用于涡轮发动机中的燃料喷射的方法和装置.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201010003946.5

申请日:

2010.01.07

公开号:

CN101776285A

公开日:

2010.07.14

当前法律状态:

撤回

有效性:

无权

法律详情:

发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):F23R 3/28申请公布日:20100714|||实质审查的生效IPC(主分类):F23R 3/28申请日:20100107|||公开

IPC分类号:

F23R3/28; F23R3/38

主分类号:

F23R3/28

申请人:

通用电气公司

发明人:

J·D·贝里; J·T·布朗; H·卡里姆; G·A·西蒙斯

地址:

美国纽约州

优先权:

2009.01.07 US 12/350051

专利代理机构:

中国专利代理(香港)有限公司 72001

代理人:

肖日松;谭祐祥

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内容摘要

本发明涉及用于涡轮发动机中的燃料喷射的方法和装置,在一个实施例中,涡轮机系统(10)可包括燃料喷嘴(12),该燃料喷嘴(12)包括多个燃料通道(56,58)和多个在下游方向上偏离燃料通道(56,58)的空气通道(48)。在该实施例中,来自空气通道(48)的空气流配置成与来自燃料通道(56,58)的燃料流以某一角度相交,以在燃料喷嘴(12)下游引起空气流和燃料流的涡动和混合。

权利要求书

1: 一种涡轮机系统(10),其包括: 燃料喷嘴(12),其包括: 底座部分(60),其具有多个通向燃料口(56,58)的燃料通道(56,58);和 联接在所述底座部分(60)上的环形壁(46),其中,所述环形壁(46)限定了位于所述燃料口(56,58)下游的空心的中心区域,所述环形壁(46)包括多个通向包围所述空心的中心区域的内表面(51)上的空气口(52)的空气通道(48),所述空气口(52)位于所述燃料口(56,58)的下游,并且所述空气口(52)相对于所述燃料喷嘴(12)的中心纵轴线(45)向内成角度。
2: 根据权利要求1所述的涡轮机系统(10),其特征在于,所述燃料口(56,58)成角度以用于绕所述燃料喷嘴(12)的中心纵轴线(45)引起涡动(64)。
3: 根据权利要求1所述的涡轮机系统(10),其特征在于,所述空气口(52)成角度以用于绕所述燃料喷嘴(12)的中心纵轴线(45)引起涡动(66)。
4: 根据权利要求1所述的涡轮机系统(10),其特征在于,所述空气口(52)成角度以用于绕所述燃料喷嘴(12)的中心纵轴线(45)在第一方向(66)上引起涡动,所述燃料口(56,58)成角度以用于绕所述燃料喷嘴(12)的中心纵轴线(45)在第二方向(64)上引起涡动,并且所述第一和第二方向(64,66)通常是彼此相反的。
5: 根据权利要求1所述的涡轮机系统(10),其特征在于,所述燃料通道(56,58)包括成中心布置的第一组燃料通道(58)和成包围所述中心布置的环形布置的第二组燃料通道(56),其中,所述第一和第二组(56,58)配置成用于与不同的燃料源相联接。
6: 根据权利要求5所述的涡轮机系统(10),其特征在于,所述第一组燃料通道(58)成角度以用于绕所述燃料喷嘴(12)的中心纵轴线(45)在第一方向上引起涡动,所述第二组燃料通道(56)成角度以用于绕所述燃料喷嘴(12)的中心纵轴线(45)在第二方向上引起涡动,并且所述第一和第二方向通常是彼此相反的。
7: 根据权利要求1所述的涡轮机系统(10),其特征在于,所述燃料口(56,58)设置在位于所述环形壁(46)的上游端部分处的第一渐缩表面(54)上,并且所述空气口(52)设置在位于所述环形壁(46)的下游端部分处的第二渐缩表面(51)上。
8: 一种涡轮机系统(10),包括: 燃料喷嘴(12)的底座部分(60),该底座部分(60)具有多个通向燃料口(56,58)的燃料通道(56,58);和 环形壁(46),其联接在所述底座部分(60)的下游部分上、包括空气口(52),所述空气口(52)配置成用于绕所述燃料喷嘴(12)的中心纵轴线(45)在第一方向(66)上引起涡动,所述燃料口(56,58)成角度以用于绕所述燃料喷嘴(12)的中心纵轴线(45)在第二方向(64)上引起涡动,并且所述第一和第二方向(64,66)通常是彼此相反的。
9: 根据权利要求8所述的系统,其特征在于,所述环形壁(46)限定了位于所述燃料口(56,58)下游的空心的中心区域,所述环形壁(46)包括多个通向包围所述空心的中心区域的内表面(51)上的空气口(52)的空气通道(48),所述空气口(52)位于所述燃料口(56,58)的下游,并且所述空气口(52)相对于所述燃料喷嘴(12)的中心纵轴线(45)向内成角度。
10: 根据权利要求9所述的系统,其特征在于,所述燃料通道(56,58)只设置在所述燃 料喷嘴(12)的上游部分中,并且所述多个空气通道(48)只设置在所述燃料喷嘴(12)的下游部分中。

