專利名稱：預混合噴嘴的制作方法
技術領域：
本文所公開的主題涉及用于低排放工業(yè)燃氣渦輪中的燃燒器的預混合噴嘴。
背景技術：
在低排放燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒系統(tǒng)(有時稱作干式低NOx (DLN)燃燒器)中，預混合空氣與燃料在安置于渦輪上游的燃燒器內(nèi)燃燒，在渦輪中，從燃燒所產(chǎn)生的高溫流體得到機械能。然后電能從機械能生成且傳輸?shù)诫娐?。燃燒器典型地包括具有預混合通路的燃料噴嘴，在預混合通路中空氣與燃料彼此混合。進行這種預混合以降低燃燒器中的峰值火焰溫度且減少廢氣流中氮氧化物(NOx)的形成。為了燃料靈活性和功率系統(tǒng)可用性，低排放燃氣渦輪常常配備有噴射油作為二次或備用燃料的系統(tǒng)，作為氣體預混合器的補充。這種油噴射器典型地通過氣體預混合器的中心插入，使得油噴射出口與燃燒器反應區(qū)連通。由于油燃料在燃燒之前并不蒸發(fā)且并不與空氣混合，而是直接噴射到反應區(qū)內(nèi)，故必須將大量水(在大型發(fā)電渦輪的情況下每天數(shù)十萬加侖)噴射到反應區(qū)內(nèi)以降低火焰溫度和NOx排放到管理者所規(guī)定的水平。實際上，目前的方法常常需要直接噴射比燃料更多的水以達到接近當油燃料點火時通常預期的 42ppm的NOx水平。而且，在目前后膛裝入(breech-loaded) /油盒/氣體預混合器組件中，全都在一端剛性地支承且在遠端彼此相對自由移動的同心管彼此嵌套管。在渦輪操作期間，管的遠端傾向于響應于由燃氣渦輪發(fā)動機產(chǎn)生的寬譜噪音而振動且彼此接觸。管和噴嘴尖端構件因此傾向于嚴重磨損且在配合零件之間微振磨損。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種燃燒器的預混合噴嘴，其包括氣體預混合器模塊；中央主體，其能夠在后膛裝入到氣體預混合器模塊內(nèi)；以及在氣體預混合器模塊與中央主體之間的可變形的順應性界面(compliant interface)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種具有端蓋的燃燒器的預混合噴嘴，其包括氣體預混合器模塊，其安裝到端蓋上；中央主體，其能夠通過端蓋在后膛裝入到氣體預混合器模塊內(nèi)；以及在氣體預混合器模塊與中央主體之間的可變形的順應性界面。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種燃燒器的預混合噴嘴，其包括外部主體，其具有外環(huán)形護罩和內(nèi)環(huán)形壁，外環(huán)形護罩形成為限定預混合腔，內(nèi)環(huán)形壁形成為限定在預混合腔上游在內(nèi)環(huán)形壁的外表面與外環(huán)形護罩之間的預混合通路；中央主體，其裝入到由內(nèi)環(huán)形壁限定的后膛內(nèi)，以遞送燃料到預混合通路；以及密封元件，其安置成用于徑向地插置在內(nèi)環(huán)形壁的內(nèi)徑與中央主體的外徑之間，以在后膛內(nèi)支承中央主體。通過結合附圖的以下描述，這些和其它優(yōu)點和特征將變得更顯然。


