CN102052158A - 反向旋转式燃气涡轮机燃料喷嘴 - Google Patents

反向旋转式燃气涡轮机燃料喷嘴 Download PDF

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CN102052158A CN2010105520644A CN201010552064A CN102052158A CN 102052158 A CN102052158 A CN 102052158A CN 2010105520644 A CN2010105520644 A CN 2010105520644A CN 201010552064 A CN201010552064 A CN 201010552064A CN 102052158 A CN102052158 A CN 102052158A
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S·梅什科夫
G·弗里德里克
V·米特罗芬诺夫
D·利什科
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Abstract

本发明涉及一种反向旋转式燃气涡轮机燃料喷嘴。在某些实施例中，一种系统包括燃气涡轮机控制器(46)。该燃气涡轮机控制器(46)包括使得燃料流仅能通过具有第一旋流方向(118)的第一组多个燃料喷嘴(16)的第一操作模式。该燃气涡轮机控制器(46)还包括使得燃料流仅能通过具有与第一旋流方向(118)相反的第二旋流方向(120)的第二组多个燃料喷嘴(18)的第二操作模式。

Description

反向旋转式燃气涡轮机燃料喷嘴
技术领域
本申请要求名称为“反向旋转式燃气涡轮机燃料喷嘴(COUNTERROTATED GAS TURBINE FUEL NOZZLES)”、2009年11月9日提交的俄罗斯专利申请No.2009140936的优先权和权益，该申请通过引用以其整体结合在本文中。
背景技术
本文所公开的主题涉及燃料喷嘴，且更具体而言，涉及具有多个燃料喷嘴的燃气涡轮机燃烧器。
燃气涡轮机典型地在燃烧器中燃烧空气与燃料的混合物，以便产生用于驱动涡轮和压缩机区段的排气。典型的燃气涡轮机例如通过改变燃料喷射的量而具有受限的功率范围。随着燃料喷射的量减少，燃气涡轮机典型地由于降低的温度而产生增大的量的一氧化碳(CO)。换句话说，来自燃烧器的出口温度需要保持较高，以便确保符合允许的排放水平。
发明内容
以下概述了在范围方面与初始要求保护的发明相应的某些实施例。这些实施例不意图限制要求保护的发明的范围，而是相反，这些实施例仅意图提供本发明的可行形式的简要概述。事实上，本发明可包括可能类似于或者不同于以下阐述的实施例的各种各样的形式。
在第一实施例中，一种系统包括第一组多个燃料喷嘴，各自包括第一空气通道、第一燃料通道以及具有第一旋流方向的第一旋流机构。该系统还包括第二组多个燃料喷嘴，各自包括第二空气通道、第二燃料通道以及具有第二旋流方向的第二旋流机构。该第一组多个燃料喷嘴和第二组多个燃料喷嘴布置成交替的环形型式。另外，第一旋流方向和第二旋流方向彼此相反。该系统还包括配置成彼此独立地控制通过第一燃料通道的第一燃料流率和通过第二燃料通道的第二燃料流率的控制器。
在第二实施例中，一种系统包括燃气涡轮机控制器。该燃气涡轮机控制器包括使得燃料流仅能通过具有第一旋流方向的第一组多个燃料喷嘴的第一操作模式。该燃气涡轮机控制器还包括使得燃料流仅能通过具有与第一旋流方向相反的第二旋流方向的第二组多个燃料喷嘴的第二操作模式。
在第三实施例中，一种系统包括控制器。该控制器配置成控制通过具有在第一方向上旋流的空气流的第一组多个燃料喷嘴的第一燃料流。该控制器还配置成控制通过具有在与第一方向相反的第二方向上旋流的空气流的第二组多个燃料喷嘴的第二燃料流。该第一燃料流和第二燃料流独立地受控制。另外，该第一组多个燃料喷嘴和第二组多个燃料喷嘴布置成交替的环形型式。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，同样的标号在所有图中表示同样的部件，其中：
图1是具有带有多个燃料喷嘴的燃烧器的涡轮机系统的一个实施例的示意性流程图；
图2是如图1所示的涡轮机系统的一个示例性实施例的截面侧视图；
