CN102997280B - 用于燃气涡轮机的燃料喷嘴组件和使燃料流转向的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开用于燃气涡轮机的燃料喷嘴组件和使燃料流转向的方法，所述组件包括：圆柱形中心体部、与中心体部共轴并且围绕中心体部延伸的圆柱形罩、以及具有下游边缘的转向引导件，该下游边缘沿位于中心体部与通向罩的入口之间的通路延伸，其中该转向引导件仅部分地围绕中心体部延伸。

Description

用于燃气涡轮机的燃料喷嘴组件和使燃料流转向的方法
技术领域
本发明涉及燃气涡轮机中的燃料燃烧，并且具体而言涉及将压缩空气引导至燃烧器中的燃烧区域。
背景技术
燃气涡轮机燃烧器对大量的燃料和压缩空气进行混合，并且使所获得的空气和燃料混合物燃烧。传统的用于工业燃气涡轮机的燃烧器通常包括圆柱形燃烧“罐(can)”的环形阵列，在圆柱形燃烧“罐”中空气和燃料混合以及产生燃烧。来自轴流压缩机的压缩空气流入燃烧器中。通过延伸到每一个罐中的燃料喷嘴组件喷射燃料。燃料和空气的混合物在每一个罐的燃烧室中燃烧。燃烧气体从每一个罐排放到通向涡轮的管道中。
来自压缩机的加压空气在罐的后端处进入燃烧罐，后端同样也是热燃烧气体从罐流向涡轮的端部。压缩空气流过形成在罐的圆柱形壁与内圆柱形燃烧衬套之间的环形管道。当热燃烧气体流过衬套的内部时，相对较冷的压缩空气对衬套的壁进行冷却。热燃烧气体沿与压缩空气的流动大体相反的方向流过管道。
当压缩空气到达燃烧器罐的头部端时，空气转向180度，以进入燃料喷嘴中的一个燃料喷嘴。为了进入外燃料喷嘴，压缩机空气的流动方向发生紧密并且快速的逆转。这个突然的转向能够在空气中产生低速流动区域，而空气流的其它区域处于明显更高的速度。当空气进入用于压缩空气的最靠近燃烧室中的双壁流动路径的外燃料喷嘴时，低速流的出现是最激烈的。
通过燃料喷嘴的均匀流速是期望的，以提供空气与燃料的均匀混合和均匀燃烧。由于低速区域提供用于将火焰停泊(anchor)在燃料喷嘴内侧的区域，因此燃料喷嘴中的低速空气流区域还造成喷嘴内侧的火焰保持风险。燃料喷嘴中的火焰能够毁坏喷嘴的硬件。此外，低速空气流能够造成空气和燃料混合物中的局部变化。这些变化能够包括这样的区域：在所述区域中，燃料和空气混合物过于丰富(rich)，从而导致过高的燃烧温度以及氮氧化物(NOX)的过度产生。始终期望能够在燃烧器罐中保持稳定火焰、减少燃气涡轮机中的燃烧而产生的NOX排放物、以及保持通过燃料喷嘴的均匀空气流速度。
发明内容
构想了一种用于燃气涡轮机的燃料喷嘴组件，该组件包括：圆柱形中心体部、与中心体部共轴并且围绕中心体部延伸的圆柱形罩(shroud)、以及具有下游边缘的转向引导件，该下游边缘延伸到位于中心体部与罩之间的通路的入口中，其中转向引导件仅部分地围绕中心体部延伸。
转向引导件可以是成形为与罩的入口区域相符合的薄片。转向引导件可以具有广口弯曲入口区域和大体直的出口区域。转向引导件可以通过肋或柱(post)安装至罩或中心体部。转向引导件可以沿围绕燃料喷嘴的弧延伸，并且该弧可以处于200度至35度的范围内。转向引导件可以位于邻近外部双壁环形流动管道的罩的一侧，压缩机空气通过外部双壁环形流动管道并且朝向该组件径向向内转向。
构想了一种用于燃气涡轮机的燃烧室，该燃烧室包括：环形流动管道，加压空气沿与形成在该燃烧室中的燃烧气体的流动相反的方向流过环形流动管道；具有内侧表面的端盖组件；径向向内转向件，该径向向内转向件接近端盖组件的内侧表面位于流动管道中；至少一个燃料喷嘴组件，该燃料喷嘴组件包括圆柱形中心体部、与中心体部共轴并且围绕中心体部延伸的圆柱形罩、以及具有下游边缘的转向引导件，该下游边缘朝向位于中心体部与罩之间的通路延伸，其中转向引导件仅部分地围绕中心体部延伸，并且转向引导件与环形流动管道的出口对齐且接近环形流动管道的出口，使得转向引导件将空气从环形流动管道导入位于中心体部与罩之间的通路中。转向引导件可以位于邻近环形流动管道的罩的一侧。
