CN103062799B - 管lli设计中的抗逆燃管 - Google Patents

Abstract

一种管LLI设计中的抗逆燃管。本发明公开一种用于燃气涡轮机的延迟贫燃料喷射喷嘴，所述延迟贫燃料喷射喷嘴包括：第一外空气供应管，所述第一外空气供应管具有相对较大的内直径且具有位于其末端的出口。所述第一外空气供应管适于将空气供应给燃烧腔室，并且具有相对较小直径的至少一个燃料喷射管进入所述第一外空气供应管的末端部分并且在所述第一外空气供应管内大体上延伸到所述出口。

Description

管LLI设计中的抗逆燃管

技术领域

本发明涉及燃气涡轮机燃烧技术，更确切地，涉及延迟贫喷射燃料喷射器配置。

背景技术

当前，一些燃气涡轮发动机不能以高效率运作并且产生不期望的空气污染排放物。通常由燃烧常规烃燃料的涡轮机产生的主要空气污染排放物是氮氧化物、一氧化碳和未燃烧的烃。为此，由于燃气涡轮发动机中分子态氮等的氧化取决于燃烧室中的高温和燃烧室内高温下反应物的停留时间，所以通过将燃烧室温度保持在热NOx形成的水平之下或通过限制反应物在高温下的停留时间使得NOx形成的进程的时间不充足，以降低热NOx形成的水平。

一种温度控制的方法涉及燃料和空气的预混合，从而在燃烧之前形成贫混合物。然而，已发现对于重型工业用燃气涡轮机，即使使用预混合的贫燃料，燃烧产物所需的温度也非常高使得燃烧室必须在反应区中以峰值燃气温度进行操作，所述最高燃气温度超过热NOx形成的阈值温度，从而导致大量的NOx形成。

已发展用以减少NOx形成的延迟贫喷射(LLI)技术。具体而言，LLI的目的是通过减少燃烧室内燃料和空气的停留时间而减少NOx的形成。这是通过在主燃烧区的下游位置处将燃料和空气的一部分注入燃烧室中而实现的。这样，LLI燃料和空气被燃烧但不会行进到穿过燃烧室那么远。因此，只要发生充分的燃料和空气的混合，那么通常LLI燃料和空气就不会形成在其他情况下产生的那么多NOx。

在LLI的实施方案中，可使用套管式(tube-in-tube)喷射器，例如在第2010/0170216A1号美国专利公开案中所描述的。此类喷射器主动地将燃料进料到燃烧室与涡轮机之间的过渡区内部。喷射器包含沿着并穿过较大直径的管或套筒(sleeve)而延伸的燃料喷射管，空气穿过所述较大直径的管或套筒而被动地进料到过渡区。然而，目前经配置的LLI喷射器会引起潜在的逆燃(flashback)问题，即过渡区中经点燃的气体进入LLI喷射器喷嘴。

仍然需要更为有效的LLI燃料喷射器，以产生更少的NOx并且提供更好的抗逆燃性。

发明内容

在一示例性但非限制性方面，本发明提供燃气涡轮机的一种延迟贫燃料喷射喷嘴，所述延迟贫燃料喷射喷嘴包括：第一外管，所述第一外管具有相对较大的内直径和位于末端的出口，所述第一外管适于将空气供应给燃烧腔室；以及至少一个燃料喷射管，所述燃料喷射管具有相对较小的直径以进入所述第一外管的末端部分并且在第一外管内大体上延伸到出口，所述至少一个燃料喷射管适于将燃料供应给燃烧腔室。

在另一非限制性方面，本发明提供一种燃气涡轮燃烧室，所述燃烧室包括：限定第一燃烧腔室的燃烧室衬套，连接到所述燃烧室衬套后端的过渡管，所述过渡管提供第二燃烧腔室；至少一个延迟贫燃料喷射器，所述贫燃料喷射器突出穿过过渡管并且进入第二燃烧腔室，所述至少一个延迟贫燃料喷射器包括：第一外空气供应管，所述空气供应管具有相对较大的内直径和在第二燃烧腔室内位于其末端的出口，以及至少一个燃料喷射管，所述燃料喷射管具有相对较小的直径以进入第一外空气供应管的末端部分，其邻近过渡管的外表面并且在第一外空气供应管内大体上延伸到所述出口，使得流经第一外空气供应管的空气大体上不受阻。

