專利名稱：用于向燃燒器供應(yīng)燃料的燃燒器噴嘴和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于向燃燒器供應(yīng)燃料的燃燒器噴嘴和方法。在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，燃燒器噴嘴延遲燃料和氧化劑在燃燒器中的混合，以降低燃燒器噴嘴附近的溫度。
背景技術(shù)：
燃燒器普遍用于在エ業(yè)和發(fā)電操作中來(lái)點(diǎn)燃燃料，以產(chǎn)生具有高溫和高壓的燃燒氣體。例如，燃?xì)廨啓C(jī)典型地包括一個(gè)或更多燃燒器，以生成功率或推力。用于發(fā)電的典型燃?xì)廨啓C(jī)包括位于前部的軸向壓縮機(jī)、位于中部周圍的ー個(gè)或更多燃燒器和位于后部的渦輪。環(huán)境空氣可被供應(yīng)給壓縮機(jī)，并且壓縮機(jī)中的旋轉(zhuǎn)葉片和靜止導(dǎo)葉逐漸向工作流體(空氣)分配動(dòng)能，以在高度激發(fā)狀態(tài)下產(chǎn)生壓縮工作流體。壓縮工作流體離開壓縮機(jī)并流 經(jīng)每個(gè)燃燒器中的ー個(gè)或更多噴嘴，此處壓縮工作流體與燃料混合并點(diǎn)燃而生成具有高溫和高壓的燃燒氣體。燃燒氣體在渦輪中膨脹而做功。例如，燃燒氣體在渦輪中的膨脹可使連接到發(fā)電機(jī)上的軸旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電力。在一些燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用中，可能向壓縮機(jī)供應(yīng)環(huán)境空氣以外的工作流體，從而引起缺氧的由壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮工作流體。例如，在氧燃料或化學(xué)當(dāng)量排氣再循環(huán)(SEGR)應(yīng)用中，來(lái)自渦輪的排氣的一部分可作為工作流體供應(yīng)給壓縮機(jī)，并且供應(yīng)給燃燒器的壓縮エ作流體因此可能缺氧。結(jié)果，可単獨(dú)將氧化劑供應(yīng)給燃燒器，以在燃燒前與燃料直接混合。眾所周知，燃?xì)廨啓C(jī)的熱カ效率隨著工作溫度(即燃燒氣體溫度)升高而升高。然而，如果燃料和氧化劑在燃燒前未被均勻地混合，則可能在噴嘴出ロ附近在燃燒器中形成局部熱點(diǎn)。局部熱點(diǎn)可降低壽命并增加燃料富集區(qū)域中的氮氧化物的產(chǎn)生，而燃料稀薄區(qū)域可増加一氧化碳和未燃燒的烴的產(chǎn)生，這些都是不希望有的排氣排放物。另外，燃料富集區(qū)域可増加可能損壞噴嘴的燃燒器中的火焰閃回到噴嘴中和/或變成附著在噴嘴內(nèi)部的可能性。盡管火焰閃回和火焰保持對(duì)任何燃料均可發(fā)生，但它們對(duì)于具有較高的燃燒速度和較寬的可燃性范圍的高反應(yīng)性燃料如烴更易發(fā)生。因此，用于向燃燒器供應(yīng)燃料的燃燒器噴嘴設(shè)計(jì)和方法的持續(xù)改進(jìn)將有益于提高燃燒器效率、減少不希望有的排放物、和/或防止閃回和火焰保持事件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面和優(yōu)點(diǎn)以下在下文的描述中進(jìn)行論述，或者可從該描述變得顯而易見，或者可通過(guò)對(duì)本發(fā)明的實(shí)踐來(lái)獲知。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是ー種燃燒器噴嘴，該燃燒器噴嘴包括與終止于燃料出ロ的燃料通路流體連通的燃料供應(yīng)源。氧化劑供應(yīng)源與氧化劑通路流體連通，該氧化劑通路從燃料通路徑向地偏移并終止于從燃料出口徑向地偏移的氧化劑出ロ。從燃料通路和氧化劑通路徑向地偏移的稀釋劑通路終止于設(shè)置在燃料出口與氧化劑出ロ之間的稀釋劑出ロ。本發(fā)明的另ー實(shí)施例是ー種包括軸向中心線的燃燒器噴嘴。中心體與該軸向中心線對(duì)齊并限定貫通噴嘴的至少第一部分的燃料通路。外護(hù)罩周向地環(huán)繞中心體的至少第一部分并限定貫通噴嘴的至少第二部分的氧化劑通路。氧化劑供應(yīng)源與氧化劑通路流體連通。中間護(hù)罩連接到中心體上，沿中心體的至少第二部分延伸，并在燃料通路與氧化劑通路之間限定稀釋劑通路。本發(fā)明還包括一種用于向燃燒器供應(yīng)燃料的方法，該方法包括使燃料流經(jīng)燃料出ロ并使氧化劑流經(jīng)從該燃料出口徑向地偏移的氧化劑出ロ。該方法還包括使稀釋劑流經(jīng)徑向地設(shè)置在燃料出口與氧化劑出ロ之間的稀釋劑出口。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在查看說(shuō)明書后將更好地理解此類實(shí)施例的特征和方面及其它。


