專利名稱：燃燒器燃料噴嘴和用于供應燃料到燃燒器的方法
技術領域：
本發(fā)明大體上涉及燃燒器燃料噴嘴和用于將燃料供應到燃燒器的方法。
背景技術：
燃氣渦輪在商業(yè)操作中廣泛地用于功率生成。燃氣渦輪燃燒器通常對與壓縮的諸如空氣的工作流體混合的液體和/或氣體燃料進行操作。對依靠任一種燃料運行燃氣渦輪的靈活性為燃氣渦輪操作者提供了大的益處。廣泛已知的是，燃氣渦輪的熱力學效率隨操作溫度，即燃燒氣體溫度增加而增加。還已知的是，通過在燃燒器的燃燒區(qū)中提供富燃料/空氣混合物，可以獲得更高的燃燒氣體溫度。然而，由富液體或氣體燃料/空氣混合物導致的較高燃燒溫度顯著增加了氮氧化物或NOx的生成，這是不期望的廢氣排放。NOx水平可通過提供用于燃燒的貧燃料/空氣比率或通過將諸如水的添加劑噴入燃燒器而降低。為了提供貧燃料/空氣混合物，可以將燃料和空氣在燃燒之前預混合。預混合可以在雙燃料燃燒器燃料噴嘴中進行，該噴嘴包括多個燃料噴射端口、內部流動區(qū)域和外部流動區(qū)域。當燃氣渦輪循環(huán)通過各種操作模式時，燃料被噴入內部和/或外部流動區(qū)域以便與工作流體預混合。存在允許在燃燒之前使液體和/或氣體燃料與工作流體預混合的多種雙燃料噴嘴。然而，改善燃料混合物的均勻性的用于將燃料供應到燃燒器的改進的燃料噴嘴和方法將是有用的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的方面和優(yōu)點在下面的描述中提出，或者可由該描述顯而易見，或者可通過實施本發(fā)明來了解。本發(fā)明的一個實施例是一種燃燒器燃料噴嘴，其包括中心主體和周向圍繞中心主體的至少一部分的內護罩，其中內護罩具有下游表面。在中心主體和內護罩之間的內環(huán)形通道，和周向圍繞內護罩的至少一部分的外環(huán)形通道，以及大致徑向向外延伸通過中心主體的第一組多個燃料端口。第一組多個燃料端口在內護罩的下游表面的上游。本發(fā)明的另一個實施例是一種燃燒器燃料噴嘴，其包括中心主體和周向圍繞中心主體的至少一部分的內護罩、在中心主體和內護罩之間的內環(huán)形通道、以及周向圍繞內護罩的至少一部分的外環(huán)形通道，其中內護罩具有下游表面。第一組多個燃料端口大致徑向向外延伸通過中心主體，其中第一組多個燃料端口在內護罩的下游表面的上游，以及從內護罩徑向向內延伸的第二組多個燃料端口。本發(fā)明還包括一種用于將燃料供應到燃燒器燃料噴嘴的方法，其包括:使工作流體流過在中心主體和內護罩之間的內環(huán)形通道；以及將來自中心主體的第一燃料對著內護罩噴射。該方法還包括使工作流體的至少一部分流過周向圍繞內護罩的至少一部分的外環(huán)形通道。通過閱讀說明書，本領域技術人員將更好地理解這些實施例的特征和方面及其 它。


在說明書的其余部分中并參考附圖更具體地描述了本發(fā)明的全面并能夠實施的
公開，包括對于本領域技術人員來說的最佳模式，在附圖中:
圖1是在本發(fā)明的范圍內的示例性燃氣渦輪的簡化剖視 圖2是圖1所示燃燒器的簡化剖視 圖3是圖2所示噴嘴組件的透視 圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的噴嘴的透視 圖5是圖4所示噴嘴的剖視 圖6是圖4所示噴嘴的一部分的透視圖；以及 圖7是圖4所示噴嘴的一部分的放大剖視圖。部件列表 10 燃氣渦輪 12 壓縮機 14 燃燒器 16 渦輪
18 轉子 20 壓室 30 端蓋組件 32 過渡件 34 燃料噴嘴 36 殼體 38 襯里 40 燃燒室