在又一非限制性方面，本发明提供一种在延迟贫燃气涡轮燃烧室的过渡管中形成和组装延迟贫喷射器的方法，所述方法包括：提供第一外空气供应管，所述外空气供应管具有适于将空气供应给延迟贫燃烧室配置中的第二燃烧腔室的出口；提供至少一个燃料喷射管，所述燃料喷射管具有在第一外空气供应管的末端处大体上横向地(laterally)进入第一外空气供应管的第一部分，以及在第一外空气供应管内延伸到出口的第二部分；以及将延迟贫燃料喷射喷嘴组装到过渡管使得所述第一外空气供应管和所述至少一个燃料喷射管穿透过渡管，其中所述燃料喷射管的第一部分沿着过渡管的外表面延伸。

现将结合以下相关附图更为详细地描述本发明。

附图说明

图1是具备延迟贫喷射能力的涡轮机配置的部分截面侧视图；

图2是延伸到燃烧室过渡管中的已知LLI燃料喷射器的部分透视图；

图3是根据本发明的一项示例性但非限制性实施例的LLI燃料喷射器的部分透视图；

图4是根据本发明的另一示例性但非限制性实施例的延伸穿过冲击套筒和过渡管的LLI燃料喷射器的部分截面；

图5是穿过缩小比例的过渡管的简化截面，示出了在根据本发明的LLI喷射器内的LLI燃料喷射器喷嘴的半圆阵列；

图6是类似于图5的图，但是示出了在根据本发明的LLI喷射器内的LLI燃料喷射器喷嘴的圆形阵列。

图7是类似于图4的图，但是示出了LLI喷射器内的倾斜的燃料喷射器喷嘴；以及

图8是类似于图5和图6的图，但是示出了LLI喷射器内倾斜的燃料喷射喷嘴的半圆阵列。

具体实施方式

参考图1，图示了燃气涡轮发动机10，所述燃气涡轮发动机10包括：具有第一燃烧区或腔室14的燃烧室12，在所述第一燃烧区或腔室14中由燃料回路16供应的第一燃料被燃烧；压缩机18，在压缩机18中入口空气被压缩并且至少提供给燃烧室；以及将燃烧室12连接到涡轮机22的过渡管20。旋转涡轮叶片或桨叶安装在涡轮转子叶轮或盘(未图示)上，并且至少第一燃料的燃烧产物被引导通过过渡管20以为涡轮机叶片的旋转提供动力。过渡管20提供第二燃烧区或腔室24，在所述第二燃烧区或腔室24中由燃料回路16供应的第二燃料以及第一燃料的燃烧产物被燃烧。如图所示，过渡区或过渡管20中的第一燃烧区或腔室14和第二燃烧区或腔室24互相组合以形成头端26，所述头端26可具有各种配置，如下文所讨论。

如图1所示，头端26可包含多个预混合喷嘴28。然而，其他头端配置也是可能的。这样的替代性配置包括，但不限于标准的燃烧室配置、干式低NOx(DLN)1+燃烧室配置以及DLN2+燃烧室配置。另外的燃烧室配置包括整体煤气化联合循环(IGCC)头端、催化头端、扩散型头端和多喷嘴低噪燃烧(Quiet Combustion)(MNQC)型头端。

对于每个上述的头端配置，应理解它们可做成兼容LLI的。在图1的LLI布置中，多个LLI燃料喷射器30在结构上都由过渡管20的外壁或由围绕过渡管20的冲击套筒32的外壁来支撑。LLI燃料喷射器30延伸到第二燃烧腔室24中，到达不同的深度并且因此经配置以提供LLI燃料分级能力。也就是说，各燃料喷射器都经配置以通过在单个轴向级、多个轴向级、单个轴向圆周级或多个轴向圆周级中的一者中，在大体上横向于通过过渡管20的主流方向的方向上喷射燃料，而将第二燃料(即LLI燃料)供应给第二燃烧腔室24。这样，燃烧室和过渡管内的条件被分级以产生稳定燃烧的局部区。

