燃燒噴嘴及其相關(guān)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種燃燒噴嘴及其相關(guān)方法，該燃燒噴嘴包括混合部段和出口部段?；旌喜慷伟諝馊肟诤腿剂先肟?。出口部段包括以預(yù)定圖案形成于出口表面上的多個噴口。多個噴口的核心面積與出口表面面積的比率大于0.25。
【專利說明】燃燒噴嘴及其相關(guān)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及燃燒器，并且更具體地，涉及用于將空氣-燃料混合物噴射到燃燒器內(nèi)的燃燒區(qū)域中的燃燒噴嘴。
【背景技術(shù)】
[0002]燃燒器是發(fā)生燃燒的發(fā)動機(jī)的部件或區(qū)域。例如在燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動機(jī)中，壓縮器將高壓空氣進(jìn)給到燃燒器或燃燒室。燃燒器然后在恒定壓力下加熱空氣以及燃料。在燃燒之后，生成的廢氣經(jīng)由噴嘴引導(dǎo)輪葉從燃燒器進(jìn)給到渦輪機(jī)。例如在燃?xì)鉁u輪機(jī)組或聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中使用的這樣的發(fā)動機(jī)在更高溫度和更高壓力條件下操作以獲得更高的操作效率，并且傾向于增加廢氣流中的排放(例如CO、NOx)O盡管用于生成排放的各種因素是已知的，但是主要因素是燃燒器中的火焰溫度。
[0003]燃?xì)鉁u輪機(jī)中的CO排放是需要遠(yuǎn)離基本負(fù)荷(最大容量)條件操作的機(jī)器的重要參數(shù)。增加的CO排放與同機(jī)器的部分負(fù)荷操作相關(guān)的典型更低的壓力/溫度關(guān)聯(lián)。這樣的條件由在火焰鋒面中產(chǎn)生的CO的不足消耗表征。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例，公開了一種燃燒噴嘴。所述燃燒噴嘴包括混合部段和出口部段。所述混合部段包括空氣入口和燃料入口。所述出口部段包括以預(yù)定圖案形成于出口表面上的多個噴口。所述多個噴口的核心面積與出口表面面積的比率大于0.25。
[0005]所述多個噴口中的兩個相互相鄰噴口之間的間距表示從一個噴口的中心延伸到所述相互相鄰噴口中的另一個噴口的另一個相應(yīng)中心的距離。所述間距沿著直線圖案延伸；或者所述間距可沿著弧形圖案延伸。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例，公開了一種燃?xì)鉁u輪機(jī)。所述燃?xì)鉁u輪機(jī)包括空氣壓縮器，聯(lián)接到所述壓縮器的燃燒器，以及聯(lián)接到所述燃燒器的渦輪機(jī)。所述燃燒器包括殼體，以及布置在所述殼體內(nèi)的燃燒區(qū)域的上游的示例性燃燒噴嘴。其中所述燃燒噴嘴包括:混合部段，所述混合部段包括空氣入口和燃料入口 ；以及出口部段，所述出口部段包括以預(yù)定圖案形成于出口表面上的多個噴口 ；其中所述多個噴口的核心面積與出口表面面積的比率大于0.25 ;以及聯(lián)接到所述燃燒器的渦輪機(jī)。
[0007]所述圖案包括六邊形圖案、變體六邊形圖案、方形圖案、或者圓形圖案。所述多個噴口中的兩個相互相鄰噴口之間的間距與噴口直徑的比率大于1.5。所述間距表示從一個噴口的中心延伸到所述相互相鄰噴口中的另一個噴口的另一個相應(yīng)中心的距離。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例，一種方法包括在示例性燃燒噴嘴的混合部段內(nèi)混合空氣和燃料以生成空氣-燃料混合物。所述方法還包括經(jīng)由所述示例性燃燒噴嘴的出口部段將所述空氣-燃料混合物噴射到布置在所述示例性燃燒噴嘴的下游的燃燒區(qū)域。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例，公開了一種用于形成示例性燃燒噴嘴的方法。所述方法包括:形成燃燒噴嘴，包括:形成混合部段，所述混合部段包括空氣入口和燃料入口 ；以及形成出口部段，所述出口部段包括以預(yù)定圖案形成于出口表面上的多個噴口 ；其中所述多個噴口的核心面積與出口表面面積的比率大于0.25。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]當(dāng)參考附圖閱讀以下詳細(xì)描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，在附圖中相似的附圖標(biāo)記始終表示相似的部分，其中:
