專利名稱：兩股流體流動的火焰切向進口噴嘴的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是低NOx預混燃料噴嘴，具體地說涉及的是用在氣體透平機的噴嘴。
高溫燃燒會生成氮氧化物(后面稱作NOx)，NOx是眾所周知的污染物，因此，對生成NOx的燃燒裝置的標準日益嚴格，以防止這些污染擴散。所以，目前正致力于減少燃燒裝置中的NOx的生成。
一個解決方案在于使燃料與過量的空氣預混，這樣通過在局部用超量空氣進行燃燒，產生較低的燃燒溫度，由此形成最少的NOx。這樣運行的燃料噴嘴在美國專利No.5307634中作了描述，該專利所介紹的渦形旋流器具有一個錐形中心本體。這種渦形旋流器包括兩個與兩塊端板相連的偏心圓柱式弧狀渦殼。燃燒空氣通過兩個由偏心渦殼構成的矩形槽口進入旋流器，然后經一塊端板上的燃燒器入口排出，流入燃燒器中。外部渦殼上的與內部后緣相對的一排孔將燃料從總管噴入到各入口槽處的氣流中，以便在排入燃燒器之前形成均勻的燃料空氣混合物。
已經證明這種預混燃料噴嘴的NOx的擴散量要比現有燃料的噴嘴少。但遺憾的是，由于噴嘴預混范圍內的火焰穩定性問題，噴嘴耐力實驗出現的問題在于嚴重損害了中心本體。因此，當將這種噴嘴用于氣體透平機中時，噴嘴的運行壽命受到了限制。
人更們需要一種能大幅度減少燃燒火焰、穩定燃料噴嘴內部、排出所有確實進入燃料噴嘴混合區中的火焰的切向進氣噴嘴。
所以本發明的一個目的在于提供一種切向進氣燃料噴嘴，這種噴嘴可以大幅度減少燃燒火焰、穩定燃料噴嘴內部。
本發明的另一個目的在于提供一種比現有的切向進氣噴嘴運行壽命長得多的切向進氣燃料噴嘴。
本發明的切向進氣燃料噴嘴包括一個縱向軸和兩個中心線彼此偏離的圓柱式弧狀渦殼。這些圓柱式弧狀渦殼的搭接端之間形成一個用于把預混的燃料和空氣排入到燃料噴嘴中的進口槽。燃燒器一端的一塊端板有一個將一次空氣和燃料排入到燃燒器中的中心開口，而在相反端由另一塊端板堵塞噴嘴的流通面積。將渦殼固定在這兩塊端板之間。將一個中心本體設置在與該本體軸同軸的渦殼之間。中心本體包括一個截錐部分，一個基座和第一及第二圓柱件，基座上至少有一個延伸通過該基座的供氣口，上述兩圓柱件有內部通路，截錐部分朝著第一圓柱件通路的排氣口縮小，并終止于該排氣口。第二圓柱部分的通路位于截錐部分中，該通路的直徑大于上述排氣口的直徑。最好有一個與上述軸同軸的燃料噴管，該噴管延伸通過上述基座，并終止在第二通路中，該噴管向中心本體內的空氣流中提供燃料。
圖1是沿著圖2的1-1線作的本發明燃料噴嘴的橫向剖面圖；圖2是沿著圖1的2-2線作的橫向剖面圖；圖3是沿著圖2的3-3線作的本發明燃料噴嘴的橫向剖面圖。
現在參見圖1，本發明的低NOx預混燃料噴嘴10包括一個在渦形旋流器14內的中心本體12。渦形旋流器14包括第一和第二端板16，18，第一端板與中心本體12相連，并與第二端板18隔開一定的距離，第二端板上有一個延伸通過該端板的燃燒器進口20。從第一端板16向第二端板18延伸有若干個圓柱式弧狀渦殼，最好有兩個這樣的渦殼22，24。
如圖2所示，渦殼件22，24繞著噴嘴10的縱軸26均勻隔開，由此在它們之間限定出混合區28。每一個渦殼件22，24都有一個對著縱軸26的徑向內表面，并限定出繞中心線32，34旋轉的部分回轉表面。這兒所用的詞＂部分回轉表面＂指的是使一根線旋轉時產生的表面，該表面比繞任一根中心線32，34作完整轉動時形成的表面小。
如圖2所示，每一個渦殼件22與另一個渦殼件24隔開，每一個渦殼件22，24的中心線32，34都位于混合區28內。參見圖3，每根中心線32，34與縱軸26平行隔開，所有的中心線32，34都與縱軸26隔開相同的距離，這樣就在每一對相鄰的渦殼22，24之間限定出了平行于縱軸26延伸的進口槽36，38，進口槽將燃燒空氣40引入到混合區28。從壓縮機(未示出)出來的助燃空氣42流過由具有偏離中心線32，34的渦殼件22，24的搭接端44，50，48，46構成的進口槽36，38。
