CN103930725A - 改进的多燃料喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于燃气轮机的多燃料喷嘴（90）。所述喷嘴包括：环形主体（68），包括多个燃气通道（22），所有燃气通道（22）绕主体纵轴（14）而周向放置；环形燃油体（30），放置在环形主体（68）中且包括与该主体纵轴（14）同轴的中心油通道（36）；环形冷却空气通道（42），位于所述环形主体（68）和所述燃油体（30）之间；以及分立的冷却空气体（70，100），包括引导件（74，104），所述引导件（74，104）独立于所述主体（68）的下游端（84）而被支撑，并配置成将在所述环形冷却空气通道（42）中向下游行进的冷却空气径向向内地导向中心油通道下游端（34）的直接下游位置。

Description

改进的多燃料喷嘴

技术领域

本发明涉及一种用于燃气轮机的改进的多燃料喷嘴。具体来说，本发明涉及一种用于多燃料喷嘴中的冷却空气引导件的改进设计。

背景技术

某些在燃气轮机中使用的多燃料喷嘴将燃气和燃油喷射入燃烧室中。如果在燃油出口内部及周边的喷嘴表面没有得到冷却，那么随着时间推移，燃气和燃油的燃烧将会产生足够的热而使燃油在该表面上焦化。通常，通过将冷却空气导向位于这些表面和燃烧焰之间的燃油出口来使这些表面与燃烧热量热绝缘。该冷却空气通常由燃气轮机的压缩机产生，因此该冷却空气处于高温。该冷却空气典型地由引导件（guide）来导向，而该引导件与输送燃气的主体是一体的。该燃气通常处于非常接近常温的温度。由于主体内这样的热失配（mismatch），将会导致所述主体中的不均匀的热生长。这种不均匀的热生长在主体内产生内部应力，并且随着时间推移作为裂纹显示出来，这会缩短主体的使用寿命，从而缩短喷嘴的使用寿命。

附图说明

参考附图，将在下面的描述中对本发明进行解释。附图中：

图1是现有技术的多燃料喷嘴的横截面；

图2是具有裂纹的图1的现有技术的多燃料喷嘴的下游面的端视图；

图3示出了图2的现有技术的多燃料喷嘴的修复的下游面；

图4示出了改进的多燃料喷嘴主体的主体；

图5示出了改进的多燃料喷嘴的第一实施方式；

图6示出了带套管的冷却空气体；

图7示出了改进的多燃料喷嘴的第二实施方式；

图8示出了带环的冷却空气体被附接至燃油体下游端的外部时的特写视图（close-up view）；

图9示出了图8的冷却空气体的另一个角度；

图10示出了图8的冷却空气体的另一个角度。

具体实施方式

由于来自燃烧焰的热量，配置成将燃油注入燃烧室中的燃气轮机的多燃料喷嘴在燃油出口周围的表面上会产生燃油焦化。减少或者去除这种焦化的一个方法是使用冷却流体来冷却这些表面。来自燃烧室的空气已经被用作冷却流体。来自压缩机的冷却空气会处于高温，例如大约450℃。但是，由多燃料喷嘴输送的一种或全部燃料处于或者接近于常温，例如大约20℃。在某些喷嘴中，引导冷却空气的引导件与输送至少一种燃料的喷嘴的主体是一体的。由于处于相对高温的所述冷却空气与处于相对低温的燃料在该主体中进行接触，在该主体中会存在热梯度。因此，该主体受到与主体中的热生长有关的应力。随着时间推移，该应力会作为主体中的裂纹而显现出来。传统的维修需要更换该喷嘴并将该喷嘴送去维修。因此，就部件的成本、劳力成本、停机时间以及用户的不满而言，如果该报废部分没有达到其预测的使用寿命的话，这些维修是昂贵的。

