具有逆流喷射装置的燃气轮机燃烧器的制作方法

专利名称：具有逆流喷射装置的燃气轮机燃烧器的制作方法
具有逆流喷射装置的燃气轮机燃烧器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，它们只是就此而论，而不认为是对现有技术的认可。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能达到N0x 的排放指标。另一种方法是通过喷射氨进行的N0x选择性催化还原 (SCR)。遗憾的是，SCR方法的成本相对较高。因此，需要一种减少燃气轮机燃烧器的污染物排放，例如N0x排放 的改进技术。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能采取的 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。根据一些实施例，系统包括逆流喷射装置。该逆流喷射装置包括具 有通向燃料和空气喷射孔的燃料和空气通道的燃料-空气喷射装置，其 中燃料和空气喷射孔设置在偏离中心的位置以及相对于大体纵向的燃气4仑才几流动轴成大体逆流的方向上。根据另 一些实施例，系统包括具有燃烧室衬套的燃气轮机燃烧器。 燃烧室衬套包括具有压缩空气进口的外壳、具有燃烧出口的内壳、在内壳和外壳之间并沿着它们延伸的空气循环通道以及由滞流区延伸到燃烧 出口的大体纵向的流动轴。燃气轮机燃烧器还包括相对于大体纵向的流 动轴，以大体偏离中心的逆流构造设置在滞流区下游的燃烧室衬套内的 逆流喷射装置。逆流喷射装置包括一个或多个穿过燃烧室衬套延伸到多 个燃料喷射孔的燃料通道，以及一个或多个由空气循环通道穿过内壳延 伸到多个空气喷射孔的空气通道。根据另 一些实施例，方法包括在偏离中心的位置以及在相对于大体 纵向的燃气轮机燃烧器流动轴成大体逆流的方向，喷射燃料和空气。上述特征的各种细化存在于本发明的不同方面。更多的特征也可以 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表示相同的部件，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所示燃气轮机的典型燃烧器的纵向简图，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 燃泮十-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 实心内壳圓周的多个径向位置的多个燃料-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圓周布置的径向排列的齐平燃料-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圓周布置的径向排列的向内悬臂式燃料 - 空 气喷射元件，其中每一个向内悬臂式燃料-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料-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圓周的多个径向位置上的径向排列的向内悬臂式燃料-空气喷射元件；图7是一个图5所示向内悬臂式燃料-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筒图，其中每一个向内 悬臂式燃料-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 烧器纵向流动轴成逆流的同轴燃料-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料 - 空气 喷射元件；图IO是一个图8所示向内悬臂式燃料-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燃烧器实心内壳上的单向内悬臂式燃料 -空气喷射元件，其中向内悬臂式燃料-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料-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料-空气喷射器的示意图；图13是具有同轴燃料和空气流的燃料-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到一黄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料-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料_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，这样的发展计划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的燃气轮才几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可以包括发电才几、推进 器或其组合。所示燃气轮机12包括空气进入段16、压缩机18、燃烧器 段20、透平22和排出段24。透平22通过轴26传动地连接于压缩机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 燃料-空气喷射装置，它们有助于燃烧器段内燃料、空气和热燃烧产物 的混合。更具体的，所披露的逆流燃料-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的总流逆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，空气穿过进入段16并流入压缩机18，从而在进入燃 烧器段20之前被压缩。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之间的燃烧器外壳28。在燃烧器外壳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 气进入每一个燃烧器30,随后与各自燃烧器30内的燃料混合并燃烧， 以马区动透平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 射器位于沿各自燃烧器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」波露的实施例也可 以应用在本发明范围内的单级或多级燃烧器。所^C露的燃烧器30的实施例包括多个逆流燃料-空气喷射装置，其 在与穿过燃烧器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，逆流燃料-空气喷射装置可以包括多个纵向指向的燃料-空气 喷射器、横向指向的燃料-空气喷射器或同时具有纵向和横向指向部分 的倾斜燃料-空气喷射器。纵向指向的燃料-空气喷射器通常可以是在燃烧器30的纵向上排列，而横向指向的燃料-空气喷射器可以相对于燃烧 器30的纵向流或轴线成横向、交叉或径向排列。倾斜的燃料-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4兌角方向可以定义为逆流方向。如下面进一步详细讨论的，逆流燃料-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燃烧。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。随后热燃烧产物流经逆流燃 料-空气喷射装置折向透平22。