專利名稱：用于冷卻噴嘴的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及用于冷卻噴嘴的系統(tǒng)和方法。特別地，本發(fā)明的實(shí)施例可通過閉環(huán)冷卻回路(closed loop cooling circuit)提供冷卻介質(zhì)來(lái)冷卻噴嘴的表面。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪(gas turbines)廣泛地用于工業(yè)和發(fā)電操作中。典型燃?xì)鉁u輪包括在前部的軸向壓縮機(jī)，在中部周圍的一個(gè)或多個(gè)燃燒器以及在后部的渦輪。周圍空氣進(jìn)入壓縮機(jī)，且壓縮機(jī)中的旋轉(zhuǎn)葉片和靜止葉片漸進(jìn)地賦予能量給空氣以產(chǎn)生在高能狀態(tài)的壓縮工作流體。壓縮工作流體離開壓縮機(jī)且通過噴嘴流到燃燒器中，在燃燒器中其與燃料混合并點(diǎn)燃以生成具有高溫和高壓的燃燒氣體。燃燒氣體在渦輪中膨脹以做功。舉例而言，燃燒氣體在渦輪中膨脹可使得連接到發(fā)電機(jī)的軸桿旋轉(zhuǎn)以發(fā)電。眾所周知，燃?xì)鉁u輪的熱力學(xué)效率隨著操作溫度(即，燃燒氣體溫度)升高而增力口。但是，如果燃料與空氣在燃燒之前并未均勻混合，那么在燃燒器中可形成局部熱點(diǎn)。局部熱點(diǎn)增加燃燒器中火焰反燃到噴嘴內(nèi)的機(jī)會(huì)和/或變得附著于噴嘴內(nèi)側(cè)，這可能會(huì)損壞噴嘴。盡管對(duì)于任何燃料都可能會(huì)出現(xiàn)火焰反燃(flame flash back)和火焰保持(flame holding)，但對(duì)于諸如氫氣的高反應(yīng)性燃料更易于出現(xiàn)這種情況，高反應(yīng)性燃料具有更高的焚燒速率和更寬的可燃性范圍。存在多種技術(shù)來(lái)允許更高的操作溫度同時(shí)最小化反燃和火焰保持。這些技術(shù)中的許多技術(shù)設(shè)法減少局部熱點(diǎn)和/或減小低流量區(qū)來(lái)防止或減少反燃或火焰保持的發(fā)生。舉例而言，噴嘴設(shè)計(jì)中的不斷改進(jìn)導(dǎo)致燃料與空氣在燃燒之前更均勻混合，以減少或防止局部熱點(diǎn)形成于燃燒器中。作為替代或作為補(bǔ)充，噴嘴被設(shè)計(jì)成確保燃料和/或空氣通過噴嘴的最小流率，以冷卻噴嘴的表面和/或防止燃燒器火焰反燃到噴嘴內(nèi)。但是，在噴嘴設(shè)計(jì)中減少和/或防止火焰保持或反燃發(fā)生的不斷改進(jìn)將是有用的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面和優(yōu)點(diǎn)在下文的描述中部分地陳述，或者可從該描述顯而易見，或者可通過實(shí)踐本發(fā)明而學(xué)習(xí)。本發(fā)明的一實(shí)施例是一種包括中央主體(center body)的噴嘴。護(hù)罩(shroud) 在周向包圍中央主體的至少一部分，以限定在中央主體與護(hù)罩之間的環(huán)形通路。閉環(huán)冷卻 [Η χ^ Φ^ ' Φ Μ' Φ (extending inside the center body)。本發(fā)明的另一實(shí)施例是一種包括中央主體的噴嘴。護(hù)罩在周向包圍中央主體的至少一部分，以限定在中央主體與護(hù)罩之間的環(huán)形通路。閉環(huán)冷卻回路沿著護(hù)罩在噴嘴外側(cè)延伸。本發(fā)明還包括一種用于冷卻噴嘴的方法。該方法包括使冷卻介質(zhì)通過噴嘴內(nèi)的閉環(huán)冷卻回路流動(dòng)。通過閱讀本說明書，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將更佳地了解這些實(shí)施例和其它實(shí)施例的特征和方面。


