專利名稱：用于冷卻燃料噴射器的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文中公開的主題涉及燃料噴射器，并且更特別地，涉及用于氣化器的燃料噴射器。
背景技術(shù)：
多種燃燒系統(tǒng)使用燃料噴射器來將燃料噴射到燃燒室中。例如，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電裝置包括具有一個(gè)或更多個(gè)燃料噴射器的氣化器。燃料噴射器將燃料(諸如，有機(jī)給料)連同氧和蒸汽一起供應(yīng)到氣化器中以生成合成氣。大體上，燃燒在燃料噴射器下游發(fā)生。然而，來自燃燒的火焰和/或熱的鄰近可降低和/或縮短燃料噴射器的壽命，特別是如果燃料噴射器超過一定溫度。例如，燃料噴射器可經(jīng)受朝向末端和/或接近火焰的其它位置增大的較高溫度。不幸地，現(xiàn)有燃料噴射器可經(jīng)受由高應(yīng)力和/或應(yīng)變引起的過早磨損，該高應(yīng)力和/或應(yīng)變由氣化器內(nèi)的高溫引起。

發(fā)明內(nèi)容
在下面概括在范圍上與最初要求權(quán)利的本發(fā)明相稱的某些實(shí)施例。這些實(shí)施例不意圖限制要求權(quán)利的本 發(fā)明的范圍，而是相反地，這些實(shí)施例僅意圖提供本發(fā)明的可能形式的簡要概括。實(shí)際上，本發(fā)明可包含可與在下面提出的實(shí)施例相似或不同的各種形式。在第一實(shí)例中，一種系統(tǒng)包括氣化器和氣化燃料噴射器。氣化燃料噴射器可包括末端部分、布置在末端部分中的冷卻劑室，以及布置在冷卻劑室的內(nèi)表面上的許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在第二實(shí)例中，一種系統(tǒng)包括氣化器或反應(yīng)器和燃料噴射器。燃料噴射器可包括構(gòu)造成噴射燃料的燃料通路、構(gòu)造成噴射氧的氧通路、可包括內(nèi)環(huán)形壁和外環(huán)形壁的環(huán)形冷卻劑室，以及布置在內(nèi)環(huán)形壁或外環(huán)形壁的內(nèi)表面上的許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在第三實(shí)例中，一種方法包括將來自布置在燃料噴射器中的燃料通路的燃料噴射到反應(yīng)室中，將來自布置在燃料噴射器中的氧通路的氧噴射到反應(yīng)室中，使冷卻劑流過布置在燃料噴射器的末端部分中的冷卻劑室。冷卻劑室包括布置在冷卻劑室的內(nèi)表面上的許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)。


當(dāng)參考附圖閱讀下列詳細(xì)描述時(shí)，將更好地理解本發(fā)明的這些和其它的特征、方面和優(yōu)點(diǎn)，其中，同樣的標(biāo)記在所有附圖中表示同樣的部件，其中:圖1為包括燃料噴射器的實(shí)例的氣化器的截面?zhèn)纫? 圖2為在線2-2內(nèi)截取的圖1的燃料噴射器的實(shí)例的局部軸向截面，其示出了關(guān)于燃料噴射器的軸向軸線同軸的許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)；
圖3為在線2-2內(nèi)截取的圖1的燃料噴射器的實(shí)例的局部軸向截面，其示出了與燃料噴射器的徑向軸線和/或軸向軸線對齊的許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)；
圖4為在線2-2內(nèi)截取的圖1的燃料噴射器的實(shí)例的局部軸向截面，其示出了與燃料噴射器的軸向軸線對齊的許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)的第一部分和與燃料噴射器的周向軸線(例如，關(guān)于縱向軸線同軸)對齊的許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)的第二部分；
圖5為在線2-2內(nèi)截取的圖1的燃料噴射器的實(shí)例的局部截面，其示出了構(gòu)造為關(guān)于燃料噴射器的軸向軸線同軸的凸起的許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)；以及
圖6為具有包括許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)的冷卻劑 室的燃料噴射器的實(shí)例的局部軸向截面。部件列表 180燃料噴射器 150軸向方向 152徑向方向 154周向方向 156封殼 158第一端部 160第二端部 162中間部分 164頂壁 166底壁 168側(cè)壁 170熱障層 172壁組件 174外部 176內(nèi)部 178氣化室 180燃燒噴射器 186縱向軸線 187 出口 188距離 190噴射軸線 194箭頭 196向下方向 204出口軸線 216上游側(cè) 218末端 220冷卻劑室222內(nèi)壁 224外壁 226外表面 228內(nèi)表面 230外表面 232內(nèi)表面 234內(nèi)部結(jié)構(gòu) 236弓形凹槽 237突起部分 238深度 239壁厚度 240寬度 242分離距離 244環(huán)形邊緣 246外部結(jié)構(gòu) 248徑向凹槽 249突起部分 250深度 252寬度 254分離距離 256第一部分 258第二部分 280環(huán)形凸起 281凹入部分 282聞度 284寬 度 290凸起 291凹部 292聞度 294寬度 296分離距離 310氧
