包括用于在燃气涡轮机中喷射替代燃料的串列叶片的燃料喷射器的制作方法

关于联邦资助的开发的声明

本发明的开发部分受到美国能源部授予的合同号de-fc26-05nt42644支持。因此，美国政府在本发明中可具有特定权利。

所公开的实施例总体上涉及用于燃气涡轮机的燃料喷射器，并且更具体而言，涉及包括用于喷射替代燃料的串列叶片的燃料喷射器，所述替代燃料例如可以包括具有不同能量密度的燃料。

背景技术：

经济考虑已推动了能够使用替代燃料的燃气涡轮机的开发，例如除了使用诸如天然气和液体燃料(例如，油)之类的燃料外，还可涉及合成气体(例如，合成气(syngas))。这些合成气体通常因例如煤、石油焦或生物燃料之类的固体原料的气化过程而产生。这些过程可导致如下燃料，即：所述燃料具有基本上不同的燃料性质，例如组分、热值和密度等，包括相对较高的氢含量和在沃泊指数(wobbeindex，wi)上具有显著变化的气流。沃泊指数一般被用于比较包括不同组分的燃料的燃烧能量输出。例如，如果两种燃料具有相同的沃泊指数，则在大致相同的例如压力和阀设置之类的操作条件下，能量输出将几乎相同。

使用具有不同燃料性质的燃料可构成各种挑战。例如，随着燃料的热值下降，将需要较大的流动面积以将燃料输送和喷射到涡轮机中并提供相同的热值。因此，已知为喷射器流构造不同的通道以适应燃料中的沃泊指数变化。另一个挑战在于，与天然气相比，具有高氢含量的燃料可导致相对较高的火焰速度，并且由此产生的高火焰速度可导致涡轮发动机的燃烧器中的回火(flashback)。参见美国专利8,661,779和8,511,087，其作为涉及叶片的现有技术的燃料喷射器的示例，所述叶片使用传统的横流中的射流(或横向射流，jetincross-flow)，以便在燃气涡轮机中喷射替代燃料。

附图说明

图1是实施本发明的各方面的燃料喷射器的一个非限制性实施例的等距视图，该燃料喷射器如可在能够使用替代燃料的燃气涡轮机中使用。

图2是图1中所示的燃料喷射器的后向等距视图。

图3是剖面等距视图，其图示了如可在实施本发明的各方面的燃料喷射器中使用的串列叶片的非限制性实施例的布置结构。

图4是可受益于本发明的公开实施例的例如燃气涡轮发动机之类的燃烧涡轮发动机的一个非限制性实施例的简化示意图。

具体实施方式

本发明的发明人已认识到在某些现有技术的燃料喷射器的背景下可能出现的某些问题，这些现有技术的燃料喷射器可能涉及用于在燃气涡轮机中喷射替代燃料的串列叶片。例如，一些已知的燃料喷射器设计涉及如下串列叶片，即：所述串列叶片使用横流中的射流喷射，以获得进入到涡轮发动机的燃烧器中的充分混合的燃料/空气流。然而，这样的设计可能表现出回火的倾向，特别是在具有高氢含量的燃料的情况下。基于这种认识，本发明人提出了一种新颖的燃料喷射器布置结构，其中，燃料在没有横流中的射流喷射的情况下被喷射，例如沿气流进入的方向以代替传统的横流中的射流喷射。

在下面的详细描述中，阐述了各种具体细节，以便提供对这些实施例的透彻理解；然而，本领域技术人员将理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实施，本发明不限于所描绘的实施例，并且本发明可以在多种替代实施例中实施。在其他情况下，没有详细描述本领域技术人员将很好地理解的方法、过程和部件，以避免不必要和繁琐的解释。

此外，可以将各种操作描述为以有助于理解本发明的实施例的方式来执行的多个离散的步骤。然而，描述的顺序不应被解释为意味着这些操作需要按照它们被呈现的顺序来执行，也不应被解释为它们甚至是依赖于顺序的，除非另有指示。此外，表达“在一个实施例中”的重复使用不一定指相同的实施例，尽管它可以表示相同的实施例。注意，所公开的实施例不需要被解释为相互排斥的实施例，这是因为这些公开的实施例的各方面可以由本领域技术人员根据给定应用的需要来适当地组合。

