CN116685763A - 燃烧器系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种系统，该系统包括燃气涡轮发动机燃料注入设备，该燃气涡轮发动机燃料注入设备被布置成向燃气涡轮发动机的燃烧室输送包括第一燃料的第一注入流体和包括第二燃料的第二注入流体。该设备被布置成以这样的方式输送第一注入流体和第二注入流体，使得第一注入流体以第一流的方式被输送并且第二注入流体以第二流的方式被输送。此外，使得存在对应于第一位置的输送区，在该第一位置处，第一流和第二流都已经被输送，其中第一流基本上被第二流径向包围。

Description

燃烧器系统和方法
技术领域
本公开涉及燃烧器系统和方法。本发明的各方面涉及一种包括燃料注入设备、燃气涡轮发动机的系统、一种在燃气涡轮发动机中注入燃料的方法和燃气涡轮发动机流体系统。本公开可以特别地但不排他地适用于被布置成至少部分地由氨气燃料提供燃料的燃烧器。本公开可以特别地适用于在发电的领域中使用的燃气涡轮发动机或锅炉中使用的燃烧器，尽管它们还与其他领域(例如，船舶、航空航天和火车应用)相关。
背景技术
该背景技术部分是在以氨气为燃料的燃气涡轮发动机的背景下提供的，但是这仅仅是为了方便，应当理解，所公开的技术在替代系统中具有应用。
就环境影响而言，与诸如煤油和燃料油等的碳基燃料相比，使用氨气作为燃料(例如在燃气涡轮发动机中)具有潜在的优势。具体来说，氨气与空气的燃烧产生氮气和水，而不是二氧化碳和水。尽管如此，氨气确实带来了其他挑战。氨气在空气中的燃烧会产生氮氧化物(一种不期望的排放产物)，并且氨气在空气中几乎不燃烧。后一个问题可以通过使用诸如氢气等的附加燃料以帮助形成氨气的点燃来克服。然而，这可能加剧氮氧化物的产生，因为氢气可以在高温下在空气中燃烧以产生氮氧化物和水。储存诸如氢气等的第二种燃料还会增加额外的复杂性和危险性。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种系统，该系统可选地包括燃气涡轮发动机燃料注入设备，该燃气涡轮发动机燃料注入设备可选地布置成向燃气涡轮发动机的燃烧室输送可选地包括第一燃料的第一注入流体和可选地包括第二燃料的第二注入流体，该设备可选地布置成以这样的方式输送第一注入流体和第二注入流体，使得第一注入流体以第一流的方式被输送并且第二注入流体以第二流的方式被输送，并且可选地使得存在对应于第一位置的输送区，在该第一位置处，第一流和第二流都已经被输送，可选地，其中第一流基本上被第二流径向包围。
在例如不同的燃料提供不同的性能和/或特性的情况下，使用多种不同的燃料进行燃烧可能是期望的。举例来说，一种燃料可能提供更好的效率、更容易或更安全的储存，可能更容易获得和/或可能产生更少或较低的污染排放，但也可能比另一种燃料更不容易燃烧。更容易燃烧的后一种燃料因此可以被燃烧，以产生足够的温度来点燃不太容易燃烧的燃料。因此，通过燃烧这种组合的燃料可以产生益处。
