具有同轴燃料-空气通道的逆流喷射机构的制作方法

专利名称：具有同轴燃料-空气通道的逆流喷射机构的制作方法
具有同轴燃料一空气通道的逆流喷射机构背景技术希望在这一部分向读者介绍可能与下面描述和/或要求的本发明的各方面 相关的技术的各个方面。相信这一讨论有助于向读者提供背景信息，从而使读 者对本发明的各个方面有更好的理解。因此，阅读这些说明时应了解，它们只由此而论，而不认为^t现有技术的认可。 燃烧机，例如燃气轮机，会产生各种污染排放物。例如，污染排放物通常包括碳氧化物(C0x)、氮氧化物(N0x)、硫氧化物(S0x)和颗粒物质(PM)。 在美国和其他地方这些污染排放物受到严格控制。燃气轮机排出的N0x可以通 过预混燃料和空气来减少。遗憾的是，预混会产生难于使其停止的不稳定火焰， 并且现今最好的预混系统也不育站到N0x的排放指标。另一种方法^i51喷射 氨进行的N0x选择性催化还原(SCR)。遗憾的是，SCR方法的忠本相对较高。因此，需要一种M^ 燃气轮机燃烧器的污染物排放，例如N0x排放的d爐 技术。发明内容下面阐述与原始要求的发明范围相应的一些方面。应了解，介绍这些方面 仅仅为了向读者提供本发明可兽採取的一些形式的简要概括，并不希望这些方 面限制本发明的范围。当然，本发明可以包含可能在下面没有阐述的多种方面。根据一些的实施例， 一种系统包括燃料一空气喷射机构，所述燃料一空气 喷射机构包括通向燃料和空气喷射口的同轴的燃料和空气通道，燃料和空气喷 射口被设置在偏离燃气轮机燃烧器轴线的位置，并且燃料和空气喷射口的喷射 方向被定位成不与从燃气轮机燃烧器流向透平机的气流成一条直线的方向。根据其它的实施例，系统包括燃气轮机燃烧器，所述的燃气轮机燃烧器包 括燃烧器衬套，所述的燃烧器衬套具有从滞流区延伸至透平喷嘴的大体纵向的 流动轴。燃气轮机燃烧器还具有逆流燃料一空气喷射器，所述的逆流Jt料一空 气喷射器设置在燃烧器衬套的一个或多个中间位置，位于滞流区和透平喷嘴之 间。所述的逆流燃料一空气喷射器包括同轴的燃料和空气通道，所述的燃料和空气鹏延伸至燃料和空气喷射口 ，并且不与从滞流区至隨平喷嘴的流动方向 成一条直线。根据更进一步的实施例， 一种方法包括在相对于从滞流区到燃气轮机燃 烧器的透平喷嘴的大体纵向流动轴成大体逆流的方向上，燃料和空气朝逆流燃 料一空气喷射器同轴流动。上述特征的各种细化存在于本发明的不同方面。更多的^T征也可以结合 到这些不同方面中。这些细化和附加的特征可以单独或以任何组合形式存在。 例如，与一个或多个所示实施例相关的下述各种特征可以单独或以任何组合形 式结合到本发明的任何上述方面中。其次，上述简要概括仅仅意在让读者熟悉 本发明的一些方面和范围，而不限制所要求的主题。


通过参考附图来阅读下面的详细说明书时，将对本发明的这些和其他特 征、方面和优点有更好的理解，其中所有附图中的相同标记^相同的部件， 其中图1是根据本技术的一些实施例的，具有与负荷连接的燃气轮机的典型 系统的结构图；图2是图1所示燃气轮机的典3^M烧器的纵向简图，进一步描述了根据 本技术的一些实施例的，具有多个沿燃烧器实心内壳成圆周布置的燃阵空气喷射凸角的逆流喷射装置；图3是图2所示燃烧器实施例的横向简图，进一步描述了布置在沿实心 内壳圆周的多个径向位置的多个Jt^l"空气喷射凸角；图4是图1和2所示燃烧器的替代实施例的纵向简图，进一步描述了具 有沿燃烧器实心内壳成圆周布置的径向排歹啲辨燃棒空气喷射区域；图5是图1和2所示燃烧器的替代实施例的纵向简图，进一步描述了具 有沿燃烧器实心内壳成圆周布置的径向排列的向内悬臂 阵空气喷射元件的 逆流喷射机构，其中每一个向内悬臂式燃阵空气喷射元件具有多个定位成大体 纵向且相对于燃烧器纵向流动轴皿流的同轴燃茅车空气口 ；图6是图5所示燃烧器的实施例的横向简图，进一步描述了设置在沿实 心内壳圆周的多个径向位置上的径向排列的向内悬臂式燃棒空气喷射元件-，图7是一个图5所示向内悬臂式燃茅丰空气喷射元件的实施例的横剖面视图，进一步描述了大体纵向且相对于燃烧器纵向流动轴成逆流的燃料和空气同 轴流；图8是图5所示燃烧器的替代实施例的纵向简图，其中每一个向内悬臂 ^M阵空气喷射元件进一步包括多个定位成大体横向且相对于燃烧器纵向流动 轴皿流的同轴燃茅丰空气口。图9是图8所示燃烧器的实施例的横向简图，进一步描述了设置在沿实 心内壳圆周的多个径向位置上的径向排列的向内悬臂式燃茅冬空气喷射元件；图10是一个图8所示向内悬臂式燃阵空气喷射元件的实施例的横剖面视 图，进一步描述了大体纵向且相对于燃烧器纵向流动轴成逆流的燃料和空气同 轴流，还描述了处于大体横向的两个相对方向上且相对于"燃烧器纵向流动轴成 逆流的燃料和空气同轴流；图11是图1所示燃烧器的另一实施例的纵向简图，进一步描述了具有设 置在透平喷嘴处或附近的^烧器实心内壳上的单向内悬臂式燃半丰空气喷射元 件，其中向内悬臂，茅冬空气喷射元件具有多个定位成大体纵向且相对于燃烧 器纵向流动轴成逆流的同轴燃阵空气口 ；图12是根据本技术的一些实施例的，具有在相同纵向或轴向上的同轴燃 料和空气流的典型燃阵空气喷射器的示意亂图13是具有同轴燃料和空气流的燃棒空气喷射器替代实施例的示意图， 其中燃料流相对于空气流改向至帳向或向外的径向方向上；图14是具有中心轴空气流和相对于空气流指向横向或向外的径向方向的 外部燃料流的燃阵空气喷射器的另一替代实施例；以及图15是具有同轴燃料和空气流且包括用于燃料和空气流的旋流装置的燃 半丰空气喷射器的另一替代实施例的图。
