CN101105293A - 有助于减少涡轮发动机中NOx排放物的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

燃烧器衬套包括含有多个在圆周方向上延伸的板的环状壳体，其中多个在圆周方向上延伸的板包括布置在壳体上游端的第一板以及布置在第一板的下游并与其相邻的第二板，多个形成在第一板(82)中的主稀释孔(98)，和多个形成在第二板(86)中的辅助稀释孔(100)，稀释孔设置为以使稀释空气流入壳体中。

Description

有助于减少涡轮发动机中NOx排放物的方法和装置
技术领域
本发明主要涉及燃气涡轮发动机，尤其涉及促使涡轮发动机减少NOX排放物的方法和系统。
背景技术
至少某些已知的在燃气涡轮发动机上使用的燃烧器会在燃烧过程中生成作为副产品的NOX排放物。通常，产生NOX排放物的原因有两点。第一，燃烧器内产生的高燃烧温度促进了NOX排放物的产生和排出。第二，增大的滞留时间或是燃料和空气在燃烧器内混合所需要的时间也促进了NOX排放物的增加。
为有助于降低燃烧器的温度和减少滞留时间，至少某些已知的燃烧器包含有在燃烧器衬套上形成的稀释孔。特别地，稀释孔的位置布置为使得稀释空气流入燃烧室以提高燃油和空气在燃烧器中的混合速率。此外，稀释空气在维持理想的燃烧水平的同时有助于降低燃烧温度。
一般地，由于燃烧器衬套内部稀释孔的定位和/或定向，至少某些已知的符合国际民航组织(ICAO)航空环境保护委员会(CAEP)所规定的现有标准的燃烧器，也许并不满足更严格的标准。例如，至少某些已知的能满足当前CAEP标准(从2003年12月31日起生效)的发动机，可能不满足将从2007年12月31日起生效的将来CAEP标准。具体地，至少某些已知的发动机包括仅仅布置在燃烧器下游端的稀释孔。尽管如此，在这样的燃烧器内，稀释空气并不能有助于在可能产生NOX排放物的燃烧室前端的滞留时间的减少和燃烧温度的降低。
发明内容
一方面，提供了一种制造用于燃气涡轮发动机的燃烧器衬套的方法。该方法包括提供具有多个在圆周方向上延伸的板的环状壳体。多个在圆周方向上延伸的板包括布置在壳体上游端的第一板以及布置在第一板的下游并与其相邻的第二板。该方法还包括在第一板上形成多个主稀释孔和在第二板上形成多个辅助稀释孔。设置这些稀释孔以使稀释空气流入壳体。
另一方面，提供了一种燃烧器衬套。该燃烧器衬套包括具有多个在圆周方向上延伸的板的环状壳体。多个在圆周方向上延伸的板包括布置在壳体上游端的第一板以及布置在第一板的下游并与其相邻的第二板。燃烧器衬套还包括形成在第一板上的多个主稀释孔，以及形成在第二板上的多个辅助稀释孔。设置这些稀释孔以使稀释空气流入壳体。
更进一步的，提供了一种燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机包括压缩机以及具有燃烧器衬套的燃烧器，该燃烧器衬套包括具有多个在圆周方向上延伸的板的环状壳体。多个在圆周方向上延伸的板包括布置在壳体上游端的第一板以及布置在第一板的下游并与其相邻的第二板。燃烧器衬套还包括形成在第一板上的多个主稀释孔，以及形成在第二板上的多个辅助稀释孔。设置这些稀释孔以使稀释空气从压缩机流入燃烧器。将这些稀释孔进一步设置得可帮助减少燃气涡轮发动机中的NOX排放物。
附图说明
图1是示例的燃气涡轮发动机示意图；
图2是可以用于图1所示的示例燃气涡轮发动机的示例的燃烧器截面示意图；以及
图3是可以用于图2所示的燃烧器的示例燃烧器衬套的透视图；
图4是可以用于图2所示的燃烧器的另一示例燃烧器衬套的透视图。
具体实施方式
图1是一示例燃气涡轮发动机10的示意图。发动机10包括低压压缩机12，高压压缩机14，以及燃烧器组件16。发动机10还包括高压涡轮18，以及以串联的、轴流关系排列的低压涡轮20。压缩机12和涡轮20通过第一轴21接合，压缩机14和涡轮18通过第二轴22接合。在示例的实施例中，燃气涡轮发动机10是可以从俄亥俄州辛辛那提通用电气公司获得的CFM56燃气涡轮发动机或CF34-10。
