專利名稱：用于燃氣渦輪機噴嘴的裝置和方法
用于燃氣渦輪機噴嘴的裝置和方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明一般地涉及用于將燃料供應(yīng)至燃氣渦輪機的裝置和方法。具體地，本發(fā)明 包括可用在燃氣渦輪機中的燃燒器中的特型噴嘴(contoured nozzle)。
背景技術(shù)：
燃氣渦輪機廣泛用在用于動力生產(chǎn)的商業(yè)運行中。在較高的溫度下運行燃氣渦輪 機通常增加了燃氣渦輪機的熱力學(xué)效率。然而，如果燃料和空氣未在燃燒之前很好地混合， 則較高的運行溫度常在燃燒器中靠近噴嘴出口處產(chǎn)生局部熱點。局部熱點可增加火焰回閃 (flash back)和駐焰(flame holding)的可能性。對任何燃料均可發(fā)生火焰回閃和駐焰， 并且尤其與高反應(yīng)性燃料(例如氫燃料)相關(guān)。高反應(yīng)性燃料具有比具有低反應(yīng)性的燃料 高得多的燃燒速度和寬得多的可燃性范圍。在運行期間應(yīng)避免火焰回閃和駐焰，因為在此 類事件中噴嘴可被燒毀。另外，不均勻的燃料/空氣混合和局部熱點增加了 NOx的產(chǎn)生，并 且不均勻燃料/空氣混合和局部熱點增加了一氧化碳和未燃燒的碳氫化合物的排放，所有 這些都是不期望的廢氣排放。
存在多種技術(shù)以允許較高的運行溫度，同時最小化局部熱點和非期望的排放。例 如，已經(jīng)開發(fā)出許多噴嘴以在燃燒之前更均勻地混合燃料和工作流體。更均勻的燃料混合 允許燃氣渦輪機在接近完全預(yù)混合的燃燒下運行，該運行產(chǎn)生較少的熱點并且產(chǎn)生較低的 排放。當(dāng)火焰燃燒速度高于局部流速時，發(fā)生駐焰和火焰回閃。為預(yù)防駐焰或火焰回閃，需 要增加流速，這常要求跨越噴嘴的額外的壓降，并且跨越噴嘴的該壓降降低了燃氣渦輪機 的總熱力學(xué)效率。
因此，存在對改進的噴嘴的持續(xù)需求，該噴嘴可支持日益增高的燃燒溫度和高反 應(yīng)燃料，同時最小化局部熱點、駐焰以及跨越噴嘴的壓降。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各方面和優(yōu)點在以下描述中闡明，或可通過描述而變得顯而易見，或可 通過發(fā)明的實踐來獲悉。
本發(fā)明的一個實施例為包括軸向中心線和設(shè)置在該軸向中心線周圍的中心體的 噴嘴。該中心體包括前緣和在前緣的下游的后緣。護罩環(huán)繞中心體并限定圓周。該噴嘴進 一步包括在中心體和護罩之間的多個葉片，并且接近中心體的前緣的護罩的圓周大于接近 中心體的后緣的護罩的圓周。
在本發(fā)明的另一實施例中，噴嘴包括進口、在進口下游的出口和在進口和出口之 間的軸向中心線。該噴嘴進一步包括護罩，該護罩環(huán)繞軸向中心線，從進口向出口延伸，并 且限定圓周。接近進口的護罩的圓周大于在進口的下游的第一點處的護罩的圓周，并且在 進口的下游的第一點處的護罩的圓周小于在第一點的下游的第二點處的護罩的圓周。
本發(fā)明的另一個實施例包括一種用于通過噴嘴供應(yīng)燃料的方法。該方法包括引導(dǎo) 第一空氣流沿著第一路徑通過噴嘴的軸向中心線，引導(dǎo)第二空氣流沿著第二路徑越過多個葉片，以及將第一路徑從第二路徑分開。該方法還包括將燃料噴入第一路徑或第二路徑中 的至少一個路徑，并且加速第一空氣流或第二空氣流中的至少一個空氣流。
在查看了說明書之后，那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將更好地領(lǐng)會此類實施例的特性和各 方面，以及其它。


本發(fā)明的完全且使能的公開，包括對本領(lǐng)域技術(shù)人員的最佳模式更詳盡地在說明 書的剩余部分中闡明，包括對附圖的參考，其中
圖1是具有在本發(fā)明的范圍內(nèi)的噴嘴的燃氣渦輪機的簡化橫截
圖2是沿著線A-A所取的圖1中所示噴嘴的簡化平面圖3是在圖1中所示噴嘴的簡化透視橫截面；以及
圖4是在本發(fā)明的范圍內(nèi)的旋流器葉片的一個實施例的橫截面
部件列表
10燃氣渦輪機
12噴嘴
14壓縮機
16燃燒器
18渦輪
20轉(zhuǎn)子
