用於向燃燒器供應燃料的燃燒器噴嘴和方法

2023-07-22 00:33:51

專利名稱：用於向燃燒器供應燃料的燃燒器噴嘴和方法
技術領域：
本發明總體上涉及用於向燃燒器供應燃料的燃燒器噴嘴和方法。在本發明的特定實施例中，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：
燃燒器普遍用於在エ業和發電操作中來點燃燃料，以產生具有高溫和高壓的燃燒氣體。例如，燃氣輪機典型地包括一個或更多燃燒器，以生成功率或推力。用於發電的典型燃氣輪機包括位於前部的軸向壓縮機、位於中部周圍的ー個或更多燃燒器和位於後部的渦輪。環境空氣可被供應給壓縮機，並且壓縮機中的旋轉葉片和靜止導葉逐漸向工作流體(空氣)分配動能，以在高度激發狀態下產生壓縮工作流體。壓縮工作流體離開壓縮機並流 經每個燃燒器中的ー個或更多噴嘴，此處壓縮工作流體與燃料混合併點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電機上的軸旋轉而產生電力。在一些燃氣輪機應用中，可能向壓縮機供應環境空氣以外的工作流體，從而引起缺氧的由壓縮機產生的壓縮工作流體。例如，在氧燃料或化學當量排氣再循環(SEGR)應用中，來自渦輪的排氣的一部分可作為工作流體供應給壓縮機，並且供應給燃燒器的壓縮エ作流體因此可能缺氧。結果，可単獨將氧化劑供應給燃燒器，以在燃燒前與燃料直接混合。眾所周知，燃氣輪機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。局部熱點可降低壽命並增加燃料富集區域中的氮氧化物的產生，而燃料稀薄區域可増加一氧化碳和未燃燒的烴的產生，這些都是不希望有的排氣排放物。另外，燃料富集區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部的可能性。儘管火焰閃回和火焰保持對任何燃料均可發生，但它們對於具有較高的燃燒速度和較寬的可燃性範圍的高反應性燃料如烴更易發生。因此，用於向燃燒器供應燃料的燃燒器噴嘴設計和方法的持續改進將有益於提高燃燒器效率、減少不希望有的排放物、和/或防止閃回和火焰保持事件。

發明內容
本發明的方面和優點以下在下文的描述中進行論述，或者可從該描述變得顯而易見，或者可通過對本發明的實踐來獲知。本發明的一個實施例是ー種燃燒器噴嘴，該燃燒器噴嘴包括與終止於燃料出ロ的燃料通路流體連通的燃料供應源。氧化劑供應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並終止於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於設置在燃料出口與氧化劑出ロ之間的稀釋劑出ロ。本發明的另ー實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齊並限定貫通噴嘴的至少第一部分的燃料通路。外護罩周向地環繞中心體的至少第一部分並限定貫通噴嘴的至少第二部分的氧化劑通路。氧化劑供應源與氧化劑通路流體連通。中間護罩連接到中心體上，沿中心體的至少第二部分延伸，並在燃料通路與氧化劑通路之間限定稀釋劑通路。本發明還包括一種用於向燃燒器供應燃料的方法，該方法包括使燃料流經燃料出ロ並使氧化劑流經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徑向地設置在燃料出口與氧化劑出ロ之間的稀釋劑出口。本領域的普通技術人員在查看說明書後將更好地理解此類實施例的特徵和方面及其它。


本發明的完整和能夠實現的公開內容、包括其對本領域的技術人員來說的最佳模式在說明書的剰餘部分、包括對附圖的說明中更具體地論述，在附圖中
圖I是根據本發明的一個實施例的燃燒器的簡化截面圖；圖2是圖I中所示的燃燒器沿線A-A截取的下遊軸向平面圖；圖3是圖2中所示的噴嘴的放大下遊視圖；圖4是圖2中所示的噴嘴沿線B-B截取的簡化截面圖；以及圖5是根據替代實施例的圖2中所示的噴嘴沿線B-B截取的簡化截面圖。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燃料供應源52外護罩
