專利名稱：通過燃料分級的燃燒器排出溫度輪廓控制及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及燃?xì)鉁u輪機(jī)，并且更具體地涉及一種構(gòu)造成用于延遲燃料噴射來管理燃燒器排出溫度輪廓(或出口溫度輪廓)的筒型燃燒器。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)通常包括壓縮機(jī)、一個或多個燃燒器、燃料噴射系統(tǒng)以及多級渦輪區(qū)段。 通常，壓縮機(jī)使進(jìn)入空氣加壓，該進(jìn)入空氣然后轉(zhuǎn)向或反向流動至燃燒器，在燃燒器中，進(jìn)入空氣用于冷卻燃燒器，并且還向燃燒過程提供空氣。在一些多燃燒器渦輪中，燃燒器自身定位成圍繞渦輪轉(zhuǎn)子的圓形布置，通常稱為〃環(huán)筒〃陣列，并且過渡管道(duct)將燃燒氣體從各個燃燒器輸送至渦輪區(qū)段的第一級。更具體而言，在典型燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)造中，各燃燒器均包括固定到渦輪殼體上的大致圓柱形的燃燒器殼體。各燃燒器還包括流動套筒以及大致同心地布置在流動套筒內(nèi)的燃燒器襯套。流動套筒和燃燒器襯套兩者都在其下游或后端處的雙壁過渡管道和其上游或前端處的燃燒器襯套帽蓋組件之間延伸。過渡管道的外壁和流動套筒的一部分在其相應(yīng)表面的大部分上設(shè)有冷卻空氣供送開孔的布置，從而容許壓縮機(jī)空氣進(jìn)入過渡件內(nèi)壁與外壁之間以及燃燒器襯套與流動套筒之間的徑向空間，且反向流至燃燒器的上游部分，在其中，空氣流再次反向流過帽蓋組件并進(jìn)入燃燒器襯套內(nèi)的燃燒室中。干式低NOx(DLN)燃?xì)廨啓C(jī)通常使用雙燃料燃燒器，其具有液體和氣體兩種燃料的能力。一種常見的布置包括五個雙燃料噴嘴，其包繞中央雙燃料噴嘴，布置成將燃料和空氣供送至燃燒室。然而，在各種操作狀態(tài)下，以及為了獲得較高的效率，期望的是保持相對較高的燃燒氣體溫度來引入到渦輪第一級中。然而，將燃燒氣體溫度保持在期望的高水平通常將不利地影響經(jīng)受此種高溫的熱氣體通路構(gòu)件的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)第一示例性而非限制性的實(shí)施例，本發(fā)明提供了一種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其包括由燃燒室襯套限定的燃燒室，該襯套具有上游端蓋，其支承布置成用以將燃料供送至燃燒室的一個或多個噴嘴，在燃燒室中，燃料與從壓縮機(jī)供送的空氣相混合；連接在燃燒室襯套下游端與第一級渦輪噴嘴之間的過渡管道，該過渡管道將氣態(tài)燃燒產(chǎn)物供給至第一級渦輪噴嘴；以及一個或多個附加燃料噴射噴嘴，其布置在過渡管道后端處以便將用于燃燒的附加燃料和空氣在第一級渦輪噴嘴的上游引入該過渡管道中。根據(jù)另一示例性而非限制性的方面，提供了一種燃?xì)廨啓C(jī)，其包括壓縮機(jī)、布置成環(huán)形陣列的多個燃燒器，各燃燒器均具有布置成用以將燃料供給至燃燒室的一個或多個燃料噴嘴，各燃燒器均具有用于將燃料室連接到第一級渦輪噴嘴上的過渡管道；定位在過渡管道后端處的一個或多個附加燃料噴射噴嘴；以及布置成用以將燃料供給至各過渡管道的附加燃料噴射噴嘴的歧管。在又一示例性而非限制性的方面，提供了一種管理燃燒器排出溫度輪廓的方法，包括(a)使燃燒氣體從渦輪燃燒室經(jīng)由過渡管道流至第一級噴嘴，該過渡管道在一端附接到至少部分地限定燃燒室的燃燒器襯套上；(b)將一個或多個燃料噴射噴嘴布置在遠(yuǎn)離燃燒室的過渡管道的后端處；以及(C)向該一個或多個燃料噴射噴嘴供送足量的燃料以實(shí)現(xiàn)期望的燃燒器排出溫度輪廓。現(xiàn)在將結(jié)合下文標(biāo)示的附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明。


