CN102538013B - 具有末梢冷却的燃料喷射器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有末梢冷却的燃料喷射器，具体而言，根据不同的实施例，***包括气化燃料喷射器(104)，围绕喷射流径设置的环形末梢部分(228)，设置在该环形末梢部分(228)中的环形冷却剂室(224)，以及邻近喷射流径的出口(222)的沿环形末梢部分(228)的下游外表面(230)设置的环形部分(234)。

Description

具有末梢冷却的燃料喷射器
技术领域
本文公开的主题涉及燃料喷射器，且更具体地，涉及用于气化器的燃料喷射器。
背景技术
各种***采用燃料喷射器来将燃料喷入反应室或燃烧室。例如，整体气化联合循环(IGCC)发电设备包括具有一个或更多燃料喷射器的气化器。燃料喷射器将燃料诸如有机给料与氧气以及蒸汽一起供入气化器以生成合成气。通常，反应或燃烧发生在燃料喷射器下游。然而，来自该反应的火焰和/或热量的接近性会损害和/或减少燃料喷射器的寿命，尤其是如果燃料喷射器超出了一定的温度。例如，燃料喷射器朝向末梢和/或接近反应的其它位置会遭受更高的温度。不幸的是，现有的冷却技术不能提供燃料喷射器的充分冷却，并且因此热点可能没有被充分地冷却以避免过早的燃料喷射器劣化。
发明内容
以下概述了在范围上与最初要求保护的发明相称的某些实施例。这些实施例不意图限制所要求保护的发明的范围，相反这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简要概述。事实上，本发明可包括可与以下详述的实施例相似或相异的多种形式。
在第一实施例中，一种***包括气化燃料喷射器，其包括设置在喷射流径周围的环形末梢部分，设置在该环形末梢部分中的环形冷却剂室，以及沿着该环形末梢部分的下游表面设置的环形凹部。
在第二实施例中，一种***包括燃料喷射器，燃料喷射器包括构造成喷射燃料的燃料通道，构造成喷射氧气的第一氧气通道，设置在燃料通道和第一氧气通道周围的末梢部分，设置在末梢部分中的冷却剂室，以及沿末梢部分的下游表面设置的弯曲凹部。
在第三实施例中，一种***包括：气化燃料喷射器，其包括构造成喷射第一燃料流的第一通道，构造成喷射第二氧气流的第二通道，构造成喷射第三流的第三通道，其中该第一、第二和第三通道彼此同心，环形末梢部分，延伸通过该环形末梢部分的冷却剂通道，以及沿该环形末梢部分的下游表面设置的环形凹部，其中该环形凹部向内弯曲到下游表面中。
附图说明
当参考附图阅读以下具体实施方式时，本发明的这些和其它特征、方面以及优点将变得更好理解，其中贯穿附图，相似的标号代表相似的部件，其中：
图1是结合了具有末梢冷却的燃料喷射器的IGCC发电设备的一个实施例的方块图；
图2是具有末梢冷却的燃料喷射器的一个实施例的透视图；
图3是具有末梢冷却的燃料喷射器的一个实施例的局部轴向横截面；
图4是在线4-4内所取的图3中的喷射器末梢一个实施例的局部横截面视图；
图5是图4的喷射器末梢一个实施例的局部横截面视图；
图6是图4的喷射器末梢一个实施例的局部横截面视图；
图7是图4的喷射器末梢一个实施例的局部横截面视图；
图8是具有牺牲性或填充材料的图4的喷射器末梢一个实施例的局部横截面视图；
图9是具有多层牺牲性或填充材料的图4的喷射器末梢的一个实施例的局部横截面视图；
图10是沿线10-10所取的图3的喷射器末梢的一个实施例的底视图；以及
图11是沿线10-10所取的图3的喷射器末梢的一个实施例的底视图，示出了凸缘。
部件列表
100IGCC***
102燃料源
103给料制备单元
104燃料喷射器
105冷却剂
106气化器
108熔渣
110气体净化器
111硫
112硫处理器
113盐
114水处理单元
116碳捕获***
118燃气涡轮发动机
120燃烧器
122空气分离单元(ASU)
123补充空气压缩机
124稀释氮气压缩机(DGAN)
128冷却塔
130涡轮机
131驱动轴
132压缩机
134负载
136蒸汽涡轮发动机
138热回收蒸汽发生(HRSG)
140第二负载
142冷凝器
160喷射管
162凸缘
164冷却***
168第一区段
170第二区段
172氧气
174燃料
176喷射器末梢
178冷却剂供应端口
180冷却剂供应管
182冷却器出口管
184冷却剂出口端口
186冷却剂源
188冷却剂返回管
190喷射器末梢进口端口
210轴线
212上游侧
