筒环形燃气轮机发动机中的浓淡轴向级燃烧

摘要

一种用于燃气轮机发动机(10)中的淡/浓燃烧的设备和方法，燃气轮机发动机包括燃烧器(12)、过渡部(14)和燃烧器延伸器(16)，燃烧器延伸器定位在燃烧器(12)和过渡部(14)之间，以将燃烧器(12)连接到过渡部(14)。开口(18)沿燃烧器延伸器(16)的外表面(20)形成。燃气轮机(10)还包括沿燃烧器延伸器(16)的外表面(20)延伸的燃料歧管(28)，具有与相应开口(18)对准的燃料喷嘴(30)。还提出了一种用于燃气轮机发动机(10)中的轴向级燃烧的方法。

说明书

关于联邦政府资助开发的声明

本发明的开发由美国能源部授予的合同No.DE-FC26-05NT42644部分地支持。相应地，美国政府具有本发明的一些权利。

技术领域

本发明涉及筒环形燃气轮机发动机，更具体地说，涉及一种筒环形燃气轮机发动机的燃烧级布置。

背景技术

图1示出筒环形燃气轮机发动机110的中间框架设计的常规设计。压缩器111将压缩空气引导通过轴向扩散器113而进入夹层空间117中，之后，压缩空气翻转，并进入定位在燃烧器112周围的套筒122。压缩空气与来自燃烧器112的各燃料级119的燃料混合，空气燃料混合物在燃烧器112的级121处点火。由于空气燃料混合物的点火，产生热燃烧气体，热燃烧气体穿过燃烧器112进入过渡部114中，过渡部以一定角度将热燃烧气体引入涡轮115中。

在常规筒环形燃气轮机发动机中，淡空气/燃料混合物在燃烧器112的级121处点火。然而，在高负荷和高温度下，由于淡空气/燃料混合物点火，各排放物比如氮氧化合物(NO_X)在热燃烧气体内产生，这些排放物可超过法律允许的范围。另外，如果浓空气/燃料混合物在燃烧器112的级121处点火，则产生的燃烧气体的温度不足以燃烧存在于燃烧气体内的碳氢化合物，由此，碳氢化合物也会超过法律允许的范围。

除了上面讨论的常规设计，Beebe的美国专利No.6192688公开了一种燃气涡轮发动机中的燃烧级布置，其中，淡空气燃料混合物从上游级在下游级处注入燃烧气体中，在上游级，淡空气燃料预混合物燃烧以产生燃烧气体。另外，Gensler等人的美国专利No.5271729和Suesada等人的美国专利No.5020479也提出了其它燃烧级设计。

在本发明中，本发明人对筒环形燃气轮机发动机的燃烧级设计进行了各种改进，以克服常规燃烧级设计的显著缺点。

附图说明

参考附图在下面描述中说明本发明，附图中：

图1是现有技术燃气轮机发动机的剖面图；

图2是燃气轮机发动机中的轴向级燃烧布置的剖面图；

图3是图2的轴向级燃烧布置的燃料歧管的剖面图；

图4是燃烧气体的温度与用在图2的轴向级燃烧布置内的热燃烧气体的Phi的关系的图表；以及

图5是描绘燃气轮机发动机中的轴向级燃烧的方法的流程图。

具体实施方式

本发明人已设计了筒环形燃气轮机发动机的轴向燃烧级布置，其避免了常规燃烧级布置的不足。淡空气燃料混合物在初始上游级燃烧，浓空气燃料混合物在随后下游级注入并燃烧。淡空气燃料混合物在初始上游级处燃烧，以在初始温度下产生热燃烧气体，使得排放物水平(包括NO_X)不会超过不允许的阈值。浓空气燃料混合物随后在下游级处注入热燃烧气体中，使得来自淡燃烧的自由原子团的热量和存在促进浓空气燃料混合物中的碳氢化合物的完全燃烧，热燃烧气体的初始温度升高一个阈值量，使得排放物水平(包括NO_X)不会超过不允许的阈值。

在本专利申请中，术语“浓”和“淡”用于描述空气燃料混合物。根据专利申请，“浓”空气燃料混合物指的是具有大于1的等值比，“淡”空气燃料混合物指的是具有小于1的等值比。如本领域技术人员所明白的，等值比定义为空气燃料混合物的燃料空气比与空气燃料混合物的化学计量反应的燃料空气比的商。因此，如果等值比小于1(“淡”空气燃料混合物)，则相对于空气和燃料之间的化学计量反应所需的燃料，燃料缺乏。如果等值比大于1(“浓”空气燃料混合物)，则相对于空气和燃料之间的化学计量反应所需的燃料，燃料过量。

