专利名称：成束多管喷嘴组件及用于减少涡轮机中的排放物的方法
技术领域：
本发明中所公开的主题涉及用于涡轮机的喷嘴组件，并且更具体地涉及成束多管喷嘴组件及用于减少涡轮机中的排放物的方法。
背景技术：
成束多管喷嘴已经被用作用于燃气涡轮机的燃料喷射喷嘴。典型的成束多管喷嘴包括主体部段以及多根管。小型管喷嘴还包括燃料进口，燃料通过燃料进口被输送至由主体部段和管的外部表面所限定的增压室。燃料填充增压室，并且围绕管中的每一根管分配。每一根管都包括燃料进口。进入管的燃料以一定间隔提供，以与通过管的空气混合，以便有利于将稀薄的燃料/空气混合物喷射至燃烧室中。共同拥有的美国专利申请序列号US2010/0186413A1中对用于在涡轮机中使用的代表性的成束多管喷嘴进行了描述，该专利通过引用的方式结合到本说明书中。来自燃气涡轮机的排放物受到严格控制。具体而言，氮氧化物(NO和NO2，统称为NOx)的排放物受到严格的管理限制。成束多管喷嘴已经用于通过保证燃料和空气在燃烧之前的良好混合而实现低NOx水平。在用作用于燃气涡轮机的燃料喷射喷嘴的成束多管喷嘴中，燃料供给通常处于比压缩机排放空气温度低的300°至600° F(150° -315° °C )(或者更高)的温度。根据管在喷嘴内的定位，从管(具有流过其中的热空气)向燃料的传热能够在通过管中的燃料孔喷射至空气中的点处造成燃料温度的非常巨大的差异。这些燃料温度的差异造成处于通过燃料孔喷射的点处的燃料密度的巨大的空间变化(spatial variation)。该空间密度变化造成通过燃料孔进入每一根管的燃料的质量流速的显著差异。这接着造成一些管比平均更浓稠、并且因此造成更高的 NOx排放物。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种用于减少涡轮机中的排放物的方法包括将燃料提供给燃料喷嘴，燃料喷嘴具有增压室以及多根管，多根管均具有燃料孔。该方法还包括减少进入每一根管中的燃料的质量流速差异。根据本发明的另一个方面，一种用于减少燃料喷嘴中的多根管中的每一根管中的燃料空气比(fuel to airratio)差异的方法包括使燃料围绕管流动一定距离,该距离减少进入每一根管的燃料的温度差异。根据本发明的另一个方面，一种用于减少跨过多管燃料喷嘴中的多根管的燃料空气比差异的方法包括减少流入每一根管中的燃料之间的燃料温度差异。根据本发明的另一个方面，一种燃料喷嘴包括:壳体；多根管，其中每一根管都具有至少一个开口 ；以及减少进入每一根管的燃料质量流速差异的组件。
当参照附图阅读下文的详细描述时，本发明的这些和其它的特征、方面、以及优点将变得更好理解，在附图中，相似的附图标记在全部附图中代表相似部件，其中:图1是传统的成束多管燃料喷嘴的横截面图。图2是根据本发明的一个实施例的成束多管燃料喷嘴的横截面侧视图。图3是根据本发明的一个实施例的成束多管燃料喷嘴的横截面俯视图。图4是根据本发明的一个实施例的成束多管燃料喷嘴的部分等距视图。图5是根据本发明的一个实施例的成束多管燃料喷嘴的横截面侧视图。图6是根据本发明的一个实施例的成束多管燃料喷嘴的透视图。
具体实施例方式图1代表传统的多管喷嘴9，多管喷嘴9具有壳体11、以及燃料进口端口 13。壳体支承多根管15。在图1中的图示中，顶部的五根管15以横截面示出，并且底部的六根管15以侧视图示出。每一根管15都包括管进口 17(近端(proximate end))和管出口 19(远端(distal end))以及一个或多个燃料孔21。燃料孔21可以优选地布置成靠近管进口 17。壳体11和管15的外部表面限定了增压室23。增压室23是在多管喷嘴组件10的操作期间填充有燃料的空间。在多管喷嘴9操作期间，压缩空气(由图1中的箭头25表示)流入每一根管15的管进口 17中。来自增压室23的燃料流过燃料孔21，并且与压缩空气混合。空气燃料混合物(由图1中的箭头27表示)从管出口 19流入燃烧器(未示出)中。图1示出了传统的多管喷嘴9的燃料路径28。从图1能够领会，从燃料进口端口 13至燃料孔21的燃料路径28将根据孔21定位的位置而发生显著变化。例如，通向定位成最靠近燃料进口端口 13的管15的燃料 路径28明显比通向定位成最远离燃料进口端口 13的管的燃料路径28短。由于燃料供给通常处于比压缩机排放空气温度冷的300 °至600° F(149° -315° °C )(或者更高)的温度，因此根据管15在多管喷嘴9内的位置，从管15 (具有流过其中的热空气)向燃料的传热能够在通过燃料孔21喷射的点处造成燃料温度的非常巨大的差异。该燃料温度的巨大空间变化造成燃料密度的巨大的空间变化。该空间密度变化(spatial density variation)造成进入每一根管的燃料的质量流速/流率(mass flow rate)的显著差异。进入管中的燃料流的巨大空间变化是成问题的，原因是在实现低排放物的过程中的一个主要设计目标就是将相同量的空气和燃料供给至每一根管中。如果每一根管都具有相同量的空气，那么进入管中的燃料流的变化将造成一些管内比平均更浓稠，并且这将直接转化成较高的N0X。图2示出了根据本发明的实施例的多管喷嘴组件10，多管喷嘴组件10提供更均匀的流分配。该实施例的多管喷嘴组件10包括与管15正交地布置的第一挡板29和第二挡板31。