先导预混合喷嘴和燃料喷嘴组件的制作方法

本实用新型大体上涉及用于燃气涡轮机燃烧器的燃料喷嘴组件。更具体而言，本实用新型涉及用于燃料喷嘴组件的先导预混合喷嘴。

背景技术：

随着对燃气涡轮机排放的要求变得更加严格，一种满足这样的要求的方法是从扩散火焰燃烧器发展至在完全预混合操作模式下使用贫燃料和空气混合物来减少例如NOx和CO的排放的燃烧器。这些燃烧器在本领域中通常被称为干式低NOx(DLN，Dry Low NOx)、干式低排放(DLE，Dry Low Emissions)或贫燃料预混合(LPM，Lean Pre Mixed)燃烧系统。

某些DLN类型的燃烧器包括多个一级燃料喷嘴，其围绕二级或中心燃料喷嘴环形布置。燃料喷嘴被环形燃烧衬里周向地围绕。燃烧衬里限定燃烧器的上游燃烧室和下游燃烧室。上游燃烧室和下游燃烧室可以由燃烧衬里的喉部分离。

在燃烧器操作期间，一级燃料喷嘴可以将燃料提供至上游燃烧室。根据操作模式，来自一级燃料喷嘴的燃料可以在上游燃烧室中燃烧，或者可以在上游燃烧室内与压缩空气预混合以在下游燃烧室中点燃。二级燃料喷嘴在燃烧器中用作几个功能，包括：将燃料和空气混合物供应至下游燃烧室以用于预混合模式操作；供应燃料和空气以用于支持一级喷嘴操作的先导火焰(pilot flame)；以及提供转变燃料，以在操作模式之间变化的期间使用。

在某些燃烧器中，二级燃料喷嘴可包括设置在二级燃料喷嘴的下游端处的扩散先导喷嘴。扩散先导喷嘴将燃料和空气的流提供至第二燃烧室，并且被用于锚固(anchoring)二级火焰。然而，为了满足各种排放要求，可能减少到达先导燃料回路的燃料流量。结果，到达先导燃料回路的减少的燃料流量可能影响燃烧动力学和/或贫燃料熄火极限。

技术实现要素：

本实用新型的方面和优点在下面的描述中提出，或者可通过描述显而易见，或者可通过实施本实用新型来了解。

本实用新型的一个实施例是先导预混合喷嘴。先导预混合喷嘴包括喷嘴主体。喷嘴主体包括：前壁，其与后壁轴向地间隔开；外围，其在前壁和后壁之间延伸；和顶端部分，其从后壁向下游轴向地延伸，并且终止于下游壁处。喷嘴主体还包括：燃料入口气室，其在喷嘴主体内同轴地延伸并且由下游壁的内表面部分地限定；燃料分布气室，其从燃料入口气室径向地向外被限定在喷嘴主体内且与燃料入口气室流体连通；以及多个预混合通道，其在燃料分布气室内围绕燃料入口气室螺旋地延伸。预混合先导喷嘴还包括围绕多个预混合通道环形地布置的多个空气通道。多个预混合通道中的一个或多个预混合通道与燃料分布气室流体连通。

基于上述一个实施例，本实用新型还提供以下技术方案：

技术方案1：根据上述一个实施例的预混合先导喷嘴，其中，所述多个空气通道中的每个空气通道包括沿着所述喷嘴主体的所述前壁限定的相应的入口和沿着所述喷嘴主体的所述后壁限定的相应的出口。

技术方案2：根据上述一个实施例的预混合先导喷嘴，其中，所述多个预混合通道中的每个预混合通道包括沿着所述喷嘴主体的所述前壁限定的相应的入口和沿着所述喷嘴主体的所述顶端部分的所述下游壁限定的相应的出口。

技术方案3：根据技术方案2的预混合先导喷嘴，其中，从所述预混合通道的所述相应的出口径向地向内限定的所述下游壁的一部分沿着所述喷嘴主体的轴向中心线朝所述前壁向内微凹。

技术方案4：根据上述一个实施例的预混合先导喷嘴，其中，所述喷嘴主体包括在所述燃料入口气室内从所述下游壁的所述内表面向外突出的多个销。

技术方案5：根据上述一个实施例的预混合先导喷嘴，其中，所述喷嘴主体的所述顶端部分的径向外表面包括多个凹槽，所述多个凹槽在所述喷嘴主体的所述后壁和所述下游壁之间延伸。

