專利名稱：低噪音預混燃料噴嘴的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及低氮氧化物(NOx)予混火焰噴嘴，特別是用在燃氣渦輪機上的這類噴嘴。
高溫燃燒的結果會產生氮氧化物(以后稱之為NOx)。NOx是眾所周知的污染物，因此產生NOx的燃燒設備要遵守嚴格的排放標準。所以，為了在燃燒設備中減少NOx的形成，人們做了大量努力。
一種解決方案是將燃料與過量的空氣予混，使在局部高過量空氣下發(fā)生燃燒，這樣使燃燒溫度較低而使生成的NOx最少。這樣運行的一種切向進氣噴嘴已顯示在美國專利5307634中，該專利公開了一種具有錐形中心本體的渦形旋流器。該類型的燃料噴嘴被稱之為切向進氣噴嘴，它包括兩個偏心圓柱弧面渦殼，它們連至兩個端板上。燃燒空氣通過形成在偏心渦殼上的兩個基本上是矩形的進口流入旋流器，從一個端板上的燃燒器進口出去，流進燃燒器中。位于外側渦殼上對著內部后緣的、呈線性排列的噴口將燃料從一總管噴入各進口處的空氣流中，使在流進燃燒器之前產生均勻的燃料空氣混合物。
切向進氣式予混燃料噴嘴與現(xiàn)有技術中的燃料噴嘴相比，大大地降低了NOx的排放。然而就象公開在上述專利中的燃料噴嘴，當它用在燃氣渦輪機上時，其運行壽命非常短，部分原因是由于火焰固定在噴嘴中心本體中。因此這種類型的切向進料噴嘴不能商業(yè)化地用于燃氣渦輪機上。
這樣就需要一種切向進氣噴嘴，當它用于燃氣渦輪機上時，與現(xiàn)有技術相比能顯著提高運行壽命。
因此本發(fā)明目的是提供一種低NOx燃料噴嘴，當它用于燃氣渦輪機上時，與現(xiàn)有技術相比能顯著提高運行壽命。
本發(fā)明的另一目的是提供一種切向進料噴嘴，它能顯著地減少火焰固定在其中心本體內的傾向，同時保持NOx產物在可接受的較低值。
與此相對應，本發(fā)明的一種切向進氣燃料噴嘴具有一個縱軸和兩個柱形弧面渦殼，各中心線彼此偏離。這些渦殼的搭接端形成了它們之間的空氣進口，用于將空氣/燃料混合物引入燃料噴嘴。燃燒器端端板具有燃燒器進口，它允許空氣和燃料離開噴嘴進入燃燒器。該進口包括一個收縮表面、一個擴張表面、和一個在它們之間延伸的筒形表面。收縮表面沿噴嘴的縱軸延伸一第一距離，筒形表面沿所述的軸延伸一第二距離，第二距離是第一距離的至少5％。與燃燒器端端板相對的另一端板封閉了噴嘴的流通面積，渦殼就固定在這些端板之間。
位于渦殼之間、并與所述的軸同軸的中心本體具有一個徑向外表面，它包括錐臺部分和筒形部分，錐臺部分限定了與縱軸同軸的錐臺的外表面，筒形部分與縱軸同軸，它限定了筒形件的外表面。中心本體具有底座，它包括至少一個穿過該底座的空氣供應口和一個內部通道。錐臺部分朝內部通道的排放口方向漸縮，筒形部分位于錐臺部分和排放口所在的平面之間。與所述的軸同軸、穿過底座延伸、并在內通道截止的燃料噴管向中心本體內的空氣流提供燃料。


圖1是本發(fā)明燃料噴嘴的橫向斷面圖，取自圖2的1-1線；圖2是沿本發(fā)明噴嘴的縱軸向下看的斷面圖；圖3是本發(fā)明燃料噴嘴橫向的斷面圖，取自圖2的3-3線。
參照圖1，本發(fā)明的低NOx予混燃料噴嘴10包括一個中心本體12，它在渦形旋流器14內。渦形旋流器14包括第一和第二端板16、18，第一端板與中心本體12相連并與第二端板18間隔開來，第二端板上具有延伸穿過該板的燃燒器進口20，若干(最好是兩個)柱形弧面渦殼件22、24從第一端板16延伸至第二端板18。
如圖2所示，渦殼件22、24相對于噴嘴10的縱軸26均勻地間隔開，由此限定了它們之間的混合區(qū)28。每個渦殼件22、24都有一個對著縱軸26的徑向內表面，并限定了繞中心線32、34旋轉的部分旋轉表面。這里所說的“部分旋轉表面”是指，使一條線繞中心線32、34之一做不到一圈的旋轉所產生的表面。