LLI燃料分级由与阀36连通的控制器34控制，所述阀36使燃料从燃料回路16经由燃料回路阀38而进入喷射器30。这种LLI燃烧室配置在第2010/0170251号共同拥有的美国公开案中有进一步描述。

图2图示了已知的单个套管式LLI燃料喷射器30。在此配置中，燃料通过单个燃料喷射管40的末端处的喷嘴(未图示)而主动地进料到过渡管20的内腔室24，所述燃料喷射管40垂直于过渡件的纵轴而延伸，并且空气被动地通过燃料喷射管40与也延伸到过渡管中的外套筒或管42之间的环形空间而进料。在典型的布置中，多达10个LLI燃料喷射器30围绕过渡件而布置，每个LLI燃料喷射器30包围单个燃料喷射管40。

图3图示了根据第一示例性但非限制性实施例的LLI燃料喷射器44。LLI燃料喷射器44包括细长的第一外套筒或管46，所述第一外套筒或管46穿透过渡管20，在出口48处终止。多个较小直径的燃料喷射管50在过渡管壁外但靠近过渡管壁的位置处大体上径向地进入第一外套筒或管46(也称为外空气供应管)，并且轴向地延伸通过套筒或管46到达出口48。燃料喷射管喷嘴或喷口(未图示)与外管出口48大体齐平而定位。具体而言，各燃料喷射管50的第一部分51以基本上与外空气供应管46的纵轴A呈90度的角度进入第一外空气供应管46，在外管46内弯曲以形成第二部分53，所述第二部分53基本上平行于套筒或管46的纵轴A而延伸到出口48。管50可连接到共有的歧管或燃料腔室55，所述歧管或燃料腔室55经由供应管道57而供应有LLI燃料，所述供应管道57大体上平行于过渡件20的纵轴而延伸。燃料喷射管50的机械振动可通过在燃料喷射管50与各个外空气供应管46之间的界面处安装橡胶(或其他合适材料)垫圈(未图示)而解决。也应了解尽管喷射管50在径向外空气供应管46内轴向地延伸，但是外空气供应46和喷射管50都基本上径向地延伸到过渡管20中。通过限制对外管空气供应46中的LLI空气流的阻碍程度，并且通过将燃料喷射管50以靠近出口48的90度弯曲靠近过渡管而定位以最小化燃料喷射管50中的燃料暴露到第二燃烧腔室24，从而提高抗逆燃性。另外，由于在外空气供应管46的大部分长度中，对LLI空气流的流动基本上没有阻碍，所以减小了压降。另外，简化了经由燃料喷射管50以及合适的共有歧管的燃料向外空气供应管46的供应。

在使用多个燃料喷射管50的情况下，如在图3所示的布置中，燃料喷射管优选地以围绕其外管46内部的弧形布置，并且靠近内表面空气供应，即，各管远离外空气供应管46的中心而定位，以允许空气流基本上不受阻地通过管46。利用多个小直径的燃料喷射管50允许将更多燃料供应到第二燃烧腔室，同时仍然提高抗逆燃性。

图4图示了外LLI燃料喷射器空气供应管56内的一对在直径上相对的燃料喷射管52、54。图4还图示了穿透冲击套筒58和过渡管20的管56。围绕过渡管的冲击套筒的布置本身在所属领域中是被熟知的。

图5图示了LLI燃料喷射器空气供应管62内5个燃料喷射管60的半圆阵列，而图6图示了LLI燃料喷射器空气供应管66内8个燃料喷射管64的完全圆形阵列。

对于图4到图6中所示的布置，预期单个燃料供应线将延伸到弧形或环形的歧管，如图3所示，各燃料喷射管从所述弧形或环形的歧管开始延伸。

图7图示了替代性实施例，其中位于FFI燃料喷射器外空气供应管72内的燃料喷射管70的第二部分68在朝向LLI燃料喷射器的出口74的方向上朝向管72的纵轴A呈角度。燃料喷射管70的第二部分68可相对于纵轴A以约3度到10度的角度定向，并且优选地为约5度。