各個渦殼件22，24還有一個燃料管道52，54，當燃燒空氣通過某一進口槽36，38進入混合區28中時，燃料管道將燃料引入到燃燒空氣40中。燃料第一管線(未示出)可以供應液態或氣態燃料，但最好供應氣態燃料，該管線與各燃料管道52，54相連。與縱軸26同軸的燃燒器進口孔20緊靠燃燒器56，以便根據本發明將燃料和燃燒空氣排放到燃燒器56中，燃料和空氣在燃燒器中燃燒。
現在再參見圖1，中心本體12有一個基座58，基座至少有一個、最好有若干個延伸通過該基座的供氣孔60，62，基座58垂直于延伸通過該基座的縱軸26。中心本體12最好有一個與縱軸26同軸的內部通路64。在本發明的此優選實施例中，內部通路64包括一個具有第一端68和第二端70的第一圓柱形流路66以及一個直徑比第一圓柱形流路66大的第二圓柱形流路72，第二流路也有第一端74和第二端76。第二圓柱形流路72通過一個錐形流路78與第一圓柱形流路66連通，錐形流路的第一端80的直徑與第一圓柱形流路66的直徑相同，錐形流路的第二端82的直徑與第二圓柱形流路72的直徑相同。各個流路66，72，78均與縱軸26同軸，錐形流路78的第一端80與第一圓柱形流路66的第二端70成一整體，而錐形流路78的第二端82與第二圓柱形流路72的第一端74成一整體。第一圓柱形流路66包括一個與縱軸26同軸的圓形排氣口68，該排氣口位于第一圓柱形流路66的第一端68處。雖然在本發明的此優選實施例中，燃料和燃燒空氣均流過中心本體12，但本發明也可以用使燃料或燃燒空氣流過的中心本體，也可以用既不讓燃料也不讓空氣流過中心本體。
現在參見圖3，中心本體12的徑向外表面84包括一個截錐體部分86和一個弧形部分88，截錐體部分限定出一個與縱軸26同軸、并朝著基座58擴大的截錐外表面，弧形部分與截錐體部分86成一整體，□該弧形部分最好限定出一部分由圓周運動形成的表面，它與截錐體部分86相切，其中心在縱軸26周圍的徑向外側。在該優選實施例中，截錐體部分86的一端所處的平面上開有排氣口68，截錐體部分86的基座(不是中心本體的基座58)的直徑比該截錐體部分86頂端處的直徑大2.65倍。截錐體部分86的高度90(截錐體部分86的基座所處的平面和截錐體部分86的頂端所處的平面之間的距離)大約是截錐體部分86在其基座處的直徑的1.90倍。下面將進一步詳細描述，位于基座58和截錐體部分86之間的弧形部分88的平緩過渡表面在軸向上使進入切向噴嘴10中的燃燒空氣40轉向，這里的燃燒空氣是在基座58附近進入噴嘴的。如圖3所示，內部通路64沿徑向處在中心本體12的徑向外表面84之內，截錐體部分86與縱軸26同軸，中心本體12與基座58相連，這樣截錐體部分86朝著第一圓柱形流路66的排氣口68變細，并終止于該排氣口處。
如圖2所示，截錐體部分86的基座設置在內切于混合區28的圓92中，該圓的圓心94在縱軸26上。本領域的技術人員很容易明白，由于混合區28的截面不是圓的，所以弧形部分88裝入時肯定受到切割。在弧形部分88延伸到各個進口槽36，38的地方，弧形部分88上留有斜面部分96，98，將斜面部分機加工形成翼形斜面96，98，翼形斜面引導進入進口槽36，38的空氣離開基座58，到達混合區別管內的弧形部分88上。
現在參見圖1，該優選實施例包括內室100，該室位于中心本體12內的基座58和第二圓柱形流路72的第二端76之間，該圓柱形流路的第二端終止于室100。空氣102通過基座58上的供氣孔60，62供給室100，供氣孔與室100相連通，然后室100將空氣通過第二圓柱形流路72的第二端76供給內部通路64。第一端板16上開有與基座58上的供氣孔60，62對齊的孔104，106，這樣就不影響來自氣體透平壓縮機的燃燒空氣102的流動。已有技術中的最好是徑向內流式旋流器108與縱軸26同軸，并設置在室100中緊靠第二圓柱形流路72的第二端76的附近，從而使從室100進入內部通路64的所有空氣必須流過旋流器108。
