燃燒器噴嘴的製作方法

2023-06-06 17:51:46 1

專利名稱：燃燒器噴嘴的製作方法
技術領域：
本發明涉及可用於燃氣輪機的燃燒器。更具體地，本發明涉及將燃料噴射入燃燒
器內的噴嘴系統。
背景技術：
燃氣輪機在許多應用場合起著至關重要的作用，如用於飛行器推進、船舶推進、發 電以及諸如泵和壓縮機的驅動處理中。 一般地，燃氣輪機包括壓縮機、燃燒器和渦輪機。操 作中，空氣供給到系統中，在此它通過壓縮機壓縮，而且，空氣的一部分進一步與燃料混合。 接著，壓縮空氣和燃料混合物燃燒，從而引起膨脹以便驅動渦輪機。 為了降低排放，燃燒器設計成在點火前預先將燃料和空氣混合。預混的燃料和空 氣在比化學計量燃燒低的溫度下燃燒，化學計量燃燒發生在傳統的擴散燃燒期間。結果，預 混燃燒帶來較低的NOx排放。 —般的燃燒器包括圍繞一個中心二次噴嘴的多個一次燃料噴嘴。傳統的二次噴嘴
在同一個長管狀結構內可同時包括用於擴散燃料和預混燃料的通道。這種噴嘴通常在單個
管狀殼內包含複雜結構的通道。用於產生擴散火焰的通道沿噴嘴的長度延伸。預混的燃料
在擴散頂端上遊分配，以便在到達火焰區域之前使燃料與流經燃燒器的壓縮空氣混合，火
焰區域位於噴嘴下遊。結果，預混的燃料的通道一般比擴散燃料的通道短。 另外，預混的燃料可與空氣在擴散頂端的上遊混合，更重要的是，從二次噴嘴結構
徑向向外混合。在這種二次噴嘴中，預混的燃料僅沿部分噴嘴長度運送，直到它從噴嘴主體
徑向向外送到預混噴射器頂端。在噴射器頂端，預混的燃料分配到空氣流動路徑內。當燃
料和空氣繼續沿二次噴嘴長度的其餘部分向下遊移動時，它們在噴嘴頂端的下遊混合，使
得能夠在火焰區內更有效地燃燒。 然而壓縮空氣是熱的，而燃料通常較冷。流經該二次噴嘴內不同通道的流體的溫 差可導致構成噴嘴的材料進行不同程度的熱膨脹。可以預期簡化二次噴嘴的結構以降低由 於內部複雜性、極端工況條件和熱膨脹差別導致的噴嘴結構上的高應力將是有利的。

發明內容
本發明提供的是設置在燃氣輪機用燃燒器內的二次噴嘴。該二次噴嘴包括法蘭和 從該法蘭延伸的長形噴嘴主體。至少一個預混燃料噴射器從噴嘴主體徑向分隔開，並大致 平行於噴嘴主體從法蘭軸向延伸。 該二次噴嘴包括燃料源、法蘭和從該法蘭軸向延伸的第一噴嘴管。至少一個第二 噴嘴管從第一噴嘴管向外徑向分隔開，並且該第二噴嘴管的近端固定於法蘭。該第二噴嘴 管與燃料源流體連接。該第二噴嘴管具有與其近端軸向分隔開的遠端，並且該遠端上具有 至少一個孔。 一個通道在第二噴嘴管的近端和遠端之間延伸，並且所述通道與燃料源和所 述至少一個孔流體連接。


圖1是具有多個一次噴嘴和一個二次噴嘴的用於燃氣輪機的示例性燃燒器的截 面視圖。 圖2是示例性的一次噴嘴和二次噴嘴的透視圖。 圖3是圖1和2所示的多個一次噴嘴和一個二次噴嘴的前視圖。 圖4是圖1-3所示的二次噴嘴的透視圖。 圖5是圖1-4所示的二次噴嘴的局部透視圖。 圖6是圖1-5所示的二次噴嘴的截面視圖。 圖7是圖1-6所示的二次噴嘴的一部分的示意圖。 圖8是示例性的燃燒器的一次工況的示意圖。 圖9是示例性的燃燒器的稀_稀工況的示意圖。 圖10是示例性的燃燒器的第二階段燃燒工況的示意圖。 圖11是示例性的燃燒器的預混工況的示意圖。
具體實施例方式
這裡詳細描述了用於燃氣輪機的示例性燃燒器。所示類型的燃燒器是多個燃燒器 中的一個，其在燃氣輪機內一般定位於壓縮機級之後。 現在參見附圖，先看圖l，燃燒器用標號10標示，其圖示為雙級、雙模式燃燒器，該 燃燒器具有燃燒器導流套筒12、後壁組件14和燃燒器壁13。從燃燒器壁13徑向向內設有 若干個一次燃料噴嘴16和一個二次燃料噴嘴18。噴嘴16、18用來將燃料噴射入燃燒器10。