22壓縮機排放氣室
24襯里
26燃燒室
28反應(yīng)區(qū)域
30過渡件
32頂蓋
34噴嘴進口
36噴嘴出口
38中心體
40旋流器葉片
42護罩
44軸向中心線
46中心體前緣
48中心體后緣
50旋流器葉片前緣
52旋流器葉片后緣
54旋流器葉片內(nèi)部通道
56燃料輸入孔
58第一點
60第二點
62 圓柱具體實施方式
現(xiàn)在將詳細參考本發(fā)明的實施例，一個或多個該發(fā)明的示例在附圖中圖示。詳細 的描述使用數(shù)字和字母標(biāo)號來指代圖中的特征。在圖中類似或相似的標(biāo)號和描述已用于指 代本發(fā)明的類似或相似的部件。
各示例通過對本發(fā)明的說明而非對本發(fā)明的限制來提供。實際上，對于那些本領(lǐng) 域中的技術(shù)人員來說顯而易見的是，可對本發(fā)明進行修改和變化而不背離其范圍或精神。 例如，圖示或描述為一個實施例的一部分的特征可用在另一實施例上以產(chǎn)生又另一個實施 例。因此，其意圖在于本發(fā)明覆蓋此類在所附權(quán)利要求書及其等價物的范圍內(nèi)的修改和變 化。
圖1顯示了具有在本發(fā)明的范圍內(nèi)的噴嘴12的燃氣渦輪機10。該燃氣渦輪機10 通常包括在前部的壓縮機14，在中部周圍的一個或多個燃燒器16，以及在后部的渦輪18。 壓縮機14和渦輪18可共享共同的轉(zhuǎn)子20。
壓縮機14通過壓縮工作流體以將其帶至高度賦能狀態(tài)來賦予工作流體(空氣) 動能。受壓縮的工作流體離開壓縮機14并且通過壓縮機排放氣室22流向燃燒器16。襯里 24環(huán)繞各燃燒器16并且限定燃燒室26。噴嘴12將燃料和受壓縮的工作流體在下游的混 合區(qū)域觀中混合?？赡艿娜剂习ǜ郀t煤氣、焦?fàn)t煤氣、天然氣、汽化的液化天然氣(LNG)、 氫以及丙烷。燃料和工作流體的混合物流向燃燒室26，在此處其點燃以產(chǎn)生具有高的溫度 和壓力的燃燒氣體。燃燒氣體通過過渡件30流向渦輪18，在此處它們膨脹以產(chǎn)生功。
圖2顯示了圖1中所示的噴嘴12沿著線A-A所取的簡化平面圖，并且圖3顯示了 圖1中所示的噴嘴12的簡化透視橫截面。如圖2和3中所示，頂蓋32為噴嘴12提供結(jié)構(gòu) 性支承。噴嘴12以多種幾何形狀排列在頂蓋32上，例如六個噴嘴12環(huán)繞著單獨的噴嘴 12，如圖2中所示。另外的幾何形狀包括七個噴嘴環(huán)繞單獨的噴嘴或根據(jù)特定設(shè)計需要的 任何合適的形狀。各噴嘴12包括進口 34和在進口 34的下游(即在空氣流的方向上)的 出口 36。各噴嘴12可進一步包括中心體38，多個旋流器葉片40和/或護罩42。
中心體38在形狀上通常為圓形，并且設(shè)置在噴嘴12的軸向中心線44周圍，盡管 中心體38的特殊形狀和同心性并不是在本發(fā)明的范圍內(nèi)的每個實施例的必要條件。中心 體38包括接近噴嘴12的進口 34的前緣46和在前緣46的下游(即在空氣流的方向上)的 后緣48。前緣46可倒圓以最小化經(jīng)過中心體38的任一側(cè)的空氣流的任何分裂。后緣48 可在一個點處終結(jié)以最小化經(jīng)過中心體38的燃料和空氣混合物的任何回流。前緣46和后 緣48的組合可因此對中心體38限定翼型件形狀。
旋流器葉片40在中心體38和護罩42之間延伸。各噴嘴12通常包括三到十二 個旋流器葉片40，盡管本發(fā)明的范圍取決于特定的設(shè)計需要而包括任意數(shù)目的旋流器葉片 40。
圖4顯示了在本發(fā)明范圍內(nèi)的旋流器葉片40的一個實施例的橫截面。與關(guān)于中 心體38 —樣，各旋流器葉片40包括接近噴嘴12的進口 34的前緣50和在前緣50的下游 (即在空氣流的方向上)的后緣52。前緣50可倒圓并且包括圓角，在該圓角處前緣連接到 中心體38和護罩42上以最小化通過旋流器葉片40的任一側(cè)的空氣流的任何分裂。后緣52可在一個點處終結(jié)以最小化跨越旋流器葉片40的燃料和空氣混合物的任何回流。前緣 50和后緣52的組合可因此對旋流器葉片40限定翼型件形狀。
