專利名稱：用于燃氣渦輪機的燃料噴嘴組件和使燃料流轉向的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃氣渦輪機中的燃料燃燒，并且具體而言涉及將壓縮空氣引導至燃燒器中的燃燒區(qū)域。
背景技術：
燃氣渦輪機燃燒器對大量的燃料和壓縮空氣進行混合，并且使所獲得的空氣和燃料混合物燃燒。傳統(tǒng)的用于工業(yè)燃氣渦輪機的燃燒器通常包括圓柱形燃燒“罐(can) ”的環(huán)形陣列，在圓柱形燃燒“罐”中空氣和燃料混合以及產生燃燒。來自軸流壓縮機的壓縮空氣流入燃燒器中。通過延伸到每一個罐中的燃料噴嘴組件噴射燃料。燃料和空氣的混合物在每一個罐的燃燒室中燃燒。燃燒氣體從每一個罐排放到通向渦輪的管道中。來自壓縮機的加壓空氣在罐的后端處進入燃燒罐，后端同樣也是熱燃燒氣體從罐流向渦輪的端部。壓縮空氣流過形成在罐的圓柱形壁與內圓柱形燃燒襯套之間的環(huán)形管道。當熱燃燒氣體流過襯套的內部時，相對較冷的壓縮空氣對襯套的壁進行冷卻。熱燃燒氣體沿與壓縮空氣的流動大體相反的方向流過管道。當壓縮空氣到達燃燒器罐的頭部端時，空氣轉向180度，以進入燃料噴嘴中的一個燃料噴嘴。為了進入外燃料噴嘴，壓縮機空氣的流動方向發(fā)生緊密并且快速的逆轉。這個突然的轉向能夠在空氣中產生低速流動區(qū)域，而空氣流的其它區(qū)域處于明顯更高的速度。當空氣進入用于壓縮空氣的最靠近燃燒室中的雙壁流動路徑的外燃料噴嘴時，低速流的出現(xiàn)是最激烈的。通過燃料噴嘴的均勻流速是期望的，以提供空氣與燃料的均勻混合和均勻燃燒。由于低速區(qū)域提供用于將火焰停泊(anchor)在燃料噴嘴內側的區(qū)域，因此燃料噴嘴中的低速空氣流區(qū)域還造成噴嘴內側的火焰保持風險。燃料噴嘴中的火焰能夠毀壞噴嘴的硬件。此外，低速空氣流能夠造成空氣和燃料混合物中的局部變化。這些變化能夠包括這樣的區(qū)域在所述區(qū)域中，燃料和空氣混合物過于豐富(rich)，從而導致過高的燃燒溫度以及氮氧化物(NOx)的過度產生。始終期望能夠在燃燒器罐中保持穩(wěn)定火焰、減少燃氣渦輪機中的燃燒而產生的NOx排放物、以及保持通過燃料噴嘴的均勻空氣流速度。

發(fā)明內容
構想了一種用于燃氣渦輪機的燃料噴嘴組件，該組件包括圓柱形中心體部、與中心體部共軸并且圍繞中心體部延伸的圓柱形罩(shroud)、以及具有下游邊緣的轉向引導件，該下游邊緣延伸到位于中心體部與罩之間的通路的入口中，其中轉向引導件僅部分地圍繞中心體部延伸。轉向引導件可以是成形為與罩的入口區(qū)域相符合的薄片。轉向引導件可以具有廣口彎曲入口區(qū)域和大體直的出口區(qū)域。轉向引導件可以通過肋或柱(post)安裝至罩或中心體部。轉向引導件可以沿圍繞燃料噴嘴的弧延伸，并且該弧可以處于200度至35度的范圍內。轉向引導件可以位于鄰近外部雙壁環(huán)形流動管道的罩的一側，壓縮機空氣通過外部雙壁環(huán)形流動管道并且朝向該組件徑向向內轉向。構想了一種用于燃氣渦輪機的燃燒室，該燃燒室包括環(huán)形流動管道，加壓空氣沿與形成在該燃燒室中的燃燒氣體的流動相反的方向流過環(huán)形流動管道；具有內側表面的端蓋組件；徑向向內轉向件，該徑向向內轉向件接近端蓋組件的內側表面位于流動管道中；至少一個燃料噴嘴組件，該燃料噴嘴組件包括圓柱形中心體部、與中心體部共軸并且圍繞中心體部延伸的圓柱形罩、以及具有下游邊緣的轉向引導件，該下游邊緣朝向位于中心體部與罩之間的通路延伸，其中轉向引導件僅部分地圍繞中心體部延伸，并且轉向引導件與環(huán)形流動管道的出口對齊且接近環(huán)形流動管道的出口，使得轉向引導件將空氣從環(huán)形流動管道導入位于中心體部與罩之間的通路中。