專利名稱：用于副燃料噴嘴的管狀燃料噴射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒器，并且更具體地涉及用于減少空氣污染物如氮氧化 物(N0X)的燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒器的改進(jìn)方案。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)通常包括壓縮機(jī)段、燃燒器段，以及至少一個渦輪段。壓縮機(jī)壓縮 與燃料相混合且引入到燃燒器中的空氣。然后，點(diǎn)燃該混合物，產(chǎn)生熱的燃燒氣體。將燃燒 氣體引入到渦輪中，該渦輪從燃燒氣體中獲取能量向壓縮機(jī)供以動力，以及用于產(chǎn)生有用 功向負(fù)載如發(fā)電機(jī)供以動力。 現(xiàn)有的干式低N0X(DLN)燃燒系統(tǒng)具有副燃料噴嘴，其提供支持主火焰的火焰。離 開副燃料噴嘴的燃料/空氣混合物沒有完全地預(yù)混合并且有助于從燃?xì)鉁u輪機(jī)中生成N(^。
希望的是，增大副燃料噴嘴中的空氣/燃料的混合度，以實現(xiàn)減少來自于燃?xì)鉁u 輪機(jī)的N0X。
發(fā)明內(nèi)容
在示例性實施例中，用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的副燃料噴嘴包括與多個環(huán)形燃料通路相聯(lián) 接的燃料歧管，以及與燃料歧管成流體連通且設(shè)置成包繞該多個環(huán)形燃料通路的管狀燃料 噴射器。管狀燃料噴射器包括多個軸向定向的空氣槽口，以及設(shè)置在該多個空氣槽口之間 的多個燃料噴嘴孔。多個燃料噴射孔定向成使得來自于燃料歧管的燃料至少沿周向噴射， 以便與流過該多個空氣槽口的空氣相混合。 在另一個示例性實施例中，用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的副燃料噴嘴包括與多個環(huán)形燃料通 路相聯(lián)接的燃料歧管，以及與燃料歧管成流體連通且設(shè)置成包繞該多個環(huán)形燃料通路的管 狀燃料噴射器。管狀燃料噴射器包括設(shè)置成圍繞管狀燃料噴射器的圓周的多個軸向定向的 空氣槽口，以及設(shè)置在該多個空氣槽口之間的多個燃料噴射孔。該多個燃料噴射孔包括軸 向定向的噴射孔以及周向定向的噴射孔，使得來自于燃料歧管的燃料沿周向和軸向噴射， 以便與流過該多個空氣槽口的空氣相混合。 在又一個示例性實施例中，燃料噴射器設(shè)置成用于燃?xì)鉁u輪機(jī)中的副燃料噴嘴。 燃料噴射器包括軸向定向的空氣槽口，以及設(shè)置在空氣槽口之間的多個燃料噴嘴孔。該多 個燃料噴射孔包括軸向定向的噴射孔以及周向定向的噴射孔，使得經(jīng)由該多個燃料噴射孔 輸入的燃料沿周向和軸向二者進(jìn)行噴射，以便與流過空氣槽口的空氣相混合。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)公知的干式低N0X燃燒器的局部截面圖；
圖2為現(xiàn)有技術(shù)的副預(yù)混合/擴(kuò)散燃料噴嘴的局部截面圖；
圖3示出了用于現(xiàn)有技術(shù)的副燃料噴嘴的插塞(peg)布置；
圖4示出了現(xiàn)有技術(shù)的副噴嘴的插塞中的燃料排放孔的布置；
