专利名称：分级多管式预混合喷射器的制作方法
分级多管式预混合喷射器
联邦研究声明
本发明是在政府的支持下并且按照由能源部授予的政府合同 #DE-FC26-05NT42643而做出的。政府在本发明中有一定的权利。技术领域
在本文中公开的主题涉及用于涡轮发动机的燃料喷射器。
技术背景
燃气涡轮发动机可使用许多不同类型的燃料运行，包括天然气和其它碳氢燃料。 其它燃料(比方说，例如氢(H2)以及氢与氮的混合物)可在燃气涡轮机中燃烧，并且可提 供一氧化碳和二氧化碳的排放的降低。
氢燃料常比天然气燃料具有更高的反应率，造成氢燃料更容易燃烧。因此，为与天 然气燃料一起使用而设计的燃料喷嘴可能并不充分兼容与具有更高的反应率的燃料的使 用。同时，为高反应率的燃料而设计的燃料喷嘴可能被优化而提供对于天然气燃料的低排 放水平。发明内容
根据本发明的一个方面，燃料喷射喷嘴包括主体部件，该主体部件具有与下游壁 相对的上游壁；布置在上游壁和下游壁之间的内壁；部分地由上游壁的内表面和内壁的表 面限定的第一室；部分地由下游壁的内表面和内壁的表面限定的第二室；与第一室连通的 第一气体入口，其可操作以将第一气体排入第一室；与第二室连通的第二气体入口，其可操 作以将第二气体排入第二室；以及多个混合管。各个混合管均具有管内表面；管外表面；与 在上游壁中的孔连通的第一入口，其可操作以接收第三气体；与管外表面和管内表面连通 的第二入口，其可操作以将第一气体传送入混合管；与管外表面和管内表面连通的第三入 口，其可操作以将第二气体传送入混合管；可操作以将第一气体、第二气体及第三气体混合 的混合部分；以及与在下游壁中的孔连通的出口，其可操作以排出混合的第一、第二及第三 气体。
根据本发明的另一方面，燃料喷射系统包括第一气体源、第二气体源、空气源、燃 料喷射喷嘴。该燃料喷射喷嘴具有主体部件，该主体部件具有与下游壁相对的上游壁；布置 在上游壁和下游壁之间的内壁；部分地由上游壁的内表面和内壁的表面限定的第一室；部 分地由下游壁的内表面和内壁的表面限定的第二室；与第一室和第一气体源连通的第一气 体入口，其可操作以将第一气体排入第一室；与第二室和第二气体源连通的第二气体入口， 其可操作以将第二气体排入第二室；以及多个混合管。各个混合管均具有管内表面；管外 表面；与在上游壁中的孔连通的第一入口，其可操作以从空气源接收第三气体；与管外表 面和管内表面连通的第二入口，其可操作以将第一气体传送入混合管；与管外表面和管内 表面连通的第三入口，其可操作以将第二气体传送入混合管；可操作以将第一气体、第二气3体及第三气体混合的混合部分；与在下游壁中的孔连通的出口，其可操作以排出混合的第一、第二及第三气体。
根据本发明的又一个方面，燃气涡轮发动机系统包括燃烧器部分和燃料喷射喷 嘴，燃料喷射喷嘴具有主体部件，该主体部件具有与下游壁相对的上游壁；布置在上游壁和 下游壁之间的内壁；部分地由上游壁的内表面和内壁的表面限定的第一室；部分地由下游 壁的内表面和内壁的表面限定的第二室；与第一室和第一气体源连通的第一气体入口，其 可操作以将第一气体排入第一室；与第二室和第二气体源连通的第二气体入口，其可操作 以将第二气体排入第二室；以及多个混合管。各个混合管均具有管内表面；管外表面；与在 上游壁中的孔连通的第一入口，其可操作以从空气源接收第三气体；与管外表面和管内表 面连通的第二入口，其可操作以将第一气体传送入混合管；与管外表面和管内表面连通的 第三入口，其可操作以将第二气体传送入混合管；可操作以将第一气体、第二气体及第三气 体混合的混合部分；与在下游壁中的孔连通的出口可操作以将混合的第一、第二及第三气 体排入燃烧器部分。
根据联系附图的以下描述，这些和其它优点及特征将变得更清楚。
在说明书所附的权利要求书中特别指出并且清楚地要求保护被认为是本发明的 主题。根据联系附图的以下详细描述，本发明的前述和其它特征和优点会清楚，在其中
图1是示例性实施例的多管式燃料喷嘴的一部分的局部剖面透视图。
图2是图1的多管式燃料喷嘴的一部分的剖面侧视图。
