CN104047726B - 在燃气涡轮发动机中使用的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在燃气涡轮发动机中使用的方法，该方法包括以下步骤：在内部流动路径内配置下游喷射系统，所述下游喷射系统包括两个喷射级，第一级和第二级，其中第一级和第二级彼此轴向地间隔；以及已知来自第一级和第二级的空气和燃料喷射的预期效应，基于以下圆周地定位所述第一级和所述第二级的喷射器：a)在操作模式期间发生在第一级的紧上游的预期燃烧流的特性；以及b)所述第二级的紧下游的预期燃烧流的特性。

Description

在燃气涡轮发动机中使用的方法

技术领域

本申请大体而言涉及燃式或燃气涡轮发动机（在下文中称为“燃气涡轮机”）中的燃烧系统。更具体地，但不作为限制，本申请描述与燃气涡轮机的燃烧系统中的空气和燃料的下游或延迟喷射相关的方法、系统和装置。

背景技术

燃气涡轮机的效率在过去的几十年已明显地改善，原因是新技术允许发动机尺寸的增加和更高的操作温度。允许更高操作温度的一种技术基础是引入新的和创新的热传递技术以便冷却热气体路径内的部件。另外，新材料允许燃烧器内具有更高温度。

然而在该时期期间，制定了限制发动机操作期间某些污染物可以排放的水平的新标准。具体地，更严格地限制了全部对发动机的操作温度敏感的NOx、CO和UHC的排放水平。其中，NOx的排放水平尤其对更高发动机点火温度下的增加排放水平敏感，并且因此成为关于温度可以增加多少的明显限制。由于更高操作温度与更高效发动机一致，因此这阻碍发动机效率的提高。总之，燃烧器操作变为燃气涡轮机操作效率的明显限制。

因此，高级燃烧器设计技术的主要目标之一变为开发这样的配置，所述配置能够降低在这些更高操作温度下的燃烧器驱动排放水平，使得发动机可以在更高温度下点火，并且因此具有更高的压力比周期和更高的发动机效率。因此将领会，减小排放、特别是NOx的排放并且允许更高点火温度的新颖燃烧系统将在商业上需求很大。

发明内容

本申请因此描述一种在燃气涡轮发动机中使用的方法，所述燃气涡轮发动机包括：联接到涡轮机的燃烧器，所述燃烧器和所述涡轮机一起限定内部流动路径，所述内部流动路径围绕纵轴线从位于所述燃烧器的前端处的初级空气和燃料喷射系统向后延伸，通过所述燃烧器连接到所述涡轮机处的接口，并且通过所述涡轮机中的至少一排定子叶片。所述方法包括以下步骤：在所述内部流动路径内配置下游喷射系统，所述下游喷射系统包括两个喷射级，第一级和第二级，其中所述第一级和所述第二级均沿着所述纵轴线轴向地间隔使得所述第一级包括在所述初级空气和燃料喷射系统的后面的轴向位置并且所述第二级包括在所述第一级的后面的轴向位置，其中所述第一级和所述第二级的每一个包括多个喷射器，每个喷射器配置成将空气和燃料喷射到通过所述内部流动路径的燃烧流中；以及已知来自所述第一级和所述第二级的空气和燃料喷射的预期效应，基于以下圆周地定位所述第一级和所述第二级的喷射器：a)在操作模式期间发生在所述第一级的紧上游的预期燃烧流的特性；以及b)所述第二级的紧下游的预期燃烧流的特性。

通过结合附图和附带的权利要求阅读优选实施例的以下详细描述，本申请的这些和其它特征将变得明显。

附图说明

通过结合附图仔细研究本发明的示例性实施例的以下更详细描述，将更完整地理解和领会本发明的这些和其它特征，其中：

图1是本申请的某些实施例可以在其中使用的示例性燃气涡轮机的截面示意性表示；

图2是本发明的实施例可以在其中使用的常规燃烧器的截面示意性表示；

图3是包括根据常规设计的下游燃料喷射器的单级的常规燃烧器的截面示意性表示；

图4是根据本发明的示例性实施例的方面的燃烧器和涡轮机的上游级的截面示意性表示；

图5是根据本发明的替代实施例的燃烧器和涡轮机的上游级的截面示意性表示；

图6是根据本发明的替代实施例的燃烧器和涡轮机的上游级的截面示意性表示；

图7是根据本发明的替代实施例的燃烧器和涡轮机的上游级的截面示意性表示；

图8是根据本发明的替代实施例的燃烧器和涡轮机的上游级的截面示意性表示；

图9是根据本发明的替代实施例的燃烧器和涡轮机的上游级的截面示意性表示；

图10是根据本发明的替代实施例的燃烧器和涡轮机的上游级的截面示意性表示；

图11是根据本发明的替代实施例的燃烧器和涡轮机的上游级的截面示意性表示；

图12是根据本发明的替代实施例的燃烧器和涡轮机的上游级的截面示意性表示；

图13是根据本发明的替代实施例的燃烧器和涡轮机的上游级的截面示意性表示；

图14是根据本发明的某些方面的后框架的透视图；

图15是根据本发明的某些方面的后框架的截面图；

图16是根据本发明的某些方面的后框架的截面图；

图17是根据本发明的某些方面的后框架的截面图；

图18是根据本发明的某些方面的后框架的截面图；以及

图19是根据本发明的某些方面的后框架的截面图。

具体实施方式

尽管可以参考特定类型的涡轮发动机描述本发明的以下例子，但是本领域的普通技术人员将领会本发明可以不限于这样的使用并且可应用于其它类型的涡轮发动机，除非具体地由此限制。此外，将领会在描述本发明中，某些术语可以用于表示燃气涡轮发动机中的某些机器部件。只要可能，普通工业术语将以与它的公认含义一致的方式使用和采用。然而，不应当狭义地理解这样的术语，原因是本领域的普通技术人员将领会特定的机器部件常常可以使用不同术语来称呼。另外，本文中描述为单部件的内容可以在另一上下文中引用为由多个部件组成，或者本文中描述为包括多个部件的内容可以在别处称为单部件。因而，在理解本发明的范围中，不仅应当关注特定术语，而且应当关注附带的描述、上下文以及部件的结构、配置、功能和/或用途，尤其是如可以在附带的权利要求中提供的。

