專利名稱：用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的大體積燃料噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料噴嘴。
背景技術(shù)：
用于發(fā)電裝置中的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)通常燃燒可燃燃料。燃燒發(fā)生在圍繞渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的 外周設(shè)置的多個(gè)燃燒器中。來(lái)自渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)部段的壓縮空氣傳送到燃燒器中。位 于燃燒器內(nèi)的燃料噴嘴將燃料噴射到壓縮空氣中并且燃料和空氣相混合。然后將燃料-空 氣混合物點(diǎn)燃而形成熱的燃燒氣體，該燃燒氣體隨后引向發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪部段。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中可使用各種不同的燃料。一些普通燃料包括天然氣和諸如柴油的各 種液體燃料。燃料噴嘴成形為將適當(dāng)量的燃料傳送到燃燒器中從而保持合適的燃料_空氣 比，這引起充分完全地燃燒，且因此產(chǎn)生高效率。

發(fā)明內(nèi)容
一種用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴嘴，包括大致圓筒形主體，以及安裝在圓筒形主體 內(nèi)鄰近主體出口端的盤形燃料渦流板。多個(gè)燃料傳送開(kāi)孔貫通渦流板延伸，該燃料傳送開(kāi) 孔相對(duì)于渦流板的第一和第二平坦表面成角度。該燃料噴嘴還包括附接在主體出口端上的 噴嘴帽蓋(cap)，其中，噴嘴帽蓋的直徑從聯(lián)接在主體上的第一端至形成出口的第二端逐漸 縮小，且其中，燃料渦流板的出口側(cè)和噴嘴帽蓋的內(nèi)側(cè)壁限定了渦流室。


圖IA和圖IB是包括大的圓形燃料傳送開(kāi)孔的噴嘴設(shè)計(jì)的截面透視圖；圖2A和圖2B是具有小的圓形燃料傳送開(kāi)孔的噴嘴設(shè)計(jì)的截面透視圖；圖3A和圖3B是具有螺旋形燃料傳送開(kāi)孔的噴嘴設(shè)計(jì)的截面透視圖；圖4A和圖4B是具有槽形燃料傳送開(kāi)孔的噴嘴設(shè)計(jì)的截面透視圖；圖5A和圖5B是噴嘴帽蓋的截面圖；圖6A和圖6B是備選噴嘴帽蓋設(shè)計(jì)的截面圖；圖7A和圖7B是另一備選噴嘴帽蓋設(shè)計(jì)的截面圖；圖8是示出了帶有輔助或起動(dòng)燃料噴嘴的燃料噴嘴設(shè)計(jì)的截面圖。部件清單110主體部分120燃料渦流板122傳送開(kāi)孔124燃料傳送開(kāi)孔126燃料傳送開(kāi)孔127燃料傳送開(kāi)孔129燃料傳送開(kāi)孔
130噴嘴帽蓋132頂部圓形邊緣134擴(kuò)散冷卻孔135渦流室136空氣進(jìn)口開(kāi)孔140起動(dòng)噴嘴
具體實(shí)施例方式如上所述，用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴嘴構(gòu)造成用以將適當(dāng)量的燃料傳送到燃燒器 中，從而獲得適當(dāng)?shù)娜剂蟔空氣混合物。合適的燃料_空氣比確保充分完全地燃燒并產(chǎn)生 高效率。隨著燃料成本的增加，在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用替代的、價(jià)格更低廉的燃料的興趣日 趨增加?？稍跍u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒但并非普遍使用的替代燃料包括氣化煤、來(lái)自鋼廠的鼓風(fēng) 爐氣、垃圾填埋氣體以及使用其它原料所產(chǎn)生的氣體。通常，這些替代燃料每單位體積含有 的能量相當(dāng)?shù)?。