说明书


用于涡轮发动机中的燃料喷射的方法和装置

    【技术领域】

    本公开大致涉及一种燃气涡轮发动机,并且更具体地说涉及一种带有改进的燃料空气混合特性的燃料喷嘴。

    背景技术

    燃料空气混合影响各种发动机中的、例如燃气涡轮发动机中的发动机性能和排放。例如,燃气涡轮发动机可采用一个或多个喷嘴以促进燃烧器中的燃料空气混合。典型地,喷嘴配置成用于促进压缩空气与高英热单位(即,高BTU或HBTU)燃料的混合。不幸的是,喷嘴可能不适于将压缩空气与低BTU(LBTU)燃料相混合。例如,LBTU燃料可产生低的每体积燃料的热的量,而HBTU燃料可产生高的每体积燃料的热的量。结果,HBTU燃料喷嘴可能无法以合适的比率或混合强度将LBTU燃料与压缩空气混合。

    【发明内容】

    在一个实施例中,涡轮机系统可包括燃料喷嘴,其包括多个燃料通道(fuel passages)和多个在下游方向上偏离燃料通道的空气通道(airpassages)。在该实施例中,来自空气通道的空气流配置成与来自燃料通道的燃料流以某一角度相交(intersect),以在燃料喷嘴下游引起燃料流和空气流的涡动(swirl)和混合。

    【附图说明】

    当参照附图阅读以下详细说明时,将更好地理解本发明的这些以及其它特征、方面和优势,在附图中,遍及附图,相似的标号表示相似的部件,其中:

    图1是根据本技术的某些实施例的具有燃料喷嘴的涡轮机系统的方框图,燃料喷嘴带有联接在燃烧器上的改进的空气和燃料混合装置;

    图2是如图1中所示的根据本技术的某些实施例的涡轮机系统的剖面侧视图;

    图3是如图1中所示的根据本技术的某些实施例的燃烧器的剖面侧视图,其带有多个联接在燃烧器的端盖上的燃料喷嘴;

    图4是如图3中所示的根据本技术的某些实施例的燃烧器的端盖和燃料喷嘴的透视图;

    图5是如图4中所示的根据本技术的某些实施例的燃料喷嘴的透视图;

    图6是如图5中所示的根据本技术的某些实施例的燃料喷嘴的端视图;且

    图7是如图5中所示的根据本技术的某些实施例的燃料喷嘴的截面侧视图,其包括端盖和衬套(liner)。

    【具体实施方式】

    本书面说明使用示例来公开本发明,包括最佳模式,并且用于使任何本领域技术人员能够实践本发明,包括制造和利用任何装置或系统,并执行任何所含方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定,并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有并非不同于权利要求字面语言的结构元件,或者如果其包括与权利要求字面语言有非实质差异的等效的结构元件,那么这些其它示例都预期在权利要求的范围内。

