CN104748151A - 延迟贫喷射歧管混合系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器的歧管混合系统包括燃料源、与燃料源联接的燃料喷射器，以及能够与燃料喷射器协作并包括混合空气入口的歧管混合器。燃料喷射器能够相对于歧管混合器移位，同时定位成将燃料从燃料源输送至歧管混合器。歧管混合器成形为将来自燃料源的燃料与经由混合空气入口输入的空气混合用于喷射到燃烧器中。

Description

延迟贫喷射歧管混合系统
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及延迟贫喷射歧管混合系统，其用以将预混燃料/空气混合物喷射到罐式环形燃气涡轮燃烧器的主燃烧区下游的燃烧区中。
背景技术
对于燃烧涡轮发动机中的分级燃烧，多种设计存在，但是大多数是由多个管件和接头构成的复杂组件。一种用于燃烧涡轮发动机中的分级燃烧是延迟贫喷射。在该类型的分级燃烧中，延迟贫燃料喷射器位于主燃料喷射器的下游。在该下游位置处燃烧燃料/空气混合物可用于改进NOx性能。NOx或氮氧化物是焚烧常规碳氢燃料的燃气涡轮发动机所产生的主要的不合乎需要的空气污染排放物中的一种。
当前的延迟贫喷射组件对于新的燃气涡轮单元和现有单元的改装两者而言为昂贵且高成本的。其原因之一是常规延迟贫喷射系统的复杂性，特别是与燃料输送相关联的那些系统。与这些复杂系统相关联的许多部件必须设计成耐受涡轮环境的极端热和机械负载，这显著地增加了制造费用。即使如此，常规延迟贫喷射组件仍具有燃料泄漏到压缩机排放壳体中的高风险，这可导致自动点火和安全危险。
气体燃料典型地使用管组件从供应歧管传输至燃烧器喷射器。
喷射器典型地与燃烧器套筒连接，而燃料管线可连接于燃烧器的不同构件，诸如安装法兰。波纹管可用于容纳在启动和停机期间的热偏移。这些单独的子组件需要在运行中相对于彼此移动。然而，构件安装为模块，并且不合乎需要的是子组件在安装期间相对于彼此移动，这可导致对波纹管的损坏。因此，组件要求必须正确使用并要求操作者经验的精致组装工具。此外，气体燃料使用管组件从供应歧管传输至燃烧器喷射器。当燃气涡轮被点燃时，供应歧管与喷射器之间的相对热位移可在管中产生不合乎需要的应变。
发明内容
在示例性实施例中，一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器的歧管混合系统包括燃料源、与燃料源联接的燃料喷射器，以及能够与燃料喷射器协作并包括混合空气入口的歧管混合器。燃料喷射器能够相对于歧管混合器移位，同时定位成将燃料从燃料源输送至歧管混合器。歧管混合器成形为将来自燃料源的燃料与经由混合空气入口输入的空气混合用于喷射到燃烧器中。
在另一个示例性实施例中，一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器包括包含在燃料喷嘴下游的主燃烧区的燃烧室，以及界定燃烧室的衬套和流动套筒组件。歧管混合系统联接在燃烧器安装法兰与衬套和流动套筒组件之间，并且将预混合的燃料和空气输送至主燃烧区的下游。
技术方案1.一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器的歧管混合系统，所述歧管混合系统包括：
燃料源；
与所述燃料源联接的燃料喷射器；以及
能够与所述燃料喷射器协作并包括混合空气入口的歧管混合器，
其中所述燃料喷射器能够相对于所述歧管混合器移位，同时定位成将燃料从所述燃料源输送至所述歧管混合器，并且其中所述歧管混合器成形为将来自所述燃料源的所述燃料与经由所述混合空气入口输入的空气混合用于喷射到所述燃烧器中。
技术方案2.根据技术方案1所述的歧管混合系统，其特征在于，所述燃料喷射器包括设置在所述歧管混合器内部的长钉构件。