构想了一种将加压空气导入燃烧室中的燃料喷嘴组件的空气流动管道中的方法，该方法包括以下步骤：使加压空气沿第一方向移动通过燃烧室中的环形管道，并且使空气从管道朝向燃料喷嘴径向向内转向；经过转向的加压空气流入位于燃料喷嘴组件的圆柱形罩与中心体部之间的通路中；当经过转向的加压空气流入通路中时，通过具有入口边缘和出口边缘的转向引导件对空气进行导向，入口边缘与从环形管道流动的经过转向的空气对齐，出口边缘与通路对齐，其中转向引导件仅部分地围绕中心体部延伸。
转向引导件可以邻近环形管道的出口，并且在与环形管道相反的中心体部的一侧的位置处对进入通路的空气进行导向。转向引导件可以接近通向罩的入口，并且经过导向的空气是在流动通向罩的入口附近的空气。转向引导件可以使流入通路的径向向外部分中的空气的速度增加。转向引导件可以将经过转向的空气导入位于转向引导件与罩的入口部分之间的狭窄间隙中，其中入口部分具有广口，并且转向引导件将经过转向的空气导入位于转向引导件与罩的广口之间的狭窄间隙中。
附图说明
图1是工业燃气涡轮机中的传统燃烧室的图示，其中以横截面示出燃气涡轮机。
图2是燃烧室的一部分的横截面图，其示出燃烧空气通过燃烧室的双壁并且转向到外燃料喷嘴组件中的流动路径。
图3是围绕中心燃料喷嘴组件布置的燃料喷嘴组件的环形阵列的透视图。
图4是外燃料喷嘴组件的侧面的透视图，其中罩的一部分是透明的，以示出转向引导件。
图5和图6是安装至燃料喷嘴组件的中心体部的转向引导件的前透视图和后透视图。
图7是燃料喷嘴组件的阵列的视图，以示出转向引导件在外燃料喷嘴组件上的取向。
图8是燃料喷嘴组件的侧面和背面的透视图，其中转向引导件附连至罩。
图9是图8中所示的燃料喷嘴组件的横截面图，其中所述横截面所沿的平面与交叉体部的轴线垂直。
图10和图11是示意图，以横截面示出具有喇叭口入口的罩和不具有喇叭口(bell-mouth)入口的罩上的转向引导件。
图12和图13是通过具有转向引导件的管道和不具有转向引导件的管道的空气流的视图。
具体实施方式
图1是侧视图，其中以部分横截面示出传统的燃气涡轮发动机2，燃气涡轮发动机2包括轴向涡轮4、燃烧室6的环形阵列、和轴流压缩机8，轴流压缩机8产生被管道输送到燃烧室的压缩空气10。燃料12被喷射到燃烧室中并且与压缩空气混合。空气燃料混合物在燃烧室中燃烧，并且热燃烧气体14从所述室流向涡轮以驱动涡轮轮叶16，从而使涡轮4旋转。涡轮的旋转通过轴18使压缩机转动，轴18连接涡轮和压缩机。压缩机的旋转为燃烧室产生压缩空气。
图2是燃烧室6的一部分的横截面图，以示出燃料喷嘴组件20。每一个燃烧室6(也称作“罐”)都包括基本圆柱形的套筒22，套筒22靠近压缩机的排放端固定至燃气涡轮机的壳体24。燃烧罐的前端由端盖组件26封闭，端盖组件26可以联接至燃料供给管、歧管和相关联的阀28，以用于将气体燃料或液体燃料12进给至每一个燃烧室的燃料喷嘴。端盖组件26围绕容纳在圆柱形套管22内的中心燃料喷嘴组件30对燃料喷嘴组件20的圆形阵列进行支承。
加压空气10进入燃烧室6的端部并且流过(见箭头32)形成在室6的圆柱形套管22与内圆柱形衬套36之间的环形管道34。加压空气32沿与形成在室中的燃烧气体的流动相反的流动方向朝向端盖组件26流过管道34。加压空气通过管道34的环形部分转向，管道34的该环形部分的横截面可以呈U形38。
为了协助空气流转向，转向引导件42定位在燃料喷嘴组件20的每一个燃料喷嘴组件20上并且靠近空气管道34的U形部分38的出口。转向引导件42可以安装成接近燃料喷嘴的后部轴环(collar)44。
图3是围绕中心燃料喷嘴组件30布置的燃料喷嘴组件20(被称作外燃料喷嘴组件)的环形阵列的透视图。燃料喷嘴组件20、30在其后部轴环44处附连至凸缘27。凸缘安装至端盖组件26。对于外燃料喷嘴组件20的每一个外燃料喷嘴组件20而言，转向引导件42定位在其燃料喷嘴组件与图2中所示的环形管道34的U形端部38之间。如图3中所示，转向引导件大体定位于由外燃料喷嘴组件20在端盖组件26上的布置所形成的圆的外周处。
