具有燃料预混器的燃烧器组件的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种具有燃料预混器的燃烧器组件，该燃料预混器包括用于在其中混合空气流和燃料的管道。还包括中心体部，中心体部在管道内共轴地定位以用于从燃料源接收燃料并且被构造成将燃料分配至管道内的至少一个轴向部位。还包括平面叶片部段，平面叶片部段与空气流和燃料连通，以提供燃料的第一喷射并且对空气流产生流动调节作用。还包括旋流器叶片部段，旋流器叶片部段布置在平面叶片部段的下游，其中旋流器叶片部段被构造成提供燃料的第二喷射以及燃料与空气流的混合。
【专利说明】具有燃料预混器的燃烧器组件
【技术领域】
[0001]本说明书中所公开的主题涉及用于燃气涡轮机系统的燃烧器组件，并且更具体地涉及用于这种燃烧器组件的燃料预混器。
【背景技术】
[0002]来自燃气涡轮机系统燃烧过程的排气排放物是考虑因素并且受到强制限制。某些类型的燃气涡轮发动机被设计成用于低排气排放物操作，并且更具体地用于低NOx (氮氧化物)操作、减小的燃烧动力学、以及充分的自动点火和火焰保持裕度。低NOx燃烧器通常包括至少一个燃料预混器，以用于在压缩空气和燃料通过所述至少一个燃料预混器时混合压缩空气和燃料。压缩空气和燃料的有效混合部分地包括以在传输至燃烧室之前促进均匀的空气-燃料混合的方式调节流动。应当在不损害燃气涡轮机系统的总体效率的情况下实现这种有效混合。
【发明内容】
[0003]根据本发明的一个方面，提供一种具有燃料预混器的燃烧器组件，该燃料预混器包括用于在其中混合空气流和燃料的管道。还包括中心体部，中心体部在管道内共轴地定位以用于从燃料源接收燃料并且被构造成将燃料分配至管道内的至少一个轴向部位。还包括平面叶片部段，平面叶片部段与空气流和燃料连通，以提供燃料的第一喷射并且对空气流产生流动调节作用。还包括旋流器叶片部段，旋流器叶片部段布置在平面叶片部段的下游，其中旋流器叶片部段被构造成提供燃料的第二喷射以及燃料与空气流的混合。
[0004]优选的,所述平面叶片部段(46)包括多个相对平面的叶片,其中所述相对平面的叶片中的每一个都沿所述管道(28)的纵向方向定位。
[0005]优选的，所述多个相对平面的叶片(46)中的每一个都可操作地连接至所述中心体部(38)并且从所述中心体部(38)沿径向向外延伸，其中燃料分配通过所述多个相对平面的叶片并且在多个径向部位处被喷射至所述管道(28)的流动路径(44)以用于与空气流
(24)混合。
[0006]优选的，所述旋流器叶片部段(50)包括多个旋流器叶片，其中所述多个旋流器叶片中的每一个的至少一部分布置成与所述管道(28)的纵向方向成一定角度。
[0007]优选的，所述多个旋流器叶片(50)中的每一个都可操作地连接至所述中心体部
(38)并且从所述中心体部(38)沿径向向外延伸，其中燃料分配通过所述多个旋流器叶片并且在多个径向部位处被喷射至所述管道(28)的流动路径(44)以用于与空气流(24)混合。
[0008]优选的，所述平面叶片部段(46)包括多个相对平面的叶片，并且所述旋流器叶片部段(50 )包括多个旋流器叶片，其中所述多个旋流器叶片中的每一个都包括旋流器叶片前缘(60)。
[0009]优选的，所述多个相对平面的叶片(46)与所述多个旋流器叶片(50)的旋流器叶片前缘在直线平面(58)中对准。[0010]优选的，所述多个旋流器叶片(50)的所述旋流器叶片前缘(60)相对于所述多个相对平面的叶片(46)的直线平面(58)偏置，由此在所述平面叶片部段与所述旋流器叶片部段之间形成交错形式。
[0011]优选的，从压缩机(12)接收空气流(24)，其中所述燃料源(26)是燃料歧管。
[0012]优选的，燃料通过所述平面叶片部段(46)和所述旋流器叶片部段(50)分配至所述管道(28)的流动路径(44)，其中燃料的第一部分分配通过所述平面叶片部段并且燃料的剩余部分分配通过所述旋流器叶片部段。