圖1為公知的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的局部截面圖；圖2為燃燒器過渡管道與渦輪第一級噴嘴之間界面(interface)的頂部透視和局部示意性視圖；圖3為燃燒器過渡管道排出端處的平均溫度輪廓和峰值溫度輪廓的圖表，該燃燒器并未如在本發(fā)明的示例性而非限制性實(shí)施例中那樣將附加燃料噴嘴結(jié)合到過渡管道中；圖4為類似于圖3的圖表，但示出了根據(jù)示例性而非限制性實(shí)施例的結(jié)合有附加噴嘴的過渡管道的平均溫度輪廓和峰值溫度輪廓；圖5為示出渦輪各種操作狀態(tài)的流程圖，表示根據(jù)本文所公開的示例性而非限制性實(shí)施例的延遲貧燃料噴射技術(shù)的定時；以及圖6為過渡管道和噴嘴導(dǎo)葉的示意性端視圖，示出了根據(jù)本文所述的示例性而非限制性實(shí)施例的關(guān)于管道壁和噴嘴導(dǎo)葉的峰值溫度區(qū)的位置。
具體實(shí)施例方式首先參看圖1，公知的燃?xì)廨啓C(jī)10 (部分地示出)包括壓縮機(jī)12 (也部分地示出)、 多個環(huán)筒型燃燒器14(示出了一個)，以及這里由單個噴嘴葉片16所代表的渦輪區(qū)段。盡管并未明確地示出，但渦輪沿公共軸線(即轉(zhuǎn)子軸線)傳動地連接到壓縮機(jī)12上。壓縮機(jī) 12使進(jìn)入空氣加壓，該進(jìn)入空氣然后反向流動至燃燒器14，在其中，空氣用于冷卻燃燒器且將其提供給燃燒過程。然而，將會認(rèn)識到的是，本發(fā)明不限于環(huán)筒型燃燒器。如上文所述，多個燃燒器14定位成圍繞燃?xì)廨啓C(jī)軸線的環(huán)形陣列。過渡管道18 將各燃燒器的后端與渦輪的入口端相連，以便將熱燃燒產(chǎn)物輸送至渦輪第一級。在各種燃燒器14中，借助于結(jié)合有聯(lián)焰管22(示出了一個)的火花啟動裝置以常用方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)燃。各燃燒器14均包括大致圓柱形的燃燒器殼體M，該殼體M借助于螺栓觀固定到渦輪殼體26上。燃燒器殼體的前端由端蓋組件30封閉，該端蓋組件30包括供送管、歧管和相關(guān)的閥，如本領(lǐng)域廣為所知的那樣用于將氣態(tài)燃料、液態(tài)燃料、空氣和水供送至燃燒器。端蓋組件30還支承多個(例如，三個至六個)〃外部"燃料噴嘴組件32 (出于方便和清楚的目的，圖1僅示出了一個)以及一個中央噴嘴(圖1中不可見)，其中，組件32以圓形陣列圍繞燃燒器的縱軸線布置。在燃燒器殼體M內(nèi)，以大致與其同心的關(guān)系安裝了大致圓柱形的流動套筒34，該套筒；34在其后端處連接到過渡管道18的外壁36上。流動套筒34在其前端借助于徑向凸緣35在對接接頭37處連接到燃燒器殼體M上，其中，燃燒器殼體M的前部區(qū)段和后部區(qū)段在對接接頭37處相連結(jié)。
在流動套筒34內(nèi)，存在同心地布置的燃燒器襯套38，其限定燃燒室39，且該燃燒器襯套38在其后端與過渡管道18的內(nèi)壁40相連。燃燒器襯套38的前端由燃燒器襯套帽蓋組件42支承，該帽蓋組件42繼而又由多個支柱(strut)和相關(guān)的安裝組件(并未詳細(xì)示出)支承在燃燒器殼體M內(nèi)。過渡管道18的外壁36和流動套筒34可設(shè)有孔口 44陣列，用以容許壓縮機(jī)排放空氣流過孔口 44并進(jìn)入流動套筒34與燃燒器襯套38之間的環(huán)形空間中，在其中，排放空氣反向朝燃燒器上游端流動(如由圖1中的流動箭頭所示)。