CN100529548C - 燃气涡轮燃烧室的多文丘利管燃料喷射器 - Google Patents

Abstract

一种燃气涡轮用的燃烧室包括一个主燃料喷射器(20)以便用来接受压缩机排放的空气并将空气和燃料混合而后流到在下游的催化区(22)。主燃料喷射器包括一排文丘利管。每一个文丘利管(42)都有一个入口(44)、一个喉管(46)和一个扩散器(48)。有一个设在前板和后板(30、32)之间的主燃料供给封闭环腔(38)将燃料供到辅助的环状封闭环腔(64)，后者设有供给孔(66)，可将燃料供到文丘利管内在喉管上游的入口内。扩散器(48)从喉管处的圆形横截面转变到在扩散管出口处的具有多个斜角互联侧壁的截角锥体状，可使出口处的各文丘利管之间没有显著的间隙。采用这种布置可以在催化区入口处获得燃料/空气、速度和温度的均匀分布。

Description

燃气涡轮燃烧室的多文丘利管燃料喷射器

发明领域

本发明涉及一种燃气涡轮燃烧室的燃料喷射器，特别涉及一种催化和干态低NOx用的多文丘利管燃料喷射器。

背景技术

燃气涡轮的燃烧室例如催化燃烧室的主要构件包括：(1)预燃器，该器通常构成一个扩散式的燃烧室，将一小部分燃料燃烧以便足够地提高空气的温度，使下游的催化剂激活；(2)预混室，该室包括主燃料喷射器，用来完成燃料和空气的混合；(3)催化剂，该剂能在不产生NOx的无焰反应下将燃料部分转变；(4)烧净区带，该区带包括在一具有从催化区流动过来的贫燃料/空气混合物的后催化区的衬套内进行均匀的燃烧，该项燃烧由于温度较低不会产生NOx。这种型式的燃烧能够产生极低的排放物。

多文丘利管曾在催化燃烧室内被用作主燃料喷射器。例如可见美国专利4,845,952和4,966,001。这种配置的目的是要在催化区入口提供均匀的燃料/空气混合物。应该认识到在催化区入口的整个庞大的横断面积上必须保持燃料分布的极其均匀。燃料/空气的混合是将燃料分布到充满燃烧室横断面的大量文丘利管内，接着在文丘利管内以及在文丘利管出口平面和催化区入口之间的下游区域进行空气动力学的混合来完成的。除了均匀的燃料/空气混合物外，催化剂在越过催化区入口平面时需要有均匀的温度和均匀的速度。这些因素中缺少任何一个，催化剂就不能很好地作用。还应认识到多文丘利管能产生层流，而层流能抑制大规模的混合和气流的预先调制，这样在扩散器出口和催化区入口之间就只能完成局部的混合。那就是说，在该横断面的区域内混合是受限制的。例如，如果一个流动区域具有比其余流域高的温度或速度，那么热力的或速度的不良分布将会有害地在催化区入口显示出来。因此，燃气涡轮的燃烧室需要有一种燃料喷射器以在催化区入口处提供均匀程度改进的燃料/空气、温度和速度的分布。

发明概述

按照本发明的较优方案所提供的组合包括一个燃烧室、一个气流调制器、一个具有多侧面扩散器和改进燃料回路的文丘利管设计。气流调制器可以用2003.08.27申请的共同未决的美国专利申请10/648,203中所说明和图示的型式，其内容在这里被引用供参考。除了气流调制器外，设有具有截圆锥状剖面形状的多文丘利管以便促进燃料/空气的混合，在催化区入口处提供均匀分布的燃料/空气、速度和温度，及消除持有火焰的气流流出。在文丘利管的设计中取消了再循环区(即在文丘利管的出口平面和其下游之间的流动区间)以及持有火焰所需的势能。该文丘利管有一个三部分的构造以改善燃料在各文丘利管之间的分布，该构造的钎焊接头还设有热屏蔽以提高机械的耐用性。该文丘利管燃料回路还在文丘利管周围由间隔开的轴向前壁和后壁限定的主燃料封闭环腔和通往文丘利管收敛入口的燃料供给入口之间设有辅助封闭环腔。由于每一个文丘利管都设有辅助封闭环腔，燃料进入到封闭环腔的平面就可用最大可能有的距离与燃料喷射到文丘利管内的平面隔开。而且冷燃料是沿着燃料封闭环腔的冷侧流动，从而可将在前板和后板上的钎焊接头的热应力减为极小。

