CN101158476A - 用于减少燃气涡轮发动机排放的方法和设备 - Google Patents

用于减少燃气涡轮发动机排放的方法和设备 Download PDF

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Abstract

一种在燃气涡轮发动机(10)中减少排放的方法，其包括：在燃烧室(14)内用第一氧气源和第一燃料产生涡旋流；在燃烧室(14)内使用第一氧气源燃烧第一燃料以生成燃烧产物；用第二氧气源和第二燃料产生涡旋流且与燃烧产物混合；在燃烧室(14)内使用第二氧气源燃烧第二燃料以生成第二燃烧产物；和用第三氧气源和第三燃料产生涡旋流且与第二燃烧产物混合。

Description

用于减少燃气涡轮发动机排放的方法和设备
技术领域
本披露一般地涉及燃气涡轮发动机，且更特定地涉及用于燃气涡轮发动机的燃烧室。
背景技术
燃气涡轮发动机一般地包括安放在旋转轴上的压缩机和涡轮机、以及在压缩机和涡轮机之间的燃烧段(例如燃烧室)。燃烧段燃烧压缩的空气和液体和/或者气体燃料的混合物，以产生驱动旋转涡轮机的高能燃烧气体流。涡轮机旋转地驱动压缩机且提供输出动力。工业燃气涡轮机经常用于提供输出动力以驱动发电机或者马达。其他类型的燃气涡轮机可以用作例如飞行器发动机或者现场和辅助发电机。
全世界的空气污染关注已导致对燃气涡轮发动机的更严格的排放标准。这些标准规定氮的氧化物(NOx)(例如一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2))、未燃烧的碳氢化合物(UHC)和一氧化碳(CO)的排放，其作为燃气涡轮发动机操作的结果产生。一般地，由燃气涡轮发动机生成的NOx的数量与燃烧气体的氧气含量有关且典型地强烈地依赖于温度。因此火焰温度的减少能够显著地减少由热的NOx形成机制产生的NOx排放。
在燃气涡轮发动机中，已尝试通过应用稀预混燃烧或者水喷射的使用以降低火焰温度而减少排放，具体地，减少NOx排放。然而，燃气涡轮发动机的这些修改经常对操作性能水平具有相反的效果。
因此，存在对改进的燃气涡轮发动机以及在燃气涡轮发动机中减少排放的方法的连续需要。
发明内容
在此披露的为用于燃气涡轮发动机的燃烧室以及在燃气涡轮发动机中用于减少排放的方法。
在一个实施例中，用于燃气涡轮发动机的燃烧室包括壳体、和布置为与壳体物理连通的涡旋器组件。涡旋器组件包括具有多个第一叶片的第一级、具有多个第二叶片的第二级、以及具有多个第三叶片的第三级。第二级布置在第一级的下游，与其流体连通和物理连通。第三级布置在第二级的下游，与其流体连通和物理连通。燃料喷射器布置为与第一级流体连通；第二燃料喷射器布置为与第二级流体连通；且第三燃料喷射器布置为与第三级流体连通。
在一个实施例中，在燃气涡轮发动机中减少排放的方法包括在燃烧室内用第一氧气源和第一燃料产生涡旋流；在燃烧室内使用第一氧气源燃烧第一燃料以生成燃烧产物；用第二氧气源和第二燃料产生涡旋流且与燃烧产物混合；在燃烧室内使用第二氧气源燃烧第二燃料以生成第二燃烧产物；以及用第三氧气源和第三燃料产生涡旋流且与第二燃烧产物混合。
在一个实施例中，燃气涡轮发动机包括压缩机；布置在压缩机的下游且与其流体连通的燃烧室，和布置在燃烧室下游的涡轮机组件。燃烧室包括壳体、和布置为与壳体物理连通的涡旋器组件。涡旋器组件包括具有多个第一叶片的第一级、具有多个第二叶片的第二级、以及具有多个第三叶片的第三级。第二级布置在第一级的下游，与其流体连通和物理连通。第三级布置在第二级的下游，与其流体连通和物理连通。燃料喷射器布置为与第一级流体连通；第二燃料喷射器布置为与第二级流体连通；且第三燃料喷射器布置为与第三级流体连通。
上述和其他特征通过以下图和详细描述例示。
附图说明
参见示范性的图，其中在几个图中相同的元件标记相同；
图1为燃气涡轮发动机的实施例的示意性图示；
图2为包括三级叶片的涡旋器组件的实施例的截面图；和
图3为沿线3-3截取的图2的涡旋器组件的截面图的示意性图示。
具体实施方式
在此披露的为燃气涡轮发动机和在燃气涡轮发动机中用于减少排放的方法，例如NOx、未燃烧的碳氢化合物(UHC)、和一氧化碳(CO)。如将更详细地讨论，用于燃气涡轮发动机的燃烧室包括具有至少三级叶片的涡旋器组件。涡旋器组件能够适于在环形燃烧室、筒环形燃烧室等等中使用。与未采用涡旋器组件的燃烧室相比，采用在此披露的涡旋器组件的燃烧室降低排放且增加调节(turndown)和稳定性。
贯穿本披露使用的术语“涡旋器组件”一般地涉及能够产生湍流涡旋流的设备，其特征为附加的周向速度分量。涡旋器组件包括至少三级叶片。术语同轴地一般地用于描述共用公共轴线的两个或者更多的部件。此外，术语“分级的”一般地用于描述在至少两个部件之间的关系，其中部件沿轴线彼此间隔一距离。
