CN102788368B - 用于供应燃料到燃烧器的燃烧器喷嘴和方法 - Google Patents
用于供应燃料到燃烧器的燃烧器喷嘴和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及用于供应燃料到燃烧器的燃烧器喷嘴和方法。燃烧器喷嘴包括第一液态燃料通路和第二液态燃料通路。第一稀释剂通路止于径向包围第二燃料端口的第一稀释剂出口处。第二稀释剂通路止于在第一稀释剂出口与第二燃料端口之间的第二稀释剂出口处。第三稀释剂通路包围第一稀释剂通路和第二稀释剂通路的至少一部分。用于供应燃料到燃烧器的方法包括：使液态燃料通过第一燃料通路流动以及使乳化液态燃料通过第二燃料通路流动。该方法还包括：使第一稀释剂通过包围第二燃料通路的护罩流到包围第二燃料通路的至少一部分的第一稀释剂通路，且使第二稀释剂通过径向安置于第一稀释剂通路与第二燃料通路之间的第二稀释剂通路流动。
Description
技术领域
本发明大体涉及用于供应燃料到燃烧器的燃烧器喷嘴和方法。在本发明的特定实施例中，燃烧器喷嘴可供应液态燃料和乳化燃料到燃烧器。
背景技术
燃烧器通常用于在工业和商业操作中点燃燃料以产生具有高温和高压的燃烧气体。举例而言，工业燃气涡轮可包括一个或多个燃烧器以生成功率或推力。用于发电的典型商业燃气涡轮可包括在前部的轴向压缩器、在中部周围的一个或多个燃烧器以及在后部的涡轮。外界空气可供应到压缩器，且在压缩器中的旋转桨叶(blade)和固定叶片(vane)渐进地赋予动能到工作流体(空气)以产生处于高能状态的压缩工作流体。压缩工作流体离开压缩器且通过在各燃烧器中的一个或多个喷嘴流动，在燃烧器中压缩工作流体与燃料混合并点燃以生成具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体在涡轮中膨胀以做功。举例而言，燃烧气体在涡轮中膨胀可使得连接到发电机的轴旋转以发电。
供应到燃烧器的燃料可为液态燃料、气态燃料，或者液态燃料和气态燃料的组合。如果液态燃料和/或气态燃料并未在燃烧之前与压缩工作流体均匀混合，则可在燃烧器中形成局部热点。局部热点可增加富燃料区域中一氧化氮的产生，而贫燃料区域可增加一氧化碳和未燃烧的烃的产生，这都是不合需要的废气排放物。此外，富燃料区域可增加会损坏喷嘴的燃烧器中的火焰逆燃到喷嘴内和/或变得附连到喷嘴内的机会。尽管对于任何燃料都可发生火焰逆燃和火焰保持，但是对于诸如氢气的高反应性燃料，它们更易出现，高反应性燃料具有更高的燃烧速率和更宽的可燃性范围。
存在多种技术来允许更高的燃烧器操作温度同时最小化不合需要的废气排放物、逆燃和火焰保持。这些技术中的许多设法减少局部热点以减少不合需要的排放物的产生和/或减少低流量区以防止或减少逆燃或火焰保持的发生。举例而言，喷嘴设计的持续改善导致燃料与压缩工作流体在燃烧之前的更均匀混合以减少或防止在燃烧器中形成的局部热点。可选地，或者另外地，喷嘴被设计成确保燃料和/或压缩工作流体通过喷嘴的最小流率以冷却喷嘴表面和/或防止燃烧火焰逆燃到喷嘴内。在又一实施例中，水可添加到燃料中以产生乳化燃料，且喷嘴可将乳化燃料与压缩工作流体在燃烧之前混合以减少燃烧器中的峰值火焰温度和因此的一氧化氮产生。但是，乳化燃料，如果未充分地扩散，可导致火焰不稳定和/或增加的不合需要的废气排放物。因此，用于供应燃料到燃烧器的燃烧器喷嘴设计和方法中的不断改善将对改善燃烧器效率、减少不合需要的排放物和/或防止逆燃和火焰保持事件是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点在下文的描述中陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。