轉向引導件可以位于鄰近環(huán)形流動管道的罩的一側。構想了一種將加壓空氣導入燃燒室中的燃料噴嘴組件的空氣流動管道中的方法，該方法包括以下步驟使加壓空氣沿第一方向移動通過燃燒室中的環(huán)形管道，并且使空氣從管道朝向燃料噴嘴徑向向內轉向；經過轉向的加壓空氣流入位于燃料噴嘴組件的圓柱形罩與中心體部之間的通路中；當經過轉向的加壓空氣流入通路中時,通過具有入口邊緣和出口邊緣的轉向弓I導件對空氣進行導向，入口邊緣與從環(huán)形管道流動的經過轉向的空氣對齊，出口邊緣與通路對齊，其中轉向引導件僅部分地圍繞中心體部延伸。轉向引導件可以鄰近環(huán)形管道的出口，并且在與環(huán)形管道相反的中心體部的一側的位置處對進入通路的空氣進行導向。轉向引導件可以接近通向罩的入口，并且經過導向的空氣是在流動通向罩的入口附近的空氣。轉向引導件可以使流入通路的徑向向外部分中的空氣的速度增加。轉向引導件可以將經過轉向的空氣導入位于轉向引導件與罩的入口部分之間的狹窄間隙中，其中入口部分具有廣口，并且轉向引導件將經過轉向的空氣導入位于轉向引導件與罩的廣口之間的狹窄間隙中。


圖1是工業(yè)燃氣渦輪機中的傳統(tǒng)燃燒室的圖示，其中以橫截面示出燃氣渦輪機。圖2是燃燒室的一部分的橫截面圖，其示出燃燒空氣通過燃燒室的雙壁并且轉向到外燃料噴嘴組件中的流動路徑。圖3是圍繞中心燃料噴嘴組件布置的燃料噴嘴組件的環(huán)形陣列的透視圖。圖4是外燃料噴嘴組件的側面的透視圖，其中罩的一部分是透明的，以示出轉向引導件。圖5和圖6是安裝至燃料噴嘴組件的中心體部的轉向引導件的前透視圖和后透視圖。圖7是燃料噴嘴組件的陣列的視圖，以示出轉向引導件在外燃料噴嘴組件上的取向。圖8是燃料噴嘴組件的側面和背面的透視圖，其中轉向引導件附連至罩。圖9是圖8中所示的燃料噴嘴組件的橫截面圖，其中所述橫截面所沿的平面與交叉體部的軸線垂直。圖10和圖11是示意圖，以橫截面示出具有喇叭口入口的罩和不具有喇叭口(belΙ-mouth)入口的罩上的轉向引導件。
圖12和圖13是通過具有轉向引導件的管道和不具有轉向引導件的管道的空氣流的視圖。
具體實施例方式圖1是側視圖，其中以部分橫截面示出傳統(tǒng)的燃氣渦輪發(fā)動機2，燃氣渦輪發(fā)動機2包括軸向渦輪4、燃燒室6的環(huán)形陣列、和軸流壓縮機8，軸流壓縮機8產生被管道輸送到燃燒室的壓縮空氣10。燃料12被噴射到燃燒室中并且與壓縮空氣混合?？諝馊剂匣旌衔镌谌紵抑腥紵⑶覠崛紵龤怏w14從所述室流向渦輪以驅動渦輪輪葉16，從而使渦輪4旋轉。渦輪的旋轉通過軸18使壓縮機轉動，軸18連接渦輪和壓縮機。壓縮機的旋轉為燃燒室產生壓縮空氣。圖2是燃燒室6的一部分的橫截面圖，以示出燃料噴嘴組件20。每一個燃燒室6 (也稱作“罐”)都包括基本圓柱形的套筒22，套筒22靠近壓縮機的排放端固定至燃氣渦輪機的殼體24。燃燒罐的前端由端蓋組件26封閉，端蓋組件26可以聯(lián)接至燃料供給管、歧管和相關聯(lián)的閥28，以用于將氣體燃料或液體燃料12進給至每一個燃燒室的燃料噴嘴。端蓋組件26圍繞容納在圓柱形套管22內的中心燃料噴嘴組件30對燃料噴嘴組件20的圓形陣列進行支承。