CN103069219A - 用于扩散燃烧系统的辅助注水 - Google Patents

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Abstract

通过一种燃烧器系统来管理涡轮发动机的排放和燃烧动力学，所述燃烧器系统将水(4)注入到主燃料流(3)中，并且将辅助水流(8A,8B)供给至经过中央辅助液体喷嘴的燃烧器的或燃料喷嘴组件的火焰区。

Description

用于扩散燃烧系统的辅助注水
相关应用的交叉参考
本申请要求2010年6月23日提交的第61/357,616号美国临时申请的优先权，其全部内容在此。
技术领域
本发明总体涉及用于涡轮发动机的扩散火焰燃烧器，并且更具体地涉及将液态水的形式的水供给至这种扩散火焰燃烧器。
背景技术
NOX是用于单氮氧化物NO和NO2(一氧化氮和二氧化氮)的统称。燃烧器的发展聚焦于满足尾气NOX排放量，而不会负面影响到作为整体系统设计的一部分的其他关键区。通过扩散火焰燃烧器，水或蒸汽可被注入到燃烧器中，以控制NOX的排放。注入的水可导致不必要的稳定性问题，其采用与套裂纹(liner cracking)有关的高燃烧室动态性能和耐用性问题的形式。这种系统的发展需要这些矛盾的设计标准--排放、动力学和硬件寿命--处于微妙的平衡。
在燃气涡轮发动机的扩散火焰燃烧器中，经常以诸如甲烷或天然气的气态来供给主燃料。在燃烧器中，燃气与压缩空气以及液体、水蒸汽或蒸汽的形式的水混合。设计标准需要燃料和水的适当混合。用于分配和混合H2O的无效方法会导致更大的NOX排放量和不可接受的动态性能。
因此，通过在较高的火焰温度下使发动机可承受地运转，不仅利于降低发动机的排放量，而且可期望改善燃烧动力学和发动机性能；本发明便于实现各个所述这些目标。
发明内容
根据本发明的各方面，涡轮发动机燃烧系统包括具有主燃料出口和辅助喷嘴的燃料喷嘴组件，辅助喷嘴用于在主燃料出口的下游将液体喷射到燃烧器的火焰区中。与主燃料出口流体连通的燃料管路将燃料供给至主燃料出口。在主燃料出口的上游，主水管路供水用于与燃料混合，而辅助管路通过辅助液体喷雾喷嘴将水提供到火焰区。辅助喷嘴在燃料喷嘴组件的中心线上对准。辅助液体喷嘴以空心喷雾(hollow cone spray)模式将水分注到燃烧器中。
单独的管路也可以将诸如液体油燃料的辅助燃料提供到辅助液体喷嘴。主燃料可以是气态的。
燃料喷嘴组件还可包括雾化空气帽，其具有围绕液体喷嘴的多个孔。
本发明的各方面还提出了一种用于在涡轮机燃烧器中控制排放的方法，其包括以下步骤：将主水注入到第一燃料流中；通过燃料喷嘴组件将第一燃料流和水的混合物供给至燃烧室；在火焰区中燃烧第一燃料流；以及将辅助水以空心喷雾模式注入到火焰区中。
这些系统和方法改进了对排放的控制，同时管理了燃烧动力学并且减少了系统硬件的磨损。
附图说明
图1是用于具有主供水管路和辅助供水管路的扩散火焰燃烧器的燃料喷嘴组件的示意图。
图2是图1的右手端示意图，示出了雾化空气帽和液体燃料喷嘴。
具体实施方式
参照图1，设置了用于涡轮发动机扩散火焰燃烧器的燃料喷嘴组件1。燃料管路2可将燃料3供给至燃料喷嘴组件1。主流体(水)管路4可将诸如水的第一流体供给至与燃料管路2联接的注水环形挡板(donut)5。注水环形挡板5可以安装成环绕或包围燃料管路2。注水环形挡板5可便于将一个或多个水流6注入到流过燃料管路2的燃料3中。
另外地或可选地，水被注入到位于燃料喷嘴组件1下游的燃烧器的燃烧火焰区中。将水注入到燃料和燃烧区两者之中可以控制尾气排放，特别是NOX。
如本文中所使用的，水指的是其各相，包括液体或水蒸汽、以及液体和水蒸汽的组合，并且包括液滴。本文中，水能够替代地被称作液体、水蒸汽或蒸汽。
辅助流体(水)管路8还可以将诸如水的第二流体13供给至燃料喷嘴组件1。辅助水管路8(包括8A、8B)可以单独使用或与主水管路4组合。主水管路4和辅助水管路8可以由相同或不同的水源7来供给。当燃气轮机基于天然气来运转时，它可利于经主水管路4和辅助水管路8的两个位置处来注入水。当采用主水管路4和辅助水管路8两者时，供水通常在两个注入点(主要的和辅助的)之间平分。可以采用不同的供给比率。例如，经由主水管路4的水供应量与经由辅助水管路8的水供应量的比率可以是50:50、60:40、70:30、80:20、90:10、100:0、40:60、30:70、20:80、10:90或0:100或者任何其他组合。
辅助水管路8A可以通过燃料喷嘴组件1将水供给至燃烧器。参照图2，例如位于燃料喷嘴组件上的液体燃料喷嘴11可用于从辅助流体管路8A注水。如图1中所示的，液体燃料喷嘴11可在燃料喷嘴组件的中心线12上对准。中心线12可以与流过燃料喷嘴组件1的方向平行。有利地，液体燃料喷嘴11在中心线12周围以空心喷雾模式均等地分配水。通过经过液体燃料喷嘴11注入而提高了水喷雾的质量，因为它创建了均匀分布的以及小的水滴或颗粒。该模式可导致辅助水与气体燃料的混合改善，以有效地降低NOX并改进稳定性。优选地，液体燃料喷嘴11的流量(flow rate)标定为约±3％。
燃料喷嘴组件1可包括雾化空气帽9。雾化空气帽9可环绕辅助喷射液体燃料喷嘴11，并具有一个或多个孔10。例如，雾化空气帽9可具有4个孔10。在现有的气体燃料系统中，已通过孔10来供给水，但雾化空气帽9可遭受不良的水分布，其例如经由离散的一个或多个孔10注入所导致的较大液滴的形成而被引起。另外，由于在硬件组装期间无法控制孔10的方位，用于发动机的燃烧器位置之间的变化可以存在。
根据本发明的各方面，在气体燃料运作期间，通过辅助注入液体燃料喷嘴11而不是雾化空气帽9的孔10来供给水。基于气体燃料运作，用于将水注入到燃烧器中的该替代的水注入方案有助于降低NOX排放，同时保持可接受的动态活动。测试表明，经由液体燃料喷嘴11以更可控的方式来注水的实施方式可有助于所有三个设计领域--排放、动力学和硬件寿命。在实施这一设计之前，发动机难以满足期望的减排目标而且同时要维持可接受的动态性能。因此，已发现有利的是，使用液体燃料喷嘴11而不是雾化空气帽9将辅助水注入到火焰区中。雾化空气帽用于在高负载液体燃料运作期间注水。