214第一氧气通道
216燃料通道
218预混合区
220第二氧气通道
222孔口
224冷却剂室
226冷却剂室表面
228末梢部分
230外表面
232氧气通道表面
234凹部
236壁
238距离
240距离
242壁
244距离
246距离
250最大机械应力点
252最大热应力点
254距离
256距离
270填充材料
280填充材料
282填充材料
284填充材料
286填充材料
300结构
具体实施方式
以下将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了提供对这些实施例的简要描述，在本说明书中可能不描述实际实施方式的全部特征。应该理解的是，在任何此类实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中一样，必须做出许多实施方式特定的决定来达成开发者的特定目标，例如遵循***相关和业务相关的限制，这可能从一个实施方式到另一个实施方式而不同。而且，应该理解的是，此类开发努力可能是复杂而耗时的，但对于那些受惠于本发明公开的本领域技术人员仍将成为设计、制造以及生产中的日常工作。
当介绍本发明的各种实施例的要件时，用词“一”、“一个”、“该”以及“所述”意在指存在一个或多个要件。用词“包括”、“包含”以及“具有”意在为包括性的，并且表示除了所列举的要件之外可能还有另外的要件。
各种***可利用燃料喷射器来将包括干燃料、浆状燃料和可选地其它液体的燃料喷入反应室或燃烧室。例如，IGCC发电设备可具有包括一个或更多气化燃料喷射器的气化器。反应(例如部分燃烧)靠近燃料喷射器的末梢发生，且因而末梢可暴露于高达1300摄氏度(C)的温度。此外，热气体可再循环回到燃料喷射器。此类高温可对燃料喷射器造成损害，尽管喷射器是由特别设计用于高温的材料制成。因此，可使用不同的冷却方法来增加燃料喷射器的寿命。例如，燃料喷射器末梢可具有整体冷却剂室以使冷却剂流动。此外，冷却盘管可包围燃料喷射器的主体以将冷却剂输送至冷却剂室。然而，当在没有所公开的末梢冷却技术的情况下使用此类方法时，燃料喷射器的外表面可暴露于热的再循环气体中，而燃料喷射器的内表面可与冷却剂接触。例如，冷却剂的温度可为大约40摄氏度，从而导致大约1260摄氏度的温差。此类大温度梯度会允许靠近燃料喷射器的末梢的应力裂纹的可能性。具体地，高温和温度波动会导致靠近末梢的径向裂纹。此外，由高温梯度导致的高应变力可能导致周向裂纹。设计用于强度的较厚冷却室壁会抑制热传递，从而造成更大的温度梯度。此类裂纹会降低燃料喷射器的寿命。
以下描述的实施例通过末梢冷却解决了这些问题。末梢冷却通过降低冷却剂和/或氧气流和气化器中的反应之间的温度梯度延长供料喷射器的寿命。具体地，末梢材料中较小的温差限制给料喷射器末梢中的热应力开裂。在一些实施例中，喷射器末梢中的弯曲凹部(例如环形凹部)减小了冷却剂室和喷射器末梢面之间的距离，这可降低末梢材料中的温差。在其它实施例中，喷射器末梢中的凹部可减小氧气流径和喷射器末梢面之间的距离，从而再次降低末梢材料中的温差。在又其他的实施例中，喷射器末梢中的凹部可将最大热应力点与最大机械应力点分离，且反之亦然。在其它实施例中，凹部可用限制热传递的牺牲性材料或填充材料填充，尤其是在涉及极高温度的瞬态条件期间(例如启动)。
现在转向附图，图1是可产生并燃烧合成气体即合成气的IGCC***100的一个实施例的简图。IGCC***100的其它元件可包括燃料源102，其可为固体或液体，其可用作用于IGCC***的能量源。燃料源102可包括煤炭、石油焦、油、生物质、木基材料、农业废弃物、柏油、焦炉煤气和沥青，或其它含碳物品。
燃料源102的燃料可传给给料准备单元103。给料准备单元103例如可通过砍削、碾磨、粉碎、破碎、压块来改变燃料源102的尺寸或形状，或堆码燃料源102以生成给料。此外，在给料准备单元103中可将水或其它合适的液体添加至燃料源102以生成浆状给料。在其它实施例中，没有向燃料源添加液体，因而产生了干燥给料。在另外的实施例中，如果燃料源102是液体，可省略给料准备单元103。
