專利名稱：燃?xì)廨啓C(jī)中的一體化的燃燒器和一級(jí)噴嘴以及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器，且更具體地說，涉及一種用于燃?xì)廨啓C(jī)的一體化
的燃燒器和一級(jí)噴嘴。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)通常包括壓縮機(jī)段、燃燒器段和至少一個(gè)渦輪段。壓縮機(jī)壓縮空 氣，該空氣與燃料相混合，并被引導(dǎo)至燃燒器中。然后點(diǎn)燃混合物以產(chǎn)生熱的燃燒氣體。燃 燒氣體被引導(dǎo)至渦輪中，渦輪從該燃燒氣體中吸取能量，以用于為壓縮機(jī)提供動(dòng)力，以及用 于產(chǎn)生有用功來為負(fù)載_例如發(fā)電機(jī)_提供動(dòng)力。 通常，燃燒段與下游渦輪是不同的且分開的。具體地說，對(duì)于罐式-環(huán)形設(shè)計(jì)，這 兩個(gè)構(gòu)件_燃燒器和渦輪_在燃燒過渡件和渦輪第一級(jí)噴嘴的交接處相遇。這個(gè)交接處需 要使用密封件，以便最大限度地減小進(jìn)入氣道中的泄漏。這些泄漏影響燃燒器的排放能力 (即N0x)，因?yàn)閷?duì)于相同的渦輪入口溫度，大的泄漏將導(dǎo)致升高的燃燒溫度。因而希望消除 密封件，并通過將第一級(jí)噴嘴集成到過渡件設(shè)計(jì)中來減少部件數(shù)量。 過渡件長(zhǎng)度_以及整個(gè)燃燒器長(zhǎng)度_受到完全燃燒所需要的時(shí)間驅(qū)動(dòng)(尤其在部 分功率環(huán)境下)。該長(zhǎng)度傳統(tǒng)上太長(zhǎng)，以至于實(shí)際上不能將過渡件與一級(jí)噴嘴組合起來(從 制造方面和適應(yīng)渦輪/燃燒器交接處的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)兩者來看)。因此，為了將第一級(jí)噴 嘴集成到過渡件設(shè)計(jì)中，希望減小燃燒器的長(zhǎng)度。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)示例性實(shí)施例中，燃?xì)廨啓C(jī)中的一體化的燃燒器和一級(jí)噴嘴包括燃燒室， 其從分開的軸向位置處的至少一個(gè)燃料噴嘴組接收預(yù)混合的燃料和空氣。該燃燒室包括將 熱的燃燒氣體傳送給渦輪的襯套和過渡件。 一級(jí)噴嘴、襯套和過渡件被一體化成單個(gè)部件。 一個(gè)或多個(gè)燃料噴嘴組的軸向位置中的至少一個(gè)包括使放熱集中并減小火焰長(zhǎng)度的多個(gè) 小型混合裝置。 在另一示例性實(shí)施例中，一體化的燃燒器和一級(jí)噴嘴包括從分開的軸向位置處的 至少一個(gè)燃料噴嘴組接收預(yù)混合的燃料和空氣的燃燒室。該燃燒室包括將熱的燃燒氣體傳 送給渦輪的襯套和過渡件。 一個(gè)或多個(gè)燃料噴嘴組的軸向位置中的至少一個(gè)包括使放熱集 中并減小火焰長(zhǎng)度的多個(gè)小型混合裝置。減小的火焰長(zhǎng)度使得一級(jí)噴嘴、襯套和過渡件能 夠一體化成單個(gè)部件。 在又一示例性實(shí)施例中，一種使燃?xì)廨啓C(jī)中的燃燒器和一級(jí)噴嘴一體化的方法包 括如下步驟將燃燒室布置成以便從分開的軸向位置處的至少一個(gè)燃料噴嘴組接收預(yù)混合 的燃料和空氣，其中，該燃燒室包括將熱的燃燒氣體傳送給渦輪的襯套和過渡件；為一個(gè)或 多個(gè)燃料噴嘴組的軸向位置中的至少一個(gè)提供使放熱集中并減小火焰長(zhǎng)度的多個(gè)小型混 合裝置；以及通過減小的火焰長(zhǎng)度而將一級(jí)噴嘴、襯套和過渡件一體化成單個(gè)部件。