技术方案6：根据上述一个实施例的预混合先导喷嘴，其中，所述喷嘴主体的所述顶端部分的径向外表面包括多个凹槽，所述多个凹槽在所述喷嘴主体的所述后壁和所述下游壁之间沿着所述外表面螺旋地延伸。

技术方案7：根据上述一个实施例的预混合先导喷嘴，其中，所述喷嘴主体的所述顶端部分为圆柱形的。

技术方案8：根据上述一个实施例的预混合先导喷嘴，其中，每个预混合通道包括与所述燃料分布气室流体连通的相应的燃料端口。

本公开的另一个实施例是燃料喷嘴组件。燃料喷嘴组件包括外管，该外管具有与下游端轴向地间隔开的上游端。内管在外管内轴向地延伸，并且与外管径向地间隔开，以便限定在内管和外管之间的环形空气通道。燃料喷嘴组件还包括联接到外管的下游端的预混合先导喷嘴。预混合先导喷嘴包括喷嘴主体。喷嘴主体包括：前壁，其相对于喷嘴主体的轴向中心线与后壁轴向地间隔开；外围，其联接到外管的下游端并且在前壁和后壁之间轴向地延伸。喷嘴主体还包括从后壁向下游轴向地延伸的顶端部分。顶端部分包括下游壁。喷嘴主体还包括限定燃料入口气室的燃料管，燃料入口气室在喷嘴主体内同轴地延伸并且由下游壁的内表面部分地限定。燃料入口气室与内管流体连通。喷嘴主体还限定：燃料分布气室，其从燃料入口气室径向地向外被限定在喷嘴主体内且与燃料入口气室流体连通；和多个预混合通道，其在燃料分布气室内围绕燃料入口气室螺旋地延伸。预混合先导喷嘴还包括围绕多个预混合通道环形地布置的多个空气通道。多个预混合通道中的每个预混合通道与燃料分布气室流体连通。

基于上述另一个实施例，本实用新型还提供以下技术方案：

技术方案9：根据上述另一个实施例的燃料喷嘴，其中，所述多个空气通道中的每个空气通道包括沿着所述喷嘴主体的所述前壁限定的相应的入口和沿着所述喷嘴主体的所述后壁限定的相应的出口。

技术方案10：根据上述另一个实施例的燃料喷嘴，其中，所述多个预混合通道中的每个预混合通道包括沿着所述喷嘴主体的所述前壁限定的相应的入口和沿着所述喷嘴主体的所述顶端部分的所述下游壁限定的相应的出口。

技术方案11：根据技术方案10的燃料喷嘴，其中，从所述预混合通道的所述相应的出口径向地向内限定的所述下游壁的一部分沿着所述喷嘴主体的轴向中心线朝所述前壁向内微凹。

技术方案12：根据上述另一个实施例的燃料喷嘴，其中，所述喷嘴主体包括在所述燃料入口气室内从所述下游壁的所述内表面向外突出的多个销。

技术方案13：根据上述另一个实施例的燃料喷嘴，其中，所述喷嘴主体的所述顶端部分的径向外表面包括多个凹槽，所述多个凹槽在所述喷嘴主体的所述后壁和所述下游壁之间延伸。

技术方案14：根据上述另一个实施例的燃料喷嘴，其中，所述喷嘴主体的所述顶端部分的径向外表面包括多个凹槽，所述多个凹槽在所述喷嘴主体的所述后壁和所述下游壁之间沿着所述外表面螺旋地延伸。

技术方案15：根据上述另一个实施例的燃料喷嘴，其中，所述喷嘴主体的所述顶端部分为圆柱形的。

技术方案16：根据上述另一个实施例的燃料喷嘴，其中，每个预混合通道包括与所述燃料分布气室流体连通的相应的燃料端口。

技术方案17：根据上述另一个实施例的燃料喷嘴，还包括多个燃料栓，所述多个燃料栓围绕所述外管周向地间隔开并且从所述外管径向地向外延伸。

技术方案18：根据上述另一个实施例的燃料喷嘴，其中，所述燃料喷嘴安装到燃气涡轮机的燃烧器的端盖，其中，所述燃烧器包括围绕所述燃料喷嘴周向地间隔开的多个一级燃料喷嘴。