42 稀釋(dilution)通道 44 混合孔 50 中心主體 52 內護罩 54 外護罩 56 內環(huán)形通道 58 軸向流動區(qū)域 60 外環(huán)形通道 62 徑向流動區(qū)域 64 徑向延伸導葉 66 內護罩流體回路 68 內護罩下游表面 70 外護罩流體回路 72 成角度的通道 74支柱(strut)
80燃料端口
82第一組多個燃料端口
84第二組多個燃料端口
86第三組多個燃料端口
88第四組多個燃料端口。
具體實施例方式現(xiàn)在將詳細參照本發(fā)明的當前實施例，其一個或多個示例在附圖中示出。詳細描述使用數(shù)字和字母標記來表示附圖中的特征。在附圖和描述中的相同或類似的標記用于表示本發(fā)明的相同或類似的部件。如本文所用，術語“第一”、“第二”和“第三”可互換使用以區(qū)分一個部件與另一部件而并非意圖表示單個部件的位置或重要性。此外，術語“上游”和“下游”是指部件在流體路徑中的相對位置。例如，如果流體從部件A流至部件B，則部件A在部件B的上游。反之，如果部件B接納來自部件A的流體流，則部件B在部件A的下游。每個示例通過對本發(fā)明進行解釋而不是對本發(fā)明進行限制的方式提供。實際上，對本領域技術人員而言，顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，可在本發(fā)明中作出修改與變型。例如，作為一個實施例的部分而示出或描述的特征可用于另一實施例，以得到又一實施例。因此，本發(fā)明意圖包括這種落入所附權利要求及其等同物的范圍內的修改與變型。本發(fā)明的各種實施例包括燃燒器燃料噴嘴和用于將燃料提供到燃燒器的方法。燃料噴嘴通常包括中心主體、具有下游表面的內護罩、內環(huán)形通道和外環(huán)形通道。工作流體可以流過中心主體、內環(huán)形通道和/或外環(huán)形通道。定位在內護罩的下游表面的上游的第一組多個燃料端口大體徑向向外延伸通過中心主體。這樣，當工作流體穿過內環(huán)形通道并且液體燃料噴過第一組多個燃料端口時，燃料的一部分可汽化并與工作流體混合。其余液體燃料將在內護罩上預成膜(pre-film)并剪切地離開(shear off)下游表面，由此提供剩余液體燃料的細噴霧以用于與工作流體進一步混合，以便進行燃燒。雖然出于說明目的，將大體上在并入燃氣渦輪的燃燒器燃料噴嘴的背景中描述本發(fā)明的示例性實施例，但本領域技術人員將容易理解，本發(fā)明的實施例可應用于任何燃料噴嘴且不限于燃氣渦輪燃料噴嘴，除非在權利要求中明確地敘述。圖1示出在本發(fā)明的范圍內的典型燃氣渦輪10。燃氣渦輪10包括在前部處的壓縮機12、在中部周圍的一個或多個燃燒器14以及在后部處的渦輪16。壓縮機12和渦輪16通常共用公共轉子18。壓縮機12賦予工作流體(空氣)動能以使其處于高激勵狀態(tài)。壓縮的工作流體離開壓縮機12并流至每個燃燒器14。參看圖2，每個燃燒器14包括在一端處的端蓋組件30和在另一端處的過渡件32。端蓋組件30包括一個或多個燃料噴嘴34。殼體36圍繞每個燃燒器14以包含從壓縮機12流出的壓縮的工作流體。殼體36內部的襯里38在周邊圍繞每個燃燒器14的一部分以限定在每個燃燒器14中的燃燒室40。壓縮的工作流體通過稀釋通道42進入，并且沿襯里38的外部行進(如由箭頭所示)以冷卻襯里38。壓縮的工作流體的一部分通過混合孔44進入燃燒室40，并且其余壓縮的工作流體在端蓋30處反轉方向且通過一個或多個燃料噴嘴34進入燃燒室。圖3提供了圖2中所示的端蓋組件30的透視圖。