[0011]圖1是具有根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的示例性燃燒器的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的示意圖；
[0012]圖2是具有根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的示例性燃燒噴嘴的燃燒器的示意圖；
[0013]圖3是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的燃燒噴嘴的出口部段的示意圖；
[0014]圖4是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的燃燒噴嘴的出口部段的透視圖；
[0015]圖5是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的以六邊形圖案布置的多個噴嘴噴口的示意圖；
[0016]圖6是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的以方形圖案布置的多個噴嘴噴口的示意圖；
[0017]圖7是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的以變體六邊形圖案布置的多個噴嘴噴口的示意圖；以及
[0018]圖8是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的以放射狀/圓形圖案布置的多個噴嘴噴口的示意圖。
【具體實施方式】
[0019]根據(jù)本發(fā)明的實施例，公開了一種燃燒噴嘴。所述示例性燃燒噴嘴包括具有空氣入口和燃料入口的混合部段。所述噴嘴還包括出口部段，所述出口部段具有以預(yù)定圖案形成于出口表面上的多個噴口。所述多個噴口的核心面積與噴嘴出口總表面面積的比率大于0.25。根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，公開了一種具有示例性燃燒噴嘴的燃?xì)鉁u輪機(jī)。根據(jù)某些其它實施例，公開了一種與燃燒噴嘴相關(guān)的方法。在部分負(fù)荷條件下，由示例性燃燒噴嘴生成的內(nèi)-噴口再循環(huán)區(qū)域(the intra-jet recirculation zones)足夠大以消耗在燃燒器的火焰鋒面(flame front)處產(chǎn)生的一氧化碳(CO)。
[0020]現(xiàn)在參見附圖并且首先參考圖1，示出了具有低排放燃燒器12的燃?xì)鉁u輪機(jī)10。燃?xì)鉁u輪機(jī)10包括配置成壓縮環(huán)境空氣的壓縮器14。燃燒器12與壓縮器14流體連通，并且配置成接收來自壓縮器14的壓縮空氣11、并且燃燒燃料流以生成燃燒器出口氣體流13。在所示實施例中，燃燒器12包括限定燃燒面積的燃燒器外殼20。在一個實施例中，燃燒器12包括筒形燃燒器。在備選實施例中，燃燒器12包括筒-環(huán)形燃燒器或純環(huán)形燃燒器。另夕卜，燃?xì)鉁u輪機(jī)10包括位于燃燒器12的下游的渦輪機(jī)16。渦輪機(jī)16配置成膨脹燃燒器出口氣體流13以驅(qū)動外部負(fù)荷。在所示實施例中，壓縮器14由渦輪機(jī)16經(jīng)由軸18生成的動力驅(qū)動。
[0021]燃燒器12包括燃燒器噴嘴以用于接收壓縮空氣11和燃料流，混合空氣11和燃料流以生成空氣-燃料混合物，并且將空氣-燃料混合物噴射到燃燒區(qū)域。參考后面的圖更詳細(xì)地解釋燃燒噴嘴。[0022]參考圖2，示出了根據(jù)圖1的方面的燃燒器12。示例性燃燒器12包括限定燃燒室24的燃燒器外殼22。蓋組件(未顯示)可以設(shè)在燃燒器外殼22的一個端部上。燃燒器內(nèi)襯26布置在燃燒器外殼22內(nèi)。燃燒器內(nèi)襯26可以帶有多個稀釋孔。
