CN101368739B - 燃气涡轮发动机内的燃料的燃烧方法和装置 - Google Patents

Abstract

燃气涡轮发动机内的燃料的燃烧方法和装置：提供用于将流体引导到燃烧室组件中的喷嘴(18)。喷嘴(18)包括：包含中心线的主体(406)；沿着中心线延伸穿过主体的第一通道；以及连接到第一通道的下游端的喷嘴头(500)，喷嘴头具有从喷嘴头的中心延伸到喷嘴头的外表面的半径，喷嘴头(500)包括：下游面；以及多个出口通道，每个出口通道包括限定在下游面中的开口，其中，每个开口包括相对于切线、半径和中心线限定的相应的X轴、Y轴和Z轴，多个出口通道的每一个处在大于30°的出口角，出口角相对于相应X-Z平面中的相应Z轴测得。

Description

燃气涡轮发动机内的燃料的燃烧方法和装置

技术领域

本发明总体涉及燃气涡轮发动机，且更具体地，涉及一种燃气涡轮发动机的燃烧系统。

背景技术

在至少一些已知的燃气涡轮发动机燃烧系统中，为了便于降低贫油熄火或者在环境具有低燃料空气比时引起的熄火的可能性，使用扩散燃料起动涡轮机运转。根据涡轮机，通过燃料喷嘴喷射的扩散燃料可在燃料喷射嘴的下游变得集中。增大的扩散燃料的浓度可能不理想地增大燃料喷射嘴下游的富燃燃料/空气比，使得燃料/空气比增大超过设计上限。这种富燃环境可超过富燃熄火(RBO)界限，致使扩散燃料的火焰熄灭。更具体地，大多数已知的富燃熄火出现在涡轮机启动期间涡轮转速的大约80％处。

一些已知的燃烧系统通过在涡轮机获得最高运转速度之前降低扩散燃料的流量和喷射预混空气的燃料来补偿富燃环境。在涡轮机达到全速之前喷射预混燃料的涡轮机启动例如被称作“贫-贫启动(lean-lean start)”。然而，因为预混燃料火焰比扩散燃料火焰更不稳定，为了便于使火焰稳定，相比于扩散燃料火焰，必须为预混燃料火焰提供更多的燃料。例如，在一些已知的系统中，喷射到燃烧室中的总燃料的大约50％或更多是通过燃烧室内的多个喷嘴之一喷射的预混燃料。

在至少一些已知的燃烧室中，贫-贫启动可增加预混燃料火焰附近的局部衬套壁温度。通常出现这种温度上的增加，因为与提供给燃烧室内的其它喷嘴的燃料量相比，不成比例的预混燃料量被提供给燃料喷嘴之一。此外，这种温度的增加可过早地磨损火焰周围的燃烧室硬件，例如燃烧室衬套和/或过渡件。因此，这样的燃烧室硬件可能比在启动燃烧温度维持在较低温度的情况被更频繁地替换。为了补偿较高温度，一些已知的燃烧室包含了更耐受热磨损的部件。与具有不包含耐热部件的燃烧室的发动机相比，这样的部件可增加发动机的成本和/或重量。

发明内容

在一方面，提供一种操作包含燃烧室组件的燃气涡轮发动机的方法。所述方法包括：引导第一流体经过第一喷嘴进入燃烧室组件中；点燃第一喷嘴下游的燃烧室组件内的第一流体；当燃气涡轮发动机达到大于额定转速的85％的速度时，引导第二流体经过第二喷嘴进入燃烧组件中；点燃第二喷嘴下游的燃烧室组件内的第二流体；终止第一流体经过第一喷嘴的流动，将第二流体引导至第一喷嘴。

在另一方面，提供一种将流体引导到燃烧室组件中的喷嘴。所述喷嘴包括：包含中心线的主体；沿着所述中心线延伸穿过所述主体的第一通道；以及，连接到所述第一通道的下游端的喷嘴头。所述喷嘴头具有从喷嘴头的中心延伸到喷嘴头的外表面的半径。所述喷嘴头包括下游面和多个出口通道，每个出口通道包括限定在所述下游面中的开口。每个开口包括相对于由该半径限定的圆的切线、半径和中心线限定的相应的X轴、Y轴和Z轴。多个出口通道的每一个沿着它的相应的线F定向，且处在大于30°的出口角(discharge angle)，所述出口角由该相应的线F在相应的X-Z平面中的投影相对于相应的Z轴测得。