每個燃料噴嘴34將燃料與壓縮的工作流體混合。燃料和工作流體的混合物在燃燒室40中點燃，如圖2所示，以生成具有高溫、高壓和高速的燃燒氣體。燃燒氣體通過過渡件32流至渦輪16，在渦輪16中燃燒氣體膨脹做功。圖4提供了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的燃料噴嘴34的透視圖，并且圖5提供了圖4中所示燃料噴嘴34的剖視圖。如圖4和圖5所示，燃料噴嘴34通常包括中心主體50、如圖5所示的內護罩52、以及外護罩54。中心主體50和內護罩52限定在中心主體50和內護罩52之間的內環(huán)形通道56，并且內環(huán)形通道提供軸向流動區(qū)域58。內護罩52和外護罩54限定周向圍繞內護罩52的至少一部分的外環(huán)形通道60且提供徑向流動區(qū)域62。如圖5所示，中心主體50可提供通過燃料噴嘴34且進入燃燒室40的流體連通。中心主體50可構造成使工作流體、液體和/或氣體燃料流動。噴嘴34可包括多個導葉64，多個導葉64在中心主體50與內護罩52之間徑向延伸，以便在工作流體跨導葉64且通過軸向流動區(qū)域58行進時賦予工作流體軸向旋渦。在特定實施例中，中心主體50可通過端蓋組件30和/或通過內護罩52與外護罩52從后面安裝，由此允許從燃料噴嘴34移除和/或替換中心主體50。這樣，可顯著減少替換/修理燃料噴嘴34的中心主體50所需的成本的停機時間。中心主體50可以徑向向外發(fā)散和/或徑向向內會聚，并且中心主體50可以是例如任何形狀，其不必須是圓形、柱形或對稱的。如圖5所示，內護罩52周向圍繞中心主體50的至少一部分且形成在中心主體和內護罩52之間的內環(huán)形通道56。內環(huán)形通道56提供了在中心主體50和內護罩52之間的軸向流動區(qū)域58。內護罩52將工作流體導向通過軸向流動區(qū)域58。內護罩52可包括一個或多個流體回路66，并且一個或多個流體回路66可構造成流過液體或氣體燃料。內護罩52具有下游表面68。在特定實施例中，下游表面68可終止于尖端(point)處。例如，可以在終點處沿下游表面68形成鋒利邊緣或刀刃。備選地或此外，內護罩52可朝中心主體50會聚以縮窄內環(huán)形通道56的寬度。這樣，當工作流體穿過軸向流動區(qū)域58時，會聚的內護罩52可以使工作流體加速并沿中心主體50在軸向方向上導向工作流體。類似地，內護罩52可從外護罩54發(fā)散。這樣，當工作流體進入外環(huán)形通道58并進入徑向流動區(qū)域62時，發(fā)散的內護罩52可提供屏障以將徑向流動區(qū)域62與軸向流動區(qū)域58隔離，并且可從內護罩52的下游表面68向下游軸向導向工作流體。外護罩54周向圍繞內護罩52的至少一部分和/或中心主體50以限制流過燃料噴嘴34的工作流體和/或燃料。如在圖5中最清楚示出的，外護罩54可包括一個或多個流體回路70，并且一個或多個流體回路70可構造成流過液體或氣體燃料。外護罩54可以是單獨的結構，或者它可一體地連接到內護罩52。外護罩54和/或內護罩52可例如通過支柱74或通過用于支撐結構的任何其它手段剛性地連接到燃燒器。這樣，中心主體50可通過后部裝載方式插入通過內護罩52和外護罩54。此外，外護罩54可包括用于使流過燃料噴嘴34的工作流體和/或燃料成徑向漩渦的結構。例如，如圖6所示，外護罩54可包括通過該外護罩的多個成角度的通道72。成角度的通道72可賦予工作流體和/或液體或氣體燃料徑向漩渦，以便促進工作流體與液體或氣體燃料在徑向流動區(qū)域62內的混合。