312第一氧通路 314燃料 316燃料通路 318第二氧通路 320冷卻盤管。
具體實(shí)施方式
將在下面描述本申請的一個(gè)或更多個(gè)特定實(shí)施例。為了提供這些實(shí)施例的簡明描述，可不在說明書中描述實(shí)際實(shí)施的所有特征。應(yīng)當(dāng)理解，在任何這種實(shí)際實(shí)施的開發(fā)中，如在任何工程或設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，必須作出許多特定實(shí)施決定以實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的特定目的，諸如符合系統(tǒng)相關(guān)且商業(yè)相關(guān)的約束，這可從一個(gè)實(shí)施變化到另一個(gè)實(shí)施。此外，應(yīng)當(dāng)理解，這種開發(fā)努力可為復(fù)雜且耗時(shí)的，但是對于受益于本公開的技術(shù)人員而言，仍將是設(shè)計(jì)、制作和制造的日常工作。當(dāng)介紹本申請的各種實(shí)施例的元件時(shí)，冠詞“一”、“一個(gè)”、“該”和“所述”意圖表示存在元件中的一個(gè)或更多個(gè)。用語“包括”、“包含”和“具有”意圖是包含的，并且表示可存在除了列出的元件之外的附加元件。燃燒系統(tǒng)可利用燃料噴射器來將燃料和任選的其它流體噴射到燃燒室中。例如，IGCC發(fā)電裝置可具有氣化器，其包括一個(gè)或更多個(gè)氣化燃料噴射器。因?yàn)槿紵l(fā)生在燃料噴射器的末端附近，所以末端可暴露于高達(dá)大約1，300攝氏度(C)的溫度。另外，熱燃燒氣體可朝向燃料噴射器往回再循環(huán)。即使噴射器由特別地設(shè)計(jì)用于高溫的材料制成，這種高溫可使燃料噴射器退化。因此，不同的冷卻方法可用于延長燃料噴射器的壽命。例如，燃料噴射器末端可具有集成冷卻劑室，冷卻劑可流過該集成冷卻劑室。然而，當(dāng)在沒有公開的冷卻技術(shù)的情況下使用這種方法時(shí)，燃料噴射器的外表面可暴露于熱的再循環(huán)氣體，而燃料噴射器的內(nèi)表面可與冷卻劑接觸。例如，冷卻劑的溫度可為大約40°C，從而導(dǎo)致從燃料噴射器的外表面到內(nèi)表面的大約1，260°C的溫差。這種大溫度梯度可導(dǎo)致燃料噴射器的末端附近的裂紋。具體地，高溫和溫度波動(dòng)可引起末端附近的徑向裂紋。另外，由高溫梯度引起的高應(yīng)變力可引起周向裂紋。設(shè)計(jì)用于增大的強(qiáng)度的較厚冷卻劑室壁可阻止有助于較大溫度梯度和裂紋的熱傳遞。這種裂紋可縮短燃料噴射器的壽命。為了解決這些問題，在下面描述的各種實(shí)例中，燃料噴射器包括布置在環(huán)形冷卻劑室的內(nèi)表面上的許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)。許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)可引起流過環(huán)形冷卻劑室的冷卻劑的湍流。通過引起冷卻劑的湍流，橫跨環(huán)形冷卻劑室壁的熱傳遞可增大，由此減小橫跨壁的溫度梯度。許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)還增大環(huán)形冷卻劑室的內(nèi)表面的表面面積，由此增大橫跨室壁的對流熱傳遞。通過增大橫跨壁的熱傳遞，橫跨(或穿過)壁的溫度梯度可減小。許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)而可有助于減小環(huán)形冷卻劑室中的熱應(yīng)力，并且增大環(huán)形冷卻劑室的柔性。減小的溫度梯度、減小的應(yīng)力和增大的柔性和減小的應(yīng)變可有助于通過減少熱裂紋的形成和/或頻率和燃料噴射器的其它退化而延長燃料噴射器的壽命。此外，將許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)添加于環(huán)形冷卻劑室可在機(jī)械上為簡單的，并且可不促進(jìn)流過環(huán)形冷卻室的冷卻劑的過度壓力損失?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，圖1為包括燃料噴射器180的實(shí)例的氣化器106的截面?zhèn)纫晥D。在另外的實(shí)例中，燃料噴射器180可布置在類似裝置中，該類似裝置諸如但不受限于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)、燃燒系統(tǒng)、鍋爐、反應(yīng)器、燃燒器或它們的任何組合。