CN101995019A - 用于燃烧器的气动挂架燃料喷射器系统 - Google Patents

用于燃烧器的气动挂架燃料喷射器系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于燃烧器的气动挂架燃料喷射器系统，提供一种燃烧器系统，包括挂架燃料喷射系统(40)，其配接至燃烧腔室(12，18)且配置成向所述燃烧腔室(12，18)喷射燃料。挂架燃料喷射系统(40)包括多个径向元件(42)，每个径向元件(42)具有多个第一科恩达型燃料喷射槽(46)。提供给每个径向元件(42)的多个横向元件(44)。每个横向元件(44)包括多个第二科恩达型燃料喷射槽(50)。

Description

用于燃烧器的气动挂架燃料喷射器系统 
技术领域
本发明大体而言涉及燃料喷射系统，且更具体而言，涉及用于燃烧器，例如再热燃烧器的气动挂架燃料喷射器系统(aerodynamic pylon fuel injection system)。 
背景技术
燃气涡轮系统包括至少一个压缩机，位于至少一个压缩机下游和第一涡轮上游的第一燃烧腔室，以及位于第一涡轮下游和第二涡轮上游的第二燃烧腔室(也可被称作“再热燃烧器”)。压缩空气与燃料的混合物在第一燃烧腔室中点燃以生成工作气体。工作气体通过过渡部段流动到第一涡轮。第一涡轮具有朝向下游侧增加的截面积。第一涡轮包括多个固定叶片和旋转桨叶。旋转桨叶配接到轴杆。随着工作气体通过第一涡轮膨胀，工作气体造成桨叶和因此轴杆旋转。 
第一涡轮的功率输出与第一涡轮中工作气体的温度成比例。即，工作气体的温度越高，涡轮组件的功率输出就越大。为了确保工作气体将能量转移至第二涡轮内的旋转桨叶，在气体进入第二涡轮时，工作气体必须在高工作温度。但是，随着工作气体从第一涡轮流到第二涡轮，工作气体的温度降低。因此，由第二涡轮生成的功率输出逊于最佳情况。如果升高第二涡轮内工作气体的温度，可增加自第二涡轮的功率输出量。工作气体还在第二燃烧腔室中燃烧以升高第二涡轮中工作气体的温度。 
在常规系统中，燃气涡轮发动机使用第二燃烧器，其中使用多个轴向定向的圆柱形喷射器以喷射气态燃料与空气。常规喷射系统具有有限数量的燃料喷射位置或喷嘴，其形成燃料在燃烧腔室中不均匀的分配。因此，可能会发生由于燃料的非均匀混合与非均匀放热所致的 相关问题，例如燃烧动态(combustion dynamics)。常规喷射系统也在燃烧腔室内生成显著压降。 
存在对用于燃烧器，特别是再热燃烧器的改进的燃料喷射系统的需要。 
发明内容
根据本发明的示范性实施例，燃烧器系统包括挂架燃料喷射系统，其配接到燃烧腔室且配置成向燃烧腔室喷射燃料。挂架燃料喷射系统包括多个径向元件，每个径向元件具有多个第一科恩达型(Coanda type)燃料喷射槽。向每个径向元件提供多个横向元件。每个横向元件包括多个第二科恩达型燃料喷射槽。 
根据本发明的另一示范性实施例，燃气涡轮系统包括第一燃烧器，第一燃烧器配接到至少一个压缩机且配置成接收来自压缩机的压缩空气以及燃料，且燃烧空气与燃料的混合物以生成第一燃烧气体。第一涡轮配接到第一燃烧器且配置成使第一燃烧气体膨胀。第二燃烧器配接到第一涡轮。挂架燃料喷射系统配置成将燃料喷射到第二燃烧器内。 
附图说明
当参看附图来阅读下文的详细描述时，本发明的这些和其它特点、方面和优点将会变得更加显而易见，在所有附图中类似的附图标记表示类似的部件。 
图1是根据本发明的示范性实施例的燃气涡轮系统的图解表示，其具有提供给再热燃烧器的挂架燃料喷射系统； 
图2是根据本发明的示范性实施例的挂架燃料喷射系统的图解表示；
图3是根据本发明的示范性实施例的挂架燃料喷射系统的一部分的图解表示； 
图4是根据本发明的示范性实施例的挂架燃料喷射系统的一部分 的图解表示； 
图5是根据本发明的示范性实施例的挂架燃料喷射系统的一部分的图解表示； 
图6是根据本发明的示范性实施例基于科恩达效应形成与科恩达型燃料喷射槽中的轮廓相邻的燃料层的图解说明。 
