(yīng)(supply)48 返回(return)50 葉片入口52 葉片出口
具體實施例方式現(xiàn)詳細地參考本發(fā)明的本實施例，其一個或多個實例在附圖中示出。詳細描述使用數(shù)字和字母標記來指代附圖中的特征。在附圖和描述中相似或類似的標記用于指代本發(fā)明相似或類似的部件。
以解釋本發(fā)明的方式提供每個實例，并不限制本發(fā)明。實際上，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然的是，在不偏離本發(fā)明的范圍或精神的情況下可對本發(fā)明做出各種修改和變型。舉例而言，作為一個實施例的部分示出或描述的特征可用于另一實施例以得到又一實施例。 因此，預期本發(fā)明涵蓋屬于所附權(quán)利要求和其等效物的范圍內(nèi)的這些修改和變型。本發(fā)明的各種實施例對噴嘴的表面提供冷卻以減少火焰保持的發(fā)生，且如果發(fā)生火焰保持，那么減少和/或防止對噴嘴的表面造成任何損壞。特定實施例可包括閉環(huán)冷卻回路，其使冷卻介質(zhì)循環(huán)穿過和/或鄰近噴嘴構(gòu)件以冷卻該噴嘴。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一實施例的燃燒器10的簡化截面圖。如圖所示，燃燒器10 通常包括在徑向布置于頂帽14中的一個或多個噴嘴12。殼體16可包圍燃燒器10以包含從壓縮機(未圖示)離開的空氣或壓縮工作流體。端帽18和襯里20可限定在噴嘴12下游的燃燒室22。帶流動孔沈的流動襯套M可包圍襯里20以限定在流動襯套M與襯里 20之間的環(huán)形通路觀。圖2提供圖1所示燃燒器10的頂視平面圖。燃燒器10的各種實施例可包括噴嘴的不同數(shù)量和布置。舉例而言，在圖2所示的實施例中，燃燒器10包括沿徑向布置的五個噴嘴12。工作流體通過在流動襯套M與襯里20之間的環(huán)形通路28流動直到其到達端帽 18，在端帽18處，其反向以通過噴嘴12流動且流到燃燒室22內(nèi)。如圖1和圖2所示，歧管30可連接到噴嘴12以供應(yīng)冷卻介質(zhì)32給和/或穿過噴嘴12。歧管30可包括本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的任何管道和閥布置，以提供流體連通。冷卻介質(zhì)32可包括適合于移除熱的任何流體。舉例而言，冷卻介質(zhì)32可包括蒸汽，制冷劑， 惰性氣體、稀釋劑或本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的另外的合適流體。冷卻介質(zhì)32可持續(xù)地或僅在需要時供應(yīng)給噴嘴12，以向噴嘴12提供額外冷卻。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一實施例的噴嘴12的簡化側(cè)視截面圖。如圖3所示，噴嘴 12通常包括中央主體34和護罩36。中央主體34通常沿著噴嘴12的軸向中心線38延伸。 護罩36在周向包圍中央主體34的至少一部分以限定在中央主體34與護罩36之間的環(huán)形通路40。噴嘴12還可包括在中央主體34與護罩36之間的環(huán)形通路40中的一個或多個葉片42，其向在葉片42上流動的燃料和/或工作流體賦予切向速度。以此方式，工作流體可通過環(huán)形通路40流動且與從中央主體34和/或葉片42噴射到環(huán)形通路40內(nèi)的燃料混
口 O如圖3所示，噴嘴12還可包括閉環(huán)冷卻回路44，閉環(huán)冷卻回路44提供穿過和/或環(huán)繞噴嘴12的冷卻介質(zhì)32的流體連通。如本文所用的那樣，“閉環(huán)”表示冷卻介質(zhì)32并不從冷卻回路44故意釋放以穿過噴嘴12流動和/或到燃燒室22內(nèi)。如圖3所示，閉環(huán)冷卻回路44可延伸到中央主體34、葉片42和/或護罩36中的一個或多個內(nèi)，圍繞中央主體 34、葉片42和/或護罩36中的一個或多個，和/或穿過中央主體34、葉片42和/或護罩 36中的一個或多個。舉例而言，閉環(huán)冷卻回路44可在中央主體34內(nèi)延伸以從中央主體34 移除熱且因此冷卻中央主體34的外表面。同樣，閉環(huán)冷卻回路44可沿著護罩36在噴嘴12 外側(cè)延伸以冷卻護罩36的內(nèi)表面。如在圖4和圖5中更詳細地示出的那樣，閉環(huán)冷卻回路 44還進一步在葉片42內(nèi)延伸以提供冷卻介質(zhì)32穿過葉片42的流體連通。舉例而言，如圖4所示，閉環(huán)冷卻回路44可包括穿過葉片42的彎曲流動路徑以冷卻葉片42的外表面。 作為替代，如圖5所示，閉環(huán)冷卻回路44可包括葉片42的入口 50和出口 52以提供冷卻介質(zhì)32穿過葉片42的流體連通。以此方式，冷卻介質(zhì)32通過閉環(huán)冷卻回路44流動以從中央主體34、葉片42和/或護罩36移除熱來冷卻噴嘴12的相應(yīng)表面。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)了解，閉環(huán)冷卻回路44可在各個位置包括多個供應(yīng)連接 46和返回連接48以提供冷卻介質(zhì)32從歧管32通過閉環(huán)冷卻回路44流動且回到歧管30 的流體連通。舉例而言，閉環(huán)冷卻回路44可包括穿過護罩36的供應(yīng)連接46和返回連接 48。以此方式，冷卻介質(zhì)32可從歧管30流動，穿過護罩36且穿過葉片42和/或中央主體 34，之后穿過護罩36返回到歧管30。