具体实施方式
下面将描述本发明的一个或多个具体实施例。为了能尽力提供这些实施 例的简要说明，在说明书中不会描述实际实施的所有特征。应了解，在任何这 样的实际实施的发展中，如在任何工程或设计项目中，很多具体实施的决定的 做出必须是为了实现开发者的特殊目的，例如适应相关系统和相关商业的制 约，当然一个与另一个实施的目的可能是不同的。此外，应了解，这样的发展 i找lj可能是复杂和耗时的，但是对于那些受益于本公开的普通技术人员来说，将仍然是一个常规的设计、制造和生产任务。图1是示范性系统10的结构图，其包括用于根据本技术的一些实施例的 应用14的燃气轮机12。在一些实施例中，系统10可以包括飞机、船、机车、 发电系统或其组合。因此，应用14可以包括发电机、推进器或其组合。所示燃气轮机12包括空气iftA段16、压縮机18、燃烧器段20、透平22和排出段 24。透平22通过轴26传动地连接于压縮机18。如下面进一步详细讨论的，所 披露的燃烧器段20实施例包括各种逆流燃科空气喷射装置，它们有助于燃烧 器段内燃料、空气和热;)t烧产物的混合。更具体的，所披露的逆流燃f冬空气喷 射装置同时在通常与通过燃气轮机12，尤其是燃烧器段20的总么鞭向或反向 的一个或多个方向上喷射燃料和空气。如箭头所指，空气穿过iSA段16并流入压缩机18，从而在进入燃烧器段 20之前被压縮。所示燃烧器段20包括围绕轴26同心或环状设置在压缩机18 和透平22之间的燃烧默卜壳28。在燃烧默卜壳28内部，燃烧器段20包括设 置在围绕轴26的圆形或环形构造的多个径向位置上的多个燃烧器30。如下面 进一步详细讨论的，来自压缩机18的压缩空气进入每一4^燃烧器30，随后与 各自燃烧器30内的燃料混合并燃烧，以驱动透平22。在一些实施例中，燃烧器30可以配置成多级燃烧器，其中燃料喷射劉立 于沿各自燃烧器30长度方向的不同级上。作为选择，燃烧器30可以配置成单 级燃烧器，其中燃料喷射器安置在单燃烧级或区内。在下面的讨论中，燃烧器 30描述成单级燃烧器，然而所披露的实施例也可以应用在本发明范围内的单级 或多级燃烧器。所披露的燃烧器30的实施例包括多个逆流燃禾小空气喷射装置，雜与穿 过燃烧器30的总流大体反向的一个或多个方向上喷射空气和燃料。例如，逆 流燃半冬空气喷射装置可以包括多个纵向指向的燃料-空气喷射器、横向指向的 燃茅4-空气喷射器或同时具有纵向和横向指向部分的倾斜燃茅4"空气喷射器。纵 向指向的燃粋空气喷射器通常可以是在燃烧器30的纵向上排列，而横向指向 的燃阵空气喷射器可以相对于燃烧器30的纵向流燕由线成横向、交叉或径向 排列。倾斜的燃阵空气喷射器可以相对于燃烧器30的纵向流动轴或内表面成 一锐角方向定位。该锐角方向通常包括或可以分解成纵向和横向的指向部分。 这些纵向、横向和锐角方向可以定义为逆流方向。如下面进一步详细讨论的，逆流燃半丰空气喷射装置在这些远离透平22的 逆流方向上将燃料和空气喷入燃烧器30的相对端，这样燃料和空气就在一停滞区内混合并;^烧。位于燃烧器30相对端的停滞区通常提高燃烧器30内火焰 的稳定性和固定性。随后热燃烧产物流^i^流燃半车空气喷射装置折向透平22。 此外，逆流燃阵空气喷射體有助于燃料和空气与热燃,物的混合。随后热 燃烧产物穿过喷嘴32流向透平22。这，燃烧产物驱动透平22，由ltkil过轴 26驱动压縮机18和应用14的负荷34。随后热燃烧产物经由排出段24排出。图2是图1所示燃烧器30的典型实施例的纵向简图，其中根据本技术的 一些实施例，燃烧器30包括逆流喷射装置50，逆流喷射装置50包括设置在围 乡免燃烧室衬套54内圆周的不同径向位置的多个燃禾冬空气喷射凸角52。所示燃 烧室衬套54包括被多 L外壳58包围的实心内壳56。也就是说，燃烧室衬套54 具有一中空的壁结构，其在内和外壳56和58之间有一通常连续的间隔。燃烧 室衬套54可以包括陶瓷、金属陶瓷或其他合适的材料。燃棒空气喷射凸角52 通常由实心内壳56形成，或连接于实心内壳56上。在所示实施例中，燃阵空 气喷射凸角轮52设置在围绕实心内壳56的多个径向位置上，并且相对于燃烧 器30中心纵轴62处于纵向位置60上。