被認為是本發(fā)明的主題在說明書的所附的權利要求中特別地指出且明確地主張。 通過結合附圖的以下的詳細描述，本發(fā)明的前述和其它特征和優(yōu)點將顯然，在附圖中圖1是氣體預混合器模塊的側剖視圖；圖2是中央主體的側剖視圖；圖3是圖1的中央主體在后膛裝入到圖1的氣體預混合器模塊內(nèi)的側剖視圖；圖4是密封元件的透視圖；以及圖5至圖7是次密封元件的透視圖。詳細描述參看附圖以舉例說明的方式解釋本發(fā)明的實施例，以及優(yōu)點和特征。部件列表10預混合噴嘴20氣體預混合器模塊21外環(huán)形護罩22內(nèi)環(huán)形壁23上游端24中游部分25下游端26預混合腔27空氣入口28預混合通路30中央主體32安裝凸緣端部33擴散尖端34中央部分35燃料入口40密封元件41蜂窩密封件50安裝凸緣51 結構桿支承管(structural stem support tube)55 后膛60空氣旋流器65空氣噴射器66次密封元件67吹掃膜路徑70 c形密封件71 c形密封件主體72軸向c形密封件73軸向c形密封件主體74超c形密封件75超c形密封件主體
具體實施例方式燃燒器的預混合噴嘴的內(nèi)部構件使用焊接、釬焊、螺紋連接、圓錐配合或簡單地增加的接觸表面尺寸而以懸臂方式支承，或者由密封元件沿著其長度額外地支承。允許在中央主體與氣體預混合器模塊之間的不同的熱生長，同時阻尼和減弱振動。密封元件不提供在模塊之間的強導熱路徑，并且因此幫助隔離中央主體中的液體-燃料濕潤表面。參看圖1至圖3，提供具有端蓋的燃燒器的預混合噴嘴10，該預混合噴嘴10包括外部主體，諸如氣體預混合器模塊20 ；中央主體30和密封元件40。如圖1所示，氣體預混合器模塊20具有外環(huán)形護罩21和內(nèi)環(huán)形壁22。外環(huán)形護罩21從上游端23延伸經(jīng)過中游部分M并到達下游端25。在下游端25，外環(huán)形護罩21形成為在其內(nèi)部限定預混合腔26。在上游端23，外環(huán)形護罩21和內(nèi)環(huán)形壁22協(xié)作地限定空氣入口 27，壓縮機排出空氣通過空氣入口 27進入氣體預混合器模塊20。沿著中游部分M， 外環(huán)形護罩21和內(nèi)環(huán)形壁22協(xié)作地限定預混合通路觀，在預混合通路28中可燃流體在進入預混合腔26之前預混合。在上游端23的上游，另外的構件包括安裝凸緣50、結構桿支承管51和空氣旋流器 60。安裝凸緣50在燃燒器中支承預混合噴嘴10的安裝，結構桿支承管51從安裝凸緣50 延伸到上游端23。同心的燃料管和氣體管限定于安裝凸緣50和結構桿支承管51內(nèi)。中央主體30可裝入到由安裝凸緣50、結構桿支承管51和內(nèi)環(huán)形壁22限定的后膛 55內(nèi)，并且構造為遞送燃料，諸如干性油、液體燃料、吹掃空氣和/或氣體燃料，至少到預混合通路觀?？山?jīng)由形成于中央主體30的外徑和內(nèi)環(huán)形壁22中的燃料噴射器孔，諸如液體燃料霧化器，來實現(xiàn)遞送。中央主體30大體上具有管狀形狀且為中空的，使得燃料能遞送到其內(nèi)部31。如圖2所示，中央主體包括安裝凸緣端部32、擴散尖端33和中央部分34。中央部分34軸向地插置于安裝凸緣端部32與擴散尖端33之間。中央主體30還包括在安裝凸緣端部32處的液體和吹掃空氣/氣體燃料入口 35，并且至少部分地在端蓋上在安裝凸緣端部32處以懸臂方式支承。此外，至少中央主體30的內(nèi)部31經(jīng)由形成于擴散尖端33處的開口與燃燒器的燃燒區(qū)連通。在中央主體30至少部分地在端蓋處以懸臂方式支承的情況下，密封元件40安置成用于徑向地插置于內(nèi)環(huán)形壁22的內(nèi)徑與中央主體30的外徑之間。在此位置，密封元件 30向后膛55內(nèi)的中央主體30提供額外支承。