包括用於在燃氣渦輪機中噴射替代燃料的串列葉片的燃料噴射器的製作方法

2023-12-09 07:23:06 1

關於聯邦資助的開發的聲明

本發明的開發部分受到美國能源部授予的合同號de-fc26-05nt42644支持。因此，美國政府在本發明中可具有特定權利。

所公開的實施例總體上涉及用於燃氣渦輪機的燃料噴射器，並且更具體而言，涉及包括用於噴射替代燃料的串列葉片的燃料噴射器，所述替代燃料例如可以包括具有不同能量密度的燃料。

背景技術：

經濟考慮已推動了能夠使用替代燃料的燃氣渦輪機的開發，例如除了使用諸如天然氣和液體燃料(例如，油)之類的燃料外，還可涉及合成氣體(例如，合成氣(syngas))。這些合成氣體通常因例如煤、石油焦或生物燃料之類的固體原料的氣化過程而產生。這些過程可導致如下燃料，即：所述燃料具有基本上不同的燃料性質，例如組分、熱值和密度等，包括相對較高的氫含量和在沃泊指數(wobbeindex，wi)上具有顯著變化的氣流。沃泊指數一般被用於比較包括不同組分的燃料的燃燒能量輸出。例如，如果兩種燃料具有相同的沃泊指數，則在大致相同的例如壓力和閥設置之類的操作條件下，能量輸出將幾乎相同。

使用具有不同燃料性質的燃料可構成各種挑戰。例如，隨著燃料的熱值下降，將需要較大的流動面積以將燃料輸送和噴射到渦輪機中並提供相同的熱值。因此，已知為噴射器流構造不同的通道以適應燃料中的沃泊指數變化。另一個挑戰在於，與天然氣相比，具有高氫含量的燃料可導致相對較高的火焰速度，並且由此產生的高火焰速度可導致渦輪發動機的燃燒器中的回火(flashback)。參見美國專利8,661,779和8,511,087，其作為涉及葉片的現有技術的燃料噴射器的示例，所述葉片使用傳統的橫流中的射流(或橫向射流，jetincross-flow)，以便在燃氣渦輪機中噴射替代燃料。

附圖說明

圖1是實施本發明的各方面的燃料噴射器的一個非限制性實施例的等距視圖，該燃料噴射器如可在能夠使用替代燃料的燃氣渦輪機中使用。

圖2是圖1中所示的燃料噴射器的後向等距視圖。

圖3是剖面等距視圖，其圖示了如可在實施本發明的各方面的燃料噴射器中使用的串列葉片的非限制性實施例的布置結構。

圖4是可受益於本發明的公開實施例的例如燃氣渦輪發動機之類的燃燒渦輪發動機的一個非限制性實施例的簡化示意圖。

具體實施方式

本發明的發明人已認識到在某些現有技術的燃料噴射器的背景下可能出現的某些問題，這些現有技術的燃料噴射器可能涉及用於在燃氣渦輪機中噴射替代燃料的串列葉片。例如，一些已知的燃料噴射器設計涉及如下串列葉片，即：所述串列葉片使用橫流中的射流噴射，以獲得進入到渦輪發動機的燃燒器中的充分混合的燃料/空氣流。然而，這樣的設計可能表現出回火的傾向，特別是在具有高氫含量的燃料的情況下。基於這種認識，本發明人提出了一種新穎的燃料噴射器布置結構，其中，燃料在沒有橫流中的射流噴射的情況下被噴射，例如沿氣流進入的方向以代替傳統的橫流中的射流噴射。

在下面的詳細描述中，闡述了各種具體細節，以便提供對這些實施例的透徹理解；然而，本領域技術人員將理解的是，本發明的實施例可以在沒有這些具體細節的情況下實施，本發明不限於所描繪的實施例，並且本發明可以在多種替代實施例中實施。在其他情況下，沒有詳細描述本領域技術人員將很好地理解的方法、過程和部件，以避免不必要和繁瑣的解釋。

此外，可以將各種操作描述為以有助於理解本發明的實施例的方式來執行的多個離散的步驟。然而，描述的順序不應被解釋為意味著這些操作需要按照它們被呈現的順序來執行，也不應被解釋為它們甚至是依賴於順序的，除非另有指示。此外，表達「在一個實施例中」的重複使用不一定指相同的實施例，儘管它可以表示相同的實施例。注意，所公開的實施例不需要被解釋為相互排斥的實施例，這是因為這些公開的實施例的各方面可以由本領域技術人員根據給定應用的需要來適當地組合。

