專利名稱：用于減弱燃氣輪機預混器中火焰保持的信管及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃氣輪機燃燒系統(tǒng)，且具體涉及一種燃料噴嘴設(shè)計，
其在燃燒火焰回火或火焰保持(flame holding)事件期間使燃燒器損壞 降至最低。
背景技術(shù)：
燃氣輪機燃燒器將大量的燃料和壓縮空氣相混合和燃燒因而形 成的混合物。用于工業(yè)燃氣輪機的常規(guī)燃燒器通常包括環(huán)形排列的圓 筒形燃燒"罐，，，空氣和燃料在其中混合并發(fā)生燃燒。來自軸向壓縮 機的壓縮空氣流入燃燒器中。燃料經(jīng)延伸到各罐中的燃料噴嘴組件噴 射。燃料和空氣的混合物在各罐的燃燒室中燃燒。燃燒氣體從各罐排 放到通向渦輪的管道中。
設(shè)計成用于低排放的燃燒罐包括預混室和燃燒室。各燃燒罐中的 燃料噴嘴組件可將燃料和空氣噴射到該罐的腔室中。 一部分來自噴嘴 組件的燃料排出到該罐的預混室中，在預混室中添加空氣并與燃料預 先混合。預混室中預混的空氣和燃料有助于在各罐的燃燒室中快速和 有效地燃燒以及因燃燒產(chǎn)生的低排放?？諝夂腿剂系幕旌衔飶念A混室 向下游流至燃燒室，燃燒室耐受燃燒并在一些狀態(tài)下接收由燃料噴嘴 組件的前部所排出的額外燃料的。額外燃料提供了使火焰穩(wěn)定用于低 功率運行的手段，并可在高功率狀態(tài)完全切斷。
具有預混室的燃燒罐中可能發(fā)生回火或火焰保持狀態(tài)。預混室不 能耐受燃燒。當火焰從下游的燃燒室蔓延到預混室中時發(fā)生回火，這 通常是由瞬變過渡狀態(tài)造成的。當有可能通過諸如火花或壓縮機噴射 的熱態(tài)外來物之類的外部源而在預混區(qū)域中生成火焰時發(fā)生火焰保持，且火焰隨后在再循環(huán)區(qū)域或虛弱的邊界層區(qū)域中穩(wěn)定，該區(qū)域緊 接將燃料排出到預混室中的燃料噴嘴組件部分的下游?；鼗鸹蚧鹧姹?持導致的損壞可包括燒壞不能耐受燃燒熱量的燃燒器構(gòu)件。燒壞這些 燃燒器構(gòu)件導致的損壞可能導致這些構(gòu)件發(fā)生故障和開裂。如果燃燒 器的裂片流入燃燒氣流中，則它們有可能損壞熱氣體通路，例如燃氣 輪機中的渦輪。
燃料噴嘴組件中的信管(fUse)通過將燃料從用于預混室的燃料噴
嘴轉(zhuǎn)移而防止火焰保持。燃料從預混室的轉(zhuǎn)移致使異?；鹧鏌M并防 止在預混室中進一步地燃燒。然而，常規(guī)的信管設(shè)計，例如美國專利
5,685,139所公開的信管設(shè)計，并不適合于所有類型的燃料噴嘴組件。 因此，需要新型的信管設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
已開發(fā)了一種用于燃氣輪機的燃燒器的燃料噴嘴組件，包括噴 嘴本體，其具有前部和限定穿過該噴嘴本體的燃料通道的內(nèi)管；外管，
其在內(nèi)管周圍并限定外管和內(nèi)管之間的空氣通道；外管的弱化區(qū)域， 其在回火事件中燒穿，從而致使一部分預混燃料繞開噴射器和從弱化 區(qū)域排出；可膨脹導管，其設(shè)置在空氣通道中并具有接近弱化區(qū)域的 出口 ，其中，當外管的弱化區(qū)域燒穿且燃料流從該管道經(jīng)弱化區(qū)域向噴 嘴本體的前部排出時燃料流經(jīng)可膨脹導管；以及附接在噴嘴本體上的
套環(huán)(collar)，其包括從套環(huán)排出燃料的預混燃料通道和端口，其中， 可膨脹管道具有通向預混燃料通道的入口 。
已開發(fā)了 一種用于在燃氣4侖機的燃燒器中熄滅回火狀態(tài)的方法， 該方法包括將燃料和壓縮空氣從燃料噴射器組件噴射至燃燒器的預 混室，其中，噴射的燃料和壓縮空氣在預混室中未正常燃燒；在燃燒 器中的預混室下游的燃燒室中燃燒燃料和壓縮空氣；從噴射器組件的 前部經(jīng)穿過燃料噴射器的噴嘴本體的空氣通道向燃燒室提供空氣；從 具有位于噴射器組件前部的出口的燃料通道將燃料噴射至燃燒室；響應于接近燃料噴射器組件的回火狀態(tài)而開啟導管的出口，其中，該出 口緊鄰噴射器組件的前部且導管穿過空氣通道；通過開啟出口將燃料 從預混室轉(zhuǎn)移到導管，以及通過轉(zhuǎn)移燃料而熄滅回火狀態(tài)的火焰。


