具有被動吹掃空氣通路的渦輪發動機的燃料噴嘴的製作方法

2023-04-25 17:22:06 1

專利名稱：具有被動吹掃空氣通路的渦輪發動機的燃料噴嘴的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於渦輪發動機的燃料噴嘴。
背景技術：
在發電行業中使用的渦輪發動機典型地包括多個燃燒器，該多個燃燒器同心地布置在通向渦輪區段的輸入端周圍。在圖1中顯示了典型的燃燒器組件。該燃燒器組件包括第一燃料噴嘴和第二燃料噴嘴兩者。第一燃料噴嘴和第二燃料噴嘴將燃料噴射到從渦輪機的壓縮機側接收到的壓縮空氣流中。燃料與空氣混合，然後燃料-空氣混合物在燃料噴射器的下遊、一個或多個燃燒區中被點燃。理想地，在位於燃料噴嘴的遠端的下遊的位置處發生燃燒，使得噴嘴本身不經受非常高的溫度。另外，燃料噴嘴包括吹掃空氣通路是普遍的，吹掃空氣通路引導設計成以便冷卻噴嘴的壓縮空氣流。在一些渦輪機運行條件期間，臨時阻止燃料噴嘴的吹掃空氣通路引導冷卻空氣流。在那些情況下，鄰近燃燒區的燃料噴嘴部分可經受非常高的溫度，非常高的溫度會損害燃料噴嘴。典型地，噴嘴的下遊端會經受最高的溫度，並且因此最有可能受損。

發明內容
在一方面，本發明可實施為一種用於渦輪發動機的燃料噴嘴，該燃料噴嘴包括具有中心縱向軸線的細長殼體；至少一個燃料輸送通路，其沿著殼體的至少一部分延伸；以及主動吹掃空氣通路，其沿著殼體延伸，並且將吹掃空氣輸送到位於噴嘴的排出端處的至少一個主動吹掃空氣排出開口。燃料噴嘴還包括被動吹掃空氣通路，其具有接納來自噴嘴外部及殼體的上遊端附近的位置的空氣的入口，並且具有位於噴嘴的排出端處的出口。在另一方面，本發明可實施為一種用於渦輪發動機的燃料噴嘴，該燃料噴嘴包括 具有中心縱向軸線的細長殼體；燃料輸送通路，其沿著殼體的至少一部分延伸；以及主動吹掃空氣通路，其沿著殼體延伸，並且將吹掃空氣輸送到位於該噴嘴的下遊端處的至少一個主動吹掃空氣排出開口。該燃料噴嘴還包括被動吹掃空氣通路，其具有接納來自噴嘴外部及殼體的上遊端附近的位置的空氣的入口，並且具有位於噴嘴的下遊端處的出口，其中， 當在運行的渦輪發動機中使用燃料噴嘴時，噴嘴外部及殼體的上遊端附近的空氣與位於被動吹掃空氣通路的出口處的空氣之間的壓差促使吹掃空氣沿著被動吹掃空氣通路從入口流到出口。


圖1是示出了渦輪發動機的典型燃燒器的元件的截面圖；圖2是在渦輪發動機的燃燒器中使用的第二燃料噴射噴嘴的截面圖；圖3是第二燃料噴嘴的另一個實施例的截面圖；以及圖4是示出了在燃料傳輸過程期間存在於兩個不同的燃料噴嘴的尖端處的溫度
3的曲線圖。部件列表10渦輪12壓縮機20過渡導管30流動套管35端蓋40燃燒器襯套50燃燒器蓋50成角度的壁60第一燃料噴嘴70第二燃料噴嘴80氣室90第一燃燒區100第二燃料噴嘴100第二燃燒區110中心通路110第一通路110中心吹掃空氣通路115旋流器板120第二(引導燃料)通路125旋流器板130第三通路140第四通路145燃料噴射器146燃料輸送孔口150集管/歧管160第二通路162燃料輸送線路162孔口164吹掃空氣線路166過渡燃料輸送線路166過渡燃料供應線路170第一通路
