次燃料噴嘴文丘裡管的製作方法

2023-04-26 19:31:06 6

專利名稱：次燃料噴嘴文丘裡管的製作方法
技術領域：
本申請大體上涉及燃氣輪機且更特別地涉及在次燃料噴嘴中使用文丘裡管以允 許減少的引燃流量。
背景技術：
當前的乾式低NOx(DLN)燃氣輪機的設計大體上利用稀薄燃料_空氣混合物操作。 稀薄燃料-空氣混合物包括與大量過量空氣預混合的一定量的燃料，其在燃燒腔室中燃 燒。可通過組合在次燃料噴嘴中心的擴散引燃與由次旋流器形成的漩渦而使火焰穩定。但 是擴散引燃可為NOx排放的主要來源，NOx排放受美國聯邦和州法規和國外類似法規限制。 但如果在燃燒器管頂端處沒有火焰附加器，通常不能減少到擴散引燃的氣體流動。火焰附 加器可對燃燒器管頂端和整個燃燒器的耐用性造成不利影響，因而通常必須維持通過擴散 引燃的最小預定燃料流量。因此需要在引燃管頂端無相關火焰保持和其它不利影響的情況下，減小引燃燃料 流量。這種減小的引燃燃料流量將提供NOx排放減少以及提高燃燒器管耐用性。

發明內容
因此本申請提供用於燃燒器的次燃料噴嘴組件。次燃料噴嘴組件可包括襯套、通 往引燃器頂端的燃料通道和從襯套延伸且在引燃器頂端下遊的文丘裡管。本申請還提供一種燃燒器。該燃燒器可包括次燃料噴嘴組件和位於次燃料噴嘴組 件下遊的次燃燒腔室，其中，次燃料噴嘴組件具有位於其中的次燃料噴嘴組件文丘裡管，次 燃燒腔室具有位於其中的次燃燒腔室文丘裡管。本申請還提供減少次噴嘴引燃器頂端附近火焰保持的方法。該方法可包括以下步 驟使燃料通過次噴嘴引燃器頂端流動；使空氣通過旋流器流動；將文丘裡管定位於次噴 嘴引燃器頂端的下遊；使燃料流動和空氣流動通過文丘裡管收縮和膨脹；以及，在文丘裡 管附近形成回流區。通過閱讀下文的具體實施方式
，當結合若干附圖和所附權利要求書來理解時，本 發明的這些和其它特點和改進對於本領域普通技術人員將會變得顯而易見。


圖1示出已知的乾式低NOx燃燒器的部分截面圖。圖2示出已知的帶有外部旋流器的燃燒器中心體的部分側視截面圖。圖3示出一種已知的次預混合擴散燃料噴嘴的部分截面圖。圖4示出如本文描述的帶有次文丘裡管的燃料噴嘴側視剖視圖。圖5示出帶圖4的文丘裡管燃料噴嘴的側視截面圖，示出回流圖案。部件列表12燃氣輪機
14壓縮機16燃燒器18渦輪20過渡管24主燃燒腔室26次燃燒腔室28文丘裡管30流動套筒32外殼體34渦輪殼體36主噴嘴38次噴嘴40後壁42旋流器44外壁46百葉窗48百葉窗50中心體51襯套52外旋流器53冷卻孔54次旋流器56燃料噴嘴組件58後構件60外套筒62核芯部分64預混合通道66空氣通道68空氣通道72徑向孔74氣栓76開口78預混合區80旋流器82引燃孔84引燃開口86引燃器頂端100燃燒器110燃料噴嘴組件
120襯套130旋流器140燃料通道145外套筒150引燃器頂端160旋流器170次文丘裡管180喉部邊緣190擴展部200前面210回流區
具體實施例方式現參看附圖，在若干視圖中，相似的附圖標記表示相似部件。圖1示出已知的乾式 低NOx燃氣輪機12的一個實例。該燃氣輪機12可包括壓縮機14 (部分示出)、多個燃燒器 16 (為了方便和清楚起見，僅示出一個)、和由單個葉片代表的渦輪18。眾所周知，壓縮機14 對進入空氣加壓。壓縮的空氣流入到燃燒器16，在燃燒器16中，壓縮的空氣用於冷卻燃燒 器16並用於燃燒過程。在此處可使用任意多個燃燒器16。過渡管20連接每個燃燒器16 的出口端與渦輪18的入口端，以遞送熱燃燒氣體。在此處也可使用其它配置。每個燃燒器16包括主或上遊燃燒腔室M和次或下遊燃燒腔室26。腔室M、26由 文丘裡管觀分開。文丘裡管觀正好是在次或下遊燃燒腔室沈上遊的縮小直徑的區域。