在又一方面，提供一种供燃气涡轮发动机使用的燃烧室组件。系统包括连接到燃烧室组件的多个第一喷嘴。第一喷嘴的每一个包括喷嘴头，喷嘴头具有连接到第一燃料源的多个出口通道。第一喷嘴的每一个还包括连接到第二燃料源的多个第一叶片通道。系统还包括连接到燃烧室组件的第二喷嘴。第二喷嘴包括连接到第二燃料源的多个第二叶片通道。系统包括连接到燃烧室组件的控制系统。所述控制系统构造成从第一燃料源引导第一燃料经过第一喷嘴的出口通道，以及在燃气涡轮发动机获得大于额定转速的85％的速度时从第二燃料源引导第二燃料经过第二喷嘴的第二叶片通道。控制系统还构造成在燃气涡轮发动机处在大于基本负载的第一预定百分比的负载时，从第二燃料源引导第二燃料经过多个第一喷嘴的多个第一叶片通道，以及在燃气涡轮发动机处在大于基本负载的第一预定百分比的负载时，降低进入多个第一喷嘴的第一燃料的流量。

附图说明

图1是示范性燃气涡轮燃烧系统的局部剖视图；

图2是图1所示燃烧系统的一部分的示意侧视图；

图3是图2所示燃烧系统的正视图；

图4是可供图1所示燃烧系统使用的示范性燃料喷嘴组件的剖视图；

图5是可供图4所示燃料喷嘴使用的示范性燃料喷嘴头的透视图；

图6是图5所示燃料喷嘴头的剖视图；

图7是操作图1所示燃烧系统的示范性方法的流程图；

图8是图示出在运用图7所示方法时可以使用的示范性燃料回路比例的曲线图。

部件清单

10燃气涡轮发动机

12压缩机

14燃烧室

16涡轮机

18涡轮喷嘴

20空气

22经过的空气

24发动机罩壳

26过渡管

28出口端

30进口端

32通道燃烧气体

34燃烧室壳体

36开口尾端

38螺栓

40前端

42端盖组件

44控制系统

46流动套筒

48尾端

50外壁

52前端

54径向凸缘

56对接接头

58前段

60尾段

62燃烧室衬套

64尾端

66内壁

68前端

70燃烧室衬套盖组件

72支杆

74空气道

76孔

78火花塞

80交叉火管

82燃烧区

84中心线

86四元柱塞

88预混管组件

90尾部板

91尾端

92前部支撑板

93前端

94燃烧室进口端

200主燃料回路

202第二燃料回路

204第三燃料回路

206第四燃料回路

208燃料源

210回路和喷嘴进口

212燃料

214第二回路进口

216预混燃料

218第三回路进口

220清洗空气回路

222清洗空气回路进口

224供给空气

226气源

228第四回路进口

230预混燃料

400燃料喷嘴组件

402主燃料喷嘴组件

404第三燃料喷嘴组件

406主体

408基板

410叶片组

412中心线

414中央通道

416扩散通道

418预混通道

420尖头端部

422基板端部

424中央出口

426扩散喷嘴进口

428预混燃料进口

430叶片通道

432叶片

434预混叶片开口

436机械紧固件

500喷嘴头

502扩散出口

504前表面

506中央斜坡部分

508凹进部分

510径向内壁

512径向外壁

514轴向中心线

516前部开口

518尾部开口

700开启

702点燃

704开始

706点燃

708开启

710终止

712开启

714运转

800曲线图

802线

804线

806线

808线

810扩散启动模式

812第一转换点

814贫-贫模式

816先导预混模式

818第二转换点

820预混稳态模式

822第三转换点

824参考点

具体实施方式

图1是示范性燃气涡轮发动机10的局部剖视图，所述燃气涡轮发动机10包括多个燃料喷嘴组件400。图2是燃气涡轮发动机10的一部分的示意侧视图。图3是图2所示燃气涡轮发动机10的一部分的正视图。

燃气涡轮发动机10包括压缩机12、燃烧室14和涡轮机16。在图1中示出涡轮机16的仅仅第一级喷嘴18。在示范性实施例中，涡轮机16通过由单个公共轴(未示出)连接的转子(未示出)驱动地连接到压缩机12。压缩机12使进入空气20加压，所述进入空气20然后被引导至燃烧室14，在燃烧室14中，所述进入空气20冷却燃烧室14并为燃烧过程提供空气。更具体地，引导至燃烧室的空气22沿大致与经过发动机10的气流相反的方向流动。在示范性实施例中，燃气涡轮发动机10包括绕发动机罩壳24沿圆周定向的多个燃烧室14。更具体地，在示范性实施例中，燃烧室14例如(但不限于)是罐式环形燃烧室。