第一挡板29和第二挡板31可以是沿燃料路径(由箭头33表示)插入在设计成对燃料流(由箭头32表示)进行约束的壳体11中的板。在图2的示例中，挡板29可以从壳体11的顶部的内部表面延伸至壳体11的底部的内部表面正上方的点，从而提供燃料将通过其中流动的间隙34。类似地，第二挡板31可以从壳体11的底部的内部表面延伸至壳体11的顶部的内部表面的正下方的点，从而提供燃料将通过其中流动的间隙35。尽管图2中所示的实施例示出了两个挡板，但是应当理解，多管喷嘴组件10中可以使用单个挡板、以及多于两个的挡板。类似地，任何数量的管15都可以用于多管喷嘴组件10中。图3中示出了根据本发明的多管喷嘴组件10的另一个实施例。在该实施例中，燃料分配组件37设置成将燃料更均匀地分配至增压室23中。燃料分配组件37可以包括具有多个孔41的部分圆筒39，多个孔41使得燃料均匀地分配至增压室23中。燃料分配组件37在允许燃料沿径向流动之前沿周向分配燃料。燃料分配组件37可以包括将燃料均匀地散布至增压室23中的任何装置，例如多孔材料、扩散器等。图4中示出了根据本发明的多管喷嘴组件10的另一个实施例。在该实施例中，设置有成角度挡板43，成角度挡板43设置成横向于管15地朝向壳体11的底部内部表面上方的点、以一定角度从壳体11的顶部内部表面延伸，由此提供开口 45并且限定了延长的燃料路径33。多管喷嘴组件10还可以包括燃料分配组件37，燃料分配组件37包括具有多个孔或开口 41的部分圆筒板39。标准化组件46也可以布置在燃料孔21的上游。在一个实施例中，标准化组件(normalization assembly)46可以是扩散器或多孔面板47,例如具有多个孔口 48的面板47。标准化组件46引入压力损失，并且迫使均匀的燃料质量分配在燃料孔21定位处的增压室23的区域中。图5示出了根据本发明的多管喷嘴组件10的又一个实施例。在该实施例中，设置有成角度挡板43。该实施例也包括燃料分配组件37，燃料分配组件37设置成将燃料更均匀地分配至增压室23中。图6中示出了根据本发明的多管喷嘴组件10的另一个实施例。在该实施例中，螺旋形挡板49设置成围绕管15的外部表面产生螺旋形燃料路径33。通过增加挡板，燃料被迫沿预定流动路径流动足够长的长度，使得燃料的温度升高至这样的点:在该点处，由于通向单个管的变化的流动路径长度，额外的吸热(heatpickup)使得对 增压室23中的燃料的相对密度产生的影响不显著。传热的增加减少了不同的管15的燃料孔21处的燃料的温度差异。燃料路径越长，燃料与管15接触的时间也越长(见上文的增压室23中)，从而使得在燃料孔21处所观察到的温度差异将较低。由图2至图6中所示的不同实施例所提供的延长的燃料路径限制了围绕多管喷嘴组件10的管15的燃料孔21的燃料密度空间变化量。实际上，燃料被迫沿足够的路径长度流动，以吸收足够的热，使得燃料温度的空间变化在燃料孔21的部位处最小化。燃料可以被迫在多根管15上方来回流动足够的次数，使得燃料温度变得非常接近流过管15的空气的温度。就这一点而言，燃料能够接着被送至燃料孔21，而不会进一步增加其温度，并且这保证了每一个燃料孔21处的基本均匀的燃料温度，如果压力场均匀的话，这将使得基本相同量的燃料被输送至每一根管15。基于来自计算流体动力学(CFD)模型的结果，例如图1中所示的不具有挡板的传统组件已表明，将造成一些管比平均多接收或少接收15%的燃料、以及超过6%的相对燃料流标准偏差。然而，通过增加挡板，进入管15的燃料的温度保持基本均匀，这已通过CFD模型表明使进入管15的燃料的最大变化降低至5%以内，其中相对燃料质量流变化小于3%。通过减少跨过多根管15的每一个燃料孔21之间的燃料流的差异能够实现排放物的显著改善。图4至图6中所示的多管喷嘴组件10的不同实施例的另一个优点是燃料孔21的面积的尺寸能够在相同的压降下增加，以适应温度较高的燃料的较低的密度。通常在传统的多管喷嘴9中可见的小的燃料孔面积造成该区域中堵塞的重大风险。增大燃料孔21的面积将缓解该堵塞风险。此外，通过较大的燃料孔21，保持开口面积均匀性所需的公差将放宽(即，用于直径较大的燃料孔21的公差比用于较小的燃料孔21的公差大)，从而使得其更容易制造并且成本更低。尽管上文参照示例性实施例对上文所描述并且/或者本说明书中所要求保护的方法和装置进行了描述，但是本领域技术人员应当理解，可以在不偏离上文所描述并且/或者本说明书中所要求保护的方法和装置的范围的情况下进行各种改变并且通过等同形式替代其元件。此外，可以在不偏离其范围的情况下对上文的教导进行多种改型，以适应特定情况。因此，期望上文所描述并且/或者本文中所要求保护的方法和装置不限于所公开的用于实施本发明的实施例，而是本发明包括落入期望的权利要求的范围内的所有实施例。此外，术语“第一”、“第二”等的使用并不表示任何重要性的顺序，而是相反，术语“第一”、“第二”等用于 区分一个元件与另一个元件。
权利要求
