專利名稱：空氣分級擴(kuò)散噴嘴的制作方法
空氣分級擴(kuò)散噴嘴技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明大體涉及燃?xì)廨啓C(jī)，并且更具體而言，涉及用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的空氣分級擴(kuò)散噴嘴。
背景技術(shù)：
在用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的擴(kuò)散噴嘴中，燃料開始在旋流導(dǎo)葉中與空氣混合，以及然后燃燒器的燃燒管空間內(nèi)以旋動運(yùn)動流動和膨脹，以進(jìn)行混合。在目前的擴(kuò)散噴嘴中，在擴(kuò)散噴嘴的中心處的燃燒管中的觀察到低速區(qū)域。已經(jīng)確認(rèn)在啟動以及部分負(fù)載運(yùn)行期間在擴(kuò)散噴嘴尖部上有高的碳形成。對于高反應(yīng)性燃料，由于緊鄰火焰的原因，在噴嘴尖部上觀察到較高的溫度。另外，氣體燃料和空氣在燃燒管中的增強(qiáng)的混合可導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)有減少的排放。
因此，存在對具有氣體燃料的、為噴嘴尖部提供冷卻而同時改進(jìn)燃料和空氣的混合的擴(kuò)散噴嘴的需要。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種空氣分級噴嘴。簡要地根據(jù)本發(fā)明的一方面，為設(shè)置在燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器中的、包括氣體燃料源和壓縮空氣源的空氣分級擴(kuò)散噴嘴提供了一個實(shí)施例，其中，氣體燃料噴嘴排到燃燒器的燃燒管空間?？諝夥旨墧U(kuò)散噴嘴包括沿著縱向軸線設(shè)置的、 包括氣體燃料腔體的噴嘴本體，該氣體燃料腔體在下游由端部封閉壁界定，在上游由與氣體燃料源的連接部界定，以及沿周緣由環(huán)形壁界定。具有旋流導(dǎo)葉的外部旋流器從環(huán)形壁的尖部端延伸，從而形成通往下游燃燒管空間的旋動軸向通道。在氣體燃料腔體的環(huán)形壁外部的空間包括與外部旋流器的旋動軸向通道處于流體連通的壓縮空氣源。為氣體燃料提供了通過第一環(huán)形壁而從氣體燃料腔體進(jìn)入外部旋流器的旋動軸向環(huán)形通道中的通道。外部旋流器將氣體燃料和壓縮空氣的旋動的混合物輸送到燃燒器的下游燃燒管空間。冷卻空氣室封閉在氣體燃料腔體內(nèi)，并且由外周緣壁包圍。設(shè)置成緊鄰氣體燃料腔體的下游端的外周緣壁的部分通過端部封閉壁而沿軸向延伸到燃燒器的燃燒管空間。從外部壓縮空氣空間通過氣體燃料腔體的環(huán)形壁的通道聯(lián)接成與冷卻空氣室處于流體連通。通道通過冷卻空氣室的周緣壁的下游端而使壓縮空氣流體地連通到燃燒器的燃燒管空間，從而為尖部提供冷卻空氣，以及增強(qiáng)氣體燃料和空氣在燃燒管空間中的混合。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種包括壓縮機(jī)、渦輪、燃燒器以及具有氣體燃料源和壓縮空氣源的空氣分級擴(kuò)散噴嘴的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其中，空氣分級擴(kuò)散噴嘴排到燃燒器的燃燒管空間。空氣分級擴(kuò)散噴嘴包括沿著縱向軸線設(shè)置的、包括氣體燃料腔體的噴嘴本體，該氣體燃料腔體在下游由端部封閉壁界定，在上游由與氣體燃料源的連接部界定， 以及沿周緣由環(huán)形壁界定。具有旋流導(dǎo)葉的外部旋流器從環(huán)形壁的尖部端延伸，從而形成通往下游燃燒管空間的旋動軸向通道。
在氣體燃料腔體的環(huán)形壁外部的空間包括與外部旋流器的旋動軸向通道處于流5體連通的壓縮空氣源，以及通過第一環(huán)形壁而從氣體燃料腔體進(jìn)入外部旋流器的旋動軸向環(huán)形通道中的多個通道。外部旋流器將氣體燃料和壓縮空氣的旋動的混合物輸送到燃燒器的下游燃燒管空間。封閉在氣體燃料腔體內(nèi)的冷卻空氣室包括外周緣壁。外周緣壁設(shè)置成緊鄰氣體燃料腔體的下游端，通過端部封閉壁而沿軸向延伸到燃燒器的燃燒管空間。從外部壓縮空氣空間通過環(huán)形壁的多個通道與冷卻空氣室流體地聯(lián)接。多個通道通過冷卻空氣室的周緣壁的下游端來將壓縮空氣流體地聯(lián)接到燃燒器的燃燒管空間。