此夕卜，根據(jù)特定實施例，成角度的通道72可在與由中心主體50徑向延伸導葉64在軸向流動區(qū)域58內提供的漩渦相同方向或相反方向上賦予流過燃料噴嘴34的工作流體和/或燃料徑向漩渦。外護罩54可在內護罩下游表面68的下游徑向向內會聚。這樣，預混合的工作流體和燃料在其膨脹到燃燒室34內用于燃燒之前離開燃料噴嘴34時可以變得壓縮和/或加速，由此降低在燃料噴嘴34的出口平面處火焰保持或回火的風險。圖7提供了圖4所示燃料噴嘴34的一部分的放大剖視圖。如圖6和圖7所示，燃料噴嘴34可包括在中心主體50、內護罩52和外護罩54中的一個或多個中的多個燃料端口。每個燃料端口可以徑向、軸向和/或在方位上(azimuthally)成角度，以向流過燃料端口且進入燃料噴嘴34的燃料投射和/或賦予漩渦。燃料端口中的每一個可構造成流過氣體和/或液體燃料。在特定實施例中，如圖7所示，第一組多個燃料端口 82可大致徑向向外延伸通過中心主體50，并且可獨立地或結合多個燃料端口中的一個或多個操作。第一組多個燃料端口 82在內護罩52的下游表面68的上游，并且可構造成提供氣體或液體燃料。這樣，當?shù)谝唤M多個燃料端口 82將液體燃料從中心主體50徑向向外噴出并且進入內環(huán)形通道56時，液體燃料的至少一部分在其穿過軸向流動區(qū)域58時將被汽化并與工作流體混合。然而，液體燃料的其余部分通常將撞擊內護罩52。結果，軸向流動區(qū)域58中的工作流體將造成其余液體燃料在內護罩52上預成膜，同時其將預成膜的液體燃料跨會聚的內護罩下游表面68轉移。當預成膜的流體與帶刀刃的下游表面68分開時，其可被剪切成小滴并分布到形成于軸向流動區(qū)域58和徑向流動區(qū)域62內的逆向旋轉的空氣流中。結果，在燃燒之前為改善的燃料和工作流體混合提供了非常微小且一致的液體燃料噴霧，由此減少了控制燃燒排放所需的水或其它添加劑的量，并且進一步提高了仍依靠液體燃料運轉時的燃氣渦輪的總效率。此外，當液體燃料從中心主體50徑向向外噴射時，內護罩52將至少部分地使在軸向流動區(qū)域58中的液體燃料和工作流體混合物與徑向流動區(qū)域62隔離，由此允許在燃氣渦輪操作期間對內部和外部燃料混合分流(split)進行更大的控制。第二組多個燃料端口 84可將燃料從內護罩徑向向內導向且進入軸向流動區(qū)域58，并且可獨立地或結合多個燃料端口中的一個或多個操作。第二組多個燃料端口 84可構造成流過氣體或液體燃料。當氣體燃料從第二組多個燃料端口 84噴射且進入軸向流動區(qū)域58時，氣體燃料將至少部分地與工作流體混合并將跨內護罩下游表面68而轉移。在某些實施例中，內護罩下游表面68可會聚和終止于尖端處。結果，內護罩下游表面68可沿中心主體50大體軸向地加速和導向工作流體與氣體燃料的混合物，由此至少部分地隔離軸向流動區(qū)域58與徑向流動區(qū)域62，從而在燃氣渦輪的操作期間對內部和外部燃料混合分流進行更大的控制。第三組多個燃料端口 86可從外護罩54徑向向內延伸，并且獨立地或結合多個燃料端口中的一個或多個操作。在一些實施例中，第三組多個燃料端口 86可位于多個成角度的通道72上。第三組多個燃料端口 86可構造成流過氣體或液體燃料。這樣，當氣體燃料從第三組多個燃料端口 86噴射且進入徑向流動區(qū)域62時，氣體燃料將與工作流體至少部分地混合以便在燃燒室40中燃燒。此外，在徑向流動區(qū)域62中預混合的工作流體和燃料可至少部分地與軸向流動區(qū)域隔離，由此允許在燃氣渦輪的操作期間對內部和外部燃料混合分流進行更大的控制。