根 據伯努利(Bernoulli)原理，文丘裡管觀通常增加燃燒氣體的速度同時降低其中的壓力。 燃燒器16可被燃燒器流動套筒30包圍。流動套筒30導送從壓縮機14排放的空氣流動。 燃燒器16還可被外殼體32包圍，外殼體32栓接到渦輪殼體34上。多個主噴嘴36可向上遊燃燒腔室M提供燃料。主噴嘴36以角度陣列排列於中 心次噴嘴38周圍。主噴嘴36中的每一個可穿過後壁40突伸到主燃燒腔室M內。次噴嘴 38可從後壁40延伸以將燃料引入到次燃燒腔室沈內。燃料可以本領域已知方式通過燃料 管線遞送到主噴嘴36和次噴嘴38。在此處可使用其它噴嘴36、38。舉例而言，燃燒空氣可通過多個空氣旋流器42引入到主噴嘴36內。空氣旋流器 42可位於噴嘴36的出口端附近。旋流器42引入旋流燃燒空氣，旋流燃燒空氣與來自噴嘴 36的燃料混合以提供可燃混合物。用於旋流器42的燃燒空氣可經由流動套筒30和燃燒 器外壁44從壓縮機14得到。燃燒器16的壁44可在主燃燒腔室M周圍設置槽或百葉窗 46。類似的槽或百葉窗48可位於次燃燒腔室沈的周圍或下遊。槽或百葉窗46、48可提供 空氣用於冷卻目的和向燃燒區M、26內提供稀釋空氣來防止火焰溫度的尖峰值(spike)。次噴嘴38可位於中心體50內，且可包括被外旋流器52包圍的襯套51，如圖2所 示。外旋流器52可包括多個衝擊冷卻孔53以便冷卻襯套51。再次參看圖1，次旋流器M 也可位於次噴嘴38內。類似於上文所述的旋流器42，燃燒空氣在與燃料混合之前穿過次噴 嘴38中的次旋流器M。現參看圖3，示出僅氣體次燃料噴嘴組件56的實例。可供應燃料以通過擴散管P1維持火焰和通過管P2維持預混合火焰。管P1, P2可相對於彼此同心地布置。後構件或氣 體主體58可包括外套筒部分60和內部中空核芯部分62，以便在其中形成預混合燃料通道 64。多個軸向空氣通道66可形成於預混合通道64周圍的後構件58內。相似數量的徑向 壁部可置於套筒部分60端部周圍。徑向壁部可具有多個傾斜的徑向孔口以允許襯套52內 的空氣進入相應空氣通道68。組件58後端可適於接納燃料管Pl，P2。多個徑向孔72可設於組件58前部周圍。徑向孔72可允許相似數量的氣栓(gas peg) 74接納於其中以與預混合燃料通道64建立流通。每個栓74可設置多個孔口或開口 76允許燃料從預混合燃料通道64排放到預混合區78。預混合區78可位於外套筒60與襯 套51之間。栓74分配燃料到空氣流內使得燃料與空氣在預混合區78中的良好混合可降 低NOx排放。火焰保持旋流器80可置於次噴嘴56前端使預混合的燃料與空氣在襯套51內 的流動形成漩渦。在使用中，燃料可通過預混合通道64、引燃孔82和引燃開口 84到引燃器頂端86。 此燃料以及來自旋流器80的空氣可提供擴散火焰引燃。同時，供應到預混合燃料通道64 的大部分燃料可流入到栓74內，以從開口 76朝向襯套M排放從而與空氣混合併點燃。其 它設計、配置和方法也可用於次燃料噴嘴組件56和類似構件。圖4示出如本文所述的燃燒器100。燃燒器100可包括次燃料噴嘴組件110。類 似於上文所述的次燃料噴嘴組件56，次燃料噴嘴組件110可包括引導至外旋流器130的襯 套120。多個燃料通道140可位於襯套120內，燃料通道140以類似於上文所述的方式封閉 於外套筒145中。若干燃料通道140可延伸到引燃器頂端150等。引燃器頂端150可由次 旋流器160包圍，如上文所述。空氣可通過次旋流器160流動以便與燃料流動混合。此處 可使用許多其它類型的次噴嘴配置。次燃料噴嘴文丘裡管170可位於襯套120內且在引燃器頂端150和次旋流器160 下遊。文丘裡管170可具有尖銳喉部邊緣180、突然擴展部190和前面200。