本發(fā)明的另一方面提供了一種用于冷卻設(shè)置在具有壓縮機(jī)和渦輪的燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器中的氣體燃料空氣分級擴(kuò)散噴嘴的尖部端的方法，其中，噴嘴在燃燒器的燃燒管的上游。該方法包括提供包括噴嘴本體的氣體燃料空氣分級擴(kuò)散噴嘴，該噴嘴本體具有由沿著噴嘴的縱向軸線設(shè)置的外周緣壁界定的氣體燃料腔體；端部封閉壁；設(shè)置在氣體燃料腔體內(nèi)的冷卻空氣室；由來自氣體燃料腔體的氣體燃料和來自包圍噴嘴本體的外部空間的壓縮空氣供應(yīng)的外部旋流器；以及冷卻空氣室的前部突出部，其延伸通過冷卻空氣室內(nèi)的周緣壁且突出通過噴嘴本體的端部封閉壁。該方法進(jìn)一步將氣體燃料從上游氣體燃料源供應(yīng)給氣體燃料腔體。氣體燃料被轉(zhuǎn)移成通過限定在端部封閉壁的外周緣周圍的氣體燃料噴射孔而流到外部旋流器的旋流通道中。氣體燃料在外部旋流器內(nèi)與來自外部空間的壓縮空氣混合，并且在具有旋轉(zhuǎn)方向的情況下排到噴嘴本體的端部封閉壁下游的燃燒管空間中。該方法進(jìn)一步包括通過冷卻空氣室來將來自包圍噴嘴本體的外部空間的壓縮空氣轉(zhuǎn)移到噴嘴本體的端部封閉壁下游的燃燒管空間，從而促進(jìn)噴嘴尖部的冷卻以及氣體燃料和空氣在燃燒管空間中的混合。
本發(fā)明的又一方面提供了一種運(yùn)行設(shè)置在具有壓縮機(jī)和渦輪的燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器中的氣體燃料空氣分級擴(kuò)散噴嘴的方法，其中，噴嘴在燃燒器的燃燒管的上游。該方法包括提供包括噴嘴本體的氣體燃料空氣分級擴(kuò)散噴嘴，該噴嘴本體包括由沿著噴嘴的縱向軸線設(shè)置的外周緣壁界定的氣體燃料腔體；端部封閉壁；設(shè)置在氣體燃料腔體內(nèi)的冷卻空氣室；由來自氣體燃料腔體的氣體燃料和來自包圍噴嘴本體的外部空間的壓縮空氣供應(yīng)的外部旋流器；以及在噴嘴的下游端處的內(nèi)部旋流器。該方法包括將氣體燃料從上游氣體燃料源供應(yīng)給氣體燃料腔體。氣體燃料被轉(zhuǎn)移成通過限定在端部封閉壁的外周緣周圍的氣體噴射孔而流到外部旋流器的旋流通道中。氣體燃料與外部空間的壓縮空氣混合，從而進(jìn)入外部旋流器內(nèi)，并且在具有旋轉(zhuǎn)方向的情況下被從外部旋流器排到噴嘴本體下游的燃燒管空間中。該方法還包括將來自包圍噴嘴本體的外部空間的壓縮空氣轉(zhuǎn)移到冷卻空氣室中。 該方法進(jìn)一步包括通過噴嘴的尖部端的中心處的內(nèi)部旋流器來使冷卻空氣室中的壓縮空氣旋動而進(jìn)入噴嘴下游的燃燒管空間中，從而冷卻噴嘴的尖部，以及增強(qiáng)氣體燃料和空氣混合物在燃燒管空間中的混合。


當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面與優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，在附圖中，相同符號在圖中表示相同部件，其中
圖I示出了有創(chuàng)造性的空氣分級擴(kuò)散氣體噴嘴的一個實(shí)施例的等距剖視圖2示出了示出通過有創(chuàng)造性的空氣分級擴(kuò)散氣體噴嘴的一個實(shí)施例的尖部處的旋流器的冷卻空氣流的放大的剖面?zhèn)纫晥D3示出了空氣分級擴(kuò)散噴嘴的一個實(shí)施例的端部的尖部的外觀圖4示出了空氣分級擴(kuò)散噴嘴的冷卻空氣室的一個實(shí)施例的等距視圖5示出了示出通過有創(chuàng)造性的空氣分級擴(kuò)散噴嘴的尖部端處的冷卻孔的一個實(shí)施例中的冷卻孔的冷卻空氣流的放大視圖6示出了示出通過對排出流提供徑向分量的有創(chuàng)造性的空氣分級擴(kuò)散噴嘴的尖部端處的冷卻孔的備選冷卻空氣流徑的放大視圖7示出了具有燃燒管的有創(chuàng)造性的空氣分級擴(kuò)散噴嘴的一個實(shí)施例；以及
圖8示出了用于燃?xì)廨啓C(jī)的、包括組織在中心二次燃料噴嘴周圍的有創(chuàng)造性的空氣分級擴(kuò)散燃料噴嘴的實(shí)施例的燃燒器；
圖9示出了在端蓋組件上具有從氣體燃料管系供給的外部旋流器和內(nèi)部旋流器的空氣分級擴(kuò)散噴嘴的圓形布置；以及