    当介绍本发明的各种实施例地元件时,冠词″一″、″一个″、″该″和″所述″都意图表示有一个或多个该元件。用语″包括″、″包含″和″具有″都意图为包含性的并意味着除了列出的元件之外还可有额外的元件。运行参数和/或环境条件的任何示例都不排除所公开的实施例的其它参数/条件。

    如以下更详细所述,可采用燃料喷嘴的各种实施例来改善涡轮发动机的性能。例如,燃料喷嘴的实施例可包括燃料通道和空气通道的斜排列(crosswise arrangement),其中,空气通道定向成使空气流撞击到来自燃料通道的燃料流上。例如,燃料通道可设置在沿着燃料喷嘴的中心纵轴线(central longitudinal axis)的中心位置上,而空气通道可以朝中心纵轴线的角度而设置在燃料通道周围。换句话说,燃料喷嘴的实施例可将多个空气通道布置成围绕燃料流的周缘,以使得空气流径向向内朝着燃料流流动,从而中断燃料流并促进燃料空气混合。在某些实施例中,空气通道可布置成用于在离中心纵轴线的一定的偏移量下引导空气流,从而使得空气流同时地撞击燃料流并引起燃料流的涡旋并得到燃料空气混合物。例如,空气流可在第一方向上涡动,燃料流可在第二方向上涡动,其中,第一方向和第二方向可以是彼此相反或相同的。

    燃料喷嘴的实施例可将空气通道定位在任何合适的位置上。在一示例性的实施例中,空气通道定位在燃料喷嘴的下游端部分(downstream end portion)处,使得燃料空气混合基本上发生在燃料喷嘴的下游。这种布置对于混合低英热单位(LBTU)燃料可能特别有用,其具有比其它燃料低的燃烧温度或热值(heating value)。具体地说,在没有所公开的燃料喷嘴的实施例的条件下,使用LBTU燃料可能在涡轮燃烧器内的所期望区域的上游造成自燃或提前的火焰稳定(flameholding)。在一示例性的实施例中,空气通道可包括在环形轴环壁(collar wall)的内表面上的出气口,该环形轴环壁位于燃料喷嘴的下游端部分处。该轴环可被描述为联接在底座部分上的环形壁,其中,该环形壁限定了在燃料口(fuel ports)下游的空心的中心区域(centralregion),该处,该环形壁包括多个空气通道。如以下将进一步论述的那样,所公开的燃料喷嘴的实施例可使得改善的空气燃料混合成为可能并减少于燃烧器底座附近或燃料喷嘴本身内的火焰稳定。

    在某些实施例中,所公开的喷嘴可对带有高能量和低能量(BTU水平)、高热输出值和低热输出值或其组合的不同燃料进行混合。例如,所公开的实施例可包括控制器、控制逻辑和/或具有燃烧控制的系统,其配置成用于促进所期望的LBTU和HBTU燃料的混合物以获得针对应用的合适的热值。热值可用于定义燃料的能量特性。例如,可将燃料的热值定义为特定量的燃料燃烧所释放的热的量。尤其地,较低的热值(LHV)可定义为(例如,最初在25℃或另一基准状态下)燃烧特定的量并使燃烧产物的温度返回到目标温度(例如,150℃)所释放的热的量。所公开的实施例可在瞬态条件(例如起动)和高负载期间采用一定量的HBTU燃料,而在稳态或低负载状态期间使用LBTU燃料。

