CN105698175B - 具有一体式液体蒸发器的预混喷嘴 - Google Patents

具有一体式液体蒸发器的预混喷嘴 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有一体式液体蒸发器的预混喷嘴。具体而言，本申请提供了一种用于使用主燃料和辅助燃料的燃气涡轮发动机(10)的燃料喷嘴(100)。燃料喷嘴(100)可包括用于主燃料的多个主燃料喷射端口(170)、水通路(220)、多个辅助燃料喷射端口(280)，和用于使辅助燃料雾化的辅助燃料蒸发器***(290)。

Description

具有一体式液体蒸发器的预混喷嘴
技术领域
本申请和所得的专利大体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体而言，涉及一种燃料气体预混喷嘴，其具有用于减少总体水消耗且改善热效率的一体式液体蒸发器。
背景技术
燃气涡轮发动机的操作效率和总体功率输出大体上随热燃烧气流的温度升高而提高。然而，高的燃烧气流温度可产生较高水平的氮氧化物(NOx)。此种排放可受美国的联邦和州法规管辖，且还可受国外的类似法规管辖。因此，在于有效高温范围中操作燃气涡轮发动机的益处同时还确保氮氧化物的输出和其他类型的受调节的排放保持远低于授权水平之间存在平衡作用。而且，改变负载水平、改变环境条件、和其他类型的操作参数也可对总体燃气涡轮效率和排放具有显著影响。
若干类型的已知燃气涡轮发动机设计，如使用干式低NOx(“DLN”)的那些，大体上在反应或燃烧区的上游预混燃料流和空气流，以便通过多个预混燃料喷嘴来减少NOx排放。此种预混趋于降低峰值火焰温度，且因此减少NOx排放。
为了燃料灵活性和功率***可用性，低排放燃气涡轮通常在燃料预混器之外配备有喷射液体燃料以作为辅助或后备燃料的***。液体燃料喷射器可穿过气体预混器的中心***。因为液体燃料在燃烧之前可能不蒸发和与空气充分地预混，所以可将大量的水喷射到燃烧区中，以便降低火焰温度和所得的NOx排放。因此，当利用此种液体燃料操作时，可能需要显著且昂贵的水量。而且，喷水可降低总体燃气涡轮效率。
因此，期望改进的双燃料预混喷嘴。此种预混喷嘴可以以减少的总体水消耗来容纳辅助燃料(如液体燃料)，同时维持燃气涡轮热效率和功率生成。
发明内容
本申请和所得的专利因此提供了一种燃料喷嘴，其用于使用主燃料和辅助燃料的燃气涡轮发动机。燃料喷嘴可包括用于主燃料的多个主燃料喷射端口、水通路、多个辅助燃料喷射端口、和用于使辅助燃料雾化的辅助燃料蒸发器***。
本申请和所得的专利还提供了一种依靠主燃料或辅助燃料操作用于燃气涡轮发动机的燃料喷嘴的方法。该方法可包括以下步骤：提供主燃料流、提供辅助燃料流、使辅助燃料流过雾化器、使辅助燃料雾化，和以减少的水消耗燃烧雾化的辅助燃料。
本申请和所得的专利还提供了一种提供用于使用天然气和/或液体燃料的燃气涡轮发动机的燃料喷嘴。燃料喷嘴可包括具有用于天然气的多个天然气喷射端口的多个旋流器导叶、水通路、多个液体燃料喷射端口、和用于使液体燃料雾化的液体燃料雾化器。
技术方案1：一种用于使用主燃料和辅助燃料的燃气涡轮发动机10的燃料喷嘴100，包括：
用于主燃料的多个主燃料喷射端口170；
水通路220；
多个辅助燃料喷射端口280；和
用于使辅助燃料雾化的辅助燃料蒸发器***290。
技术方案2：根据技术方案1所述的燃料喷嘴100，其特征在于，还包括多个旋流器导叶160，所述多个旋流器导叶160具有定位在其上的所述多个主燃料喷射端口170。
技术方案3：根据技术方案2所述的燃料喷嘴100，其特征在于，所述多个旋流器导叶160围绕预混室150定位。
技术方案4：根据技术方案1所述的燃料喷嘴100，其特征在于，所述主燃料包括天然气流。
技术方案5：根据技术方案1所述的燃料喷嘴100，其特征在于，所述水通路220包括引燃液体燃料通路220。
技术方案6：根据技术方案5所述的燃料喷嘴100，其特征在于，所述引燃液体燃料通路220延伸至引燃末梢210。