該優選實施例還包括一個燃料噴管110，該噴管也與縱軸26同軸，噴管延伸通過基座58，室100以及旋流器108，然后進入內部通路64的第二圓柱形流路72中。第二圓柱形流路72的較大直徑經與燃料噴管110的橫截面相適應，使第二圓柱形流路72的流道截面基本等于第一圓柱形流路66的流道截面。可以供應液體燃料或氣體燃料的第二燃料供應管線(未示出)與燃料噴管110相連，以便將燃料供給燃料噴管110內的內部流路112中。燃料噴管110上開有燃料噴口114，燃料噴口所提供的通路使燃料從燃料噴管110進入內部通路64中。
參見圖3，燃燒器進口孔20與縱軸26同軸，該進口孔有一個會聚面116和一個延伸到燃料噴管10的出口平面124的排氣表面118，該排氣表面可以呈圓柱形，會聚狀或擴散狀。會聚面116和排氣表面118也與縱軸26同軸，會聚面116位于第一端板16和排氣表面118之間。會聚面116基本為錐形，它朝著排氣表面118變細。排氣表面118在喉部平面120和燃燒器孔的進口20的燃燒器表面122之間延伸，進口20垂直于縱軸26，并限定出本發明燃料噴嘴10的出口平面124。
會聚面116的終端在喉部平面120處，在此處的會聚面116的直徑等于排氣表面118的直徑。如圖3所示，喉部平面120在出口平面124和內部通路64的排氣孔68之間，會聚面116位于排氣表面118和第一端板16之間。
在運行中，來自氣體透平壓縮機的燃燒空氣流過孔104，106和基座58上的供氣孔60，62，進入中心本體12的室100中。燃燒空氣經徑向內流旋流器108從室100中出來后，相對于縱軸26基本以切向速度或以渦流的形式進入內部通路64。當該渦流的燃燒空氣通過燃料噴管10時，將最好是氣態的燃料從燃料噴管110中噴到內部通路64內，使其與渦流燃燒空氣進行混合。然后，燃料和燃燒空氣的混合物從第二圓柱形流路72經錐形流路78流入第一圓柱形流路66中。此后混合物沿著第一圓柱形流路66的長度下行，混合物剛好在離燃燒器進口孔20的喉部平面120不遠處或剛好在該平面處從第一圓柱形流路66中流出，這樣就提供了燃料空氣混合的中心氣流。
來自氣體透平壓縮機的助燃空氣通過各個進口槽36，38進入混合區28。進入緊靠基座58的進口槽36，38中的空氣由斜面96，98引向弧形部分88，進入渦形旋流器14的混合區28內。供給燃料管道52，54的燃料(最好是氣態燃料)噴到流過進口槽36，38的燃燒空氣中后與燃燒空氣混合。由于渦殼件22，24的形狀，該混合物在中心本體12周圍形成了環形渦流，當燃料/空氣混合物作渦流運動時繼續混合，同時沿著縱軸26流向燃燒器進口孔20。
由渦形旋流器14產生的環形渦流最好與第一圓柱形流路66中的旋流的燃料/空氣混合物一起轉動(但并不限于此)，該環形渦流最好具有角速度，該角速度至少與第一圓柱形流路66中的燃料/空氣混合物的角速度一樣大。由于中心本體12的形狀，環形氣流的軸向速度保持在可以避免燃燒器火焰進入渦形旋流器14中而穩定在混合室28中的速度上。當離開第一圓柱形流路66時，渦形旋流器14的環形氣流包圍了中心氣流的燃料/空氣旋流混合物(或未燃氣流)，這兩股氣流進入燃燒器進口孔20的喉部平面120處。
本發明通過大幅度增加中心本體12周圍作渦流運動的燃料/空氣混合物的軸向速度即可大幅度提高中心本體12的使用壽命。上述軸向速度是依靠弧形部分88和截錐部分86得到增加的，該弧形部分避免了通過緊靠基座58的進口槽36，38進入混合區28的空氣進行再循環(小的軸向速度或沒有軸向速度)，而截錐部分86使環形氣流的軸向速度保持在避免火焰進入中心本體12中的速度，只要火焰到達中心本體，則這種速度可以將火焰排出。