這為廣為公知的布置，無需進(jìn)一步闡述。轉(zhuǎn)到圖2，更改的過渡管道20在管道的后端處附接到渦輪區(qū)段的第一級上，該后端由相對剛性的外周構(gòu)架部件46和大體上以48表示的附加附接器件(hardware)限定。過渡管道的構(gòu)架和附接器件是通常公知的，且并不形成本發(fā)明的部分。渦輪第一級噴嘴在圖2 中由多個第一級噴嘴導(dǎo)葉50，52和M表示，應(yīng)當(dāng)理解的是，噴嘴導(dǎo)葉以環(huán)形陣列布置在附接到渦輪轉(zhuǎn)子(未示出)的第一級葉輪上的葉片或輪葉附近。根據(jù)示例性而非限制性的實(shí)施例，兩個或多個延遲貧燃料噴射噴嘴56，58 (也簡單地稱為"燃料噴射噴嘴")安裝到過渡管道上，位于其鄰近附接器件48和剛性構(gòu)架46 的后端20處，并延伸穿過雙壁管道，即外壁36和內(nèi)壁40。燃料借助于歧管60和供送導(dǎo)管62供送至噴射噴嘴56，58，其中，供送導(dǎo)管62延伸至包繞環(huán)筒形燃燒器后端的另一歧管 (未示出)。因此，該包繞歧管將供給燃料至燃料噴射噴嘴56，58和與多個燃燒器過渡管道中的各個相關(guān)的分支入口 64，66?？蛇x且不限制本文所述發(fā)明的是，燃料噴射噴嘴56，58可具有敞開的上端68，70， 其分別將壓縮機(jī)排放空氣吸入噴嘴中以與由歧管60供送的燃料相混合。如果期望的話，內(nèi)部旋流器裝置72，74還可包括在噴嘴56，58內(nèi)，以便于空氣和燃料在噴射到過渡管道18中之前進(jìn)行混合。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會理解的是，噴射噴嘴56，58的敞開端68，70的尺寸將選擇為用以吸收期望量的空氣以便與燃料相混合，且隨后引入過渡管道中，大致垂直于管道內(nèi)的燃燒氣流?；旌衔锏狞c(diǎn)燃可由任何適合以及另外的常規(guī)方式實(shí)現(xiàn)。如還從圖2中清楚的那樣，燃料噴射噴嘴56，58定位成以便沿周向大致位于下游成對的渦輪第一級噴嘴導(dǎo)葉50，52與52，M之間，且處在過渡管道縱軸線的每一側(cè)上。因此，在所示的實(shí)施例中，噴射噴嘴56沿周向定位在噴嘴導(dǎo)葉50和52之間，而噴射噴嘴58 沿周向定位在噴嘴導(dǎo)葉52和M之間。在所示的實(shí)施例中，三個噴嘴導(dǎo)葉大致定位在過渡管道20的排出開口輪廓內(nèi)。對于其它渦輪應(yīng)用，過渡管道的出口輪廓內(nèi)可存在四個噴嘴導(dǎo)葉，且在此情況下，可存在三個延遲貧燃料噴射噴嘴，它們也沿周向安置在相應(yīng)的相鄰導(dǎo)葉對之間。通過將延遲貧燃料噴射噴嘴56，58定位在過渡管道18的后端處，且合適地對準(zhǔn)第一級噴嘴導(dǎo)葉50，52和M，在未將熱氣體通路燃燒器構(gòu)件暴露在峰值溫度下的情況下，燃燒器排出溫度的平均溫度輪廓可以保持或甚至增大。換言之，延遲貧燃料燃燒出現(xiàn)在燃燒室39的下游，該燃燒室39 —般處于高于過渡管道18后端的溫度。此外，由延遲貧燃料噴射燃燒產(chǎn)生的峰值溫度區(qū)定位成遠(yuǎn)離管道壁，且沿周向處在第一級噴嘴導(dǎo)葉之間，如在圖6 中以Pl和P2所示。有關(guān)保持溫度排出輪廓但卻延長熱氣體通路構(gòu)件的使用壽命的本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)還可從圖3和圖4的比較中看出。在圖3中，平均溫度輪廓和峰值溫度圖案并非完美地對稱，示出了所謂的冷條紋，其離由水平線76和78表示的過渡管道側(cè)壁的其中一側(cè)更近。 為了保持更為均勻的輪廓，供給至延遲貧燃料噴射噴嘴56，58的燃料可為不同(或有差別) 的，以便在特征為冷條紋的一側(cè)比管道另一側(cè)提供更多燃料。