如在下面詳細(xì)討論的，燃料噴射器180的各種實(shí)例可包括布置在燃料噴射器180的環(huán)形冷卻劑室的內(nèi)表面上的許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)。氣化器106可具有軸向軸線或軸向方向150、徑向軸線或徑向方向152,以及周向軸線或周向方向154。氣化器106包括也被稱為殼的封殼156,封殼156用作用于氣化器106的殼體或外 殼。封殼156包括第一端部158和第二端部160。中間部分162由封殼156的區(qū)段限定，該區(qū)段軸向地位于第一端部158與第二端部160之間。第一端部158和第二端部160分別包括圓頂形頂壁164和三角形(例如，錐形)底壁166。平行于軸線150的側(cè)壁168(例如，環(huán)形側(cè)壁)布置在頂壁164與底壁166之間的中間部分162中。不出的實(shí)例還包括同心地布置在封殼156內(nèi)部的熱障層170。熱障層170和封殼156形成壁組件172，其使氣化器106的外部174與氣化器106的內(nèi)部176分離。內(nèi)部176包括氣化室178或燃燒室，其中，高溫分解、燃燒、氣化或它們的組合可發(fā)生。壁組件172構(gòu)造成阻擋熱傳遞和氣體成分在氣化期間從內(nèi)部176到外部174的泄漏。另外，熱障層170可構(gòu)造成將封殼156的表面溫度保持在期望的溫度范圍內(nèi)。因此，熱障層170可包括被動(dòng)防護(hù)、主動(dòng)冷卻，或它們的組合。例如，熱障層170或耐火保溫襯層可由在暴露于高溫之后保持其預(yù)定物理特性和化學(xué)特性的任何材料制成。在圖1中示出的實(shí)例中，燃料噴射器180布置在封殼156的第一端部158的頂壁164中。燃料噴射器180從出口 187縱向地偏置距離188，并且包括噴射軸線190，其確定源于燃料噴射器180的流的大體方位。燃料噴射器180可構(gòu)造成將燃料、氧(例如，空氣或任何含氧混合物)、冷卻氣體(例如，二氧化碳、氮或抗燃?xì)怏w)，或燃料、氧和冷卻氣體的混合物噴射到氣化室178中。例如，燃料噴射器180可噴射呈含碳給料形式的燃料，諸如，煤、石油或生物質(zhì)。實(shí)際上，燃料噴射器180可噴射適合于經(jīng)由氣化生產(chǎn)合成氣體或合成氣的任何材料(例如，有機(jī)材料，諸如木材或塑料廢物)。在某些實(shí)例中，燃料可為液體漿，諸如煤漿。在其它實(shí)例中，燃料噴射器180可噴射單獨(dú)的或與適合的燃料組合的受控量的氧和/或蒸汽。在特定實(shí)例中，燃料噴射器180可包括一個(gè)或更多個(gè)通路。例如，燃料噴射器180可包括噴射燃料的一個(gè)或更多個(gè)燃料通路和噴射氧的一個(gè)或更多個(gè)氧通路。在示出的實(shí)例中，噴射軸線190平行于軸線150，并且垂直于氣化器106的徑向軸線152。換言之，噴射軸線190平行于縱向軸線186。這種特征具有如下效果，即，在使用期間將沿如以箭頭194指示的大體向下方向(例如，下游流動(dòng)方向)從燃料噴射器180出現(xiàn)的流體流引導(dǎo)穿過氣化室178。在某些實(shí)例中，噴射軸線190可引導(dǎo)成以大約O度至45度、O度至30度、O度至20度或O度至10度之間的角度遠(yuǎn)離縱向軸線186。此外，燃料噴射器180的某些實(shí)例可提供發(fā)散的噴霧，例如，源于燃料噴射器180的流體流可沿如以附圖標(biāo)記196指示的大體向下方向(例如，下 游流動(dòng)方向)朝向側(cè)壁168向外發(fā)散。在氣化器106的示出實(shí)例中，產(chǎn)生的合成氣沿大體由出口軸線204限定的路徑經(jīng)由出口 187從氣化器106出現(xiàn)。就是說，合成氣經(jīng)由氣化器106的底壁166中的位置離開氣化器106。然而，應(yīng)當(dāng)注意，本文中公開的氣化器設(shè)計(jì)可與多種其它氣化系統(tǒng)一起使用，其中，出口未布置在底壁中。例如，公開的實(shí)例可結(jié)合引射流氣化器使用。在這種實(shí)例中，穿過氣化室178的流動(dòng)方向可向上穿過氣化器106，S卩，沿與箭頭194相反的方向。在這些系統(tǒng)中，產(chǎn)生的合成氣可離開位于氣化器106的頂壁164上或附近的出口，而熔渣可通過底壁166離開。對于另外的實(shí)例，公開的實(shí)例可使用在流化床氣化器中。同樣地，因?yàn)榱鲃?dòng)方向大體向上，所以這種裝置中的出口可位于氣化器106的頂壁164附近。圖2為根據(jù)實(shí)例的在線2-2內(nèi)截取的圖1的燃料噴射器180的局部軸向截面。如圖2所示，縱向軸線186穿過燃料噴射器180的中心，并且與軸向軸線150對齊。燃料噴射器180具有上游側(cè)216，給料、氧、冷卻氣體和其它材料可源于上游側(cè)216。燃料噴射器180還具有末端218，在末端218處，給料、氧、冷卻氣體和其它材料可離開。因此，末端218為用于材料的出口。如圖2所示，燃料噴射器180包括布置在末端218中的環(huán)形冷卻劑室220。冷卻劑(例如，液體和/或氣體)可流過環(huán)形冷卻劑室220以有助于冷卻末端218。冷卻劑的實(shí)例包括但不受限于水、蒸汽、二氧化碳和氮。