发明人设计了一种创新的解决方案可以减少或者去除这些裂纹的形成。具体地，发明人已经确定，使冷却空气引导件与输送相对冷的燃料的主体热绝缘将会减少或去除多燃料喷嘴中的热梯度和相关的热应力。易受这种条件影响的这种现有技术的喷嘴的一个示例是如图1所示的西门子DF42蒸汽注射喷嘴10（原始喷嘴）。原始喷嘴10包括环形的原始主体12，该原始主体12包括主体纵轴14、主体上游端16和原始主体下游端18。多个蒸汽注射通道20和多个燃气通道22设置在原始主体12中，且周向地环绕主体纵轴12。每个蒸汽注射通道20在原始主体下游端18的蒸汽注射通道出口24处终止。同样地，每个燃气通道22在原始主体下游端18的燃气通道出口26处终止。

环形燃油体30在原始主体中且与该原始主体同心，所述环形燃油体30包括燃油体上游端32和燃油体下游端34。该燃油体30包括中心燃油通道36，该中心燃油通道36包括位于燃油体下游端34的中心燃油通道出口38。多功能环形通道40绕所述中心燃油通道出口38放置。该多功能通道40可在正常操作期间输送NOx还原水，而在点火期间输送雾化空气。环形的冷却空气通道42放置在原始主体12和燃油体30之间，用于将冷却空气从压缩机（未示出）输送至毗邻中心燃油通道出口38的表面44。该冷却空气从冷却空气通道42的上游端46流至冷却空气通道42的下游端48，其中，该冷却空气遇到原始冷却空气引导件50。在现有的DF42喷嘴中，该原始冷却空气引导件50与所述原始环形主体12是一体的。

在操作中，该原始冷却空气引导件50将冷却空气径向向内地引导到从中心燃油通道出口38流出的燃油流中。该冷却空气在毗连于中心燃油通道出口38的表面44与由中心燃油通道出口38的燃烧下游所产生的热量之间形成保护层。但是，相对于在燃油通道22中流动的燃气，与原始引导件50接触的冷却空气热得多。因此，靠近燃气通道22的原始主体12的相对冷区域52与相对冷的燃气接触，而靠近引导件50的原始主体12的相对热区域54则与相对热的空气接触。这种热梯度在原始主体下游端18引起应力和不均匀的热生长，这会导致裂纹的产生。

图2示出了原始主体下游端18和引导件50的燃烧侧56的端视图，所述原始主体下游端18包括蒸汽注射通道出口24和燃气通道出口26。燃油体30未被示出。原始的消除应力缝58和原始的消除应力孔60可被加工在原始主体下游端18中，以解决源自热梯度的应力。但是，随时间推移，这些可能不够，应力裂纹62可能在消除应力孔60处形成。如图3所示，传统的维修方法包括在裂纹（未示出）处加工新的消除应力缝64，并在新的消除应力缝64的末端加工新的消除应力孔66。这种维修将延长环形主体12的寿命从而延长喷嘴10的寿命。但是，这种维修只能进行一次，而且经验表明，裂纹会出现在新的消除应力孔66处，与其出现在原始的消除应力孔60处的方式相似。这种事情一旦发生，该原始主体12就不再能被维修而必须被更换。

为了防止裂纹，发明人发现一种减轻裂纹成因（即，环形主体12中的热梯度很大）的方法。发明人已经设计一种方式来使引导件50与原始主体12热绝缘，以使原始主体12不会同时与常温燃气和较热的空气进行接触。发明人已经改变了原始喷嘴10的结构，以使新的主体68不再支撑原始引导件50。作为替代，新的引导件（未示出）在新的喷嘴中的其它地方找到了支撑。图4示出了新的主体68，不具有原始燃油体，其中，新的环形主体68去除了原始的引导件50。新的主体68可制造成不具有原始引导件50，或者可以通过从原始主体12移除原始引导件50而由原始主体12形成，从而形成新的主体68。因为没有由原始引导件50的存在导致的热应力，新的主体68较少受到热致裂纹的影响。