如圖2所示，每個渦殼件22同其它渦殼件24呈間隔關系，各渦殼件22、24的中心線32、34位于混合區(qū)28內。參照圖3，各中心線32、34平行于縱軸26并與其有一定的間隔，所有中心線32、34都與縱軸26等距，這樣限定了每對相鄰的渦殼件22、24之間的平行于縱軸26延伸的進口槽36、38，這些進口槽將燃燒空氣40引入混合區(qū)28。來自壓縮機(未示出)的助燃空氣42流過由具有偏離中心線32、34的渦殼件22、24的搭接端44、50、48、46所形成的進口槽36、38。
各渦殼件22、24還包括燃料管52、54，當燃燒空氣40通過進口槽36、38之一被引入混合區(qū)28時，燃料管將燃料引入燃燒空氣中。第一燃料供應線(未示出)與各燃料管52、54相連，它可供應液體或氣體燃料，但最好是氣體燃料。與縱軸26同軸的燃燒器進口20緊挨著燃燒器56，用于根據(jù)本發(fā)明將燃料和燃燒空氣排進燃燒器56，燃料和空氣的燃燒就在此處進行。
再回過頭來參照圖1，中心本體12具有底座58，它具有至少一個(最好是若干個)穿過該底座的空氣供應口60、62，并且底座58與通過其的延伸縱軸26垂直。中心本體12還具有與縱軸26同軸的內部通道64。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，內部通道64包括第一筒形通道66和第二筒形通道72，第一筒形通道具有第一端68和第二端70，第二筒形通道的直徑大于第一筒形通道的直徑，它也有第一端74和第二端76。第二筒形通道72和第一筒形通道66通過一漸縮通道78相連通，該漸縮通道具有第一端80和第二端82，第一端80的直徑等于第一筒形通道66的直徑，第二端82的直徑等于第二筒形通道72的直徑。每個通道66、72、78都與縱軸26同軸，漸縮通道78的第一端80與第一筒形通道66的第二端70是一體，漸縮通道78的第二端82與第二筒形通道72的第一端74是一體。第一筒形通道66包括排放口68，它是與縱軸26同軸的園形，該排放口位于第一筒形通道66的第一端68處。
參照圖3，中心本體12的徑向外表面84包括錐臺部分86和曲面部分88，錐臺部分與縱軸26同軸，它朝底座58方向擴口，錐臺部分86限定了錐臺的外表面，曲面部分88同錐臺部分86為一體，它較好地限定了繞縱軸26旋轉一弧線所產生的表面部分，該弧線與錐臺部分86相切且中心位于其徑向朝外處。在該優(yōu)選實施例中，錐臺部分86在排放口68所在的平面處截止，錐臺部分86的底部(不要同中心體的底座58相混淆)直徑是其頂部直徑的2.65倍，錐臺部分86的高度90(錐臺部分底部平面和錐臺部分頂部平面之間的距離)約是錐臺部分底部直徑的1.9倍。正如以下詳述的，位于底座58和錐臺部分86之間的曲面部分88具有光滑的過渡表面，使進入靠近底座58的切向進氣噴嘴10的燃燒空氣40軸向旋轉。如圖3所示，內部通道64位于中心本體12的徑向外表面84之內，錐臺部分86與縱軸26同軸，中心本體12與底座58相連使得錐臺部分變細的那一端終止于第一筒形通道66的排放口68處。
如圖2所示，錐臺部分86的底部放入內切于混合區(qū)28的園形92內，其中心94在縱軸上。本領域技術人員容易理解，由于混合區(qū)28的截面不是圓形，因此曲面部分88為和它配合就必須切割。斜道部分96、98在曲面部分88的伸進各進口槽36、38的地方，該部分被加工形成翼形斜面96、98， 翼形斜面96、98給進入進口36、38的空氣導向，使其離開底座58，進到混合區(qū)28內的曲面部分88上。