本发明的一个实施例是燃烧器喷嘴，其包括中心主体和在中心主体内的第一燃料通路，其中第一燃料通路止于第一燃料端口处。在中心主体内且周向包围第一燃料通路的至少一部分的第二燃料通路止于径向包围第一燃料端口的多个第二燃料端口处。在中心主体内且周向包围第二燃料通路的至少一部分的第一稀释剂通路止于径向包围多个第二燃料端口的第一稀释剂出口处。护罩周向包围中心主体的至少一部分以限定在中心主体与护罩之间的环形通路。通过护罩的多个稀释剂端口提供通过护罩到第一稀释剂通路的流体连通。径向安置于第一稀释剂通路与第二燃料通路之间的第二稀释剂通路止于在第一稀释剂出口径向内侧的第二稀释剂出口处。
本发明的另一实施例是燃烧器喷嘴，包括：第一液态燃料通路，其止于第一燃料端口处；和第二液态燃料通路，其周向包围第一液态燃料通路的至少一部分，止于径向包围第一燃料端口的多个第二燃料端口处。包围第二液态燃料通路的至少一部分的第一稀释剂通路止于径向包围多个第二燃料端口的第一稀释剂出口处，且径向安置于第一稀释剂通路与第二燃料通路之间的第二稀释剂通路止于在第一稀释剂出口与多个第二燃料端口之间的第二稀释剂出口处。第三稀释剂通路包围第一稀释剂通路和第二稀释剂通路的至少一部分。
本发明的实施例还可包括用于供应燃料到燃烧器的方法，包括：使液态燃料通过中心主体中的第一燃料通路流动；并且使乳化液态燃料通过中心主体中的第二燃料通路流动，其中第二燃料通路包围第一燃料通路的至少一部分。该方法还包括：使第一稀释剂通过包围第二燃料通路的护罩流到包围第二燃料通路的至少一部分的第一稀释剂通路，其中第一稀释剂通路在中心主体内且使第二稀释剂通过径向安置于第一稀释剂通路与第二燃料通路之间的第二稀释剂通路流动。
通过阅读说明书，本领域技术人员将更好地了解这些实施例的特征和方面及其它。
附图说明
针对本领域技术人员的、本发明的全面且能够实现的公开，包括其最佳模式，在说明书的剩余部分中，包括对附图的参考而更具体地陈述，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的示范性燃烧器的简化截面视图；
图2为沿线A-A所截取的图1中所示的喷嘴的上游轴向平面图；
图3为根据本发明的一个实施例在图2所示的喷嘴的截面透视图；
图4为根据本发明的一个实施例在图2中所示的中心主体的一部分的放大截面透视图；
图5为根据本发明的第二实施例在图2中所示的中心主体的一部分的放大截面透视图；并且
图6为根据本发明的第三实施例在图2中所示的中心主体的一部分的放大截面透视图。
附图标记
10燃烧器
12壳体
14喷嘴
16顶帽
18端盖
20衬套
22燃烧室
24过渡件
26涡轮入口
28冲击套筒
30流动孔
32环形通路
40中心主体
42护罩
44环形通路(第三稀释剂通路)
46喷嘴的轴向中心线
47旋流叶片
48入口流量调节器
50穿孔表面
54第一燃料通路
56第二燃料通路
64第一稀释剂通路
66第二稀释剂通路
68稀释剂端口
70中心主体的下游表面
72第一燃料端口
74第二燃料端口
76燃料旋流器
78第一稀释剂出口
80第二稀释剂出口
82稀释剂旋流叶片
84在第二稀释剂通路中的槽
具体实施方式
现详细参考本发明的实施例，其一个或多个实例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。在附图和描述中相同或类似的标记用于指代本发明的相同或类似的零件。
各实例以解释本发明，而不是限制本发明的方式提供。实际上，对于本领域技术人员显而易见，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可做出各种修改和变型。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。因此，预期本发明涵盖属于所附权利要求和其等效物的范围内的这种修改和变型。
本发明的各种实施例提供用于供应燃料到燃烧器的燃烧器喷嘴和方法。在本发明的特定实施例中，燃烧器喷嘴可靠近液态燃料和/或乳化液态燃料喷射稀释剂以在燃烧之前增进燃料的混合和/或蒸发。预期在燃烧之前燃料增进的混合和/或蒸发将减少不合需要的排放物的产生。此外，预期靠近液态燃料和/或乳化液态燃料喷射稀释剂将减少或防止逆燃或火焰保持事件。尽管大体上在合并到燃气涡轮的燃烧器内的燃烧器喷嘴的背景下描述，但是除非在权利要求中具体地陈述，否则本发明的实施例可应用于任何燃烧器且并不受限于燃气涡轮燃烧器。
