专利名称：具有坑状燃料喷射部位的燃气涡轮机预混合器的制作方法
技术领域：
本发明 一般地涉及燃气涡轮机中的混合效率以及提高的逆燃/火 焰稳定阻力，尤其是涉及用于燃气涡轮机燃烧器的包括坑状燃料喷射 部位的预混合器。
背景技术：
在现有的用于燃气涡轮机燃烧器的预混合器中，燃料喷射流从燃 料柱或旋流叶片流出并使人想起横流中的喷射流。燃料喷射流通常具 有与它们相关联的相对较大的伴流区。燃料喷射流经由湍流状旋涡流 得以在预混合器通道内混合，并通过燃料的演化喷入相连的旋涡结 构。这种混合的大部分发生在喷射部位的下游。
预混合器效率是重要的设计问题，因为NOx的排放直接依赖于 混合度的水平。
发明内容
在示例性实施例中，用于燃气涡轮机燃烧器的预混合器包括涡 旋式喷嘴，其包括多个影响通过预混合器的空气流速度特征的直的或 转向叶片；以及至少一个燃料喷射部位，其使燃料能够在预混合器中 与空气流混合。该燃料喷射部位终止于坑状孔中。
在另 一个示例性实施例中，提供了 一种用于提高燃气涡轮机燃烧 器中的逆燃和火焰稳定阻力的方法，该方法包括在预混合器中的燃料 喷射部位的空气流端形成至少 一个坑状孔的步骤。
在另 一个示例性实施例中，用于燃气涡轮机燃烧器的预混合器包 括涡旋式喷嘴，其包括多个影响通过预混合器的空气流速度特征的 直的或转向叶片；多个燃料喷射部位，其使燃料能够在预混合器中与空气流混合；以及坑状孔，其在至少一个所述转向叶片表面上的至少 一个所述燃料喷射部位的末端形成。
图l是用于燃气涡轮机燃烧器的预混合器的透视图2是终止在坑状孔中的燃料喷射部位的横断面视图；以及
图3图示了使用坑状孔与传统的直孔相比较的混合特征。
部件列表
10 燃气涡4仑^L预混合器 14 直的或转向叶片
11 轮毂 16 燃料喷射部位
12 涡旋式喷嘴 30 柱形燃料孔
13 叶冠 32 坑状孔
具体实施例方式
图1是燃气涡4仑机预混合器10的透视图。典型的预混合器10具 有涡旋式喷嘴12,该涡旋式喷嘴12开始于轮毂11且在叶冠13终止， 涡旋式喷嘴12包含一组直的或转向叶片14，该叶片14可对通过预混 合器10的空气流增加涡旋速度。涡旋运动增强了混合并提供了燃烧器 内下游的火焰稳定。燃料喷射部位16也典型地在转向叶片14中形成， 具有传统地位于预混合器轮毂径向之内的燃料输送通道，还包括在转 向叶片的孔穴。
已然发现，燃料喷射部位终止端处的坑状孔用来提高局部和整体 混合效应。图2是燃料喷射部位的横断面视图，该燃料喷射部位包括 终止于在邻近通过预混合器10的空气流的表面中形成的坑状孔32的 柱形燃料孔30。坑状孔可通过任何多数的可接受的制造过程(包括， 例如任何形式的标准或激光钻孔、电火花加工(EDM)、铸造等等)结 合到燃烧器预混合器中。
根据本发明内容，用语"坑状孔"指的是比燃料孔30大的任何开口或孔，燃料通过燃料孔30被注入到空气流中。坑状孔32能够以 形状和取向的任何组合形式形成，且坑的大小和深度也可以变化。此 外该用语意指包括可用来代替或与离散坑结合的二维坑或沟设计。坑 或沟32的深度优选地在0.5D至1.5D范围内，这里D是孔30的直径 (也就是，内部喉部直径、非表面占地面积直径)。坑的有效平均直径 优选地在1.5D至3D范围内。有效的平均直径是对于实际面积的等效 圆形直径，与该区域外形无关。在沟的结构中，沟宽度优选地在1D 至3D范围内。在这种沟结构下，如果孔30的轴线是沿沟的纵向方向 取向的，那么1D的宽度是可能的。
坑或沟32相对于孔30的布置应该优选地满足孔的下游边缘和 坑边缘之间的距离是在0至1D范围内。在本文中，"下游"是按照 燃料喷射流喷射的方向来定义的。在沟的结构中，如果孔30是沿沟 长度取向的，那么这个范围是不合理的，或趋于无穷大。然而该配置 是有利的，尤其是易于制造。当孔30的轴线取向成横向于沟的纵向 方向时，优选地应用0至1D范围。
注意到，坑32的形状可从圆形到线形沟变化，且所有的相邻孔 30之间的变化，优选地相邻孔30之间的距离不多于3D。如果孔相邻 间距多于3D，那么坑外形可在有效平均直径范围的限制下从圆形到 椭圆形、正方形、长方形等变化。沟的外形可/人线形到锯齿或周期性 边缘配置进行变化，优选地也具有仍然按照推荐值的宽度范围。
