用于干式低NO_x燃气轮机的二次燃料喷嘴的圆形环歧管的制作方法

专利名称：用于干式低NO_x燃气轮机的二次燃料喷嘴的圆形环歧管的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及燃气轮机燃烧器的二次燃料喷嘴，且更具体地 涉及用于在干式低NOx (DLN)燃气轮机的二次燃料喷嘴中预混合燃料 的圓形环歧管。
背景技术：
图1图解说明燃气轮机12的现有技术的燃烧器，燃气轮机12 包括压气机14 (显示局部)、多个燃烧器16 (为了方便和清楚显示了一 个)和由单个叶片18表示的涡轮。尽管没有具体示出，但涡轮16是沿 公共轴线传动连接到压气机14的。压气机14对进入空气加压，然后进 入空气逆流到燃烧器14,在此用来冷却燃烧器16,并给燃烧过程提供空 气。尽管只显示了一个燃烧器14,但燃气轮机10包括围绕其周边定位的 多个燃烧器16。过渡管20将每个燃烧器16的出口端与涡轮18的进口端 连接以将热燃烧产物传送到涡轮18。每个燃烧器16包括由文氏管喉部区28隔开的主燃烧室或上游 燃烧室24和二次燃烧室或下游燃烧室26。燃烧器16由燃烧器导流套筒 30围绕，该燃烧器导流套筒30将压气机排出气流引导到燃烧器。燃烧器 还被外壳31围绕，外壳31是用螺栓连到涡轮壳体32的。主喷嘴36将燃料运送到上游燃烧室24，主喷嘴36以环形阵 列围绕中心二次喷嘴38设置。每个主喷嘴36通过后壁40突出到主燃烧 室24中。二次喷嘴38从后壁40向喉部区28延伸，以便将燃料引入二 次燃烧室26中。燃料以本领域公知的方式通过燃料管路(未显示)传送 到主喷嘴36。燃烧用空气通过位于喷嘴36的出口端附近的空气旋流器42被 引入燃料级。旋流器42引入旋流燃烧用空气，该燃烧用空气在室24中 与来自喷嘴36的燃料混合，为发动时的燃烧提供可燃混合物。旋流器42 的燃烧用空气引自压气机14和在燃烧导流套筒30和燃烧室的壁44之间 的空气通路。燃烧器的圓筒形壁44在主燃烧室24中设有槽或放热孔46， 并在二次燃烧室26的下游^殳有相似的槽或放热孔48,所述槽或》文热孔用
于冷却目的，并用来将掺混空气引入燃烧区中以防止火焰温度大幅上升。
二次喷嘴38被定位在中心体50内，并延伸穿过设置了旋流器54的衬套 52，燃烧用空气通过旋流器54被引入以与来自二次喷嘴的燃料混合。现在参考图2,图解说明了仅用于气体(gas-only)的二次燃 料喷嘴组件56。燃料被供应以由扩散管P,维持火焰，并由管P2维持预混 合火焰，这两个管子在二次燃料喷嘴组件56的进口处相对彼此同心设置。下面将主要描述预混合燃料二次喷嘴组件56。后部部件或气 体节套(gas body ) 58包括外部套筒部分60和设置了中心孔94的内部空 心部分62,该中心孔94形成预混合燃料通道64。多个轴向空气通道68 与预混合通道64成环绕关系形成于后部部件58的前半段。相同数量的 径向壁部分(如4个)被设置在套筒部分60的端部周围，每个径向壁部 分包括倾斜的径向孔隙70以允许衬套52内的空气进入相应的空气通道 68。如图2所示，部件58的后端适于在安装法兰77内分别接收燃料管 P" P2。多个径向喷孔78绕部件58的前面部分的圆周设置，使相同数 量的径向气体注入管(销钉)80容纳于其中，从而与预混合通道64建立 连通。每个销钉80设置有多个孔隙或通气口 82，使得来自预混合通道 64的燃冲牛可以排到二次喷嘴组件56和衬套52之间的预混合区域90中以 与衬套内的燃烧用空气混合。销钉80设计成将燃料分配到气流中。燃料 和空气在预混合区域90中的充分混合对于最小化氮氧化物(NOx)的排 放是必要的。可以与喷嘴形成一体或不形成一体的火焰稳定旋流器116 被定位在二次喷嘴的前端，在直径减小的前端108和衬套52之间径向延 伸以用于使在衬套内流动的经预混合的燃料/空气产生旋涡。