图2示出燃气轮机发动机10的示例性实施例，该燃气轮机发动机包括压缩器11和扩散器13，它们将压缩空气流40输出到燃气轮机发动机10的夹层空间17中。燃气轮机发动机10是筒环形燃气轮机发动机，其表征了以环形布置布置在燃气轮机发动机10的旋转轴线周围的多个燃烧器12。图2示出环形布置的燃烧器的一个燃烧器12。在示例性实施例中，十六个燃烧器以该筒环形布置布置在旋转轴线周围。尽管图2示出筒环形燃气轮机发动机10，但是本发明的实施例不限于筒环形燃气轮机发动机，并可用在表征轴向级燃烧的任何燃气轮机发动机中，比如环形燃气轮机发动机。

图2还示出定位在燃烧器12的外表面周围的套筒22，其中，套筒22包括开口23，以接收来自夹层空间17的空气流40的一部分。空气流40引导通过套筒22，并与来自燃料级19的燃料混合，以在燃烧器12的第一燃烧级21处产生淡空气燃料混合物58。如先前所讨论的，淡空气燃料混合物58混合成混合物的等值比小于1。在示例性实施例中，淡空气燃料混合物的等值比为0.6。淡空气燃料混合物58在燃烧器12的第一燃烧级21处点火，以在第一温度62(图4)下产生包含自由原子团的热燃烧气体60。

图2还示出燃烧器延伸器16，其连接到燃烧器12的下游端，以接收在燃烧器12的第一燃烧级21处产生的热燃烧气体60。如下所讨论的，燃烧器延伸器16表征了位于燃烧器21的第一燃烧级21下游的第二燃烧级66，使得空气燃料混合物44(图3)注入在第二级66处穿过燃烧器延伸器16的热燃烧气体60中。另外，过渡部14连接到燃烧器延伸器16的下游端，其中，过渡部14的长度比用在图1的常规燃气轮机发动机110中的常规过渡部114更短。在示例性实施例中，图2的燃气轮机10的燃烧器延伸器16和过渡部14用于共同地代替图1的常规燃气轮机发动机110的常规过渡部114。

燃烧器延伸器16的外表面20表征了开口18，其沿外表面20的外周54形成。提供了燃料歧管28，其采取绕外表面20的外周54延伸的环形。如图2所示，燃料从燃料供给线24供给到燃料歧管28，燃料供给线从套筒22内延伸到燃料歧管28。如本领域技术人员所明折的，图1的常规燃气轮机发动机110的套筒122表征了燃料供给线(未示出)，在空气流140与来自燃料级119的的燃料混合之前，燃料供给线将燃料(有时称为C级燃料)与从夹层空间117接收在套筒122内的空气流140预混合。在图2的燃气轮机发动机中，套筒22内的燃料供给线24改为引导出套筒22至燃料歧管28，以在每个开口18处将燃料供给到燃料歧管28。提供了控制器26，以引导燃料线供给线24，以将燃料供给到燃料歧管28(基于燃气轮机发动机10的超过预定极限的操作参数，比如燃气轮机发动机10的超过功率或负荷阈值的功率或负荷需求)。

如图3所示，在燃烧器延伸器16的外表面20中的每个开口18处，燃料歧管28包括具有侧盖57的燃料喷嘴30。尽管图2-3中示出的开口18是圆形开口，但是开口18可以是椭圆形开口或适于将空气燃料混合物输送进燃烧器延伸器16中的任何其它形状，如下所讨论的。如图3所示，混合器32还设置在每个开口18处，并定位在燃料喷嘴30和开口18之间。混合器32包括第一开口34和第二开口38，第一开口接收来自燃料歧管28的燃料喷嘴30的燃料36，第二开口接收来自燃气轮机发动机10的夹层空间17的空气流40的一部分。在示例性实施例中，第一开口34定位在混合器32的中央横截面区域中，第二开口38是位于混合器32内的环形开口。燃料喷嘴30包括阀52，以可调地改变从燃料喷嘴30穿过第一开口36进入混合器32的燃料36的容积流率。如图3所示，阀52包括螺钉53，其可调节成使开口55旋转到打开位置，以允许燃料36从燃料歧管28穿过开口55而进入混合器32的第一开口32。通过调节螺钉53(这又使开口55相对于燃料歧管28旋转)，可变地调节穿过开口55和混合器32的第一开口34的燃料36的容积流率。另外，通过调节螺钉53以使开口55旋转到闭合位置，可切断混合器32的流率进入开口55和混合器32的第一开口34，使得来自燃料歧管28的燃料36不会进入开口55或混合器32的第一开口34中。如先前所讨论的，燃料歧管28包括位于每个相应开口18处的燃料喷嘴30，对于所有燃料喷嘴30，燃料喷嘴30的螺钉53可同时调节到相同程度，而以相同程度改变每个燃料喷嘴30中的燃料36的流率。或者，基于第二级66的燃烧调整要求，每个燃料喷嘴30处的螺钉53可单独地调节，以单独地调节燃料36在每个相应燃料喷嘴30处的流率。

