CN107923621A - 具有减少的燃烧停留时间的带延迟稀薄喷射的燃气涡轮过渡管道 - Google Patents

具有减少的燃烧停留时间的带延迟稀薄喷射的燃气涡轮过渡管道 Download PDF

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Abstract

提供了一种在燃烧涡轮发动机中具有减少的燃烧停留时间的改进的燃气涡轮燃烧系统。该燃烧系统包括具有入口(26)和出口(28)的流动加速结构(16、51)、比如过渡管道。流动加速结构(16、51)的入口(26)流体地联接成接纳来自燃烧器出口的燃烧气体流。流动加速结构(16、51)的入口(26)与出口(28)之间布置有至少一个燃料喷射器(32、64、66)。流动加速结构(16、51)引起燃烧气体流的速度增大，并且因此，处于流动加速结构(16、51)中的燃烧气体流经历降低的静态温度和减少的燃烧停留时间，降低的静态温度和减少的燃烧停留时间中的每一者均在涡轮发动机的高发火温度处有效地减少NOx排放。

Description

具有减少的燃烧停留时间的带延迟稀薄喷射的燃气涡轮过渡 管道
技术领域
所公开的实施方式总体上涉及燃烧涡轮发动机、比如燃气涡轮发动机，并且更特别地涉及具有减少的燃烧停留时间的燃烧系统。
相关申请的描述
在燃气涡轮发动机中，燃料从燃料源递送至燃烧部段，在该燃烧部段处，燃料与空气混合并被点燃以产生限定工作气体的热燃烧产物。工作气体被引导至涡轮部段，工作气体在该涡轮部段处使涡轮转子旋转。已知从燃烧部段中燃烧燃料产生的NOx排放可以通过在主燃烧区域的下游设置待被点燃的燃料的一部分来减少。该方法在本领域中被称为分布式燃烧系统(DCS)。例如，参见美国专利8,375,726和8,752,386。
还已知燃气涡轮发动机中的某些管道装置可以构造成适当地对准工作气体流，使得例如这种流对准可以调整成避免在发动机的涡轮部段中对第一级流动引导叶片的需求。例如，参见美国专利7,721,547和8,276,389。上面列出的专利中的每个专利均通过参引并入本文中。
附图说明
图1是管道装置的一个非限制性实施方式的局部示意图，该管道装置具有布置在特征在于相对较低的静态温度和减少的燃烧停留时间的诸如流动加速锥体之类的流动加速结构中的位置处的燃料喷射器，相对较低的静态温度和减少的燃烧停留时间中的每一者均有利于在燃烧涡轮发动机的高发火温度处减少NOx排放。
图2示出了作为图1中示出的流动加速锥体中的锥体入口与锥体出口之间的增大的流动速度的函数的降低的静态温度的非限制性曲线图。
图3和图4示出了具有布置在相应的流动加速锥体处的燃料喷射器的管道装置的另一非限制性实施方式。
图5是燃料喷射器的示意图，该燃料喷射器在一个非限制性实施方式中可以布置成以横流喷射的方式提供射流。
图6是燃料喷射器的示意图，该燃料喷射器在另一非限制性实施方式中可以布置成不以横流喷射的方式提供射流。
具体实施方式
本发明的发明人已认识到协同作用，该协同作用是由于本发明已被认为是表面上看来独立的燃烧器设计方法、比如可以涉及分布式燃烧系统(DCS)方法和在燃烧涡轮发动机、比如燃气涡轮发动机的燃烧器系统中的先进的管道方法的创新结合而导致的。通过这些设计方法的结合，在某些非限制性实施方式中，实现降低的静态温度和减少的燃烧停留时间是可行的，降低的静态温度和减少的燃烧停留时间中的每一者均有利于将NOx排放减少至落入在约1700℃(3200°F)及更高的涡轮入口温度处可接受的水平内。
在下面的详细描述中，阐述了各种具体细节以便提供对此类实施方式的全面理解。然而，本领域技术人员应当理解的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施方式，本发明不限于所描述的实施方式，并且本发明可以以各种替代性实施方式实践。在其他情况下，本领域技术人员将很好理解的方法、过程和部件没有被详细地描述以便避免不必要且繁琐的解释。
此外，各种操作可被描述为以有助于理解本发明的实施方式的方式执行的多个离散步骤。然而，除非另有指示，否则描述的顺序不应当被解释为暗示这些操作需要按照它们呈现的顺序来执行，也不应当被解释为暗示这些操作甚至依赖顺序。此外，重复使用的短语“在一个实施方式中”并不一定指代相同的实施方式，不过该短语可以指代相同的实施方式。指出的是，所公开的实施方式不需要被解释为互相排斥的实施方式，这是由于此类公开的实施方式的各方面可以由本领域技术人员根据给定的应用需求而适当地组合。
