专利名称：燃烧器燃料喷嘴和用于供应燃料到燃烧器的方法
技术领域：
本发明大体上涉及燃烧器燃料喷嘴和用于将燃料供应到燃烧器的方法。
背景技术：
燃气涡轮在商业操作中广泛地用于功率生成。燃气涡轮燃烧器通常对与压缩的诸如空气的工作流体混合的液体和/或气体燃料进行操作。对依靠任一种燃料运行燃气涡轮的灵活性为燃气涡轮操作者提供了大的益处。广泛已知的是，燃气涡轮的热力学效率随操作温度，即燃烧气体温度增加而增加。还已知的是，通过在燃烧器的燃烧区中提供富燃料/空气混合物，可以获得更高的燃烧气体温度。然而，由富液体或气体燃料/空气混合物导致的较高燃烧温度显著增加了氮氧化物或NOx的生成，这是不期望的废气排放。NOx水平可通过提供用于燃烧的贫燃料/空气比率或通过将诸如水的添加剂喷入燃烧器而降低。为了提供贫燃料/空气混合物，可以将燃料和空气在燃烧之前预混合。预混合可以在双燃料燃烧器燃料喷嘴中进行，该喷嘴包括多个燃料喷射端口、内部流动区域和外部流动区域。当燃气涡轮循环通过各种操作模式时，燃料被喷入内部和/或外部流动区域以便与工作流体预混合。存在允许在燃烧之前使液体和/或气体燃料与工作流体预混合的多种双燃料喷嘴。然而，改善燃料混合物的均匀性的用于将燃料供应到燃烧器的改进的燃料喷嘴和方法将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点在下面的描述中提出，或者可由该描述显而易见，或者可通过实施本发明来了解。本发明的一个实施例是一种燃烧器燃料喷嘴，其包括中心主体和周向围绕中心主体的至少一部分的内护罩，其中内护罩具有下游表面。在中心主体和内护罩之间的内环形通道，和周向围绕内护罩的至少一部分的外环形通道，以及大致径向向外延伸通过中心主体的第一组多个燃料端口。第一组多个燃料端口在内护罩的下游表面的上游。本发明的另一个实施例是一种燃烧器燃料喷嘴，其包括中心主体和周向围绕中心主体的至少一部分的内护罩、在中心主体和内护罩之间的内环形通道、以及周向围绕内护罩的至少一部分的外环形通道，其中内护罩具有下游表面。第一组多个燃料端口大致径向向外延伸通过中心主体，其中第一组多个燃料端口在内护罩的下游表面的上游，以及从内护罩径向向内延伸的第二组多个燃料端口。本发明还包括一种用于将燃料供应到燃烧器燃料喷嘴的方法，其包括:使工作流体流过在中心主体和内护罩之间的内环形通道；以及将来自中心主体的第一燃料对着内护罩喷射。该方法还包括使工作流体的至少一部分流过周向围绕内护罩的至少一部分的外环形通道。通过阅读说明书，本领域技术人员将更好地理解这些实施例的特征和方面及其 它。
在说明书的其余部分中并参考附图更具体地描述了本发明的全面并能够实施的
公开，包括对于本领域技术人员来说的最佳模式，在附图中:
图1是在本发明的范围内的示例性燃气涡轮的简化剖视 图2是图1所示燃烧器的简化剖视 图3是图2所示喷嘴组件的透视 图4是根据本发明的一个实施例的喷嘴的透视 图5是图4所示喷嘴的剖视 图6是图4所示喷嘴的一部分的透视图；以及 图7是图4所示喷嘴的一部分的放大剖视图。部件列表 10 燃气涡轮 12 压缩机 14 燃烧器 16 涡轮
18 转子 20 压室 30 端盖组件 32 过渡件 34 燃料喷嘴 36 壳体 38 衬里 40 燃烧室
42 稀释(dilution)通道 44 混合孔 50 中心主体 52 内护罩 54 外护罩 56 内环形通道 58 轴向流动区域 60 外环形通道 62 径向流动区域 64 径向延伸导叶 66 内护罩流体回路 68 内护罩下游表面 70 外护罩流体回路 72 成角度的通道 74支柱(strut)
80燃料端口
82第一组多个燃料端口
84第二组多个燃料端口
86第三组多个燃料端口
88第四组多个燃料端口。