如圖4中所示，旋流器葉片40可進一步包括為通過護罩42、旋流器葉片40和中 心體38的燃料流提供流體連通的內(nèi)部通道M或空腔。位于中心體38的任一側(cè)、旋流器葉 片40的任一側(cè)和/或在護罩42的內(nèi)側(cè)上的燃料輸入孔56可用于將燃料噴入空氣流。燃 料輸入孔56的直徑可在大約0. 010英寸和0. 080英寸之間，并且燃料輸入孔56可相對于 軸向中心線44成大約25度到90度的角度。燃料輸入孔56的直徑和角度聯(lián)合以確保燃料 充分地滲入氣流，并防止燃料簡單地沿著中心體38、旋流器葉片40和/或護罩42流動。燃 料輸入孔56的直徑和角度還聯(lián)合以確保局部駐焰的可能性最小化。
旋流器葉片40可與軸向中心線44對齊來使進入下游混合區(qū)域28的空氣流穩(wěn)定。 在備選實施例中，旋流器葉片40的后緣52可相對于軸向中心線44成多達大約60度的角 度，以在通過旋流器葉片40的空氣流上賦予漩渦運動。由旋流器葉片40賦予的漩渦運動 在離開旋流器葉片40的漩渦空氣流和離開中心體38的非漩渦空氣流之間產(chǎn)生剪切力。此 剪切力促進燃料和受壓縮的工作流體在下游的混合區(qū)域觀中的改善的混合，潛在地允許 更短的噴嘴12，該噴嘴12減少了壓力損失、原料和制造成本。駐焰和回閃的余量也將得到 改善。
護罩40環(huán)繞著中心體38和軸向中心線44，從進口 34延伸到出口 36，并且限定了 圓周。當(dāng)受壓縮的工作流體進入噴嘴12時，中心體38沿著第一路徑通過中心體38的內(nèi)部、 并沿著軸向中心線44引導(dǎo)第一空氣流。護罩40和中心體38聯(lián)合以沿著與第一路徑分開 的在護罩40和中心體38之間的第二路徑引導(dǎo)第二空氣流，并穿過旋流器葉片40。第一空 氣流與在中心體38的后緣48的下游的第二空氣流以及噴入的燃料結(jié)合以產(chǎn)生混合物流。 該混合物流前進至下游的混合區(qū)域觀，在此處燃料和受壓縮的工作流體在離開出口 36并 且進入燃燒室26之前繼續(xù)混合。
護罩42的圓周通常從進口 34到出口 36變化，首先減小且然后增加，給予護罩40 類似于文氏管的輪廓。在特定的實施例中，在進口 34處的圓周和在出口 36處的圓周可尺 寸設(shè)置為在進口 34和出口 36處產(chǎn)生大致相等的橫截面積，以最小化跨越噴嘴12的壓降， 并且最大化流通面積。
護罩42的圓周在進口 34或中心體38的前緣46附近開始減小，并且繼續(xù)減小直 至到達在進口 34的下游的第一點58。第一點58的精確位置可根據(jù)特定實施例的設(shè)計需 要輕微變化，但其通常接近或在中心體38的后緣48的稍微下游處。接近進口 34或中心體 38的前緣46的圓周因此大于接近中心體38的后緣48的圓周。
在進口 34和第一點58之間的圓周的減小與旋流器葉片40和中心體38的錐形形 狀相符。圓周上的此減小降低了用于第一和/或第二空氣流的橫截面積，導(dǎo)致第一和/或 第二空氣流的對應(yīng)的加速或速度上的增加。在一些實施例中，預(yù)期從進口 34到第一點58 的圓周的減小可增加空氣流速度兩到三倍，從而降低了駐焰可能發(fā)生在燃料輸入孔56附 近和從燃料輸入孔56到第一點58的下游的可能性。
護罩42的圓周從第一點58的下游開始增加直至其到達第二點60。第二點60的 精確位置可在第一點58和出口 36之間沿著護罩42的任何位置處，且實際位置依賴于特定 實施例的設(shè)計需要。在第二點60處的圓周因此大于在第一點58處的圓周。
在第一點58和第二點60之間圓周的增加通常與下游混合區(qū)觀的位置相符。圓周 上的此增加增大了用于混合物流的橫截面積，導(dǎo)致混合物流對應(yīng)的減速或速度上的減少。 相應(yīng)地，流體壓力損失得到恢復(fù)。
在圖3中圖示的實施例中，護罩42的圓周從第二點60到出口 36保持不變。因 此，護罩42限定了從第二點60到出口 36的圓柱62。當(dāng)混合物離開噴嘴12并且進入燃燒 室沈時，此不變的圓周使燃料和受壓縮的工作流體的混合物的速度和壓力穩(wěn)定，從而降低 火焰回閃可能發(fā)生在噴嘴12內(nèi)的可能性。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)領(lǐng)會的是，可以對在此處闡明的本發(fā)明的實施例進行修改和變 化而不脫離由所附權(quán)利要求書及其等價物闡明的本發(fā)明的范圍和精神。