在說明書的其余部分中并參考附圖向本領(lǐng)域技術(shù)人員更具體描述了全面并可實(shí)施的公開內(nèi)容(包括其最佳實(shí)施方式)，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的燃燒器的簡(jiǎn)化側(cè)視截面圖；圖2是圖1所示的燃燒器的軸向截面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的噴嘴的簡(jiǎn)化側(cè)視截面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的葉片的透視圖；以及圖5是根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例的葉片的透視圖。部件列表附圖標(biāo)記部件10 燃燒器12 噴嘴14 頂帽16 殼體18 端帽20 襯里22 燃燒室24 流動(dòng)襯套26 流動(dòng)孔28 環(huán)形通路30 歧管32 冷卻介質(zhì)的供應(yīng)34 中央主體36 護(hù)罩38 軸向中心線40 環(huán)形通路42 葉片44 閉環(huán)冷卻回路46 供應(yīng)(supply)48 返回(return)50 葉片入口52 葉片出口
具體實(shí)施例方式現(xiàn)詳細(xì)地參考本發(fā)明的本實(shí)施例，其一個(gè)或多個(gè)實(shí)例在附圖中示出。詳細(xì)描述使用數(shù)字和字母標(biāo)記來(lái)指代附圖中的特征。在附圖和描述中相似或類似的標(biāo)記用于指代本發(fā)明相似或類似的部件。
以解釋本發(fā)明的方式提供每個(gè)實(shí)例，并不限制本發(fā)明。實(shí)際上，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然的是，在不偏離本發(fā)明的范圍或精神的情況下可對(duì)本發(fā)明做出各種修改和變型。舉例而言，作為一個(gè)實(shí)施例的部分示出或描述的特征可用于另一實(shí)施例以得到又一實(shí)施例。 因此，預(yù)期本發(fā)明涵蓋屬于所附權(quán)利要求和其等效物的范圍內(nèi)的這些修改和變型。本發(fā)明的各種實(shí)施例對(duì)噴嘴的表面提供冷卻以減少火焰保持的發(fā)生，且如果發(fā)生火焰保持，那么減少和/或防止對(duì)噴嘴的表面造成任何損壞。特定實(shí)施例可包括閉環(huán)冷卻回路，其使冷卻介質(zhì)循環(huán)穿過和/或鄰近噴嘴構(gòu)件以冷卻該噴嘴。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的燃燒器10的簡(jiǎn)化截面圖。如圖所示，燃燒器10 通常包括在徑向布置于頂帽14中的一個(gè)或多個(gè)噴嘴12。殼體16可包圍燃燒器10以包含從壓縮機(jī)(未圖示)離開的空氣或壓縮工作流體。端帽18和襯里20可限定在噴嘴12下游的燃燒室22。帶流動(dòng)孔沈的流動(dòng)襯套M可包圍襯里20以限定在流動(dòng)襯套M與襯里 20之間的環(huán)形通路觀。圖2提供圖1所示燃燒器10的頂視平面圖。燃燒器10的各種實(shí)施例可包括噴嘴的不同數(shù)量和布置。舉例而言，在圖2所示的實(shí)施例中，燃燒器10包括沿徑向布置的五個(gè)噴嘴12。工作流體通過在流動(dòng)襯套M與襯里20之間的環(huán)形通路28流動(dòng)直到其到達(dá)端帽 18，在端帽18處，其反向以通過噴嘴12流動(dòng)且流到燃燒室22內(nèi)。如圖1和圖2所示，歧管30可連接到噴嘴12以供應(yīng)冷卻介質(zhì)32給和/或穿過噴嘴12。歧管30可包括本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的任何管道和閥布置，以提供流體連通。冷卻介質(zhì)32可包括適合于移除熱的任何流體。舉例而言，冷卻介質(zhì)32可包括蒸汽，制冷劑， 惰性氣體、稀釋劑或本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的另外的合適流體。冷卻介質(zhì)32可持續(xù)地或僅在需要時(shí)供應(yīng)給噴嘴12，以向噴嘴12提供額外冷卻。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的噴嘴12的簡(jiǎn)化側(cè)視截面圖。如圖3所示，噴嘴 12通常包括中央主體34和護(hù)罩36。中央主體34通常沿著噴嘴12的軸向中心線38延伸。 護(hù)罩36在周向包圍中央主體34的至少一部分以限定在中央主體34與護(hù)罩36之間的環(huán)形通路40。噴嘴12還可包括在中央主體34與護(hù)罩36之間的環(huán)形通路40中的一個(gè)或多個(gè)葉片42，其向在葉片42上流動(dòng)的燃料和/或工作流體賦予切向速度。以此方式，工作流體可通過環(huán)形通路40流動(dòng)且與從中央主體34和/或葉片42噴射到環(huán)形通路40內(nèi)的燃料混