Claims (16)

1.一种涡轮发动机燃烧系统，包括：
燃烧室，所述燃烧室提供用于被燃烧的燃料的火焰区；
燃料喷嘴组件，所述燃料喷嘴组件具有主燃料出口和辅助液体喷嘴，所述辅助液体喷嘴用于在所述主燃料出口的下游将液体喷射到所述火焰区中；
与所述主燃料出口流体连通的燃料管路，所述燃料管路用于将燃料供给至所述主燃料出口；
主水管路，所述主水管路与所述燃料管路流体连通并且在所述主燃料出口的上游供水用于与所述燃料管路中的燃料混合；以及
与辅助液体燃料喷嘴流体连通的辅助水管路，所述辅助水管路用于通过所述辅助液体喷嘴将水供给到所述火焰区。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述辅助液体喷嘴大致在所述燃料喷嘴组件的中心线上对准。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述辅助液体喷嘴以空心喷雾模式将水分注到燃烧器中。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括辅助管路，所述辅助管路用于将辅助燃料或水供给至辅助喷嘴。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，辅助燃料是油燃料。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，到达所述主燃料出口的燃料是气态的。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述燃料喷嘴组件包括雾化空气帽，所述雾化空气帽具有围绕辅助燃料喷嘴的多个孔。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述液体喷嘴流量标定为约±3％。
9.一种用于涡轮发动机燃烧系统的燃料喷嘴组件，包括：
燃料喷嘴组件，所述燃料喷嘴组件具有主燃料出口和辅助液体喷嘴，所述辅助液体喷嘴用于在所述主燃料出口的下游喷射液体；
与所述主燃料出口流体连通的燃料管路，所述燃料管路用于将燃料供给至所述主燃料出口；
主水管路，所述主水管路与所述燃料管路流体连通并且在所述主燃料出口的上游供水用于与所述燃料管路中的燃料混合；以及
与所述辅助液体喷嘴流体连通的辅助水管路，所述辅助水管路用于通过辅助燃料喷嘴供应燃料或水。
10.根据权利要求11所述的系统，其中，所述辅助液体喷嘴大致在所述燃料喷嘴组件的中心线上对准。
11.根据权利要求11所述的系统，其中，在气体燃料运作期间，所述喷嘴以空心喷雾模式来分注水。
12.根据权利要求11所述的系统，还包括辅助燃料管路，所述辅助燃料管路用于将辅助燃料供给至所述辅助液体喷嘴。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，辅助燃料是油燃料。
14.根据权利要求11所述的系统，其中，到达所述主燃料出口的燃料是气态的。
15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述燃料喷嘴组件包括雾化空气帽，所述雾化空气帽具有围绕所述辅助液体喷嘴的多个孔。
16.一种用于在涡轮机燃烧器中控制排放的方法，包括以下步骤：
将水注入到主气体燃料流中；
通过燃料喷嘴组件将与水一起注入的第一燃料流供给至燃烧室；
在火焰区中燃烧所述第一燃料流；以及
将水以空心喷雾模式注入到所述火焰区中。
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