密封元件40的較大接觸表面積和相對順應性的性質(zhì)也充當阻尼器來減少由氣體模塊與液體模塊組件所經(jīng)歷的相對移動、微振磨損和振動應力水平，從而得到改進的耐用性和延長的構件壽命。如圖3所示，密封元件40通過焊接、釬焊、冶金結合或某種其它類型的結合過程而安裝于內(nèi)環(huán)形壁22內(nèi)。通過端蓋、后膛55和密封元件40插入中央主體30而將中央主體 30裝入到后膛55內(nèi)，其中擴散尖端33為前端。在完全插入時，安裝凸緣端部32聯(lián)接到端蓋且中央主體30的中央部分34由密封元件40在氣體預混合器模塊20的中游部分M附近支承。參看圖4，密封元件40可包括限定迷宮密封件和/或蜂窩密封件41的可變形和/ 或順應性材料。以此方式，可提供中央主體30的支承，而不會使得支承為剛性致使由巨大旋轉(zhuǎn)渦輪機或者由燃燒誘導動態(tài)壓力振蕩(常常被稱作燃燒噪音或燃燒動態(tài))所產(chǎn)生的正常振動能造成微振磨損、接觸表面磨損或由于疲勞而開裂。也就是說，密封元件40的順應性和可變形性用于阻尼在中央主體30與氣體預混合器模塊20之間的相對振動，使得允許某些振動但避免可能會導致這些構件損壞的中央主體30與氣體預混合器模塊20之間的接觸。密封元件40也可由具有低導熱率的材料形成，使得在氣體預混合器模塊20與中央主體30之間的傳熱受到限制并且使得中央主體30中的液體-燃料濕潤表面能與由氣體預混合器模塊20中的空氣旋流器吸收的對流隔離。參看圖1和圖3，外環(huán)形護罩21還可形成為在預混合通路28的軸向上游的位置處限定壓縮機排出空氣噴射器65。外環(huán)形護罩21的空氣旋流器60可安置于壓縮機排出空氣噴射器65的下游和預混合通路28的上游或預混合通路28內(nèi)。外環(huán)形護罩21還可包括次密封元件66。次密封元件66安置成用于徑向地插置于空氣旋流器60與中央主體30之間，以向后膛內(nèi)的中央主體30提供額外支承。如圖3所示，空氣旋流器60的內(nèi)徑向部分可與中央主體30的外徑徑向地移位，并且次密封元件66可與壓縮機排出空氣噴射器65軸向地移位。對于此布置，可形成吹掃膜路徑67用于壓縮機排出空氣(CPD)通過壓縮機排出空氣噴射器65進入氣體預混合器模塊 20。并未經(jīng)由空氣旋流器60立即進入預混合通路觀的壓縮機排出空氣的至少一部分沿著壓縮機排出空氣噴射器65徑向向內(nèi)流動，從而沖擊中央主體30，并且然后在允許它流到預混合通路觀之前沿著中央主體30的外徑朝向次密封元件66軸向流動。由吹掃膜路徑67提供的CPD膜避免了由尾跡、厚邊界層和其它弱二次流造成的火焰逆燃到預混合器內(nèi)，其中局部混合速度低于湍流火焰速度。當試圖蒸發(fā)和預混合柴油燃料時，在無膜的情況下，這將特別困難，柴油燃料在其到達高于大約400華氏度至500華氏度的溫度時在大約數(shù)毫秒內(nèi)自動點燃。CPD膜掃走可能來到這些表面上的任何液體油，從而避免了固體碳形成，該固體碳可能會攔截預混合器空氣流，從而形成厚邊界層和固態(tài)碳沉積后的尾跡，其將造成預混合火焰蔓延到預混合環(huán)形空間內(nèi)且焚燒并不設計用于火焰的系統(tǒng)的部分。因此，對于預混合油燃燒，避免了原本要用于NOx控制的數(shù)百萬加侖的水的需要。額外地提供利用CPD膜吹掃邊界層以及將液體燃料噴射器直接安裝到中央主體30上的能力。