例如，與正常燃料如天然氣或柴油的每單位體積能量相比，一些替代氣體每 單位體積僅含有大約10%的熱能。這意味著要提供相同量的熱能，與正常燃料的量相比需 要燃燒十倍體積之多的替代燃料。由于燃料噴嘴普遍設(shè)計(jì)成用以傳送熱能高的燃料，故現(xiàn)有噴嘴設(shè)計(jì)不適合以燃燒 替代燃料時(shí)所需的更高流速傳送燃料。當(dāng)前的燃料噴嘴設(shè)計(jì)完全不能夠傳送足量的替代燃 料之一用以適當(dāng)?shù)剡\(yùn)行渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。傳送到渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器中的燃料以相比于燃燒器內(nèi)的壓力更高的壓力傳送 到燃燒器中。如上所述，燃燒器填充有來(lái)自渦輪壓縮機(jī)部段的壓縮空氣。因此，在燃料傳送 到燃料噴嘴中之前需要使用泵對(duì)燃料加壓。燃料通常以相比于燃燒器中的空氣壓力要高 10%到25%之間的壓力傳送到燃燒器中。這確保了燃料以足夠高的速度離開(kāi)噴嘴以與壓 縮空氣適當(dāng)?shù)鼗旌?，并且這還有助于確保燃料一直到其與噴嘴本身相距足夠遠(yuǎn)的距離才點(diǎn) 燃。僅在燃料已離開(kāi)噴嘴移動(dòng)一定距離之后才點(diǎn)燃燃料有助于確保燃料噴嘴不會(huì)經(jīng)受極高 的溫度。它還防止了如果噴嘴本身內(nèi)出現(xiàn)燃料燃燒則可能出現(xiàn)的燃料噴嘴的惡化或毀壞。用來(lái)在燃料傳送到噴嘴之前對(duì)燃料進(jìn)行加壓的能量的量基本上代表渦輪中的能 量損耗。由于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中僅使用了體積相對(duì)小的典型燃料，故對(duì)燃料進(jìn)行加壓所需的能 量所代表的損耗在整個(gè)過(guò)程中并不明顯。然而，當(dāng)使用替代燃料時(shí)，必須將體積大得多的燃 料傳送到燃燒器。對(duì)體積大得多的替代燃料進(jìn)行加壓所需的能量的量則代表大得多的能量 損耗百分比。由于對(duì)大量的替代燃料進(jìn)行加壓所涉及的能量損耗，故希望設(shè)計(jì)一種用于替代燃 料的燃料噴嘴，使得燃料噴嘴本身產(chǎn)生盡可能小的壓力損耗。這繼而又降低了燃料在其傳 送到噴嘴中之前必須升高的壓力，從而降低了對(duì)燃料進(jìn)行加壓所涉及的能量損耗。圖1A至圖4B示出了一些設(shè)計(jì)成將替代燃料傳送到渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的備選噴嘴設(shè)計(jì)， 該替代燃料具有相對(duì)低的每單位體積的能量含量。這些燃料噴嘴設(shè)計(jì)能夠?qū)Ⅲw積相對(duì)大的 替代燃料傳送到渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器中，從而適應(yīng)當(dāng)使用替代燃料時(shí)的大體積需求。圖1A和圖1B示出了第一類型的噴嘴，其包括大致圓筒形主體部分110，以及安裝在主體110的出口端上的噴嘴帽蓋130。盤形燃料渦流板120安裝在圓筒形主體110內(nèi)鄰 近主體的出口端。多個(gè)燃料傳送開(kāi)孔122貫通渦流板延伸。燃料噴嘴最終安裝好的構(gòu)造將包括輔助或起動(dòng)噴嘴，如圖8所示。如圖中所示，輔 助或起動(dòng)噴嘴140將安裝在渦流板120的中心。起動(dòng)噴嘴將用來(lái)傳送每單位體積具有更大 能 量的更為常規(guī)的燃料。起動(dòng)燃料將在渦輪的起動(dòng)期間使用，在此期間，僅使用替代燃料將 難以起動(dòng)渦輪機(jī)。一旦渦輪機(jī)上升到一定速度，便將切斷起動(dòng)燃料流，并將僅使用替代燃 料。在任何情況下，渦流板的中心通常將由輔助噴嘴阻塞。圖IA和圖IB中的燃料傳送開(kāi)孔122為大的圓形孔。然而，大的圓形孔122以一 定角度穿過(guò)盤形燃料渦流板120。