若干描述性术语可能在本文中经常使用，并且在该部分的开始定义这些术语可能是有帮助的。因此，除非另外说明，这些术语和它们的定义如下。当在本文中使用时，“下游”和“上游”是指示相对于流体、例如通过燃气涡轮机的压缩器、燃烧器和涡轮机部段的工作流体或通过发动机的部件系统之一的流动冷却剂的流动方向的术语。术语“下游”对应于流体流动的方向，而术语“上游”表示与流体流动的方向相反或相逆的方向。在没有任何进一步说明的情况下，术语“前”和“后”表示相对于燃气涡轮机的取向的方向，“前”表示发动机的前端或压缩器端，“后”表示发动机的后端或涡轮机端，在图1中示出它们的排列。

另外，已知围绕中心轴线的燃气涡轮发动机的配置以及在一些部件系统中的该相同类型的配置，描述相对于轴线的位置的术语可能将被使用。在这方面，将领会术语“径向”表示垂直于轴线的运动或位置。与此相关，可能需要描述离中心轴线的相对距离。在该情况下，例如，如果第一部件比第二部件更靠近中心轴线定位，则在本文中将说成第一部件在第二部件的“径向内侧”或“内侧”。在另一方面，如果第一部件比第二部件更远离轴线定位，则在本文中可以说成第一部件在第二部件的“径向外侧”或“外侧”。另外，将领会术语“轴向”表示平行于轴线的运动或位置。并且最后，术语“圆周”表示围绕轴线的运动或位置。如上所述，尽管这些术语可以关于典型地延伸通过发动机的压缩器和涡轮机部段的公共中心轴线或轴被应用，但是它们也可以关于其它部件或子系统被使用。例如，在许多机器共同的圆柱形“罐式”燃烧器的情况下，赋予这些术语相对含义的轴线可以是通过它所称为的圆柱、“罐”形状或过渡件的更环形、下游形状的中心限定的纵向参考轴线。

现在参考图1，作为背景，提供本申请的实施例可以在其中使用的示例性燃气涡轮机10。一般地，燃气涡轮发动机通过从在压缩空气流中的燃料的燃烧所产生的热气体的加压流动中提取能量进行操作。如图1中所示，燃式涡轮发动机10包括经由公共轴机械地联接到下游涡轮机部段或涡轮机13的轴流式压缩器11，燃烧器12定位在其间。如图所示，压缩器11包括多个级，每个级包括一排压缩器转子叶片，且紧接着一排压缩器定子叶片。涡轮机13也包括多个级。涡轮机级的每一个包括一排涡轮机轮叶或转子叶片，紧接着一排涡轮机喷嘴定子叶片，所述涡轮机喷嘴定子叶片在操作期间保持静止。涡轮机定子叶片大体上圆周地彼此间隔并且围绕旋转轴线固定。转子叶片可以安装在连接到轴的转子轮上。

在操作中，压缩器11内的压缩器转子叶片的旋转压缩引导到燃烧器12中的空气流。在燃烧器12内，压缩空气与燃料混合并且点燃从而产生然后可以通过涡轮机13膨胀的赋能工作流体流。具体地，来自燃烧器12的工作流体被引导到涡轮机转子叶片上使得引起旋转，然后转子轮将所述旋转传递到轴。以该方式，工作流体流的能量转换成旋转轴的机械能量。轴的机械能量然后可以用于驱动压缩器转子叶片的旋转从而产生压缩空气的必要供应，并且例如驱动发电机以产生电力。

图2是本发明的实施例可以在其中使用的常规燃烧器的截面图。然而，燃烧器20可以采用各种形式，每种形式适合于包括本发明的各实施例。典型地，燃烧器20包括位于头端22处的多个燃料喷嘴21。将领会燃料喷嘴21的各种常规配置可以与本发明一起使用。在头端22内，空气和燃料聚在一起以便在由周围内衬24限定的燃烧区域23内燃烧。内衬24典型地从头端22延伸到过渡件25。如图所示，内衬24由流动套筒26围绕，并且类似地，过渡件25由冲击套筒28围绕。在流动套筒26和内衬24以及过渡件25和冲击套筒28之间，将领会形成在本文中被称为“流动环隙27”的环隙。如图所示，流动环隙27在燃烧器20的大部分长度上延伸。从内衬24起，过渡件25随着它朝着涡轮机13向下游延伸而将来自内衬24的圆形横截面的流动转换成环形横截面。在下游端，过渡件25朝着涡轮机13的第一级引导工作流体流。

将领会流动套筒26和冲击套筒28典型地具有通过其中形成的冲击孔（未显示），所述冲击孔允许来自压缩器12的压缩空气的冲击流进入形成于流动套筒26/内衬24和/或冲击套筒28/过渡件25之间的流动环隙27。通过冲击孔的压缩空气的流动对流地冷却内衬24和过渡件25的外表面。通过流动套筒26和冲击套筒28进入燃烧器20的压缩空气经由流动环隙27朝着燃烧器20的前端被引导。压缩空气然后进入燃料喷嘴21，在所述燃料喷嘴处它与燃料混合以便燃烧。

涡轮机13典型地具有多个级，每个级包括轴向堆叠的两排叶片：一排定子叶片16和紧接的一排转子叶片17，如图1和4中所示。每个叶片排包括围绕涡轮机13的中心轴线圆周地间隔的许多叶片。在下游端，过渡件25包括出口和将燃烧产物的流引导到涡轮机13中的后框架29，在所述涡轮机处该燃烧产物的流与转子叶片相互作用以引起围绕轴的旋转。以该方式，过渡件25用于联接燃烧器20和涡轮机13。

