專利名稱：兩股流體流動(dòng)的火焰切向進(jìn)口噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是低NOx預(yù)混燃料噴嘴，具體地說(shuō)涉及的是用在氣體透平機(jī)的噴嘴。
高溫燃燒會(huì)生成氮氧化物(后面稱作NOx)，NOx是眾所周知的污染物，因此，對(duì)生成NOx的燃燒裝置的標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，以防止這些污染擴(kuò)散。所以，目前正致力于減少燃燒裝置中的NOx的生成。
一個(gè)解決方案在于使燃料與過(guò)量的空氣預(yù)混，這樣通過(guò)在局部用超量空氣進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生較低的燃燒溫度，由此形成最少的NOx。這樣運(yùn)行的燃料噴嘴在美國(guó)專利No.5307634中作了描述，該專利所介紹的渦形旋流器具有一個(gè)錐形中心本體。這種渦形旋流器包括兩個(gè)與兩塊端板相連的偏心圓柱式弧狀渦殼。燃燒空氣通過(guò)兩個(gè)由偏心渦殼構(gòu)成的矩形槽口進(jìn)入旋流器，然后經(jīng)一塊端板上的燃燒器入口排出，流入燃燒器中。外部渦殼上的與內(nèi)部后緣相對(duì)的一排孔將燃料從總管噴入到各入口槽處的氣流中，以便在排入燃燒器之前形成均勻的燃料空氣混合物。
已經(jīng)證明這種預(yù)混燃料噴嘴的NOx的擴(kuò)散量要比現(xiàn)有燃料的噴嘴少。但遺憾的是，由于噴嘴預(yù)混范圍內(nèi)的火焰穩(wěn)定性問(wèn)題，噴嘴耐力實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的問(wèn)題在于嚴(yán)重?fù)p害了中心本體。因此，當(dāng)將這種噴嘴用于氣體透平機(jī)中時(shí)，噴嘴的運(yùn)行壽命受到了限制。
人更們需要一種能大幅度減少燃燒火焰、穩(wěn)定燃料噴嘴內(nèi)部、排出所有確實(shí)進(jìn)入燃料噴嘴混合區(qū)中的火焰的切向進(jìn)氣噴嘴。
所以本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種切向進(jìn)氣燃料噴嘴，這種噴嘴可以大幅度減少燃燒火焰、穩(wěn)定燃料噴嘴內(nèi)部。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種比現(xiàn)有的切向進(jìn)氣噴嘴運(yùn)行壽命長(zhǎng)得多的切向進(jìn)氣燃料噴嘴。
本發(fā)明的切向進(jìn)氣燃料噴嘴包括一個(gè)縱向軸和兩個(gè)中心線彼此偏離的圓柱式弧狀渦殼。這些圓柱式弧狀渦殼的搭接端之間形成一個(gè)用于把預(yù)混的燃料和空氣排入到燃料噴嘴中的進(jìn)口槽。燃燒器一端的一塊端板有一個(gè)將一次空氣和燃料排入到燃燒器中的中心開(kāi)口，而在相反端由另一塊端板堵塞噴嘴的流通面積。將渦殼固定在這兩塊端板之間。將一個(gè)中心本體設(shè)置在與該本體軸同軸的渦殼之間。中心本體包括一個(gè)截錐部分，一個(gè)基座和第一及第二圓柱件，基座上至少有一個(gè)延伸通過(guò)該基座的供氣口，上述兩圓柱件有內(nèi)部通路，截錐部分朝著第一圓柱件通路的排氣口縮小，并終止于該排氣口。第二圓柱部分的通路位于截錐部分中，該通路的直徑大于上述排氣口的直徑。最好有一個(gè)與上述軸同軸的燃料噴管，該噴管延伸通過(guò)上述基座，并終止在第二通路中，該噴管向中心本體內(nèi)的空氣流中提供燃料。


圖1是沿著圖2的1-1線作的本發(fā)明燃料噴嘴的橫向剖面圖；圖2是沿著圖1的2-2線作的橫向剖面圖；圖3是沿著圖2的3-3線作的本發(fā)明燃料噴嘴的橫向剖面圖。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖1，本發(fā)明的低NOx預(yù)混燃料噴嘴10包括一個(gè)在渦形旋流器14內(nèi)的中心本體12。渦形旋流器14包括第一和第二端板16，18，第一端板與中心本體12相連，并與第二端板18隔開(kāi)一定的距離，第二端板上有一個(gè)延伸通過(guò)該端板的燃燒器進(jìn)口20。從第一端板16向第二端板18延伸有若干個(gè)圓柱式弧狀渦殼，最好有兩個(gè)這樣的渦殼22，24。
