CN102313298A - 用于涡轮发动机的添加剂喷射系统及其组装方法 - Google Patents

用于涡轮发动机的添加剂喷射系统及其组装方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于涡轮发动机的添加剂喷射系统及其组装方法。具体而言，一种添加剂喷射系统(200)包括雾化空气连接(144)以及与该雾化空气连接流连通地联接的添加剂源(206/256)。

Description

用于涡轮发动机的添加剂喷射系统及其组装方法
技术领域
本文所述的实施例大体上涉及旋转机械，并且更具体地说，涉及涡轮发动机燃料喷嘴组件。
背景技术
至少一些已知的涡轮发动机在燃烧器中将燃料-空气混合物点燃以产生燃烧气体，燃烧气体经由热气体通路朝涡轮引导。已知的燃烧器组件包括燃料喷嘴，其将燃料引导至燃烧器的燃烧区。涡轮将燃烧气流的热能转变成用来使涡轮轴旋转的机械能。涡轮的输出可被用来给机械(例如发电机、压缩机或泵)提供动力。
在至少一些已知的涡轮发动机中，在操作期间，燃料和空气的燃烧可将杂质引入燃烧气流中，该杂质可粘附在燃烧器的部分和燃烧区下游的涡轮发动机的部分上。随着时间过去，这样的杂质可在这样的部分上引起腐蚀作用。另外，这样的燃烧可促进不希望的燃烧副产物形成。因此，在至少一些已知的涡轮发动机中，可将抑制剂喷射到燃烧气流中以有助于减少杂质引起的腐蚀和/或不希望的燃烧副产物形成。然而，控制抑制剂浓度和喷射抑制剂所必需的额外的硬件会使涡轮发动机的成本增加至成本超过了来自这样的喷射的可能益处的点。此外，在许多已知的涡轮发动机中，物理空间限制会限制运送和安装这样额外的硬件的通路，并且限制定位额外的壁和外壳穿透(penetration)。
发明内容
一方面，一种用于组装供涡轮发动机使用的添加剂喷射系统的方法包括，将雾化空气连接联接到燃料喷嘴组件上，以及将添加剂源联接到雾化空气连接上。
还有一方面，添加剂喷射系统包括雾化空气连接以及与该雾化空气连接流连通地联接的添加剂源。
另一方面，一种涡轮发动机包括至少一个燃烧器。该发动机还包括至少一个与该至少一个燃烧器流连通地联接的燃料喷嘴组件。该发动机还包括联接到该至少一个燃料喷嘴组件上的雾化空气连接。发动机还包括与该雾化空气连接流连通地联接的添加剂源。
附图说明
通过参考结合附图的下述描述可更好地理解本文所述的实施例。
图1是一示例性涡轮发动机的示意图；
图2是可用于图1中所示的涡轮发动机的一示例性添加剂喷射系统的示意图；以及
图3是显示了组装图2中所示的添加剂喷射系统的一示例性方法的流程图。
项目清单
100燃气涡轮发动机
102进气段
104压缩机段
106燃烧器段
108涡轮段
110排气段
112转子组件
114驱动轴
116燃烧器
118燃料喷嘴组件
120负载
122压缩机叶片
124涡轮动叶
130液体燃料连接
131液体燃料源
132液体燃料流向(flow arrow)
133液体燃料集管(header)
134水喷射连接
135水喷射流向
136气态燃料连接
137气态燃料流向
140雾化空气源
142压缩空气流向
143雾化空气歧管
144雾化空气连接
145压力和流控制装置
146燃料喷嘴主体
148雾化空气通道组件
200添加剂喷射系统
202添加剂-水混合物源
204水流
206水溶性添加剂源
208添加剂流
210添加剂-水混合物歧管
211压力和流控制装置
212添加剂-水混合物流
252油溶性添加剂-溶质混合物源
254溶质流
256油溶性添加剂源
258添加剂流
300方法
302将雾化空气连接联接到燃料喷嘴组件上
304将添加剂源联接到雾化空气连接上
306将水源联接至添加剂-水混合物源
