CN102261282A - 涡轮机燃料喷嘴 - Google Patents

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CN102261282A CN2011101613945A CN201110161394A CN102261282A CN 102261282 A CN102261282 A CN 102261282A CN 2011101613945 A CN2011101613945 A CN 2011101613945A CN 201110161394 A CN201110161394 A CN 201110161394A CN 102261282 A CN102261282 A CN 102261282A
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K·K·辛赫
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Abstract

本发明涉及涡轮机燃料喷嘴。具体而言，一种涡轮机包括压缩机、可操作地联接到压缩机上的涡轮，以及流体地连结压缩机和涡轮的燃烧器。燃烧器包括至少一个燃料喷嘴。该至少一个燃料喷嘴包括流动通道，其包括具有第一端部的本体，该第一端部经过具有流动区的至少一个流动管道延伸至第二端部。燃料入口提供在本体的第一端部处。该燃料入口构造成用以接收至少一种燃料。燃料出口提供在本体的第二端部处。控制流动通道在第一端部和第二端部之间流体地连接到本体上。该控制流动通道构造和设置成用以传送控制流到燃料喷嘴中。该控制流设立形成了流动通道的有选择地可变的有效流动区。

Description

涡轮机燃料喷嘴
技术领域
本文所公开的主题涉及涡轮机领域，并且更具体地涉及用于涡轮机的燃料喷嘴。
背景技术
涡轮机通常包括压缩机、燃烧器以及涡轮。在操作中，空气流动穿过压缩机，经受压缩并供送至燃烧器。燃料也经引导通向燃烧器，与压缩空气相混合，并经点燃而形成燃烧气体。燃烧气体经引导通向涡轮。涡轮将来自燃烧气体的热能转换成机械的旋转能，该旋转能用来对压缩机提供动力以及产生有用功例如用以操作发电机。常规的涡轮机设计成用以依靠特定的燃料或燃料族进行操作。
对于来自燃气涡轮发电设备的低排放物的管理要求近年来已变得更为严格。全世界的环境机构现在都不断要求来自新型和现有燃气轮机的NOx和其它污染物的排放率更为降低。降低来自于燃烧涡轮(水和蒸汽喷射)的NOx排放物的传统方法受限于它们达到在许多地点所要求的极低水平的能力。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种涡轮机包括压缩机、可操作地联接到压缩机上的涡轮，以及流体地连结压缩机和涡轮的燃烧器。燃烧器包括至少一个燃料喷嘴。该至少一个燃料喷嘴包括流动通道，该流动通道包括具有第一端部的本体，该第一端部经过具有流动区的至少一个流动管道(channel)延伸至第二端部。燃料入口提供在本体的第一端部处。该燃料入口构造成用以接收至少一种燃料。燃料出口提供在本体的第二端部。至少一个控制流动通道在第一端部和第二端部之间流体地连接到本体上。该至少一个控制流动通道构造和设置成用以传送至少一个控制流到燃料喷嘴中。该至少一个控制流设立形成了流动通道的有选择地可变的有效流动区。
根据本发明的另一方面，一种涡轮机燃料喷嘴包括流动通道，该流动通道包括具有第一端部的本体，该第一端部经过具有流动区的至少一个流动管道延伸至第二端部。燃料入口提供在本体的第一端部处。该燃料入口构造成用以接收至少一种燃料。燃料出口提供在本体的第二端部处。至少一个控制流动通道在第一端部和第二端部之间流体地连接到本体上。该至少一个控制流动通道构造和设置成用以传送至少一个控制流到燃料喷嘴中。该至少一个控制流设立形成了流动通道的有选择地可变的有效流动区。
根据本发明的又一方面，一种有选择地改变涡轮机燃料喷嘴的有效流动区的方法，包括：接收至少一种燃料到燃料喷嘴的燃料入口中；沿着流动通道导引该至少一种燃料，该流动通道包括具有流动区的流动管道；在燃料入口的下游引入至少一个控制流；以及利用该至少一个控制流来改变流动通道的有效流动区。
根据以下描述并结合附图，这些及其它的优点和特征将变得更为清楚。
附图说明
在所附权利要求中特别地指出和明确地主张了视作为本发明的主题。根据以下详细描述并结合附图，本发明的上述和其它的特征以及优点更为清楚，在附图中：
图1是包括根据示例性实施例的燃烧器燃料喷嘴的涡轮机的示意图；
图2是根据示例性实施例的一个方面的燃烧器燃料喷嘴的示意性截面视图；以及
图3是根据示例性实施例的另一方面的燃烧器燃料喷嘴的示意性截面视图。
本详细描述通过举例的方式，参照附图阐述了本发明的实施例以及优点和特征。
零件清单
2                 涡轮机