通过以层化/分层的方式输送注入流体并且因此输送燃料，可以准许注入流体中输送的物质以不同的速率和/或温度发生反应，从而潜在地允许控制燃烧的完全性、发生的反应和/或排放物组分。例如，来自第一流中的第一燃料的较热燃烧(更靠近火焰的核心发生)的反应产物可以进一步与第二流中的未燃烧的第二燃料反应，从而潜在地去除不期望的燃烧产物并且从而减少不期望的排放。用于此目的的未燃烧的第二燃料的可用性可以增加，因为第二流位于第一流的径向外侧，远离火焰的较热核心，从而潜在地导致其燃烧较少。进一步举例来说，包围第一流的第二流的存在可能意味着来自第一燃料的燃烧的反应产物至少部分地受到第二流的周围第二燃料的约束并且更可能与第二流的周围第二燃料反应。进一步举例来说，与更可能在燃烧器内再循环的第二流(径向向外)相比，第一流(径向向内)可能倾向于沿着更直接的路径穿过相关联的燃烧器。这在期望第一燃料的很大一部分在一个或更多个下游燃烧过程中在较低温度下燃烧的情况下可能是有利的。此外，通过以分开的流而不是例如以混合的流注入注入流体并且因此最终注入燃料，可以实现燃料的更精确计量，从而允许更好地控制点燃阶段和燃烧过程。
在一些实施例中，该设备被布置成在基本相同的方向上输送第一流和第二流。该方向可以是例如相对于燃料注入设备被布置成设置在其中的燃烧器和/或燃料注入设备被布置成设置在其中的燃气涡轮发动机的轴向方向。这可以有助于第一流和第二流体在由第二流包围的第一流附近被输送。共同的方向还可以有助于输送区处和输送区下游的特定流动特性。
在一些实施例中，第一流和第二流从分开的对应的第一出口和第二出口输送。第二出口可以基本上包围第一出口并且可以直接包围第一出口。附加地或替代地，出口可以是相邻的。
在一些实施例中，第一出口相对于径向平面成角度，使得该第一出口被布置成将第一注入流体流引导到第二注入流体流中。因此，第一出口可以相对于径向平面和轴向平面成角度。成角度的喷嘴可以输送第一注入流体的第一燃料，用于化学计量燃烧，从而升高温度。此外，它可能倾向于使火焰远离轴向方位弯曲，这在燃烧室内反应物的再循环方面可能是有利的。
在一些实施例中，第一出口和第二出口基本上是同心的。以这种方式，不管角度方向如何，都可以获得第一和/或第二注入流体的均匀流动。
在一些实施例中，第一出口具有环形横截面。这可以允许至少一个另外的出口位于第一出口的径向内侧，用于将额外的流体输送到输送区和/或燃烧室。
在一些实施例中，第二出口具有环形横截面。这可以有助于第一出口定位在第二出口的径向内侧并且被第二出口包围。
在一些实施例中，所述系统包括空气出口，该空气出口位于第一出口的径向内侧并且被第一出口径向包围，该空气出口被布置成输送空气，以便空气一旦被输送就与第一燃料和第二燃料一起燃烧。空气出口可以具有圆形横截面。
在一些实施例中，第一出口和空气出口可以被设置在燃烧器头部中。
上面讨论的出口中的每一个可以与其他出口中的一个或两个轴向对齐或者可以与其他出口中的一个或两个轴向隔开。每个出口可以是连续的或者可以包括多个离散的开口。
在一些实施例中，所述设备包括第一通路，第一注入流体通过该第一通路被输送到第一出口。第一通路的横截面可以是环形的。
在一些实施例中，所述设备包括第二通路，该第二通路在第一通路的径向外侧并且径向包围第一通路，第二注入流体通过该第二通路被输送到第二出口。第二通路的横截面可以是环形的。
在一些实施例中，第二通路包括角度旋流器，该角度旋流器被布置成向第二注入流体提供切向旋流，用于从第二出口输送第二注入流体。该旋流可以允许对第一流和第二流的混合和相互作用的改进控制，这又可以提供对第一流和第二流的化学成分之间的反应速率的控制，并且因此潜在地提供对排放物组分的控制。