    图1是根据本技术的某些实施例的具有燃料喷嘴12的涡轮机系统10的一实施例的方框图。如以下详细论述的那样,公开的实施例采用一种改进的燃料喷嘴12的设计,以提高涡轮机系统10的性能。涡轮机系统10可使用液体燃料或气体燃料,例如天然气和/或富氢合成气体(例如合成气),以使涡轮机系统10运转。如所描绘的,燃料喷嘴12吸入燃料供应14(例如LBTU燃料),使燃料与空气相混合,并将空气燃料混合物分布到燃烧器16中。空气燃料混合物在燃烧器16内的腔室中燃烧,从而产生热的加压的排气。燃烧器16将排气定向成通过涡轮18朝向排气口20。当排气穿过涡轮18时,气体推动涡轮叶片旋转从而使沿着系统10的轴线的轴21旋转。如所示出的,轴21连接在涡轮机系统10的各种构件上,包括压缩机22。压缩机22同样包括联接在轴21上的叶片。因而,压缩机22内的叶片随着轴21的旋转而旋转,由此,将来自进气口(air intake)24的空气通过压缩机22而压缩到燃料喷嘴12和/或燃烧器16中。轴21还连接在负载26上,其可以是运载工具或固定负载,例如发电厂中的发电机或飞机上的推进器。负载26可以是任何合适的装置,其由涡轮机系统10的旋转输出提供动力。

    如以下进一步论述的那样,在混合物向下游行进至燃烧器16时来自燃料喷嘴12的燃料和空气的在混合方面的改善使得LBTU燃料能够于涡轮机系统10内被使用。LBTU燃料可能是可容易地获得的,并且比HBTU燃料价廉。例如,LBTU燃料可以是来自各种车间工艺的副产品。不幸的,这些副产品可能作为废物而被废弃。因此,公开的实施例可通过使用否则将被浪费的副产品作为燃气涡轮发动机和发电设备中的燃料而提高设施或精炼厂的总体效率。例如,煤的气化工艺是一种会产生LBTU燃料的车间工艺。煤气化器典型地产生CO和H2的主输出。H2可供所公开的实施例的燃料喷嘴12使用。公开的实施例使得改进的空气燃料混合物成为可能并使火焰能够发生在燃烧器内而非燃料喷嘴12内。在某些实施例中,喷嘴12具有定位在燃料口下游的空气口(air ports),以便使空气流能够喷射到燃料流中,从而在这些流自燃料喷嘴12向下游移动时促进燃料和空气的增强的混合。例如,燃料喷嘴12可将燃料口定位在中心位置处,而空气口可定位在围绕中心位置的不同的周向位置处以将空气流定向成径向向内朝向燃料流以引起混合和涡动。

    图2是涡轮机系统10的一实施例的剖面侧视图。涡轮机系统10包括位于根据所公开的实施例的独特方面的一个或多个燃烧器16的内部的一个或多个燃料喷嘴12。在一个实施例中,可将六个或更多个燃料喷嘴12按环形的或其它的布置附连在各个燃烧器16的底座上。此外,系统10可包括成环形布置的多个燃烧器16(例如4,6,8,12)。空气通过进气口24而进入系统10中,并可在压缩机22中被加压。然后可通过燃料喷嘴12使压缩空气与气体混合,以用于燃烧器16内的燃烧。例如,燃料喷嘴12可将燃料空气混合物以合适的比率喷射到燃烧器中,以达到优化的燃烧、排放、燃料消耗和功率输出。燃烧产生热的加压排气,其然后驱动涡轮18内的叶片17以使轴21并因而使压缩机22及负载26旋转。如所描绘的,叶片17的旋转引起轴21的旋转,从而导致压缩机22内的叶片19吸入并压缩空气。因而,通过燃料喷嘴12进行的空气及燃料流的恰当的混合和放置对于改善涡轮机系统10的排放性能是很重要的。