[0013]根据本发明的另一个方面，提供一种具有燃料预混器的燃烧器组件，该燃料预混器包括管道，管道具有第一端部以用于从布置在燃烧器组件上游的压缩机接收空气流，其中空气流沿管道的纵向方向传输通过管道。还包括中心体部，中心体部布置在管道内且沿管道的纵向方向布置，并且被构造成从邻近管道的第一端部的至少一个燃料歧管接收燃料。还包括平面叶片部段，平面叶片部段包括多个相对平面的叶片，多个相对平面的叶片沿周向彼此间隔开并且沿管道的纵向方向布置且布置在管道内的第一轴向部位处，其中平面叶片部段与空气流和燃料连通。还包括旋流器叶片部段，旋流器叶片部段包括多个旋流器叶片，多个旋流器叶片沿周向彼此间隔开并且布置在管道内的第二轴向部位处，其中第二轴向部位位于第一轴向部位的下游。
[0014]优选的，所述多个相对平面的叶片(46)中的每一个都可操作地连接至所述中心体部(38)并且从所述中心体部(38)沿径向向外延伸，其中燃料分配通过所述多个相对平面的叶片并且在多个径向部位处喷射至所述管道(28)的流动路径(44)以用于与空气流(24)混合。
[0015]优选的，所述多个旋流器叶片(50)中的每一个的至少一部分布置成与所述管道
(28)的纵向方向成一定角度，其中所述多个旋流器叶片中的每一个都可操作地连接至所述中心体部(38)并且从所述中心体部(38)沿径向向外延伸，其中燃料分配通过所述多个相对平面的叶片(46)并且在多个径向部位处被喷射至所述管道的流动路径(44)以用于与空气流(24)混合。
[0016]优选的，所述多个旋流器叶片(50)中的每一个都包括旋流器叶片前缘(60)。
[0017]优选的，所述多个相对平面的叶片(46)与所述多个旋流器叶片(50)的旋流器叶片前缘(60)在直线平面(58)中对准。
[0018]根据本发明的又一个方面，一种燃气涡轮机系统包括用于提供空气流的压缩机。还包括燃料预混器。燃料预混器包括用于接收空气流的管道，其中空气流沿第一方向传输通过管道。燃料预混器还包括第一叶片部段，第一叶片部段包括多个相对平面的叶片，多个相对平面的叶片沿周向彼此间隔开并且在管道的中心体部与内壁之间沿径向延伸，其中多个相对平面的叶片中的每一个都沿第一方向定位。燃料预混器还包括第二叶片部段，第二叶片部段包括多个旋流器叶片，多个旋流器叶片沿周向彼此间隔开并且在管道的中心体部与内壁之间沿径向延伸，其中多个旋流器叶片中的每一个的至少一部分布置成与第一方向成一定角度。
[0019]优选的，所述燃料通过所述第一叶片部段和所述第二叶片部段被分配到所述管道的流体通路，其中，所述燃料的第一部分通过第一叶片部段分配，而所述燃料的其余部分通过第二叶片部段分配。[0020]优选的，所述多个旋流器叶片的每一个都包括旋流器叶片前缘，其中，所述多个相对平面叶片与所述多个旋流器叶片的旋流器叶片前缘在在直线平面中对准。
[0021]优选的，所述多个旋流器叶片的每一个都包括旋流器叶片前缘，其中所述多个旋流器叶片的所述旋流器叶片前缘相对于所述多个相对平面的叶片的直线平面偏置，由此在所述第一叶片部段与所述第二叶片部段之间形成交错形式。
[0022]通过下文结合附图的描述，这些和其它的优点以及特征将变得更加显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]本发明的权利要求书中特别指出并且明确要求保护。通过下文结合附图的详细描述，本发明的上述和其它的特征以及优点是显而易见的，在附图中:
[0024]图1是具有燃烧器组件的燃气涡轮机系统的示意图；
[0025]图2是燃烧器组件的燃料预混器的侧视示意图；
[0026]图3是第一实施例的第一叶片部段和第二叶片部段布置的示意图；以及
[0027]图4是第二实施例的第一叶片部段和第二叶片部段布置的示意图。
[0028]参照附图通过示例的详细的描述解释了本发明的实施例以及优点和特征。
【具体实施方式】
[0029]参照图1，燃气涡轮机系统通过附图标记10示意性地示出。燃气涡轮机系统10包括压缩机12、燃烧器组件14、涡轮16、以及轴18。应当领会，燃气涡轮机系统10的一个实施例可以包括多个压缩机12、燃烧器组件14、涡轮16以及/或者轴18。压缩机12和涡轮16通过轴18联接。轴18可以是单个轴或者联接在一起以形成轴18的多个轴段。