結(jié)果，經(jīng)燃料傳送開(kāi)孔122傳送的燃料在其離開(kāi)盤形燃料 渦流板120中的燃料傳送開(kāi)孔122時(shí)趨于以旋轉(zhuǎn)的方式運(yùn)動(dòng)。在圖IA和圖IB所示的噴嘴設(shè)計(jì)中，渦流室135形成在盤形燃料渦流板120的出 口端與噴嘴帽蓋130的內(nèi)側(cè)壁之間。經(jīng)過(guò)燃料傳送開(kāi)孔122的燃料將趨于圍繞渦流室135 渦動(dòng)。在圖IA所示的實(shí)施例中，多個(gè)空氣進(jìn)口開(kāi)孔136形成在噴嘴帽蓋130的側(cè)壁中。 空氣進(jìn)口開(kāi)孔136允許空氣從燃料噴嘴外部進(jìn)入渦流室135。經(jīng)進(jìn)口開(kāi)孔136進(jìn)入的空 氣還趨于在渦流室內(nèi)分配渦流運(yùn)動(dòng)，并且空氣將與離開(kāi)燃料渦流板120中的燃料傳送開(kāi)孔 122的燃料混合。燃料-空氣混合物然后將在噴嘴帽蓋130的出口端132處離開(kāi)噴嘴。圖 IB所示的實(shí)施例不包括空氣進(jìn)口開(kāi)孔。圖IA和圖IB所示的實(shí)施例還包括位于噴嘴帽蓋130的頂部圓形邊緣132中的擴(kuò) 散冷卻孔134。這些擴(kuò)散冷卻孔134允許空氣經(jīng)過(guò)噴嘴帽蓋的材料以有助于冷卻噴嘴帽蓋。圖2A和圖2B示出了備選噴嘴設(shè)計(jì)。在該實(shí)施例中，燃料傳送開(kāi)孔124、126由設(shè) 置成圍繞盤形燃料渦流板120的兩個(gè)同心環(huán)中的較小直徑孔形成。兩個(gè)同心環(huán)的燃料傳送 開(kāi)孔124、126可具有相同直徑或不同直徑。在一些實(shí)施例中，燃料傳送開(kāi)孔124、126還將 以一定角度經(jīng)過(guò)燃料渦流板120，使得離開(kāi)燃料傳送開(kāi)孔124、126的燃料隨后將在噴嘴帽 蓋130內(nèi)以旋轉(zhuǎn)方式運(yùn)動(dòng)。雖然圖2A和圖2B中的實(shí)施例包括兩個(gè)同心環(huán)的燃料傳送開(kāi)孔， 但在備選實(shí)施例中，可形成不同數(shù)量的同心環(huán)的燃料傳送開(kāi)孔。在還有的其它實(shí)施例中，圓 孔形燃料傳送開(kāi)孔可采用一些其它類型的模式設(shè)置在渦流板120中。圖3A和圖3B示出了另一備選噴嘴設(shè)計(jì)。在該實(shí)施例中，穿過(guò)燃料渦流板120的 燃料傳送開(kāi)孔127實(shí)際上為螺旋形。這里再次的是，螺旋形燃料傳送開(kāi)孔127旨在使離開(kāi) 渦流板的燃料在噴嘴帽蓋130內(nèi)圍繞其旋轉(zhuǎn)。圖4A和圖4B示出了其它備選實(shí)施例。在這些實(shí)施例中，燃料傳送開(kāi)孔129為貫 通燃料渦流板120延伸的具有矩形截面的槽。圖5A和圖5B示出了包括多個(gè)空氣進(jìn)口開(kāi)孔136的噴嘴帽蓋設(shè)計(jì)。如圖5B所示， 空氣進(jìn)口開(kāi)孔136以一定角度穿過(guò)噴嘴帽蓋130的側(cè)壁。這有助于向渦流室中的燃料-空 氣混合物給予渦流運(yùn)動(dòng)。在圖5A和圖5B所示的實(shí)施例中，伸長(zhǎng)的空氣進(jìn)口開(kāi)孔136的縱 向軸線定向成大致平行于噴嘴帽蓋本身的中心縱向軸線。在一種備選設(shè)計(jì)中，如圖6A和圖6B所示，伸長(zhǎng)的空氣進(jìn)口開(kāi)孔相對(duì)于噴嘴帽蓋本 身的中心縱向軸線成角度。然而，空氣進(jìn)口開(kāi)孔136在它們穿過(guò)噴嘴帽蓋130的側(cè)壁時(shí)仍 然成角度。如上所述，這有助于向渦流室內(nèi)部的燃料空氣混合物給予渦流運(yùn)動(dòng)。