圖1是以局部截面顯示燃氣輪機的常規(guī)燃燒罐的側(cè)視圖。
圖2是燃料噴嘴組件的透視圖。
圖3是結(jié)合在燃料噴嘴組件的燃料噴嘴本體中的信管組件的透視圖。
圖4是燃料噴嘴組件的后套環(huán)中的信管組件的截面?zhèn)纫晥D。 圖5是噴嘴本體的前部的截面?zhèn)纫晥D。
具體實施例方式
圖1是側(cè)視圖，以局部截面顯示了燃氣輪機12的常規(guī)燃燒器10， 燃氣輪機12包括壓縮機13(用壓縮機殼體14代表)以及用單個渦輪葉 片16代表的渦輪段15。燃燒器包括設(shè)置在壓縮機殼體14周圍的環(huán)形 排列的燃燒罐18。壓縮機13由沿共用軸線與壓縮機驅(qū)動地連接的渦 輪驅(qū)動。
來自壓縮機的壓縮空氣進入燃燒器10的各個燃燒罐18并流經(jīng)(見 空氣箭頭19)形成在圓筒形套管22和罐的圓筒形內(nèi)襯墊24之間的環(huán) 形管道20。壓縮空氣經(jīng)管道20沿著與形成在罐中的燃燒氣體相反的 流動方向(見燃燒氣體箭頭28)流向罐的端蓋組件26?？諝饨?jīng)襯墊24 中的各個開孔以及經(jīng)燃料噴嘴組件34中的預混器入口 25而進入各個 罐中的燃燒室30和預混室32。
燃料和空氣的混合物由設(shè)置在罐的前部并附接在端蓋上的燃料 噴嘴組件34供應至預混室32和燃燒室。燃料和壓縮空氣在預混室中 混合并流至燃燒室30?；旌衔镌谌紵抑腥紵乙蚨纬傻娜紵龤怏w 從各罐流至(見燃燒流箭頭28)將燃燒氣體引導至渦輪葉片16的過渡
6管道36。
各個燃燒罐18包括大致呈圓筒形的燃燒殼體38，燃燒殼體38在 向后敞開的端部處固定在壓縮機殼體14上。燃燒罐的前端由端蓋組 件26封閉，端蓋組件26可包括常規(guī)的燃料供應管、歧管以及用于將 氣體、液體燃料和空氣(如果需要還有水)進給至燃燒器罐的相關(guān)閥。 端蓋組件26支承用于各個罐的多個燃料噴嘴組件34。例如，燃料噴 嘴組件可以圓形排列的方式設(shè)置在中心噴嘴組件周圍。至少為了描述 信管系統(tǒng)起見，將這些噴嘴組件當作具有相同的結(jié)構(gòu)。
圖2是燃料噴嘴組件34的透視圖。噴嘴組件34包括噴嘴本體40、 后套環(huán)42以及與燃燒器罐的端蓋組件相連接的后段44。燃料和空氣 供應至端蓋組件，該端蓋組件將燃料引導至燃料噴嘴組件的后段。后 套環(huán)42形成對燃燒罐的預混室提供預混空氣的環(huán)形空氣通道48的外 環(huán)。在環(huán)形空氣通道48中的是徑向?qū)~50,其對流經(jīng)通道48的預混 空氣給予螺旋流。導葉50包含燃料排出端口 52(見圖4),燃料從燃料 噴嘴組件經(jīng)其排出到預混室中，在預混室中燃料與在空氣通道48中 流動的空氣相混合。在導葉50中可設(shè)置一個或多個的燃料氣體通道 和燃料排出端口。噴嘴本體的前部46包括直接將燃料傳送至燃燒罐 中的燃燒室的前燃料噴嘴端口 。
圖3是信管組件54的透視圖，信管組件54結(jié)合在燃料噴嘴組件 中，具體而言是結(jié)合在套環(huán)和噴嘴本體中。信管組件54包括圓筒形 排列的螺旋導管56，其從安裝在后套環(huán)中的圓筒形后信管基座58延 伸至安裝在噴嘴本體的前部中的圓筒形前信管和噴嘴基座60。導管 56可釬焊在基座58、 60上。導管56的螺旋形狀允許導管例如因熱膨 脹而沿著軸線方向膨脹或收縮。后信管基座58包括當信管基座58插 入后套環(huán)中時與套環(huán)中的一個或多個燃料通道對準的開孔61、 62。開 孔61、 62設(shè)置成兩排或更多排(如圖3所示)允許多個導管56從套環(huán) 42中的多個預混燃料通道接收燃料。開孔61 、 62通向信管基座58和 導管56中的相應通道。來自燃料通道的燃料(通常將流至預混室)在信管由于回火事件而
起用時經(jīng)后信管基座58和螺旋導管56流至噴嘴基座60。在信管已起 用后，燃料流經(jīng)螺旋導管56使燃料從預混室轉(zhuǎn)移以防止該腔室中的 燃料進一步燃燒。
前信管和噴嘴基座60上的開孔63、 64允許來自螺旋導管56的 燃料經(jīng)噴嘴本體的前部排出到燃燒室中。開孔63、 64通常被堵塞以 防止燃料流經(jīng)螺旋導管。當開孔64未被堵塞時，燃料經(jīng)螺旋導管的 流動將燃料從預混室轉(zhuǎn)移，從而熄滅回火或火焰保持狀態(tài)。前信管和 噴嘴基座還包括用于從燃料噴嘴的前部排出的空氣的空氣噴嘴66。排 出的空氣在從燃料噴嘴的前部46流出的燃料周圍形成氣簾。