图4是外燃料喷嘴组件20的侧视图，其中罩46的一部分是透明的，以提供对转向引导件42更好的视图。转向引导件和中心体部以虚线显示。转向引导件42安装成邻近燃料喷嘴组件的轴环44。罩可以具有环形广口入口56。转向引导件42可以部分配合在罩的广口入口中。转向引导件的入口从罩入口轴向延伸出去并且径向向外延伸，使得广口入口56的外周缘58相距燃料喷嘴组件的轴线的径向距离与转向引导件的入口缘60相距燃料喷嘴组件的轴线的径向距离基本相等。
后部轴环44将燃料喷嘴组件连接至凸缘27，凸缘27附连至端盖组件26。轴环可以钎焊或焊接至凸缘27。凸缘27可以螺栓连接至端盖26。
转向引导件42可以具有与环形管道的U形部分38的端部相符合的横截面形状。转向引导件42可以沿部分地围绕轴环44的圆周的弧延伸，例如围绕轴环180度地延伸。转向引导件的弧可以处于35度至200度的范围内。转向引导件42的上游端可以至少部分地延伸到流动管道的U形部分38中。转向引导件的下游端可以与位于圆柱形罩46与中心体部50之间的环形管道52的入口对齐。转向引导件可以部分地延伸到环形管道52中。转向引导件的下游端可以从罩46径向向内，使得罩与转向引导件的下游端之间存在间隙53。该间隙位于环形管道52的径向外部区域处。在转向引导件的径向外表面上流动的空气移动到该间隙中，以保证环形管道的径向外部区域处的空气速度。
转向引导件42有助于提供转向到燃料喷嘴组件和圆柱形衬套36中的加压空气的均匀流动。转向引导件形成的流动路径能够使在罩46的径向外部附近的加压气流的速度增加。由转向引导件，空气速度的增加对在罩的外部处形成相对低速空气流的趋势进行抑制。使用转向引导件使环形管道52的径向外部处的流速增加，这产生通过整个燃料喷嘴的更加均匀的流速。
燃料喷嘴中具有均匀速度的空气流促进均匀的燃料空气混合并且促进燃料喷嘴中的火焰保持阻力(flameholdingresistance)。
流过环形管道52的空气与从旋流叶片54进入管道的燃料混合。通过环形管道52的空气-燃料混合物通过旋流叶片54产生旋流。旋流叶片可以是安装在中心体部与罩之间的大体圆柱形装置。由旋流叶片引起的螺旋流促进空气与燃料在管道52中混合。燃料与空气的混合物从管道52的端部流向燃烧室的燃烧区域55。燃料与压缩空气的混合物在燃烧区域中燃烧，并且燃烧气体从燃烧室流向(见图1中的燃烧流箭头14)涡轮4中的轮叶16。
图5和图6是安装至燃料喷嘴组件的中心体部50的转向引导件42的透视图和主视图。支承架62在中心体部50与转向引导件42之间延伸。支承架可以是以梯形布置的成对腿部。腿部可以呈平面并且与在转向引导件与中心体部之间流动的空气对齐(例如与燃料喷嘴组件的轴线对齐)。肋支承架62对管道52中的转向引导件进行结构支承。
转向引导件42可以包括位于出口区域中的入口部分68，所述入口部分68径向向外弯曲，以与来自图2中所示的U形转向件38的期望的空气流动路径相符合。入口部段的径向外周60可以处于或者径向超过与罩46的入口缘58相同的径向尺寸。入口部分68径向向内延伸并且结合转向引导件的圆柱形出口区域68。出口区域68沿与中心体部的轴线平行的方向延伸。出口区域68可以延伸至罩46，并且任选地延伸到罩46中。
图7是燃烧室中的燃料喷嘴组件20、30的阵列的一部分的端视图，其示出位于外燃料喷嘴组件20的罩的入口处的转向引导件42。半圆形转向引导件42安装至外燃料喷嘴组件20的广口入口56。转向引导件42在燃料喷嘴组件20中的每一个燃料喷嘴组件20上定向成面向U形出口，加压空气在经过流向逆转之后从U形出口离开环形管道。
图8和图9分别是安装至罩72的入口的转向引导件70的透视图和主视图。除了转向引导件70安装至罩72之外，转向引导件70与转向引导件42类似。转向引导件70位于在一侧上的罩72与在另一侧上的后部轴环44和中心体部50之间。转向引导件70可以附连和安装至圆柱形罩72的广口入口56。转向引导件70和广口56可以与轴环44和中心体部50之间的接合处对齐。转向引导件和广口可以在位于中心体部与罩之间的旋流叶片54的上游并且相对于该旋流叶片54略微径向向外。
