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CN101725972A - 燃烧室燃烧器小叶片 - Google Patents

燃烧室燃烧器小叶片 Download PDF

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CN101725972A
CN101725972A CN200910168419A CN200910168419A CN101725972A CN 101725972 A CN101725972 A CN 101725972A CN 200910168419 A CN200910168419 A CN 200910168419A CN 200910168419 A CN200910168419 A CN 200910168419A CN 101725972 A CN101725972 A CN 101725972A
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CN
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vanelets
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B·莱西
B·瓦拉塔拉延
G·O·克雷默
E·伊尔梅斯
左柏芳
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Abstract

本发明涉及燃烧器燃烧室小叶片。本申请提供了一种用于与燃气轮机发动机(10)的燃烧室(30)一起使用的燃烧器(150)。该燃烧器(150)可包括中心毂(100)、护罩(110)、从中心毂(100)向护罩(110)延伸的一对燃料叶片(120)，以及从中心毂(100)和/或护罩(110)延伸且定位在该对燃料叶片(120)之间的小叶片(160)。

Description

燃烧室燃烧器小叶片
关于联邦政府赞助的研究和开发的声明
本发明在美国能源部授予的合同No.DE-FC26-05NT42643下由美国政府支持完成。美国政府享有本发明的某些权利。
技术领域
本申请大体涉及燃气轮机发动机，且更具体地涉及具有定位在燃料叶片之间的小叶片(vanelet)的燃烧室燃烧器。
背景技术
已知多种类型的燃烧室，且其被用于燃气轮机发动机中。取决于使用的燃料的类型，这些燃烧室又大体使用不同类型的燃料燃烧器或喷嘴。例如，大多数燃烧天然气的系统使用贫燃预混合火焰来操作。在这些系统中，燃料在反应区的上游与空气混合，以产生预混合火焰。一个实例是“旋流式喷嘴”(swozzle)(旋流器+喷嘴)，其中燃料孔定位在多个延伸的叶片周围，以便将燃料喷射到空气流中。备选地，在使用合成气或其它类型的燃料的系统中，由于燃料的反应性一般更高，可用扩散喷嘴将燃料和空气直接喷射到燃烧腔室中。
但是，目前的燃烧室设计都集中在与天然气和其它类型的燃料的使用相关的燃料适应性上。结果，当使用相同的构件而从一种类型的燃料转换到另一种类型的燃料时，可能会出现操作性问题。例如，与天然气相对比，由于合成气具有更低的修改的沃伯指数，其可具有高得多的体积流率。由于这种情况和这些燃料中的一些燃料的高反应性，可能会出现火焰稳定问题。因此燃烧室及其构件的设计应该适应这些变化的燃料特性，诸如不同的燃料反应性、燃料温度、热值、分子量等。
从而大体上需要改进了的燃烧室构件，且特别地需要改进了的燃烧器。这样的燃烧器可提供良好的燃料和空气的混合，以获得更好的燃料适应性，同时保持系统效率且限制整体排放。这种燃料适应性系统将适应天然气和其它类型的燃料，而无需昂贵的设备转换。
发明内容
因此本申请提供了一种用于与燃气轮机发动机的燃烧室一起使用的燃烧器。该燃烧器可包括中心毂、护罩、从中心毂向护罩延伸的一对燃料叶片，以及从中心毂和/或护罩延伸且定位在该对燃料叶片之间的小叶片。
本申请进一步提供了一种在燃气轮机的燃烧室燃烧器中混合燃料和空气的方法。该方法包括以下步骤：使空气流入旋流式喷嘴组件中、使燃料流过旋流式喷嘴组件中的多个燃料叶片、为空气流和燃料流赋予漩涡以产生预混合流，以及将小叶片定位在燃料叶片的其中一对之间，以便在预混合流离开燃料喷嘴时至少将预混合流保持在预定的速度。
本申请进一步提供了一种用于与燃气轮机发动机的燃烧室一起使用的旋流式喷嘴组件。该旋流式喷嘴组件可包括中心毂，护罩，从中心毂向护罩延伸的多个旋流式喷嘴叶片，以及多个小叶片，该多个小叶片从中心毂和/或护罩延伸，且其中小叶片中的一个定位在各对旋流式喷嘴叶片之间。
在结合若干附图和所附的权利要求书阅读以下具体实施方式后，本专利申请的这些和其它特征对于本领域的普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
图1是燃气轮机发动机的示意图。
图2是传统的旋流式喷嘴型燃烧器的部分截面示意图。
图3是图2的旋流式喷嘴燃烧器的燃料叶片的透视图。
图4是在如本文所述的旋流式喷嘴燃烧器中的具有小叶片的燃料叶片的透视图。
图5是图4的小叶片的平面图。
图6是具有延伸的小叶片的如本文所述的旋流式喷嘴燃烧器的一个备选实施例。
图7是具有定位在护罩上的小叶片的如本文所述的旋流式喷嘴燃烧器的一个备选实施例。
部件列表：
10    燃气轮机发动机
20    压缩机
30    燃烧室
40    涡轮机
50    负载
60    旋流式喷嘴燃烧器
70    燃料通路
80    扩散末端
90    旋流式喷嘴组件
100   毂
110   护罩
120   燃料叶片
122   上游端
124   下游端
130   燃料喷射孔
140   空气入口
150   旋流式喷嘴燃烧器
160   小叶片
170    燃料喷射孔
180    旋流式喷嘴燃烧器
190    小叶片