具体实施方式
根据在本文中下文所讨论的实施例，公开了一种燃烧器系统。示范性燃烧器系统包括挂架燃料喷射系统，其配接至燃烧腔室且配置成向燃烧腔室喷射燃料。挂架燃料喷射系统包括多个径向元件，每个径向元件具有多个第一科恩达型燃料喷射槽。向每个径向元件提供多个横向元件。每个横向元件包括多个第二科恩达型燃料喷射槽。根据本发明的另一示范性实施例，公开了具有示范性挂架燃料喷射系统的燃气涡轮系统。挂架喷射系统具有更大量的燃料喷射位置，其形成在燃料腔室中燃料的均匀分配。减轻了燃烧腔室内的相关问题，例如燃烧动态、燃料的非均匀混合和压降。 
参看图1，公开了一种示范性燃烧器系统，例如，燃气涡轮系统10。在本文中应当指出的是所示出的燃气涡轮系统10的配置是示范性实施例且不应认为具有限制意义。该配置可根据应用而不同。燃气涡轮系统10包括安置于压缩机14下游的第一燃烧腔室12(也可被称作“第一燃烧器”)。第一涡轮16安置于第一燃烧腔室12的下游。第二燃烧腔室18(也可被称作“再热燃烧器”)安置于第一涡轮16的下游。第二涡轮20安置于第二燃烧腔室18的下游。压缩机14、第一涡轮16和第二涡轮20具有单个转子轴杆22。在本文中应当指出的是提供单个转子轴杆不应认为具有限制意义。在另一实施例中，第二涡轮20可具有单独的驱动轴杆。在示出的实施例中，转子轴杆22由安置于压缩机14的前端和第二涡轮20下游的两个轴承24、26支承。轴承24、26分别安装于配接至地基32的锚接单元28、30上。转子轴杆 22经由联轴器(coupling)31配接至发电机29。 
压缩机级可被细分成两个部分压缩机(未图示)以(例如)根据操作布局来增加功率系数(specific power)。压缩后引入的空气流入到壳体34内，壳体34安置成封闭压缩机14的出口和第一涡轮16。第一燃烧腔室12容纳于壳体34中。第一燃烧腔室12具有在前端在外围分配的多个燃烧装置(burner)35，且配置成维持热气体生成。通过主环38配接在一起的燃料喷枪36用于向第一燃烧腔室12提供燃料供应。来自第一燃烧腔室12的热气体(第一燃烧气体)在紧邻的下游作用于第一涡轮16上，导致热气体热膨胀。自第一涡轮16的部分膨胀的热气体直接流入到第二燃烧腔室18内。 
第二燃烧腔室18可具有不同的几何形状。在图示实施例中，第二燃烧腔室18是在第一涡轮16与第二涡轮20之间的气动路径，具有所需的长度和体积以允许再热燃烧。在图示实施例中，挂架燃料喷射系统40在径向安置于第二燃烧腔室18中。挂架燃料喷射系统40配置成向来自第一涡轮16的排气内喷射燃料以便确保排气在第二燃烧腔室18中自燃。参考后面的实施例来解释挂架燃料喷射系统40的细节。自第二燃烧腔室18生成的热气体(第二燃烧气体)随后被进给到第二涡轮20。自第二燃烧腔室18的热气体作用于下游紧邻的第二涡轮20上，导致热气体的热膨胀。在本文中应当指出的是尽管参考再热燃烧器解释了挂架燃料喷射系统40，示范性系统40可应用于任何燃烧器。 
参看图2，公开了挂架燃料喷射系统40。如先前所讨论，挂架燃料喷射系统40在径向安置于第二燃烧腔室或再热燃烧器内且配置成向第二燃烧腔室内喷射燃料。系统40包括彼此间隔开的多个径向元件42。向每个径向元件42提供多个横向元件44。横向元件44也在相对应的径向元件42上彼此间隔开。径向元件42和横向元件44具有多个科恩达型燃料喷射槽(在图2中未示出)，其配置成向第二燃烧腔室内喷射燃料。带有多个科恩达型燃料喷射位置的挂架燃料喷射系 统40的布置允许燃料径向和周向分配以便能使燃料在燃烧腔室内均匀分配和混合。 
