CN103423773A - 二次燃烧系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种二次燃烧系统，其用于将燃料/空气混合物引入燃气涡轮发动机的燃烧器中的燃烧气流中。二次燃烧系统可包括歧管环和从歧管环延伸的一定数目的喷射器。各个喷射器均可包括与歧管环连通的一定数目的喷口。一个或多个喷口可包括用于将燃料/空气混合物成角度地引入燃烧气流中的成角度的构造。
Description
技术领域
本申请和所得专利大体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及一种用于供燃气涡轮发动机使用的燃烧器，其具有用于改善排放和性能的加强的二次燃烧系统。
背景技术
在常规燃气涡轮发动机中，操作效率大体上随燃烧流的温度提高而提高。然而，较高的燃烧流温度可导致产生较高水平的氮氧化物("NOx")和其它类型的非所期望的排放物。此类排放物可受到美利坚合众国的联邦法规和州法规的管制，且也可受到国外的类似法规的管制。因此，在于有效的温度范围内操作燃气涡轮发动机同时还确保氮氧化物和其它类型的受管制的排放物保持远低于强制性水平之间存在平衡措施。许多其它参数也可变化以提供这种优化的平衡。
若干类型的已知燃气涡轮发动机设计(如使用干式低NOx("DLN")燃烧器的那些)大体上使燃料流与空气在反应区或燃烧区上游预混，以便通过一定数目的预混燃料喷嘴来减少氮氧化物的排放。大体上描述的此类预混趋于降低总体燃烧温度，且因此减少氮氧化物排放等，同时提供操作效率。
用以减少总体氮氧化物排放的又一种方法可为将反应区温度最大限度地减小至形成氮氧化物排放的水平以下。因此，二次燃烧系统可定位在主燃烧系统的下游。二次燃烧系统可包括用以在燃烧器的头端处喷射燃料和其它流体的一定数目的喷射器。燃料由于高温环境而很快焚烧，且然后减小燃烧器头端处的温度，以便减少总体氮氧化物排放。尽管此类二次燃烧系统可在减少总体排放中有效，但假如燃料喷射器直接地定位在热气体通路中，则此类系统可具有可靠性问题。
因此，期望具有降低的氮氧化物等的总体排放的改进的燃烧器。作为优选，此类燃烧器可提供改善的排放，而不会牺牲总体输出、效率和构件可靠性。
发明内容
因此，本申请和所得专利提供了一种用于将燃料/空气混合物引入燃气涡轮发动机的燃烧器中的燃烧气流中的二次燃烧系统。二次燃烧系统可包括歧管环和从歧管环延伸的一定数目的喷射器。各个喷射器均可包括与歧管环连通的一定数目的喷口。一个或多个喷口可包括用于将燃料/空气混合物成角度地引入燃烧气流中的成角度的构造。
本申请和所得专利还提供了一种用于将燃料/空气混合物引入燃气涡轮发动机的燃烧器中的燃烧气流中的二次燃烧系统。二次燃烧系统可包括歧管环和从歧管环延伸的一定数目的喷射器。各个喷射器均可包括与歧管环连通的一定数目的喷口。喷口可包括具有入口直径的入口和具有出口直径的出口，使得入口直径大于出口直径。
本申请和所得专利还提供了一种用于将燃料/空气混合物引入燃气涡轮发动机的燃烧器中的燃烧气流中的二次燃烧系统。二次燃烧系统可包括歧管环和从歧管环延伸的一定数目的喷射器。各个喷射器均可包括与歧管环连通的一定数目的喷口。辅助喷射系统可与喷射器连通。辅助喷射系统可与辅助燃料压缩机、辅助空气压缩机、辅助稀释剂压缩机、燃料重整器(reformer)、蒸汽或催化成分和/或低BTU气化器连通。
根据一个实施例，一种用于将燃料/空气混合物引入燃气涡轮发动机的燃烧器的燃烧气流中的二次燃烧系统，包括：歧管环；以及从歧管环延伸的多个喷射器；多个喷射器包括与歧管环连通的多个喷口；其中，多个喷口中的一个或多个包括用于将燃料/空气混合物成角度地引入燃烧气流中的成角度的构造。
根据一个实施例，歧管环包括空气歧管和燃料歧管。
根据一个实施例，成角度的构造包括上游构造。
根据一个实施例，成角度的构造包括下游构造。
根据一个实施例，多个喷口中的每一个均包括具有入口直径的入口和具有出口直径的出口。
根据一个实施例，入口直径等于或大于出口直径。
根据一个实施例，入口直径等于或小于出口直径。
根据一个实施例，二次燃烧系统还包括与多个喷射器连通的辅助喷射系统。