參看圖5至圖7，次密封元件66可包括下列中的一個或多個c形密封件70，其具有c形密封件主體71，其中c形截面在下游方向上敞開(參看圖幻；軸向c形密封件72， 其具有軸向c形密封件主體73，其中c形截面徑向向外敞開(參看圖6)；以及超c形密封件74，其具有超c形密封件主體75，其中密封件的端部卷曲到彼此中且朝向上游方向(參看圖7)。雖然僅關于有限數(shù)目的實施例描述了本發(fā)明，但應易于了解本發(fā)明并不限于這些公開的實施例。而是，可修改本發(fā)明以合并之前未描述的任意目的的變型、更改、替代或等效布置，但這些仍與本發(fā)明的精神和范圍相符。此外，雖然描述了本發(fā)明的各種實施例，應了解本發(fā)明的方面可僅包括所描述實施例中的某些。因此，本發(fā)明不應視作受前文的描述限制，而是僅受所附權利要求的范圍限制。
權利要求
1.一種燃燒器的預混合噴嘴(10)，包括 氣體預混合器模塊00)；中央主體(30)，其能夠在后膛裝入到所述氣體預混合器模塊00)內(nèi)；以及在所述氣體預混合器模塊00)與所述中央主體(30)之間的可變形的順應性界面 00)。
2.根據(jù)權利要求1所述的預混合噴嘴，其特征在于，還包括安裝凸緣(50)、結構桿支承管(51)和空氣旋流器(60)。
3.根據(jù)權利要求1所述的預混合噴嘴，其特征在于，所述可變形的順應性界面安裝于所述氣體預混合器模塊00)的內(nèi)徑與所述中央主體(30)的外徑之間。
4.根據(jù)權利要求1所述的預混合噴嘴，其特征在于，所述中央主體(30)包括 安裝凸緣端部(32)；擴散尖端(33)；以及中央部分(34)，其軸向地插置于所述安裝凸緣端部(32)與所述擴散尖端(33)之間，并且與所述可變形的順應性界面軸向?qū)省?br> 5.一種具有端蓋的燃燒器的預混合噴嘴(10)，所述預混合噴嘴(10)包括 氣體預混合器模塊(20)，其安裝到所述端蓋上；中央主體(30)，其能夠通過所述端蓋在后膛裝入到所述氣體預混合器模塊00)內(nèi)；以及在所述氣體預混合器模塊00)與所述中央主體(30)之間的可變形的順應性界面 00)。
6.根據(jù)權利要求5所述的預混合噴嘴，其特征在于，還包括安裝凸緣(50)、結構桿支承管(51)和空氣旋流器(60)。
7.根據(jù)權利要求5所述的預混合噴嘴(10)，其特征在于，所述中央主體(30)包括 安裝凸緣端部(32)；擴散尖端(33)；以及中央部分(34)，其軸向地插置于所述安裝凸緣端部(32)與所述擴散尖端(33)之間，并且與所述可變形的順應性界面GO)軸向?qū)省?br> 8.根據(jù)權利要求7所述的預混合噴嘴(10)，其特征在于，所述中央主體(30)包括在所述安裝凸緣端部(3 處的液體和氣體燃料入口(35)。
9.根據(jù)權利要求7所述的預混合噴嘴(10)，其特征在于，所述中央主體(30)在所述端蓋上在所述安裝凸緣端部(32)處以懸臂方式支承。
10.根據(jù)權利要求7所述的預混合噴嘴(10)，其特征在于，所述中央主體(30)的內(nèi)部經(jīng)由所述擴散尖端(3 與所述燃燒器的燃燒區(qū)連通。
全文摘要
提供燃燒器的預混合噴嘴(10)，其包括氣體預混合器模塊(20)；中央主體(30)，其能夠在后膛裝入到該氣體預混合器模塊(20)內(nèi)；以及在氣體預混合器模塊(20)與中央主體(30)之間的可變形的順應性界面(40)。
文檔編號F23R3/28GK102563701SQ20111036581
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月3日 優(yōu)先權日2010年11月3日
發(fā)明者G·D·邁爾斯 申請人:通用電氣公司