技术方案3.根据技术方案2所述的歧管混合系统，其特征在于，包括设置在所述歧管混合器内部的多个长钉构件。
技术方案4.根据技术方案2所述的歧管混合系统，其特征在于，所述歧管混合器包括装固于其上游端的端帽，并且其中所述长钉构件延伸穿过所述端帽中的开口。
技术方案5.根据技术方案4所述的歧管混合系统，其特征在于，所述端帽包括环绕所述长钉构件的护罩。
技术方案6.根据技术方案2所述的歧管混合系统，其特征在于，所述混合空气入口中的至少一些定位在所述长钉构件的端部上游。
技术方案7.根据技术方案1所述的歧管混合系统，其特征在于，所述混合空气入口围绕所述歧管混合器的周边形成。
技术方案8.根据技术方案1所述的歧管混合系统，其特征在于，所述歧管混合器成形为使得所述歧管混合器的径向高度小于所述歧管混合器的周向宽度。
技术方案9.根据技术方案8所述的歧管混合系统，其特征在于，所述歧管混合器包括弯曲长方形形状。
技术方案10.根据技术方案9所述的歧管混合系统，其特征在于，所述歧管混合器包括在其下游端处的过渡件，所述过渡件成形为使所述歧管混合器中的所述燃料和空气从轴向混合方向转动到径向喷射方向。
技术方案11.根据技术方案10所述的歧管混合系统，其特征在于，所述过渡件的至少一部分是圆筒形的。
技术方案12.根据技术方案1所述的歧管混合系统，其特征在于，所述歧管混合器包括大致在所述歧管混合器的端部中间的一圈表面空气入口孔。
技术方案13.一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器，所述燃烧器包括：
包括在燃料喷嘴下游的主燃烧区的燃烧室；
界定所述燃烧室的衬套和流动套筒组件；
联接在燃烧器安装法兰与所述衬套和流动套筒组件之间的歧管混合系统，所述歧管混合系统将预混合的燃料和空气输送至所述主燃烧区域的下游，所述歧管混合系统包括：
燃料源；
与所述燃料源联接的燃料喷射器；以及
能够与所述燃料喷射器协作并包括混合空气入口的歧管混合器，
其中所述燃料喷射器能够相对于所述歧管混合器移位，同时定位成将燃料从所述燃料源输送至所述歧管混合器，并且其中所述歧管混合器成形为将来自所述燃料源的燃料与经由所述混合空气入口输入的空气混合用于喷射到所述燃烧器中。
技术方案14.根据技术方案13所述的燃烧器，其特征在于，所述歧管混合器成形为使得所述歧管混合器的径向高度小于所述歧管混合器的周向宽度。
技术方案15.根据技术方案14所述的燃烧器，其特征在于，所述歧管混合器包括弯曲长方形形状。
技术方案16.根据技术方案15所述的燃烧器，其特征在于，所述歧管混合器包括延伸穿过所述衬套和流动套筒组件的、在其下游端处的过渡件，所述过渡件成形为使所述歧管混合器中的所述燃料和空气从轴向混合方向转动到径向喷射方向，用于在所述主燃烧区的下游喷射到所述燃烧器中。
技术方案17.根据技术方案16所述的燃烧器，其特征在于，所述过渡件的至少一部分是圆筒形的。
技术方案18.根据技术方案13所述的燃烧器，其特征在于，所述燃料喷射器包括设置在所述歧管混合器内部的长钉构件。
技术方案19.根据技术方案18所述的燃烧器，其特征在于，包括设置在所述歧管混合器内部的多个长钉构件。
附图说明
图1示出典型燃烧涡轮系统；
图2是常规燃烧器的截面图；
图3是示出歧管混合系统的透视图；
图4是燃料喷射器与歧管混合器之间的接合部的特写图；
图5是歧管混合系统的侧视图；以及
图6是歧管混合系统的示意截面图。
部件列表
10燃烧涡轮系统
12压缩机
14燃烧器
16涡轮
20燃烧器
22头端
21燃料喷嘴
23主燃烧区
24衬套
25过渡件
26流动套筒
67冲击套筒
27流动环
28延迟贫喷射系统
30燃料喷射器
32歧管混合器
34混合空气入口
36长钉构件
38端帽
40护罩
42过渡件
44表面空气入口孔。
