专利名称：用于预混合燃料喷嘴的可插入的预钻孔的旋流叶片的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括燃料/空气预混合器的燃气轮机中的燃料喷嘴，且更具体地讲， 涉及包括可独立地插入的预钻孔的旋流叶片的燃料喷嘴。
背景技术：
典型的工业燃气轮机预混合燃料喷嘴可采用铸造旋流叶片组件，其中使用圆形排 列的成形空心叶片来旋动进气。空心叶片还用作燃料输送通道，其中各个叶片设有钻入侧 面中的几个气体端口孔，燃料通过气体端口孔喷射到经过的空气流中。燃气轮机制造商目前潜心于研究和工程计划，以产生将高效率地运行但不会产生 不合需要的空气污染排放的新的燃气轮机。由燃烧传统的碳氢化合物燃料的燃气轮机通常 所产生的主要的空气污染排放为氮的氧化物、一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物。众所周知， 在吸气式发动机中的分子氮的氧化很大程度上取决于燃烧系统反应区中的最高热气温度。 形成氮的氧化物(NOx)的化学反应的速率是温度的指数函数。如果将燃烧室热气的温度控 制到足够低的水平，将不会产生热NOx。将热力发动机燃烧器的反应区的温度控制到形成热 NOx所处的水平以下的现有方法，是在燃烧之前将燃料和空气预混合成贫混合物。存在于贫 预混合燃烧器的反应区中的多余空气的热质量会降低反应区中的峰值温度，以将热NOx的 形成减到最小。图1示出了旋流喷嘴型旋流叶片组件，其在美国专利NO. 6，438，961中有所描述。 预混合燃料喷嘴按功能分成四个区，包括进入流动调节器、具有天然气燃料喷射的空气旋 流器组件、环形的燃料空气混合通道和中心扩散焰天然气燃料喷嘴组件。进入流动调节器 的功能是为进入预混合器中而准备空气流速分配。在燃烧空气离开进入流动调节器之后， 燃烧空气就进入旋流喷嘴组件2。旋流喷嘴组件包括由一系列的气翼形转动叶片23连接的 护罩202和毂201，气翼形转动叶片23为穿过预混合器的燃烧空气赋予旋流。各个转动叶 片23包含主天然气燃料供应通道21，且还可包含通过气翼的芯部的辅天然气燃料供应通 道22。这些燃料通道将天然气燃料分配到主气体燃料喷射孔，且可选地分配到穿透气翼的 壁的辅气体燃料喷射孔。燃料喷射孔可位于转动叶片23的压力侧、吸力侧或两侧上。天然 气燃料通过进入端口和环形通道进入旋流喷嘴组件2，进入端口和环形通道分别供给主转 动叶片通道和(可选地)辅转动叶片通道。天然气燃料在旋流喷嘴组件2中开始与燃烧空 气混合，且燃料/空气混合在环形通道中完成，环形通道由旋流喷嘴毂伸出部和旋流喷嘴 护罩伸出部形成。在离开环形通道之后，燃料/空气混合物进入燃烧器反应区，在燃烧器反 应区中进行燃烧。存在与现有设计相关联的许多问题。使用流动试验来测量当前构造的气体端口 孔口的有效开口面积，且在已钻好这些孔口之后执行流动试验。如果气体端口打开面积太 大，就没有方法来修理和修改该部件，以改正此面积，且从而必须丢弃昂贵的部件。另外，当 前的流动试验可评估整个燃料喷嘴的燃料回路面积，但不能评估燃料流中的叶片_叶片变 化。因为NOx排放受高燃料-空气比的局部区的强烈影响，所以合乎需要的是提供尽可能均勻的燃料-空气混合物。燃料喷嘴气体端口直径大小设置成以便容纳特定范围的燃料成分和温度。工作燃 料温度或燃料比重的改变可能会要求改变气体端口孔口的大小，以保持燃气轮机的适当运 行。但是，如所注意到的，不能容易地或廉价地实现这些改变。当前的燃料喷嘴设计在所有 的旋流叶片中采用一致的气体端口直径和位置。随着燃烧系统分析方法和系统性能的继续 发展，可通过在单个燃料喷嘴内使用变化的气体端口位置和/或直径来产生益处。对于现 有技术的设计，在不显著地重新构造喷嘴的情况下改变气体端口位置和/或直径是不可能 的。流场分析已示出在相邻的燃料喷嘴中使用逆转旋流可提供燃烧系统的运行和/ 或性能益处。但是，现有技术的燃料喷嘴旋流器铸件的复杂性需要昂贵的加工，且从而使得 非常难以采用逆转叶片构造。更进一步，现有技术设计中的原型燃料喷嘴制造成本高且耗时。在现有技术的设 计中，旋流叶片与旋流叶片铸件是成整体的，这极大地限制了修改原型硬件以优化燃料输 送和混合的能力。期望的是提供一种解决现有技术的结构中的这些缺陷的设计。