除非另有指示，否则如本申请中使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等意在是同义的。最后，如本文中所使用的，短语“构造成”或“布置成”包含以下概念：在短语“构造成”或“布置成”之前的特征被有意且特定地设计成或制成以特定方式动作或起作用，并且不应当被解释为意味着该特征仅具有以特定方式动作或起作用的能力或适用性，除非如此指示。
图1是燃烧涡轮发动机、比如燃气涡轮发动机的燃烧器系统的一个非限制性实施方式中的先进的管道装置10的局部示意图。在先进的管道装置10中，多个流动路径12平顺地混合到单个环形室14中。在一个非限制性实施方式中，每个流动路径12均可以构造成在发动机的涡轮部段中不需要第一级流动引导叶片的情况下向发动机的涡轮部段递送在相应的燃烧器中形成的燃烧气体。
在一个非限制性实施方式中，每个流动路径12均包括锥体16和一体式排出件(IEP)18。在一个非限制性实施方式中，每个锥体16均具有锥体入口26，锥体入口26具有圆形横截面并构造成接纳来自燃烧器出口(未示出)的燃烧气体。锥体16的横截面轮廓朝向锥体出口28变窄，该锥体出口28与彼此流体连通的IEP入口30相关联。
基于锥体16的随着流体从锥体入口26向锥体出口28行进而变窄的横截面轮廓，燃烧气体流被加速至相对高的亚音速马赫数(M)、比如但不限于可包括从约0.3M至约0.8M的范围，并且因此锥体16可总体上被概念化为流动加速结构的非限制性实施方式。因此，燃烧气体可以以增大的流动速度流过锥体16，并且因此该燃烧气体流可以在锥体16中经历降低的静态温度。
例如，参见图2，图2示出了作为如图1中示出的锥体16中的锥体入口与锥体出口之间的增大的流动速度的函数的降低的静态温度的非限制性曲线图40。通过比较，图2还示出了总温度的曲线图42，该总温度基本上独立于锥体入口与锥体出口之间的增大的流动速度。
本发明的发明人已巧妙地认识到，通过在锥体的具有相对较低的静态温度的位置、比如锥体入口26与锥体出口28之间的位置处喷射燃料和空气来有效地使反应温度低于NOx形成阈值是可行的，不过在某些非限制性实施方式中，发火温度可以为约1700℃或更高。也就是说，喷射器位置处于与锥体入口26处的静态温度相比静态温度更低的位置中。为了简化说明起见，图1示出了单个喷射器32，单个喷射器32如可以包括进气口(air scoop)和燃料喷嘴的组件，该组件与图1中示出的锥体中的每个锥体连接；然而，应当理解的是，可以在每个锥体16中在周向上分布多个喷射器。
图3示出了管道装置50的另一非限制性实施方式，其中流动加速锥体51可由两个或更多个互连的锥体部段构成，所述两个或更多个互连的锥体部段代替如上所述的单件式流动加速锥体。在一个非限制性实施方式中，第一锥体部段52可以布置成接纳来自燃烧器出口54的燃烧气体，并且第二锥体部段56——第二锥体部段56的一个端部附至第一锥体部段52——可以布置成向对应的IEP入口58供给燃烧气体。在一个非限制性实施方式中，锥体部段52、54可以各自包括限定喷射器32可以位于的不变的横截面轮廓的相应的平整部分60。
如图4中示出的，在一个非限制性实施方式中，相应的歧管34(例如，环形歧管)流体地联接至燃料喷射器32。在一个非限制性实施方式中，歧管34可以附(例如，螺栓连接)在相应的互连凸缘33、35之间。应当理解的是，本发明的方面不限于关于流动加速锥体的机械设计或关于用于将燃料喷射器附至流动加速锥体的机械装置的任何特定构型，这是由于此类机械设计和/或装置可以基于给定的应用需求而被容易地调整。
返回至图2，可以理解作为在如图3中示出的流动加速锥体51的情况下的锥体入口与锥体出口之间的流动速度的函数的静态温度的另一非限制性曲线图44。曲线图44的部分46对应于锥体51的平整部分60，其中，尽管流动速度可以在平整部分60上是恒定的，但这种流动速度将与锥体入口26处的静态温度相比更低。
应当理解的是，在一个非限制性实施方式中，喷射器64可以布置成以横流喷射的方式提供射流，如图5中示意性地示出的。替代性地，喷射器66可以定位成法向于流动加速锥体的壁62，如图6中示意性地示出的，其中箭头68示意性地表示流动方向。应当理解的是，可以使用相对于流动方向的除了图5和图6中示出的喷射器角度之外的喷射器角度，并且因此本发明的方面不限于法向于流动或法向于壁的喷射器角度。也就是说，本发明的方面不限于喷射器的任何特定形式或相对于流动方向的任何特定喷射器角度。
