專利名稱：改進(jìn)的耐用火焰穩(wěn)定燃料噴射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及共同擁有的同時待審的美國專利申請1996年12月20日提交的08/771,408號名稱為“火焰噴出雙流切向進(jìn)入噴嘴”，1996年12月20日提交的08/771,409號名稱為“從雙流切向進(jìn)入噴嘴噴出火焰的方法”，以及1997年12月15日提交的08/991,032號名稱為“非流線體預(yù)混燃料噴射器及預(yù)混燃料和空氣的方法”等申請。
本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C燃燒室的預(yù)混燃料噴射器，特別涉及具有先進(jìn)的冷卻裝置的噴射器，其可改善噴射器壽命，增強燃燒火焰穩(wěn)定性，而不增加一氧化碳的排放。
礦物燃料的燃燒會產(chǎn)生不希望的污染物，包括氮的氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)。NOx和CO產(chǎn)生的環(huán)境惡化越來越引起重視，所以人們非常關(guān)心燃料燃燒裝置中NOx和CO的產(chǎn)生問題。
抑制NOx產(chǎn)生的一條原則思路是燃燒完全混合和理想配比低燃的燃料-空氣混合物。完全混合和理想配比低燃使燃燒火焰溫度均勻并較低-這是抑制NOx產(chǎn)生的前提。產(chǎn)生完全混合和低燃的燃料-空氣混合物的一種燃料噴射器是切向進(jìn)入噴射器。燃?xì)廨啓C的切向進(jìn)入燃料噴射器的例子出現(xiàn)在美國專利5,307,643,5,402,633,5,461,865和5,479,773中，其全部轉(zhuǎn)讓給了本申請的受讓人。這些燃料噴射器具有一混合室，其徑向向外與一對圓柱狀-弧形偏置的渦管鄰接。渦管的相鄰端形成空氣進(jìn)入槽，使空氣可切向進(jìn)入混合室。一列燃料噴射器通路沿每個槽的長度方向軸向延伸。燃料噴射器的中心體從噴射器的前端向后延伸，形成混合室的徑向內(nèi)邊界。該中心體可包括將附加燃料引入混合室的裝置。在燃?xì)廨啓C工作時，一股燃燒空氣流通過空氣進(jìn)入槽切向進(jìn)入混合室，而燃料通過每個燃料噴射通路射入空氣流中。燃料和空氣繞中心體渦旋，在混合室中相互緊密并均勻地混合。燃料-空氣混合物軸向向后流動，并排入燃燒室，在此混合物點燃并燃燒。在混合室中燃料和空氣緊密、均勻的預(yù)混通過保證均勻的較低的燃燒火焰溫度而抑制了NOx產(chǎn)生。
盡管上述的切向進(jìn)入噴射器具有種種優(yōu)點，但其并非沒有缺點。一個缺點是混合室中燃料-空氣混合物會促使燃燒火焰進(jìn)入混合室，在此燃燒火焰會很快損壞渦管和中心體。第二個缺點是即使保持其在混合室之外，火焰也會有暫時的、空間的不穩(wěn)定。這種被稱為氣熱聲共振的火焰不穩(wěn)定性顯示為火焰位置的波動并伴隨有低頻壓力振動。壓力振動反復(fù)的特性會使燃燒室受壓，破壞其結(jié)構(gòu)整體性，降低其使用壽命。解決這些缺點的改進(jìn)型切向進(jìn)入噴射器記錄在美國專利申請1997年12月15日提交的08/991,032號中，其轉(zhuǎn)讓給了本申請的受讓人。該申請公開的噴射器包括一排燃料噴射通路，用于噴射燃料進(jìn)入切向進(jìn)入的空氣流；和空氣動力學(xué)形狀的中心體，具有一非流線型的尖端，其與噴射器的排出平面對齊。燃料和空氣的排出口通過中心體的尖端延伸，用于將燃料和空氣在排出平面噴射進(jìn)入燃燒室。通路排和中心體的形狀相配，以便阻止火焰吸入，并放出任何吸入的火焰。該非流線型的有燃料的尖端提供一表面，用于穩(wěn)定燃燒火焰，提高火焰的穩(wěn)定性，抑制火焰進(jìn)入混合室的趨勢。通過尖端的空氣排放口流動的空氣有助于支持燃燒，冷卻尖端。