图3示出包括补充或下游燃料/空气喷射的燃烧器12的视图。将领会这样的补充燃料/空气喷射常常被称为延迟贫喷射或轴向分级喷射。当在本文中使用时，由于燃料/空气喷射相对于位于头端22的初级燃料喷嘴21的下游位置，该类型的喷射将被称为“下游喷射”。将领会图3的下游喷射系统30与常规设计一致并且仅仅为了示例性目的被提供。如图所示，下游喷射系统30可以包括在流动套筒26内限定的燃料通道31，但是其它类型的燃料输送是可能的。燃料通道31可以延伸到喷射器32，在该例子中，所述喷射器位于内衬24和流动套筒26的后端处或附近。喷射器32可以包括喷嘴33和延伸横越流动环隙27的传送管34。已知该布置，将领会每个喷射器32将源自流动套筒26的外部压缩空气的供应和通过喷嘴33输送的燃料的供应聚在一起并且将该混合物喷射到内衬24内的燃烧区域23中。如图所示，若干燃料喷射器32可以围绕流动套筒26/内衬24组件圆周地定位，使得燃料/空气混合物在围绕燃烧区域23的多个点被引入。若干燃料喷射器32可以位于相同的轴向位置。也就是说，若干喷射器沿着燃烧器12的中心轴线37位于相同位置。当在本文中使用时，具有该配置的燃料喷射器32可以被描述为位于公共喷射平面38上，如图所示，所述公共喷射平面是垂直于燃烧器12的中心轴线37的平面。在图3的示例性常规设计中，喷射平面36位于内衬24的后端或下游端。

参见图4至19和本申请的发明，将领会燃气涡轮机排放的水平取决于许多操作标准。燃烧区域中的反应物的温度是这些因素中的一个并且已显示对特定排放水平、例如NOx的影响高于其它。将领会燃烧区域中的反应物的温度与燃烧器的出口温度成比例地相关，这对应于更高的压力比，并且更高的压力比进一步允许改善这样的布雷顿循环型发动机（Brayton Cycle type engines）中的效率水平。由于已发现NOx的排放水平与反应物的温度具有强的、直接的关系，因此当通过技术进步、例如高级燃料喷嘴设计和预混增加点火温度时，现代燃气涡轮机仅仅能够保持可接受的NOx排放水平。继那些进步之后，使用延迟或下游喷射以允许进一步增加点火温度，原因是发现燃烧区域内的更高温度下的反应物的更短停留时间能够减小NOx排放水平。具体地，已显示至少在某种程度上，控制停留时间可以用于控制NOx排放水平。

也被称为“延迟贫喷射”的这样的下游喷射在输送到燃烧器的头端或前端内的初级喷射点的空气和燃料的主供应的下游引入空气和燃料供应的一部分。将领会喷射器的这样的下游定位能够减小燃烧反应物保留在燃烧器内的更高温度的火焰区域内的时间。具体地，由于通过燃烧器的流体的流动的大致恒定速度，因此经由下游喷射缩短反应物在离开火焰区域之前必须行进的距离导致那些反应物在高温下停留在火焰区域中的时间减小，如上所述，这样能够减小发动机的NOx的形成和NOx排放水平。这允许高级燃烧器设计，其将高级燃料/空气混合或预混技术与下游喷射的减小反应物停留时间联系，以获得燃烧器点火温度的进一步增加，并且重要地，获得更高效的发动机，同时也保持可接受的NOx排放水平。

然而，其它考虑限制可以进行下游喷射的方式和程度。例如，下游喷射可能导致CO和UHC的排放水平上升。也就是说，如果燃料在燃烧区域中的太远下游以太大的量喷射，则它可能导致燃料的不完全燃烧或CO的不充分烧尽。因此，尽管延迟喷射的概念的基本原理和它如何可以用于影响某些排放可能是公知的，但是关于该策略如何可以优化使得允许更高的燃烧器点火温度，仍存在有挑战性的设计障碍。因此，允许以高效和成本效益高的方式进一步优化停留时间的新颖的燃烧器设计和技术是用于进一步技术进步的重要领域，如下所述，所述技术进步是本申请的主题。

本发明的一个方面提出将双级喷射整合到下游喷射的方法。如下所述，每个级可以轴向地间隔从而相对于燃烧器12的远后部分和/或涡轮机13的上游区域内的另一个具有离散轴向位置。现在参考图4，示出燃气涡轮发动机10的截面部分，根据本发明的方面，其显示用于放置延迟喷射的两个级的每一个的大致范围（阴影部分）。更具体地，根据本发明的下游喷射系统30可以包括过渡区域39内的喷射的两个整合轴向级，所述过渡区域是在燃烧器12的过渡件25内限定的内部流动路径、或在涡轮机13的第一级内的下游限定的内部流动路径的部分。本发明的两个轴向级包括将在本文中称为上游或“第一级41”和下游或“第二级42”的级。根据某些实施例，这些轴向级的每一个包括多个喷射器32。每一个级内的喷射器32可以在过渡区域39或涡轮机13的前部分内的大致相同轴向位置圆周地间隔。以该方式配置的喷射器32（即，喷射器32在公共轴向平面上圆周地间隔）将在本文中被描述为具有公共喷射平面38，如关于图5至7更详细地所述。根据优选实施例，第一和第二级41、42的每一个处的喷射器可以配置成在每个位置处喷射空气和燃料。

图4示出第一级41和第二级42的每一个根据优选实施例可以位于其中的轴向范围。为了限定优选轴向定位，将领会已知图5至7的截面或剖面图，燃烧器12和涡轮机13可以被描述为限定围绕纵向中心轴线37从靠近燃烧器12的头端22的上游端延伸到涡轮机13部段中的下游端的内部流动路径。因此，第一和第二级41、42的每一个的定位可以相对于每一个沿着内部流动路径的纵轴线37的位置限定。也如图4中所示，可以限定垂直于纵向中心轴线37形成的某些参考平面，所述参考平面提供涡轮机的该区域内的轴向位置的进一步限定。这些中的第一个是燃烧器中平面48，其是位于燃烧器12的大致轴向中点处、即在头端22的燃料喷嘴21和燃烧器12的下游端之间的大致中途的相对于中心轴线37的垂直平面。将领会燃烧器中平面48典型地靠近内衬24/流动套筒26组件让路于过渡件25/冲击套筒28组件的位置出现。如图所示在燃烧器12的后端限定的第二参考平面在本文中被称为燃烧器端平面49。燃烧器端平面49标记后框架29的远、下游端。