參照圖1，內室100位于中心本體12的底座58和第二筒形通道72的第二端76之間，第二筒形通道在室100處截止。空氣102通過底座58上的空氣供應口60、62供應至室100，然后室100又通過第二筒形通道72的第二端76將空氣供應至內部通道64。第一端板16具有開口104、106，它們與底座58的空氣供應口60、62對準，以不影響來自燃氣渦輪壓縮機的燃燒空氣102的流動。旋流器108(最好是本領域稱之為徑向內流式的那種)與縱軸26同軸，它布置在室100內緊靠第二筒形通道72的第二端76，使得從室100進入內部通道64的所有燃燒空氣都必須經(jīng)過旋流器108。
一個與縱軸26同軸的燃料噴管110，穿過底座58、倉100和旋流器108，伸進內部通道64的第二筒形通道72。第二筒形通道72的較大的直徑與燃料噴管110的截面積配合，使得第二筒形通道72內的流通面積基本上等于第一筒形通道66的流通面積。可以供應液體或氣體燃料的第二燃料供應線(未示出)與燃料噴管110相連，向燃料噴管110的內通道112供應燃料。燃料噴口114位于燃料噴管110上，用于使燃料從燃料噴管110進入內部通道64。
參照圖3，燃燒器進口20與縱軸26同軸，它包括收縮表面116和筒形表面118，筒形表面限定了進口的喉部。收縮表面116和筒形表面118都與縱軸26同軸，收縮表面116位于第一端板16和筒形表面118之間。收縮表面116基本上是錐形的，它朝筒形表面118的方向變窄。筒形表面118在喉部平面120和燃燒器進口20的、垂直于縱軸26的燃燒器表面122之間延伸，限定了本發(fā)明燃料噴嘴10的出口平面124。為使流過燃燒器進口20的燃料/空氣混合物達到理想的軸向速度，流過此處的燃燒空氣在燃燒器進口20處必須遇到最小流動截面，或者說是喉部面積。為達到這一結果，筒形表面118位于離縱軸26為予定半徑處，即至少小于錐臺部分86底部半徑的10％。
收縮表面116在喉部平面120處中止，在這里，收縮表面116的直徑等于筒形表面118的直徑。如圖3所示，喉部平面120位于出口平面124和內部通道64的排放口68之間，收縮表面116位于筒形表面118和第一端板16之間。為在燃燒器進口20內建立所需的燃料/空氣混合物的速度分布，收縮表面116延縱軸26延伸一預定距離126，筒形表面118延縱軸26延伸一第二距離128，該距離至少是預定距離126的30％。
在運行中，來自燃氣渦輪壓縮機的燃燒空氣流過開口104、106和底座58上的空氣供應口60、62，進入中心本體12的室100中。燃燒空氣通過徑向內流式旋流器108離開室100，以大體切向速度或以渦流的形式(相對于縱軸26旋轉的速度)進入內部通道64。當該旋轉的燃燒空氣流過燃料噴管1 10時，燃料(最好為氣體形式)從燃料噴管110噴進內部通道64中并與旋轉的燃燒空氣相混合。然后燃料和燃燒空氣的混合物從第二筒形通道72經(jīng)過漸縮通道78流進第一筒形通道66。然后混合物沿第一筒形通道66的長度下行，在接近(或在)燃燒器進口20的喉部平面120處離開筒形通道66，這樣就提供了一燃料空氣混合的中心流。
來自燃氣渦輪壓縮機的助燃燒空氣通過各進口槽36、38進入混合區(qū)28。進入到緊靠底座58的進口槽36、38的空氣，由斜道96、98導向，進入渦形旋流器14的混合區(qū)內的曲面部分88上。供給燃料導管52、54的燃料(最好是氣體燃料)噴進流過進口槽36、38的燃燒空氣中，并在這里混合。由于渦殼件22、24的形狀，這種混合物建立了繞中心本體12旋轉的一個環(huán)流，并且當隨著其沿縱軸26流向燃燒器進口區(qū)20而旋轉時燃料/空氣混合物繼續(xù)混合。