加壓空氣10進入燃燒室6的端部并且流過(見箭頭32)形成在室6的圓柱形套管22與內圓柱形襯套36之間的環(huán)形管道34。加壓空氣32沿與形成在室中的燃燒氣體的流動相反的流動方向朝向端蓋組件26流過管道34。加壓空氣通過管道34的環(huán)形部分轉向，管道34的該環(huán)形部分的橫截面可以呈U形38。為了協(xié)助空氣流轉向，轉向引導件42定位在燃料噴嘴組件20的每一個燃料噴嘴組件20上并且靠近空氣管道34的U形部分38的出口。轉向引導件42可以安裝成接近燃料噴嘴的后部軸環(huán)(collar)44。圖3是圍繞中心燃料噴嘴組件30布置的燃料噴嘴組件20 (被稱作外燃料噴嘴組件)的環(huán)形陣列的透視圖。燃料噴嘴組件20、30在其后部軸環(huán)44處附連至凸緣27。凸緣安裝至端蓋組件26。對于外燃料噴嘴組件20的每一個外燃料噴嘴組件20而言，轉向引導件42定位在其燃料噴嘴組件與圖2中所示的環(huán)形管道34的U形端部38之間。如圖3中所示，轉向引導件大體定位于由外燃料噴嘴組件20在端蓋組件26上的布置所形成的圓的外周處。圖4是外燃料噴嘴組件20的側視圖，其中罩46的一部分是透明的，以提供對轉向引導件42更好的視圖。轉向引導件和中心體部以虛線顯示。轉向引導件42安裝成鄰近燃料噴嘴組件的軸環(huán)44。罩可以具有環(huán)形廣口入口 56。轉向引導件42可以部分配合在罩的廣口入口中。轉向引導件的入口從罩入口軸向延伸出去并且徑向向外延伸，使得廣口入口56的外周緣58相距燃料噴嘴組件的軸線的徑向距離與轉向引導件的入口緣60相距燃料噴嘴組件的軸線的徑向距離基本相等。后部軸環(huán)44將燃料噴嘴組件連接至凸緣27，凸緣27附連至端蓋組件26。軸環(huán)可以釬焊或焊接至凸緣27。凸緣27可以螺栓連接至端蓋26。轉向引導件42可以具有與環(huán)形管道的U形部分38的端部相符合的橫截面形狀。轉向引導件42可以沿部分地圍繞軸環(huán)44的圓周的弧延伸，例如圍繞軸環(huán)180度地延伸。轉向引導件的弧可以處于35度至200度的范圍內。轉向引導件42的上游端可以至少部分地延伸到流動管道的U形部分38中。轉向引導件的下游端可以與位于圓柱形罩46與中心體部50之間的環(huán)形管道52的入口對齊。轉向引導件可以部分地延伸到環(huán)形管道52中。轉向引導件的下游端可以從罩46徑向向內，使得罩與轉向引導件的下游端之間存在間隙53。該間隙位于環(huán)形管道52的徑向外部區(qū)域處。在轉向引導件的徑向外表面上流動的空氣移動到該間隙中，以保證環(huán)形管道的徑向外部區(qū)域處的空氣速度。轉向引導件42有助于提供轉向到燃料噴嘴組件和圓柱形襯套36中的加壓空氣的均勻流動。轉向引導件形成的流動路徑能夠使在罩46的徑向外部附近的加壓氣流的速度增加。由轉向引導件，空氣速度的增加對在罩的外部處形成相對低速空氣流的趨勢進行抑制。使用轉向引導件使環(huán)形管道52的徑向外部處的流速增加，這產生通過整個燃料噴嘴的更加均勻的流速。燃料噴嘴中具有均勻速度的空氣流促進均勻的燃料空氣混合并且促進燃料噴嘴中的火焰保持阻力(flame holding resistance)。流過環(huán)形管道52的空氣與從旋流葉片54進入管道的燃料混合。通過環(huán)形管道52的空氣-燃料混合物通過旋流葉片54產生旋流。