根据一个实施例，辅助喷射系统与辅助燃料压缩机、辅助空气压缩机和/或辅助稀释剂压缩机连通。
根据一个实施例，辅助喷射系统与燃料重整器和蒸汽或催化成分连通。
根据一个实施例，辅助喷射系统与低BTU气化器连通。
根据一个实施例，一种用于将燃料/空气混合物引入燃气涡轮发动机的燃烧器中的燃烧气流中的二次燃烧系统，包括：歧管环；以及从歧管环延伸的多个喷射器；多个喷射器包括与歧管环连通的多个喷口；其中，多个喷口包括具有入口直径的入口和具有出口直径的出口；以及其中，入口直径大于出口直径。
根据一个实施例，多个喷口中的一个或多个包括用于将燃料/空气混合物成角度地引入燃烧气流中的成角度的构造。
根据一个实施例，二次燃烧系统还包括与喷射器连通的辅助喷射系统，以及其中，辅助喷射系统与辅助燃料压缩机、辅助空气压缩机、辅助稀释剂压缩机、燃料重整器、蒸汽或催化成分和/或低BTU气化器连通。
根据一个实施例，一种用于将燃料/空气混合物引入燃气涡轮发动机的燃烧器中的燃烧气流中的二次燃烧系统，包括：歧管环；从歧管环延伸的多个喷射器；多个喷射器包括与歧管环连通的多个喷口；以及与喷射器连通的辅助喷射系统。
根据一个实施例，辅助喷射系统与辅助燃料压缩机、辅助空气压缩机和/或辅助稀释剂压缩机连通。
根据一个实施例，辅助喷射系统与燃料重整器和蒸汽或催化成分连通。
根据一个实施例，辅助喷射系统与低BTU气化器连通。
根据一个实施例，多个喷口中的一个或多个包括用于将燃料/空气混合物成角度地引入燃烧气流中的成角度的构造。
根据一个实施例，多个喷口包括具有入口直径的入口和具有出口直径的出口，以及其中，入口直径等于或大于出口直径。
本领域的普通技术人员在结合若干附图和所附权利要求阅读以下详细描述时，本申请和所得专利的这些和其它特征和改进将变得显而易见。
附图说明
图1为具有压缩机、燃烧器和涡轮的燃气涡轮发动机的示意图。
图2为可供图1中的燃烧器使用的二次燃料喷射器的侧部截面视图。
图3为如本文中可描述的燃烧器的实例的示意性截面图。
图4为图3中的燃烧器的二次燃烧系统的侧视图。
图5为图4中的二次燃烧系统的燃料喷口的侧部截面视图。
图6为如本文中可描述的具有辅助喷射系统的燃烧器的示意图。
图7为如本文中可描述的具有燃料重整系统的燃烧器的示意图。
图8为如本文中可描述的具有排气供应的燃烧器的示意图。
部件列表
10 燃气涡轮发动机
15 压缩机
20 空气
25 燃烧器
30 燃料
35 燃烧气体
40 涡轮
45 轴
50 负载
55 喷射器
60 燃料通路
65 空气通路
70 壁
75 联接件
80 喷口
85 混合通路
90 燃料/空气混合物
100 燃烧器
110 主燃烧系统
120 壳体
130 端盖
140 喷嘴
150 盖组件
160 流动套筒
170 燃烧衬套
180 预混喷嘴
190 旋流器
200 主燃烧区
210 二次燃烧系统
220 过渡件
230 歧管环
240 喷射器
250 空气歧管
260 燃料歧管
270 二次燃烧区
310 喷口
320 入口
330 出口
340 混合通路
350 燃料通路
360 空气通路
365 燃料/空气混合物
370 壁
380 成角度的构造
390 上游构造
400 下游构造
410 入口直径
420 出口直径
430 大直径
440 小直径
450 燃烧器
460 辅助喷射系统
470 辅助稀释剂压缩机
480 辅助燃料压缩机
490 辅助空气压缩机
500 燃烧器
510 燃料重整器
520 蒸汽或催化成分
530 气体分离器
540 燃烧器
550 低BTU气化器
560 热交换器。
具体实施方式
现在参看附图，其中相似的数字表示若干视图各处的相似元件，图1示出了如本文中可使用的燃气涡轮发动机10的示意性视图。燃气涡轮发动机10可包括压缩机15。压缩机15压缩进入空气流20。压缩机15将压缩的空气流20输送至燃烧器25。燃烧器25使压缩的空气流20与加压燃料流30混合，且点燃混合物来产生燃烧气流35。尽管仅示出了单个燃烧器25，但燃气涡轮发动机10可包括任意数目的燃烧器25。燃烧气流35继而又输送至涡轮40。燃烧气流35驱动涡轮40以便产生机械功。在涡轮40中产生的机械功经由轴45驱动压缩机15，且驱动外部负载50，如发电机等。