接下来，可将给料传给联接到气化器106上的燃料喷射器104。如可理解的，气化器106是燃烧室的一个实例，其可使用具有如以下详细讨论的末梢冷却的燃料喷射器104。在某些实施例中，燃料喷射器104以促进有效燃烧的方式组合到气化器106的不同给料流。此外，可将以下更详细描述的冷却剂105引向燃料喷射器104以提供冷却并延长燃料喷射器的寿命。具体地，气化器106可将给料转换成合成气，例如，一氧化碳和氢气的组合。根据采用的气化器106的类型，此转换可通过将给料置于处于升高的压力(例如，从大约20bar到85bar)和温度(例如，大约700℃到1600℃)下的受控量的蒸汽和氧气中而达成。此气化过程可包括经历热解过程的给料，由此加热给料。在热解过程期间，取决于用来产生给料的燃料源102，气化器106内的温度可在从大约150℃到700℃之间变化。在热解过程期间给料的加热可产生固体(例如，炭)和残余气(例如，一氧化碳、氢气和氮气)。由热解过程从给料残余的炭可仅重达原始给料的重量的大约30％。
然后可在气化器106中发生燃烧反应。燃烧可包括将氧气引向炭和残余气。炭和残余气可与氧气反应以形成二氧化碳和一氧化碳，其为后续的气化反应提供热量。燃烧过程期间的温度可从大约700℃到1600℃之间变化。接下来，可在气化步骤期间将蒸汽引入气化器106。在从大约800℃到1100℃之间变化的温度下，炭可与二氧化碳以及蒸汽反应以产生一氧化碳和氢气。本质上，气化器利用蒸汽和氧气来允许其中一些给料被“燃烧”以产生一氧化碳并释放能量，其驱动将更多的给料转换成氢气和另外的二氧化碳的第二反应。
以此方式，气化器106制造合成的气体。此合成的气体可包括大约85％的等比例的一氧化碳和氢气，以及CH4，HCl，HF，COS，NH3，HCN和H2S(基于给料的硫含量)。此合成的气体可称为未处理合成气，因为其包括例如H2S。气化器106还可产生废弃物，诸如熔渣108，其可为潮湿的灰烬材料。此熔渣108可从气化器106去除，并例如作为路基或另一种建筑材料而处置。为了清洁未处理合成气，可利用气体净化器110。在一个实施例中，气体净化器110可为水煤气变换反应器。气体净化器110可洗涤未处理合成气，以从未处理合成气中去除HCl，HF，COS，HCN和H2S，其可通过例如硫处理器112中的酸性气体去除过程而在硫处理器112中包括硫111的分离。此外，气体净化器110可从未处理合成气通过水处理单元114分离盐113，水分离单元114可利用水净化技术从未处理合成气产生可用的盐113。随后，来自气体净化器110的气体可包括处理的合成气(例如，已经从合成气去除硫111)，以及痕量的其它化学物，例如，NH3(氨)和CH4(甲烷)。
在一些实施例中，可利用气体处理器来从处理后的合成气去除另外的残余气成分，例如氨和甲烷，以及甲醇或任何其它残余化学物。然而，从处理后的合成气去除残余气成分是可选的，因为处理后的合成气即便包含残余气成分时(例如尾气)也可用作燃料。在这一点上，处理后的合成气可包括大约3％的CO，大约55％的H2，以及大约40％的CO2，并且可大体上去除了H2S。
在一些实施例中，碳捕获***116可去除并处理包括在合成气中的含碳气体(例如，按体积算大约80-100％或90-100％纯度的二氧化碳)。碳捕获***116还可包括压缩机、净化器、供应用于蛰合或增强油回收的CO2的管线、CO2储罐及它们的任何组合。捕获的二氧化碳可转移至二氧化碳膨胀器，其降低二氧化碳的温度(例如，大约5-100℃，或大约20-30℃)，从而使得二氧化碳能够用作用于该***的合适的冷却剂。冷却的二氧化碳(例如，大约20-40℃，或大约30℃)可循环通过该***以满足其制冷需求或通过用于甚至更低温度的后续的级而膨胀。二氧化碳也可用作用于燃料喷射器104的冷却剂105。已经去除了其含硫成分和大部分二氧化碳的处理后的合成气然后可传送至燃气涡轮发动机118的燃烧器120(例如燃烧室)作为可燃烧燃料。
IGCC***100还可包括空气分离单元(ASU)122。ASU122可操作以例如通过蒸馏技术将空气分离成成分气体。ASU122可从由补充空气压缩机123供应给其的空气中分离出氧气，并且ASU122可将分离的氧气传输给燃料喷射器104。此外，ASU122可将分离的氮气传输给燃料喷射器104(例如作为冷却剂105)或稀释氮气(DGAN)压缩机124。
DGAN压缩机124可将从ASU122接收的氮气压缩至至少等于燃烧器120中的那些氮气的压力水平，以便不干扰合成气的适当燃烧。因此，一旦DGAN压缩机124已经充分地将氮气压缩至适当的水平，DGAN压缩机124就可将压缩的氮气传输至燃气涡轮发动机118的燃烧器120。氮气可用作稀释剂以例如促进控制排放物。