具体实施例方式现在将详细参照本发明的当前实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来表示附图中的特征。在附图和描述中的相同或类似的标记用于表示本发明的相同或类似的部件。如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以区分一个部件与另一部件而并非意图表示单个部件的位置或重要性。此外，术语“上游”和“下游”是指部件在流体路径中的相对位置。例如，如果流体从部件A流至部件B，则部件A在部件B的上游。反之，如果部件B接纳来自部件A的流体流，则部件B在部件A的下游。每个示例通过对本发明进行解释而不是对本发明进行限制的方式提供。实际上，对本领域技术人员而言，显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出修改与变型。例如，作为一个实施例的部分而示出或描述的特征可用于另一实施例，以得到又一实施例。因此，本发明意图包括这种落入所附权利要求及其等同物的范围内的修改与变型。本发明的各种实施例包括燃烧器燃料喷嘴和用于将燃料提供到燃烧器的方法。燃料喷嘴通常包括中心主体、具有下游表面的内护罩、内环形通道和外环形通道。工作流体可以流过中心主体、内环形通道和/或外环形通道。定位在内护罩的下游表面的上游的第一组多个燃料端口大体径向向外延伸通过中心主体。这样，当工作流体穿过内环形通道并且液体燃料喷过第一组多个燃料端口时，燃料的一部分可汽化并与工作流体混合。其余液体燃料将在内护罩上预成膜(pre-film)并剪切地离开(shear off)下游表面，由此提供剩余液体燃料的细喷雾以用于与工作流体进一步混合，以便进行燃烧。虽然出于说明目的，将大体上在并入燃气涡轮的燃烧器燃料喷嘴的背景中描述本发明的示例性实施例，但本领域技术人员将容易理解，本发明的实施例可应用于任何燃料喷嘴且不限于燃气涡轮燃料喷嘴，除非在权利要求中明确地叙述。图1示出在本发明的范围内的典型燃气涡轮10。燃气涡轮10包括在前部处的压缩机12、在中部周围的一个或多个燃烧器14以及在后部处的涡轮16。压缩机12和涡轮16通常共用公共转子18。压缩机12赋予工作流体(空气)动能以使其处于高激励状态。压缩的工作流体离开压缩机12并流至每个燃烧器14。参看图2，每个燃烧器14包括在一端处的端盖组件30和在另一端处的过渡件32。端盖组件30包括一个或多个燃料喷嘴34。壳体36围绕每个燃烧器14以包含从压缩机12流出的压缩的工作流体。壳体36内部的衬里38在周边围绕每个燃烧器14的一部分以限定在每个燃烧器14中的燃烧室40。压缩的工作流体通过稀释通道42进入，并且沿衬里38的外部行进(如由箭头所示)以冷却衬里38。压缩的工作流体的一部分通过混合孔44进入燃烧室40，并且其余压缩的工作流体在端盖30处反转方向且通过一个或多个燃料喷嘴34进入燃烧室。图3提供了图2中所示的端盖组件30的透视图。每个燃料喷嘴34将燃料与压缩的工作流体混合。燃料和工作流体的混合物在燃烧室40中点燃，如图2所示，以生成具有高温、高压和高速的燃烧气体。燃烧气体通过过渡件32流至涡轮16，在涡轮16中燃烧气体膨胀做功。图4提供了根据本发明的一个实施例的燃料喷嘴34的透视图，并且图5提供了图4中所示燃料喷嘴34的剖视图。如图4和图5所示，燃料喷嘴34通常包括中心主体50、如图5所示的内护罩52、以及外护罩54。中心主体50和内护罩52限定在中心主体50和内护罩52之间的内环形通道56，并且内环形通道提供轴向流动区域58。内护罩52和外护罩54限定周向围绕内护罩52的至少一部分的外环形通道60且提供径向流动区域62。如图5所示，中心主体50可提供通过燃料喷嘴34且进入燃烧室40的流体连通。中心主体50可构造成使工作流体、液体和/或气体燃料流动。喷嘴34可包括多个导叶64，多个导叶64在中心主体50与内护罩52之间径向延伸，以便在工作流体跨导叶64且通过轴向流动区域58行进时赋予工作流体轴向旋涡。在特定实施例中，中心主体50可通过端盖组件30和/或通过内护罩52与外护罩52从后面安装，由此允许从燃料喷嘴34移除和/或替换中心主体50。这样，可显著减少替换/修理燃料喷嘴34的中心主体50所需的成本的停机时间。