本發(fā)明的完整和能夠?qū)崿F(xiàn)的公開內(nèi)容、包括其對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)的最佳模式在說(shuō)明書的剰余部分、包括對(duì)附圖的說(shuō)明中更具體地論述，在附圖中
圖I是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的燃燒器的簡(jiǎn)化截面圖；圖2是圖I中所示的燃燒器沿線A-A截取的下游軸向平面圖；圖3是圖2中所示的噴嘴的放大下游視圖；圖4是圖2中所示的噴嘴沿線B-B截取的簡(jiǎn)化截面圖；以及圖5是根據(jù)替代實(shí)施例的圖2中所示的噴嘴沿線B-B截取的簡(jiǎn)化截面圖。零件列表10燃燒器12 外殼14 噴嘴16 頂蓋18 端蓋20 襯墊22燃燒室24流套筒26 流孔28環(huán)形通路30燃料通路32噴嘴的軸向中心線34燃料出ロ36氧化劑通路38氧化劑出口40稀釋劑通路42稀釋劑出口50 中心體51燃料供應(yīng)源52外護(hù)罩
53氧化劑供應(yīng)源54中間護(hù)罩56稀釋劑旋流器58氧化劑旋流器60稀釋劑端ロ
具體實(shí)施例方式現(xiàn)將詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(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)號(hào)來(lái)指代附圖中的特征。已在附圖和描述中使用同樣或相似的標(biāo)號(hào)來(lái)指代本發(fā)明的同樣或相似的零件。
以解釋本發(fā)明而非限制本發(fā)明的方式來(lái)提供每個(gè)實(shí)例。事實(shí)上，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將顯而易見的是，在可在本發(fā)明中做出改型和變型而不脫離本發(fā)明的范圍或精神。例如，作為ー個(gè)實(shí)施例的一部分示出或描述的特征可用于另ー實(shí)施例以產(chǎn)生再ー實(shí)施例。因此，本發(fā)明g在涵蓋諸如落入所附權(quán)利要求以及它們的等同布置的范圍內(nèi)的此類改型和變型。本發(fā)明的各種實(shí)施例提供一種燃燒器噴嘴和一種用于向燃燒器供應(yīng)燃料的方法。在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，該燃燒器噴嘴可結(jié)合在氧燃料或化學(xué)當(dāng)量排氣再循環(huán)(SEGR)燃燒器中。具體而言，燃料、稀釋劑和氧化劑可經(jīng)燃燒器噴嘴中的多個(gè)大致同心或共軸的流體通路供應(yīng)到燃燒室，使得稀釋劑可延遲燃料和氧化劑在燃燒室中的混合。計(jì)算流體動(dòng)カ學(xué)模型表明，燃料和氧化劑的混合的延遲產(chǎn)生燃料和氧化劑的燃燒的對(duì)應(yīng)延遲，從而降低燃燒器噴嘴附近的溫度，減少來(lái)自燃燒器的不希望有的排放物，和/或減少火焰保持事件。盡管一般在結(jié)合在燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器中的燃燒器噴嘴的上下文中進(jìn)行描述，但本發(fā)明的實(shí)施例可適用于任何燃燒器且不限于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，除非在權(quán)利要求中特別指出。圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的諸如燃?xì)廨啓C(jī)中將包括的示例性燃燒器10的簡(jiǎn)化截面圖。外殼12可環(huán)繞燃燒器10，以容納流向燃燒器10的壓縮工作流體。如圖所示，燃燒器10可包括徑向地布置在頂蓋16中的一個(gè)或更多噴嘴14。端蓋18和襯墊20總體上環(huán)繞位于噴嘴14下游的燃燒器22。如文中所用，術(shù)語(yǔ)“上游”和“下游”指的是構(gòu)件在流體路徑中的相對(duì)位置。例如，如果流體從構(gòu)件A流向構(gòu)件B，則構(gòu)件A在構(gòu)件B上游。