    图3显示了如图2中所示的燃烧器16的一实施例的详图。在该图中,多个燃料喷嘴12附连在端盖30上(靠近燃烧器16的底座)。在一实施例中,六个燃料喷嘴12附连在端盖30上。压缩空气和燃料通过端盖30而被定向至燃料喷嘴12中的每一个,其将空气燃料混合物分布到燃烧器16中。燃烧器16包括大体由壳体32、衬套34和流套筒(flow sleeve)36所限定的腔室。在某些实施例中,流套筒36和衬套34是彼此同轴的,以限定空心的环形空间35,其使得用于冷却的空气能够通过并进入到燃烧区中(例如,经由衬套34中的穿孔)。壳体32、衬套34和流套筒36的设计提供了穿过过渡联结件38(例如收缩部分)而朝向涡轮18的空气燃料混合物的优化的流动。例如,燃料喷嘴12可将加压的空气燃料混合物通过衬套34和流套筒36而分布到燃烧器16中,在其中,发生混合物的燃烧。生成物排气经由过渡联结件38流向涡轮18,导致涡轮18的叶片连同轴21一起旋转。在理想的燃烧过程中,空气燃料混合物在燃烧器16内在燃料喷嘴12的下游进行燃烧。空气流和燃料流的混合可依赖于各个流的属性,例如燃料热值、流率、以及温度。具体地说,加压空气可处于大约650-900℉的温度下,并且燃料可在70-500℉左右。由于燃料、材料、温度和/或几何结构(geometry)方面的差异,空气可被喷射以在燃料出口下游撞击燃料流,从而通过将混合过程转移到燃料喷嘴12的下游而改善LBTU燃料的混合和燃烧。这种用于燃料喷嘴12的布置可使各种燃料、几何结构、以及混合物在涡轮机系统10中的使用成为可能。

    图4是端盖30的一实施例的详细透视图,其带有附连在底座或端盖表面40上的多个燃料喷嘴12。在图示中,六个燃料喷嘴12成环形布置地附连在端盖表面40上。然而,任何合适的数量和布置的燃料喷嘴12可被附连在端盖表面40上。如以下将详细所述,喷嘴12设计用于将空气燃料混合和点火转移成在下游方向43上远离喷嘴12地发生。挡板44可通过螺栓和垫块而附连在端盖表面40上,从而覆盖燃料喷嘴12的底座部分,并在燃烧器16内提供用于稀释剂流动的通道。例如,空气入口可定向成向内朝着各个燃料喷嘴12的轴线45,从而使得空气流能够与燃料流相混合(当其在下游方向43上穿过燃烧器16的过渡区域而行进时)。此外,空气流和燃料流可分别以相反的方向(例如顺时针和反时针)涡动,从而使更好的混合过程成为可能。在另一实施例中,依赖于系统条件以及其它因素,空气流和燃料流可以相同方向进行涡动,以改善混合。如所描绘的,外部空气孔通向成角度的(angled)空气通道,其可朝向轴线45而定向空气流。燃料喷嘴12的构造可将燃料空气混合和燃烧转移成进一步远离端盖表面40和燃料喷嘴12,从而减少在燃料喷嘴12和表面40的附近的非所期望的提前火焰稳定的可能性。具体地说,通过使空气和燃料混合过程位于下游43,燃烧过程可发生在燃烧器16的中心部分的更下游处,避免了若火焰稳定发生在喷嘴本身内时对喷嘴的潜在的损害。

    图5是如图4中所示的燃料喷嘴12的一实施例的详细透视图。如所描绘的,燃料喷嘴12具有大致圆柱形的结构,其带有一个或多个环形且同轴的部分。例如,燃料喷嘴12包括在下游端部分47处的径向轴环46,其中,径向轴环配置成用于产生燃料流和压缩空气流的交叉流动(cross flow)。在实施例中,径向轴环46定位成在下游方向43上远离燃烧器16的端盖表面40。径向轴环46包括空气通道48,其可沿着径向轴环46的环形壁(例如周向部分)而间隔开于不同的角位置处,使得空气通道大致地限定了朝着喷嘴轴线45的空气流的环形布置。此外,空气通道48包括沿着径向轴环46的外环形表面49而定位的进气孔50,以及沿着径向轴环46的内环形表面51而定位的出气孔52。

