CN102434884A - 双软通路喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双软通路喷嘴。具体而言，本申请提供了一种燃料喷嘴***(100)。该燃料喷嘴***(100)可包括：前孔口(80)，其用于第一压降；俘获响应体积(95)，其与前孔口(80)连通；与俘获响应体积(95)连通的后孔口(90)，其用于第二压降；以及，在后孔口(90)下游的第二燃料通路(120)，其用于第三压降。第二压降小于第一压降并且第三压降小于第二压降。

Description

双软通路喷嘴

技术领域

本申请大体而言涉及燃气涡轮发动机，并且更特定而言涉及用于预混合、低排放的燃气涡轮和类似物中的低燃烧动态的双软通路喷嘴。

背景技术

与常规的非预混合燃烧***相比时，燃料与空气的预混合可导致不稳定的燃烧。在例如燃气涡轮燃烧器这样的封闭环境中，从预混合燃烧释放的大体上非稳态的热可与封壳或燃烧器的固有声音模式耦合。燃烧可对压力变化响应，压力变化可在其中设置声反馈循环。这种反馈循环可具有产生高振幅压力波动的可能性。这些压力波动被称作燃烧动态或燃烧不稳定性，其对于燃烧器和整个燃气涡轮发动机而言可为灾难性的。

随着预混合、低排放燃烧***的广泛使用，燃烧动态问题已变得很重要。已尝试多种技术来解决和限制燃烧动态。这些技术包括对发生机制的更改或改进，对燃烧器的几何性质或声学性质的更改，以及使用主动或被动方法来控制和/或抑制所产生的动态。在下文中更详细地描述了另外的方案，其涉及燃料管线响应以消除这些不稳定性。其它类型的控制和抑制方法也可能已知。

因此需要一种改进的燃料喷嘴***和操作其的方法，以便控制和抑制预混合、低排放燃气涡轮和类似物中的燃烧动态。这样的燃料喷嘴***和方法优选地应减小这些燃烧动态，同时提供持续操作可靠性和效率。

发明内容

因此，本申请提供了一种燃料喷嘴***。该燃料喷嘴***可包括：前孔口，其用于第一压降；俘获响应体积，其与前孔口连通；与俘获响应体积连通的后孔口，其用于第二压降；以及，在后孔口下游的第二燃料通路，其用于第三压降。第二压降小于第一压降并且第三压降小于第二压降。

本申请还提供了一种用于使燃料流过燃料喷嘴***的方法。该方法可包括下列步骤：使燃料在第一孔口中流经第一压降；使燃料流过俘获响应体积；使燃料在第二孔口中流经第二压降，其中，第二压降小于第一压降；以及，使燃料在第二通路中流经第三压降，其中，第三压降小于第二压降。

本申请还提供了一种燃料喷嘴***。该燃料喷嘴***可包括：第一燃料孔口，其用于第一压降；俘获响应体积，其与第一燃料孔口连通；与俘获响应体积连通的第二燃料孔口，其用于第二压降；以及，在第二燃料孔口下游的一个或多个第二燃料通路，其用于第三压降。第二压降小于第一压降并且第三压降大于或小于第二压降。

对本领域普通技术人员而言，在结合若干附图和所附权利要求理解下述详细描述后，本申请的这些与其它特征将会变得显而易见。

附图说明

图1是燃气涡轮发动机的示意图。

图2是已知的两级燃料喷嘴的局部截面图。

图3是可如本文所述的双软通路喷嘴的示意图。

项目清单

5燃气涡轮发动机

10压缩机

15空气流

20燃烧器

25燃料流

30燃烧气体流

35涡轮

40外部负载

45喷嘴

50套筒

55管道

60盖组件

65喷嘴顶端

70旋流器

75燃料管道

80前孔口

85环形腔室

90后孔口

95俘获响应体积

100燃料喷嘴

110主软通路

120第二软通路

具体实施方式

现在参看附图，其中在若干视图中相似的附图标记表示相似的元件，图1示出可如本文所述的燃气涡轮发动机5的示意图。燃气涡轮发动机5可包括压缩机10。压缩机10压缩进入的空气流15。压缩机10将压缩的空气流15传送到燃烧器20。燃烧器20使压缩的空气流15与压缩的燃料流动25混合并点燃该混合物以形成燃烧气体流30。虽然仅示出单个燃烧器20，但燃气涡轮发动机5可包括任何数量的燃烧器20。燃烧气体流30又被传送到涡轮35。燃烧气体流30驱动涡轮35从而产生机械功。涡轮35中所产生的机械功驱动压缩机10和外部负载40(例如发电机等)。