具体实施方式
图1是示出典型燃烧涡轮系统10的图示。燃气涡轮系统10包括压缩进入空气以产生压缩空气供应的压缩机12、焚烧燃料以便产生高压高速热燃气的燃烧器14，以及涡轮16，其使用涡轮叶片从自燃烧器14进入涡轮16的高压高速热燃气抽取能量，以便由热燃气旋转。当涡轮16旋转时，连接于涡轮16的轴也旋转，该轴的旋转可用于驱动负载。最后，排气离开涡轮16。
图2是常规燃烧器的截面图，本发明的实施例可用于其中。虽然燃烧器20可采取各种形式，但该各种形状中的每种都适合于包括本发明的各种实施例，典型地，燃烧器20包括头端22，其包括多个燃料喷嘴21，多个燃料喷嘴21将来自燃料源的燃料流和空气集合用于在主燃烧区23内的燃烧，主燃烧区23由环绕衬套24限定。衬套24典型地从头端22延伸到过渡件25。衬套24被流动套筒26环绕，如所示。过渡件25被冲击套筒67环绕。在流动套筒26及衬套24之间和在过渡件25及冲击套筒67之间，将认识到，形成了将在本文中称为“流动环27”的环。流动环27延伸燃烧器20的大部分长度，如所示。从衬套24，过渡件25在流向下游行进至涡轮区段(未示出)时将流从衬套24的圆形截面转移至环形截面。在下游端处，过渡件25朝定位在涡轮16的第一级中的翼型件引导工作流体流。
将认识到，流动套筒26和冲击套筒27典型地具有形成穿过其的冲击孔口(未示出)，其允许来自压缩机12的压缩空气的冲击流进入形成在流动套筒26/衬套24和/或冲击套筒67/过渡件25之间的流动环27。穿过冲击孔口的压缩空气流对流地冷却衬套24和过渡件25的外表面。穿过流动套筒26进入燃烧器20的压缩空气经由围绕衬套24形成的流动环27引导向燃烧器20的前端。接着，压缩空气可进入燃料喷嘴21，其中其与燃料混合用于燃烧区23内的燃烧。
如以上提到的，涡轮16包括涡轮叶片，燃料在衬套24中的燃烧的产物接收到该涡轮叶片中以向涡轮叶片的旋转提供动力。过渡件将燃烧产物流引导到涡轮16中，其中该燃烧产物流与叶片相互作用以引起围绕轴的旋转，该旋转如所述接着可用于驱动负载诸如发电机。因此，过渡件25用来联接燃烧器20和涡轮16。在包括延迟贫喷射的系统中，将认识到过渡件25还可限定次级燃烧区，其中供应至其的附加燃料和供应至衬套24燃烧区的燃料的燃烧产物燃烧。
如本文中使用的，“延迟贫喷射系统”是用于在主燃料喷嘴21下游和涡轮16上游的任何点处将燃料和空气的混合物喷射到工作流体流中的系统。在某些实施例中，“延迟贫喷射系统28”更具体地限定为用于将燃料/空气混合物喷射到由衬套限定的主燃烧室的后端中的系统。大体上，延迟贫喷射系统的目标中的一个包括实现在主燃烧器/主燃烧区下游发生的燃料燃烧。该类型的操作可用于改进NOx性能，然而，如本领域技术人员将认识到的，过于下游发生的燃烧可导致不合乎需要的较高CO排放物。如下面更详细描述的，本发明提供用于实现改进的NOx排放物的有效备选方案，同时避免不合乎需要的结果。
参照图3-6，优选实施例的歧管混合系统包括与燃料源联接的燃料喷射器30和能够与燃料喷射器协作并包括围绕歧管混合器32的周边形成的混合空气入口34的歧管混合器32。在一个结构中，混合空气入口34朝向歧管混合器32的中心定向，这产生紊流用于更好的混合并且还更好地防止火焰保持。孔允许来自燃烧排放壳体(CDC)的空气进入用于与来自喷射器的燃料混合。
燃料喷射器30包括能够定位在歧管混合器32内部的一个或更多个长钉构件36(图4中示出三个)。长钉构件36安装于LLI(延迟贫喷射)法兰。歧管混合器32包括装固于其上游端的端帽38，其中一个或更多个长钉构件36延伸穿过端帽38中的对应开口。在优选结构中，端帽38包括环绕(多个)长钉构件36的护罩40(图5)。如图3所示，混合空气入口34中的至少一些定位在(多个)长钉构件36的端部上游。