盡管該改進(jìn)的噴射器解決了火焰穩(wěn)定和吸入的問題，但噴射器長時間無故障運行的壽命還不夠長。因為中心體尖端直接暴露于穩(wěn)定的燃燒火焰，尖端的工作溫度很高以致影響其使用壽命。增加通過尖端通路的冷卻空氣的速度和數(shù)量以改善尖端的溫度耐用性。但是增加冷卻空氣速度會減弱燃燒火焰保持在尖端的趨勢，而使火焰不穩(wěn)定。增加冷卻空氣數(shù)量也是不希望的，因為這不僅降低了尖端的溫度，也降低了火焰溫度。盡管低的火焰溫度會降低NOx產(chǎn)生，但是太冷的火焰也抑制了將一氧化碳轉(zhuǎn)化為對環(huán)境更無害的二氧化碳的燃燒反應(yīng)。因此，雖然NOx產(chǎn)生的少了，但產(chǎn)生的CO卻很高。
本發(fā)明致力于一種先進(jìn)的預(yù)混燃料噴射器，其平衡了長的使用壽命和良好的火焰穩(wěn)定性之間矛盾的要求，同時不增加CO的產(chǎn)生。
因此本發(fā)明的目的是提供一種預(yù)混燃料噴射器，其抑制NOx和CO的產(chǎn)生，穩(wěn)定火焰，并有良好的使用壽命。
根據(jù)本發(fā)明提供的預(yù)混燃料噴射器包括火焰穩(wěn)定中心體，其帶有沖擊(impingement)和流逸(transpiration)冷卻的排出嘴。沖擊和流逸冷卻的良好作用提高了噴射器的溫度耐力，使其適于長時間無故障操作。因為冷卻裝置非常有效，冷卻空氣速度可足夠低，以保證燃燒火焰的穩(wěn)定。同樣冷卻空氣的需要量足夠低，使得CO的排出保持在可接受的較低范圍。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，噴嘴還包括燃料分配室和與一組孔相連的燃料總管，以保證輔助燃料均勻分布在多個燃料排出通路中。
參照下面參考附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述可更清楚地理解本發(fā)明的前述特征，結(jié)構(gòu)和操作，附圖中

圖1是本發(fā)明的預(yù)混切向進(jìn)入燃料噴射器的局部被剖去以暴露其內(nèi)部零件的透視圖；圖2為大致沿圖1的2-2方向的噴射器的端視圖；圖3是位于圖1中燃料噴射器后端的燃料和空氣排出口的放大剖視圖；圖4是大致沿圖3的4-4方向的端視圖，示出燃料噴射器噴嘴中排出通路組；圖5是大致沿圖3的5-5方向的視圖，示出一孔板，一組孔穿過其中；圖6是大致沿圖3的6-6方向的視圖，示出一塞子，其帶有用于接受輔助燃料供應(yīng)管的孔；圖7是大致沿圖3的7-7方向的視圖，示出一沖擊板，一組沖擊孔穿過其中。
參照圖1和2，具有軸向延伸燃料噴射器中心線12的預(yù)混燃料噴射器10包括前端板14，后端板16，和至少兩個在兩端板之間軸向延伸的弓形渦管18。燃料噴射器排出口20穿過后端板延伸，排放口的最后端形成燃料噴射器排出平面22。渦管和端板形成混合室28，其軸向延伸至排出平面，燃料和空氣在其中預(yù)混，然后在排出平面22之后的燃燒室30中燃燒。
渦管18與燃料噴射器軸12徑向隔開，每個渦管具有徑向的內(nèi)表面32，其面對燃料噴射器的中心線，限定了混合室的徑向外邊界。每個內(nèi)表面是弓形表面，具體說是繞混合室中相應(yīng)的渦管軸線34a和34b的部分回轉(zhuǎn)表面。此處的“部分回轉(zhuǎn)表面”是指繞中心線34a,34b之一將一條線旋轉(zhuǎn)小于一圈而形成的表面。渦管軸平行于燃料噴射器中心線，并與其等距離徑向偏離，使得每個鄰近的渦管對形成平行于噴射器中心線的空氣進(jìn)入槽36，以便主燃燒空氣流進(jìn)入混合室。進(jìn)入槽36徑向從渦管的尖銳邊緣38延伸進(jìn)入鄰近渦管的內(nèi)表面32。