如圖2所示，渦殼件22，24繞著噴嘴10的縱軸26均勻隔開(kāi)，由此在它們之間限定出混合區(qū)28。每一個(gè)渦殼件22，24都有一個(gè)對(duì)著縱軸26的徑向內(nèi)表面，并限定出繞中心線32，34旋轉(zhuǎn)的部分回轉(zhuǎn)表面。這兒所用的詞＂部分回轉(zhuǎn)表面＂指的是使一根線旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的表面，該表面比繞任一根中心線32，34作完整轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)形成的表面小。
如圖2所示，每一個(gè)渦殼件22與另一個(gè)渦殼件24隔開(kāi)，每一個(gè)渦殼件22，24的中心線32，34都位于混合區(qū)28內(nèi)。參見(jiàn)圖3，每根中心線32，34與縱軸26平行隔開(kāi)，所有的中心線32，34都與縱軸26隔開(kāi)相同的距離，這樣就在每一對(duì)相鄰的渦殼22，24之間限定出了平行于縱軸26延伸的進(jìn)口槽36，38，進(jìn)口槽將燃燒空氣40引入到混合區(qū)28。從壓縮機(jī)(未示出)出來(lái)的助燃空氣42流過(guò)由具有偏離中心線32，34的渦殼件22，24的搭接端44，50，48，46構(gòu)成的進(jìn)口槽36，38。
各個(gè)渦殼件22，24還有一個(gè)燃料管道52，54，當(dāng)燃燒空氣通過(guò)某一進(jìn)口槽36，38進(jìn)入混合區(qū)28中時(shí)，燃料管道將燃料引入到燃燒空氣40中。燃料第一管線(未示出)可以供應(yīng)液態(tài)或氣態(tài)燃料，但最好供應(yīng)氣態(tài)燃料，該管線與各燃料管道52，54相連。與縱軸26同軸的燃燒器進(jìn)口孔20緊靠燃燒器56，以便根據(jù)本發(fā)明將燃料和燃燒空氣排放到燃燒器56中，燃料和空氣在燃燒器中燃燒。
現(xiàn)在再參見(jiàn)圖1，中心本體12有一個(gè)基座58，基座至少有一個(gè)、最好有若干個(gè)延伸通過(guò)該基座的供氣孔60，62，基座58垂直于延伸通過(guò)該基座的縱軸26。中心本體12最好有一個(gè)與縱軸26同軸的內(nèi)部通路64。在本發(fā)明的此優(yōu)選實(shí)施例中，內(nèi)部通路64包括一個(gè)具有第一端68和第二端70的第一圓柱形流路66以及一個(gè)直徑比第一圓柱形流路66大的第二圓柱形流路72，第二流路也有第一端74和第二端76。第二圓柱形流路72通過(guò)一個(gè)錐形流路78與第一圓柱形流路66連通，錐形流路的第一端80的直徑與第一圓柱形流路66的直徑相同，錐形流路的第二端82的直徑與第二圓柱形流路72的直徑相同。各個(gè)流路66，72，78均與縱軸26同軸，錐形流路78的第一端80與第一圓柱形流路66的第二端70成一整體，而錐形流路78的第二端82與第二圓柱形流路72的第一端74成一整體。第一圓柱形流路66包括一個(gè)與縱軸26同軸的圓形排氣口68，該排氣口位于第一圓柱形流路66的第一端68處。雖然在本發(fā)明的此優(yōu)選實(shí)施例中，燃料和燃燒空氣均流過(guò)中心本體12，但本發(fā)明也可以用使燃料或燃燒空氣流過(guò)的中心本體，也可以用既不讓燃料也不讓空氣流過(guò)中心本體。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖3，中心本體12的徑向外表面84包括一個(gè)截錐體部分86和一個(gè)弧形部分88，截錐體部分限定出一個(gè)與縱軸26同軸、并朝著基座58擴(kuò)大的截錐外表面，弧形部分與截錐體部分86成一整體，□該弧形部分最好限定出一部分由圓周運(yùn)動(dòng)形成的表面，它與截錐體部分86相切，其中心在縱軸26周圍的徑向外側(cè)。