本发明大体涉及用于在燃气涡轮的燃烧器中使用的燃料喷嘴组件。更特别地，本发明涉及燃料喷嘴组件，其具有挡板以用于使燃料喷射位置下游的火焰稳定。
背景技术：
典型的燃气涡轮包括入口区段、压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。入口区段清洁和调节工作流体(例如，空气)且将工作流体供应到压缩机区段。压缩机区段使工作流体的压力逐渐升高且将压缩工作流体供应到燃烧区段。压缩工作流体和燃料在燃烧区段内混合，并且在燃烧室中燃烧以产生具有高的温度和压力的燃烧气体。燃烧气体沿着热气路径传送到涡轮区段中，燃烧气体在涡轮区段中膨胀以产生功。例如，燃烧气体在涡轮区段中膨胀可使连接到发电机的轴旋转以产生电。
燃烧区段大体包括一个或多个燃烧器，其环形地布置和设置在压缩机区段和涡轮区段之间。各种参数会影响燃烧器的设计和操作。例如，燃气涡轮制造商定期会有在不产生不合需要的空气污染排放的情况下提高燃气涡轮效率的任务。典型地由燃烧传统烃燃料的燃气涡轮产生的主要空气污染排放是氮化物(nox)、一氧化碳(co)和未燃烧的烃(uhc)。吸气式发动机(诸如燃气涡轮)中的分子态氮的氧化以及因此nox的形成是温度的指数函数。燃烧气体的温度越高，不合需要的nox排放的形成率就越高。
降低燃烧气体的温度因此控制nox的形成的一种方式是使用预混合类型的燃料喷射器或燃料喷嘴组件，诸如旋流器或旋流喷嘴(swozzle)类型的燃料喷嘴组件，以使燃料和空气在燃烧室内的燃烧反应区的上游预混合。在此类燃料喷嘴组件中，燃料喷射到限定在燃料喷嘴组件内的环形流或预混合通道内的压缩空气流中。燃料和压缩空气在环形通道内混合，然后从燃料喷嘴组件的下游端传送到燃烧室中。在燃烧期间，在富含空气或燃料稀薄的燃烧混合物中存在的多余空气的热容量或热容会吸收燃烧室中的热，因此降低燃烧气体的温度，从而减少或防止nox排放的形成。
离开预混合通道且在喷射点处进入燃烧室的稀薄可燃混合物的流场应当是均匀或对称的，以便降低火焰保持的可能性以及实现期望排放性能。因此，当前燃料喷嘴组件技术的不断改进将是有用的。
技术实现要素：
本发明的方面和优点在下面在以下描述中阐述，或者可从该描述清楚，或者可通过实践本发明认识到。
本发明的一个实施例是一种用于燃气涡轮的燃料喷嘴组件。该燃料喷嘴组件包括中心本体、至少部分地包围中心本体的外部管、沿径向限定在中心本体和外部管之间的预混合流道，以及在预混合流道内设置在中心本体和外部管之间的多个燃料端口。燃料喷嘴组件还包括挡板，挡板跨过燃料喷嘴组件的下游端部部分从中心本体沿径向向外延伸到外部管。挡板包括与下游侧沿轴向间隔开的上游侧和多个通道。通道提供从预混合流道通过挡板的流体流。
本发明的另一个实施例是一种用于燃气涡轮的燃烧器。该燃烧器大体包括限定在燃烧器内的燃烧室和设置在燃烧室上游的燃料喷嘴组件。燃料喷嘴组件包括与燃料喷嘴组件的轴向中心线同轴地对齐的中心本体、与中心本体同心且至少部分地包围中心本体的外部管、沿径向限定在中心本体和外部管之间的预混合流道，以及设置在预混合流道内的多个燃料端口。与中心本体同心的环形歧管包括多个燃料端口，其与燃料喷嘴组件的燃料回路流体连通。燃料喷嘴组件进一步包括挡板，挡板跨过燃料喷嘴组件的下游端部部分沿径向且沿周向延伸。挡板包括与下游侧沿轴向间隔开的上游侧和多个通道。各个通道具有沿着上游侧限定的入口和沿着下游侧限定的出口。各个通道提供从预混合流道通过挡板且到燃烧室中的流体流。