可以用多种方式支撑新的引导件。在实施方式中，该引导件是分离的冷却空气体的一部分，而该冷却空气体被支撑在喷嘴中的其它地方。在图5所示的一个实施方式中，带套管的冷却空气体70包括环形套管72以及放置在该套管72下游端76的新的引导件74。该套管72的至少一部分放置在冷却空气通道42中，该套管72配置成将新的引导件74定位在与原始引导件50大约相同的位置。该定位不需要完全相同，只要新的引导件74足够合适地径向向内引导空气以最小化或消除在毗连于中心燃油通道出口38的表面44附近的表面上的焦化即可。此外，新的喷嘴90的下游面具有与原始喷嘴10相似的几何形状，这对于确保喷嘴的操作没有任何变化是重要的。该新的几何形状不需要完全相同，但是应该足够类似，以产生与原始喷嘴10相似的燃烧特性。该套管72在套管72与燃油体30之间形成套管内冷却空气通道78。在操作期间，冷却气体将在套管内冷却空气通道78中流动，直到该冷却气体到达新的引导件74，其中，所述新的引导件74以类似于原始引导件50的方式而径向向内地引导冷却空气。该套管72还在套管72和新的主体68之间形成套管外冷却空气通道80。带套管的冷却空气体70的下游端82可以在新的主体68的下游端84中滑动配合。这可由凸起脊86来完成，所述凸起脊86放置在套管72的下游端76并与新的主体68的环形内表面接触。该凸起脊86可采用任何形状，包括连续脊或者锯齿脊或槽脊，或者该凸起脊可以设计成让冷却空气的一部分在该凸起脊86与新的主体68的内表面88之间经过。在操作中，冷却空气沿套管外冷却空气通道80行进直到其到达凸起脊86，该冷却空气会从凸起脊86漏过而进入燃烧室。凸起脊86用于调节冷却流体穿过套管外冷却空气通道80的流速。如果没有凸起脊86，在外部冷却空气通道80中的冷却空气将不受限制地从新的喷嘴90中流出。

相比于原始喷嘴12，在新的喷嘴90的操作期间，响应于与热空气的接触，新的引导件74自由地膨胀，且相对于新的主体下游端84沿所述主体纵轴14移动，因为该新的引导件74不再与新的主体下游端84是一体的。该带套管的冷却空气体70相对较细，这使其均一地受热和冷却，从而有利于热均一性并因此减少热应力。所述裂纹的至少一个成因是原始引导件50无法相对于原始主体下游端18沿主体纵轴14移动，随着该限制由于本创新设计而被解除，引起裂纹的力被减小或者完全去除，从而也减少或去除裂纹。此外，在冷却空气可在套管72和新的主体内表面88之间流动的实施方式中，新的引导件74与新的主体下游端84之间的热绝缘甚至更好，有助于新的设计品的裂纹减少。进一步地，在该实施方式中，新的引导件74还能相对于燃油体下游端34自由地沿主体纵轴14移动，这使新的引导件74更好地热绝缘。

为了安装带套管的冷却空气体70，可以移除燃油体30然后安装带套管的冷却空气体70。通过现有技术中已知的方法（例如焊接），带套管的冷却空气体70可被支撑在新的主体68的下游端92处。所述带套管的冷却空气体70可包括放置在所述带套管的冷却空气体70的上游端96的凸缘94。该凸缘94可被焊接至新的喷嘴90的任何合适位置。在从套管72的径向向外的点来供应冷却空气的实施方式中，该套管72可包括套管孔98，用于将冷却空气连通至套管内冷却空气通道78。

图6单独示出带套管的冷却空气体70的实施方式，该冷却空气体70包括套管72、在带套管的冷却空气体下游端82处连接至套管72的新的引导件74、以及在带套管的冷却空气体上游端96处连接至套管72的凸缘94。所述套管孔98也放置在带套管的冷却空气体上游端96处。

图7示出带环的冷却空气体100，包括环形环102和放置在该环102的下游端106处的新的引导件104。该环102的至少一部分放置在冷却空气通道42中，该环102被配置成将新的引导件104定位在与原始引导件50大致相同的位置。该定位不需要完全相同，只要新的引导件104足够合适地径向向内引导空气以最小化或消除在毗连于中心燃油通道出口38的表面44附近的表面上的焦化即可。该环102在环102和燃油体30之间形成环内冷却空气通道108。在操作期间，冷却空气将在冷却空气通道42内流动，然后在环内冷却空气通道108中流动，直到该冷却空气到达新的引导件104，其中，新的引导件104以类似于原始引导件50的方式来径向向内地引导冷却空气。与带套管的冷却空气体70的内表面相似，带环的冷却空气体100的内表面114至少部分地由环102的内表面116和新的引导件104的内表面118来限定，所述内表面114径向向内地重新引导该冷却空气。与带套管的冷却空气体70相似，该环下游端106可包括与新的主体内表面88接触的凸起脊86。同样地，该环102可在环102和新的主体内表面88之间形成环外冷却空气通道110。在操作中，冷却空气可沿环外冷却空气通道110行进直到该冷却空气到达凸起脊86，该冷却空气可漏过凸起脊86而进入燃烧室中。凸起脊86用于调节冷却流体穿过环外冷却空气通道110的流速。如果没有凸起脊86，在外部冷却空气通道80中的冷却空气将不受限制地从新的喷嘴112中流出。