中心主体50可以径向向外发散和/或径向向内会聚，并且中心主体50可以是例如任何形状，其不必须是圆形、柱形或对称的。如图5所示，内护罩52周向围绕中心主体50的至少一部分且形成在中心主体和内护罩52之间的内环形通道56。内环形通道56提供了在中心主体50和内护罩52之间的轴向流动区域58。内护罩52将工作流体导向通过轴向流动区域58。内护罩52可包括一个或多个流体回路66，并且一个或多个流体回路66可构造成流过液体或气体燃料。内护罩52具有下游表面68。在特定实施例中，下游表面68可终止于尖端(point)处。例如，可以在终点处沿下游表面68形成锋利边缘或刀刃。备选地或此外，内护罩52可朝中心主体50会聚以缩窄内环形通道56的宽度。这样，当工作流体穿过轴向流动区域58时，会聚的内护罩52可以使工作流体加速并沿中心主体50在轴向方向上导向工作流体。类似地，内护罩52可从外护罩54发散。这样，当工作流体进入外环形通道58并进入径向流动区域62时，发散的内护罩52可提供屏障以将径向流动区域62与轴向流动区域58隔离，并且可从内护罩52的下游表面68向下游轴向导向工作流体。外护罩54周向围绕内护罩52的至少一部分和/或中心主体50以限制流过燃料喷嘴34的工作流体和/或燃料。如在图5中最清楚示出的，外护罩54可包括一个或多个流体回路70，并且一个或多个流体回路70可构造成流过液体或气体燃料。外护罩54可以是单独的结构，或者它可一体地连接到内护罩52。外护罩54和/或内护罩52可例如通过支柱74或通过用于支撑结构的任何其它手段刚性地连接到燃烧器。这样，中心主体50可通过后部装载方式插入通过内护罩52和外护罩54。此外，外护罩54可包括用于使流过燃料喷嘴34的工作流体和/或燃料成径向漩涡的结构。例如，如图6所示，外护罩54可包括通过该外护罩的多个成角度的通道72。成角度的通道72可赋予工作流体和/或液体或气体燃料径向漩涡，以便促进工作流体与液体或气体燃料在径向流动区域62内的混合。此夕卜，根据特定实施例，成角度的通道72可在与由中心主体50径向延伸导叶64在轴向流动区域58内提供的漩涡相同方向或相反方向上赋予流过燃料喷嘴34的工作流体和/或燃料径向漩涡。外护罩54可在内护罩下游表面68的下游径向向内会聚。这样，预混合的工作流体和燃料在其膨胀到燃烧室34内用于燃烧之前离开燃料喷嘴34时可以变得压缩和/或加速，由此降低在燃料喷嘴34的出口平面处火焰保持或回火的风险。图7提供了图4所示燃料喷嘴34的一部分的放大剖视图。如图6和图7所示，燃料喷嘴34可包括在中心主体50、内护罩52和外护罩54中的一个或多个中的多个燃料端口。每个燃料端口可以径向、轴向和/或在方位上(azimuthally)成角度，以向流过燃料端口且进入燃料喷嘴34的燃料投射和/或赋予漩涡。燃料端口中的每一个可构造成流过气体和/或液体燃料。在特定实施例中，如图7所示，第一组多个燃料端口 82可大致径向向外延伸通过中心主体50，并且可独立地或结合多个燃料端口中的一个或多个操作。第一组多个燃料端口 82在内护罩52的下游表面68的上游，并且可构造成提供气体或液体燃料。这样，当第一组多个燃料端口 82将液体燃料从中心主体50径向向外喷出并且进入内环形通道56时，液体燃料的至少一部分在其穿过轴向流动区域58时将被汽化并与工作流体混合。然而，液体燃料的其余部分通常将撞击内护罩52。结果，轴向流动区域58中的工作流体将造成其余液体燃料在内护罩52上预成膜，同时其将预成膜的液体燃料跨会聚的内护罩下游表面68转移。当预成膜的流体与带刀刃的下游表面68分开时，其可被剪切成小滴并分布到形成于轴向流动区域58和径向流动区域62内的逆向旋转的空气流中。结果，在燃烧之前为改善的燃料和工作流体混合提供了非常微小且一致的液体燃料喷雾，由此减少了控制燃烧排放所需的水或其它添加剂的量，并且进一步提高了仍依靠液体燃料运转时的燃气涡轮的总效率。