用於燃燒(也用於冷卻)的進氣由渦輪壓縮機(未圖示)加壓，然後經過燃燒器 導流套筒12和轉換管(未圖示)導入燃燒器10內。流入燃燒器10的空氣用於燃燒和使 燃燒器10冷卻。空氣在燃燒器導流套筒12和燃燒器壁13之間沿方向"A"流動。通常，圖 示氣流被稱為逆流，因為方向"A"相對於經過渦輪機和燃燒室的普通空氣流處於上遊方向。
燃燒器10包括一次燃燒室42和位於一次燃燒室42下遊的二次燃燒室44。文丘 裡喉管區46位於一次燃燒室42和二次燃燒室44之間。如圖2和3所示，各一次噴嘴16 環繞著二次噴嘴18布置。在圖1中，中心體38在燃燒器10的中心由火焰筒40限定。
現在參見圖1-3，每個一次噴嘴16安裝在後壁組件14上。 一次噴嘴16從後壁14 突出，並向一次燃燒室42提供燃料。燃料經過一次燃料源20配送到一次噴嘴16。用於在 一次燃燒室42內燃燒點火的火花或火焰一般由火花塞或交叉火焰管(未圖示)提供。
空氣旋流器可以設置成與一次噴嘴16連接以便於燃燒空氣與燃料的混合，從而 提供易著火的空燃混合物。如上所述，燃燒空氣從壓縮機導出，並在燃燒器導流套筒12和 燃燒器壁13之間沿方向"A"流動。在到達後壁組件14時，壓縮空氣在燃燒器壁13和後壁 14之間徑向向內流入一次燃燒室42內。另外，為了冷卻，燃燒器壁13在一次和二次燃燒室 42、44內可設置槽或通氣縫(未圖示)。槽或通氣縫還可向燃燒器10內提供稀釋空氣，以 便調節一次或二次燃燒室42、44內的火焰溫度。 現在參見圖1-4， 二次噴嘴18從法蘭22經過後壁14延伸進入燃燒器10內。二次 噴嘴18延伸到文丘裡喉管區46上遊的一點以將燃料引入二次燃燒室44內。法蘭22可設 置用於在燃燒器10的後壁14上安裝二次噴嘴18的裝置(未圖示)。安裝裝置可以是機械聯接，例如螺栓，用於將法蘭22固定在後壁14上，並便於例如在維修或更換時拆除噴嘴 18。也可以考慮採用其它附接裝置。 —次噴嘴16的燃料由一次燃料源20提供，並經過後壁14引導。二次轉換和預混 燃料源24、25經過法蘭22供給到二次噴嘴18。儘管這裡未圖示，二次噴嘴18還可以具有 擴散迴路或導向迴路，以便將燃料噴射進入燃燒器10內。 二次噴嘴18包括噴嘴主體30和至少一個預混燃料噴射器32。如圖1所示，二次 噴嘴18位於中心體38內，並由火焰筒40圍繞。如圖3最佳地示出，各預混燃料噴射器32 大致環繞著噴嘴主體30布置在法蘭22上。每個預混燃料噴射器32具有從頂部看去大致 為長橢圓形或細長形的橫截面形狀。如圖3最佳地示出，噴射器32的第一側或第一端34 布置為靠近噴嘴主體30。噴射器32的第二側或第二端36布置成從第一端34徑向向外。
圖中示出預混燃料噴射器32在一次噴嘴16和噴嘴主體30之間直接對齊，以便氣 流經過中心體38並圍繞噴嘴主體30。在這種構造中，預混燃料噴射器32的第二端36布置 為靠近一次噴嘴16。進入燃燒器10的氣流"A"從燃燒器壁13外側徑向向內流動。 一部 分空氣向下遊流入並穿過一次燃燒室42。另一部分空氣(例如流經燃燒器的總空氣中的 5-20% )在經過中心體向下遊流動之前，徑向向內經過一次噴嘴16和一次燃燒室42流入 中心體38內。該第二部分氣流沿法蘭22和後壁14流動的方向在圖3中用字母"B"表示。 儘管可以採用其它構造，但是，當在一次噴嘴16和二次噴嘴18之間從一次噴嘴16徑向向 內對準預混燃料噴射器32時，能夠使最大量的氣流進入中心體38。類似地，儘管圖示的預 混燃料噴射器32具有細長橫截面，還可以採用其它形狀，例如圓形、矩形、三角形等。