308将水溶性添加剂源联接至添加剂-水混合物源
310将添加剂-水混合物源经由添加剂-水混合物歧管联接到雾化空气连接上
312将添加剂-水混合物歧管联接到雾化空气歧管上
314将压力和流控制装置联接到添加剂-水混合物歧管上
316将雾化空气通道组件定位在燃料喷嘴组件或燃烧器的其中至少一个中
具体实施方式
图1是一示例性涡轮发动机(即，燃气涡轮发动机100)的示意图。在该示例性实施例中，燃气涡轮发动机100包括进气段102。燃气涡轮发动机100还包括在进气段102下游并且与进气段102流连通地联接的压缩机段104。燃烧器段106在压缩机段104下游并且与压缩机段104流连通地联接，并且涡轮段108在燃烧器段106下游并且与燃烧器段106流连通地联接。燃气涡轮发动机100还包括排气段110，其在涡轮段108下游并且与涡轮段108流连通地联接。此外，在该示例性实施例中，涡轮段108经由转子组件112联接到压缩机段104上，转子组件112包括驱动轴114。
此外，在该示例性实施例中，燃烧器段106包括至少一个燃烧器116(图1中仅示出一个)。更具体而言，燃烧器段106被联接到压缩机段104上，从而使燃烧器116与压缩机段104流连通地联接。可选地，燃烧器段106包括多个燃烧器116。燃烧器段106还包括至少一个燃料喷嘴组件118，其中各燃烧器116还与至少一个燃料喷嘴组件118流连通地联接。此外，在该示例性实施例中，涡轮段108和压缩机段104经由驱动轴114而可旋转地联接到负载120上。例如，负载120可包括但不限于仅包括发电机和/或机械驱动应用，例如泵。此外，负载120定位在涡轮发动机100的压缩机侧上。可选地，负载120定位在涡轮发动机100的涡轮侧上。在该示例性实施例中，压缩机段104包括至少一个压缩机叶片122。另外，在该示例性实施例中，涡轮段108包括至少一个涡轮叶片或动叶124。各压缩机叶片122和各涡轮动叶124均被联接到转子组件112上。
在操作中，进气段102朝压缩机段104引导空气。在朝燃烧器段106排放压缩空气之前，压缩机段104经由压缩机叶片122将入口空气压缩到较高的压力和温度。压缩空气与燃料混合并被点燃以产生燃烧气体，燃烧气体朝涡轮段108引导。具体而言，燃料被引导至燃料喷嘴组件118，其中燃料在燃烧器116内混合并点燃。另外，特别地，大多数压缩空气朝燃烧器116引导以有助于燃料的燃烧。此外，特别地，在该示例性实施例中，至少一部分压缩空气被引导至燃料喷嘴组件118以用于雾化目的。可选地，从压缩机段104排放的基本上所有空气都朝燃烧器116引导，并且基本上没有空气朝燃料喷嘴组件118引导。
另外，在操作中，燃烧器116内产生的燃烧气体向下游朝涡轮段108引导。在冲击涡轮动叶124之后，燃烧气体中的热能被转变成用来可旋转地驱动转子组件112的机械旋转能。涡轮段108经由驱动轴114而驱动压缩机段104和/或负载120，并且排出气体通过排气段110被排放至环境大气。可选地，至少一部分排出气体被引导到至少一个热回收蒸汽发生器(HRSG)，以及任何其它能量回收装置与适于利用排出气体和其中的热能的任何工业过程。
图2是可用于燃气涡轮发动机100(在图1中示出)的一示例性添加剂喷射系统200的示意图。在该示例性实施例中，喷射系统200与燃料喷嘴组件118流连通地联接。此外，在该示例性实施例中，液体燃料连接130与至少一个液体燃料源131流连通地联接，以便使液体燃料能够如图2中通过流向132所示的那样被选择性地引导至组件118。此外，在该示例性实施例中，液体燃料源131经由相关联的液体燃料连接130(仅示出一个)以及与燃料源131流连通地联接的多个液体燃料集管133而联接到多个燃料喷嘴组件118(仅示出一个)上。可选地，连接130经由容许燃气涡轮发动机100如本文所述那样操作的任何燃料管路构造和定向(包括但不限于环状歧管(未示出))而联接到燃料集管133上。