图3是如图2所示的燃气涡轮发动机的燃烧器的头端的透视图，其示出了该多个燃料喷嘴；
图4是如图3所示的单个燃料喷嘴的截面侧视图；
图5是如图4所示的燃料喷嘴的剖面透视图；
图6是图3所示的燃料喷嘴构造的上游或者下游视图，其具有成交替的环形构型的五个燃料喷嘴以及该交替的环形构型内的居中地定位的燃料喷嘴；
图7是另一燃料喷嘴构造的上游或下游视图，其具有成交替的环形构型的四个燃料喷嘴以及该交替的环形构型内的居中地定位的燃料喷嘴；且
图8另一燃料喷嘴构造的上游或下游视图，其具有成交替的环形构型的四个燃料喷嘴而没有居中地定位的燃料喷嘴。
部件列表：
  10   涡轮机系统
  12   燃烧器
  14   燃料喷嘴
  16   第一组燃料喷嘴
  18   第二组燃料喷嘴
  20   第三组燃料喷嘴
  22   燃料供应流
  24   燃料供应流
  26   燃料供应流
  28   涡轮
  30   排气出口
  32   轴
  34   压缩机
  36   进气口
  38   第一压缩空气流
  40   第二压缩空气流
  42   第三压缩空气流
  44   负载
  46   控制器
  48   涡轮叶片
  50   压缩机叶片
  52   燃烧器头端
  54   端盖
  56   端盖基面
  58   密封接头
  60   外周壁
  62   喷嘴中心主体
  64   空气燃料预混合器
  66   空气入口
  68   燃料入口
  70   旋流导叶
  72   混合通道
  74   燃料通道
  76   轴向方向或轴
  78   径向方向或轴
  80   周向方向或轴
  82   燃料流动方向
  84   内端壁
  86   反向燃料流动方向
  88   反向流动通道
  90   壁
  92   出口腔室
  94   燃料流动方向
  96   分隔器
  98   燃料喷射端口
  100   空气流
  102   空气燃料混合流
  104   上游端部部分
  106   下游端部部分
  108   第一侧
  110   第二侧
  114   空气燃料混合物旋流方向
  116   交替的环形构型
  118   第一旋转旋流方向
  120   第二旋转旋流方向
  122   第三旋转旋流方向
  124   切点
具体实施方式
以下将描述本发明的一个或多个具体实施例。为了提供对这些实施例的简明描述，可能不会在说明书中描述实际实现的所有特征。应当理解，如在任何工程或设计项目中开发任何这种实际实现时，必须作出许多关于实现特定的决定，以实现开发人员的具体目标，例如符合与系统有关及与商业有关的约束，开发人员的具体目标可在不同的实现之间彼此有所改变。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但尽管如此，对受益于本公开的普通技术人员来说，这种开发工作将是设计、生产和制造的例行任务。
当介绍本发明的各实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意图表示存在一个或多个该元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图为包括性的，且其表示除了列出的元件之外可存在另外的元件。
所公开的实施例包括用于显著降低涡轮机系统的燃烧器中使用的燃料的量、同时还最小化由涡轮机系统产生的CO的量的系统和方法。特别地，所公开的实施例提供了将在相反的方向上引起旋流的第一组燃料喷嘴和第二组燃料喷嘴布置成交替的环形型式，使得来自相邻的燃料喷嘴的空气燃料混合物的相对速度大致为零。这有助于降低相邻的空气燃料混合物之间的切变，并且还有助于在调低(turndown)(例如，涡轮机系统使用的燃料逐渐减少)期间降低相邻的供应燃料的以及未供应燃料的流之间的紊流热-质(heat-mass)交换，从而使得能够进行更快的CO氧化，这又会减少由涡轮机系统所产生的CO的量。减少涡轮机系统产生的CO的量的能力允许有进一步的调低能力。涡轮机系统的增强的调低会导致在负载减少时间期间使用更少的燃料而不用关断以及随后启动涡轮机系统的单元，从而提高了涡轮机系统的可靠性和灵活性二者。
