CN102261673A - 用于燃气轮机燃烧器的混合式双燃料喷嘴 - Google Patents

用于燃气轮机燃烧器的混合式双燃料喷嘴 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于燃气轮机燃烧器的混合式双燃料喷嘴。具体而言，用于燃气轮机燃烧器的双燃料喷嘴包括限定燃料入口的套节(42)和设置在套节下游端的多个液体燃料喷口(44)。燃料喷口定向成用以将液体燃料从套节沿径向向外喷出。环形空气通道(3)包括向在环形空气通道中流动的空气给予旋流的旋流器(2)，以及分流环(40)设置在环形空气通道中且包绕多个液体燃料喷口。该喷嘴容许液体燃料喷射到涡旋环形空气流中，且然后在用于燃气轮机燃烧器的贫预混双燃料喷嘴内雾化、分散和汽化。

Description

用于燃气轮机燃烧器的混合式双燃料喷嘴
技术领域
本发明涉及燃气轮机燃烧器中的双燃料喷嘴，并且更具体地涉及用于燃气轮机燃烧器的混合式预成膜鼓风(喷气，airblast)、预汽化、贫(燃料)预混双燃料喷嘴，其容许液体燃料从可移除的加载烟道(breech)的中心体杆喷射，且然后雾化、分散和汽化。
背景技术
当燃料喷射到空气中以便在燃气轮机的燃烧室中燃烧时，在燃烧气体中局部地形成高温区域，这会增加NOx的排放物。之前的设计已采用在预混器内的多点雾化器喷射，但这些设计由于燃料分配不均而存在较高的排放物以及由于内部(燃料通道中)和外部(预混器壁上)的燃料焦化而存在可靠性不佳。
发明内容
在示例性实施例中，一种用于燃气轮机燃烧器的双燃料喷嘴包括环形空气通道和设置在环形空气通道中的旋流器。旋流器对于在环形空气通道中流动的空气给予旋流。分流环设置在环形空气通道中。套节(hub)限定液体燃料入口。多个液体燃料喷口(jet)包绕套节的下游端，且与液体燃料入口成流体连通。该多个液体燃料喷口中的各个均定位成用以将液体燃料沿径向喷入环形空气通道中而与分流环相接触。
在另一示例性实施例中，一种用于燃气轮机燃烧器的双燃料喷嘴，包括：限定燃料入口的套节；多个液体燃料喷口，其设置在套节下游端处且定向为用以从套节沿径向向外喷出液体燃料；环形空气通道，其包括对于在环形空气通道中的流动空气给予旋流的旋流器；以及分流环，其设置在环形空气通道中且包绕多个液体燃料喷口。
在又一示例性实施例中，一种在用于燃气轮机燃烧器的双燃料喷嘴中混合液体燃料和空气的方法，包括以下步骤：使空气流动穿过环形空气通道且通过旋流器对流动的空气给予旋流；经由燃料入口输入液体燃料；以及从液体燃料喷口将液体燃料沿径向喷出而与分流环相接触，其中，撞击分流环的液体燃料在分流环上形成燃料膜，其与在环形空气通道中流动的涡旋空气相混合。
附图说明
参照附图将详细描述这些及其它方面和优点，在附图中：
图1为穿过没有液体燃料喷嘴组件的燃气轮机喷燃器(burner)的截面视图；
图2为穿过包括液体燃料喷嘴的喷燃器的截面图；以及
图3为以透视示出的截面图。
零件清单
1入口流动调节器
2旋流喷嘴组件
3环形燃料空气混合通道
4燃料喷嘴组件
5燃烧器反应区
6高压仓室(plenum)
12外壁
13内壁
14环形转动导叶
15环形流动通道
26钟口形过渡件
27，28环形通道
29入口端口
31旋流喷嘴套节延伸部
32旋流喷嘴护罩延伸部
40分流环
41后缘
42套节
44液体燃料喷口
45雾化器
46鼓风槽口
具体实施方式
图1为用于燃气轮机的示例性喷燃器的截面图。实践中，空气雾化的液体燃料喷嘴安装在喷燃器组件的中心以提供双燃料能力。为了清楚起见，从图1中省去了液体燃料喷嘴组件。喷燃器组件根据功能分成四个区域，包括入口流动调节器1、具有天然气燃料喷射的空气旋流器组件(称为旋流喷嘴组件)2、环形燃料空气混合通道3，以及中心扩散焰天然气燃料喷嘴组件4。
空气从高压仓室6进入喷燃器，除进入燃烧器反应区5的排出端之外，该高压仓室6包绕整个组件。用于燃烧的大部分空气经由入口流动调节器(IFC)1进入预混器。IFC包括环形流动通道15，该通道15由位于内径处的致密圆柱形内壁13、位于外径处的带孔圆柱形外壁12，以及位于上游端处的带孔端盖11界定。在流动通道15的中心是一个或多个环形转动导叶14。预混器空气经由端盖和圆柱形外壁中的穿孔进入IFC 1。