与现有技术相比，类似于带套管的冷却空气体70，在新的喷嘴112的操作期间，新的引导件104自由地膨胀，且相对于新的主体下游端84沿主体纵轴14移动，因为该新的引导件104不再与新的主体下游端84是一体的。这种自由同样减少热应力，从而减少或消除热裂纹。

为了安装带环的冷却空气体100，可通过本领域中已知的技术（例如机加工等）来移除原始引导件50。然后，带环的冷却空气体100可被焊接或以其它方式附接至燃油体30而位于燃油体下游端34的上游一个点。这种修改原始喷嘴10的方法相比采用带套管的冷却空气体70的方法具有优势，因为当燃油体30处于装配位置时，带环的冷却空气体100可以安装在燃油体30上。相比之下，安装该带套管的冷却空气体70需要将燃油体30移除，接着安装该带套管的冷却空气体70，然后再重新安装燃油体30。

图8示出带环的冷却空气体100被附接至燃油体下游端34的外部时的特写视图。带环的冷却空气体100包括环102、放置在环下游端106处的新的引导件104、内表面114、环的内表面116以及新的引导件内表面118。此外，示出了多个分离的焊接部120中的一个，在一个实施方式中，所述焊接部120用于支撑带环的冷却空气体100。但是，任何附接带环的冷却空气体100的方法对本领域技术人员来说是已知的且可以被使用。图9示出包括新的引导件104的带环的冷却空气体100的另一个角度。图10也示出带环的冷却空气体100和两个焊接部120的另一个角度。

已经示出，发明人已经设计一种创新方法，用于减小或去除在现有的双燃料喷嘴设计中引起裂纹的热梯度。具有最小变化的新的双燃料喷嘴可以加工成新的设计品，且这些新的双燃料喷嘴将遭遇更少的热致裂纹或者不会遭遇热致裂纹。此外，使用整体的引导件的现有喷嘴可容易地升级至新的设计品。该新的设计品将增加双燃料喷嘴的寿命，从而减少成本且增加用户满意度。

尽管本文示出并描述了本发明的多种实施方式，但是很显然的是，这些实施方式仅以示例的方式给出。在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行多种变化、改变和替换。因此，本发明旨在仅受所附权利要求书的精神和范围限制。

Claims (17)

1.一种用于燃气轮机的多燃料喷嘴，包括：

环形主体，包括多个燃气通道，所有的燃气通道绕主体纵轴而周向放置；

环形燃油体，放置在所述环形主体中且包括与所述主体纵轴同轴的中心油通道；

环形冷却空气通道，位于所述环形主体和所述燃油体之间；以及

分立的冷却空气体，包括引导件，所述引导件独立于所述主体的下游端而被支撑，并配置成将在所述环形冷却空气通道中向下游行进的冷却空气径向向内地导向中心油通道下游端的直接下游位置，其中，在所述主体的相对轴向热膨胀和收缩期间，所述引导件相对于所述主体下游端沿着所述主体纵轴自由移动。

2.如权利要求1所述的用于燃气轮机的多燃料喷嘴，其中，所述冷却空气体包括环形套管，所述环形套管轴向地从所述引导件向上游延伸并穿过环形冷却空气通道，其中，所述冷却空气体包括位于所述套管的下游端的所述引导件，所述套管的上游端被支撑，以使在所述燃油体相对于所述冷却空气体进行轴向热膨胀和收缩期间，允许所述引导件相对于所述中心油通道下游端而沿所述主体纵轴移动。