如图3进一步示出，勺部(scoop)42接收来自第一开口34的出口的燃料36，还接收来自第二开口38的出口的空气流40的一部分。燃料36和空气流40在勺部42中混合，以形成浓空气燃料混合物44，其具有大于1的等值比。勺部42在燃烧器延伸器16的第二燃烧级66处将浓空气燃料混合物44引导进热燃烧气体60中。如图3所示，勺部42采取锥形形状，该锥形形状朝向燃烧器延伸器16的内部向内倾斜。在示例性实施例中，浓空气燃料混合物44的等值比可由出口48的宽度50控制，这确定了空气流40(在引导进燃烧器延伸器16的热燃烧气体60中的空气燃料混合物44内混合)的体积。例如，出口48的宽度50增加会增加在空气燃料混合物44内混合的空气流40的体积，并由此减小引导进燃烧器延伸器16中的浓空气燃料混合物44的等值比。在另一示例性实施例中，浓空气燃料混合物44的等值比可由第二开口38(构造成接收空气流40)的宽度控制。

如先前所讨论的，空气流40的一部分与来自燃料级19的燃料混合，以产生淡空气燃料混合物58(在燃烧器中在第一级21处燃烧)。另外，如先前所讨论的，空气流40的一部分与从燃烧供给线24引导至燃料歧管28的燃料36混合，以产生浓空气燃料混合物44。在淡空气燃料混合物58和浓空气燃料混合物44之间使用的总空气量份额介于浓空气燃料混合物44中的总空气流的0.5％和3.5％之间。此外，在淡空气燃料混合物58和浓空气燃料混合物44之间使用的总燃料量份额介于浓空气燃料混合物44中的总空气流的5％和20％之间。在示例性实施例中，例如，总空气量的份额介于浓空气燃料混合物44中的0.5％和2％之间。在示例性实施例中，例如，总燃料的份额介于浓空气燃料混合物中的5％和15％之间。

图4示出热燃烧气体的温度与在该温度下产生热燃烧气体的点火空气燃料混合物的等值比之间的关系的图表。如图4所示，如果燃烧器12/燃烧器延伸器16内的热燃烧气体的温度超过排放物阈值温度76，则会产生NO_X排放物的不允许水平。如图4进一步示出，当点火空气燃料混合物的等值比位于等值比范围75内时，热燃烧气体的温度超过排放物阈值温度76。在示例性实施例中，等值比范围75的中心位于1等值比处，因为具有1等值比的空气燃料混合物的点火导致热燃烧气体的最大温度。

图4示出在燃烧器12的第一级21处点火的淡空气燃料混合物58的等值比70，其产生具有第一温度62的热燃烧气体60。如先前所讨论的，等值比70小于1，在一个示例中，可以为例如约0.6。图4示出等值比70位于等值比范围75之外，由此，热燃烧气体60的第一温度62小于排放物阈值温度76。图4还示出在燃烧器延伸器16内的第二燃烧级66处注入热燃料气体60中的浓空气燃料混合物44的等值比72。如先前所讨论的，在示例性实施例中，等值比72选择成位于3和10之间的范围内，在另一示例性实施例中，等值比72选择成位于例如3和5之间的范围内。在第二级66处将浓空气燃料混合物44注入热燃烧气体60中时，浓空气燃料混合物44与热燃烧气体60组合，并稍微稀释，由此，等值比72减小至组合的浓空气燃料混合物44和热燃烧气体60的等值比。热燃烧气体60的第一温度62超过浓空气燃料混合物44的自燃温度，使得浓空气燃料混合物44在热燃烧气体60内点火。如图4所示，组合的浓空气燃料混合物44和热燃烧气体60的等值比74足以将热燃烧气体60的第一温度提高至第二温度68。另外，如图4所示，如同等值比70，等值比74位于等值比范围75之外，由此，第二温度68小于排放物阈值温度76。在示例性实施例中，第一温度62是位于1300-1500℃范围内的温度，而第二温度是位于1500-1700℃范围内的温度，使得浓空气燃料混合物44的点火导致热燃烧气体60的温度69变化例如约200℃。