图2是可以用于燃气涡轮发动机10(如图1所示)的示例燃烧器16的截面示意图。燃烧器16包括配置在外燃烧器壳56和内燃烧器壳58之间的外衬套52和内衬套54。外和内衬套52和54径向彼此间隔开以在它们之间限定出燃烧室60。外衬套52和外壳56在它们之间形成外部通道62，内衬套54和内壳58在它们之间形成内部通道64。整流罩组件66分别接合到外衬套和内衬套52和54的上游端。环状开口68通往在整流罩组件66上形成的开口从而使得压缩空气基本沿着箭头A指示的方向进入燃烧器16。压缩空气流过环状开口68以支持燃烧以及帮助冷却衬套52和54。
环状圆顶板70在外和内衬套52和54的上游端附近在两者之间延伸，并与它们相接合。多个圆周方向间隔开的旋流器组件72与圆顶板70接合。每个旋流器组件72接收来自开口68的压缩空气以及来自相应燃料管74的燃料。燃料和空气通过旋流器组件72形成涡旋流并混合在一起，获得的燃料/空气混合物流入到燃烧室60。燃烧器16包括从燃烧器16的前端76向后端78延伸的纵向轴线75。在本实施例中，燃烧器16为单个环状燃烧器。可选择地，燃烧器16可以是其它任何燃烧器，包括，但不局限于双环状燃烧器。
外和内衬套52和54每个都包括多个重叠板80。在本示例实施例中，外衬套52包括5个板80，内衬套54包括4个板80。在另一替代实施例中，外和内衬套52和54两者各自都可以包括有任何数目的板80。板80在燃烧器16内部限定出燃烧室60。具体地，在本示例实施例中，布置在上游的一对第一板82限定出主燃烧区域84，布置在第一板82的下游的一对第二板86限定出中间燃烧区域88，以及布置在第二板86的下游的一对第三板90和布置在第三板90的下游的一对第四板92限定出下游稀释燃烧区域94。
稀释空气通过延伸穿过各个外和内衬套52和54的圆周方向间隔开的多个稀释孔96首先引进燃烧室60。在本实施例中，每个稀释孔96大体上呈圆形。在另一替代实施例中，稀释孔96可以具有有助于减少NOX排放物的任何形状，正如这里所描述的那样。在这一实施例中，稀释孔96以围绕衬套52和54圆周所限定的在圆周方向延伸的行而布置。将稀释孔96的最前部带98称为主稀释孔。在本实施例中，在第一板82内限定的主稀释孔98定向为使稀释空气流入主燃烧区域84。还是在本实施例中，在第二板86的下游端101形成的辅助稀释孔100的第一行定向为使稀释空气流入中间燃烧区域88。
在该组装好的燃烧器中，每个主稀释孔96与每个圆周方向间隔开的喷射点充分对齐，喷射点由每个燃料喷射器74和旋流器72的中心限定。在运行过程中，燃气流通过喷射点可能会造成局部增高的材料温度的“过热条纹”。因为燃烧器内旋流器72引起的气流的涡旋，这样的条纹不是严格纵向的；而是这些条纹在沿着燃烧器16长度方向观察时沿圆周方向是大致弯曲的。稀释孔96的定向，以及特别地，因为至少一个主稀释孔98与每个喷射点充分对齐，因此有助于减少热条纹，以及更特别地，减少燃烧器16内的NOX排放物。而且，辅助稀释孔100相对于主稀释孔98的布置也有助于减少NOX排放物。特别地，主稀释孔98和辅助稀释孔100有助于燃料和空气的快速混合，使得燃烧的滞留时间减少，以及同样地，燃烧器16各处的燃烧温度减小。同样地，NOX排放物、烟尘、以及燃烧器排气温度都容易降低。特别地，主稀释孔98和辅助稀释孔100可以使NOX排放物降低差不多20-25％。而且，稀释孔98和辅助稀释孔100和102有助于运行燃烧器使得响应于增强的燃烧具有基本线性的温度变化，以致于NOX排放物进一步降低并且有助于增强涡轮发动机的寿命。
图3示出了可以与燃烧器16一起使用的示例的燃烧器衬套。特别地，在图3中，更详细示出了在外衬套52内限定出的稀释孔96。尽管图3描述了外衬套52内的稀释孔96，很清楚内衬套54内的稀释孔96的结构可以与外衬套52上的稀释孔96基本相同。同样地，下面的描述也可适用于内衬套54。图3也包括一个标记有X，Y和Z的坐标系，其中X表示沿着燃烧器16的纵向轴(如箭头B所示)向下游延伸的轴向距离，Y表示圆周方向，Z表示径向。在本实施例中，稀释孔96以圆周方向延伸的行的形式排列。更特别地，在本实施例中，一行主稀释孔98在第一板82内形成，以及一行辅助稀释孔100在第二板86内形成。而且，在本实施例中，在每行主稀释孔98内的至少一个稀释孔96，以及在该行第二稀释孔100内的至少一个稀释孔96与每个旋流器72的纵向轴线140充分对齐。