于是，所示燃烧器30配置成一单级燃 烧器。然而，；^烧器30的其他实施例可以具有相对于轴线62设置在多个纵向 位置上的燃丰丰空气喷射凸角52。所，流喷射装置50包括与空气喷射部件66相邻设置的燃料喷射部件 64。在一些实施例中，燃料和空气喷射部件64和66彼此紧靠布置。燃料喷射 部件64包括多个具有长形喷射尖端70的燃料喷射器68。空气喷射部件66包 括多个设置在围绕实心内壳56内圆周的不同径向位置的成锐角的空气通道 72。在一些实施例中，长形喷射尖端70可以紧靠空气通道72设置。例如，在 图2所示实施例中，长形喷射尖端70通常与空气通道72同轴或同心。长形喷 射尖端70和空气通道72贯穿位于围绕实心内壳56内圆周的不同径向位置的 凸角结构74。也就是说，每4^燃半车空气喷射凸角52包括设置在一个凸角结构 74中的一化形喷射尖端70和一个空气通道72。如所述，凸角结构74包括 位于位置60的纵向相对侧的凸起部76和凹进部78。在一些实施例中，每一个 凸角结构74具有通常成圆形或环形的构造(例如，近环形)，其中该几何皿 在凸起部76和凹进部74之间逐渐变化。在图2所示实施例中，各^Mf车空气喷射凸角52的长形喷射尖端70和空，道72定位在与穿过上面参考图1讨论的燃气f^几12的总流80大体相 反或反向的方向上。例如，长形喷射尖端70和空气通道72可以相对于燃烧器 30的轴线62成相应的角82和84设置。角82和84可以基本上相同或不同。 角82和84也可以在0和90度之间变化，这由燃烧室衬套54或其他因素决定。 例如，角82和84相对于轴线62或实心内壳56内表面成5、 10、 15、 20、 25、 30、 35、 40、 45、 50、 55、 60、 65、 70、 75、 80或85度角。而且，燃茅车空气 喷射凸角52的长形喷射尖端70和空气通道72可以以大術[聚的方式指向实 心内壳56的封闭后部88内的滞流区86。滞流区86通常，燃烧器30的封闭 后部88附近的火焰稳定性和固定性。在运行中，图2所示燃烧器30如箭头92所指的方向，经由多 L外壳58 内的孔90接收来自压縮机18的压缩空气。压縮空气穿过多孑L外壳58进入燃 烧室衬套54之后，停留在实心内壳56和多孔外壳58之间的环形空间。也就 是说，燃烧室衬套54具有由内壳和外壳56和58限定的中空壁，如中空的环 形或筒形壁。有利的是，燃烧室衬套54引导压縮空气如箭头94所指方向沿着 实心内壳56流向多个燃半车空气喷射凸角52。通过这种方法，空气流94在经 由空气通道72喷入燃烧器30内部之前帮助冷却了实心内壳56。在燃^空气喷射凸角52处，长形喷射尖端70伴随着空气通道72喷出的 空气流98喷射出燃料流96。在所示实施例中，燃料和空气流96和98彼此同 轴或同心。特别的，由于空气通道72内部长形喷射尖端70的同心或同轴构造， 空气流98与燃料流96同心设置。此外，长形喷射尖端70和空气通道72以相 应的角82和84设置，从而使得燃料和空气流96和98至少在初期以角度82 和84成汇聚方式流向轴线62和滞流区86。这样，燃半屮空气喷射凸角52的同 轴或同心构造以及合成流96和98有助于燃烧器30内燃阵空气的混合而不是 预混。此外，燃f冬空气喷射凸角52的汇聚关系有助于滞流区86内燃料和空气 的混合，如箭头100所指的流动/混合。如所述，流100包括向内指向轴线62 和向外指向实心内壳56的壁的U形流。也就是说，当流100以逆流方向,， 阵空气喷射凸角52流向封闭后部88时，流100通常以U形方式同时反向指 向轴线62和实心内壳56的壁。 一种對以的流动方式出现在下面讨论的其他实 施例中。燃禾丰空气混合物100在邻jfi^闭后部88的滞流区86中燃烧，滞流区86肖铕利地保持或固定火焰从而改善燃烧器30内火焰的稳定性。接着，热燃烧产物如箭头102所示从滞流区86沿燃烧器30纵向流至喷 嘴32。这样，热燃烧产物102就以与总流方向80大致相同的方向流过燃气轮 机12，而燃f冬空气喷射凸角52喷射的燃料和空气流96和98通常是逆流。此 外，逆流可以纵向、相对于轴线62或实心内壳56成横向或以具有纵向和横向 指向部分的锐角，指向滞流区86。如此，逆流喷射装置50促进了燃烧器30内 燃料和空气连同燃烧热产物的混合，从而改善了燃烧并减少了燃烧器30产生 的污染物排放(例如，NOx排放)。同样，凸角结构74使长形喷射尖端70和 空气通道72相对实心内壳56的内圆周略微偏移，由此1M料和空气流96和98 的喷射略微远离内圆周，从而改善了it料、空气和热燃,物的混合。图3是图2所示燃烧器30的实施例的横向简图，进一步根据本技术的一 些实施例，说明了处于围绕实心内壳56的多个径向位置110、 112、 114、 116、 118、 120、 122，和124上的逆流喷射装置50的燃茅丰空气喷射凸角52的径向 构造。