1.一种用于减少涡轮机中的排放物的方法，所述方法包括: 将燃料提供给具有增压室以及多根管的燃料喷嘴，所述多根管均具有至少一个燃料孔； 使燃料通过每一根管中的所述孔流入每一根管中，燃料以相对每一根管的质量流速流入每一根管中；以及 减少进入每一根管中的燃料的质量流速差异。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，减少质量流速差异的步骤包括增加燃料通过所述增压室的流动路径，以增加从所述管向燃料的传热。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，增加所述流动路径的步骤包括使燃料围绕所述增压室中的至少一个挡板流动。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述至少一个挡板包括至少一个节段性挡板。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述至少一个节段性挡板布置成横向于由所述喷嘴限定的纵向轴线。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述至少一个节段性挡板布置成正交于由所述喷嘴限定的纵向轴线。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述至少一个挡板包括至少一个螺旋形挡板。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括布置在所述孔上游的标准化组件，所述标准化组件包括具有多个孔口的板。
9.一种用于减少燃料喷嘴中的多根管中的每一根管中的燃料空气比差异的方法，所述方法包括: 使燃料围绕所述管流动一定距离，所述距离减少进入每一根管的燃料的温度差异。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使燃料围绕所述管流动的步骤包括使燃料围绕至少一个挡板流动。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在使燃料沿径向流动之前沿周向分配燃料。
12.—种减少跨过多管燃料喷嘴中的多根管的燃料空气比差异的方法，所述方法包括: 减少流入每一根管中的燃料之间的燃料温度差异。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，减少燃料温度差异的步骤包括使燃料围绕所述管沿流动路径流动足够长的距离，以通过从所述管的传热使燃料温度升高至基本均匀的温度。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，使燃料围绕所述管流动的方法元素包括使燃料围绕至少一个挡板流动，所述至少一个挡板增加所述流动路径长度。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述挡板是节段性挡板。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述挡板是螺旋形挡板。
17.一种燃料喷嘴，所述燃料喷嘴包括: 多根管，每一根管都具有外表面、近端以及远端；每一根管都具有至少一个开口，每一个开口都允许燃料以一定流速进入所述管； 壳体，所述壳体包绕所述管，所述壳体的内表面和所述管的外表面限定了增压室； 燃料端口，所述燃料端口联接至所述增压室，以将燃料提供给所述增压室；以及 减少进入每一根管中的燃料质量流速差异的组件。
18.根据权利要求17所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述组件包括使燃料路径延长的部件。
19.根据权利要求18所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述部件包括布置在所述增压室中的至少一个挡板。
20.根据权利要求19所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述至少一个挡板包括至少一个节段性挡板。
21.根据权利要求19所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述至少一个挡板包括布置在所述增压室中的至少一个螺旋形挡板。
22.根据权利要求18所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述燃料喷嘴还包括燃料分配组件。
23.根据权利要求22所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述燃料分配组件包括具有多个孔的部分圆筒板。
24.根据权利要求18所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述燃料喷嘴还包括流动标准化组件，所述流动标准化组件迫使均匀的燃料质量分配在接近所述开口的所述增压室的区域中。
25.根据权利要求24所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述流动标准化组件包括多孔板。
全文摘要
本发明公开一种成束多管喷嘴组件及用于减少涡轮机中的排放物的方法。该方法包括将燃料提供给多管喷嘴以及减少进入每一根管中的燃料的质量流速差异。该喷嘴包括减少进入每一根管的燃料的质量流速差异的组件。
文档编号F23R3/10GK103225823SQ20131002885
公开日2013年7月31日 申请日期2013年1月25日 优先权日2012年1月26日
发明者J.T.斯图尔特, M.J.休斯, C.P.基纳, J.D.贝里 申请人:通用电气公司