在該優(yōu)選實(shí)施例中，截錐體部分86的一端所處的平面上開(kāi)有排氣口68，截錐體部分86的基座(不是中心本體的基座58)的直徑比該截錐體部分86頂端處的直徑大2.65倍。截錐體部分86的高度90(截錐體部分86的基座所處的平面和截錐體部分86的頂端所處的平面之間的距離)大約是截錐體部分86在其基座處的直徑的1.90倍。下面將進(jìn)一步詳細(xì)描述，位于基座58和截錐體部分86之間的弧形部分88的平緩過(guò)渡表面在軸向上使進(jìn)入切向噴嘴10中的燃燒空氣40轉(zhuǎn)向，這里的燃燒空氣是在基座58附近進(jìn)入噴嘴的。如圖3所示，內(nèi)部通路64沿徑向處在中心本體12的徑向外表面84之內(nèi)，截錐體部分86與縱軸26同軸，中心本體12與基座58相連，這樣截錐體部分86朝著第一圓柱形流路66的排氣口68變細(xì)，并終止于該排氣口處。
如圖2所示，截錐體部分86的基座設(shè)置在內(nèi)切于混合區(qū)28的圓92中，該圓的圓心94在縱軸26上。本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易明白，由于混合區(qū)28的截面不是圓的，所以弧形部分88裝入時(shí)肯定受到切割。在弧形部分88延伸到各個(gè)進(jìn)口槽36，38的地方，弧形部分88上留有斜面部分96，98，將斜面部分機(jī)加工形成翼形斜面96，98，翼形斜面引導(dǎo)進(jìn)入進(jìn)口槽36，38的空氣離開(kāi)基座58，到達(dá)混合區(qū)別管內(nèi)的弧形部分88上。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖1，該優(yōu)選實(shí)施例包括內(nèi)室100，該室位于中心本體12內(nèi)的基座58和第二圓柱形流路72的第二端76之間，該圓柱形流路的第二端終止于室100?？諝?02通過(guò)基座58上的供氣孔60，62供給室100，供氣孔與室100相連通，然后室100將空氣通過(guò)第二圓柱形流路72的第二端76供給內(nèi)部通路64。第一端板16上開(kāi)有與基座58上的供氣孔60，62對(duì)齊的孔104，106，這樣就不影響來(lái)自氣體透平壓縮機(jī)的燃燒空氣102的流動(dòng)。已有技術(shù)中的最好是徑向內(nèi)流式旋流器108與縱軸26同軸，并設(shè)置在室100中緊靠第二圓柱形流路72的第二端76的附近，從而使從室100進(jìn)入內(nèi)部通路64的所有空氣必須流過(guò)旋流器108。
該優(yōu)選實(shí)施例還包括一個(gè)燃料噴管110，該噴管也與縱軸26同軸，噴管延伸通過(guò)基座58，室100以及旋流器108，然后進(jìn)入內(nèi)部通路64的第二圓柱形流路72中。第二圓柱形流路72的較大直徑經(jīng)與燃料噴管110的橫截面相適應(yīng)，使第二圓柱形流路72的流道截面基本等于第一圓柱形流路66的流道截面?？梢怨?yīng)液體燃料或氣體燃料的第二燃料供應(yīng)管線(未示出)與燃料噴管110相連，以便將燃料供給燃料噴管110內(nèi)的內(nèi)部流路112中。燃料噴管110上開(kāi)有燃料噴口114，燃料噴口所提供的通路使燃料從燃料噴管110進(jìn)入內(nèi)部通路64中。
參見(jiàn)圖3，燃燒器進(jìn)口孔20與縱軸26同軸，該進(jìn)口孔有一個(gè)會(huì)聚面116和一個(gè)延伸到燃料噴管10的出口平面124的排氣表面118，該排氣表面可以呈圓柱形，會(huì)聚狀或擴(kuò)散狀。會(huì)聚面116和排氣表面118也與縱軸26同軸，會(huì)聚面116位于第一端板16和排氣表面118之間。會(huì)聚面116基本為錐形，它朝著排氣表面118變細(xì)。排氣表面118在喉部平面120和燃燒器孔的進(jìn)口20的燃燒器表面122之間延伸，進(jìn)口20垂直于縱軸26，并限定出本發(fā)明燃料噴嘴10的出口平面124。
會(huì)聚面116的終端在喉部平面120處，在此處的會(huì)聚面116的直徑等于排氣表面118的直徑。如圖3所示，喉部平面120在出口平面124和內(nèi)部通路64的排氣孔68之間，會(huì)聚面116位于排氣表面118和第一端板16之間。