燃烧用空气 经过喷孔70进入二次喷嘴组件56，并流过由通道64、导向孔98和导向 通气口 IOO限定的预混合通道。燃料连同来自旋流器槽96的空气提供扩 散火焰的子导向(sub-pilot)。同时，供应到预混合通道的大部分燃料流 进气体注入器80中以从通气孔82排向衬套52，在衬套52中该燃料与空 气混合。如图3A-3B图解所示，在现有技术的二次燃料喷嘴中进行燃 料与空气的预混合可包括在预混合体积40中绕二次喷嘴体75的周边等 间距隔开的多个销钉80。每个销钉80可包括沿其长度方向延伸的中心空 腔85。如前面关于图2描述的，每个销钉的内端可在径向燃料喷孔的位
置附连到喷嘴体，从而建立喷嘴体中的燃料空腔与销钉的中心空腔之间
的连通。沿销钉80的下游表面，从中心内空腔设置多个燃料排放喷孔82, 从而将预混合燃料排放到二次喷嘴体75和衬套52之间的气流中。沿销 钉80的下游侧设置3个径向定位的燃料排放喷孔82。沿一排喷孔决定喷 孔方位是多样的。在此现有技术的二次喷嘴中，6个销钉绕二次喷嘴体 75的圆周均匀分布，3个通气孔用于沿销钉的下游侧分散燃料。不过， 燃料和空气的有效混合是不完全的。燃料和空气更完全的混合可导致较 低的NOx排放及更稳定的燃烧。上面描述的喷嘴构造通过扩散火焰提供了操作的预混合模式， 一旦处于预混合模式，该喷嘴构造工作以熄灭扩散火焰，点燃预混合火 焰以用于持续操作。不过，在空气和燃料在燃烧室中燃烧之前的不充分 混合造成燃气轮机的排放增多。上面描述的现有的销钉设计不能适当地 混合燃料和空气以获得低排放的必需混合程度。改变喷孔在销钉内的方 位的尝试还不能够取得令人满意的燃料和空气混合。图4图解说明Kraft等人的美国专利申请6，446，439和美国专利 申请6,282,904中描述的二次燃料喷嘴的燃料分配装置150。环状燃料歧 管155通过支撑圓筒165安装到支撑套筒160。歧管155呈现矩形截面。 支撑套筒160通过焊接固定到二次燃料喷嘴体(未示出)。二次喷嘴体 中的燃料通过支撑套筒中的喷孔170并通过支撑圓筒165进入中空环状 燃料歧管155中。环状燃料歧管155位于二次喷嘴体(未示出)周围的 气流175中。燃料从环状燃料歧管的下游面180分配通过一系列孔隙185。 孔隙185可以在气流内与中心轴线相隔第一径向距离186或者第二径向 距离187。孔隙185相对于气流的方向可以是共线的，或者可以有一角度。 然而，矩形形状的环面限制了孔可相对于气流方向呈现的角度。用于燃料预混合分配的圓筒形状的环状圓筒燃料歧管155可 以在销钉装置上提供径向和圆周方向的燃料分配。然而，由于相对于气 流、特别是相对于进入气流的燃料的径向分配可能产生有限的气流角， 环状歧管对混合有限制。因此，需要提供替代结构来改进燃料-空气在二次喷嘴中的预 混合，从而促进低排放和改善的燃烧动力学
发明内容

本发明涉及用于在DLN燃气轮机燃烧器的二次喷嘴中有效分 散预混合燃料和空气的圓形环歧管，从而提供低氮氧化物(NOx)排放 的稳定燃烧。简单讲，根据本发明的一个方面，提供了用于将燃料分散到 DLN燃气轮机燃烧器的二次燃料喷嘴的预混合区中的圆形环歧管。该圓 形环歧管包括大致为环形形状的圓形环歧管壳体，该壳体内有空腔。圓 形环歧管壳体的内环形表面上的多个径向穿透部延伸进入壳体空腔内， 多个径向穿透部中每个穿透部按预定布置定位在内环形表面上。多个支撑臂从所述圓形环歧管壳体的内环形表面径向向内延 伸。多个支撑臂中的一个支撑臂可以在所述多个径向穿透部中的每一个 穿透部处附连到圓形环歧管壳体，并从圆形环歧管壳体的内表面径向向 内延伸。支撑臂进一步包括轴向内腔以将预混合燃料从径向内端运送到 圓形环歧管壳体处的径向外端。