3.如权利要求2所述的用于燃气轮机的多燃料喷嘴，其中，所述套管的上游端被支撑在所述多燃料喷嘴的上游端。

4.如权利要求2所述的用于燃气轮机的多燃料喷嘴，其中，所述套管的下游端包括凸起脊，所述凸起脊在所述环形主体的下游端内滑动配合从而径向地定位所述引导件。

5.如权利要求4所述的用于燃气轮机的多燃料喷嘴，其中，所述凸起脊配置成使所述冷却空气的一部分在所述凸起脊与所述环形主体之间漏出。

6.如权利要求2所述的用于燃气轮机的多燃料喷嘴，其中，所述套管将所述环形冷却空气通道分成了位于所述燃油体和所述套管之间的内环形冷却空气通道部分与位于所述套管和所述环形主体之间的外环形冷却空气通道部分。

7.如权利要求1所述的用于燃气轮机的多燃料喷嘴，其中，所述冷却空气体包括环形环，所述环形环轴向地从所述引导件向上游延伸并进入环形冷却空气通道中，其中，所述引导件放置在所述环形环的下游端，所述环形环被支撑在燃料体下游端且与所述燃料体下游端之间具有空间间隔，以在所述环形环和所述燃油体之间限定出环形间隙，用于使来自所述冷却空气通道的冷却空气经过。

8.如权利要求7所述的用于燃气轮机的多燃料喷嘴，其中，所述环形环包括凸起脊，所述凸起脊在所述环形主体的下游端内滑动配合从而径向地定位所述引导件。

9.如权利要求8所述的用于燃气轮机的多燃料喷嘴，其中，所述凸起脊是锯齿状的，以允许所述冷却空气的一部分从所述凸起脊和所述环形主体之间经过。

10.如权利要求7所述的用于燃气轮机的多燃料喷嘴，其中，所述环形环由分离的焊接部附接至所述燃料体下游端。

11.如权利要求10所述的用于燃气轮机的多燃料喷嘴，其中，所述环形环限定出在所述环形环和所述环形主体之间的环形间隙的一部分。

12.如权利要求7所述的用于燃气轮机的多燃料喷嘴，其中，所述环形环和所述引导件限定出在所述冷却空气体的下游端径向向内地定向的环形内表面。

13.一种修改用于燃气轮机的双燃料喷嘴的方法，所述双燃料喷嘴包括：环形主体，包括多个燃气通道和整体形成的冷却空气引导件，所有燃气通道绕所述主体纵轴周向放置；燃油体，放置在所述环形主体中且包括与该主体纵轴同轴的中心油通道；以及环形冷却空气通道，位于所述环形主体和所述燃油体之间，其中，所述整体形成的冷却空气引导件将来自所述环形冷却空气通道的冷却空气径向向内地导向中心油通道下游端的直接下游位置，所述方法包括：

移除所述整体形成的冷却空气引导件；以及

安装包括新的引导件的分立的冷却空气体，使得所述主体的下游端相对于所述新的引导件沿着所述主体纵轴自由热膨胀和收缩，其中，所述新的引导件独立于所述中心油通道的下游端而被支撑。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述冷却空气体包括环形套管，所述套管包括放置在所述环形冷却空气通道中的至少一部分且包括放置在所述冷却空气体的下游端的新的引导件，所述方法包括固定所述套管，以使在所述冷却空气体相对于所述燃油体而进行轴向热膨胀和压缩时，所述新的引导件相对于所述中心油通道的下游端而自由轴向移动。

15.如权利要求14所述的方法，包括从所述主体移除所述燃油体，在所述环形冷却空气通道中安装所述套管，并更换所述燃油体。

16.如权利要求13所述的方法，其中，所述分立的冷却空气体包括环形环，所述环形环在所述环形环的下游端包括所述新的引导件，所述环形环被燃油体下游端支撑且与所述燃料体下游端之间具有空间间隔，以在所述环形环和所述燃油体之间限定出环形间隙，用于使来自所述冷却空气通道的冷却空气经过。

17.如权利要求16所述的方法，其中，当所述燃油体放置在所述主体内部时，所述冷却空气体由所述燃油体下游端支撑。