[0030]燃烧器组件14使用可燃液体和/或气体燃料(例如天然气或富氢合成气)来运行燃气涡轮机系统10。燃烧器组件14包括燃烧室20，燃烧室20与燃料预混器22流体连通，燃料预混器22与空气流24和燃料源26流体连通。燃料预混器22产生空气-燃料混合物，并且将空气-燃料混合物排放至燃烧室20中，由此引起产生热加压排气的燃烧。燃烧室20通过过渡件将热加压气体引导至涡轮16中，从而使得涡轮16旋转。涡轮16的旋转造成轴18旋转，由此在空气流入压缩机12中时对空气进行压缩。
[0031]现在参照图2，燃料预混器22接收空气流24 (可以是来自压缩机12的压缩空气)以及来自燃料源26 (例如燃料歧管)的燃料。燃料预混器22包括管道28，管道28具有内壁30，内壁30限定了内部区域32。管道28包括被构造成接收空气流24的第一端部34、以及用于将空气-燃料混合物传输至燃烧室20以用于在其中燃烧的第二端部36。管道28的几何形状典型地成管状，但是应当领会，管道28可以具有各种几何形状的横截面构造。
[0032]燃料预混器22还包括中心体部38，中心体部38共轴地布置在管道28内。中心体部38与燃料源26流体连通并且邻近管道28的第一端部34接收燃料。中心体部38延伸通过管道28，并且更具体地从邻近管道28的第一端部34到管道28的第二端部36连接至第一叶片部段40和第二叶片部段42并且延伸通过第一叶片部段40和第二叶片部段42。中心体部38沿径向向管道28的内壁30的内部布置，以在其间限定流动路径44。
[0033]第一叶片部段40包括多个相对平面的叶片46，所述多个相对平面的叶片46可操作地连接至中心体部38并且沿径向延伸远离中心体部38。应当领会，相对平面的叶片的数量可以基于应用发生变化。多个相对平面的叶片46布置在管道28内的第一轴向部位48处并且朝向管道28的内壁30延伸且可以连接至管道28的内壁30。多个相对平面的叶片46中的每一个都在第一轴向部位48处沿周向彼此间隔开并且被构造成从中心体部38接收燃料。多个相对平面的叶片46中的每一个都包括多个孔(未示出)，以用于在第一轴向部位48处将燃料选择性地分配至流动路径44的各个周向和径向部位。多个相对平面的叶片46定位成使得通过其中的空气流24基于沿管道28的纵向方向布置的多个相对平面的叶片46的平面部分(即，与空气流24的主要方向成0°的角度)经历低阻力。多个相对平面的叶片46的定位产生流动调节作用，即，使流动成直线以在空气流24通过第一叶片部段40时提供清洁、均匀的流动分布。当通过定位在多个相对平面的叶片46上的多个孔喷射燃料时，燃料在第一叶片部段40内与空气流24混合。
[0034]第二叶片部段42包括多个旋流器叶片50，所述多个旋流器叶片50可操作地连接至中心体部38并且沿径向延伸远离中心体部38。应当领会，旋流器叶片的数量可以根据应用发生变化。多个旋流器叶片50布置在管道28内的第二轴向部位52处并且朝向管道28的内壁30延伸且可以连接至管道28的内壁30。第二轴向部位52位于第一轴向部位48的下游，并且应当领会，第一轴向部位48与第二轴向部位52之间的实际轴向间距可以基于应用发生变化。多个旋流器叶片50中的每一个都在第二轴向部位52处沿周向彼此间隔开并且被构造成从中心体部38接收燃料。类似于多个相对平面的叶片46，多个旋流器叶片50中的每一个都包括多个孔，以用于在第二轴向部位52处将燃料选择性地分配至流动路径44的各个周向和径向部位。多个旋流器叶片50定位成使得在燃料被引导至第二叶片部段42上游的情况下实现空气流24或者空气-燃料混合物的旋流，以进一步增强被引导至流动路径44的空气流24和任何燃料的混合。多个旋流器叶片50的定位对流动造成影响，即流动的旋流如上文所描述地促进混合。这可以通过将多个旋流器叶片50的所有部分定向成与流动方向成任何数量的角度来实现。备选地，或者结合以一定角度布置多个旋流器叶片50的所有部分，可以仅将多个旋流器叶片50的一部分布置成与流动方向成一定角度。在这种构造中，多个旋流器叶片50例如可以包括沿管道28的纵向方向(即，与流动方向成0°的角度)定位的相对平面的部分54以及以一定角度布置的下游部分56并且示于图3和图4中。在第二叶片部段42内，燃料与空气流24、或在燃料已被弓I导至第二叶片部段42的上游的情况下与空气-燃料混合物混合。类似于第一叶片部段40，燃料通过定位在多个旋流器叶片50上的多个孔被排出。