在運(yùn)行中，來(lái)自氣體透平壓縮機(jī)的燃燒空氣流過(guò)孔104，106和基座58上的供氣孔60，62，進(jìn)入中心本體12的室100中。燃燒空氣經(jīng)徑向內(nèi)流旋流器108從室100中出來(lái)后，相對(duì)于縱軸26基本以切向速度或以渦流的形式進(jìn)入內(nèi)部通路64。當(dāng)該渦流的燃燒空氣通過(guò)燃料噴管10時(shí)，將最好是氣態(tài)的燃料從燃料噴管110中噴到內(nèi)部通路64內(nèi)，使其與渦流燃燒空氣進(jìn)行混合。然后，燃料和燃燒空氣的混合物從第二圓柱形流路72經(jīng)錐形流路78流入第一圓柱形流路66中。此后混合物沿著第一圓柱形流路66的長(zhǎng)度下行，混合物剛好在離燃燒器進(jìn)口孔20的喉部平面120不遠(yuǎn)處或剛好在該平面處從第一圓柱形流路66中流出，這樣就提供了燃料空氣混合的中心氣流。
來(lái)自氣體透平壓縮機(jī)的助燃空氣通過(guò)各個(gè)進(jìn)口槽36，38進(jìn)入混合區(qū)28。進(jìn)入緊靠基座58的進(jìn)口槽36，38中的空氣由斜面96，98引向弧形部分88，進(jìn)入渦形旋流器14的混合區(qū)28內(nèi)。供給燃料管道52，54的燃料(最好是氣態(tài)燃料)噴到流過(guò)進(jìn)口槽36，38的燃燒空氣中后與燃燒空氣混合。由于渦殼件22，24的形狀，該混合物在中心本體12周圍形成了環(huán)形渦流，當(dāng)燃料/空氣混合物作渦流運(yùn)動(dòng)時(shí)繼續(xù)混合，同時(shí)沿著縱軸26流向燃燒器進(jìn)口孔20。
由渦形旋流器14產(chǎn)生的環(huán)形渦流最好與第一圓柱形流路66中的旋流的燃料/空氣混合物一起轉(zhuǎn)動(dòng)(但并不限于此)，該環(huán)形渦流最好具有角速度，該角速度至少與第一圓柱形流路66中的燃料/空氣混合物的角速度一樣大。由于中心本體12的形狀，環(huán)形氣流的軸向速度保持在可以避免燃燒器火焰進(jìn)入渦形旋流器14中而穩(wěn)定在混合室28中的速度上。當(dāng)離開(kāi)第一圓柱形流路66時(shí)，渦形旋流器14的環(huán)形氣流包圍了中心氣流的燃料/空氣旋流混合物(或未燃?xì)饬?，這兩股氣流進(jìn)入燃燒器進(jìn)口孔20的喉部平面120處。
本發(fā)明通過(guò)大幅度增加中心本體12周圍作渦流運(yùn)動(dòng)的燃料/空氣混合物的軸向速度即可大幅度提高中心本體12的使用壽命。上述軸向速度是依靠弧形部分88和截錐部分86得到增加的，該弧形部分避免了通過(guò)緊靠基座58的進(jìn)口槽36，38進(jìn)入混合區(qū)28的空氣進(jìn)行再循環(huán)(小的軸向速度或沒(méi)有軸向速度)，而截錐部分86使環(huán)形氣流的軸向速度保持在避免火焰進(jìn)入中心本體12中的速度，只要火焰到達(dá)中心本體，則這種速度可以將火焰排出。
盡管結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，在不超出本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍的前提下，可以對(duì)本發(fā)明的形式和細(xì)節(jié)做出各種變化。
權(quán)利要求
1.一種用于氣體透平機(jī)的燃料噴嘴，該噴嘴包括一個(gè)中心本體，該本體有一個(gè)縱軸，一個(gè)基座和一個(gè)徑向外表面，徑向外表面包括一個(gè)截錐體部分，該截錐體部分限定出一個(gè)與縱軸同軸、并朝著基座擴(kuò)大的截錐外表面；一個(gè)渦形旋流器，該旋流體包括第一和第二端板，所述第一端板與所述第二端板隔開(kāi)一定的距離，所述第二端板上有一個(gè)延伸通過(guò)該端板的燃燒器進(jìn)口孔，所述進(jìn)口孔與所述軸同軸，在第一端板和第二端板之間有一個(gè)會(huì)聚表面，一個(gè)排氣表面和一個(gè)喉部表面；至少兩個(gè)圓柱式弧形渦殼，每個(gè)渦殼件限定出繞一根中心線部分轉(