在示范性实施例中，发动机10包括双壁过渡管26。更具体地，在示范性实施例中，过渡管26在每个燃烧室14的出口端28和涡轮机16的进口端30之间延伸，以将燃烧气体32引导到涡轮机16中。此外，在示范性实施例中，每个燃烧室14包括基本圆筒形的燃烧室壳体34。燃烧室壳体34在开口尾端36连接到发动机罩壳24。燃烧室壳体34可例如使用(但不限于使用)螺栓38、机械紧固件(未示出)、焊接、和/或使发动机10能够起到如本文所述功能的任何其它合适的连接手段连接到发动机罩壳24。在示范性实施例中，燃烧室壳体34的前端40连接到端盖组件42。端盖组件42包括例如将气体燃料、液体燃料、空气和/或水引导至燃烧室的供给管、歧管、阀门，和/或使发动机10能够起到如本文所述功能的任何其它部件。在示范性实施例中，端盖组件42内的部件连接到用于控制进入燃烧室14的至少空气和燃料的控制系统44，如下文更详细所述。控制系统44可例如(但不限于)是计算机系统和/或使燃烧室14能够起到如本文所述功能的任何其它系统。

在示范性实施例中，基本圆筒形的流动套筒46连接在燃烧室壳体34内，使得套筒46与壳体34基本同心地对准。流动套筒46在尾端48连接到过渡管26的外壁50并在前端52连接到燃烧室壳体34。更具体地，在示范性实施例中，例如通过在对接接头56处将套筒46的径向凸缘54连接到燃烧室壳体34以使壳体34的前段58和尾段60彼此相对地连接，前端52连接到燃烧室壳体34。或者，使用使发动机10能够起到如本文所述功能的任何其它合适的连接组件将套筒46连接到壳体34和/或过渡管26。

在示范性实施例中，流动套筒46包括连接在其中的燃烧室衬套62。燃烧室衬套62在流动套筒46内基本同心地对准，使得尾端64连接到过渡管26的内壁66，以及使得前端68连接到燃烧室衬套盖组件70。燃烧室衬套盖组件70由多个支杆72以及关联的安装组件(未示出)固定在燃烧室壳体34内。在示范性实施例中，在衬套62和流动套筒46之间、以及在过渡管内壁66和外壁50之间限定空气道74。过渡管外壁50包括限定在其中的多个孔76，所述孔76使来自压缩机12的压缩空气20能够进入空气道74。在示范性实施例中，空气22沿与来自压缩机12的核心流动(未示出)的方向相反的方向流向端盖组件42。此外，在示范性实施例中，燃烧室14也包括多个火花塞78和多个交叉火管(cross-fire tube)80。火花塞78和交叉火管80延伸穿过衬套62中的端口(未示出)，所述端口在燃烧区82内限定在燃烧室衬套盖组件70的下游。火花塞78和交叉火管80点燃每个燃烧室14内的燃料和空气以产生燃烧气体32。

在示范性实施例中，多个燃料喷嘴组件400连接到端盖组件42。更具体地，在示范性实施例中，燃烧室14包括五个喷嘴组件400。或者，燃烧室14可包括多于或少于五个的燃料喷嘴组件400。在示范性实施例中，围绕燃烧室14的中心线84以大致圆形阵列的方式布置燃料喷嘴组件400。或者，可以以非圆形阵列的方式布置燃料喷嘴组件400。虽然在此描述了仅仅一种类型燃料喷嘴组件400，但是多于一种类型的喷嘴组件或者任何其它类型的燃料喷嘴可包含在燃烧室14中。此外，在示范性实施例中，燃烧室14包括多个四元柱塞(quarternarypegs)86，所述柱塞86从燃烧室壳体34径向向内延伸并基本上限定燃料喷嘴组件400的界限。虽然示范性实施例包括了四元柱塞86，但是其它实施例可以不包括四元柱塞86。

燃烧室衬套盖组件70包括多个预混管组件88。在示范性实施例中，每个预混管组件88基本上限定每个燃料喷嘴组件400，这样，预混管组件88的数量等于喷嘴组件400的数量。或者，预混管组件88的数量可大于或小于喷嘴组件400的数量。在示范性实施例中，每个预混管组件88部分地延伸到燃烧室衬套盖组件70中，使得预混管组件88连接到尾部支撑板90和前部支撑板92。更具体地，每个预混管组件88的尾端91延伸穿过尾部板90中的开口(未示出)，预混管组件88的前端93延伸穿过板92中的开口(未示出)。

在示范性实施例中，包括了前部支撑盖(未示出)且所述支撑盖连接到支撑板92。支撑盖便于将预混管组件88的每一个的板92固定到燃烧室14。此外，尾部板90可以是冲击板，其包括流出冷却孔(未示出)并且可被屏蔽板(未示出)保护而不受燃烧室火焰产生的热的影响。在示范性实施例中，每个预混管组件88包括包含两个管(未示出)的组件，所述两个管由预混管呼啦密封件(hula seal)(未示出)分开。呼啦密封件使双管式组件能够在运转状态期间随着燃烧室衬套盖组件70的膨胀而热膨胀和收缩。因此，当板92和90之间的距离由于热膨胀而改变时，预混管组件88可相应地沿着对称轴(未示出)自由膨胀。