如之前所述，可将压缩的氮气从DGAN压缩机124传送至燃气涡轮发动机118的燃烧器120。燃气涡轮发动机118可包括涡轮130、驱动轴131和压缩机132，以及燃烧器120。燃烧器120可接收诸如合成气的燃料，其可在压力下从燃料喷嘴喷入。此燃料可与压缩空气以及来自DGAN压缩机124的压缩氮气混合，并在燃烧器120内燃烧。此燃烧可产生热的增压排放气体。
燃烧器120可将排放气体引向涡轮130的排放出口。随着排放气体从燃烧器120通过涡轮130，该排放气体推动涡轮130中的涡轮叶片，以使驱动轴131沿着燃气涡轮发动机118的轴线旋转。如图所示，驱动轴131连接到燃气涡轮发动机118的各种部件上，包括压缩机132。
驱动轴131可将涡轮130连接到压缩机132上以形成转子。压缩机132可包括联接到驱动轴131上的叶片。因此，涡轮130中涡轮叶片的旋转可导致将涡轮130连接到压缩机132上的驱动轴131使压缩机132内的叶片旋转。压缩机132中的叶片的此旋转导致压缩机132压缩经由压缩机132中的空气进口接收的空气。压缩的空气然后可输送至压缩机120并与燃料以及压缩的氮气混合，以允许更高效率的燃烧。驱动轴131还可连接到负载134上，其可为静止负载，诸如发电机，以例如在动力设备中产生电功率。实际上，负载134可为任何合适的装置，该装置由燃气涡轮发动机118的旋转输出提供动力。
IGCC***100还可包括蒸汽涡轮发动机136以及热回收蒸汽发生(HRSG)***138。蒸汽涡轮发动机136可驱动第二负载140。该第二负载140也可为用于产生电功率的发电机。然而，第一负载130和第二负载140两者均可为能够由燃气涡轮发动机118以及蒸汽涡轮发动机136驱动的其它类型的负载。此外，尽管如图示实施例中所示燃气涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136可驱动分离的负载134和140，但燃气涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136也可串联使用来通过单个轴驱动单个负载。蒸汽涡轮发动机136以及燃气涡轮发动机118的具体构造可以是实施方式特定的，并且可包括多个部分的任何组合。
***100还可包括HRSG138。可将来自燃气涡轮发动机118的加热的排气运送到HRSG138中，并用来加热水，且产生用来驱动蒸汽涡轮发动机136的蒸汽。例如，来自蒸汽涡轮发动机136的低压段的排气可被引入冷凝器142。冷凝器142可利用冷却塔128来用加热的水交换冷却的水。冷却塔128起作用以向冷凝器142提供冷水，从而协助冷凝从蒸汽涡轮发动机136传送到冷凝器142的蒸汽。来自冷却塔128的水也可用作用于燃料喷射器104的冷却剂105。来自冷凝器142的冷凝物又可被引入HRSG138。再一次，来自燃气涡轮发动机118的排气也可被引入HRSG138，以加热来自冷凝器142的水并产生蒸汽。
在诸如IGCC***100的联合循环***中，热排气可从燃气涡轮发动机118流动并通向HRSG138，在此处其可用来产生高压、高温蒸汽。由HRSG138产生的蒸汽然后可通过蒸汽涡轮发动机136用于动力发生。此外，所产生的蒸汽还可供应给其中可使用蒸汽的任何其它过程，诸如供应给气化器106或燃料喷射器104作为冷却剂105。燃气涡轮发动机118产生循环常称作“至顶循环”，而蒸汽涡轮发动机136产生循环常称作“及底循环”。通过如图1中所图示的组合这两个循环，IGCC***100可在两个循环中导致更高的效率。特别是，来自至顶循环的排放热量可被捕获并用来产生在及底循环中使用的蒸汽。
图2是具有末梢冷却的燃料喷射器104的一个实施例的透视图。燃料喷射器104包括喷射管160，气化器连接凸缘162以及冷却***164。燃料喷射器104通过喷射管160将反应物输送至气化器106。如图所示，凸缘162包围管160并允许将管160连接到气化器106。这在使用期间将反应物保持在气化器106内并将燃料喷射器104保持在适当位置上。喷射管160限定第一区段168和第二区段170。第一区段168坐落在气化器106内而第二区段170保持在气化器106外。如图所示，第二区段170接收氧气172和燃料174，用于气化器106中的燃烧，并将其导引到第一区段168。第一区段168然后导引氧气172和燃料174通过喷射器末梢176并进入气化器106。没有足够冷却，氧气172和燃料174的燃烧可产生足够高以损害喷射器104的温度。
