CN103958971B - 用以降低在燃气涡轮发动机燃烧系统中的氮氧化物的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于燃气涡轮发动机的排放控制系统包括将燃烧气体(22)从燃烧器(32)输送至涡轮机的流动引导结构(24)。排放控制系统包括：导管(48)，其构造成在压缩空气(22)与流动引导结构(24)内的燃烧气体之间建立流体连通。压缩空气(22)设置在燃烧室的头部端的上游的位置处并呈现小于在燃烧室(14)内的燃烧气体的静压力的中间静压力。在燃气涡轮发动机的操作期间，中间静压力与流动引导结构(24)内的燃烧气体的静压力之间的压力差有效地产生通过导管(48)的流体流。

Description

用以降低在燃气涡轮发动机燃烧系统中的氮氧化物的装置

关于联邦政府资助的研发的声明

本发明的研发部分地由美国能源部给予的合同No.DE-FC26-05NT42644支持。因此，美国政府可拥有本发明的一定权利。

技术领域

本发明涉及用于燃气涡轮发动机的排放控制系统。更具体地，本发明涉及利用燃气涡轮发动机内的静压力差来产生减小氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)的形成的流体流的排放系统。

背景技术

高效的燃气涡轮发动机燃烧室在可能产生不可接受的水平的氮氧化物排放的高温下运行。一种用于减小氮氧化物形成的技术包括使一部分消耗过的燃烧气体再循环回到燃烧室。再循环的污浊气体的存在减小了燃烧可使用的氧气量。这降低了燃烧温度，其又减小氮氧化物的形成。污浊空气还可以包括未燃烧的碳氢化合物，这些未燃烧的碳氢化合物在被重新引入至燃烧室时燃烧。

传统的再循环采用诸如风扇和鼓风机之类的设备。这种设备会增大燃气涡轮发动机成本和维护。此外，当这种设备连接通过燃气涡轮发动机的外壳时，会增加外壳的成本和发生泄露的可能性。在燃烧室内可以采用喷射器作为的燃烧器的一部分来完成废气再循环。然而，喷射器增大了穿过燃烧器的压降，这对它们的应用造成限制。因此，本领域存在改进空间。

附图说明

在根据附图的下面描述中将对本发明进行说明，这些附图示出：

图1是燃气涡轮发动机的从压缩机到涡轮机的示意性图示。

图2是在图1的燃气涡轮发动机部件内的不同位置处的静压力曲线图。

具体实施方式

流动穿过燃气涡轮发动机的流体以变化的速度流动，并且因此，这些流体经历贯穿燃气涡轮发动机的变化的静压力。如在本文中所使用的，术语“流体”包括直至燃烧器的压缩空气和来自燃烧器的燃烧气体。本发明人已经认识到，在具有燃烧室、过渡部、以及第一级叶片部段的常规燃气涡轮发动机中，燃烧室上游位置处的压缩空气呈现出的静压力可在燃烧室和过渡部内的燃烧气体的静压力以下。对于沿着燃烧室和过渡部的整个长度的任何位置处的燃烧气体都可能如此。

在改进的过渡部设计中，燃气涡轮发动机可具有将燃烧气体从燃烧室引导至第一排涡轮叶片的改进设计的管道。改进设计的管道构造成适当地对准燃烧气体并且可包括气体加速结构，气体加速结构使燃烧气体加速至用于输送至第一排的涡轮叶片的适当的速度。在这些改进的过渡部设计中，发明人还认识到，在燃烧气体流中的某些下游点处，流动速度增大至足以将由该点处的燃烧气体流所呈现的静压力减小至在燃烧室的上游的位置处的压缩空气所呈现的静压力以下。