[0023]燃燒噴嘴28布置在燃燒室24內(nèi)。示例性燃燒噴嘴28包括混合部段30和出口部段32。燃燒器12還包括用于將燃料供應(yīng)到燃燒室24的燃料增壓室34。燃料經(jīng)由設(shè)在混合部段30中的一個或多個燃料入口孔36進(jìn)入燃燒噴嘴28。混合部段30也具有用于接收來自壓縮器的空氣流11的空氣入口 38。
[0024]在某些實施例中，燃料可以包括烴、天然氣、或高純氫氣、或氫、或生物氣、或一氧化碳、或合成氣、或惰性氣體、或水蒸氣、或具有預(yù)定量的稀釋劑的氧化劑。稀釋劑可以包括氮、二氧化碳、水、蒸汽等。
[0025]燃燒噴嘴28的混合部段30配置成混合空氣11和燃料并且生成空氣_燃料混合物。出口部段32配置成接收空氣-燃料混合物，并且將空氣-燃料混合物噴射到燃燒室24的燃燒區(qū)域40。出口部段32配置成在燃燒器12的燃燒區(qū)域40中生成空氣-燃料混合物的紊流(turbulent flow)。出口部段32包括以預(yù)定圖案形成于出口表面42上的多個噴口。參考后面的圖更詳細(xì)地解釋具有多個噴口的出口表面42。
[0026]參考圖3，示出了具有多個噴口 44的出口表面42。根據(jù)本發(fā)明的實施例，多個噴口44被間隔設(shè)置從而占據(jù)出口表面42的較大面積。在所不實施例中，多個噴口 44的核心面積被定義為由離表面中心46最遠(yuǎn)的多個噴口 44中的噴口包圍的面積。在所示實施例中，多個噴口 44的核心面積的圓周由圓48表示。如參考后面的圖解釋，可以以不同圖案布置多個噴口 44。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的實施例，多個噴口的核心面積與出口表面面積的比率大于0.25。在具有期望噴口分布的出口部段的一個實施例中，多個噴口 44的核心面積與出口表面面積的比率在0.25至0.4的范圍內(nèi)。在具有備選期望噴口分布的出口部段的另一實施例中，多個噴口 44的核心面積與出口表面面積的比率在0.4至0.5的范圍內(nèi)。在具有備選期望噴口分布的出口部段的又一實施例中，多個噴口 44的核心面積與出口表面面積的比率大于
0.5。在本說明書中應(yīng)當(dāng)注意盡管顯示圓形噴嘴，但是它不應(yīng)當(dāng)被理解為限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的方面也可應(yīng)用于非圓形噴嘴。
[0028]在具有期望噴口分布的出口部段的一些實施例中，多個噴口 44的核心面積的直徑與出口表面直徑的比率在0.5至0.63的范圍內(nèi)。在具有備選期望噴口分布的出口部段的某些其它實施例中，多個噴口的核心面積的直徑與出口表面直徑的比率大于0.63。
[0029]如先前所述，燃?xì)鉁u輪機(jī)中的CO排放是需要遠(yuǎn)離基本負(fù)荷(最大容量)條件操作的機(jī)器的重要參數(shù)。增加的CO排放與同機(jī)器的部分負(fù)荷操作相關(guān)的典型更低的壓力/溫度關(guān)聯(lián)。在這樣的條件下，由基于噴口相陣列的常規(guī)燃燒噴嘴生成的內(nèi)-噴口再循環(huán)區(qū)域不足夠大以消耗在燃燒器的火焰鋒面處產(chǎn)生的CO。
[0030]在本說明書在應(yīng)當(dāng)注意在噴嘴的出口部段的出口表面上的“阻流區(qū)域(bluffarea)”導(dǎo)致CO的生成。根據(jù)本發(fā)明的實施例，在噴嘴的部段的出口表面上具有最小“阻流區(qū)域”的分布噴口能夠生成足夠大的內(nèi)-噴口再循環(huán)區(qū)域以消耗在燃燒器的火焰鋒面處產(chǎn)生的CO。換句話說，多個噴口 44以這樣的方式被間隔設(shè)置，以使得占據(jù)出口表面42的“較大面積”。[0031]參考圖4，示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的噴嘴的出口部段32。出口部段32包括具有多個噴口 44的出口表面42。如先前所述，多個噴口 44被間隔開從而占據(jù)出口表面42的較大面積。多個噴口 44以這樣的方式被間隔設(shè)置，使得多個噴口 44中的兩個相互相鄰噴口之間的間距表示從一個噴口的中心延伸到所述相互相鄰噴口 44中的另一個噴口的另一個相應(yīng)中心的距離。在所示實施例中，兩個相互相鄰噴口之間的間距由“ s”表示，并且每個噴口的直徑由“d”表示。
