燃燒室噴嘴的製作方法

2023-05-12 14:47:51 2

專利名稱：燃燒室噴嘴的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃燒室，尤其涉及燃氣輪機的燃燒室。
背景技術：
燃氣輪機的燃燒室可以採用若干形式。一種示範類型的燃燒室的特點是一個具有用於燃料和空氣的前/上遊入口與後/下遊出口的環狀燃燒室，該出口用於將燃燒產物引向發動機的渦輪段。一種示範的燃燒室的特點是有從一前隔板向後延伸的內側壁和外側壁，該前隔板中安裝了旋流器，通過該前隔板裝入用於引入入口空氣和燃料的燃料噴嘴/噴射器。示範的壁為雙層結構，有一內防熱屏蔽板和一外殼。美國專利No.6675587中公開了一個燃燒室設計的例子。美國專利No.5966937中公開了一種旋流器。這兩個專利的公開內容儘可能充分列舉地參考合併於此。
發明概要一種燃氣輪機的旋流器/噴嘴裝置有一個有一中心軸線的旋流器和一個噴嘴。該噴嘴有一個出口端部，該出口端部帶多個圍繞所述中心軸線不對稱地分布的出口。
該裝置可以作為一種具有對稱分布的出口的噴嘴的基準裝置的重新設計而形成，並可用於燃氣輪機的重新設計和重新製造。
這種不對稱性可以使從噴嘴的第一個一半來的燃料流有效地少於從互補的第二個一半來的燃料流，該第一個一半相對於處於第二個一半的內側。該重新設計/重新製造可以這樣完成，使得最後修改的旋流器/噴嘴在燃燒室出口處具有比基準的旋流器/噴嘴的相關的溫度分布更均勻的相關的溫度分布。
在附圖和下列描述中詳細列舉本發明的一個或多個實施例。從描述、附圖和權利要求可以清楚本發明的其它特點、目的和優點。
附圖簡述

圖1是一種示範的發動機的縱向示意圖。
圖2是一種現有技術的旋流器/噴嘴的從下遊的端視圖。
圖3是圖2的噴嘴的噴霧分布圖。
圖4是與圖2的噴嘴相關的燃燒室流出的燃料-空氣的分布圖。
圖5是第一重新設計的旋流器/噴嘴的從下遊的端視圖。
圖6是與圖5的噴嘴相關的燃燒室出口燃料-空氣的分布圖。
圖7是第二重新設計的旋流器/噴嘴的從下遊的端視圖。
圖8是第三重新設計的旋流器/噴嘴的從下遊的端視圖。
圖9是第四重新設計的旋流器/噴嘴的從下遊的端視圖。
各附圖中相同的標號和標誌表示相同的部件。
本發明詳細描述圖1示意地表示一臺燃氣輪機20，該輪機20從上遊到下遊具有風扇22、低壓壓縮機24、高壓壓縮機26、燃燒室28、高壓渦輪30和低壓渦輪32。該發動機有一根中心線或中心縱軸線500。
燃燒室28為環繞中心線500的環狀燃燒室(例如與罐型燃燒室的陣列相反)。該燃燒室有一個壁結構，由前隔板40和上遊/前端與其結合的內側壁42和外側壁44形成。該燃燒室有一開口的出口/流出口端部46。一個旋流器/噴嘴裝置50安裝在該前隔板中。裝置50可以包括伸出到發動機箱的噴嘴。該燃燒室有一在內側壁和外側壁之間的徑向跨度Rs，該跨度從上遊到下遊可以變化。
圖2是一個示範的旋流器/噴嘴的從下遊的端視圖。也示出了發動機徑向向外方向502(及相關的局部徑向平面503)和發動機周邊方向504(及相關的局部周邊平面505)。也示出了空氣旋流506的方向。旋流器/噴嘴50有一中心縱軸線510，該縱軸線510局部地處於離發動機中心線500的半徑RS/N處。該軸線510通常可以近似地平行於發動機中心線500(例如以15度以內的角度或與其平行地處在與中心線50的一個共同的徑向平面內)。通常，軸線510的取向可以與高壓壓縮機出口和高壓渦輪機出口的徑向機構近似地橫交。