具體實施例方式圖1中 示出了用於渦輪發動機的典型的燃燒器組件。如該圖中所示，燃燒器包括過渡導管20，過渡導管20將燃燒氣體傳送到渦輪區段中。過渡導管20附連到燃燒器襯套 40上。流動套管30包圍燃燒器襯套40的外部。
來自渦輪機的壓縮機區段的壓縮空氣被傳送到燃燒器襯套40和流動套管30之間的環形空間中。圖1中的箭頭示出了壓縮空氣的運動方向。如圖1所示，壓縮空氣沿著燃燒器襯套40和流動套管30之間的環形空間運動到燃燒器的上端。然後壓縮空氣轉彎且進入燃燒器襯套40內部的空間。多個燃料噴嘴60、70位於燃燒器的上遊端處。多個第一燃料噴嘴60安裝在燃燒器蓋50周圍的環形環件中。另外，至少一個第二燃料噴嘴70位於燃燒器的中心中。如圖 1所示，第二燃料噴嘴70典型地沿著燃燒器的長度延伸更大的距離。在燃燒器內的燃燒典型地發生在兩個不同的位置中。存在第一燃燒區90，其位於燃燒器的遠的上遊端處且鄰近第一燃料噴嘴60的排出端。另外，存在第二燃燒區100，其沿著燃燒器的長度位於更遠的地方且鄰近第二燃料噴嘴70的排出端。在一些燃燒器中，成角度的壁50使文丘裡管形成於第一燃燒區90和第二燃燒區100之間。成角度的壁50頸縮， 以減小燃燒器的內徑。由成角度的壁50形成的文丘裡管提高了緊接著空氣-燃料混合物進入第二燃燒區100之前空氣和燃料穿過該燃燒器的這個區段的速度。在最初的起動過程期間，通過第一燃料噴嘴60和第二燃料噴嘴70兩者將燃料輸送到燃燒器中。空氣燃料混合物在第一燃燒區90和第二燃燒區100兩者中點燃。渦輪機的運行速度提高，而且將典型地為發電機形式的負載布置在渦輪機上。為了實現最佳排放，合乎需要的是僅在第二燃燒區100中發生燃燒。因此，儘管必須首先使得在第一燃燒區90和第二燃燒區100兩者中發生燃燒，但是在起動過程期間的某個點處，必須消除第一燃燒區90中的燃燒。為了消除第一燃燒區90中的燃燒，必須臨時切斷通往第一燃料噴嘴60的燃料。在此過渡時間段期間，仍然通過第二燃料噴嘴70將燃料輸送到第二燃燒區100中。一旦已經切斷了通往第一燃料噴嘴60的燃料達一段時間，第一燃燒區90中的燃燒就將停止，而且燃燒將僅繼續在第二燃燒區100中進行。因為負載布置在渦輪機上，以及為了確保渦輪機維持此負載，所以不能簡單地切斷通往第一燃料噴嘴的燃料。相反，必須在過渡時間段期間將大致相同量的燃料不斷地輸送到燃燒器中。因此，在典型的過渡序列中，當切斷通往第一燃料噴嘴60的燃料時，通過第一燃料噴嘴60輸送的相同量的燃料改為通過第二燃料噴嘴70的通道來輸送。這意味著第二燃料噴嘴70必須輸送之前通過第一燃料噴嘴60和第二燃料噴嘴70兩者輸送到燃燒器中的所有燃料。一旦第一燃燒區90中不再進行燃燒，燃料就可再次通過第一燃料噴嘴60來輸送。 通過第一噴嘴60輸送的燃料將在第一燃燒區的內部周圍打漩，以與周圍的空氣完全混合， 而且當空氣-燃料混合物運動到第二燃燒區100中時，空氣-燃料混合物將被點燃。因此， 在穩態運行期間，合乎需要的是通過第一燃料噴嘴60和第二燃料噴嘴70兩者輸送燃料，而且所有的空氣和燃料均在第二燃燒區100中燃燒。在提供了典型的第二燃料噴嘴70的描述之後，將在下面描述這個燃料過渡過程的更多細節。圖2是典型的第二燃料噴嘴100的功能圖。