    在某些实施例中,燃料喷嘴12可包括一个或多个燃料通道,例如56和58,从而促进与空气通道48的燃料空气混合。例如,燃料喷嘴12可使燃料通道56和58沿着在径向轴环46和空气通道48上游的内端表面54而定位。因而,燃料通道56和58输出燃料流,其在下游方向43上穿过径向轴环46的空心的内部而流向空气通道48。在到达空气通道48时,空气流撞击燃料流,以引起混合并可选地引起某种类型的回旋流(swirling flow)。如所描绘的,空气通道48只延伸穿过径向轴环46的环形壁部分,而没有经过喷嘴底座部分60。类似地,燃料通道56和58只延伸穿过喷嘴底座部分60,而没有延伸穿过径向轴环46的环形壁部分,从而,仅在燃料喷嘴12的下游端部分处引入空气流。

    燃料通道56和58可根据各种条件而供应多种燃料。例如,燃料通道56和58可供应液体燃料、气体燃料、或其组合。在另外的示例中,燃料通道56和58可依赖于各种运行条件而供应相同的燃料、不同的燃料、或该两者。在某些实施例中,燃料通道56和58可在例如瞬态条件(例如起动)、稳态条件、各种负载、等等的各种运行条件下供应LBTU和HBTU燃料、仅LBTU燃料、或仅HBTU燃料。例如,在瞬态条件(例如起动)或高负载期间,燃料通道58可供应HBTU燃料,而燃料通道56供应LBTU燃料。在稳态或低负载条件期间,燃料通道56和58可全都供应LBTU燃料,例如相同的LBTU燃料。

    在某些示例性的实施例中,燃料通道56可定位成径向上位于燃料通道58和空气通道48之间。例如,空气通道48可限定第一环形布置,其包围燃料通道56的第二环形布置,该第二环形布置又包围燃料通道58的中心布置(central arrangement)。在某些实施例中,内端表面54可以是完全平的、部分平的、完全弯曲的、部分弯曲的,或由某些其它几何结构来限定。例如,燃料通道58可设置在端表面54的圆顶状部分上。燃料通道56和/或58可取向成平行于纵轴线45或者相对于轴线45成某一非零角度。例如,燃料通道56和58可包括向内地朝向轴线45地成角度的燃料通道、自轴线45向外地成角度的燃料通道、或其组合。在又一示例中,燃料通道56和58可在离轴线45的一定的偏移量下成角度,以用于引起绕轴线45的顺时针涡动、绕轴线45的逆时针涡动、或两者。这种燃料涡动可与来自空气通道48的回旋流处于相同方向或相反方向上。

    在燃料喷嘴12的运行中,燃料通道56和/或58将燃料流定向成在下游方向43上朝向空气通道48,该空气通道48又将空气流定向在径向向内的方向上以撞击燃料流。燃料流和空气流可产生相同或相反方向上的回旋流以改善燃料空气混合。例如,空气流可撞击气体燃料流、液体燃料流、或其组合,其中,燃料流可包括LBTU燃料、HBTU燃料、或两者。在一实施例中,燃料通道58可放出天然气或其它气体或液体高BTU燃料。从通道58放出的燃料可向下游43行进,用于与来自定向成朝向轴线45的空气通道48的空气流相混合。在起动期间,天然气可流过燃料通道58,从而在涡轮循环的开始期间提供更浓的气体用于燃烧。中心燃料尖端(tip)59可被用于油流的液体燃料尖端所代替。在起动之后,中心燃料尖端59可放出液体或气体LBTU燃料,用于在自燃料喷嘴12的下游方向上与来自空气通道48的空气相混合。

    图6是如图5中所示的燃料喷嘴12的一实施例的端视图。该实施例包括喷嘴底座部分60、空气流动通道48、燃料通道56、以及燃料通道58。在一实施例中,相对于起始于中心纵轴线45的径向虚线62而言,燃料通道56可如箭头63所表示地以角度61而取向。在某些实施例中,径向虚线62可代表沿着轴线45的平面。这样,角度61可在页面的、或垂直于页面的平面中被限定,而在箭头63的平面内,箭头63显示出了向下游(从页面向外)的燃料流动的方向。在任一情况下,角度61配置成用于引起绕轴线45的回旋流。在某些实施例中,角度61可介于大约0至75度、0至60度、0至45度、0至30度、0至15度范围中间,或者是任何的合适的角度,以提供所期望的涡动的强度。箭头64显示了逆时针方向,燃料流在其离开燃料通道56和/或通道58时可在该逆时针方向上涡动。