然而，冷卻劑可包括適合的冷卻劑氣體、冷卻劑液體、冷卻劑混合物，或它們的任何組合。由于這些材料中的每一種具有不同的熱傳遞特性，故特別冷卻劑可取決于燃料噴射器180的特別冷卻要求而選定。通過從熱燃燒氣體吸收熱并且將熱從燃料噴射器180運(yùn)走，環(huán)形冷卻劑室220有助于保護(hù)末端218免受高溫退化。圖2中示出的環(huán)形冷卻劑室220可包括內(nèi)環(huán)形壁222和外環(huán)形壁224。內(nèi)環(huán)形壁222可與流過燃料噴射器180的材料接觸，而外環(huán)形壁224可與熱燃燒氣體接觸。由于流過燃料噴射器180的材料和熱燃燒氣體的不同溫度，故內(nèi)環(huán)形壁222的溫度可小于外環(huán)形壁224的溫度。內(nèi)環(huán)形壁222可包括相對于冷卻劑室220的外表面226和內(nèi)表面228。外表面226可與流過燃料噴射器180的材料接觸，而內(nèi)表面228可與流過環(huán)形冷卻劑室220的冷卻劑接觸。類似地，外環(huán)形壁224可包括相對于冷卻劑室220的外表面230和內(nèi)表面232。外表面230可與熱燃燒氣體接觸，而內(nèi)表面232可與流過環(huán)形冷卻劑室220的冷卻劑接觸。如圖2所示，許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)234可布置在外環(huán)形壁224的內(nèi)表面232上。在示出的實(shí)例中，許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)234包括關(guān)于縱向軸線186同軸的弓形凹槽236和突起部分237。換言之，環(huán)形凹槽236和環(huán)形突起部分237可沿周向方向154環(huán)繞縱向軸線186。在其它實(shí)例中，環(huán)形凹槽236和環(huán)形突起部分237可為分離的或者彼此連接(例如，沿周向方向154和軸向方向150兩者繞著縱向軸線186螺旋)。在示出的實(shí)例中，凹槽236具有半圓截面形狀。在其它實(shí)例中，凹槽236的截面形狀可為圓的一部分、橢圓、正方形、矩形、多邊形或它們的任何組合。具體地，凹槽236的截面形狀可選定成引起流過環(huán)形冷卻劑室220的冷卻劑的湍流。例如，由于冷卻劑移動(dòng)穿過凹槽236和突起部分237中的每一個(gè)，故沿軸向方向150流過環(huán)形冷卻劑室220的冷卻劑可變成湍流。另外，凹槽236可由相對于突起部分237的深度238限定。具有較大深度238的凹槽236相比于具有較小深度238的凹槽236可引起更多冷卻劑湍流。另外，深度238可小于外環(huán)形壁厚度239。因此，凹槽236未延伸穿過外環(huán)形壁224。在某些實(shí)例中，深度238可在外環(huán)形壁厚度239的大約20%至80%、30%至70%或40%至50%之間。另外，凹槽236可由寬度240限定，寬度240可選定成提供期望量的冷卻劑湍流。凹槽236中的每一個(gè)可以以分離距離242(例如，突起部分237的寬度)分離，分離距離242也可選定成提供期望量的冷卻劑湍流。在某些實(shí)例中，凹槽236和突起部分237可沿外環(huán)形壁224的內(nèi)表面232的全部或一部分布置。在另外的實(shí)例中，凹槽236和突起部分237可沿內(nèi)環(huán)形壁222的內(nèi)表面228的全部或一部分布置。在又一些實(shí)例中，凹槽236和突起部分237可沿內(nèi)表面228和232兩者的全部或一部分布置。另外，凹槽236和突起部分237的形狀、深度238、寬度240和分離距離242可調(diào)整成將流過環(huán)形冷卻劑室220的冷卻劑的壓降保持在閾值以下。圖2中示出的凹槽236和突起部分237還可增大內(nèi)表面228和232中的一個(gè)或兩者的表面面積，這可增大橫跨內(nèi)環(huán)形壁222和外環(huán)形壁224中的一個(gè)或兩者的對流熱傳遞。另外，凹槽236和突起部分237可有助于減小橫跨外環(huán)形壁224或內(nèi)環(huán)形壁222的厚度239的溫度梯度，由此有助于減小燃料噴射器180的熱應(yīng)力和熱開裂。如圖2所示 ，在某些實(shí)例中，燃料噴射器180可包括布置在外環(huán)形壁224的外表面230上的許多外部結(jié)構(gòu)246。在其它實(shí)例中，許多外部結(jié)構(gòu)246可布置在外表面226和230中的一個(gè)或兩者上。具體地，許多外部結(jié)構(gòu)246可沿軸向方向150和/或徑向方向152從形成在外表面226和230的交叉部處的環(huán)形邊緣244延伸。換言之，許多外部結(jié)構(gòu)246中的每一個(gè)可與穿過燃料噴射器180的徑向軸線152和軸向軸線150的平面對齊(或成角度)。在其它實(shí)例中，許多外部結(jié)構(gòu)246可與燃料噴射器180的徑向軸線152成角度地對齊。在示出的實(shí)例中，許多外部結(jié)構(gòu)246可包括徑向凹槽248和突起部分249。與環(huán)形凹槽236 一樣，徑向凹槽248的截面形狀可包括圓的一部分、橢圓、正方形、矩形、多邊形或它們的任何組合。