如上面参考图2所讨论的，多个》燃料和空气喷射凸角52的燃料和空气 流96和98通常在滞流区86内部汇象于轴线62。在一些实施例中，燃料和空 气流96和98通常可以如虚线110、 112、 114、 116、 118、 120、 122和124所 指汇聚于中心，即轴线62。在其他实施例中，燃阵空气喷射凸角52可以以聚向轴线62的方式定位 成指向滞流区86，同时如虚线箭头126所示相对轴线62至少有一点偏心。由 于燃阵空气喷射凸角52的这种偏心的汇聚方式，燃料和空气流96和98可以 产生如虚线箭头128所示的旋流。在任何一种构造中，燃茅丰空气喷射凸角52 之间的汇聚关系有助于滞流区86内燃料和空气的混合(还有与热燃烧产物的 混合)。然而，滞流区86内旋流128的加入可以进一步舰燃烧器30内燃茅车 空气的混合和燃烧。在一些实施例中，燃茅冬空气喷射凸角52可以全部定位成 产生一个顺时针旋流或一个逆时针旋流。作为选择，燃半丰空气喷射凸角52可 以交错以同时产妇顷时针和逆时针旋流。例如，奇数燃f丰空气喷射凸角52 (例 如，在径向位置110、 114、 118和122)可以定位j^封顷时针旋流，同时偶 数f^l"空气喷射凸角52 (例如，在径向4立置112、 116、 120和124)可以配置 成产顿时针旋流。此外，所示燃烧器30的一些实施例可以在沿轴线62的多 个纵向位置上包括图3所示的燃f丰空气喷射凸角52的环形排列，例如在如上所述的多级燃烧器30内。图4是图1-3所示燃烧器30的替代实施例的纵向简图，其中根据本技术 的一些实施例，逆流喷射装置50包括径向排列或布置的齐平燃茅冬空气喷射区 域140。如所示，燃料和空气喷射部件64和68的长形喷射尖端70和空气通道 72延伸到与燃烧室衬套54的实心内壳56基本上齐平的位置。也就是说，长形 喷射尖端70和空气通道72凹入实心内壳56的内表面142，但是内壳56在长 形喷射尖端70和空气通道72附近并没有突起。这样，与图2和3所示燃阵空 气喷射凸角52相反，图4所示的径向排列的辨燃棒空气喷射区域140并不 伸入燃烧器30内部而超出实心内壳56。然而，在一些实施例中，长形喷射尖 端70可以定位成部分伸出实心内壳56的内表面142。作为选择，长形喷射尖 端70可以縮入空气通道72，如下面参考图12进一步详细说明和描述的。此外， 如图4所，流喷射装置50构造成以大術〔聚的方式引导;)t料和空气流96和 98逆着穿过燃气轮机12的总流80流向滞流区86。接着，热jt烧产物从滞流 区86，流经径向排列的，燃阵空气喷射区域140，再经由喷嘴32流出燃烧 器30。图5是图1所示燃烧器的另一替代实施例的纵向简图，其中根据本技术 的一些实施例，燃烧器30包括逆流喷射装置150，逆流喷射装置150具有沿实 心内壳56内部设置的径向排列的向内悬臂式燃阵空气喷射元件152。在所示 实施例中，燃阵空气喷射元件152AAM烧室衬套54的实心内壳56向内伸向， 但不到达燃烧器30的中心纵向轴线62。也就是说，燃茅丰空气喷射元件150是 悬臂式的，并且偏离轴线62。所示燃阵空气喷射元件152具有带^ii缘158设置且面向滞流区86的同 轴燃茅车空气口 156和157的同向流动体154。在所示实施例中，同轴jt茅冬空 气口 156包括与轴线62大体平行的三个口 156，同时同轴jt料空气口 157包括 一个口157， 口157在指向滞流区86的逆流方向上成角度的向内指向(或汇聚 于)轴线62。在可选实施例中，燃茅冬空气口 156和157可以包括任何其他数 量，置的以期望间隔沿同向流动体156设置的口。同轴燃f丰空气口 156与燃 料泵或喷射器160以及空气通道162 ，其中空气M 162延伸至U燃烧室衬 套54的实心内壳56和多孔外壳58之间的空间。于是，燃阵空气喷射元件152通过同向流动体154同时接收燃料和空气，随后同向流动体154将燃料和空气的同向流从同轴燃棒空气口 156和157，以 大体纵向的指向滞流区86的方向喷入燃烧器30，如箭头164和165所示。在 所示实施例中，燃料和空气的纵向流164通常与燃烧器40的轴线62平行，而 流165通常汇聚于轴线62。然而，在其他的实施例中，同轴燃阵空气口 156 通常可以定位成相对于轴线62成汇聚角^;散角。此外，同轴燃阵空气口156 和157通常可以指向围绕轴线62的顺时针角，时针角，这样就可以在燃烧 器30内部产生旋流，如上面参考图3所讨论的。在运行中，与图2的实施例相似，燃烧器30接收穿过多孑L外壳58并沿 实心内壳56指向逆流喷射装置150的压缩空气，如箭头92和94所示。至哒 逆流喷射装置150之后，压縮空气穿过空气通道162进入同向流动体154，同 时燃料从燃料泵或喷射器160进入同向流动体154。