該第二燃料噴嘴包括沿著噴嘴的殼體的長度延伸的多個通路。在圖2所示的實施例中，存在可用來將燃料或空氣輸送到噴嘴的下遊端的中心通路110。第二通路120同心地包圍第一通路110。還存在同心地包圍第二通路120的第三通路130。最後，存在同心地包圍第三通路130的第四通路140。這些通路中的至少一個會將燃料輸送到多個沿徑向延伸的燃料噴射器145。在一些實施例中，第四通路140可將燃料輸送到燃料噴射器145。在其它實施例中，第三通路130可將燃料輸送到燃料噴射器145，而且第四通路140可用作吹掃空氣通路。多個燃料輸送孔口 146形成於沿徑向延伸的燃料噴射器145上。因此，輸送到燃料噴射器的燃料通過燃料輸送孔口 146離開。在正常運行期間，壓縮空氣沿著燃料 噴嘴的外部的長度流動。因此，離開燃料輸送孔口 146的燃料與沿著燃料噴嘴的長度傳送的空氣混合，以產生空氣-燃料混合物，然後可點燃該空氣-燃料混合物。雖然沒有顯示，但是各種不同的旋流器裝置可位於沿徑向延伸的燃料噴射器的上遊和/或下遊，以加大空氣的旋流和混合動作，從而改善空氣與輸送通過燃料輸送孔口 146的燃料的混合。通過燃料噴射器145輸送燃料形成了燃料噴嘴的一種燃料輸送機制。但是，燃料還典型地通過內部通路中的一個或多個來輸送。例如，可通過第二通路120來輸送燃料。此燃料輸送迴路通常被稱為引導燃料迴路。通過第二或引導燃料通路120輸送的燃料離開燃料噴嘴的下遊端，並且也被點燃。由穿過引導通路或第二通路120的燃料所產生的火焰通常被稱為弓I導火焰。引導火焰非常穩定，並且典型地不會經歷滅火。第三通路130典型地傳遞吹掃空氣和/或燃料。通過第三通路130輸送的吹掃空氣用來冷卻外部噴嘴尖端。特別地，吹掃空氣冷卻燃料噴嘴的下遊端，該下遊端典型地經受最高溫度，因為燃燒區位於燃料噴嘴的排出端的正下遊。另外，通過位於燃料噴射噴嘴的中心處的第一通路110頻繁地輸送吹掃空氣。此處，再次，穿過第一通路110的吹掃空氣設計成以便冷卻噴嘴，並且尤其冷卻噴嘴的下遊端。集管或歧管150形成於噴嘴的上遊端處。集管150包括設計成以便將燃料和空氣輸送到燃料噴嘴內部的第一通路、第二通路、第三通路和第四通路中的各種通路。集管150 將典型地連接到燃料輸送線路162和吹掃空氣線路164上。吹掃空氣線路164將連接到壓縮空氣源上，壓縮空氣源典型地從渦輪機的壓縮機區段分接出來。因此，輸送壓縮空氣的線路164將典型地延伸到渦輪機的壓縮機區段上的分接頭或壓縮機排氣氣室。另外，過渡燃料輸送線路166也連接到歧管150上。過渡燃料輸送線路166將燃料運送到第二燃料噴嘴100，否則該燃料將會由第一燃料噴嘴傳遞且從第一燃料噴嘴中輸送出來。因此，在如上所述的燃料過渡過程期間，當切斷來自第一燃料噴嘴的燃料時，將通過過渡燃料輸送線路166將該燃料輸送到第二燃料噴嘴100。如以上所闡述的那樣，當是時候停止燃燒器的第一燃燒區90中的燃燒時，切斷通往第一燃料噴嘴60的燃料，而且否則將會通過第一燃料噴嘴60輸送的燃料改為被傳送到第二燃料噴嘴70。而且如以上所闡述的那樣，必須通過第二燃料噴嘴70將燃料輸送到第二燃燒區100中。