技术方案7：根据技术方案6所述的燃料喷嘴100，其特征在于，所述引燃末梢210包括围绕其的引燃旋流器240。
技术方案8：根据技术方案1所述的燃料喷嘴100，其特征在于，还包括与所述多个辅助燃料喷射器280连通的辅助燃料通路260。
技术方案9：根据技术方案8所述的燃料喷嘴100，其特征在于，所述辅助燃料包括液体燃料流。
技术方案10：根据技术方案1所述的燃料喷嘴100，其特征在于，所述辅助燃料蒸发器***290包括雾化器290。
技术方案11：根据技术方案10所述的燃料喷嘴100，其特征在于，所述雾化器290包括雾化旋流器300。
技术方案12：根据技术方案11所述的燃料喷嘴100，其特征在于，所述雾化旋流器300包括柄320和凸缘330。
技术方案13：根据技术方案11所述的燃料喷嘴100，其特征在于，所述雾化旋流器300包括其中的多个槽口340。
技术方案14：根据技术方案11所述的燃料喷嘴100，其特征在于，雾化器300包括护套310，所述护套310在其中具有孔口350。
技术方案15：一种依靠主燃料或辅助燃料来操作用于燃气涡轮发动机10的燃料喷嘴100的方法，包括：
提供主燃料流；
提供辅助燃料流；
使辅助燃料流过雾化器290；
使辅助燃料雾化；和
燃烧雾化的辅助燃料。
技术方案16：一种用于使用天然气和/或液体燃料的燃气涡轮发动机的燃料喷嘴，包括：
多个旋流器导叶，其具有用于天然气的多个天然气喷射端口；
水通路；
多个液体燃料喷射端口；和
液体燃料雾化器，其用于使液体燃料雾化。
技术方案17：根据技术方案16所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述雾化器包括雾化旋流器。
技术方案18：根据技术方案17所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述雾化旋流器包括凸缘，所述凸缘在其中具有多个槽口。
技术方案19：根据技术方案16所述的燃料喷嘴，其特征在于，雾化器包括护套，所述护套在其中具有孔口。
技术方案20：根据技术方案16所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述水通路包括引燃液体燃料通路。
在结合若干附图和所附权利要求查阅以下详细描述时，本申请和所得的专利的这些及其他特征和改善将对于本领域技术人员而言将变得显而易见。
附图说明
图1为示出压缩机、燃烧器、涡轮和负载的燃气涡轮发动机的示意图。
图2为可与图1的燃气涡轮发动机一起使用的燃烧器的示意图。
图3为在本文中可能描述的预混燃料喷嘴的截面图。
图4为可与图3的预混喷嘴一起使用的引燃燃料末梢(pilot fuel tip)的局部截面图。
图5为可与图3的预混喷嘴一起使用的液体燃料喷射器的截面图。
部件列表
10 燃气涡轮发动机
15 压缩机
20 空气
25 燃烧器
30 燃料
35 燃烧气体
40 涡轮
45 轴
50 负载
52 端盖
54 过渡件
56 燃料喷嘴
58 衬套
60 燃烧区
62 流动套筒
64 流路
66 壳
100 预混燃料喷嘴
110 环形护罩
120 空气入口
130 毂
140 喷嘴凸缘
150 预混室
160 旋流器导叶
170 喷射端口
180 气体通路
190 空气通路
200 空气进口
210 引燃末梢
220 液体燃料通路
230 液体燃料进口
240 引燃旋流器
250 液体燃料蒸发器***
260 液体燃料通路
270 预混液体燃料进口
280 预混燃料喷射器
290 液体燃料雾化器
300 内旋流器
310 外护套
320 柄
330 凸缘
340 槽口
350 孔口。
具体实施方式