发明内容
在一个示例性实施例中，旋流叶片可独立地连接到燃气轮机的中心毂组件上。旋 流叶片包括结构主体、包括限定在结构主体内的对应的至少一个燃料端口的至少一个燃 料输送通道，以及可与结构主体协作且可连接到中心毂组件上的至少一个连接突出部。在另一个示例性实施例中，用于燃气轮机的预混合燃料喷嘴包括中心毂组件和成 环形排列的、连接到中心毂组件上的多个可独立地连接的旋流叶片。在又一个示例性实施例中，组装用于燃气轮机的预混合燃料喷嘴的方法包括步骤(a)将多个旋流叶片制备成各自包括结构主体、包括限定在结构主体内的对应的至少一 个燃料端口的至少一个燃料输送通道，以及可与结构主体协作的至少一个连接突出部；以 及(b)将多个旋流叶片独立地固定到预混合燃料喷嘴的中心毂组件上。
图1显示了现有技术的旋流喷嘴型旋流叶片组件；图2是可独立地插入的预钻孔的旋流叶片的透视图；以及图3是可独立地插入的预钻孔的旋流叶片和匹配的旋流毂组件的侧视图和顶视 图，以及旋流器毂组件的剖面图。部件列表旋流喷嘴组件
2毂 201护罩 202转动叶片 23主天然气燃料供应通道21辅天然气燃料供应通道 22中心毂组件 32可独立地连接的旋流叶片 34大体空心的结构主体 36燃料输送通道38燃料/气体端口 40连接突出部 42槽道4具体实施例方式图2和3描绘了显示燃气轮机的中心毂组件32和可独立地连接的旋流叶片34的 局部装配图。虽然仅显示了单个示例性叶片，但是其代表了多个叶片。示例性旋流叶片34包括大体空心的结构主体36，结构主体36包括至少一个燃料输送通道38和限定在该结构 主体36内的对应的至少一个燃料端口 40。气体端口 40可为圆形或非圆形的，且可使用钻 孔、放电加工(EDM)或任何其它已知的工艺来形成。气体端口可形成于叶片的吸力侧或压 力侧其中任一者上，或形成于两者上，且可相对于叶片的表面垂直或倾斜。优选地，结构主体36包括多个燃料输送通道38和对应的燃料端口 40。至少一个 连接突出部42可与结构主体36协作，且可连接到中心毂组件32中的对应的槽道44上。
在安装到中心毂组件32中之前，将可独立地连接的旋流叶片34的燃料通道和端 口 38、40钻好或加工好。通过在安装之前预先形成燃料通道和端口 38、40，可单独对各个旋 流叶片34进行流动试验，以确保燃料回路有效流动面积符合设计目的。也就是说，可使用 流动试验来调节单独的叶片34，以确保适当的流动特性。然后将可独立地连接的旋流叶片 34插入中心毂组件32中，且通过连接突出部42和对应的槽道44将该旋流叶片34钎焊、锻 造、焊接或使用任何其它已知的工艺连接就位。由于单独地流动试验过的叶片34，完成的叶 片组件必定会自动地满足设计目的。因为叶片34是单独地进行流动试验的，而不是将整个组件作为单元来测试的，所 以可直接测量叶片_叶片变化，且更容易控制叶片_叶片变化。此外，可插入的旋流叶片34 提供相对容易的方式来针对燃料成分的变化重新设置燃料喷嘴的大小。在一种示例性应用 中，可以机械加工的方式将叶片34从中心毂组件32上取下，且用大小重新设置过的旋流叶 片来代替它，而不是更换整个燃料喷嘴。可以顺时针旋转定向和逆时针旋转定向两者来铸造或加工叶片34，以允许容易地 使用逆转旋流。用于单独的叶片的铸造加工更加价廉，且需要较少的制造时间。更进一步， 可插入的旋流叶片34有利于测试备选的构思，因为可更加迅速且以较低成本制造叶片。可将同步(clocking)特征结合到燃料喷嘴底座中，从而使得燃料喷嘴仅可相对 于燃料器衬套以一种定向安装；此特征将确保各个旋流叶片的位置相对于衬套内部的燃烧 流场固定。通过在燃料喷嘴的底座上结合同步特征(从而其相对于燃烧衬套的定向是已知 的)，可行的是使用具有变化的孔口直径和/或位置的旋流叶片来将改进的燃料_空气分布 输送到燃烧器中。对单独的叶片上的气体端口位置的改进的接近性，使得在叶片之间改变 气体端口定向更容易和更廉价。在所示实施例中，旋流器组件护罩可为单独的实体，而非旋流器组件的整体部分。通过在燃料喷嘴设计中结合相对于燃烧器以独特的定向定位燃料喷嘴的特征，可 插入的旋流叶片34可用来以非对称的、优选地定向的方式输送燃料。