改进的耐用火焰稳定燃料喷射器制造技术

一种用于燃气轮机的燃烧室３０的切向进入预混燃料喷射器１０，包括：一对弓形涡管１８和一对空气进入槽３６。涡管还包括一组轴向分布的主燃料喷射通路４２。火焰稳定燃料喷射器中心体４６包括冲击和流逸冷却出口喷嘴５０。该喷射器比传统的切向进入喷射器的运行温度低，因此使用寿命更长。即使该喷射器使用的冷却空气比传统的切向进入喷射器少，冷却空气以较低速度排出，也能达到延长使用寿命的效果。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及共同拥有的同时待审的美国专利申请1996年12月20日提交的08/771,408号名称为“火焰喷出双流切向进入喷嘴”，1996年12月20日提交的08/771,409号名称为“从双流切向进入喷嘴喷出火焰的方法”，以及1997年12月15日提交的08/991,032号名称为“非流线体预混燃料喷射器及预混燃料和空气的方法”等申请。本专利技术涉及燃气轮机燃烧室的预混燃料喷射器，特别涉及具有先进的冷却装置的喷射器，其可改善喷射器寿命，增强燃烧火焰稳定性，而不增加一氧化碳的排放。矿物燃料的燃烧会产生不希望的污染物，包括氮的氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)。NOx和CO产生的环境恶化越来越引起重视，所以人们非常关心燃料燃烧装置中NOx和CO的产生问题。抑制NOx产生的一条原则思路是燃烧完全混合和理想配比低燃的燃料-空气混合物。完全混合和理想配比低燃使燃烧火焰温度均匀并较低-这是抑制NOx产生的前提。产生完全混合和低燃的燃料-空气混合物的一种燃料喷射器是切向进入喷射器。燃气轮机的切向进入燃料喷射器的例子出现在美国专利5,307,643,5,402,633,5,461,865和5,479,773中，其全部转让给了本申请的受让人。这些燃料喷射器具有一混合室，其径向向外与一对圆柱状-弧形偏置的涡管邻接。涡管的相邻端形成空气进入槽，使空气可切向进入混合室。一列燃料喷射器通路沿每个槽的长度方向轴向延伸。燃料喷射器的中心体从喷射器的前端向后延伸，形成混合室的径向内边界。该中心体可包括将附加燃料引入混合室的装置。在燃气轮机工作时，一股燃烧空气流通过空气进入槽切向进入混合室，而燃料通过每个燃料喷射通路射入空气流中。燃料和空气绕中心体涡旋，在混合室中相互紧密并均匀地混合。燃料-空气混合物轴向向后流动，并排入燃烧室，在此混合物点燃并燃烧。在混合室中燃料和空气紧密、均匀的预混通过保证均匀的较低的燃烧火焰温度而抑制了NOx产生。尽管上述的切向进入喷射器具有种种优点，但其并非没有缺点。一个缺点是混合室中燃料-空气混合物会促使燃烧火焰进入混合室，在此燃烧火焰会很快损坏涡管和中心体。第二个缺点是即使保持其在混合室之外，火焰也会有暂时的、空间的不稳定。这种被称为气热声共振的火焰不稳定性显示为火焰位置的波动并伴随有低频压力振动。压力振动反复的特性会使燃烧室受压，破坏其结构整体性，降低其使用寿命。解决这些缺点的改进型切向进入喷射器记录在美国专利申请1997年12月15日提交的08/991,032号中，其转让给了本申请的受让人。该申请公开的喷射器包括一排燃料喷射通路，用于喷射燃料进入切向进入的空气流；和空气动力学形状的中心体，具有一非流线型的尖端，其与喷射器的排出平面对齐。燃料和空气的排出口通过中心体的尖端延伸，用于将燃料和空气在排出平面喷射进入燃烧室。通路排和中心体的形状相配，以便阻止火焰吸入，并放出任何吸入的火焰。该非流线型的有燃料的尖端提供一表面，用于稳定燃烧火焰，提高火焰的稳定性，抑制火焰进入混合室的趋势。通过尖端的空气排放口流动的空气有助于支持燃烧，冷却尖端。尽管该改进的喷射器解决了火焰稳定和吸入的问题，但喷射器长时间无故障运行的寿命还不够长。因为中心体尖端直接暴露于稳定的燃烧火焰，尖端的工作温度很高以致影响其使用寿命。增加通过尖端通路的冷却空气的速度和数量以改善尖端的温度耐用性。但是增加冷却空气速度会减弱燃烧火焰保持在尖端的趋势，而使火焰不稳定。增加冷却空气数量也是不希望的，因为这不仅降低了尖端的温度，也降低了火焰温度。尽管低的火焰温度会降低NOx产生，但是太冷的火焰也抑制了将一氧化碳转化为对环境更无害的二氧化碳的燃烧反应。因此，虽然NOx产生的少了，但产生的CO却很高。本专利技术致力于一种先进的预混燃料喷射器，其平衡了长的使用寿命和良好的火焰稳定性之间矛盾的要求，同时不增加CO的产生。