在示范性实施例中，板92连接到多个向前延伸的浮动套环(未示出)。套环基本上同心地对准限定在板92中的开口的每一个，使得每个预混管组件88包括一个套环。或者，每个预混管组件88可包括多于或少于一个的套环。在示范性实施例中，每个套环支撑空气旋流器(未示出)，旋流器例如可以位于每个燃料喷嘴组件400的径向最外壁(未示出)附近、与每个喷嘴组件400一体成形、和/或成形在使发动机10能够起到如本文所述功能的任何其它合适的构造中。旋流器布置成使流过空气道74的空气22在燃烧室14的燃烧室进口端94(在端盖组件42和燃烧室衬套盖组件70之间)倒转方向，并且流过空气旋流器和预混管组件88(未示出)。空气旋流器的每一个中的燃料通道(未示出)根据燃气涡轮发动机10的运转模式引导燃料经过一列孔进入到经过的空气22中以产生燃料空气混合物，所述孔连续地引入气体燃料，所述燃料空气混合物在燃烧区82中且在预混管组件88的下游被点燃。

在示范性实施例中，燃烧室14包括连接到燃料源208和控制系统44的四个燃料回路200、202、204和206。虽然示出和描述仅仅一个燃料源208，但是发动机10可包括多于一个的燃料源208。而且，燃料源208可包括多种类型的燃料。具体地，在示范性实施例中，燃烧室14包括主燃料回路200、第二燃料回路202、第三燃料回路204和第四燃料回路206。或者，燃烧室14可包括多于或少于四个的燃料回路200、202、204和/或206。在示范性实施例中，主燃料回路200包括将燃料(例如扩散燃料212)供给到主燃料回路200的主回路进口210。第二燃料回路202包括将燃料(例如预混燃料216)供给到第二燃料回路202的第二回路进口214。类似地，第三燃料回路204包括将燃料(例如预混燃料216)供给到第三燃料回路204的第三回路进口218。第四燃料回路206包括将燃料(例如预混燃料230)供给到第四燃料回路206的第四回路进口228。

在示范性实施例中，燃烧室14也包括清洗空气回路220，其具有清洗空气回路进口222，用于将空气224从气源226提供给至少一个燃料喷嘴组件400，如下文更详细所述。在示范性实施例中，气源226包括从空气道74引导的空气22。或者，气源226可从任何其它合适的空气源供给空气，例如环境空气。清洗空气回路220也连接到控制系统44。在示范性实施例中，预混燃料216和预混燃料230具有大致相似的成分。或者，预混燃料230的成分可不同于预混燃料216的成分。而且，在本文中使用时，术语“预混燃料”指的是在进入燃烧区82之前与空气混合的燃料，其可以是气体燃料、液体燃料或粉状固体燃料。此外，在本文中使用时，术语“扩散燃料”指的是在进入燃烧区82之前不与空气混合的燃料，其可以是气体燃料、液体燃料或粉状固体燃料。

在示范性实施例中，五个燃料喷嘴组件400中的四个是主燃料喷嘴组件402并连接到主燃料回路200和第二燃料回路202，其余的燃料喷嘴组件400是连接到第三燃料回路204和清洗空气回路220的第三燃料喷嘴组件404。每个四元柱塞86连接到第四燃料回路206。此外，在示范性实施例中，每个燃料回路200、202、204和206包括用于控制进入每个回路200、202、204和/或206的燃料流量的相应阀门V1、V2、V3和V4。清洗空气回路220包括用于控制进入回路220的空气流量的阀门VA。更具体地，在示范性实施例中，阀门V1控制进入主燃料回路200的扩散燃料212的量，阀门V2控制进入第二燃料回路202的预混燃料216的流量，阀门V3控制进入第三燃料回路204的预混燃料216的流量，阀门V4控制进入第四燃料回路206的预混燃料230的量。在替代实施例中，预混阀(未示出)连接到第二燃料回路202和第三燃料回路204以控制从燃料源208进入阀门V2和V3的预混燃料216的流量。在示范性实施例中，燃料回路200、202、204和206连接到控制流向回路200、202、204和206以及流向燃料喷嘴组件400的燃料流量的控制系统44。更具体地，控制系统44可例如通过(但不限于)控制阀门V1、V2、V3和V4来控制燃料流量。类似地，清洗空气回路阀门VA连接到控制系统44以使得可以调节清洗空气流量。