圖1是傳統(tǒng)的〃 長(zhǎng)的〃 燃燒器的截面圖； 圖2是所述實(shí)施例的〃 緊湊型〃 的一體化的燃燒器的截面圖； 圖3是將預(yù)混合的燃料和空氣傳送到燃燒器中的小型混合器快速混合噴嘴的近 視圖； 圖4和圖5顯示了一體化的燃燒器和一級(jí)噴嘴與一級(jí)渦輪葉片之間的交接處的備
選實(shí)施例；禾口
圖6是一體化的燃燒器和一級(jí)噴嘴的透視圖。部件列表10燃燒器；12襯套；14過渡件；20 —體化的燃燒器/Sl噴嘴；22燃燒室；24燃料噴嘴組；26燃燒襯套；28過渡件；29 —級(jí)噴嘴；30小型混合裝置；32第二級(jí)燃料噴射器；34扼流端；36擴(kuò)展護(hù)罩；
具體實(shí)施例方式
圖1顯示了用于燃?xì)廨啓C(jī)的現(xiàn)有技術(shù)燃燒器，燃?xì)廨啓C(jī)包括壓縮機(jī)、多個(gè)燃燒器 和渦輪。雖然沒有特別顯示，但渦輪沿著公共軸線而傳動(dòng)地連接在壓縮機(jī)上。壓縮機(jī)將進(jìn) 氣加壓，之后進(jìn)氣逆向流向燃燒器，此處其用于冷卻燃燒器，并為燃燒過程提供空氣。燃燒 器IO包括襯套12和過渡件14，襯套12限定了燃燒區(qū)域，過渡件14將燃燒器的出口端與渦 輪的入口端連接起來，以便將熱的燃燒產(chǎn)物傳送給渦輪。注意，燃燒過渡件14和渦輪第一 級(jí)噴嘴之間的交接處需要使用密封件，以便最大限度地減小進(jìn)入氣道的泄漏。在所述的實(shí) 施例中提出將一級(jí)噴嘴集成到過渡件設(shè)計(jì)中。 圖2是一體化的燃燒器和一級(jí)噴嘴20的截面圖。該結(jié)構(gòu)包括燃燒室22，其從分開 的軸向位置處的至少一個(gè)燃料噴嘴組24接收預(yù)混合的燃料和空氣。燃燒室22包括經(jīng)由一 級(jí)噴嘴29將熱的燃燒氣體傳送給渦輪的燃燒襯套26和過渡件28。如圖2中所示，一級(jí)噴 嘴29、襯套26和過渡件28被一體化成單個(gè)部件。圖6是該組件的透視圖。
圖3是在一個(gè)或多個(gè)燃料噴嘴組24的軸向位置中的至少一個(gè)處提供的小型混合 器快速混合噴嘴的近視圖。小型混合裝置30用于使放熱集中，并減小特征火焰長(zhǎng)度。如圖 所示，軸向位置包括三十一個(gè)快速混合噴嘴，但本發(fā)明并不意圖局限于所示結(jié)構(gòu)。同采用具 有大約為襯套直徑(或?qū)τ诃h(huán)形設(shè)計(jì)為襯套高度)1/3的長(zhǎng)度大小的混合噴嘴的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，混合元件30優(yōu)選具有大約為襯套直徑1/10至1/100的長(zhǎng)度大小。同圖1中所顯示 的現(xiàn)有技術(shù)的〃 長(zhǎng)〃 燃燒器相比，由小型混合裝置30提供的集中式放熱和特征火焰長(zhǎng)度 的減小使得一級(jí)噴嘴、襯套和過渡件能夠一體化成單個(gè)部件，從而形成圖2中所示的〃 緊 湊型〃 燃燒器。 混合元件30可如同許多現(xiàn)代設(shè)計(jì)那樣排列在單個(gè)平面中，或多個(gè)軸向位置上。不 管軸向布置如何，對(duì)于各個(gè)軸向位置，燃燒器都組織成以便具有單個(gè)燃燒器水平上的燃料 控制。這種局部燃料控制水平用于最大限度地減小會(huì)降低現(xiàn)代設(shè)計(jì)性能的變化。在一個(gè)實(shí) 施例中，第二級(jí)燃料噴射器32設(shè)置在過渡件28中。