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CN1818361A - 燃烧室用多文丘里管式气体燃料喷射器 - Google Patents

燃烧室用多文丘里管式气体燃料喷射器 Download PDF

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CN1818361A CNA2006100089792A CN200610008979A CN1818361A CN 1818361 A CN1818361 A CN 1818361A CN A2006100089792 A CNA2006100089792 A CN A2006100089792A CN 200610008979 A CN200610008979 A CN 200610008979A CN 1818361 A CN1818361 A CN 1818361A
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T·R·法雷尔
K·M·戈尔顿
J·M·斯托里
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General Electric Co
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Abstract

一种气体燃烧喷射器(24)，包括第一集管板(36)、自上游集管板(36)间隔在下游的第二集管板(38)、和多个成排分布且密封固定到第一和第二集管板(38)上的文丘里管(34)。每个文丘里管包括入口段(40)、狭口段(42)和出口(46)。所述出口成形为一种使得各个文丘里管(34)在每个所述多个文丘里管的出口(46)处之间的空间减少的构形。

Description

燃烧室用多文丘里管式气体燃料喷射器
技术领域
本发明涉及一种用于发动机燃烧室的气体燃料喷射器。
背景技术
燃气轮机工艺的当务之急是希望实现降低氮-氧化物和未燃烧的烃(分别为NOx和UHC)的排放。能够实现这种减少排放的现有技术几乎总是导致热力学效率降低或者费用明显升高。
NOx化物是由空气里的氮气在高温下反应得到的，在燃气轮机的燃烧室里会经常发现这种NOx化物。可以通过降低燃烧室里最高火焰温度来减少生成NOx。在燃烧室内喷射入水蒸汽可降低最高火焰温度，但损失了热力学效率。还有因用水而支付的费用、以及水处理费和操作费。水蒸汽的喷射量和相应的费用随着所需的降低NOx的排放量而上升。一些国家和地区已经宣布了减少NOx排放的目标，由此可推断这种方式由于使用大量水蒸汽而不太适合将来的体系。
通过将试剂，例如氨水，与排出的流体混合，随后使得到的混合物在排入大气以前流过催化剂的方式，就可以燃气轮机下流废气中的NOx化物除去。催化剂能促进NOx化物与试剂反应生成无害的成分。这种技术虽然在使NOx化物减少到目标水平方面是成功的，但是为了获得催化床，为庞大的催化床提供空间的更大的排放系统和将试剂送入废气流的喷射棒，却需要大量额外的资本支出。还得负担其中大量试剂的费用。
使用催化助燃技术可以在没有水蒸汽喷射的情况下，降低最高火焰温度。使燃料-空气混合物通过燃烧室内的多孔催化剂。该催化剂可使充分燃烧在足够低的温度下进行从而避免生成NOx。几份美国专利，例如US 4,534,165和4,047,877，列举了有催化助燃的燃烧室。
烃可以通过确保燃料在燃烧室里充分燃烧来实现降低或消除烃的排放。充分燃烧需要贫燃的燃料-空气混合物。随着燃料-空气混合物的贫燃程度加剧，会到达无法助燃的临界点。存在催化剂可使更为贫燃的燃料-空气混合物燃烧，而没有催化剂时，只有贫燃程度较轻的燃料-空气混合物才能燃烧。通过这种方法，催化助燃帮助减少了这两种类型的环境污染。
引入作为参考的现有文献专利未完全解决的一个问题是如何获得使燃料-空气混合物经过催化床整个床层表面的均匀流场。也就是说，燃料-空气混合物和气速通过催化床表面时发生变化，导致通过催化剂时燃烧不均匀。这降低了燃烧室效率并使未燃烧的碳氢化合物烃逃逸到废气中。
例如在引入作为参考的美国专利US 4,047,877里，液体燃料和空气被注射进催化床上游的室内。然后燃料-空气混合物流经催化床，燃料和空气在此进行反应。正如该专利指出的那样，未燃烧的燃料可能脱离催化剂，但还需依赖催化剂下游的气体燃料焚烧炉来燃烧这些未燃烧的液体燃料。
美国专利US 4,534,165将催化床分解成一些同心区，每个都有自己的液体燃料和空气供应。尽管该专利提出将催化床和燃料-空气供应分解成区的好处在于得到了将燃料分段供应到单个区的能力，然而也可能认为由每个燃料-空气供应装置供料所致的较小的催化床面积会使到达催化床激活区的燃料-空气混合物更均匀。
美国专利US 4,845,952和4,966,001公开了一种多文丘里管装置，它使用了布置在一对定距间隔的集管板上的多个间距小的平行文丘里管。将文丘里管焊接到集管板上并且密封集管板的周边以形成一个被供应压缩气态燃料的正压室。文丘里管排列成环状以使其出口平面上形成多个庞大、不规则形状的再循环区。这些庞大的不规则再循环区在预混器出口产生较弱的稳定燃烧阻碍。位于文丘里管出口下游，由文丘里管之间的空间形成的再循环区能在这些区域稳定可燃的燃料和空气的混合物。