在一些实施例中，所述系统包括第二通路中的补充燃料出口，该补充燃料出口被布置成在第二注入流体的其余部分被所述设备输送到燃烧室之前将补充燃料输送到第二注入流体的其余部分。这可以允许增强补充燃料与第二注入流体的其余部分的混合。补充燃料出口可以在角度旋流器的下游，因为这可以帮助防止补充燃料的回火。补充燃料可以是比第二燃料具有更高反应速率的反应物，比如氢气气体和/或甲烷气体，该补充燃料可以用于帮助第二燃料在燃烧室中的燃烧。
在一些实施例中，所述系统包括补充燃料通路，补充燃料通过该补充燃料通路被输送到补充燃料出口。补充燃料通路可以被设置在第一通路和第二通路之间。
在一些实施例中，所述系统包括加热流体室，该加热流体室被布置成使得加热流体室中的加热流体与第二通路中的第二注入流体热接触，以控制第二注入流体的温度。加热流体的热能可以由燃烧室中第一燃料和第二燃料的燃烧产生。加热流体例如可以是水和/或蒸汽。
在一些实施例中，所述系统包括空气通路，该空气通路在第一通路的径向内侧并且被第一通路径向包围，空气通过该空气通路被输送到空气出口。空气通路的横截面可以是圆形的。
在一些实施例中，空气通路包括轴向旋流器，该轴向旋流器被布置成向空气提供轴向旋流，用于从空气出口输送空气。从空气出口输送的空气中的轴向旋流可以帮助稳定输送区中燃烧第一注入流体(例如第一燃料)的至少一部分的较小的中心火焰。此外，通过使第一注入流体的被点燃的第一燃料产生旋流，可以在输送区处和/或在输送区附近产生再循环，这又经由涡流破裂而在输送区附近产生再循环。这可以增加第一燃料在输送区附近的停留时间，从而增加该第一燃料在该阶段(而不是例如后面的阶段)的燃烧的完全性，这可以在经由与第二注入流体的未燃烧成分的反应而减少该燃烧过程的产物的可能性方面具有有利的效果。
在一些实施例中，第一流中的第一注入流体的至少一部分的初始燃烧用作用于点燃第二流中的第二注入流体的至少一部分的引燃。
在一些实施例中，第一燃料和第二燃料中的一种包括反应较慢的燃料，而另一种包括反应较快的燃料。与反应较快的燃料相比，反应较慢的燃料可以是在空气中不容易燃烧和/或仅在显著降低的条件范围(例如温度)下在空气中燃烧的燃料。在不存在反应较快的燃料的情况下在燃烧室中占主导地位的至少一些条件下，反应较慢的燃料可能是不会燃烧的类型。因此，反应较快的燃料的存在和性质可以允许反应较慢的燃料的燃烧。第一燃料和第二燃料的反应速率的差异可能是由对应燃料的化学成分(而不是例如对应燃料的相)造成的，即第一燃料和第二燃料具有不同的化学组分。反应较慢的燃料例如可以是氨气气体和/或反应较快的燃料例如可以是氢气气体和/或甲烷气体。
在一些实施例中，第一燃料包括反应较快的燃料，而第二燃料包括反应较慢的燃料。这种组合可以与系统架构互补。具体地说，在径向外部的第二流中的反应较慢的燃料可以部分地与燃烧火焰的热核心分离，这可能意味着反应较慢的燃料的很大一部分可能保持未燃烧。至少在燃烧器内有足够的再循环的情况下，这种未燃烧的反应较慢的燃料可能与朝向燃烧火焰的中心发生的整个燃烧过程的不期望的燃烧产物反应。此外，反应较慢的燃料在包围反应较快的燃料流的流中的输送可能倾向于捕获来自反应较快的燃料的燃烧的燃烧产物，从而增加那些产物与反应较快的燃料的反应。在例如反应较快的燃料是氢气气体并且反应较慢的燃料是氨气气体或氨气共混物的情况下，氢气的中心燃烧可能产生NOx，这在排放中是不期望的。