如图所示，燃料喷射器104包括用来热学上保护燃料喷射器104且尤其是喷射器末梢176的冷却***164。尤其是，冷却***164降低在喷射器末梢176处经受的温度。由于喷射器末梢176最靠近气化器反应，因此其最易受可能导致材料疲劳的热应力影响。喷射器末梢176被冷却***164冷却，冷却***164包括冷却剂供应端口178，冷却剂供应管180，冷却剂出口管182，冷却剂出口端口184，冷却剂源186以及冷却剂返回管188。用于冷却喷射器末梢176的冷却剂(例如水)来自冷却剂源186并进入冷却剂供应端口178。冷却剂供应端口178连接到供应管180上，供应管180通过凸缘162导引冷却剂。在通过凸缘162后，冷却剂供应管180将冷却剂输送至喷射器末梢进入端口190，其中冷却剂进入喷射器末梢176中的冷却剂通道。在循环通过喷射器末梢176中的冷却剂通道后，冷却剂通过给料喷射器末梢出口端口离开并进入冷却剂出口管182。冷却剂出口管182然后导引冷却剂通过凸缘162并导向冷却剂出口端口182。在通过冷却剂出口端口182后，冷却剂进入冷却剂返回管188。热的冷却剂然后在返回至冷却剂源186之前通过热交换器。热交换器可将热量从冷却剂传递至另一种介质，诸如空气、水或制冷剂，从而冷却该冷却剂。
冷却剂降低喷射器末梢176处经受的温度，这延长了燃料喷射器104的寿命。在一些实施例中，冷却剂供应管180和冷却剂出口管182可在喷射管160周围靠近喷射器末梢176缠绕。这可帮助冷却喷射器末梢176和第一区段168。在又其它的实施例中，管180和182可围绕整个第二区段168缠绕。此外，管可由特别设计用于高温的材料制成，例如但不限于奥氏体镍-铬基超级合金以及钴-铬-铁耐热合金。
图3是具有末梢冷却的燃料喷射器104的一个实施例的局部轴向横截面。轴向轴线210沿长度方向穿过燃料喷射器104的中心。燃料喷射器104具有上游侧212，燃料给料174、氧气172和其它材料可源自该侧。燃料喷射器104还具有末梢176，给料174、氧气172以及其它材料可在此处离开。因此，末梢176是用于材料的出口。接下来转向燃料喷射器104的通道，尽管将描述通道的一种布置，但取决于特定燃烧***的要求，其它布置也是可能的。具体而言，通过燃料喷射器104的最里面的材料是氧气172，其由第一氧气通道214(例如中央氧气通道)引向末梢176。第一氧气通道214供应氧气172用于在燃料喷射器104的末梢176下游燃烧。氧气172可包括但不限于纯氧、氧气混合物以及空气。接下来最外面的材料是燃料174，其由燃料通道216(例如环形燃料通道)引向末梢176。因此，燃料通道216以同轴或同心布置包围第一氧气通道214。燃料174可包括干燃料、浆状燃料、液体燃料或它们的任意组合。燃料通道216从第一氧气通道214在氧气172的下游引导燃料174以增强燃料和氧气的混合。来自第一氧气通道214的氧气172和燃料174混合的区域可称为预混合区域218。接下来最外面的材料是氧气172，其由第二氧气通道220(例如环形氧气通道)引向燃料喷射器104的末梢176。因此，第二氧气通道220以同轴或同心布置包围燃料通道216。第二氧气通道220可将氧气172从第一氧气通道214引向燃料174和氧气172的混合物，以产生通过孔口222离开的精细喷雾。来自第二氧气通道220的氧气172也可包括但不限于纯氧、氧气混合物和空气。
环形冷却剂室224设置在燃料喷射器104的末梢176中。尽管在此实施例中冷却剂室224显示为靠近第二氧气通道220的末梢，但冷却剂室可向上游侧212延伸。此外，冷却剂室224的横截面可具有图3中所示的特定形状，或者构造成其它合适的形状，例如正方形、椭圆形、三角形、矩形或其它规则或不规则的形状。
如以上所解释的，来自冷却剂源186的冷却剂通过冷却剂供应管180并围绕喷射管160循环，直至其进入冷却剂室224。冷却剂的示例可包括但不限于水、蒸汽、二氧化碳和氮气。然而，冷却剂可包括任何合适的冷却剂气体、冷却剂液体、冷却剂混合物或它们的任何组合。由于这些材料的每一种都具有不同的热传递特性，因此可根据燃料喷射器104的特定要求来选择特定的冷却剂。当冷却剂通过冷却剂室224时，冷却剂接触面向喷射器104下游的反应区的冷却剂室表面226。当末梢176暴露于热气体时，冷却剂将热量从末梢176传递开，且冷却剂将热量传递开至冷却剂返回管188。通过从热燃烧气体吸收热量并将其从燃料喷射器104传输开，冷却剂室224协助保护末梢176免受气化器106中的高温影响。