53氧化劑供應源54中間護罩56稀釋劑旋流器58氧化劑旋流器60稀釋劑端ロ
具體實施例方式現將詳細說明本發明的實施例，其一個或多個實例在附圖中示出。詳細描述使用數字和字母標號來指代附圖中的特徵。已在附圖和描述中使用同樣或相似的標號來指代本發明的同樣或相似的零件。
以解釋本發明而非限制本發明的方式來提供每個實例。事實上，對本領域的技術人員來說將顯而易見的是，在可在本發明中做出改型和變型而不脫離本發明的範圍或精神。例如，作為ー個實施例的一部分示出或描述的特徵可用於另ー實施例以產生再ー實施例。因此，本發明g在涵蓋諸如落入所附權利要求以及它們的等同布置的範圍內的此類改型和變型。本發明的各種實施例提供一種燃燒器噴嘴和一種用於向燃燒器供應燃料的方法。在本發明的特定實施例中，該燃燒器噴嘴可結合在氧燃料或化學當量排氣再循環(SEGR)燃燒器中。具體而言，燃料、稀釋劑和氧化劑可經燃燒器噴嘴中的多個大致同心或共軸的流體通路供應到燃燒室，使得稀釋劑可延遲燃料和氧化劑在燃燒室中的混合。計算流體動カ學模型表明，燃料和氧化劑的混合的延遲產生燃料和氧化劑的燃燒的對應延遲，從而降低燃燒器噴嘴附近的溫度，減少來自燃燒器的不希望有的排放物，和/或減少火焰保持事件。儘管一般在結合在燃氣輪機的燃燒器中的燃燒器噴嘴的上下文中進行描述，但本發明的實施例可適用於任何燃燒器且不限於燃氣輪機燃燒器，除非在權利要求中特別指出。圖I示出了根據本發明的一個實施例的諸如燃氣輪機中將包括的示例性燃燒器10的簡化截面圖。外殼12可環繞燃燒器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中的一個或更多噴嘴14。端蓋18和襯墊20總體上環繞位於噴嘴14下遊的燃燒器22。如文中所用，術語「上遊」和「下遊」指的是構件在流體路徑中的相對位置。例如，如果流體從構件A流向構件B，則構件A在構件B上遊。相反，如果構件B接收來自構件A的流體流，則構件B在構件A下遊。帶有流孔26的流套筒24可環繞襯墊20，以在流套筒24與襯墊20之間限定環形通路28。壓縮工作流體可經過流套筒24中的流孔26，以沿襯墊20的外側流動，從而向襯墊20提供薄膜冷卻或對流冷卻。當壓縮工作流體到達端蓋18時，壓縮工作流體反向而流經一個或更多噴嘴14，此處它在燃燒室22中點燃之前與燃料混合，以產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薄膜冷卻、擴散冷卻或其它方法來冷卻火焰側壁。圖2提供了圖I中所示的燃燒器10沿線A-A截取的下遊軸向平面圖。燃燒器10的各種實施例可包括不同數量和布置的噴嘴。例如，在圖2中所示的實施例中，燃燒器10包括徑向地布置在頂蓋16中的五個噴嘴14。如前文關於圖I所述，工作流體流經流套筒24與襯墊20之間的環形通路28(從圖2向外)，直到它到達端蓋18，此處它反向以流經噴嘴14並流入燃燒室22 (進入圖2)。
圖3提供了圖2中所示的噴嘴14的放大下遊視圖。如圖所示，每個噴嘴14均可包括提供經噴嘴14並進入燃燒室22的流體連通的多個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大致對齊並終止於燃料出ロ 34。經燃料通路30供應的可能的燃料可包括例如高爐煤氣、一氧化碳、焦爐煤氣、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可周向地環繞燃料通路30的至少一部分並終止於氧化劑出ロ 38。經氧化劑通路36供應的氧化劑實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)、過氧化氫(H2O2)和它們的混合物。稀釋劑通路40可延伸穿過氧化劑通路36的一部分並在終止於稀釋劑出ロ 42之前周向地環繞燃料通路30的至少一部分。經稀釋劑通路40供應的可能的稀釋劑可包括水、蒸汽、燃料添加剤、各種惰性氣體如氮氣和/或各種不可燃的氣體如ニ氧化碳，或者從壓縮機(未示出)供應到燃燒器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內的流體連通，而稀釋劑通路40可提供經氧化劑通路36的至少一部分並進入燃燒室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提供了根據本發明的各種實施例的圖2中所示的噴嘴14沿線B-B截取的簡化截面圖。