图1是具有带有多个燃料喷嘴14的燃烧器12的涡轮机系统10的一个实施例的示意性流程图。如以下更详细地描述的，该多个燃料喷嘴14可包括独立地受控制的燃料喷嘴14的组。更具体而言，该多个独立地受控制的燃料喷嘴14可包括第一组燃料喷嘴16、第二组燃料喷嘴18以及第三组燃料喷嘴20，它们可彼此独立地受控制。另外，第一组燃料喷嘴16、第二组燃料喷嘴18以及第三组燃料喷嘴20可构造成以便在彼此相反的方向上产生旋流。例如，在某些实施例中，第一组燃料喷嘴16中的燃料喷嘴可构造成以便在与第二组燃料喷嘴18中的燃料喷嘴相反的方向上旋流空气燃料混合物(或者，在某些情况下，仅空气)。另外，可使用任意数量的燃料喷嘴组。例如，燃烧器12可与4、5、6、7、8、9、10或者更多组燃料喷嘴相关联。
涡轮机系统10可使用液体或气体燃料，例如天然气和/或富氢合成气。如所描绘的，燃料喷嘴14吸入多个燃料供应流22，24，26。更具体而言，第一组燃料喷嘴16可吸入第一燃料供应流22，第二组燃料喷嘴18可吸入第二燃料供应流24，且第三组燃料喷嘴20可吸入第三燃料供应流26。如以下更详细地描述的，各个燃料供应流22，24，26可与相应的空气流混合，并且作为空气燃料混合物被分配到燃烧器12中。
空气燃料混合物在燃烧器12内的腔室中燃烧，从而产生热的加压排气。燃烧器12引导排气通过涡轮28而朝向排气出口30。在排气穿过涡轮28时，气体推动一个或者多个涡轮叶片来使轴32沿着涡轮机系统10的轴线旋转。如图所示，轴32可连接到涡轮机系统10的各构件上，包括压缩机34。压缩机34也包括可联接到轴32上的叶片。当轴32旋转时，压缩机34内的叶片也旋转，从而压缩来自进气口36的空气通过压缩机34并且进入燃料喷嘴14和/或燃烧器12。更具体而言，如以下更详细地描述的，第一压缩空气流38可被导入第一组燃料喷嘴16，第二压缩空气流40可被导入第二组燃料喷嘴18，而第三压缩空气流42可被导入第三组燃料喷嘴20。轴32还可连接到负载44上，负载44可为车辆或者固定负载，例如，诸如发电站中的发电机或者飞行器上的推进器。负载44可包括能够由涡轮机系统10的旋转输出供以动力的任何合适的装置。
另外，如以下更详细地描述的，涡轮机系统10可包括控制器46，控制器46配置成控制分别进入第一组燃料喷嘴16、第二组燃料喷嘴18以及第三组燃料喷嘴20的第一燃料供应流22、第二燃料供应流24和第三燃料供应流26。更具体而言，第一燃料供应流22、第二燃料供应流24和第三燃料供应流26可由控制器46彼此独立地控制。例如，控制器46可配置成以便控制第一组燃料喷嘴16、第二组燃料喷嘴18和第三组燃料喷嘴20上游的阀、泵等等，以便独立地改变第一燃料供应流22、第二燃料供应流24和第三燃料供应流26。这样，第一燃料供应流22、第二燃料供应流24和第三燃料供应流26和它们的相应的第一组燃料喷嘴16、第二组燃料喷嘴18和第三组燃料喷嘴20可构成可由控制器46独立地控制的三个不同的燃料供应回路。更具体而言，在某些实施例中，控制器46可配置成启用或者停用通过相应的第一组燃料喷嘴16、第二组燃料喷嘴18和第三组燃料喷嘴20的第一燃料供应流22、第二燃料供应流24和第三燃料供应流26中的各个，以便改变进入涡轮机系统10的燃烧器12的燃料的总流量，从而使得涡轮机系统10能够有更灵活的调低。
图2是如图1所示的涡轮机系统10的一个示例性实施例的截面侧视图。涡轮机系统10包括位于一个或者多个燃烧器12内部的一个或者多个燃料喷嘴14。在操作中，空气通过进气口36进入涡轮机系统10，并且在压缩机34中被加压。然后压缩空气可与燃料混合，以便在燃烧器12内燃烧。例如，燃料喷嘴14可以针对最优燃烧、排放、燃料消耗以及功率输出而言合适的比率将燃料空气混合物喷射到燃烧器12中。燃烧产生热的加压排气，加压排气然后驱动涡轮28内的一个或者多个叶片48来使轴32旋转，且因而驱动压缩机34和负载44。涡轮叶片48的旋转导致轴32旋转，从而致使压缩机34内的叶片50吸入由进气口36接收的空气并且对其加压。
图3是具有端盖54的燃烧器头端52的一个实施例的详细透视图，其中多个燃料喷嘴14通过密封接头58附连到端盖基面56上。头端52引导来自压缩机34的压缩空气以及燃料通过端盖54而到达各个燃料喷嘴14，燃料喷嘴14至少部分地将压缩空气与燃料在其进入燃烧器12中的燃烧区中之前预混合为空气燃料混合物。如以下更详细地论述的，该燃料喷嘴14可包括构造成以便在空气流径中引起旋流的一个或者多个旋流导叶，其中各个旋流导叶包括构造成以便将燃料喷射到空气流径中的燃料喷射端口。