此外，当液体燃料从中心主体50径向向外喷射时，内护罩52将至少部分地使在轴向流动区域58中的液体燃料和工作流体混合物与径向流动区域62隔离，由此允许在燃气涡轮操作期间对内部和外部燃料混合分流(split)进行更大的控制。第二组多个燃料端口 84可将燃料从内护罩径向向内导向且进入轴向流动区域58，并且可独立地或结合多个燃料端口中的一个或多个操作。第二组多个燃料端口 84可构造成流过气体或液体燃料。当气体燃料从第二组多个燃料端口 84喷射且进入轴向流动区域58时，气体燃料将至少部分地与工作流体混合并将跨内护罩下游表面68而转移。在某些实施例中，内护罩下游表面68可会聚和终止于尖端处。结果，内护罩下游表面68可沿中心主体50大体轴向地加速和导向工作流体与气体燃料的混合物，由此至少部分地隔离轴向流动区域58与径向流动区域62，从而在燃气涡轮的操作期间对内部和外部燃料混合分流进行更大的控制。第三组多个燃料端口 86可从外护罩54径向向内延伸，并且独立地或结合多个燃料端口中的一个或多个操作。在一些实施例中，第三组多个燃料端口 86可位于多个成角度的通道72上。第三组多个燃料端口 86可构造成流过气体或液体燃料。这样，当气体燃料从第三组多个燃料端口 86喷射且进入径向流动区域62时，气体燃料将与工作流体至少部分地混合以便在燃烧室40中燃烧。此外，在径向流动区域62中预混合的工作流体和燃料可至少部分地与轴向流动区域隔离，由此允许在燃气涡轮的操作期间对内部和外部燃料混合分流进行更大的控制。在内护罩52的下游表面68下游的第四组多个燃料端口 88可大致径向向外延伸通过中心主体50，并可构造成流过液体或气体燃料。在某些实施例中，液体燃料可从第四组多个燃料端口 88喷射且进入燃料喷嘴34的径向流动区域62。这样，当液体燃料和工作流体进入径向流动区域62时，液体燃料的至少一部分将被汽化并与工作流体混合。然而，液体燃料的其余部分可被由分别来自轴向流动区域58和径向流动区域62两者的逆向旋转的工作流体所产生的强剪力吹风(air blasted)。当液体燃料遇到这种剪力时,液体燃料可被进一步汽化，由此导致微小且一致的液体燃料薄雾。结果，汽化的液体燃料在燃烧之前将更容易与工作流体预混合。关于图1至图7所示出和描述的各种实施例也可提供用于供应燃料到燃烧器10的方法。该方法可包括:使工作流体流过在中心主体50与内护罩52之间的内环形通道56 ；将来自中心主体50的第一燃料对着内护罩52喷射；以及使工作流体的至少一部分流过周向围绕内护罩52的至少一部分的外环形通道60。在特定实施例中，该方法还可包括将液体燃料从中心主体50径向向外喷入内环形通道56，以便将工作流体与液体燃料预混合。此夕卜，该方法还可包括使液体燃料沿内护罩52预成膜，其中内护罩朝中心主体50径向向内会聚，并且下游表面68终止于尖端处。例如，下游表面68可形成刀刃。该方法还可包括使流过内环形通道56的工作流体在第一方向上成漩涡以及使流过外环形通道60的工作流体在第二方向上成镟润，其中第一方向与第二方向相反。该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且使任何本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何合并的方法。本发明的可专利范围由权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它示例。如果这种其它示例包括与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种燃烧器燃料喷嘴，包括: a.中心主体； b.内护罩，其周向围绕所述中心主体的至少一部分，其中，所述内护罩具有下游表面； c.内环形通道，其在所述中心主体与所述内护罩之间； d.外环形通道，其周向围绕所述内护罩的至少一部分；以及 e.第一组多个燃料端口，其大致径向向外延伸通过所述中心主体，其中，所述第一组多个燃料端口在所述内护罩的下游表面的上游。
2.根据权利要求1所述的燃烧器燃料喷嘴，其特征在于，所述内护罩的下游表面终止于尖端处。