在內護罩52的下游表面68下游的第四組多個燃料端口 88可大致徑向向外延伸通過中心主體50，并可構造成流過液體或氣體燃料。在某些實施例中，液體燃料可從第四組多個燃料端口 88噴射且進入燃料噴嘴34的徑向流動區(qū)域62。這樣，當液體燃料和工作流體進入徑向流動區(qū)域62時，液體燃料的至少一部分將被汽化并與工作流體混合。然而，液體燃料的其余部分可被由分別來自軸向流動區(qū)域58和徑向流動區(qū)域62兩者的逆向旋轉的工作流體所產(chǎn)生的強剪力吹風(air blasted)。當液體燃料遇到這種剪力時,液體燃料可被進一步汽化，由此導致微小且一致的液體燃料薄霧。結果，汽化的液體燃料在燃燒之前將更容易與工作流體預混合。關于圖1至圖7所示出和描述的各種實施例也可提供用于供應燃料到燃燒器10的方法。該方法可包括:使工作流體流過在中心主體50與內護罩52之間的內環(huán)形通道56 ；將來自中心主體50的第一燃料對著內護罩52噴射；以及使工作流體的至少一部分流過周向圍繞內護罩52的至少一部分的外環(huán)形通道60。在特定實施例中，該方法還可包括將液體燃料從中心主體50徑向向外噴入內環(huán)形通道56，以便將工作流體與液體燃料預混合。此夕卜，該方法還可包括使液體燃料沿內護罩52預成膜，其中內護罩朝中心主體50徑向向內會聚，并且下游表面68終止于尖端處。例如，下游表面68可形成刀刃。該方法還可包括使流過內環(huán)形通道56的工作流體在第一方向上成漩渦以及使流過外環(huán)形通道60的工作流體在第二方向上成鏇潤，其中第一方向與第二方向相反。該書面描述用示例來公開包括最佳模式的本發(fā)明，并且使任何本領域技術人員能實施本發(fā)明，包括制造和使用任何設備或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何合并的方法。本發(fā)明的可專利范圍由權利要求所限定，并且可包括本領域技術人員所想到的其它示例。如果這種其它示例包括與所附權利要求的字面語言沒有不同的結構元件，或者如果它們包括與所附權利要求的字面語言無實質差別的等同結構元件，則這種其它示例意圖在所附權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種燃燒器燃料噴嘴，包括: a.中心主體； b.內護罩，其周向圍繞所述中心主體的至少一部分，其中，所述內護罩具有下游表面； c.內環(huán)形通道，其在所述中心主體與所述內護罩之間； d.外環(huán)形通道，其周向圍繞所述內護罩的至少一部分；以及 e.第一組多個燃料端口，其大致徑向向外延伸通過所述中心主體，其中，所述第一組多個燃料端口在所述內護罩的下游表面的上游。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃燒器燃料噴嘴，其特征在于，所述內護罩的下游表面終止于尖端處。
3.根據(jù)權利要求1所述的燃燒器燃料噴嘴，其特征在于，所述內護罩朝所述中心主體會聚以縮窄所述內環(huán)形通道。
4.根據(jù)權利要求1所述的燃燒器燃料噴嘴，其特征在于，還包括在所述中心主體和所述內護罩之間徑向延伸的多個導葉。
5.根據(jù)權利要求1所述的燃燒器燃料噴嘴，其特征在于，還包括從所述內護罩徑向向內延伸的第二組多個燃料端口。
6.根據(jù) 權利要求1所述的燃燒器燃料噴嘴，其特征在于，還包括周向圍繞所述內護罩的至少一部分的外護罩。
7.根據(jù)權利要求6所述的燃燒器燃料噴嘴，其特征在于，還包括從所述外護罩徑向向內延伸的第三組多個燃料端口。