圖10示出了用于冷卻燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的空氣分級擴(kuò)散噴嘴的尖部的方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的空氣分級氣體擴(kuò)散噴嘴的本發(fā)明的以下實(shí)施例具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括增強(qiáng)氣體燃料和空氣的混合，從而減少燃?xì)廨啓C(jī)排放以及還減少在啟動期間積碳(SOOt)的形成?？諝夥旨墧U(kuò)散噴嘴還將從主空氣流徑中抽取空氣，并且在噴嘴尖部的中心處引入具有旋流的空氣流。尤其對于高反應(yīng)性燃料，由于緊鄰火焰的原因，在噴嘴尖部上觀察到升高的溫度。引入這個旁通的空氣將冷卻噴嘴尖部，從而噴嘴尖部的表面和下游燃燒管中的熱氣之間形成冷空氣膜。離開噴嘴尖部的空氣流和施加給空氣流的旋流運(yùn)動起到增強(qiáng)氣體燃料與空氣的混合的作用。有創(chuàng)造性的布置對于具有多個擴(kuò)散噴嘴的干式低 NOx(DLN)燃燒器是合乎需要的，并且還可有利地在單噴嘴燃燒器上使用。
圖I示出了用于燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器的有創(chuàng)造性的空氣分級擴(kuò)散噴嘴的一個實(shí)施例的剖面等距視圖?？諝夥旨墧U(kuò)散噴嘴100可在縱向軸線111上包括截頭圓錐形噴嘴本體 110，噴嘴本體110由周緣壁115和下游端部封閉壁125界定，從而在噴嘴本體內(nèi)限定氣體燃料腔體130。周緣壁115可在直徑方面從上游端112漸縮到下游尖部端113。從上游端 112提供了供應(yīng)氣體燃料腔體130的氣體燃料源120?？蓮脑谥芫壉?15的徑向外部且封閉在燃燒器(圖8)內(nèi)的外部空間136在外部供應(yīng)壓縮空氣135?？赏ㄟ^來自燃?xì)廨啓C(jī)空氣壓縮機(jī)(圖8)的排出空氣來供應(yīng)壓縮空氣135。外部旋流器140的旋流導(dǎo)葉141可從噴嘴本體110的端部封閉壁125沿徑向向外和向下游延伸，從而限定通往下游燃燒管空間145 的流通道142。多個氣體燃料通道150可穿透周緣壁115來將來自氣體燃料腔體130的氣體燃料151供應(yīng)到旋流導(dǎo)葉141之間的各個通道142中。通過各個旋流導(dǎo)葉141的氣體燃料流和壓縮空氣流會起動氣體燃料和壓縮空氣的旋動的混合物143，這對于噴嘴100下游的燃燒管145中旋動的氣體燃料-壓縮空氣的混合物會繼續(xù)。
可在緊鄰端部封閉壁125的氣體燃料腔體130的下游端內(nèi)提供冷卻空氣室160。 冷卻空氣室160可包括周緣壁161，周緣壁161包括在縱向軸線111周圍向下游延伸通過端部封閉壁125的中心部分的突出部分162。周緣壁161沿著縱向軸線可為大體圓柱形，并且在上游端壁177上封閉。突出部分162可為具有在下游端處漸縮的側(cè)壁172的截頭圓錐形。突出部分162可形成為與端部封閉壁125成一體。
冷卻空氣室160可與壓縮空氣135的外部空間136處于流連通。流連通路徑165 可包括與空心管路部件170互連的周緣壁115的對應(yīng)的穿孔116和冷卻空氣室160的穿孔164。穿孔116、164的數(shù)量和大小以及對應(yīng)的空心管路部件170的數(shù)量和直徑171可布置成對冷卻空氣室160提供足夠量的壓縮空氣，以供應(yīng)冷卻噴嘴的尖部的需要，從而限制來自下游燃燒管空間145的熱氣沖擊到噴嘴尖部端113的下游表面上，以及促進(jìn)下游燃燒管空間145內(nèi)的混合。空心管路170可沿徑向布置在噴嘴本體110的周緣壁115和冷卻空氣室160的周緣壁161之間。空心管路170還可沿周向?qū)ΨQ地布置在冷卻空氣室160周圍。
冷卻空氣腔體160的突出部分162的下游面163可與端部封閉壁125的下游面126 形成連續(xù)的齊平表面。突出部分162可在內(nèi)面166和下游面163之間包括多個冷卻流通道165。冷卻通道165可布置成內(nèi)部旋流器180來提供排出物195，從而形成從下游面163進(jìn)入燃燒管145中的壓縮空氣的旋轉(zhuǎn)旋流，如將更加詳細(xì)地描述的那樣。
圖2示出了空氣分級擴(kuò)散噴嘴的截面剖視圖。圖3示出了空氣分級擴(kuò)散噴嘴的端部的尖部的外觀圖。更具體而言，通道165可在內(nèi)部旋流器180內(nèi)布置在旋流導(dǎo)葉181之間，旋流導(dǎo)葉181對排到燃燒管145中的壓縮空氣施加排出速度195。排出速度195可包括軸向速度183和周向速度184。旋流導(dǎo)葉181和通往燃燒管的通道165可布置成沿與外部旋流器140對氣體燃料混合物施加的旋轉(zhuǎn)方向144相同的旋轉(zhuǎn)方向196或相反的旋轉(zhuǎn)方向 197施加周向(旋轉(zhuǎn))速度184。通過突出部分162的壓縮空氣流的相對于來自外部旋流器的氣體空氣混合物的旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)方向?qū)⒂绊憵怏w燃料和空氣在燃燒管中的混合。排出空氣還往往冷卻尖部，并且將在下游表面163上形成冷空氣薄膜190。另外，進(jìn)入燃燒管 145的壓縮空氣的速度的軸向分量183可阻礙燃燒管中的旋轉(zhuǎn)熱氣流沖擊在噴嘴尖部上。 旋流導(dǎo)葉181可另外形成為對氣體-空氣混合物增加徑向速度分量186，從而進(jìn)一步影響燃燒管空間內(nèi)的混合。