如本申請中所使用的，術語「包括」、「包含」、「具有」等意在是同義的，除非另有指示。最後，如本文中所使用的，表達「構造成」或「布置成」包含如下概念，即：將表達「構造成」或「布置成」之前的特徵有意和特別地設計成或使之以特定的方式動作或起作用，並且該特徵不應被解釋為意味著該特徵僅具有以指定的方式來動作或起作用的能力或適應性，除非如此指示。

圖1是實施本發明的各方面的燃料噴射器10的一個非限制性實施例的等距視圖，該燃料噴射器10如可在能夠使用替代燃料的燃氣渦輪機中使用。燃料輸送管結構12沿燃料噴射器10的中心軸線14設置。燃料輸送管結構12可以被護罩16包圍。第一燃料供應通道18和第二燃料供應通道20可以被同軸地布置在燃料輸送管結構12中。

在一個非限制性實施例中，燃料輸送管結構12可以包括同軸設置的內管13和外管15，其中，內管13包括第二燃料供應通道20，並且其中，第一燃料供應通道18被環狀地設置在內管13和外管15之間。

如在圖2中也可以理解的，第一組葉片22可以繞燃料輸送管結構12周向設置，例如布置在燃料輸送管結構12和護罩16之間。徑向通道24可以被構建在每個葉片22中。為了簡化圖示，徑向通道24僅在葉片22中的一個中圖示。徑向通道24與第一燃料供應通道18流體連通以接收第一燃料。在一個非限制性實施例中，徑向通道24可以被構造成分支通向一組通道26(例如，軸向通道)，該組通道26各自具有孔28，該孔28布置成不以橫流中的射流模式來噴射第一燃料，例如沿氣流的方向，該方向通過箭頭30示意性地表示。

第二組葉片32可以相對於第一組葉片22設置在下遊。第二組葉片32也可以被布置在燃料輸送管結構12和護罩16之間。也就是說，第一組葉片22和第二組葉片32可以被概念化為葉片的串列布置結構。徑向通道34可以被構建在每個葉片32中。再一次，為了簡化圖示，徑向通道34僅在葉片32中的一個中圖示。在這種情況下，徑向通道34與第二燃料供應通道20流體連通以接收第二燃料。在一個非限制性實施例中，徑向通道34可以被構造成分支通向一組通道36(例如，軸向通道)，該組通道36各自具有孔38，該孔38布置成不以橫流中的射流模式來噴射第二燃料，例如沿所述氣流的方向。所述第一燃料和所述第二燃料可以包括具有不同能量密度的替代燃料。例如但不限於，在第一燃料供應通道18中流動的第一燃料可以包括合成氣，並且在第二燃料供應通道20中流動的第二燃料可以包括天然氣。

前述布置結構(沒有橫流中的射流噴射)被認為大幅減少在具有高氫含量的燃料的情況下通常遇到的回火傾向。如在圖3中可以理解的，在一個非限制性實施例中，第二組葉片32可以包括旋流葉片(swirlingvane)，例如可以包括相應的扭轉角，在一個非限制性實施例中，該扭轉角在葉片的末端處可以包括多達大約20度的角度。作為比較，第一組葉片22中的葉片可以包括非旋流葉片。如在圖3中可以進一步理解的，第二組葉片32相對於第一組葉片22沿周向交錯，使得第二組葉片32中沒有葉片直接處於第一組葉片22中的相應葉片之後。

圖4是可受益於本發明的公開實施例的例如燃氣渦輪發動機之類的燃燒渦輪發動機50的一個非限制性實施例的簡化示意圖。燃燒渦輪發動機50可以包括壓縮機52、燃燒器54、燃燒室56和渦輪機58。在操作期間，壓縮機52接收環境空氣並且向擴散器60提供壓縮空氣，該擴散器60將壓縮空氣傳遞到集氣室62，壓縮空氣通過該集氣室62傳遞到燃燒器54，該燃燒器54將壓縮空氣與燃料混合，並經由過渡部64將燃燒的熱工作氣體提供給渦輪機58，該渦輪機58可驅動發電設備(未示出)來發電。軸66被示出為連接渦輪機58以驅動壓縮機52。實施本發明的各方面的燃料噴射器的公開實施例可被結合於燃氣渦輪發動機的每個燃燒器(例如，燃燒器54)中，以有利地實現具有不同能量密度的替代燃料的可靠和具有成本效益的燃料噴射。在操作中並且沒有限制地，所公開的燃料噴射器布置結構預期會抑制回火傾向，否則該回火傾向在具有高氫含量的燃料的情況下可能會形成。

雖然已採用示例性的形式公開了本公開的實施例，但是對於本領域技術人員將顯而易見的是，在其中可以作出許多修改、添加和刪除而不脫離如所附權利要求中所闡述的本發明及其等同物的精神和範圍。