CN102155297A - 二次燃烧燃料供应系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及二次燃烧燃料供应系统，具体而言，提供了将燃料提供给燃气涡轮发动机(12)内的二次燃烧区(56)的系统。在一个实施例中，一种系统包括过渡件支撑结构(63)，该过渡件支撑结构(63)自压缩机外壳(62)延伸并构造成支撑燃气涡轮发动机(12)的燃烧器过渡件(38)。燃料通道(70，76，82，84，86)与支撑结构(63)结合。

Description

二次燃烧燃料供应系统

技术领域

本文公开的主题涉及用于燃气涡轮发动机的燃料供应系统，并且更具体地，涉及可用来将燃料提供给燃气涡轮发动机内的二次燃烧系统(secondary combustion system)的燃料供应系统。

背景技术

一般而言，燃气涡轮机燃烧压缩空气和燃料的混合物，以产生热的燃烧气体。由于更高百分比的压缩空气和燃料被燃烧，燃气涡轮发动机效率可以增加。然而，燃烧温度也可能增加，并且在高温下，形成受政府法规管制的比如氧化氮和二氧化氮的混合物(统称为NOx)。因此，可能希望在一次反应区(primary reaction zone)的下游喷射至少一部分燃料，这就可允许在不实质上增加总温度的情况下燃烧附加燃料。然而，将燃料提供给一次反应区域下游的区域可能是困难的。

发明内容

以下概述了与原始要求保护的发明在范围上相称的某些实施例。这些实施例不意图限制所要求保护的发明的范围，而是这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简要概括。实际上，本发明可包括与下文提出的实施例相似或不同的多种形式。

在第一实施例中，一种系统包括用于将燃烧器过渡件安装在燃气涡轮发动机内的安装托架和与安装托架结合的燃料通道。

在第二实施例中，一种系统包括过渡件支撑结构，该支撑结构自压缩机外壳延伸并构造成支撑燃气涡轮发动机的燃烧器过渡件。该系统也包括与过渡件支撑结构结合的燃料通道。

在第三实施例中，一种系统包括燃烧器，该燃烧器配置成在一次反应区域内燃烧一次燃料源并在该一次反应区下游的二次反应区内燃烧二次燃料源。该系统还包括构造成将一次燃料源喷入一次反应区内的一次燃料喷射器、构造成将二次燃料源喷入二次反应区内的二次燃料喷射器、构造成支撑将燃烧器连接到燃气涡轮发动机上的燃烧器过渡件的过渡件支撑结构、用于将燃烧器过渡件安装到过渡件支撑结构上的安装托架、以及与安装托架结合并构造成将二次燃料源引入二次燃料喷射器的燃料通道。

附图说明

当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，其中，在全部附图中，相同的符号表示相同的部件，其中：

图1是可使用二次燃烧燃料供应系统的燃气涡轮发动机的一个实施例的示意性流程图；

图2是通过纵向轴线剖切的图1的燃气涡轮发动机的一个实施例的截面视图；

图3是沿线3-3剖取的图2的燃气涡轮发动机的一部分的横截面视图，描绘了燃烧器和燃料供应系统的一个实施例；

图4是沿线4-4剖取的图3的燃气涡轮发动机的一部分的横截面视图，描绘了燃料供应系统的一个实施例；

图5是可用于图1的燃气涡轮发动机中的燃料供应系统的另一个实施例的横截面视图；

图6是沿线6-6剖取的图5的燃料供应系统的底视透视图；以及

图7是沿线7-7剖取的图4的燃料供应系统的底视透视图。

具体实施方式

以下将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了提供对这些实施例的简要描述，在本说明书中可能不描述实际实施方式的全部特征。应该理解的是，在任何此类实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中一样，必须做出许多实施方式特定的决定来达成开发者的特定目标，例如遵循系统相关和业务相关的限制，这可能从一个实施方式到另一个实施方式而不同。而且，应该理解的是，此类开发努力可能是复杂而耗时的，但对于那些受惠于本发明公开的本领域技术人员仍将成为设计、制造以及生产中的日常工作。

当介绍本发明的各种实施例的要件时，用词“一”、“一个”、“该”以及“所述”意在指存在一个或多个要件。用词“包括”、“包含”以及“具有”意在为包括性的，并且表示除了所列举的要件之外可能还有另外的要件。