转向引导件可以像弧、半圆或者圆的其它部分一样部分地围绕广口入口56延伸。如图5至图8所示，转向引导件42、70围绕广口的内侧表面延伸一半(例如180度)。转向引导件可以沿处于例如200度至35度的范围内的弧延伸。
转向引导件70可以由陶瓷或金属制成，并且可以是整体部件。转向引导件70可以具有径向向内弯曲至中心体部轴线的入口部段66、以及沿轴线成直线的圆柱形出口部段68。
转向引导件70可以通过肋74和柱76附连至罩72，肋74和柱76从广口(widemount)罩入口56延伸通过间隙53并且到达转向引导件的弯曲入口66。肋可以对齐成与中心体部的轴线平行，以减少通过间隙53的气流阻力。肋74可以位于转向引导件的中心处，并且柱76可以靠近转向引导件的侧面。
转向引导件70可以成形为与广口入口56相符合。形成在转向引导件70与广口入口56之间的间隙64可以具有均匀的宽度并且接近位于转向引导件与广口之间的管道的径向外部区域。通向间隙的入口可以大体径向向内延伸并且在间隙的排放部处轴向转向。该间隙是用于进入位于罩与轴环和中心体部之间的环形空气通路的加压空气的一部分的受引导流动通路。
图10和图11是示出与罩78和罩82相关联的转向引导件76的横截面示意图，罩78具有广口入口80(图10)并且罩82具有直的圆柱形入口。转向引导件的弯曲入口66与用于罩78的广口入口80的形状相符合，且并不与罩82的圆柱形入口相符合。转向引导件的弯曲形状旨在迫使压缩空气从双壁管道36中的U形转向件朝向间隙53和管道52的径向外部区域流动。通过迫使空气通过间隙并且朝向管道52的径向外部区域，转向引导件有助于使管道52中的流速更加均匀。
图12和图13是通过具有转向引导件的管道52(图13)和不具有转向引导件的管道52(图11)的气流的视图。弯曲箭头102代表当空气进入管道52时通过转向引导件76转向的空气。弯曲箭头104代表流入管道52中而未被转向引导件引导的空气。
空气速度轮廓106示出当转向引导件位于管道的入口处时通过管道的空气流的大体均匀的速度。空气速度轮廓108示出当不存在转向引导件时空气速度的巨大变化。具体而言，罩50附近的空气相比中心体部78附近的空气移动地明显较慢。如图12至图14所示，转向引导件使通过管道的径向外部区域的空气速度增加，并且由此使通过管道的空气流更加均匀。
由转向引导件实现的通过管道52的更加均匀的空气速度可以提供例如使来自燃烧室的NOX排放物减少并且使室的稳定火焰性能增强的优点。
尽管已经结合当前被认为是最可实践并且优选的实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不限于所公开的实施例，而是相反，本发明旨在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种改型和等同布置。

Claims (20)

1.一种用于燃气涡轮机的燃料喷嘴组件，所述组件包括：
中心体部；
罩，所述罩与所述中心体部共轴并且围绕所述中心体部延伸，以及
转向引导件，所述转向引导件具有下游边缘，所述下游边缘沿位于所述中心体部与通向所述罩的入口之间的通路延伸，其中所述转向引导件仅部分地围绕所述中心体部延伸；
其中，所述转向引导件是半圆形。
2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件，其特征在于，空气间隙位于通向所述转向引导件的入口与所述罩之间。
3.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件，其特征在于，所述转向引导件是薄片，所述薄片具有广口弯曲入口区域和与所述中心体部的轴线对齐的大体直的出口区域。
4.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件，其特征在于，所述转向引导件包括广口入口和圆柱形出口。
5.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件，其特征在于，所述转向引导件安装至所述罩或所述中心体部。