随后燃茅冬空气喷射元件152 将燃料和空气的同向流从口 156和157喷入实心内壳56内部，如箭头164禾口165 所示。再有，这些同向流164和165设置在偏离轴线62的多个圆周半径位置。 此外，同向流164和165定位成以与穿过燃气轮机12的总流80大体相反或反 向的方向流入滞流区86。如此，燃阵空气的同向流164和165有助于燃半车空 气的混合，从而改善了燃烧并M4、了燃烧器40中的污染物排放。在滞流区86 中，燃阵空气的混合物100燃烧，随后热燃烧产物折回，流经逆流喷射装置150， 并向前到达喷嘴32，如箭头102所示。再有，燃禾丰空气的同向流164和165 通常相对于热燃烧产物流102鹏流。于是，该逆流进一步促进了燃烧器30 内燃料和空气连同热燃烧产物的混合，如上面详细讨论的。图6是图5所示燃烧器30的横向简图，其进一步根据本技术的一些实施 例，说明了逆流喷射錢150的径向排列的向内悬臂^M棒空气喷射元件152。 图6的实施例与图5的实施例略有不同。特别的是，口 156的数量是四个而不 是三个，并且同向流动体154的长度比图5的相对短些。然而，口 156和157 的数量可以根据特定燃烧器30的需要增加或减少。此外，体154的长度可以 增加以延伸到接近轴线62。而且，每一个口 156和157可以向内与轴线62成 一角度。在所示实施例中，燃茅冬空气喷射元件152设置在围绕实心内壳56的内圆 周或周边的多个径向位置上，如虚线166、 168、 170、 172、 174、 176、 178和 180所示。此外，燃茅丰空气喷射元件152通常与轴线62对齐劍中。然而，向内悬臂式燃半冬空气喷射元件152的内端或自由端通常偏离或偏移轴线62，如箭头182所示。在一些实施例中，燃阵空气喷射元件152可以与轴线62成 —角度，由此在滞流区86的下游产继时针或顿时针旋流。例如，燃沐空气 喷射元件152可以与实心内壳56内表面成一锐角，而不是基本上垂直。在所 示实施例中，逆流喷射装置150包括成圆周-径向构造的8个燃阵空气喷射元 件152，如图5和6所示。然而，逆流喷射装置150的其他实施例可以包括其 他适当数量的燃半丰空气喷射元件152。图7是图5和6所示燃禾冬空气喷射元件152的典型实施例的横剖面视图， 其根据本技术的一些实施例，进一步说明了同向流动体154内部的同向流动通 道。如所示，同向流动体154通常具有空气动力形伏或翼型结构。此外，同向 流动体154包括多个侧燃料喷射通道184，侧燃料喷射通道184从与同向流动 体154的纵轴线(例如，与附图垂直)相应的纵向或常规燃料供应通道186延 伸出。这些通道184和186通常由上和下支撑元件188和190以及一个或多个 具有通道184的侧支撑结构192支撑。同向流动体154还包括一个或多个空气 通道194、 196和198。所示燃料喷射通道184和空气通道194、 196和198沿 边缘158通向同轴燃阵空气口156和157，如上面所述。特别地，如图7所示， 同轴燃阵空气口 156和157包括侧燃料喷射通道184的中心燃料口 200和空气 fflitl94、 196和198的同心或环形空气口 202。于是，在运行中，燃料如箭头 204所示流经燃l冬空气喷射元件152，同时空气如箭头206所示流经燃茅丰空气 喷射元件152。图8-10描述了图5-7所示燃烧器30的替代实施例，其中根据本技术的一 些实施例，径向排列的向内悬臂，阵空气喷射元件152包括沿同向流动体154 的上和下侧的附加同轴燃棒空气口210和211。首先参见图8，该图是燃烧器 30的纵向简图，其描述了一系列沿边缘158的同轴燃茅丰空气口 156和157以 及一系列沿同向流动体154正面的同轴燃l丰空气口 210和211。如上面参考图 5所讨论的，同轴燃f冬空气口 156通常相对于燃烧器30的轴线62成纵向定位， 从而产生如箭头164所示的燃料和空气的同轴流。再有，这些同轴流164通常 可以与轴线62平行排列，或相对轴线62汇聚，或相对轴线62发散。然而， 这些同轴流164通常沿燃烧器30的纵向指向滞流区86。對以的，同轴燃阵空 气口157 (和流165)定位^&燃烧器30长度方向指向滞流区86。然而，如上所述，同轴燃阵空气口157 (和流165)通常在指向滞流区86的逆流方向上汇 聚于轴线62。相反，同轴燃f冬空气口210相对于轴线62以一定距离横向指向。也就是 说，同轴燃茅丰空气口 210定位成通常产生与图8垂直的流。同轴燃阵空气口 211也相对于轴线62成横向指向。然而，与同轴燃棒空气口 210不同，同轴 燃阵空气口 211以直接汇聚的方式径向向内地指向轴线62，如箭头167所示。 也就是说，同轴燃阵空气口 211 ，直线指向轴线62，象轮子的辐条或太阳 的射线。如此，燃朴空气喷射元件152就同时产生纵向流和横向流，以(Sii燃 烧器30内燃料和空气的混合。