稀薄直喷式扩散头和相关方法技术

本发明专利技术涉及稀薄直喷式扩散头和相关方法，尤其是用于燃气轮机燃烧器的喷嘴。该喷嘴包括：第一径向外部管，限定了具有入口和出口的第一通道，该入口适于提供空气给燃料器的反应区；第一径向外部管内的中心体，包括提供燃料给反应区的第二径向中间管和供给空气到反应区的第三径向内部管。第二中间管具有由第一端壁闭合的第一出口端，该端壁形成有多个基本平行和轴向定向并用于第三内部管中的附加空气的空气出口通道，各空气出口通道具有多个相应的位于第一端壁中并用于第二中间管中的燃料的相关燃料出口通道。该多个燃料出口通道具有非平行的中心轴线，它们与用来局部混合从中心体排出的燃料和空气的相应空气出口通道的中心轴线交叉。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是在政府的支持下根据能源部所授予的合同No. D&FC26-05NT42643下完成的。政府享有本专利技术的一定权利。本专利技术大体涉及涡轮燃烧，尤其是涉及为实测氐NOx排放的稀薄直喷式喷
技术介绍
至少一些已知的燃气涡轮发动机燃烧空燃混合物，从而从混合物中释放热能，以形成高^)i烧气流，该气流通过热气通道m至鹏轮中。涡轮将来自燃料气流的热能转化成能使涡轮轴旋转的机械能。涡轮的输出可用于为机器、例 如发电机或泵等提供动力。燃烧反应的至少一种副产品可肯腰受到法令柳蹄U。例如，在热能驱动反应 中，Sil由燃气涡轮发动机内的高温所启动的空气中的氮和氧之间的反应可以 形成氮氧化物(NOx)。通常来说，进入燃气涡轮发动机的涡轮部分内的燃烧气流 的Mit增加，发动机的效率也提高；然而，增加燃烧气l拟显度也会促进形成更 多的不希望有的NOx。燃烧通常发生在或邻近于燃烧器的上游区域，该区域通常被称为反应区或主 区域。可引入惰性稀释剂来稀释空燃混合物，从而降低最高、鹏以及NOx的排 放。然而，惰性稀释齐拼不总是可行的，它可能会对发动机的加热速度造跡 利影响，并且会增加资金和运营成本。蒸汽可以作为稀释剂来引入，但这也会 縮短热气体M组件的期望寿命。为了控制涡轮发动t脆行期间NQx的排放，至少一些己知燃气涡轮发动机 4顿了燃烧器，该燃烧器利用稀薄的燃料/空气比*1作，和/或利用在SA燃烧器的反应区之前与空气进行预混合的燃料来工作。预混合可^a燃烧 鹏的降低，从而减少了NOx的形成，不需要^顿稀释添加剂。然而，假如所4顿的燃 料是过程气体或合成气体，那么就可能存在足够的氢气，从而使相关的高火焰速度可f腿混錄置中的自燃、回烧和/或火銜呆持。预混合喷嘴同时具有斷氐的边际降ii(tumdownmargin),这是因为其能吹出非常稀薄的火焰。为扩大P争燃能力，i顿了这样一种预混合喷嘴，其利用扩散头在启动和部分负载的状况下喷射燃料。扩散头典型地连接在预混合喷嘴的中心体上。合成气体燃烧器同样利用独立的扩散喷嘴来燃烧多种不同的燃料，从而防止高氢燃料的火纟剖呆持或回烧，并且防止在低沃泊指数(Wobbelndex)燃料下的吹出。这种系统的缺点是在引燃或弓燃的预混合模式下运行时，NOx水平较高。当前，采用并流扩散头来提供弓燃火焰的稳定性、降燃能力和燃料适应性。然而，这种装置也会导致高NOx。稀薄直喷(LDI)式燃烧方法典型地定义为这样一种喷射方法，其中将燃料和空气喷射到燃烧器的燃烧室中，在喷射之前不对燃料和空气进行与传统扩散喷嘴中對以的预混合。然而，这种方法能在燃烧区域中提供改善的快速混合，形成低于传统的非预混合或扩散燃烧方法中形成的最高火焰M^以及低NOx排放。
技术实现思路
在一方面，提供了一种用于燃气轮燃烧器的新型的LDI喷嘴。该喷嘴包括第一径向外部管，其限定了具有入口和出口的第一通道，该入口适于将预混空气提供给燃料器的反应区；位于第一径向夕卜部管内的中心体，该中心体包括用于提供燃料给反应区的第二径向中间管，以及用于提供空气给反应区的第三径向内部管；其中，第二中间管具有由第一端M^封闭的第一出口端，该端壁形成有多个基本平行且轴向定向的用于第三径向内部管中的额外空气的空气出口通道，各空气出口通道具有多个相应的位于第一端壁中并用于第二径向中间管中的燃料的相关燃料出口通道，并且，所述多个相应的相关燃料出口通道具有非平行的中心轴线，它们与适用于使离开中心体的燃料和空气局部混合的对应空气出口M的中心轴线交叉。在另一方面，提供了一种用于燃气轮机燃烧器的喷嘴，包括第一径向外部管，其限定了具有入口和出口的第一通道，所^A口适于将预混空气提供给燃料器的反应区；位于所述第一径向外部管内的中心体，其包括用于提供燃料给反应区的第二径向中间管，以及用于提供空气给反应区的第三径向内部管；以及位于中心体的出口端附近并用于使燃料和额外的空气局部混合的装置。