本发明的另一个实施例包括燃气涡轮。该燃气涡轮大体包括压缩机、设置在压缩机下游的燃烧器，以及设置在燃烧器下游的涡轮。燃烧器包括联接至外部壳的端盖和限定在外部壳内的燃烧室。燃料喷嘴组件在端盖的下游延伸且在燃烧室的上游终止。燃料喷嘴组件包括中心本体、至少部分地包围中心本体的外部管、限定在中心本体和外部管之间的预混合流道，以及在预混合流道内设置在中心本体和外部管之间的多个燃料端口。多个燃料端口与预混合通道流体连通。燃料喷嘴组件进一步包括挡板，挡板跨过燃料喷嘴组件的下游端部部分沿径向且沿周向延伸。挡板包括与下游侧沿轴向间隔开的上游侧和多个通道。各个通道具有沿着上游侧限定的入口和沿着下游侧限定的出口。各个通道提供从预混合流道通过挡板且到燃烧室中的流体流。
在阅读说明书之后，本领域普通技术人员将更好地理解这样的实施例和其它实施例的特征和方面。
附图说明
本发明的完整和能够实施的公开在说明书的其余部分(包括对附图的参照)更具体地阐述，包括对本领域普通技术员的其最佳模式，其中：
图1是在本发明的范围内的示例性燃气涡轮的功能框图；
图2是可结合本发明的各种实施例的示例性燃烧器的简化截面侧视图；
图3是根据本发明的至少一个实施例的示例性燃料喷嘴组件的透视图；
图4是根据本发明的至少一个实施例的如图3中显示的示例性燃料喷嘴组件的剖开透视图；
图5是根据本发明的至少一个实施例的如图3中显示的示例性燃料喷嘴组件的剖开透视图；
图6是根据本发明的一个实施例的如图3中显示的示例性燃料喷嘴组件的示例性挡板的一部分的放大剖开侧视图；
图7是根据本发明的一个实施例的如图3中显示的示例性燃料喷嘴组件的示例性挡板的一部分的放大截面侧视图；以及
图8是如图3中显示的燃料喷嘴组件的剖开部分的下游透视图，并且提供根据本发明的至少一个实施例的燃料喷嘴组件的一部分的操作流示意图。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，在附图中示出实施例的一个或多个示例。详细描述使用数字和字母名称来表示图中的特征。图和描述中的相似或类似名称用来表示本发明的相似或类似部件。
如本文使用的用语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以将一个构件与另一个构件区分，并且不意在表示独立的构件的位置或重要性。用语“上游”、“下游”、“沿径向”和“沿轴向”指的是相对于流体路径中的流体流的相对方向。例如，“上游”指的是流体流出的方向，而“下游”指的是流体流往的方向。类似地，“沿径向”指的是基本垂直于流体流的相对方向，且“沿轴向”指的是基本平行于流体流的相对方向。用语“沿周向”指的是围绕特定构件的轴向中心线延伸的相对方向。
各个示例以解释本发明而非限制本发明的方式提供。实际上，对本领域技术人员将显而易见的是，可在不偏离本发明的范围或精神的情况下对本发明作出修改和改变。例如，被示为或描述成一个实施例的一部分的特征可用在另一个实施例上以产生又一个实施例。因此，意在使本发明覆盖落在所附权利要求和它们的等同物的范围内的这样的修改和改变。
现在参照附图，其中相同标号贯穿图指示相同元件，图1提供了可结合本发明的各种实施例的示例性燃气涡轮10的功能框图。如图所示，燃气涡轮10大体包括入口区段12，入口区段12可包括一系列过滤器、冷却盘管、水分分离器和/或用以净化和以别的方式调节进入燃气涡轮10的工作流体(例如，空气)14的其它装置。工作流体14流到压缩机区段，在那里压缩机16逐步对工作流体14施加动能以产生处于高度激励状态的压缩工作流体18。
压缩工作流体18与来自燃料供应系统22的燃料20混合以在一个或多个燃烧器24内形成可燃混合物。可燃混合物燃烧以产生具有高的温度和压力的燃烧气体26。燃烧气体26流过涡轮区段的涡轮28以产生功。例如，涡轮28可连接至轴30，使得涡轮28的旋转驱动压缩机16以产生压缩工作流体18。备选地或另外，轴30可将涡轮28连接至发电机32以产生电。来自涡轮28的排出气体34流过排气区段36，排气区段36将涡轮28连接到涡轮28下游的排气烟囱38。例如，排气区段36可包括热回收蒸汽发生器(未显示)，以用于在释放到环境之前清洁和从排出气体34提取额外的热量。