盡管結合具體實施例對本發明作了描述，但本領域的技術人員應當明白，在不超出本發明權利要求的保護范圍的前提下，可以對本發明的形式和細節做出各種變化。
權利要求
1.一種用于氣體透平機的燃料噴嘴，該噴嘴包括一個中心本體，該本體有一個縱軸，一個基座和一個徑向外表面，徑向外表面包括一個截錐體部分，該截錐體部分限定出一個與縱軸同軸、并朝著基座擴大的截錐外表面；一個渦形旋流器，該旋流體包括第一和第二端板，所述第一端板與所述第二端板隔開一定的距離，所述第二端板上有一個延伸通過該端板的燃燒器進口孔，所述進口孔與所述軸同軸，在第一端板和第二端板之間有一個會聚表面，一個排氣表面和一個喉部表面；至少兩個圓柱式弧形渦殼，每個渦殼件限定出繞一根中心線部分轉動的本體，所述的每個渦殼件從所述第一端板延伸到所述第二端板并在軸的周圍均勻隔開，由此在它們之間限定出一個混合區，所述的各渦殼件彼此隔開，所述的各中心線在所述的混合區內，所述的各中心線與所述軸平行，并隔開相同的距離，這樣就在所述的各對相鄰渦殼件之間限定出沿平行于所述軸延伸的進口槽，這些槽將燃燒空氣引入到所述的混合區中，所述的各渦殼件包括一個用于將燃料送到通過上述某一進口槽引入的燃燒空氣中的燃料管；其中所述的基座與所述第一端板相連，所述截錐部分延伸到所述燃燒器進口孔中。
2.根據權利要求1所述的燃料噴嘴，其中所述的中心本體包括一個弧形部分，該弧形部分與截錐體部分成一整體，該弧形部分最好限定出一部分由圓周運動形成的表面，該表面與截錐體部分相切，其中心在縱軸周圍的徑向外側。
3.根據權利要求2所述的燃料噴嘴，其中所述的基座至少有一個延伸通過該基座的供氣孔，中心本體還有一個與縱軸同軸并與所述供氣孔連通的內部通路，所述內部通路包括一個圓形排氣孔，該排氣孔與所述縱軸同軸，并位于所述燃燒器進口孔內。
4.根據權利要求3所述的燃料噴嘴，其中所述的中心本體還包括一個內室，該室位于所述基座和所述內部通路之間，所述的供氣孔通過所述的室與所述的內部通路連通。
5.根據權利要求4所述的燃料噴嘴，其中所述的內部通路包括一個第一圓柱形流路，一個第二圓柱形流路以及一個錐形流路，各個流路均有一個第一端和一個第二端，所述第二圓柱形流路的直徑比所述第一圓柱形流路的直徑大，所述第二圓柱形流路通過所述錐形流路與第一圓柱形流路連通，所述錐形流路的第一端與所述第一圓柱形流路的第二端成一整體，所述錐形流路的第二端與所述第二圓柱形流路的第一端成一整體，所述錐形流路的第一端的直徑與所述第一圓柱形流路的直徑相同，所述錐形流路的第二端的直徑與第二圓柱形流路的直徑相同，所述各個流路均與縱軸同軸，所述第一圓柱形流路包括設置在所述第一圓柱形流路第一端處的排氣孔。
6.根據權利要求5所述的燃料噴嘴，其中所述的中心本體還包括一個與所述軸同軸的旋流器，該噴旋流器與上述軸同軸并處于緊靠所述第二圓柱形流路第二端的室中，該中心本體還有一個燃料噴管，該噴管與所述軸同軸，噴管延伸通過所述基座，所述內室以及旋流器，然后終止在所述的第二圓柱形流路中。
全文摘要
一種切向進氣燃料噴嘴包括一個縱向軸和兩個中心線彼此偏離的圓柱式弧狀渦殼。這些渦殼的搭接端之間形成一個用于把燃料/口空氣混合物引入到燃料噴嘴中的進口槽。一塊燃燒器端板有一個將空氣和燃料排入到燃燒器中的中心開口,而在相反端由另一塊端板堵塞噴嘴的流通面積。將渦殼固定在這兩塊端板之間。將一個中心本體設置在與所述軸同軸的渦殼之間。中心本體包括一個基座以及一個內部通路,基座上至少有一個延伸通過該基座的供氣口。中心本體包括一個截錐部分和避免端板之間出現倒流和火焰穩定的翼形斜面。
文檔編號F23C99/00GK1186926SQ9710852
公開日1998年7月8日 申請日期1997年12月19日 優先權日1996年12月20日
發明者T·S·斯賴德爾, W·A·索瓦, S·K·克拉梅爾 申請人:聯合工藝公司