图9是图8所示燃烧器30的横向简图，其根据本技术的一些实施例，进 一步说明了由设置在同向流动体154的相对面212和218上的同轴燃半车空气口 210喷出的it料和空气横向流214和216。再有，图9的实施例与图8的实施 例略有不同。特别的是，口156和210的数量是4个而不是3个，并且同向流 动体154的长度比图8的相对短些。然而，口156、 157、 210和211的数量可 以根^f寺定燃烧器30的需要增加或减少。此外，体154的长度可以增加以延 伸至lj接近轴线62。而且，每一个口156、 157、 210和211可以向内成角度地指 向轴线62。如图9所示，ffl31^^人同向流动体154的自由端至鹏烧室衬套54的实心 内壳56的距离逐渐加大，同轴流214和216通常偏离轴线62。此外，同向流 214通常定位成顿时针围绕轴线62，而同向流216通常定位成逆时针围绕轴线 62。如此，同向流214和216可以产生分别如箭头220和222所示的反向旋转 流或回旋流。另外，同轴流165和167通常汇聚于轴线62，以至于同轴流165 和167通常相对于同轴流214和216成纵向或横向。图10是图8和9所示燃茅冬空气喷射元件152的横剖面视图，其根据本发明的一些实施例，进一步描述了通向设置在表面2i2和2is上的同轴;);然茅车空气口210和211的内部鹏。再有，与图7的实施例相似，同向流动体154通常 具有空气动力形状或翼型结构，多个侧燃料供^1道184从与同向流动体154 的纵向轴线154 (例如，与附图垂直)相应的第一纵向或常规燃料供应通道186 延伸出。同向流动体154还包括一个或多个空气鹏194、 196和198。所示燃 料喷射通道184和空气通道194、 196和198沿边缘158通向同轴燃半冬空气口156和157，如上所述。特别地，如图7所示，同轴燃棒空气口 156和157包 括侧燃料喷射通道184的中心燃料口 200和空气Mit 194、 196和198的同心 或环形空气口202。除了图7实施例的特征，图10的上和下支撑元件188和190包括由第二 纵向或常规燃料供/M道186分别通向相对面212和218上的燃料喷射口 234 和236的上和下燃料喷射ilil 230和232。也就是说，所示实施例包括两个独 立的燃料供M道186，这样口 156和157就独立于口 210和211喷射燃料。 在替代实施例中，单燃料供应適置186可以用于所有的口 156、 157、210和211。 在另一替代实施例中，独立的燃料供/Slitl86可以用于每一组口 156、 157、 210和211 。同轴燃茅4"空气口 210和211还包括分别围纟免燃料喷射口 234和236 同心或环形设置的空气喷射口 238和240。于是，在运行中，)t料和空气如箭 头204和206流经燃l冬空气喷射元件152。图11是图5所示另一燃烧器30实施例的纵向简图，其中根据本技术的 一些实施例，逆流喷射装置150具有设置在喷嘴32处、附M内部的单向内 悬臂5 棒空气喷射元件152。如所示，单内向悬臂式燃阵空气喷射元件152 的同向流动体154从实心内壳56的一侧伸出，并在喷嘴32处延伸穿过其直径 的基本部分。因此，在该实施例中，同向流动体154在喷嘴32处延伸穿过燃 烧器30的中心纵向轴线62。同轴燃阵空气口 156布置成穿过轴线62的两侧， 这样燃3N"空气喷射元件152就相对于轴线62在偏心或偏移位置提供燃料和空 气的同轴流164。在所示实施例中，其中一个燃茅丰空气口 156通常沿轴向62 排列舰齐，从而提供一个汇聚于轴线62的燃料和空气同轴流164。在一些实 施例中，燃阵空气喷射元件152可以进一步包括同轴燃阵空气口 210，例如 那些在图8-10的实施例中所示的口。此外，应注意，燃烧器30的长度可以比 图2、 4、 5和8的实施例的相对短些，因为逆流喷射装置150设置在喷嘴32 处或附近，而不是在封闭端88和燃烧器30的喷嘴32之间的中间位置。图12-15是描^M阵空气喷射装置的不同替换实施例的简图，例如燃半丰 空气喷射凸角52、齐平燃阵空气喷射区域140和向内悬臂^M阵空气喷射元 件152，如上面参考图2-11详细讨论的。首先参见图12的实施例，该图说明 了根据本技术的一些实施例的同轴燃阵空气喷射装置260。如所示，同轴燃料 -空气喷射装置260包括沿轴线264的中心燃料通道262和围绕中心燃料通道262同心设置的同心或外环形空气通道266。在所示实施例中，中心燃料通道262 的端部268以一偏移距离270与同心或外环形空气通道266的端部272间隔设 置。特别地，中心燃料M 262的端部268凹入同心或外环形空气通道266的 端部272。然而，在同轴燃^l"空气喷射^g260的其他实施例中，端部268和 272可以基本上彼此齐平，或者中心燃料iM 262的端部268可以从同心或外 环形空气M266的端部272向外凸出。