IFC 1的功能在于为了进入预混器中而准备燃料流动速度分布。IFC 1的原理基于预混空气在其进入预混器中之前形成背压的构想。这容许较好的预混空气流角度分布。带孔壁11，12执行使***形成背压和沿周向围绕IFC环形空间15均匀地分配流动的功能，而转动导叶14结合带孔壁工作以在IFC环形空间15中产生适合的进入空气径向分布。取决于预混器内期望的流动分布和用于多喷燃器式燃烧器的独立预混器之间的分流，结合转动导叶14的轴向位置来选择对于带孔壁的适合的开孔图案(布孔模式，hole pattern)。计算机流体动力代码用于计算流动分布以确定对于带孔壁的适合的开孔图案。
为了消除旋流喷嘴2入口处的护罩壁附近的低速区域，可在IFC与旋流喷嘴之间采用钟口形过渡件26。
在燃烧空气离开IFC 1之后，其进入旋流喷嘴组件2。旋流喷嘴组件包括套节和由一系列空气翼片形转动导叶连接的护罩，该导叶对穿过预混器的燃烧空气给予旋流。各转动导叶均包含穿过空气翼片芯部(core)的主天然气燃料供送通道和副天然气供送通道。这些燃料通道将天然气燃料分配到穿透空气翼片壁的主气体燃料喷射开孔和副气体燃料喷射开孔中。燃料喷射开孔可定位在转动导叶的压力侧、吸入侧，或两侧上。天然气燃料经由入口端口29和环形通道27，28进入旋流喷嘴组件2，该环形通道27，28分别向主转动导叶通道和副转动导叶通道供料。天然气燃料开始与旋流喷嘴组件中的燃烧空气相混合，且在环形通道3中完成燃料/空气混合，该环形通道3由旋流喷嘴套节延伸部31和旋流喷嘴护罩延伸部32形成。在流出环形通道3之后，燃料/空气混合物进入发生燃烧的燃烧器反应区5中。
图2为经由套节42穿过包括液体燃料喷嘴的喷燃器的截面图。该截面图示出了环形空气通道3和设置在环形空气通道3中的旋流器2。分流环40设置在邻近旋流器2的环形空气通道3中。分流环40的前缘定位成围绕旋流器2的转动导叶开始运转的位置。套节42限定液体燃料入口/喷嘴，以及多个液体燃料喷口44、优选为十个液体燃料喷口44包绕套节42的下游端，与液体燃料入口成流体连通。如图所示，各液体燃料喷口44均定位成用以将液体燃料沿径向喷射到环形空气通道3中而与分流环40相接触。
雾化器45优选为与多个液体燃料喷口44中的各个相关。雾化器45将空气与从燃料喷口44喷射的液体燃料相混合。雾化器限定冷却雾化协助空气通道，该通道包围且隔离液体燃料通道，将燃料-油润湿的壁的温度保持为低于焦化温度(大约290°F)。雾化器45包括设置成与多个燃料喷口44中的各个对准的鼓风槽口46。鼓风槽口46限定用于液体燃料的隔离件。
优选的是，包括套节42的液体燃料喷射部分通过燃烧器端盖来加载烟道，故它们可在不拆卸燃烧器的情况下移除/更换。
在使用中，鼓风的液体燃料射流从液体燃料喷口44沿径向向外喷射到环形空气通道3中的轴对称的环形涡旋交叉流中。液体燃料冲击分流环40，在此，液体燃料形成膜且为吹出分流环40后缘41的预形成膜，如图所述，该后缘41优选为渐缩的。分流环40在涡旋空气流的两股同心环形流之间产生剪切层。实际上，分流环40通过容许旋流角不同的两股空气流在分流环40后缘处再结合来增强剪切，且因此混合，从而增强流动中的剪切以促进混合。鼓风膜在方位(角)上更为均匀地分布，且具有比初始有限数目的径向两相射流更细的微滴。
使用预成膜分流环40防止了过度穿透和燃料撞击在外喷燃管上，容许良好分布的微滴在燃烧前快速地汽化和与空气预混。该设计通过再雾化较大微滴而减小了总体燃料喷雾滴的直径，且通过在预成膜鼓风之前使有限数目的冲击射流形成膜而改善了周向(方位角)分布。该设计将液体燃料通道与低于300°F的雾化协助空气隔离，从而防止了内部焦化。
利用双燃料能力设计，该结构容许在使用相同燃烧器的情况下，喷嘴以贫预混方式依靠气体或液体燃料运转。
尽管已结合当前认作是最为实用和优选的实施例来描述了本发明，但应当理解，本发明不限于所公开的实施例，而相反的是旨在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的多种修改和同等布置。

