分級多管式預混合噴射器的製作方法

2023-04-23 10:36:26 2

專利名稱：分級多管式預混合噴射器的製作方法
分級多管式預混合噴射器
聯邦研究聲明
本發明是在政府的支持下並且按照由能源部授予的政府合同 #DE-FC26-05NT42643而做出的。政府在本發明中有一定的權利。技術領域
在本文中公開的主題涉及用於渦輪發動機的燃料噴射器。
技術背景
燃氣渦輪發動機可使用許多不同類型的燃料運行，包括天然氣和其它碳氫燃料。 其它燃料(比方說，例如氫(H2)以及氫與氮的混合物)可在燃氣渦輪機中燃燒，並且可提 供一氧化碳和二氧化碳的排放的降低。
氫燃料常比天然氣燃料具有更高的反應率，造成氫燃料更容易燃燒。因此，為與天 然氣燃料一起使用而設計的燃料噴嘴可能並不充分兼容與具有更高的反應率的燃料的使 用。同時，為高反應率的燃料而設計的燃料噴嘴可能被優化而提供對於天然氣燃料的低排 放水平。發明內容
根據本發明的一個方面，燃料噴射噴嘴包括主體部件，該主體部件具有與下遊壁 相對的上遊壁；布置在上遊壁和下遊壁之間的內壁；部分地由上遊壁的內表面和內壁的表 面限定的第一室；部分地由下遊壁的內表面和內壁的表面限定的第二室；與第一室連通的 第一氣體入口，其可操作以將第一氣體排入第一室；與第二室連通的第二氣體入口，其可操 作以將第二氣體排入第二室；以及多個混合管。各個混合管均具有管內表面；管外表面；與 在上遊壁中的孔連通的第一入口，其可操作以接收第三氣體；與管外表面和管內表面連通 的第二入口，其可操作以將第一氣體傳送入混合管；與管外表面和管內表面連通的第三入 口，其可操作以將第二氣體傳送入混合管；可操作以將第一氣體、第二氣體及第三氣體混合 的混合部分；以及與在下遊壁中的孔連通的出口，其可操作以排出混合的第一、第二及第三 氣體。
根據本發明的另一方面，燃料噴射系統包括第一氣體源、第二氣體源、空氣源、燃 料噴射噴嘴。該燃料噴射噴嘴具有主體部件，該主體部件具有與下遊壁相對的上遊壁；布置 在上遊壁和下遊壁之間的內壁；部分地由上遊壁的內表面和內壁的表面限定的第一室；部 分地由下遊壁的內表面和內壁的表面限定的第二室；與第一室和第一氣體源連通的第一氣 體入口，其可操作以將第一氣體排入第一室；與第二室和第二氣體源連通的第二氣體入口， 其可操作以將第二氣體排入第二室；以及多個混合管。各個混合管均具有管內表面；管外 表面；與在上遊壁中的孔連通的第一入口，其可操作以從空氣源接收第三氣體；與管外表 面和管內表面連通的第二入口，其可操作以將第一氣體傳送入混合管；與管外表面和管內 表面連通的第三入口，其可操作以將第二氣體傳送入混合管；可操作以將第一氣體、第二氣3體及第三氣體混合的混合部分；與在下遊壁中的孔連通的出口，其可操作以排出混合的第一、第二及第三氣體。
根據本發明的又一個方面，燃氣渦輪發動機系統包括燃燒器部分和燃料噴射噴 嘴，燃料噴射噴嘴具有主體部件，該主體部件具有與下遊壁相對的上遊壁；布置在上遊壁和 下遊壁之間的內壁；部分地由上遊壁的內表面和內壁的表面限定的第一室；部分地由下遊 壁的內表面和內壁的表面限定的第二室；與第一室和第一氣體源連通的第一氣體入口，其 可操作以將第一氣體排入第一室；與第二室和第二氣體源連通的第二氣體入口，其可操作 以將第二氣體排入第二室；以及多個混合管。各個混合管均具有管內表面；管外表面；與在 上遊壁中的孔連通的第一入口，其可操作以從空氣源接收第三氣體；與管外表面和管內表 面連通的第二入口，其可操作以將第一氣體傳送入混合管；與管外表面和管內表面連通的 第三入口，其可操作以將第二氣體傳送入混合管；可操作以將第一氣體、第二氣體及第三氣 體混合的混合部分；與在下遊壁中的孔連通的出口可操作以將混合的第一、第二及第三氣 體排入燃燒器部分。
根據聯繫附圖的以下描述，這些和其它優點及特徵將變得更清楚。


在說明書所附的權利要求書中特別指出並且清楚地要求保護被認為是本發明的 主題。根據聯繫附圖的以下詳細描述，本發明的前述和其它特徵和優點會清楚，在其中
圖1是示例性實施例的多管式燃料噴嘴的一部分的局部剖面透視圖。