在操作中，预期所公开的实施方式有利于一种能够在燃气涡轮发动机中实现约65％或更高的组合循环效率的燃烧系统。还预期所公开的实施方式实现一种能够在保持相对较低水平的NOx排放的同时在约1700℃或更高的涡轮入口温度处保持稳定的操作、并且能够在不增大冷却空气消耗的情况下接受发动机部件的温度的燃烧系统。
尽管已以示例性形式公开了本公开的实施方式，但对于本领域技术人员来说明显的是，在不背离如所附权利要求中所阐述的本发明及其等同物的精神和范围的情况下，可以在本公开中进行许多修改、增加和删除。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种燃烧系统，包括：
流动加速结构(16、51)，所述流动加速结构(16、51)具有入口(26)和出口(28)，所述流动加速结构的所述入口流体地联接成接纳来自燃烧器出口的燃烧气体流，其中，所述流动加速结构包括流动加速锥体，所述流动加速锥体包括通过包括不变的横截面轮廓的部分(60)彼此互连的两个锥体部段(52、54)，其中，每个锥体部段均包括随着所述燃烧气体流朝向所述流动加速锥体的出口行进而变窄的横截面轮廓；以及
至少一个燃料喷射器(32、64、66)，所述至少一个燃料喷射器(32、64、66)布置在所述流动加速结构的所述入口与所述出口之间，其中，所述流动加速结构的所述变窄的横截面轮廓引起所述燃烧气体流的增大的速度，并且因此，处于所述流动加速结构中的所述燃烧气体流经历降低的静态温度和减少的燃烧停留时间，其中，所述至少一个燃料喷射器布置在具有不变的横截面轮廓的所述部分(60)中。
2.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述至少一个燃料喷射器(64)布置成以横流喷射的方式提供射流。
3.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述至少一个燃料喷射器(66)布置成不以横流喷射的方式提供射流。
4.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述流动加速结构的所述出口流体地联接成向涡轮发动机的涡轮部段供给所述燃烧气体流。
5.根据权利要求4所述的燃烧系统，其中，所述流动加速结构是管道装置的一部分，所述管道装置构造成在涡轮发动机的涡轮部段中没有第一级流动引导叶片的情况下向所述涡轮发动机的所述涡轮部段供给所述燃烧气体流。
6.一种燃气涡轮发动机，包括：
燃烧系统，所述燃烧系统包括管道装置(10)，所述管道装置(10)具有多个流动路径(12)，每个流动路径均布置成接纳来自燃烧器出口的燃烧气体流并且向所述燃气涡轮发动机的涡轮部段供给所述燃烧气体流；
每个流动路径均包括具有入口(26)和出口(28)的流动加速结构(16、51)，所述流动加速结构的所述入口流体地联接成接纳来自所述燃烧器出口的所述燃烧气体流，其中，所述流动加速锥体包括流动加速锥体，所述流动加速锥体包括通过包括不变的横截面轮廓的部分(60)彼此互连的两个锥体部段(52、54)，其中，每个锥体部段均包括随着所述燃烧气体流朝向所述流动加速锥体的出口行进而变窄的横截面轮廓；以及
至少一个燃料喷射器(32、64、66)，所述至少一个燃料喷射器(32、64、66)布置在所述流动加速结构的所述入口与所述出口之间，其中，所述流动加速结构的所述变窄的横截面轮廓引起所述燃烧气体流的速度增大，并且因此，处于所述流动加速结构中的所述燃烧气体流在所述流动路径中经历降低的静态温度和减少的燃烧停留时间，其中，所述至少一个燃料喷射器布置在具有不变的横截面轮廓的所述部分(60)中。
7.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其中，所述至少一个燃料喷射器(64)布置成以横流喷射的方式提供射流。
8.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其中，所述至少一个燃料喷射器(66)布置成不是必须以横流喷射的方式提供射流。
9.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其中，所述管道装置构造成在没有第一级流动引导叶片的情况下向所述涡轮发动机的所述涡轮部段供给所述燃烧气体流。