圖7A和圖7B示出了與圖5A和圖5B所示的設(shè)計(jì)相似的另一備選設(shè)計(jì)。然而，在該 實(shí)施例中，伸長(zhǎng)的空氣進(jìn)口開(kāi)孔沿徑向方向穿過(guò)噴嘴帽蓋的側(cè)壁。在還有的其它實(shí)施例中， 空氣進(jìn)口開(kāi)孔可沿徑向方向穿過(guò)噴嘴帽蓋的側(cè)壁，如圖7B所示，但開(kāi)孔可相對(duì)于中心縱向 軸線成角度，如圖6A所示。盡管已結(jié)合目前認(rèn)為是最實(shí)用和優(yōu)選的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)該理解的是， 本發(fā)明并不局限于所公開(kāi)的實(shí)施例，而是相反，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)的各種改型和等同布置。
權(quán)利要求
一種用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴嘴，包括大致圓筒形主體；盤形燃料渦流板，其安裝在所述圓筒形主體內(nèi)鄰近所述主體的出口端，其中，多個(gè)燃料傳送開(kāi)孔貫通所述渦流板延伸，所述燃料傳送開(kāi)孔相對(duì)于所述渦流板的第一平坦表面和第二平坦表面成角度；以及噴嘴帽蓋，其附接在所述主體的出口端上，其中，所述噴嘴帽蓋的直徑從聯(lián)接在所述主體上的第一端至形成出口的第二端逐漸縮小，且其中，所述燃料渦流板的出口側(cè)和所述噴嘴帽蓋的內(nèi)側(cè)壁限定了渦流室。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴，其特征在于，所述成角度的燃料傳送開(kāi)孔向離開(kāi) 所述渦流板并進(jìn)入所述渦流室的燃料給予渦流運(yùn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴，其特征在于，所述燃料傳送開(kāi)孔包括圍繞所述盤 形燃料渦流板的中心所形成的單個(gè)環(huán)的開(kāi)孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料噴嘴，其特征在于，所述燃料傳送開(kāi)孔具有圓形截面形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料噴嘴，其特征在于，所述燃料傳送開(kāi)孔具有線性截面形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴，其特征在于，所述燃料傳送開(kāi)孔包括圍繞所述盤 形燃料渦流板的中心所形成的多個(gè)環(huán)的開(kāi)孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料噴嘴，其特征在于，所述燃料傳送開(kāi)孔具有圓形截面形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴，其特征在于，所述燃料傳送開(kāi)孔具有圓形截面形狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴，其特征在于，所述燃料傳送開(kāi)孔具有線性截面形狀。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴，其特征在于，所述燃料傳送開(kāi)孔以螺旋方式貫通 所述盤形燃料渦流板延伸。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的大體積燃料噴嘴。具體而言，涉及一種用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴嘴，其構(gòu)造成用以傳送每單位體積的能量相對(duì)低的大體積燃料。該燃料噴嘴包括燃料渦流板(120)，其具有相對(duì)于渦流板的平坦表面成角度的燃料傳送開(kāi)孔(124/126/127/129)。噴嘴帽蓋(130)覆蓋燃料噴嘴的端部以在出口端處形成渦流室(135)。噴嘴帽蓋可包括多個(gè)空氣進(jìn)口開(kāi)孔(136)用以允許空氣進(jìn)入渦流室。
文檔編號(hào)F23D14/48GK101876438SQ201010175490
公開(kāi)日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者J·霍爾 申請(qǐng)人:通用電氣公司