[发明专利]用于在燃气涡轮喷嘴中混合燃料的装置和方法

说明书

联邦研究声明

该发明是利用政府支持在由美国能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42643下做出的。政府享有本发明中的一定权利。

技术领域

本发明大体上涉及用于给燃气涡轮供给燃料的装置和方法。具体而言，本发明描述了一种可用于给燃气涡轮中的燃烧器供给燃料的喷嘴。

背景技术

燃气涡轮被广泛地用于工业和发电操作。典型的燃气涡轮包括在前部的轴向压缩机，围绕中部的一个或多个燃烧器，以及在后部的涡轮。周围空气进入压缩机，并且压缩机中的旋转叶片和固定静叶渐进地赋予工作流体(空气)以动能，用以产生处于高能状态的压缩工作流体。压缩的工作流体离开压缩机并且流动通过燃烧器中的喷嘴，其在那里与燃料混合并点燃以产生具有高的温度、压力和速度的燃烧气体。该燃烧气体在涡轮中膨胀以产生功。举例而言，燃烧气体在涡轮中的膨胀可使连接到发电机的轴旋转以发电。

众所周知，燃气涡轮的热力学效率随着操作温度(即，燃烧气体温度)增加而提高。然而，如果燃料和空气在燃烧之前未均匀地混合，在燃烧器中靠近喷嘴出口可形成局部过热点。局部过热点增加可损坏喷嘴的火焰逆燃(flame flash back)和拢焰(flame holding)出现的机会。虽然火焰逆燃和拢焰可关于任何燃料出现，但是，它们更容易关于诸如氢这样的高反应性燃料(其具有更高的燃烧速率和更宽的可燃范围)出现。局部过热点还可增加氮氧化物、一氧化碳以及未燃烧的烃的产生，所有这些都是不期望的废气排放。

存在多种技术以允许更高的操作温度同时最大程度地减少局部过热点和不期望的排放。举例而言，多种喷嘴已被开发以便在燃烧之前使较高反应性的燃料与工作流体更均匀地混合。然而，较高反应性的燃料的较高燃烧速率仍造成有助于火焰逆燃和/或拢焰事件的环境。因此，能支持越来越高的燃烧温度和更高反应性燃料的喷嘴设计上的持续改进将是有用的。

发明内容

本发明的方面和优点在下面的描述中阐述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实施本发明而被教导。

本发明的一个实施例是一种包括燃料室(fuel plenum)以及位于燃料室下游的空气室(air plenum)的喷嘴。喷嘴的轴向中心线的径向地向外的多个燃料通道包括入口以及位于入口下游的出口，并且允许空气流动通过该入口。该多个燃料通道中的燃料端口提供燃料室与该多个燃料通道之间的流体连通。位于燃料端口下游的该多个燃料通道中的空气端口提供空气室与该多个燃料通道之间的流体连通。

在本发明的范围内的另一实施例是一种包括护罩的喷嘴，该护罩周向地围绕喷嘴。护罩内的多个挡板跨过喷嘴沿径向延伸并且限定燃料室和空气室，其中，空气室在燃料室的下游。多个燃料通道关于喷嘴的中心线径向地向外，其中，该多个燃料通道被限定为流体通路，并且包括：入口和在入口下游的出口，与燃料室处于流体连通的燃料端口，以及与空气室处于流体连通的空气端口，其中，空气端口在燃料端口下游。

本发明还包括一种用于在燃烧之前在喷嘴中混合燃料与空气的方法。该方法包括：使空气流动通过多个燃料通道的入口，使燃料流至燃料室，以及使空气流至燃料室下游的空气室。该方法还包括：将燃料从燃料室喷射通过该多个燃料通道中的燃料端口，其中，该多个燃料通道关于喷嘴的轴向中心线径向地向外；以及，将空气从空气室喷射通过该多个燃料通道中的空气端口，其中，空气端口在燃料端口下游。

本领域普通技术人员在阅读该说明书之后将更好理解这样的实施例的特征和方面以及其它的。

附图说明

本发明的完全和充分的公开，包括其对于本领域技术人员而言的最佳模式，在该说明书的其余部分中被更具体地阐述，包括对附图的参考，在附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的燃烧器的简化截面；

图2是根据本发明的一个实施例的喷嘴的放大截面；

图3是图1中所示的燃烧器的一部分的放大截面；

图4是根据本发明的一个实施例的喷嘴的平面图；

图5是根据本发明的一个实施例的燃烧器顶帽的平面图；以及

图6是根据本发明的备选实施例的燃烧器顶帽的平面图。

项目清单