在某些实施例中，燃料喷嘴14包括第一组燃料喷嘴16，第二组燃料喷嘴18和第三组燃料喷嘴20。在所示实施例中，第一组燃料喷嘴16包括三个燃料喷嘴，第二组燃料喷嘴18包括两个燃料喷嘴，且第三组燃料喷嘴20包括仅一个燃料喷嘴。如图所示，第一组燃料喷嘴16和第二组燃料喷嘴18在端盖基面56周围设置成交替的环形型式。在所示实施例中，第三组燃料喷嘴20包括居中地定位在第一组燃料喷嘴16和第二组燃料喷嘴18的交替的环形型式内部的仅一个燃料喷嘴。因此，在绕着居中地定位的燃料喷嘴20的周向方向上，交替的环形型式可从第一组燃料喷嘴16中的燃料喷嘴中的一个更替到第二组燃料喷嘴18中的燃料喷嘴中的一个，更替到第一组燃料喷嘴16中的燃料喷嘴中的另一个等等。如以下更详细地描述的，第一组燃料喷嘴16的各个燃料喷嘴可包括旋流机构(例如，一个或者多个旋流导叶)，其构造成以便沿着与第二组燃料喷嘴18的各个燃料喷嘴中的旋流机构相反的方向在空气燃料混合物(或者在某些情况下仅在空气中)中产生旋流。
虽然第一组燃料喷嘴16和第二组燃料喷嘴18在本文中呈现为设置成交替的环形型式，但是在第一组燃料喷嘴16和第二组燃料喷嘴18中具有不同数量(例如，一个奇数及一个偶数)(例如，分别为2和1，3和2，4和3，5和4，6和5，7和6，8和7，9和8，10和9，11和10等等)的燃料喷嘴的实施例中，同一组中的两个或更多个燃料喷嘴可设置成彼此相邻。例如，在图3所示的实施例中，第一组燃料喷嘴16的两个燃料喷嘴设置成彼此相邻，因为在第一组燃料喷嘴16(例如，三个)中比在第二组燃料喷嘴18(例如，两个)中有多一个的燃料喷嘴。然而，在第一组燃料喷嘴16和第二组燃料喷嘴18中具有相同数量的燃料喷嘴(例如，分别为2和2，3和3，4和4，5和5，6和6，7和7，8和8，9和9，10和10等等)的实施例中，燃料喷嘴可在端盖基面56的整个周边的周围设置成交替的环形型式。
另外，如以下更详细地描述的，第一组燃料喷嘴16、第二组燃料喷嘴18和第三组燃料喷嘴20可全部彼此独立地受控制。例如，通过第一组燃料喷嘴16的燃料的第一流率可与通过第二组燃料喷嘴18的燃料的第二流率分开来受控制，通过第一组燃料喷嘴16的燃料的第一流率可与通过第三组燃料喷嘴20的燃料的第三流率分开来受控制，且通过第二组燃料喷嘴18的燃料的第二流率可与通过第三组燃料喷嘴20的燃料的第三流率分开来受控制。
独立地控制通过第一组燃料喷嘴16、第二组燃料喷嘴18和第三组燃料喷嘴20的燃料的流动的能力可使得进入燃烧器12的总的燃料流率能够在涡轮机系统10的操作期间被调低(例如被降低)。例如，在图3所示的实施例中，总燃料流率可被调低，使得燃料从总共六个燃料喷嘴14流动减少到仅从一个燃料喷嘴14流动。更具体而言，如表1所示，当第一组燃料喷嘴16、第二组燃料喷嘴18以及第三组燃料喷嘴20全被启用时(例如模式6)，燃料可以满流量流动通过所有六个燃料喷嘴14。然后，如表1中所概括的(例如模式1-5)，通过停用以及启用第一组燃料喷嘴16、第二组燃料喷嘴18以及第三组燃料喷嘴20，总燃料流率可逐渐被调低。当停用通过给定的燃料喷嘴14的燃料时，仍可允许来自压缩机34的压缩空气流动通过燃料喷嘴14。通过某些燃料喷嘴14的纯空气流与通过其它燃料喷嘴14的空气燃料混合物之间的相互作用将在下文中更加详细地描述。
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表1
虽然所示的实施例描绘了第一组燃料喷嘴16具有三个燃料喷嘴，第二组燃料喷嘴18具有两个燃料喷嘴，而第三组燃料喷嘴20具有单个居中地定位的燃料喷嘴，但是其它合适的数量和布置的燃料喷嘴可通过接头58附连到端盖基面56上。例如，在另一实施例中，第一组燃料喷嘴16和第二组燃料喷嘴18两者可都具有两个燃料喷嘴，而第三组燃料喷嘴20可具有单个居中地定位的燃料喷嘴。事实上，第一组燃料喷嘴16和第二组燃料喷嘴18可包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或者更多个燃料喷嘴。然而，大体上，第一组燃料喷嘴16将或者与第二组燃料喷嘴18具有相同数量的燃料喷嘴，或者将与第二组燃料喷嘴18相比有多一个燃料喷嘴。另外，代替单个居中地定位的燃料喷嘴，第三组燃料喷嘴20可包括定位在第一组燃料喷嘴16和第二组燃料喷嘴18的交替的环形型式内部的1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或者更多个燃料喷嘴。