现在参看附图，在附图中，相似的数字表示贯穿该若干视图的相似元件，图1示出了可能在本文中使用的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可包括压缩机15。压缩机15压缩空气20的进入流。压缩机15将空气20的压缩流输送至燃烧器25。燃烧器25使空气20的压缩流与燃料30的加压流混合，且点燃混合物来形成燃烧气流35。尽管仅示出了单个燃烧器25，但燃气涡轮发动机10可包括以周向阵列或其他形式布置的任何数目的燃烧器25。燃烧气流35又输送至涡轮40。燃烧气流35驱动涡轮40，以便产生机械功。在涡轮40中产生的机械功经由轴45驱动压缩机15和外部负载50，诸如发电机等。
燃气涡轮发动机10可使用天然气、液体燃料、各种类型的合成气、和/或其他类型的燃料及其掺合物。燃气涡轮发动机10可为Schenectady, New York的General ElectricCompany提供的许多不同燃气涡轮发动机中的任一种，包括但不限于诸如7或9系列重载燃气涡轮发动机等的那些。燃气涡轮发动机10可具有不同构造，且可使用其他类型的构件。在本文中还可使用其他类型的燃气涡轮发动机。在本文中还可一起使用多个燃气涡轮发动机、其他类型的涡轮、和其他类型的功率生成设备。
图2示出了可与上文所述的燃气涡轮发动机10等一起使用的燃烧器25的实例的示意图。燃烧器25可围绕涡轮40从头端处的端盖52延伸至后端处的过渡件54。多个燃料喷嘴56可围绕端盖52定位。衬套58可从燃料喷嘴56朝过渡件54延伸，且可在其中限定燃烧区60。衬套58可由流动套筒62包围。衬套58和流动套筒62可在其间限定流路64，以用于空气20从压缩机15或其他流动。外壳66可部分地包围流动套筒62。任何数目的燃烧器25可在本文中以周向阵列等的形式使用。如上所述，空气流20和燃料流30可在燃烧器25中点燃，以形成燃烧气流35。本文中所述的燃烧器25仅用于实例目的。具有其他类型的构件和其他构构造的燃烧器也可用在本文中。
图3-5示出了在本文中可能描述的预混燃料喷嘴100的实例。预混燃料喷嘴100可与燃烧器25等一起使用。燃烧器25可使用处于任何构造的任何数目的预混燃料喷嘴100。
大体上描述了预混燃料喷嘴100可包括外环形护罩110。外环形护罩110可从其上游端上的空气入口120延伸，且可在其下游端处在燃烧区60周围终止。外环形护罩110可包围内环形壁或毂130。毂130可在其上游端处从气体燃料喷嘴凸缘140延伸，且可终止于外环形护罩110端部的上游。外环形护罩110和毂130可在其间限定预混室150。预混室150可与来自压缩机15或别处的空气流20连通。多个旋流器导叶160也可从毂130延伸至外环形护罩110或其周围。旋流器导叶160可具有任何适合的尺寸、形状或构造。多个燃料喷射端口170可围绕旋流器导叶160定位。燃料喷射端口170可与燃料流30连通。旋流器导叶160因此与喷射端口170一起提供燃料/空气混合和预混火焰稳定。在该实例中，流动燃料30可为天然气流。其他类型的燃料可用在这里。空气流20和燃料流30可在旋流器导叶160下游的预混室150内开始混合，且流入燃烧区60中。在本文中可使用其他构件和其他构造。
预混燃料喷嘴100还可包括多个同心管，该多个同心管限定用于不同类型的流体的流动的分立的环形通路。同心管可具有任何适合的尺寸、形状、或构造。用于主燃料(诸如天然气)流的气体通路180可从气体燃料喷嘴凸缘140延伸至旋流器导叶160周围的燃料喷射端口170。引燃空气通路190可从引燃空气进口200穿过毂130延伸至下游的引燃末梢210。类似地，引燃液体燃料通路220可从引燃液体燃料进口230延伸至引燃末梢210。如图4所示，引燃末梢210可包括其中的引燃旋流器240。引燃旋流器240可提供穿过引燃空气通路190的引燃空气流和穿过引燃液体燃料通路220的引燃液体燃料流的良好混合。引燃旋流器240还提供当焚烧气体时对引燃末梢210的热保护、引燃燃料的改善的雾化、和火焰稳定。引燃液体燃料通路220还可用于其他类型流体的流动。例如，水和/或其他类型的流体的流动可用在这里。其他通路也可用在这里。本文中可使用其他构件和其他构造。