[0032]在具有期望噴口間距的出口部段32的一個實施例中，多個噴口中的兩個相互相鄰噴口之間的間距“s”與噴口直徑“d”的比率在1.5至1.9的范圍內(nèi)。在具有備選期望噴口間距的出口部段32的另一實施例中，多個噴口 44中的兩個相互相鄰噴口之間的間距“s”與噴口直徑“d”的比率在1.9至2.5的范圍內(nèi)。在具有備選期望噴口間距的出口部段32的又一實施例中，多個噴口中的兩個相互相鄰噴口之間的間距“s”與噴口直徑“d”的比率大于2.5。
[0033]參考圖5，示出了以六邊形圖案形成于噴嘴的出口部段的出口表面上的多個噴口44。如先前所述,多個噴口 44被間隔設(shè)置從而占據(jù)噴嘴的出口表面的較大面積。如先前所述，多個噴口 44以這樣的方式被間隔設(shè)置，使得多個噴口 44中的兩個相互相鄰噴口之間的間距表示從一個噴口的中心延伸到相互相鄰噴口 44中的另一個噴口的另一個相應(yīng)中心的距離。每個虛線表示兩個相互相鄰噴口之間的間距。三個相互相鄰噴口 44的任何集合形成三角形。多個三角形形成噴口的布置的六邊形圖案。
[0034]參考圖6，示出了以方形圖案形成于噴嘴的出口部段的出口表面上的多個噴口44。多個噴口 44以這樣的方式被間隔設(shè)置，使得多個噴口 44中的兩個相互相鄰噴口之間的間距表示從一個噴口的中心延伸到相互相鄰噴口 44中的另一個噴口的另一個相應(yīng)中心的距離。每個虛線表示兩個相互相鄰噴口之間的間距。四個相互相鄰噴口 44的任何集合形成四邊形。多個四邊形形成噴口的布置的方形圖案。
[0035]參考圖7，示出了以變體六邊形(扇形)圖案形成于噴嘴的出口部段的出口表面上的多個噴口 44。多個噴口 44以這樣的方式被間隔設(shè)置，使得多個噴口 44中的兩個相互相鄰噴口之間的間距表示從一個噴口的中心延伸到相互相鄰噴口 44中的另一個噴口的另一個相應(yīng)中心的距離。每個虛線表示兩個相互相鄰噴口之間的間距。在所示實施例中，每排中的噴口沿著直線布置(即，成180度定向)。在一些實施例中，噴口可以不沿著直線布置。在這樣的實施例中，多個噴口 44中的兩個相互相鄰噴口之間的間距可以是從一個噴口的中心延伸到相互相鄰噴口的中心的“弧長”。
[0036]參考圖8，示出了以圓形/圖案形成于噴嘴的出口部段的出口表面上的多個噴口44。多個噴口 44以這樣的方式被間隔設(shè)置，使得多個噴口 44中的兩個相互相鄰噴口之間的間距表示從一個噴口的中心延伸到相互相鄰噴口 44中的另一個噴口的另一個相應(yīng)中心的距離。在一個實施例中，相互噴口 44之間的間距是由附圖標(biāo)記46表示的沿著直線的距離。在另一實施例中，相互噴口 44之間的間距是由附圖標(biāo)記48表示的弧長。在其它實施例中，也可以預(yù)見噴口布置的其它合適的圖案。例如，可以以卵形圖案、橢圓形圖案等布置噴口 44。在本說明書中應(yīng)當(dāng)理解也可以預(yù)見參考圖3-8所述的特征的所有排列和組合。
[0037]根據(jù)上述實施例，由噴嘴的噴口之間的最佳間距驅(qū)動獲得來自燃?xì)鉁u輪機(jī)的低CO排放。噴口之間的最佳間距增加噴口之間的再循環(huán)區(qū)域的尺寸以消耗在火焰鋒面中產(chǎn)生的CO。本發(fā)明的實施例公開了在噴嘴的出口表面上具有最小阻流區(qū)域的分布噴口。更低的CO排放允許燃?xì)鉁u輪機(jī)的部分負(fù)荷操作。
[0038]盡管僅僅在本說明書中示出和描述了本發(fā)明的某些特征，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將想到許多修改和變化。所以，應(yīng)當(dāng)理解附帶的權(quán)利要求旨在涵蓋屬于本發(fā)明的真實精神內(nèi)的所有這樣的修改和變化。
【權(quán)利要求】