在以下的描述中，术语“轴向的”广泛地涉及平行于燃气涡轮发动机的旋转部件围绕其旋转的轴线的方向。“上游”方向涉及局部流动来自的方向，而“下游”方向涉及局部流动行进的方向。因此，涡轮机的进口位于上游而出口在涡轮机的下游端。
现在参见图1，图示了一般标记为10的燃气涡轮发动机的实施例的示意性图示。燃气涡轮发动机10能够在移动应用(例如飞行器和坦克)和静止应用(例如电站)中采用。燃气涡轮发动机10包括压缩机12、燃烧室14、和涡轮机组件16。在一个实施例中，压缩机12位于燃烧室14的上游且与其流体连通，燃烧室14位于涡轮机组件16的上游且与其流体连通。换一种方式陈述，压缩机12与燃烧室14和涡轮机组件16串接流体连通。
燃烧室14能够为环形燃烧室、筒环形燃烧室等等。燃烧室14包括至少一个布置在壳体内的涡旋器组件，其中涡旋器组件包括至少三级叶片。燃烧室14燃烧压缩的空气(或者任何其他氧气源)和液体和/或者气体燃料的混合物，以产生驱动涡轮机组件16的高能燃烧气体流。而燃料的类型取决于应用而不同，燃料类型的几个例子包括但不限于，天然气、柴油、生物柴油、汽油、煤油、丙烷、甲烷、重组燃料、气化产物(例如氢气)等等。例如，能够使用整体煤气化联合循环(IGCC)以产生能够作为燃料源使用的氢气，其能够在相应的级引入。
需要理解的是，如本领域的技术人员理解的，燃气涡轮发动机10能够被修改，以包括在燃气涡轮发动机中典型地采用的不同的其他部件。而部件取决于应用而不同，示范性的附加部件包括但不限于，燃料喷射系统、涡扇、冲击管、阀、控制系统(例如计算机)等等。
现在参见图2，图示涡旋器组件18的一个实施例的截面图。涡旋器组件18包括叶片的第一级20、叶片的第二级22和第三级24。第一级20布置为与中心本体26物理连通。第一级20包括多个叶片30。叶片30的数量、形状和位置取决于应用而不同。例如，叶片30可以定位为相对于通过涡旋器组件18的中心的纵向轴线成一角度。在一个实施例中，叶片30可以定位为相对于纵向轴线大约40°-大约60°的角度。可选择地，一个或者多个叶片可以包括适合燃料分配和预混的孔。此外，用于引导燃料喷射的孔能够用于增加火焰稳定性。
第一级20布置在第二级22的上游且与其流体连通。另外，在一个实施例中，第一级20可以布置为与第二级22物理连通。例如，第二级22可以固定到第一级20，使得第二级22从第一级20径向向外延伸。在第一级20后的截面的突发的和/或者连续的增加能够用于稳定第一级20中的火焰。在一个实施例中，叶片的第二级22安装在截面增加后的更大的半径上。第二级22包括多个叶片32。叶片32的数量、形状等等能够与叶片30相同或者不同。在一个实施例中，叶片32可以定位为相对于通过涡旋器组件18的中心的纵向轴线成一角度。例如，叶片32可以定位为相对于纵向轴线大约40°-大约60°的角度。此外，叶片32可以定位为相对于由叶片30生成的涡旋产生相同或者相反的涡旋。
第二级22布置在第三级24的上游且与其流体连通。另外，在一个实施例中，第三级24可以布置为与第二级22物理连通。第三级24包括多个叶片34。叶片34的数量、形状和位置取决于应用而不同。在一个实施例中，第三级24的叶片34可以定位为相对于通过涡旋器组件18的中心的纵向轴线成一角度。例如，叶片34可以定位为相对于纵向轴线大约40°-大约60°的角度。叶片34可以定位为相对于由叶片30和/或者叶片32生成的涡旋产生相同或者相反的涡旋。
燃料喷射器28可以布置为与至少第一级20流体连通。在一个实施例中，燃料喷射器28布置为与第一级20、第二级22和/或者第三级24的每个流体连通。在其他实施例中，可以在每一级处采用分离的燃料喷射器，换句话说，燃料喷射器能够在第一级20、第二级22和第三级24的每个处采用。可以有利地注意到，通过在下游位置例如在第二级22和/或者第三级24处喷射燃料，每一级可以操作在不同的空气-燃料比。
在一个实施例中，通过将前一级的排气与下一级的燃料和空气混合物预混，级操作为具有增加的惰性气体浓度。通过空气-燃料比的合适选择，氧气浓度的减少和火焰温度的减少降低NOx形成的倾向。此外，叶片的轴向分级也有利地允许燃料、氧气、惰性气体和包括前述的至少一个的组合在相应级引入。燃料能够选择地馈给到一个或者多个级，以获得希望的排放和调节能力。例如计算机的处理装置可以用于确定燃料是否应该停止供应给相应级。处理器能够与任何控制流体流动的适当装置可操作的连通。在一个实施例中，控制流体流动的装置为阀，其布置为与相应级、燃料源和处理器可操作的连通。