燃气涡轮发动机10可使用天然气体、各种类型的合成气和/或其它类型的燃料。燃气涡轮发动机10可为由通用电气公司提供的一定数目的不同燃气涡轮发动机中的任一个，包括但不限于诸如7系或9系重型燃气涡轮发动机等的那些。燃气涡轮发动机10可具有不同的构造，且可使用其它类型的构件。本文中也可使用其它类型的燃气涡轮发动机。多个燃气涡轮发动机、其它类型的涡轮和其它类型的发电设备也可在本文中一起使用。
上文所述的燃烧器25可具有主燃烧系统和二次燃烧系统。如果使用二次燃烧系统，则图2示出了用于在其中使用的已知二次喷射器55的实例。大体上描述的二次喷射器55可包括与燃料流30连通的燃料通路60和与空气流20连通的空气通路65。二次喷射器55可具有从联接件75延伸的长形壁70。二次喷射器55可具有与燃料通路60和空气通路65连通的一个或多个喷口80。燃料通路60和空气通路65可在喷口80周围的混合通路85处接触，且产生燃料/空气混合物90。燃料/空气混合物90可沿大体上横向(transverse)的方向引入燃烧气流35中。本文中还可使用其它构件和其它构造。
图3示出了如本文中可描述的燃烧器100。燃烧器100可包括主燃烧系统110。大体而言，主燃烧系统110可包括壳体120、端盖130、一定数目的喷嘴140、盖组件150、流动套筒160和燃烧衬套170。喷嘴140可包括一定数目的预混喷嘴180。预混喷嘴180可包括在其上的旋流器190。主燃烧区200可定位在燃烧衬套170内喷嘴140的下游。本文中可使用其它构件和其它构造。
来自于压缩机15的空气流20可沿流动套筒160与燃烧衬套170之间的进入空气路径流动。然后，空气流20可在端盖130附近使路径反向，且在喷嘴140附近与燃料流30混合。空气流20和燃料流30可在主燃烧区200内燃烧，以便形成热燃烧气体35。本文中可使用其它构件和其它构造。
如图3和图4中所示，燃烧器100还可包括二次燃烧系统210。二次燃烧系统210可定位在主燃烧区200的下游，且刚好在过渡件220和涡轮40的上游。二次燃烧系统210可包括歧管环230，歧管环230具有从其上延伸的一定数目的二次喷射器240。二次喷射器240延伸到热燃烧气流35中。歧管环230可包括与二次喷射器240连通的空气歧管250和燃料歧管260。如下文将更为详细描述地那样，二次喷射器240可包括一定数目的空气孔口和一定数目的燃料孔口。二次燃烧区270可从歧管环230向下游朝过渡件220延伸。本文中可使用其它构件和其它构造。
另一空气流20和另一燃料流30可从二次燃烧系统210的二次喷射器240喷射到热燃烧气体35中。因此，离开主燃烧区200的热燃烧气体35可点燃该二次混合物。大体而言，所产生的二次反应可在过渡件220内且在进入涡轮40中之前达到大致完成，以便降低其中的温度和排放。
图5示出了如本文中可描述的二次喷射器240的一部分。二次喷射器240可具有定位于其上的一定数目的喷口310。各个喷口310均从入口320延伸至出口330。入口320可始于与燃料通路350和空气通路360连通的混合通路340处，以便产生燃料/空气混合物365。出口330可沿二次喷射器240的壁370延伸。如上文所述，已知的二次喷射器55将燃料/空气混合物90沿大体上横向方向引入热燃烧气流35中。然而，在该实例中，二次喷射器240的喷口310可具有用于引入燃料/空气混合物365的成角度的构造380。具体而言，喷口310可相对于喷射器240的壁370具有角度Θ。喷口310可具有与相对于燃烧气流35的上游构造390成角度的构造380，以便在减少穿透的情况下提高混合率。喷口310还可具有与下游构造400成角度的构造380，以便改善火焰上升(liftoff)。这里角度Θ可变化。
喷射器240的喷口310还可具有关于混合通路340附近的入口320的入口直径410，以及关于沿壁370的出口330的出口直径420。出口直径420可相对于入口直径410增大，以便允许燃料/空气混合物365更多流入和更多穿透到主流中。作为备选，出口直径420可减小，以提高燃料/空气混合物365的总体流速。因此，图5示出了等于或大于入口直径410的大直径430和等于或小于入口直径410的小直径440。本文中还可使用具有其它直径的喷口310。然而，本文中可一起使用具有不同直径的喷口310。本文中还可使用其它构件和其它构造。