图4是燃料喷嘴14的一个实施例的截面侧视图。在所示实施例中，燃料喷嘴14包括外周壁60和设置在外周壁60内的喷嘴中心主体62。外周壁60可描述为燃烧管，而喷嘴中心主体62可描述为燃料供应管。燃料喷嘴14还可包括空气燃料预混合器64、空气入口66、燃料入口68、旋流导叶70、混合通道72(例如，用于混合空气与燃料的环形通道)以及燃料通道74。旋流导叶70构造成以便在燃料喷嘴14内引起旋流流动。因而，考虑到此旋流特征，燃料喷嘴14可描述为旋流喷嘴(swozzle)。应注意的是，燃料喷嘴14的各个方面可参照轴向方向或者轴76、径向方向或者轴78以及周向方向或者轴80来描述。例如，轴76对应于纵向中心线或者长度方向，轴78对应于相对于纵向中心线的横跨方向或径向方向，而轴80对应于绕着纵向中心线的周向方向。
如图所示，燃料可通过燃料入口68进入燃料通道74而进入喷嘴中心主体62。燃料可沿轴向76在下游方向上行进(如箭头82所指示)，通过喷嘴中心主体62的整个长度，直到其冲击在燃料通道74的内端壁84(例如，下游端部部分)上，于是燃料反向流动，如箭头86所示，并且进入沿着上游轴向方向的反向流动通道88。为了论述的目的，用语下游可表示燃烧气体通过燃烧器12朝向涡轮28的流动的方向，而用语上游可表示远离燃烧气体通过燃烧器12朝向涡轮28的流动方向的方向，或者与燃烧气体通过燃烧器12朝向涡轮28的流动方向相反的方向。
在与端壁84相对的反向流动通道88的沿轴向76延伸的端部处，燃料冲击在壁90(例如，上游端部部分)上并且行进到出口腔室92(例如，上游空腔或通道)中，如箭头94所示。在某些实施例中，燃料可在分隔器96周围传送并且传送到出口腔室92中，由此燃料可从出口腔室92通过旋流导叶70中的燃料喷射端口98被排出，此处，燃料可与从空气入口66流动通过混合通道72(如箭头100所示)的空气混合。例如，燃料喷射端口98可相对于空气流沿横跨方向喷射燃料，以便引起混合。类似地，旋流导叶70引起空气与燃料的旋流流动，从而提高空气与燃料的混合。空气燃料混合物离开空气燃料预混合器64并且随着其流动通过混合通道72而继续混合，如箭头102所示。通过混合通道72的空气与燃料的该继续混合允许离开混合通道72的空气燃料混合物在其进入燃烧器12时基本完全混合，在燃烧器12中，混合的空气与燃料可燃烧。
图5是在图4的弓形线5-5内得到的燃料喷嘴14的一个实施例的剖面透视图。燃料喷嘴14包括绕着喷嘴中心主体62沿周向设置的旋流导叶70，其中旋流导叶70从喷嘴中心主体62沿径向向外延伸到外周壁60。如图所示，各个旋流导叶70是具有出口腔室92和分隔器96的中空主体(例如，中空的翼形主体)。燃料在分隔器96周围在非线性路径中沿上游行进到出口腔室92，且然后通过燃料喷射端口98离开出口腔室92。
旋流导叶70构造成以便使流动旋流，且因此引起空气燃料绕着轴76在周向方向80上混合。如图所示，各个旋流导叶70从上游端部部分104向下游端部部分106拐弯或弯曲。特别地，上游端部部分104大体在沿着轴76的轴向方向上定向，而下游端部部分106大体成角度、弯曲或远离沿着轴76的轴向方向而导向。结果，各个旋流导叶70的下游端部部分106偏置或引导流进入绕着轴76的旋转路径(例如，旋流流动)。该旋流流动增强了在输送到燃烧器12之前在燃料喷嘴14内的空气燃料混合。各个旋流导叶70可在旋流导叶70的第一侧108和/或第二侧110上包括燃料喷射端口98。第一侧108和第二侧110可结合来形成旋流导叶70的外表面。例如，如上所述，第一侧108和第二侧110可限定翼形表面。