然而，NOx可以与未燃烧的氨气、形成的自由基和/或其周围的其它物质反应和/或与其一起再循环，以产生氮气气体和蒸汽。此外，由氨气的燃烧产生的NOx还可以通过在第一注入流体和第二注入流体之间的接触点处包围自由基而被还原。此外，对于在中心流中输送的反应较快的燃料(例如氢气)，其可能倾向于沿着更直接的路径(即，比包括反应较慢的燃料的周围层更不可能被循环)到达燃烧过程的任何下游区域。在例如包括无焰燃烧区的情况下，可能期望尽可能直接地将反应较快的燃料的很大一部分输送到该区进行燃烧，在该区，燃烧条件不太可能产生不期望的排放。
在一些实施例中，第二燃料进一步包括反应较快的燃料，其可以是补充燃料。这可以与第一燃料的反应较快的燃料相同。在第二燃料中提供反应更快的燃料可以有助于燃烧室中反应较慢的燃料的燃烧。
在一些实施例中，第二注入流体另外包括一种或更多种其他成分。这些其他成分可以例如被提供用于燃烧(例如空气)、用于与燃烧产物反应和/或增加燃烧器内的流体(例如蒸汽)的质量和/或控制燃烧和/或反应的速率。
在一些实施例中，输送区被柯恩达(Coanda)生成体径向包围和限定。
在一些实施例中，柯恩达生成体包括具有横截面一致的径向内表面的径向包围所述设备的管状部分，以及在管状部分的下游的与之相连的扩口部分。管状部分可以是大致圆柱形的。柯恩达生成体(特别是管状部分)可以有助于保护初始火焰和燃烧的开始免受湍流的影响。柯恩达生成体(特别是扩口部分)可以帮助为第一流和第二流提供初始方向，以有助于在燃烧器内产生再循环流。
在一些实施例中，扩口部分包括连接到管状部分的连续渐缩部分，该连续渐缩部分具有径向内表面，该径向内表面具有在下游方向上逐渐扩大的横截面。这可能产生低压区，该低压区倾向于使来自所述设备的初始流弯曲，以便在径向向外的方向上具有更大的分量。因此可以认为火焰是扁平的。这可能倾向于导致初始流最终到达燃烧室的侧壁，因此所述流的一部分可能转向在下游方向上行进，而一部分在上游方向上行进。下游部分最终可以通过进一步转向并且沿着燃烧室的中心向下行进而部分再循环。上游部分可能倾向于形成并被困在柯恩达生成体周围的涡流中。再循环可以增加停留时间，从而潜在地改善燃烧的完全性和/或不期望的燃烧产物进一步反应的机会。再循环还可以降低燃烧温度，尤其是通过控制由涉及另一种流体(例如蒸汽)的热传递过程所产生的温度，这可能是期望的并且有利于无焰燃烧。火焰的扁平化还可以用于引导其远离燃烧器头部，从而潜在地减少随着时间的推移对燃烧器头部的损坏，并且从而减少维护要求。
在一些实施例中，管状部分的径向内表面和连续渐缩部分的径向内表面在呈边缘形式的不连续处相交。这可能有助于在边缘的下游产生低压的小环状区域。
在一些实施例中，扩口部分包括连接到连续渐缩部分的边沿部分，该边沿部分具有在大致径向方向上延伸的下游表面。边沿部分可以产生另一个低压区，以进一步使来自所述设备的初始流弯曲，以便在径向向外的方向上具有更大的分量。因此，这有助于产生上述再循环过程。
在一些实施例中，连续渐缩部分的径向内表面和边沿部分的下游表面在呈边缘形式的不连续处相交。这可能有助于在边缘的下游产生低压的小环状区域。