现在参见图3，图示沿线3-3截取的涡旋器组件18的截面图的示意性图示。相应级20、22和24的每个示意性地图示为方块形构造，以突出级的位置关系、涡旋器组件的操作模式和涡旋器组件18的不同的可选的实施例。第一级20布置为与第一氧气源36和第一燃料源38流体连通。尽管图示为两个分离的流，需要理解的是，第一氧气源36和第一燃料源38能够预混并作为单个流引入到第一级20。第一氧气源36包括任何适合燃烧的氧气源，包括但不限于空气和压缩氧气。用于第一燃料源38的适当的燃料包括但不限于上文关于燃气涡轮发动机10列举的这些燃料。第一级20布置在第二级22的足够距离的上游，使得燃烧区40的热燃烧产物和中间产物在第二级22处预热空气和/或者燃料。
在一个实施例中，第一级20能够接近稀熄火(LBO)操作，从而降低NOx排放。能够采用附加的燃料39，以在第一级20维持引导火焰。此外，第一级20起产生燃料和氧气源的涡旋的作用，图示为涡旋运动19。在操作的一个模式中，包括燃料和氧气源的涡旋19在第一燃烧区40燃烧。
第二级22布置为与第二氧气源42和/或者第二燃料源44流体连通。第二氧气源42能够与第一氧气源36相同或者不同。类似地，第二燃料源44能够与第一燃料源38相同或者不同。第二级22起产生涡旋46的作用。涡旋流46能够包括氧气和/或者燃料，其能够与来自燃烧区40的燃烧产物和中间产物混合。需要理解的是，未在燃烧区40中燃烧的燃料等等也可以与涡旋流46混合。在一个操作模式中，涡旋46包括来自第二燃料源44的燃料，其在第二燃烧区48中燃烧。如图示，第二燃烧区48和第一燃烧区40可以重叠。同样，来自第一燃烧区40的热能可以用于传递热到第二燃烧区48。不想受理论限制，该热传递有利地允许第二燃烧区48无火焰地操作，其有时称为无火焰氧化或者温和燃烧。
第三级24布置为与第三氧气源50和/或者第三燃料源52流体连通。第三级氧气源50能够与第一氧气源36或者第二氧气源42相同或者不同。类似地，第三燃料源52能够与第一燃料源38或者第二燃料源44相同或者不同。第三级24起产生涡旋54的作用。涡旋54能够包括氧气和/或者燃料，其能够与来自第二燃烧区48的燃烧产物混合。同样，需要理解的是，在第二燃烧区48未燃烧的燃料等也可以与涡旋流54混合。在一个操作模式中，涡旋流54包括来自第三燃料源52的燃料，其在第三燃烧区56中燃烧。如图示，第二燃烧区48和第三燃烧区56可以重叠。来自第二燃烧区48的热能可以用于传递热到第三燃烧区56。
在其他实施例中，惰性气体(例如氮气)能够在第二级22和第三级24处引入。此外，能够在第一级20的下游增加附加的空气以协助一氧化碳(CO)燃尽。在操作的其它实施例中，燃烧室14能够操作为富-熄火-稀燃烧室。更具体地，第一燃烧室能够操作为富燃料。第二级22提供级，其中空气被引入以熄灭燃烧室。第三级24能够以稀模式操作。该富-熄火-稀操作模式能够导致NOx排放的减少。
需要理解的是，涡旋器组件18能够包括附加的叶片级。这些级相对于第一级20、第二级22和第三级24的定位取决于应用而不同。另外，尽管第二级22和第三级图示为相对于第一级平行，需要理解的是，可以想像其他的实施例，其中第二级22和第三级24布置在相对于第二级20和/或者彼此成一角度处。
另外，为了便于讨论，尽管燃烧室已披露为包括单个涡旋器组件，需要理解的是，燃烧室能够包括几个涡旋器组件。涡旋器组件的布置取决于应用而不同。例如，在筒环形布置中，每个“筒”包括至少一个涡旋器。当采用多涡旋器组件时，涡旋器组件也可以分级。
有利地，与未采用该组合的燃烧室相比，轴向分级与涡旋组合以燃烧燃料导致更低的排放和增加的调节和稳定性特性。例如，由于燃料能够在连续的级中被“切断”，轴向分级允许调节能力。通过在连续的级中不供应燃料，燃烧室能够在较低负荷条件下操作。
另外，叶片的轴向分级导致用于下游级的空气的预热，其能够导致无火焰氧化或者温和燃烧。此外，作为空气的预热的结果，与上游级相比，在下游级中的较稀条件下，也能够实现火焰稳定化。较稀操作与增加的NOx排放减少量相关。此外，分级能够用于减少壁熄火且提高CO燃尽。与未采用轴向分级和涡旋组合的系统相比，其他的优势包括燃烧室尺寸的减少。
尽管本披露已参考示范性的实施例描述，本领域的技术人员需要理解的是，可以进行不同的改变且可以用等价物替代它的元件而不偏离本披露的范围。此外，可以进行许多修改以使特定的情况或者材料适合本披露的教示，而不偏离它的本质范围。因此，本披露并不意味着限于为实现本披露考虑的作为最佳模式披露的特定实施例，但是本披露将包括属于附上的权利要求书的范围的所有实施例。
零件列表
燃气涡轮发动机10
压缩机12
燃烧室14
涡轮机组件16
涡旋器组件18
涡旋19
第一涡旋器20
第二涡旋器22
第三涡旋器24
中心本体26
燃料喷射器28
叶片30
叶片32
叶片34
氧气源36
燃料源38
附加燃料39
燃烧区40
氧气源42
燃料源44
涡旋46
燃烧区48
氧气源50
燃料源52
涡旋54
燃烧区56