作為替代或作為補充，閉環(huán)冷卻回路44可包括穿過護罩36的供應(yīng)連接46和穿過中央主體34的返回連接48。以此方式，冷卻介質(zhì)32可從歧管 30流動，穿過護罩36且穿過葉片42和/或中央主體34，之后穿過中央主體34返回到歧管 30。閉環(huán)冷卻回路44的這些和其它流動路徑在本發(fā)明的各個實施例的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將易于了解，在先前關(guān)于圖3、圖4和圖5所述和所圖示的實施例提供用于冷卻噴嘴的方法。舉例而言，該方法可包括使冷卻介質(zhì)32通過在述噴嘴12 內(nèi)的閉環(huán)冷卻回路44流動。在特定實施例中，該方法還可包括使冷卻介質(zhì)32通過在中央主體34內(nèi)、葉片42內(nèi)和/或護罩36外的閉環(huán)冷卻回路44流動以從噴嘴12移除熱。本書面描述使用實例來公開本發(fā)明(包括最佳實施方式)，且也能使本領(lǐng)域技術(shù)人員實踐本發(fā)明(包括做出和使用任何裝置或系統(tǒng)和執(zhí)行任何合并的方法)。本發(fā)明的專利保護范圍由權(quán)利要求限定，且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實例。如果其它實例包括與權(quán)利要求的字面語言并無不同的結(jié)構(gòu)元件或者如果其它實例包括與權(quán)利要求的字面語言并無實質(zhì)不同的等效結(jié)構(gòu)元件，那么其它實例預期在權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種噴嘴(12)，包括a.中央主體(34)；b.護罩(36)，其在周向包圍所述中央主體(34)的至少一部分，以限定在所述中央主體 (34)與所述護罩(36)之間的環(huán)形通路^))；以及c.閉環(huán)冷卻回路(44)，其在所述中央主體(34)內(nèi)延伸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴嘴(12)，其特征在于還包括通過所述閉環(huán)冷卻回路04) 流動的冷卻介質(zhì)(32)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的噴嘴(12)，其特征在于，所述冷卻介質(zhì)(32)包括蒸汽、惰性氣體、制冷劑或稀釋劑中的至少一種。
4.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的噴嘴(12)，其特征在于還包括在所述中央主體 (34)與所述護罩(36)之間的至少一個葉片02)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的噴嘴(12)，其特征在于，所述閉環(huán)冷卻回路04)在所述至少一個葉片(42)內(nèi)延伸。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的噴嘴(12)，其特征在于，所述閉環(huán)冷卻回路04)提供冷卻介質(zhì)(32)穿過所述至少一個葉片G2)的流體連通。
7.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的噴嘴(12)，其特征在于，所述閉環(huán)冷卻回路04)沿著所述護罩(36)在所述噴嘴(12)外側(cè)延伸。
8.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的噴嘴(12)，其特征在于，所述閉環(huán)冷卻回路04)包括供應(yīng)(46)和返回(48)。
9.一種用于冷卻噴嘴(12)的方法，包括a.使冷卻介質(zhì)(32)通過所述噴嘴(12)內(nèi)的閉環(huán)冷卻回路G4)流動。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于還包括使所述冷卻介質(zhì)(3 通過所述噴嘴(12)內(nèi)的中央主體(34)內(nèi)的閉環(huán)冷卻回路G4)流動。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其特征在于還包括使所述冷卻介質(zhì)(3 通過在所述噴嘴(12)周圍的護罩(36)外側(cè)的閉環(huán)冷卻回路G4)流動。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于還包括使所述冷卻介質(zhì)(32)通過在護罩 (36)與中央主體(34)之間延伸的葉片(42)內(nèi)的閉環(huán)冷卻回路(44)流動。
全文摘要
本申請涉及用于冷卻噴嘴的系統(tǒng)和方法。其中，噴嘴(12)包括中央主體(34)。護罩(36)在周向包圍中央主體(34)的至少一部分，以限定在中央主體(34)與護罩(36)之間的環(huán)形通路(40)。閉環(huán)冷卻回路(44)在中央主體(34)內(nèi)延伸。用于冷卻噴嘴(12)的方法包括使冷卻介質(zhì)(32)通過在噴嘴(12)內(nèi)的閉環(huán)冷卻回路(44)流動。
文檔編號F23D14/78GK102454995SQ20111035458
公開日2012年5月16日 申請日期2011年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月25日
發(fā)明者M·巴蒂納 申請人:通用電氣公司