燃料通过柱形燃料孔30注入通过任何多数的坑状孔32,这里该 数量以及坑状孔形状和取向的组合是变化的，目的是为了在不牺牲火 焰稳定余地或压力降的情况下获得增长的混合速率。相对于空气流的 燃料喷射方向也可以变化。通过使用坑状孔以预混合，极大地提高燃 料的横向扩展(混合)。更短的混合距离致使更短的燃烧长度，从而减 少停留时间。结果，坑状孔充当用于减少NOx排放的设备。坑状孔也 允许了将燃料放置在邻近预混合器表面处，这提供了邻近预混合器表 面处的浓混合物。浓混合物提供了增强的逆燃/火焰稳定阻力。坑状燃料孔32可形成在转向叶片14的表面上或形成在预混合器 内的任何燃料喷射部位上(见图1)，包括相连轮毂11或叶片叶冠13。 通过坑状燃料孔，燃料喷射流在主流喷射之前允许膨胀至表面凹地 中。该膨胀，联合燃料流和表面凹地唇缘的相互作用，引起增强的混 合，导致更低的NOx排放，这是现代燃气涡轮机燃烧器的主要设计目 的之一。
图3示出了通过直孔进入空气流的燃料喷射部位与包括坑状孔的 燃料喷射部位之间的比较。如图3所示，坑状孔降低了射流穿透和伴 流效应，这导致逆燃/火焰稳定阻力增长。坑状孔也有助于减少总的燃 料供应压力或压力比，从而帮助緩解燃烧动力。从图3能清楚看到的 是，坑状孔提供了燃料在预混合室内的增加的横向扩展，这导致更短 的混合距离和停留时间。对于增强的混合，就坑状孔所进行的测试表 明喷射(燃料)的横向扩展是没有坑的两到三倍。
坑状燃料孔也可形成为可轻易拆卸及安装的特征，其可以在整个 燃烧器设计中应用，以及还可以基于按需、当在现有的燃烧器中出现 火焰形成问题时而使用。
通过形成坑状孔为燃料部位的一部分，可获得燃料与空气流的更 快速和完全的混合。该结构也减少;險流(穿透和伴流)效应中的喷射流 而仍保持高水平的混合度以及因此保持高水平的预混合器效率。通过 减少横流效应中的喷射流，可在邻近预混合器(转向叶片)表面处保持 浓混合物。也减少了喷射器下游侧的再回流区域。邻近壁的更浓混合 物和低速区域的减少倾向于增加逆燃/火焰稳定阻力。
虽然本发明已经结合当前被认为是更实践的和优选的实施例进 行了描述，应该理解的是，本发明不限于所公开的实施例，相反地， 本发明意图覆盖不同的修改和包括在附加权利要求精神和范围内的 等效布置。
权利要求
1.一种用于燃气涡轮机燃烧器的预混合器，所述预混合器包括涡旋式喷嘴(12)，其包含多个直的或转向叶片(14)，其影响通过所述预混合器的空气流的速度特征；以及至少一个燃料喷射部位(16)，其使燃料能与空气流在预混合器中混合；其中所述至少一个燃料喷射部位终止于坑状孔(32)中。
2. 如权利要求1所述的预混合器，其特征在于，所述至少一个 燃料喷射部位(16)置于所述转向叶片(14)中的一个转向叶片上。
3. 如权利要求1所述的预混合器，进一步包括多个终止于相应 坑状孔(32)中的燃料喷射部位(16)。
4. 如权利要求3所述的预混合器，其特征在于，燃料喷射部位 (16)的数量确定成用于获得增强的混合速率。
5. 如权利要求3所述的预混合器，其特征在于，燃料喷射部位 (16)的数量和坑状孔(32)的形状和取向的组合确定成用于获得增强的 混合速率。
6. 如权利要求3所述的预混合器，其特征在于，燃料喷射部位 (16)的数量和坑状孔(32)的大小和深度确定成用于获得增强的混合速 率。
7. 如权利要求1所述的预混合器，其特征在于，燃料喷射方向 相对于空气流方向变化以获得增强的混合速率。
8. —种用于提高燃气涡轮机燃烧器中逆燃和火焰稳定阻力的方 法，该方法包括在预混合器中的燃料喷射部位(16)的空气流端形成 至少一个坑状孔(32)。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述至少一个坑状 孔(32)通过标准钻孔、激光钻孔和电火花加工(EDM)中的一种形成。
10. —种用于燃气涡轮机燃烧器的预混合器，该预混合器包括 涡旋式喷嘴(12),其包含多个直的或转向叶片(14),其影响通过所述预混合器的空气流的速度特征；多个燃料喷射部位(16)，其使燃料能与空气流在预混合器中混合；以及坑状孔(32)，其在至少一个所述转向叶片的表面上的至少一个所 述燃料喷射部位的末端形成。
全文摘要
一种用于燃气涡轮机燃烧器的预混合器，包括涡旋式喷嘴(12)，其包含多个通过预混合器将涡旋速度传递给空气流的转向叶片(14)；至少一个燃料喷射部位(16)，其使燃料与预混合器中的空气流混合。该燃料喷射部位在坑状孔(32)中终止。该坑状孔提高了混合效率且增加了逆燃/火焰稳定阻力。
文档编号F23D14/46GK101644436SQ20091016503
公开日2010年2月10日 申请日期2009年7月21日 优先权日2008年7月21日
发明者J·C·因泰尔, R·J·基拉, R·S·班克 申请人:通用电气公司