参看图3，本发明公开了挂架燃料喷射系统的一部分。在图示的实施例中，多个横向元件44在相对应的径向元件42上彼此间隔开地安置。应当指出在本文中横向元件44是空气动力学成形的。径向元件42包括在至少一个表面48上形成的多个科恩达型燃料喷射槽46。每个横向元件44包括在表面52、54上形成的多个科恩达型燃料喷射槽50。径向元件42和横向元件44的布置便于燃料在燃烧腔室中的均匀分配和混合，而且也确保与科恩达型喷射过程相关联的特征混合长度与由径向元件42和横向元件44之间的间距所形成的长度尺寸(length scale)大约相同(same order)。此处应当指出的是本文所讨论的“槽”可通常广泛地限定为开口，其具有比另一轴线更长的一个轴线。在某些实施例中，径向元件42和横向元件44可包括圆锥形孔、椭圆形孔、赛道形孔、圆形孔或者其组合以提供科恩达效应。此处应当指出的是径向元件42的形状或截面大小可作为半径的函数改变，且横向元件44的形状或相对大小可作为位置的函数来改变。 
参看图4，公开了挂架燃料喷射系统的一部分。此实施例类似于图3所示的实施例。此处应当指出的是径向元件42是空气动力学成形的。在一些实施例中，横向元件44包括零升力翼面(zero lift airfoils)。在某些其它实施例中，横向元件44具有提升能力。在特定实施例中，横向元件44的升力可协调作用。在另一实施例中，横向元件44的升力可彼此抵消以定制燃烧腔室中气体流动的出射轮廓。在某些实施例中，径向元件42具有提升能力。在一实施例中，径向元件42可充当解旋器以从自第一涡轮的上游气流移除漩涡。在另一实施例中，径向元件2可充当预旋器以向进给到第二涡轮的下游流动提供涡旋。还应当指出的是提供横向元件44便于提供用于燃料喷射的多个分配位置。 
参看图5，公开了挂架燃料喷射系统的一部分。此实施例也类似于图3所示的实施例。如先前所讨论，多个横向元件44在每个相对 应的径向元件42上彼此间隔开。径向元件42包括在至少一个表面48上形成的多个科恩达型燃料喷射槽46。此外，槽46也可在每个径向元件42的侧表面56、58上形成。径向元件42的后表面60可具有孔或开口。每个横向元件44包括在表面52、54上形成的多个科恩达型燃料喷射槽50。此外，槽50也可在每个横向元件44的后缘62上形成。 
此处应当指出的是在某些实施例中，出于负荷减小目的，带有相对应的横向元件44的多个径向元件42的分配性质可允许燃料喷射分级(例如，仅从交替的径向元件在特定瞬时喷射燃料)。径向元件42的径向高度也可不同。举例而言，每个交替的径向元件可比其它径向元件更短。 
图6是可在径向元件42的下游形成的示范性反应区的示意图。如本文所用的术语“科恩达效应”是指液体流将其自身附连到附近表面，而且甚至在表面远离流体运动的原始方向弯曲时保持附连的趋势。如图所示，在串联叶片上流动的压缩机排放空气与燃料66混合。因此，空气与燃料混合物边界层68通过由科恩达表面74所造成的科恩达效应沿着径向元件42的外表面70、72形成。随着燃料与空气的浓度在径向元件42的后缘下游局部地改变，可形成三重火焰64。在富含燃料的区域，小扩散火焰前囊(front pockets)76稳定。然后，每个扩散火焰可用于在最小可燃性限度稳定第一稀薄的部分预混合火焰78和第二稀薄的部分预混合火焰前部80，其由其它两个火焰76和78的稀释产物和过量氧化剂形成。这种火焰结构和其优点在申请号为US11/567,796，名称为“Gas turbine guide vanes with Tandem airfoils and fuel injection and method ofuse”专利申请中进行了详细的解释，该专利申请以引用的方式结合到本文中。 
参考图1至图6的实施例，径向元件、横向元件的数目，径向元件之间的间距，横向元件之间的间距，在径向元件中科恩达型燃料喷射槽的数目，在横向元件中科恩达型燃料喷射槽的数目，在径向元件 与横向元件中科恩达型燃料喷射槽的形状，科恩达型燃料喷射槽之间的间距、槽的尺寸、在径向元件与横向元件中槽的位置、径向元件与横向元件的形状可根据特定应用而不同。可设想所有的这些置换和组合。示范性挂架燃料喷射系统便于燃料的均匀分配、空气与燃料的均匀混合，导致较高的燃烧效率，以及较低的排放、声响以及压力损失。 