    此外,箭头66显示了可由空气通道48的成角度的取向所造成的顺时针涡旋方向。换句话说,在某些实施例中,燃料流和空气流可反向地涡动。在其它实施例中,空气通道48可不具有涡旋作用,而燃料通道56和/或58可具有在方向64或66上的涡旋。备选地,燃料通道56和/或58可不具有涡旋作用,而空气通道48可具有在方向64或66上的涡旋。最后,燃料通道和空气通道56,58和48可分别取向成以相同方向涡动。来自通道48的在方向66上涡旋的空气流可产生与在方向64上涡旋的燃料流的更快且有力的混合过程。空气通道48可由相对于线62的、与燃料通道相比相似的或不同的角度所限定。在某些实施例中,空气通道48的角度可介于大约0至75度、0至60度、0至45度、0至30度、0至15度范围中间,或者是任何的合适的角度,以提供所期望的涡动的强度。另外,燃料通道58的角度61和空气通道48的角度可被配置用于引起在任一方向(64或66)上的回旋流。

    应该懂得,空气流和燃料流的混合可依赖于例如燃料热值、燃料温度、空气温度、流率以及其它涡轮条件等的因素。通道48,56,以及58可配置成用于将燃料流和空气流定向成在下游方向43上进行混合,从而使得在燃烧器16内的所期望的位置中的燃烧成为可能。在某些实施例中,通道可配置成依赖于燃料类型以及其它涡轮条件而引起燃料流和空气流以相同方向涡动。备选地,通道可取向成用于产生直的、非涡旋的空气流和/或燃料流。例如,在一实施例中,可使燃料通道58从喷嘴12的中心(即轴线45)向外地定向,从而将燃料流定向成与来自空气通道48的空气流相混合。

    图7是连同来自涡轮机系统10的周围构件的、如图5和图6中所示的燃料喷嘴12的一实施例的截面侧视图。如所描绘的,燃料喷嘴12包括若干个通道以便于空气和燃料穿过燃料喷嘴12的部分。在一实施例中,燃料入口68可位于在喷嘴底座部分60内的燃料室70的内部。例如,LBTU燃料可在方向72上流向燃料入口68,从而产生穿过燃料通道56的燃料流,随着其在下游方向43上朝向燃烧器16内的燃烧区而行进,其可与空气相混合。喷嘴尖端部分59内的中心室75包括入口74,其可容许天然气或HBTU燃料在下游方向76上流过燃料通道58并流出燃料喷嘴12。如之前所论述的,富的或HBTU燃料(例如天然气)可在涡轮起动期间穿过中心室75以便在起动时提供增加的功率。中心室75可将穿过燃料通道58的燃料给定路线(route)至轴环46的内部以用于在燃烧器16内在下游方向43上与空气流相混合。应该懂得,在空气流和燃料流完全混合之后,当混合流穿过燃烧器16的过渡区域时,混合物可在燃烧器16内在所期望的区内燃烧,从而产生驱动涡轮18所需要的能量释放。

    在某些实施例中,燃料室70,75和相关联的燃料通道56,58可使各种燃料流动,例如气体燃料、液体燃料、HBTU燃料、LBTU燃料、或其某些组合。燃料室70和75以及相关联的通道56和58中的燃料可以是相同或不同的。在某些实施例中,燃料室70和75以及相关联的燃料通道56和58可响应于各种运行条件而有选择地接合或切断燃料流,改变燃料类型,或进行该两者。在一实施例中,合成气或LBTU燃料可流过燃料室70,而天然气流过中心室75,从而产生待与来自空气通道48的空气相混合的燃料的同向流动。备选地,在针对涡轮机系统10的某些条件期间,相同的燃料(例如合成气)可流过腔室75和70两者。

