专利名称：双流切向进入式喷嘴的制作方法
技术领域：
本发明涉及低NOx预混燃料的喷嘴，更具体地说，涉及用在燃气轮机中的喷嘴。
氮氧化物(下文中称为NOx)是在高温燃烧下生产的。NOx是众所周知的污染物，因此，生成NOx的燃烧装置受到更加严格的污染物排放标准的限制。这样，人们正在加倍努力地致力于减少燃烧装置中NOx的生成。
其中一种解决方案是将燃料与过量的空气预混合，这样，在进行燃烧时伴随有局部的较高过量空气，结果导致了较低的燃烧温度并使生成的NOx降到最低限度。以这种方式工作的燃料喷嘴公开在美国专利US5,307,634中，该专利披露了一种具有一个圆锥中心体的蜗壳式旋流器。这种燃料喷嘴是已知的切向进入式燃料喷嘴。它包括两个与端板相连的偏心圆筒弧形蜗壳。燃烧空气通过两个由偏心蜗壳形成的大致呈矩形的狭缝口进入旋流器，并且通过一个端板上的燃烧器入口排出，然后流入燃烧器。通过位于与内后缘对置的外蜗壳上的直线排列的孔口将燃料从总管喷入在各入口缝的空气流中，以在流入燃烧器前产生均匀的燃料空气混合物。
切向进入式预混燃料喷嘴相对于现有的燃料喷嘴NOx排放量较低。可惜上述专利中公开的那些喷嘴由于火焰部分地接触到喷嘴的中心体，所以当它们用在燃气轮机上时其工作寿命较短，这是不能令人满意的。因此，这种类型的切向进入式喷嘴没有用在市售的燃气轮机上。
我们所需要的是一种用在燃气轮机上时其工作寿命比现有技术的喷嘴大大提高的切向进入式燃料喷嘴。
因此，本发明的一个目的是提供一种低NOx的燃料喷嘴，它用在燃气轮机上时其工作寿命大大高于现有的喷嘴。\par本发明的另一个目的是提供一种切向进入式燃料喷嘴，它可显著地减小火焰接触中心体的可能性，同时可保持产生较低水平的NOx。
因此，本发明的切向空气进入燃料喷嘴具有一根纵轴和两个中心线相互偏离的圆筒弧形蜗壳。这些蜗壳的端部重合，从而在它们之间形成用于将空气/燃料混合物引入燃料喷嘴的空气入口槽。燃烧器端的端板具有一个能使喷嘴排出的空气和燃料进入燃烧器的燃烧器入口。该入口包括一个收缩表面、一个扩张表面和一个在它们之间延伸的圆柱形表面。收缩表面沿喷嘴的纵轴延伸第一距离，圆柱形表面沿该轴延伸第二距离，该第二距离至少是第一距离的5％。与该燃烧器端的端板相对的另一端板阻挡喷嘴流通区域，并且蜗壳固定在这两个端板之间。
位于蜗壳之间并与上述轴同轴的中心体具有径向外表面，该外表面包括一个限定一个与纵轴同轴的锥台外表面的锥台部分和一个与纵轴同轴并限定圆柱体外表面的圆柱形部分。中心体具有一个底座，该底座包括至少一个贯穿该底座的送风口和一个内通道。锥台部分朝内通道的排气口方向收缩，圆柱形部分位于锥台部分和排气口所在的平面之间。燃料喷管与纵轴同轴并穿过底座然后终止于将燃料输送到中心体内的气流的内通道内。
图1是沿图2的1-1线截取的本发明燃料喷嘴的横向剖视图；图2是沿图1的2-2线截取的横向剖视图；图3是沿图2的3-3线截取的本发明燃料喷嘴的横向剖视图。
参见图1，本发明的低NOx预混喷嘴10包括一个位于蜗壳式旋流器14内的中心体12。该蜗壳式旋流器14具有第一和第二端板16，18，第一端板与中心体12相连并与第二端板18分隔设置，第二端板具有贯穿该板的燃烧器入口20。多个(最好为两个)圆筒弧形蜗壳部件22，24从第一端板16延伸到第二端板18。
蜗壳部件22，24绕喷嘴10的纵轴26均匀地分隔配置，从而在它们之间限定了一个混合区28，如图2中所示。每个蜗壳部件22，24都有一个面向纵轴26的径向内表面并限定出一个绕中心线32，34部分回转的表面。这里所使用的术语“部分回转表面”指的是由一条直线绕一条中心线32，34旋转小于一整圈而得到的表面。