预混燃料喷嘴100还可包括液体燃料***250。液体燃料***250可提供辅助燃料(如，馏出物、生物柴油、乙醇等)流。液体燃料***250可包括液体 燃料通路260。液体燃料通路260可从预混液体燃料进口270延伸至多个预混燃料喷射器280。在该实例中，示出了六(6)个预混燃料喷射器280，但在这里可使用任何数目。预混液体燃料喷射器280可如图所示在单个平面中对准，并且/或者喷射器280可处于交错的构造。
预混燃料喷射器280中的各个可为液体燃料雾化器290。如图5所示，各液体燃料雾化器290可包括定位在外护套310内的内旋流器300。内旋流器300可包括通向上凸缘330的下柄320。多个槽口340可定位在上凸缘330内。槽口340可成角度。可使用任何数目的槽口340。预混液体燃料流因此可流过预混液体燃料通路260。上护套310可包括其中的窄孔口350。预混液体燃料可在其流过内旋流器300的上凸缘340的槽口340时加速和雾化。流然后又可在其穿过窄孔口350且进入预混室150中以用于与其中的空气流20混合时加速。预混液体燃料喷射器280可在旋流器导叶160下游围绕毂130安装，以便通过扭曲气体燃料/空气混合物分布来在依靠气体燃料操作时避免削弱整体预混燃料喷嘴100的空气动力或削弱可操作性和/或排放符合性。
在使用中，预混燃料喷嘴100将经由气体通路180和旋流器导叶160的燃料喷射端口170的燃料流30(诸如天然气)与经由空气入口120来自压缩机15或其他空气流20混合。流可在旋流器导叶160下游涡旋，且在燃烧区60内点燃之前在预混室150内混合。类似地，引燃液体燃料的流可在用于以液体燃料启动涡轮的焚烧速度下使用，以加速至最高轴速度，且用于低部分负载操作。引燃液体燃料可为直接燃料喷射、扩散焰。备选地，水流或其他类型的流体也可穿过引燃液体燃料通路220或别处。水流可在依靠液体燃料操作时提供期望的附加的排放控制。
预混燃料喷嘴100还向液体燃料***250提供了液体燃料雾化器290，以便提高蒸发液体燃料和使液体燃料蒸气与空气流20混合的能力。因此，预混燃料喷嘴100提供在引燃末梢210处或通过预混液体燃料喷射器280加入喷射的两级液体***，以用于可靠的点燃、加速至全速无负载状态，和部分负载操作。而且，预混液体燃料喷射器280可在可能要求排放符合性时在负载下使用。
预混燃料喷嘴100还可减少总体水消耗，同时改善气体热效率。液体燃料雾化器290可使流雾化，以减小峰值燃料/空气比，和下游燃烧区60中的温度。该减小可减少喷水的需要。具体而言，通过液体燃料雾化器290使液体燃料蒸发可减少对水的总体需要，同时在依靠气体燃料操作时保持在排放参数内。而且，由于避免了对过量水喷射的需要以及消除了水的成本，故可降低总体维护成本。因此，整个水***可减小尺寸和复杂性。其他成本也可通过根据需要使用用于引燃燃料流和水流二者的引燃液体燃料通路220来降低。如果需要进一步减少NOx排放，则将使用引燃水喷射。此外，可使用引燃水喷射来例如满足25ppm限制，而非通常更高的法规限制。
具体而言，引燃器可用于在以油启动时，且在从气体到液体的初始燃料转变过程中产生焚烧速度下的可点燃喷雾。引燃器在尺寸方面确定成使得燃气涡轮可专门通过使用引燃器而在‘运转预备’(最低可能负载)下操作。排放法规大体上不要求符合低于满负载的大约百分之五十(50%)。一旦处于更高的负载，且当燃烧器入口状态(压力和温度)足够高，使得预混火焰稳定时，引燃油回路可关闭且被水冲洗来确保移除所有的油。该冲洗防止了残油的热分解和喷嘴的堵塞，否则它们将影响可靠性。如果当地规定使得需要通过喷进行水的附加NOx抑制，则可通过引燃回路直接地喷射少得多的量的水。如果涡轮或电网在这些情形下存在问题，从而需要满载中断(当发电机断路器断开时降低几百兆瓦的功率)，则没有时间关闭水和使引燃器恢复，因为燃气涡轮在几秒内达到全速无负载状态。燃料流速必须快速降低，以避免轴的超速，且然而燃烧***应保持点燃来允许快速恢复和重新加载。该程序将负载中断至中心主液体回路。引燃水也将对于负载中断关闭。