3.根据权利要求1所述的燃烧器燃料喷嘴，其特征在于，所述内护罩朝所述中心主体会聚以缩窄所述内环形通道。
4.根据权利要求1所述的燃烧器燃料喷嘴，其特征在于，还包括在所述中心主体和所述内护罩之间径向延伸的多个导叶。
5.根据权利要求1所述的燃烧器燃料喷嘴，其特征在于，还包括从所述内护罩径向向内延伸的第二组多个燃料端口。
6.根据 权利要求1所述的燃烧器燃料喷嘴，其特征在于，还包括周向围绕所述内护罩的至少一部分的外护罩。
7.根据权利要求6所述的燃烧器燃料喷嘴，其特征在于，还包括从所述外护罩径向向内延伸的第三组多个燃料端口。
8.根据权利要求6所述的燃烧器燃料喷嘴，其特征在于，还包括大致径向向外延伸通过所述中心主体的第四组多个燃料端口，其中，所述第四组多个燃料端口在所述内护罩的下游表面的下游。
9.根据权利要求6所述的燃烧器燃料喷嘴，其特征在于，还包括通过所述外护罩的多个成角度的通道。
10.一种燃烧器燃料喷嘴，包括: a.中心主体； b.内护罩，其周向围绕所述中心主体的至少一部分，其中，所述内护罩具有下游表面； c.内环形通道，其在所述中心主体与所述内护罩之间； d.外环形通道，其周向围绕所述内护罩的至少一部分； e.第一组多个燃料端口，其大致径向向外延伸通过所述中心主体，其中，所述第一组多个燃料端口在所述内护罩的下游表面的上游；以及 f.第二组多个燃料端口，其从所述内护罩径向向内延伸。
11.根据权利要求10所述的燃烧器燃料喷嘴，其特征在于，所述内护罩的下游表面终止于尖端处。
12.根据权利要求10所述的燃烧器燃料喷嘴，其特征在于，所述内护罩朝所述中心主体会聚以缩窄所述内环形通道的宽度。
13.根据权利要求10所述的燃烧器燃料喷嘴，其特征在于，还包括在所述中心主体与所述内护罩之间径向延伸的多个导叶。
14.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述中心主体通过所述内护罩从后面安装。
15.根据权利要求10所述的燃烧器燃料喷嘴，其特征在于，还包括周向围绕所述内护罩的至少一部分的外护罩。
16.根据权利要求14所述的燃烧器燃料喷嘴，其特征在于，还包括从所述外护罩径向向内延伸的第三组多个燃料端口。
17.根据权利要求14所述的燃烧器燃料喷嘴，其特征在于，还包括大致径向向外延伸通过所述中心主体的第四组多个燃料端口，其中，所述第四组多个燃料端口在所述内护罩的下游表面的下游。
18.根据权利要求14所述的燃烧器燃料喷嘴，其特征在于，还包括通过所述外护罩的多个成角度的通道。
19.一种用于将燃料供应到燃烧器燃料喷嘴的方法，包括: a.使工作流体流过在中心主体与内护罩之间的内环形通道； b.将来自所述中心主体的第一燃料对着所述内护罩喷射；以及 c.使所述工作流体的至少一部分流过周向围绕所述内护罩的至少一部分的外环形通道。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括使所述第一燃料沿所述内护罩预成膜，其中，所述第一燃料为液体燃料，并且所述内护罩包括终止于尖端处的下游表面。
全文摘要
本发明涉及燃烧器燃料喷嘴和用于供应燃料到燃烧器的方法。更具体而言，一种燃烧器燃料喷嘴包括中心主体和周向围绕中心主体的至少一部分的内护罩。内护罩具有下游表面。燃料喷嘴包括在中心主体与内护罩之间的内通道、周向围绕内护罩的至少一部分的外通道、以及大致径向向外延伸通过中心主体的第一组多个燃料端口。第一组多个燃料端口在内护罩的下游表面的上游。一种用于将燃料供应到燃烧器燃料喷嘴的方法包括使工作流体流过在中心主体与内护罩之间的内通道；将来自中心主体的燃料对着内护罩喷射；以及使工作流体的一部分流过围绕内护罩的至少一部分的外通道。
文档编号F23R3/28GK103196156SQ20131000313
公开日2013年7月10日 申请日期2013年1月6日 优先权日2012年1月5日
发明者G.A.博德曼, R.J.基拉, J.F.麦康瑙希 申请人:通用电气公司