截留渦旋燃料噴射器、以及包括其的系統(tǒng)和燃?xì)鉁u輪機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型大體涉及用于燃燒器的燃料噴射器。更具體地，本實(shí)用新型涉及并入到用于將可燃混合物噴射至限定在燃燒器內(nèi)的主要燃燒區(qū)下游的燃燒氣體流場(chǎng)的系統(tǒng)中的截留禍旋(trapped vortex)燃料噴射器和用于制造截留禍旋燃料噴射器的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃?xì)鉁u輪機(jī)大體包括壓縮機(jī)區(qū)域、具有燃燒器的燃燒區(qū)域以及渦輪機(jī)區(qū)域。壓縮機(jī)區(qū)域逐漸地增加工作流體的壓力以提供壓縮工作流體至燃燒區(qū)域。壓縮工作流體被規(guī)定路線(xiàn)穿過(guò)和/或環(huán)繞在燃燒器內(nèi)軸向地延伸的燃料噴嘴。燃料被噴射進(jìn)入壓縮工作流體的流中以形成可燃混合物?？扇蓟旌衔镌谌紵齾^(qū)內(nèi)燃燒以生成具有高的溫度、壓力以及速度的燃燒氣體。燃燒氣體流動(dòng)穿過(guò)一個(gè)或更多限定熱氣路徑的內(nèi)襯或?qū)Ч懿⑦M(jìn)入渦輪機(jī)區(qū)域。燃燒氣體隨著它們流動(dòng)穿過(guò)渦輪機(jī)區(qū)域而膨脹以做功。例如，燃燒氣體在渦輪機(jī)區(qū)域中的膨脹可旋轉(zhuǎn)連接至發(fā)電機(jī)的軸以產(chǎn)生電。
[0003]燃燒氣體的溫度直接地影響燃燒器的熱力學(xué)效率、設(shè)計(jì)余量、以及引起的排放。例如，較高的燃燒氣體溫度通常地改善燃燒器的熱力學(xué)效率。然而，較高的燃燒氣體溫度可增加二原子氮的分離率，由此在燃燒器中特定的停留時(shí)間內(nèi)增加諸如氮氧化物(NOx)的不期望排放的產(chǎn)量。相反地，與減少的燃料流動(dòng)和/或部分負(fù)荷運(yùn)行(關(guān)閉)關(guān)聯(lián)的較低燃燒氣體溫度通常地減少燃燒氣體的化學(xué)反應(yīng)速率，由此在燃燒器中相同的停留時(shí)間內(nèi)增加一氧化碳(CO)和未燃燒的碳?xì)浠衔?UHC)的產(chǎn)量。
[0004]為了在優(yōu)化燃燒器的熱效率時(shí)平衡總體的排放性能，某些燃燒器設(shè)計(jì)包括圍繞內(nèi)襯布置并通常定位在主要燃燒區(qū)下游的多個(gè)燃料噴射器。燃料噴射器通常徑向地延伸穿過(guò)內(nèi)襯以提供進(jìn)入燃燒氣體流場(chǎng)的流體連通。這種類(lèi)型的系統(tǒng)在本領(lǐng)域和/或燃?xì)鉁u輪機(jī)產(chǎn)業(yè)中一般公知為延遲貧油發(fā)射(LLI)和/或軸向燃料分級(jí)。
[0005]在運(yùn)行中，壓縮工作流體的一部分被規(guī)定路線(xiàn)穿過(guò)和/或環(huán)繞燃料噴射器中的每一個(gè)并進(jìn)入燃燒氣體流場(chǎng)。來(lái)自燃料噴射器的液態(tài)或氣態(tài)的燃料噴射進(jìn)入壓縮工作流體的流以提供貧油的或空氣充足的可燃混合物，其在它和熱燃燒氣體混合后自發(fā)地燃燒，由此增加燃燒器的著火溫度而在燃燒區(qū)內(nèi)部的燃燒氣體的停留時(shí)間中不產(chǎn)生相應(yīng)的增加。因此，燃燒器的總體熱力學(xué)效率可增加而不犧牲總體排放性能。
[0006]使用現(xiàn)有的LLI或軸向燃料分級(jí)將燃料噴射進(jìn)入燃燒氣體流場(chǎng)的一個(gè)挑戰(zhàn)是燃燒氣體的動(dòng)量通常阻礙液態(tài)燃料進(jìn)入燃燒氣體流場(chǎng)的足夠徑向穿透。因此，液態(tài)燃料的局部蒸發(fā)可沿著在或靠近燃料噴射點(diǎn)的內(nèi)襯的內(nèi)壁發(fā)生，由此潛在地導(dǎo)致高溫區(qū)和/或高熱應(yīng)力。此外，由于諸如但不限于燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃料含量、燃料溫度、周?chē)目諝馇闆r、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和/或運(yùn)行情況的各種因素在燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒器中達(dá)到和維持燃燒是困難的。這些各種因素可潛在地造成流動(dòng)不穩(wěn)定，其可影響由燃燒器生成的NOx排放水平。