因此，壓縮空氣流的體積、壓縮空氣流的軸向速度、壓縮空氣流的旋轉(zhuǎn)速度，以及壓縮空氣流相對于來自外部旋流器的燃料-空氣混合物的旋轉(zhuǎn)流的旋轉(zhuǎn)方向提供了改進(jìn)燃料和空氣在燃燒管中的混合的可調(diào)設(shè)計參數(shù)，從而促進(jìn)有減少的排放以及在啟動時有減少的積碳形成。另外通過產(chǎn)生冷空氣膜和迫使旋轉(zhuǎn)的熱氣流遠(yuǎn)離噴嘴的尖部，壓縮空氣流將冷卻噴嘴的尖部。
圖4示出了空氣分級擴(kuò)散噴嘴的冷卻空氣室160的一個實(shí)施例的等距視圖。冷卻空氣室160包括在其內(nèi)的冷卻空氣腔體的周圍形成在上游端177上封閉的大體圓柱形本體的周緣壁161。截頭圓錐形狀的突出部分162向下游延伸，其下游端處包括用于噴嘴(未顯示)的內(nèi)部旋流器180。用于將壓縮空氣接收到冷卻空氣腔體178中的多個管部件170優(yōu)選以對稱布置從周緣壁161沿徑向延伸。管的內(nèi)徑171可建立成為內(nèi)部旋流器180提供足夠量的壓縮空氣。內(nèi)部旋流器180可包括通過下游表面163而排出且其布置和流屬性之前已描述過的多個旋流通道165。旋流通道165的數(shù)量、形狀、大小和定向可選擇成提供合適體積和流量的壓縮空氣來促進(jìn)燃燒管空間中的冷卻和混合。
圖4示出了空氣分級擴(kuò)散噴嘴的冷卻空氣室160的一個實(shí)施例的突出部分162的下游面163，其包括尖部冷卻孔187。尖部冷卻孔180可在冷卻空氣腔體160的突出部分162 的壁163的下游面163和內(nèi)面166(圖3)上形成圓形型式?？上鄬τ诳v向軸線111來成角度地移置相應(yīng)的面163、166上的尖部冷卻孔的圓形型式，從而將通過突出部分152的通道 192限定成使得來自下游面163的排出物193將包括軸向流分量198和周向流分量199兩者?？蓚溥x地布置尖部冷卻孔180在相應(yīng)的側(cè)上的角度移置，允許顛倒周向流分量，從而允許周向流沿與外部旋流器140 (圖4)所產(chǎn)生的相同的旋轉(zhuǎn)方向196或相反的旋轉(zhuǎn)方向197。 另外，如在圖5中顯示的那樣，尖部孔180可進(jìn)一步布置成在下游壁的內(nèi)面166 (圖3)和下游面163之間提供徑向移置，從而增加離開下游面163的徑向流分量。雖然示出了圓形構(gòu)造的孔，但是應(yīng)當(dāng)理解，促進(jìn)燃燒管中的氣體燃料與空氣的混合以及噴嘴尖部的冷卻的備選的型式、形狀、孔的大小和數(shù)量以及排出方向應(yīng)認(rèn)為在本發(fā)明的精神內(nèi)。
圖7示出了具有燃燒管的有創(chuàng)造性的空氣分級擴(kuò)散噴嘴的一個實(shí)施例的放大視圖。噴嘴100通過燃料板114的端口 117而接收來自安裝在噴嘴本體110的上游端處的氣體燃料源112的氣體燃料。通過外部空間136來在噴嘴本體110處提供壓縮空氣。壓縮空氣傳送通過周緣壁穿孔164，以及然后通過管部件170到達(dá)冷卻空氣室160，以及經(jīng)過旋流器壁伸出部148到達(dá)外部旋流器140。燃燒管146在噴嘴本體-燃燒管接頭147處連結(jié)到噴嘴本體110上。來自外部旋流器140的流通道142的氣體燃料和空氣的混合物143在具有旋轉(zhuǎn)旋流和下游速度的情況下排到燃燒管空間145中。壓縮空氣流過冷卻空氣室160，通過內(nèi)部旋流器180的旋流通道165而在具有旋轉(zhuǎn)旋流的情況下進(jìn)入燃燒管146的燃燒管空間145中。從內(nèi)部旋流器通道180通到燃燒管空間145中的流的旋轉(zhuǎn)旋流可沿與來自外部旋流器140的旋流相同的旋轉(zhuǎn)方向或相反的旋轉(zhuǎn)方向。
圖8示出了包括有創(chuàng)造性的空氣分級擴(kuò)散噴嘴100的燃?xì)廨啓C(jī)300的干式低 NOx(DLN)燃燒器的一個實(shí)施例的剖視圖。燃?xì)廨啓C(jī)300還包括壓縮機(jī)312 (部分地顯示)、 多個燃燒器314(為了方便和清楚顯示了一個)和渦輪316 (由單個葉片表示)。雖然未明確地顯示，但是渦輪316沿著公共軸線驅(qū)動地連接到壓縮機(jī)312上。壓縮機(jī)312對入口空氣加壓，該入口空氣然后反過來流到燃燒器314，在燃燒器314中，該入口空氣用來冷卻燃燒器314，以及對燃燒過程提供空氣。雖然顯示了僅一個燃燒器314，但是燃?xì)廨啓C(jī)300包括位于其外周緣周圍的多個燃燒器314。過渡管318使各個燃燒器314的出口端與渦輪316 的入口端連接，以將熱的燃燒產(chǎn)物輸送給渦輪316。