按照本发明的一个较优方案所提供的燃气涡轮的燃烧室具有一个壳体，该燃烧室壳体包括一个气流衬套用来接受压缩机排放的空气；一个在气流衬套下游的主燃料喷射器用来接受压缩机排放的空气并混合空气和燃料；一个在主燃料喷射器下游的催化区用来接受来自主燃料喷射器的空气和燃料的混合物。该主燃料喷射器包括：(i)一排文丘利管，每一个文丘利管包括一个收敛的入口、一个喉管和一个扩散器以便使燃料/空气的混合物大致沿轴向地在其内流动通过而后从所说扩散器离开，(ii)一块前板和(iii)一块后板被一个在两板之间限定的燃料供给封闭环腔的外壳环绕着；每一块板上都设有多个开口以便安装文丘利管；而每一个文丘利管都有至少一个燃烧供给孔以便在喉管的轴向上游位置将来自燃料供给封闭环腔的燃料供给到文丘利管的入口内。

按照本发明另一个方案所提供的燃气涡轮的燃烧室具有一个壳体，该燃烧室壳体包括：一个气流衬套用来接受压缩机排放的空气；一个在气流衬套下游的主燃料喷射器用来接受压缩机排放的空气；一个在主燃料喷射器下游的催化区用来接受来自主燃料喷射器的空气和燃料的混合物；主燃料喷射器包括一排环绕燃烧室轴线的文丘利管，每一个文丘利管包括一个收敛的入口、一个喉管和一个扩散器，供燃料/空气的混合物流动，每一个文丘利管都设有燃料供给孔以便使燃料流到文丘利管内，所说扩散器具有多个分散而与中心轴线偏斜的侧壁，文丘利管的阵列被环绕中心轴线而并排地布置在圆周上并在径向上互相间隔开。

附图的简要说明

图1为一局部的透视图，部分被裂开并用剖面示出在燃气涡轮中使用的催化燃烧室的一部分，该燃气涡轮引用按照本发明的一个优选方案的多文丘利管配置；

图2为多文丘利管配置的透视图；

图3为其剖视图；

图4为在图3中大致沿4-4线切开的剖视图；

图5为一放大的局部视图，部分为剖面，示出文丘利管和燃料的封闭环腔；

图6为文丘利扩散管的局部透视图；

图7为从上游方向看去的多文丘利管的扩散区的放大的局部透视图。

本发明的详细说明

通常的燃气涡轮具有一排环绕涡轮的轴线沿圆周间隔布置的燃烧室，用来燃烧燃料/空气的混合物并使燃烧产物流动通过一个过渡件以便沿着涡轮级阶段的灼热燃气路径流动，从而将含有能量的气流转变成机械能来转动涡轮的转子。涡轮的压缩机将其部分压缩空气供应给每一个燃烧室以便与燃料混合。图1中示出涡轮所用燃烧室中一个的一部分，应该知道涡轮的其他燃烧室也都有类似的设计。较小的燃气涡轮可只具有一个如图1所示的燃烧室。

参阅图1，燃烧室10包括一个具有内部衬套14的预燃器区12。衬套14设有多个孔16以便接受压缩机排出的空气使它在预燃器区12内流动。预燃器区12还包括燃料喷嘴用来将燃料供给到预燃器区。从预燃器区出来的燃烧产物的气流具有一个就流动速度和温度而言都是在中心为峰值的流动分布。没有造成通往另外的燃料喷射器(如美国专利4,845,952中说明的文丘利管式燃料喷射器)所需的均匀流动。图1中的燃料喷射器20构成多文丘利管配置的一部分，其中某些方面是按照本发明的较优实施例的。从预燃器区12出来的空气和燃烧产物及从燃料喷射器20出来的燃料流到催化剂或催化区22。结果在催化区入口处的流动就缺乏均匀性。一种提供这种均匀性的方法是在预燃器区12和燃料喷射器20之间设计一个气流调制器24。气流调制器的细节可在2003.08.27申请的、题为“燃气涡轮燃烧室的气流控制器”的美国专利申请10/648,203中找到，其内容被本文引用，供参考。

在构成主燃料喷射器一部分的多文丘利管配置21(今后将简称为MVT)的入口处设有一块多孔板24来帮助燃料/空气流动的调制以便在催化区22的入口处获得最佳的混合及流量和温度的均匀分布。

主燃料喷射器20包括一对在轴向上间隔开的多孔板即前板30和后板32(图1、3和5)。板30和32各具有多孔并在轴向上构成开口的对齐的环状阵列例如在板30的图4中的开口34。有一形成封闭环腔38的外壳36包围着前、后板30和32并固定在其边缘上。如图2和4所示，有多个燃料入口40，在本例中为4个，被相等间隔地布置在外壳36的周边上以便将燃料供给到封闭环腔38。