中心體50可與噴嘴14的軸向中心線32對齊，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可延伸穿過端蓋18，以提供燃料供應源51經端蓋18並進入燃燒室22的流體連通。外護罩52可周向地環繞中心體50的至少第一部分，以在中心體50與外護罩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源53經端蓋18並進入燃燒室22的流體連通。中間護罩54可連接到中心體50上並可沿中心體50的至少第二部分延伸。這樣，中間護罩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中間護罩54、氧化劑通路36和外護罩52，以提供稀釋劑經噴嘴14並進入燃燒室22的流體連通。如圖4和5中進ー步所示，燃料通路30、氧化劑通路36和/或稀釋劑通路40中的一個或更多可包括多個旋流器導葉或成角度的輸出端ロ，以向流經相應通路的流體分配旋流。例如，如圖4中所示，氧化劑出ロ 38可相對於軸向中心線32成角度，以向離開噴嘴14並進入燃燒室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可包括多個稀釋劑旋流器導葉56，以向離開噴嘴14並進入燃燒室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可包括多個氧化劑旋流器導葉58，以向離開噴嘴14並進入燃燒室22的氧化劑分配旋流，並且稀釋劑出ロ 42可相對於軸向中心線32成角度，以向離開噴嘴14並進入燃燒室22的稀釋劑分配旋流。在特定實施例中，如圖4和5中所示，外護罩52還可包括貫通外護罩52的ー個或更多稀釋劑端ロ 60，其提供稀釋劑經外護罩52的流體連通。這樣，流經稀釋劑通路40的稀釋劑可在離開相應的燃料出ロ 34和氧化劑出ロ 38的燃料和高反應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，並因此延遲它們的燃燒。另外，流經噴嘴14出口附近的稀釋劑端ロ 60的稀釋劑可中斷稀釋劑簾，以促進進入燃燒室22的燃料和氧化劑的混合。結果，計算流體動力學模型表明，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。儘管圖1-5圖示了與噴嘴14的中心線32徑向對齊的燃料通路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的相對徑向位置並非對本發明的限制，除非在權利要求中特別指出。例如，本領域中的普通技術人員可容易地理解，在替代實施例中，氧化劑通路36可與噴嘴14的中心線32徑向地對齊，且燃料通路30可在氧化劑通路36的徑向外部，並且不需要替代布置的進ー步圖示來理解或實現各種實施例。參照圖1-5描述和圖不的各種實施例還可提供一種用於向燃燒器10供應燃料的方法。該方法可包括使燃料流經燃料出ロ 34並使氧化劑流經從燃料出ロ 34徑向地偏移(即，徑向內側或外側)的氧化劑出口 38。該方法還可包括使稀釋劑流經徑向地設置在燃料出ロ 34與氧化劑出ロ 38之間的稀釋劑出ロ 42。在特定實施例中，該方法還可包括使流經噴嘴14的燃料、氧化劑和/或稀釋劑旋流和/或使稀釋劑流經周向地環繞噴嘴14的外護罩52。 此書面描述使用了包括最佳模式在內的實例來公開本發明，並且還使本領域的任何技術人員能夠實施本發明，包括製造並利用任何裝置或系統並且執行任何所結合的方法。本發明可取得專利權的範圍通過權利要求來限定，並且可包括本領域技術人員想到的其它實例。如果此類其它實例包括並未不同於權利要求的文字語言所描述的結構元件，或者它們包括與權利要求的文字語言無實質性區別的等同結構元件，則認為此類其它實例包含在權利要求的保護範圍內。
權利要求