通過增加延遲貧燃料噴射器， 可使溫度輪廓更為均勻，且同時，溫度峰值圖案可轉(zhuǎn)移遠(yuǎn)離過渡管道的側(cè)壁，如圖4中所示。換言之，盡管平均排出溫度如在圖3與圖4之間那樣保持不變，但峰值溫度圖案設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)離過渡管道側(cè)壁76，78。換言之，峰值溫度可保持遠(yuǎn)離金屬零件，而進(jìn)入渦輪中的總體熱量可增大或調(diào)整成用以提供更均勻的排出溫度輪廓。這導(dǎo)致構(gòu)件的使用壽命更長和渦輪的輸出效率提高。圖5以流程圖形式示出了渦輪從啟動至全速至滿載的各種操作狀態(tài)。更具體而言，在啟動之后，渦輪進(jìn)入全速空載狀態(tài)，且隨后到達(dá)點(diǎn)火溫度(firing temperature)，該點(diǎn)火溫度一般由熱氣體通路構(gòu)件的耐用性限定。通過使用根據(jù)本文所述的實(shí)施例的延遲貧燃料噴射，渦輪點(diǎn)火溫度可增大而不會不利地影響熱氣體通路的耐用性，且可使渦輪進(jìn)入構(gòu)件耐用性可接受的全速滿載狀態(tài)。盡管已結(jié)合當(dāng)前認(rèn)作是最為實(shí)用和優(yōu)選的實(shí)施例來描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解， 本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施例，而相反的是旨在涵蓋包括在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的多種修改和同等布置。
權(quán)利要求
1.一種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器(10)，包括由燃燒器襯套(38)限定的燃燒室(39)，所述燃燒器襯套具有支承一個或多個噴嘴 (32)的上游端蓋(30)，所述噴嘴(3 布置成用以將燃料供給至所述燃燒室，在所述燃燒室中，所述燃料與從壓縮機(jī)(1 供送的空氣相混合；連接在所述燃燒室襯套的下游端與第一級渦輪噴嘴(50，52，54)之間的過渡管道 (20)，所述過渡管道將氣態(tài)燃燒產(chǎn)物供給至所述第一級渦輪噴嘴；以及一個或多個附加燃料噴射噴嘴(56，58)，其布置在所述過渡管道00)的后端，以便將用于燃燒的附加燃料和空氣在所述第一級渦輪噴嘴的上游引入所述過渡管道00)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于，所述一個或多個附加燃料噴射噴嘴(56，58)布置成用以沿大致垂直于所述過渡管道00)中的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物流的方向引入附加的燃料和空氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于，所述一個或多個附加燃料噴射噴嘴(56，58)包括布置在所述過渡管道00)縱軸線的每一側(cè)上的一對燃料噴射噴嘴。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于，所述一個或多個附加燃料噴射噴嘴(56，58)包括三個燃料噴射噴嘴。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于，所述一個或多個附加燃料噴射噴嘴(56，58)中的各個均構(gòu)造成用以從周圍的壓縮機(jī)排放空氣中吸收空氣來與供送至所述一個或多個附加燃料噴射噴嘴的燃料相混合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于，所述一個或多個附加燃料噴射噴嘴(56，58)定位成用以升高所述第一級噴嘴處的進(jìn)入溫度，但將較高的峰值溫度移動遠(yuǎn)離鄰近的渦輪熱氣體通路構(gòu)件的表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于，供給至所述一個或多個燃料噴射噴嘴(56，58)的燃料有差別地引入，以便將更多燃料供給至燃燒氣體溫度相對較冷的區(qū)域。