燃气涡轮发动机5可使用天然气、各种类型的合成气以及其它类型的燃料。燃气涡轮发动机5可为由纽约州斯卡奈塔第市的通用电气公司(General Electric Company of Schenectady，New York)或其它公司提供的任何数量的不同的预混合、低排放燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机5可具有其它配置并且可使用其它类型的构件。其它类型的燃气涡轮发动机也可用于本发明中。多个燃气涡轮发动机5、其它类型的涡轮和其它类型的动力产生设备可一起在本发明中使用。

图2示出已知的两级燃料喷嘴45或“软”喷嘴的一个示例。软喷嘴45的构件的基本配置可包括套筒50，其中多个管道55延伸通过套筒50。管道55为燃料、空气和其它类型的气体的流提供流路径。举例而言，氮和其它类型的惰性气体也可流动通过管道55。管道55可沿着喷嘴45的长度从盖组件60延伸，并结束于喷嘴顶端65附近。一个或多个旋流器70也可位于套筒50附近并与管道55中的一个或多个管道连通。在本发明中可使用其它喷嘴配置。

燃料气体(例如天然气等)可被供给到管道55中的一个或多个管道，例如燃料管道75。燃料管道75可包括位于喷嘴45的上游端附近的一个或多个第一孔口或前孔口80。前孔口80可穿过其具有相对较高的压降。燃料管道75然后可经由环形腔室85沿着喷嘴45延伸并到一个或多个第二孔口或后孔口90内。后孔口90可位于旋流器70附近或其它位置。后孔口90可穿过其具有相对较低的压降，并且因此可被描述为穿过其带有较小波动的“软”通路。在本发明中可使用其它喷嘴配置。

前孔口80与后孔口90之间的体积可在环形腔室85附近分别形成俘获响应体积95。燃料气体可进入燃料管道75，穿过前孔口80或经过前孔口80附近，进入俘获响应体积95，穿过旋流器70附近的后孔口90或经过后孔口90附近，并且进入下游预混合区内。因此，通常在常规燃料喷嘴中的气态燃料出口处得到的高压降可从预混合区和后孔口90向上游间隔到俘获响应体积95和前孔口80。

假定预混合区中的压力扰动可导致较低的预混合区压力，通过燃烧器20中的开口到预混合区的空气供给可增加。这种响应可快速并且关于压力扰动的相位角可具有较小的相位角。如果常规高压气体燃料喷嘴位于预混合器燃料排放孔口附近，燃料流也将同样倾向于响应于预混合器压力的降低而增加。但燃料供给对于预混合区中的压力的这种降低的响应可比空气压力的响应时间更长，从而使得可产生燃料压力响应与空气压力响应之间的相位角上的失配。

因此，在本发明中，燃料通路中的高压降在前孔口80处得到，从而使得响应体积95中的压力可大体上更接近压缩机排放压力。如果穿过燃烧器20的压降与跨过后孔口90的低压降基本上相同，那么，相位角(响应于压力强制功能)也可大体上匹配。通过使相位角匹配，燃料/空气浓度保持基本上恒定，尽管在燃料和空气传送***中存在压力扰动。因此，在本发明中可显著减少振荡循环。

举例而言，喷嘴压力波动可根据对于燃料流和空气流的质量流率差或压差而评估：

$\frac{{\mathrm{\φ}}^{\′}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}=\frac{{m^{\′}}_f}{{\stackrel{\‾}{m}}_f}-\frac{{m^{\′}}_a}{{\stackrel{\‾}{m}}_a}$

$\frac{{\mathrm{\φ}}^{\′}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}=\frac{{p_{\mathrm{fup}}}^{\′}-{p_d}^{\′}}{2\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{P}}_f}-\frac{{p_{\mathrm{aup}}}^{\′}-{p_d}^{\′}}{2\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{P}}_a}$

如果跨过例如旋流器70的空气压降与跨过例如后孔口90的燃料压降相同，那么：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{P}}_f=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{P}}_a$

$\frac{{\mathrm{\φ}}^{\′}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}=\frac{{p_{\mathrm{fup}}}^{\′}-{p_{\mathrm{aup}}}^{\′}}{2\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{P}}_f}$

因此，如果上游空气压力波动和上游燃料管线压力波动较小或相同，那么：

$\frac{{\mathrm{\φ}}^{\′}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}=\frac{0}{2\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{P}}_f}=0$