在這方面，燃料控制器包括燃料回路， 其可控制地在第一級(jí)燃料噴射器和第二級(jí)燃料噴射器之間分割燃料流。以與當(dāng)前主導(dǎo)的、 裝置水平上的燃料控制實(shí)踐相對(duì)的方式提供單個(gè)燃燒器水平上的燃料控制。也就是說，在 大多數(shù)罐式_環(huán)形燃燒器裝置中，燃料將通過將所有罐連接到一個(gè)控制閥上的歧管進(jìn)行控 制。相反，對(duì)于罐水平上的控制，各個(gè)腔室具有其自身的控制閥。因而，燃?xì)廨啓C(jī)周圍的歧 管管路布置或氣流分布的內(nèi)在不均勻性可通過調(diào)整流向各個(gè)燃燒器罐的燃料流來消除，從 而使得對(duì)于所有的燃燒器罐都可獲得均勻的燃料_空氣比。通過局部燃料控制來驅(qū)除變化 的能力消除了裝配多腔室陣列可能需要的任何額外的長(zhǎng)度。這種由小型混合裝置30提供 的與緊湊放熱相結(jié)合的燃料控制更好地使得襯套、過渡件和一級(jí)噴嘴能夠一體化成單個(gè)部 件。 圖4和圖5顯示了用于一體化的結(jié)構(gòu)的備選實(shí)施例。在圖4中，過渡件28包括扼 流端34，其以合適的角度朝向一級(jí)渦輪葉片(S1B)引導(dǎo)熱的燃燒氣體流。在這個(gè)實(shí)施例中， 過渡件的扼流端34用作一級(jí)噴嘴。在圖5中，過渡件28包括圍繞一級(jí)噴嘴而設(shè)置的擴(kuò)展 護(hù)罩36，其中擴(kuò)展護(hù)罩和一級(jí)噴嘴以合適的角度朝向一級(jí)渦輪葉片S1B引導(dǎo)熱的燃燒氣體 流。 本文所述的實(shí)施例通過減小燃燒器長(zhǎng)度而使燃燒器與渦輪一體化。通過使放熱集 中以及減少腔室與腔室之間的變化來減小燃燒器長(zhǎng)度。 一體化的結(jié)構(gòu)容許減少完成針對(duì)燃 氣輪機(jī)設(shè)計(jì)的加熱和節(jié)流所需要的部件數(shù)量。減少的部件數(shù)量還將減少費(fèi)用和停工時(shí)間。
雖然已經(jīng)結(jié)合目前被認(rèn)為是最實(shí)用的和優(yōu)選的實(shí)施例的內(nèi)容描述了本發(fā)明，但是 將理解的是，本發(fā)明并不局限于所公開的實(shí)施例，相反，其意圖覆蓋包含在所附的權(quán)利要求 的精神和范圍內(nèi)的各種變體和等效裝置。
權(quán)利要求
一種燃?xì)廨啓C(jī)中的一體化的燃燒器和一級(jí)噴嘴，包括從分開的軸向位置處的至少一個(gè)燃料噴嘴組(24)接收預(yù)混合的燃料和空氣的燃燒室(22)，所述燃燒室包括將熱的燃燒氣體傳送給渦輪的襯套(26)和過渡件(28)，其中，所述一級(jí)噴嘴(29)、所述襯套(26)和所述過渡件(28)被一體化成單個(gè)部件，一個(gè)或多個(gè)燃料噴嘴組的軸向位置中的至少一個(gè)包括使放熱集中并減小火焰長(zhǎng)度的多個(gè)小型混合裝置(30)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化的燃燒器和一級(jí)噴嘴，其特征在于，所述小型混合裝置(30)布置在單個(gè)平面或多個(gè)軸向位置其中一種上，并包括用于各個(gè)軸向位置的燃料控制器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一體化的燃燒器和一級(jí)噴嘴，其特征在于，還包括能夠與所述至少一個(gè)燃料噴嘴組協(xié)作的至少一個(gè)第一級(jí)燃料噴射器和設(shè)置在所述過渡件(28)中的第二級(jí)燃料噴射器(32)，其中，所述燃料控制器包括可控制地在所述至少一個(gè)第一級(jí)燃料噴射器和所述第二級(jí)燃料噴射器之間分割燃料流的燃料回路。