[0007]解決這些問(wèn)題的當(dāng)前解決方案包括使燃料噴射器的至少一部分徑向向內(nèi)地延伸穿過(guò)內(nèi)襯并進(jìn)入燃燒氣體流場(chǎng)。然而，該方法將燃料噴射器暴露至熱的燃燒氣體，其可潛在地影響構(gòu)件的機(jī)械壽命并可導(dǎo)致燃料焦炭累積。因此，包括布置在主要燃燒區(qū)下游的截留渦旋燃料噴射器并用于將可燃混合物噴射進(jìn)入燃燒氣體流場(chǎng)的改善的系統(tǒng)和用于制作截留渦旋燃料噴射器的方法將會(huì)是有用的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本實(shí)用新型的各方面和優(yōu)點(diǎn)以下在下面的描述中陳述，或可從描述顯而易見(jiàn)的，或可通過(guò)本實(shí)用新型的實(shí)踐而認(rèn)識(shí)到。
[0009]本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例是截留渦旋燃料噴射器。截留渦旋燃料噴射器包括主體，其具有環(huán)形部分和與環(huán)形部分同軸地對(duì)齊的半環(huán)形部分。半環(huán)形部分在環(huán)形部分下游延伸。內(nèi)壁和相反的外壁在環(huán)形部分和半環(huán)形部分之間延伸。環(huán)形部分至少部分地限定壓縮或燃燒空氣流動(dòng)通路穿過(guò)主體。半環(huán)形部分限定在燃燒空氣流動(dòng)通路下游的截留渦旋預(yù)混合區(qū)。主體進(jìn)一步限定完全地限制在主體內(nèi)并在環(huán)形部分和半環(huán)形部分之間延伸的燃料回路。多個(gè)燃料噴射端口提供在燃料回路和截留渦旋預(yù)混合區(qū)之間的流體連通。
[0010]本實(shí)用新型的另一個(gè)實(shí)施例是一種用于將可燃混合物噴射進(jìn)入在燃燒器的主要燃燒區(qū)下游的燃燒氣體流場(chǎng)的系統(tǒng)。系統(tǒng)包括內(nèi)襯，其限定在主要燃料噴嘴和/或主要燃燒區(qū)下游的燃燒氣體流動(dòng)路徑。內(nèi)襯包括內(nèi)側(cè)和外側(cè)和延伸穿過(guò)內(nèi)襯的噴射器開(kāi)口。系統(tǒng)進(jìn)一步包括截留渦旋燃料噴射器，其布置在主要燃料噴嘴下游。截留渦旋燃料噴射器包括延伸穿過(guò)噴射器開(kāi)口的主體。主體包括從內(nèi)襯的外側(cè)向外延伸的環(huán)形部分、以及與環(huán)形部分同軸地對(duì)齊的半環(huán)形部分。半環(huán)形部分在環(huán)形部分下游從內(nèi)襯的內(nèi)側(cè)向內(nèi)延伸。主體還包括在環(huán)形和半環(huán)形部分之間延伸的內(nèi)壁和相反的外壁。環(huán)形部分限定壓縮或燃燒空氣流動(dòng)通路。半環(huán)形部分限定在燃燒空氣流動(dòng)通路下游的截留渦旋預(yù)混合區(qū)。主體進(jìn)一步限定與燃料供給流體連通的燃料回路。燃料回路完全地限制在主體內(nèi)并在環(huán)形部分和半環(huán)形部分之間延伸。主體還限定多個(gè)燃料噴射端口，其提供在燃料回路和截留渦旋預(yù)混合區(qū)之間的流體連通。
[0011]本實(shí)用新型還包括燃?xì)鉁u輪機(jī)。燃?xì)鉁u輪機(jī)包括壓縮機(jī)、布置在壓縮機(jī)下游的燃燒器和布置在燃燒器下游的渦輪機(jī)。燃燒器包括:主要燃料噴嘴；內(nèi)襯，其在主要燃料噴嘴下游延伸，其中內(nèi)襯至少部分地限定在燃燒器內(nèi)的燃燒氣體流動(dòng)路徑。內(nèi)襯具有內(nèi)側(cè)和外偵U。燃?xì)鉁u輪機(jī)還包括布置在主要燃料噴嘴下游的截留渦旋燃料噴射器。截留渦旋燃料噴射器包括延伸穿過(guò)內(nèi)襯的主體。主體包括從內(nèi)襯的外側(cè)向外延伸的環(huán)形部分和與環(huán)形部分同軸地對(duì)齊的半環(huán)形部分。