因此，本发明的目标是限制跨过喷嘴的总压力波动到一定程度，该程度比目前利用上文所述的喷嘴45和利用类似设计可能实现的限制程度更大。

因此，图3是可如本文所述的燃料喷嘴100的示意图。燃料喷嘴100可包括主软通路110。主软通路110可类似于上文所述的后孔口90。燃料喷嘴100还可包括一个或多个第二软通路120。第二软通路120可位于主软通路110的下游或上游。在本发明中可使用任何数量的第二软通路120。

因此，燃料喷嘴100改进上文所述的喷嘴45以用于甚至更低的燃烧动态。具体而言，燃料喷嘴100包括前孔口80以及两个或更多软通路110、120，以便提供燃料流中的压降的额外调整/匹配能力，从而匹配跨过空气流的压降。第二软通路120和其它软通路可用于仅使所需量的燃料/燃料-混合物流过以实现特定的压降，从而显著地减小或消除与原始主软通路110的残余压降失配。

另外，第二软通路120提供增加的调整能力，从而增加燃料喷嘴100的操作范围。此外，第二软通路120可与特定的燃料/惰性流一起使用，以便改变声音特征并因此改进和控制燃烧动态性能。第二软通路120的操作和/或分开主软通路110与第二软通路120之间的流可为预定的，和/或经由燃烧动态分析(CDA)工具等进行实时控制。使用CDA工具算法可经由更宽的有效操作边界以及降低的燃烧动态而导致燃料喷嘴100的提高的整体性能等。这样带有较小动态的改进的操作边界也应导致更长的预期寿命。燃料喷嘴100另外可避免非计划停机。在本发明中也可使用其它类型的控制***和方法。

尽管跨过第二软通路120的压降通常将小于跨过主软通路110的压降，但该压降也可更大。具体而言，燃料喷嘴100也可在原始燃料流25的上游或下游提供独立的第二燃料供给。这种独立燃料供给可包括跨过其前孔口80的第三压降，与第二前孔口110和后孔口120连通的俘获响应体积95，以及跨过其后孔口120的第四压降。因此，第二后孔口120可完全独立于现有的前孔口110。因此，额外的第二软通路120可具有其自身的前孔口(不同于前孔口80)。

应当显而易见的是，前述内容仅涉及本申请的某些实施例，并且在不偏离由所附权利要求和其等效物所限定的本发明的大体精神和范围的情况下，可由本领域普通技术人员对本发明作出许多修改和变型。

Claims (10)

1.一种燃料喷嘴***(100)，包括：

前孔口(80)，所述前孔口(80)用于第一压降；

俘获响应体积(95)，所述俘获响应体积(95)与所述前孔口(80)连通；

与所述俘获响应体积(95)连通的后孔口(90)，所述后孔口(90)用于第二压降；

其中，所述第二压降小于所述第一压降；以及

在所述后孔口(90)下游的第二燃料通路(120)，所述第二燃料通路(120)用于第三压降；

其中，所述第三压降小于所述第二压降。

2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴***(100)，其特征在于，所述前孔口(80)包括多个前孔口(80)。

3.根据权利要求1所述的燃料喷嘴***(100)，其特征在于，所述后孔口(90)包括多个后孔口(90)。

4.根据权利要求1所述的燃料喷嘴***(100)，其特征在于，所述俘获响应体积(95)包括环形腔室(85)。

5.根据权利要求1所述的燃料喷嘴***(100)，其特征在于，所述后孔口(90)包括主软通路(110)。

6.根据权利要求1所述的燃料喷嘴***(100)，其特征在于，所述第二燃料通路(120)包括第二软通路(120)。

7.根据权利要求1所述的燃料喷嘴***(100)，其特征在于，所述第二燃料通路(120)包括多个第二燃料通路(120)。

8.根据权利要求1所述的燃料喷嘴***(100)，其特征在于，所述后孔口(90)位于旋流器(70)附近。

9.根据权利要求1所述的燃料喷嘴***(100)，其特征在于，还包括与所述第二燃料通路(120)连通的间歇式或连续式燃料流(25)。

10.一种用于使燃料(25)流过燃料喷嘴***(100)的方法，包括：

使所述燃料(25)在第一孔口(80)中流经第一压降；

使所述燃料(25)流过俘获响应体积(95)；

使所述燃料(25)在第二孔口(90)中流经第二压降；

其中，所述第二压降小于所述第一压降；以及

使所述燃料(25)在第二通路(120)中流经第三压降；

其中，所述第三压降小于所述第二压降。

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