另外，徑向凹槽248可由深度250和寬度252限定，深度250和寬度252可選定成有助于減小末端218中的應(yīng)力、減小末端218中的應(yīng)變、增大末端218的熱傳遞系數(shù)、增大末端218的柔性，或它們的任何組合。換言之，徑向凹槽248可有助于減小沿周向方向154的應(yīng)力和/或應(yīng)變，由此減小末端218的開裂和其它退化。另外，徑向凹槽248和突起部分249可引導(dǎo)從末端218離開的材料流，由此有助于形成燃料噴射器180下游的人字形類型(或V形類型)的流體噴射方式。此外，徑向凹槽248可以以分離距離254(例如，突起部分249的寬度)分離，分離距離254可選定成調(diào)整從末端218離開的材料的方式。例如，流過燃料噴射器180的材料的第一部分256可在凹槽248之間的空間中流動(dòng)，而材料的第二部分258可流過徑向凹槽248。流過第一部分256和第二部分258的材料的速度可彼此不同，由此形成人字形類型(或V形類型)的流體噴射方式。圖2中示出的凹槽248和突起部分249還可增大外表面226和230中的一個(gè)或兩者的表面面積，這可增大橫跨內(nèi)環(huán)形壁222和外環(huán)形壁224中的一個(gè)或兩者的對流熱傳遞。另外，凹槽248和突起部分249可有助于減小橫跨外環(huán)形壁224或內(nèi)環(huán)形壁222的厚度239的溫度梯度，由此有助于減小燃料噴射器180的熱應(yīng)力和熱開裂。圖3為根據(jù)實(shí)例的在線2-2內(nèi)截取的圖1的燃料噴射器180的局部軸向截面。在示出的實(shí)例中，許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)234中的每一個(gè)與徑向軸線152和/或軸向軸線150對齊。因此，許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)234可引起流過環(huán)形冷卻劑室220的冷卻劑沿繞著軸線186的周向方向154的湍流。在其它實(shí)例中，許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)234可與燃料噴射器180的徑向軸線152成角度地對齊。換言之，許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)234可與穿過燃料噴射器180的徑向軸線152和軸向軸線
150的平面成角度。在另外的實(shí)例中，許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)234可布置在內(nèi)表面228和232中的一個(gè)或兩者上。另外，許多·外部結(jié)構(gòu)246為弓形，并且關(guān)于軸向軸線150同軸。在某些實(shí)例中，環(huán)繞縱向軸線186的環(huán)形凹槽248和環(huán)形突起部分249可為分離的或者彼此連接(例如，均沿軸向方向150和周向方向154延伸的螺旋凹槽248和螺旋突起部分249)。因此，許多外部結(jié)構(gòu)246可引起沿外環(huán)形壁224的外表面230流動(dòng)的熱燃燒氣體的湍流，由此增大外環(huán)形壁224的熱傳遞系數(shù)。在其它實(shí)例中，許多外部結(jié)構(gòu)246可布置在外表面226和230中的一個(gè)或兩者上。圖3中示出的凹槽236和248和突起部分237和249還可增大內(nèi)表面228和232和/或外表面226和230的表面面積，這可增大橫跨內(nèi)環(huán)形壁222和外環(huán)形壁224中的一個(gè)或兩者的對流熱傳遞。另外，凹槽236和248和突起部分237和249可有助于減小橫跨外環(huán)形壁224或內(nèi)環(huán)形壁222的厚度239的溫度梯度，由此有助于減小燃料噴射器180的熱應(yīng)力和熱開裂。圖4為根據(jù)實(shí)例的在線2-2內(nèi)截取的圖1的燃料噴射器180的局部軸向截面。如圖4所示，燃料噴射器180包括布置在內(nèi)表面232上的許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)234。具體地，許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)234可由與軸向軸線150和周向軸線154對齊的、相交的凹槽236和突起部分237的兩部分的交叉部形成。換言之，凹槽236的第一部分272可與軸向軸線150對齊，而凹槽236的第二部分274可沿周向方向154環(huán)繞軸向軸線154。凹槽236的第二部分274也可為弓形，并且關(guān)于軸向軸線150同軸。因此，許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)234可形成在凹槽236未交叉的地方。如圖4所示，內(nèi)表面232具有對開式鐵心外形或網(wǎng)格外形。換言之，許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)234可描述為內(nèi)表面232的凸塊或凸起的網(wǎng)格。