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化的燃燒器和一級(jí)噴嘴，其特征在于，所述混合裝置(30)具有襯套直徑的1/10至1/100的長(zhǎng)度大小。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化的燃燒器和一級(jí)噴嘴，其特征在于，所述混合裝置(30)以陣列形式布置在單個(gè)平面中。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化的燃燒器和一級(jí)噴嘴，其特征在于，所述混合裝置(30)以陣列形式布置在多個(gè)軸向位置上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化的燃燒器和一級(jí)噴嘴，其特征在于，所述燃?xì)廨啓C(jī)包括與所述單個(gè)部件相鄰地設(shè)置的一級(jí)渦輪葉片，并且，其中，所述過渡件包括以合適的角度朝向所述一級(jí)渦輪葉片引導(dǎo)所述熱的燃燒氣體流的扼流端(34)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一體化的燃燒器和一級(jí)噴嘴，其特征在于，所述過渡件的扼流端(34)用作所述一級(jí)噴嘴。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化的燃燒器和一級(jí)噴嘴，其特征在于，所述燃?xì)廨啓C(jī)包括與所述單個(gè)部件相鄰地設(shè)置的一級(jí)渦輪葉片，并且，其中，所述過渡件包括圍繞所述一級(jí)噴嘴而設(shè)置的擴(kuò)展護(hù)罩(36)，所述擴(kuò)展護(hù)罩和所述一級(jí)噴嘴以合適的角度朝向所述一級(jí)渦輪葉片引導(dǎo)所述熱的燃燒氣體流。
10. —種使燃?xì)廨啓C(jī)中的燃燒器和一級(jí)噴嘴一體化的方法，所述方法包括將燃燒室(22)布置成以便從分開的軸向位置處的至少一個(gè)燃料噴嘴組(24)接收預(yù)混合的燃料和空氣，其中，所述燃燒室包括將熱的燃燒氣體傳送給渦輪的襯套(26)和過渡件(28);為一個(gè)或多個(gè)燃料噴嘴組的軸向位置中的至少一個(gè)提供使放熱集中并減小火焰長(zhǎng)度的多個(gè)小型混合裝置(30);以及通過所述減小的火焰長(zhǎng)度而將所述一級(jí)噴嘴、所述襯套和所述過渡件一體化成單個(gè)部件。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)中的一體化的燃燒器和一級(jí)噴嘴以及方法。一種燃?xì)廨啓C(jī)中的一體化的燃燒器和一級(jí)噴嘴包括燃燒室(22)，該燃燒室(22)從分開的軸向位置處的至少一個(gè)燃料噴嘴組(24)接收預(yù)混合的燃料和空氣。燃燒室包括將熱的燃燒氣體傳送給渦輪的襯套(26)和過渡件(28)。一級(jí)噴嘴、襯套和過渡件被一體化成單個(gè)部件。一個(gè)或多個(gè)燃料噴嘴組的軸向位置中的至少一個(gè)包括使放熱集中并減小火焰長(zhǎng)度的多個(gè)小型混合裝置(30)。
文檔編號(hào)F23R3/00GK101737801SQ20091022604
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月12日
發(fā)明者K·W·麥馬漢, L·B·小戴維斯, R·J·基拉, S·A·梅什科夫, W·S·齊明斯基 申請(qǐng)人:通用電氣公司