穿过圓形环歧管壳体的一个极向表面、 用于分散预混合燃料的多个穿透部也根据一种预定布置被提供并被定 位。根据本发明的另 一个方面，提供了用于燃气轮机燃烧器的二次 燃料喷嘴组件。该二次燃料喷嘴组件包括位于其后端处的预混合燃料接 头和在该后端处连接到预混合燃料接头的喷嘴体。圓形环歧管环绕喷嘴 体处于径向居中的位置，以将来自喷嘴体的燃料分配到喷嘴体周围的轴 向气流路径中。提供了支撑结构以支撑圓形环歧管。而且，提供了连通 路径以将来自喷嘴体的燃料运送到圓形环歧管。根据本发明的第三方面，提供了用于DLN燃气轮机的燃烧器。 燃烧器包括后端有燃料接头和在后端连接到燃料接头的喷嘴体的二次燃 料喷嘴组件。圓形环歧管可以环绕喷嘴体处于径向居中的位置，以将来 自喷嘴体的燃料分配到喷嘴体周围的轴向气流路径中。提供了用于圓形 环歧管的支撑结构。提供了连通路径以将来自喷嘴体的燃料运送到圓形 环歧管。衬套在圆周方向上围绕二次喷嘴组件，包括在后端处允许气流 进入预混合体积的穿透部。预混合体积包围二次喷嘴组件和衬套的内壁 之间限定的大致环形形状。旋流器可以被安装到二次喷嘴组件的前端。


在参考附图阅读以下详细说明时将更好地理解本发明的这些
及其它特征、方面和优点，在附图中，相同的附图标记代表相同的部件，
其中图1是现有技术已知的干式低NOx燃烧器的部分截面图2A是现有技术的二次预混合/扩散燃料喷嘴的部分截面图；图2B是图2图解说明的现有技术的二次燃料喷嘴的放大的截 面图；图3A图解说明用于现有技术的二次燃料喷嘴的销钉布置；图3B图解说明现有技术的二次喷嘴的销钉中燃料排放喷孔的布置；图4图解说明用于燃料预混合的现有技术的歧管；图5A图解说明本发明的环形壳体的截面；图5B图解说明围绕喷嘴主体的圆形环歧管的侧视图；图5C图示圆形环歧管的截面，图示出燃料混合喷孔在下游表面上的排角度。图6A图解说明本发明的圆形环歧管的一个优选实施例的下游侧的外部视图；图6B图解说明本发明的圆形环歧管的一个优选实施例的下游侧的内部视图；图7A图解说明本发明的圓形环歧管与二次燃料喷嘴体的装配布置的轴测图；图7B图解说明本发明的圓形环歧管的、穿过二次燃料喷嘴、 支撑臂和歧管壳体的剖视图；图8图解说明包括本发明的圓形环歧管的一个实施例的燃气 轮机的二次燃料组件；图9图解说明包括本发明的圆形环歧管的燃气轮机的燃烧器；图10A图解说明经计算的现有技术的销钉二次燃料喷嘴的不 混合度的径向曲线；和图10B图解说明经过计算的具有本发明的圆形环歧管的一个 实施例的二次燃料喷嘴的不混合度的径向曲线。
零件列表
12燃气轮机
14压气枳J
16燃烧器
18涡轮
20过渡管
24上游燃烧室
26下游燃烧室
28文氏管喉部区
30燃烧器导流套筒
31燃烧器外壳
32涡轮壳体
36主喷嘴
38 二次燃料喷嘴
40后壁
42空气旋流器
44燃烧室的圓筒形壁
48》文热孑L
50中心体
52衬套
54旋流器
56 二次燃料喷嘴组件
58气体节套
60外部套筒部分
64燃料预混合通道
66扩散燃料通道
68轴向空气通道
70径向孔隙
75喷嘴体
77安装法兰
78径向喷孔
80气体注入管
82孔隙
90预混合体积
92导向管 95壁
96旋流器槽 98内孑L
100导向通气口 116旋流器 150燃料分配装置 155环状燃料歧管 160支撑套筒 165支撑圓筒 170喷孔 180下游面 185孔隙
186第一径向距离 187第二径向距离 188中心轴 200圓形环歧管 210壳体 215圓环截面 220极向轴 225环形轴 230环形截面中心 235环形歧管的高度 236环形截面的直径 237外表面 238上表面 239下表面 240环形歧管的中心 245大圆
250壳体上第一点 255壳体上第二点 260第一排的角度
265通过环形截面中心平行于极向轴的线