因為通路中的一個已經在輸送燃料通過沿徑向延伸的燃料噴射器145，而且因為引導燃料通路120已經在輸送燃料通過第二燃料噴嘴，所以可用來將燃料輸送到第二燃燒區中的第二燃料噴嘴的僅其它部分是噴嘴內的傳遞吹掃物的通路。因此，在燃料過渡過程期間，通過過渡燃料輸送線路166輸送到第二燃料噴嘴的燃料典型地被傳送到吹掃空氣通路中。這意味著必須切斷通常通過這些通路傳遞的吹掃空氣，並且燃料改為通過這些通路來輸送。而且在斷開吹掃空氣以及將燃料傳送到吹掃空氣通路中所需的時間期間，沒有燃料或吹掃空氣流過吹掃空氣通路。
如以上所闡述的那樣，燃料將輸送通過吹掃空氣通路，直到第一燃燒區90中的燃燒停止為止。在此時間段期間，燃料穿過吹掃空氣通路，並且燃料起作用來冷卻第二燃料噴嘴的下遊端。因此，在燃料運動通過吹掃空氣通路時，在第二燃料噴嘴的下遊端處的溫度保持相對低。一旦第一燃燒區90中的燃燒停止，燃料就轉回到第一燃料噴嘴，而且吹掃空氣可被再次輸送通過噴嘴的吹掃空氣通路。但是，切換過程要花一定量的時間。典型地，燃料將立即切換回到第一燃料噴嘴60。但是，在切換之後的較短時間段內，燃料將仍然駐留在噴嘴的吹掃空氣通路中。當吹掃空氣再次被引入吹掃空氣通路中時，吹掃空氣將強制殘留在這些通路中的燃料離開噴嘴的下遊端。如果吹掃空氣立即接入到其正常流量水平，這會在第一燃料噴嘴也已經在輸送燃料的同時迅速地將大量燃料噴射到第二燃燒區110中，這會在燃燒區中導致喘振，而且可能在渦輪機的負載輸出中導致作為結果而發生的喘振。由於這些原因，一旦燃料已經切換回到第一燃料噴嘴，吹掃空氣就逐漸且緩慢地被引回到吹掃空氣通路中，使得那些通路中的任何燃料都逐漸被推出到第二燃燒區中。而且這還延遲了吹掃空氣正常地流動以冷卻噴嘴的下遊端之前的時間。如上面所闡述的那樣，在燃料過渡過程期間，在噴嘴的下遊端處的溫度可在兩個時間點處升高到非常高的溫度。圖4的上半部顯示了在典型的燃料過渡過程期間在噴嘴的尖端處的溫度的圖表。如圖4所示，將切斷通往第一噴嘴的燃料，然後將關斷通往第二噴嘴的吹掃空氣。在那個時間點處，在燃料噴嘴的下遊尖端處的溫度開始非常迅速地升高。在噴嘴的下遊端處的溫度將繼續升高，直到燃料運動通過吹掃空氣通路為止。在正常的穩態條件期間，當吹掃空氣被輸送通過噴嘴時，噴嘴的尖端保持大約為 300° F。一旦吹掃空氣停止，溫度就迅速升高超過1000° F。一旦傳輸燃料(其之前通過第一噴嘴輸送到燃燒器中)開始流過第二噴嘴的吹掃空氣通路，溫度就迅速回到與燃料溫度(的溫度)相接近的溫度。在燃料被輸送通過第二噴嘴的吹掃空氣通路的時間期間，溫度保持為相對低的安全溫度。但是，一旦傳輸燃料供應停止且再次通過第一噴嘴將燃料輸送到燃燒器中，在第二噴嘴的尖端處的溫度就再次開始升高。溫度將繼續升高，直到吹掃空氣逐漸被引入吹掃空氣通路中，如以上所闡述的那樣。一旦吹掃空氣再次流過第二噴嘴的吹掃空氣通路，溫度就再次返回到正常。如圖4的上半部所示，在第二噴嘴的尖端處的溫度趨向於在燃料傳輸過程期間的兩個不同的時間點處達到峰值。當吹掃空氣已經被關斷且還沒有燃料流過第二噴嘴的吹掃空氣通路時，出現第一峰值。當傳輸燃料切斷時且在吹掃空氣再次正常地流過吹掃空氣通路之前，出現第二峰值。在這兩個事件期間，在噴嘴的尖端處的溫度可升高到高達 1500° F。