图6示出了本文中可描述的燃烧器450的备选实施例。燃烧器450可包括大体上如上文所述的主燃烧系统110和二次燃烧系统210。同样，燃烧器450可与燃料流30和来自于压缩机15的空气流20连通。燃烧器450还可将燃烧气流35提供给涡轮40。然而，燃烧器450可包括辅助喷射系统460。辅助喷射系统460可与辅助稀释剂压缩机470和辅助燃料压缩机480、辅助空气压缩机490以及压缩机15连通。因此，二次燃烧系统210可供有加压燃料/空气和/或稀释剂，以便提高穿过喷口310的燃料/空气流365的速度。因此，增大燃料/空气流365的速度可增大二次燃烧系统210周围的总体压力。本文中还可使用其它构件和其它构造。
图7示出了如本文中可描述的燃烧器500的备选实施例。在该实例中，辅助喷射系统460还可与燃料重整器510连通。燃料重整器510可与辅助燃料压缩机480以及蒸汽或催化成分输入520连通，以便重整燃料流30。蒸汽或催化成分520可在流入辅助喷射系统460之前在气体分离器530中除去。因此，使用燃料重整器510会改变离开喷口310的燃料/空气流365的热值。本文中可使用其它构件和其它构造。
图8示出了如本文中可描述的燃烧器的另一实施例。在该实例中，辅助喷射系统460可经由热交换器560与低BTU气化器550连通。因此，低BTU气化器550可将排气提供至辅助喷射系统460以用于在其中使用。因此，低BTU气化器550的使用改变了离开喷口310的燃料/空气流365的热值。本文中可使用其它构件和其它构造。
因此，具有二次燃烧系统210和二次喷射器240的本文中所述的燃烧器提供了射出角、直径、速度和/或热值中的变化，以便降低总体排放。具体而言，可确定和改变所期望的喷射器流热值和成分、射出角、直径和速度。改变射出角可在减少穿透的情况下提高混合率，且/或提供改善的火焰熄灭(off)。喷口的直径可增大以允许更多流动和穿透，或直径减小来提高总体速度。还可通过增大喷射器的压力来提供增大的速度。同样，热值可通过燃料重整器或气化器来改变。这些特征的组合因此允许了更快的混合和/或加强的火焰熄灭，以便导致总体上减少排放，而不会牺牲效率和总体输出。
应当显而易见的是，前文仅涉及本申请和所得专利的某些实施例。本领域的普通技术人员可在不脱离由所附权利要求及其等同物所限定的本发明的总体精神和范围的情况下做出许多变化和修改。
Claims (10)
1. 一种用于将燃料/空气混合物引入燃气涡轮发动机的燃烧器的燃烧气流中的二次燃烧系统，包括：
歧管环；以及
从所述歧管环延伸的多个喷射器；
所述多个喷射器包括与所述歧管环连通的多个喷口；
其中，所述多个喷口中的一个或多个包括用于将所述燃料/空气混合物成角度地引入所述燃烧气流中的成角度的构造。
2. 根据权利要求1所述的二次燃烧系统，其特征在于，所述歧管环包括空气歧管和燃料歧管。
3. 根据权利要求1所述的二次燃烧系统，其特征在于，所述成角度的构造包括上游构造。
4. 根据权利要求1所述的二次燃烧系统，其特征在于，所述成角度的构造包括下游构造。
5. 根据权利要求1所述的二次燃烧系统，其特征在于，所述多个喷口中的每一个均包括具有入口直径的入口和具有出口直径的出口。
6. 根据权利要求5所述的二次燃烧系统，其特征在于，所述入口直径等于或大于所述出口直径。
7. 根据权利要求5所述的二次燃烧系统，其特征在于，所述入口直径等于或小于所述出口直径。
8. 根据权利要求1所述的二次燃烧系统，其特征在于，所述二次燃烧系统还包括与所述多个喷射器连通的辅助喷射系统。
9. 根据权利要求8所述的二次燃烧系统，其特征在于，所述辅助喷射系统与辅助燃料压缩机、辅助空气压缩机和/或辅助稀释剂压缩机连通。
10. 根据权利要求8所述的二次燃烧系统，其特征在于，所述辅助喷射系统与燃料重整器和蒸汽或催化成分连通。
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