如本文中所使用的，流动引导结构被认为是将燃烧气体从燃烧起始的点引导至第一排涡轮叶片的结构。因此，在使用改进的过渡部设计的燃气涡轮发动机中，由在燃烧室的上游位置处的流体所呈现的静压力(即，中间静压力)将位于由流动引导结构内的相对上游位置处的燃烧气体所呈现的静压力(即，相对高的静压力)与由流动引导结构内的相对下游位置处的燃烧气体所呈现的静压力(即，相对低的静压力)之间。中间静压力不需要为特定的静压力；中间静压力仅需要在由流动引导结构内的燃烧气体所呈现的相对较高的静压力以下。如果存在呈现为在由流动引导结构内的燃烧气体所呈现的相对较高的静压力以下的静压力范围，那么中间静压力可以为该范围内的任选的静压力。

所有燃气涡轮发动机将具有如下的燃烧气体，这些燃烧气体在流动引导结构内所呈现的静压力大于由压缩空气所呈现的中间静压力。然而，在常规燃气涡轮发动机中，燃烧气体流未加速至与在改进的过渡部设计中同样的程度。因此，常规燃气涡轮发动机可能没有相对低的静压力的位置。为了一致性的原因，术语中间静压力在下文中将用作用以描述压缩空气内的位置处所呈现的静压力的指称，而不管是否存在相对低的静压力的位置。因此，在常规的燃气涡轮发动机中，将存在呈现中间静压力的在压缩空气中的位置，和呈现相对较高静压力的在流动引导结构内的位置。

因此，本发明人已经认识到，燃气涡轮发动机具有如下的位置，在该位置处，压缩空气自然地呈现小于由流动引导结构内的燃烧气体所呈现的静压力的中间静压力。此外，发明人还已经认识到利用这种现象以降低排放的方式，并且更进一步地，发明人已经设想出人为地形成呈现中间静压力的压缩空气中的位置的方式。

降低排放包括降低随火焰温度增加而增加的氮氧化物的排放。一种用于降低氮氧化物排放的技术是使一部分消耗的燃烧气体(即，污浊空气)从流动引导结构再循环回到燃烧系统的入口。至今为止，这种再循环需要用以产生再循环的外部供能的机构，或者设置在燃烧器内的喷射器。本文公开的创新性方法利用现在认识到的有利的静压力差来使得这种污浊空气能够再循环而无需任何外部机构或设置在燃烧器内的喷射器。具体地，本发明包括在呈现中间静压力的压缩空气中的位置与呈现更大的静压力的流动引导结构内的燃烧气体中的位置之间建立流体连通。流体连通可以通过简单的导管而建立，可能具有用以控制流动的阀，导管可以定尺寸成孔或包含孔等以满足流动需要。一旦建立适当的导管，由流动引导结构内的燃烧气体所呈现的较大的静压力将自然地将燃烧气体的一部分从流动引导结构朝向呈现较低静压力的压缩空气中的位置重新引导。一旦到该处，被重新引导的一部分燃烧气体进入给送至燃烧室的压缩空气流。

降低排放还包括降低随火焰温度降低而增加的一氧化碳的排放。一种用于降低一氧化碳排放的技术是使一部分压缩空气绕燃烧入口旁通并将其引入至燃烧下游的流动引导结构。在燃烧气体呈现相对较低的静压力的燃气涡轮发动机中，在处于中间静压力的压缩空气与处于相对低的静压力的燃烧气体之间建立流体连通将能够使处于中间静压力的一部分压缩空气绕过燃烧室并且进入燃烧下游的流动引导结构。这里再次，可以通过导管而在两位置之间建立流体连通。导管可具有阀并且可适当地定尺寸成孔或包含孔等用以控制流体流动。

可以在单个燃气涡轮发动机上实施上文描述的氮氧化物和一氧化碳排放降低系统中的任一者或两者。在采用两系统的实施方式中，它们可结合成单个系统。例如，导管可连接至中间静压力位置、相对高的静压力位置、以及相对低的静压力位置。可采用阀以选择性地允许在中间静压力位置与相对高的静压力位置之间的第一流体连通路径，或在中间静压力位置与相对低的静压力位置之间的第二流体连通路径。在这种构型中，在基础负荷操作期间当氮氧化物的产生难以解决时可以建立第一流体连通路径，在部分负荷操作期间当一氧化碳的产生难以解决时可以建立第二流体连通路径。