在一些实施例中，柯恩达生成体延伸到由燃烧器罐限定的燃烧室中，从而形成由柯恩达生成体的径向外表面和燃烧器罐的径向内表面径向界定并且由燃烧器罐的上游表面轴向界定的涡流区域。该涡流区可以被认为是截留涡流区。由所述设备输送并且与径向向外的分量一起行进的流体可以到达燃烧器罐的侧壁，并且部分可以在上游方向上被引导。此后，所述流可以首先被燃烧器罐的上游壁再次转向，然后被柯恩达生成体的径向外表面再次转向。这种流可能倾向于在涡流区域中形成涡流。涡流区域可以被布置成有利于涡流的形成。因此，例如，所描述的壁和表面可以至少基本上是不间断的和/或连续的。此外，可以省略在涡流区域中注入其它材料(例如燃料、空气等)，以便不干扰涡流的形成。可能的是，在所述系统中，注入的唯一燃料是经由第一流和第二流的。在可控的温度下，涡流可以增加停留时间。此外，涡流可能倾向于增加燃烧的完全性和/或不期望的燃烧产物进一步反应的机会。如将理解的，燃烧器罐可以是大致圆柱形的。
在一些实施例中，燃烧器罐的上游壁具有被布置成与平板状形式相比增加其表面积的形式。例如，它可以在其结构中包括诸如起伏(例如波纹、城堡形、通道或波峰和波谷)或翅片等的构造。这可以有助于燃烧室和加热流体室中的流体之间增加的热能传递，其中加热流体室被适当地定位(例如，邻近燃烧器罐的上游壁和/或与燃烧器罐热接触)。应当注意的是，加热流体室可以如此定位，而不管燃烧器罐的上游壁的形式如何。加热流体室中的加热流体和燃烧室中的流体之间的热传递可以用于冷却燃烧室中的流体，特别是涡流区域中的流体。这可能有利于燃烧产物的进一步反应，燃烧产物本身可能是不期望的排放物。对于给定重量的材料，所述形式可以附加地或替代地增加上游壁的强度。
在一些实施例中，燃烧器罐的上游表面包括起伏。起伏可以被布置成使得每个起伏的波峰和波谷中的每一个在径向方向上延伸。起伏可以以重复图案设置或者可以是不规则的。这种起伏可以用于进一步有助于涡流区域中的流体的涡流的形成。如将理解的，起伏可以由如上所述增加表面积的构造产生和/或实际上可以是如上所述增加表面积的构造。
在一些实施例中，燃烧器罐的上游表面可以相对于径向方向倾斜和/或有坡度，使得上游表面从径向外部向径向内部方向进一步向下游移动。在上游表面倾斜的情况下，该上游表面可以与径向平面形成大约15度到60度之间的角度。
在一些实施例中，水和/或蒸汽可以通过燃烧器罐的上游壁中的一个或更多个端口被注入到涡流区域中。以这种方式注入的蒸汽可以特别用于降低涡流区域中的流体的温度，这可能有利于燃烧产物的进一步反应，燃烧产物本身可能是不期望的排放物。端口可以被布置成在端口定位的位置处沿着基本垂直于燃烧器罐的上游表面的方向注入水和/或蒸汽。这可以有助于将涡流区域内的流体形成涡流。
在一些实施例中，柯恩达生成体的外表面具有大致凹形的形状。径向外表面可以例如在各自相应的位置处基本上平行于管状部分的径向内表面、连续渐缩部分的径向内表面和/或边沿部分的下游表面，直至各自设置的程度。以这种方式，柯恩达生成体的外表面可以通过适当的重新引导入射流体流来促进涡流区域中的涡流的形成。
在一些实施例中，燃烧器罐具有腰部部分，在该腰部部分中，其径向内表面逐渐变细至减小的直径，并且腰部部分根据其沿着燃烧器罐的位置而定位，以便基本上与从组件向下游行进并且被柯恩达生成体重新引导的流体流相交，以增加其行进方向的朝向燃烧器罐的径向内壁的分量。腰部可能倾向于促进在燃烧器罐侧壁处将来自组件的流重新引导为向下游行进以最终再循环的流和向上游行进以最终形成涡流的流。