发明内容
本发明的实施例包括一种气体燃烧喷射器，它包含第一集管板、自上游集管板隔离在下游的第二集管板、以及成排分布并密封固定到上述第一和第二集管板上的多个文丘里管。每个文丘里管都包括进口段、狭口段和出口。所述出口成形为一种使得在多个文丘里管的每个出口处各文丘里管之间空间减少的构形。
本发明的另一个实施例包括用于燃气轮机发动机的燃烧室，它包括预燃烧炉、位于预燃烧炉下游的燃料喷射器；其中燃料喷射器包括成排分布的多个文丘里管。每个文丘里管都包括进口段、狭口段和出口。所述出口成形为一种使得在多个文丘里管的每个出口处各文丘里管出口流动区域之间的空间最小化的构形。
结合附图阅读下面的描述将会明白本发明的上述发明目的以及其它发明目的，特征和优点，其中同一附图标记代表同一部件。
附图说明
参照附图可知，几幅图里同样的部件都采用了同样的附图标记：
图1是燃气轮机发动机一部分的局部剖视侧视图，显示了带有多个文丘里管式气体燃料喷射器的燃烧室。
图2是从催化剂入口向上游看多文丘里管式气体燃料喷射器所得的视图，该喷射器基于本发明的实施方案。
图3是图2的喷射器沿着线3-3得到的截面图。
图4是多个文丘里管对应于其出口的另一实施方案的视图。
图5是单个文丘里管的实施方案的透视图，其中文丘里管的内流动表面保持圆锥形，而外表面相对于文丘里管的中心线切成了六边形。
图6是采用了图4的文丘里管的图2的喷射器的透视侧面图。
图7是采用了图5的文丘里管的图2的喷射器的透视侧面图。
具体实施方式
燃气轮机发动机通常采用多个绕轴线设置成环状的平行燃烧室。燃料-空气混合物在每个燃烧室里燃烧生成炽热高能气流。来自每个燃烧室的气体流经过渡件，其中气流从基本上圆形区域变化到近似于圆弧形区域。所有过渡件的出口设置成形成通向机器涡轮叶片的整圆。所有上述内容都是常规的，不需要进一步描述就能使本领域普通技术人员完全了解。因此本发明说明书的其它部分需要加以注意的是单个的燃烧室，当然燃气轮机发动机里的所有燃烧室与前面所述的燃烧室基本相同。只是显示和描述了燃气轮机发动机的附加部分，而这些附加部分要求对燃烧室的运行环境有一定的了解。
参照图1，当中示出总体上以10标示的基于本发明实施方案的具有燃烧室组件12的燃气轮机发动机。燃烧室组件12既可包括带有催化剂组分的燃烧室，又可包括不带有催化剂组分的燃烧室。预燃烧炉段14通过预燃烧炉衬套16接受燃烧和稀释空气18。在启动时，预燃烧炉燃料喷嘴20接受燃料管线22上的燃料流以在预燃烧炉段14里进行燃烧。在燃气轮机发动机10处于更完全负荷的条件下，可以完全切断预燃烧炉燃料喷嘴20上的燃料。
预燃烧炉段14里的空气和燃烧产物流经多文丘里管式气体燃料喷射器24，其中在它进入流体动力混合段26之前，将额外的燃料添加到流动场中。将进一步详述的是，多文丘里管式气体燃料喷射器24包括多个平行的文丘里管以提高空气和添加燃料的剧烈混合程度。在包括催化床28的燃烧室组件12的结构中，来自多个文丘里管、进入流体动力混合段26的混合物沿着流体动力混合段26流动时一起进一步混合，直至到达催化床28。当燃料-空气混合物经过催化床28时，产生由催化床28中的催化物质催化的燃烧反应。所产生的热的高能气体在转入过渡件32并在当中成形之前先通过反应区30以传递给汽轮机(未显示)。应当注意的是，在不包括催化床28的燃烧室组件12的结构中，来自多个文丘里管、进入流体动力混合段26的混合物沿着流体动力混合段26流动时一起进一步混合，直至到达催化床28的火焰稳定装置(未显示)处。当燃料-空气混合物通过火焰稳定装置(未显示)时，发生燃烧反应并通过火焰稳定装置受到维持。所产生从火焰稳定装置出来的热的高能气体在转入过渡件32并在当中成形之前先通过反应区30以传递给汽轮机(未显示)。尽管这里披露的实施例仅是针对催化剂燃烧室应用的描述，就是本发明的一个方面包括燃料空气混合物进入催化床28以前增强混合程度并降低保持火焰的可能性，然而本发明不限于此，也可以将这些好处提供给非催化式燃烧室，其中在燃料和空气去到燃烧室之前距离文丘里管出口平面理想距离的位置处，取得可以接受的燃料和空气混合程度。
预燃烧炉段14的长度和形状取决于预燃烧炉加热所用的燃料类型。所示的实施方案适于在预燃烧炉燃料喷嘴20中使用天然气的情形。这不应被认为排除了在预燃烧段14里使用别的气态燃料或液体燃料的情形。如果预燃烧段14使用这些别的燃料，本领域普通技术人员应该会意识到需要适当的调节诸如形状和尺寸之类的参数以适应它们。
图2和3描述了多文丘里管式气体燃料喷射器24，它包括密封固定在上游集管板36上的多个文丘里管34。下游集管板38自上游集管板36间隔在下游并且也密封固定到文丘里管34上以形成气体燃料正压室52。集管板36和38通过焊接或别的方式密封固定到文丘里管上。每个文丘里管34有入口段40、狭口段42、主体44、和出口46。绕上游和下游集管板36和38周边密封的外部集管50，在上游和下游集管板36和38之间以及绕所有文丘里管34周边形成密封的燃料气体正压室52。气态燃料在压力下通过燃料供气管线54供应给外部集管50。在实施例中，有四条供气管线54(只显示了一个)，它们围绕喷射器24均匀分布。通过外部集管50绕气体燃料正压室52的周边分布所供应的燃料。正压室52里的燃料气体通过孔56进入文丘里管34，孔56可以位于入口段40或狭口段42。当孔56位于入口段40时，燃料和空气在文丘里管34内的混合增强，因为在到达文丘里管34的出口46之前产生了更强的燃料喷射穿透和更长的扩散存留时间。
