CN103184899B - 涡轮发动机和用于使空气在涡轮发动机中流动的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及涡轮发动机和用于使空气在涡轮发动机中流动的方法。更具体而言，根据本发明的一个方面，燃气涡轮发动机包括燃烧器、置于燃烧器的端部中的燃料喷嘴、以及构造成从压缩机排放壳体接收空气流的通道，其中，通道将空气流导向至喷嘴下游的室中，其中，室压力低于压缩机排放壳体压力。燃气涡轮发动机还包括流量控制装置，其构造成控制从压缩机排放壳体进入通道的空气流。
Description
技术领域
本文所公开的主题涉及燃气涡轮。更具体地，该主题涉及燃气涡轮定子构件的组件。
背景技术
在燃气涡轮发动机中，燃烧器将燃料或空气燃料混合物的化学能转化为热能。热能被流体(常常为来自压缩机的空气)传递到涡轮，在这里热能被转化为机械能。在低负载或减小负载条件期间，希望减少到涡轮发动机的燃料流以减少消耗。然而，在一些情况下，供应到燃烧器的燃料的量可能受恒定的氧气流的限制，其中需要一定量的燃料以便能够在燃烧器中进行清洁燃烧。
发明内容
根据本发明的一个方面，燃气涡轮发动机包括燃烧器、置于燃烧器的端部中的燃料喷嘴、以及构造成接收来自压缩机排放壳体的空气流的通道，其中通道将空气流导向至喷嘴下游的室中，其中室压力低于压缩机排放壳体压力。燃气涡轮发动机还包括流量控制装置，其构造成控制从压缩机排放壳体进入通道的空气流。
根据本发明的另一个方面，一种用于在涡轮发动机中使空气流动的方法包括在通道中接收来自压缩机排放壳体的空气和将空气从通道导向至燃烧室中的燃烧区域下游的燃烧室中。该方法还包括基于涡轮的操作条件而控制进入燃烧室的空气流。
根据结合附图的以下描述，这些和其它优点和特征将变得更加显而易见。
附图说明
在说明书的总结部分处的权利要求中特别地指明和清楚地要求保护了被视为本发明的主题。从结合附图的以下详细描述，本发明的前述和其它特征和优点将显而易见，在附图中：
图1是燃气涡轮系统的实施例的示意图；
图2是另一个示例性燃气涡轮发动机的一部分的示意图；
图3是示例性燃烧器的详细侧剖视图；以及
图4是另一个示例性燃烧器的详细侧剖视图。
详细描述参照附图以举例的方式解释了本发明的实施例连同优点和特征。
具体实施方式
图1是燃气涡轮系统100的实施例的示意图。系统100包括压缩机102、燃烧器104、涡轮106、轴108和燃料喷嘴110。在一个实施例中，系统100可包括多个压缩机102、燃烧器104、涡轮106、轴108和燃料喷嘴110。压缩机102和涡轮106通过轴108联接。轴108可以是单个轴或联接到一起以形成轴108的多个轴段。
在一方面，燃烧器104使用诸如天然气或富氢合成气的液体和/或气体燃料来运行发动机。例如，燃料喷嘴110与空气源和燃料源112流体连通。燃料喷嘴110形成空气燃料混合物，并且将空气燃料混合物排放入燃烧器104，从而引起燃烧，该燃烧加热加压气体。燃烧器104将热的加压排气通过过渡件导向至涡轮喷嘴(或“第一级喷嘴”)中，并且然后导向至涡轮动叶，从而造成涡轮106旋转。涡轮106的旋转使轴108旋转，从而在空气流入压缩机102时压缩空气。
在一个实施例中，由燃料喷嘴110接收的空气是从压缩机102接收的压缩空气的一部分。在减小负载条件期间，例如在非峰值需求期间，可能希望减少来自燃料源112的燃料流。为了达到各种排放物和效率目标，基于涡轮操作条件而调整供应至燃料喷嘴110的空气的量。下文参照图2至图4讨论的布置提供了供应至喷嘴的可变空气流，从而能够在减小负载条件期间减少燃料流。
如本文所用地，“下游”和“上游”是指示相对于通过涡轮的工作流体的流动的方向的术语。因此，术语“下游”是指大体对应于工作流体流的方向的方向，并且术语“上游”大体是指与工作流体流的方向对立的方向。术语“径向”是指垂直于轴线或中心线的移动或位置。该术语可可用于描述相对于轴线处于不同径向位置的构件。在这种情况下，如果第一构件位于比第二构件更靠近轴线处，则在本文中可以表述为第一构件在第二构件的“径向向内”处。另一方面，如果第一构件位于比第二构件更远离轴线处，则在本文中可以表述为第一构件在第二构件的“径向向外”处或“外侧”。术语“轴向”是指平行于轴线的移动或位置。最后，术语“周向”是指围绕轴线的移动或位置。虽然下面的讨论主要集中在燃气涡轮上，但所讨论的概念不限于燃气涡轮，并且可以应用于其它旋转机械，包括蒸汽涡轮。