燃烧器内部流场的分 析可表明富燃料区或贫燃料区，通过在预混合组件的一些区段中对旋流叶片装备较大或较 小的端口，可使富燃料区或贫燃料区更均勻。因为各个旋流叶片的流动面积在组装之前是 已知的，所以可调节预混合组件内部的燃料-空气分布，以便将较富或较贫的混合物输送 到燃烧器的不同的区中。利用可单独地连接的旋流叶片，可缩短燃料喷嘴制造时间和原型硬件获得时间。 此外，独立的叶片会提供较大的设计柔性。气体端口孔可比在单个叶片铸件中更容易地钻 入单独的叶片中，因为对叶片的侧面的接近未受到阻碍。此外，由于用于钻孔的工具较不复 杂，所以有更大的灵活性在组件中不同叶片之间使用变化的气体端口构造。这种变化在燃 烧系统可操作性和排放方面提供潜在的优点，这可实现燃气轮机性能改进。
虽然已经结合目前被认为是最实用和优选的实施例的内容描述了本发明，但要理 解的是，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，本发明意图覆盖包括在所附权利要求书的精神和范围内的多种修改和等效布置。
权利要求
一种可独立地连接到燃气轮机的中心毂组件(32)上的旋流叶片，所述旋流叶片包括结构主体(36)；包括限定在所述结构主体内的对应的至少一个燃料端口(40)的至少一个燃料输送通道(38)；以及可与所述结构主体协作且可连接到所述中心毂组件上的至少一个连接突出部(42)。
2.根据权利要求1所述的旋流叶片，其特征在于，所述旋流叶片包括多个燃料输送通 道(38)和对应的多个燃料端口(40)。
3.根据权利要求1所述的旋流叶片，其特征在于，在连接到所述中心毂组件(32)上之 前，对所述旋流叶片进行流动试验。
4.一种组装用于燃气轮机的预混合燃料喷嘴的方法，所述方法包括(a)将多个旋流叶片制备成各自包括结构主体(36)，包括限定在所述结构主体内的 对应的至少一个燃料端口(40)的至少一个燃料输送通道(38)，以及可与所述结构主体协 作的至少一个连接突出部(42)；和(b)将所述多个旋流叶片独立地固定到所述预混合燃料喷嘴的中心毂组件(32)上。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过在步骤(b)之前在所述结构主体 (36)中钻削或加工所述至少一个燃料端口(40)来执行步骤(a)。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过在步骤(b)之前单独地对所述多个旋 流叶片中的各个进行流动试验来执行步骤(a)，以确保燃料回路有效流动面积符合预定标 准。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括通过用多个大小不 同的旋流叶片代替所述多个旋流叶片来重新设置所述预混合燃料喷嘴的大小。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过以顺时针定向和逆时针定向两者单 独地铸造或加工所述多个旋流叶片来执行步骤(a)。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过根据预定的流动特性来单独地调节 所述多个旋流叶片中的各个来执行步骤(a)。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过将所述多个旋流叶片中的各个的所 述连接突出部(42)钎焊、锻造或焊接到所述中心毂组件(32)上来执行步骤(b)。
全文摘要
本发明涉及用于预混合燃料喷嘴的可插入的预钻孔的旋流叶片。一种可独立地连接到燃气轮机的中心毂组件上的旋流叶片。该旋流叶片包括结构主体(36)和包括限定在结构主体内的对应的至少一个燃料端口(40)的至少一个燃料输送通道(38)。至少一个连接突出部(42)可与结构主体协作且可连接到中心毂组件上。
文档编号F23D14/48GK101818897SQ20101011852
公开日2010年9月1日 申请日期2010年1月21日 优先权日2009年1月21日
发明者G·D·迈尔斯, S·R·托马斯, S·西蒙斯 申请人:通用电气公司