由渦旋器14產生的環(huán)流的旋轉最好與第一筒形通道66中的燃料/空氣混合物的旋轉為同向，并且最好具有與第一筒形通道66中的燃料/空氣混合物至少是一樣大的角速度。由于中心本體12的形狀，環(huán)流的軸向速度保持在這樣的速度，該速度能防止燃燒器火焰移進渦形旋流器14而到達中心本體12的外表面84。一旦離開第一筒形通道66，中心流旋轉的燃料/空氣混合物就被渦形旋流器14的環(huán)流包圍，兩股流進入燃燒器進口20的喉部120，在筒形表面118的徑向內側流動，直至到達混合區(qū)28下游的燃燒器進口20的出口平面124。
一旦離開燃燒器進口20，中心流和環(huán)流之間的相互作用產生中心環(huán)流區(qū)200，它在出口平面124的下游(也就是說，出口平面位于中心環(huán)流區(qū)和內部通道排放口之間)，二者有一定間隔。在筒形表面118與燃燒器進口20的燃燒器表面122相遇處所形成的尖銳邊沿130使燃料/空氣混合物突然膨脹，造成燃料/空氣混合物在中心再循環(huán)區(qū)200徑向之外的環(huán)流運動。該“外部”環(huán)流區(qū)300產生的燃燒和火焰使這一外部火焰靠近邊沿130，但是火焰與出口平面124又有一定距離并在其下游。本發(fā)明的設計使得在所有的運行工況下，環(huán)流區(qū)200和300都與出口平面124保持一定距離。
本發(fā)明的燃料噴嘴10能切實減少流動過程中的波動，并減少了由此引起的熱釋放速度，這些波動和熱量釋放可造成過量的燃燒器壓力波動和發(fā)出聲響。本發(fā)明消除了上面所述的燃燒過程和出口平面124之間的相互作用，顯著降低了聲音波動。因此本發(fā)明為切向進氣燃料噴嘴10中的過分的壓力波動提供了一種解決方案，并同時能達到低排放量的要求。
盡管參照詳細的實施例對本發(fā)明進行了描述和示意，但是本領域的普通技術人員知道，在不偏離本發(fā)明權利要求限定的原則和范圍內，可以在形式和細節(jié)上作出多種變化。
權利要求
1.一種用于燃氣輪機上的燃料噴嘴組件，包括中心本體和渦形旋流器，中心本體包括一個縱軸，一個徑向外表面，它包括錐臺部分和曲面部分，錐臺部分限定了錐臺的外表面，錐臺與縱軸同軸并向錐臺底座擴張，曲面部分同錐臺部分成一整體，較好地限定了一部分表面，該表面由繞縱軸旋轉一弧線形成，弧線與錐臺部分相切，其圓心位于錐臺徑向外側，一個中心本體底座，所述的中心本體底座具有至少一個穿過該底座的空氣供應口，一個與縱軸同軸的內部通道，它包括第一筒形通道，第二筒形通道，和一個漸縮通道，每個通道都具有第一端和第二端，所述的第二筒形通道的直徑大于第一筒形通道的直徑，所述的第二筒形通道通過所述的漸縮通道與所述的第一筒形通道相連通，所述的漸縮通道的第一端與所述的第一筒形通道的第二端成一整體，所述的漸縮通道的第二端與所述的第二筒形通道的第一端成一整體，所述的漸縮通道的第一端的直徑等于第一筒形通道的直徑，所述的漸縮通道的第二端的直徑等于第二筒形通道的直徑，每個所述的通道都與縱軸同軸，所述的第一筒形通道包括一圓形排放口，它與所述的軸同軸，位于所述的第一筒形通道的第一端，一個內室，位于所述的中心本體底座和所述的第二筒形通道的第二端之間，所述的空氣供應口通過所述的室與所述的第二筒形通道相連通，一個與所述的軸同軸的旋流器，它位于室內，緊靠著第二筒形通道的第二端，一個與所述的軸同軸的燃料噴管，它穿過所述的中心本體底座、所述的內室和所述的旋流器，并在所述的第二筒形通道內截止；渦殼旋流器具有第一和第二端板，所述的第一端板與所述的第二端板呈間隔關系，所述的第二端板具有穿過該端板的燃燒器進口，所述的進口與所述的軸同軸，它包括一個收縮表面、一個燃燒器表面和一個筒形表面，筒形表面從收縮表面延伸至燃燒器表面，至少兩個柱形弧面渦殼件，