相反，如果構(gòu)件B接收來(lái)自構(gòu)件A的流體流，則構(gòu)件B在構(gòu)件A下游。帶有流孔26的流套筒24可環(huán)繞襯墊20，以在流套筒24與襯墊20之間限定環(huán)形通路28。壓縮工作流體可經(jīng)過(guò)流套筒24中的流孔26，以沿襯墊20的外側(cè)流動(dòng)，從而向襯墊20提供薄膜冷卻或?qū)α骼鋮s。當(dāng)壓縮工作流體到達(dá)端蓋18時(shí)，壓縮工作流體反向而流經(jīng)一個(gè)或更多噴嘴14，此處它在燃燒室22中點(diǎn)燃之前與燃料混合，以產(chǎn)生具有高溫和高壓的燃燒氣體。襯墊20還可具有貫通其中的開ロ，以使得能夠諸如通過(guò)薄膜冷卻、擴(kuò)散冷卻或其它方法來(lái)冷卻火焰?zhèn)缺?。圖2提供了圖I中所示的燃燒器10沿線A-A截取的下游軸向平面圖。燃燒器10的各種實(shí)施例可包括不同數(shù)量和布置的噴嘴。例如，在圖2中所示的實(shí)施例中，燃燒器10包括徑向地布置在頂蓋16中的五個(gè)噴嘴14。如前文關(guān)于圖I所述，工作流體流經(jīng)流套筒24與襯墊20之間的環(huán)形通路28(從圖2向外)，直到它到達(dá)端蓋18，此處它反向以流經(jīng)噴嘴14并流入燃燒室22 (進(jìn)入圖2)。
圖3提供了圖2中所示的噴嘴14的放大下游視圖。如圖所示，每個(gè)噴嘴14均可包括提供經(jīng)噴嘴14并進(jìn)入燃燒室22的流體連通的多個(gè)大致同心或共軸的流體通路。例如，燃料通路30可與噴嘴14的軸向中心線32大致對(duì)齊并終止于燃料出ロ 34。經(jīng)燃料通路30供應(yīng)的可能的燃料可包括例如高爐煤氣、一氧化碳、焦?fàn)t煤氣、天然氣、甲烷、氣化的液化天然氣(LNG)、氫氣、合成氣、丁烷、丙烷、烯烴和它們的混合物。氧化劑通路36可周向地環(huán)繞燃料通路30的至少一部分并終止于氧化劑出ロ 38。經(jīng)氧化劑通路36供應(yīng)的氧化劑實(shí)際上可包括任何富氧流體如純氧(O2)，或含氧化合物如四氧化ニ氮(N2O4)、過(guò)氧化氫(H2O2)和它們的混合物。稀釋劑通路40可延伸穿過(guò)氧化劑通路36的一部分并在終止于稀釋劑出ロ 42之前周向地環(huán)繞燃料通路30的至少一部分。經(jīng)稀釋劑通路40供應(yīng)的可能的稀釋劑可包括水、蒸汽、燃料添加剤、各種惰性氣體如氮?dú)夂?或各種不可燃的氣體如ニ氧化碳，或者從壓縮機(jī)(未示出)供應(yīng)到燃燒器10的燃燒排氣。這樣，燃料通路30和氧化劑通路36可提供從端蓋18到燃燒室22內(nèi)的流體連通，而稀釋劑通路40可提供經(jīng)氧化劑通路36的至少一部分并進(jìn)入燃燒室22的流體連通。另外，燃料通路30、氧化劑通路36和稀釋劑通路40以及它們相關(guān)的出ロ 34、38、42可彼此徑向地偏移，且稀釋劑出ロ 42徑向地設(shè)置在燃料出 ロ 34與氧化劑出口 38之間。圖4和5提供了根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的圖2中所示的噴嘴14沿線B-B截取的簡(jiǎn)化截面圖。中心體50可與噴嘴14的軸向中心線32對(duì)齊，且中心體50可限定貫通噴嘴14的至少第一部分的燃料通路30。中心體50可延伸穿過(guò)端蓋18，以提供燃料供應(yīng)源51經(jīng)端蓋18并進(jìn)入燃燒室22的流體連通。外護(hù)罩52可周向地環(huán)繞中心體50的至少第一部分，以在中心體50與外護(hù)罩52之間限定貫通噴嘴14的至少第二部分的氧化劑通路36。氧化劑通路提供氧化劑供應(yīng)源53經(jīng)端蓋18并進(jìn)入燃燒室22的流體連通。中間護(hù)罩54可連接到中心體50上并可沿中心體50的至少第二部分延伸。這樣，中間護(hù)罩54可在燃料通路30與氧化劑通路36之間徑向地限定稀釋劑通路40的至少一部分。另外，如圖4和5中所示，稀釋劑通路40的一部分可延伸穿過(guò)中間護(hù)罩54、氧化劑通路36和外護(hù)罩52，以提供稀釋劑經(jīng)噴嘴14并進(jìn)入燃燒室22的流體連通。如圖4和5中進(jìn)ー步所示，燃料通路30、氧化劑通路36和/或稀釋劑通路40中的一個(gè)或更多可包括多個(gè)旋流器導(dǎo)葉或成角度的輸出端ロ，以向流經(jīng)相應(yīng)通路的流體分配旋流。例如，如圖4中所示，氧化劑出ロ 38可相對(duì)于軸向中心線32成角度，以向離開噴嘴14并進(jìn)入燃燒室22的氧化劑分配旋流。