權(quán)利要求
1.一種噴嘴(12)，包括a.軸向中心線(44)；b.設(shè)置在所述軸向中心線G4)周圍的中心體(38)，其中所述中心體(38)包括前緣 (46)和在所述前緣(46)的下游的后緣(48)；c.環(huán)繞所述中心體(38)并限定圓周的護罩(42)；d.在所述中心體(38)和所述護罩(42)之間的多個葉片(40)；以及e.其中接近所述中心體(38)的所述前緣06)的所述護罩02)的圓周大于接近所述 中心體(38)的所述后緣08)的所述護罩02)的圓周。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴嘴(12)，其特征在于，所述護罩02)的圓周在所述中心體 (38)的所述后緣08)的下游的點處增加。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的任一項所述的噴嘴(12)，其特征在于，所述護罩02)限定在 所述中心體(38)的所述后緣08)的下游的圓柱。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3的任一項所述的噴嘴(12)，其特征在于，所述中心體(38)限定 沿著所述軸向中心線G4)的至少一部分的流動路徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4的任一項所述的噴嘴(12)，其特征在于，所述噴嘴還包括在所 述中心體(38)、所述護罩02)或所述多個葉片GO)中的至少一個中的多個燃料輸入孔 (56)。
6.一種通過噴嘴(1 供應(yīng)燃料的方法，包括a.引導(dǎo)第一空氣流沿著第一路徑通過所述噴嘴(12)的軸向中心線04)；b.引導(dǎo)第二空氣流沿著第二路徑跨越多個葉片GO)；c.將所述第一路徑與所述第二路徑分開；d.將燃料噴入所述第一路徑或所述第二路徑中的至少一個路徑；以及e.加速所述第一空氣流或所述第二空氣流中的至少一個空氣流。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法還包括聯(lián)合所述第一空氣流和 所述第二空氣流以及噴入的燃料來產(chǎn)生混合物流。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的任一項所述的方法，其特征在于，所述方法還包括使所述混合 物流減速。
9.根據(jù)權(quán)利要求6到8的任一項所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以相對于所 述軸向中心線G4)大約25度到90度的角度將燃料噴入所述第一路徑或所述第二路徑中 的至少一個路徑。
10.根據(jù)權(quán)利要求6到9的任一項所述的方法，其特征在于，所述方法還包括通過具有 大約0. 01英寸到0. 08英寸直徑的多個燃料口噴射燃料。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于燃氣渦輪機噴嘴的裝置和方法，具體而言，一種噴嘴(12)包括進口(34)、出口(36)和軸向中心線(44)。護罩(42)環(huán)繞從進口(34)向出口(36)延伸的軸向中心線(44)，并且限定圓周。接近進口(34)的圓周大于在進口(34)的下游的第一點處的圓周，并且在進口(34)的下游的第一點處的圓周小于在第一點的下游的第二點處的圓周。一種用于通過噴嘴(12)供應(yīng)燃料的方法沿著第一路徑引導(dǎo)第一空氣流，并且沿著第二路徑引導(dǎo)第二空氣流。該方法還包括將燃料噴入第一路徑或第二路徑中的至少一個路徑，并且加速第一空氣流或第二空氣流中的至少一個空氣流。
文檔編號F23D14/48GK102032575SQ20101024891
公開日2011年4月27日 申請日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者B·P·萊西, J·C·因泰爾, T·E·約翰遜, W·S·齊明斯基, 左柏芳 申請人:通用電氣公司