270环形截面中心和壳体表面上的点之间的线
275第二排的角度
280第一排的各个喷孔的中心轨迹
285第二排的各个喷孔的中心轨迹
290中心空腔
291下游表面
295穿透部
297螺紋
300支撑臂
305喷嘴体的纵轴
310第一排喷孔
315第二排喷孔
320燃料混合喷孔
325支撑部件的空腔
326径向内端
327径向外端
328螺紋
330壳体部分
350喷嘴中心体
351壁
355预混合燃料
360预混合燃料通道
365径向喷孔
366螺紋
361螺紋
365径向喷孔
380预混合体积
390中心体盖体
395中心体毂体
400喷嘴体
405喷嘴体的纵轴
410喷嘴尖端
415燃料油空腔
420 二次燃料空腔
421 二次燃碎牛通道
422 二次燃料空腔 423注水空腔 425第三燃料空腔 430旋流器
435燃料油4妄头
436二次气体燃料接头
437第三气体燃料接头
438注水4妻头
440导向喷孔
450气体流动^^径
500 二次燃料喷嘴组件
514压气枳j
515主燃料喷嘴组件
518涡轮叶片
520过渡管
526燃烧室
530导流套筒
532导流套筒喷孔
535衬套
540燃料4妄头
545进入二次预混合体积的空气
550空气-燃料混合物
555预混合体积
565中心体毂体
570中心体盖体
1010现有冲支术的当量比
1020带圓形环歧管的当量比
具体实施例方式
本发明的下列实施例具有许多优点，这些优点包括在干式低N0X (DLN )燃气轮机燃烧器的二次喷嘴中有效地分散预混合的燃料和空气， 从而提供低氮氧化物(NOx)排放的稳定燃烧。根据本发明的一个方面，提供圆形环歧管以将燃料分散到二次 喷嘴体和衬套之间的预混合体积中。图5A图解说明环状壳体的截面。圆 形环歧管200可包括具有圓环截面215的大致为环形形状的壳体210。环 形形状的壳体210的中心在极向轴220上。当圆形环歧管200与喷嘴体 400 (显示局部)结合为二次燃料组件的一部分时，极向轴可以与喷嘴体 400的纵轴305重合。环形轴225穿过圓环截面215的中心230。圓形环 歧管200具有圆形环歧管在极向轴220上的中心240和圓环截面215在 环形轴225上的中心230之间限定的环高H 235。设定环高H 235和截面 直径236以调节环外表面237相对于预混合空间(未示出)在二次喷嘴 体周围的定位。圆形环歧管200的外表面237可由环的大圓划分成上表 面238和下表面239。绕圓形环歧管在圆周上形成一排的点的轨迹(例如在圓环截面 215表面上的第一点250 )可以由排角《260限定，排角《260形成于通过 圓环截面215的中心230与极向轴220平行的线和圆环截面215的中心 230与表面250上的点之间的线270之间。按惯例，角度《(朝向极向轴) 被定义为正。第二排角《275描绘点255和相关的同在圆形环歧管200的 外表面上的第二排的中心轨迹。图5B图解说明喷嘴体400周围的圓形环歧管200的侧视图。 圆形环歧管200在下游表面290上具有燃料混合喷孔320。圆形环歧管的 高度H 235确立歧管相对于喷嘴体400的定位，从此确定燃料混合喷孔 320相对于喷嘴体400的定位。图5C图示圆形环歧管的截面，说明燃料 混合喷孔在下游表面上的排角度。排角《260和《275可以限定燃料混合 喷孔320的中心轨迹(下面更加详细地描述)。图6A图解说明圓形环歧管的下游正视图。图6B图解说明圓 形环歧管的下游表面的内部正视图。中心在极向轴230上的圆形环歧管 200包括歧管壳体210内的中心空腔290。中心空腔290也可以是环形形 状的。根据一种预定布置，多个径向穿透部295可以穿过环形歧管壳体 210的外表面237设置，其中穿透部295延伸到中心空腔290中。圆形环