各蜗壳22都相对于另一蜗壳24隔开设置，各蜗壳22，24的中心线32，34位于混合区28内(如图2中所示)。参见图3，各中心线32，34都是平行并相对于纵轴26隔开的，所有中心线32，34都相对于纵轴26等距，从而限定出入口槽36，38，它们在每一对相邻蜗壳部件22，24之间沿平行于纵轴26的方向延伸，以便能将燃烧空气40引入混合区28。来自压缩机(图中未示出)的助燃空气42流过由中心线32，34偏置的蜗壳部件22，24的重叠端44，50，48，46形成的入口槽36，38。
各蜗壳部件22，24还包括一个用于在燃料通过一个入口槽36，38进入混合区28时将其引入燃烧空气40内的燃料管52，54。可提供液态或气态(但最好是气态)燃料的第一供料管(图中未示出)连接在各燃料管52，54上。与纵轴26同轴的燃烧器入口20位于紧靠燃烧器56的位置，以便将来自本发明的燃料和燃烧空气输送到燃烧器56内，燃料和空气在燃烧器中燃烧。
再参见图1，中心体12具有一个底座58，该底座至少具有一个，最好多个贯穿其延伸的供气口60，62，并且底座58垂直于穿过该底座的纵轴26。中心体12还具有一个与纵轴26同轴的内通道64。在本发明的优选实施例中，内通道64包括具有第一端68和第二端70的第一圆柱形通道66和直径大于第一圆柱形通道66并且同样具有第一端74和第二端76的第二圆柱形通道72。第二圆柱形通道72通过一个圆锥形通道78与第一圆柱形通道66相通。该圆锥形通道78具有直径等于第一圆柱形通道66直径的第一端80和直径等于第二圆柱形通道72直径的第二端82。每条通道66，72，78都与纵轴26同轴，并且圆锥形通道78的第一端80与第一圆柱形通道66的第二端70成一整体，而圆锥形通道78的第二端82与第二圆柱形通道72的第一端74成一整体。第一圆柱形通道66包括一个排气孔68，该孔为圆形并与纵轴26同轴，它位于第一圆柱形通道66的第一端68上。
参见图3，中心体12的径向外表面包括一个限定一个与纵轴26同轴并朝底座58方向扩张的锥台外表面的锥台部分86和与该锥台部分86连成一体的圆柱形部分88，该圆柱形部分限定了一个圆柱体的表面，并与轴26同轴。在该优选实施例中，圆柱形部分88终止于排气孔68所在的平面上，锥台部分86在底座58处的直径比锥台部分86在锥顶处的直径大2.65倍，而锥台部分86的高度90(底座58与锥台体86相交处的平面与锥台部分86的锥顶所在的平面之间的距离)大约为锥台部分86在底座58处的直径的1.3倍。圆柱形部分88位于锥台部分86和排气孔68之间。如图3所示，内通道64由中心体12的径向外表面沿径向包围，该锥台部分86与纵轴26同轴，并且中心体12连接在底座58上，使锥台部分86朝圆柱形部分88方向变细并终止于圆柱形部分88。如图2所示，锥台86的底座装配在内接于混合区28的圆92上，圆92的圆心94位于纵轴26上。本领域的专业技术人员很容易理解到，混合区28的横截面不一定是圆形的。
参见图1，内腔100位于底座58与第二圆柱形通道72的第二端76之间的中心体12内，并且该第二圆柱形通道72终止于内腔100。通过底座58上与内腔100连通的送风口60，62向内腔100输送空气102，内腔100又将空气通过第二圆柱形通道72的第二端76提供给内通道64。第一端板16上具有开孔104，106，它们与底座58上的送风口60，62对正，这样不会影响来自燃气轮机的压缩机的燃烧空气102的流动。旋流器108(最好为现有技术中的径向入流式旋流器)与纵轴26同轴并位于内腔100内紧靠第二圆柱形通道72的第二端76处，以使从内腔100进入内通道64的所有空气都必须通过旋流器108。
