[发明专利]带改进的辅助燃料空气喷射的预混合燃料喷射器无效

专利信息
申请号: 99108319.9 申请日: 1999-06-08
公开(公告)号: CN1239766A 公开(公告)日: 1999-12-29
发明(设计)人: 约翰·J·科曾多尔弗;杰弗里·D·梅尔曼;艾伦·J·戈茨丘斯 申请(专利权)人: 联合工艺公司
主分类号: F23R3/28 分类号: F23R3/28
代理公司: 柳沈知识产权律师事务所 代理人: 李晓舒
地址: 美国康*** 国省代码: 暂无信息
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摘要:
搜索关键词: 改进 辅助 燃料 空气 喷射 混合 喷射器
【说明书】:

发明涉及用于将主和辅助燃料和空气引入燃气涡轮发动机燃烧室的预混合燃料喷射器,并且特别涉及对传输和喷射辅助燃料和空气有改进设计的预混合燃料喷射器。

例如那些使用在发电厂或工业动力厂中的工业燃气涡轮发动机受到氮氧化物(NOx)和其它有害排放的限制。为了减少这些排放,工业燃气涡轮发动机装备了可称为切向进入型喷射器的预混合燃料喷射器。典型的切向进入喷射器的特征是,轴向延伸的中心体和一对圆弧形涡管,其在前部隔壁和后部隔壁之间轴向延伸。这些涡管从中心体径向间隔开,以界定环形预混合室。涡管还彼此径向偏置,以形成一对空气进气槽,每个空气进气槽引入一个主燃烧空气流切向进入混合室。每个涡管包括一组将主燃料引入射流空气流中的轴向分布的燃料射入通道。喷射器的后部隔壁包括将主燃料和空气引入发动机燃烧室的排出口,并且排出口的最后端形成了燃料喷射器排出平面。

喷射器中心体包括固定到前部隔壁上的基底,具有平直的向后表面的喷射嵌入件,和大致成截头锥形的中空壳体。壳体从基底轴向延伸以形成混合室的径向内侧端和辅助空气供给管道的径向外侧端。喷射器嵌入件与基底轴向间隔,并适当的保持在壳体的后端中,使得其后部的轴向的平直表面与中心体的尾部边缘以及喷射器的排放平面轴向对齐。尽管嵌入件和壳体的后端相互接触,嵌入件仅固定到辅助燃料供给导管上,该供给导管从基底开始并线性延伸穿过管道。因此,嵌入件在径向被壳体的后端支撑,而轴向被辅助燃料供给导管支撑。在壳体和嵌入件之间缺乏主动连接件使得壳体和嵌入件能对应于不一致的热变化引起的尺寸变化而彼此轴向滑动,从而保护喷射器不受损坏。这些不一致的尺寸变化发生的原因是,中心体壳体能够达到高达900°F(480℃)的温度,而燃料供给导管暴露于不高于200°F(90℃)的温度下的流体中。结果,中心体壳体在轴向方向显著延伸,但燃料供给导管在轴向方向的延伸相对很小。

在发动机工作过程中,主空气和燃料进入混合室,绕中心体涡旋,并被充分地混合。涡旋的燃料-空气混合物轴向流过混合室,穿过喷射排出平面,进入发动机燃烧室,在这里混合物被点燃并燃烧。充分混合的燃料空气混合物将燃烧火焰温度均匀地保持在较低温度,这是抑制NOx生成并促进完全清洁的燃烧的必要前提。同时,辅助空气流通过基底中的孔进入空气供给管道,且辅助燃料流流入燃料供给导管。喷射嵌入件将辅助空气和燃料流分成不连续的,分布合适的空气和燃料射流,并将这些射流引入燃烧室。辅助燃料和空气促进燃烧火焰被嵌入件的暴露后端阻挡,并被空间稳定。结果,防止了火焰被吸入混合室,在那里吸入的火焰将引起严重的破坏。空间稳定的火焰还减小了发生空气-热力共鸣的可能,这是一种伴随空间不稳定火焰发生的现象,并且该现象会引起严重的发动机结构损坏。最后,由于嵌入件的后表面与中心体的尾部边缘轴向对齐,则被阻挡的,空间稳定的燃烧火焰在中心体的外侧完全燃烧,因此避免了对中心体内部的热损坏。

尽管切向进入的燃料喷射器具有如上所述的多个优点,但也具有缺点。具体说,在嵌入件和壳体之间缺少主动连接件,在利于避免热引起的损坏的同时,并不能完全令人满意地提供可延伸的,无故障的服务。在嵌入件和壳体的重叠表面之间的相对滑动会侵蚀这些表面,并损坏嵌入件和壳体之间的适当配合。在磨损过程中,狭窄的环形间隙在嵌入件和壳体之间扩大,使得嵌入件能自由振动。振动的嵌入件会使燃料供给导管和中心体基底之间的连接应力过大并因此损坏。此外,小量的但未被调整的辅助空气经过该环形间隙泄漏,并会增加排放,或逐渐损坏火焰被保持并阻挡在嵌入件外的能力。另外,如果燃料供给导管沿长度在某处损坏,嵌入件可能会从喷射器脱出,从而可能引起对发动机的严重的外物损坏。最后,壳体相对于燃料供给导管的不相等的轴向热膨胀会引起嵌入件的后端面轴向缩回壳体中。被阻挡在嵌入件的最后端的燃烧火焰将部分缩进壳体中,在那里火焰将引起热损坏。

因此需要一种预混合燃料喷射器,能适应中心体壳体相对于辅助燃料供给导管的不一致的尺寸变化,表现出超常的可靠性,防止了其工作特性的减低,并使脱开零件和发生外物损坏的可能减至最小。

根据本发明,预混合燃料喷射器包括辅助燃料-空气喷射嵌入件,主动地固定到中心体上,并连接到至少在两个维度上弯曲的以适应不一致的尺寸变化的燃料供给导管上。根据本发明的一个方面,燃料供给导管被弯曲,使得其固有频率超过导管将在发动机工作过程中经历的最大振动的频率。在本发明一个实施例中,导管被弯曲成覆盖约一个360°的圆周的螺旋形。

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