口 O如圖3所示，噴嘴12還可包括閉環(huán)冷卻回路44，閉環(huán)冷卻回路44提供穿過和/或環(huán)繞噴嘴12的冷卻介質(zhì)32的流體連通。如本文所用的那樣，“閉環(huán)”表示冷卻介質(zhì)32并不從冷卻回路44故意釋放以穿過噴嘴12流動(dòng)和/或到燃燒室22內(nèi)。如圖3所示，閉環(huán)冷卻回路44可延伸到中央主體34、葉片42和/或護(hù)罩36中的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)，圍繞中央主體 34、葉片42和/或護(hù)罩36中的一個(gè)或多個(gè)，和/或穿過中央主體34、葉片42和/或護(hù)罩 36中的一個(gè)或多個(gè)。舉例而言，閉環(huán)冷卻回路44可在中央主體34內(nèi)延伸以從中央主體34 移除熱且因此冷卻中央主體34的外表面。同樣，閉環(huán)冷卻回路44可沿著護(hù)罩36在噴嘴12 外側(cè)延伸以冷卻護(hù)罩36的內(nèi)表面。如在圖4和圖5中更詳細(xì)地示出的那樣，閉環(huán)冷卻回路 44還進(jìn)一步在葉片42內(nèi)延伸以提供冷卻介質(zhì)32穿過葉片42的流體連通。舉例而言，如圖4所示，閉環(huán)冷卻回路44可包括穿過葉片42的彎曲流動(dòng)路徑以冷卻葉片42的外表面。 作為替代，如圖5所示，閉環(huán)冷卻回路44可包括葉片42的入口 50和出口 52以提供冷卻介質(zhì)32穿過葉片42的流體連通。以此方式，冷卻介質(zhì)32通過閉環(huán)冷卻回路44流動(dòng)以從中央主體34、葉片42和/或護(hù)罩36移除熱來(lái)冷卻噴嘴12的相應(yīng)表面。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)了解，閉環(huán)冷卻回路44可在各個(gè)位置包括多個(gè)供應(yīng)連接 46和返回連接48以提供冷卻介質(zhì)32從歧管32通過閉環(huán)冷卻回路44流動(dòng)且回到歧管30 的流體連通。舉例而言，閉環(huán)冷卻回路44可包括穿過護(hù)罩36的供應(yīng)連接46和返回連接 48。以此方式，冷卻介質(zhì)32可從歧管30流動(dòng)，穿過護(hù)罩36且穿過葉片42和/或中央主體 34，之后穿過護(hù)罩36返回到歧管30。作為替代或作為補(bǔ)充，閉環(huán)冷卻回路44可包括穿過護(hù)罩36的供應(yīng)連接46和穿過中央主體34的返回連接48。以此方式，冷卻介質(zhì)32可從歧管 30流動(dòng)，穿過護(hù)罩36且穿過葉片42和/或中央主體34，之后穿過中央主體34返回到歧管 30。閉環(huán)冷卻回路44的這些和其它流動(dòng)路徑在本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將易于了解，在先前關(guān)于圖3、圖4和圖5所述和所圖示的實(shí)施例提供用于冷卻噴嘴的方法。舉例而言，該方法可包括使冷卻介質(zhì)32通過在述噴嘴12 內(nèi)的閉環(huán)冷卻回路44流動(dòng)。在特定實(shí)施例中，該方法還可包括使冷卻介質(zhì)32通過在中央主體34內(nèi)、葉片42內(nèi)和/或護(hù)罩36外的閉環(huán)冷卻回路44流動(dòng)以從噴嘴12移除熱。本書面描述使用實(shí)例來(lái)公開本發(fā)明(包括最佳實(shí)施方式)，且也能使本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)踐本發(fā)明(包括做出和使用任何裝置或系統(tǒng)和執(zhí)行任何合并的方法)。本發(fā)明的專利保護(hù)范圍由權(quán)利要求限定，且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實(shí)例。