因此，如上所述，燃料喷嘴14的旋流导叶70的物理形状可绕着燃料喷嘴14的纵向中心线在周向方向上引起空气燃料混合物的旋流，如箭头114所示。更具体而言，各个旋流导叶70的下游端部部分106可偏置或者引导空气燃料混合物进入绕着轴76的旋转路径(例如，旋流流动)。虽然在图5中示为相对于轴76引起逆时针方向的旋转旋流，但是在其它实施例中，燃料喷嘴14的旋流导叶70可设计成使得引起相对于轴76的顺时针的旋转旋流。事实上，图4和5中所示的实施例仅仅是可使用而不意图为限制性的旋流燃料喷嘴(“旋流喷嘴”)设计的类型的示例。可结合其它旋流喷嘴设计。
事实上，如以下更详细地描述的，第一组燃料喷嘴16，第二组燃料喷嘴18或第三组燃料喷嘴20中的各个燃料喷嘴可构造成以便在与第一组燃料喷嘴16，第二组燃料喷嘴18或第三组燃料喷嘴20中的另一组中的各个燃料喷嘴相反的旋转旋流方向上使空气燃料混合物旋流。例如，在某些实施例中，第一组燃料喷嘴16中的所有的燃料喷嘴可构造成以便使空气燃料混合物在第一旋转旋流方向上旋流，而第二组燃料喷嘴18中的所有燃料喷嘴可构造成以便在第二旋转旋流方向上使空气燃料混合物旋流，其中第一旋转旋流方向与第二旋转旋流方向相反。
例如，图6是图3所示的燃料喷嘴构造的上游或下游视图。如图所示，第一组燃料喷嘴16和第二组燃料喷嘴18设置成交替的环形构型116(例如，第一组燃料喷嘴16中的燃料喷嘴中的一个之后是第二组燃料喷嘴18中的燃料喷嘴中的一个，之后是第一组燃料喷嘴16中的燃料喷嘴中的另一个，等等)。如上所述，第一组燃料喷嘴16中的各个燃料喷嘴可构造成以便在第一旋转旋流方向118上引起旋流，而第二组燃料喷嘴18中的各个燃料喷嘴可构造成以便在第二旋转旋流方向120上引起旋流，其中第一旋转旋流方向118与第二旋转旋流方向120相反。特别地，在图6所示的实施例中，第一组燃料喷嘴16中的各个燃料喷嘴构造成以便在顺时针旋转方向118上引起旋流，而第二组燃料喷嘴18中的各个燃料喷嘴构造成以便在逆时针旋转方向120上引起旋流。
在所示实施例中，第三组燃料喷嘴20包括居中地定位在第一组燃料喷嘴16和第二组燃料喷嘴18的交替的环形构型内的单个燃料喷嘴。居中地定位的燃料喷嘴20可构造成以便在第三旋转旋流方向122上引起旋流。特别地，在图6中所示的实施例中，居中地定位的燃料喷嘴20构造成以便在顺时针方向122上引起旋流。这样，居中地定位的燃料喷嘴20可构造成以便在与第一组燃料喷嘴16中的各个燃料喷嘴相同的旋转旋流方向上、且与第二组燃料喷嘴18中的各个燃料喷嘴相反的旋转旋流方向上引起旋流。
另外，在某些实施例中，可使用多排沿周向定位的燃料喷嘴。例如，燃料喷嘴构造可包括绕着居中地定位的燃料喷嘴设置的2、3、4、5、6或更多个同心的燃料喷嘴排。各排燃料喷嘴可包括绕着相应的排以交替的方式构造的第一组燃料喷嘴16和第二组燃料喷嘴18。另外，在某些实施例中，各个相应的燃料喷嘴排中的燃料喷嘴大小可不同。例如，居中地定位的燃料喷嘴20可与图6所示的第一燃料喷嘴排中的燃料喷嘴大小不同(例如，具有不同的燃烧管构造、不同的空气流量，等等)。
因为第一组燃料喷嘴16中的各个燃料喷嘴在与由第二组燃料喷嘴18引起的第二旋转旋流方向120相反的第一旋转旋流方向118上引起旋流，交替的环形构型116中的各个相邻的燃料喷嘴之间的、切点124(例如，来自相邻的燃料喷嘴的空气燃料混合物的流动交叉路径所处的点)处的空气燃料混合物的相对速度(即，速度差)可显著降低。例如，相反地，如果相邻的燃料喷嘴的第一旋转旋流方向118和第二旋转旋流方向120处在相同的方向上，则切点124处的空气燃料混合物的相对速度将大致为各个空气燃料混合物的单独的周向速度的两倍，从而导致相邻的空气燃料混合物之间的增大的切变和更多的紊流热-质交换。换言之，相对速度将是相加的(例如两倍的切变)，因为空气燃料混合物将在切点124处沿着相反的方向流动。然而，在所示实施例中，因为第一旋转旋流方向118与第二旋转旋流方向120相反，所以空气燃料混合物的相对速度大致为零(例如，零切变)，因为空气燃料混合物在切点124处沿着相同的方向流动。类似地，因为居中地定位的燃料喷嘴20在与由第二组燃料喷嘴18引起的第二旋转旋流方向120相反的第三旋转旋流方向122上引起旋流，这些燃料喷嘴之间的、切点124处的空气燃料混合物的相对速度也可显著降低。