圖5示出了用于燃料預(yù)混合的現(xiàn)有技術(shù)的歧管； 圖6為示出燃料噴嘴的管狀燃料噴射器的透視圖；以及 圖7為管狀燃料噴射器的局部放大圖。 零件清單 12燃?xì)鉁u輪機(jī) 14壓縮機(jī) 16燃燒器 18葉片 20過渡管路 24上游燃燒室 26下游燃燒室 28文丘里喉管區(qū)域 30燃燒器流動套筒 32渦輪機(jī)外殼 36主噴嘴 38副噴嘴 40后壁 42空氣旋流器 44圓柱形壁 46槽口或散熱孔(louver) 48槽口或散熱孔 50中心本體 52襯套 54旋流器 56副燃料噴嘴組件 P工擴(kuò)散管 P2管 58氣體本體 60外套筒部分 62內(nèi)部中空心子部分 64預(yù)混合燃料通路 68軸向空氣通路 70開孔 75副噴嘴本體 77安裝法蘭 78徑向孔80徑向氣體噴射器管道(插塞) 82孑L 口 85中心腔
4
90預(yù)混合區(qū)域
96旋流器槽口
98弓I導(dǎo)孑L (pilot bore)100引導(dǎo)孔口108直徑減小的前端116火焰穩(wěn)定旋流器150燃料分配裝置155環(huán)形燃料歧管160支承套筒165支承圓筒170孔175空氣流180下游面185開孔186第一徑向距離187第二徑向距離200管狀燃料噴射器202空氣槽口204燃料噴射孔206端面
具體實施例方式
圖1示出了用于燃?xì)鉁u輪機(jī)12的現(xiàn)有技術(shù)的燃燒器，其包括壓縮機(jī)14(部分地示 出)、多個燃燒器16 (為了方便和清楚起見示出了一個)，以及由單個葉片表示的渦輪18。 渦輪18沿共同的軸線傳動地連接到壓縮機(jī)14上，但并未明確示出。壓縮機(jī)14壓縮進(jìn)入空 氣，進(jìn)入空氣然后反向流動至燃燒器16，在該處，進(jìn)入空氣用于冷卻燃燒器16，且為燃燒過 程提供空氣。盡管僅示出了一個燃燒器16，但燃?xì)鉁u輪機(jī)12包括定位成圍繞其周邊的多個 燃燒器16。過渡管路20將各燃燒器16的出口端與渦輪18的入口端相連，以向渦輪18輸 送熱的燃燒產(chǎn)物。 各燃燒器16均包括由文丘里喉管區(qū)域28分開的主燃燒室或上游燃燒室24和副 燃燒室或下游燃燒室26。燃燒器16由燃燒器流動套筒30包繞，燃燒器流動套筒30將壓縮 機(jī)排放空氣流引導(dǎo)到燃燒器中。燃燒器還由外部殼體31包繞，外部殼體31用螺栓連接到 渦輪機(jī)殼體32上。 主噴嘴36提高通向上游燃燒室24的燃料輸送，并且布置成圍繞中心副噴嘴38的 環(huán)形陣列。各主噴嘴36均穿過后壁40伸入主燃燒室24中。副噴嘴38從后壁40延伸至 喉管區(qū)域28，以便將燃料引入副燃燒室26中。燃料以本領(lǐng)域中所公知的方式經(jīng)由燃料管線 (未示出)輸送給主噴嘴36。 燃燒空氣通過定位成鄰近噴嘴36出口端的空氣旋流器42引入到燃料級中。旋流 器42引入旋流的燃燒空氣到室24中，該旋流的燃燒空氣與來自于噴嘴36的燃料相混合并且提供用于在啟動時燃燒的可燃混合物。用于旋流器42的燃燒空氣來自于壓縮機(jī)14，以 及燃燒流動套筒30與燃燒室壁44之間的空氣路徑。燃燒器的圓柱形壁44在主燃燒室24 中設(shè)有槽口或散熱孔46，在副燃燒室26下游設(shè)有類似的槽口或散熱孔48來用于冷卻目的， 以及用于將稀釋空氣引入燃燒區(qū)來防止火焰溫度顯著上升。副噴嘴38定位在中心本體50 內(nèi)，且延伸穿過設(shè)有旋流器54的襯套52，燃燒空氣經(jīng)由該旋流器54引入以便與來自于副噴 嘴的燃料相混合。 現(xiàn)參看圖2，示出了僅氣體(gas-only)的副燃料噴嘴組件56。燃料通過擴(kuò)散管P工 供送以維持火焰，以及通過管P2供送以維持預(yù)混合火焰，在通向副燃料噴嘴組件56的入口 處，擴(kuò)散管Pi和管P2設(shè)置成相對于彼此同心。 下面將主要描述預(yù)混合燃料的副噴嘴組件56。后部構(gòu)件或氣體本體58包括外套 筒部分60和內(nèi)部中空心子部分62，其中，內(nèi)部中空心子部分62設(shè)有形成預(yù)混合燃料通路 64的中心孔。多個軸向空氣通路68形成在與預(yù)混合燃料通路64成包繞關(guān)系的后部構(gòu)件 58的前半部分中。