根据优选实施例，如图4中所示，本发明的下游喷射系统30可以包括位于燃烧器中平面的后面的喷射的两个轴向级，第一级41和第二级42。更具体地，第一级41可以定位在过渡区域39的后半部中，并且第二级42可以定位在第一级41和涡轮机13中的第一排定子叶片16之间。更优选地，第一级41可以很靠后地定位在燃烧器12的后部分内，并且第二级42在燃烧器12的端平面49的附近或下游。在某些情况下，第一和第二级41、42可以彼此靠近地定位使得可以使用公共空气/燃料管道。

现在参见图5至10，提供示出本发明的另外方面的若干优选实施例，原因是它涉及双级系统。这些图的每一个包括通过示例性燃烧器12和涡轮机13的内部流动路径。本领域的普通技术人员将领会，头端22和燃料喷嘴21（其也可以在本文中被称为初级空气和燃料喷射系统）可以包括若干配置中的任何一个，原因是本发明的操作不取决于任何特定的一个。根据某些实施例，头端22和燃料喷嘴21可以配置成与如美国专利8,019,523中描述和限定的延迟贫喷射或下游喷射系统兼容，上述专利通过引用完整地被合并于此。在头端22的下游，内衬24可以限定燃烧区域23，在所述燃烧区域内输送到头端22的空气和燃料的大部分供应初级燃烧。过渡件25然后从内衬24向下游延伸并且限定过渡区域39，并且在过渡件25的下游端，后框架29可以朝着涡轮机13中的定子叶片16的初始排引导燃烧产物。

这些喷射的第一和第二级41、42的每一个可以包括多个圆周间隔的喷射器32。轴向级的每一个内的喷射器32可以位于公共喷射平面38上，所述公共喷射平面是相对于内部流动路径的纵轴线37的垂直参考平面。为了清楚起见以简化形式在图5至7中表示的喷射器32可以包括用于将空气和燃料喷射到燃烧器12的下游或后端或涡轮机13的第一级中的任何常规设计。任一级41、42的喷射器32可以包括图3的喷射器32，以及在美国专利8,019,523和7,603,863（两者通过引用合并于本文中）中描述或引用的任何喷射器，下面关于图14至19所述的任何喷射器，以及其它常规燃烧器燃料/空气喷射器。如包含的参考文献中所述，本发明的燃料/空气喷射器32也可以包括根据任何常规手段和装置整合在一排定子叶片16内的喷射器，如例如在美国专利7,603,863中所述的喷射器。对于过渡区域39内的喷射器32，每一个可以在结构上由过渡件25和/或冲击套筒28支撑，并且在一些情况下，可以延伸到过渡区域39中。喷射器32可以配置成在大体与通过过渡区域39的主流动方向横切的方向上将空气和燃料喷射到过渡区域39中。根据某些实施例，下游喷射系统30的每个轴向级可以包括以规则间距或在其它情况下以非均匀间距圆周地间隔的若干喷射器32。作为例子，根据优选实施例，在每个轴向级处可以使用3到10个之间的喷射器。在其它优选实施例中，第一级可以包括3到6个之间的喷射器并且第二级（和第三级，如果有的话）可以均包括5到10个之间的喷射器。关于它们的圆周放置，两个轴向级41、42之间的喷射器32可以相对于彼此成直线或交错放置，并且如下所述，可以放置成互为补充。在优选实施例中，第一级41的喷射器32可以配置成比第二级42的喷射器32更多地穿透主流动。在优选实施例中，这可以导致第二级42比第一级41具有围绕流动路径的圆周定位的更多喷射器32。第一级、第二级和第三级（如果有的话）的喷射器均可以配置成在操作中使喷射器在与参考线成+30°到-30°之间的方向上喷射空气和燃料，所述参考线相对于通过内部流动路径的主流动方向垂直。

关于下游喷射系统30的第一级41和第二级42的轴向定位，在图5和6的优选实施例中，第一级41可以定位在燃烧器中平面48的紧上游或下游，并且第二级42可以靠近燃烧器12的端平面49定位。在某些实施例中，第一级41的喷射平面38可以布置在过渡区域39内，在燃烧器中平面48和端平面49之间的大致中途。如图5中所示，第二级42可以定位在燃烧器12的下游端或端平面49的紧上游。换句话说，第二级42的喷射平面38可以出现在后框架29的上游端的紧上游。将领会第一和第二级41、42的下游位置减小了从其喷射的反应物停留在燃烧器内的时间。也就是说，已知通过燃烧器13的流动的相对恒定速度、停留时间的减小与反应物在到达燃烧器的下游终点或火焰区域之前必须行进的距离直接相关。因此，如下面更详细地所述，第一级41的距离51（如图6中所示）导致喷射反应物的停留时间是在头端22释放的反应物的停留时间的小分数。类似地，第二级42的距离52导致喷射反应物的停留时间是在第一级41释放的反应物的停留时间的小分数（small fraction）。如上所述，该减小的停留时间减小了NOx排放水平。如下面更详细地所述，已知轴向位置和通过燃烧器的计算流量，在某些实施例中喷射级相对于初级燃料和空气喷射系统和彼此的精确放置可以取决于预期停留时间。

在另一示例性实施例中，如图7中所示，第一级41的喷射平面38可以定位在过渡件25的后四分之一区域中，如图所示，在燃烧器12中比图5的第一级41稍处更下游。在该情况下，第二级42的喷射平面38可以定位在后框架29处或很靠近燃烧器12的端平面49。在这样的情况下，根据优选实施例，第二级42的喷射器32可以整合到后框架29的结构中。

在另一示例性实施例中，如图8中所示，第一级41的喷射平面38可以定位在后框架29或燃烧器12的端平面49的紧上游。第二级42可以定位在涡轮机13内的第一排定子叶片16的轴向位置处或很靠近该位置。在优选实施例中，第二级42的喷射器32可以整合到该排定子叶片16中，如上所述。

