專利名稱：耐火焰主噴嘴設(shè)計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃燒器燃料噴嘴，且更具體地涉及一種燃燒器燃料噴嘴，其包括在高反應(yīng)性低沃泊(WObbe)燃料操作中用以降低主燃料噴嘴導(dǎo)葉內(nèi)火焰穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)的器件。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)廣泛地用于動(dòng)力生成的商業(yè)操作。圖1顯示了本領(lǐng)域中公知的典型燃?xì)廨啓C(jī)10。如圖1中所示，燃?xì)廨啓C(jī)10大體上包括位于前方的壓縮機(jī)12、圍繞中部的一個(gè)或多個(gè)燃燒器14，以及位于后方的渦輪16。壓縮機(jī)12和渦輪16通常共用公共的轉(zhuǎn)子。壓縮機(jī)12逐漸地壓縮工作流體和排放壓縮的工作流體至燃燒器14。燃燒器14噴射燃料到壓縮的工作流體流中并點(diǎn)燃混合物以產(chǎn)生具有高的溫度、壓力和速度的燃燒氣體。燃燒氣體離開燃燒器14并流動(dòng)至渦輪16，在其中燃燒氣體膨脹以做功。圖2提供了本領(lǐng)域中公知的燃燒器20的簡(jiǎn)化截面圖。殼體22環(huán)繞燃燒器20以容納來自壓縮機(jī)12的壓縮工作流體。噴嘴布置在端蓋中，例如，如圖2中所示那樣主噴嘴 28徑向地圍繞副噴嘴30布置。噴嘴28，30下游的襯套32限定通過文丘里喉部(或縮窄段，throat) 38隔開的上游室34和下游室36。來自壓縮機(jī)12的壓縮工作流體在殼體22和襯套32之間流動(dòng)通向主噴嘴28和副噴嘴30。主噴嘴28和副噴嘴30將燃料與壓縮的工作流體相混合，且混合物從主噴嘴28和副噴嘴30流動(dòng)進(jìn)入上游室34和下游室36中，在其中發(fā)生燃燒。在全速基本負(fù)載操作期間，燃料和壓縮工作流體混合物經(jīng)過主噴嘴28和副噴嘴 30的流率足夠高，使得燃燒僅發(fā)生在下游室36中。然而，在降低功率操作期間，主噴嘴28 以擴(kuò)散模式操作，在擴(kuò)散模式中來自主噴嘴28的燃料和壓縮工作流體混合物的流率降低， 使得來自主噴嘴28的燃料和壓縮工作流體混合物的燃燒發(fā)生在上游室34中。諸如天然氣的較低反應(yīng)性燃料通常具有較低的火焰速度。由于較低的天然氣火焰速度，來自以擴(kuò)散模式操作的主噴嘴28的燃料和壓縮工作混合物的流率足夠高，使得上游室34中的燃燒發(fā)生在距主噴嘴28的足夠距離處以防止燃燒過度地加熱主噴嘴28和/或使主噴嘴28熔化。然而，較高反應(yīng)性的燃料，例如合成氣體、氫、一氧化碳、乙烷、丁烷、丙烷或較高反應(yīng)性碳?xì)浠衔锏幕旌衔铮ǔ＞哂休^高的火焰速度。較高反應(yīng)性燃料增加的火焰速度使得上游室34中的燃燒移動(dòng)得更接近主噴嘴28。在上游室34中處于擴(kuò)散模式操作下的局部火焰溫度可遠(yuǎn)高于主噴嘴28材料的熔點(diǎn)。結(jié)果，以擴(kuò)散模式操作的主噴嘴28會(huì)經(jīng)歷過度加熱，從而導(dǎo)致過早和/或?yàn)?zāi)難性故障。燃料端口通常定位在導(dǎo)葉之間以噴射導(dǎo)葉之間的燃料到進(jìn)入空氣中。導(dǎo)葉之間的空間受到限制，以及對(duì)于高反應(yīng)性燃料，在擴(kuò)散模式操作期間增加了在燃料噴口中火焰穩(wěn)定的機(jī)會(huì)，這會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞噴嘴，從而限制燃燒系統(tǒng)的燃料靈活性。

發(fā)明內(nèi)容
在示例性實(shí)施例中，一種燃料噴嘴，包括具有限定環(huán)形腔的側(cè)壁和前壁的噴嘴腔，以及周向地圍繞噴嘴腔外表面布置的旋流器導(dǎo)葉。多個(gè)端口形成在側(cè)壁和前壁的其中一個(gè)內(nèi)且圍繞其周向地間隔開。該多個(gè)端口提供穿過側(cè)壁或前壁的流體連通。該多個(gè)端口以定位或定向中的至少一種方式使得限定在側(cè)壁或前壁中且穿過該側(cè)壁或前壁連通的燃料噴口向旋流器導(dǎo)葉的下游連通。在另一示例性實(shí)施例中，一種燃料噴嘴包括具有限定環(huán)形腔的側(cè)壁的噴嘴腔，其中，側(cè)壁成漸縮形使得噴嘴腔為部分圓錐形狀。旋流器導(dǎo)葉圍繞噴嘴腔的外表面周向地布置。多個(gè)端口形成在側(cè)壁中且圍繞其周向地間隔開。該多個(gè)端口提供穿過側(cè)壁的流體連通。 該多個(gè)端口在軸向方向上相對(duì)于側(cè)壁定向成大于90°的角。在再一示例性實(shí)施例中，一種降低主燃料噴嘴導(dǎo)葉內(nèi)火焰穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)的方法，包括步驟(a)形成包括側(cè)壁并限定環(huán)形腔的噴嘴腔；(b)周向地圍繞噴嘴腔的外表面布置旋流器導(dǎo)葉；以及(c)形成在側(cè)壁中且圍繞其周向地間隔開的多個(gè)端口，該多個(gè)端口提供穿過側(cè)壁的流體連通，其中，該多個(gè)端口以定位或定向中的至少一種方式使得限定在側(cè)壁中且穿過側(cè)壁連通的燃料噴口向旋流器導(dǎo)葉的下游連通。


