专利名称：用于运行空气分级扩散喷嘴的方法
技术领域：
本发明大体涉及燃气轮机，并且更具体而言，涉及用于燃气轮机燃烧器的空气分级扩散喷嘴。
背景技术：
在用于燃气轮机燃烧器的扩散喷嘴中，燃料开始在旋流导叶中与空气混合，以及然后燃烧器的燃烧管空间内以旋动运动流动和膨胀，以进行混合。在目前的扩散喷嘴中，在扩散喷嘴的中心处的燃烧管中的观察到低速区域。已经确认在启动以及部分负载运行期间在扩散喷嘴尖部上有高的碳形成。对于高反应性燃料，由于紧邻火焰的原因，在喷嘴尖部上观察到较高的温度。另外，气体燃料和空气在燃烧管中的增强的混合可导致燃气轮机有减少的排放。因此，存在对具有气体燃料的、为喷嘴尖部提供冷却而同时改进燃料和空气的混合的扩散喷嘴的需要。
发明内容
本发明涉及一种空气分级喷嘴。简要地根据本发明的一方面，为设置在燃气轮机的燃烧器中的、包括气体燃料源和压缩空气源的空气分级扩散喷嘴提供了一个实施例，其中，气体燃料喷嘴排到燃烧器的燃烧管空间。空气分级扩散喷嘴包括沿着纵向轴线设置的、包括气体燃料腔体的喷嘴本体，该气体燃料腔体在下游由端部封闭壁界定，在上游由与气体燃料源的连接部界定，以及沿周缘由环形壁界定。具有旋流导叶的外部旋流器从环形壁的尖部端延伸，从而形成通往下游燃烧管空间的旋动轴向通道。在气体燃料腔体的环形壁外部的空间包括与外部旋流器的旋动轴向通道处于流体连通的压缩空气源。为气体燃料提供了通过第一环形壁而从气体燃料腔体进入外部旋流器的旋动轴向环形通道中的通道。外部旋流器将气体燃料和压缩空气的旋动的混合物输送到燃烧器的下游燃烧管空间。冷却空气室封闭在气体燃料腔体内，并且由外周缘壁包围。设置成紧邻气体燃料腔体的下游端的外周缘壁的部分通过端部封闭壁而沿轴向延伸到燃烧器的燃烧管空间。从外部压缩空气空间通过气体燃料腔体的环形壁的通道联接成与冷却空气室处于流体连通。通道通过冷却空气室的周缘壁的下游端而使压缩空气流体地连通到燃烧器的燃烧管空间，从而为尖部提供冷却空气，以及增强气体燃料和空气在燃烧管空间中的混合。根据本发明的另一方面，提供了一种包括压缩机、涡轮、燃烧器以及具有气体燃料源和压缩空气源的空气分级扩散喷嘴的燃气轮机燃烧器，其中，空气分级扩散喷嘴排到燃烧器的燃烧管空间。空气分级扩散喷嘴包括沿着纵向轴线设置的、包括气体燃料腔体的喷嘴本体，该气体燃料腔体在下游由端部封闭壁界定，在上游由与气体燃料源的连接部界定，以及沿周缘由环形壁界定。具有旋流导叶的外部旋流器从环形壁的尖部端延伸，从而形成通往下游燃烧管空间的旋动轴向通道。在气体燃料腔体的环形壁外部的空间包括与外部旋流器的旋动轴向通道处于流体连通的压缩空气源，以及通过第一环形壁而从气体燃料腔体进入外部旋流器的旋动轴向环形通道中的多个通道。外部旋流器将气体燃料和压缩空气的旋动的混合物输送到燃烧器的下游燃烧管空间。封闭在气体燃料腔体内的冷却空气室包括外周缘壁。外周缘壁设置成紧邻气体燃料腔体的下游端，通过端部封闭壁而沿轴向延伸到燃烧器的燃烧管空间。从外部压缩空气空间通过环形壁的多个通道与冷却空气室流体地联接。多个通道通过冷却空气室的周缘壁的下游端来将压缩空气流体地联接到燃烧器的燃烧管空间。本发明的另一方面提供了一种用于冷却设置在具有压缩机和涡轮的燃气轮机的燃烧器中的气体燃料空气分级扩散喷嘴的尖部端的方法，其中，喷嘴在燃烧器的燃烧管的上游。该方法包括提供包括喷嘴本体的气体燃料空气分级扩散喷嘴，该喷嘴本体具有由沿着喷嘴的纵向轴线设置的外周缘壁界定的气体燃料腔体；端部封闭壁；设置在气体燃料腔体内的冷却空气室；由来自气体燃料腔体的气体燃料和来自包围喷嘴本体的外部空间的压缩空气供应的外部旋流器；以及冷却空气室的前部突出部，其延伸通过冷却空气室内的周缘壁且突出通过喷嘴本体的端部封闭壁。