本发明也包括用于在头端22的初级空气和燃料喷射系统与下游喷射系统的第一级41和第二级42之间分配空气和燃料的控制配置。相对于彼此，根据优选实施例，第一级41可以配置成比第二级42喷射更多的燃料。在某些实施例中，在第二级42处喷射的燃料小于在第一级处喷射的燃料的50%。在其它实施例中，在第二级42处喷射的燃料在第一级41处喷射的燃料的大约10%到50%之间。已知可以通过分析和测试确定的喷射燃料，第一和第二级41、42的每一个可以配置成喷射大致最小量的空气以大致最小化NOx对比燃烧器出口温度，同时也允许充分的CO烧尽。其它优选实施例包括头端22的初级空气和燃料喷射系统与下游喷射系统的第一级41和第二级42的空气和燃料分配的更特定水平。例如，在一个优选实施例中，燃料的分配包括：在50%到80%之间的燃料分配到初级空气和燃料喷射系统；在20%到40%之间的燃料分配到第一级41；并且在2%到10%之间的燃料分配到第二级。在这样的情况下，空气的分配可以包括：在60%到85%之间的空气分配到初级空气和燃料喷射系统；在15%到35%之间的空气分配到第一级41；并且在1%到5%之间的空气分配到第二级42。在另一优选实施例中，可以更加精确地限定这样的空气和燃料分离。在该情况下，初级空气和燃料喷射系统、第一级41和第二级42之间的空气和燃料分离如下：燃料相应地为70/25/5%并且空气相应地为80/18/2%。

两个喷射级的各喷射器可以以若干方式控制和配置以获得期望的操作和优选的空气和燃料分离。将领会这些方法中的某些包括通过引用完整地被合并于此的美国申请2010/0170219的方面。如图9中示意性地表示，到达级41、42的每一个的空气和燃料供应可以经由公共控制阀55控制。也就是说，在某些实施例中，空气和燃料供应可以配置成具有公共阀55的单系统，并且两个级之间的期望空气和燃料分离可以经由两个级的独立供应通道或喷射器32内的孔尺寸大小(sizing)被动地确定。如图10中所示，每个级41、42的空气和燃料供应可以用控制每个级41、42的进给的独立阀55单独地控制。将领会本文中所述的任何可控阀可以电连接到控制器并且根据常规系统经由控制器操作它的设置。

第一级41中的喷射器32的数量和每个喷射器的圆周位置可以选择成使得喷射的空气和燃料穿透主燃烧器流从而改善混合和燃烧。已知喷射的下游位置，喷射器32可以被调节从而具有到主流动中充分的穿透，使得在短暂的停留时间期间空气和燃料混合并且充分地反应。第二级42的喷射器32的数量可以选择成适应由第一级41喷射产生的流动和温度分布。此外，第二级可以配置成具有比第一级喷射所需更小的工作流体的流动中的喷射穿透。因此，第二级与第一级相比，更多的喷射点可以围绕流动路径的周边定位。另外，第一级喷射器32的数量和类型和在每一个处喷射的空气和燃料的量可以选择成将可燃反应物置于温度低和/或CO浓度高的位置，从而改善燃烧和CO燃尽。优选地，第一级41的轴向位置应当尽可能靠后，与第二级42促进离开第一级41的CO/UHC的反应的能力一致。由于第二级42喷射的停留时间很短暂，因此燃料的较小分数将在那里喷射，如上所述。第二级42的空气的量也可以基于计算和测试数据被最小化。

在某些优选实施例中，第一级41和第二级42可以配置成使得来自第一级41的喷射空气和燃料比来自第二级42的喷射空气和燃料更穿透通过内部流动路径的燃烧流。在这样的情况下，如已经所述，第二级42可以使用配置成产生较弱喷射流的更多喷射器32（相对于第一级41）。将领会使用该策略，第一级41的喷射器32可以主要配置成使它们所喷射的喷射空气和燃料与内部流动路径的中间区域中的燃烧流混合，而第二级42的喷射器32主要配置成使喷射空气和燃料与内部流动路径的周边区域中的燃烧流混合。

根据本发明的方面，下游喷射的两个级可以整合从而改善功能、反应物混合和通过内部流动路径的燃烧特性，同时改善关于操作期间输送到燃烧器13的压缩空气供应的使用的效率。也就是说，获得与下游喷射关联的性能优势可能需要较少的喷射空气，这增加供应到燃烧器13的后部分的空气的量和该空气提供的冷却效应。与此一致，在优选实施例中，第一级41的喷射器32的圆周放置包括这样一种配置，来自该配置的喷射空气和燃料基于来自初级空气和燃料喷射系统的预期燃烧流动穿透内部流动路径的预定区域，从而增加第一级41的下游的燃烧流动中的反应物混合和温度均匀性。另外，已知第一级41的下游的预期燃烧流动的特性，第二级42的喷射器32的圆周放置可以是与第一级41的喷射器32的圆周放置互补的圆周放置。将领会若干不同燃烧流动特性是重要的，从而改善通过燃烧器的燃烧，这可以有益于排放水平。这些例如包括燃烧流内的反应物分布、温度分布、CO分布和UHC分布。将领会这样的特性可以被限定为内部流动路径内的轴向位置或范围处的燃烧流内的任何流动性质的横截面分布，并且某些计算机操作模型可以用于预测这样的特性或者它们可以经由实际发动机操作的实验或测试或这些的组合进行确定。典型地，当燃烧流动彻底混合并且均匀时的性能改善以及本发明的整合双级方法可以用于实现该目的。因此，已知来自第一级41和第二级42的喷射器32的圆周放置的空气和燃料喷射的预期效应，第一级41和第二级42的喷射器32的圆周放置可以基于：a)操作期间第一级41的紧上游的预期燃烧流的特性；和b)第二级42的紧下游的预期燃烧流的特性。如上所述，这里的特性可以是反应物分布、温度分布、NOx分布、CO分布、UHC分布或可以用于建模这些中的任何一个的相关特性。分开说，根据本发明的另一方面，第一级41的喷射器32的圆周放置可以基于操作期间的第一级41的紧上游的预期燃烧流的特性，其可以基于初级空气和燃料喷射系统30的配置。第二级42的喷射器32的圆周放置可以基于第二级42的紧上游的预期燃烧流的特性，其可以基于第一级41的喷射器32的圆周放置。