各個燃燒器314均包括借助于螺栓328來在開口前端處固定到渦輪殼體326上的基本圓柱形燃燒殼體324。燃燒殼體324的上游端由端蓋組件330封閉，端蓋組件330可包括用于將氣體、液體燃料和空氣(以及水，如果期望的話)供給到燃燒器14的傳統(tǒng)的供應(yīng)管、歧管和相關(guān)聯(lián)的閥等。氣體燃料歧管350可為空氣分級擴(kuò)散噴嘴100供應(yīng)氣體燃料。 端蓋組件330提供在燃燒器314的縱向軸線331周圍布置成圓形排列的多個(例如六個) 有創(chuàng)造性的空氣分級擴(kuò)散噴嘴組件100 (為了方便和清楚僅顯示了一個)。圖9示出了在端蓋組件330上的、從氣體燃料管系350供給的、具有外部旋流器140和內(nèi)部旋流器180的空氣分級擴(kuò)散噴嘴100的圓形布置。
再次參看圖8，二次燃料噴嘴380可安裝在中心本體381處中。將來自后部供應(yīng)區(qū)段352的氣體燃料120供應(yīng)給各個空氣分級燃料噴嘴100，并且各個空氣分級燃料噴嘴100 將旋動的氣體和空氣的混合物輸送給燃燒管空間145。
在燃燒殼體324內(nèi)，以與燃燒殼體324成基本居中的關(guān)系來安裝基本圓柱形流動套管334，該流動套管334在其前端處連接到過渡管318的外壁336上。流動套管334在其后端處連接到燃燒殼體324上，燃燒器殼體324的前區(qū)段和后區(qū)段在這里連結(jié)。
在流動套管334內(nèi)，居中布置了燃燒襯套338，燃燒襯套338在其前端處與過渡管 318的內(nèi)壁340連接。燃燒襯套338的后端由燃燒襯套帽組件342支承，燃燒襯套帽組件 342又支承在燃燒殼體324內(nèi)。將理解，過渡管318的外壁336以及在燃燒殼體324栓接到渦輪殼體326上所處的位置前部延伸的流動套管334的那個部分可在它們相應(yīng)的外周緣表面上形成有一排孔口 344，以容許空氣通過孔口 344反過來從壓縮機(jī)312流到流動套管334 和襯套338之間的環(huán)形空間中，流向燃燒器314的上游或后端(如由流箭頭370所指示的那樣)。
該布置使得在襯套338和流動套管334之間的環(huán)形空間中流動的空氣被迫在燃燒器314的后端中倒轉(zhuǎn)方向，以及流(參見圖I)到空氣分級擴(kuò)散噴嘴100外部的空間136中， 其中，使得空氣對于噴嘴的外部旋流器140可用，并且對于冷卻空氣腔體160可用，以流過內(nèi)部旋流器180，以及在進(jìn)入燃燒區(qū)或燃燒室390之前流過燃燒管空間145。
對于現(xiàn)有技術(shù)的具有僅外部旋流器的擴(kuò)散噴嘴，響應(yīng)于從燃燒管的外周緣周圍的外部旋流器排出的旋動的燃料-空氣旋流混合物，可在燃燒管和預(yù)混合管內(nèi)可形成熱氣的再循環(huán)泡。燃料-空氣混合物的這個下游流會促進(jìn)來自下游的熱氣循環(huán)而沿著燃燒管的中心區(qū)域向上游流動，從而使熱氣緊鄰噴嘴尖部端。該流會加熱噴嘴的尖部端，并且在啟動和低功率運(yùn)行期間促進(jìn)積碳集聚在噴嘴的尖部端上。由于來自有創(chuàng)造性的空氣分級噴嘴的內(nèi)部旋流器的旋動的空氣，停滯的再循環(huán)熱氣被迫返回和遠(yuǎn)離尖部端。另外，通過尖部端的冷空氣流會促進(jìn)在尖部上有冷空氣膜。
來自內(nèi)部旋流器的空氣流進(jìn)一步減小噴嘴的尖部端附近的燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而促進(jìn)空氣分級噴嘴的均勻的未混合輪廓。通過內(nèi)部旋流器的旋動的排出物來改變在現(xiàn)有技術(shù)的尖部端的中心中出現(xiàn)的低速區(qū)，如上面描述的那樣。由于內(nèi)部旋流器的原因，對于空氣分級噴嘴還減小了在燃燒管的外周緣處的高的軸向速度。另外，相對于現(xiàn)有技術(shù)，燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)在燃燒管出口處變得更均勻，并且在燃燒管出口處的未混合度降低。這里，改進(jìn)的混合對燃?xì)廨啓C(jī)的排放有積極的影響。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于冷卻設(shè)置在具有壓縮機(jī)和渦輪的燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器中的空氣分級擴(kuò)散噴嘴的尖部端的方法，其中噴嘴設(shè)置在燃燒器的燃燒管的上游。圖10示出了用于冷卻空氣分級擴(kuò)散噴嘴的噴嘴尖部以及混合燃燒管區(qū)段中的氣體燃料和空氣的方法的流程圖。