燃烧器24可为本领域已知的任何类型的燃烧器，并且本发明不局限于任何特定的燃烧器设计，除非权利要求中有明确的叙述。例如，燃烧器24可为罐式环形类型的燃烧器。图2提供了可结合本发明的各种实施例的示例性燃烧器24的简化截面侧视图。如图2中显示的那样，壳40(诸如压缩机排放壳)和端盖42可经由燃烧器壳44联接在一起，以容纳从压缩机16流到燃烧器24的压缩工作流体18(图1)。压缩工作流体18可穿过环形流动套筒48(诸如冲击套筒或燃烧流动套筒)中的流孔46，以沿着过渡管道50和/或衬套52的外部流向燃烧器24的头端54。
头端54至少部分地由端盖42和/或燃烧器壳44限定。压缩工作流体18在流向头端54时可对过渡管道50和/或衬套52提供对流冷却和/或传导冷却。在头端54处，压缩工作流体18在流动方向上倒转，并且流过一个或多个燃料喷嘴组件56。燃料20从燃料供应系统22流过限定在端盖42内的一个或多个燃料回路(未显示)且流到燃料喷嘴组件56中的各个或一些中。燃料供应系统22可对燃烧器24提供气态燃料和/或液体燃料。压缩工作流体18在通过和/或围绕燃料喷嘴组件56传送时与燃料20预混合以形成可燃混合物58。可燃混合物58从燃料喷嘴组件56流到燃烧室60中以用于燃烧。
图3提供了根据本发明的一个实施例的如图2中显示的一个或多个燃料喷嘴组件56的示例性燃料喷嘴组件100的透视图。图4提供根据本发明的一个实施例的如图3中显示的燃料喷嘴组件100的剖开侧视图。在各种实施例中，如图4中显示的那样，燃料喷嘴组件100包括环形中心本体102、至少部分地包围中心本体102的环形外部管104、沿径向限定在中心本体102和外部管104之间的预混合流道106、在预混合流道106内设置在中心本体102和外部管104之间的多个燃料端口108，以及挡板110，挡板110在燃料喷嘴组件100的下游端部部分112处从中心本体102沿径向向外延伸到外部管104。如图3中显示的那样，挡板110相对于燃料喷嘴组件100的轴向中心线114跨过燃料喷嘴组件100的下游端部部分112沿周向且沿径向延伸。
如图4中显示的那样，中心本体102与燃料喷嘴组件100的轴向中心线114同轴地对齐。中心本体102包括沿轴向与下游端部部分118间隔开的上游端部部分116。中心本体102可由一个或多个环形管形成。在特定实施例中，中心本体102至少部分地限定中心通道120，中心通道120沿轴向延伸通过燃料喷嘴组件100。中心通道120可构造成接收套管或插入件(未显示)。例如，中心通道120可容纳仅仅气体燃料套管、液体燃料套管和/或吹扫空气套管。套管可对燃料喷嘴组件100提供双重燃料和/或吹扫空气能力。
在特定实施例中，如图4中显示的那样，中心本体102包括会聚部分122。会聚部分122沿着轴向中心线114在朝挡板110和/或中心本体102的下游端部部分118的轴向方向上沿径向向内会聚。会聚部分122可使中心通道120的截面流动面积从在会聚部分122的上游测量的第一截面流动面积124逐步减小到从沿着会聚部分122定位的点测量的第二截面流动面积126。另外，会聚部分122可使预混合流道106的截面流动面积从在会聚部分122上游测量的第一截面流动面积128逐步增大到在沿着会聚部分122定位的点处测量的第二截面流动面积130。
在特定实施例中，如图4中显示的那样，多个燃料端口108的至少一部分可沿着环形歧管132限定。环形歧管132可与中心本体102基本同心，并且可定位在中心本体102和外部管104之间的预混合流道106内。环形歧管132可包括和/或限定与燃料端口108流体连通的各种燃料回路或压室134(在图中看不到这个标号)。在特定实施例中，燃料压室134可流体地隔开，并且可彼此独立地利用燃料操作或装载。在特定实施例中，燃料端口108可沿轴向相对于轴向中心线114间隔开，因此在预混合流道106内提供沿轴向分级的燃料喷射。