主稀释孔98包括第一组稀释孔150和第二组稀释孔152。在本实施例中，第一组稀释孔150的每一个都具有充分大于第二组稀释孔152的每一个的直径D2的直径D1。而且，在本实施例中，第一组稀释孔150中的每个稀释孔96限定在第二组稀释孔152内的相邻稀释孔96之间。另外，在本实施例中，辅助稀释孔100包括多个均匀间隔开的并具有小于直径D1和D2的直径D3的稀释孔96。此外，稀释孔100被从第三板90间隔开距离D4以及从主稀释孔98间隔开距离D5。在本实施例中，距离D4大概为直径D3的一半，以及距离D5大概等于直径D3的2-4倍。
在本实施例中，D1大约为0.398±0.005英寸，D2大约为0.312±0.005英寸，以及D3大约为0.297±0.005英寸。在可选实施例中，每个稀释孔96形成具有有助于减少NOX排放物的任何合适的尺寸。另外，在可选实施例中，每个稀释孔96形成在有助于达到减少NOX排放物的任何合适的定位和定向。
衬套52也包括形成在第二板86和第三板90内的多个冷却孔160。冷却孔160有助于冷却衬套52。在本实施例中，第二板86包括限定在稀释孔96之间的一组二十个的冷却孔160，第三板90包括一组三十四个的冷却孔160。尽管在第二板86和第三板90的每一个内仅仅示出了一组冷却孔160，很清楚各组冷却孔160围绕第二板86和第三板90在圆周方向间隔开。同样，在本实施例中，第二板86包括限定在邻近稀释孔96之间的总数为四百个的冷却孔160，第三板90包括围绕第四板92在圆周方向间隔开的总数为六百八十个的冷却孔160。可选择的，第二板86和第三板90可以包括有助于冷却衬套52的任何数量的冷却孔160。而且，在本实施例中，冷却孔160的直径D6大约为0.025英寸。在可选实施例中，直径D6可以是有助于冷却衬套52的任何尺寸。
图4示出了外衬套52的一个可选实施例。特别地，在图4中，冷却孔160沿着第二板86的上游边缘170布置。尽管图4描述了外衬套52内的冷却孔160，很清楚内衬套54的冷却孔160的结构可以和外衬套52的冷却孔的相同。同样，下面的描述也将适用于内衬套54。在本实施例中，冷却孔160排列成三组。特别地，第一组172的每个冷却孔160的直径为D7，第二组174的每个冷却孔160的直径为D8，以及第三组176的每个冷却孔的直径为D9。直径D8大于直径D9，直径D7大于直径D8和D9。在本实施例中，第二板86包括多个第一组172、第二组174和第三组176中的每一个。在本实施例中，在发动机运行中第二板86经受热点的任何位置处，每个第一组172沿着第二板上游边缘170布置，以及在第二板86的与具有组172的位置相比具有相对低温的任何位置处，每个第三组176沿着第二板上游边缘170布置。此外，在第二板86的与具有组172和176的位置相比具有中间温度的任何位置处，每个第二组174沿着第二板上游边缘170布置。
上面所述的主稀释孔和辅助稀释孔有助于减少燃烧的滞留时间，并在燃烧器各处提供一个低的燃烧温度。同样，在燃烧器内产生的NOX排放物、烟尘、以及燃烧器排气温度都容易降低。而且，稀释孔的定位和定向有助于燃烧器运行使得响应于增强的燃烧具有基本线性的温度变化。燃烧器的线性温度变化有助于减少NOX排放物以及增强涡轮发动机的寿命。特别地，上面所述的稀释孔可能减少达20-25％的NOX排放物，这样，上述的方法和装置有助于发动机在CAEP所规定的要求内运行。
在本实施例中，提供了一种制造燃气涡轮发动机燃烧器衬套的方法。该方法包括提供包括有多个在圆周方向延伸的板的环状壳体。多个在圆周方向延伸的板包括布置在壳体上游端的第一板以及布置在第一板的下游并与其相相邻的第二板。该方法还包括在第一板内形成多个主稀释孔以及在第二板内形成多个辅助稀释孔。稀释孔设置为使稀释空气流入壳体。