通过板30和32的开口被文丘利管42封闭并构成MVT 21的一部分。这样每一对通过板30和32在轴向上对齐的开口分别安装一个文丘利管42。每一个文丘利管包括一个收敛的入口44、一个喉管46和一个扩散段或扩散器48。每一个文丘利管都是一个三部分的构造；第一部分包括入口的收敛部44，第二部分包括喉管和扩散器46和48，而第三部分包括一个环状的文丘利管件或管件50。管件50在前、后板30和32的每一对轴向对齐的开口间延伸。文丘利管42的收敛的入口44包括一个入口突缘52，该突缘用螺钉旋紧在管件50的突起54上。整体的喉管和扩散器46和48在其前端具有一个扩大的直径56包围着入口44的后端并被固定在其上，最好用钎焊。

应该知道，在前板和后板30和32之间、在每一个文丘利管的环状体的周围都构成一个主燃料封闭环腔60，该封闭环腔与燃料的入口40连通。主燃料封闭环腔60通过环状管件50的孔眼62与每一个入口44连通，而在入口44的先导边邻近制有燃料供给孔66，这些燃料供给孔66被互相间隔开地分布在入口44周围的圆周上，并且数目最好是四个。应该知道，供向文丘利管的燃料供给孔位在喉管46的上游并在入口44的收敛段内。将燃料供给孔66设置在文丘利管的收敛的入口内能够显著地改善燃料/空气的混合而不会发生气流分离或有害的持有火焰现象。

从燃料封闭环腔38来的燃料在前、后板30、32之间并在环状管件50的周围循环流动，以便通过燃料孔眼62、在入口44和环状管件50之间的小封闭环腔64及燃料供给孔66流到文丘利管42内。将燃料喷射孔设置在文丘利管收敛段的入口邻近，燃料可被喷射到一个区域内，在该区域内，空气侧的压力可比喉管处的静压力高。应该知道在每一个文丘利管内发生的燃料/空气混合的量正比于射流穿过气流的程度，而后者又取决于越过燃料喷射孔66的压力比和射流的动量比即在射流和主流动气流之间的动量比。为了增加压力比并断开燃料喷射与空气流分布的联系，可将燃料喷射孔设在喉管的上游。这样燃料就可喷射到一个空气侧压力比喉管处静压力高的区域内，因此，就相同的燃料侧的有效面积而言，压力比被增加。于是可以达到一个在圆周上覆盖的最佳压力比。空气速度也比喉管处低，因此就动量比的观点看，文丘利管入口44邻近的燃料射流可在较好的条件下发展。再者，由于这个燃料入口位置，混合时的长度被增加，即在文丘利管相同的总长度下，在文丘利管内实际走过的距离被增加，这也改善空气和燃料的混合。另外，文丘利管42被固定在两板30和32之间，在两板之间和文丘利管的外侧表面内构成主燃料封闭环腔60。燃料从外侧直径被引入到封闭环腔60内。当将燃料供给文丘利管时，燃料会从封闭环腔的外直径到MVT的中心作一般的多少具有轴向对称性的流动。这样，燃料在文丘利的喉管处喷射时所会发生的燃料环绕管和在管中流动的潜在不平衡及混合效能的损失都可避免，因为进入文丘利管的燃料供给孔已在空间内从发生一般封闭环腔流动的平面上移走。最后，由于燃料供给孔66被定位在文丘利管入口44的邻近，由燃料射流在文丘利管内引起气流分离的潜在可能性可大为减少。

现在参阅图2、6和7，每一扩散器48都从喉管46处的圆形转变成出口处的大致为截角锥体的形状。即扩散器48是从喉管处的圆形转变成多个分文的以斜角相联的侧面70(图7)。侧面70终止在圆周上间隔开而在径向上延伸的侧壁72以及在径向上间隔开而在圆周上延伸的弧形侧壁74，这些侧壁都互相对置。如图所示，扩散器48被布置成圆形模式成为轴向对称的几何形状并从圆形的喉管面积过渡成出口处的大致成截头锥体形的面积。在相邻文丘利管之间的任何间隙，不管是径向的或圆周方向的都基本消失如图2和7所示。这样，如图7，在每一个文丘利管的出口处的每一个扩散器的径向延伸壁72都与圆周上的相邻扩散器的相应壁72接触并固定在其上。类似地，每一个扩散器出口处的弧形壁74与其次的径向上相邻的扩散器出口处的相邻壁74接触。而且，众多的文丘利管被布置成圆形阵列的模式以不同的半径环绕轴线。这样，在径向上和在圆周上的相邻扩散器的出口壁之间的间隙便可在出口平面被减小或消除。以前，例如在美国专利4,845,952中所示，文丘利管扩散器的出口平面上在各圆形出口之间存在着巨大间隙。在出口平面下游这些文丘利管之间的间隙所产生的巨大的再循环区域将被从圆形文丘利管出来的出口气流填充。将文丘利管在喉管处的圆形横截面转变成在文丘利管出口平面上的大致成截角锥体形后，在圆周上和径向上相邻文丘利管出口之间的间隙可减小或消除，这些在文丘利管出口下游形成的现有的巨大的再循环区域和持有火焰的风险便可大为减少或消除。还应知道，将每一个文丘利管换成多部件的构造，即一个入口44及一个组合的喉管和扩散器段46、48，入口44就能取下以便进行调整、整修或作适应性的试验。

