[发明专利]空气分级扩散喷嘴

说明书

技术领域

本发明大体涉及燃气轮机，并且更具体而言，涉及用于燃气轮机燃烧器的空气分级扩散喷嘴。

背景技术

在用于燃气轮机燃烧器的扩散喷嘴中，燃料开始在旋流导叶中与空气混合，以及然后燃烧器的燃烧管空间内以旋动运动流动和膨胀，以进行混合。在目前的扩散喷嘴中，在扩散喷嘴的中心处的燃烧管中的观察到低速区域。已经确认在启动以及部分负载运行期间在扩散喷嘴尖部上有高的碳形成。对于高反应性燃料，由于紧邻火焰的原因，在喷嘴尖部上观察到较高的温度。另外，气体燃料和空气在燃烧管中的增强的混合可导致燃气轮机有减少的排放。

因此，存在对具有气体燃料的、为喷嘴尖部提供冷却而同时改进燃料和空气的混合的扩散喷嘴的需要。

发明内容

本发明涉及一种空气分级喷嘴。简要地根据本发明的一方面，为设置在燃气轮机的燃烧器中的、包括气体燃料源和压缩空气源的空气分级扩散喷嘴提供了一个实施例，其中，气体燃料喷嘴排到燃烧器的燃烧管空间。空气分级扩散喷嘴包括沿着纵向轴线设置的、包括气体燃料腔体的喷嘴本体，该气体燃料腔体在下游由端部封闭壁界定，在上游由与气体燃料源的连接部界定，以及沿周缘由环形壁界定。具有旋流导叶的外部旋流器从环形壁的尖部端延伸，从而形成通往下游燃烧管空间的旋动轴向通道。在气体燃料腔体的环形壁外部的空间包括与外部旋流器的旋动轴向通道处于流体连通的压缩空气源。为气体燃料提供了通过第一环形壁而从气体燃料腔体进入外部旋流器的旋动轴向环形通道中的通道。外部旋流器将气体燃料和压缩空气的旋动的混合物输送到燃烧器的下游燃烧管空间。冷却空气室封闭在气体燃料腔体内，并且由外周缘壁包围。设置成紧邻气体燃料腔体的下游端的外周缘壁的部分通过端部封闭壁而沿轴向延伸到燃烧器的燃烧管空间。从外部压缩空气空间通过气体燃料腔体的环形壁的通道联接成与冷却空气室处于流体连通。通道通过冷却空气室的周缘壁的下游端而使压缩空气流体地连通到燃烧器的燃烧管空间，从而为尖部提供冷却空气，以及增强气体燃料和空气在燃烧管空间中的混合。

根据本发明的另一方面，提供了一种包括压缩机、涡轮、燃烧器以及具有气体燃料源和压缩空气源的空气分级扩散喷嘴的燃气轮机燃烧器，其中，空气分级扩散喷嘴排到燃烧器的燃烧管空间。空气分级扩散喷嘴包括沿着纵向轴线设置的、包括气体燃料腔体的喷嘴本体，该气体燃料腔体在下游由端部封闭壁界定，在上游由与气体燃料源的连接部界定，以及沿周缘由环形壁界定。具有旋流导叶的外部旋流器从环形壁的尖部端延伸，从而形成通往下游燃烧管空间的旋动轴向通道。

在气体燃料腔体的环形壁外部的空间包括与外部旋流器的旋动轴向通道处于流体连通的压缩空气源，以及通过第一环形壁而从气体燃料腔体进入外部旋流器的旋动轴向环形通道中的多个通道。外部旋流器将气体燃料和压缩空气的旋动的混合物输送到燃烧器的下游燃烧管空间。封闭在气体燃料腔体内的冷却空气室包括外周缘壁。外周缘壁设置成紧邻气体燃料腔体的下游端，通过端部封闭壁而沿轴向延伸到燃烧器的燃烧管空间。从外部压缩空气空间通过环形壁的多个通道与冷却空气室流体地联接。多个通道通过冷却空气室的周缘壁的下游端来将压缩空气流体地联接到燃烧器的燃烧管空间。

本发明的另一方面提供了一种用于冷却设置在具有压缩机和涡轮的燃气轮机的燃烧器中的气体燃料空气分级扩散喷嘴的尖部端的方法，其中，喷嘴在燃烧器的燃烧管的上游。该方法包括提供：包括喷嘴本体的气体燃料空气分级扩散喷嘴，该喷嘴本体具有由沿着喷嘴的纵向轴线设置的外周缘壁界定的气体燃料腔体；端部封闭壁；设置在气体燃料腔体内的冷却空气室；由来自气体燃料腔体的气体燃料和来自包围喷嘴本体的外部空间的压缩空气供应的外部旋流器；以及冷却空气室的前部突出部，其延伸通过冷却空气室内的周缘壁且突出通过喷嘴本体的端部封闭壁。该方法进一步将气体燃料从上游气体燃料源供应给气体燃料腔体。气体燃料被转移成通过限定在端部封闭壁的外周缘周围的气体燃料喷射孔而流到外部旋流器的旋流通道中。气体燃料在外部旋流器内与来自外部空间的压缩空气混合，并且在具有旋转方向的情况下排到喷嘴本体的端部封闭壁下游的燃烧管空间中。该方法进一步包括通过冷却空气室来将来自包围喷嘴本体的外部空间的压缩空气转移到喷嘴本体的端部封闭壁下游的燃烧管空间，从而促进喷嘴尖部的冷却以及气体燃料和空气在燃烧管空间中的混合。