该方法进一步将气体燃料从上游气体燃料源供应给气体燃料腔体。气体燃料被转移成通过限定在端部封闭壁的外周缘周围的气体燃料喷射孔而流到外部旋流器的旋流通道中。气体燃料在外部旋流器内与来自外部空间的压缩空气混合，并且在具有旋转方向的情况下排到喷嘴本体的端部封闭壁下游的燃烧管空间中。该方法进一步包括通过冷却空气室来将来自包围喷嘴本体的外部空间的压缩空气转移到喷嘴本体的端部封闭壁下游的燃烧管空间，从而促进喷嘴尖部的冷却以及气体燃料和空气在燃烧管空间中的混合。本发明的又一方面提供了一种运行设置在具有压缩机和涡轮的燃气轮机的燃烧器中的气体燃料空气分级扩散喷嘴的方法，其中，喷嘴在燃烧器的燃烧管的上游。该方法包括提供包括喷嘴本体的气体燃料空气分级扩散喷嘴，该喷嘴本体包括由沿着喷嘴的纵向轴线设置的外周缘壁界定的气体燃料腔体；端部封闭壁；设置在气体燃料腔体内的冷却空气室；由来自气体燃料腔体的气体燃料和来自包围喷嘴本体的外部空间的压缩空气供应的外部旋流器；以及在喷嘴的下游端处的内部旋流器。该方法包括将气体燃料从上游气体燃料源供应给气体燃料腔体。气体燃料被转移成通过限定在端部封闭壁的外周缘周围的气体喷射孔而流到外部旋流器的旋流通道中。气体燃料与外部空间的压缩空气混合，从而进入外部旋流器内，并且在具有旋转方向的情况下被从外部旋流器排到喷嘴本体下游的燃烧管空间中。该方法还包括将来自包围喷嘴本体的外部空间的压缩空气转移到冷却空气室中。该方法进一步包括通过喷嘴的尖部端的中心处的内部旋流器来使冷却空气室中的压缩空气旋动而进入喷嘴下游的燃烧管空间中，从而冷却喷嘴的尖部，以及增强气体燃料和空气混合物在燃烧管空间中的混合。
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面与优点将变得更好理解，在附图中，相同符号在图中表示相同部件，其中图1示出了有创造性的空气分级扩散气体喷嘴的一个实施例的等距剖视图；图2示出了示出通过有创造性的空气分级扩散气体喷嘴的一个实施例的尖部处的旋流器的冷却空气流的放大的剖面侧视图3示出了空气分级扩散喷嘴的一个实施例的端部的尖部的外观图；图4示出了空气分级扩散喷嘴的冷却空气室的一个实施例的等距视图；图5示出了示出通过有创造性的空气分级扩散喷嘴的尖部端处的冷却孔的一个实施例中的冷却孔的冷却空气流的放大视图；图6示出了示出通过对排出流提供径向分量的有创造性的空气分级扩散喷嘴的尖部端处的冷却孔的备选冷却空气流径的放大视图；图7示出了具有燃烧管的有创造性的空气分级扩散喷嘴的一个实施例；以及图8示出了用于燃气轮机的、包括组织在中心二次燃料喷嘴周围的有创造性的空气分级扩散燃料喷嘴的实施例的燃烧器；图9示出了在端盖组件上具有从气体燃料管系供给的外部旋流器和内部旋流器的空气分级扩散喷嘴的圆形布置；以及图10示出了用于冷却燃气轮机燃烧器的空气分级扩散喷嘴的尖部的方法的流程图。
具体实施例方式用于燃气轮机燃烧器的空气分级气体扩散喷嘴的本发明的以下实施例具有许多优点，包括增强气体燃料和空气的混合，从而减少燃气轮机排放以及还减少在启动期间积碳(SOOt)的形成。空气分级扩散喷嘴还将从主空气流径中抽取空气，并且在喷嘴尖部的中心处引入具有旋流的空气流。尤其对于高反应性燃料，由于紧邻火焰的原因，在喷嘴尖部上观察到升高的温度。引入这个旁通的空气将冷却喷嘴尖部，从而喷嘴尖部的表面和下游燃烧管中的热气之间形成冷空气膜。离开喷嘴尖部的空气流和施加给空气流的旋流运动起到增强气体燃料与空气的混合的作用。有创造性的布置对于具有多个扩散喷嘴的干式低NOx(DLN)燃烧器是合乎需要的，并且还可有利地在单喷嘴燃烧器上使用。