至少一個且優(yōu)選的是所有的渦管包括燃料供給總管40和大致徑向的燃料噴射器通路42的軸線分布組，用于在其進(jìn)入混合室時將主燃料(優(yōu)選為氣體燃料)噴射進(jìn)入主燃燒空氣流。
燃料噴射器還包括中心體46，其從前端板向后延伸。中心體具有基體48，噴嘴50和殼體52。殼體52從基體軸向地向噴嘴延伸，以限定混合室28的徑向內(nèi)邊界和輔助空氣供應(yīng)道54的徑向外邊界?；w48包括多個輔助空氣供應(yīng)孔以使輔助空氣進(jìn)入供應(yīng)道54，圖中不可見。噴嘴的后端56(從圖3可看到其細(xì)節(jié))為非流線型，即其為寬闊的，具有平的或略帶圓弧的面，大致軸向地與排出平面22對齊。
輔助燃料供應(yīng)管60穿過中心體，向噴嘴供應(yīng)輔助燃料。在優(yōu)選實施例中，輔助燃料是氣體燃料。熱偶(未示出)安裝在熱偶套58中，該熱偶套固定在中心體殼的內(nèi)表面上。熱偶提供的溫度信號檢測混合室內(nèi)火焰的存在，使得自動控制器可啟動一定的修正動作，例如暫時調(diào)整燃料供給。
下面參照圖3至7，噴嘴50包括套62，其具有沿軸向從前端66向位于后端70的徑向擴(kuò)大的邊緣68延伸的管狀殼部64。圓周空氣排放通路78和圓周燃料排出通路80穿過套62。如圖4所示，16個圓周空氣通路周向間隔布置，8個圓周燃料排出通路等角地間置在圓周空氣通路中。每個空氣通路具有與輔助空氣供應(yīng)道54連通的進(jìn)口端和與燃燒室30連通的出口端。套還包括被殼包圍的沖擊板74。一組18個沖擊孔76穿過沖擊板。
插入件82同軸安裝在套內(nèi)，并被其包圍。該插入件具有帶中心孔的輪轂84，作為輔助空氣供應(yīng)通路86，以便使輔助空氣流從供應(yīng)道54進(jìn)入噴嘴內(nèi)，使得沖擊板74阻截輔助空氣流。包括一組16個孔90的孔板88徑向地從輪轂向套延伸。錐形向后發(fā)散的輪轂延伸部94從輪轂向套延伸。套，孔板和輪轂延伸部共同限定了與圓周燃料排出通路80連通的環(huán)形燃料總管96。
塞件98徑向安裝在插入件的輪轂84和套62之間，其與孔板88軸向間隔開。塞件具有孔100，用于接受將輔助燃料引入噴嘴的燃料供應(yīng)管60。塞件，套，輪轂和孔板共同限定了環(huán)形燃料分配室102。燃料分配室與燃料總管被孔板軸向分開，該室與總管之間的流體連通由孔板來實現(xiàn)。
具有一組33個核心空氣排出通路106的尖端帽104安裝在套62內(nèi)，與沖擊板74軸向間隔開，以限定空氣分配室108。如圖3所示，核心空氣排出通路106與沖擊孔76是非對齊順流關(guān)系。
在操作中，主空氣流沿切向從進(jìn)入槽36進(jìn)入混合室。主燃料通過主燃料噴射通路42進(jìn)入切向進(jìn)入的空氣流中。空氣流將燃料帶入混合室28，在此空氣和燃料繞中心體46旋轉(zhuǎn)運動，從而緊密和均勻地混合。旋轉(zhuǎn)流動的燃料-空氣混合物穿過噴射器排出口20，并進(jìn)入燃燒室30，在此點燃和燃燒。
同時，輔助空氣流流過輔助空氣供應(yīng)道54，進(jìn)入通路86，其將輔助空氣引入噴嘴套62的內(nèi)部。輔助空氣在通路86的錐形部分87徑向擴(kuò)散，其受到?jīng)_擊板74的阻截，流過沖擊孔76。通過沖擊孔時，空氣壓降很大，使得空氣流出沖擊孔時成為一系列高速沖擊射流。該沖擊射流流過空氣分配室108，撞擊在尖端帽104上，以沖擊冷卻該帽。空氣隨后流過尖端帽中的核心空氣排出通路106，以流逸冷卻該帽。穿過核心排出通路的壓降僅為穿過沖擊孔的壓降的四分之一。因此，從核心排出通路排出的空氣比由沖擊射流的速度小。在所示的實施例中，核心排出通路基本平行于燃料噴射器中心線12，但該通路可傾斜以便增強流逸冷卻的作用。