圖2的示範的旋流器/噴嘴包括多個單個的燃料孔或出口60、61、62、63、64、65。從後面/下遊觀看，它們以給定的半徑RN圍繞軸線510沿圓周均勻地間隔安置。每個出口60～65分別排放相關的噴霧70、71、72、73、74、75。噴霧70～75向下遊流動，在該處它們受沿方向506有一旋流分量的旋流器空氣流的影響。雖然最初是對稱的，但空氣動力和慣性力可能產生一個不對稱的噴霧分布。圖3表示一個示範的燃料圖形。該分布的各個方面可以產生不規則的和非最佳的燃燒參數，包括具有可能非最佳煙塵和排放的非均勻燃燒。這可能增加了獲得所希望的排放控制的困難。它也可能造成局部加熱，並因而提高了對硬體牢固性的要求。
圖4表示對圖2的噴嘴在與該噴嘴相關的環狀區段上的規範化的燃燒室出口燃料-空氣分布。這轉移到一個類似的溫度分布。在對於貧燃料混合物的燃料-空氣比和溫度之間存在一個1-4-1的對應關係。圖示的噴嘴沿圓周方向和徑向跨度的55％中心重疊約7.5度。在相關的分布中出現一熱點80(例如相對地富燃料但仍然典型地低於化學計量)。該熱點概念地表示在一個與最內側出口63的噴霧73最緊密地結合的區域內。這給出一種可能性，就是燃料流的重新分布可能減小該熱點的相對重要性。示範的重新分布可以涉及增加不對稱性、不規則性和/或其它不均勻性。
在一個例子中，假定所有其它因素保持相同，以最內側出口63來的氣流中的減小可能提供上述這樣一種減小。圖5表示這樣一種修改的旋渦器/噴嘴，其中最內側的出口63已被取消，以消除噴霧73。在一基準(如先有技術的旋流器/噴嘴)的重新設計中可進行示範的修改。這可以是一種基準發動機構型的重新設計或一種基準發動機的重新製造的一部分。該重新設計可以作為一種計算機模擬或物理實驗而完成或部分完成，並可以是一種重複的過程。該示範的增加的不對稱性的一個特徵是燃料的質量流的質量中心(在沒有從空氣流來的幹擾時或在噴嘴上或在下遊測得)從被取消的出口對面的噴嘴中心線處移開。
圖6表示略去了出口63和噴霧73的溫度分布圖。為了實驗的目的，其它氣流保持一樣。但是，在一實際壽命的重新設計中，它們必須成比例地增大。然而，圖6的改善的均勻性表明，即使對於其餘噴霧的增大的流量，也能得到相似的均勻性。
與圖5的形狀不同，圖7表示的旋流器/噴嘴200具有單個出口210、211、212、213、214、215，其位置與出口60～65相同，但處於相對下遊的最內側出口213提供比其餘出口更小的氣流。如對圖5的旋流器/噴嘴一樣，從局部圓周平面505的內側這一半的噴嘴來的燃料流減小而低於從外側那一半來的燃料流。
圖8表示可以作為圖2的旋流器/噴嘴的第三種重新設計而形成的旋流器/噴嘴250。旋流器/噴嘴250具有單個的出口260、261、262、263、264、265。在該示範的重新設計中，重新分布噴嘴的位置來減少從旋流器/噴嘴的內側這一半排出的流量。
雖然這些示範的重新設計都保持跨越一局部徑向平面的對稱性，但還可以引入不對稱性來使燃燒參數提供所要的溫度分布均勻性。
作為純粹噴嘴不對稱性的替代或補充，可以有一種旋流器不對稱性。圖9表示可以作為圖2的旋流器/噴嘴的第四種重新設計而形成的旋流器/噴嘴300。旋流器/噴嘴300具有旋流器部分302和噴嘴部分304。該示範的噴嘴部分304具有出口310、311、312、313、314、315，為例示起見，表示成與圖2的旋流器/噴嘴的尺寸和位置相同。旋流器302可以有一軸線510』，其位置和取向與軸線510相似。但是，噴嘴304偏心地安裝在該旋流器內，使得噴嘴軸線510」不與軸線510』符合一致。在圖示的例子中，軸線510」平行於軸線510』，並沿徑向502從軸線510』稍許偏移。這種偏移使燃料噴霧分布沿徑向向外偏離。