現在參見圖5-7並繼續參見圖1-4，圖中示出二次噴嘴18包括噴嘴主體30和預混 燃料噴射器32。如上所述，二次噴嘴18位於中心體38內，並由火焰筒40圍繞(圖1)。噴 嘴主體30沿中心體38的縱向軸線延伸。噴嘴主體30具有大致長筒形外套管部分52，其中 限定了空腔31。如圖所示，各轉換燃料通道64位於空腔31的靠外的部分。各轉換燃料通 道64從法蘭22向遠處延伸，並布置在環形上的相間隔的位置上。還可採用公知的不用轉 換的變化形式。 轉換燃料通道64與由轉換燃料源24供燃料的轉換歧管51流體連接。轉換燃料 通道64包括長管66和至少一個徑向通道68。該通道68從管66徑向地朝向外，並與噴嘴 主體30的壁內的孔71對準。通道68通過開口 71將燃料噴射到套管52外側，以便與沿壁 52流動的空氣混合。圖中示出第二開口 70位於開口 71的上遊，第二開口 70提供空氣進入 空腔31部分的入口，該空腔31圍繞定位在噴嘴主體30內的中心管。流經開口 70的部分 空氣導入空腔31內，以便冷卻噴嘴主體30。空腔31內的空氣從噴嘴末端54上的開口 58 排放。中心管將燃料供給到噴嘴末端54，以便支持二次燃燒室44內的火焰(見圖1和圖 9-11)。開口70與通道68提供的燃料和噴射器32提供的附加燃料分離。值得注意的是，可 設置附加的開口以便混合噴嘴主體30外側的燃料流，或將氣流引入噴嘴的空腔31內。而 且，如果需要，可不要燃料通道64。 噴嘴主體30的外套管部分52從法蘭22延伸到遠端54。噴嘴主體30的遠端54 具有至少一個孔58，以便讓壓縮空氣從圍繞中心管部分的通道31內流出。
如上所述，燃料經過轉換燃料源24和預混燃料源25供給到二次噴嘴18。如圖6 最佳地示出，轉換燃料源24延伸進入法蘭22內，將燃料供給到轉換歧管51 ，該轉換歧管51
5與轉換燃料通道64流體連接。預混燃料源25延伸進入法蘭22內，並與預混歧管腔50流 體連通，該預混歧管腔50與預混燃料噴射器32流體連接。 預混燃料噴射器32從法蘭22向遠處延伸，其長度小於噴嘴主體30的長度。預混 燃料噴射器32的遠端60包括預混孔62，以便將燃料配送到噴嘴主體30外側的中心體38 區域內。預混燃料與火焰筒40內的空氣流混合。當混合物到達二次燃燒室44時，混合物 被優化成在二次燃燒室44內有效燃燒(見圖1)。 在一般的二次噴嘴中，擴散燃料和預混燃料經過從法蘭延伸的單個結構排出，與 其不同的是，這裡使用直立的單獨的預混燃料噴射器32能允許噴嘴主體30簡化。圖示噴 射器32使噴嘴主體30內的內部通道數量比一般的噴嘴少。這種簡化降低了二次噴嘴18 上的應力，該應力可能由於燃料和壓縮空氣的溫度變化帶來的噴嘴結構18、32內的溫差引 起。另外，期望的設計容易維護並且允許一定程度的模塊化，在傳統的二次噴嘴中這是不可 能的。 除了圖示結構，預混燃料噴射器32可具有與一組或多組預混孔62流體連接的分 配環。其它配送終端結構也可以與所示特定類型的預混燃料噴射器32結合使用。
參見圖8，在一般的"一次"工況中，火焰72在二次燃燒室44上遊的一次燃燒室 42內首先形成。這種初始火焰的燃料僅通過一次噴嘴16提供。在圖9中，火焰72在二次 燃燒室44內形成，而一次燃燒室42內的火焰72還在繼續。為了在二次燃燒室44內形成 火焰72，部分燃料經過二次噴嘴18噴射，而大部分燃料經過一次噴嘴16供送。舉例來說， 總排放燃料的30%經過二次噴嘴噴射，而70%的燃料經過一次噴嘴16供送。該火焰結構 被稱為"稀-稀"型工況。 在圖10中，整個燃料流經過二次噴嘴18的噴嘴主體30引入，在二次燃燒室44內 形成穩定的火焰。通過切斷向一次噴嘴16的燃料流，熄滅一次燃燒室42內的火焰。在該 "第二級"燃燒工況期間，之前經過一次噴嘴16噴射的燃料經過轉換燃料通道64轉移到二 次噴嘴18。轉換和預混燃料在火焰72上遊噴射。流經二次噴嘴18的燃料和空氣在此階段 被認為相對"濃"，因為100%的燃料流經二次噴嘴18而伴隨的只是要用於燃燒的空氣的一 部分。 現在參見圖ll，一旦穩定的火焰在二次燃燒室44內形成且一次燃燒室42內的火 焰熄滅，可重新向一次噴嘴16供燃料流，並且減少供向二次噴嘴18的燃料流。因為一次燃 燒室42內的火焰已經熄滅，一次噴嘴16用作預混和器。在該"預混"工況模式下，由於文 丘裡喉管區46，火焰在二次燃燒室44內保持。舉例來說，總排放燃料的83%可經過一次噴 嘴16供送，而其餘的17%的燃料經過二次噴嘴18噴射。其它比例關係也是可能的。