此外，逆流燃料-空气喷射装置有助于燃 料和空气与热燃烧产物的混合。随后热燃烧产物穿过喷嘴32流向透平 22。这些热燃烧产物驱动透平22，由此通过轴26驱动压缩机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 包括设置在围绕燃烧室衬套54内圆周的不同径向位置的多个燃料-空气 喷射凸角52。所示燃烧室衬套54包括被多孔外壳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可以包括陶覺、金属陶乾或 其他合适的材料。燃料-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，燃料-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，燃烧器30的其他实施例可以具有相对于轴线62设置在多个纵向 位置上的燃冲牛-空气喷射凸角52。所示逆流喷射装置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内圓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，每个 燃料-空气喷射凸角52包括设置在一个凸角结构74中的一个长形喷射 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)，其中该几何形状 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，各个燃料-空气喷射凸角52的长形喷射尖端 70和空气通道72定位在与穿过上面参考图1讨论的燃气轮机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9G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，燃料-空气喷射凸角52的长形喷射 尖端70和空气通道72可以以大体汇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通常改进燃烧器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，经由多孔外 壳58内的孔90接收来自压缩机18的压缩空气。压缩空气穿过多孔外 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，燃烧室村套54引导 压缩空气如箭头94所指方向沿着实心内壳56流向多个燃料-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。在燃料-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;阡和空气 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，燃料-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内燃料-空气的混合而不是预混。此外，燃料-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以逆流方向从燃 料-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。 一种类似的流动方式出现在下面 讨论的其他实施例中。燃料-空气混合物100在邻近封闭后部88的滞流 区86中燃烧，滞流区86能有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,而燃料-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 的内圓周略樣i偏移，由此使燃料和空气流96和98的喷射略微远离内圆周，从而改善了燃料、空气和热燃烧产物的混合。
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的燃料-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内部汇聚于轴线 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，燃料-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。由于燃料-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可以产生如虛线箭头128所示的旋流。在任何一种构造 中，燃料-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 的加入可以进一步促进燃烧器30内燃料-空气的混合和燃烧。在一些实 施例中，燃料-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4奪，燃料-空气喷射凸角52可以交错以同时产 生顺时针和逆时针旋流。例如，奇数燃料-空气喷射凸角52 (例如，在 径向位置110、 114、 118和122)可以定位成产生顺时4十旋流，同时偶 数燃料-空气喷射凸角52 (例如，在径向位置112、 116、 120和124) 可以配置成产生逆时针旋流。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所示的燃料-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 料-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所示燃料-空气喷射凸角52相反，图4所示的径向排列的齐平燃料-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 可以缩入空气通道72，如下面参考图12进一步详细说明和描述的。此 外，如图4所示逆流喷射装置50构造成以大体汇聚的方式引导燃料和 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， 热燃烧产物从滞流区86,流经径向排列的齐平燃料-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料-空气喷射元 件152。在所示实施例中，燃料-空气喷射元件152从燃烧室衬套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，燃料-空气喷射元件150是悬臂式的，并且偏离轴线62。
所示燃料-空气喷射元件152具有带沿边缘158设置且面向滞流区 86的同轴燃料-空气口 156和157的同向流动体154。在所示实施例中， 同轴燃料-空气口 156包括与轴线62大体平行的三个口 156，同时同轴 燃料空气口 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，燃料-空气 口 156和157可以包括任何其他数量或布置的以期望间隔沿同向流动体 156设置的口。同轴燃料-空气口 156与燃料泵或喷射器160以及空气通 道162连通，其中空气通道162延伸到燃烧室衬套54的实心内壳56和 多孔外壳58之间的空间。