将领会本发明的整合双级下游喷射系统30具有若干优点。第一，整合系统通过物理地联接第一和第二级减小停留时间，这允许第一级41进一步朝下游移动。第二，整合系统允许使用在第一级中使用更多和更小的喷射点，原因是第二级可以被定制以解决第一级的下游的由此产生的流动的非期望属性。第三，第二级的包括允许每个级可以配置成与单级系统相比较少地穿透到主流动中，这需要使用较少的“运载”空气获得必要的穿透。这意味着较少的空气将从流动环隙内的冷却流动虹吸（syphoned），允许主燃烧器的结构在降低的温度下操作。第四，减小的停留时间将允许更高的燃烧器温度而不增加NOx排放。第五，单“双歧管”布置可以用于简化整合双级喷射系统的构造，这使这些各种优点的实现成本效益高。

现在参见本发明的附加实施例，将领会喷射级的定位可以基于停留时间。如上所述，下游喷射级的定位可以影响多个燃烧性能参数，包括但不限于一氧化碳排放（CO）。当下游级未被供应燃料时，太靠近初级定位下游级可以导致过量一氧化碳排放。因此，来自初级区域的流动必须有时间反应并且在喷射的第一下游级之前消耗一氧化碳。将领会该需要时间是流动的“停留时间”，或换句话说，燃烧材料流行进轴向间隔的喷射级之间的距离所花费的时间。两个级之间的停留时间可以在任何两个位置之间的体积的基础上基于位置之间的总体积和已知燃气涡轮发动机的操作模式可以计算的体积流量被计算。所以，任何两个位置之间的停留时间可以计算为体积除以体积流量，其中体积流量是质量流量除以密度。换句话说，体积流量可以计算为质量流量乘以气体的温度乘以适用的气体常数除以气体的压力。

因此，已确定已知对排放水平（包括一氧化碳的排放水平）的关注，第一下游喷射级离燃烧器的头端处的初级燃料和空气喷射系统应当不小于6毫秒（ms）。也就是说，该停留时间是在发动机操作的某个模式期间，燃烧流沿着内部流动路径从限定于初级空气和燃料喷射系统处的第一位置行进到限定于下游喷射系统的第一级处的第二位置花费的时间。在该情况下，第一级应当定位在初级空气和燃料喷射系统的后面一定距离处，所述距离等于至少为6ms的第一停留时间。另外，已确定从NOx排放的观点来看，延迟下游喷射具有有益影响，并且第二下游喷射级应当定位成离燃烧器出口或燃烧器端平面小于2ms。也就是说，该停留时间是在发动机操作的某个模式期间，燃烧流沿着内部流动路径从限定于第二级处的第一位置行进到限定于燃烧器端平面处的第二位置所花费的时间。在该情况下，第二级应当定位在燃烧器端平面的前面一定距离处，所述距离等于小于2ms的该停留时间。

图11至14示出具有三个喷射级的系统。图11示出三个级的每一个可以定位在其中的轴向范围。根据优选实施例，如图11中所示，本发明的下游喷射系统30可以包括定位在燃烧器中平面的后面的喷射的三个轴向级，第一级41、第二级42和第三级43。更具体地，第一级41可以定位在过渡区域39中，第二级42可以靠近燃烧器端平面49定位，并且第三级可以定位在燃烧器端平面49处或后面。图12和14提供某些优选实施例，其中三个喷射级的每一个可以位于那些范围内。如图12中所示，第一和第二级可以位于过渡区域内，并且第三级可以靠近燃烧器端平面定位。如图13中所示，第一级可以位于过渡区域内，而第二和第三级相应地位于后框架和第一排定子叶片处。在某些实施例中，如上所述，第二级可以整合到后框架中，而第三级整合到定子叶片中。

本发明还描述包括三个喷射级的下游喷射系统内的燃料和空气喷射量和速率。在一个实施例中，第一级、第二级和第三级包括这样一种配置，所述配置将第二级处喷射的燃料限制到小于第一级处喷射的燃料的50%，并且将第三级处喷射的燃料限制到小于第一级处喷射的燃料的50%。在另一优选实施例中，第一级、第二级和第三级包括这样一种配置，所述配置将第二级处喷射的燃料限制到第一级处喷射的燃料的10%到50%之间，并且将第三级处喷射的燃料限制到第一级处喷射的燃料的10%到50%之间。在其它优选实施例中，初级空气和燃料喷射系统以及下游喷射系统的第一级、第二级和第三级可以配置成使得在操作期间总燃料供应的以下百分比输送到每一个：50%到80%之间输送到初级空气和燃料喷射系统；20%到40%之间输送到第一级；2%到10%之间输送到第二级；并且2%到10%之间输送到第三级。在另外的其它优选实施例中，初级空气和燃料喷射系统以及下游喷射系统的第一级、第二级和第三级配置成使得在操作期间总燃烧器空气供应的以下百分比输送到每一个：60%到85%之间输送到初级空气和燃料喷射系统；15%到35%之间输送到第一级；1%到5%之间输送到第二级；并且0%到5%之间输送到第三级。在另一优选实施例中，初级空气和燃料喷射系统以及下游喷射系统的第一级、第二级和第三级配置成使得在操作期间总燃料供应的以下百分比输送到每一个：大约65%输送到初级空气和燃料喷射系统；大约25%输送到第一级；大约5%输送到第二级；并且大约5%输送到第三级。在该情况下，初级空气和燃料喷射系统以及下游喷射系统的第一级、第二级和第三级配置成使得在操作期间总空气供应的以下百分比输送到每一个：大约78%输送到初级空气和燃料喷射系统；大约18%输送到第一级；大约2%输送到第二级；并且大约2%输送到第三级。