通过阅读说明书，本领域的普通技术人员将更好地理解这些实施例和其它实施例的特征和方面。

附图说明

在说明书的其余部分中包括参考附图更具体地描述了本实用新型全面并使之能够实施的公开内容，包括对于本领域技术人员来说的最佳模式，在附图中：

图1示出燃气涡轮机的一个实施例的示意图；

图2示出本领域已知的示例性燃烧器的简化剖视图，该燃烧器可以包括本公开的一个或多个实施例；

图3是根据本公开的至少一个实施例的可以在如图2所示燃烧器中使用的示例性燃料喷嘴或燃料喷嘴组件的横截面侧视图；

图4是根据本公开的至少一个实施例的如图3所示燃料喷嘴组件的预混合先导喷嘴的透视图；

图5是根据本公开的至少一个实施例的如图4所示预混合先导喷嘴的透视剖视图；

图6是根据本公开的至少一个实施例的预混合先导喷嘴的顶端部分的一部分沿着图4所示剖面线A-A截取的横截面透视图；

图7是根据本公开的至少一个实施例的预混合先导喷嘴的一部分沿着图4所示剖面线B-B截取的横截面透视图；以及

图8提供了根据本公开的至少一个实施例的预混合先导喷嘴的一部分沿着图4所示剖面线C-C截取的横截面透视图。

具体实施方式

现在将详细参照本公开的当前实施例，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指代附图中的特征。在附图和描述中相似或类似的标记用于指代本公开相同或相似的部件。

如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以区分一部件与另一部件而并非意图表示各个部件的位置或重要性。术语“上游”和“下游”是指相对于流体通道中的流体流的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流出的方向，而“下游”是指流体流向的方向。术语“径向地”是指基本上垂直于特定部件的轴向中心线的相对方向，而术语“轴向地”是指基本上平行于和/或同轴地对齐于特定部件的轴向中心线的相对方向。

本文所用的技术术语仅用来描述特定实施例，而并非旨在进行限制。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文明确另外表示。进一步应当理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定了特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或增加。

每个示例通过进行说明而不是限制的方式提供。事实上，对本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本实用新型的范围或精神的情况下，可作出修改与变型。例如，作为一个实施例的部分而显示或描述的特征可用于另一实施例，以获得又一实施例。因此，本公开意图包括这样落入所附权利要求及其等同物的范围内的修改与变型。虽然本公开的示例性实施例将出于说明目的而大体上在用于陆用发电燃气涡轮机燃烧器的燃料喷嘴组件的环境下进行描述，但本领域的普通技术人员将容易理解，本公开的实施例可以应用于任何样式或类型的涡轮机械用燃烧器，并且不限于用于陆用发电燃气涡轮机的燃烧器或燃烧系统，除非权利要求中特别地叙述。

参看附图，图1示出了燃气涡轮机10的实施例的示意图。燃气涡轮机10包括压缩机段12、燃烧段14和涡轮段16。压缩机段12和涡轮段16可以由轴18联接。轴18可以是单个轴或联接到一起形成轴18的多个轴段。在操作期间，压缩机段12将压缩空气供应到燃烧段14。压缩空气与燃料混合并在燃烧段14内燃烧以产生热的燃烧气体，燃烧气体从燃烧段14流至涡轮段16，在涡轮段中，能量被从热气体中提取以做功。

燃烧段14可包括围绕燃气涡轮机10的中心轴线定位成环形阵列的多个燃烧器20(其中一个在图2中示出)。图2提供了本领域已知的示例性燃烧器20的简化剖视图，该燃烧器可以包括本公开的一个或多个实施例。如图2所示，壳体22围绕燃烧器20以包含从压缩机段12(图1)流出的压缩空气24。多个燃料喷嘴横跨端盖26布置。例如，在特定实施例中，多个一级燃料喷嘴28从二级燃料喷嘴30径向地向外周向地间隔开。衬里32从燃料喷嘴28、30向下游延伸并且限定上游或前燃烧室34和下游或后燃烧室36，上游或前燃烧室34和下游或后燃烧室36由衬里32的喉部或会聚/发散部分38隔开。

在燃烧器20操作期间，一级燃料喷嘴28可以将燃料提供至上游燃烧室34。根据燃烧器20的操作模式，来自一级燃料喷嘴28的燃料可以在上游燃烧室34中燃烧，或者可以在上游燃烧室34内与压缩空气24预混合以用于在下游燃烧室36中点燃。二级燃料喷嘴30在燃烧器20中用作几个功能，包括：将燃料和空气混合物供应至下游燃烧室36以用于预混合模式操作；供应燃料和空气以用于支持一级喷嘴操作的先导火焰；以及提供转变燃料，以在操作模式之间变化的期间使用。