zhuǎn)動(dòng)的本體，所述的每個(gè)渦殼件從所述第一端板延伸到所述第二端板并在軸的周圍均勻隔開(kāi)，由此在它們之間限定出一個(gè)混合區(qū)，所述的各渦殼件彼此隔開(kāi)，所述的各中心線在所述的混合區(qū)內(nèi)，所述的各中心線與所述軸平行，并隔開(kāi)相同的距離，這樣就在所述的各對(duì)相鄰渦殼件之間限定出沿平行于所述軸延伸的進(jìn)口槽，這些槽將燃燒空氣引入到所述的混合區(qū)中，所述的各渦殼件包括一個(gè)用于將燃料送到通過(guò)上述某一進(jìn)口槽引入的燃燒空氣中的燃料管；其中所述的基座與所述第一端板相連，所述截錐部分延伸到所述燃燒器進(jìn)口孔中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴嘴，其中所述的中心本體包括一個(gè)弧形部分，該弧形部分與截錐體部分成一整體，該弧形部分最好限定出一部分由圓周運(yùn)動(dòng)形成的表面，該表面與截錐體部分相切，其中心在縱軸周圍的徑向外側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料噴嘴，其中所述的基座至少有一個(gè)延伸通過(guò)該基座的供氣孔，中心本體還有一個(gè)與縱軸同軸并與所述供氣孔連通的內(nèi)部通路，所述內(nèi)部通路包括一個(gè)圓形排氣孔，該排氣孔與所述縱軸同軸，并位于所述燃燒器進(jìn)口孔內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料噴嘴，其中所述的中心本體還包括一個(gè)內(nèi)室，該室位于所述基座和所述內(nèi)部通路之間，所述的供氣孔通過(guò)所述的室與所述的內(nèi)部通路連通。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料噴嘴，其中所述的內(nèi)部通路包括一個(gè)第一圓柱形流路，一個(gè)第二圓柱形流路以及一個(gè)錐形流路，各個(gè)流路均有一個(gè)第一端和一個(gè)第二端，所述第二圓柱形流路的直徑比所述第一圓柱形流路的直徑大，所述第二圓柱形流路通過(guò)所述錐形流路與第一圓柱形流路連通，所述錐形流路的第一端與所述第一圓柱形流路的第二端成一整體，所述錐形流路的第二端與所述第二圓柱形流路的第一端成一整體，所述錐形流路的第一端的直徑與所述第一圓柱形流路的直徑相同，所述錐形流路的第二端的直徑與第二圓柱形流路的直徑相同，所述各個(gè)流路均與縱軸同軸，所述第一圓柱形流路包括設(shè)置在所述第一圓柱形流路第一端處的排氣孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料噴嘴，其中所述的中心本體還包括一個(gè)與所述軸同軸的旋流器，該噴旋流器與上述軸同軸并處于緊靠所述第二圓柱形流路第二端的室中，該中心本體還有一個(gè)燃料噴管，該噴管與所述軸同軸，噴管延伸通過(guò)所述基座，所述內(nèi)室以及旋流器，然后終止在所述的第二圓柱形流路中。
全文摘要
一種切向進(jìn)氣燃料噴嘴包括一個(gè)縱向軸和兩個(gè)中心線彼此偏離的圓柱式弧狀渦殼。這些渦殼的搭接端之間形成一個(gè)用于把燃料/口空氣混合物引入到燃料噴嘴中的進(jìn)口槽。一塊燃燒器端板有一個(gè)將空氣和燃料排入到燃燒器中的中心開(kāi)口,而在相反端由另一塊端板堵塞噴嘴的流通面積。將渦殼固定在這兩塊端板之間。將一個(gè)中心本體設(shè)置在與所述軸同軸的渦殼之間。中心本體包括一個(gè)基座以及一個(gè)內(nèi)部通路,基座上至少有一個(gè)延伸通過(guò)該基座的供氣口。中心本體包括一個(gè)截錐部分和避免端板之間出現(xiàn)倒流和火焰穩(wěn)定的翼形斜面。
文檔編號(hào)F23C99/00GK1186926SQ9710852
公開(kāi)日1998年7月8日 申請(qǐng)日期1997年12月19日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月20日
發(fā)明者T·S·斯賴德?tīng)? W·A·索瓦, S·K·克拉梅爾 申請(qǐng)人:聯(lián)合工藝公司