4                 压缩机
6                 燃烧器
8                 燃烧室
10                涡轮
12                公共的压缩机/涡轮轴/转子
20                燃烧器燃料喷嘴
29                外部喷嘴部分
31                内部喷嘴部分
36，160           本体部分
38，161           第一端部部分
39，162           第二端部部分
41，66，164，186  外部壁
42，67，165，187  内部壁
44，69，168，190  仓室
46，170           入口部分
47，171           出口部分
48，74，172，195  开口
60，180           本体区段
62，182           第一端部区段
63，183           第二端部区段
72，193           入口区段
73，194           出口区段
77，197             周向凸缘
79，199             第一密封槽隙(唇口，land)
80，200             第二密封槽隙
84                  燃料流动通道
88，208             本体
91，211             第一端部
92，212             第二端部
95，215             燃料入口
96，216             燃料出口
101，102，103，104，
226，227，228       流动管道
105，231，237，243  第一端部区域
106，232，238，244  第二端部区域
111，116，121       第一端部区域
112，117，122       第二端部区域
113，107，118，123，
233，239，245       中间部分
130                 第一控制流动通道
131                 第二控制流动通道
134，139            第一端部节段
135，140            第二端部节段
152                 燃烧器燃料喷嘴
156                 外部喷嘴部分
158                 内部喷嘴部分
204                 双燃料流动通道
260                 第一控制流动通道
261                 第二控制流动通道
262                 第三控制流动通道
263                 第四控制流动通道
270，273，276，280  第一端部节段
271，274，277，281  第二端部节段
具体实施方式
参看图1，根据示例性实施例所构成的涡轮机大体上示出为2。涡轮机2包括压缩机4和多个沿周向间隔开的燃烧器，其中的一个燃烧器示出为6。燃烧器6包括引导热气体通向涡轮10的燃烧室8，该涡轮10经由公共的压缩机/涡轮轴或转子12可操作地联接到压缩机4上。
在操作中，空气流动经过压缩机4，使得经压缩的空气供送至燃烧器6。燃料经引导通向燃烧室8，与空气相混合，并经点燃而形成燃烧气体。燃烧气体经引导通向涡轮10，在其中，气流热能转换成机械的旋转能。涡轮10可旋转地联接到轴12上并驱动轴12。应认识到的是，如文中所用，用语“流体”包括流动的任何介质或材料且不限于气体和/或空气。此外，用语“燃料”应理解为包括燃料的混合物、稀释剂(N2，蒸汽，CO2等)，和/或燃料和稀释剂的混合物。
燃料经过多个燃烧器燃料喷嘴传递至燃烧室8，其中的一个燃烧器燃料喷嘴示出为20。根据示例性的实施例，燃烧器燃料喷嘴20构成双燃料喷嘴。更具体而言，燃烧器燃料喷嘴20喷射第一燃料和/或第二燃料到燃烧室8中，其中，两种燃料可具有相差很大的全异的能含量。根据示例性实施例的一个方面，天然气可为第一燃料，而合成气体可为第二燃料。进一步而言，合成气体燃料可以是天然气/氢/一氧化碳(NG/H2/CO)为20％/36％/44％的组合。
如在图2中最佳示出那样，燃烧器燃料喷嘴20包括外部喷嘴部分29和内部喷嘴部分31。外部喷嘴部分29包括本体部分36，其具有延伸至第二端部部分39的第一端部部分38。本体部分36还示出为包括外部壁41和限定仓室44的内部壁42。第一端部部分38限定入口部分46，而第二端部部分39限定具有多个开口48的出口部分47。如图所示，内部喷嘴部分31延伸到外部喷嘴部分29中。更具体而言，内部喷嘴部分31延伸穿过第一端部部分38进入仓室44中，并以下文将更为全面描述的方式联接到内部壁42上。