如果其它實(shí)例包括與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言并無(wú)不同的結(jié)構(gòu)元件或者如果其它實(shí)例包括與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言并無(wú)實(shí)質(zhì)不同的等效結(jié)構(gòu)元件，那么其它實(shí)例預(yù)期在權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種噴嘴(12)，包括a.中央主體(34)；b.護(hù)罩(36)，其在周向包圍所述中央主體(34)的至少一部分，以限定在所述中央主體 (34)與所述護(hù)罩(36)之間的環(huán)形通路^))；以及c.閉環(huán)冷卻回路(44)，其在所述中央主體(34)內(nèi)延伸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴嘴(12)，其特征在于還包括通過所述閉環(huán)冷卻回路04) 流動(dòng)的冷卻介質(zhì)(32)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的噴嘴(12)，其特征在于，所述冷卻介質(zhì)(32)包括蒸汽、惰性氣體、制冷劑或稀釋劑中的至少一種。
4.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的噴嘴(12)，其特征在于還包括在所述中央主體 (34)與所述護(hù)罩(36)之間的至少一個(gè)葉片02)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的噴嘴(12)，其特征在于，所述閉環(huán)冷卻回路04)在所述至少一個(gè)葉片(42)內(nèi)延伸。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的噴嘴(12)，其特征在于，所述閉環(huán)冷卻回路04)提供冷卻介質(zhì)(32)穿過所述至少一個(gè)葉片G2)的流體連通。
7.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的噴嘴(12)，其特征在于，所述閉環(huán)冷卻回路04)沿著所述護(hù)罩(36)在所述噴嘴(12)外側(cè)延伸。
8.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的噴嘴(12)，其特征在于，所述閉環(huán)冷卻回路04)包括供應(yīng)(46)和返回(48)。
9.一種用于冷卻噴嘴(12)的方法，包括a.使冷卻介質(zhì)(32)通過所述噴嘴(12)內(nèi)的閉環(huán)冷卻回路G4)流動(dòng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于還包括使所述冷卻介質(zhì)(3 通過所述噴嘴(12)內(nèi)的中央主體(34)內(nèi)的閉環(huán)冷卻回路G4)流動(dòng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其特征在于還包括使所述冷卻介質(zhì)(3 通過在所述噴嘴(12)周圍的護(hù)罩(36)外側(cè)的閉環(huán)冷卻回路G4)流動(dòng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于還包括使所述冷卻介質(zhì)(32)通過在護(hù)罩 (36)與中央主體(34)之間延伸的葉片(42)內(nèi)的閉環(huán)冷卻回路(44)流動(dòng)。
全文摘要
本申請(qǐng)涉及用于冷卻噴嘴的系統(tǒng)和方法。其中，噴嘴(12)包括中央主體(34)。護(hù)罩(36)在周向包圍中央主體(34)的至少一部分，以限定在中央主體(34)與護(hù)罩(36)之間的環(huán)形通路(40)。閉環(huán)冷卻回路(44)在中央主體(34)內(nèi)延伸。用于冷卻噴嘴(12)的方法包括使冷卻介質(zhì)(32)通過在噴嘴(12)內(nèi)的閉環(huán)冷卻回路(44)流動(dòng)。
文檔編號(hào)F23D14/78GK102454995SQ20111035458
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2011年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月25日
發(fā)明者M·巴蒂納 申請(qǐng)人:通用電氣公司