類似地，稀釋劑通路40和/或稀釋劑出ロ 42可包括多個(gè)稀釋劑旋流器導(dǎo)葉56，以向離開噴嘴14并進(jìn)入燃燒室22的稀釋劑分配旋流。備選地，如圖5中所示，氧化劑通路36和/或氧化劑出ロ 38可包括多個(gè)氧化劑旋流器導(dǎo)葉58，以向離開噴嘴14并進(jìn)入燃燒室22的氧化劑分配旋流，并且稀釋劑出ロ 42可相對(duì)于軸向中心線32成角度，以向離開噴嘴14并進(jìn)入燃燒室22的稀釋劑分配旋流。在特定實(shí)施例中，如圖4和5中所示，外護(hù)罩52還可包括貫通外護(hù)罩52的ー個(gè)或更多稀釋劑端ロ 60，其提供稀釋劑經(jīng)外護(hù)罩52的流體連通。這樣，流經(jīng)稀釋劑通路40的稀釋劑可在離開相應(yīng)的燃料出ロ 34和氧化劑出ロ 38的燃料和高反應(yīng)性氧化劑之間形成稀釋劑簾，以延遲不同噴嘴出口 34、38、42附近的燃料和氧化劑的混合，并因此延遲它們的燃燒。另外，流經(jīng)噴嘴14出口附近的稀釋劑端ロ 60的稀釋劑可中斷稀釋劑簾，以促進(jìn)進(jìn)入燃燒室22的燃料和氧化劑的混合。結(jié)果，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型表明，燃料和氧化劑的混合的延遲降低了噴嘴14附近的溫度，減少了來(lái)自燃燒器10的不希望有的排放物，和/或減少了火焰保持事件。盡管圖1-5圖示了與噴嘴14的中心線32徑向?qū)R的燃料通路30和從燃料通路30徑向向外的氧化劑通路36，但燃料通路30和氧化劑通路36的相對(duì)徑向位置并非對(duì)本發(fā)明的限制，除非在權(quán)利要求中特別指出。例如，本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員可容易地理解，在替代實(shí)施例中，氧化劑通路36可與噴嘴14的中心線32徑向地對(duì)齊，且燃料通路30可在氧化劑通路36的徑向外部，并且不需要替代布置的進(jìn)ー步圖示來(lái)理解或?qū)崿F(xiàn)各種實(shí)施例。參照?qǐng)D1-5描述和圖不的各種實(shí)施例還可提供一種用于向燃燒器10供應(yīng)燃料的方法。該方法可包括使燃料流經(jīng)燃料出ロ 34并使氧化劑流經(jīng)從燃料出ロ 34徑向地偏移(即，徑向內(nèi)側(cè)或外側(cè))的氧化劑出口 38。該方法還可包括使稀釋劑流經(jīng)徑向地設(shè)置在燃料出ロ 34與氧化劑出ロ 38之間的稀釋劑出ロ 42。在特定實(shí)施例中，該方法還可包括使流經(jīng)噴嘴14的燃料、氧化劑和/或稀釋劑旋流和/或使稀釋劑流經(jīng)周向地環(huán)繞噴嘴14的外護(hù)罩52。 此書面描述使用了包括最佳模式在內(nèi)的實(shí)例來(lái)公開本發(fā)明，并且還使本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制造并利用任何裝置或系統(tǒng)并且執(zhí)行任何所結(jié)合的方法。本發(fā)明可取得專利權(quán)的范圍通過(guò)權(quán)利要求來(lái)限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實(shí)例。如果此類其它實(shí)例包括并未不同于權(quán)利要求的文字語(yǔ)言所描述的結(jié)構(gòu)元件，或者它們包括與權(quán)利要求的文字語(yǔ)言無(wú)實(shí)質(zhì)性區(qū)別的等同結(jié)構(gòu)元件，則認(rèn)為此類其它實(shí)例包含在權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種燃燒器噴嘴(14),包括 a.與燃料通路(30)流體連通的燃料供應(yīng)源(51)，其中所述燃料通路(30)終止于燃料出口 (34)； b.與氧化劑通路(36)流體連通的氧化劑供應(yīng)源(53)，所述氧化劑通路(36)從所述燃料通路(30)徑向地偏移，其中所述氧化劑通路(36)終止于從所述燃料出口(34)徑向地偏移的氧化劑出口(38);以及 c.從所述燃料通路(30)和所述氧化劑通路(36)徑向地偏移的稀釋劑通路(40)，其中所述稀釋劑通路(40)終止于設(shè)置在所述燃料出口(34)與所述氧化劑出口(38)之間的稀釋劑出口(42)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燃燒器噴嘴(14)，其特征在于，所述燃料出口(34)與所述噴嘴(14)的軸向中心線(32)軸向地對(duì)齊。
