预混合燃料喷射器及其操作方法技术

一种燃气轮机的预混合燃料喷射器，包括一轴向延伸的中央体和一对围绕一混合室的径向偏移的涡管。每个涡管前端与相邻涡管的后端限定一进气槽，用于接纳一次燃烧空气流切向进入混合室。燃料喷射通路沿每个进气槽延伸以喷射一次燃料射流进入进气流。喷射器可在正常工作状况以及混合室具有不希望的燃烧的恶化工作状况下工作。燃料喷射通路被定向和定位得使其喷出的燃料射流在维持不希望的燃烧超过极限时间间隔方面不起作用。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于燃气轮机燃烧室的预混合燃料喷射器，特别涉及具有优越的消除喷射器内部火焰能力的预混合燃料喷射器。工业用燃气轮机发动机，诸如那些用于发电或作为工业电站的，受到严格的排放控制，特别是氮氧化物(NOx)，一氧化碳(CO)以及未燃烧的碳氢化合物。为了减少不希望的排放，工业燃气轮机装备有预混合燃料喷射器，其中燃料和空气在喷入发动机燃烧室并燃烧之前彻底地预混合。燃料和空气彻底地预混合确保了均匀的低燃烧温度，这是降低Nox形成的先决条件，并促进完全燃烧。一种型号的预混合燃料喷射器是切线进入喷射器，其实例在美国专利5,307,634；5,402,633；5,461,865和5,479,773中描述，这些专利均被转让给本专利技术的受让人。这些喷射器的特征为一环形混合室，其与一轴向延伸的中央体径向地邻接以及一对环形弧状涡管。所述涡管沿径向相互偏移以限定一对进气槽口，每个槽口接纳一股空气切向进入混合室。每个涡管包括一个燃料喷射通道阵列，用于将燃料引入进气流。空气和燃料进入混合室，围绕中心体涡旋并均匀混合。燃料-空气混合物轴向流动通过混和室并排入发动机的燃烧室，在燃烧室中被点燃并燃烧。因为切向进入喷射器产生高度均匀的，彻底混合的燃料-空气混合物，喷射器在降低Nox形成方面具有优越的效果并且促进完全燃烧。预混合燃料喷射器设计为显示出许多除了燃料和空气混合之外的理想的操作特性。例如，预混合喷射器应促进燃烧室中火焰的空间和时间稳定性。没有这种稳定性，燃烧室就会暴露于低频压力振荡，其可对燃烧室造成应力，减少其使用寿命。此外，预混合燃料喷射器应当内在的防火。也就是说，喷射器应当防止燃烧火焰吸入混合室并迅速吐出任何克服吸入阻挡的火焰。内部火焰阻挡是重要的，因为在混合室内的燃烧会容易地损坏涡管和中央体，所有这一切对于暴露于高温都具有有限的耐受性。不幸地，彻底的燃料-空气混合，燃烧室中的火焰稳定性，以及内在防火性的要求经常相互冲突。改进这些所希望特性之一的设计参数经常会包括一个或更多其它特性，相应地，取得彻底的燃料和空气混合，良好的火焰稳定性，以及内在的防火性的有效结合是一个相当的挑战。一具有良好内在防火性的燃料喷射器在1996年12月20日提交的美国专利申请08/771,408和08/771,409中，以及欧洲专利EP-A-0849524中描述。所披露的喷射器具有一中央体其轮廓使得燃料-空气混合物轴向以足够高的速度流动以防止火焰吸入，并且促进火焰吐出。另一个示例的喷射器在1997年12月15日提交的美国专利申请08/991,032中描述。所披露的喷射器特征为具有一燃油通道阵列，其构造的沿着进气槽的长度不均匀地喷射燃料以改善燃料-空气混合物的均匀性，从而抑制不希望的废气排放。所述喷射器的特征为还具有一中央体，中央体具有一垂直于喷射器轴的直立表面，并与喷射器的排放平面轴向一致。在工作中，燃烧火焰趋向于保持并稳定在直立表面上，改进火焰的空间稳定性以及阻止火焰进入混合室。尽管上述喷射器具有许多优点，发动机制造商仍一直在努力以完善和优化预混合燃料喷射器。特别是，制造商寻找其它的方法以消除混合室中的火焰而不增加排放或危害火焰稳定性。因而，本专利技术的一个目的是提供一种预混合燃料喷射器，其具有优越的消除喷射器的混合室内部火焰的能力，以及同时不增加不希望的排气污染或在燃烧室内的火焰稳定性方面作妥协。本专利技术的另一个目的是避免使喷射器或其制造引入过渡的复杂性。根据本专利技术，预混合燃料喷射器的切向进入的燃料喷射通路是这样定位和定向的如果喷射器在与混合室中的燃烧相关联的恶化的状态下工作，从所述通路中排出的燃料不能维持燃烧。在本专利技术的一个实施例中，燃料喷射通路如此定向和定位，使得当喷射器在恶化的状态下工作时，从所述通路喷出的燃料喷射流冲撞到相邻的涡管上，而不是径向贯穿到中央体。在本专利技术的另一个实施例中，当喷射器在恶化的状态下工作时，界定进气槽的涡管对燃料射流施加一空气动力学影响以限制射流的径向贯穿。