图2是示例性燃气涡轮发动机200的一部分的示意图。压缩机202压缩诸如空气的流体206，流体206向下游流动至压缩机排放壳体208。空气220流(即，压缩空气)由压缩机排放壳体208接收，其中显示为空气222的所接收的空气220的一部分被导向至一个或多个喷嘴223，以与燃料混合以用于在燃烧室内燃烧。燃烧使加压热气体流入涡轮210，其中跨过涡轮喷嘴或叶片的热气体流使涡轮210旋转。如图所示，管线或导管212接收第二空气224流，其中第二空气流224也是所接收的空气流220的一部分。导管212可经由导管216与多个空气旁路通道或喷射器(在图3至图4中示出)流体连通。增加第二空气224的流量可减少到燃料喷嘴223用于燃烧的空气222的量。诸如阀门的流量控制装置218构造成选择性地使第二空气224能够流过导管212，从而调整由燃料喷嘴223接收的用于燃烧的空气222流的量。空气222的减少的量通过增加流至导管216的第二空气224而造成，第二空气224是不流至燃料喷嘴223的空气。流量控制装置218的位置可基于用于涡轮发动机200的操作条件(例如，低负载、高负载)而选择性地调整。当处于打开位置时，流量控制装置218将大致不受限制的第二空气224的流提供至环状歧管214或导管，环状歧管214或导管将第二空气224通过导管216导向至一个或多个燃烧器204。导管216构造成将第二空气224向在燃烧器204中的主燃烧区域的下游(相对于在燃烧器204中的空气/燃料流)导向。增加和大致不受限制的第二空气流224造成供应至喷嘴223的空气的减少，从而提高在减小负载时的效率。通过将更少的空气供应至燃料喷嘴223，也可以供应减少量的燃料，同时仍然能够进行有效燃烧并减少副产物。此外，通过所示布置来保持压缩机202空气流以增强涡轮效率。如下文所讨论地，在一个实施例中，导管216将可调整量的第二空气224导向至燃烧室，其中空气进入燃料喷嘴223下游的室中。
图3是示例性燃烧器204的详细侧剖视图。燃烧器204包括设置在流动套管302内的衬里300，其中空气303沿衬里300流至燃料喷嘴304。空气303由燃料喷嘴接收并与燃料305流混合。供应至燃料喷嘴304的空气303的量通过第二空气306流的量来调整，其中来自导管216的第二空气306在室308中被接收。第二空气306接着通过流动套管302在通道310中被导向。在一个实施例中，通道310为形成于构成流动套管302的两个壁之间的环形通道。环形通道310使空气能够在燃烧器204中沿大致轴向方向流动。在其它实施例中，通道310为形成于流动套管302的壁的一部分中的孔或管线。第二空气306通过喷射器312从通道310导向至燃烧室314中。第二空气306被接收在燃料喷嘴304附近的燃烧区域316下游的燃烧室314内，其中第二空气306不显著影响燃烧或燃烧副产物。
所示实施例使得能够通过改变流过通道310和喷射器312的第二空气306的量而调整供应至燃料喷嘴304的空气303。第二空气306从压缩机排放壳体208到燃烧室314的流动在由区域之间的压差造成。具体而言，标示为P1的压缩机排放壳体208中的压力大于在室314中的压力P2。流量控制装置218控制经由导管216从压缩机排放壳体208供应的第二空气306的量。例如，在升高的需求或高负载条件期间，增加量的空气303被供应至燃料喷嘴304，同时减少量的第二空气306流入燃烧室314中。此外，在低负载或减小负载条件期间，减少量的空气303被供应至燃料喷嘴304，同时增加量的第二空气306流入燃烧室314中。特别地，在低负载条件期间，供应至燃料喷嘴304的减少量的空气303使供应至喷嘴的减少量的燃料305能够实现，而不负面地影响燃烧。具体而言，用于与燃料305燃烧的空气303的量减少，从而减少作为燃烧副产物的一氧化碳。此外，通过将不带有燃料的第二空气306导向至室314中而实现了对于包括在减小负载期间的燃烧的各种涡轮条件的改善的灵活性。此外，在高负载条件期间，流量控制装置218可以被限制以减少或关断第二空气306至燃烧室314的流动，从而造成用于与燃料305燃烧的空气303的增加的供应。因此，可调整或可变的空气流布置提供了对于操作条件的灵活性和提高的效率。