3.根據(jù)任ー項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的燃燒器噴嘴(14)，其特征在于，所述稀釋劑通路(40)的至少一部分周向地環(huán)繞所述燃料通路(30)的至少一部分。
4.根據(jù)任ー項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的燃燒器噴嘴(14)，其特征在于，所述氧化劑通路(36)的至少一部分周向地環(huán)繞所述稀釋劑通路(40)的至少一部分。
5.根據(jù)任ー項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的燃燒器噴嘴(14)，其特征在于，所述氧化劑出口(38)包括多個(gè)氧化劑旋流器導(dǎo)葉(58)。
6.根據(jù)任ー項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的燃燒器噴嘴(14)，其特征在于，所述氧化劑出口(38)相對(duì)于所述噴嘴(32)的軸向中心線成角度。
7.根據(jù)任ー項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的燃燒器噴嘴(14)，其特征在于，所述稀釋劑出口(42)包括多個(gè)稀釋劑旋流器導(dǎo)葉(56)。
8.根據(jù)任ー項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的燃燒器噴嘴(14)，其特征在于，所述燃燒器噴嘴(14)還包括周向地環(huán)繞所述氧化劑通路(36)的至少一部分的外護(hù)罩(52)和貫通所述外護(hù)罩(52)的稀釋劑端ロ(60)，所述稀釋劑端ロ ￠0)提供稀釋劑經(jīng)所述護(hù)罩的流體連通。
9.根據(jù)任ー項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的燃燒器噴嘴(14)，其特征在于，所述稀釋劑通路(40)的至少一部分延伸穿過(guò)所述氧化劑通路(36)。
10.一種用于向燃燒器(10)供應(yīng)燃料的方法，包括 a.使所述燃料流經(jīng)燃料出口(34)； b.使氧化劑流經(jīng)從所述燃料出口(34)徑向地偏移的氧化劑出口(38);以及 c.使稀釋劑流經(jīng)徑向地設(shè)置在所述燃料出口(34)與所述氧化劑出口(38)之間的稀釋劑出口(42)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法還包括使所述氧化劑流經(jīng)在所述燃料出口(34)的徑向外部的所述氧化劑出口(38)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10-11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法還包括使流經(jīng)所述氧化劑出口(38)的氧化劑旋流。
13.根據(jù)權(quán)利要求10-12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法還包括使流經(jīng)所述稀釋劑出口(42)的稀釋劑旋流。
14.根據(jù)權(quán)利要求10-13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法還包括使所述稀釋劑流經(jīng)周向地環(huán)繞所述噴嘴(14)的外護(hù)罩(52)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于向燃燒器供應(yīng)燃料的燃燒器噴嘴和方法，具體而言，一種燃燒器噴嘴包括與終止于燃料出口的燃料通路流體連通的燃料供應(yīng)源。氧化劑供應(yīng)源與氧化劑通路流體連通，該氧化劑通路從燃料通路徑向地偏移并終止于從燃料出口徑向地偏移的氧化劑出口。從燃料通路和氧化劑通路徑向地偏移的稀釋劑通路終止于設(shè)置在燃料出口與氧化劑出口之間的稀釋劑出口。一種用于向燃燒器供應(yīng)燃料的方法包括使燃料流經(jīng)燃料出口并使氧化劑流經(jīng)從燃料出口徑向地偏移的氧化劑出口。該方法還包括使稀釋劑流經(jīng)徑向地設(shè)置在燃料出口與氧化劑出口之間的稀釋劑出口。
文檔編號(hào)F23R3/28GK102777932SQ201210148878
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月5日
發(fā)明者G·O·克雷默, J·D·貝里, J·R·馬沙爾 申請(qǐng)人:通用電氣公司