相同數(shù)目(例如，四個)的徑向壁部設(shè)置成圍繞套筒部分60的端部，且 均包括傾斜的徑向開孔70，以便容許襯套52內(nèi)的空氣進(jìn)入對應(yīng)的空氣通路68。如圖2中 所示，構(gòu)件58的后端適于在安裝法蘭77內(nèi)分別收容燃料管&， P2。 多個徑向孔78提供成圍繞構(gòu)件58前部的圓周，容許相同數(shù)目的徑向氣體噴嘴器 管道(插塞)80收容于其中，從而建立與預(yù)混合燃料通路64的連通。各插塞80設(shè)有多個 開孔或孔口 82，使得來自于預(yù)混合通路64的燃料可排放到副噴嘴組件56與襯套52之間 的預(yù)混合區(qū)域90中以便與襯套內(nèi)的燃燒空氣相混合。插塞80設(shè)計成用以將燃料分配到空 氣流中。燃料和空氣在預(yù)混合區(qū)域90中的良好混合是減少氮氧化物(N0X)排放所必需的。 可以或不與噴嘴形成一體的火焰穩(wěn)定旋流器116定位在副噴嘴的前端，在直徑減小的前端 108與襯套52之間沿徑向延伸，以便使在襯套內(nèi)流動的預(yù)混合的燃料/空氣渦旋。燃燒空 氣將進(jìn)入如由圖2中的箭頭所示的副噴嘴組件56(上文是38)和通孔70，而燃料將流過預(yù) 混合通路64、引導(dǎo)孔98和引導(dǎo)孔口 100。該燃料連同來自于旋流器槽口96的空氣一起提 供了擴(kuò)散火焰的分引導(dǎo)(sub-pilot)。同時，供送給預(yù)混合通路的大多數(shù)燃料將流入氣體噴 射器80中，以便從孔口 82中朝向襯套52排放，在襯套52處，該燃料與空氣相混合。
如圖3至圖4中所示，如在現(xiàn)有技術(shù)的副燃料噴嘴中所進(jìn)行的那樣，燃料與空氣的 預(yù)混合可包括圍繞預(yù)混合容積90中的副噴嘴本體75的周邊等距間隔開的多個插塞80。各 插塞80均可包括在插塞長度上延伸的中心腔85 。如上文關(guān)于圖2進(jìn)行描述的那樣，各插塞 的內(nèi)端部可在徑向燃料孔的位置處附接到噴嘴本體上，從而建立在噴嘴本體中的燃料腔與 插塞的中心腔之間的連通。沿插塞80的下游表面，提供了始自中心內(nèi)腔85的多個燃料排 放孔82，從而提供了將預(yù)混合燃料排放到副噴嘴本體75與襯套52之間的空氣流中。三個 徑向定位的燃料排放孔82沿插塞80的下游側(cè)提供?？孜恢醚卦撆趴椎亩ㄎ皇亲兓?。在 該現(xiàn)有技術(shù)的副噴嘴中，六個插塞圍繞副噴嘴本體75的圓周均勻地分布，其中，沿插塞的 下游側(cè)具有三個孔口用于分散燃料。然而，燃料和空氣的有效混合并不完全。燃料和空氣 的更為完全的混合可產(chǎn)生較低的N0X排放和更為穩(wěn)定的燃燒。 上述噴嘴構(gòu)造提供了通過擴(kuò)散火焰引導(dǎo)來維持預(yù)混合工作模式。然而，燃?xì)鉁u輪 機(jī)的增多的排放是空氣和燃料在燃燒室中燃燒之前未充分混合的結(jié)果。上述的現(xiàn)有插塞設(shè) 計不能將燃料和空氣適當(dāng)?shù)鼗旌蟻慝@得低排放所需的混合程度。改變插塞中的孔位置的嘗試已不能實現(xiàn)燃料和空氣令人滿意的混合。 圖5示出了如由Kraft等人在美國專利No. 6， 446， 439和美國專利No. 6， 282， 904 中所述的用于副燃料噴嘴的燃料分配裝置150。環(huán)形燃料歧管155通過支承圓筒165安裝 到支承套筒160上。歧管155呈矩形截面。支承套筒160通過焊接固定到副燃料噴嘴(未 示出)的本體上。副噴嘴本體中的燃料穿過支承套筒中的孔170，且穿過支承圓筒165而進(jìn) 入中空環(huán)形燃料歧管155中。環(huán)形燃料歧管155定位在圍繞副噴嘴本體(未示出)的空氣 流175中。燃料通過開孔185陣列從環(huán)形燃料歧管的下游面180進(jìn)行分配。開孔185可在 空氣流內(nèi)距中心軸線為第一徑向距離186或第二徑向距離187。開孔185相對于空氣流的 方向可以共線或成一定角度。然而，矩形環(huán)面限制了相對于空氣流方向的開孔角度。