圖4是燃料噴嘴組件的截面?zhèn)纫晥D，具體而言是燃料組件的后套 環(huán)42和后段44的截面?zhèn)纫晥D。后信管基座58安裝在后套環(huán)中。圓
后套環(huán)42和噴嘴本體40的內(nèi)管狀段69所限定。環(huán)形氣體通道70限 定在內(nèi)管69和該通道的外壁之間。燃料從燃料組件的后段44經(jīng)環(huán)形 燃料氣體通道70流至后套環(huán)42。
如流動箭頭72所示，燃料氣體從氣體通道70經(jīng)后信管基座58 中的通道71、通向后套環(huán)的徑向?qū)~50的開孔61、 62流出導葉中的 燃料端口 52并進入預混室。氣體如箭頭72所示流動，除非信管已起 用。單向流動箭頭72顯示為用以指示經(jīng)過后套環(huán)42的預混氣體通路 和導葉50中的通道。然而，后套環(huán)和導葉中可有一個或多個預混氣 體通路。各個氣體通路可與不同的一個螺旋導管56相關(guān)聯(lián)。此外， 各個預混氣體通路可與一個或更多的螺旋導管相關(guān)聯(lián)。
當信管被起用時，氣體從通道70經(jīng)后信管基座58中的通道71 流動并流至螺旋導管56，如流動箭頭74所示。導管56纟是供了將通道 70中的大部分燃料遠離導葉50和燃料端口 52轉(zhuǎn)移的流動通路。
螺旋導管56設(shè)置在氣體通道68的管69和噴嘴本體40的外管狀 殼體78之間的環(huán)形空氣通道76中?？諝饨?jīng)后環(huán)42中的端口 77進入并流入空氣通道76中。空氣流經(jīng)通道76,越過螺旋導管56的外表面 并流至前信管和噴嘴基座。導管56的尺寸和數(shù)目設(shè)置成使得流經(jīng)通 道76的空氣足夠用于在燃料噴嘴前部所需的氣流簾。優(yōu)選而言，螺 旋導管占據(jù)通道76的小于一半的體積。
圖5是噴嘴本體40的前部的截面?zhèn)纫晥D。螺旋導管56設(shè)置在限 定在氣體通道68的圓筒形內(nèi)管69和噴嘴本體40的管狀殼體78之間 的環(huán)形空氣通道76中。導管56的螺旋形狀允許導管的軸向膨脹。前 信管和噴嘴基座60位于氣體通道68的壁和管狀殼體78之間。
前信管和噴嘴基座60中的開孔64接近殼體78的弱化段80，例 如比較薄的環(huán)形段。弱化段80可以是殼體78的分段環(huán)形區(qū)域，其經(jīng) 加工而除去殼體壁接近基座60的開孔64的一部分厚度。弱化段80 易于在回火事件中燒穿。 一旦燒穿，敞開的弱化段80就允許燃料流 出信管和噴嘴基座60中的開孔64并流經(jīng)螺旋導管56。燃料流經(jīng)螺旋 導管使燃料從預混室轉(zhuǎn)移、枯竭并熄滅預混室中產(chǎn)生的任何火焰以停 止回火狀態(tài)。
氣體通道68的圓筒形內(nèi)壁具有裝配到支承前噴嘴84的準錐形內(nèi) 套管組件82中的前端。內(nèi)套管組件允許在氣體通道的圓筒形壁和前 噴嘴之間的熱膨脹。來自環(huán)形通道76的空氣流經(jīng)前信管和噴嘴基座 60,并在從用于氣體通道68的中心燃料排出噴嘴端口 88的前部周圍 排出之前流經(jīng)渦S走導葉86。
雖然已關(guān)于目前認為是最實用和優(yōu)選的實施例描述了本發(fā)明，但 是要理解本發(fā)明并不限于所公開的實施例，相反而言，本發(fā)明旨在涵 蓋包括在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種改型和等同裝置。
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權(quán)利要求