步驟410提供了氣體燃料空氣分級擴(kuò)散噴嘴，其中噴嘴包括噴嘴本體，其包括由沿著噴嘴的縱向軸線設(shè)置的外周緣壁界定的氣體燃料腔體；端部封閉壁；設(shè)置在氣體燃料腔體內(nèi)的冷卻空氣室；由來自氣體燃料腔體的氣體燃料和來自包圍噴嘴本體的外部空間的壓縮空氣供應(yīng)的外部旋流器；以及冷卻空氣室的前部突出部，其延伸通過冷卻空氣室內(nèi)的周緣壁且突出通過中心燃料室的端部封閉壁。步驟415從上游氣體燃料源將氣體燃料供應(yīng)給氣體燃料腔體。步驟420將氣體燃料轉(zhuǎn)移成通過限定在端部封閉壁的外周緣周圍的氣體噴射孔而流到外部旋流器的旋流通道中。步驟425使氣體燃料與來自外部空間的壓縮空氣在外部旋流器內(nèi)混合。步驟430將具有旋轉(zhuǎn)方向的旋動的氣體燃料和壓縮空氣排到噴嘴本體的端部封閉壁下游的燃燒管空間中。
在步驟440中，轉(zhuǎn)移壓縮空氣的步驟用管來提供從外部空間流到冷卻空氣室的壓10縮空氣，這些管通過氣體燃料腔體的外周緣壁而流體地連接到壓縮空氣室上，以及通過冷卻空氣室的周緣壁而流體地連接到其內(nèi)的冷卻空氣腔體。通過噴嘴本體和冷卻空氣室的周緣壁的管和穿孔的大小可建立成提供足夠的壓縮空氣流來冷卻噴嘴的尖部。通過噴嘴本體和冷卻空氣室的周緣壁的管和穿孔的大小可進(jìn)一步建立成提供足夠的壓縮空氣流來促進(jìn)來自外部旋流器的旋動的氣體燃料和空氣在燃燒空間內(nèi)混合。在步驟445中，轉(zhuǎn)移壓縮空氣可進(jìn)一步包括使壓縮空氣通過在噴嘴的尖部上的冷卻空氣室的周緣壁的前部突出部上的內(nèi)部旋流器傳送到噴嘴下游的燃燒管的空間。這里，旋流導(dǎo)葉通道的大小和旋流導(dǎo)葉通道的定向經(jīng)布置以冷卻噴嘴尖部。旋流導(dǎo)葉通道的大小和旋流導(dǎo)葉通道的定向可經(jīng)布置以混合燃燒管空間內(nèi)的氣體燃料和空氣。步驟450備選地提供了使壓縮空氣流過冷卻空氣室的周緣壁的前部突出部內(nèi)的多個尖部孔。這里，尖部孔的大小和尖部孔的定向可經(jīng)布置以冷卻噴嘴尖部或促進(jìn)氣體燃料和空氣在燃燒空間內(nèi)混合或?qū)崿F(xiàn)這兩個功能。
該方法可包括旋流導(dǎo)葉和尖部孔的其它布置，并且可進(jìn)一步包括旋流導(dǎo)葉和尖部孔的組合。來自噴嘴尖部的壓縮空氣的排出物可相對于噴嘴的縱向軸線對壓縮空氣施加下游軸向速度和旋轉(zhuǎn)速度。在步驟460中，施加于來自噴嘴尖部的壓縮排出空氣的旋轉(zhuǎn)速度可沿與來自外部旋流器的旋流的方向相同的方向，或者對于步驟465，沿與來自外部旋流器的旋流的方向相反的方向。在步驟470中，排出物為噴嘴尖部提供冷卻。在步驟480中，排出物提供來自外部旋流器的氣體燃料和空氣在燃燒管空間中的混合，其中，改進(jìn)的混合促進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)有減少的排放。
雖然在本文中描述了多種實(shí)施例，但是從說明書中將理解到，可對其中的元件、變型或改進(jìn)作出各種組合，并且它們都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)置在燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器中的、包括氣體燃料源和壓縮空氣源的空氣分級擴(kuò)散噴嘴，其中，所述氣體燃料噴嘴排到所述燃燒器的燃燒管空間，所述空氣分級擴(kuò)散噴嘴包括提供空氣分級擴(kuò)散噴嘴，其包括噴嘴本體，其包括由沿著所述噴嘴的縱向軸線設(shè)置的外周緣壁界定的氣體燃料腔體；端部封閉壁；設(shè)置在所述氣體燃料腔體內(nèi)的冷卻空氣室； 