在一些实施例中，燃烧室包括在设备的下游发生浓燃烧的主燃烧区和在主燃烧区的下游发生无焰燃烧的副燃烧区。副燃烧区可以直接位于主燃烧区的下游。与主燃烧区相比，副燃烧区在燃烧产物和/或其它反应产物和/或另外的流体组分中可以具有较高的湿度水平和/或更高的燃料稀释度。燃烧可以在基本上等于或低于1300K的温度下在副燃烧区中发生。由于较低的温度，无焰燃烧可能有利于减少不期望的排放产物的产生，尤其是当燃烧反应较快的燃料(比如氢气)时，该反应较快的燃料可以是第一燃料并且是第二燃料的浓燃烧的痕迹。
在一些实施例中，燃烧器可以包括在副燃烧区中或邻近副燃烧区的至少一个空气入口，该至少一个空气入口被布置成将额外的空气输送到燃烧室中。所述至少一个空气入口可以位于副燃烧区的起点附近。所述至少一个空气入口可以被布置成产生轴向切向涡流，这可以促进混合和停留时间，以实现更完全的燃烧以及增加稳定性。空气的这种输送可以促进副燃烧区中所存在的第一燃料和第二燃料的稀释，从而允许以谨慎的模式燃烧，潜在地促进无焰燃烧。
在一些实施例中，燃烧器可以包括在副燃烧区中或邻近副燃烧区的至少一个氮气入口，该至少一个氮气入口被布置成将氮气输送到燃烧室中。所述至少一个氮气入口可以位于副燃烧区的起点附近。所述至少一个氮气入口可以被布置成产生轴向切向涡流，这可以促进混合和停留时间，以实现更完全的燃烧以及增加稳定性。以这种方式注入氮气可以降低副燃烧区中的反应性和温度，从而进一步促进用于无焰燃烧的正确条件和/或在燃烧器的下游的涡轮中产生更稳定的膨胀。输送的氮气可以来源于位于燃烧室内部的裂解器(下面将进一步讨论)。
如将理解的，至少一个空气入口和至少一个氮气入口可以是组合的空气和氮气入口。
在一些实施例中，燃烧室包括主燃烧区和副燃烧区之间的挡板，该挡板减小了燃烧室的横截面积，从而为从主燃烧区流向副燃烧区的流体产生了流动收缩。挡板可以径向地基本上位于燃烧室内的中心，从而围绕其周边限定主燃烧区和副燃烧区之间的通路。该通路例如可以是环形的。挡板可以具有面向上游方向的突起，该突起可以具有中心顶点。挡板例如可以是圆顶形、圆锥形、截头圆锥形、卵形或球形。挡板可以有助于在主燃烧区内形成再循环。具体地说，挡板可以有助于使在下游方向上朝向燃烧室的径向末端行进的流转向，使得所述流更靠近燃烧室的中心向上游行进。
在一些实施例中，裂解器位于燃烧室内，该裂解器被布置成在燃烧室中的燃烧流体和穿过裂解器内的第一通道经历第一过程的第一裂解器流体之间提供热接触，从而将第一裂解器流体化学分解成两种或更多种化学物质。通过将裂解器定位在燃烧室内部，可以在裂解器内产生用于分解的所需热量。分解的产物可以是有用的，并且特别地可以用于产生第一注入流体和/或第二注入流体(例如在系统中使用的第一燃料和/或其他流体)的成分中的一种或更多种。举例来说，第一裂解器流体可以是氨气，其可以在裂解器内部被分解成氮气和氢气。氢气可以是第一燃料，而氮气可以被输送到副燃烧区中的燃烧室。裂解器可以用作挡板。
在一些实施例中，化学物质中的一种是第一燃料。第一注入流体的第一燃料可以经由第一通道的出口从裂解器输送并且可以在中间阶段(例如分子筛)中与一种或更多种其他化学物质分离。分子筛可以适合于将裂解器中分解的氢气和氮气与氨气分离。
在一些实施例中，化学物质中的另一种是氮气。该氮气可以被输送到燃烧器罐的氮气入口。