200    燃料喷射孔
210    旋流式喷嘴燃烧器
220    小叶片
具体实施方式
现参看附图，其中贯穿若干视图中相同标号指的是相同的元件，图1显示了燃气轮机发动机10的示意图。如已知的，燃气轮机发动机10可包括压缩机20，以压缩进入的空气流。压缩机20将被压缩的空气流输送到燃烧室30。燃烧室30使被压缩的空气流与燃料流混合，且点燃该混合物。(尽管只显示了单个燃烧室30，但是燃气轮机发动机10可包括任何数量的燃烧室30。)热的燃烧气体又被输送到涡轮机40。涡轮机40驱动压缩机20和外部负载50，例如发电机等。在本文中燃气轮机发动机10可使用其它构造和构件。燃气轮机发动机10可使用天然气、各种类型的合成气以及其它燃料。
图2显示了旋流式喷嘴燃烧器60，其可与以上所述的燃烧室30一起使用。如已知的，旋流式喷嘴燃烧器60可包括多个环形燃料通路70。环形燃料通路70中的一些可延伸到扩散末端80，而其它环形燃料通路70可延伸到旋流式喷嘴组件90。旋流式喷嘴组件90可包括中心主体或毂100以及由一系列的翼型形状的燃料叶片120连接的护罩110。各个叶片120均可具有上游端122和下游端124。如图2和3所示，各个燃料叶片120均可包括一个或多个燃料喷射孔130。旋流式喷嘴组件90还在燃料叶片120上游限定了空气入口140。本文中可使用其它构造的旋流式喷嘴燃烧器60和旋流式喷嘴组件90。
在操作中，从燃料叶片120的燃料喷射孔130喷射的燃料由此与来自空气入口140的进入气流混合。燃料叶片120的形状为燃料流和空气流赋予漩涡，以便促进预混合流中的良好的混合。然后在旋流式喷嘴组件90的下游点燃预混合流。
图4和5显示了如本文所述的旋流式喷嘴燃烧器150的部分。旋流式喷嘴燃烧器150可包括以上所述的旋流式喷嘴燃烧器60的构件。旋流式喷嘴燃烧器150还包括多个小叶片160。小叶片160可定位在以上所述的燃料叶片120之间。小叶片160可定位在燃料叶片120的下游端124附近，且可朝上游端122延伸任何长度，如图4的最右边的两个小叶片所示。小叶片160还可定位在燃料叶片120的下游端124上游的任何地方，且可朝上游端122延伸任何长度，如图4中的最左边的小叶片所示。小叶片160可具有如图所示的椭圆形形状或任何期望的形状或期望的大小。小叶片160可在其中包括一个或多个燃料喷射孔170。还可在没有燃料喷射孔170的情况下使用小叶片160。另外，小叶片160中的一些可具有燃料喷射孔170而其它的小叶片160可不具有燃料喷射孔170。可使用任何数量的小叶片160。小叶片160还可延伸离开毂100或从护罩110延伸下来，下文将对此进行描述。
图6显示了旋流式喷嘴燃烧器180的一个备选实施例。在这个实施例中，旋流式喷嘴燃烧器180可具有至少部分地延伸超过燃料叶片120的下游端124的多个小叶片190。小叶片190可具有如图所示的椭圆形形状或任何期望的形状或期望的大小。小叶片190还可在其中具有燃料喷射孔200。还可在没有燃料喷射孔200的情况下使用小叶片190。另外，小叶片190中的一些可具有燃料喷射孔200而其它的小叶片190可不具有燃料喷射孔200。可使用任何数量的小叶片190。
图7显示了旋流式喷嘴燃烧器210的一个备选实施例。在这个实施例中，旋流式喷嘴燃烧器210可具有多个小叶片220，该多个小叶片220与毂100相对而定位在护罩110周围。小叶片220同样可具有椭圆形形状或任何期望的形状或期望的大小。如果需要，小叶片220也可在其中具有燃料喷射孔。可以使用任何数量的小叶片220。小叶片220中的若干可定位在护罩110上，而其它的小叶片220可定位在毂100上。
随着燃料流沿着各个叶片120向下游延伸，在燃料叶片120之间使用小叶片160、190、220有助于保持混合物的速度。特别地，随着叶片120朝下游端124渐缩，燃料/空气混合物在各个叶片120的转向部分中保持高的速度。小叶片160、190、220从而容许减少漩涡及增大混合物的轴向速度。这个被保持的、预定的速度允许沿着主叶片120减少漩涡，而不会在邻近主叶片120的地方产生膨胀区或低速区，直到流处在更下游。小叶片160、190、220还可通过由相对的叶片120防止燃料喷射孔170之间的相互作用来提供隔离(sequestration)。流隔离还可改进火焰稳定界限。小叶片160、190、220还可用作猝熄表面(quenching surface)。
与燃料喷射孔170、200一起使用小叶片160、190、220还提供了辅助的燃料喷射点，从而可减少来自燃料叶片120的主燃料喷射孔130的燃料流。还可减小燃料喷射孔130的大小。主要的流的这种减小可改进火焰稳定界限。
如上所述，反应性更高的燃料，例如高氢合成气，通常以扩散的模式燃烧，而不是在旋流式喷嘴组件90中预混合。通过提供燃料流的更高轴向速度，小叶片160、190、220可允许对这些反应性更高的燃料进行预混合，同时保持减少的氮氧化物(NOx)排放。还可减少对稀释剂流的需要。小叶片160、190、220因此可通过对于给定的压降容许有更高的轴向速度来改进反应性更高的燃料的燃料稳定界限。
可使用小叶片160、190、220的燃料喷射孔170、200来喷射备选的燃料，以便提供更大的燃料适应性。还可使用小叶片160、190、220的燃料喷射孔170、200来喷射稀释剂、惰性气体，或其它类型的流体。
因此，使用小叶片160、190、220的燃料喷射孔170、200允许流过主叶片120的燃料流减少，以及/或允许燃料喷射孔130的大小减小。通过容许预混合其它燃料以便保持低NOx排放，小叶片160、190、220的燃料喷射孔170、200进一步对主燃料喷射孔130的修改的沃伯指数范围外的燃料提供燃料适应性。
将显而易见的是，前述内容仅涉及本申请的某些实施例，且在不偏离所附的权利要求书及其等效物所限定的本发明的一般精神和范围的情况下，在此可由本领域普通技术人员进行许多改变和修改。