图1示出了用于燃气轮机的燃烧器的有创造性的空气分级扩散喷嘴的一个实施例的剖面等距视图。空气分级扩散喷嘴100可在纵向轴线111上包括截头圆锥形喷嘴本体110，喷嘴本体110由周缘壁115和下游端部封闭壁125界定，从而在喷嘴本体内限定气体燃料腔体130。周缘壁115可在直径方面从上游端112渐缩到下游尖部端113。从上游端112提供了供应气体燃料腔体130的气体燃料源120。可从在周缘壁115的径向外部且封闭在燃烧器(图8)内的外部空间136在外部供应压缩空气135。可通过来自燃气轮机空气压缩机(图8)的排出空气来供应压缩空气135。外部旋流器140的旋流导叶141可从喷嘴本体110的端部封闭壁125沿径向向外和向下游延伸，从而限定通往下游燃烧管空间145的流通道142。多个气体燃料通道150可穿透周缘壁115来将来自气体燃料腔体130的气体燃料151供应到旋流导叶141之间的各个通道142中。通过各个旋流导叶141的气体燃料流和压缩空气流会起动气体燃料和压缩空气的旋动的混合物143，这对于喷嘴100下游的燃烧管145中旋动的气体燃料-压缩空气的混合物会继续。可在紧邻端部封闭壁125的气体燃料腔体130的下游端内提供冷却空气室160。冷却空气室160可包括周缘壁161，周缘壁161包括在纵向轴线111周围向下游延伸通过端部封闭壁125的中心部分的突出部分162。周缘壁161沿着纵向轴线可为大体圆柱形，并且在上游端壁177上封闭。突出部分162可为具有在下游端处渐缩的侧壁172的截头圆锥形。突出部分162可形成为与端部封闭壁125成一体。冷却空气室160可与压缩空气135的外部空间136处于流连通。流连通路径165可包括与空心管路部件170互连的周缘壁115的对应的穿孔116和冷却空气室160的穿孔
164。穿孔116、164的数量和大小以及对应的空心管路部件170的数量和直径171可布置成对冷却空气室160提供足够量的压缩空气，以供应冷却喷嘴的尖部的需要，从而限制来自下游燃烧管空间145的热气冲击到喷嘴尖部端113的下游表面上，以及促进下游燃烧管空间145内的混合。空心管路170可沿径向布置在喷嘴本体110的周缘壁115和冷却空气室160的周缘壁161之间。空心管路170还可沿周向对称地布置在冷却空气室160周围。冷却空气腔体160的突出部分162的下游面163可与端部封闭壁125的下游面1 形成连续的齐平表面。突出部分162可在内面166和下游面163之间包括多个冷却流通道
165。冷却通道165可布置成内部旋流器180来提供排出物195，从而形成从下游面163进入燃烧管145中的压缩空气的旋转旋流，如将更加详细地描述的那样。图2示出了空气分级扩散喷嘴的截面剖视图。图3示出了空气分级扩散喷嘴的端部的尖部的外观图。更具体而言，通道165可在内部旋流器180内布置在旋流导叶181之间，旋流导叶181对排到燃烧管145中的压缩空气施加排出速度195。排出速度195可包括轴向速度183和周向速度184。旋流导叶181和通往燃烧管的通道165可布置成沿与外部旋流器140对气体燃料混合物施加的旋转方向144相同的旋转方向196或相反的旋转方向197施加周向(旋转)速度184。通过突出部分162的压缩空气流的相对于来自外部旋流器的气体空气混合物的旋转方向的旋转方向将影响气体燃料和空气在燃烧管中的混合。排出空气还往往冷却尖部，并且将在下游表面163上形成冷空气薄膜190。另外，进入燃烧管145的压缩空气的速度的轴向分量183可阻碍燃烧管中的旋转热气流冲击在喷嘴尖部上。旋流导叶181可另外形成为对气体-空气混合物增加径向速度分量186，从而进一步影响燃烧管空间内的混合。