在另一实施方式中，导管可在一端处连接至中间静压力位置，并且导管可在另一端处能够选择性地在相对高的静压力位置与相对低的静压力位置之间定位。可通过柔性导管和允许另一端在高的静压力位置与相对低的静压力位置之间移动的结构来完成选择。在该构型中，系统再次能够选择性地在中间静压力位置与相对高的和相对低的静压力位置之间定位。

压缩空气中呈现中间静压力的位置可以为中间静压力为其他燃气涡轮发动机设计思想的必然结果的位置。由于已知流体的速度和流体的静压力之间存在关系，呈现非常高的总压力的压缩空气在以这种高速行进时可能呈现低的静压力。这可能发生在流动路径收缩的点处。这种收缩可能自然地存在于压缩机中压缩空气行进相对较快的位置。这可能在大致最后的(即，最下游的)一排叶片和扩散器之间发生，不过这些界限是灵活的。在该实施方式中，通向中间静压力的导管的端部可以连接至压缩机的这种高速部段。

替代性地，可以实施在压缩空气内形成中间压力的结构。在一实施方式中，围绕流动引导结构的流动套管可以包括类似于文丘里管的结构，该结构使压缩空气的流在流动套管与流动引导结构之间加速，使得在被加速的区域内的压缩空气呈现中间静压力。在该实施方式中，通向中间静压力的导管的端部可以连接至文丘里管结构。这种实施方式的优点是，由于流动引导结构和流动套管两者被共同地支撑，因此它们之间发生的相对运动最小。与之相反，在导管设置在流动引导结构与压缩机之间的实施方式中，由于流动引导结构和压缩机未被共同地支撑，因此流动引导结构和压缩机之间的相对运动可以为导管和相关联的配件及连接点的机械应力源。

回到附图，图1示意性地示出了压缩机10、流动套管12、燃烧室14、以及改进的过渡部16。在压缩机内是最后一排压缩机叶片18、扩散器20、以及在最后一排压缩机叶片18与扩散器20之间的高速部段26。流动引导结构24包括改进的过渡部16和燃烧室14。改进的过渡部16包括总体上指示的气体加速结构34。压缩空气22由压缩机叶片压缩，以高速行进穿过高速部段26，并进入扩散器20，其在扩散器20处减速。之后，压缩空气在流动套管12与流动引导结构24之间行进，然后进入燃烧室14。压缩空气22在高速部段26内的位置处自然地呈现中间静压力。然而，压缩空气22可以在高速部段26的小部分内、或者也可以在高速部段26的上游和/或稍微下游呈现中间静压力。因此，位置范围A_HVS用以指示压缩机10中压缩空气22可以呈现中间静压力的位置的范围。

在利用附加结构以形成中间静压力的实施方式中，流动套管12可以包括文丘里管形结构30，文丘里管形结构30构造成使压缩空气22加速而使得压缩空气22在文丘里管形结构30内呈现中间压力。然而，压缩空气22可以在文丘里管形结构30的小部分内呈现中间静压力，或者压缩空气22也可以在文丘里管形结构30的上游和/或文丘里管形结构30的稍微下游呈现中间静压力。因此，位置范围A_FS用以指示沿着流动套管12、压缩空气22可以呈现中间静压力的位置的范围。

一旦在燃烧室14中，则压缩空气与燃料混合并在燃烧器32处被点燃，这产生燃烧气体。燃烧室14使得能够燃烧并用于将一部分燃烧气体引导至第一排的涡轮叶片。为此原因，燃烧室14与改进的过渡部16一起被认为是可以从其中取出燃烧气体的流动引导结构24。当离开燃烧室14时，燃烧气体进入改进的过渡部16。改进的过渡部16包括总体上指示的气体加速结构34。气体加速结构34使燃烧气体从大约0.2马赫加速到可大约为0.8马赫的适于输送至第一涡轮叶片的速度。因此，在该实施方式中，燃烧气体的静压力在压缩气体向下游行进时显著减小。由于由燃烧气体在相对上游位置处呈现的静压力在中间静压力以上且在相对下游处的静压力在中间静压力以下，因此在流动引导结构24内存在过渡点36，该过渡点36处燃烧气体呈现出与所选的中间静压力相同的过渡点静压力。位置范围“B”用以指示流动引导结构24中燃烧气体可以呈现相对高的静压力的位置的范围。相似地，位置范围“C”用以指示流动引导结构24中燃烧气体可以呈现相对低的静压力的位置的范围。