圖1是燃?xì)廨啓C(jī)的簡(jiǎn)化截面圖； 圖2是燃燒器的簡(jiǎn)化截面圖； 圖3是經(jīng)過現(xiàn)有燃料噴嘴的截面視圖； 圖4是示出具有軸向延伸長(zhǎng)度的燃料噴嘴的截面視圖； 圖5是示出具有成一定角度定向的燃料端口的燃料噴嘴的截面視圖； 圖6是示出具有軸向延伸長(zhǎng)度和成一定角度定向的燃料端口二者的燃料噴嘴的 視圖；以及
圖7是示出在前面中具有燃料端口的燃料噴嘴的截面視圖。零件清單
燃?xì)廨啓C(jī)10
壓縮機(jī)12
燃燒器14
渦輪16
燃燒器20
殼體22
主噴嘴28
副噴嘴30
襯套32
上游室34
下游室36
文丘里喉部38
噴嘴40，140，240，340，440
噴嘴本體42，142，242，342，442
環(huán)形腔44，144，244，344，444
5
旋流器導(dǎo)葉46，146，246，346，456噴嘴噴燃器管247，347側(cè)壁52，152，252，352，452孔口58，158，258，358，458
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將詳細(xì)描述本發(fā)明的現(xiàn)有實(shí)施例，其中的一個(gè)或多個(gè)實(shí)例已在附圖中示出。 詳細(xì)描述使用數(shù)字和字母標(biāo)記來指代附圖中的特征。附圖和描述中相同或相似的標(biāo)記用于指代本發(fā)明的相同或相似的部分。圖3示出了常規(guī)噴嘴40的截面圖。噴嘴40大體上包括在內(nèi)部限定環(huán)形腔44的噴嘴本體42以及周向地圍繞噴嘴本體42的下游外表面布置的旋流器導(dǎo)葉46。供送至噴嘴本體42的燃料流動(dòng)經(jīng)過環(huán)形腔44且在旋流器導(dǎo)葉46附近離開。來自壓縮機(jī)12的壓縮工作流體與來自環(huán)形腔44的燃料相混合且從噴嘴40流動(dòng)進(jìn)入上游燃燒室34中。噴嘴本體42包括限定環(huán)形腔44形狀的側(cè)壁52。多個(gè)孔口 58或端口形成在側(cè)壁 52中且圍繞側(cè)壁52周向地間隔開以提供穿過側(cè)壁52的流體連通。在常規(guī)構(gòu)造中，環(huán)形腔44中的燃料經(jīng)由孔口 58噴射以與旋流器導(dǎo)葉46中的空氣相混合(參見圖3中的箭頭A和箭頭B)。如圖所示，燃料端口引向環(huán)繞的硬件(導(dǎo)葉、噴燃器管等)，且尤其是對(duì)于高反應(yīng)性燃料可能會(huì)發(fā)生火焰穩(wěn)定，從而引起損壞硬件的風(fēng)險(xiǎn)。參考圖4至圖7，噴嘴更改為使得燃料端口定位和/或定向成使得穿過噴嘴側(cè)壁 (或前面-圖7)連通的燃料噴口向旋流器導(dǎo)葉的下游連通。在圖4中，噴嘴140軸向地延伸；即是說，側(cè)壁152具有軸向地延伸超出旋流器導(dǎo)葉146的軸向下游長(zhǎng)度。如圖所示，燃料端口 158形成在側(cè)壁152的位于旋流器導(dǎo)葉146下游的部分中。圖5中示出了一種備選構(gòu)造。在該實(shí)施例中，燃料端口 258成一定角度定向，使得燃料噴口向旋流器導(dǎo)葉246的下游連通(參見圖5中的箭頭A)。圖6示出了又一構(gòu)造，其將軸向延伸的側(cè)壁與定向的燃料端口相結(jié)合，使得端口 358定位在旋流器導(dǎo)葉346的下游且端口 358定向成一定角度，使得燃料噴口更進(jìn)一步向旋流器導(dǎo)葉346的下游連通(參見圖6中的箭頭A)。圖5和圖6中所示的構(gòu)造還用來通過向下游更遠(yuǎn)地引導(dǎo)燃料以保護(hù)噴嘴噴燃器管247，347。端口 258，358還可進(jìn)一步定向成具有復(fù)合角，使得燃料噴口向旋流器導(dǎo)葉246， 346的下游且徑向地向內(nèi)或向外連通。復(fù)合角促進(jìn)在燃燒之前更好地混合燃料和空氣。側(cè)壁152，252，352優(yōu)選成漸縮形，使得噴嘴腔144，244，344為部分圓錐形狀。