内部喷嘴部分31包括本体区段60，其具有延伸至第二端部区段63的第一端部区段62。本体区段60还示出为包括外部壁66和限定仓室69的内部壁67。第一端部区段62限定入口区段72，而第二端部区段63限定具有多个开口74的出口区段73。内部喷嘴部分31通过具有第一密封槽隙79和第二密封槽隙80的周向凸缘77而连接到外部喷嘴部分29的内部壁42上，其中，第一密封槽隙79和第二密封槽隙80提供有对应的密封件(未示出)。根据示例性的实施例，燃烧器燃料喷嘴20还包括延伸穿过内部喷嘴部分31的双燃料流动通道84。如下文将变得更为充分明显的那样，燃烧器燃料喷嘴20依靠柯恩达效应来导引第一和/或第二燃料穿过双燃料流动通道84。
根据示例性的实施例，双燃料流动通道84包括本体88，其具有延伸至第二端部92的第一端部91。第一端部91限定燃料入口95，而第二端部92限定延伸穿过出口区段73的燃料出口96。双燃料流动通道84包括延伸自燃料入口95的第一流动管道101、流体地联接到第一流动管道101上的第二流动管道102、同样流体地联接到第一流动管道101上的第三流动管道103，以及具有燃料出口96的流体地连结第二流动管道102和第三流动管道103的第四流动管道104。
第一流动管道101包括第一有效截面区，并从邻近燃料入口95布置的第一端部区域105经过中间部分107而延伸至第二端部区域106。第二流动管道102包括第二有效截面区，并从连结到第一流动管道101的第二端部区域106上的第一端部区域111经过中间部分113而延伸至第二端部区域112。第三流动管道103包括第三有效截面区，并从同样连结到第一流动管道101的第二端部区域106上的第一端部区域116经过中间部分118而延伸至第二端部区域117。第四流动管道包括第四有效截面区，并从连结到第二流动管道102的第二端部区域112和第三流动管道103的第二端部区域117上的第一端部区域121经过中间部分123而延伸至第二端部区域122。
第一、第二、第三和第四有效截面区是不同的，以便向第一和第二燃料提供所希望的压力用以增强燃烧。更具体而言，第一燃料传递经过具有第二有效截面区的第二流动管道102以便获得所希望的促进第一燃料更为完全燃烧的压力水平，而第二燃料传递经过具有第三有效截面区的第三流动管道103以便获得所希望的导致第二燃料更为完全燃烧的压力水平。当然，应当理解的是，第一燃料和第二燃料可进行混合，或可采用第三燃料并将其传递经过第二流动管道102和第三流动管道103。例如，第一燃料和第二燃料可经组合而形成各种燃料混合物。
为了将第一和第二燃料引导至第二和第三流动管道102和103中的各自流动管道，流体(例如，第一和第二燃料的其中之一)或稀释剂在第一流动管道101的第二端部区域106引入。如下文将更为全面详述的那样，在该点引入的流体产生柯恩达效应，其导引第一和第二燃料的其中之一进入第二流动管道102和第三流动管道103的对应流动管道中。更具体而言，燃烧器燃料喷嘴20包括：第一控制流动通道130，其构造和设置成用以引导控制流进入第二端部区域106中，致使第二燃料流动到第三流动管道103中；以及第二控制流动通道131，其构造和设置成用以导引第二控制流进入第二端部区域106中，致使第一燃料流动到第二流动管道102中，如下文将更为全面地详述。第一控制流动通道130和第二控制流动通道131连接到控制流回路(未示出)上。在所示的示例性实施例中，第一控制流动通道130定位成与第二控制流动通道131相对。然而，本领域普通技术人员将应理解的是，第一控制流动通道130和第二控制流动通道131可相对于彼此和/或第一流动管道101成一定角度或彼此沿轴向偏置。
第一控制流动通道130包括第一端部节段134，其穿过内部喷嘴部分31的本体区段60延伸至与第一流动管道101的第二端部区域106流体地连接的第二端部节段135。类似的是，第二控制流动通道131包括第一端部节段139，其穿过内部喷嘴部分31的本体区段60延伸至流体地连接到第一流动管道101的第二端部区域106上的第二端部节段140。利用此种布置，在第二燃料引入到燃料入口95中时，传递经过第一控制流动通道130的第一流体或控制流促使第二燃料流动到第三流动管道103中。类似的是，在第一燃料引入到燃料入口95中时，传递经过第二控制流动通道131的第二流体或控制流促使第一燃料流动到第二流动管道102中。如上文所述，第一和第二控制流可构成第一和第二燃料、稀释剂、其它流体，或它们的组合。