8.—種管理燃燒器排出溫度輪廓的方法，包括(a)使燃燒氣體從渦輪燃燒室(39)經(jīng)由過渡管道OO)流動至第一級噴嘴(50，52， ，所述過渡管道OO)在一端附接到至少部分地限定所述燃燒室(39)的燃燒器襯套(38)上；(b)將一個或多個燃料噴射噴嘴(56，58)布置在遠(yuǎn)離所述燃燒室(39)的所述過渡管道 (20)的后端處；以及(c)向所述燃料噴射噴嘴供送足量的燃料以實(shí)現(xiàn)期望的燃燒器排出溫度輪廓。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在步驟(c)期間，向所述燃料噴射噴嘴 (56,58)中的各個供送不同量的燃料。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，步驟(b)通過將所述一個或多個燃料噴射噴嘴(56，58)沿周向定位在鄰近的第一級噴嘴導(dǎo)葉(50，52，54)之間來進(jìn)行。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在步驟(c)期間，所述一個或多個燃料噴射噴嘴(56，58)中的各個均將壓縮機(jī)排放空氣吸入所述一個或多個燃料噴射噴嘴中。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述一個或多個附加燃料噴射噴嘴(56， 58)比至少部分地暴露在所述過渡管道OO)的排出開口輪廓內(nèi)的第一級噴嘴葉片(50，52，54)的數(shù)目少一個。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述一個或多個附加燃料噴射噴嘴(56， 58)布置成沿大致垂直于所述過渡管道00)中的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物流的方向引入附加燃料。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述一個或多個燃料噴射噴嘴包括至少兩個燃料噴射噴嘴(56，58)。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過燃料分級的燃燒器排出溫度輪廓控制及相關(guān)方法。具體而言，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器(10)包括由燃燒器襯套(38)限定的燃燒室(39)，燃燒器襯套具有支承一個或多個噴嘴(32)的上游端蓋(30)，噴嘴(32)布置成將燃料供給至燃燒室，在燃燒室中，燃料與從壓縮機(jī)供送的空氣相混合。過渡管道(20)連接在燃燒室襯套的下游端與第一級渦輪噴嘴(50，52，54)之間，過渡管道將氣態(tài)燃燒產(chǎn)物供送至所述第一級渦輪噴嘴。一個或多個附加的燃料噴射噴嘴(56，58)布置在過渡管道(20)的后端處，以便將用于燃燒的附加燃料和空氣在第一級渦輪噴嘴的上游引入過渡管道(20)中。
文檔編號F23D14/76GK102235670SQ20111009978
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月12日
發(fā)明者M·哈德利, R·J·基拉 申請人:通用電氣公司