在运行中，同轴燃阵空气喷射錢260 产生被环形空气流276包围的中心燃料流274，这 了燃烧器30内燃阵空 气的混合。图B是根据本技术的一些实施例的典型径向-轴向燃料-空气喷射装置 280，其具有彼此碰撞以促进燃棒空气的混合的径向流和轴向流。在所示实施 例中，径向-轴向燃阵空气喷射錢280包括沿轴线284的中心燃料通道282 和围绕中心燃料M 282设置的同心或外环形空气通道286。此外，中心燃料 M 282包括一个或多个通常与轴线284垂直的径向口 288。中心燃料通道282 还具有位于径向口 288下游的锥形段或端290。在运行中，空气沿着轴线284 的方向穿过围绕中心燃料fflit 282的同心或外环形空气通道286，如箭头292 所示。此外，燃料沿着箭头294所示的轴线284的方向流过中心燃料通道282。 到达径向口 288之后，燃料从轴线284径向向外喷入空气流292中，如箭头296 所示。这样，空气和燃料流292和2%通常彼此交叉或垂直，以刚好在喷入燃 烧器30之前iEiS径向-轴向燃茅丰空气喷射装置280内燃料和空气的混合。此外， 径向-轴向燃阵空气喷射驢280有助于燃烧器30内燃阵空气的混合，而不 ^^料和空气的预混。图14是根据本技术的一些实施例的替代径向-轴向燃料-空气喷射装置 300。如所示，燃料喷射 302与中心空气ffiit 306的夕卜壁304连接。所示 燃料喷射装置302包括多个贯穿夕卜壁304的径向燃料口 308。此外，空气沿轴 线312的方向310流过中心空气通道306。相反，jt料相对于轴线312在大体 径向^M向314上穿过径向燃料口 308。如此，空气和燃料流310和314在径 向-轴向燃禾车空气喷射装置300内彼此碰撞。空气和燃料流310和314的碰撞 ,了喷射装置300内燃茅车空气的混合。此外，径向-轴向燃阵空气喷射装置 300有助于燃烧器30内燃半丰空气的混合，而不是燃料和空气的预混。图15是根据本技术的一些实施例的替代同轴燃料-空气旋流喷射装置320。如所示，旋流喷射體320包括沿轴线324延伸的中心燃料通道322和 围绕中心燃料通道322设置的同心或外环形空气通道326。此外，中心燃料通 道322包括设置在燃料出口或口 330 M附近的燃料旋流装置328。同心或外 环形空气通道326还包括一个或多个设置在燃料出口或口 330下游的空气旋流 装置332。在运行中，燃料沿轴线324的方向334流过中心通道322。至d达燃 料旋流體328之后，燃料流获得一顺时针或逆时针旋转或旋动，如箭头336 所示。對以的，空气流沿轴向流过同心或外环形空气通道326，如箭头338所 示。在到达空气旋流體332之后，空气流获得一顺时针或逆时针的旋转，如 箭头340所示。如此，旋转或旋动的燃料和空气流336和340皿了旋流喷射 装置320内燃料和空气的混合。在一些实施例中，旋转鄉鬼动的燃料和空气流336和340具有普通的旋 转方向，例如顺时针或逆时针。然而，在其他实施例中，旋转或旋动的燃料和 空气流336和340可以具有相反的旋转方向，例如顺时针和逆时针，或者反之 亦然。此外，旋流喷射装置320的一些实施例可以只包括空气旋流装置332而 不包括燃料旋流装置328，或者只包括jt料旋流装置328而不包括空气旋流装 置332。其他实施例可以包括连续或彼此平行设置的附加燃料或空气旋流装置 328和332。再有，这些旋流装置328和332有助于旋流喷射體320内燃料 和空气的混合。而且，同轴燃棒空气旋流喷射装置320有助于燃烧器30内燃 半丰空气的混合，而不是燃料和空气的预混。在附图中作为例子显示了具体的实施例，并且在本文中对它们进行了详 细的描述，尽管本发明可以容易地有各种修改和替换形式。然而，应了解的是 并不希望本发哪艮制于所披露的具体形式。相反，本发明将覆盖落入以下附加的权禾腰求所定义发明的衞申和范围内的所有修改、等效物和替换物。部件目录10系统 12燃气轮机 14应用 16空气駄段 18压縮机 20燃烧器段 22透平 24排出段 26轴28燃烧器壳体30燃烧器32喷嘴34负荷40燃烧器50逆流喷射装置52燃茅冬空气喷射凸角54燃烧室衬套56实心内壳58多孔外壳60纵向位置62中心纵轴64燃料喷射部件66空气喷射部件68燃料喷射器70喷射尖端72锐角空气通道74凸角结构76凸出部78凹入部80总流82角84角86滞流区88封闭后部90孔92箭头94箭头96燃料流98空气流100^/混合箭头102箭头110径向位置112径向位i114径向位置116径向位置U8径向位置120径向位置122径向位置124径向位置126虚线箭头128虚线箭头140齐平燃阵空气喷射区域 142内表面 150喷射装置 152燃$^空气喷射元件 