图3提供了根据本公开的至少一个实施例的示例性燃料喷嘴或燃料喷嘴组件100的横截面侧视图，该燃料喷嘴或燃料喷嘴组件100可以用于如图2所示二级燃料喷嘴30。燃料喷嘴100可以连接到端盖26或者可以通过端盖26后膛装载(breach loaded)。在一个实施例中，如图3所示，燃料喷嘴100包括外管102，外管102具有上游端104，上游端104与下游端106相对于燃料喷嘴100的轴向中心线轴向地间隔开。内管108在外管102内轴向地延伸，并且可以与外管102同轴地对齐。内管108与外管102径向地间隔开，以便限定在内管108与外管102之间的环形空气通道110。环形空气通道110可以与限定在端盖26内的压缩空气源或空气回路流体连通。内管108限定在外管102内的先导燃料通道112。内管108可以流体联接到外部燃料源(未示出)。

在特定实施例中，燃料喷嘴100可包括中间管116，中间管116相对于燃料喷嘴100的轴向中心线在外管102内轴向地延伸。中间管116周向地围绕内管108的至少一部分并且限定在外管102内的二级燃料通道118。多个燃料栓(fuel peg)120可以围绕外管102周向地间隔开。每个燃料栓120相对于燃料喷嘴100的轴向中心线从外管102径向地向外延伸。燃料栓120中的一个或多个可包括一个或多个燃料喷射孔口122，一个或多个燃料喷射孔口122与二级燃料通道118流体连通。

在至少一个实施例中，预混合先导喷嘴114包括喷嘴主体124。图4提供了根据本公开的至少一个实施例的预混合先导喷嘴114的透视图。图5提供了如图3所示预混合先导喷嘴114的透视剖视图。如图4和5中共同地所示，喷嘴主体124包括：前壁126，其相对于喷嘴主体124的轴向中心线与后壁128轴向地间隔开；和外围(outer band)130，其在前壁126和后壁128之间轴向地延伸。外围130限定喷嘴主体124的径向外周边。如图3所示，外围130可以联接到或连接到外管102的下游端106。

如在图4和5中共同地所示，喷嘴主体124还包括顶端部分132。顶端部分132相对于喷嘴主体124的轴向中心线从后壁128向下游轴向地延伸，并且包括下游壁134。在特定实施例中，喷嘴主体124的顶端部分132可以是圆柱形的，但不限于任何特定的形状，除非权利要求中另外叙述。

如图5所示，喷嘴主体124还限定或包括燃料管或内壁136，其相对于喷嘴主体124的轴向中心线在喷嘴主体124内同轴地延伸。燃料管136限定在喷嘴主体124内的燃料入口气室138。燃料入口气室138在喷嘴主体124内同轴地延伸并且由顶端部分132的下游壁134的内表面或内壁140部分地限定。如图3所示，燃料管136连接到内管108，使得燃料入口气室138与内管108的先导燃料通道112流体连通。

如图5所示，喷嘴主体124还包括燃料分布气室或间隙142，燃料分布气室或间隙142被限定在喷嘴主体124内部或之内。燃料分布气室142从燃料管136且因此从燃料入口气室138径向地向外被限定，并且通过燃料管136与燃料入口气室138分离。图6提供了预混合先导喷嘴114的顶端部分132的一部分沿着图4所示剖面线A-A截取的横截面透视图。图7提供了预混合先导喷嘴114的一部分沿着图4所示剖面线B-B截取的横截面透视图。图8提供了预混合先导喷嘴114的一部分沿着图4所示剖面线C-C截取的横截面透视图。

如在图6中最清楚地示出的，燃料入口气室138经由多个孔口或开口144与燃料分布气室142流体连通，多个孔口或开口144相对于喷嘴主体124的轴向中心线围绕喷嘴主体124的轴向中心线周向地间隔开。孔口144被限定在下游壁134的内表面140的近旁或附近。在一个或多个实施例中，如图6所示，下游壁134的内表面140包括多个热传递特征146，多个热传递特征146在燃料入口气室138内从下游壁134的内表面140向外突出。在一个实施例中，热传递特征146包括多个销或销翅片。热传递特征146中的至少一些可以被定位在孔口144之内或附近。