图4是燃烧器400的另一个实施例的详细侧剖视图。燃烧器400包括设置在流动套管402内的衬里401，其中空气403沿衬里401流至燃料喷嘴404。空气403由燃料喷嘴404接收并与燃料405流混合。供应至燃料喷嘴404的空气403的量通过第二空气406流的量来调整，其中第二空气406从在流动套管402与后壳体412(即，一体或非一体的后壳体)之间的压室或室410接收。第二空气406从涡轮的压缩机排放壳体(例如图2的208)流出，压缩机排放壳体还将空气403供应至燃料喷嘴404。第二空气406流过在燃烧器400的凸缘422中的入口420。诸如旋转式阀门的流量控制装置407控制进入室408并且然后进入通道409的第二空气406的流量。第二空气406通过喷射器414从通道409流入燃烧室416。示例性喷射器414和312(图3)分别仅仅与通道409和室416以及通道310和室314流体连通。因此，通过喷射器导向的空气流406、306仅仅分别从通道409和310接收，并且不包括燃料。此外，因为空气流406、306被导向至燃烧区域418、316下游的室中，所以空气不燃烧。
如图所示，通道409为形成于构成流动套管402的两个壁之间的环形通道。环形通道409使空气流能够在燃烧器400中沿大致轴向方向流动。当流量控制装置407打开时，其接收处于大于在燃烧室中的压力P4的压力P3的下的空气406，从而造成空气流通过通道409从室410进入燃烧区域418下游的燃烧室416中。因此，诸如在减小负载条件期间，当流量控制装置407打开时，流入喷嘴404的空气403的量减少。在减小负载(低负载)条件期间，用于与燃料405燃烧的减少量的空气403减少作为燃烧副产物的一氧化碳的产生。此外，通过将不带有燃料的第二空气406导向至燃烧室416中而实现了对于包括在减小负载期间的燃烧的各种涡轮条件的改善的灵活性。此外，在高负载条件期间，流量控制装置407可以被限制以减少或关断第二空气406向燃烧室416的流动，从而造成用于与燃料405燃烧的空气403的增加的供应。在一个实施例中，流量控制装置407的位置使来自室410的流成为可能，其中来自室410的空气406流减少了进入燃烧器400下游的过渡件(未示出)的空气流的量。空气403流由来自过渡件的空气供应，并且因此分别在流过流量控制装置407的空气406的量增加或减少时减少或增加。
虽然已经结合仅有限数量的实施例详细描述了本发明，但应该容易理解，本发明不限于这种公开的实施例。而是，本发明可修改以包含任何数量的此前没有描述、但与本发明的精神和范围相称的变型、改动、替换或等同布置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但应当理解，本发明的方面可仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不被视为受先前的描述限制，而仅受所附权利要求的范围限制。
Claims (17)
1.一种燃气涡轮发动机，包括：
燃烧器，其包括设置在流动套管中的衬里；
燃料喷嘴，其构造成接收流经限定在所述流动套管和所述衬里之间的环形区的空气，所述燃料喷嘴置于所述燃烧器的端部中；
通道，其限定在所述流动套管和所述环形区之间且构造成接收来自压缩机排放壳体的空气流，其中，所述通道将所述空气流从与所述燃料喷嘴在轴向上对准的第一室导向至设置在所述燃料喷嘴和所述第一室下游的第二室中，其中，所述第二室的室压力低于压缩机排放壳体压力；以及
流量控制装置，其构造成控制从所述压缩机排放壳体进入所述通道的空气流。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述通道包括环形通道。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述通道构造成经由所述燃烧器外部的导管从所述压缩机排放壳体接收所述空气流。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述通道构造成经由在所述流动套管和壳体之间的室从所述压缩机排放壳体接收所述空气流。