于是，燃料-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料-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，同轴燃料-空气口 156通常可以定位成相对于轴线62成 汇聚角或发散角。此外，同轴燃料-空气口 156和157通常可以指向围绕轴线62的顺时针角或逆时针角，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接收穿过多孔外壳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。到达逆流喷射装置150之后，压缩空气穿过空气通道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。 随后燃料-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和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，燃料-空气的同向流164和165有助于燃料-空气的混合， 从而改善了燃烧并减少了燃烧器40中的污染物排放。在滞流区86中， 燃料-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，燃料-空气的同 向流164和165通常相对于热燃烧产物流102成逆流。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i仑的。
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，说明了逆流喷射装置150的径向排列的向内悬臂式燃料-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，燃料-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，如虛线166、 168、 170、 172、 174、 176、 178和180所示。此外，燃料-空气喷射元件152通常与轴线62对 齐或对中。然而，向内悬臂式燃料-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，燃料-空 气喷射元件152可以与轴线62成一角度，由此在滞流区86的下游产生逆时针或顺时针旋流。例如，燃料-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个燃料-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 燃泮牛-空气喷射元件152。
图7是图5和6所示燃料-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状或 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 轴燃料-空气口 156和157，如上面所述。特别地，如图7所示，同轴燃 料-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 气通道194、 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所示流经燃料-空气喷射元件152,同时空气如箭头206所 示流经燃料-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式燃料-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料-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 同轴燃料-空气口 156和157以及一系列沿同向流动体154正面的同轴 燃料-空气口 210和211。如上面参考图5所讨论的，同轴燃料-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l64 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。类似的，同轴燃料-空气 口 157 (和流165)定位成沿燃烧器30长度方向指向滞流区86。然而，如上所述，同轴燃料-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，同轴燃料-空气口 210相对于轴线62以一定距离横向指向。 也就是说，同轴燃料-空气口 210定位成通常产生与图8垂直的流。同 轴燃料-空气口 211也相对于轴线62成横向指向。然而，与同轴燃料-空气口 210不同，同轴燃料-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，同轴燃料-空气口 211全部 直线指向轴线62,象轮子的辐条或太阳的射线。如此，燃料-空气喷射 元件152就同时产生纵向流和横向流，以促进燃烧器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 轴燃料-空气口 210喷出的燃料和空气横向流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、 157、 210和211可以向内成角度地指向轴线62。
如图9所示，通过使从同向流动体154的自由端到燃烧室衬套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通常定位成顺时针围绕轴线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《从向或一黄向。
图10是图8和9所示燃料-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212和218上的 同轴燃料-空气口 210和211的内部通道。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，多个侧燃料供应通 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》彖158通向同轴燃料-空气口 156和157，如上所 述。特别地，如图7所示，同轴燃料-空气口 156和157包括侧燃料喷 射通道184的中心燃料口 200和空气通道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应通道186分别通向相对面212和218上的燃 料喷射口 234和236的上和下燃料喷射通道230和232。也就是说，所 示实施例包括两个独立的燃料供应通道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，单燃料供应通道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 料供应通道186可以用于每一组口 156、 157、 210和211。同轴燃料-空 气口 210和211还包括分别围绕燃料喷射口 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，燃料和空气如箭头204和 206流经燃料-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、附近或内 部的单向内悬臂式燃料-空气喷射元件152。如所示，单内向悬臂式燃料 -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。同轴燃料 -空气口 156布置成穿过轴线62的两侧，这样燃料-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，其中一个燃料-空气口 156通常沿轴向62排列或对齐，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， 燃料-空气喷射元件152可以进一步包括同轴燃津+-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是描述燃料-空气喷射装置的不同替换实施例的简图，例