另外，再请参阅图3，可见各文丘利管的出口形成向外直径和向上游方向的阶梯状。即各文丘利管出口离开一个垂直于通向燃烧室气流的平面的距离在径向向外并向上游的方向上会变得越来越大。这样能使在相邻文丘利管之间的任何间隙进一步缩小。而且，由于使径向向外的文丘利管逐渐变短，出口扩散器的角度可被减少，例如减至约7.8度，从而可减少在出口扩散器内气流分离的潜在可能性。

虽然本发明已对目前认为最实用而较好的实施例进行说明，但应知道本发明并不限于这个公开的实施例，相反地，应该涵盖各种包括在所附权利要求的精神和范围内的修改和等同的结构。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮的燃烧室，具有：

一个包括用来接受压缩机的排放空气的一气流衬套(14)的燃烧室壳体；

一个在所说用来接受该压缩机的排放空气并使空气和燃料混合的气流衬套下游的主燃料喷射器(20)；

一个在所说主燃料喷射器下游的催化区(22)，用来接受来自该主燃料喷射器的空气和燃料的混合物；

所说主燃料喷射器包括：(i)一排文丘利管(42)，每一个文丘利管包括一个收敛的入口(44)、一个喉管(46)和一个扩散器(48)，以便使燃料/空气混合物大致沿轴向流过其间，自所说扩散器排出，(ii)一块前板(30)和(iii)一块后板(32)，被一个在所说两板之间限定一燃料供给封闭环腔(38)的外壳(36)包围；

每一块所说板(30、32)具有多个开口(34)，以安装文丘利管；及

每一个所说文丘利管入口(44)具有至少一个燃料供给孔(66)，以便在所说喉管(46)的轴向上游位置将来自所说燃料供给封闭环腔的燃料供给到所说文丘利管入口内。

2.权利要求1的燃烧室，包括一个在所说燃料供给封闭环腔(38)和所说燃料供给孔(66)之间连通的辅助封闭环腔(64)。

3.权利要求2的燃烧室，其特征在于每一个所说文丘利管(42)包括一个在所说收敛入口周围的文丘利管件(50)，所说管件包括一个与所说辅助封闭环腔(64)连通的孔眼(62)，所说辅助封闭环腔位于所说入口和所说管件之间。

4.权利要求1的燃烧室，其特征在于在所说入口内的所说至少一个燃料供给孔(66)沿轴向处在比该喉管更接近所说入口的端口。

5.权利要求2的燃烧室，其特征在于每一个所说文丘利管(42)包括一个在所说收敛入口周围的文丘利管件(50)，所说管件包括一个与所说辅助封闭环腔(64)连通的孔眼(62)，所说辅助封闭环腔(64)处在所说入口和所说管件之间，每一个文丘利管的所说管件和所说入口用螺钉以螺纹(52，54)互相连接，而所说扩散器和所说喉管用钎焊连接在一起。

6.权利要求1的燃烧室，其特征在于每一个所说扩散器(48)具有多个不连续的成角度相联的侧壁(72、74)，这些侧壁终止在离开所说喉管较远的出口处。

7.权利要求6的燃烧室，其特征在于所说喉管具有一种圆形横截面，而所说扩散器从所说喉管圆滑地过渡到所说出口。

8.权利要求6的燃烧室，其特征在于所说扩散器的所说侧壁包含两个相对的弧形壁表面(74)。

9.权利要求6的燃烧室，其特征在于所说扩散器的所说侧壁包含一对直线延伸的侧壁表面(72)。

10.权利要求6的燃烧室，其特征在于所说扩散器的所说侧壁包含两个相对的、径向间隔的、弧形壁表面(74)和一对直线延伸的、沿圆周间隔的侧壁表面(72)。

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