這些溫度可能對噴嘴尖端的材料相當有害，並且可造成永久性損傷。圖3顯示了第二燃料噴嘴的修改版本。這個實施例類似於圖2所示的實施例，但是，中心吹掃空氣通路110已經修改成與在噴嘴的上遊側處形成於燃料噴嘴的外部上的孔口連通。如圖3所示，第一通路170聯接到中心吹掃空氣通路110的入口上。第一通路170 沿徑向延伸且聯接到第二通路160上，第二通路160通往噴嘴的集管150上的孔口 162。另外，在這個實施例中，旋流器板115位於中心吹掃空氣通路110的下遊端處。旋流器板125還位於引導燃料通路120中。 當如圖3所示的第二燃料噴嘴在燃燒器內部運行時，在噴嘴的下遊端附近的壓力將低於在噴嘴的上遊端附近的壓力。因為旋流器板導致壓降，所以可通過在中心吹掃空氣通路Iio內增加旋流器板115來提高上遊端和下遊端之間的壓差。因為燃料噴嘴的上遊端處的空氣的壓力高於下遊端處的壓力，所以在噴嘴的穩態運行期間，將通過孔口 162吸入空氣，而且空氣將流過第一通路170和第二通路160進入吹掃空氣通路110的入口中，然後沿著中心吹掃空氣通路110流動。只要在燃燒器內進行正常操作，該流動就將保持繼續。當使用如圖3所示的噴嘴時，在如上所述的燃料過渡過程期間，過渡燃料供應線路166將僅聯接到第二通路、第三通路或第四通路中的一個或多個上。在燃料過渡過程期間，吹掃空氣將持續地運動通過中心吹掃空氣通路110。吹掃空氣的這個持續供應確保在下遊端處的噴嘴的尖端的溫度將保持相對恆定，即使是在燃料過渡過程期間。另外，因為由於包圍噴嘴的下遊端的空氣和噴嘴的上遊端處的空氣之間的壓差的原因而產生了通過中心吹掃空氣通路110的吹掃空氣流，所以不需要從渦輪機的壓縮機區段中提供單獨的壓縮吹掃空氣供應。相反，僅僅從已經包圍噴嘴的上遊端的壓縮空氣中抽取運動通過中心吹掃空氣通路110的吹掃空氣。在圖3所示的實施例中，噴嘴的第二火焰探測器觀察孔用作用於將空氣輸送到中心吹掃空氣通路Iio的第二通路160。因此，唯一必要的是通過增加沿徑向延伸的第一通路170來修改圖2所示的第一個實施例，沿徑向延伸的第一通路170將第二火焰探測器觀察孔和入口連接到中心吹掃空氣通路110上。因此，對原本的第二噴嘴的非常簡單的修改可確保一直供應吹掃空氣，即使是在燃料過渡過程期間。另外，在圖3所示的實施例中，中心吹掃空氣通路110聯接到通路170上，通路170 伸出到噴嘴的上遊端外部的位置。在備選實施例中，中心通路110之外的不同的通路可連接到通路170上。在另外的其它實施例中，通路170可連接到噴嘴內部的通路中的多個通路上。圖4的下部示出了在燃料過渡過程期間在圖3中所示的噴嘴的下遊端處的溫度。 如圖中所示，燃料噴嘴的下遊尖端的溫度保持相對恆定(即使是在燃料過渡過程期間)。這防止噴嘴的下遊端在燃料過渡過程期間由於高溫而受損。在前述描述中，圖2和3中所示的實施例用作可如何在第二燃料噴嘴上提供被動吹掃空氣迴路以確保恆定的吹掃空氣供應(即使在燃料過渡過程期間)的一個實例。圖2 和3所示的實施例示出了第二噴嘴具有兩個吹掃空氣通路、引導燃料通路和主燃料通路。 在備選實施例中，通路可沿不同的定向來構造，而且可消除引導燃料通路。另外，一個燃料輸送通路可將燃料輸送到沿徑向延伸的燃料噴射器，而且相同或不同的燃料輸送通路還可將燃料輸送通過位於噴嘴的下遊端處的孔口。圖2和3中所示的構造僅意圖為說明性的而非限制性的。取決於特定渦輪機的要求，可以以各種不同的方式來構造第二燃料噴嘴。雖然已經結合目前被認為最實用和優選的實施例的內容來描述了本發明，但是將理解，本發明不限於公開的實施例，而是相反，本發明意圖覆蓋包括在所附權利要求書的精神和範圍內的各種修改和等效布置。