因此，压缩空气流的体积、压缩空气流的轴向速度、压缩空气流的旋转速度，以及压缩空气流相对于来自外部旋流器的燃料-空气混合物的旋转流的旋转方向提供了改进燃料和空气在燃烧管中的混合的可调设计参数，从而促进有减少的排放以及在启动时有减少的积碳形成。另外通过产生冷空气膜和迫使旋转的热气流远离喷嘴的尖部，压缩空气流将冷却喷嘴的尖部。图4示出了空气分级扩散喷嘴的冷却空气室160的一个实施例的等距视图。冷却空气室160包括在其内的冷却空气腔体的周围形成在上游端177上封闭的大体圆柱形本体的周缘壁161。截头圆锥形状的突出部分162向下游延伸，其下游端处包括用于喷嘴(未显示)的内部旋流器180。用于将压缩空气接收到冷却空气腔体178中的多个管部件170优选以对称布置从周缘壁161沿径向延伸。管的内径171可建立成为内部旋流器180提供足够量的压缩空气。内部旋流器180可包括通过下游表面163而排出且其布置和流属性之前已描述过的多个旋流通道165。旋流通道165的数量、形状、大小和定向可选择成提供合适体积和流量的压缩空气来促进燃烧管空间中的冷却和混合。图4示出了空气分级扩散喷嘴的冷却空气室160的一个实施例的突出部分162的下游面163，其包括尖部冷却孔187。尖部冷却孔180可在冷却空气腔体160的突出部分162的壁163的下游面163和内面166(图幻上形成圆形型式。可相对于纵向轴线111来成角度地移置相应的面163、166上的尖部冷却孔的圆形型式，从而将通过突出部分152的通道192限定成使得来自下游面163的排出物193将包括轴向流分量198和周向流分量199两者。可备选地布置尖部冷却孔180在相应的侧上的角度移置，允许颠倒周向流分量，从而允许周向流沿与外部旋流器140(图4)所产生的相同的旋转方向196或相反的旋转方向197。另外，如在图5中显示的那样，尖部孔180可进一步布置成在下游壁的内面166(图幻和下游面163之间提供径向移置，从而增加离开下游面163的径向流分量。虽然示出了圆形构造的孔，但是应当理解，促进燃烧管中的气体燃料与空气的混合以及喷嘴尖部的冷却的备选的型式、形状、孔的大小和数量以及排出方向应认为在本发明的精神内。图7示出了具有燃烧管的有创造性的空气分级扩散喷嘴的一个实施例的放大视图。喷嘴100通过燃料板114的端口 117而接收来自安装在喷嘴本体110的上游端处的气体燃料源112的气体燃料。通过外部空间136来在喷嘴本体110处提供压缩空气。压缩空气传送通过周缘壁穿孔164，以及然后通过管部件170到达冷却空气室160，以及经过旋流器壁伸出部148到达外部旋流器140。燃烧管146在喷嘴本体-燃烧管接头147处连结到喷嘴本体110上。来自外部旋流器140的流通道142的气体燃料和空气的混合物143在具有旋转旋流和下游速度的情况下排到燃烧管空间145中。压缩空气流过冷却空气室160，通过内部旋流器180的旋流通道165而在具有旋转旋流的情况下进入燃烧管146的燃烧管空间145中。从内部旋流器通道180通到燃烧管空间145中的流的旋转旋流可沿与来自外部旋流器140的旋流相同的旋转方向或相反的旋转方向。图8示出了包括有创造性的空气分级扩散喷嘴100的燃气轮机300的干式低NOx(DLN)燃烧器的一个实施例的剖视图。燃烧器还包括压缩机312(部分地显示)、多个燃烧器314(为了方便和清楚显示了一个)和涡轮316(由单个叶片表示)。虽然未明确地显示，但是涡轮316沿着公共轴线驱动地连接到压缩机312上。压缩机312对入口空气加压，该入口空气然后反过来流到燃烧器314，在燃烧器314中，该入口空气用来冷却燃烧器314，以及对燃烧过程提供空气。