本公开涉及燃料供应系统，该燃料供应系统设计成为燃气涡轮发动机内的二次反应区提供燃料。通常，燃气涡轮发动机可包括燃烧燃料和压缩空气以产生热燃烧气体的一次反应区。热燃烧气体然后向下游流到二次反应区，在此处可供应附加燃料以促进进一步的燃烧。一次反应区可设置在燃烧器的头端(例如，上游区域)附近，并因此燃料可通过从头端伸入燃烧器的燃料喷嘴供应到一次反应区。二次反应区可定位在下游并进一步远离头端，在位于燃气涡轮发动机外壳内的燃烧器的一部分中。因此，用于二次反应区的燃料可通过包括在燃气涡轮发动机外壳内的区域引导。

燃气涡轮发动机外壳内的区域在运行期间会经受振动，并可在初始安装和/或维修期间进入，以组装、替换和/或更新燃气涡轮发动机的构件。为了避免阻塞到燃气涡轮发动机内的燃气涡轮发动机构件的入口，可能希望将用于二次反应区的燃料供应通道结合到燃气涡轮发动机的现有构件中。例如，燃料通道可结合到用于燃气涡轮发动机的过渡件的安装结构和/或安装托架中。燃料通道与现有构件的结合可为燃料通道提供稳定的安装环境，这会减少振动。此外，燃料通道与现有构件的结合可允许燃料通道安装在不阻塞到外壳内的燃气涡轮发动机构件的入口的区域内。

图1为包括燃气涡轮发动机12的示例性系统10的方框图，该发动机12可包括一体的燃料供应系统。在某些实施例中，系统10可包括飞机、船舶、机车、发电系统或它们的组合。图示的燃气涡轮发动机12包括进气部分16、压缩机18、燃烧器部分20、涡轮22以及排气部分24。涡轮22经由轴26联接到压缩机18上。

如箭头所指示的，空气可通过进气部分16进入燃气涡轮发动机12并流入压缩机18，压缩机18在空气进入燃烧器部分20之前压缩空气。图示的燃烧器部分20包括在压缩机18和涡轮22之间同心地或环状地置于轴26周围的燃烧器外壳28。来自压缩机18的压缩空气进入燃烧器30，此处压缩空气可在燃烧器30内与燃料混合并燃烧以驱动涡轮22。热燃烧气体从燃烧器部分20流过涡轮22，经由轴26驱动压缩机18。例如，燃烧气体可将动力施加给涡轮22内的涡轮转子叶片，以转动轴26。在流过涡轮22之后，热燃烧气体可通过排气部分24离开燃气涡轮发动机12。

图2是沿纵向轴线29所取的图1的燃气涡轮发动机12的一个实施例的横截面侧视图。燃气涡轮发动机12包括位于燃烧器部分20内的一个或多个燃料喷嘴32。在某些实施例中，燃气涡轮发动机12可包括以环形布置设置的多个燃烧器30。此外，各燃烧器30可包括多个燃料喷嘴32，这些燃料喷嘴以环形或其他布置附接到各燃烧器30的头端上或在各燃烧器30的头端附近。

如参考图1在上文所描述的那样，空气可通过空气进气部分16进入燃气涡轮发动机12，并可被压缩机18压缩。来自压缩机18的压缩空气然后可导入燃烧器部分20，此处压缩空气可与燃料混合。例如，燃料喷嘴32可将燃料-空气混合物以用于最优燃烧、排放、燃料消耗和功率输出的适当比率喷入燃烧器30。

各燃烧器30均可包括一次燃烧系统34和二次燃烧系统36。一般而言，燃料喷嘴32可为一次燃烧系统34的一部分。在一次燃烧系统34内，燃料-空气混合物可燃烧以产生热的、加压的燃烧气体。燃烧气体然后可进入二次燃烧系统36，此处可喷射附加燃料以进一步燃烧燃料-空气混合物。热的加压燃烧气体可从二次燃烧系统36离开燃烧器部分20并通过过渡件38流至涡轮22。在涡轮22内，加压的燃烧气体可使在涡轮22内径向延伸的叶片40转动，以在燃烧气体作为排气通过排气部分24离开之前转动轴26(图1)。