半環(huán)形部分在環(huán)形部分下游從內(nèi)襯的內(nèi)側(cè)向內(nèi)延伸進(jìn)入燃燒氣體流動(dòng)路徑。環(huán)形部分限定在主體內(nèi)的已壓縮或燃燒空氣流動(dòng)通路。半環(huán)形部分限定在燃燒空氣流動(dòng)通路下游的截留渦旋預(yù)混合區(qū)。主體進(jìn)一步限定與燃料供給流體連通的燃料回路。燃料回路完全地限制在主體內(nèi)并在環(huán)形部分和半環(huán)形部分之間延伸。主體進(jìn)一步限定與燃料回路流體連通的多個(gè)燃料噴射端口。燃料噴射端口提供在燃料回路和截留渦旋預(yù)混合區(qū)之間的流體連通。
[0012]當(dāng)前實(shí)用新型的另一個(gè)實(shí)施例包括一種方法，其用于制作截留渦旋燃料噴射器的主體，其中主體限定完全地限制在主體內(nèi)并在主體的環(huán)形部分和半環(huán)形部分之間延伸的燃料回路。主體進(jìn)一步限定多個(gè)燃料噴射端口，其提供在燃料回路和截留渦旋預(yù)混合區(qū)之間的流體連通。方法包括步驟:確定包括燃料回路的主體的三維信息；將三維信息轉(zhuǎn)化成限定主體的剖面層的多個(gè)切片，其中多個(gè)切片中的至少一些限定代表在剖面層內(nèi)的燃料回路的空間；以及通過(guò)使用激光能熔化金屬粉末以接連地形成主體的每一層。
[0013]本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例包括具有主體的截留渦旋燃料噴射器，其中主體包括環(huán)形部分、與環(huán)形部分同軸地對(duì)齊并在環(huán)形部分下游延伸的半環(huán)形部分、以及在環(huán)形部分和半環(huán)形部分之間延伸的內(nèi)壁和相反的外壁。環(huán)形部分限定燃燒空氣流動(dòng)通路。半環(huán)形部分限定在燃燒空氣流動(dòng)通路下游的截留渦旋預(yù)混合區(qū)。主體進(jìn)一步限定完全地限制在主體內(nèi)并在環(huán)形部分和半環(huán)形部分之間延伸的燃料回路。主體還限定多個(gè)燃料噴射端口，其提供在燃料回路和截留渦旋預(yù)混合區(qū)之間的流體連通。主體通過(guò)附加的制造過(guò)程來(lái)形成。附加的制造過(guò)程包括:確定包括燃料回路的主體的三維信息；將三維信息轉(zhuǎn)化成限定主體的剖面層的多個(gè)切片，其中多個(gè)切片中的至少一些限定在剖面層內(nèi)代表燃料回路的一部分的空間；以及通過(guò)使用激光能熔化金屬粉末以接連地形成主體的每一層。
[0014]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在回顧說(shuō)明書(shū)后，將更好地了解這些實(shí)施例和其他實(shí)施例的特征和各方面。
【附圖說(shuō)明】
[0015]本實(shí)用新型的完整的和能實(shí)現(xiàn)的公開(kāi)(包括其對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員的最好模式)在剩余的說(shuō)明書(shū)(包括參照附圖)中更具體地陳述，其中:
[0016]圖1是在本實(shí)用新型的范圍內(nèi)的示例性燃?xì)鉁u輪機(jī)的原理框圖；
[0017]圖2是如并入本實(shí)用新型的各種實(shí)施例的示例性罐型燃燒器的一部分的剖面?zhèn)纫晥D；
[0018]圖3是根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例的包括如在圖2中所示的燃燒器的一部分的截留渦旋燃料噴射器的剖面?zhèn)纫晥D；
[0019]圖4是根據(jù)本實(shí)用新型的各種實(shí)施例的如在圖3中所示的截留渦旋燃料噴射器的剖面仰視圖；
[0020]圖5是根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例的如在圖3中所示的截留渦旋燃料噴射器的剖面?zhèn)纫晥D；
[0021]圖6是根據(jù)本實(shí)用新型的各種實(shí)施例的如在圖3中所示的截留渦旋燃料噴射器的一部分的局部剖面透視圖；
[0022]圖7是根據(jù)本實(shí)用新型的各種實(shí)施例的如在圖3中所示的截留渦旋燃料噴射器的一部分的局部剖面透視圖；