    空气通道48可以相对于轴线45的角度77而取向,该处,角度77设计成用于产生与沿方向43行进的燃料流的优化的混合涌流(currrent)。角度77配置成用于从燃料喷嘴12向下游地定向空气流,从而引起远离燃料喷嘴12和端盖表面40(图4)的燃料空气混合。例如,角度77可介于大约0至75度、0至60度、0至45度、0至30度、或0至15度范围中间。在某些实施例中,角度77可介于大约15至45度范围中间。

    如之前所论述的,燃料可在方向78上向下游地穿过燃料通道56,以便能与如箭头79所示的朝向轴线45而定向的空气流进行混合。如所示出的,在方向78上的燃料流在向下游方向43上向内地朝向轴线45成一定角度,而来自燃料通道58的燃料流可大致与轴线45对齐(aligned)。在某些实施例中,内端表面54具有锥形或圆顶形状,其中,燃料通道58至少轻微地成一定角度地远离轴线45(例如,在下游方向43上自轴线45向外地)。然而,燃料通道56和58可使燃料流相对于轴线45在大致向下游43的任何方向上(例如向内地、向外地、或向内和向外地)成角度。

    在燃烧器16内,当空气沿着衬套84的外侧部分流向空气通道48时,其可如箭头80和82所示地流动。在方向79上流动的空气流然后与在方向43上流动的燃料相混合。热的燃烧气体朝向喷嘴12和挡溅板(splash plate)86往回再循环。空气82用于借助于冷却孔55而冷却挡溅板86和喷嘴的向前的面53。空气燃料混合物在下游方向43上经过燃烧器16的过渡部分,以便在衬套84之内进行燃烧,从而驱动涡轮18。

    应该懂得,通道48,56,和58可轴向地和径向地在各种方向上成角度,以产生涡旋效应和/或截割效应,从而在来自燃料喷嘴12的燃料流和空气流之间产生所期望的混合。此外,可改变径向轴环46、空气通道48、衬套84、挡板44和挡溅板86的布置和设计,从而改变空气流动80和82的方向。空气流动80和82可以任何合适的方式被给定路线,从而在燃料喷嘴12的下游实现与LBTU燃料流动的混合。另外,燃料通道56可以任何合适的方式进行配置,从而实现下游的空气和燃料的混合。为了使低成本的LBTU燃料的使用和适当的燃烧成为可能,作为使空气和燃料在喷嘴内混合的备选,向下游沿方向79将空气喷射到在方向43上的燃料流中,使得空气和燃料的混合延迟直至燃料喷嘴12的下游。依赖于燃料和系统条件,可使空气流和燃料流涡动,从而使空气和燃料的更好的混合成为可能。

    本发明的技术效果包括改进的涡轮机系统中的燃料使用的适应性(通过使LBTU燃料和空气的稀薄混合成为可能)。改进的混合布置为空气燃料混合在燃料喷嘴的下游发生作准备。一实施例使得减少燃烧器和燃料喷嘴构件内的提前的火焰稳定、反燃和/或自燃的发生率成为可能。下游的空气燃料混合使得在燃烧器内的下游位置中的燃烧成为可能,从而提供了优化和高效的涡轮燃烧过程。这可导致提升的性能和减少的排放。

    虽然在这里只显示和描述了本公开的某些特征,但是本领域技术人员将会想到许多修改和变型。因此应该懂得,所附权利要求意图覆盖所有这些落在本公开的真实精神内的修改和变型。

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本发明涉及用于涡轮发动机中的燃料喷射的方法和装置,在一个实施例中,涡轮机系统(10)可包括燃料喷嘴(12),该燃料喷嘴(12)包括多个燃料通道(56,58)和多个在下游方向上偏离燃料通道(56,58)的空气通道(48)。在该实施例中,来自空气通道(48)的空气流配置成与来自燃料通道(56,58)的燃料流以某一角度相交,以在燃料喷嘴(12)下游引起空气流和燃料流的涡动和混合。 。

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