1.一種用于燃氣輪機的燃燒器(18)的燃料噴嘴組件(34)，包括噴嘴本體(40)，其具有前部(46)和限定穿過所述噴嘴本體的燃料通道(68)的內(nèi)管(69)，其中，所述前部緊鄰所述燃燒器的燃燒段(30)；在所述內(nèi)管周圍的外殼體(78)，其中，在所述外殼體和所述內(nèi)管之間限定了空氣通道(76)；氣體導管(56)，其設(shè)置在所述空氣通道中并具有緊鄰所述噴嘴本體的前部的出口(66)，其中，燃料僅在所述燃燒器中出現(xiàn)回火狀態(tài)之后才開始流經(jīng)可膨脹的所述導管；以及預混燃料通道(70，71)和端口(60，62)，其將燃料排出至所述燃燒器的預混段(32)，其中，所述氣體導管具有通向所述預混燃料通道的入口。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴組件，其特征在于，所述導管 (56)沿所述氣體通道的長度膨脹。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴組件，其特征在于，所述導管 (56)具有螺旋形狀。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴組件，其特征在于，所述導管 (56)為多個可膨脹的導管，所述預混燃料通道為多個通道，以及所述 可膨脹導管的第 一部分具有通向所述預混燃料通道(71)的第 一部分的 入口且所述可膨脹導管的第二部分具有通向所述預混燃料通道(70)的 第二部分的入口。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴組件，其特征在于，所述導管 (56)占據(jù)所述空氣通道的小于一半的體積。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴組件，其特征在于，所述外殼 體具有接近圓筒形本體的出口 、包括所述導管的出口的弱化區(qū)域(80), 其中，所述回火狀態(tài)燒穿所述弱化區(qū)域。
7 述方法包括將燃料和壓縮空氣從燃料噴射器組件(34)噴射至所述燃燒器的預 混室(32)，其中，所述噴射的燃料和壓縮空氣在所述預混室中未正常 燃燒；在所述燃燒器中的所述預混室下游的燃燒室(30)中燃燒所述燃料 和壓縮空氣；從所述噴射器組件的前部(46)經(jīng)穿過所述燃料噴射器的噴嘴本體 (78)的空氣通道(76)向所述燃燒室提供空氣；從具有位于所述噴射器組件的前部處的出口的燃料通道(68)將燃 料噴射至所述燃燒室；響應于接近所述燃料噴射器組件的回火狀態(tài)而開啟導管(56)的出 口，其中，所述出口緊鄰所述噴射器組件的前部且所述導管穿過所述 空氣通道；通過開啟所述出口而將燃料從所述預混室轉(zhuǎn)移到所述導管，以及 通過轉(zhuǎn)移燃料而熄滅所述回火狀態(tài)的火焰。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法還包括響 應于熱狀態(tài)而使所述導管(56)的軸向長度膨脹。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述導管(56)具有 螺旋形狀且纏繞在所述燃料通道周圍。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，來自所述空氣通 道(78)的空氣經(jīng)所述燃料噴嘴組件的前部中的噴嘴排出并形成氣簾。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于減弱燃氣輪機預混器中火焰保持的信管及相關(guān)方法。具體而言，一種用于燃氣輪機的燃燒器的燃料噴嘴組件，包括噴嘴本體，其具有前部和限定穿過所述噴嘴本體的燃料通道的內(nèi)管，其中所述前部緊鄰所述燃燒器的燃燒段；在所述內(nèi)管周圍的外殼體，其中在所述外殼體和所述內(nèi)管之間限定了空氣通道；氣體導管，其設(shè)置在所述空氣通道中并具有緊鄰所述噴嘴本體的前部的出口，其中燃料僅在所述燃燒器中出現(xiàn)回火狀態(tài)時才開始流經(jīng)所述可膨脹導管；以及預混燃料通道和端口，其將燃料排出至所述燃燒器的預混段，其中所述氣體導管具有通向所述預混燃料通道的氣體導管。
文檔編號F23D14/48GK101592339SQ20091014590
公開日2009年12月2日 申請日期2009年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月28日
發(fā)明者J·威爾伯, L·B·小戴維斯, S·K·威德納 申請人:通用電氣公司