图8图示了LLI燃料喷射器外空气供应管78内5个燃料喷射管76的半圆阵列，所有的燃料喷射管76都具有第二部分80，所述第二部分80在朝向LLI燃料喷射器出口的方向上向管78的纵轴A呈大体上一致的角度。

已确定与外空气供应管78的纵轴A呈基本上呈5度的角度使用5个燃料喷射管76，可在减少NOx方面最有利。同样有利的是将5个燃料喷射管76在LLI燃料喷射器30的头端(即，在最接近燃烧室头端的端部)以弧形阵列布置从而简化燃料进料/歧管布置。另外，通过将燃料喷射管76朝向纵轴A倾斜，使燃料进入第一燃烧腔室更下游处的第二燃烧腔室24，从而在第二燃烧腔室中产生更低的燃烧温度，并且因此减少NOx排放。

本说明书所描述的LLI燃料喷射器的外空气供应管的示例性但非限制性直径可在从约0.80英寸到约2.0英寸的范围内，而燃料喷射管的直径可在从约0.10英寸到约0.25英寸的范围内。所有的尺寸，包括燃料供应线和歧管，应理解为应用特定的，并且可根据需要而改变。

示例性但非限制性实施例，确切地说是在LLI燃料喷射器外空气供应套筒或管内使用多个燃料喷射管的实施例，有利地提高抗逆燃性并减少NOx排放，同时还降低燃料输送布置的复杂性。

虽然已结合目前被认为是最具实用性和较佳的实施例说明了本发明，但应了解本发明不限于已公开的实施例，相反，而是旨在涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效配置。

Claims (20)

1.一种用于燃气涡轮机的燃烧室的过渡管的延迟贫燃料喷射喷嘴，包括：

第一外管，所述第一外管具有限定内直径的侧壁和位于其末端的出口，所述第一外管适于将空气供应给燃烧腔室并且设置为延伸进入所述过渡管并且进入所述燃烧腔室；以及

至少一个燃料喷射管，所述至少一个燃料喷射管具有比所述第一外管的所述内直径小的直径，所述至少一个燃料喷射管包括进口区段、出口区段和弯曲区段，所述进口区段延伸穿过所述第一外管的所述侧壁并且进入所述第一外管的末端部分，所述出口区段在所述第一外管内大体上延伸到所述出口，所述弯曲区段位于所述进口区段和所述出口区段之间，所述至少一个燃料喷射管适于将燃料通过所述出口区段的出口供应给所述燃烧腔室。

2.根据权利要求1所述的延迟贫燃料喷射喷嘴，其中所述至少一个燃料喷射管的出口区段在所述第一外管内紧邻所述第一外管的内壁延伸。

3.根据权利要求1所述的延迟贫燃料喷射喷嘴，其中所述至少一个燃料喷射管的出口区段在所述第一外管内与所述第一外管的纵轴呈角度延伸。

4.根据权利要求1所述的延迟贫燃料喷射喷嘴，其中所述至少一个燃料喷射管包括三到八个的燃料喷射管。

5.根据权利要求4所述的延迟贫燃料喷射喷嘴，其中所述燃料喷射管的所述出口区段在所述第一外管内大体平行于所述第一外管的纵轴延伸。

6.根据权利要求4所述的延迟贫燃料喷射喷嘴，其中所述燃料喷射管的所述出口区段在所述第一外管内与所述第一外管的纵轴呈角度延伸。

7.根据权利要求6所述的延迟贫燃料喷射喷嘴，其中所述燃料喷射管的所述出口区段在朝所述出口的方向上与所述纵轴呈角度，所述角度在约3到约10度之间。

8.根据权利要求4所述的延迟贫燃料喷射喷嘴，其中所述燃料喷射管在所述第一外管内以弧形阵列布置。

9.一种燃气涡轮机的延迟贫燃料喷射喷嘴，包括：

第一外管，所述第一外管具有内直径和位于其末端的出口，所述第一外管适于将空气供应给燃烧腔室；以及

至少三到八个燃料喷射管，所述至少三到八个燃料喷射管的每个具有比所述第一外管的所述内直径小的直径，所述燃料喷射管进入所述第一外管的末端部分并且在所述第一外管内大体上延伸到所述出口，所述燃料喷射管适于将燃料供应给所述燃烧腔室，所述燃料喷射管大体上垂直于所述第一外管的纵轴进入所述第一外管。