现在将参看图3描述根据示例性实施例的另一方面所构成的燃烧器燃料喷嘴152。燃烧器燃料喷嘴152包括外部喷嘴部分156和内部喷嘴部分158。外部喷嘴部分156包括本体部分160，其具有延伸至第二端部部分162的第一端部部分161。本体部分160还示出为包括外部壁164和限定仓室168的内部壁165。第一端部部分161限定入口部分170，而第二端部部分162限定具有多个开口172的出口部分171。如图所示，内部喷嘴部分158延伸到外部喷嘴部分156中。更具体而言，内部喷嘴部分158穿过第一端部部分161延伸到仓室168中并以下文将更为全面描述的方式联接到内部壁165上。
内部喷嘴部分158包括本体区段180，其具有延伸至第二端部区段183的第一端部区段182。本体区段180还示出为包括外部壁186和限定仓室190的内部壁187。第一端部区段182限定入口区段193，而第二端部区段183限定具有多个开口195的出口区段194。内部喷嘴部分158通过具有第一密封槽隙199和第二密封槽隙200的周向凸缘197而连接到外部喷嘴部分156的内部壁165上，该第一密封槽隙199和第二密封槽隙200提供有对应的密封件(未示出)。根据示例性的实施例，燃烧器燃料喷嘴152还包括延伸穿过内部喷嘴部分158的双燃料流动通道204。如下文将变得更为完全明显的那样，燃烧器燃料喷嘴152依靠柯恩达效应来导引第一和/或第二燃料穿过双燃料流动通道204。
根据示例性的实施例，双燃料流动通道204包括本体208，其具有延伸至第二端部212的第一端部211。第一端部211限定燃料入口215，而第二端部212限定延伸穿过出口区段194的燃料出口216。双燃料流动通道204包括延伸自燃料入口215的第一流动管道226、流体地联接到第一流动管道226上的第二流动管道227，以及流体地联接到第二流动管道227和燃料出口216上的第三流动管道228。
第一流动管道226包括第一有效截面区，并从邻近燃料入口215布置的第一端部区域231经过中间部分233而延伸至第二端部区域232。第二流动管道227包括第二有效截面区，并从连结到第一流动管道226的第二端部区域232上的第一端部区域237经过中间部分239而延伸至第二端部区域238。第三流动管道228包括第三有效截面区，并从连结到第二流动管道227的第二端部区域238上的第一端部区域243经过中间部分245而延伸至第二端部区域244。根据示例性的实施例，第一、第二和第三有效截面区是类似的，但可有选择地调整以便向第一和第二燃料提供所希望的压力来促进更为完全地燃烧。
为了促进(或激励)对于第一和第二燃料的所希望的压力，双燃料流动通道204包括第一控制流动通道260和第二控制通道261，它们引导第一和第二控制流有选择地调整第二流动管道227的有效截面区。在所示的示例性实施例中，第一控制流动通道260与第二控制流动通道261对齐，并定位成与第二控制流动通道261相对。然而，本领域普通技术人员将应理解的是，第一控制流动通道260和第二控制流动通道261可布置成相对于彼此和/或第二流动管道227成一定角度或彼此沿轴向偏置。双燃料流动通道204还包括第三控制流动通道262和第四控制流动通道263，它们引导第三和第四控制流有选择地调整第三流动管道228的有效截面区。在所示的示例性实施例中，第三控制流动通道262与第四控制流动通道263对齐，并定位成与第四控制流动通道263相对。然而，本领域普通技术人员将应理解的是，第三控制流动通道262和第四控制流动通道263可布置成相对于彼此和/或第三流动管道228成一定角度或彼此沿轴向偏置。第一、第二、第三和第四控制流动通道260-263可操作地连接到传送控制流的控制流回路(未示出)上。该控制流包括第一燃料、第二燃料、稀释剂或它们的组合。
以类似于上文所述的方式，第三控制流动通道262与第四控制流动通道263对齐，并定位成与第四控制流动通道263相对。第一控制流动通道260包括第一端部节段270，其穿过内部喷嘴部分158的本体区段180延伸至与第一流动管道226的第二端部区域232流体地连接的第二端部节段271。类似的是，第二控制流动通道261包括第一端部节段273，其穿过内部喷嘴部分158的本体区段180延伸至与第一流动管道226的第二端部区域232流体地连接的第二端部节段274。第三控制流动通道262包括第一端部节段276，其穿过内部喷嘴部分158的本体区段180延伸至与第二流动管道227的第二端部区域238流体地连接的第二端部节段277，以及第四控制流动通道263包括第一端部节段280，其穿过内部喷嘴部分158的本体区段180延伸至与第二流动管道227的第二端部区域238流体地连接的第二端部节段281。
利用此种布置，在第一燃料引入到燃料入口215中时，第一和第二控制流分别传递到第一控制流动通道260和第二控制流动通道261中。第一和第二控制流进入第二流动管道中，并依靠柯恩达效应沿着其内表面传递以有选择地调整有效截面区。类似的是，如果期望的话，第三和第四控制流传递穿过第三控制流动通道262和第四控制流动通道263，进入第三流动管道，并依靠柯恩达效应沿着其内表面传递以有选择地调整有效截面区。以此方式，第一燃料获得所希望的压力以便促进更为完全地燃烧。在使用第二燃料时，控制流经调整而获得对于第二流动管道227和第三流动管道228的有效截面区来形成第二燃料的所希望的压力，以便促进更为完全地燃烧。