图3描绘了图2的燃烧器部分20，并且图3是沿图2的线3-3截取的。燃料喷嘴32附接到端盖42上，位于燃烧器30的头端附近。一次燃烧系统34包括燃料喷嘴32、外壳46、衬里48和流动套管50。压缩的燃料通过端盖42被引导至各燃料喷嘴32，燃料喷嘴32将燃料分配到一次燃烧系统34内的一次反应区44。可使用任何适宜的燃烧燃料。然而，根据某些实施例，燃料可包括合成的气体(合成气)或其他高反应性燃料(即，具有低甲烷和惰性含量的燃料)，比如氢、乙炔、乙烯、一氧化碳或它们的混合物。此外，可使用液体和/或气体燃烧燃料。

来自压缩机18的空气(图2)可通过增压室52进入燃烧器30，增压室52引导空气通过过渡件38的冲击套管54。根据某些实施例，冲击套管54可包括孔，孔允许空气流入过渡件38和冲击套管54之间的环形区域54。空气然后可通过形成在流动套管50和衬里48之间的环形区域53流向端盖42。当空气到达端盖42时，端盖42可将空气向一次反应区44引回，并且空气可通过燃料喷嘴32并通过形成在盖组件55内的孔进入一次反应区44。

在一次反应区44内，燃料和空气可混合并燃烧以形成燃烧气体。此外，可包括点火装置(比如电激励火花塞)以促进燃烧。例如，在某些实施例中，可在燃气涡轮发动机12的启动时使用点火装置。根据某些实施例，燃料喷嘴32可包括预混合燃料喷嘴，该预混合燃料喷嘴在将燃料引入一次反应区44之前接收空气的一部分并预混合燃料和空气。此外，在某些实施例中，附加构件，比如预燃烧器、预混合器、催化引燃器(catalytic pilot)或引导燃烧器等，可被包括在一次燃烧系统34内。

燃烧气体可从一次反应区44通过燃烧器30流到二次燃烧系统36，在此处可进一步发生燃烧。二次燃烧系统36包括二次反应区56，该二次反应区在燃气涡轮发动机的外壳47内延伸并由衬里48和过渡件38大体上限定。二次燃烧系统36还包括可将燃料喷入二次反应区56的燃料喷射器58。燃料可在二次反应区56内被燃烧气体点燃以促进进一步的燃烧。在某些实施例中，燃料喷射器58还可将诸如空气的稀释剂喷入二次反应区56。其中，燃料喷射器可包括贫燃料直接喷射器(lean direct injector)、预混合直接喷射器或它们的组合。如图所示，燃料喷射器58延伸通过冲击套管54和过渡件38。然而，在其他实施例中，燃料喷射器58可置于更上游，以通过燃烧器衬里伸入二次反应区56。不管它们的相对位置如何，燃料喷射器58可大体上包围在燃气涡轮22的外壳57内。

燃烧器部分20包括燃料供应系统59，该燃料供应系统59可用来将燃料导向二次燃烧系统36内的燃料喷射器58。燃料供应系统59包括位于压缩机18的外壳62内的燃料通道60(图1)。燃料通道60也可延伸通过自压缩机外壳62延伸的支撑结构63和64。例如，支撑结构63可大体上自压缩机外壳62延伸以支撑燃烧器30。根据某些实施例，支撑结构63可联接到燃烧器外壳46和/或燃烧器流动套管50上。

支撑结构64可大体上自外壳62延伸，并可用来支撑过渡件38以及环绕过渡件38的冲击套管54。托架66可自支撑结构64延伸以将过渡件38安装在燃气涡轮22和燃烧器30之间。根据某些实施例，托架66可以是牛角(bullhorn)形的托架，其在现有技术中可称为牛角托架。在某些实施例中，托架66可包括沿过渡件38的表面延伸的翼96(图6)。燃料通道60可延伸通过压缩机外壳62、支撑结构63、支撑结构64和托架66。根据某些实施例，燃料通道60可浇铸到压缩机外壳62中，或可在压缩机外壳中钻孔，例如使用深孔钻。然而，在其他实施例中，如参考图4-7在下文所讨论的那样，燃料通道60可以另一种方式结合到压缩机外壳62、支撑结构63和/或支撑结构64中，比如通过附接到外壳62、支撑结构63和/或支撑结构64的外表面上的管。此外，燃料通道60可以是托架66的轴向和/或圆周向延伸部，以使燃料通道60能够连接到燃料喷射器58上。