虽然显示了仅一个燃烧器314，但是燃气轮机300包括位于其外周缘周围的多个燃烧器314。过渡管318使各个燃烧器314的出口端与涡轮316的入口端连接，以将热的燃烧产物输送给涡轮316。各个燃烧器314均包括借助于螺栓3 来在开口前端处固定到涡轮壳体3 上的基本圆柱形燃烧壳体324。燃烧壳体3 的后端由端盖组件330封闭，端盖组件330可包括用于将气体、液体燃料和空气(以及水，如果期望的话)供给到燃烧器14的传统的供应管、歧管和相关联的阀等。气体燃料歧管350可为空气分级扩散喷嘴100供应气体燃料。端盖组件330接收在燃烧器314的纵向轴线331周围布置成圆形排列的多个(例如六个)有创造性的空气分级扩散喷嘴组件100 (为了方便和清楚仅显示了一个)。图9示出了具有外部旋流器140和内部旋流器180的空气分级扩散喷嘴100的圆形布置，其中，喷嘴安装在端盖组件330上，并且从气体燃料管系350供给。再次参看图8，二次燃料喷嘴380可安装在中心本体381处中。将来自后部供应区段352的气体燃料120供应给各个空气分级燃料喷嘴100，并且各个空气分级燃料喷嘴100将旋动的气体和空气的混合物输送给燃烧管空间145。在燃烧壳体324内，以与燃烧壳体3M成基本居中的关系来安装基本圆柱形流动套管334，该流动套管334在其前端处连接到过渡管318的外壁336上。流动套管334在其后端处连接到燃烧壳体3M上，燃烧器壳体324的前区段和后区段在这里连结。在流动套管334内，居中布置了燃烧衬套338，燃烧衬套338在其前端处与过渡管318的内壁340连接。燃烧衬套338的后端由燃烧衬套帽组件342支承，燃烧衬套帽组件342又支承在燃烧壳体324内。将理解，过渡管318的外壁336以及在燃烧壳体3 栓接到涡轮壳体3 上所处的位置前部延伸的流动套管334的那个部分可在它们相应的外周缘表面上形成有一排孔口 ；344，以容许空气通过孔口 344反过来从压缩机312流到流动套管334和衬套338之间的环形空间中，流向燃烧器314的上游或后端(如由流箭头370所指示的那样)。该布置使得在衬套338和流动套管334之间的环形空间中流动的空气被迫在燃烧器314的后端中倒转方向，以及流(参见图1)到空气分级扩散喷嘴100外部的空间136中，其中，使得空气对于喷嘴的外部旋流器140可用，并且对于冷却空气腔体160可用，以流过内部旋流器180，以及在进入燃烧区或燃烧室390之前流过燃烧管空间145。对于现有技术的具有仅外部旋流器的扩散喷嘴，响应于从燃烧管的外周缘周围的外部旋流器排出的旋动的燃料-空气旋流混合物，可在燃烧管和预混合管内可形成热气的再循环泡。燃料-空气混合物的这个下游流会促进来自下游的热气循环而沿着燃烧管的中心区域向上游流动，从而使热气紧邻喷嘴尖部端。该流会加热喷嘴的尖部端，并且在启动和低功率运行期间促进积碳集聚在喷嘴的尖部端上。由于来自有创造性的空气分级喷嘴的内部旋流器的旋动的空气，停滞的再循环热气被迫返回和远离尖部端。另外，通过尖部端的冷空气流会促进在尖部上有冷空气膜。来自内部旋流器的空气流进一步减小喷嘴的尖部端附近的燃料质量分数，从而促进空气分级喷嘴的均勻的未混合轮廓。通过内部旋流器的旋动的排出物来改变在现有技术的尖部端的中心中出现的低速区，如上面描述的那样。由于内部旋流器的原因，对于空气分级喷嘴还减小了在燃烧管的外周缘处的高的轴向速度。另外，相对于现有技术，燃料质量分数在燃烧管出口处变得更均勻，并且在燃烧管出口处的未混合度降低。这里，改进的混合对燃气轮机的排放有积极影响。