外部旋流器，其由來自所述氣體燃料腔體的氣體燃料和來自包圍所述噴嘴本體的外部空間的壓縮空氣供應(yīng)；以及所述冷卻空氣室的前部突出部，其延伸通過所述冷卻空氣室內(nèi)的周緣壁且突出通過沿著縱向軸線設(shè)置的所述噴嘴本體的端部封閉壁，所述噴嘴本體包括在遠(yuǎn)側(cè)由端部封閉壁界定、在近側(cè)由與氣體燃料源的連接部界定以及沿周緣由環(huán)形壁界定的氣體燃料腔體；具有旋流導(dǎo)葉的外部旋流器，其從所述環(huán)形壁的尖部端延伸，從而形成通往下游燃燒管空間的旋動軸向通道；在所述氣體燃料腔體的所述環(huán)形壁外部的空間，其包括與所述外部旋流器的所述旋動軸向通道處于流體連通的壓縮空氣源，以及通過所述第一環(huán)形壁而從所述氣體燃料腔體進(jìn)入所述外部旋流器的所述旋動軸向環(huán)形通道中的多個通道，其中，所述外部旋流器將氣體燃料和所述壓縮空氣的旋動的混合物輸送到所述燃燒器的所述下游燃燒管空間；封閉在所述氣體燃料腔體內(nèi)且包括外周緣壁的冷卻空氣室，其中，設(shè)置成緊鄰所述氣體燃料腔體的遠(yuǎn)端的所述外周緣壁通過所述端部封閉壁而沿軸向延伸到所述燃燒器的所述燃燒管空間；從所述外部壓縮空氣空間通過所述氣體燃料腔體的所述環(huán)形壁的多個通道，其聯(lián)接成與所述冷卻空氣室處于流體連通；以及通過所述冷卻空氣室的所述周緣壁的所述遠(yuǎn)端來將壓縮空氣流體地連通到所述燃燒器的所述燃燒管空間的多個通道。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空氣分級擴(kuò)散噴嘴，其特征在于，在所述冷卻空氣室和所述燃燒器的所述燃燒管空間之間流體地連通壓縮空氣的所述多個通道包括在所述冷卻空氣室的所述突出部的尖部端上的、沿與所述外部旋流器提供的相同的旋轉(zhuǎn)方向提供壓縮空氣的旋動排出物的尖部孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空氣分級擴(kuò)散噴嘴，其特征在于，在所述冷卻空氣室和所述燃燒器的燃燒管空間之間流體地連通壓縮空氣的所述多個通道包括在所述冷卻空氣室的所述突出部的尖部端上的、沿與所述外部旋流器提供的相反的旋轉(zhuǎn)方向提供壓縮空氣的旋動排出物的尖部孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空氣分級擴(kuò)散噴嘴，其特征在于，在所述冷卻空氣室和所述燃燒器的燃燒管之間流體地連通壓縮空氣的所述多個通道包括沿與所述外部旋流器提供的相同的旋轉(zhuǎn)方向提供壓縮空氣的旋動排出物的旋流器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空氣分級擴(kuò)散噴嘴，其特征在于，在所述冷卻空氣室和所述燃燒器的燃燒管空間之間流體地連通壓縮空氣的所述多個通道包括沿與所述外部旋流器提供的相反的旋轉(zhuǎn)方向提供壓縮空氣的旋動排出物的旋流器。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空氣分級擴(kuò)散噴嘴，其特征在于，通過所述環(huán)形壁的、通過管狀通道來聯(lián)接到所述冷卻空氣室上的所述多個通道包括對稱地設(shè)置在所述冷卻空氣室周圍的徑向管。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空氣分級擴(kuò)散噴嘴，其特征在于，從所述空氣分級擴(kuò)散噴嘴的所述尖部流到所述燃燒管空間的壓縮空氣冷卻所述端部封閉壁。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空氣分級擴(kuò)散噴嘴，其特征在于，從所述氣體燃料噴嘴的所述尖部流出的壓縮空氣迫使所述燃燒管空間的熱氣遠(yuǎn)離所述端部封閉壁。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空氣分級擴(kuò)散噴嘴，其特征在于，從燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)中提供所述壓縮空氣。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空氣分級擴(kuò)散噴嘴，其特征在于，所述冷卻空氣室的所述突出部的所述尖部端從所述冷卻空氣室的主體沿徑向漸縮到與所述端部封閉壁的遠(yuǎn)側(cè)表面齊平的遠(yuǎn)側(cè)外表面。
11.一種包括壓縮機(jī)、渦輪、至少一個燃燒器以及包括氣體燃料源和壓縮空氣源的多個氣體燃料擴(kuò)散噴嘴的燃?xì)廨啓C(jī)，其中，所述氣體燃料噴嘴排到所述燃燒器的燃燒管空間，其中，所述空氣分級擴(kuò)散噴嘴包括沿著縱向軸線設(shè)置的噴嘴本體，其包括在遠(yuǎn)側(cè)由端部封閉壁界定、在近側(cè)由與氣體燃料源的連接部界定以及沿周緣由環(huán)形壁界定的氣體燃料腔體；具有旋流導(dǎo)葉的外部旋流器，其從所述環(huán)形壁的尖部端延伸，從而形成通往下游燃燒管空間的旋動軸向通道；在所述氣體燃料腔體的所述環(huán)形壁外部的空間，其包括與所述外部旋流器的所述旋動軸向通道處于流體連通的壓縮空氣源，以及通過所述第一環(huán)形壁而從所述氣體燃料腔體進(jìn)入所述外部旋流器的所述旋動軸向環(huán)形通道中的多個通道，其中，所述外部旋流器將氣體燃料和所述壓縮空氣的旋動的混合物輸送到所述燃燒器的所述下游燃燒管空間；封閉在所述氣體燃料腔體內(nèi)且包括外周緣壁的冷卻空氣室，其中，設(shè)置成緊鄰所述氣體燃料腔體的遠(yuǎn)端的所述外周緣壁通過所述端部封閉壁而沿軸向延伸到所述燃燒器的所述燃燒管空間；從所述外部壓縮空氣空間通過所述環(huán)形壁的多個通道，其聯(lián)接成與所述冷卻空氣室處于流體連通；以及通過所述冷卻空氣室的所述周緣壁的所述遠(yuǎn)端來將壓縮空氣流體地連通到所述燃燒器的所述燃燒管空間的多個通道。