传统实践表明，浓混合物不能用在二次轴向级中，因为未燃的碳氢化合物可能进入排气装置中，所以在现有技术中，淡-淡燃烧气体用于燃气轮机发动机。然而，本发明人已认识到，当瞄准接近NO_X产生极限76的温度时，这种淡-淡布置倾向于产生比所期望的更多的NO_X。而且，发明人已认识到，为了接近靠近温度76的最终温度而不经受非期望范围75内的任何燃烧，优选地，将浓二次混合物而不是淡二次混合物注入热燃烧气体60中，因为二次混合物会与热燃烧气体60发生稀释和混合。如图4所示，二次混合物44在等值比72处注入，但是然后，其在等值比68处稀释并燃烧。然而，在稀释过程中，至少一些局部燃烧发生在注入混合物的周界处，当等值比以大部分基础逐渐减小时，局部燃烧过程发生在72和74之间的等值比处。为了在淡二次混合物情况下获得68最终温度，有必要在落入非期望范围75内的等值比处注入二次混合物，使得其稀释导致在范围75的淡侧和靠近76的温度处的大部分燃烧。然而，发明人已认识到，当大部分淡混合物稀释时，在非期望范围75内有至少一些局部燃烧，从而产生非期望NO_X气体。相应地，本发明利用浓二次混合物而不是淡二次混合物来获得期望温度68，从而使NO_X产生最少，并还出乎意料地使未燃的碳氢化合物排放物(因一次燃烧气体60的高温和高自由原子团含量产生)最少。

在浓空气燃料混合物44燃烧期间，第一温度62和热燃烧气体60的自由原子团使浓空气燃料混合物44燃烧，使得热燃烧气体60内的碳氢化合物水平维持在预定碳氢化合物极限内。另外，淡空气燃料混合物58在第一级21处的点火在热燃烧气体60中产生第一排放物程度，热燃烧气体60内的浓空气燃料混合物44的点火使第一程度增加到第二排放物程度，使得第二排放物程度位于预定排放物极限内。在示例性实施例中，例如，排放物是NO_X，热燃烧气体60中的NO_X的第一程度是35PPM，热燃烧气体60中的NO_X的第二程度是50PPM，其小于预定NO_X极限。

图5示出描绘燃气轮机发动机10中的轴向级燃烧的方法200的流程图。方法200在201开始，在202，在燃气轮机发动机10的筒环形燃烧器12的第一燃烧级21中混合淡空气燃料混合物58，其中，淡空气燃料混合物58具有等值比70，如图4所示。方法200还包括在204混合具有等值比72的浓空气燃料混合物44，如图4所示。方法200还包括在206处在第一燃烧级21处点火淡空气燃料混合物58以产生具有第一温度62的热燃烧气体60(图4)和自由原子团。方法200还包括在208在位于第一级21下游的筒环形燃烧器12的第二燃烧级66处将浓空气燃料混合物44注入热燃烧气体60中。方法200还包括在于211结束之前，在210处在第二燃烧级66处点火热燃烧气体60中的浓空气燃料混合物，使得热燃烧气体的第一温度62和自由原子团使浓空气燃料混合物44在预定碳氢化合物极限内燃烧，热燃烧气体的第一温度增加到第二温度68(图4)。另外，例如，方法500可以改变，以便执行点火步骤206，使得第一温度62位于预定NO_X产生阈值极限之下。另外，方法500可以改变，使得用于浓空气燃料混合物44的混合步骤204具有大于或等于3的等值比。另外，方法500可以改变，以包括利用热燃烧气体60的热量和其中的自由原子团来在点火步骤210期间点火浓空气燃料混合物44，使得浓空气燃料混合物44在预定碳氢排放物极限内燃烧，热燃烧气体的温度增加一阀值量到达仍位于NO_X产生阈值极限之下的温度。

尽管在本文中示出和描述了本发明的各实施例，但是应明白，这些实施例仅以示例方式提供。在不脱离本发明的情况下可以进行许多变型、改变和替代。相应地，本发明意在仅由所附权利要求书的精神和范围限定。