因此，为了建立流体连通使得一部分燃烧气体由于静压力差而从流动引导结构24流动至燃烧室14上游的中间静压力位置，导管能够一端连接在静压力位置范围A_HVS、A_FS内，第二端能够连接在流动引导结构24位置范围B内，这是由于流动引导结构24内的位置范围B内的静压力将大于中间静压力。相似地，为了建立流体连通使得一部分燃烧气体由于静压力差而从中间静压力位置流动至流动引导结构24，导管能够一端连接在静压力位置范围A_HVS、A_FS内，第二端能够连接在流动引导结构24位置范围C内，这是由于位置范围C内的静压力将小于中间静压力。

过渡点36仅概念性地指示，而不意于指示过渡点36的精确位置。过渡点可以多于一点，而还可以取决于改进的过渡部16等的构型而为一个范围。此外，过渡点可以比所指示的处于更上游或更下游。相似地，位置范围B和位置范围C仅概念性地指示，而不意于暗示可以发现这些静压力的精确位置。每者均可以更大或更小，并且它们邻接过渡点36的端部可以相对于其在附图中所示意性描绘的位置而向上游或下游移位。

应当理解的是，中间静压力、相对高的静压力、以及相对低的静压力在操作期间可能由于包括操作负荷百分数以及瞬态等等的任何数量的因素而发生改变。如果中间静压力比相对高的静压力和/或相对低的静压力中的任一者波动更大，则必须将连接点选择为适应这些相对波动而不会使导管中的流动方向逆转。具体地，导管设置在位置范围B内的越上游，相对高的静压力与中间静压力之间的压力差越大。更大的压力差允许中间静压力运动为更靠近相对高的静压力而不超过它。相似地，在位置范围C内的越下游，中间静压力能够减小更大的量而同时仍大于相对低的静压力。

在两路径都包含在单个系统中的实施方式中，导管能够一端连接在静压力位置范围A_HVS、A_FS内，第二端能够连接在流动引导结构24位置范围B内，并且第三端能够连接于流动引导结构24位置范围C。能够利用阀以允许选择期望的流动路径。替代性地，能够利用允许导管的一端选择性地定位在位置范围B与位置范围C之间的定位机构。在替代的实施方式中，可以利用两个单独的导管，一个导管用于一个流动路径，并且使每者能够选择性地允许相应的流体连通。

图2概念性地描绘了由流体呈现的静压力曲线42，流体为燃气涡轮发动机内的各个位置处的压缩空气或燃烧气体。虚线44指示流动引导结构24内存在的最高静压力。中间静压力必须低于最高静压力44。在该附图中，所选的中间静压力为在压缩机高速部段内存在的最低静压力。虚线46指示中间静压力，其在流动引导结构内与静压力曲线相交的位置指示流动引导结构中的过渡点36。可以看出的是，流动引导结构24内过渡点上游的任何位置将呈现比所选的中间静压力更大的静压力。相似地，流动引导结构24内过渡点下游的任何位置将呈现更小的静压力。还可以看出的是，在位置范围A_HVS、A_FS中，中间静压力不需要为可获得的最低静压力。例如，能够选择在位置范围A_HVS、A_FS内、但在最高静压力44以下的压力作为中间静压力。改变中间静压力的选择仅改变在流动引导结构24内过渡点36发生的位置。