比如为凸缘的连接器68可设置在支撑结构63上，并可用来将燃料源联接到燃料通道60上。例如，在某些实施中，连接管线或软管可连接到连接器68上以将燃料通道60连接到用来将燃料提供给燃料喷嘴32的相同燃料源上。然而，在其他实施例中，连接器68可用来将燃料通道60连接到单独的燃料源上。

图4是沿图3的线4-4剖取的图3的燃料供应系统59的一个实施例的详细视图。燃料通道60可包括若干通道部分70，该通道部分70可被连接以形成整个燃料通道60。根据某些实施例，通道部分70可浇铸到压缩机外壳62和/或支撑结构63和64中。在另一个示例中，通道部分70可使用深孔钻在支撑结构63和64内和/或压缩机外壳62中钻制。根据某些实施例，通道部分70可通过压缩机外壳62以及支撑结构64和64的外部表面和内部钻制。

根据某些实施例，燃料通道60可设计成在压缩机外壳62内提供冷却。例如，在运行中，当比压缩机外壳62更冷的燃料被引导通过压缩机外壳62时，燃料可从压缩机外壳62吸收热，从而冷却压缩机外壳62。在某些实施例中，燃料通道60可包括若干弯曲的通道部分70，这增加了燃料通道60在压缩机外壳62内的长度，从而强化冷却效果。燃料通道60所提供的冷却可减少压缩机外壳62的热膨胀，这又可允许压缩机外壳62设计成具有更紧密的配合，这减少了通过压缩机外壳62的流体泄漏。

燃料通道60也可包括结合到托架66中的一个或多个通道76。例如，通道76可在托架66的内部钻制或以其他的方式形成，并可大体上与支撑结构64的通道部分70对齐。密封件78(比如C形密封件)可置于托架66和支撑结构64之间，以促进通道76到通道部分70的连接。此外，接头或连接器80可自托架66中的通道76延伸以便能够连接到燃料喷射器58上。例如，连接器80可以是带螺纹的，并可与燃料喷射器58的互补螺纹端匹配。此外，在某些实施例中，柔性软管可用来将连接器80连接到燃料喷射器58上。

图5描绘了燃料通道60的另一个实施例，此处燃料通道60的某些部分可沿压缩机外壳62、支撑结构63和64的外表面延伸。燃料通道60包括延伸通过支撑结构63的通道82。凸缘68置于支撑结构63上，并可用来将通道82连接到燃料源上。然而，管84可沿外壳62的外表面延伸，而不是在压缩机外壳62内延伸的通道。管84可以是刚性管，比如导管，或柔性管，比如软管。根据某些实施例，管84可包括可焊接到或以其他方式连接到压缩机外壳62的表面上的金属管。如图所示，管84大体上随压缩机外壳62的外围。然而，在其他实施例中，管84可在支撑结构63和64之间延伸，使得在管84和压缩机外壳62之间存在空间。

管84可自支撑结构63延伸到支撑结构64，此处管84可沿支撑结构64的外围向托架66延伸。管84然后可连接到沿托架66的外围延伸的管86上。管86可包括可焊接到或以其他方式连接到托架66和/或支撑结构64的界面上的金属管。此外，在其他实施例中，管86可包括柔性软管。

管86可包括连接到管84上的末端87。管86也可包括可连接到燃料喷射器58上的相对端88。根据某些实施例，末端88可形成螺纹以便于管86连接到燃料喷射器58上。此外，在某些实施例中，末端88可延伸通过冲击套管54内的开口90，并可与过渡件38内的相应开口92对齐。末端88进入冲击套管54和/或过渡件38的延伸部可允许燃料喷射器58置于过渡件38内。燃料喷射器58也可延伸入冲击套管54和过渡件38之间的环形空间，以连接到末端88上。然而，在其他实施例中，燃料喷射器58可完全地置于过渡件38内，而连接器比如软管伸入冲击套管54和过渡件38之间的环形空间，以将燃料喷射器58连接到末端88上。