10.一种燃气涡轮燃烧室，包括：限定第一燃烧腔室的燃烧室衬套；连接到所述燃烧室衬套后端的过渡管，所述过渡管提供第二燃烧腔室；至少一个延迟贫燃料喷射器，所述延迟贫燃料喷射器突出穿过所述过渡管并且进入所述第二燃烧腔室，所述至少一个延迟贫燃料喷射器包括：第一外空气供应管，所述第一外空气供应管具有限定内直径的侧壁和在所述第二燃烧腔室内位于其末端的出口；以及至少一个燃料喷射管，所述至少一个燃料喷射管具有比所述第一外空气供应管小的直径，所述至少一个燃料喷射管包括进口区段、出口区段和弯曲区段，所述进口区段延伸穿过所述第一外空气供应管的所述侧壁并且进入邻近所述过渡管的外表面的所述第一外空气供应管的末端部分，所述出口区段在所述第一外空气供应管内大体上延伸到所述出口，所述出口区段具有邻近所述第一外空气供应管的所述出口的燃料出口，所述弯曲区段位于所述至少一个燃料喷射管的所述进口区段和所述出口区段之间。

11.根据权利要求10所述的燃气涡轮燃烧室，其中所述至少一个燃料喷射管包括多个燃料喷射管。

12.根据权利要求11所述的燃气涡轮燃烧室，其中所述多个燃料喷射管的每个的所述出口区段在所述第一外空气供应管内大体上平行于所述第一外空气供应管的纵轴延伸。

13.根据权利要求11所述的燃气涡轮燃烧室，其中所述多个燃料喷射管的每个的所述出口区段在所述第一外空气供应管内与所述第一外空气供应管的纵轴呈角度延伸。

14.根据权利要求13所述的燃气涡轮燃烧室，其中所述多个燃料喷射管的每个的所述出口区段在朝所述出口的方向上与所述纵轴呈角度，所述角度在约3度到约10度之间。

15.根据权利要求14所述的燃气涡轮燃烧室，其中所述多个燃料喷射管包括五个燃料喷射管，其中所述五个燃料喷射管的各自部分定位在所述第一外空气供应管内，并以半圆阵列布置。

16.根据权利要求15所述的燃气涡轮燃烧室，其中所述五个燃料喷射管的每个的所述出口区段以与所述第一外空气供应管的纵轴大体上呈五度的角度延伸。

17.一种在延迟贫燃气涡轮燃烧室的过渡管中成形和组装延迟贫燃料喷射器的方法，包括：

a.提供第一外空气供应管，所述第一外空气供应管具有适于将空气供应给延迟贫燃烧室配置中的第二燃烧腔室的出口；

b.提供至少一个燃料喷射管，所述燃料喷射管具有在所述第一外空气供应管的末端处大体上横向地进入所述第一外空气供应管的第一部分，以及在所述第一外空气供应管内延伸到所述出口的第二部分；以及

c.将所述延迟贫燃料喷射喷嘴组装到所述过渡管，使得所述第一外空气供应管和所述至少一个燃料喷射管穿透所述过渡管，其中所述燃料喷射管的所述第一部分沿着所述过渡管的外表面延伸。

18.根据权利要求17所述的方法，其中步骤b包括提供多个所述燃料喷射管，其中所述燃料喷射管的第二部分以半圆阵列定位在所述第一外空气供应管内，并邻近所述第一外空气供应管的上游侧。

19.根据权利要求18所述的方法，其中每个所述多个燃料喷射管的所述第二部分大体上平行于所述第一外空气供应管的纵轴延伸。

20.根据权利要求18所述的方法，其中所述多个燃料喷射管包括三到八个燃料喷射管，并且其中每个所述多个燃料喷射管的所述第二部分在朝所述出口的方向上与所述第一外空气供应管的纵轴呈约5度的角度延伸。