因此本专利技术的目的是提供一种预混燃料喷射器，其抑制NOx和CO的产生，稳定火焰，并有良好的使用寿命。根据本专利技术提供的预混燃料喷射器包括火焰稳定中心体，其带有冲击(impingement)和流逸(transpiration)冷却的排出嘴。冲击和流逸冷却的良好作用提高了喷射器的温度耐力，使其适于长时间无故障操作。因为冷却装置非常有效，冷却空气速度可足够低，以保证燃烧火焰的稳定。同样冷却空气的需要量足够低，使得CO的排出保持在可接受的较低范围。根据本专利技术的一个方面，喷嘴还包括燃料分配室和与一组孔相连的燃料总管，以保证辅助燃料均匀分布在多个燃料排出通路中。参照下面参考附图对本专利技术的优选实施例的详细描述可更清楚地理解本专利技术的前述特征，结构和操作，附图中附图说明图1是本专利技术的预混切向进入燃料喷射器的局部被剖去以暴露其内部零件的透视图；图2为大致沿图1的2-2方向的喷射器的端视图；图3是位于图1中燃料喷射器后端的燃料和空气排出口的放大剖视图；图4是大致沿图3的4-4方向的端视图，示出燃料喷射器喷嘴中排出通路组；图5是大致沿图3的5-5方向的视图，示出一孔板，一组孔穿过其中；图6是大致沿图3的6-6方向的视图，示出一塞子，其带有用于接受辅助燃料供应管的孔；图7是大致沿图3的7-7方向的视图，示出一冲击板，一组冲击孔穿过其中。参照图1和2，具有轴向延伸燃料喷射器中心线12的预混燃料喷射器10包括前端板14，后端板16，和至少两个在两端板之间轴向延伸的弓形涡管18。燃料喷射器排出口20穿过后端板延伸，排放口的最后端形成燃料喷射器排出平面22。涡管和端板形成混合室28，其轴向延伸至排出平面，燃料和空气在其中预混，然后在排出平面22之后的燃烧室30中燃烧。涡管18与燃料喷射器轴12径向隔开，每个涡管具有径向的内表面32，其面对燃料喷射器的中心线，限定了混合室的径向外边界。每个内表面是弓形表面，具体说是绕混合室中相应的涡管轴线34a和34b的部分回转表面。此处的“部分回转表面”是指绕中心线34a,34b之一将一条线旋转小于一圈而形成的表面。涡管轴平行于燃料喷射器中心线，并与其等距离径向偏离，使得每个邻近的涡管对形成平行于喷射器中心线的空气进入槽36，以便主燃烧空气流进入混合室。进入槽36径向从涡管的尖锐边缘38延伸进入邻近涡管的内表面32。至少一个且优选的是所有的涡管包括燃料供给总管40和大致径向的燃料喷射器通路42的轴线分布组，用于在其进入混合室时将主燃料(优选为气体燃料)喷射进入主燃烧空气流。燃料喷射器还包括中心体46，其从前端板向后延伸。中心体具有基体48，喷嘴50和壳体52。壳体52从基体轴向地向喷嘴延伸，以限定混合室28的径向内边界和辅助空气供应道54的径向外边界。基体48包括多个辅助空气供应孔以使辅助空气进入供应道54，图中不可见。喷嘴的后端56(从图3可看到其细节)为非流线型，即其为宽阔的，具有平的或略带圆弧的面，大致轴向地与排出平面22对齐。辅助燃料供应管60穿过中心体，向喷嘴供应辅助燃料。在优选实施例中，辅助燃料是气体燃料。热偶(未示出)安装在热偶套58中，该热偶套固定在中心体壳的内表面上。热偶提供的温度信号检测混合室内火焰的存在，使得自动控制器可启动一定的修正动作，例如暂时调整燃料供给。下面参照图3至7，喷嘴50包括套62，其具有沿轴向从本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃气轮机燃烧室的燃料喷射器，包括：至少两个弓形涡管，每个具有大致平行于燃料喷射器中心线且与其径向偏离的轴线，涡管限定了混合室径向向外的边界，各相邻的涡管对还限定了空气进入槽，用于使一股主燃烧空气流进入混合室，至少一个涡管包括：一 组轴向分布的主燃料喷射通路，用于将主燃料喷射进入主空气流；中心体，包括中心体基体，喷嘴，和轴向从基体向喷嘴延伸而限定混合室径向内边界和辅助空气供应道径向外边界的壳，所述喷嘴包括：具有壳部的套；辅助空气供应通路，用于引导一股辅助空 气流进入套的内部；冲击板，被套的壳部包围，使得冲击板阻截辅助空气流，冲击板具有一组穿过它的冲击孔；以及尖端帽，具有一组穿过其延伸的核心排出通路，冲击孔和核心排出通路为不对齐的串行关系，使得从冲击孔出来的辅助空气撞击尖端帽，并流过核心 排出通路以冷却喷嘴。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯蒂芬A莫福德，
申请(专利权)人：联合工艺公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]