图6是图5中所示的燃料供应系统59的底部透视图，如线6-6所表示。托架66包括一对翼96，该对翼大体上与冲击套管54的轮廓和/或大体上与在冲击套管54内延伸的过渡件38的轮廓相合。管86大体上沿托架66延伸并包括可连接到管84上的末端87(图5)。如图所示，托架66沿冲击套管54的表面延伸，并可大体上支撑和/或紧固冲击套管54以及相应的过渡件38。如上所述，管86可焊接到或以其他方式连接到托架66上，并且末端88可延伸通过冲击套管54内的开口90。管86进入开口90的延伸部可促进喷射器58到末端88的连接，并可允许喷射器58完全在冲击套管54内延伸。此外，如参考图5所讨论的那样，开口90可与过渡件38内的相应开口92对齐，以允许管末端88伸入过渡件38。

图7是图4中所示的燃料供应系统59的一部分的底部透视图，如线7-7所示。图7中所示的燃料供应系统59包括内部通道76，其可在托架66内浇铸、钻孔或以其他方式内部地形成，而不是如图6所示的沿托架66外部延伸的管86。通道76可连接到在支撑结构64内延伸的通道部分70上，如图4中所示。如参考图4在上文所讨论的那样，密封件78可置于支撑结构64和托架66之间，以阻塞通道76和通道部分70之间的连接处的燃料的泄漏。根据某些实施例，密封件78可大体上环绕托架66和支撑结构64内相应的开口，它们限定燃料通道76和燃料通道部分70。

一个或多个连接器80可自内通道76延伸，并可用来将燃料喷射器58连接到通道76上。根据某些实施例，连接器80可自托架66的两侧延伸，以允许喷射器在托架66的一侧上伸入过渡件38，并在托架66的相对侧上伸入燃烧器衬里48。然而，在其他实施例中，连接器80仅可置于托架66的一侧上。此外，连接器80可自托架66向上延伸，这可允许在远离托架66的位置处连接到伸入过渡件38和/或衬里43的燃料喷射器上。例如，在某些实施例中，柔性软管或其他适当类型的连接器可用来将连接器80连接到燃料喷射器58上，燃料喷射器58径向地置于过渡套管38中，和/或轴向地远离托架66。多个连接器80可允许多个燃料喷射器58连接到燃料供应系统59上。

本文所述的燃料供应系统59可使用结合到压缩机外壳62、支撑结构63、64以及托架66中的不同类型的燃料通道60。如可领会的那样，可使用内通道和外通道的任何组合。此外，连接器80的数目、方向、相对形状和尺寸、和/或位置可以变化。例如，在某些实施例中，连接器80可在过渡件38内延伸，同时在其他实施例中，连接器80可在托架66附近的过渡件38的外侧终止。

本书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，并执行任何结合的方法。本发明可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有无异于权利要求书的字面语言的结构性元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言并无实质性区别的等价结构性元件，则此类其它示例意在处在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种系统，包括：

构造成将燃烧器过渡件(38)安装在燃气涡轮发动机(12)内的安装托架(66)；以及

与所述安装托架(66)结合的燃料通道(76，86)。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述安装托架(66)包括构造成支撑所述燃烧器过渡件(38)的牛角形托架。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述安装托架(66)包括大体上与所述燃烧器过渡件的轮廓相合的一对翼(96)。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料通道(76)位于所述安装托架的内部。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料通道(86)包括联接到所述安装托架(66)的外部上的管。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括连接器(80，88)，所述连接器(80，88)联接到所述燃料通道(76，86)上，并构造成将所述燃料通道(76，86)连接到燃料喷射器(58)上。

7.一种系统，包括：

过渡件支撑结构(63)，其自压缩机外壳(62)延伸并构造成支撑燃气涡轮发动机(12)的燃烧器过渡件(38)；以及

与所述过渡件支撑结构(63)结合的燃料通道(70，76，82，84，86)。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述过渡件支撑结构(63)包括构造成支撑所述燃烧器过渡件(38)的安装托架(66)，并且所述燃料通道(70，84，86)与所述安装托架结合。

9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述燃料通道(70，82)包括内部地延伸通过所述过渡件支撑结构(63)的内部的内部管道。

10.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述燃料通道(84)包括联接到所述过渡件支撑结构(63)上的管。

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