专利名称：预混合式直接喷射喷嘴的制作方法
技术领域：
本文所公开的主题涉及预混合式直接喷射喷嘴，且更具体地涉及一种具有良好混
合、耐火焰稳定和抗逆燃的直接喷射喷嘴。
背景技术：
燃气涡轮机燃烧常规碳氢燃料通常所产生的主要空气污染排放物为氮氧化物、一 氧化碳及未燃的碳氢化合物。本领域中所公知的是，空气发动机中氮分子的氧化极大地取 决于燃烧系统反应区中热气体的最高温度。将热力发动机燃烧器的反应区温度控制在低 于形成热N0x的水平上的一种方法，是在燃烧之前将燃料和空气预混合成贫燃料混合物 (lean mixture)。 利用燃料和空气的贫燃料预混合进行工作的干式低排放燃烧器存在与之相关的 许多问题。也就是说，燃料和空气的可燃混合物存在于燃烧器的预混合段内，该预混合段位 于燃烧器反应区的外部。 一般而言，存在一定的整体(bulk)燃烧管速度，在预混合器中的 火焰高于该速度将会冲出至主燃烧区中。然而，有些燃料如氢气或合成气，具有较高的火焰 速度，尤其是在预混合模式中燃烧时。由于有较高的紊流火焰速度和较宽的可燃性范围，故 预混合式氢燃料燃烧喷嘴的设计就受到在合理的喷嘴压力损失时火焰稳定和逆燃的挑战。 使用直接燃料喷射方法来扩散氢燃料燃烧固有地会产生较高的N0x。 在天然气作为燃料时，具有足够火焰稳定裕度的预混合器通常可设计为具有适当 低的空气侧压降。然而，对于更高反应性的燃料如高氢燃料而言，针对火焰稳定裕度和目标 压降的设计就变得有挑战性。由于现有技术水平的喷嘴设计点可达到3000华氏度的整体 火焰温度，故逆燃到喷嘴中会在极短的时间内造成对喷嘴的极大破坏。
发明内容
本发明为一种预混合式直接喷射喷嘴设计，其提供了良好的燃料空气混合，且燃 烧产生较少N0x和较低的流动压力损失转变成较高的燃气涡轮机效率。本发明较为耐用， 且可耐受火焰稳定和抗逆燃。 根据本发明的一个方面，提供了一种在燃料/空气混合管束中使用的燃料/空气 混合管。该燃料/空气混合管包括沿管轴线在入口端与出口端之间轴向地延伸的外管壁， 该外管壁具有在具有内径的内管表面与具有外管直径的外管表面之间延伸的厚度。
该管还包括具有延伸穿过外管壁的燃料喷射孔直径的至少一个燃料喷射孔，该燃 料喷射孔具有相对于管轴线的喷射角，该喷射角大致在20度至90度的范围内。燃料喷射孔 沿管轴线定位成距出口端有一定的凹进距离(recession distance)，该凹进距离大致处于 比燃料喷射孔直径大大约5倍至大约100倍的范围内，这取决于几何约束、燃料的反应性， 以及期望的N0x排放量。 根据本发明的另一个方面，提供了一种在燃料/空气混合管束中使用的燃料/空 气混合管。该燃料/空气混合管包括沿管轴线在入口端与出口端之间轴向地延伸的外管壁，该外管壁具有在具有内径的内管表面与具有外管直径的外管表面之间延伸的厚度。该 燃料/空气混合管还包括具有延伸穿过外管壁的燃料喷射孔直径的至少一个燃料喷射孔， 该燃料喷射孔具有相对于管轴线的喷射角，所述内管表面的内径大致比燃料喷射孔直径大 大约4倍至大约12倍。 根据本发明的又一个方面，提供了一种在用于涡轮机燃烧器的预混合式直接喷射 喷嘴中混合高氢燃料的方法。该方法包括提供附接在一起以形成喷嘴的多个混合管，该多 个管中的各个管均沿流动通路在入口端与出口端之间轴向地延伸，该多个管中的各个管均 包括沿管轴线在所述入口端与所述出口端之间轴向地延伸的外管壁，该外管壁具有在具有 内径的内管表面与具有外管直径的外管表面之间延伸的厚度。 该方法还提供为用于在入口端将第一流体喷射到多个混合管中；经由多个喷射孔 以相对于所述管轴线通常成大约20度至大约90度范围内的角将高氢或合成气燃料喷射到 混合管中；以及将第一流体和高氢或合成气燃料在管的出口端处混合成大约50%至大约 95%的混合度的燃料和第一流体的混合物。 通过结合附图的如下描述，这些及其它优点和特征将变得更为明显。