歧管210也可以包括从歧管壳体的下表面239径向向内延伸的多个支撑 臂300。在所发明歧管的一个方面，4个支撑臂300和相应的径向穿透部 295可以绕歧管壳体210的下表面239均匀分布。多个支撑臂300可以各包括轴向内腔325以进行燃料运送，内 腔325从支撑臂300的径向内端326延伸到径向外端327。径向外端327 可以在歧管壳体210相应的径向穿透部295中一个的位置处连接到圓形 环歧管200,从而提供燃料通过支撑臂300进入圓形环歧管200的中心空 腔290的流通路径。图7A图解说明本发明的圆形环歧管与二次燃料喷嘴体的装配 布置的轴测图。图7B图解说明穿过二次燃料喷嘴体350、支撑臂300和 歧管壳体210的剖i见图。歧管壳体210可以由4个壳体部分330组成。 每个壳体部分330包括用于接收支撑臂300的径向外端327的径向穿透 部295。支撑臂300包括径向内端326上的螺紋^接头328和径向外端327 上的螺紋接头329。歧管壳体210上的径向穿透部295包括与螺紋329匹 配的螺紋297以将支撑臂300的径向外端327结合到壳体部分330。另外 的径向喷孔361可以穿透喷嘴体350的壁351,在其下延伸到预混合燃料 通道360。径向喷孔361可以包括螺紋365以允许与支撑臂300的内端 326上的螺紋328配合，将支撑臂300附连到二次燃料喷嘴体350。由此， 从二次燃料喷嘴体350中的预混合燃料通道360通过径向喷孔361 ，通过 支撑臂中的空腔325及壳体部分330中的径向穿透部295提供预混合燃 料的流动路径355。壳体部分330可通过焊接或其它适当连接手段连接以 形成圓形环歧管200。再次参考图6A-6B,通过圓形环歧管壳体210的下游极向表面 进入壳体空腔290的多个穿透物可以根据一种预定布置被定位。穿透部 的预定布置被最优化以提供来自壳体210的空腔290的燃料和围绕歧管 壳体210的气流的混合。该预定布置可以包括至少一排喷孔。 一排(圈) 喷孔中各个喷孔中心的轨迹280， 285可以设置成与环形截面成各自预定 角度。优选一排喷孔中各个喷孔310, 315绕某特定排的中心轨迹280, 285在圆周方向上均匀间隔。还优选每排中的各个喷孔的直径相同。单独 的各排喷孔的喷孔直径可以相同或者直径可以不同。还优选圆形环歧管
壳体包括二排喷孔。—个优选的实施例在圓形环歧管壳体的下游极向表面中可以
包括二排或二圏(第一排280和第二排285 )喷孔。还优选第一排的各个 喷孔310的中心轨迹280相对于圓环截面215成预定的正角度《260 (图 5C)，第二排的各个喷孔315的中心轨迹285相对于圓环截面215成预 定的负角度&275 (图5C)。而且，优选第一排280的各个喷孔310的直 径尺寸小于第二排285的各个喷孔315的直径尺寸。在所发明的歧管的 一个优选实施例中，第一排280的各个喷孔310可具有约0.082英寸的直 径，第二排285的各个喷孔315可具有约0.116英寸的直径。第一排喷孔的各个喷孔的数量可以与其它排的各个喷孔的数 量相同或不同。在具有二排喷孔的所发明的歧管的一个优选实施例中， 第一排280可包括16个独立喷孔310，第二排285可包括8个独立喷孔 315。而且优选第一排280的各个喷孔310和第二排285的各个喷孔315 互相均匀间隔开，以提高在预混合体积内均匀分布的周向燃料-空气(F/A ) 比。本发明的另一方面提供用于包括本发明(图5-7的)圓形环歧 管200的一个实施例的燃气轮机燃烧器的二次燃料喷嘴组件500,其图解 说明于图8中。图8图解说明安装到喷嘴中心体350的本发明的圓形环 歧管200。圓形环歧管200位于预混合体积380中以在中心体毂体395的 周围和中心体盖体390内分配二次预混合燃料。