1.一種燃燒噴嘴，所述燃燒噴嘴包括: 混合部段，所述混合部段包括空氣入口和燃料入口 ；以及 出口部段，所述出口部段包括以預(yù)定圖案形成于出口表面上的多個噴口 ；其中所述多個噴口的核心面積與出口表面面積的比率大于0.25。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒噴嘴，其特征在于，所述圖案包括六邊形圖案。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒噴嘴，其特征在于，所述圖案包括變體多邊形圖案。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒噴嘴，其特征在于，所述圖案包括方形圖案。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒噴嘴，其特征在于，所述圖案包括圓形圖案。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒噴嘴，其特征在于，所述多個噴口的核心面積與出口表面面積的比率在0.25至0.4的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒噴嘴，其特征在于，所述多個噴口的核心面積與出口表面面積的比率在0.4至0.5的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒噴嘴，其特征在于，所述多個噴口的核心面積與出口表面面積的比率大于0.5。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒噴嘴，其特征在于，所述多個噴口的核心直徑與出口表面直徑的比率在0.5至0.63的范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒噴嘴，其特征在于，所述多個噴口的核心直徑與出口表面直徑的比率大于0.63。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒噴嘴，其特征在于，所述多個噴口中的兩個相互相鄰噴口之間的間距與噴口直徑的比率在1.5至1.9的范圍內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒噴嘴，其特征在于，所述多個噴口中的兩個相互相鄰噴口之間的間距與噴口直徑的比率在1.9至2.5的范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒噴嘴，其特征在于，所述多個噴口中的兩個相互相鄰噴口之間的間距與噴口直徑的比率大于2.5。
14.一種燃?xì)鉁u輪機(jī)，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)包括: 空氣壓縮器； 聯(lián)接到所述壓縮器的燃燒器，所述燃燒器包括: 殼體；以及 布置在所述殼體內(nèi)的燃燒區(qū)域的上游的燃燒噴嘴；其中所述燃燒噴嘴包括: 混合部段，所述混合部段包括空氣入口和燃料入口 ；以及 出口部段，所述出口部段包括以預(yù)定圖案形成于出口表面上的多個噴口 ；其中所述多個噴口的核心面積與出口表面面積的比率大于0.25 ;以及 聯(lián)接到所述燃燒器的渦輪機(jī)。
15.—種方法,所述方法包括: 在燃燒噴嘴的混合部段內(nèi)混合空氣和燃料以生成空氣-燃料混合物；以及 經(jīng)由所述燃燒噴嘴的出口部段將所述空氣-燃料混合物噴射到布置在所述燃燒噴嘴的下游的燃燒區(qū)域；其中所述出口部段包括以預(yù)定圖案形成于出口表面上的多個噴口 ；其中所述多個噴口的核心面積與出口表面面積的比率大于0.25。
【文檔編號】F23R3/28GK103528093SQ201310268770
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年6月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月29日
【發(fā)明者】U.O.伊達(dá)霍薩, A.R.布蘭德, H.凱林, M.J.休斯 申請人:通用電氣公司