旋流葉片可以是安裝在中心體部與罩之間的大體圓柱形裝置。由旋流葉片引起的螺旋流促進空氣與燃料在管道52中混合。燃料與空氣的混合物從管道52的端部流向燃燒室的燃燒區(qū)域55。燃料與壓縮空氣的混合物在燃燒區(qū)域中燃燒，并且燃燒氣體從燃燒室流向(見圖1中的燃燒流箭頭14)渦輪4中的輪葉16。圖5和圖6是安裝至燃料噴嘴組件的中心體部50的轉向引導件42的透視圖和主視圖。支承架62在中心體部50與轉向引導件42之間延伸。支承架可以是以梯形布置的成對腿部。腿部可以呈平面并且與在轉向引導件與中心體部之間流動的空氣對齊(例如與燃料噴嘴組件的軸線對齊)。肋支承架62對管道52中的轉向引導件進行結構支承。轉向引導件42可以包括位于出口區(qū)域中的入口部分68，所述入口部分68徑向向外彎曲，以與來自圖2中所示的U形轉向件38的期望的空氣流動路徑相符合。入口部段的徑向外周60可以處于或者徑向超過與罩46的入口緣58相同的徑向尺寸。入口部分68徑向向內延伸并且結合轉向引導件的圓柱形出口區(qū)域68。出口區(qū)域68沿與中心體部的軸線平行的方向延伸。出口區(qū)域68可以延伸至罩46，并且任選地延伸到罩46中。圖7是燃燒室中的燃料噴嘴組件20、30的陣列的一部分的端視圖，其示出位于外燃料噴嘴組件20的罩的入口處的轉向引導件42。半圓形轉向引導件42安裝至外燃料噴嘴組件20的廣口入口 56。轉向引導件42在燃料噴嘴組件20中的每一個燃料噴嘴組件20上定向成面向U形出口，加壓空氣在經過流向逆轉之后從U形出口離開環(huán)形管道。圖8和圖9分別是安裝至罩72的入口的轉向引導件70的透視圖和主視圖。除了轉向引導件70安裝至罩72之外，轉向引導件70與轉向引導件42類似。轉向引導件70位于在一側上的罩72與在另一側上的后部軸環(huán)44和中心體部50之間。轉向引導件70可以附連和安裝至圓柱形罩72的廣口入口 56。轉向引導件70和廣口 56可以與軸環(huán)44和中心體部50之間的接合處對齊。轉向引導件和廣口可以在位于中心體部與罩之間的旋流葉片54的上游并且相對于該旋流葉片54略微徑向向外。轉向引導件可以像弧、半圓或者圓的其它部分一樣部分地圍繞廣口入口 56延伸。如圖5至圖8所示，轉向引導件42、70圍繞廣口的內側表面延伸一半(例如180度)。轉向引導件可以沿處于例如200度至35度的范圍內的弧延伸。轉向引導件70可以由陶瓷或金屬制成，并且可以是整體部件。轉向引導件70可以具有徑向向內彎曲至中心體部軸線的入口部段66、以及沿軸線成直線的圓柱形出口部段68。轉向引導件70可以通過肋74和柱76附連至罩72，肋74和柱76從廣口(widemount)罩入口 56延伸通過間隙53并且到達轉向引導件的彎曲入口 66。肋可以對齊成與中心體部的軸線平行，以減少通過間隙53的氣流阻力。肋74可以位于轉向引導件的中心處，并且柱76可以靠近轉向弓丨導件的側面。轉向引導件70可以成形為與廣口入口 56相符合。形成在轉向引導件70與廣口入口 56之間的間隙64可以具有均勻的寬度并且接近位于轉向弓I導件與廣口之間的管道的徑向外部區(qū)域。通向間隙的入口可以大體徑向向內延伸并且在間隙的排放部處軸向轉向。該間隙是用于進入位于罩與軸環(huán)和中心體部之間的環(huán)形空氣通路的加壓空氣的一部分的受引導流動通路。圖10和圖11是不出與罩78和罩82相關聯(lián)的轉向引導件76的橫截面不意圖，罩78具有廣口入口 80 (圖10)并且罩82具有直的圓柱形入口。