每個渦殼件限定一個繞中心線旋轉的部分旋轉體，每個所述的渦殼件從所述的第一端板延伸至所述的第二端板，并對于軸均勻地間隔開，因此限定了它們之間的混合區(qū)，每個所述的渦殼件與其他渦殼件呈間隔關系，每個所述的中心線位于所述的混合區(qū)內，每個所述的中心線與所述的軸呈間隔關系、等距、并平行于所述的軸，由此限定了平行于所述軸延伸的、在各對相鄰的渦殼件之間的進口槽，它們用于將燃燒空氣引入所述的混合區(qū)，每個所述的渦殼件包括一個燃料導管，用于將燃料引入到通過所述的進口槽之一進入的燃燒空氣中；其中所述的第一端板與所述的第二端板相連。
2.如權利要求1所述的燃料噴嘴組件，其中所述的收縮表面沿所述的軸延伸一第一距離，所述的筒形表面沿所述的軸延伸一第二距離，所述的第二距離至少是第一距離的30％。
3.如權利要求2所述的燃料噴嘴組件，其中所述的燃燒器表面垂直于所述的軸。
4.如權利要求3所述的燃料噴嘴組件，其中筒形表面位于距軸預定的半徑處，該半徑比錐臺部分在底座處的半徑至少小10％。
5.如權利要求1所述的燃料噴嘴組件，其中所述的收縮表面沿所述的軸延伸一第一距離，所述的筒形表面沿所述的軸延伸一第二距離，所述的第二距離至少是第一距離的30％。
6.如權利要求5所述的燃料噴嘴組件，其中筒形表面位于距軸預定的半徑處，該半徑比錐臺部分在底座處的半徑至少小10％。
7.如權利要求6所述的燃料噴嘴組件，其中所述的燃燒器表面垂直于所述的軸。
8.如權利要求1所述的燃料噴嘴組件，其中所述的燃燒器表面垂直于所述的軸。
9.如權利要求8所述的燃料噴嘴組件，其中筒形表面位于距軸預定的半徑處，該半徑比錐臺部分在底座處的半徑至少小10％。
10.如權利要求9所述的燃料噴嘴組件，其中所述的收縮表面沿所述的軸延伸一第一距離，所述的筒形表面沿所述的軸延伸一第二距離，所述的第二距離至少是第一距離的30％。
11.如權利要求1所述的燃料噴嘴組件，其中所述的燃燒器表面垂直于所述的軸。
12.如權利要求11所述的燃料噴嘴組件，其中所述的收縮表面沿所述的軸延伸一第一距離，所述的筒形表面沿所述的軸延伸一第二距離，所述的第二距離至少是第一距離的30％。
13.如權利要求12所述的燃料噴嘴組件，其中筒形表面位于距軸預定的半徑處，該半徑比錐臺部分在底座處的半徑至少小10％。
14.如權利要求1所述的燃料噴嘴組件，其中筒形表面位于距軸預定的半徑處，該半徑比錐臺部分在底座處的半徑至少小10％。
15.如權利要求14所述的燃料噴嘴組件，其中所述的燃燒器表面垂直于所述的軸。
16.如權利要求15所述的燃料噴嘴組件，其中所述的收縮表面沿所述的軸延伸一第一距離，所述的筒形表面沿所述的軸延伸一第二距離，所述的第二距離至少是第一距離的30％。
17.如權利要求1所述的燃料噴嘴組件，其中筒形表面位于距軸預定的半徑處，該半徑比錐臺部分在底座處的半徑至少小10％。
18.如權利要求17所述的燃料噴嘴組件，其中所述的收縮表面沿所述的軸延伸一第一距離，所述的筒形表面沿所述的軸延伸一第二距離，所述的第二距離至少是第一距離的30％。
19.如權利要求18所述的燃料噴嘴組件，其中所述的燃燒器表面垂直于所述的軸。
全文摘要
一種切向進氣燃料噴嘴,它具有燃燒器進口,該進口允許空氣和燃料離開噴嘴進入燃燒器。該進口包括收縮表面、燃燒器表面和在它們之間延伸的筒形表面,收縮表面沿噴嘴的縱軸延伸一第一距離,筒形表面沿所述的軸延伸一第二距離,第二距離是第一距離的至少30%。
文檔編號F23R3/00GK1188211SQ9712576
公開日1998年7月22日 申請日期1997年12月19日 優(yōu)先權日1997年12月19日
發(fā)明者T·S·斯賴德爾, W·A·索瓦 申請人:聯(lián)合工藝公司