如本申请中所使用的，术语“包括”、“包含”、“具有”等意在是同义的，除非另有指示。最后，如本文中所使用的，表达“构造成”或“布置成”包含如下概念，即：将表达“构造成”或“布置成”之前的特征有意和特别地设计成或使之以特定的方式动作或起作用，并且该特征不应被解释为意味着该特征仅具有以指定的方式来动作或起作用的能力或适应性，除非如此指示。

图1是实施本发明的各方面的燃料喷射器10的一个非限制性实施例的等距视图，该燃料喷射器10如可在能够使用替代燃料的燃气涡轮机中使用。燃料输送管结构12沿燃料喷射器10的中心轴线14设置。燃料输送管结构12可以被护罩16包围。第一燃料供应通道18和第二燃料供应通道20可以被同轴地布置在燃料输送管结构12中。

在一个非限制性实施例中，燃料输送管结构12可以包括同轴设置的内管13和外管15，其中，内管13包括第二燃料供应通道20，并且其中，第一燃料供应通道18被环状地设置在内管13和外管15之间。

如在图2中也可以理解的，第一组叶片22可以绕燃料输送管结构12周向设置，例如布置在燃料输送管结构12和护罩16之间。径向通道24可以被构建在每个叶片22中。为了简化图示，径向通道24仅在叶片22中的一个中图示。径向通道24与第一燃料供应通道18流体连通以接收第一燃料。在一个非限制性实施例中，径向通道24可以被构造成分支通向一组通道26(例如，轴向通道)，该组通道26各自具有孔28，该孔28布置成不以横流中的射流模式来喷射第一燃料，例如沿气流的方向，该方向通过箭头30示意性地表示。

第二组叶片32可以相对于第一组叶片22设置在下游。第二组叶片32也可以被布置在燃料输送管结构12和护罩16之间。也就是说，第一组叶片22和第二组叶片32可以被概念化为叶片的串列布置结构。径向通道34可以被构建在每个叶片32中。再一次，为了简化图示，径向通道34仅在叶片32中的一个中图示。在这种情况下，径向通道34与第二燃料供应通道20流体连通以接收第二燃料。在一个非限制性实施例中，径向通道34可以被构造成分支通向一组通道36(例如，轴向通道)，该组通道36各自具有孔38，该孔38布置成不以横流中的射流模式来喷射第二燃料，例如沿所述气流的方向。所述第一燃料和所述第二燃料可以包括具有不同能量密度的替代燃料。例如但不限于，在第一燃料供应通道18中流动的第一燃料可以包括合成气，并且在第二燃料供应通道20中流动的第二燃料可以包括天然气。

前述布置结构(没有横流中的射流喷射)被认为大幅减少在具有高氢含量的燃料的情况下通常遇到的回火倾向。如在图3中可以理解的，在一个非限制性实施例中，第二组叶片32可以包括旋流叶片(swirlingvane)，例如可以包括相应的扭转角，在一个非限制性实施例中，该扭转角在叶片的末端处可以包括多达大约20度的角度。作为比较，第一组叶片22中的叶片可以包括非旋流叶片。如在图3中可以进一步理解的，第二组叶片32相对于第一组叶片22沿周向交错，使得第二组叶片32中没有叶片直接处于第一组叶片22中的相应叶片之后。

图4是可受益于本发明的公开实施例的例如燃气涡轮发动机之类的燃烧涡轮发动机50的一个非限制性实施例的简化示意图。燃烧涡轮发动机50可以包括压缩机52、燃烧器54、燃烧室56和涡轮机58。在操作期间，压缩机52接收环境空气并且向扩散器60提供压缩空气，该扩散器60将压缩空气传递到集气室62，压缩空气通过该集气室62传递到燃烧器54，该燃烧器54将压缩空气与燃料混合，并经由过渡部64将燃烧的热工作气体提供给涡轮机58，该涡轮机58可驱动发电设备(未示出)来发电。轴66被示出为连接涡轮机58以驱动压缩机52。实施本发明的各方面的燃料喷射器的公开实施例可被结合于燃气涡轮发动机的每个燃烧器(例如，燃烧器54)中，以有利地实现具有不同能量密度的替代燃料的可靠和具有成本效益的燃料喷射。在操作中并且没有限制地，所公开的燃料喷射器布置结构预期会抑制回火倾向，否则该回火倾向在具有高氢含量的燃料的情况下可能会形成。

虽然已采用示例性的形式公开了本公开的实施例，但是对于本领域技术人员将显而易见的是，在其中可以作出许多修改、添加和删除而不脱离如所附权利要求中所阐述的本发明及其等同物的精神和范围。