在该示例性实施例中，从源131供给的燃料为含碳液体，例如但不限于2号燃料油。可选地，燃料可为容许添加剂喷射系统200和燃气涡轮发动机100如本文所述那样操作的任何液体燃料，包括但不限于馏出物(distillate)和/或残油(residual oil)。另外，可选地，燃料连接130可构造成用以引导气态燃料，其中燃料可为容许添加剂喷射系统200和燃气涡轮发动机100如本文所述那样操作的任何气态燃料，包括但不限于天然气和合成气。
此外，在该示例性实施例中，至少一个水喷射连接134与至少一个加压水源(未示出)流连通地联接，以便使加压的水能够如图2中由流向135所示的那样被选择性地引导至组件118。在该示例性实施例中，从水源引导的水为脱矿物质水，其被使用以用于排放控制，例如氮氧化物(NOX)的控制。可选地，可使用容许燃气涡轮发动机100如本文所述那样操作的任何液体。另外，可选地，燃料喷嘴组件118没有水喷射连接136。
此外，在该示例性实施例中，气态燃料连接136与至少一个气态燃料源(未示出)流连通地联接，以便使气态燃料能够如图2中由气态燃料流向137所示的那样被选择地引导至组件118。在该示例性实施例中，燃料为含碳气体，例如但不限于天然气。可选地，供给至组件118的燃料可为容许燃气涡轮发动机100如本文所述那样操作的任何气态燃料，包括但不限于合成气。另外，可选地，燃料喷嘴组件118不包括气态燃料连接138，并且不使用气态燃料。
此外，在该示例性实施例中，燃料喷嘴组件118流连通地联接至雾化空气源140，雾化空气源140从压缩机段104接收压缩空气，如图2中通过压缩空气流向142所示的那样。可选地，源140从至少一个独立的源(例如但不限于雾化空气罐和/或辅助工业空气系统)接收压缩空气。在该示例性实施例中，燃料喷嘴组件118经由雾化空气歧管143和经由雾化空气连接144联接至雾化空气源140。雾化空气歧管143包括多个压力和流控制装置145，例如但不限于流控制阀、止回阀(check valve)、隔离阀和电子控制系统接口(均未示出)。
此外，在该示例性实施例中，燃料喷嘴组件118包括燃料喷嘴主体146，其包括雾化空气通道组件148。可选地，雾化空气通道组件148定位在各燃烧器116内。通道组件148使引导穿过其间的混合物雾化，以有助于使燃烧器116内的燃料和空气混合。
在该示例性实施例中，添加剂喷射系统200包括添加剂-水混合物源202，其接收来自于水源(未示出)的水204以及来自于水溶性添加剂源206的水溶性添加剂208。在该示例性实施例中，可使用任何水溶性添加剂，例如但不限于减少烟气的添加剂和/或抑制钒的添加剂。添加剂喷射系统200还包括添加剂-水混合物歧管210，其经由雾化空气歧管143和经由雾化空气连接144与燃料喷嘴组件118流连通地联接。可选地，添加剂-水混合物歧管210直接与雾化空气连接144流连通地联接。添加剂-水混合物歧管210包括多个压力和流控制装置211，例如但不限于流动控制阀、止回阀、隔离阀和/或电子控制系统接口(均未示出)。在一些实施例中，还利用雾化空气歧管143将歧管210联接到压力和流控制装置211/145上。添加剂-水混合物流212从歧管210流过雾化空气通道组件148到燃烧器116中。