根据本发明的另一方面，提供了一种用于冷却设置在具有压缩机和涡轮的燃气轮机的燃烧器中的空气分级扩散喷嘴的尖部端的方法，其中喷嘴设置在燃烧器的燃烧管的上游。图10示出了用于冷却空气分级扩散喷嘴的喷嘴尖部以及混合燃烧管区段中的气体燃料和空气的方法的流程图。步骤410提供了气体燃料空气分级扩散喷嘴，其中喷嘴包括喷嘴本体，其包括由沿着喷嘴的纵向轴线设置的外周缘壁界定的气体燃料腔体；端部封闭壁；设置在气体燃料腔体内的冷却空气室；由来自气体燃料腔体的气体燃料和来自包围喷嘴本体的外部空间的压缩空气供应的外部旋流器；以及冷却空气室的前部突出部，其延伸通过冷却空气室内的周缘壁且突出通过中心燃料室的端部封闭壁。步骤415从上游气体燃料源将气体燃料供应给气体燃料腔体。步骤420将气体燃料转移成通过限定在端部封闭壁的外周缘周围的气体喷射孔而流到外部旋流器的旋流通道中。步骤425使气体燃料与来自外部空间的压缩空气在外部旋流器内混合。步骤430将具有旋转方向的旋动的气体燃料和压缩空气排到喷嘴本体的端部封闭壁下游的燃烧管空间中。在步骤440中，转移压缩空气的步骤用管来提供从外部空间流到冷却空气室的压缩空气，这些管通过气体燃料腔体的外周缘壁而流体地连接到压缩空气室上，以及通过冷却空气室的周缘壁而流体地连接到其内的冷却空气腔体。通过喷嘴本体和冷却空气室的周缘壁的管和穿孔的大小可建立成提供足够的压缩空气流来冷却喷嘴的尖部。通过喷嘴本体和冷却空气室的周缘壁的管和穿孔的大小可进一步建立成提供足够的压缩空气流来促进来自外部旋流器的旋动的气体燃料和空气在燃烧空间内混合。在步骤445中，转移压缩空气可进一步包括使压缩空气通过在喷嘴的尖部上的冷却空气室的周缘壁的前部突出部上的内部旋流器传送到喷嘴下游的燃烧管的空间。这里，旋流导叶通道的大小和旋流导叶通道的定向经布置以冷却喷嘴尖部。旋流导叶通道的大小和旋流导叶通道的定向可经布置以混合燃烧管空间内的气体燃料和空气。步骤450备选地提供了使压缩空气流过冷却空气室的周缘壁的前部突出部内的多个尖部孔。这里，尖部孔的大小和尖部孔的定向可经布置以冷却喷嘴尖部或促进气体燃料和空气在燃烧空间内混合或实现这两个功能。该方法可包括旋流导叶和尖部孔的其它布置，并且可进一步包括旋流导叶和尖部孔的组合。来自喷嘴尖部的压缩空气的排出物可相对于喷嘴的纵向轴线对压缩空气施加下游轴向速度和旋转速度。在步骤460中，施加于来自喷嘴尖部的压缩排出空气的旋转速度可沿与来自外部旋流器的旋流的方向相同的方向，或者对于步骤465，沿与来自外部旋流器的旋流的方向相反的方向。在步骤470中，排出物为喷嘴尖部提供冷却。在步骤480中，排出物提供来自外部旋流器的气体燃料和空气在燃烧管空间中的混合，其中，改进的混合促进燃气轮机有减少的排放。虽然在本文中描述了多种实施例，但是从说明书中将理解到，可对其中的元件、变型或改进作出各种组合，并且它们都在本发明的范围内。
权利要求
1.一种冷却设置在具有压缩机和涡轮的燃气轮机的燃烧器中的空气分级扩散喷嘴的尖部端的方法，其中，所述喷嘴在所述燃烧器的燃烧管的上游，所述方法包括提供空气分级扩散喷嘴，其包括喷嘴本体，其包括由沿着所述喷嘴的纵向轴线设置的外周缘壁界定的气体燃料腔体；端部封闭壁；设置在所述气体燃料腔体内的冷却空气室；外部旋流器，其由来自所述气体燃料腔体的气体燃料和来自包围所述喷嘴本体的外部空间的压缩空气供应；以及所述冷却空气室的前部突出部，其延伸通过所述冷却空气室内的周缘壁且突出通过所述中心燃料室的端部封闭壁；从上游气体燃料源将气体燃料供应给所述气体燃料腔体；使气体燃料转移成通过限定在所述端部封闭壁的外周缘周围的气体喷射孔而流入所述外部旋流器的旋流通道中；使所述气体燃料与来自所述