[0035]可以对通过第一叶片部段40和/或第二叶片部段42到达流动路径44以便与空气流24混合的燃料的分配比进行控制。通过该方式，通过第一叶片部段40和第二叶片部段42被引导至流动路径44的燃料的相应百分比可以改变，以与空气流24有效混合。例如，50%的燃料可以通过第一叶片部段40和第二叶片部段42中的每一个分配至流动路径44。应当领会，对于第一叶片部段40和第二叶片部段42而言，该比可以从0%-100%的任一极限发生变化。燃料分配比可以是固定或主动受控的。在主动控制的情况下，可以采用一个或多个控制器来提供在燃料预混器22的操作期间主动改变分配比的能力。此外，能够构想，可以采用额外的叶片部段来分配燃料和/或对流动特性产生影响。
[0036]现在参照图3，示出了燃料预混器22的第一实施例。在示例性实施例中，多个相对平面的叶片46相对于多个旋流器叶片50的定位被描述成“直线”定位。多个相对平面的叶片46中的每一个都包括沿管道28的纵向方向延伸的“直线”平面58。多个旋流器叶片50中的每一个都包括布置在多个旋流器叶片50的上游部位处的前缘60。在图示实施例中，多个旋流器叶片50中的每一个的前缘60都与多个相对平面的叶片46的直线平面58对准。
[0037]现在参照图4，示出了燃料预混器22的第二实施例。在示例性实施例中，多个相对平面的叶片46相对于多个旋流器叶片50的定位被描述成交错定位。在图示实施例中，多个旋流器叶片50中的每一个的前缘60在与多个相对平面的叶片46的直线平面58的偏置处定位。交错定位提供增强的燃料分配模式。
[0038]因此，在多个叶片部段上方分散燃料喷射内在地对燃料分配分级并且有助于使燃料与空气流24混合。这种布置基于与燃料-空气混合物的旋流上游的燃料喷射部位相互作用的“更清洁”的流动场而改进了火焰保持以及NOx排放性能。
[0039]尽管已经仅结合数量有限的实施例对本发明进行了详细描述，但是应当易于理解，本发明并不限于这种所公开的实施例。相反，能够将本发明修改成结合到目前为止并未进行描述但是与本发明的精神和范围相当的任何数量的改型、变型、替代或等同布置。此夕卜，尽管已经对本发明的各个实施例进行了描述，但是应当理解，本发明的各个方面可以仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明并不受到上文的描述的限制，而是仅仅通过所附权利要求的范围进行限定。
【权利要求】
1.一种具有燃料预混器(22)的燃烧器组件(14)，所述燃料预混器(22)包括: 管道(28)，所述管道(28)用于在其中混合空气流(24)和燃料； 中心体部(38)，所述中心体部(38)在所述管道内共轴地定位以用于从燃料源(26)接收燃料并且被构造成将燃料分配至所述管道内的至少一个轴向部位； 平面叶片部段(46)，所述平面叶片部段(46)与空气流和燃料连通，以提供燃料的第一喷射并且对空气流产生流动调节作用；以及 旋流器叶片部段(50)，所述旋流器叶片部段(50)布置在所述平面叶片部段的下游，其中所述旋流器叶片部段被构造成提供燃料的第二喷射以及燃料与空气流的混合。
2.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述平面叶片部段(46)包括多个相对平面的叶片，其中所述相对平面的叶片中的每一个都沿所述管道(28)的纵向方向定位。
3.根据权利要求2所述的燃烧器组件，其特征在于，所述多个相对平面的叶片(46)中的每一个都可操作地连接至所述中心体部(38)并且从所述中心体部(38)沿径向向外延伸，其中燃料分配通过所述多个相对平面的叶片并且在多个径向部位处被喷射至所述管道(28)的流动路径(44)以用于与空气流(24)混合。
4.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述旋流器叶片部段(50)包括多个旋流器叶片，其中所述多个旋流器叶片中的每一个的至少一部分布置成与所述管道(28)的纵向方向成一定角度。