继续参照图3和图5，歧管混合器32优选成形为使得歧管混合器32的径向高度小于歧管混合器的周向宽度。径向高度在图5的截面图中示出，而周向宽度在图3的透视图中示出。优选地，歧管混合器32形成为弯曲长方形形状并且包括在其下游端处的过渡件42。过渡件42成形为将歧管混合器32中的燃料和空气从轴向混合方向转动至穿过燃烧套筒的壁的径向喷射方向。如所示，过渡件的至少一部分可为圆筒形的，例如在燃烧套筒壁处。其它形状可为适合的。过渡件42的几何形状使空气/燃料混合物能够进行径向转动而不分开。平滑过渡便于具有低压力梯度的该结果。
歧管混合器32还可包括大致在歧管混合器的端部中间的一圈表面空气入口孔44。表面空气入口孔44以浅角度定向成在歧管内部表面上产生空气膜。空气膜保持在歧管混合器32的外径上的燃料/空气分布贫乏。空气膜环绕空气/燃料混合物，并且进一步防止NOx排放物的产生。在过渡件42处，空气膜进一步与空气/燃料混合物混合。
在优选实施例的构造中的歧管混合器32的长度相当大地长于现有技术混合区。当燃料和空气在喷射之前被高度预混合时，NOx排放物能够被更有效地控制。现有系统的短长度要求在仅仅两英寸内混合，然而本设计提供在大得多的距离上的混合，诸如两英尺或更大。
歧管混合系统将预混的燃料/空气混合物喷射到罐式环形燃气涡轮燃烧器的主燃烧区下游的燃烧区中。歧管混合器优选位于流动套筒/联合套筒的外侧，并且在主燃烧区下游的燃烧器衬套/联合体/过渡件喷射点的后部延伸。歧管混合器附接或过渡至在流穿过流动套筒/联合套筒和衬套/联合体时将流转动到燃烧区中的延迟贫喷射器。燃料喷射器和歧管混合器不要求泄漏检测系统，并且设计比先前设计更坚固和更简单。组件还提供燃料/空气混合物在喷射到燃烧器中之前的更好预混。结构提供具有更好可靠性、更好排放物和较低总燃气涡轮成本的燃烧器。
虽然本发明已经结合目前被认为是最实际且优选的实施例来描述，但将理解本发明将不限于公开的实施例，而是相反，意于覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器的歧管混合系统，所述歧管混合系统包括：
燃料源；
与所述燃料源联接的燃料喷射器；以及
能够与所述燃料喷射器协作并包括混合空气入口的歧管混合器，
其中所述燃料喷射器能够相对于所述歧管混合器移位，同时定位成将燃料从所述燃料源输送至所述歧管混合器，并且其中所述歧管混合器成形为将来自所述燃料源的所述燃料与经由所述混合空气入口输入的空气混合用于喷射到所述燃烧器中。
2.根据权利要求1所述的歧管混合系统，其特征在于，所述燃料喷射器包括设置在所述歧管混合器内部的长钉构件。
3.根据权利要求2所述的歧管混合系统，其特征在于，包括设置在所述歧管混合器内部的多个长钉构件。
4.根据权利要求2所述的歧管混合系统，其特征在于，所述歧管混合器包括装固于其上游端的端帽，并且其中所述长钉构件延伸穿过所述端帽中的开口。
5.根据权利要求4所述的歧管混合系统，其特征在于，所述端帽包括环绕所述长钉构件的护罩。
6.根据权利要求2所述的歧管混合系统，其特征在于，所述混合空气入口中的至少一些定位在所述长钉构件的端部上游。
7.根据权利要求1所述的歧管混合系统，其特征在于，所述混合空气入口围绕所述歧管混合器的周边形成。
8.根据权利要求1所述的歧管混合系统，其特征在于，所述歧管混合器成形为使得所述歧管混合器的径向高度小于所述歧管混合器的周向宽度。
9.根据权利要求8所述的歧管混合系统，其特征在于，所述歧管混合器包括弯曲长方形形状。
10.根据权利要求9所述的歧管混合系统，其特征在于，所述歧管混合器包括在其下游端处的过渡件，所述过渡件成形为使所述歧管混合器中的所述燃料和空气从轴向混合方向转动到径向喷射方向。
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