也与纵轴26同轴的燃料喷管110穿过底座58、内腔100和旋流器108进入内通道64的第二圆柱形通道72。第二圆柱形通道72的较大直径包含了燃料喷管110的横截面积，因而使第二圆柱形通道72的流通面积基本上等于第一圆柱形通道66的流通面积。可提供液体或气体燃料的第二燃料供给管路(图中未示出)连接在燃料喷管110上，以便将燃料提供给燃料喷管110内的内通道112。燃料喷口114设在燃料喷管110上并给燃料提供通路，以使燃料能从燃料喷管110进入内通道64。
参见图3，燃烧器入口20与纵轴26同轴并有一个收缩表面116、一个扩张表面117和一个圆柱形表面118，表面118限定了一个入口20的喉部平面120。收缩表面116、扩张表面117和圆柱形表面118都与纵轴26同轴，并且收缩表面116位于第一端板16和圆柱形表面118之间。收缩表面116基本上为圆锥形并朝圆柱形表面118的方向收缩，而扩张表面最好是通过椭圆的一部分绕纵轴26旋转来限定。
圆柱形表面118在喉部平面120和扩张表面之间延伸一定的距离121。扩张表面117在圆柱形成表面118与燃烧器入口20的燃烧器表面122之间延伸，该燃烧器表面122垂直于纵轴26，并限定了本发明燃料喷嘴10的出口平面124。为了使燃料/空气混合物在通过燃烧器入口20时达到所需的轴向速度，通过该入口20的燃烧空气必将流经位于燃烧器入口20处的最小流动区，或喉部区。为了实现这一目的，圆柱形表面118距离纵轴26的预定半径应比锥台部分86在底座58处的半径至少小10％。
收缩表面116终止于喉部平面120，它在此处的直径等于圆柱形表面118的直径。如图3所示，喉部平面120位于出口平面124和内通道64的排气孔68之间，而收缩表面116位于圆柱形表面118和第一端板16之间。为了在燃烧器入口20内达到理想的燃料/空气混合物的速度分布，该收缩表面116沿纵轴26延伸预定的距离126，并且圆柱形表面118沿纵轴26延伸第二段距离128，该距离128至少等于预定距离126的5％。
在运行时，来自燃气轮机的压缩机和燃烧空气流过孔104，106和底座58上的供风口60，62进入中心体12的内腔100。燃烧空气通过径向入流旋流器108流出内腔100，然后以相对于纵轴26大致切向的速度或以旋流方式进入内通道64。当该旋流燃烧空气通过燃料喷管110时，燃料(最好为气态形式)从燃料喷管110喷入内通道64中并与旋流的燃烧空气混合。然后，燃料和燃烧空气的混合物从第二圆柱通道72通过锥形通道78流入第一圆柱形通道66。混合物再流过第一圆柱形通道66的整个长度，然后混合物刚好在离燃烧器入口20的喉部平面120很近之处或在该喉部平面120处从第一圆柱形通道66中流出，从而提供燃料/空气混合物的中心流。
来自燃气轮机的压缩机的辅助燃烧空气通过各入口槽36，38进入混合区28。将供给燃料管52，54的燃料(最好是气态燃料)喷射到流经入口槽36，38的燃烧空气中并开始与之混合。由于蜗壳部件22，24的这种形状，使混合物形成围绕中心体12旋流的环形气流，并且该燃料/空气混合物在旋流过程中继续混合，同时沿纵轴26流向燃烧器入口20。
在第一圆柱形通道66中，由蜗壳式旋流器14的环形流的旋流最好与燃料/空气混合物的旋流一同旋转，并且其角速度至少等于在第一圆柱形通道66中燃料/空气混合物的角速度。由于中心体12的形状，环形流的轴向速度保持在能防止燃烧器火焰流向蜗壳旋流器14内并贴到中心体12的外表面84的速度。当燃料/空气混合物流出第一圆柱形通道66时，中心流的旋流燃料/空气混合物由蜗壳旋流器14的环流所包围，并且这两股流径向地流入圆柱形表面118内，然后流经扩张表面117，一直流到混合区28下游的燃烧入口20的出口平面124。