虽然在本文中仅示出和描述了本发明的某些特点，本领域技术人员能想到许多修改和变化。即，因此，应了解所附权利要求书预期涵盖在本发明实质范围内的所有这些修改和变化。 
部件列表 
10燃气涡轮系统 
12第一燃烧腔室 
14压缩机 
16第一涡轮 
18第二燃烧腔室 
20第二涡轮 
22单个转子轴杆 
24轴承 
26轴承 
28锚接单元 
29发电机 
30锚接单元 
31联轴器 
32地基 
34壳体 
35燃烧装置 
36燃料喷枪 
38主环 
40挂架燃料喷射系统 
42径向元件 
44横向元件 
46科恩达型燃料喷射槽 
48表面 
50科恩达型燃料喷射槽 
52表面 
54表面 
56侧表面 
58侧表面 
60后表面 
62后缘 
64三重火焰 
66燃料 
68空气与燃料混合物边界层 
70外表面 
72外表面 
74科恩达表面 
76扩散火焰前囊 
78第一稀薄的部分预混合火焰 
80第二稀薄的部分预混合火焰前部 。

Claims (10)

1.一种燃烧器系统，包括：
燃烧腔室(12，18)；
挂架燃料喷射系统(40)，其配接至所述燃烧腔室(12，18)且配置成向所述燃烧腔室喷射燃料，所述挂架燃料喷射系统(40)包括：
多个径向元件(42)，每个径向元件(42)包括多个第一科恩达型燃料喷射槽(46)；以及
提供给每个径向元件(42)的多个横向元件(44)，其中每个横向元件(42)包括多个第二科恩达型燃料喷射槽(50)。
2.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中每个径向元件(42)包括在相对应的径向元件(42)的至少一个表面上的多个科恩达型燃料喷射槽(46，50)。
3.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述多个径向元件(42)具有提升能力。
4.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中每个横向元件(44)包括在相对应的横向元件(44)的至少一个表面上的多个科恩达型燃料喷射槽(46，50)。
5.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述多个横向元件(44)彼此间隔开地安置于相对应的径向元件(42)上。
6.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述横向元件(44)包括零升力翼面。
7.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述横向元件(44)包括具有提升能力的翼面。
8.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述多个径向元件(42)是空气动力学成形的。
9.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述多个横向元件(44)是空气动力学形成形的。
10.一种燃气涡轮系统，包括：
至少一个压缩机(14)，其配置成生成压缩空气；
第一燃烧器(12)，其配接至所述至少一个压缩机(14)且配置成接收来自所述压缩机(14)的压缩空气以及燃料，且燃烧空气与燃料的混合物以生成第一燃烧气体；
第一涡轮(16)，其配接至所述第一燃烧器(12)且配置成使所述第一燃烧气体膨胀；
第二燃烧器(18)，其配接至所述第一涡轮(16)；
挂架燃料喷射系统(40)，其包括多个径向元件(42)和提供给每个径向元件(42)的多个横向元件(44)，其中所述气动挂架喷射系统(40)配置成向所述第二燃烧器(18)喷射燃料；其中所述第二燃烧器(18)配置成燃烧燃料与膨胀的第一燃烧气体的混合物以生成第二燃烧气体；
第二涡轮(20)，其配接至所述第二燃烧器(18)且配置成使所述第二燃烧气体膨胀。
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