文丘裡管170 的前面200可具有大於大約三十度(30° )角度從而使通過它的流動加速。尖銳喉部邊緣 180可控制中央回流區210的起點，如在下文中進一步描述。此處也可使用其它形狀。因此，在流動沿著文丘裡管170的前面20、尖銳喉部邊緣180和突然擴展部190傳 遞時，文丘裡管170迫使在次燃料噴嘴組件110內的燃料空氣流動收縮和膨脹。如圖5所 示，隨著流動加速和壓力降低，此強迫收縮和膨脹可在文丘裡管170的喉部180附近造成中 央回流泡210。泡210可有助於使火焰遠離引燃器頂端150穩定，即使在通過它的引燃燃料 流量減小的情況下。舉例而言，引燃燃料流量可減小大約0. 1至0.3%。減少可取決於整個 次噴嘴組件110的配置和其中的構件。這種減少的引燃燃料流量可導致減少的NOx排放。另外，在文丘裡管170後方的低 速區可延長在引燃器頂端150的駐留時間，從而也能降低一氧化碳(CO)排放以及能改進主 氣體二次相互作用。因此使用文丘裡管170可改進整個燃燒器穩定性及調低(turndown)。 文丘裡管170還可在引燃管頂端150附近提供抗回火性。因此使用文丘裡管170可允許降 低引燃燃料流率同時避免在引燃管頂端150附近的火焰保持。顯然，前文的描述僅涉及本申請的某些實施例且在不偏離由下文的權利要求書和 其等效物所限定的本發明的基本精神和範圍的情況下可由本領域普通技術人員對本發明 做出許多變化和修改。
權利要求
1.一種用於燃燒器(100)的次燃料噴嘴組件(110)，其包括 襯套(120)；燃料通道(140)，其通往引燃器頂端(150)；以及文丘裡管(170)，其在所述引燃器頂端(150)下遊從所述襯套(120)延伸。
2.如權利要求1所述的次燃料噴嘴組件(110)，其中所述文丘裡管(170)包括喉部邊 緣(180)，喉部邊緣(180)引導至擴展部(190)。
3.如權利要求1所述的次燃料噴嘴組件(110)，其中所述文丘裡管(170)包括前面 (200)。
4.如權利要求3所述的次燃料噴嘴組件(110)，其中所述前面(200)包括大於大約 三十度(30° )的角。
5.如權利要求1所述的次燃料噴嘴組件(110)，其還包括位於所述引燃器頂端(150) 附近的次旋流器(160)。
6.如權利要求1所述的次燃料噴嘴組件(110)，其還包括位於所述文丘裡管下遊的外 旋流器(130)。
7.如權利要求1所述的次燃料噴嘴組件(110)，其還包括位於所述文丘裡管(170)附 近和所述襯套(120)內的回流區010)。
8.一種減少次噴嘴引燃器頂端(150)附近火焰保持的方法，其包括 使燃料通過次噴嘴引燃器頂端(150)流動；使空氣通過旋流器(160)流動；將文丘裡管(170)定位於所述次噴嘴引燃器頂端(150)下遊； 通過所述文丘裡管(170)使所述燃料流動和空氣流動收縮和膨脹；以及 在所述文丘裡管(170)附近形成回流區010)。
9.如權利要求8所述的方法，其還包括減少通過所述次噴嘴引燃器頂端(150)的燃料流量的步驟。
10.如權利要求9所述的方法，其中減少通過所述次噴嘴引燃器頂端(150)的燃料流量 的步驟還包括在不增加氧化氮排放的情況下減少所述流量。
全文摘要
本發明提供用於燃燒器(100)的次燃料噴嘴組件(110)。該次燃料噴嘴組件(110)可包括襯套(120)，通往引燃器頂端(150)的燃料通道(140)，和從襯套(120)延伸且在引燃器頂端(150)下遊的文丘裡管(170)。
文檔編號F23D14/48GK102052682SQ201010545139
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月5日 優先權日2009年11月6日
發明者S·薩德施穆克, V·納德卡尼 申請人:通用電氣公司