已經描述了本發明的一個或多個實施例。然而，可以理解，可以進行各種修改而並不偏離本發明的範圍和精神。例如，在一種重新設計或重新製造的狀況下，基準構型的細節可以影響任何特定實施方案的細節。因此，其它實施例均在下列權利要求書的範圍之內。
權利要求
1.一種燃氣輪機旋流器/噴嘴裝置，包括一個有一中心軸線的旋流器；以及一個噴嘴，其出口端有多個出口，這些出口圍繞所述軸線不對稱。
2.權利要求1的裝置，其特徵在於還包括一個橫交該中心軸線而延伸的支腳，其中該不對稱為對置的所述支腳有效地提供比鄰近的所述支腳較少的燃料流。
3.權利要求1的裝置，其特徵在於該不對稱包括一個比其餘所述出口要小的第一所述出口。
4.權利要求1的裝置，其特徵在於該不對稱包括圍繞所述中心軸線的圓周不均勻的間距。
5.權利要求4的裝置，其特徵在於該圍繞所述中心軸線的圓周間距包括一個比其餘圓周間隙更大的單個圓周間隙。
6.權利要求1的裝置，其特徵在於在離所述中心軸線一個半徑處有4～12個所述出口。
7.一種燃氣輪機，包括一個壓縮機區段；一個接受來自該壓縮機區段的空氣的圓環狀燃燒室；以及一個接受來自該燃燒室的燃燒氣體並驅動該壓縮機區段的渦輪區段；其中，該燃燒室包括成圓周排列的按權利要求1所述的裝置。
8.權利要求7的發動機，其特徵在於有12～30個所述裝置。
9.該不對稱有效地自該噴嘴的第一半部比自互補的第二半部提供較少的燃料流，該第一半部在該第二半部的內側。
10.一種用於操作一燃氣輪機的方法，該輪機包括一個壓縮機區段、一個接受來自該壓縮機區段的空氣並有呈圓周排列的旋流器/噴嘴裝置的圓環狀燃燒器，以及一個接受來自該燃燒室的燃燒氣體並驅動該壓縮機區段的渦輪區段；該方法包括從所述裝置排出燃料，使從該裝置的外側一半所排出的燃料多於從該裝置的互補的內側一半所排出的燃料。
11.權利要求10的方法，其特徵在於通過該裝置的外側一半的燃料流量至少是通過該裝置的內側一半的燃料流量的110％。
12.一種用於自一基準構型到一改造構型的重新製造一燃氣輪機或重新設計所述燃氣輪機的構型的方法，該基準構型包括一個有呈圓周排列的基準旋流器/噴嘴裝置的環狀燃燒器，每個裝置有一具有中心軸線的旋流器和一具有一個出口端部的噴嘴，該出口端部帶有多個圍繞所述軸線而對稱於該軸線的出口，該方法包括改變一個改造的旋流器/噴嘴的至少一個不對稱參數；以及測定與該改造的旋流器/噴嘴有關的燃燒器溫度分布。
13.權利要求12的方法，其特徵在於實施該方法能提供這樣一種最後修改的旋流器/噴嘴，其相關的溫度分布比該基準旋流器/噴嘴的相關溫度分布更加均勻。
14.權利要求12的方法，其特徵在於該方法至少部分地作為計算機模擬而完成。
15.一種燃氣輪機的旋流器/噴嘴裝置，包括一個有一中心軸線的旋流器；以及一個有一帶有多個出口的出口端部，其構型做成能提供用於限制一燃燒熱點的機構。
全文摘要
一種燃氣輪機的旋流器/噴嘴裝置，有一個有一中心軸線的旋流器和一個噴嘴。該噴嘴有一出口端部，該出口端部有多個圍繞所述中心軸線不對稱地分布的出口。該裝置可以作為一種具有對稱分布的出口的噴嘴的基準裝置的重新設計而形成。
文檔編號F23R3/02GK1987205SQ20061016909
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月20日 優先權日2005年12月20日
發明者C·B·格雷夫斯 申請人:聯合工藝公司