图14至19提供本发明的另一方面的实施例，其包括燃料喷射器可以包含到后框架29中的方式。如上所述，后框架29包括提供燃烧器12的下游端和涡轮机13的上游端之间的接口的框架元件。

如图14中所示，后框架29形成包围或环绕内部流动路径的刚性结构元件。后框架29包括限定内部流动路径的外侧边界的内表面或壁65。后框架29包括具有结构元件的外表面66，后框架通过所述结构元件连接到燃烧器和涡轮机。通过后框架29的内壁形成许多出口74。出口74可以配置成将燃料增压室71连接到内部流动路径67。后框架29可以包括6到20个之间的出口，但是也可以提供更多或更少的出口。出口74可以围绕后框架的内壁65圆周地间隔。如图所示，后框架29可以包括环形横截面形状。

如图15至19中所示，根据本发明的后框架29可以包括形成于其中的圆周延伸燃料增压室71。如图15中所示，燃料增压室71可以具有通过后框架29的外壁66形成的燃料入口72，燃料通过所述燃料入口供应到燃料增压室71。因此燃料入口72可以将燃料增压室71连接到燃料供应77。燃料增压室77可以配置成包围或完全环绕内部流动路径67。如图所示，一旦燃料到达燃料增压室71，它然后可以通过出口74喷射到内部流动路径67中。如图16中所示，在某些情况下，空气可以在输送到燃料增压室71之前与预混器84内的燃料预混。替代地，空气和燃料可以在燃料增压室71内聚在一起并且混合，在图17中示出所述燃料增压室的例子。在该情况下，空气入口73可以形成于后框架29的外壁66中并且可以与燃料增压室71流体地连通。空气入口73可以围绕后框架29圆周地间隔并且通过在该区域中围绕燃烧器的压缩器排放来进给。

也如图17中所示，出口74可以倾斜。该角可以相对于参考方向，所述参考方向垂直于通过内部流动路径67的燃烧流动。在某些优选实施例中，如图所示，出口的倾斜朝着燃烧流动的下游方向可以在0°到45°之间。另外，出口74可以配置成相对于后框架29的内壁65的表面齐平，如图17中所示。替代地，出口74可以配置成使得每一个远离内壁65并突出到内部流动路径67中，如图19中所示。

图18和19提供替代实施例，其中多个管81配置成横穿燃料增压室71。管81的每一个可以配置成使得第一端部连接到空气入口73中的一个，并且第二端部连接到出口74中的一个。在某些实施例中，如图18中所示，形成于后框架的内表面65上的出口74包括：a)空气出口76，其配置成连接到管81中的一个；和b)燃料出口72，其配置成连接到燃料增压室71。这些出口的每一个可以彼此邻近并定位在内壁65上，从而一旦喷射到内部流动路径67中便于混合空气和燃料。在优选实施例中，如图18中所示，空气出口76配置成具有圆形并且燃料出口75配置成具有围绕空气出口76的圆形而形成的环形。一旦燃料和空气输送到内部流动路径67，该配置将进一步便于混合燃料和空气。将领会在某些实施例中管81将具有实心结构，所述实心结构防止移动通过管81的流体与移动通过燃料增压室71的流体混合，直到两种流体喷射到内部流动路径67中。替代地，如图19中所示，管71可以包括开口82，所述开口允许空气和燃料在喷射到内部流动路径67中之前预混。在这样的情况下，促进紊流和混合的结构、例如紊流器83可以包括在开口82的下游使得预混被增强。

本领域的普通技术人员将领会，上面关于若干示例性实施例所述的许多变化特征和配置可以进一步选择性地应用以形成本发明的其它可能实施例。为了简洁起见并且考虑本领域的普通技术人员的能力，未详细地提供或论述所有可能的迭代，但是由以下若干权利要求或以另外方式包含的所有组合和可能实施例旨在属于本申请的一部分。另外，从本发明的若干示例性实施例的以上描述，本领域的技术人员将认识到改进、变化和修改。本领域的技术内的这样的改进、变化和修改也旨在由附带的权利要求涵盖。此外，将显而易见前述内容仅仅涉及本申请的所述实施例并且可以在本文中进行许多变化和修改而不脱离由以下权利要求及其等效物限定的本申请的精神和范围。

Claims (19)

1.一种在燃气涡轮发动机中使用的方法，所述燃气涡轮发动机包括：联接到涡轮机的燃烧器，所述燃烧器和所述涡轮机一起限定内部流动路径，所述内部流动路径围绕纵轴线从位于所述燃烧器的前端处的初级空气和燃料喷射系统向后延伸，通过所述燃烧器连接到所述涡轮机处的接口，并且通过所述涡轮机中的至少一排定子叶片，所述方法包括以下步骤：

在所述内部流动路径内配置下游喷射系统，所述下游喷射系统包括两个喷射级，第一级和第二级，其中所述第一级和所述第二级均沿着所述纵轴线轴向地间隔，使得所述第一级包括在所述初级空气和燃料喷射系统的后面的轴向位置，并且所述第二级包括在所述第一级的后面的轴向位置，其中所述第一级和所述第二级的每一个包括多个喷射器，每个喷射器配置成将空气和燃料喷射到通过所述内部流动路径的燃烧流中；

圆周地定位所述第一级和所述第二级的喷射器，所述第一级定位在所述燃烧器内的所述内部流动路径的纵向中点的后面；

在操作期间从所述第一级和所述第二级的喷射器的每一个喷射空气和燃料；

在所述初级空气和燃料喷射系统的邻近其的后面，所述内部流动路径包括由围绕的内衬限定的初级燃烧区域，并且在所述内衬的邻近其的后面，所述内部流动路径包括由围绕的过渡件限定的过渡区域；

其中所述过渡件配置成将所述初级燃烧区域流体地联接到所述涡轮机的入口，同时将通过所述过渡件的流动从所述内衬的大致圆柱形横截面区域过渡到所述涡轮机的入口的环形横截面区域；