在权利要求中具体地指出且明确地要求了认作是本发明的主题。通过结合附图的
如下详细描述，本发明的前述及其它特征和优点将变得明显，在附图中 图1为的燃气涡轮发动机的截面，包括根据本发明的喷射喷嘴的位置； 图2为根据本发明的喷射喷嘴的实施例； 图3为图2中的喷嘴的端视图； 图4为根据本发明的喷射喷嘴的备选实施例； 图5为图4中的喷嘴的端视图； 图6为根据本发明的燃料/空气混合管的局部截面。
图7为根据本发明的燃料/空气混合方法的实例。 本详细说明通过举例的方式，参照附图阐述了本发明的实施例以及优点和特征。 零件清单IO示例性燃气涡轮发动机ll压縮机12燃烧室14燃烧器组件21燃料入口30 涡轮31压縮机/涡轮轴110喷嘴114燃料流通道115内部腔室空间121管束130燃料 /空气混合管131第一端区段132第二端区段133中部134流体入口端135流体出口端 136端盖142燃料喷射孔/入口 150点火区201外管壁202外周表面203内周表面210 备选的燃料喷射喷嘴214燃料流通道215内部腔室空间221管束236端盖241燃料腔室 250点火区A管轴线
具体实施例方式
现参看图l，示出了示例性燃气涡轮发动机10的简图，在此将参照具体实施例来 描述本发明而非对其限制。发动机10包括压縮机11和燃烧器组件14。燃烧器组件14包 括至少部分地限定燃烧室12的燃烧器组件壁部16。预混合设备或喷嘴110延伸穿过燃烧 器组件壁部16，且通向燃烧室12中。如下文更为全面地描述，喷嘴IIO接收穿过燃料入口 21的第一流体或燃料以及来自于压縮机11的第二流体或压縮空气。然后，燃料和压縮空气进行混合，传递到燃烧室12中，且被点燃以形成高温、高压的燃烧产物或气流。尽管示例性 实施例中仅示出了单个燃烧器组件14，但发动机10可包括多个燃烧器组件14。在任何情 况下，发动机10都包括涡轮30和压縮机/涡轮轴31。涡轮30以本领域中所公知的方式联 接到轴31上，且驱动该轴31，而轴31又驱动压縮机11。 在工作中，空气流入压縮机ll中，且压縮成高压气体。高压气体输送给燃烧器组 件14，且在喷嘴110中与燃料如过程气体和/或合成气体(合成气)相混合。燃料/空气 或可燃混合物传递到燃烧室12中，且被点燃以形成高压、高温的燃烧气流。作为备选，燃烧 器组件14可燃烧包括但不限于天然气和/或燃料油的燃料。此后，燃烧器组件14将燃烧 气流引导至将热能转化成机械旋转能的涡轮30。 现参看图2和图3，示出了经过燃料喷射喷嘴110的截面。喷嘴IIO连接到燃料 流通道114以及内部腔室空间115上用以接收从压縮机11所供送的空气。多个燃料/空 气混合管显示为管束121。管束121由相互附接且通过端盖136或其它常规附接件保持成 束的单独的燃料/空气混合管130组成。各单独的燃料/空气混合管130均包括经由中部 133延伸至第二端区段132的第一端区段131。第一端区段131限定第一流体入口 134，而 第二端区段132在端盖136处限定流体出口 135。 燃料流通道114流体地连接到燃料腔室141上，而燃料腔室141又流体地连接到 提供在多个单独的燃料/空气混合管130中的各管130中的流体入口 142上。