文丘里管34排列成行以得到一种能使文丘里管34出口之间的空间最小化的排列，所述空间会存在通过出口46离开文丘里管34的流体再循环。具体而言，出口成形为这样一种形状，使得文丘里管34的出口46处的整个周边被相邻文丘里管34出口46处的毗连周边所环绕。另外，文丘里管34的出口具有与文丘里管34排布相称的形状。在一个实施例中，文丘里管34排列成六边形轮廓并且文丘里管的出口46也呈六边形。另外，文丘里管34的排布能如所需的那样使喷射器24里所用的文丘里管34数达到最多数。
参照图2，3和4，每个文丘里管34包括具有在喷射器24上游端圆形开口的入口段40、以及位于上游和下游集管板36和38之间的狭口段42。文丘里管34从狭口段部件42经主体44过渡到其出口46。文丘里管34沿主体44扩大，从圆形过渡到能减少各个文丘里管34在其出口46处相互之间的空间的形状，如图4所示的六边形。
出口46处的六边形能通过许多方法形成。例如，文丘里管34可以在狭口段42下游的主体44上具有恒定的壁厚。主体44还可以这样形成，即相应的从狭口段42到出口46由圆形过渡到六边形。另外，文丘里管34的壁可以更厚，并且可以将出口的边加工成使得出口46的外表面为六边形，而内表面保持圆形。
参照图2，3和5，在另一个实施例中，文丘里管34排列成六边形并且出口46是豁口状的，其中豁口上的六个边57被去除以形成六个长钉58。这样，因为文丘里管34的出口46有六个一样的长钉58，所以出口46呈六边形。每个长钉58设置在紧挨着相邻文丘里管34的移开部分57处。当这些文丘里管就象实施例中的六边形排列那样紧密堆积时，可使毗连文丘里管的3个长钉58效果上形成一个长钉。这种排列也使文丘里管34的各个出口46之间的空间最小化并且使空气和燃料混合物脱离文丘里管34时的再循环也最小化。
喷射器24也包括出口扩散体60，它有一个六边形的前端62以使文丘里管34的外排和出口扩散体60之间有更小的间隔(见图6&7)。当出口扩散体60扩展离开文丘里管34的出口46时，出口扩散体60在后端64过渡回到圆形以使其匹配流体动力混合段26和催化床28的入口(见图1和3)。因此出口扩散体60的前端是六边形的，而出口扩散体的后端64是圆形的。
在一个实施例中，有129个文丘里管34。然而，在其他具有不同多边形出口几何形状的、基本上堆积成圆形的排列中，还可以采用别的文丘里管总数来使文丘里管出口46处获得类似减少的再循环区和火焰保持可能性。空气18流经预燃烧炉衬垫16进入文丘里管34。燃料通过供气管线54喷射入外部燃料集管50并沿着上游和下游集管板36和38之间区域的外径平均分布。由于文丘里管34的排布，各个文丘里管34之间的每一空间是一致的尺寸，并且也因为文丘里管34的堆积排布而受到控制。在集管板36和38以及文丘里管34外部周边之间形成的燃料正压室集管52的容积设计用作燃料正压室。燃料通过孔56进入文丘里管34并与空气18混合。选择正压室区域的尺寸以给整个喷射器24的每个燃料喷射孔56提供一个更为稳定的燃料供应压力。
参照图1-7，在操作中，空气流有时伴着预燃烧炉段14的燃烧产物，在图1中从左边流到到右边，进入预燃烧炉段14并离开反应区30。通过文丘里管的气体在狭口段42处加速到最高流速，然后在通过出口扩散器60时减速。通过孔(或口)56与此处的高速空气流成直角喷射入狭口段42中的气态燃料，受到高剪切力和紊流，当它离开出口扩散体60时，能有效地使燃料气和空气混合充分。
混合物离开出口扩散体60时，携带了大量的动能和紊流。这使来自毗连文丘里管34的气流混合以至当到达流体动力混合段26(图1)的末端后，混合物进入催化床28时，能在整个流动场获得基本均一的流速和燃料-空气混合物。对催化床28的有效运作来说，本发明提供的、具有均一的速率和燃料-空气混合物的气流是必须的。
为使燃料气体以相对于气流成直角喷射入狭口段42中，将气体燃料的喷射点置于在催化床28系统上游内的在最高速率点处。狭口段42处的高气速防止朝向预燃烧炉燃料喷嘴20上游逆燃，并且也避免了在多文丘里管气体燃料喷射器24中保持火焰。这样即使在启动时通过预燃烧炉燃料喷嘴20运转在预燃烧炉段14里加热空气流时，也可以将燃料气体喷射进空气流而不用担心可能的逆燃。好像是入口段40处的较低气速不会高到足以提供充分的余度避免在所有操作条件下的逆燃。
燃料供气管线54可以用作支承多文丘里管式气体燃料喷射器24的部分支承结构。可以提供三个额外支承(未显示)用作多文丘里管式气体燃料喷射器24的额外支承。这些额外支承可以均匀排布在喷射器24周围。虽然单个燃料供气管线54能够将均匀的燃料气体流提供到多个文丘里管式气体燃料喷射器24中所有文丘里管34，一个或更多个支承件除提供支承之外，也可以用作向多文丘里管式气体燃料喷射器24供应燃料气体的额外装置。
另外，虽然参照实施例来描述了本发明，但是本领域普通技术人员应明白，在未背离本发明范围的情况下可以做各种变化以及一些要素的等价物替换。另外，在未背离本发明实质范围的情况下，根据本发明的教导为了适应特定的情形或材料，可以做许多修正。因此，本发明无意于仅限定在作为预期实现本发明最佳实施方式而披露的具体例子，而是包括落入所附权利要求范围内的所有例子。而且使用第一，第二等术语并不代表任何顺序或重要性，而是用于区分要素。