在操作中，雾化空气(图2中未示出)从空气源140被引导至燃料喷嘴组件118，以用于在点火动作期间将燃料雾化，和/或用于对燃烧器116和燃料喷嘴组件118吹气以有助于移除聚集在其中的材料和/或碎片。在该示例性实施例中，在燃气涡轮发动机100的常规操作期间，雾化空气可为隔离添加剂和水溶性添加剂，其被引导至燃料喷嘴组件118以用于与燃烧器116内的空气相混合。具体而言，水204和添加剂208以预定的流值被引导到添加剂-水源202中，其使得能够获得预定的添加剂浓度。此外，来自源202的预定的添加剂-水混合物212的压力和流率被选定为能使预定的压力和流值被引导到燃料喷嘴组件118中。在该示例性实施例中，添加剂-水混合物歧管210使用压力和流控制装置211以有助于控制压力和流。
另外，在该示例性实施例中，在操作中，添加剂-水混合物流212被引导通过雾化空气通道组件148以将混合物雾化，从而有助于燃料与被引导到燃烧器116中的空气之间的混合。在混合期间，添加剂-水混合物中的水被气化，并且剩余的添加剂从燃烧器116朝涡轮段108引导。如果操作人员确定雾化空气是必需的，则暂停来自系统200的流，并且恢复雾化空气流。可选地，雾化空气歧管143和添加剂-水混合物歧管210被同时操作，从而使雾化空气有助于将添加剂-水混合物212输送通过燃料喷嘴组件118和燃烧器116到涡轮段108(在图1中示出)中。
可选地，除水204和水溶性添加剂208之外，添加剂喷射系统200以类似于水溶性添加剂源206那样的方式与油溶性添加剂源256流连通地联接。另外，可选地，系统200以类似于用于添加剂流208那样的方式形成添加剂流258。此外，可选地，这样的油溶性添加剂与任何液体溶质的任何溶质流254相混合，该液体溶质有助于获得这样的油溶性添加剂所需的溶解性和/或浓度，其容许系统200如本文所述那样操作。这样的混合在类似于添加剂-水混合物源202的油溶性添加剂-溶质混合物源252中进行，其方式类似于水204与添加剂-水混合物源202中的添加剂流208的混合。另外，可选地，系统200将与溶质254混合的油溶性添加剂258喷射通过压力和流控制装置211，以便与来自雾化空气歧管143的空气相混合，并且随后经由燃料喷嘴主体146引导到燃烧器116中。此外，可选地，系统200在容许系统200如本文所述那样操作的任何溶液中喷射任何添加剂。
此外，在其它备选实施例中，添加剂喷射系统200可嵌入任何使用喷射的物质以有助于燃烧过程的燃烧系统中，包括但不限于商业和住宅的锅炉和火炉中烧油和烧气的燃烧装置(burner)。
图3是显示了组装添加剂喷射系统200(在图2中示出)的一示例性方法300的流程图。在该示例性实施例中，雾化空气连接144(在图2中示出)被联接302到燃料喷嘴组件118(在图1和图2中示出)上。添加剂源202/206(均在图2中示出)被联接304到雾化空气连接144上，这是通过将水源204联接到添加剂-水混合物源202(均在图2中示出)上、将水溶性添加剂源206(在图2中示出)联接308到添加剂-水混合物源202上、将添加剂-水混合物源202经由添加剂-水混合物歧管210(在图2中示出)联接310到雾化空气连接144上以及将添加剂-水混合物歧管210联接312到雾化空气歧管143(在图2中示出)上而实现的。此外，压力和流控制装置211(在图2中示出)被联接314到添加剂-水混合物歧管210上，并且雾化空气通道组件148被插入316燃料喷嘴组件118内。
本文提供的实施例有助于合理使用尽可能现有的基础结构将添加剂喷射到燃气涡轮发动机中。这样的添加剂可包括抑制剂，该抑制剂可被喷射到燃烧气流中以抑制沉积引起的腐蚀和/或燃烧副产物形成。使用现有的基础结构来喷射添加剂减少了用以控制抑制剂浓度和喷射抑制剂的额外硬件的使用，从而减少了多余的管路系统，并且降低了基本建设和改造的成本，尤其是在其中空间受限的现有单元中。另外，使用现有的基础结构来喷射添加剂降低了与维护多余的管路系统相关的操作成本。