由于这种布 置，空气流入管130的第一流体入口 134中，而燃料穿过燃料流通道114，且进入围绕单独 的管130的腔室141中。燃料围绕多个燃料/空气混合管130流动，且穿过单独的燃料喷 射入口 (或燃料喷射孔)142，以与管130内的空气相混合来形成燃料/空气混合物。燃料 /空气混合物从出口 135传递到点火区150且在其中被点燃，以形成将输送给涡轮30的高 温高压气体火焰。 现参看图4和图5，示出了穿过备选的燃料喷射喷嘴210的截面。喷嘴210连接到 燃料流通道214以及内部腔室空间215上以接收从压縮机11所供送的空气。多个燃料/空 气混合管显示为管束221。管束221由图2和图3中所标示的相同的单独燃料/空气混合 管130组成，且混合管130相互附接并通过端盖236或其它常规附接件保持成束。各单独的 燃料/空气混合管130均包括经由中部133延伸至第二端区段132的第一端区段131。第 一端区段131限定第一流体入口 134，而第二端区段132在端盖236处限定流体出口 135。
燃料流通道214流体地连接到燃料腔室241上，而燃料腔室241又流体地连接到 提供在多个单独的燃料/空气混合管130中的各管130中的流体入口 142上。由于这种布 置，空气流入管130的第一流体入口 134中，而燃料穿过燃料流通道214，且进入经由流体入 口 142流体地连接到单独的管130上的腔室241中。燃料围绕多个燃料/空气混合管130 流动，且穿过单独的燃料喷射入口 (或燃料喷射孔)142，以与管130内的空气相混合来形成 燃料/空气混合物。燃料/空气混合物从出口 135传递到点火区250且在其中被点燃，以 形成将输送给涡轮30的高温高压气体火焰。 现参看图2至图5，在对于低NOx的满载工作中，火焰应当位于点火区150， 250中。 然而，使用高氢/合成气燃料使得逆燃成为一个难题且常常造成问题。为了在混合管130 内避免任何的火焰稳定，在混合管内由火焰稳定所散发的热应当小于管壁的热损失。该标 准就对管尺寸、燃料射流穿透性及燃料射流凹进距离进行了约束。原则上，较长的凹进距离会带来较好的燃料/空气混合。如果混合管130中燃料与空气的比率(本文也称为燃料的 混合度)较高，且燃料和空气实现接近100 %的混合，则这就会产生相对较低的N0x输出，但 在喷嘴110，210和单独的混合管130内易经受火焰稳定和/或火焰逆燃。管束121,221的 单独的燃料/空气混合管130会因为受到破坏而需要更换。因此，如进一步所述，本发明的 燃料/空气混合管130产生了足以容许在点火区150,250中燃烧的混合度，同时防止了逆 燃到燃料/空气混合管130中。混合管130的独特构造使得有可能在没有火焰稳定和火焰 从点火区150,250逆燃到管130中的较大风险的情况下燃烧高氢燃料或合成气燃料且NOx 相对较低。 现参看图6和图7，示出了管束121或221的燃料/空气混合管130。管130包括 外管壁201，其具有沿管轴线A在第一流体入口 134与流体出口 135之间轴向地延伸的外周 表面202和内周表面203。外周外表202具有外管直径D。，而内周表面203具有内管直径 Di。如图所述，管130具有多个燃料喷射入口 142，各个燃料喷射入口 142均具有在外周表 面202与内周表面203之间延伸的燃料喷射孔直径Df。在一个非限制性实施例中，燃料喷 射孔直径Df大致等于或小于大约0. 03英寸。在另一非限制性实施例中，内管直径Di通常 比燃料喷射孔直径Df大大约4倍至大约12倍。 燃料喷射入口 142具有相对于管轴线A的喷射角Z，如图6中所示，该管轴线A平 行于轴线A。