燃料油接头435、 二次气 体接头436、第三气体接头437和水接头438可设置在二次燃料喷嘴组件 500的后端。圓形环歧管200环绕喷嘴中心体350处于径向居中的位置以 将预混合燃料从喷嘴中心体350分配到喷嘴中心体周围的轴向气流路径 450中。提供支撑结构以支撑歧管壳体于中心毂体395上。在二次燃料喷嘴组件500的喷嘴中心体毂体395中设置多个内 部燃料空腔(通道)以将不同类型的燃料供应到预混合体积380及喷嘴 尖端410。燃料油可以通过燃料油空腔415提供至尖端410。 二次气体燃 料空腔426通过中心体穀体395的外壁351将用于预混合的二次气体燃 料连接到多个径向喷孔365。所述多个径向喷孔365绕中心体毂体395的 圆周按预定分布的方式排列。径向喷孔365的该预定分布被排列成与圓 形环歧管的支撑臂(未示出)匹配并对齐，从而为预混合燃料提供通过 支撑臂的空腔进入圓形环歧管200的壳体空腔的流通路径，正如前面所 描述的那样。二次燃料可以进一步通过二次燃料通道422和423分配至 喷嘴尖端410处的导向喷孔440以用于气体引燃火焰。第三气体燃料可
以通过第三气体通道425供应到喷嘴尖端410。在喷嘴尖端410处可以进 一步l是供用于注入水的注水通道424。通过燃料混合喷孔320释放进入气流450的二次气体燃料与预 混合体积380中的空气混合。二次气体燃料通过喷嘴尖端410处的旋流 器430进一步与气流450混合。本发明的圆形环歧管的结构、其支撑臂及与中心体毂体的附连 在上文已经关于图4-图8进行了描述。二次燃料喷嘴组件500包括描述 的圓形环歧管的这些元件。而且，尽管显示的本发明的圆形环歧管200 有一个二次燃料喷嘴组件500，但应该理解本发明的圓形环歧管的各个实 施例可以与包括不同布置的二次燃料喷嘴、燃料源布置和燃料通道布置 的组合来进行组合。本发明的另一方面还提供用于DLN燃气轮机的燃烧器600。 如上文所述，燃烧器600可以包括具有圆形环歧管200的二次燃料喷嘴 组件500。燃烧器600还可以包括围绕二次燃料喷嘴组件的多个主燃料 喷嘴组件510。燃料接头540可以设置在燃烧器的后端。图9图解说明本发明的燃烧器的一个实施例。压气机514(显 示局部)安装到燃烧器600，并向燃烧器提供经过压缩的空气。围绕主 燃料喷嘴组件510和二次燃料喷嘴组件500的导流套筒530通过流动喷 孔532接收来自压气机514的空气。在导流套筒530和燃烧室衬套535 之间的气流被引向主燃料喷嘴组件510和二次燃料喷嘴组件500的后 方。气流545进入二次燃料喷嘴组件500的后端并在中心体毂体565和 中心体盖体(衬套)570之间的圆形环歧管200的周围流动。圆形环歧 管200将燃料从其下游表面上的燃料混合喷孔320 (图8)分散到气流 中。预混合体积555中的空气和二次气体燃料混合物550可以流动通过 位于喷嘴尖端580的前端和中心体盖体570之间的旋流器560。本发明的圆形环歧管的结构、其支撑臂及与中心体毂体的附 连在上文已经关于图4-图8进行了描述。燃烧器600包括描述的圆形环 歧管200的这些元件。而且，尽管显示的本发明的圆形环歧管200有一 个燃烧器，但应该理解本发明的各个实施例可以与包括不同布置的二次 燃料喷嘴，气流路径布置、燃料源布置和燃料通道布置的组合来进行组 合。如上文所述，圓形环歧管壳体还具有被设置成预定高度的半 径，以在二次燃料喷嘴组件和衬套之间的预混合体积内径向地对齐至少