在特定实施例中，多个支柱或导叶136从中心本体102沿径向延伸。在一个实施例中，支柱136从中心本体102沿径向延伸到环形歧管132。支柱136可在其中限定各种燃料通道或回路138。在各种实施例中，燃料通道138与限定在中心本体102内的一个或多个燃料回路140流体连通。燃料回路140可构造成对燃料端口108提供气体燃料和/或液体燃料。环形歧管132和/或支柱136可在形状上和/或构造上设置成对流经预混合流道106内的环形歧管132的压缩空气具有尽可能小的空气动力学影响。在特定实施例中，多个燃料端口108的至少一部分可沿着支柱136设置或限定。燃料端口108在限定在支柱136内的燃料通道138和预混合流道106之间提供流体连通。
图5提供了根据本发明的另一个实施例的燃料喷嘴组件100的剖开侧视图。如图5中显示的那样，支柱136可在中心本体102和外部管104之间在预混合流道106内沿径向延伸。多个燃料端口108的至少一部分可沿着支柱136设置或限定。在一个实施例中，如图5中显示的那样，多个燃料端口108的至少一部分可沿着中心本体102设置在支柱136的下游。
在特定实施例中，如图3、4和5中显示的那样，燃料喷嘴组件100进一步包括设置或限定在多个燃料端口108和/或预混合通道106的上游的流调节部分142。在特定实施例中，如图4和5中显示的那样，流调节部分142可大体包括与中心本体102同轴地对齐的一个或多个同心导叶144。(一个或多个)导叶144可在压缩空气18(图2)从燃烧器24的头端54流到多个燃料端口108上游的预混合通道106中时操纵压缩空气18的流特性或流轮廓。在特定实施例中，如图4中显示的那样，燃料喷嘴组件100可包括由外部套筒148和/或端板150限定或在其之内的多个孔口146。多个孔口146可在压缩空气18(图2)从燃烧器24的头端54流到多个燃料端口108上游的预混合通道106中时操纵压缩空气18的流特性或流轮廓。
在各种实施例中，如图3中显示的那样，挡板110跨过燃料喷嘴组件100的下游端部部分112沿径向且沿周向延伸。挡板110大体提供在燃烧室60(图2)的上游跨过预混合流道106的非流线形体。在特定实施例中，如图3、4和5中显示的那样，挡板110可包括限定开口154的中心部分152。开口154与中心本体102和/或中心通道120同轴地对齐。在特定实施例中，开口154可部分地限定中心通道120，并且可构造成接收燃料或吹扫空气套管(未显示)和/或火花塞(未显示)。
在各种实施例中，如图4和5中显示的那样，挡板110包括与下游侧或出口侧158沿轴向间隔开的上游侧或入口侧156。多个通道160大体沿轴向延伸通过上游侧156和下游侧158。在各种实施例中，通道160围绕挡板110的开口154环形地布置。通道160可布置成以便形成多个周向排，其中各个排与相邻排沿径向分开。虽然通道160显示为具有大体圆形的截面形状，但要理解的是，通道160不局限于任何特定截面形状，除非权利要求中特别提供。例如，通道160可具有弓形、长方形、三角形或梯形截面形状。
如图4和5中显示的那样，各个通道160包括沿着上游侧156限定的入口162和沿着下游侧158限定的出口164。入口162与预混合流道106流体连通。通道160中的至少一些提供从预混合流道106通过挡板110且到燃烧室60中(图2)的流体流。入口162和出口164可设有不同的形状，使得进入通道160的燃料-空气混合物在入口162处最大程度地增加，并且在出口164处形成离散燃料-空气射流。为了最大程度地降低火焰保持的可能性，从入口162的形状到出口164的形状的过渡是平滑的。在一个实施例中，入口形状162比出口形状164具有更大的面积，从而使通过挡板110的燃料-空气混合物的流加速。