如图5所示，喷嘴主体124包括从燃料管136和/或从燃料入口气室138径向地向外设置的多个预混合管148。每个预混合管148限定通过喷嘴主体124的相应的预混合通道150。如在图7和8中共同地所示，多个预混合管148和因此相应的预混合通道150相对于喷嘴主体124的轴向中心线在燃料分布气室142内围绕燃料管136和/或燃料入口气室138螺旋地延伸。

如在图4和5中共同地所示，每个预混合管148和因此每个预混合通道150包括沿着前壁126限定的相应的入口152(图5)和沿着顶端部分132的下游壁134限定的相应的出口154(图4)。如图5所示，相应的入口152沿着前壁126周向地间隔开且围绕喷嘴主体124的轴向中心线环形地布置。如图4所示，相应的出口154沿着下游壁134周向地间隔开且围绕喷嘴主体124的轴向中心线环形地布置。如图5所示，每个预混合管148和因此每个预混合通道150可以经由一个或多个燃料端口156与燃料分布气室142流体连通，一个或多个燃料端口156沿着每个相应的预混合管148被限定。

如在图4和5中共同地所示，燃料喷嘴组件100包括多个空气通道158，多个空气通道158围绕多个预混合管148和因此相对于喷嘴主体124的轴向中心线环形地布置的预混合通道150环形地布置并且从多个预混合管148和因此预混合通道150径向地向外设置。在特定实施例中，多个空气通道158可以由喷嘴主体124限定和/或可以是预混合先导喷嘴114的一部分。多个空气通道158中的每个空气通道158包括沿着前壁126限定的相应的入口160和沿着喷嘴主体124的后壁128限定的相应的出口162。

在特定实施例中，如图4和5所示，从预混合通道150的相应的出口154径向地向内限定的顶端部分132的下游壁134的一部分沿着喷嘴主体124的轴向中心线朝前壁126向内微凹(dimpled)或凹进。在如图4所示的特定实施例中，喷嘴主体124的顶端部分132的径向外表面164包括多个凹槽166，多个凹槽166在喷嘴主体124的后壁128和下游壁134之间围绕喷嘴主体124的轴向中心线沿着外表面164螺旋地延伸。

在至少一个实施例中，喷嘴主体124形成为单一主体。换句话讲，前壁126、后壁128、外围130、顶端部分132、燃料管136、预混合管148和空气通道158可以全部形成为单一主体。例如，在特定实施例中，喷嘴主体124通过增材制造过程形成。本文所用术语“增材制造”或“添加制造”是指产生可用的三维物体的任何过程，并且包括每次一层地顺序形成物体的形状的步骤。增材制造过程可包括三维打印(3DP，three-dimensional printing)过程、激光净成形制造、直接金属激光烧结(DMLS，direct metal laser sintering)、直接金属激光熔融(DMLM，direct metal laser melting)、等离子转移弧、自由成型制造等。

在预混合先导喷嘴114的操作期间，空气从限定在内管108和外管102之间的环形空气通道110流过，并流过多个空气通道158以及流过相应的预混合通道150。燃料流过先导燃料通道112并经由内管108和燃料管136进入燃料入口气室138。燃料横跨下游壁134的内表面140流动并经由多个孔口144进入燃料分布气室142。相对较冷的燃料可以为下游壁134提供冷却，从而提高预混合先导喷嘴114的机械寿命。在特定实施例中，诸如销的热传递特征146有助于增强在下游壁134和燃料之间的热传递。在特定实施例中，下游壁134的微凹部分也可以用来降低下游壁134的操作温度。然后，燃料从燃料分布气室142流出并经由相应的燃料端口156进入相应的预混合通道150。燃料和空气在相应的预混合通道150内混合，然后被喷入下游燃烧室36以进行燃烧。

本文所示和预混合先导喷嘴114可以代替已知的高温和高排放扩散式先导喷嘴，这些先导喷嘴使下游燃烧室36中的火焰在高温下稳定，但以排放为代价。本文所示和预混合先导喷嘴114可以利用旋流稳定的预混合先导喷嘴代替已知的扩散式预混合先导喷嘴。预混合先导喷嘴114可以导致更理想的排放水平，且具有已知的扩散式先导喷嘴所提供的相同的火焰稳定性，同时也提供改善的动力学和/或贫燃料熄火极限。

本书面描述用示例来公开包括最佳模式的本实用新型，并且还使本领域技术人员能实施本实用新型，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包括在内的方法。本实用新型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想到的其它示例。如果这种其它示例具有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。