一排喷孔。通过圆形环歧管壳体的下游极向表面的多个穿透部的预定布 置优选包括二排喷孔，即第一排喷孔和第二排喷孔，每一排的喷孔中心 的轨迹相对于圆环截面设置成各自预定角度，第一排喷孔的喷孔中心轨 迹相对于圆环截面被设置成预定的正角度，第二排喷孔的喷孔中心轨迹 相对于圓环截面被设置成预定的负角度。第一排喷孔内各个喷孔的直径 可以小于第二排喷孔内的各个喷孔的直径，第 一排喷孔内各个喷孔的中 心可以相对于第二排喷孔内各个喷孔的中心在圆周方向上交错排列。尽管用 一种燃烧器布置显示了本发明的圓形环歧管，但应该 理解本发明的各个实施例可以与包括燃料源、空气源和水源、流动路径 及排放的不同布置及组合的其它燃烧器的实施例进行组合。上述设计的目的是在圓形环歧管的预混合体积下游中确立恒 定的燃料-空气(F/A)比。希望减小预混合体积内(特别是旋流器出口 处)的圆周F/A比的变化和径向F/A比的变化。 一排喷孔中各个喷孔的 数量可以用来减小圓周F/A比的变化。各排喷孔的中心轨迹的环高和排 角可以用来减小F/A比的径向变化，并控制旋流器下游的出口径向F/A 曲线。已经定义了表示不混合度的参数，以对本设计的实施例和现 有技术的具有变化值的不同情形的相对性能进行比较。不混合度 =^>,(^-6。w)2/I>,，其中A产单元的面积，必=单元当量比，&^=全局 当量比(0.4828 )。计算得到二次燃料喷嘴的现有销钉设计的不混合度为 0.06642。使用设计空间来评估各个喷孔方位和环高对旋流器出口处的不 混合度的影响。对下列参数范围进行不混合度计算，即环直径(0.35-0.45 英寸)；环高(1.2-1.7英寸)；角度《(0-120度)；角度《(0-120度)。由于响应具有很强的线性，所以很难获得可靠的传递函数。 参数的优化是用采样方法和元模型(meta model)方法进行的。对于上 文描述的情形，计算旋流器出口处的不混合度。环高、排角参数被最优 化以最小化不混合度，得到环高大约为1.35英寸，角度《大约为58.7 度，角度《大约为1.7度。参数最优化之后，计算得到旋流器出口处的 不混合度为0.01,这大大低于现有销钉设计的0.06642的不混合度。而且，圓形环歧管的横截面对于在衬套和喷嘴体之间流动的 气流提供了空气动力学设计，这优于现有技术中空气动力学布置较少的 其它设计。例如，本发明的圆形环歧管表现出的压降大致与现有技术的 销钉设计相同，从而继续使足够的燃料流和空气流通过预混合体积和旋
流器，同时提供优良的混合。图10A图解说明经计算现有技术的销钉二次燃料喷嘴的不混 合度的径向曲线。图10B图解说明经过计算具有本发明圆形环歧管的一 个实施例的二次燃料喷嘴的不混合度的径向曲线。图IOA和图IOB共同 图解说明在分别利用现有技术的销钉和本发明的圆形环歧管的旋流器 的出口处的平面上的燃料和空气的相对不混合度。垂直轴表示预混合体 积内二次燃料喷嘴的外侧到衬套的距离。水平轴表示在距中心点的特定 径向距离处的当量比。对于销钉设计，在径向距离上经计算的当量比 1010在0.22到0.8之间变化。对于本发明的圆形环歧管设计，在径向距 离上经计算的当量比1020在0.35到0.63之间变化，表明有均匀得多的 径向F/A比，从而促使下游燃烧更为均匀，结果燃烧动力学和NOx排放 降低。尽管本文描述了各种实施例，但从说明书中应该认识到可以 对其中的元件、变形或改进进行各种组合，这些组合在本发明的范围内。
权利要求
1. 一种用于将燃料分配到干式低NOX燃气轮机燃烧器的二次燃料喷嘴的预混合区中的圆形环歧管(200)，该圆形环歧管包括大致为环形形状的圆形环歧管壳体(210)，该壳体内包括中心空腔(290)；在所述圆形环岐管壳体(210)的内表面上的多个径向穿透部(295)，所述多个穿透部中的每个穿透部(295)延伸进入所述中心空腔(290)，并按预定布置定位在所述内表面上；多个支撑臂(300)，这些支撑臂从所述圆形环歧管壳体(210)的内表面径向向内延伸，所述多个支撑臂中的一个支撑臂(300)在所述多个径向穿透部(295)中的每个穿透部处附连到所述圆形环歧管壳体(210)，并从所述圆形环歧管壳体(210)的内表面径向向内延伸，其中所述支撑臂(300)进一步包括轴向内腔(325)以将燃料从径向内端运送到所述圆形环歧管壳体处的径向外端；和穿过所述圆形环歧管壳体(210)的一个极向表面的多个穿透部(320)，所述多个穿透部(320)是根据预定布置定位的。