在运转中，空气20通过进口(未示出)进入发动机10并且在压缩机12中被压缩。压缩空气20从压缩机12排出并引导至燃烧室14。空气20通过孔76进入燃烧室，然后通过空气道74流向燃烧室14的端盖组件42。流过空气道74的空气22在燃烧室进口端94处被倒转流向，并且重新定向流过空气旋流器和预混管组件88。燃料212、216和/或230通过端盖组件42供给到燃烧室14中。控制系统44调节供给到喷嘴组件400和/或预混管组件88的空气22和/或224以及燃料212、216和/或230，如下文更详细所述。最初在控制系统44开启燃气涡轮发动机10的启动程序时实现点火，一旦已经连续地建立起火焰，火花塞78就从燃烧区82缩回。在燃烧区82的相对端，热的燃烧气体32朝涡轮机16引导通过过渡管26和涡轮喷嘴18。

图4是可用于燃烧室14的示范性燃料喷嘴组件400的剖视图。为了示例性的目的，将描述主燃料喷嘴组件402，但应当理解，第三燃料喷嘴组件404基本上类似于主燃料喷嘴组件402，除了清洗空气224而非扩散燃料212被供给到第三燃料喷嘴组件404之外。在示范性实施例中，第三燃料喷嘴组件404构造成以基本上类似于主燃料喷嘴402预混燃料216喷射构造的形式喷射预混燃料216。

在示范性实施例中，每个燃料喷嘴组件402包括主体406、基板408和叶片组410。主体406沿着喷嘴中心线412轴向地延伸。主体406形成有多个通道414、416和418，每个通道基本上平行于从尖头420到基板408的中心线412延伸到基板端部422。更具体地，在示范性实施例中，喷嘴组件402包括中央通道414、扩散通道416和预混通道418。

在示范性实施例中，中央通道414包括油/水燃料筒(未示出)并且形成有穿过喷嘴头500的出口424，扩散通道416包括扩散喷嘴进口426。第三燃料喷嘴组件404包括包含喷嘴清洗空气进口(未示出)的清洗空气通道(未示出)，每一个构造成基本类似于扩散通道416和扩散喷嘴进口426，除了清洗空气进口连接到清洗空气回路220之外。扩散通道416包括延伸经过喷嘴头500的多个扩散出口502，如下文更详细所述。包含在主燃料喷嘴组件402和第三燃料喷嘴组件404中的预混通道418包括限定在基板408中的预混燃料进口428。预混通道418包括多个径向向外延伸的叶片通道430。更具体地，在示范性实施例中，叶片通道430各自延伸经过叶片组410的叶片432(示于图3)。每个叶片通道430包括多个预混叶片开口434(也示于图3)。

在示范性实施例中，基板408例如使用(但不限于使用)多个机械紧固件436连接到端盖组件42。或者，基板408使用使喷嘴组件402和/或404能够起到如本文所述功能的任何其它合适的紧固机构连接到端盖组件42。在示范性实施例中，扩散通道416以流动连通的方式连接主燃料回路200。此外，在示范性实施例中，在主燃料喷嘴组件402中，预混通道418连接到第二燃料回路202，在第三燃料喷嘴组件404中，预混通道418连接到第三燃料回路204。

图5是可供燃料喷嘴组件402和/或404(图4所示)使用的示范性喷嘴头500的透视图。图6是喷嘴头500的剖视图。在图6中，为了清楚起见，已经省略了中央通道414和中央出口424。

在示范性实施例中，喷嘴头500包括中央出口424和多个扩散出口502。为了示例性的目的，描述扩散出口502，但应当理解，在第三燃料喷嘴组件404中，清洗空气出口(未示出)基本类似于扩散出口502，除了清洗空气而非扩散燃料被供给通过清洗空气出口之外。在示范性实施例中，喷嘴头500的前表面504包括中央斜坡部分506和环形凹进部分508。凹进部分508基本上是环形的，包括彼此相对定向以使凹进部分508具有大致V形横截剖面的径向内壁510和径向外壁512。在示范性实施例中，确定凹进部分508的方位以避免扩散燃料212(图2所示)流出扩散出口502。或者，可以确定凹进部分508的方位以引导扩散燃料212(图2所示)流出扩散出口502。

在示范性实施例中，中央出口424大致沿着轴向中心线514延伸穿过喷嘴头500。每个扩散出口502包括前部开口516和尾部开口518，出口502在开口516和518之间延伸。在示范性实施例中，前部开口516以基本圆形阵列的方式各自位于距中心线514的半径R处。更具体地，在示范性实施例中，前部开口516各自限定在径向内壁510中并具有直径D。在示范性实施例中，直径D大于0.110英寸，且更准确地，可例如为0.126英寸。