本文所述的方法和设备的示例性实施例有助于将添加剂喷射到燃气涡轮发动机中。具体而言，将添加剂喷射系统联接到现有雾化空气通道组件(其联接至燃料喷嘴组件)上降低了基本建设成本。更具体而言，使用现有构件，包括共用现有的流和压力控制装置，降低了材料和安装劳动的资金成本。另外，选择补充现有输送基础结构的添加剂浓度有助于添加剂喷射操作，同时减少多余的管路系统。此外，使用现有的输送基础结构有助于降低现有燃气涡轮发动机的改造成本以及维护多余的管路系统的操作成本。
本文所述的方法和系统不限于本文所述的特定实施例。例如，各系统的构件和/或各方法的步骤可独立地使用和/或实施，并且可与本文所述的其它构件和/或步骤分开使用和/或实施。此外，各构件和/或步骤还可与其它组件包和方法一起使用和/或实施。
虽然已经根据各种特定实施例描述了本发明，但本领域技术人员应认识到，本发明可在所附权利要求的精神和范围内带有修改而实施。

Claims (10)

1.一种添加剂喷射系统(200)，包括：
雾化空气连接(144)；以及
与所述雾化空气连接流连通地联接的添加剂源(206/256)。
2.根据权利要求1所述的添加剂喷射系统(200)，其特征在于，所述添加剂源(206)设置为用以接收水溶性添加剂(206/208)。
3.根据权利要求1所述的添加剂喷射系统(200)，其特征在于，所述添加剂喷射系统(200)还包括下列至少一项：
联接到雾化空气歧管(143)上的添加剂-水混合物歧管(210)；以及
联接到所述雾化空气连接(144)上的所述添加剂-水混合物歧管(210)。
4.根据权利要求3所述的添加剂喷射系统(200)，其特征在于，所述添加剂喷射系统(200)还包括：
联接到添加剂-水混合物源(202)上的水源(204)；以及
联接到所述添加剂-水混合物源上的所述添加剂源(206)。
5.根据权利要求4所述的添加剂喷射系统(200)，其特征在于，所述添加剂喷射系统(200)还包括经由所述添加剂-水混合物歧管(210)联接到所述雾化空气连接(144)上的所述添加剂-水混合物源(202)。
6.根据权利要求5所述的添加剂喷射系统(200)，其特征在于，所述添加剂-水混合物歧管(210)包括压力控制装置和流控制装置(211)的其中至少一种。
7.根据权利要求1所述的添加剂喷射系统(200)，其特征在于，与所述雾化空气连接(144)流连通地联接的所述添加剂源(206/256)包括与所述雾化空气连接流连通地联接的油溶性添加剂源(256)。
8.一种涡轮发动机(100)，包括：
至少一个燃烧器(106/116)；
至少一个燃料喷嘴组件(118)，所述至少一个燃料喷嘴组件(118)与所述至少一个燃烧器流连通地联接；
雾化空气连接(144)，所述雾化空气连接(144)被联接到所述至少一个燃料喷嘴组件上；以及
添加剂源(206/256)，所述添加剂源(206/256)与所述雾化空气连接流连通地联接。
9.根据权利要求8所述的涡轮发动机(100)，其特征在于，所述涡轮发动机(100)还包括下列至少一项：
联接到雾化空气歧管(143)上的添加剂-水混合物歧管(210)；以及
联接到所述雾化空气连接(144)上的所述添加剂-水混合物歧管(210)。
10.根据权利要求9所述的涡轮发动机(100)，其特征在于，所述涡轮发动机(100)还包括：
联接到添加剂-水混合物源(202)上的水源(204)；以及
联接到所述添加剂-水混合物源上的所述添加剂源(206)。
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