轉向引導件的彎曲入口 66與用于罩78的廣口入口 80的形狀相符合，且并不與罩82的圓柱形入口相符合。轉向引導件的彎曲形狀旨在迫使壓縮空氣從雙壁管道36中的U形轉向件朝向間隙53和管道52的徑向外部區(qū)域流動。通過迫使空氣通過間隙并且朝向管道52的徑向外部區(qū)域，轉向引導件有助于使管道52中的流速更加均勻。圖12和圖13是通過具有轉向引導件的管道52 (圖13)和不具有轉向引導件的管道52(圖11)的氣流的視圖。彎曲箭頭102代表當空氣進入管道52時通過轉向引導件76轉向的空氣。彎曲箭頭104代表流入管道52中而未被轉向引導件引導的空氣?？諝馑俣容喞?06示出當轉向引導件位于管道的入口處時通過管道的空氣流的大體均勻的速度?？諝馑俣容喞?08示出當不存在轉向引導件時空氣速度的巨大變化。具體而言，罩50附近的空氣相比中心體部78附近的空氣移動地明顯較慢。如圖12至圖14所示，轉向引導件使通過管道的徑向外部區(qū)域的空氣速度增加，并且由此使通過管道的空氣流更加均勻。由轉向引導件實現(xiàn)的通過管道52的更加均勻的空氣速度可以提供例如使來自燃燒室的NOx排放物減少并且使室的穩(wěn)定火焰性能增強的優(yōu)點。盡管已經結合當前被認為是最可實踐并且優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進行了描述，但是應當理解，本發(fā)明并不限于所公開的實施例，而是相反，本發(fā)明旨在覆蓋包括在所附權利要求的精神和范圍內的各種改型和等同布置。
權利要求
1.一種用于燃氣渦輪機的燃料噴嘴組件，所述組件包括中心體部；罩，所述罩與所述中心體部共軸并且圍繞所述中心體部延伸，以及轉向引導件，所述轉向引導件具有下游邊緣，所述下游邊緣沿位于所述中心體部與通向所述罩的入口之間的通路延伸，其中所述轉向引導件僅部分地圍繞所述中心體部延伸。
2.根據權利要求1所述的燃料噴嘴組件，其特征在于，空氣間隙位于通向所述轉向引導件的入口與所述罩之間。
3.根據權利要求1所述的燃料噴嘴組件，其特征在于，所述轉向引導件是薄片，所述薄片具有廣口彎曲入口區(qū)域和與所述中心體部的軸線對齊的大體直的出口區(qū)域。
4.根據權利要求1所述的燃料噴嘴組件，其特征在于，所述轉向引導件包括廣口入口和圓柱形出口。
5.根據權利要求1所述的燃料噴嘴組件，其特征在于，所述轉向引導件安裝至所述罩或所述中心體部。
6.根據權利要求1所述的燃料噴嘴組件，其特征在于，所述轉向引導件沿圍繞所述燃料噴嘴的弧延伸，并且所述弧處于200度至35度的范圍內。
7.根據權利要求1所述的燃料噴嘴組件，其特征在于，所述轉向引導件位于鄰近外部環(huán)形流動管道的所述罩的一側，壓縮機空氣通過所述外部環(huán)形流動管道并且朝向所述組件徑向向內轉向。
8.一種用于燃氣渦輪機的燃燒室，所述燃燒室包括環(huán)形流動管道，加壓空氣沿與形成在所述燃燒室中的燃燒氣體的流動相反的方向流過所述環(huán)形流動管道；端蓋組件，所述端蓋組件具有內側表面；位于所述流動管道中的徑向向內轉向件，所述徑向向內轉向件接近所述端蓋組件的所述內側表面；至少一個燃料噴嘴組件，所述至少一個燃料噴嘴組件包括圓柱形中心體部、與所述中心體部共軸并且圍繞所述中心體部延伸的圓柱形罩、以及具有下游邊緣的轉向引導件，所述下游邊緣沿位于所述中心體部與通向所述罩的入口之間的通路延伸，其中所述轉向引導件僅部分地圍繞所述中心體部延伸，并且所述轉向引導件與所述環(huán)形流動管道的出口對齊并且接近所述環(huán)形流動管道的出口，使得所述轉向引導件將空氣從所述環(huán)形流動管道導入位于所述中心體部與所述罩之間的所述通路中。