在另外的一个方面，提供了操作涡轮发动机的方法。该方法包括步骤提供至少一个用于为燃烧器的反应区供给燃料和空气的喷嘴，该喷嘴包括第一径向外部管，其限定了具有入口和出口的第一通道，该入口适于将预混空气提供给燃料器的反应区，还包括位于第一径向外部管内的中心体，其包括位于第一径向外部管内的用于提供燃料给反应区的第二径向中间管，以及用于提供额外的空气给反应区的第三径向内部管；以及，使来自第二径向中间管的燃料流在大致排出中心体的同时与来自第三径向内部管的附力控气流交叉并混合。现在将结合下面的附图具体地描述本专利技术。附图说明图1是具有扩散头的传统预混合喷n觜的示意图2是根据本专利技术的非限制性第一实施例的稀薄直喷式喷嘴的示意图3是图2所示喷嘴的中心体端头部分的正面图4是根据非限制性第二实施例的禾希薄直喷式喷嘴的示意图；和图5是图4所示喷嘴的中心体端头部分的前视图。图中各标号的含义如下10喷嘴；12径向外部壁；14空气入口； 16出口； 18中心体；20燃料通道；22喷射环；24径向燃料通道；26外部空气通道；28内部管；30端壁或端头；32燃料出口孔；34空气出口孔；36喷嘴；38外部管；40空气入口； 42出口； 43中心体；44中间管44; 46环形燃料Mit; 48燃料喷射器环；50夕卜部空气通道；52径向燃料通道；54内部管；56端壁或端头；58燃料出口通道；60空气出口孔或通道；62第二端壁或端头；64空气管64; 66空气出口孔；68环；70 i!31il道；72管/通道；74燃料通道；143中心体；144外部管；150鹏；156端头；158燃料孔；160空气孔具体实施例方式参照图l，其中示出了一种已知的DLN (干燥且低NOx)预混合喷嘴IO，其具有用于引燃(pilot)和引燃预混的扩散头。喷嘴10形成有具有空气入口 14和出口 16的径向外部壁12。中心体18延伸到喷嘴中，且沿着喷嘴的纵向中心轴线i體。中心体18限定了燃料通道20，该燃料鹏将部分燃料供给燃料预混喷射环22，该喷射环围绕中心体18，并且在喷嘴的中心体和径向外部壁12之间径向延伸。因此，M径向燃料通道24将燃料弓i入到径向夕卜部的空气通道26中，从而预混^M烧器反应区域上游的燃料和空气。余下的燃料沿着通道20流动，如下面更详细描述的那样从下游中心体端头处流出。中心体18还具有用于供给空气到中心体端头的内部管28。中心体18的下游或出口端具有闭合的端壁或端头30，其配置有相应的环形燃料出口孔32和空气出口孔34的环形阵列。在该己知的體中，孔32,34相对于纵向轴线成一定角度地向外展开，从而实现与在径向外部通道26中流动的预混空气相混合。然而需要注意的是，从孔32,34中排出的燃料和空气的流动通道不会交叉，因此不会在中心体端头出现燃料和空气的局部互混。图2示出了根据本专利技术的一个示例性但非限制性的LDI喷嘴36的实施例。如上述已知的喷嘴构造那样，喷嘴36形成有具有空气入口 40和出口 42的径向外部壁38 (或第一径向外部管)。中心体43包括第二径向中间管44，其延伸到喷嘴中且沿着喷嘴的纵向中心轴线设置。该管44限定了环形燃料通道46，其供给部分燃料到径向定向的燃料预混喷射环48，该喷射环48围绕着中心体43，并且在中心体43和径向外部壁38之本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃气轮机燃烧器的喷嘴，包括：　第一径向外部管，其限定了具有入口和出口的第一通道，所述入口适于将预混空气提供给燃料器的反应区；　位于所述第一径向外部管内的中心体，所述中心体包括位于所述第一径向外部管内的用于提供燃料给所述反应区的第 二径向中间管，以及用于提供额外的空气给所述反应区的第三径向内部管；　其中，所述第二中间管具有由第一端壁所封闭的第一出口端，所述端壁形成有多个基本平行且轴向定向的用于所述第三径向内部管中的额外空气的空气出口通道，每个所述空气出口通道具有多个 相应的位于所述第一端壁中并用于所述第二径向中间管中的燃料的相关燃料出口通道，其中，所述多个相应的相关燃料出口通道具有非平行的中心轴线，所述中心轴线与适用于使离开所述中心体的燃料和空气局部混合的对应空气出口通道的中心轴线交叉。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：B瓦拉塔拉彦，WS齐明斯基，J利平斯基，GO克雷默，E伊尔梅茨，B莱西，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[]