[发明专利]燃气轮机的弹性燃料喷射器

说明书

本申请要求申请日为2008年9月26日的美国临时申请号61/100,448的权益。

关于联邦政府资助研发的声明

本发明的研发是由美国能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42644所部分支持的。因此，美国政府对本发明具有一定权利。

技术领域

本发明涉及燃烧发动机，例如燃气轮机，并且更具体地涉及为具有非常不同的能量密度的气态燃料提供替代路径的燃料喷射器。

背景技术

在燃气涡轮发动机中，来自压缩机段的空气和来自燃料供应的燃料在燃烧段内混合在一起并燃烧。燃烧产物流动通过涡轮段，在此它们膨胀并转动中心轴。在罐-环燃烧器构造中，圆形阵列的燃烧器被安装成围绕涡轮轴。每个燃烧器可具有由多个主要燃料喷射器围绕的中心辅助燃烧炉。形成中心辅助火焰区和主要燃料/空气混合区。辅助燃烧炉产生稳定火焰，而喷射器传输混合的燃料和空气流，其流过辅助火焰区进入主要燃烧区。在燃烧期间释放的能量在下游被涡轮叶片所捕获，涡轮叶片使轴转动。

为了确保最佳燃烧器性能，优选的是良好地混合相应的燃料-空气流从而避免出现局部富集燃料的区域。因此，已经做出努力来生产具有基本均一分布的燃料和空气的燃烧器。旋流器元件被用于产生空气和喷射燃料均匀混合的燃料和空气流。在这样的旋流器元件中存在孔来释放从歧管供应的燃料，所述歧管被设计成提供理想量的给定流体燃料，例如燃料石油或天然气。

燃料可用性、相对价格或二者可以是燃气轮机操作的因素，因此不仅对效率和清洁操作有兴趣，而且对于在给定涡轮单元中提供燃料选择有兴趣。因此，在本领域中双燃料装置是已知的。

合成气体或合成气是气体混合物，其包含通过使得含碳燃料（例如煤）气化成具有热值的气态产物所得到的不同量的一氧化碳和氢。现代涡轮燃料系统设计应该能够不仅在液体燃料和天然气的情况下工作，而且应该能够在合成气体的情况下工作，合成气体与天然气相比每单位体积具有更小的BTU（英制热量单元）能量值。还没有适当地解决这种规范。因此，需要一种弹性燃料混合装置，其使用具有低能量密度的燃料（例如合成气）及较高能量燃料（例如天然气）来提供有效工作。

附图说明

参考附图在下述说明中解释本发明，附图中：

图1是现有技术燃气轮机燃烧器的侧面剖视图。

图2是沿与涡轮轴线正交的平面截取的燃气轮机内现有技术罐-环燃烧器的原理剖视图。

图3是使用喷射器旋流器叶瓣的现有技术喷射器的侧面剖视图。

图4是现有技术喷射器叶瓣的横向剖视图。

图5是根据本发明各方面的弹性燃料喷射器的侧面剖视图。

图6是图5的弹性燃料喷射器叶瓣的横向剖视图。

图7是弹性燃料喷射器第二实施例的侧面剖视图。

图8是图7的弹性燃料喷射器叶瓣的横向剖视图。

图9是第三实施例中的弹性燃料喷射器叶瓣的横向剖视图。

图10是根据本发明各方面的弹性燃料辅助喷嘴的原理侧面剖视图。

图11是弹性燃料喷射器第四实施例的侧面剖视图。

具体实施方式

图1示出了现有技术燃气轮机燃烧器10的示例，其一些方面可以被应用到本发明。外壳底座12具有附连表面14。辅助燃料输送管16具有辅助燃料扩散喷嘴18。燃料入口24向具有喷射端口22的主要燃料输送管结构20提供主要燃料供应。主要燃烧区28被形成在辅助火焰区38下游的衬套30内。辅助锥体32具有发散端34，该发散端34在主要旋流器组件36的下游从辅助燃料扩散喷嘴18附近突出。辅助火焰区38形成在主要燃烧区28附近且在其上游的辅助锥体32内。

来自压缩机42的压缩空气40在支撑肋板44之间流动通过旋流器组件36。在每个主要旋流器组件36内，多个旋流器叶瓣46在主要燃料喷射端口22上游产生空气湍流从而使压缩空气40和燃料26混合以形成燃料/空气混合物48。燃料/空气混合物48流入主要燃烧区28，其在此燃烧。一部分压缩空气50通过位于辅助旋流器组件54内部的一组叶瓣52进入辅助火焰区38。压缩空气50在辅助锥体32内与辅助燃料56相混合并且流入辅助火焰区38，其在此燃烧。辅助燃料56可以在辅助火焰前沿处扩散到空气供应50内，从而与主要燃料/空气混合物48相比在辅助火焰前沿（flame front）处提供更富集的混合物。这在所有工作情况下均保持稳定的辅助火焰。