图1示出了根据本发明的一个实施例诸如可包括于燃气涡轮中的示范性燃烧器10的简化截面视图。壳体12可包围燃烧器10以包含流到燃烧器10的压缩工作流体。如图所示，燃烧器10可包括径向布置于顶帽(topcap)16与端盖18之间的一个或多个喷嘴14。燃烧器10的各种实施例可包括不同数量和布置的喷嘴14。举例而言，在图1所示的实施例中，燃烧器10包括径向布置于顶帽16中的五个喷嘴14。顶帽16和衬套20大体上包围位于喷嘴14下游的燃烧室22，且在衬套20下游的过渡件24将燃烧室22连接到涡轮入口26。如本文所用的术语“上游”和“下游”指的是构件在流体路径中的相对位置。举例而言，如果流体从构件A流到构件B，则构件A在构件B的上游。相反，如果构件B从构件A接收流体，则构件B在构件A的下游。
带有流动孔30的冲击套筒28可包围过渡件24以限定在冲击套筒28与过渡件24之间的环形通路32。压缩工作流体可通过在冲击套筒28中的流动孔30以通过环形通路32流动以为过渡件24和衬套20提供对流冷却。当压缩工作流体到达端盖18时，压缩工作流体反向以通过一个或多个喷嘴14流动，在喷嘴14中，压缩工作流体与燃料在燃烧室22中在点燃之前混合，以产生具有高温和高压的燃烧气体。
图2提供了沿线A-A所截取的图1所示的喷嘴14的上游轴向平面视图，且图3提供了根据本发明的一个实施例在图2中所示的喷嘴14的截面透视图。如图所示，喷嘴14大体上包括中心主体40和护罩42，护罩42周向包围中心主体40的至少一部分以在中心主体40与护罩42之间限定环形通路44。中心主体40可与喷嘴14的轴向中心线46对齐且可向上游延伸通过端盖18以提供从端盖18通过中心主体40到燃烧室22内的流体连通。限定于中心主体40与护罩42之间的环形通路44可包括一个或多个旋流叶片47，其为通过环形通路44流动的压缩工作流体赋予切向速度。如在图3中最清楚地示出地，压缩工作流体的至少一部分可通过在护罩42与中心主体40之间的入口流量调节器48进入喷嘴14。入口流量调节器48可包括例如穿孔表面50，穿孔表面50可绕在中心主体40与护罩42之间的环形通路44的上游部在周向延伸。以此方式，环形通路44为压缩工作流体的至少一部分提供流经入口流量调节器48、穿过旋流叶片47到燃烧室22内的流体连通。
如图2和图3所示，喷嘴14还包括多个大致同心和/或同轴的流体通路，其可通过中心主体40的至少一部分轴向延伸。具体而言，第一燃料通路54和第二燃料通路56可在中心主体40内轴向延伸。如图3所示，第一燃料通路54可与喷嘴14的轴向中心线46大致重合，且第二燃料通路56周向包围第一燃料通路54的至少一部分。第一燃料通路54和第二燃料通路56为液态燃料和/或乳化燃料提供从端盖18、流经中心主体40并且到燃烧室22内的流体连通。供应到燃烧器的可能液态燃料可包括例如燃油、石脑油、石油、煤焦油、原油和汽油，且水或蒸汽可添加到各种液态燃料以产生乳化燃料。在特定实施例中，例如，第一燃料通路54可供应液态或引燃燃料用于启动和较低功率操作，且第二燃料通路56可供应乳化液态燃料用于较高功率操作。
第一稀释剂通路64和第二稀释剂通路66可类似地在中心主体40内轴向延伸，其中第二稀释剂通路66径向安置于第一稀释剂通路64与第一燃料通路54和/或第二燃料通路56之间。如图3所示，第一稀释剂通路64的一部分可径向延伸通过环形通路44和护罩42且可连接到护罩42中的一个或多个稀释剂端口68。以此方式，稀释剂端口68为压缩工作流体、一定类型的稀释剂提供通过护罩42流动且到第一稀释剂通路64内并通过第一稀释剂通路64的流体连通。第二稀释剂通路66为稀释剂提供从端盖18、流经中心主体40到燃烧室22内的流体连通。通过第二稀释剂通路66供应的可能稀释剂可包括，例如水、蒸汽、燃料添加剂、诸如氮气的各种惰性气体、诸如二氧化碳的各种不易燃的气体或从压缩器(未示出)供应到燃烧器10的压缩工作流体。