如图6中所示，各喷射入口 142均具有大致在大约20度至大约90度的范围内 的喷射角Z。本发明的进一步细化已发现，对于有些高氢燃料而言，大致在大约50度至大约 60度之间的喷射角较为理想。燃料喷射入口 142还定位成在管流体出口 135上游有一定距 离，称为凹进距离R。凹进距离R大致处于比燃料喷射孔直径Df大大约5倍(Rmin)至大约 100倍(Rmax)的范围内，同时如上文所述，燃料喷射孔直径Df大致等于或小于大约0.03英 寸。实际上，对于氢/合成气燃料的凹进距离R大致等于或小于大约1.5英寸，而内管直径 Di大致在大约0. 05英寸至大约0. 3英寸的范围内。进一步细化已发现，凹进距离R在大约 0. 3英寸至大约1英寸的范围内，而内管直径&大致在大约0. 08英寸至大约0. 2英寸的范 围内，用以实现所期望的混合及目标NOx排放量。 一些高氢/合成气燃料在低于大约0. 15 英寸的内管直径Di时工作较好。本发明的进一步细化已发现，最佳凹进距离大致与燃烧管 速度、管壁传热系数、燃料喷出时间成正比，而与横流喷射高度、紊流燃烧速度以及压力成 反比。 对于高反应性燃料如氢燃料而言，燃料喷射入口 142的直径Df应当大致等于或小 于大约0. 03英寸，而各管130长度均为大约1英寸至大约3英寸，且具有大约1个至大约 8个燃料喷射入口 142。对于低反应性燃料如天然气而言，各管130均可为大约一英尺长。 还可构思出具有低压降的多个燃料喷射入口 142，即大约2个至大约8个燃料喷射入口。利 用所述参数，已发现具有大约50度至大约60度的角度Z的燃料喷射入口 142工作良好，用 以实现所期望的混合及目标NOx排放量。本领域的技术人员将认识到，可使用上述的许多 不同组合来实现所期望的混合及目标NOx排放量。例如，当在单个的管130中存在多个燃 料喷射入口 142时，如图6中所示，一些喷射入口可具有不同的喷射角Z，该喷射角Z例如随 凹进距离R而变化。作为另一实例，喷射角Z可随燃料喷射入口 142的直径Df而变化，或 随燃料喷射入口 142的直径Df和凹进距离R—起而变化。目的在于获得充分的混合，同时 保持管130的长度尽可能短，且在流体入口端134与流体出口端135之间具有低压降(即，小于大约5% )。 上述参数还可基于燃料成分、燃料温度、空气温度、压力以及对管130的内周壁 202和外周壁203进行的任何处理而变化。当燃料/空气混合物所流过的内周表面203不 论所使用的材料而磨得很光滑时，则性能会得到提高。同样可行的是，通过利用燃料、空气 或其它冷却剂进行冷却来保护喷嘴110、暴露于点火区150,250的端盖136,236以及单独的 管130。最后，端盖136，236可涂覆有陶瓷涂层或其它的高耐热层。 现参看图7，示出了在凹进式喷射喷嘴中混合高氢/合成气燃料的实例。具体而 言，当在非限制性实例中所示的燃料喷射入口 142的凹进距离R距流体出口 135有大约0.6 英寸至大约0.8英寸时，就实现了所期望的低NOx排放量(低于5卯m)和低喷嘴压力损失 (低于3%)的混合。如上文所述，凹进距离R可大致从比燃料喷射孔直径大大约1倍至大 约50倍而变化。如在所示的非限制性实施例中所看到，三个燃料喷射角示出为30度、60度 和90度，但如上文所述，燃料喷射角可大致在大约20度至大约90度的范围内变化。当燃 料/空气混合物到达流体出口 135时，燃料/空气混合度在喷射角Z为大约60度情况下为 大约80%，在喷射角Z为大约30度的情况下处于60%至70%之间，而在喷射角Z为90度 的情况下则燃料/空气混合度为大约50% 。 尽管仅结合了有限数量的实施例来详细描述本发明，但应当容易理解，本发明并 不限于这些公开的实施例。相反，本发明可进行修改，以结合任意数目的此前并未描述但与 本发明的精神和范围相匹配的变型、备选方案、替换方案或等效布置。此外，尽管已描述了 本发明的多种实施例，但应当理解，本发明的方面可仅包括所述实施例中的一些。因此，本 发明不应看作是由以上说明所限制，而是仅由所附权利要求的范围来限制。