在圖4中所示的實(shí)施例中，燃料端口 158在軸向方向上相對(duì)于側(cè)壁152成大約90°的角定向。 在圖5和圖6中所示的實(shí)施例中，燃料端口 258，358在軸向方向上相對(duì)于側(cè)壁252，352成大于90°的角定向。圖7示出了又一備選的噴嘴440，其中，燃料端口 458在側(cè)壁452的前方形成在噴嘴本體442中的腔444的前面中。燃料可直線地引導(dǎo)穿過前面(實(shí)線箭頭A)或以一定角度(虛線箭頭A)引向旋流器導(dǎo)葉446 (以及噴嘴噴燃器管)的下游。對(duì)于所述實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)，燃料噴口向旋流器導(dǎo)葉的下游連通，從而降低會(huì)導(dǎo)致硬件損壞的火焰穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)。重新定向的燃料噴口還降低歸因于燃料噴口穿透而引起的空氣阻塞，容許更多空氣進(jìn)行預(yù)混合。即是說，當(dāng)燃料噴射到旋流器導(dǎo)葉外時(shí)，尤其是對(duì)于低沃泊燃料，該結(jié)構(gòu)對(duì)于意圖用于預(yù)混合的進(jìn)入旋流器空氣較少地引起阻塞。對(duì)于很低反應(yīng)性沃泊燃料而言，空氣流還可降低以容許更多空間用于燃料噴射端口。
盡管已結(jié)合當(dāng)前認(rèn)為是最實(shí)用和優(yōu)選的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解的是， 本發(fā)明并不限于所公開的實(shí)施例，而是相反，本發(fā)明意圖涵蓋包括在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的多種變型和同等布置。
權(quán)利要求
1.一種燃料噴嘴，包括噴嘴腔(142，242，342，442)，其包括限定環(huán)形腔(144，244，344，444)的側(cè)壁(152，252， 352，452)和前壁；旋流器導(dǎo)葉(146，246，346，446)，其布置成周向地圍繞所述噴嘴腔的外表面；以及多個(gè)端口(158，258，358，458)，所述多個(gè)端口形成在所述側(cè)壁和所述前壁的一個(gè)中且圍繞其周向地間隔開，所述多個(gè)端口提供穿過所述側(cè)壁或所述前壁的流體連通，其中，所述多個(gè)端口以定位或定向中的至少一種方式使得限定在所述側(cè)壁或所述前壁中且穿過所述側(cè)壁或所述前壁連通的燃料噴口向所述旋流器導(dǎo)葉的下游連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴，其特征在于，所述側(cè)壁(152，252，352，452)包括軸向地延伸超出所述旋流器導(dǎo)葉(146，246，346，446)的軸向下游長(zhǎng)度，以及其中，所述多個(gè)端口(158，258，358，458)形成在所述側(cè)壁或所述前壁的位于所述旋流器導(dǎo)葉下游的部分中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料噴嘴，其特征在于，所述多個(gè)端口定向成一定角度，使得所述燃料噴口向所述旋流器導(dǎo)葉的下游連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料噴嘴，其特征在于，所述多個(gè)端口(158，258，358，458)定向成具有復(fù)合角，使得所述燃料噴口向所述旋流器導(dǎo)葉(146，246，346，446)的下游且徑向地向內(nèi)或向外連通。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴，其特征在于，所述多個(gè)端口(158，258，358，458)定向成一定角度，使得所述燃料噴口向所述旋流器導(dǎo)葉(146，246，346，446)的下游連通。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴，其特征在于，所述側(cè)壁(152，252，352，452)成漸縮形，使得所述噴嘴腔為部分圓錐形狀，以及其中，所述端口(158，258，358，458)在軸向方向上相對(duì)于所述側(cè)壁定向成至少大約90°的角。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴，其特征在于，所述側(cè)壁(152，252，352，452)成漸縮形，使得所述噴嘴腔為部分圓錐形狀，以及其中，所述端口(158，258，358，458)在軸向方向上相對(duì)于所述側(cè)壁定向成大于大約90°的角。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴，其特征在于，向所述旋流器導(dǎo)葉(146，246，346， 446)的下游連通的所述燃料噴口限定用于預(yù)混合空氣和低反應(yīng)性沃泊燃料中的至少一個(gè)的空間。