其中所述过渡件包括后框架，所述后框架形成所述燃烧器和所述涡轮机的入口之间的接口；并且

其中所述下游喷射系统的所述第一级定位在所述过渡区域内并且所述下游喷射系统的所述第二级定位在所述后框架内或后面。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，已知所述初级空气和燃料喷射系统的配置，圆周地定位所述第一级的喷射器的步骤基于在操作模式期间的所述第一级的邻近其的上游的预期燃烧流的特性；并且

已知所述第一级的喷射器的圆周放置，圆周地定位所述第二级的喷射器基于所述第二级的邻近其的上游的预期燃烧流的特性。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，燃烧流的特性包括反应物分布；并且

其中圆周地定位所述喷射器基于朝着反应物分布的更加均匀性来优化燃烧流。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，燃料流的特性包括温度分布；

其中圆周地定位所述喷射器基于朝着温度分布的更加均匀性来优化燃烧流。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，燃料流的特性包括CO分布；

其中圆周地定位所述喷射器基于朝着CO分布的更加均匀性来优化燃烧流。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，燃料流的特性包括UHC分布；

其中圆周地定位所述喷射器基于朝着UHC分布的更加均匀性来优化燃烧流。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，燃料流的特性包括NOx分布；

其中圆周地定位所述喷射器基于朝着NOx分布的更加均匀性来优化燃烧流。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，燃料流的特性包括燃烧流内的流动性质的横截面分布并且其中所述第一级和所述第二级的喷射器的圆周放置基于使所述流动性质的横截面分布在所述第二级的下游更加均匀。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，流动性质包括以下的至少两项：反应物分布、温度分布、CO分布、UHC分布、和NOx分布。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一停留时间包括在操作模式期间燃烧流通过所述内部流动路径从所述初级空气和燃料喷射系统行进到所述下游喷射系统的所述第一级的时间；

所述方法还包括将所述第一级轴向地定位在所述初级空气和燃料喷射系统的后面一定距离处使得所述第一停留时间包括至少6毫秒的步骤。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二停留时间包括在操作模式期间燃烧流通过所述内部流动路径从所述第二级行进到燃烧器端平面的时间；

所述方法还包括将所述第二级轴向地定位在所述燃烧器端平面的前面一定距离处使得所述第二停留时间包括小于2毫秒的步骤。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一级和所述第二级的每一个处的所述多个喷射器的每一个定位在公共喷射平面上，每个公共喷射平面大致垂直于所述内部流动路径的纵轴线排列；

其中所述第一级和所述第二级的每一个包括3到10个之间的喷射器；并且

其中圆周地定位所述喷射器的步骤包括使所述第一级的喷射器相对于所述第二级的喷射器圆周地交错。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

将所述第一级和所述第二级的喷射器定向成使得在操作中，每个喷射器在与参考线成+30°到-30°之间的方向上喷射空气和燃料，所述参考线相对于通过所述内部流动路径的主流动方向垂直；

将所述第一级配置成包括3到6个之间的喷射器；并且

将所述第二级配置成包括5到10个之间的喷射器。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将所述第一级和所述第二级的喷射器配置成使得来自所述第一级的喷射空气和燃料比来自所述第二级的喷射空气和燃料更穿透通过所述内部流动路径的预期燃烧流；并且

其中所述第二级比所述第一级包括更多的围绕所述内部流动路径定位的喷射器。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，圆周地定位所述第一级的喷射器基于根据来自所述初级空气和燃料喷射系统的预期燃烧流，穿透所述内部流动路径的预定区域，从而增加所述第一级的下游的燃烧流中的反应物混合和温度均匀性；并且

其中圆周地定位所述第二级的喷射器包括基于与所述第一级的喷射器的圆周放置互补。

16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初级空气和燃料喷射系统以及所述下游喷射系统的所述第一级和所述第二级配置成使得在操作期间总燃料供应的以下百分比输送到每一个：60％到75％之间输送到所述初级空气和燃料喷射系统；20％到30％之间输送到所述第一级；并且2％到10％之间输送到所述第二级；

其中所述初级空气和燃料喷射系统以及所述下游喷射系统的所述第一级和所述第二级配置成使得在操作期间总燃烧器空气供应的以下百分比输送到每一个：75％到85％之间输送到所述初级空气和燃料喷射系统；15％到25％之间输送到所述第一级；并且1％到5％之间输送到所述第二级。

17.一种在燃气涡轮发动机中使用的方法，所述燃气涡轮发动机包括：联接到涡轮机的燃烧器，所述燃烧器和所述涡轮机一起限定内部流动路径，所述内部流动路径围绕纵轴线从位于所述燃烧器的前端处的初级空气和燃料喷射系统向后延伸，通过所述燃烧器连接到所述涡轮机处的接口，并且通过所述涡轮机中的至少一排定子叶片，所述方法包括以下步骤：

在所述内部流动路径内配置下游喷射系统，所述下游喷射系统包括三个轴向间隔喷射级，第一级、第二级和第三级，其中所述第一级定位在所述初级空气和燃料喷射系统的后面，所述第二级定位在所述第一级的后面，并且所述第三级定位在所述第二级的后面；其中所述第一级、所述第二级和所述第三级的每一个包括多个喷射器，每个喷射器配置成将空气和燃料喷射到通过所述内部流动路径的燃烧流中；以及

已知来自所述第一级、所述第二级和所述第三级的空气和燃料喷射的预期效应，基于以下圆周地定位所述第一级、所述第二级和所述第三级的喷射器：a)在操作模式期间发生在所述第一级的邻近其的上游的预期燃烧流的特性；以及b)所述第三级的邻近其的下游的预期燃烧流的特性。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，圆周地定位所述第一级的喷射器的步骤基于所述操作模式期间的所述第一级的邻近其的上游的预期燃烧流的特性；

圆周地定位所述第二级的喷射器的步骤基于所述操作模式期间的所述第二级的邻近其的上游的预期燃烧流的特性；

圆周地定位所述第三级的喷射器基于所述第三级的邻近其的上游的预期燃烧流的特性。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述特性包括以下的至少一项：反应物分布；温度分布；CO分布；UHC分布；和NOx分布。