外部空间的压缩空气在所述外部旋流器内混合；将具有旋转方向的旋动的气体燃料和压缩空气排到所述喷嘴本体的所述端部封闭壁下游的燃烧管空间中；以及通过所述冷却空气室而将来自包围所述喷嘴本体的所述外部空间的压缩空气转移到所述喷嘴本体的所述端部封闭壁下游的所述燃烧管空间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转移所述压缩空气的步骤包括用管来使来自所述外部空间的压缩空气流到所述冷却空气室，所述管通过所述气体燃料腔体的所述外周缘壁而流体地连接到所述压缩空气室上，以及通过所述冷却空气室的外周缘壁而流体地连接到其内的冷却空气腔体。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述转移的步骤包括将通过所述喷嘴本体和冷却空气室的所述周缘壁的所述管和穿孔大小设置成提供足够的压缩空气流来冷却所述喷嘴的尖部。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述转移的步骤包括将通过所述喷嘴本体和冷却空气室的所述周缘壁的所述管和穿孔大小设置成提供足够的压缩空气流来促进气体燃料和空气在所述燃烧管空间内的混合。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述转移所述压缩空气的步骤进一步包括通过所述喷嘴的尖部上的所述冷却空气室的所述周缘壁的前部突出部而将所述压缩空气传送到所述喷嘴下游的所述燃烧管的空间。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述传送压缩空气的步骤包括通过所述冷却空气室的所述周缘壁的所述前部突出部内的包括旋流叶片的旋流器来使所述压缩空气旋动。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述传送压缩空气的步骤包括对所述旋流叶片通道进行大小设置，以及对所述旋流叶片通道进行定向，以冷却所述喷嘴尖部。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述传送压缩空气的步骤包括对所述旋流叶片通道进行大小设置，以及对所述旋流叶片通道进行定向，以促进气体燃料和空气在燃烧空间内的混合。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述转移所述压缩空气的步骤包括使所述压缩空气流过所述冷却空气室的所述周缘壁的所述前部突出部内的多个尖部孔。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述使所述压缩空气流动的步骤包括相对于所述喷嘴的所述纵向轴线而对所述压缩空气施加下游轴向速度和旋转速度。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述使所述压缩空气流动的步骤包括对所述尖部孔进行大小设置，以及对所述尖部孔进行定向，以冷却所述喷嘴尖部。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述使所述压缩空气流动的步骤包括对所述尖部孔进行大小设置，以及对所述尖部孔进行定向，以促进气体燃料和空气在所述燃烧管空间内的混合。