5.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述流量控制装置具有打开位置，以使大致不受限制的空气能够在所述燃气涡轮发动机的减小负载条件下流至所述第二室，并使减少的量的空气供应至所述燃料喷嘴，从而在所述减小负载条件期间减少从所述燃气涡轮发动机的一氧化碳的产生。
6.根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述流量控制装置具有关闭位置，以用于在满负载条件下显著限制空气流。
7.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，当所述流量控制装置处于所述关闭位置时，供应至所述燃料喷嘴的空气的量增加。
8.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述空气流在不带燃料的情况下通过所述通道被导向至所述第二室中，其中，所述空气流在被导向至所述第二室中时不燃烧。
9.一种用于使空气在燃气涡轮发动机中流动的方法，所述燃气涡轮发动机包括燃烧器和燃料喷嘴，所述燃烧器包括设置在流动套管中的衬里，所述燃料喷嘴置于所述燃烧器的端部中，所述方法包括：
使空气流动通过限定在所述流动套管和所述衬里之间的环形区；
在限定于所述流动套管和所述环形区之间的通道中从压缩机排放壳体接收空气；
将所述空气从与所述燃料喷嘴在轴向上对准的第一室沿着所述通道导向至设置在燃烧室中的燃烧区域和所述燃料喷嘴下游的燃烧室中；以及
基于所述燃气涡轮发动机的操作条件来控制进入所述燃烧室的空气流。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，导向所述空气包括将所述空气从在所述压缩机排放壳体中的较高压力处导向至在所述燃烧室中的相对较低的压力处。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述通道中接收所述空气包括从燃烧器外部的导管在所述通道中接收所述空气。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，控制空气的流动包括将流量控制装置定位至打开位置，以便使大致不受限制的空气能够在减小负载条件下流至所述燃烧室。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，当所述流量控制装置处于所述打开位置时，供应至燃料喷嘴的空气的量减少，从而在所述减小负载条件期间减少从所述燃气涡轮发动机产生的一氧化碳。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，控制进入所述燃烧室的空气流包括在减小负载条件期间增加进入所述燃烧室的空气流并且在满负载条件期间减少进入所述燃烧室的空气流。
15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述通道中从所述压缩机排放壳体接收所述空气包括从在所述流动套管和壳体之间的室接收所述空气。
16.一种燃气涡轮发动机，包括：
压缩机；
燃烧器，其包括设置在流动套管中的衬里；
涡轮；
燃料喷嘴，其构造成接收流经限定在所述流动套管和所述衬里之间的环形区的空气，所述燃料喷嘴置于燃烧器的端部中；
燃烧室，其与具有第一压力的压缩机排放壳体流体连通，其中，所述燃烧室具有第二压力，其中，在所述第一压力和第二压力之间的压差将空气流从与所述燃料喷嘴在轴向上对准的第一室经由限定在所述流动套管和所述环形区之间的通道导向至所述燃料喷嘴下游的燃烧室中；以及
流量控制装置，其构造成控制从所述压缩机排放壳体到所述燃烧室的空气流，其中，所述流量控制装置具有打开位置和关闭位置，所述打开位置用于在减小负载条件下使大致不受限制的空气能够流至所述燃烧室，所述关闭位置用于在满负载条件下显著限制空气流。
17.根据权利要求16所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述空气流在不带有燃料的情况下导向至所述燃烧室中。
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