內(nèi)表面232還可描述為具有定向成彼此相交的第一組內(nèi)部結(jié)構(gòu)234和第二組內(nèi)部結(jié)構(gòu)234。內(nèi)表面232的這種構(gòu)造可引起流過環(huán)形冷卻劑室220的冷卻劑的附加湍流。在其它實(shí)例中，許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)234可與軸向軸線150、徑向軸線152或燃料噴射器180的周向軸線154成角度地對齊。大體上，許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)234可包括凹槽、通道、狹槽、翅片、凸塊、凸起或它們的任何組合中的至少一個(gè)。如圖4所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)234中的每一個(gè)具有正方形或矩形的形狀。然而，在其它實(shí)例中，許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)234可取決于凹槽236與軸向軸線150的對齊而具有其它形狀。在另外的實(shí)例中，許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)234可位于內(nèi)表面228和232中的一個(gè)或兩者上。圖4中示出的凹槽236和突起部分237還可增大內(nèi)表面228和232中的一個(gè)或兩者的表面面積，這可增大橫跨內(nèi)環(huán)形壁222和外環(huán)形壁224中的一個(gè)或兩者的對流熱傳遞。另外，凹槽236和突起部分237可有助于減小橫跨外環(huán)形壁224或內(nèi)環(huán)形壁222的厚度239的溫度梯度，由此有助于減小燃料噴射器180的熱應(yīng)力和熱開裂。圖5為根據(jù)實(shí)例的在線2-2內(nèi)截取的圖1的燃料噴射器180的局部軸向截面。如圖5所示，燃料噴射器180包括許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)234，其構(gòu)造為沿環(huán)形冷卻劑室220延伸的環(huán)形凸起280和凹入部分281。環(huán)形凸起280中的每一個(gè)的截面形狀可包括圓的一部分、橢圓、正方形、矩形、多邊形或它們的任何組合。環(huán)形凸起280中的每一個(gè)可由高度282和寬度284限定，高度282和寬度284可選定成提供流過環(huán)形冷卻劑室220的冷卻劑的期望量的湍流。另外，環(huán)形凸起280中的每一個(gè)可以以分離距離286 (例如，凹入部分281的寬度)分離。如圖5所示，環(huán)形凸起280和凹入部分281沿周向方向154環(huán)繞縱向軸線186。在其它實(shí)例中，許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)234可與軸向軸線152對齊，或者與徑向軸線152或軸向軸線150成角度地對齊。在另外的實(shí)例中，許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)234可布置在內(nèi)表面228和232中的一個(gè)或兩者上。在又一些實(shí)例中，許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)234可包括許多細(xì)長凹槽236和/或細(xì)長突起部分249，凹槽281和/或凸起280`的網(wǎng)格，或它們的任何組合。另外，圖5中示出的燃料噴射器180包括構(gòu)造為凸起290和凹部291的許多外部結(jié)構(gòu)246。具體地，凸起290可與軸向軸線150對齊。凸起290中的每一個(gè)可由高度292和寬度294限定，高度292和寬度294可選定成提供外環(huán)形壁224的期望的熱傳遞系數(shù)。另夕卜，凸起290可以以分離距離296(例如，凹部291的寬度)彼此分離。在其它實(shí)例中，凸起290可為環(huán)形并且關(guān)于軸向軸線150同軸，或者與徑向軸線152或軸向軸線150成角度地對齊。凸起290可有助于引起沿外環(huán)形壁224的外表面230流動(dòng)的熱燃燒氣體的湍流，由此增大外環(huán)形壁224的熱傳遞系數(shù)。圖5中示出的凸起290和凹部291還可增大內(nèi)表面228和232和/或外表面226和230的表面面積，這可增大橫跨內(nèi)環(huán)形壁222和外環(huán)形壁224中的一個(gè)或兩者的對流熱傳遞。另外，凸起290和凹部291可有助于減小橫跨外環(huán)形壁224
或內(nèi)環(huán)形壁222的厚度239的溫度梯度，由此有助于減小燃料噴射器180的熱應(yīng)力和熱開
m