Claims (10)

1.一种在燃气涡轮发动机(10)中减少排放的方法，该方法包括：
在燃烧室(14)内用第一氧气源和第一燃料产生涡旋流；
在燃烧室(14)内使用第一氧气源燃烧第一燃料以生成燃烧产物；
用第二氧气源和第二燃料产生涡旋流且与该燃烧产物混合；
在燃烧室(14)内使用第二氧气源燃烧第二燃料以生成第二燃烧产物；和
用第三氧气源和第三燃料产生涡旋流且与该第二燃烧产物混合。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
使用布置在燃烧室(14)内的涡旋器组件的第一级(20)，以产生第一氧气源和第一燃料的涡旋，其中第一级(20)包括第一多个叶片(30)；
使用涡旋器组件的第二级(22)，以产生第二氧气源和第二燃料的涡旋，其中第二级(22)布置在第一级(20)的下游且与其流体连通，且其中第二级(22)包括第二多个叶片(32)；和
使用涡旋器组件的第三级(24)，以产生第三氧气源和第三燃料的涡旋，其中第三级(24)布置在第二级(22)的下游且与其流体连通，且其中第三级(24)包括第三多个叶片(34)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中第一级(20)、第二级(22)和第三级(24)同轴地对准。
4.根据权利要求2所述的方法，其中第一叶片(30)、第二叶片(32)和第三叶片(34)定位为相对于通过涡旋器组件的中心的纵向轴线成一角度。
5.根据权利要求2所述的方法，其中第二级(22)布置为与第一级(20)和第三级(24)物理连通。
6.根据权利要求2所述的方法，进一步包括控制向第二级(22)的第二燃料流动。
7.一种用于燃气涡轮发动机(10)的燃烧室，其包括：
壳体；
布置为与壳体物理连通的涡旋器组件(18)，其中涡旋器组件(18)包括：
具有多个第一叶片(30)的第一级(20)；
具有多个第二叶片(32)的第二级(22)，其中第二级(22)布置在第一级(20)的下游，与其流体连通和物理连通；和
具有多个第三叶片(34)的第三级(24)，其中第三级(24)布置在第二级(22)的下游，与其流体连通和物理连通；和
布置为与第一级(20)流体连通的燃料喷射器、布置为与第二级(22)流体连通的第二燃料喷射器、和布置为与第三级(24)流体连通的第三燃料喷射器。
8.根据权利要求7所述的燃烧室，其中第一级(20)、第二级(22)和第三级(24)同轴地对准。
9.根据权利要求7所述的燃烧室，其中第一叶片(30)、第二叶片(32)和第三叶片(34)定位为相对于通过涡旋器组件(18)的中心的纵向轴线成一角度。
10.根据权利要求7所述的燃烧室，其中燃烧室(14)为环形燃烧室或者筒环形燃烧室。
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