在每个前部开口516处定义相应的坐标系。在示范性实施例中，X轴切向地对准具有半径R的圆，Y轴沿径向垂直地对准X轴，Z轴基本上对准中心线514。在示范性实施例中，每个扩散出口502沿着相应的线F确定方向，所述线F以角度α和角度β从每个相应的前部开口516延伸。该角度α由相应的线F在相应的X-Z平面中的投影相对于相应的Z轴测得，而该角度β由相应的线F在相应的X-Z平面中的投影相对于该相应的线F测得。这样，扩散出口502在喷嘴头500中被限定在螺旋阵列中。在示范性实施例中，角度α基本等于角度β。或者，角度α可不同于角度β。此外，在示范性实施例中，角度α和角度β都大于约30°。更具体地，在一个示范性实施例中，角度α和角度β都约等于45°，使得紧接在燃料喷嘴组件400下游的燃料流足够贫以点燃和维持燃烧。

当燃烧室14运转时，扩散燃料212从燃料源208引导经过主燃料回路200和主燃料喷嘴组件402进入到燃烧区82中。更具体地，控制系统44控制阀门V1的操作以使扩散燃料212进入主燃料回路200。扩散燃料212通过扩散回路和喷嘴进口210和426从主燃料回路200排放到主喷嘴组件402中。扩散燃料212通过每个喷嘴头500从主喷嘴组件402排出。扩散出口502确保扩散燃料212大致沿着每条线F以角度α和β排出。这样，扩散燃料212在每个喷嘴组件尖头420的附近扩散且仍然足够贫以进行点火。扩散燃料212在燃烧区82内分散，并与通过空气道74和/或预混组件88进入燃烧区82的空气混合。火花塞78和交叉火管80点燃燃烧区82内的燃料空气混合物以产生燃烧气体32。

图7是操作燃气涡轮发动机的示范性方法的流程图，所述燃气涡轮发动机包括主燃料喷嘴组件402和第三燃料喷嘴组件404，如上文所述。图8是以相对于华氏度数的平均着火温度(TTRF)的百分比方式的示范性燃料回路比例的曲线图800，当实施图7所示方法时可以使用该曲线图。在本文中使用时，使用惯例P/S/T-Q代表回路比例，其中，P是在区域82内通过主燃料回路200(图2所示)喷射的总燃料的近似百分比，S是相对于第二燃料回路202通过第二燃料回路202和第三燃料回路204(各自示于图2)喷射的总燃料的近似百分比，T是相对于第三燃料回路204通过第二燃料回路202和第三燃料回路204喷射的总燃料的近似百分比，Q是在区域82内通过第四燃料回路206(图2所示)喷射的总燃料的近似百分比。P作为线802表示在曲线图800上，S作为线804表示在曲线图800上，T作为线806表示在曲线图800上，Q作为线808表示在曲线图800上。

在示范性实施例中，为了开始发动机10的操作，在燃烧室14内点燃空气燃料混合物。控制系统44控制燃料212、216和/或230经由燃料回路200、202、204和/或206流向燃烧室14。通过引导扩散燃料212流入燃烧区82中来开启700点火过程。更具体地，阀门V1被打开以使扩散燃料212在通过扩散出口502排放到燃烧区82中之前进入主燃料回路200并流过主燃料喷嘴组件402。在示范性实施例中，主燃料回路200在发动机的这一级期间提供进入燃烧区82的大约100％的燃料，使得燃料比例约为100/0/0-0。

扩散燃料212被例如控制系统44点燃702，所述控制系统44促使火花塞78和交叉火管80点燃燃烧区82内的扩散燃料212。一旦扩散燃料212被点燃702，产生的燃烧气体32就从燃烧区82通过过渡管26引导向涡轮机16。当涡轮机16达到全速、空载(FSNL)运转条件时，燃烧室14处在例如1280°F的平均着火温度(TTRF)。这样，燃烧室14从点火经过FSNL到基本负载的初始预定百分比燃烧扩散燃料212而不在燃烧区82中增加预混燃料216和/或230。这种点燃可以称作“扩散启动”模式810。

在达到FSNL之后，发动机10开始承受负载，控制系统44改变流向燃料回路200、202、204和/或206的燃料流量。更具体地，在示范性实施例中，在发动机10于第一转换点812(例如，但不限于，使涡轮处在基本上基本负载的30％的约1950°F的点)达到基本负载的第一预定百分比之前，控制系统44从扩散启动模式810转换到贫-贫模式814。运转的“贫-贫模式”指的是主喷嘴组件402将扩散燃料212供给到燃烧区82中且第三喷嘴组件404将预混燃料216供给到燃烧区82中的涡轮运转模式。

在示范性实施例中，从扩散启动模式810到贫-贫模式814的过渡涉及到使扩散燃料212继续流向主喷嘴组件402而同时使预混燃料216开始704流向第三燃料喷嘴组件404。更具体地，在示范性实施例中，控制系统44至少部分地打开阀门V3以使预混燃料216能够进入第三燃料回路202。或者，可以按使得燃烧室14能够起到本文所述功能的其它任何合适的方式使预混燃料216开始流动。一旦从燃料喷嘴组件402和404排出，预混燃料216就例如被火焰点燃706，所述火焰通过燃烧扩散燃料212而产生。在示范性实施例中，在贫-贫模式814期间，在大约2025°F的TTRF处，燃料比例约为77/0/23-0。