Claims (20)

1.一种燃烧系统，包括：
流动加速结构(16、51)，所述流动加速结构(16、51)具有入口(26)和出口(28)，所述流动加速结构的所述入口流体地联接成接纳来自燃烧器出口的燃烧气体流；以及
至少一个燃料喷射器(32、64、66)，所述至少一个燃料喷射器(32、64、66)布置在所述流动加速结构的所述入口与所述出口之间，其中，所述流动加速结构引起所述燃烧气体流的速度增大，并且因此，处于所述流动加速结构中的所述燃烧气体流经历降低的静态温度和减少的燃烧停留时间。
2.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述流动加速结构包括流动加速锥体。
3.根据权利要求2所述的燃烧系统，其中，所述流动加速锥体包括随着所述燃烧气体流朝向所述流动加速锥体的出口行进而变窄的横截面轮廓。
4.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述流动加速结构包括单件式流动加速锥体(16)。
5.根据权利要求2所述的燃烧系统，其中，所述流动加速锥体包括两个互连的锥体部段(52、54)。
6.根据权利要求5所述的燃烧系统，其中，所述两个互连的锥体部段的一部分(60)包括不变的横截面轮廓。
7.根据权利要求6所述的燃烧系统，其中，所述至少一个燃料喷射器布置在具有不变的横截面的所述部分(60)中。
8.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述至少一个燃料喷射器(64)布置成以横流喷射的方式提供射流。
9.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述至少一个燃料喷射器(66)布置成不以横流喷射的方式提供射流。
10.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述流动加速结构的所述出口流体地联接成向涡轮发动机的涡轮部段供给所述燃烧气体流。
11.根据权利要求10所述的燃烧系统，其中，所述流动加速结构是管道装置的一部分，所述管道装置构造成在涡轮发动机的涡轮部段中没有第一级流动引导叶片的情况下向所述涡轮发动机的所述涡轮部段供给所述燃烧气体流。
12.一种燃气涡轮发动机，包括：
燃烧系统，所述燃烧系统包括管道装置(10)，所述管道装置(10)具有多个流动路径(12)，每个流动路径均布置成接纳来自燃烧器出口的燃烧气体流并且向所述燃气涡轮发动机的涡轮部段供给所述燃烧气体流；
每个流动路径均包括具有入口(26)和出口(28)的流动加速结构(16、51)，所述流动加速结构的所述入口流体地联接成接纳来自所述燃烧器出口的所述燃烧气体流；以及
至少一个燃料喷射器(32、64、66)，所述至少一个燃料喷射器(32、64、66)布置在所述流动加速结构的所述入口与所述出口之间，其中，所述流动加速结构引起所述燃烧气体流的速度增大，并且因此，处于所述流动加速结构中的所述燃烧气体流在所述流动路径中经历降低的静态温度和减少的燃烧停留时间。
13.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其中，所述流动加速结构包括流动加速锥体。
14.根据权利要求13所述的燃气涡轮发动机，其中，所述流动加速锥体包括随着所述燃烧气体流朝向所述流动加速结构的所述出口行进而变窄的横截面轮廓。
15.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其中，所述流动加速结构包括单件式锥体(16)。
16.根据权利要求13所述的燃气涡轮发动机，其中，所述流动加速锥体包括两个互连的锥体部段(52、54)。
17.根据权利要求16所述的燃气涡轮发动机，其中，所述两个互连的锥体部段的一部分(60)包括不变的横截面轮廓，并且进一步地，其中，所述至少一个燃料喷射器布置在具有不变的横截面的所述部分中。
18.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其中，所述至少一个燃料喷射器(64)布置成以横流喷射的方式提供射流。
19.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其中，所述至少一个燃料喷射器(66)布置成不是必须以横流喷射的方式提供射流。
20.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其中，所述管道装置构造成在没有第一级流动引导叶片的情况下向所述涡轮发动机的所述涡轮部段供给所述燃烧气体流。
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