8.根據(jù)權利要求6所述的燃燒器燃料噴嘴，其特征在于，還包括大致徑向向外延伸通過所述中心主體的第四組多個燃料端口，其中，所述第四組多個燃料端口在所述內護罩的下游表面的下游。
9.根據(jù)權利要求6所述的燃燒器燃料噴嘴，其特征在于，還包括通過所述外護罩的多個成角度的通道。
10.一種燃燒器燃料噴嘴，包括: a.中心主體； b.內護罩，其周向圍繞所述中心主體的至少一部分，其中，所述內護罩具有下游表面； c.內環(huán)形通道，其在所述中心主體與所述內護罩之間； d.外環(huán)形通道，其周向圍繞所述內護罩的至少一部分； e.第一組多個燃料端口，其大致徑向向外延伸通過所述中心主體，其中，所述第一組多個燃料端口在所述內護罩的下游表面的上游；以及 f.第二組多個燃料端口，其從所述內護罩徑向向內延伸。
11.根據(jù)權利要求10所述的燃燒器燃料噴嘴，其特征在于，所述內護罩的下游表面終止于尖端處。
12.根據(jù)權利要求10所述的燃燒器燃料噴嘴，其特征在于，所述內護罩朝所述中心主體會聚以縮窄所述內環(huán)形通道的寬度。
13.根據(jù)權利要求10所述的燃燒器燃料噴嘴，其特征在于，還包括在所述中心主體與所述內護罩之間徑向延伸的多個導葉。
14.根據(jù)權利要求10所述的燃燒器，其特征在于，所述中心主體通過所述內護罩從后面安裝。
15.根據(jù)權利要求10所述的燃燒器燃料噴嘴，其特征在于，還包括周向圍繞所述內護罩的至少一部分的外護罩。
16.根據(jù)權利要求14所述的燃燒器燃料噴嘴，其特征在于，還包括從所述外護罩徑向向內延伸的第三組多個燃料端口。
17.根據(jù)權利要求14所述的燃燒器燃料噴嘴，其特征在于，還包括大致徑向向外延伸通過所述中心主體的第四組多個燃料端口，其中，所述第四組多個燃料端口在所述內護罩的下游表面的下游。
18.根據(jù)權利要求14所述的燃燒器燃料噴嘴，其特征在于，還包括通過所述外護罩的多個成角度的通道。
19.一種用于將燃料供應到燃燒器燃料噴嘴的方法，包括: a.使工作流體流過在中心主體與內護罩之間的內環(huán)形通道； b.將來自所述中心主體的第一燃料對著所述內護罩噴射；以及 c.使所述工作流體的至少一部分流過周向圍繞所述內護罩的至少一部分的外環(huán)形通道。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，其特征在于，還包括使所述第一燃料沿所述內護罩預成膜，其中，所述第一燃料為液體燃料，并且所述內護罩包括終止于尖端處的下游表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃燒器燃料噴嘴和用于供應燃料到燃燒器的方法。更具體而言，一種燃燒器燃料噴嘴包括中心主體和周向圍繞中心主體的至少一部分的內護罩。內護罩具有下游表面。燃料噴嘴包括在中心主體與內護罩之間的內通道、周向圍繞內護罩的至少一部分的外通道、以及大致徑向向外延伸通過中心主體的第一組多個燃料端口。第一組多個燃料端口在內護罩的下游表面的上游。一種用于將燃料供應到燃燒器燃料噴嘴的方法包括使工作流體流過在中心主體與內護罩之間的內通道；將來自中心主體的燃料對著內護罩噴射；以及使工作流體的一部分流過圍繞內護罩的至少一部分的外通道。
文檔編號F23R3/28GK103196156SQ20131000313
公開日2013年7月10日 申請日期2013年1月6日 優(yōu)先權日2012年1月5日
發(fā)明者G.A.博德曼, R.J.基拉, J.F.麥康瑙希 申請人:通用電氣公司