图4、图5和图6为根据本发明的各种实施例在图2中示出的中心主体40的一部分的放大截面透视图。如在各实施例中所示地，在中心主体40内的各种流体通路可止于靠近中心主体40的下游表面70或与该下游表面70重合的出口处。具体而言，第一燃料通路54可止于靠近下游表面70的第一燃料端口72，且第二燃料通路56可止于径向包围第一燃料端口72的多个第二燃料端口74处。第一燃料通路54还可包括在第一燃料端口72上游的燃料旋流器76以为离开第一燃料端口72的燃料赋予径向旋流或涡流。类似地，第二燃料端口74可平行于轴向中心线46对齐，如图4中所示，或者相对于轴向中心线46成角度以为离开第二燃料端口74的燃料赋予径向的和/或方位角(azimuthal)的旋流，如在图5和图6中分别所示。
第一稀释剂通路64可类似地止于第一稀释剂出口78处，且第二稀释剂通路66可止于第二稀释剂出口80处。第一稀释剂出口78可安置成在第一燃料端口72和第二燃料端口74径向外侧，且第一稀释剂通路64可包括靠近第一稀释剂出口78的多个稀释剂旋流叶片82以为离开第一稀释剂出口78的稀释剂赋予径向旋流。第二稀释剂出口80可径向安置于第一稀释剂出口与第二燃料端口74之间，使得第二稀释剂出口80周向包围靠近中心主体40的下游表面70的第一燃料端口72和第二燃料端口74。此外，第二稀释剂通路66可包括关于轴向中心线46成角度的多个槽84以为离开第二稀释剂出口80的稀释剂赋予径向旋流。由第一稀释剂通路64中的稀释剂旋流叶片82和第二稀释剂通路66中的槽84造成的旋流可在相同方向或对立方向上，取决于特定实施例。
第一燃料端口72和第二燃料端口74及第一稀释剂出口78和第二稀释剂出口80的特定布置和定向增进在通过燃料端口72、74流动的液态燃料和/或乳化燃料与通过稀释剂出口78、80流动的稀释剂之间的混合。具体而言，离开第二稀释剂出口80的稀释剂撞击并混合从第二燃料出口74离开的可能乳化的燃料以增进燃料的混合和/或蒸发。此外，在护罩42与中心主体40之间的、也被称作第三稀释剂通路44之间流动的压缩工作流体与通过第一燃料端口72和第二燃料端口74及第一稀释剂出口78和第二稀释剂出口80流动的燃料和稀释剂相互作用，以在燃烧之前进一步增进燃料的混合和蒸发。
由第一稀释剂通路64、第二稀释剂通路66和第三稀释剂通路44提供的增进的混合和蒸发因此允许减少添加到离开第二燃料端口74的乳化燃料的水或蒸汽的量，同时仍提供相同的益处。具体而言，通过第一稀释剂通路64、第二稀释剂通路66和第三稀释剂通路44流动的稀释剂增进了乳化燃料的扩散和蒸发而无需乳化燃料的额外旋流，乳化燃料的额外旋流倾向于将较重的燃料与较轻的水或蒸汽乳化剂分离。因此，在乳化燃料中减少的水或蒸汽允许更贫燃料的燃料混合物燃烧同时仍实现火焰温度和诸如一氧化氮、一氧化碳和未燃烧的烃的不合需要的废气排放物的期望的减少。此外，乳化燃料增进的混合和蒸发导致衬套20由燃料、水或蒸汽引起的润湿减少，从而增加了衬套20的耐用性。
关于图2至图6示出并且描述的系统的各种实施例还可提供用于供应燃料到燃烧器10的方法。该方法可包括使液态燃料通过中心主体40中的第一燃料通路54流动并且使乳化液态燃料通过包围第一燃料通路54的至少一部分的第二燃料通路56流动。该方法还可包括：使第一稀释剂，诸如压缩工作流体，通过包围第二燃料通路56的护罩42流到包围第二燃料通路56的至少一部分的第一稀释剂通路64，并且使第二稀释剂通过径向安置于第一稀释剂通路64与第二燃料通路56之间的第二稀释剂通路66流动。该方法的特定实施例可包括使乳化液态燃料关于轴向中心线46以一定角度从第二燃料通路56流出和/或使第三稀释剂通过径向安置于护罩42与第二燃料通路56之间的第三稀释剂通路44流动。可选地，或者另外，该方法可包括使液态燃料、乳化液态燃料、第一稀释剂、第二稀释剂和/或第三稀释剂中的至少一个成旋流。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括做出和使用任何装置或系统及执行任何合并的方法。本发明的专利保护范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员所想到的其它实例。如果其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质不同的等效结构元件，则这些其它实例预期在权利要求的保护范围内。