为了针对所选的中间静压力建立流体连通，个人仅需要确定所选的静压力存在的燃气涡轮发动机中的中间静压力位置。中间静压力位置将在位置范围A_HVS或者A_FS中。随后，取决于所选的位置范围，个人可以将导管的第一端52、52’分别连接至中间静压力位置。相似地，为了与相对高的静压力的燃烧气体建立流体连通，个人仅需要选择所期望的相对高的静压力，确定其所发生的范围B内(在过渡点上方)的相对高的静压力位置，并将导管48的第二端54在相对高的静压力位置处连接至流动引导结构24。如果期望与呈现相对低的静压力的燃烧气体流体连通，那么应用相同的过程。个人仅需要选择所期望的相对低的静压力，确定其所发生的范围C内(在过渡点下方)的相对低的静压力位置，并将导管48的第二端54或导管48的第三端56在相对低的静压力位置处连接至流动引导结构24。替代性地，能够利用定位机构58使导管48的第二端54在相对高的静压力位置与相对低的静压力位置之间移位。

在创新性的改型中，发明人已设想了利用新认识到的固有的静压来使降低排放简化的聪明而简单的方式。通过设想用以在不同位置模固有的压力差的独特的方式，发明人已经扩展了实施该理念的方式。因通过如单个导管一样简单的系统，可以降低氮氧化物和/或一氧化碳放。因此，该系统代表本领域的改进。

尽管在本文中已经示出并描述了本发明的各种实施方式，但是显是，这种实施方式仅以示例的方式提供。在不背离本文的发明的情况可以做出多种变型、改变以及替代。因此，意图是使本发明仅由所附要求的精神和范围限制。

Claims (17)

1.一种用于燃气涡轮发动机的排放控制系统，包括流动引导结构，所述流动引导结构将燃烧气体从燃烧器输送至涡轮机，其中，由所述流动引导结构内的燃烧气体呈现的静压力从相对上游位置处的相对高的静压力改变至相对下游位置处的相对低的静压力，所述排放控制系统包括：

导管，所述导管构造成在如下的流体之间建立流体连通；

a)压缩空气，所述压缩空气位于燃烧室的头部端的上游的位置处并且呈现小于在所述流动引导结构内的上游位置处的燃烧气体的静压力的中间静压力，以及

b)在所述流动引导结构内的所述燃烧气体；

其中，在所述燃气涡轮发动机的操作期间，所述中间静压力与所述流动引导结构内的燃烧气体的静压力之间的压力差有效地产生通过所述导管的流体流，所述压缩空气上游位置在压缩机的高速部段内，在所述高速部段处，所述压缩空气包括所述中间静压力，或者所述压缩空气上游位置在由围绕燃烧室壁的流动套管的一部分所限定的区域内，所述流动套管的所述一部分构造成制造出有效地产生所述中间静压力的文丘里管。

2.根据权利要求1所述的排放控制系统，其中，所述流动引导结构包括所述燃烧室壁和过渡管道，其中，所述压力差在所述导管中产生从所述流动引导结构到所述压缩空气上游位置的所述流体流，所述流体流包括一部分所述燃烧气体。

3.根据权利要求2所述的排放控制系统，其中，根据垂直于所述燃烧气体的流动方向的所述燃烧气体的流动截面的氮氧化物曲线，所述导管在包括相对高浓度的氮氧化物的所述燃烧气体的容积体内的位置处建立与所述燃烧气体的流体连通。

4.根据权利要求1所述的排放控制系统，其中，所述流动引导结构包括所述燃烧室壁和管道，并且其中，所述管道包括燃烧气体加速结构，所述燃烧气体加速结构构造成使所述燃烧气体加速到足以在所述流动引导结构中的下游位置处形成小于所述中间静压力的静压力的速度。

5.根据权利要求4所述的排放控制系统，其中，所述导管在所述上游位置处的所述压缩空气与所述流动引导结构上游位置处的所述燃烧气体之间建立流体连通，并且其中，所述流体流从所述流动引导结构上游位置行进至所述压缩空气上游位置并且所述流体流包括一部分所述燃烧气体。