9.根據權利要求8所述的燃燒室，其特征在于，所述轉向引導件是薄片，所述薄片彎曲成弧，以與所述中心體部相符合。
10.根據權利要求8所述的燃燒室，其特征在于，所述轉向引導件是薄片，所述薄片具有彎曲入口區(qū)域和大體直的圓柱形出口區(qū)域。
11.根據權利要求8所述的燃燒室，其特征在于，所述圓柱形罩包括位于通向所述罩的入口的上游處的廣口入口部段、以及延伸到通向所述罩的所述入口中的圓柱形出口區(qū)域。
12.根據權利要求8所述的燃燒室，其特征在于，所述轉向引導件通過肋或柱安裝至所述罩。
13.根據權利要求8所述的燃燒室，其特征在于，所述轉向引導件沿圍繞所述燃料噴嘴的弧延伸，并且所述弧處于200度至35度的范圍內。
14.根據權利要求8所述的燃燒室，其特征在于，所述轉向引導件位于鄰近所述環(huán)形流動管道的所述罩的一側。
15.一種將加壓空氣導入燃燒室中的燃料噴嘴組件的空氣流動管道中的方法，所述方法包括以下步驟使加壓空氣沿第一方向移動通過所述燃燒室中的環(huán)形管道，并且使空氣從所述管道朝向所述燃料噴嘴徑向向內轉向；經過轉向的加壓空氣流入位于圓柱形罩與中心體部之間的通路中；當經過轉向的加壓空氣流入所述通路中時，通過具有入口邊緣和出口邊緣的轉向引導件對空氣進行導向，所述入口邊緣與從所述環(huán)形管道流動的經過轉向的空氣對齊，所述出口邊緣與所述通路對齊，其中所述轉向引導件僅部分地圍繞所述中心體部延伸。
16.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述轉向引導件鄰近所述環(huán)形管道的所述出口。
17.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述轉向引導件接近通向所述罩的所述入口，并且經過導向的空氣在通向所述罩的所述入口附近流動。
18.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述轉向引導件使流入所述通路的徑向向外部分中的空氣的速度增加。
19.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述轉向引導件將經過轉向的空氣導入位于所述轉向引導件與所述罩的入口部分之間的狹窄間隙中。
20.根據權利要求19所述的方法，其特征在于，所述入口部分具有廣口，并且所述轉向引導件將經過轉向的空氣導入位于所述轉向引導件與所述罩的所述廣口之間的所述狹窄間隙中。
全文摘要
本發(fā)明公開用于燃氣渦輪機的燃料噴嘴組件和使燃料流轉向的方法，所述組件包括圓柱形中心體部、與中心體部共軸并且圍繞中心體部延伸的圓柱形罩、以及具有下游邊緣的轉向引導件，該下游邊緣沿位于中心體部與通向罩的入口之間的通路延伸，其中該轉向引導件僅部分地圍繞中心體部延伸。
文檔編號F23R3/28GK102997280SQ201210331439
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月7日 優(yōu)先權日2011年9月9日
發(fā)明者J.T.斯特瓦特 申請人:通用電氣公司