随着发动机10的负载增大，供给到燃烧区82的预混燃料216的量增大。更具体地，控制系统44在第二转换点818以基本负载的第二预定百分比使燃烧室14从运转的贫-贫模式814过渡到先导预混模式(PPM)。例如，在一个实施例中，当转换点818是大约2100°F的点时，控制系统44使燃烧室14从贫-贫模式814过渡到PPM 816。

“先导预混模式”指的是其中主喷嘴组件402和第三喷嘴组件404将预混燃料216排放到燃烧区82中而由主喷嘴组件402排放减少的扩散燃料212的量的运转模式。预混操作便于在燃烧期间通过使空气分级进入燃烧区82而降低从燃料212和/或216释放的污染物的量，例如氮氧化物(NOx)和/或二氧化碳(CO)。在示范性实施例中，在燃烧区82内增加的空气量便于降低火焰温度或反应温度，这在燃烧室14内减少了热NOx的形成。更具体地，空气，例如来自通道74的空气22最初在第二燃料回路202、第三燃料回路204和/或第四燃料回路206内与燃料混合以产生预混燃料216和/或230。来自空气道74的空气22然后在燃烧区82中与预混燃料216混合。在混合物排放到燃烧区82中之前使空气和燃料预混合便于使区域82内的局部富燃的小块区域和高温减到最小。

在示范性实施例中，从贫-贫模式814到先导预混模式816的过渡涉及使预混燃料216开始708流向主燃料喷嘴组件402，而同时降低708扩散燃料212流向主燃料喷嘴组件402的流量。一般在发动机10以大于基本负载的第一预定百分比的基本负载的第二预定百分比运转时发生这种过渡。更具体地，在示范性实施例中，控制系统44部分地关闭阀门V1并至少部分地打开阀门V2以使预混燃料216能够进入第二燃料回路202。或者，可以按使得燃烧室14能够起到如本文所述功能的任何其它合适的方法来降低708扩散燃料212的流量和开启708预混燃料216的流动。在示范性实施例中，由扩散燃料212和/或第三预混燃料216的燃烧期间产生的火焰点燃来自主燃料喷嘴组件402的预混燃料216。在示范性实施例中，在例如大约2165°F的TTRF处，燃料212和216以大约25/79/21-0的比例喷射通过回路200、202和204。

随着发动机10的负载增加，供给到燃烧区82的预混燃料216的量增加，供给到燃烧区82的扩散燃料212的量减少。更具体地当发动机10在第三转换点822处在基本负载的第三预定百分比时，控制系统44使燃烧室14从运转的先导预混模式816过渡到运转的预混稳态(PMSS)模式820。例如，在一个实施例中，当发动机10以对应于大约2240°F的TTRF的转换点822的基本负载的百分比运转时，控制系统44过渡到PMSS 820。

“预混稳态模式”指的是主喷嘴组件402和第三喷嘴组件404将预混燃料216排放到燃烧区82中，而由主喷嘴组件402排放的扩散燃料212被终止的运转模式。预混稳态模式820基本类似于上文所述的预混操作，除了预混稳态820便于在燃烧期间通过基本上取消扩散燃料212的燃烧而额外减少由燃料212和/或216释放的污染物的量以外，例如NOx和/或CO。

在示范性实施例中，从先导预混模式816到预混稳态模式820的过渡涉及当发动机10达到基本负载的第三预定百分比时使扩散燃料212流向主燃料喷嘴组件402的流动终止，而同时增加预混燃料216流向主燃料喷嘴组件402的流量。在示范性实施例中，使预混燃料230开始712通过第四燃料回路206流向四元柱塞86。对预混燃料230的使用减弱了在燃烧室14中可能出现的燃烧动力学特性，例如，低燃烧噪声和/或动态压力波动。在一个替代实施例中，除了如本文所述的以外，还提供预混燃料230。在示范性实施例中，控制系统44基本关闭阀门V1、打开阀门V2以使预混燃料216能够进入第二燃料回路202，打开阀门V4以使预混燃料230能够进入第四燃料回路206。或者，可以按使得燃烧室14能够起到如本文所述功能的任何其它合适的方法来终止扩散燃料212的流动和开启708预混燃料230的流动。在示范性实施例中，在使得涡轮负载约为基本负载的50％的例如约等于2240°F的TTRF的涡轮条件下，燃料比例约为0/85/18-13。在这样的涡轮条件下，可能出现低落点(turndown point)。