除了冷却剂室224，喷射末梢176还限定了带有外表面230以及氧气通道表面232的环形末梢部分228。外表面230可进一步限定形成在外表面230中的环形凹部234(例如弯曲环形凹部)。环形凹部234可降低外表面230和冷却剂室表面226之间的温差，以及外表面230和氧气通道表面232之间的温差。这些表面之间的温差越大，末梢部分226中材料上的热应力越大。随着时间流逝，连续的热应力会在没有环形凹部234的末梢部分226中导致裂纹。例如，裂纹会形成并增长直至冷却剂能够从冷却剂室224逸出。因此，环形凹部234构造成通过将机械应力分布中最大机械应力的点从热应力分布中最大热应力的点转移而减少环形末梢部分228中的热差值，并总体降低末梢部分228中热应力裂纹的可能性。
图4是在线4-4内所取的图3中的喷射器末梢176的一个实施例的局部横截面视图。如上文所解释的，喷射器末梢176包括带有沿外表面230设置的环形凹部234的末梢部分228。在气化期间，末梢部分228可能经历严苛的温度条件。例如，气化器的内部可能达到1300摄氏度。由于此原因，喷射器104包括用于喷射器末梢176中的冷却剂循环的冷却剂室224。末梢176中的冷却剂的循环降低了末梢176中的温度，且因而延长了其寿命。然而，由于末梢176中的冷却剂的循环，在外表面230和冷却剂室表面226之间的壁236中可能形成高温差。作为一个示例，外表面230可能具有1000摄氏度的温度，而冷却剂室表面226可能具有40摄氏度的温度。由于较冷的材料部分收缩而较热的材料部分膨胀，两个表面温度上的差异可能在壁236的材料中导致相当大的热应力。特别是，冷却剂室表面226和外表面230之间壁236中的材料越多，对于室224中的冷却剂而言要减少整体温差就越困难。为了降低两个表面226和230之间的温差，末梢部分228可形成环形凹部234。尤其是，凹部234可将壁236的厚度从距离238改变至距离240。厚度的减少降低了末梢部分228中材料的量。厚度的减少增加了冷却剂冷却末梢部分228的能力，这降低了否则会产生热应力且最终开裂(即喷射器104的失效)的整体温差。
凹部234还可改善氧气通道表面232和外表面230之间即壁242的温差。如上文所解释的，氧气通过末梢176并进入气化器106。当氧气172沿着氧气通道表面232流动时，氧气172对流地冷却末梢部分228。没有凹部234，壁242会更厚，即，有更多的材料由氧气流冷却，这会增加热应力。如图所示，具有凹部234的表面232和表面230之间的距离244比没有凹部234的距离246小得多。距离从246到244的减少改善了氧气流去除能量并降低末梢部分228中的温差的能力。此外，且如图所示，距离240和244是相等的或近似相等的。如以下将详细讨论的，距离240和244不可能总是相等或近似相等。例如，凹部234可尺寸设置并定位成提供壁236和242的相等或不等的距离240和244(例如厚度)，从而控制这些壁中的冷却和热梯度。在图示实施例中，凹部234具有围绕轴线210周向地延伸的弯曲横截面(例如U字形)。换言之，凹部234向内弯曲到表面230中，以控制距离240和244，从而控制温度分布和应力。
图5是图4的喷射器末梢部分228一个实施例的局部横截面视图。在图5中，凹部234改变了图4中的距离240和244(即壁236、242的厚度)。如图所示，壁236比壁242薄得多。距离240的减少和距离244的增加在具有低冷却剂流率和高氧气流率的实施例中可能是有用的。例如，特定的气化器106可能要求相当大的氧气流量或高速氧气流。因此，增加的氧气流率可能在氧气流表面232和外表面230之间产生期望的热梯度，这使得能够实现更厚的壁242。相反，外表面230和冷却室表面226之间距离240的减少可能即使通过低冷却剂流率也导致适当的热应力水平。换言之，距离240和244可改变以在末梢部分228中基于沿表面226和232的冷却以及沿表面230的加热而提供更均匀的温度分布。
图6是图4的喷射器末梢部分228一个实施例的局部横截面视图。图6中，凹部234也改变了壁236和242的厚度。如图所示，壁236比壁242厚得多。距离240的增加和距离244的减少在具有高冷却剂流率和低氧气流率的实施例中可能是有用的。例如，特定的实施例106可能具有低流量氧气要求。因此，通过减少壁242的厚度，低氧气流率依然可能限制氧气流动表面232和外表面230之间的热应力。相反，冷却剂流率的增加可允许壁236的厚度的增加，同时保持适当的热应力水平。