Claims (15)

1.一种用于燃气轮机燃烧器的双燃料喷嘴，所述双燃料喷嘴包括：
环形空气通道(3)；
设置在所述环形空气通道中的旋流器(2)，所述旋流器向在所述环形空气通道中流动的空气给予旋流；
设置在所述环形空气通道中的分流环(40)；
限定液体燃料入口的套节(42)；以及
包绕所述套节的下游端且与所述液体燃料入口成流体连通的多个液体燃料喷口(44)，所述多个液体燃料喷口中的各个均定位成用以将液体燃料沿径向喷入所述环形空气通道中而与所述分流环相接触。
2.根据权利要求1所述的双燃料喷嘴，其特征在于，所述双燃料喷嘴还包括与所述多个液体燃料喷口(44)中的各个相关的雾化器(45)，所述雾化器将空气与从所述多个燃料喷口喷出的液体燃料相混合。
3.根据权利要求2所述的双燃料喷嘴，其特征在于，所述雾化器(45)包括设置成与所述多个液体燃料喷口(44)中的各个对准的鼓风槽口(46)。
4.根据权利要求3所述的双燃料喷嘴，其特征在于，所述鼓风槽口(46)限定用于从所述多个液体燃料喷口(44)喷出的液体燃料的隔离件。
5.根据权利要求1所述的双燃料喷嘴，其特征在于，所述套节(42)为可移除的。
6.根据权利要求1所述的双燃料喷嘴，其特征在于，所述分流环(40)的后缘(41)为渐缩的。
7.根据权利要求1所述的双燃料喷嘴，其特征在于，所述分流环(40)在涡旋空气流的两股同心环形流之间产生剪切层。
8.根据权利要求7所述的双燃料喷嘴，其特征在于，所述分流环(40)通过容许旋流角不同的两股空气流在所述分流环的后缘(41)处再结合而增强剪切。
9.一种用于燃气轮机燃烧器的双燃料喷嘴，所述双燃料喷嘴包括：
限定燃料入口的套节(42)；
设置在所述套节的下游端处且定向为用以将液体燃料从所述套节沿径向向外喷出的多个液体燃料喷口(44)；
包括旋流器(2)的环形空气通道(3)，所述旋流器(2)向在所述环形空气通道中流动的空气给予旋流；以及
设置在所述环形空气通道中且包绕所述多个液体燃料喷口的分流环(40)。
10.根据权利要求9所述的双燃料喷嘴，其特征在于，所述双燃料喷嘴还包括与所述多个液体燃料喷口(44)中的各个相关的雾化器(45)，所述雾化器将空气与从所述多个燃料喷口喷出的液体燃料相混合。
11.根据权利要求10所述的双燃料喷嘴，其特征在于，所述雾化器(45)包括设置成与所述多个液体燃料喷口(44)中的各个对准的鼓风槽口(46)。
12.根据权利要求11所述的双燃料喷嘴，其特征在于，所述鼓风槽口(46)限定用于从所述多个液体燃料喷口(44)喷出的液体燃料的隔离件。
13.根据权利要求9所述的双燃料喷嘴，其特征在于，所述分流环(40)的后缘(41)为渐缩的。
14.根据权利要求9所述的双燃料喷嘴，其特征在于，所述喷嘴可利用气体燃料操作。
15.一种在用于燃气轮机燃烧器的双燃料喷嘴中混合液体燃料和空气的方法，所述燃气轮机燃烧器包括限定燃料入口的套节(42)、设置在所述套节的下游端处且定向为用以从所述套节将液体燃料沿径向向外喷出的多个液体燃料喷口(44)、包括旋流器(2)的环形空气通道(3)，以及设置在所述环形空气通道中且包绕所述多个液体燃料喷口的分流环(40)，所述方法包括：
使空气流动穿过所述环形空气通道，且通过所述旋流器对流动的空气给予旋流；
经由所述燃料入口输入液体燃料；以及
从所述液体燃料喷口将液体燃料沿径向喷出而与所述分流环相接触，其中，撞击在所述分流环上的液体燃料在所述分流环上形成燃料膜，其与在所述环形空气通道中流动的涡旋空气相混合。
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