6.根据权利要求4所述的排放控制系统，其中，根据垂直于所述燃烧气体的流动方向的所述燃烧气体的流动截面的氮氧化物曲线，所述流动引导结构上游位置也设置在包括相对高浓度的氮氧化物的所述燃烧气体的容积体内。

7.根据权利要求4所述的排放控制系统，其中，所述导管在所述上游位置处的所述压缩空气与所述流动引导结构下游位置处的所述燃烧气体之间建立流体连通，并且其中，所述流体流从所述压缩空气上游位置行进至所述流动引导结构下游位置并且所述流体流包括一部分所述压缩空气。

8.根据权利要求4所述的排放控制系统，其中，所述导管构造成能够在第一流体连通路径与第二流体连通路径之间进行选择，所述第一流体连通路径位于所述压缩空气上游位置处的所述压缩空气与所述流动引导结构上游位置处的所述燃烧气体之间，其中，所述流体流从所述流动引导结构上游位置行进至所述压缩空气上游位置并且所述流体流包括一部分所述燃烧气体，所述第二流体连通路径位于所述压缩空气上游位置处的所述压缩空气与所述流动引导结构下游位置处的所述燃烧气体之间，其中，所述流体流从所述压缩空气上游位置行进至所述流动引导结构下游位置并且所述流体流包括一部分所述压缩空气。

9.一种包括根据权利要求1所述的排放控制系统的燃气涡轮发动机。

10.一种用于燃气涡轮发动机的排放控制系统，包括燃烧室，所述燃烧室包括燃烧器和流动引导结构，所述流动引导结构将燃烧气体从所述燃烧器引导至涡轮机，所述排放控制系统包括：

导管，所述导管构造成在所述流动引导结构内的燃烧气体与在所述燃烧室的头部端的压缩空气流动路径上游的收缩部分处的压缩空气之间建立流体连通，其中，围绕燃烧室壁的流动套管的一部分形成所述收缩部分；

其中，在所述燃气涡轮发动机的操作期间，所述收缩部分使所述压缩空气加速，这有效地将由所述收缩部分内的所述压缩空气呈现的静压力减小至小于由在所述流动引导结构内的上游位置处的所述燃烧气体呈现的静压力；并且

其中，在所述收缩部分中的所述压缩空气与所述流动引导结构内的所述燃烧气体之间的压力差有效地产生通过所述导管的流体流。

11.根据权利要求10所述的排放控制系统，其中，所述流动引导结构包括所述燃烧室壁和过渡管道，其中，所述压力差在所述导管中产生从所述流动引导结构到所述收缩部分的所述流体流，所述流体流包括一部分所述燃烧气体。

12.根据权利要求10所述的排放控制系统，其中，所述流动引导结构包括所述燃烧室壁和管道，其中，所述管道包括构造成使所述燃烧气体加速的燃烧气体加速结构，并且其中，在所述流动引导结构中的下游位置处，所述燃烧气体呈现小于由所述收缩部分内的所述压缩空气呈现的静压力的静压力。

13.根据权利要求12所述的排放控制系统，其中，所述导管在所述收缩部分内的所述压缩空气与所述流动引导结构上游位置处的所述燃烧气体之间建立流体连通。

14.根据权利要求12所述的排放控制系统，其中，所述导管在所述收缩部分内的所述压缩空气与所述流动引导结构下游位置处的所述燃烧气体之间建立流体连通。

15.根据权利要求12所述的排放控制系统，其中，所述导管构造成能够在第一流体连通路径与第二流体连通路径之间进行选择，所述第一流体连通路径在所述收缩部分处的所述压缩空气与所述流动引导结构上游位置处的所述燃烧气体之间，所述第二流体连通路径在所述收缩部分处的所述压缩空气与所述流动引导结构下游位置处的所述燃烧气体之间。

16.根据权利要求10所述的排放控制系统，其中，所述流动套管和所述流动引导结构被共同地支撑成在所述燃气涡轮发动机的操作期间在所述流动套管和所述流动引导结构之间的相对运动最小。

17.一种包括根据权利要求10所述的排放控制系统的燃气涡轮发动机。