ο圖6為具有環(huán)形冷卻劑室220的燃料噴射器180的實(shí)例的局部軸向截面。如圖6所示，環(huán)形冷卻劑室220包括與末端218集成或成一件的許多弓形凹槽236和突起部分237。另外，燃料噴射器180包括許多通路。雖然將描述通路的一種配置，但是其它配置取決于特別燃燒系統(tǒng)的要求而為可能的。具體地，穿過燃料噴射器180的最內(nèi)部材料為氧310，氧310通過第一氧通路312引導(dǎo)至末端218。第一氧通路312供應(yīng)氧310用于在燃料噴射器180的末端218下游的燃燒。氧310可包括但不受限于純氧、氧混合物和空氣?？拷钔獠康牟牧蠟槿剂?14，燃料314通過燃料通路316引導(dǎo)至末端218。因此，燃料通路316以同軸或同心配置包圍第一氧通路312。燃料314可包括干燃料、漿燃料、液體燃料或它們的任何組合。燃料通路316僅在來自第一氧通路312的氧310下游引導(dǎo)燃料314，以加強(qiáng)燃料和氧的混合?？拷钔獠康牟牧蠟檠?10，氧310通過第二氧通路318引導(dǎo)至燃料噴射器180的末端218。因此，第二氧通路318以同軸或同心配置包圍燃料通路316。第二氧通路318可將氧310引導(dǎo)至燃料314與來自第一氧通路312的氧的混合物，以生產(chǎn)用于有效燃燒的細(xì)微噴霧。來自第二氧通路318的氧310也可包括但不受限于純氧、氧混合物和空氣。如圖6所示，環(huán)形冷卻劑室220可形成在燃料噴射器180的末端218附近的第二氧通路中。在某些實(shí)例中，通路312、316和318可朝向縱向軸線186會(huì)聚或成角度，以將材料引導(dǎo)至末端218，并且環(huán)形冷卻劑室220可布置在末端218附近的通路312、316和318的會(huì)聚部分中。在另外的實(shí)例中，冷卻劑可進(jìn)入燃料噴射器180的上游側(cè)216附近的冷卻盤管320。接著，冷卻劑循環(huán)穿過盤管320，直到其進(jìn)入末端218附近的環(huán)形冷卻劑室220。因此，冷卻盤管320可布置在環(huán)形冷卻劑室220和燃料噴射器180的外部。如上所述，燃料噴射器180的某些實(shí)例可包括末端218、環(huán)形冷卻劑室220和布置在環(huán)形冷卻劑室220處的內(nèi)表面228和232上的許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)234。許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)234可引起流過環(huán)形冷卻劑室220的冷卻劑的湍流，由此改進(jìn)橫跨外環(huán)形壁224的熱傳遞。橫跨外環(huán)形壁224的改進(jìn)熱傳遞可通過減小應(yīng)力、減小應(yīng)變和/或增大末端218的柔性而有助于延長燃料噴射器180的 壽命。因此，末端218中的裂紋的形成可減少。在另外的實(shí)例中，燃料噴射器180可包括布置在環(huán)形冷卻劑室220的外表面226和230上的許多外部結(jié)構(gòu)246。許多外部結(jié)構(gòu)246也可有助于延長燃料噴射器180的壽命。該書面的描述使用實(shí)例以公開本發(fā)明(包括最佳模式)，并且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明(包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)并且執(zhí)行任何并入的方法)。本發(fā)明的可專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其他實(shí)例。如果這些其他實(shí)例具有不與權(quán)利要求的字面語言不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果這些其他實(shí)例包括與權(quán)利要求的字面語言無顯著差別的等同結(jié)構(gòu)元件，則這些其他實(shí)例意圖在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，其包括 氣化器；以及 氣化燃料噴射器，其包括 末端部分； 布置在所述末端部分中的冷卻劑室；以及 布置在所述冷卻劑室的內(nèi)表面上的多個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，包括布置在所述冷卻劑室的外表面上的多個(gè)外部結(jié)構(gòu)，其中，所述多個(gè)外部結(jié)構(gòu)或所述多個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造成減小所述末端部分中的應(yīng)力、減小所述末端部分中的應(yīng)變、增大所述末端部分的熱傳遞系數(shù)或增大所述末端部分的柔性，或它們的任何組合，或者其中，所述多個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造成引起流過所述冷卻劑室的冷卻劑的瑞流。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿相對于所述氣化燃料噴射器的中心軸線的徑向方向或軸向方向延伸或者與其對齊。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿繞著所述氣化燃料噴射器的中心軸線的周向方向延伸或者與其對齊。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括定向成彼此相交的第一組內(nèi)部結(jié)構(gòu)和第二組內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)包括凹部、凸起或它們的任何組合中的至少一個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括多個(gè)細(xì)長凹槽和/或細(xì)長突起部分、凹部和/或凸起的網(wǎng)格，或它們的組合。