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源(51)，其中所述燃料通路(30)終止於燃料出口 (34)； b.與氧化劑通路(36)流體連通的氧化劑供應源(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)終止於從所述燃料出口(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)終止於設置在所述燃料出口(34)與所述氧化劑出口(38)之間的稀釋劑出口(42)。
2.根據權利要求I所述的燃燒器噴嘴(14)，其特徵在於，所述燃料出口(34)與所述噴嘴(14)的軸向中心線(32)軸向地對齊。
3.根據任ー項前述權利要求所述的燃燒器噴嘴(14)，其特徵在於，所述稀釋劑通路(40)的至少一部分周向地環繞所述燃料通路(30)的至少一部分。
4.根據任ー項前述權利要求所述的燃燒器噴嘴(14)，其特徵在於，所述氧化劑通路(36)的至少一部分周向地環繞所述稀釋劑通路(40)的至少一部分。
5.根據任ー項前述權利要求所述的燃燒器噴嘴(14)，其特徵在於，所述氧化劑出口(38)包括多個氧化劑旋流器導葉(58)。
6.根據任ー項前述權利要求所述的燃燒器噴嘴(14)，其特徵在於，所述氧化劑出口(38)相對於所述噴嘴(32)的軸向中心線成角度。
7.根據任ー項前述權利要求所述的燃燒器噴嘴(14)，其特徵在於，所述稀釋劑出口(42)包括多個稀釋劑旋流器導葉(56)。
8.根據任ー項前述權利要求所述的燃燒器噴嘴(14)，其特徵在於，所述燃燒器噴嘴(14)還包括周向地環繞所述氧化劑通路(36)的至少一部分的外護罩(52)和貫通所述外護罩(52)的稀釋劑端ロ(60)，所述稀釋劑端ロ ￠0)提供稀釋劑經所述護罩的流體連通。
9.根據任ー項前述權利要求所述的燃燒器噴嘴(14)，其特徵在於，所述稀釋劑通路(40)的至少一部分延伸穿過所述氧化劑通路(36)。
10.一種用於向燃燒器(10)供應燃料的方法，包括 a.使所述燃料流經燃料出口(34)； b.使氧化劑流經從所述燃料出口(34)徑向地偏移的氧化劑出口(38);以及 c.使稀釋劑流經徑向地設置在所述燃料出口(34)與所述氧化劑出口(38)之間的稀釋劑出口(42)。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括使所述氧化劑流經在所述燃料出口(34)的徑向外部的所述氧化劑出口(38)。
12.根據權利要求10-11中任一項所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括使流經所述氧化劑出口(38)的氧化劑旋流。
13.根據權利要求10-12中任一項所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括使流經所述稀釋劑出口(42)的稀釋劑旋流。
14.根據權利要求10-13中任一項所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括使所述稀釋劑流經周向地環繞所述噴嘴(14)的外護罩(52)。
全文摘要
本發明涉及用於向燃燒器供應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於燃料出口的燃料通路流體連通的燃料供應源。氧化劑供應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並終止於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於設置在燃料出口與氧化劑出口之間的稀釋劑出口。一種用於向燃燒器供應燃料的方法包括使燃料流經燃料出口並使氧化劑流經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徑向地設置在燃料出口與氧化劑出口之間的稀釋劑出口。
文檔編號F23R3/28GK102777932SQ201210148878
公開日2012年11月14日 申請日期2012年5月4日 優先權日2011年5月5日
發明者G·O·克雷默, J·D·貝裡, J·R·馬沙爾 申請人:通用電氣公司