用于燃料預(yù)混合分配的圓柱形環(huán)形燃料歧管155可提供在插塞布置上的徑向和 周向的燃料分配。然而，環(huán)形歧管對于混合具有源自受限的流動角度的限制，該受限的流動 角度可相對于空氣流產(chǎn)生，且尤其是相對于進(jìn)入空氣流中的徑向和軸向燃料分配。
因此，需要提供一種備選結(jié)構(gòu)來改進(jìn)在副噴嘴中的燃料-空氣預(yù)混合，以促進(jìn)更 低的排放和提高燃燒動力。 對于用來將燃料噴射到主流空氣中的現(xiàn)有燃料插塞而言，提供來用以混合燃料和 空氣的軸向長度不夠充分，且在該燃料/空氣混合物進(jìn)入燃燒區(qū)之前仍存在未混合的。參 看圖6和圖7 ，管狀燃料噴射器200增加了軸向長度，以更好地混合燃料和空氣，并且還增加 了燃料的橫向流(cross-flow)噴射，以促進(jìn)更好地混合燃料和空氣。 管狀燃料噴射器200從端蓋組件30中伸出，并且與形成端蓋組件30的一部分的 燃料歧管成流體連通。管狀燃料噴射器200設(shè)置成包繞燃料噴嘴32的環(huán)形燃料通路。管 狀燃料噴射器200包括多個軸向定向的空氣槽口 202，以及設(shè)置在空氣槽口 202之間的多個 燃料噴嘴孔204。繼續(xù)參看圖6和圖7，軸向定向的空氣槽口 202優(yōu)選形成為如圖所示的橢 圓形，其中，長軸沿軸向定向?？諝獠劭?202優(yōu)選為圍繞管狀燃料噴射器200的圓周均勻地 設(shè)置。 燃料噴射孔204定向成使得來自于燃料歧管的燃料至少沿周向噴射，以便與流過 空氣槽口 202的空氣相混合。至少一個燃料噴射孔204優(yōu)選為沿軸向定向，使得來自于燃 料歧管的燃料沿軸向噴射，以便與流過空氣槽口 202的空氣相混合。在此情形中，管狀燃料 噴射器200包括位于軸向遠(yuǎn)端(即，距端蓋組件30的最遠(yuǎn)端)上的端面206。軸向定向的 燃料噴射孔204示為設(shè)置在端面206中。 因此，燃料噴射孔的定向提供了燃料的橫向流動和軸向流動的結(jié)合，這有助于改 善燃料和空氣在副燃料噴嘴出口處的預(yù)混合。此外，減小了系統(tǒng)中的壓降，這有助于改善燃 氣渦輪機(jī)的效率，導(dǎo)致燃燒相同數(shù)量的燃料可產(chǎn)生更多能量。 優(yōu)選實施例的管狀燃料噴射器提供了增加的軸向長度來用于燃料與空氣相混合， 以提供更好的混合度。此外，燃料噴射孔的定向提供了將燃料橫向流動地噴射到空氣中，以 提供更好的燃料和空氣的混合物。 盡管已結(jié)合當(dāng)前認(rèn)作是最為實用和優(yōu)選的實施例來描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解， 本發(fā)明不限于所公開的實施例，而相反是旨在涵蓋包括在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的 多種修改和等同布置。
權(quán)利要求