当在此使用时，以单数阐述以及通过用词“一”或“一个”来修饰的要素或步骤应该理解为不排除复数个该要素和步骤，除非这样的排除很明确地叙述了。而且，对本发明的“一个实施例”的引用不应解释为排除同样包括所叙述特征的其它实施例的存在。
尽管在此描述的装置和方法是在一个燃气涡轮发动机燃烧器衬套内定位稀释孔的上下文中描述的，很清楚，该装置和方法不局限于燃气涡轮发动机，燃烧器衬套，或稀释孔。同样地，图示的燃气涡轮发动机和燃烧器衬套部件不局限于在此描述的具体实施例，而是，燃气涡轮发动机和燃烧器衬套的部件是能独立使用并能从在此描述的部件分离出来使用的。
虽然本发明已经在不同的特定实施例方面作了描述，然而本领域技术人员可以认识到可以通过在权利要求的精神和范围内作出的改变来实施本发明。
附图标记
10燃气涡轮发动机
12低压压缩机
14高压压缩机
16燃烧器
18高压涡轮
20低压涡轮
21第一轴
22第二轴
52外衬套
54内衬套
56外壳
58内壳
60燃烧室
62外部通道
64内部通道
66整流罩装置
68开口
70圆顶板
72旋流器组件
74燃料喷射器
75纵向轴线
76前端
78后端
80板
82第一板
84主燃烧区域
86第二板
88中间燃烧区域
90第三板
92第四板
94下游稀释燃烧区域
96稀释孔
98主稀释孔
100辅助稀释孔
101下游端
102稀释孔
140纵向轴线
150稀释孔组
152稀释孔组
160冷却孔组
170第二板上游边缘
172第一组
174第二组
176第三组。

Claims (10)

1.一种燃烧器衬套，包括：
包括多个在圆周方向上延伸的板的环状壳体，其中所述多个在圆周方向上延伸的板包括布置在所述壳体上游端的第一板以及布置在所述第一板的下游并与其相邻的第二板；
形成在所述第一板(82)内的多个主稀释孔(98)；以及
形成在所述第二板(86)内的多个辅助稀释孔(100)，所述稀释孔设置为使稀释空气流入所述壳体中。
2.如权利要求1所述的燃烧器衬套，其中所述辅助稀释孔(100)与所述主稀释孔(98)间隔一段距离布置，所述距离在所述辅助稀释孔直径的两倍至所述辅助稀释孔直径的四倍范围内。
3.如权利要求1所述的燃烧器衬套，其中所述主稀释孔(98)包括有第一组稀释孔(150)和第二组稀释孔(152)，所述第一组的直径大于所述第二组的直径，所述第一组的每个稀释孔布置在所述第二组的相邻稀释孔之间。
4.如权利要求1所述的燃烧器衬套，其中所述主稀释孔(98)的直径大于所述辅助稀释孔(100)的直径。
5.如权利要求1所述的燃烧器衬套，其中所述辅助稀释孔(100)布置为与第二板(86)下游的第三板(90)相间隔一段距离，所述距离为所述辅助稀释孔的直径的一半。
6.如权利要求1所述的燃烧器衬套，其中辅助稀释孔(100)与设置为将燃料/空气混合物排入壳体中的旋流器相对齐。
7.如权利要求1所述的燃烧器衬套，其中所述稀释孔(98，100)有助于减少燃气涡轮发动机(10)内的NOX排放物。
8.一种燃气涡轮发动机(10)，包括：
压缩机(12，14)；和
包括燃烧器衬套的燃烧器(16)，该燃烧器衬套包括：
包括多个在圆周方向上延伸的板(80)的环状壳体，其中所述多个
在圆周方向上延伸板的包括布置在所述壳体上游端的第一板(82)以及
布置在所述第一板的下游并与其相邻的第二板(86)；
形成在所述第一板内的多个主稀释孔(98)；和
形成在所述第二板内的多个辅助稀释孔(100)，所述稀释孔设置为
使稀释空气从所述压缩机流入到所述燃烧器，所述稀释孔进一步设置为
促进减少在所述燃气涡轮发动机内的NOX排放物。
9.如权利要求8所述的燃气涡轮发动机(10)，其中所述辅助稀释孔(100)布置为与所述主稀释孔(98)间隔一段距离，所述距离在所述辅助稀释孔直径的两倍至所述辅助稀释孔直径的四倍范围内。
10.如权利要求8所述的燃气涡轮发动机(10)，其中所述主稀释孔(100)包括第一组稀释孔(150)和第二组稀释孔(152)，所述第一组的直径大于第二组的直径，所述第一组的每个稀释孔布置在所述第二组的相邻稀释孔之间。
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