Claims (10)

1.一种用于与燃气轮机发动机(10)的燃烧室(30)一起使用的燃烧器(150)，其包括：
中心毂(100)；
护罩(110)；
从所述中心毂(100)向所述护罩(110)延伸的一对燃料叶片(120)；
从所述中心毂(100)和/或所述护罩(110)延伸且定位在所述一对燃料叶片(120)之间的小叶片(160)。
2.根据权利要求1所述的燃烧器(150)，其特征在于，所述燃烧器(150)进一步包括多个燃料叶片(120)和多个小叶片(160)，其中所述多个小叶片(160)中的一个定位在所述多个燃料叶片(120)中的各对之间。
3.根据权利要求1所述的燃烧器(150)，其特征在于，所述小叶片(160)包括燃料喷射孔(170)。
4.根据权利要求2所述的燃烧器(150)，其特征在于，所述多个小叶片(160)中的一个或多个包括燃料喷射孔(170)。
5.根据权利要求1所述的燃烧器(150)，其特征在于，所述一对燃料叶片(120)中的各个均包括翼型形状。
6.根据权利要求1所述的燃烧器(150)，其特征在于，所述一对燃料叶片(120)中的各个均包括上游端(122)和下游端(124)，并且其中，所述小叶片(160)定位在所述下游端(124)周围。
7.根据权利要求1所述的燃烧器(150)，其特征在于，所述一对燃料叶片(120)中的各个均包括上游端(122)和下游端(124)，并且其中，所述小叶片(160)定位成至少部分地超过所述下游端(124)。
8.一种在燃气轮机(10)的燃烧室燃烧器(150)中混合燃料和空气的方法，其包括：
使所述空气流入旋流式喷嘴组件(90)中；
使所述燃料流过所述旋流式喷嘴组件(90)中的多个燃料叶片(120)；
为所述空气流和所述燃料流赋予漩涡，以产生预混合流；以及
将小叶片(160)定位在所述多个燃料叶片(120)其中的一对之间，以便在所述预混合流离开所述多个燃料喷嘴(120)时至少将所述预混合流保持在预定的速度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，使所述燃料流动包括使合成气流动。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使辅助燃料流流过所述小叶片(120)。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20100609