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于，通過所述噴嘴本體的所述環(huán)形壁的、通過管狀通道來聯(lián)接到所述冷卻空氣室上的所述空氣分級擴(kuò)散噴嘴的所述多個通道包括設(shè)置在所述冷卻空氣室周圍的徑向管。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于，通過所述噴嘴的所述環(huán)形壁而通到所述冷卻空氣室的所述空氣分級擴(kuò)散噴嘴的所述多個徑向管對稱地設(shè)置在所述冷卻空氣室周圍。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于，通過所述噴嘴的所述環(huán)形壁的所述空氣分級擴(kuò)散噴嘴的所述多個徑向管大小設(shè)置成為進(jìn)行下者中的一個而提供足夠的壓縮空氣流通過轉(zhuǎn)移所述燃燒管空間中的熱氣來冷卻所述噴嘴的所述尖部，以及混合所述燃燒管空間中的所述氣體燃料和空氣的混合物。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于，在所述冷卻空氣室和所述燃燒器的所述燃燒管空間之間流體地連通壓縮空氣的所述空氣分級擴(kuò)散噴嘴的所述多個通道包括在所述冷卻空氣室的所述突出部的尖部端上的、沿與所述外部旋流器提供的相同的旋轉(zhuǎn)方向提供壓縮空氣的旋動排出物的尖部孔。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于，在所述冷卻空氣室和所述燃燒器的燃燒管空間之間流體地連通壓縮空氣的所述空氣分級擴(kuò)散噴嘴的所述多個通道包括在所述冷卻空氣室的所述突出部的尖部端上的、沿與所述外部旋流器提供的相反的旋轉(zhuǎn)方向提供壓縮空氣的旋動排出物的尖部孔。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于，在所述冷卻空氣室和所述燃燒器的燃燒管空間之間流體地連通壓縮空氣的所述多個通道包括沿與所述外部旋流器提供的相同的旋轉(zhuǎn)方向提供壓縮空氣的旋動排出物的內(nèi)部旋流器。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于，在所述冷卻空氣室和所述燃燒器的燃燒管空間之間流體地連通壓縮空氣的所述多個通道包括沿與所述外部旋流器提供的相反的旋轉(zhuǎn)方向提供壓縮空氣的旋動排出物的內(nèi)部旋流器。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于，從所述氣體燃料噴嘴的所述尖部流出的所述壓縮空氣流通過促使所述燃燒管空間熱氣遠(yuǎn)離所述端部封閉壁來冷卻所述噴嘴的所述尖部端。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于，從所述氣體燃料噴嘴的所述尖部流出的所述壓縮空氣提高從所述外部旋流器流出的所述氣體燃料和空氣的混合物在所述燃燒管空間內(nèi)的混合。
全文摘要
本發(fā)明涉及空氣分級擴(kuò)散噴嘴。在用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的空氣分級擴(kuò)散噴嘴中，空氣在下游燃燒管中與氣體燃料混合且膨脹。引入從噴嘴的尖部向下游傳送到燃燒管空間的空氣會迫使熱氣遠(yuǎn)離噴嘴尖部，并且冷卻該噴嘴尖部。通過內(nèi)部旋流器或通過噴嘴尖部上的冷卻孔的空氣流可布置成建立有利地與來自外部旋流器的氣體燃料-空氣流相互作用的冷卻流體積和方向，以改進(jìn)燃燒管中的燃料-空氣混合，從而幫助減少排放和積碳的形成。
文檔編號F23R3/00GK102538007SQ20111042093
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月6日
發(fā)明者A·P·德賽, K·卡利斯瓦蘭, V·波利塞蒂 申請人:通用電氣公司