9.一種燃料噴嘴，包括噴嘴腔(142，242，342，442)，其包括限定環(huán)形腔(144，244，344，444)的側(cè)壁(152，252， 352，452)和前壁，其中，所述側(cè)壁成漸縮形，使得所述噴嘴腔為部分圓錐形狀；旋流器導(dǎo)葉(146，246，346，446)，其布置成周向地圍繞所述噴嘴腔的外表面；以及多個(gè)端口(158，258，358，458)，所述多個(gè)端口形成在所述側(cè)壁中且圍繞其周向地間隔開，所述多個(gè)端口提供穿過所述側(cè)壁的流體連通，其中，所述多個(gè)端口在軸向方向上相對(duì)于所述側(cè)壁定向成大于大約90°的角。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料噴嘴，其特征在于，所述側(cè)壁(152，252，352，452)包括軸向地延伸超出所述旋流器導(dǎo)葉(146，246，346，446)的軸向下游長(zhǎng)度，以及其中，所述多個(gè)端口(158，258，358，458)形成在所述側(cè)壁的位于所述旋流器導(dǎo)葉下游的部分中。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料噴嘴，其特征在于，所述多個(gè)端口(158，258，358，458)定向成具有復(fù)合角，使得所述燃料噴口向所述旋流器(146，246，346，446)的下游且徑向地向內(nèi)或向夕卜連通。
12.—種降低主燃料噴嘴導(dǎo)葉內(nèi)火焰穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)的方法，所述方法包括(a)形成包括側(cè)壁(152，252，352，452)和限定環(huán)形腔的噴嘴腔；(b)周向地圍繞所述噴嘴腔的外表面布置旋流器導(dǎo)葉(146，246，346，446)；以及(c)形成在所述側(cè)壁中且圍繞其周向地間隔開的多個(gè)端口(158，258，358，458)，所述多個(gè)端口提供穿過所述側(cè)壁的流體連通，其中，所述多個(gè)端口以定位或定向中的至少一種方式使得限定在所述側(cè)壁中且穿過所述側(cè)壁連通的燃料噴口向所述旋流器導(dǎo)葉的下游連ο
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述側(cè)壁(152，252，352，452)包括軸向地延伸超出所述旋流器導(dǎo)葉(146，246，346，446)的軸向下游長(zhǎng)度，以及其中，步驟(c)通過在所述側(cè)壁的位于所述旋流器導(dǎo)葉下游的部分中形成所述多個(gè)端口(158，258，358，458) 而予以實(shí)施。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，步驟(c)通過以一定角度將所述多個(gè)端口(158，258，358，458)定向成使得所述燃料噴口向所述旋流器導(dǎo)葉(146，246，346，446) 的下游連通而予以實(shí)施。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，步驟(c)通過使所述多個(gè)端口(158， 258,358,458)定向成具有復(fù)合角使得所述燃料噴口向所述旋流器導(dǎo)葉(146，246，346， 446)的下游且徑向地向內(nèi)或向外連通而予以實(shí)施。
全文摘要
本發(fā)明涉及耐火焰主噴嘴設(shè)計(jì)。具體而言，一種燃料噴嘴包括具有限定環(huán)形腔的側(cè)壁(152，252，352，452)的噴嘴腔，以及布置成周向地圍繞噴嘴腔外表面的旋流器導(dǎo)葉(146，246，346，446)。多個(gè)端口(158，258，358，458)形成在側(cè)壁中且圍繞噴嘴腔周向地間隔開。端口提供穿過側(cè)壁的流體連通。該多個(gè)端口定位和/或定向成使得穿過側(cè)壁連通的燃料噴口向旋流器導(dǎo)葉的下游連通。
文檔編號(hào)F23D14/48GK102444894SQ20111031091
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月7日
發(fā)明者A·R·罕, T·E·約翰遜 申請(qǐng)人:通用電氣公司