当发动机10基本上以其基本负载运转714时，在示范性实施例中，发动机10以预混稳态模式820运转。更具体地，在示范性实施例中，在基本负载下，发动机10处在参考点824例如约等于2400°F的TTRF的涡轮条件，燃料比例约为0/82/19-8。

以上所述的方法和装置促进在燃气涡轮发动机中燃烧燃料，使得便于降低最大衬套壁温度，且便于通过改善燃料喷嘴下游的扩散燃料的燃料空气比来增加火焰稳定性。通过以促进扩散燃料和空气在燃烧室内混合的喷射角将扩散燃料喷射到燃烧室中而使燃料喷嘴下游的燃料空气比仍然低于富燃熄火界限。扩散燃料的这种喷射便于在涡轮机达到全速空载运转之前取消对预混燃料的喷射。这样，通过如本文所述喷射扩散燃料就便于避免贫-贫启动。通过避免贫-贫启动，便于降低衬套壁温度的非均匀性，这便于减少对周围硬件的磨损量。此外，本文所述的贫-贫模式涉及与在燃烧室中通过单个喷嘴喷射总燃料的约50％的系统相比，在燃烧室中通过单个喷嘴喷射总燃料的约25％的较低百分比的预混燃料。这样，便于降低喷射预混燃料的喷嘴附近的局部衬套温度。

此外，相比于在已知的贫-贫启动期间出现的通常微小、不稳定的扩散火焰，本文所述的扩散燃料喷射角便于形成更稳定和充分固定(well-anchored)的火焰。更稳定和充分固定的火焰便于降低熄火的可能性，且更具体地，降低富燃熄火的可能性。本文所述的扩散燃料喷射角便于在燃烧室内产生更均匀的温度，这便于减少对周围硬件的磨损。此外，如本文所述，尖头开口的直径便于减少喷嘴的堵塞且便于增加在燃料喷嘴下游混合的燃料空气。

以上所述的方法和装置还便于使燃料和/或空气喷射分级，其便于减少由于燃烧燃料而产生的污染物排放。更具体地，使燃料和/或空气分级便于：减少在燃气轮机的排气平面上测定的NOx和/或CO的排放；通过使用扩散运转模式增加火焰稳定性；在燃气轮机负载设定值的很宽范围内在贫燃熄火边界和富燃熄火边界之间维持燃料空气比；和/或减弱燃烧动力学特性。

在上文详细地描述了用于在燃气涡轮发动机中燃烧气体的方法和装置的示范性实施例。所述方法和装置不限于本文所述的具体实施例，而是可以与本文所述的其它部件独立地和分离地使用所述方法和装置的部件。例如，也可以结合其它燃烧系统和方法使用燃料喷嘴头，并且不限于使用仅仅本文所述的燃气涡轮发动机来实现。此外，也可以结合其它燃烧系统和方法使用操作燃气涡轮发动机的方法，并且不限于使用仅仅本文所述的燃烧室来实现。更确切地，可以结合很多其它燃料燃烧应用来实施和利用本发明。

虽然已经按照各种具体实施例描述了本发明，但是本领域技术人员可以想到，在权利要求的精神和范围内可以用改进方式实施本发明。

Claims (3)

1.一种用于燃气涡轮发动机(10)的燃烧室组件，所述系统包括：

连接到所述燃烧室组件的多个第一喷嘴(400)，其中，所述多个第一喷嘴的每一个包括喷嘴头(500)，所述喷嘴头(500)包括连接到第一燃料源的多个出口通道，而且所述多个第一喷嘴的每一个包括连接到第二燃料源的多个第一叶片通道；

连接到所述燃烧室组件的第二喷嘴，所述第二喷嘴包括连接到所述第二燃料源的多个第二叶片通道；和

连接到所述燃烧室组件的控制系统(44)，所述控制系统构造成：

从所述第一燃料源引导第一燃料(212)经过所述多个第一喷嘴的所述多个出口通道；

在燃气涡轮发动机获得大于额定转速的85％的速度时，从所述第二燃料源引导第二燃料经过所述第二喷嘴的所述多个第二叶片通道；

在燃气涡轮发动机处在大于基本负载的第一预定百分比的负载时，从所述第二燃料源引导所述第二燃料经过所述多个第一喷嘴的所述多个第一叶片通道；以及

在燃气涡轮发动机处在大于基本负载的第一预定百分比的负载时，降低进入所述多个第一喷嘴的所述第一燃料的流量。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：还包括从燃烧室组件壳体(34)沿径向向内延伸的多个第三喷嘴(400)，所述多个第三喷嘴连接到第三燃料源。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述控制系统(44)还构造成在燃气涡轮发动机(10)处在大于基本负载的第二预定百分比的负载时将第三燃料引导到所述多个第三喷嘴(400)，其中，第二预定百分比大于所述第一预定百分比。

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