Claims (10)

1、一种气体燃料喷射器(24)包含：
第一集管板(36)；
第二集管板(38)，自所述上游集管板(36)间隔在下游；
多个文丘里管(34)，成排分布且密封固定到所述第一集管板(36)和第二集管板(38)上；
其中每个文丘里管都包括入口段(40)、狭口段(42)和出口(46)，所述出口(46)被形成一种使各个所述多个文丘里管(34)在每个文丘里管(34)出口(46)处之间的空间减少的构形。
2、权利要求1所述的喷射器(24)，其中，所述的文丘里管进一步包括在圆形狭口段(42)和不同形状的出口(46)之间过渡的主体段(44)。
3、权利要求1所述的喷射器(24)，其中，所述的多个文丘里管(34)排列成六边形。
4、权利要求1所述的喷射器(24)，其中，所述的出口(46)成形为与所述文丘里管的排布相称的形状。
5、权利要求1所述的喷射器(24)，其中，所述的出口(46)成形为六边形。
6、权利要求1所述的喷射器(24)，其中，所述的出口(46)具有多个从圆锥形内部和六边形周边形成的尖端。
7、权利要求1所述的喷射器(24)，进一步包含绕所述第一和第二集管板(38)周边密封的集管。
8、权利要求7所述的喷射器(24)，其中，所述的管线、所述的第一和第二集管板的周边、以及每一所述的多个文丘里管(34)的周边形成正压室(52)空间，并且燃料线(22)通过外部集管(50)与所述正压室(52)空间流体连通，该外部集管(50)使流体绕所述正压室(52)周边均匀分布。
9、权利要求1所述的喷射器(24)，其中，每个所述多个文丘里管(34)都包括至少一个接收燃料的孔(56)，所述至少一个孔(56)设置在入口段(40)或狭口段(42)处。
10、权利要求1所述的喷射器(24)，进一步包括环绕所述多个文丘里管(34)的出口扩散器(60)。
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