相邻的燃料喷嘴之间的空气燃料混合物的相对速度的该降低可在燃烧器12的调低期间特别有益。在涡轮机系统10的较低负载处，可启用较少的燃料喷嘴(例如，具有流过它们的燃料)。例如，以上描述的模式2-4是其中第一组燃料喷嘴16或第二组燃料喷嘴18停用(例如，不具有流过它们的燃料)的情况。在这些停用模式期间，来自启用(例如，供应燃料的)的组的燃料喷嘴的火焰仅与来自停用(例如，未供应燃料的)的组的燃料喷嘴的冷却空气相互作用。例如，假设图6所示的实施例以模式4操作，则第一组燃料喷嘴16和第三组燃料喷嘴20可被供应燃料，而第二组燃料喷嘴18可不被供应燃料。这样，来自第一组燃料喷嘴16和第三组燃料喷嘴20的火焰可仅与来自第二组燃料喷嘴18的冷却空气相互作用。
因此，通过针对燃料喷嘴组中的一组(例如，图6所示的实施例中的第二组燃料喷嘴18)对燃料喷嘴的旋流导叶70进行小的修改(例如相反的旋流方向)，相邻的燃料喷嘴之间的切变和紊流热-质交换的效应可显著降低。这可使得能够在输送到涡轮机系统10的燃烧器12的空气燃料混合物中有更快的CO氧化，从而允许有增强的调低能力，例如，如上所述，一直减小到模式1。这样，就可在低负载时段期间使用较少的燃料，且可减少关断以及启动涡轮机系统10的单元的需要。
如上所述，图6所示的实施例不是可用的燃料喷嘴的唯一构造。例如，图7和8显示了燃料喷嘴的两种其它示例性构造。在图7和8两者中所示的实施例中，第一组燃料喷嘴16和第二组燃料喷嘴18设置成交替的环形构型116，且各组具有两个燃料喷嘴。再次，第一组燃料喷嘴16中的各个燃料喷嘴可构造成以便在第一旋转旋流方向118上引起旋流，而第二组燃料喷嘴18中的各个燃料喷嘴可构造成以便在第二旋转旋流方向120上引起旋流，其中第一旋转旋流方向118与第二旋转旋流方向120相反。图7和8中所示的两个实施例之间的主要差别在于仅图7中所示的实施例在交替的环形构型116内包括居中地定位的燃料喷嘴20。
另外，图7和8中所示的两个另外的实施例不是可使用的燃料喷嘴的仅有的其它构造。例如，如上所述，第一组燃料喷嘴16和第二组燃料喷嘴18可包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多个燃料喷嘴。然而，大体而言，第一组燃料喷嘴16将或者与第二组燃料喷嘴18具有相同数量的燃料喷嘴，或者将比第二组燃料喷嘴18具有多一个燃料喷嘴。另外，代替单个居中地定位的燃料喷嘴，第三组燃料喷嘴20可包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多个定位在第一组燃料喷嘴16和第二组燃料喷嘴18的交替的环形构型内的燃料喷嘴。另外，如图8所示，这些实施例中的任一个可不具有第三组燃料喷嘴20。
所公开的实施例的技术效果包括提供了用于调低(例如减少)通过涡轮机系统10的燃烧器12的多个燃料喷嘴的总燃料流的量、同时使在燃料于燃烧器12内燃烧期间由涡轮机系统10产生的CO的量最小化的系统和方法。特别地，如上所述，第一组燃料喷嘴16和第二组燃料喷嘴18可布置成交替的环形构型，使得来自相邻的燃料喷嘴的空气燃料混合物的相对速度基本上最小化。
如上所述，控制器46可配置成通过控制第一组燃料喷嘴16、第二组燃料喷嘴18和第三组燃料喷嘴20上游的阀、泵等等来独立地控制分别进入第一组燃料喷嘴16、第二组燃料喷嘴18以及第三组燃料喷嘴20的燃料的量。这样，第一组燃料喷嘴16、第二组燃料喷嘴18和第三组燃料喷嘴20可构成可由控制器46独立地控制的三个不同的燃料供应回路。更具体而言，如上所述，控制器46可配置成启用或者停用通过第一组燃料喷嘴16、第二组燃料喷嘴18和第三组燃料喷嘴20的燃料流，以改变进入涡轮机系统10的燃烧器12的燃料的总流量，从而使得涡轮机系统10能够更灵活地调低。在某些实施例中，控制器46可为特别地配置以用来控制第一组燃料喷嘴16、第二组燃料喷嘴18和第三组燃料喷嘴20上游的阀、泵等等的物理计算装置。更具体而言，控制器46可包括用于确定如何来控制控制阀、泵等等的输入/输出(I/O)装置。另外，在某些实施例中，控制器46还可包括用于存储历史数据、理论性能曲线等等的存储介质。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域任何技术人员能够执行本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有不同于权利要求书的字面语言的结构元素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言没有实质差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种系统，包括：