本专利技术的基本优点是其熄灭混合室中的火焰而不增加排气污染，不危害火焰稳定性或是对喷射器或其制造引入过渡的复杂性的能力。现在将通过举例和参照下列附图来描述本专利技术的一些优选实施例。附图说明图1是一工业用燃气轮机的预混合燃料喷射器的部分切除的透视图。图2是沿图1的2-2线取的视图，示出本专利技术的燃料通路设置并说明喷射器在预定状态和恶化状态的工作。图3是一类似于图2的视图，示出一现有技术的燃料通路设置并示出现有技术的喷射器在恶化状态下的工作。图4是一直方图，示出了表明本专利技术的功效和优点的实验结果。本专利技术部分以下列认识为基础1.预混合燃料喷射器的切向进入的混合室中的燃烧引起喷射器在恶化状态下工作，特征为进入混合室中的燃烧空气流的速度和质量单位流量减小；2.减小的空气速度使得引入空气流的燃料径向向内贯穿而没有彻底地与燃烧空气混合；以及3.没有彻底混合的燃料帮助维持燃烧并抑制燃烧火焰从混合室吐出。图1和2说明一用于工业用燃气轮机的预混合燃料喷射器10。所述喷射器具有一轴向延伸的燃料喷射器中心线12并包括一前方端板14，一后方端板16，以及至少两个弧状涡管(arcuate scroll)18，其轴向地在端板之间延伸。一燃料喷射器排放口20延伸穿过后端板，并且排放口的后端限定了一燃料喷射器排放面22。所述涡管和端板界定了一混合室24，其轴向延伸到排放面，在其中燃料和空气在燃烧室26中燃烧之前被预混合。每个涡管具有一周向前端28，特征为一放大的唇部32，以及一周向尾端34，其结束于尾缘36。每个涡管还具有径向内表面38，其面对燃料喷射器中心线并限定混合室的径向外边界。每个内表面均为弧状表面，特别是一围绕位于混合室中的各涡管轴线40a，40b的部分回转的表面。在这里使用的短语“部分回转的表面”是指围绕轴线40a，40b之一旋转一线不到一完整圈而形成的表面。各涡管轴线平行于燃料喷射器中心线，并距其等距径向偏置。相应地，一个涡管的前端与相邻涡管的后端合作以限定进气槽42的径向内外端，进气槽用于接纳由流线44指明的一次燃烧空气流进入混合室。每个槽的径向宽度W随着接近于混合室而减小，以便每个槽加速进入的空气流向一槽排出平面或喉部46。每个涡管前端的放大的唇部接纳一燃料供给歧管48。一由十五个轴向分布的燃料喷射通路52组成的阵列从各歧管延伸。各通路52具有排放口54，用于引入气态的一次燃料进入一次燃烧空气流44。通路52的中心线56大体上为径向定向。涡管18共同外接一从前端板向后延伸的中央体58。所述中央体具有一基座60，一喷嘴组件62和一壳体64。壳体轴向地从基座向喷嘴组件延伸以限定混合室24的径向内边界和第二空气供给导管66的径向外边界。所述壳体在向后方向向中心线12会聚，以便将涡管与中央体分开的径向间隙空间C向着喷射器的排放端增加。基座60包括一系列的二次空气供给口，其在图中不可见，以接纳二次空气进入导管66。喷嘴组件的后端68是直立平面状(bluff)，也就是说，其是宽阔的并具有一平的或缓和的圆整表面，并且大体上与排放平面22轴向对齐。一二次燃料供给管72通过中央体延伸以供给二次燃料到喷嘴组件。在优选实施例中二次燃料是气态燃料。喷嘴组件包括一组排放孔，诸如典型孔74，用于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种预混合燃料喷射器，包括一中央体和至少两个周向相邻的涡管，每个涡管具有一周向前端和一结束于后缘的周向尾端，所述涡管共同地外接于中央体，以径向限定一混合室，每个涡管的前端和相邻涡管的尾端协作以限定一进气槽的径向外端和内端，所述进气槽用于接纳空气流进入混合室，至少一个所述涡管的前端包括一轴向分布的燃料喷射通路阵列，所述燃料喷射通路各具有一个排出口，用于将燃料引入空气流，所述喷射器具有一既定的工作状况，并也可在一与混合室内的燃烧相关联的恶化状况下工作，选定的燃料喷射通路相对于相邻涡管的尾端如此定向和定位，使得在恶化状态操作期间，自所述选定燃料喷射通路排出的燃料在大于一限定的时段内对于维持混合室内的燃烧不起作用。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：威廉A索沃，唐纳德W肯德里克，路易斯M恰佩塔，
申请(专利权)人：联合工艺公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]