图7是图4的喷射器末梢部分228一个实施例的局部横截面视图。没有凹部234，最大机械应力点可能和最大热应力点在相同位置。单个位置处多个应力的会聚会加速喷射末梢176的失效。因此，凹部234可成形且定位成将最大机械应力点与最大热应力点分开。在本实施例中，最大机械应力点250不同于最大热应力点252。具体地，凹部234的几何形状通过改变壁236的厚度而分离点250，252(即，壁可在点252和250之间减少厚度)。如图所示，外表面230和冷却剂室表面226之间在最大机械应力点250处的距离254小于在最大热应力位置252处的距离256。因此，表面226和230在点250处的温差将小于在点252处的温差。换言之，由于围绕点250的较小温差，其将会比点252经历更少的热应力。因此，凹部234的形状可使最大热应力点252从最大机械应力点移开，这可增加喷射器104的寿命。
图8是具有填充材料270的喷射器末梢部分228的一个实施例的局部横截面视图。如图所示，填充材料270通过附接到外表面230上而填充凹部234。在一些实施例中，填充材料270可为展示出低熔合特性并具有50-150度、60-140度、75-125度或低于末梢部分228中的材料的熔点的另一范围的熔点的牺牲性材料。由于牺牲性材料270具有低熔点，其在气化操作期间会熔化掉。随着牺牲性材料270熔化，其降低了喷射器末梢部分226的温度。因此，在操作中，牺牲性材料270随着其熔化而吸取能量。在牺牲性材料270熔化掉之后，凹部234可通过降低表面之间的温差而继续降低热应力，如上文所述。在一些实施例中，填充材料270例如可为不会熔化而是具有高热阻性(即抵抗热传递)的陶瓷材料。填充材料270然后可限制气化操作和喷射末梢228之间的热传递，从而保护喷射末梢部分228免受如上所述的热应力影响。
图9是具有多层填充材料280、282、284和286的喷射器末梢部分228的一个实施例的局部横截面视图。如图所示，这些层填充凹部234。尽管图9图示了四层，但更多或更少的层都是可能的，例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多层。这些层本质上可为牺牲性的，即，这些层在气化操作期间可熔化掉以从末梢部分228去除能量，或者这些层可为诸如陶瓷的热阻性层。如果这些层本质上是牺牲性的，则这些层的每一个均可在不同的温度下熔化。例如，层280可具有最低的熔点，而其余的层具有逐渐更高的熔点，而层286具有最高的熔点。作为进一步示例，层280、282、284和286可具有逐渐更高的熔点，例如，每层增加百分之1到500、10到100或10到50。熔点可在层280、282、284和286中相等地改变、降低或升高增量。如果这些层是热阻性的(即陶瓷)，则不同的层可展示出不同的热阻值。同样，热阻值可从一层到另一层增加大约百分之1到500、10到100或10到50。例如，最外面的层280可为最具有热阻性的，而其它的层充当粘接层。在其它实施例中，不同的层可展示出不同的特性(例如，硬度、刚性、抗冲击性、抗化学性或热阻性)并具有变化的厚度。例如，这些层可包括牺牲性层、绝热层、抗化学层、抗冲击层等的任何组合。
图10是沿图3的线10-10所取的环形末梢部分228的一个实施例的底视图。如上所述，环形末梢部分228包括具有环形凹部234的外表面230。环形末梢部分228包围燃料174和氧气172流过其中的孔口222。在图示的实施例中，环形凹部234是包围该孔口222的连续凹槽。
图11是沿图3的线10-10所取的环形末梢部分228的一个实施例的底视图。与图10中的讨论相似，环形末梢部分228包括具有环形凹部234的外表面230。环形末梢部分228包围燃料174和氧气172流过其中的孔口222。在图示的实施例中，环形凹部234是包围孔口222的非连续的凹槽，而不是如图10中所示的连续凹槽。因此，环形凹部234包括放置在环形凹部232中的一系列结构300(例如肋或凸缘)。尽管图示了四个结构300，但更多或更少的结构都是可能的。例如，环形凹部可包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多结构300。结构300跨越环形凹部234径向延伸，并且可在环形末梢部分228中提供结构性支撑。