应当清楚的是，前文仅涉及本申请和所得的专利的某些实施例。本领域技术人员可在此作出许多变化和改型，而不脱离由以下权利要求及其等同物限定的本发明的总体精神和范围。

Claims (15)

1.一种用于使用主燃料和辅助燃料的燃气涡轮发动机(10)的燃料喷嘴(100)，包括：
周向围绕所述燃料喷嘴的纵向轴设置的内环形壁（1 30）；
围绕所述内环形壁的至少一部分的外环形护罩（110）；
界定于所述外环形护罩和所述内环形壁之间的预混室（150），其中所述外环形护罩和所述内环形壁沿所述纵向轴延伸；
用于主燃料的多个主燃料喷射端口(170)，所述多个主燃料喷射端口与所述预混室流体连通设置；
沿着所述纵向轴定位的水通路；和
用于使所述辅助燃料雾化的辅助燃料蒸发器***，所述辅助燃料蒸发器***包括多个雾化器，所述多个雾化器设置于所述内环形壁内并从所述纵向轴径向向外延伸，其中所述雾化器中的每一个雾化器邻近所述预混室定位并且相对于所述预混室径向向内布置。
2.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(100)，其特征在于，还包括多个旋流器导叶(160)，所述多个旋流器导叶(160)具有定位在其上的所述多个主燃料喷射端口(170)。
3.根据权利要求2所述的燃料喷嘴(100)，其特征在于，所述多个旋流器导叶(160)围绕所述预混室(150)定位。
4.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(100)，其特征在于，所述主燃料包括天然气流。
5.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(100)，其特征在于，所述水通路包括引燃液体燃料通路。
6.根据权利要求5所述的燃料喷嘴(100)，其特征在于，所述引燃液体燃料通路延伸至引燃末梢(210)。
7.根据权利要求6所述的燃料喷嘴(100)，其特征在于，所述引燃末梢(210)包括围绕其的引燃旋流器(240)。
8.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(100)，其特征在于，还包括与所述多个辅助燃料喷射器(280)连通的辅助燃料通路(260)。
9.根据权利要求8所述的燃料喷嘴(100)，其特征在于，所述辅助燃料包括液体燃料流。
10.根据权利要求1所述的燃料喷嘴(100)，其特征在于，所述多个雾化器中的每个雾化器垂直于所述纵向轴设置。
11.根据权利要求10所述的燃料喷嘴(100)，其特征在于，所述多个雾化器中的每个雾化器包括雾化旋流器(300)。
12.根据权利要求11所述的燃料喷嘴(100)，其特征在于，所述雾化旋流器(300)包括柄(320)和凸缘(330)。
13.根据权利要求11所述的燃料喷嘴(100)，其特征在于，所述雾化旋流器(300)包括其中的多个槽口(340)。
14.根据权利要求11所述的燃料喷嘴(100)，其特征在于，所述多个雾化器中的每一个雾化器包括护套(310)，所述护套(310)在其中具有孔口(350)，其中所述雾化器旋流器设置于所述护套内。
15.一种用于使用主燃料和辅助燃料的燃气涡轮发动机(10)的燃料喷嘴(100)，包括：
周向围绕所述燃料喷嘴的纵向轴设置的内环形壁（1 30）；
围绕所述内环形壁的至少一部分的外环形护罩（110）；
界定于所述外环形护罩和所述内环形壁之间的预混室（150），其中所述外环形护罩和所述内环形壁沿所述纵向轴延伸；
具有多个天然气喷射端口(170)的多个旋流器叶片，所述多个天然气喷射端口与所述预混室流体连通设置；
沿着所述纵向轴定位的水通路；和
设置在所述内环形壁内、并从所述纵向轴径向向外延伸的多个液体燃料雾化器，其中所述多个液体燃料雾化器中的每一个雾化器邻近所述预混室定位并且相对于所述预混室径向向内布置。
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