13.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述传送所述压缩空气的步骤包括相对于所述喷嘴的所述纵向轴线而对所述压缩空气施加下游轴向速度；以及相对于所述喷嘴的所述纵向轴线而对所述压缩空气施加旋转速度。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述传送的步骤包括沿与来自所述外部旋流器的旋流的方向相同的方向来对所述压缩空气施加旋转速度。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述传送的步骤包括沿与来自所述外部旋流器的旋流的方向相反的方向来对所述压缩空气施加旋转速度。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述燃气轮机的所述压缩机的排出物中提供所述压缩空气。
17.—种运行设置在具有压缩机和涡轮的燃气轮机的燃烧器中的气体燃料空气分级扩散喷嘴的方法，其中，所述喷嘴在所述燃烧器的燃烧管的上游，所述方法包括提供气体燃料空气分级扩散喷嘴，其包括喷嘴本体，其包括由沿着所述喷嘴的纵向轴线设置的外周缘壁界定的气体燃料腔体；端部封闭壁；设置在所述气体燃料腔体内的冷却空气室；外部旋流器，其由来自所述气体燃料腔体的气体燃料和来自包围所述喷嘴本体的外部空间的压缩空气供应；以及在所述喷嘴的下游端处的内部旋流器；从上游气体燃料源将气体燃料供应给所述气体燃料腔体；将气体燃料转移成通过限定在所述端部封闭壁的外周缘周围的气体喷射孔而流入所述外部旋流器的旋流通道中；使所述气体燃料与来自所述外部空间的压缩空气在所述外部旋流器内混合；将来自所述外部旋流器的、具有旋转方向的旋动的气体燃料和压缩空气排到在所述喷嘴本体下游的燃烧管空间中；以及将来自包围所述喷嘴本体的所述外部空间的压缩空气转移到所述冷却空气室中；以及通过在所述喷嘴的所述尖部端的中心处的内部旋流器，使所述冷却空气室中的所述压缩空气旋动到所述喷嘴下游的所述燃烧管空间中。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述旋动的步骤进一步包括相对于所述喷嘴的所述纵向轴线，使具有轴向速度分量和旋转速度分量的所述压缩空气旋动到所述燃烧管中。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述旋动的步骤进一步包括用来自所述内部旋流器的旋动的压缩空气来减小来自所述外部旋流器的旋动的气体燃料和空气的混合物在所述燃烧管空间中的未混合度，其中，来自所述内部旋流器的旋动的空气沿与来自所述外部旋流器的旋动的混合物相同的方向和相反的方向中的一个流动。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述旋动的步骤进一步包括通过用来自所述内部旋流器的旋动的压缩空气而推开所述燃烧管空间内的热气来冷却所述喷嘴的所述尖部端。
全文摘要
本发明涉及用于运行空气分级扩散喷嘴的方法。提供了一种用于运行用于燃气轮机燃烧器的空气分级扩散喷嘴的方法，以冷却喷嘴尖部以及改进气体燃料和空气在下游燃烧空间内的混合。空气在外部旋流器中与气体燃料混合，并且在下游燃烧管空间中膨胀。来自喷嘴中的冷却空气腔体的压缩空气流过内部旋流器，向下游从喷嘴的尖部传送到燃烧管空间，冷却喷嘴尖部，以及改进气体燃料与空气的混合，从而减少燃气轮机的排放，以及减少启动时积碳的形成。从喷嘴尖部进入燃烧空间中的排出空气的方向和旋转可布置成促进喷嘴尖部冷却和气体燃料与空气的混合。
文档编号F23R3/00GK102563698SQ20111042107
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者A·P·德赛, K·卡利斯瓦兰, V·波利塞蒂 申请人:通用电气公司