所公开实施例的技术效果包括降低喷射器末梢中的热应力以减少喷射器末梢失效的能力。热应力的减少可通过在喷射器末梢部分中形成环形凹部以控制氧气流和冷却剂室之间的壁厚度而达成。壁厚度的减少可通过限制不同表面之间的温差而改善氧气流和冷却剂降低末梢部分中的热应力的能力。热应力的减少防止喷射器末梢部分的过早或加速开裂，从而维持喷射器的寿命。
本书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或***，并执行任何结合的方法。本发明可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有无异于权利要求书的字面语言的结构性元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言并无实质性区别的等价结构性元件，则此类其它示例意在处在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种***，包括：
气化燃料喷射器(104)，包括：
设置在喷射流径周围的环形末梢部分(228)；
设置在所述环形末梢部分(228)中的环形冷却剂室(224)；以及
邻近所述喷射流径的出口(222)的沿所述环形末梢部分(228)的下游外表面(230)设置在所述环形冷却剂室下游的环形凹部(234)；所述环形凹部围绕所述气化喷射器的轴线(210)周向地延伸。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述***包括设置在所述环形凹部(234)中的限制热传递的具有低熔点的牺牲性材料(270)。
3.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述牺牲性材料(270)包括多个牺牲性层(280,282,284,286)。
4.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述***包括跨越所述环形凹部(234)延伸的多个结构(300)。
5.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述环形凹部(234)构造成通过减少所述环形末梢部分(228)的下游外表面(230)和环形冷却剂室表面(226)之间壁的厚度来增加环形末梢部分(228)中的热传递并降低热应力。
6.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述环形末梢部分(228)包括：
包括最大机械应力点(250)的机械应力分布；
包括最大热应力点(252)的热应力分布；以及
其中所述环形凹部(234)在所述环形末梢部分(228)中通过减少述环形末梢部分(228)的下游外表面(230)和环形冷却剂室表面(226)之间壁的厚度使最大热应力点(252)从最大机械应力点(250)偏移。
7.如权利要求6所述的***，其特征在于，所述环形末梢部分(228)包括所述环形凹部(234)和所述环形冷却剂室(224)之间的壁厚度(256)，且所述壁厚度(256)在所述环形末梢部分(228)中从所述最大热应力点(252)到所述最大机械应力点(250)减少。
8.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述环形末梢部分(228)包括所述环形凹部(234)和所述环形冷却剂室(224)之间的第一壁厚度(240)以及所述环形凹部(234)和所述喷射流径之间的第二壁厚度(244)，其中所述第一壁厚度(240)大于所述第二壁厚度(244)。
9.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述环形末梢部分(228)包括所述环形凹部(234)和所述环形冷却剂室(224)之间的第一壁厚度(240)以及所述环形凹部(234)和所述喷射流径之间的第二壁厚度(244)，其中所述第一壁厚度(240)小于所述第二壁厚度(244)。
10.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述环形末梢部分(228)包括所述环形凹部(234)和所述环形冷却剂室(224)之间的第一壁厚度(240)以及所述环形凹部(234)和所述喷射流径之间的第二壁厚度(244)，其中所述第一壁厚度(240)大体上等于所述第二壁厚度(244)。
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