该详细说明通过参考附图的示例解释了本发明的实施例及优点和特征。
部件列表
100燃料喷嘴
101 箭头
102主体部件
104上游壁
105 箭头
106下游壁
107 内壁
108隔板部件
110上游室
112下游室
114混合管
116 入口
118 入口
120第二气体腔
122燃烧器部分
124反应区域
1 第一气体室
128第二气体室
130第一燃料腔
201中心轴线
202第一气体源
204第二气体源
330 角度
331 角度具体实施方式
燃气涡轮发动机可使用各种燃料进行操作。例如天然气(NG)和合成气体(合成 气)的使用提供了燃料成本的节约，并且减少了碳和其它不希望的排放。一些燃气涡轮发 动机将燃料喷入燃烧器，燃料在燃烧器中与空气流混合并且被点燃。在燃烧器中混合燃料 和空气的一个缺点是混合物在燃烧前可能并没有混合均勻。不均勻的燃料空气混合物的燃 烧可导致混合物的某些部分在比混合物的其它部分更高的温度下燃烧。局部更高的火焰温 度可驱使例如NOx的不希望的污染物的更高的排放。
克服在燃烧器中的不均勻的燃料/空气混合物的一个方法包括在将混合物喷入 燃烧器前混合燃料和空气。该方法例如由多管式燃料喷嘴执行。使用多管式燃料喷嘴以 混合例如天然气和空气，允许燃料和空气的均勻混合物在混合物的点燃之前被喷入燃烧器 中。作为燃料使用的氢气(H2)、合成气以及氢与例如氮气的混合物提供了从燃气涡轮机排 出的污染物的进一步的减少。
图1图示了示例性实施例的多管式燃料喷嘴100(喷射器)的一部分的局部剖面 透视图。喷射器100包括主体部件102，该主体部件102具有上游壁104、内壁107、下游壁 106。上游壁104和内壁107限定第一气体室126。隔板部件108布置在主体部件102中， 并且限定第二气体室1 的上游室110和下游室112。多个混合管114布置在主体部件102 中。混合管114包括在第一气体室1 和混合管114的内壁之间连通的入口 118以及在上 游室110和混合管114的内表面之间连通的入口 116。
在运行中，空气沿着由箭头101指示的路径流动。空气经由上游壁104中的孔进 入混合管114。第一气体(比方说，例如天然气、合成气、氢气、空气、惰性气体或气体的混合 物)沿着由箭头105指示的路径流动穿过第一燃料腔130。该第一气体在第一气体室1 中进入主体部件102。第一气体从第一气体室126的中心径向向外流动。第一气体进入入 口 118并且流入混合管114。第二气体(比方说，例如天然气、合成气、氢气、空气、惰性气 体或气体的混合物)沿着由箭头103指示的路径流动穿过第二气体腔120，进入第二气体 室128。第二气体在下游室112中进入主体部件102。第二气体从下游室112的中心径向 向外流动并且进入上游室110。第二气体进入入口 116并且流入混合管114。第一气体、第 二气体和空气在混合管114中混合并且作为燃料空气混合物从混合管被排入涡轮发动机 的燃烧器部分122。燃料空气混合物在燃烧器部分122的反应区域124中燃烧。
图2图示了喷射器100的一部分的剖面侧视图，并且将进一步图示喷射器100的 运行。第一气体流由箭头105显示。第一气体(来自第一气体源20 沿着平行于喷射器 100的中心轴线201的路径经由第一气体腔130进入第一气体室126。第一气体流穿过入口 118进入混合管114，并且在混合管114中与空气(由箭头101所示)混合。在该图示的 实施例中，入口 118可相对于轴向方向成角度，以促进燃料以在20到90度之间的角度330 喷射。第二气体流由箭头103所示。第二气体(来自第二气体源204)沿着平行于喷射器 100的中心轴线201的路径进入下游室112。当第二气体进入下游室112时，第二气体从中 心轴线201径向向外流动。该第二气体在经过隔板部件108的外唇之后流入上游室110。 第二气体流过上游室110，进入入口 116，并且流进混合管114。在该图示的实施例中，该入 口 116可相对于轴向方向成角度，以促进燃料以在20到90度之间的角度331喷射。燃料 空气混合在混合管114中在入口 116的下游处产生。第二气体可比空气更冷。第二气体在 下游室112中环绕混合管114的表面的流动冷却混合管114，并且帮助防止燃料空气混合物 在混合管114内点燃或持续燃烧。该图示的实施例包括第三燃料源206，其可在进入喷嘴 100之前与空气混合。例如，第三燃料源可包括天然气，使得空气在进入混合管114之前被 混合成包括10% -20%的天然气。