權利要求
1.一種用於渦輪發動機的燃料噴嘴，包括具有中心縱向軸線的細長殼體；沿著所述殼體的至少一部分延伸的至少一個燃料輸送通路(120，130)；主動吹掃空氣通路(140)，其沿著所述殼體延伸，並且將吹掃空氣輸送到位於所述噴嘴的排出端處的至少一個主動吹掃空氣排出開口 ；以及被動吹掃空氣通路(110)，其具有接納來自在所述噴嘴外部且在所述殼體的上遊端附近的位置的空氣的入口(162)，並且具有位於所述噴嘴的排出端處的出口。
2.根據權利要求1所述的燃料噴嘴，其特徵在於，當所述燃料噴嘴在運行的渦輪發動機中使用時，在所述噴嘴外部且在所述殼體的所述上遊端附近的空氣與位於所述被動吹掃空氣通路的所述出口處的空氣之間的壓差促使吹掃空氣沿著所述被動吹掃空氣通路(110) 從所述入口流到所述出口。
3.根據權利要求1所述的燃料噴嘴，其特徵在於，所述燃料噴嘴進一步包括位於所述殼體的外部上的多個燃料噴射器(145)，其中，所述被動吹掃空氣通路(110)的所述入口在所述燃料噴射器(145)的上遊的位置處位於所述殼體上。
4.根據權利要求1所述的燃料噴嘴，其特徵在於，所述被動吹掃空氣通路的所述入口包括在所述殼體上的開口(162)，其位於所述殼體的所述上遊端附近；以及第一傳輸通路(170)，其從所述被動吹掃空氣通路(110)的上遊端沿徑向延伸通過所述噴嘴。
5.根據權利要求4所述的燃料噴嘴，其特徵在於，到所述被動吹掃空氣通路(110)的所述入口進一步包括從所述開口延伸到所述第一傳輸通路(170)的第二傳輸通路(160)。
6.根據權利要求5所述的燃料噴嘴，其特徵在於，所述第二傳輸通路(160)沿平行於所述殼體的中心縱向軸線的方向延伸。
7.根據權利要求5所述的燃料噴嘴，其特徵在於，所述第二傳輸通路(160)包括位於所述殼體上的第二火焰探測器觀察孔的一部分。
8.根據權利要求1所述的燃料噴嘴，其特徵在於，所述燃料噴嘴進一步包括位於所述被動吹掃空氣通路(110)中的旋流器板(115)。
全文摘要
本發明涉及具有被動吹掃空氣通路的渦輪發動機的燃料噴嘴。用於渦輪機的第二燃料噴嘴(100)包括被動吹掃空氣通路(110)，被動吹掃空氣通路(110)在噴嘴運行的所有時間裡對第二噴嘴(100)提供吹掃空氣。被動吹掃空氣通路(110)吸入來自噴嘴的上遊端附近的位置(162)的空氣。因為位於噴嘴的下遊端處的空氣和位於噴嘴的上遊端處的空氣之間的壓差的原因，吹掃空氣將在噴嘴運行時始終運動通過被動吹掃空氣通路。不需要供應壓縮吹掃空氣。
文檔編號F23D14/48GK102155739SQ201110008539
公開日2011年8月17日 申請日期2011年1月5日 優先權日2010年1月5日
發明者J·因泰爾, L·J·斯託亞, P·波波維克 申請人:通用電氣公司