2. 根据权利要求1所述的圓形环歧管(200),其特征在于，所 述多个支撑臂中的每个支撑臂各包括位于所述径向内端将所述支撑臂(300 )附连到燃料源的装置 (328 )和位于所述径向外端将所述支撑臂(300)附连到所述圆形环 歧管(200)的装置(329),其中所述的装置可包括螺紋连接。
3. 根据权利要求1所述的圓形环歧管(200 )，其特征在于，穿 过所述圆形环歧管壳体(210)的一个极向表面的所述多个穿透部(320)的预定布置包括至少一排喷孔，每排喷孔的中心的轨迹(280， 285 )被设置成相 对于环形截面(215)成各个预定角度(260， 275 )。
4. 根据权利要求3所述的圆形环歧管(200)，其特征在于，所 述至少一排喷孔中每排的各个喷孔(310， 315)沿所述每排喷孔的中 心的轨迹(280， 285 )在圓周方向上均匀隔开。
5. 根据权利要求4所述的圆形环歧管(200)，其特征在于 所述至少一排喷孔的每排的各个喷孔(310， 315)的直径相同； 所述至少一排喷孔的单独的各排(280, 285 )中的喷孔的直径可以相同，或者直径可以不同；和所述圓形环歧管壳体(210)的环面半径被设置成预定尺寸，以 用于相对于极向轴(225 )定位所述至少一排(280， 285 )喷孔。
6. 根据权利要求3所述的圓形环歧管(200 )，其特征在于，穿 过所述圆形环歧管壳体的一个极向表面的所述多个穿透部的预定布 置包括两排喷孔，每排喷孔的各喷孔中心的轨迹被设置成相对于所述环 形截面成各自预定角度。
7. 根据权利要求6所述的圓形环歧管(200 )，其特征在于，每 排喷孔的喷孔中心的轨迹被设置成相对于所述环形截面(215)成各 自预定角度的所述两排喷孔包括第一排喷孔，该第一排喷孔的喷孔中心的轨迹(280 )被设置成 相对于所述环形截面(215)成预定的正角度；和第二排喷孔，该排喷孔的喷孔中心的轨迹(285 )被设置成相对 于所述环形截面(215)成预定的负角度。
8. 根据权利要求7所述的圓形环歧管(200 )，其特征在于，所 述第一排喷孔的各个喷孔的直径比所述第二排喷孔的各个喷孔的直 径小。
9. 根据权利要求7所述的圓形环歧管(200)，其特征在于，所述第一排喷孔的各个喷孔的中心相对于所述第二排喷孔的各个喷孔 的中心在圓周方向上是交错的。
10. 根据权利要求7所述的圆形环歧管(200)，其特征在于，所 述圓形环歧管(200 )截面(215)中心的高度(235 )被设置成使从 所述各个喷孔中排放的燃料和流过所述歧管的空气的混合最优。
全文摘要
本发明涉及用于干式低NO_X(DLN)燃气轮机的二次燃料喷嘴的圆形环歧管。具体地，提供了一种圆形环歧管，其用于有效地分散DLN燃气轮机燃烧器的二次燃料喷嘴中燃料和空气的预混合，以提供低氮氧化物排放的稳定燃烧。圆形环歧管环绕预混合体积中的二次燃料喷嘴组件的中心体毂体居中定位，预混合体积在喷嘴中心体毂体和中心体盖体之间。圆形环歧管接收来自喷嘴体的燃料，并将来自其下游表面上的多排喷孔的各喷孔的预混合燃料分配到气流中。排数及方位，每排喷孔的数量、尺寸和间隔及圆形环歧管在预混合体积内的径向位置被最优化以促进预混合。
文档编号F23R3/38GK101392917SQ200810149718
公开日2009年3月25日 申请日期2008年9月19日 优先权日2007年9月21日
发明者A·辛格 申请人:通用电气公司