154同向流动体156 □157 □ 158鹏160燃料泵或喷射器162空气通道164箭头165箭头166虚线167箭头168虚线170虚线172虚线174虚线176虚线178虚线180虚线182箭头184燃料喷射鹏 186燃料供应通道 188支撑元件 190支撑元件 192支撑结构 194空气鹏 196空气鹏 198空气通道 200中心燃料口 202空气口 204箭头 206箭头210同轴燃禾冬空气口 211同轴燃禾丰空气口 212表面 214同轴流216同轴流218表面 220箭头 222箭头230燃料喷射M232燃料喷射通道234燃料喷射口236燃料喷射口238空气喷射口240空气喷射口260同轴燃茅车空气喷射装置262中心燃料鹏264轴线266环形空气鹏 268端部 270偏移距离 272端部 274燃料流 276空气流280径向-轴向燃阵空气喷射CT282燃料通道284燃料鹏286空气鹏288径向口290锥形段或端部292箭头294箭头296箭头300径向-轴向燃棒喷射装置 302燃料喷射装置304外壁306中心空气ffiii308径向燃料口310轴向312轴线314径向或横向320同轴燃阵空气旋流喷射装置322中心燃料通道324轴线326空气鹏328燃料旋流装置330燃料出口或口332空气旋流装置334轴向336箭头338箭头340箭头
权利要求
1. 一种系统，包括燃料-空气喷射机构(50，150)，所述燃料-空气喷射机构(50，150)包括通向燃料和空气喷射口(70，72，156，157，210，211)的同轴的燃料和空气通道，其特征在于燃料和空气喷射口(70，72，156，157，210，211)被设置在偏离燃气轮机燃烧器(30)轴线的位置，并且燃料和空气喷射口(70，72，156，157，210，211)的喷射方向被定位成不与通过燃气轮机燃烧器(30)到透平机(22)的流动方向成一条直线。
2、 如权利要求1所述的系统，其特征在于燃料和气体喷射口 (70， 72， 156， 157， 210， 211)彼此之间大体是同轴设置的。
3、 如权利要求1所述的系统，其特征在于燃料和空气喷射口 (70， 72， 156， 157， 210， 211)沿着同轴的燃料和空气M共同的轴线彼此偏离(262， 272)。
4、 如权利要求1所述的系统，其特征在于燃料和空气喷射口 (70， 72， 156， 157， 210， 211)被定位成彼此交叉(286， 288， 306， 308)的方向。
5、 如权利要求4所述的系统，其特征在^jt料喷射口 (308)被设置在同 轴的燃料和空气通道中空气通道(306)的圆周壁(304)上。
6、 如权利要求4所述的系统，其特征在于燃料喷射口 (288)被设置在同 轴的燃料和空气Mit中燃料通道(282)的圆周壁上。
7、 如权利要求1所述的系统，其特征在于同轴的燃料和空气通道还包括 燃料漩流机构(328)，或者包括空气漩流机构(332)，或者反向漩流机构，或 者它们的组合。
8、 如权利要求1所述的系统，包括沿圆周布置在多个径向位置上的多个 燃料一空气喷射机构，其中包括燃料一空气喷射机构(50， 150)。
9、 一种系统，包括燃气轮机燃烧器(30)，所述的燃气轮机燃烧器(30)包括 燃烧器衬套(54)，具有从滞流区(86)延伸至透平喷嘴(22)的大体纵 向的流动轴；和逆流燃料一空气喷射器(50， 150),设置&)t烧點寸套(54)上位于滞流区(86)和透平喷嘴(22)之间的一个或多个中间位置，其中逆流燃料一空气 喷射器(50， 150)包括同轴的燃料和空气通道，所述的燃料和空气通道延伸 至燃料和空气喷射口 (70， 72， 156， 157， 210， 211)，并且不与从滞流区(86) 到透平喷嘴(22)的流动方向成一条直线。 10、 一种方法，包括在相对于从滞流区(86)至U燃气轮机燃烧器(30)的透平喷嘴(12)的大 体纵向流动轴(62)成大体逆流的方向上，使燃料和空气同轴流动至U逆流燃料 —空气喷射器(50， 150)。
全文摘要
根据一些实施例，本发明涉及一种系统，这种系统包括了燃料-空气喷射机构，所述燃料-空气喷射机构包括通向燃料和空气喷射口(70，72，156，157，210，211)的同轴的燃料和空气通道。燃料和空气喷射口(70，72，156，157，210，211)被设置在偏离燃气轮机燃烧器(30)轴线的位置，并且燃料和空气喷射口(70，72，156，157，210，211)的喷射方向被定位成不与从燃气轮机燃烧器(30)流向透平机(22)的气流成一条直线的方向。
文档编号F23R3/00GK101235969SQ20071008794
公开日2008年8月6日 申请日期2007年1月31日 优先权日2007年1月31日
发明者J·M·海恩斯 申请人:通用电气公司