6.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件，其特征在于，所述转向引导件沿围绕所述燃料喷嘴的弧延伸，并且所述弧处于200度至35度的范围内。
7.根据权利要求1所述的燃料喷嘴组件，其特征在于，所述转向引导件位于邻近外部环形流动管道的所述罩的一侧，压缩机空气通过所述外部环形流动管道并且朝向所述组件径向向内转向。
8.一种用于燃气涡轮机的燃烧室，所述燃烧室包括：
环形流动管道，加压空气沿与形成在所述燃烧室中的燃烧气体的流动相反的方向流过所述环形流动管道；
端盖组件，所述端盖组件具有内侧表面；
位于所述流动管道中的径向向内转向件，所述径向向内转向件接近所述端盖组件的所述内侧表面；
至少一个燃料喷嘴组件，所述至少一个燃料喷嘴组件包括圆柱形中心体部、与所述中心体部共轴并且围绕所述中心体部延伸的圆柱形罩、以及具有下游边缘的转向引导件，所述下游边缘沿位于所述中心体部与通向所述罩的入口之间的通路延伸，其中所述转向引导件仅部分地围绕所述中心体部延伸，并且
所述转向引导件与所述环形流动管道的出口对齐并且接近所述环形流动管道的出口，使得所述转向引导件将空气从所述环形流动管道导入位于所述中心体部与所述罩之间的所述通路中；
其中，所述转向引导件是半圆形。
9.根据权利要求8所述的燃烧室，其特征在于，所述转向引导件是薄片，所述薄片弯曲成弧，以与所述中心体部相符合。
10.根据权利要求8所述的燃烧室，其特征在于，所述转向引导件是薄片，所述薄片具有弯曲入口区域和大体直的圆柱形出口区域。
11.根据权利要求8所述的燃烧室，其特征在于，所述圆柱形罩包括位于通向所述罩的入口的上游处的广口入口部段、以及延伸到通向所述罩的所述入口中的圆柱形出口区域。
12.根据权利要求8所述的燃烧室，其特征在于，所述转向引导件通过肋或柱安装至所述罩。
13.根据权利要求8所述的燃烧室，其特征在于，所述转向引导件沿围绕所述燃料喷嘴的弧延伸，并且所述弧处于200度至35度的范围内。
14.根据权利要求8所述的燃烧室，其特征在于，所述转向引导件位于邻近所述环形流动管道的所述罩的一侧。
15.一种将加压空气导入燃烧室中的燃料喷嘴组件的空气流动管道中的方法，所述方法包括以下步骤：
使加压空气沿第一方向移动通过所述燃烧室中的环形管道，并且使空气从所述管道朝向所述燃料喷嘴径向向内转向；
经过转向的加压空气流入位于圆柱形罩与中心体部之间的通路中；
当经过转向的加压空气流入所述通路中时，通过具有入口边缘和出口边缘的转向引导件对空气进行导向，所述入口边缘与从所述环形管道流动的经过转向的空气对齐，所述出口边缘与所述通路对齐，其中所述转向引导件仅部分地围绕所述中心体部延伸；
其中，所述转向引导件是半圆形。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述转向引导件邻近所述环形管道的所述出口。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述转向引导件接近通向所述罩的所述入口，并且经过导向的空气在通向所述罩的所述入口附近流动。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述转向引导件使流入所述通路的径向向外部分中的空气的速度增加。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述转向引导件将经过转向的空气导入位于所述转向引导件与所述罩的入口部分之间的狭窄间隙中。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述入口部分具有广口，并且所述转向引导件将经过转向的空气导入位于所述转向引导件与所述罩的所述广口之间的所述狭窄间隙中。
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