輔助燃料流通過孔90，燃料總管96和圓周燃料排出通路80而從燃料供應(yīng)管60流入燃料分配室102，最后進(jìn)入燃燒室30?？诪槿剂狭魈峁┻m當(dāng)?shù)淖枇亩谷剂显谶M(jìn)入總管96和燃燒室30之前在分配室102中空間上(即在圓周上)均勻地分布。如果孔板不存在，周向靠近供應(yīng)管的圓周燃料排出通路將得到很好的燃料供應(yīng)，而周向遠(yuǎn)離供應(yīng)管的通路得到較少。所產(chǎn)生的燃燒室中的不均勻燃料分布將增加NOx產(chǎn)生。
本發(fā)明的燃料噴射器比傳統(tǒng)的燃料-空氣噴嘴僅受流逸冷卻的噴射器具有一些優(yōu)點。當(dāng)安裝在用于產(chǎn)生機械力或電力的25MW級燃?xì)廨啓C中時，端帽的溫度大約比傳統(tǒng)的噴射器的中心體尖端溫度降低100°F。本發(fā)明的噴射器盡管使用比傳統(tǒng)噴射器少約55％的冷卻空氣，也能獲得這樣的溫度降低。減少冷卻空氣量有助于在滿負(fù)荷時少量降低CO的產(chǎn)生(大約2ppm)，而在80％負(fù)荷時明顯地降低CO的產(chǎn)生(大約30ppm或50％)。另外，從核心排出通路排出的空氣的速度減少60％。速度減少有助于燃燒火焰保持固定在尖端帽處，使得與氣熱聲的共振有關(guān)的問題被避免，阻止火焰吸入混合室。
盡管已參照優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解在不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求書所限定的范圍的情況下可進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)的改變。
權(quán)利要求
1．一種用于燃?xì)廨啓C燃燒室的燃料噴射器，包括至少兩個弓形渦管，每個具有大致平行于燃料噴射器中心線且與其徑向偏離的軸線，渦管限定了混合室徑向向外的邊界，各相鄰的渦管對還限定了空氣進(jìn)入槽，用于使一股主燃燒空氣流進(jìn)入混合室，至少一個渦管包括一組軸向分布的主燃料噴射通路，用于將主燃料噴射進(jìn)入主空氣流；中心體，包括中心體基體，噴嘴，和軸向從基體向噴嘴延伸而限定混合室徑向內(nèi)邊界和輔助空氣供應(yīng)道徑向外邊界的殼，所述噴嘴包括具有殼部的套；輔助空氣供應(yīng)通路，用于引導(dǎo)一股輔助空氣流進(jìn)入套的內(nèi)部；沖擊板，被套的殼部包圍，使得沖擊板阻截輔助空氣流，沖擊板具有一組穿過它的沖擊孔；以及尖端帽，具有一組穿過其延伸的核心排出通路，沖擊孔和核心排出通路為不對齊的串行關(guān)系，使得從沖擊孔出來的輔助空氣撞擊尖端帽，并流過核心排出通路以冷卻噴嘴。
2．如權(quán)利要求1所述的燃料噴射器，其特征在于，輔助空氣在流過沖擊孔時經(jīng)歷了第一次總壓力降低，在其流過核心排出口時經(jīng)歷了第二次總壓力降低；第一次壓力降大于第二次壓力降，使得輔助空氣以第一速度沖擊尖端帽，并從核心通路以第二速度排出，第一速度比第二速度高。
3．如權(quán)利要求2所述的燃料噴射器，其特征在于，第一壓力降為第二壓力降的至少四倍。
4．如前述任一權(quán)利要求所述的燃料噴射器，其特征在于，包括燃料分配室，用于接受并空間分配輔助燃料流；輔助燃料總管，通過孔板與燃料分配室隔開，孔板具有一組孔，用于建立分配室和總管的流體連通；以及一組圓周燃料排出通路，從燃料總管延伸，經(jīng)過套，將輔助燃料噴射進(jìn)入燃燒室。
5．如權(quán)利要求4所述的燃料噴射器，其特征在于，套包括徑向擴(kuò)大的邊緣部，帶有一組穿過其間的圓周空氣排出通路，每個圓周空氣排出通路具有與輔助空氣供應(yīng)道連通的入口端和與燃燒室連通的出口端，圓周空氣通路與圓周燃料排出通路交替設(shè)置。