對於本領域的普通技術人員來說顯而易見的是，根據這裡公開的內容所述實施例 可以有各種變化。這樣，本發明可實現為其它特定形式，而不會脫離本發明的精神或實質， 因此，應該參照所附的權利要求書而不是前述說明書來確定本發明的範圍。
權利要求
一種用於燃氣輪機的二次噴嘴，包括法蘭；從所述法蘭延伸的長形噴嘴主體；以及至少一個從所述噴嘴主體徑向分隔開的預混燃料噴射器，所述預混燃料噴射器大致平行於所述噴嘴主體從所述法蘭軸向延伸達到所述噴嘴主體的一部分長度。
2. 如權利要求1所述的二次噴嘴，其中，所述噴嘴主體具有第一長度，所述預混燃料噴 射器具有小於所述第一長度的第二長度。
3. 如權利要求1所述的二次噴嘴，其中，所述至少一個預混燃料噴射器包括圍繞所述 噴嘴主體呈環形排列布置的多個預混燃料噴射器。
4. 如權利要求3所述的二次噴嘴，其中，所述二次噴嘴布置在燃燒器內，所述燃燒器具 有圍繞所述二次噴嘴呈環形排列布置的一次噴嘴，所述預混燃料噴射器布置在所述二次噴 嘴的所述噴嘴主體和所述一次噴嘴之間。
5. 如權利要求4所述的二次噴嘴，其中，所述預混燃料噴射器和所述一次噴嘴的數量 相同。
6. 如權利要求5所述的二次噴嘴，其中，每個所述預混燃料噴射器布置在所述二次噴 嘴的所述噴嘴主體和相鄰的一個所述一次噴嘴之間。
7. —種輪機燃燒器，包括 二次噴嘴，所述二次噴嘴具有 法蘭；與所述法蘭流體連通的燃料源；從所述法蘭延伸並通過所述法蘭與所述燃料源流體連通的第一噴嘴管；以及 至少一個噴射器管，其具有固定於所述法蘭上的近端和與所述近端分隔開的遠端，所 述噴射器管沿所述第一噴嘴管的部分長度軸向延伸，所述噴射器管通過所述法蘭與所述燃 料源流體連接且所述連接與所述燃料源和所述第一噴嘴管之間的連接分開。
8. 如權利要求7所述的輪機燃燒器，其中，所述二次噴嘴還包括至少一個第三管，所 述第三管從所述法蘭延伸並位於所述第一噴嘴管內，所述至少一個第三管與燃料源流體連 接，以便有選擇地向所述輪機燃燒器提供燃料。
9. 如權利要求7所述的輪機燃燒器，其中，所述二次噴嘴被環狀排列的一次噴嘴圍繞。
10. 如權利要求9所述的輪機燃燒器，其中，所述一次噴嘴與多個所述噴射器管徑向對 準，使得每個所述噴射器管定位在一個所述一次噴嘴和位於中心的所述第一噴嘴管之間。
11. 如權利要求io所述的輪機燃燒器，其中，每個所述噴射器管具有大致長形的橫截面。
12. 如權利要求11所述的輪機燃燒器，其中，所述噴射器管的長形橫截面的第一端定 位成靠近所述第一噴嘴管，所述長形橫截面的第二端定位成靠近一個所述一次噴嘴。
13. 如權利要求7所述的輪機燃燒器，其中，所述至少一個噴射器管包括圍繞所述第一 噴嘴管環狀排列布置的多個噴射器管。
全文摘要
一種用於燃氣輪機的二次噴嘴。該二次噴嘴包括法蘭和從該法蘭延伸的長形噴嘴主體。至少一個預混燃料噴射器從噴嘴主體徑向分隔開並大致平行於噴嘴主體從法蘭軸向延伸。至少一個第二噴嘴管與燃料源流體連接並從第一噴嘴管向外徑向分隔開，並且該第二噴嘴管的近端固定於法蘭。該第二噴嘴管具有與所述近端分隔開的遠端，該遠端上具有至少一個孔。一個通道在第二噴嘴管的近端和遠端之間延伸，並且該通道與燃料源和所述孔流體連接。
文檔編號F23D14/00GK101793408SQ20091013394
公開日2010年8月4日 申請日期2009年4月14日 優先權日2009年2月4日
發明者約翰·巴塔廖利, 羅伯特·布朗德 申請人:燃氣渦輪機效率瑞典公司