第一组多个燃料喷嘴(16)，各自包括第一空气通道(66)、第一燃料通道(74)以及具有第一旋流方向(118)的第一旋流机构(70)；
第二组多个燃料喷嘴(18)，各自包括第二空气通道(66)、第二燃料通道(74)以及具有第二旋流方向(120)的第二旋流机构(70)，其中，所述第一组多个燃料喷嘴和第二组多个燃料喷嘴(16，18)布置成交替的环形型式(116)，且所述第一旋流方向和第二旋流方向(118，120)彼此相反；以及
控制器(46)，配置成彼此独立地控制通过所述第一燃料通道(74)的第一燃料流率和通过所述第二燃料通道(74)的第二燃料流率。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器(46)包括启用通过所述第一燃料通道和第二燃料通道(74)的第一燃料流率和第二燃料流率的第一操作模式，其中所述第一操作模式允许空气流通过所述第一空气通道和第二空气通道(66)。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制器(46)包括停用通过所述第一燃料通道(74)的第一燃料流率的第二操作模式，其中所述第二操作模式允许空气流通过所述第一空气通道和第二空气通道(66)，且所述第二操作模式允许有通过所述第二燃料通道(74)的第二燃料流率。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述控制器(46)包括停用通过所述第二燃料通道(74)的第二燃料流率的第三操作模式，其中所述第三操作模式允许空气流通过所述第一空气通道和第二空气通道(66)，所述第三操作模式允许有通过所述第一燃料通道(74)的第一燃料流率，且所述第一组多个燃料喷嘴和第二组多个燃料喷嘴(16，18)具有不同数量的燃料喷嘴(14)。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一组多个燃料喷嘴(16)包括偶数数量的燃料喷嘴(14)，且所述第二组多个燃料喷嘴(18)包括奇数数量的燃料喷嘴(14)。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括设置在所述交替的环形型式(116)内的中心位置处的中心燃料喷嘴(20)，其中，所述中心燃料喷嘴(20)包括第三空气通道(66)、第三燃料通道(74)以及具有第三旋流方向(122)的第三旋流机构(70)，且其中，所述控制器(46)配置成独立于通过所述第一燃料通道和第二燃料通道(74)的第一燃料流率和第二燃料流率来控制通过所述第三燃料通道(74)的第三燃料流率。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制器(46)包括启用第一燃料流率、第二燃料流率和第三燃料流率的第一操作模式，启用第三燃料流率并且停用第一燃料流率和第二燃料流率的第二操作模式，以及启用第一燃料流率并且至少停用第二燃料流率的第三操作模式。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一组多个燃料喷嘴(16)具有仅三个燃料喷嘴(14)，所述第二组多个燃料喷嘴(18)具有仅两个燃料喷嘴(14)，且所述中心燃料喷嘴(20)具有仅一个燃料喷嘴(20)。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一旋流机构(70)包括设置在所述第一空气通道(66)中的第一旋流导叶(70)，且所述第二旋流机构(70)包括设置在所述第二空气通道(66)中的第二旋流导叶(70)。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述第一旋流导叶(70)包括联接到所述第一燃料通道(74)上的第一燃料端口(98)，且所述第二旋流导叶(70)包括联接到所述第二燃料通道(74)上的第二燃料端口(98)。
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