8.一種系統(tǒng)，其包括 反應(yīng)器或氣化器；以及 燃料噴射器，其包括 構(gòu)造成噴射燃料的燃料通路； 構(gòu)造成噴射氧的氧通路； 包括內(nèi)環(huán)形壁和外環(huán)形壁的環(huán)形冷卻劑室；以及 布置在所述內(nèi)環(huán)形壁或所述外環(huán)形壁的內(nèi)表面上的多個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，包括布置在所述內(nèi)環(huán)形壁或所述外環(huán)形壁的外表面上的多個(gè)外部結(jié)構(gòu)，其中，所述多個(gè)外部結(jié)構(gòu)或所述多個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造成減小所述燃料噴射器中的應(yīng)力、減小所述燃料噴射器中的應(yīng)變、增大末端部分的熱傳遞系數(shù)或增大所述燃料噴射器的柔性，或它們的任何組合，或者其中，所述多個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造成引起流過所述環(huán)形冷卻劑室的冷卻劑的湍流。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿相對于所述燃料噴射器的中心軸線的徑向方向或軸向方向延伸或者與其對齊。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿繞著所述燃料噴射器的中心軸線的周向方向延伸或者與其對齊。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括定向成彼此相交的第一組內(nèi)部結(jié)構(gòu)和第二組內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)包括凹槽、通道、狹槽、翅片、凸塊或凸起，或它們的任何組合中的至少一個(gè)，并且其中，所述多個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)的截面形狀包括圓的一部分、橢圓、正方形、矩形或多邊形或它們的組合中的至少一個(gè)。
14.一種方法,其包括 將來自布置在燃料噴射器中的燃料通路的燃料噴射到反應(yīng)室中； 將來自布置在所述燃料噴射器中的氧通路的氧噴射到所述反應(yīng)室中；以及 使冷卻劑流過布置在所述燃料噴射器的末端部分中的冷卻劑室，其中，所述冷卻劑室包括布置在所述冷卻劑室的內(nèi)表面上的多個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，包括以下步驟中的至少一個(gè)使用所述多個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)或布置在所述冷卻劑室的外表面上的多個(gè)外部結(jié)構(gòu)減小所述末端部分中的應(yīng)力、減小所述末端部分中的應(yīng)變、增大所述末端部分的熱傳遞系數(shù)或增大所述末端部分的柔性，或它們的任何組合，或者使用所述多個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)引起流過所述冷卻劑室的所述冷卻劑的瑞流。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿相對于氣化燃料噴射器的中心軸線的徑向方向或軸向方向、繞著所述氣化燃料噴射器的中心軸線的周向方向，或兩者延伸或者與其對齊。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括多個(gè)細(xì)長凹槽和/或細(xì)長突起部分、凹部和/或凸起的網(wǎng)格，或它們的組合。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，包括使反應(yīng)器或氣化器中的所述燃料氣化。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于冷卻燃料噴射器的系統(tǒng)和方法。系統(tǒng)包括氣化器和氣化燃料噴射器。氣化燃料噴射器可包括末端部分、布置在末端部分中的冷卻劑室，以及布置在冷卻劑室的內(nèi)表面上的許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)。冷卻劑室可構(gòu)造成使冷卻劑流過氣化燃料噴射器的末端部分。
文檔編號C10J3/48GK103254940SQ20131004871
公開日2013年8月21日 申請日期2013年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月16日
發(fā)明者E.潘 申請人:通用電氣公司