一種用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的副燃料噴嘴，包括與多個環(huán)形燃料通路相聯(lián)接的燃料歧管(155)；以及管狀燃料噴射器(200)，其與所述燃料歧管成流體連通且設(shè)置成包繞所述多個環(huán)形燃料通路，所述管狀燃料噴射器包括多個軸向定向的空氣槽口(202)以及設(shè)置在所述多個空氣槽口之間的多個燃料噴射孔(204)，其中，所述多個燃料噴射孔定向成使得來自于所述燃料歧管的燃料至少沿周向噴射，以便與流過所述多個空氣槽口的空氣相混合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的副燃料噴嘴，其特征在于，所述多個燃料噴射孔(204)中的至少一個燃料噴射孔為軸向地定向，使得來自于所述燃料歧管(155)的燃料沿軸向噴射，以便與流過所述多個空氣槽口 (202)的空氣相混合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的副燃料噴嘴，其特征在于，所述管狀燃料噴射器(200)包括位于軸向遠(yuǎn)端的端面(206)，以及其中，所述至少一個軸向定向的燃料噴射孔(204)設(shè)置在所述端面中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的副燃料噴嘴，其特征在于，所述多個軸向定向的空氣槽口(202)形成為長軸沿所述軸向定向的橢圓形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的副燃料噴嘴，其特征在于，所述多個空氣槽口 (202)均勻地設(shè)置成圍繞所述管狀燃料噴射器(200)的圓周。
6. —種用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的副燃料噴嘴，包括與多個環(huán)形燃料通路相聯(lián)接的燃料歧管(155);以及管狀燃料噴射器(200)，其與所述燃料歧管成流體連通且設(shè)置成包繞所述多個環(huán)形燃料通路，所述管狀燃料噴射器包括設(shè)置成圍繞所述管狀燃料噴射器的圓周的多個軸向定向的空氣槽口 (202)，以及設(shè)置在所述空氣槽口之間的多個燃料噴射孔(204)，其中，所述多個燃料噴射孔包括軸向定向的噴射孔以及周向定向的噴射孔，使得來自于所述燃料歧管的燃料沿周向和軸向二者進(jìn)行噴射，以便與流過所述多個空氣槽口的空氣相混合。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的副燃料噴嘴，其特征在于，所述管狀燃料噴射器(200)包括位于軸向遠(yuǎn)端的端面(206)，以及其中，所述軸向定向的燃料噴射孔(204)設(shè)置在所述端面中。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的副燃料噴嘴，其特征在于，所述多個軸向定向的空氣槽口(202)形成為長軸沿所述軸向定向的橢圓形。
9. 一種用于燃?xì)鉁u輪機(jī)中的副燃料噴嘴的燃料噴射器，所述燃料噴射器包括軸向定向的空氣槽口 (202)以及設(shè)置在所述空氣槽口之間的多個燃料噴射孔(204)，其中，所述多個燃料噴射孔包括軸向定向的噴射孔以及周向定向的噴射孔，使得經(jīng)由所述多個燃料噴射孔輸入的燃料沿周向和軸向二者進(jìn)行噴射，以便與流過所述空氣槽口的空氣相混合。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于副燃料噴嘴的管狀燃料噴射器。具體而言，一種用于燃?xì)鉁u輪機(jī)中的副燃料噴嘴的燃料噴射器包括軸向定向的空氣槽口(202)，以及設(shè)置在空氣槽口之間的多個燃料噴射孔(204)。該多個燃料噴射孔包括軸向定向的噴射孔以及周向定向的噴射孔，使得經(jīng)由多個燃料噴射孔輸入的燃料沿周向和軸向二者進(jìn)行噴射，以便與流過空氣槽口的空氣相混合。
文檔編號F23R3/28GK101713548SQ20091020471
公開日2010年5月26日 申請日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月30日
發(fā)明者A·辛赫, S·V·薩德什穆克 申請人:通用電氣公司