6．如前述任一權(quán)利要求所述的燃料噴射器，其特征在于，輔助燃料為氣體燃料。
7．如權(quán)利要求1至3中任一項所述的燃料噴射器，其特征在于，包括插入件，安裝在套中，該插入件具有帶有中心孔的輪轂，起輔助空氣供應(yīng)通路的作用，孔板在輪轂和套之間延伸，具有一組穿過其間的孔，輪轂延伸部也從輪轂向套延伸；塞件，徑向安裝在輪轂和套之間，與孔板軸向隔開，塞件包括接受引導(dǎo)輔助燃料進(jìn)入噴嘴的輔助燃料供應(yīng)管的孔；所述塞件，插入件和套共同限定了環(huán)形燃料分配室和總管，總管帶有在該室和總管之間延伸的孔；套具有一組圓周燃料排出通路，從燃料總管延伸并穿過套，用于將輔助燃料噴射進(jìn)入燃燒室。
8．如權(quán)利要求7所述的燃料噴射器，其特征在于，套包括徑向擴(kuò)大的邊緣部，帶有一組從中延伸通過的圓周空氣排出通路，每個圓周空氣排出通路具有與輔助空氣供應(yīng)道連通的入口端和與燃燒室連通的出口端，圓周空氣通路與圓周燃料排出通路交替設(shè)置。
9．如權(quán)利要求7或8所述的燃料噴射器，其特征在于，輔助燃料是氣體燃料。
10．如前述任一權(quán)利要求所述的燃料噴射器，其特征在于，核心通路基本平行于燃料噴射器中心線。
11．一種燃料噴射器的噴嘴組件，包括套，帶有殼部，其具有前端和后端，后端為徑向擴(kuò)大的邊緣，帶有從中延伸通過的一組圓周空氣排出通路和一組圓周燃料排出通路，該套還包括被殼部包圍的沖擊板，帶有一組延伸通過沖擊板的沖擊孔；插入件，與套同軸并被其包圍，該插入件包括輪轂；從輪轂向套延伸的孔板，該孔板包括一組孔；和向后擴(kuò)散的輪轂延伸部，也從輪轂向套延伸；套，孔板和輪轂延伸部限定了與圓周燃料排出通路連通的環(huán)形燃料總管，該輪轂包括中心孔，限定了輔助空氣供應(yīng)通路，用于使輔助空氣進(jìn)入噴嘴；塞件，徑向安裝在輪轂和套之間，具有用于接受將輔助燃料引入噴嘴的燃料供應(yīng)管的孔；塞件，孔板，輪轂和套限定了通過孔與燃料總管相連的燃料分配室；以及尖端帽，被套的后端包圍，軸向與沖擊板隔開，限定了空氣分配室，該尖端帽包括一組核心空氣排出通路，核心排出通路和沖擊孔是不對齊的串行關(guān)系，使得從沖擊孔排出的輔助空氣沖擊尖端帽，并流過核心排出通路以冷卻噴嘴。
12．一種燃料噴射器的噴嘴組件，包括套(62)；輔助空氣供應(yīng)通路，用于引導(dǎo)一股輔助空氣流進(jìn)入該套的內(nèi)部(54)；沖擊板(74)，沖擊板阻截輔助空氣流，沖擊板具有一組從中延伸通過的沖擊孔(76)；以及尖端(104)，具有一組穿過其延伸的核心排出通路(106)，沖擊孔(76)和核心排出通路(106)為不對齊的串行關(guān)系，使得從沖擊孔(76)出來的輔助空氣撞擊尖端(104)，并流過核心排出通路(106)以冷卻噴嘴(50)。
全文摘要
一種用于燃?xì)廨啓C的燃燒室30的切向進(jìn)入預(yù)混燃料噴射器10,包括:一對弓形渦管18和一對空氣進(jìn)入槽36。渦管還包括一組軸向分布的主燃料噴射通路42。火焰穩(wěn)定燃料噴射器中心體46包括沖擊和流逸冷卻出口噴嘴50。該噴射器比傳統(tǒng)的切向進(jìn)入噴射器的運行溫度低,因此使用壽命更長。即使該噴射器使用的冷卻空氣比傳統(tǒng)的切向進(jìn)入噴射器少,冷卻空氣以較低速度排出,也能達(dá)到延長使用壽命的效果。
文檔編號F23D14/78GK1234483SQ9910416
公開日1999年11月10日 申請日期1999年3月23日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月24日
發(fā)明者斯蒂芬·A·莫福德 申請人:聯(lián)合工藝公司