对此，应当理解的是，示例性的实施例提供了用于涡轮机的燃料喷嘴，其可使用广泛范围的沃泊(wobbe)燃料有选择地进行操作而无需多个喷嘴、喷嘴变型或昂贵/复杂的管路/阀路。而且，根据示例性实施例的燃料喷嘴可有选择地调整以获得所希望的操作压力，从而使用合成气体、稀释燃料流或高沃泊燃料如丙烷，丁烷等实现涡轮机操作。使用广泛范围的燃料的灵活性致使NOx排放物降低而无需虑及燃料变化的代价高昂和复杂的***。
尽管仅结合了有限数量的实施例来详细描述本发明，但应当容易理解，本发明并不限于这些公开的实施例。确切而言，本发明可进行修改，以结合任意数目的此前并未描述但与本发明的精神和范围相匹配的变型、变体、替换方案或等效布置。此外，尽管已经描述了本发明的多种实施例，但应当理解，本发明的方面可仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不应视作为受限于前述说明，而是仅由所附权利要求的范围来限制。

Claims (6)

1.一种涡轮机(2)，包括：
压缩机(4)；
可操作地联接到所述压缩机(4)上的涡轮(10)；
流体地连结所述压缩机(4)和所述涡轮(10)的燃烧器(6)，所述燃烧器(6)包括至少一个燃料喷嘴(20，152)，所述至少一个燃料喷嘴(20，152)包括：
流动通道(84，204)，其包括具有第一端部(91，211)的本体(88，208)，所述第一端部(91，211)经过具有流动区的至少一个流动管道(101，102，103，104，226，227，228)延伸至第二端部(92，12)；
提供在所述本体(88，208)的第一端部(91，211)处的燃料入口(95，215)，所述燃料入口(95，215)构造成用以接收至少一种燃料；
提供在所述本体(88，208)的第二端部(92，12)处的燃料出口(96，216)；以及
在所述第一端部和第二端部之间流体地连接到所述本体(88，208)上的至少一个控制流动通道(130，131，260，261，262，263)，所述至少一个控制流动通道(130，131，260，261，262，263)构造和设置成用以传送至少一个控制流到所述燃料喷嘴(20，152)中，所述至少一个控制流设立形成了所述流动通道(84，204)的有选择地可变的有效流动区。
2.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述至少一个控制流动通道(130，131，260，261，262，263)包括第一控制流动通道(130，260)和第二控制流动通道(131，261)，所述第一控制流动通道(130，260)传送第一控制流到所述燃料喷嘴(20，152)中，以及所述第二控制流动通道(131，261)传送第二控制流到所述燃料喷嘴(20，152)中。
3.根据权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，所述第一控制流动通道(130，260)与所述第二控制流动通道(131，261)对齐，并定位成与所述第二控制流动通道(131，261)相对。
4.根据权利要求2所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述至少一个流动管道(101，102，103，104，226，227，228)包括具有第一有效区的第一流动管道(101，226)和具有第二有效区的第二流动管道(102，227)，所述第一控制流有选择地导引所述至少一种燃料到所述第一流动管道(101，226)中，以及所述第二控制流有选择地导引所述至少一种燃料到所述第二流动管道(102，227)中。
5.根据权利要求2所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述至少一个控制流动通道(130，131，260，261，262，263)包括第三控制流动通道(262)和第四控制流动通道(263)，所述第三控制流动通道(262)传送第三控制流到所述燃料喷嘴(20，152)中，以及所述第四控制流动通道(263)传送第四控制流到所述燃料喷嘴(20，152)中，所述第三控制流和第四控制流也设立形成了所述流动通道(204)的有选择地可变的有效流动区。
6.根据权利要求2所述的涡轮机(2)，其特征在于，在所述燃料入口(95，215)处接收的所述至少一种燃料包括第一燃料和第二燃料，所述至少一个控制流为所述第一燃料、所述第二燃料、稀释剂及其混合物中之一。
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