5.根据权利要求4所述的燃烧器组件，其特征在于，所述多个旋流器叶片(50)中的每一个都可操作地连接至所述中心体部(38)并且从所述中心体部(38)沿径向向外延伸，其中燃料分配通过所述多个旋流器叶片并且在多个径向部位处被喷射至所述管道(28)的流动路径(44)以用于与空气流(24)混合。
6.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述平面叶片部段(46)包括多个相对平面的叶片，并且所述旋流器叶片部段(50)包括多个旋流器叶片，其中所述多个旋流器叶片中的每一个都包括旋流器叶片前缘(60 )。
7.根据权利要求6所述的燃烧器组件，其特征在于，所述多个相对平面的叶片(46)与所述多个旋流器叶片(50)的旋流器叶片前缘在直线平面(58)中对准。
8.根据权利要求6所述的燃烧器组件，其特征在于，所述多个旋流器叶片(50)的所述旋流器叶片前缘(60)相对于所述多个相对平面的叶片(46)的直线平面(58)偏置，由此在所述平面叶片部段与所述旋流器叶片部段之间形成交错形式。
9.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，从压缩机(12)接收空气流(24)，其中所述燃料源(26)是燃料歧管。
10.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，燃料通过所述平面叶片部段(46)和所述旋流器叶片部段(50)分配至所述管道(28)的流动路径(44)，其中燃料的第一部分分配通过所述平面叶片部段并且燃料的剩余部分分配通过所述旋流器叶片部段。
11.一种具有燃料预混器的燃烧器组件，所述燃料预混器包括: 管道(28 )，所述管道(28 )具有第一端部(34 )，以用于从布置在所述燃烧器组件(14 )上游的压缩机(12)接收空气流(24)，其中空气流沿所述管道的纵向方向传输通过所述管道； 中心体部(38)，所述中心体部(38)布置在所述管道内且沿所述管道的纵向方向布置，并且被构造成从邻近所述管道的所述第一端部的至少一个燃料歧管(26)接收燃料； 平面叶片部段(46)，所述平面叶片部段(46)包括多个相对平面的叶片，所述多个相对平面的叶片沿周向彼此间隔开并且沿所述管道的纵向方向布置且布置在所述管道内的第一轴向部位(48)处，其中所述平面叶片部段与空气流和燃料连通；以及 旋流器叶片部段(50)，所述旋流器叶片部段(50)包括多个旋流器叶片，所述多个旋流器叶片沿周向彼此间隔开并且布置在所述管道内的第二轴向部位(52)处，其中所述第二轴向部位位于所述第一轴向部位的下游。
12.根据权利要求11所述的燃烧器组件，其特征在于，所述多个相对平面的叶片(46)中的每一个都可操作地连接至所述中心体部(38)并且从所述中心体部(38)沿径向向外延伸，其中燃料分配通过所述多个相对平面的叶片并且在多个径向部位处喷射至所述管道(28)的流动路径(44)以用于与空气流(24)混合。
13.根据权利要求11所述的燃烧器组件，其特征在于，所述多个旋流器叶片(50)中的每一个的至少一部分布置成与所述管道(28)的纵向方向成一定角度，其中所述多个旋流器叶片中的每一个都可操作地连接至所述中心体部(38)并且从所述中心体部(38)沿径向向外延伸，其中燃料分配通过所述多个相对平面的叶片(46)并且在多个径向部位处被喷射至所述管道的流动路径(44)以用于与空气流(24)混合。
14.根据权利要求11所述的燃烧器组件，其特征在于，所述多个旋流器叶片(50)中的每一个都包括旋流器叶片前缘(60 )。
15.根据权利要求14所述的燃烧器组件，其特征在于，所述多个相对平面的叶片(46)与所述多个旋流器叶片(50) 的旋流器叶片前缘(60)在直线平面(58)中对准。
【文档编号】F23R3/38GK103471136SQ201310224464
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年6月6日 优先权日:2012年6月6日
【发明者】M.K.博巴, A.R.可汗 申请人:通用电气公司