圖2是圖1的多管式燃料噴嘴的一部分的剖面側視圖。
該詳細說明通過參考附圖的示例解釋了本發明的實施例及優點和特徵。
部件列表
100燃料噴嘴
101 箭頭
102主體部件
104上遊壁
105 箭頭
106下遊壁
107 內壁
108隔板部件
110上遊室
112下遊室
114混合管
116 入口
118 入口
120第二氣體腔
122燃燒器部分
124反應區域
1 第一氣體室
128第二氣體室
130第一燃料腔
201中心軸線
202第一氣體源
204第二氣體源
330 角度
331 角度具體實施方式
燃氣渦輪發動機可使用各種燃料進行操作。例如天然氣(NG)和合成氣體(合成 氣)的使用提供了燃料成本的節約，並且減少了碳和其它不希望的排放。一些燃氣渦輪發 動機將燃料噴入燃燒器，燃料在燃燒器中與空氣流混合併且被點燃。在燃燒器中混合燃料 和空氣的一個缺點是混合物在燃燒前可能並沒有混合均勻。不均勻的燃料空氣混合物的燃 燒可導致混合物的某些部分在比混合物的其它部分更高的溫度下燃燒。局部更高的火焰溫 度可驅使例如NOx的不希望的汙染物的更高的排放。
克服在燃燒器中的不均勻的燃料/空氣混合物的一個方法包括在將混合物噴入 燃燒器前混合燃料和空氣。該方法例如由多管式燃料噴嘴執行。使用多管式燃料噴嘴以 混合例如天然氣和空氣，允許燃料和空氣的均勻混合物在混合物的點燃之前被噴入燃燒器 中。作為燃料使用的氫氣(H2)、合成氣以及氫與例如氮氣的混合物提供了從燃氣渦輪機排 出的汙染物的進一步的減少。
圖1圖示了示例性實施例的多管式燃料噴嘴100(噴射器)的一部分的局部剖面 透視圖。噴射器100包括主體部件102，該主體部件102具有上遊壁104、內壁107、下遊壁 106。上遊壁104和內壁107限定第一氣體室126。隔板部件108布置在主體部件102中， 並且限定第二氣體室1 的上遊室110和下遊室112。多個混合管114布置在主體部件102 中。混合管114包括在第一氣體室1 和混合管114的內壁之間連通的入口 118以及在上 遊室110和混合管114的內表面之間連通的入口 116。
在運行中，空氣沿著由箭頭101指示的路徑流動。空氣經由上遊壁104中的孔進 入混合管114。第一氣體(比方說，例如天然氣、合成氣、氫氣、空氣、惰性氣體或氣體的混合 物)沿著由箭頭105指示的路徑流動穿過第一燃料腔130。該第一氣體在第一氣體室1 中進入主體部件102。第一氣體從第一氣體室126的中心徑向向外流動。第一氣體進入入 口 118並且流入混合管114。第二氣體(比方說，例如天然氣、合成氣、氫氣、空氣、惰性氣 體或氣體的混合物)沿著由箭頭103指示的路徑流動穿過第二氣體腔120，進入第二氣體 室128。第二氣體在下遊室112中進入主體部件102。第二氣體從下遊室112的中心徑向 向外流動並且進入上遊室110。第二氣體進入入口 116並且流入混合管114。第一氣體、第 二氣體和空氣在混合管114中混合併且作為燃料空氣混合物從混合管被排入渦輪發動機 的燃燒器部分122。燃料空氣混合物在燃燒器部分122的反應區域124中燃燒。
圖2圖示了噴射器100的一部分的剖面側視圖，並且將進一步圖示噴射器100的 運行。第一氣體流由箭頭105顯示。第一氣體(來自第一氣體源20 沿著平行於噴射器 100的中心軸線201的路徑經由第一氣體腔130進入第一氣體室126。第一氣體流穿過入口 118進入混合管114，並且在混合管114中與空氣(由箭頭101所示)混合。在該圖示的 實施例中，入口 118可相對於軸向方向成角度，以促進燃料以在20到90度之間的角度330 噴射。第二氣體流由箭頭103所示。第二氣體(來自第二氣體源204)沿著平行於噴射器 100的中心軸線201的路徑進入下遊室112。當第二氣體進入下遊室112時，第二氣體從中 心軸線201徑向向外流動。該第二氣體在經過隔板部件108的外唇之後流入上遊室110。 第二氣體流過上遊室110，進入入口 116，並且流進混合管114。在該圖示的實施例中，該入 口 116可相對於軸向方向成角度，以促進燃料以在20到90度之間的角度331噴射。燃料 空氣混合在混合管114中在入口 116的下遊處產生。第二氣體可比空氣更冷。第二氣體在 下遊室112中環繞混合管114的表面的流動冷卻混合管114，並且幫助防止燃料空氣混合物 在混合管114內點燃或持續燃燒。該圖示的實施例包括第三燃料源206，其可在進入噴嘴 100之前與空氣混合。例如，第三燃料源可包括天然氣，使得空氣在進入混合管114之前被 混合成包括10% -20%的天然氣。