如燃料-空气喷射凸角52、齐平燃料-空气喷射区域140和向内悬臂式燃 料-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料-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 燃料通道262的端部268凹入同心或外环形空气通道266的端部272。 然而，在同轴燃料-空气喷射装置260的其他实施例中，端部268和272 可以基本上彼此齐平，或者中心燃料通道262的端部268可以从同心或 外环形空气通道266的端部272向外凸出。在运行中，同轴燃辟牛-空气 喷射装置260产生被环形空气流276包围的中心燃料流274，这促进了 燃烧器30内燃料-空气的混合。
图13是4艮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料-空气的混合的径向流和轴向流。 在所示实施例中，径向-轴向燃料-空气喷射装置280包括沿轴线284的 中心燃料通道282和围绕中心燃料通道282设置的同心或外环形空气通 道286。此外，中心燃料通道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通道 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 轴线284的方向流过中心燃料通道282，如箭头294所示。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296通常;f皮此交叉或垂直，以刚好在喷 入燃烧器30之前促进径向-轴向燃料-空气喷射装置280内燃料和空气 的混合。此外，径向-轴向燃料-空气喷射装置280有助于燃烧器30内 燃料-空气的混合，而不是燃料和空气的预混。
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，燃料喷射装置302与中心空气通道306的外壁304 连接。所示燃料喷射装置302包括多个贯穿外壁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，燃料 相对于轴线312在大体径向或横向314上穿过径向燃料口 308。如此， 空气和燃料流310和314在径向-轴向燃料-空气喷射装置300内彼此碰 撞。空气和燃料流310和314的碰撞促进了喷射装置300内燃料-空气 的混合。此外，径向-轴向燃料-空气喷射装置300有助于燃烧器30内 燃料-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，旋流喷射装置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处或附近的燃料旋 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。到达燃料旋流装置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。类似的，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 装置332之后，空气流获得一顺时针或逆时针的旋转，如箭头34Q所示。 如此，旋转或旋动的燃料和空气流336和340促进了旋流喷射装置320 内燃料和空气的混合。在一些实施例中，旋转或旋动的燃料和空气流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，或者只包括燃料旋 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有助于旋流喷射装置320内燃料和空气的混合。而且，同 轴燃料-空气旋流喷射装置320有助于燃烧器30内燃料-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^f'务改和替换形式。然而， 应了解的是并不希望本发明限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利要求所定义发明的精神和范围内的所有修改、 等效物和替换物。
权利要求
1. 一种系统，包括逆流喷射装置(50，150)，包括燃料-空气喷射装置(50，150)，其包括通向燃料和空气喷射孔(70，72，156，157，210，211)的燃料和空气通道，其中燃料和空气喷射孔(70，72，156，157，210，211)设置在偏离中心的位置以及相对于大体纵向的燃气轮机燃烧器(30)流动轴成大体逆流的方向上。
2. 如权利要求l所述的系统，其中燃料和空气喷射孔(70， 72， 156， 157， 210， 211)设置在凸角结构(74)内。
3. 如权利要求l所述的系统，其中缚料和空气喷射孔(70， 72， 156, 157， 210， 211)设置在齐平的壁部(140)内。
4. 如权利要求l所述的系统，其中燃料和空气喷射孔(70, 72， 156， 157， 210， 211)设置在悬臂元件(152)内。
5. 如权利要求4所述的系统，其中悬臂元件(152)包括翼型结构 (154)。
6. 如权利要求l所述的系统，其中燃料和空气喷射孔(70， 72， 156， 157， 210， 211) 4皮此邻近设置。
7. 如权利要求1所述的系统，其中逆流喷射装置(50, 150 )包括 多个成圆周布置的燃料-空气喷射装置，燃料-空气喷射装置包括燃料-空气喷射装置(50, 150 )。
8. 如权利要求7所述的系统，其中多个燃津牛-空气喷射装置设置在 多个凸角结构(74)、齐平的壁部(140)、悬臂元件(152)、翼型结构(154)或它们的组合内。
9. 一种系统，包括 燃气轮机燃烧器(30),包括燃烧室衬套(54),其包括具有压缩空气进口 (90)的外壳(58)、 具有燃烧出口 (22)的内壳(56)、在内和外壳(56， 58)之间并沿着 它们延伸的空气循环通道(94)，以及从滞流区(86)延伸到燃烧出口 (22)的大体纵向的流动轴；以及逆流喷射装置(50, 150 )，其相对于大体纵向的流动轴，以大体偏 离中心的逆流构造设置在滞流区(86)下游的燃烧室衬套(54)内，其 中逆流喷射装置(50， 150)包括一个或多个穿过燃烧室衬套(54)延 伸到多个燃料喷射孔(70, 156， 210)的燃料通道、以及一个或多个由 空气循环通道(94)穿过内壳(56)延伸到多个空气喷射孔(72， l57, 211 )的空气通道。
10. —种方法，包括在偏离中心的位置以及相对于大体纵向的燃气轮机燃烧器(30)流 动轴成大体逆流的方向(70, 72， 156, 157， 210, 211 )上，喷射燃料 和空气。
全文摘要
根据一些实施例，一种系统包括逆流喷射装置。该逆流喷射装置包括具有通向燃料和空气喷射孔(70，72，156，157，210，211)的燃料和空气通道的燃料-空气喷射装置(50，150)，其中燃料和空气喷射孔(70，72，156，157，210，211)设置在偏离中心的位置以及相对于大体纵向的燃气轮机燃烧器(30)流动轴成大体逆流的方向上。
文档编号F23R3/00GK101235970SQ200710087970
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