经检测，本发明的燃料喷嘴10用在燃气轮机上时其工作寿命大大高于现有的喷嘴。此外，本发明的喷嘴显著地减小了火焰接触中心体的可能性，同时可保持产生较低水平的NOx。
虽然上面参照详细的实施例示出并描述了本发明，但本领域的专业技术人员可理解到，在不超出本发明权利要求所限定的构思和范围的情况下，可在形式上和细节上作各种不同的变换。
权利要求
1.用在燃气轮机上的燃料喷嘴组件，它包括一个中心体，它包括一根纵轴，一个中心体底座，所述底座具有至少一个贯穿它的送风口，一个径向外表面，包括一个限定一个锥台外表面的锥台部分，该锥台与纵轴同轴并朝锥台底座方向扩张，以及包括一个圆柱形部分，它与锥台部分连成一整体，并且最好限定圆柱体的外表面，所述锥台部分位于所述圆柱形部分和所述中心线之间，一个内通道，它与纵轴同轴并包括第一圆柱形通道、第二圆柱形通道和锥形通道，各通道都具有第一端和第二端，所述第二圆柱形通道的直径大于所述第一圆柱形通道的直径，所述第二圆柱形通道通过所述锥形通道与所述第一圆柱形通道连通，所述锥形通道的第一端与所述第一圆柱形通道的所述第二端连成一整体，所述锥形通道的第二端与第二圆柱形通道的第一端连成一整体，所述锥形通道的第一端的直径等于第一圆柱形通道的直径，所述锥形通道的第二端的直径等于第二圆柱形通道的直径，各所述通道与纵轴同轴，所述第一圆柱形通道具有一个圆形排气孔，该排气孔所述轴同轴并位于所述第一圆柱形通道的第一端，一个内腔，它位于所述中心体底座与所述第二圆柱形通道的所述第二端之间，所述送风口通过所述内腔与所述第二圆柱形通道连通，一个旋流器，它与纵轴同轴并位于内腔中紧靠第二圆柱形通道的第二端，一个燃料喷管，它与纵轴同轴并穿过所述中心体底座、所述内腔和所述旋流器，并终止于所述第二圆柱形通道内；以及一个蜗壳式旋流器，它具有第一和第二端板，所述第一端板与所述第二端板分隔设置，所述第二端板具有一个贯穿的燃烧器人口，所述入口与所述纵轴同轴并包括一个收缩表面、一个扩张表面和一个从所述收缩表面延伸到所述扩张表面的圆柱形表面，至少两个圆筒弧形蜗壳部件，各蜗壳部件都限定一个绕中心线部分回转的主体，各所述蜗壳部件从所述第一端板延伸到所述第二端板并围绕纵轴均匀地分隔开，从而在它们之间限定一个混合区，各所述中心线位于所述混合区内，各所述中心线相对于所述纵轴分隔开、距所述纵轴等距并与所述纵轴平行，从而限定平行于所述纵轴延伸的入口槽，这些入口槽位于每对相邻蜗壳部件之间，用以将燃烧空气引入所述混合区，各所述蜗壳部件都具有一根燃料管，用于将燃料引入经一个所述入口槽流入的燃烧空气内；其中所述第一端板连接在所述第一端板上。
2.按照权利要求1的燃料喷嘴组件，其中所述收缩表面沿所述纵轴延伸第一距离，所述圆柱形表面沿所述纵轴延伸第二距离，所述第二距离是第一距离的至少5％。
3.按照权利要求2的燃料喷嘴组件，其中所述圆柱形表面位于距该轴预定半径处，该预定半径至少比其底座处的锥台部件的半径小10％。
4.按照权利要求3的燃料喷嘴组件，其中所述收缩表面沿所述纵轴延伸第一距离，所述圆柱形表面沿所述纵轴延伸第二距离，所述第二距离是第一距离的至少5％。
全文摘要
一种空气切向进入式燃料喷嘴,它具有一个燃烧器入口,以使空气和燃料流入燃烧器。该入口包括一个收缩表面、一个扩张表面和一个在这两个表面之间延伸的圆柱形表面。该收缩表面沿喷嘴的纵轴延伸第一距离,圆柱形表面沿该纵轴延伸第二距离,第二距离是第一距离的至少5%。
文档编号F02M61/16GK1187581SQ9712576
公开日1998年7月15日 申请日期1997年12月19日 优先权日1996年12月20日
发明者S·K·克拉梅尔, P·F·豪克 申请人:联合工艺公司