該圖示的實施例包括上遊室110和下遊室112。其它實施例可包括以相似方式排 列的任何數量的另外的室。
雖然僅聯繫有限數量的實施例對本發明進行描述，但應該容易理解的是本發明並 不限於這些公開的實施例。相反，可更改本發明以結合迄今為止未描述但與本發明的精神 和範圍相稱的任何數量的變型、變更、替代或等同裝置。另外，雖然已經描述了本發明的各 種實施例，但應該理解的是本發明的各個方面可僅包括一些所述的實施例。因此，本發明不 應視為由前述說明限制，而是僅由所附權利要求書的範圍限制。
權利要求
1.一種燃料噴射噴嘴(100)，包括主體部件(102)，其具有與下遊壁(106)相對的上遊壁(104)，以及設置在所述上遊壁 (104)和所述下遊壁(106)之間的內壁(107)；第一室(1 )，其部分地由所述上遊壁(104)的內表面和所述內壁(107)的表面限定；第二室(1 )，其部分地由所述下遊壁(106)的內表面和所述內壁(107)的表面限定；與所述第一室(126)連通的第一氣體入口(103)，其可操作以將第一氣體排入所述第 一室(128)；與所述第二室(128)連通的第二氣體入口(105)，其可操作以將第二氣體排入所述第 二室(128)；以及多個混合管(114)，所述混合管(114)的每一個均具有管內表面；管外表面；與在所述 上遊壁(104)中的孔連通的第一入口，其可操作以接收第三氣體；與所述管外表面和所述 管內表面連通的第二入口(116)，其可操作以將所述第一氣體送入所述混合管(114)；與所 述管外表面和所述管內表面連通的第三入口(118)，其可操作以將所述第二氣體送入所述 混合管(114)；可操作以混合所述第一氣體、所述第二氣體及所述第三氣體的混合部分；以 及與在所述下遊壁中的孔連通的出口，其可操作以排出混合的第一氣體、第二氣體及第三 氣體。
2.根據權利要求1所述的燃料噴射噴嘴，其特徵在於，所述燃料噴射噴嘴還包括設置 在所述第二室(1 )中的隔板部件(108)。
3.根據權利要求1所述的燃料噴射噴嘴，其特徵在於，所述噴嘴限定了由所述第一氣 體入口、所述第一室(126)及所述第二入口(116)限定的第一氣體流路徑。
4.根據權利要求1所述的燃料噴射噴嘴，其特徵在於，所述噴嘴限定了由所述第二氣 體入口、所述第二室(128)及所述第三入口(118)限定的第二氣體流路徑。
5.根據權利要求1所述的燃料噴射噴嘴，其特徵在於，各個混合管(114)限定了空氣流 路徑。
6.根據權利要求1所述的燃料噴射噴嘴，其特徵在於，所述主體部件(10 是具有平行 於所述第三氣體的流的居中的縱向軸線的管狀物。
7.根據權利要求1所述的燃料噴射噴嘴，其特徵在於，所述第一氣體是燃料。
8.根據權利要求1所述的燃料噴射噴嘴，其特徵在於，所述第二氣體是燃料。
9.根據權利要求1所述的燃料噴射噴嘴，其特徵在於，所述第三氣體包括空氣。
全文摘要
本發明涉及分級多管式預混合噴射器，具體而言，一種用於產生動力的系統(100)包括可操作以輸出排放氣體(103)的發動機(102)、可操作以從排放氣體(103)中移除二氧化碳(CO2)(105)並且輸出CO2(105)的碳捕獲機構(104)、以及可操作以接收CO2(105)並且輸出冷卻發動機(102)構件的壓縮的CO2(105)的壓縮機(204)。
文檔編號F23D14/64GK102032576SQ201010254928
公開日2011年4月27日 申請日期2010年8月6日 優先權日2009年10月8日
發明者A·R·罕, W·D·約克, W·S·齊明斯基, 左柏芳 申請人:通用電氣公司