Claims (13)
1.一种燃烧器喷嘴，包括：
中心主体；
第一燃料通路，其在所述中心主体内，其中，所述第一燃料通路止于第一燃料端口处；
第二燃料通路，其在所述中心主体内且周向包围所述第一燃料通路的至少一部分，其中，所述第二燃料通路止于径向包围所述第一燃料端口的多个第二燃料端口处；
第一稀释剂通路，其在所述中心主体内且周向包围所述第二燃料通路的至少一部分，其中，所述第一稀释剂通路止于径向包围所述多个第二燃料端口的第一稀释剂出口处；
护罩，其周向包围所述中心主体的至少一部分以限定在所述中心主体与所述护罩之间的通路；
通过所述护罩的多个稀释剂端口，其中，所述多个稀释剂端口提供通过所述护罩到所述第一稀释剂通路的流体连通；和
第二稀释剂通路，其径向安置于所述第一稀释剂通路与所述第二燃料通路之间，其中，所述第二稀释剂通路止于在所述第一稀释剂端口径向内侧的第二稀释剂出口处。
2.根据权利要求1所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，还包括燃料旋流器，其在所述第一燃料通路中所述第一燃料端口的上游。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，所述多个第二燃料端口平行于所述燃烧器喷嘴的轴向中心线对齐。
4.根据前述权利要求1至2中的任一项所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，所述多个第二燃料端口关于所述燃烧器喷嘴的轴向中心线成角度。
5.根据前述权利要求1至2中的任一项所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，还包括多个稀释剂旋流叶片，其在所述第一稀释剂通路中靠近所述第一稀释剂出口。
6.根据前述权利要求1至2中的任一项所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，还包括在所述第二稀释剂通路中的多个槽，其中，所述多个槽关于所述燃烧器喷嘴的轴向中心线成一定角度。
7.根据前述权利要求1至2中的任一项所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，还包括多个旋流叶片，其在所述中心主体与所述护罩之间的通路中。
8.根据前述权利要求1至2中的任一项所述的燃烧器喷嘴，其特征在于，还包括入口流量调节器，其在所述护罩与所述中心主体之间。
9.一种用于供应燃料到燃烧器的方法，包括：
a.使液态燃料通过中心主体的第一燃料通路流动；
b.使乳化液态燃料通过所述中心主体中的第二燃料通路流动，其中，所述第二燃料通路包围所述第一燃料通路的至少一部分；
c.使第一稀释剂通过包围所述第二燃料通路的护罩流到包围所述第二燃料通路的至少一部分的第一稀释剂通路，其中，所述第一稀释剂通路处于所述中心主体内；并且
d.使第二稀释剂通过径向安置于所述第一稀释剂通路与所述第二燃料通路之间的第二稀释剂通路流动。
10.根据权利要求9所述的用于供应燃料到燃烧器的方法，其特征在于，所述方法还包括使所述乳化液态燃料关于燃烧器喷嘴的轴向中心线以一定角度从所述第二燃料通路流出的步骤。
11.根据权利要求9到10中的任一项所述的用于供应燃料到燃烧器的方法，其特征在于，所述方法还包括使第三稀释剂通过径向安置于所述护罩与所述第一稀释剂通路之间的第三稀释剂通路流动的步骤。
12.根据权利要求9到10中的任一项所述的用于供应燃料到燃烧器的方法，其特征在于，还包括使所述液态燃料或乳化液态燃料中的至少一个成旋流。
13.根据权利要求9到10中的任一项所述的用于供应燃料到燃烧器的方法，其特征在于，还包括使所述第一稀释剂、第二稀释剂或第三稀释剂中的至少一个成旋流。
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