图6提供了根据本发明的一个实施例的包括图4和5中显示的挡板110的燃料喷嘴组件100的下游部分112的剖开下游透视图。如图6中显示的那样，挡板110的上游侧156可包括和/或限定多个同心对齐的环形壁166，它们相对于中心线114沿轴向和沿径向延伸且围绕开口154沿周向延伸。各个环形壁166与相邻环形壁166或壁沿径向间隔开。环形壁166沿径向分开或隔开径向相邻的通道160的入口162。多个周向间隔开的径向壁168在径向相邻的环形壁166之间沿径向延伸。径向壁168沿周向分开或隔开周向相邻的通道160和/或通往相邻通道160的入口162。环形壁166和径向壁168包围和/或至少部分地限定通往各个通道160的入口162，从而最大程度地增大燃料-空气混合物通过其流到挡板110中的面积，以及最大程度地减小将另外在相邻通道(如果它们的圆形形状从入口162到出口164是连续的)之间出现的死空间。
图7提供根据本发明的一个实施例的包括图4和5中显示的挡板110的燃料喷嘴组件100的下游部分112的剖开下游透视图。如图7中显示的那样，挡板110的上游侧156可包括一个或多个波峰170和一个或多个波谷172，其至少部分地限定和/或包围通往通道160中的一个或多个的入口162。波峰170和波谷172可交错，使得波谷172在相邻波峰170之间，并且波峰170在相邻波谷172之间。在一个示例性实施例中，挡板110的截面轮廓可大体为波形，具有弓形波峰170和波谷172。备选地，波峰170和波谷172可为线性的，可为在波峰170的顶点(即，最高轴向点)处和/或在波谷172(即，最低轴向点)处具有小半径的三角形，或者可具有任何其它适当的截面轮廓。在特定实施例中，波峰170的外部排174可结合到挡板110的内表面176中或者与其结合。
图8提供了根据本发明的一个实施例的燃料喷嘴组件100的剖开部分的下游透视图，而且还提供了燃料喷嘴组件100的一部分的操作流示意图。在操作期间，如图8中显示的那样，来自燃烧器24的头端54(图2)的压缩空气18传送通过流调节区段142，而燃料20则传送通过限定在中心本体102内的各种燃料回路140(图4和5)到多个燃料端口108。在特定实施例中，压缩空气18可在多个燃料端口108的上游经由图4和5中显示的燃料喷嘴组件100的流调节部分142的导叶144和/或孔口146预先调节，因此在压缩空气18从燃烧器24的头端54流到多个燃料端口108上游的预混合通道106中时操纵压缩空气18的流特性或流轮廓。
如图8中的箭头20指示的那样，燃料然后在挡板110的入口162的上游喷射到压缩空气18的流中。燃料20和压缩空气18在预混合通道106内混合在一起，因此在入口162的上游提供燃料-空气混合物，如箭头174指示的那样。沿着挡板110的上游侧或入口侧156限定的各种表面特征(诸如图6和8中显示的环形壁166和径向壁168或图7中显示的波峰170和波谷172)提供通往通道160的大体空气动力学上匀称的入口162，因此在通道160的出口164处和/或其下游提供火焰稳定。另外或在备选方案中，通道160可促进燃料-空气混合物174在燃烧室60的上游进一步或更完全地预混合，因此提高燃烧器24的整体排放性能。燃料-空气混合物174沿基本轴向的流动方向(即，无旋流或切向流动方向，典型地与旋流器或旋流喷嘴类型的预混合燃料喷嘴相关联)进入燃烧室60。因此，火焰前缘更短且展示良好的火焰稳定性。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。