权利要求
一种在燃料/空气混合管束(121)中使用的燃料/空气混合管(130)，包括沿管轴线(A)在入口端(134)与出口端(135)之间轴向地延伸的外管壁(201)，所述外管壁(201)具有在具有内径的内管表面(203)与具有外管直径的外管表面(202)之间延伸的厚度；具有延伸穿过所述外管壁(201)的燃料喷射孔(142)直径的至少一个燃料喷射孔(142)，所述燃料喷射孔(142)具有相对于所述管轴线(A)的喷射角，所述喷射角在大约20度至大约90度的范围内；在所述燃料喷射孔(142)与所述出口端(135)之间沿所述管轴线(A)延伸的凹进距离，所述凹进距离比所述燃料喷射孔直径大大约5倍至大约100倍。
2. 根据权利要求l所述的燃料/空气混合管(130)，其特征在于，所述凹进距离等于或 小于大约1. 5英寸，以及所述管直径在大约0. 05英寸至大约0. 3英寸的范围内。
3. 根据权利要求l所述的燃料/空气混合管(130)，其特征在于，所述凹进距离在大约 0. 3英寸至大约1英寸的范围内，以及所述管直径在大约0. 05英寸至大约0. 3英寸的范围 内。
4. 根据权利要求3所述的燃料/空气混合管(130)，其特征在于，所述至少一个燃料喷 射孔(142)的燃料喷射孔(142)直径等于或小于大约0.03英寸。
5. 根据权利要求l所述的燃料/空气混合管(130)，其特征在于，所述喷射角为大约50 度至大约60度。
6. 根据权利要求l所述的燃料/空气混合管(130)，其特征在于，所述燃料/空气混合 管(130)包括具有多个燃料喷射孔(142)直径的多个燃料喷射孔(142)。
7. 根据权利要求l所述的燃料/空气混合管(130)，其特征在于，所述燃料/空气混合 管(130)包括具有多个燃料喷射孔(142)角度的多个燃料喷射孔(142)。
8. 根据权利要求7所述的燃料/空气混合管(130)，其特征在于，所述多个燃料喷射孔 (142)包括大约2个至大约8个燃料喷射孔(142)。
全文摘要
本发明涉及预混合式直接喷射喷嘴。提供了一种在燃料/空气混合管束(121)中使用的燃料/空气混合管(130)，其包括沿管轴线在入口端(134)与出口端(135)之间轴向地延伸的外管壁(201)，该外管壁(201)具有在具有内径的内管表面(203)与具有外管直径的外管表面(202)之间延伸的厚度。管(130)还包括具有延伸穿过外管壁(201)的燃料喷射孔(142)直径的至少一个燃料喷射孔，该燃料喷射孔(142)具有相对于管轴线的喷射角。本发明提供了良好的燃料空气混合(130)，且燃烧产生较少的NOx以及低的流动压力损失转变成较高的燃气涡轮机(30)效率，本发明较为耐用，且可耐受火焰稳定和抗逆燃。
文档编号F23D14/64GK101793400SQ200910258618
公开日2010年8月4日 申请日期2009年12月4日 优先权日2009年2月4日
发明者B·P·莱西, J·H·乌, T·E·约翰逊, W·D·约克, W·S·齐明斯基, 左柏芳 申请人:通用电气公司