该图示的实施例包括上游室110和下游室112。其它实施例可包括以相似方式排 列的任何数量的另外的室。
虽然仅联系有限数量的实施例对本发明进行描述，但应该容易理解的是本发明并 不限于这些公开的实施例。相反，可更改本发明以结合迄今为止未描述但与本发明的精神 和范围相称的任何数量的变型、变更、替代或等同装置。另外，虽然已经描述了本发明的各 种实施例，但应该理解的是本发明的各个方面可仅包括一些所述的实施例。因此，本发明不 应视为由前述说明限制，而是仅由所附权利要求书的范围限制。
权利要求
1.一种燃料喷射喷嘴(100)，包括主体部件(102)，其具有与下游壁(106)相对的上游壁(104)，以及设置在所述上游壁 (104)和所述下游壁(106)之间的内壁(107)；第一室(1 )，其部分地由所述上游壁(104)的内表面和所述内壁(107)的表面限定；第二室(1 )，其部分地由所述下游壁(106)的内表面和所述内壁(107)的表面限定；与所述第一室(126)连通的第一气体入口(103)，其可操作以将第一气体排入所述第 一室(128)；与所述第二室(128)连通的第二气体入口(105)，其可操作以将第二气体排入所述第 二室(128)；以及多个混合管(114)，所述混合管(114)的每一个均具有管内表面；管外表面；与在所述 上游壁(104)中的孔连通的第一入口，其可操作以接收第三气体；与所述管外表面和所述 管内表面连通的第二入口(116)，其可操作以将所述第一气体送入所述混合管(114)；与所 述管外表面和所述管内表面连通的第三入口(118)，其可操作以将所述第二气体送入所述 混合管(114)；可操作以混合所述第一气体、所述第二气体及所述第三气体的混合部分；以 及与在所述下游壁中的孔连通的出口，其可操作以排出混合的第一气体、第二气体及第三 气体。
2.根据权利要求1所述的燃料喷射喷嘴，其特征在于，所述燃料喷射喷嘴还包括设置 在所述第二室(1 )中的隔板部件(108)。
3.根据权利要求1所述的燃料喷射喷嘴，其特征在于，所述喷嘴限定了由所述第一气 体入口、所述第一室(126)及所述第二入口(116)限定的第一气体流路径。
4.根据权利要求1所述的燃料喷射喷嘴，其特征在于，所述喷嘴限定了由所述第二气 体入口、所述第二室(128)及所述第三入口(118)限定的第二气体流路径。
5.根据权利要求1所述的燃料喷射喷嘴，其特征在于，各个混合管(114)限定了空气流 路径。
6.根据权利要求1所述的燃料喷射喷嘴，其特征在于，所述主体部件(10 是具有平行 于所述第三气体的流的居中的纵向轴线的管状物。
7.根据权利要求1所述的燃料喷射喷嘴，其特征在于，所述第一气体是燃料。
8.根据权利要求1所述的燃料喷射喷嘴，其特征在于，所述第二气体是燃料。
9.根据权利要求1所述的燃料喷射喷嘴，其特征在于，所述第三气体包括空气。
全文摘要
本发明涉及分级多管式预混合喷射器，具体而言，一种用于产生动力的系统(100)包括可操作以输出排放气体(103)的发动机(102)、可操作以从排放气体(103)中移除二氧化碳(CO2)(105)并且输出CO2(105)的碳捕获机构(104)、以及可操作以接收CO2(105)并且输出冷却发动机(102)构件的压缩的CO2(105)的压缩机(204)。
文档编号F23D14/64GK102032576SQ201010254928
公开日2011年4月27日 申请日期2010年8月6日 优先权日2009年10月8日
发明者A·R·罕, W·D·约克, W·S·齐明斯基, 左柏芳 申请人:通用电气公司