在一些实施例中，裂解器进一步被布置成在燃烧室中的燃烧流体和穿过裂解器内的第二通道经历第二过程的第二裂解器流体之间提供热接触，从而增加第二裂解器流体的热能，而不改变或基本不改变第二裂解器流体的化学性质。可能期望第二裂解器流体具有其升高的温度。第二裂解器流体可以例如是第一燃料和第二燃料中的一种，如果第二裂解器流体温度升高，则该第二裂解器流体可以更容易燃烧和/或以更高的效率燃烧。附加地或替代地，第二裂解器流体可以为裂解器提供冷却。
在一些实施例中，第一裂解器流体和第二裂解器流体具有相同的组分。这些流体可以来自同一储层。
在一些实施例中，第二裂解器流体是第二燃料。第二注入流体的第二燃料可以经由第二通道的出口源自裂解器。第二裂解器流体可以例如是氨气。
在一些实施例中，第一通道和第二通道被布置在裂解器内，使得第一裂解器流体比第二裂解器流体经历来自燃烧室中的流体的更多热量。这可以例如通过将第一通道定位成更靠近裂解器的较热侧(例如面向主燃烧区)并且将第二通道定位成更靠近裂解器的较冷侧(例如面向副燃烧区)或者通过使用与不同通路相关联的具有不同导热性能的材料来实现。所产生的差异可以促进不同的期望加热水平(例如，以引起第一裂解器流体的化学分解和第二裂解器流体的简单加热)。
在一些实施例中，所述系统包括燃料热交换器，该燃料热交换器被布置成使行进到燃气涡轮发动机的压缩机中的空气流的至少一部分与行进以通过所述设备在第二注入流体中输送的第二燃料的料流进行热接触。这可能经由制冷降低行进到压缩机中的空气流的温度。此外，以这种方式，第二燃料可以在燃烧之前被加热，这可以提高效率和/或产生从第二燃料(例如液体)的期望存储状态到期望燃烧状态(例如气体)的状态变化。这可以在裂解器中的第二燃料的进一步加热和/或分解之前完成。此外，进入压缩机的空气的质量可以通过其冷却而增加，从而潜在地提高效率。
在一些实施例中，所述系统包括排出流体热交换器，该排出流体热交换器被布置成使来自燃气涡轮发动机的排出流体流的至少一部分与行进以输送到所述设备和/或燃烧室的水流进行热接触。水可以例如由于通过排出流体热交换器而被转化成蒸汽和/或可以作为第二注入流体的一部分被输送以增加燃烧器中的质量和/或可以通过一个或更多个替代器件(例如经由主燃烧区和/或副燃烧区中的一个或多个替代端口(专用的或其他的))被引入到燃烧室。附加地或替代地，在通过所述设备输送第二注入流体之前，蒸汽的至少一部分可以用于经由热交换(例如在所述设备中)预热第二注入流体。附加地或替代地，尤其是在有过量的水/蒸汽的情况下，它可以用于区域供热和/或农业。
在一些实施例中，所述系统包括冷凝器，该冷凝器被布置成冷却来自燃气涡轮发动机的排出流体流的至少一部分以从排出流体流的至少一部分中分离水。例如，水可以通过冷凝器从蒸汽转化为液态水，这可以将其与以气态形式保持的一种或更多种其余排出流体成分分离。排出流体可以包括氮气气体，该氮气气体一旦通过冷凝过程与水分离就可以被排到大气中。
在一些实施例中，行进以输送到所述设备和/或燃烧室的水流是由冷凝器产生的水。附加地或替代地，由冷凝器所产生的水的至少一些可以用于冷却所述设备。
根据本发明的第二方面，提供了一种包括第一方面所述的系统的燃气涡轮发动机。
根据本发明的第三方面，提供了一种在燃气涡轮发动机中注入燃料的方法，该方法可选地包括向燃烧室输送可选地包括第一燃料的第一注入流体和可选地包括第二燃料的第二注入流体，可选地以这样的方式使得第一注入流体以第一流的方式被输送并且第二注入流体以第二流的方式被输送，并且可选地使得存在对应于第一位置的输送区，在该第一位置处，第一流和第二流都已经被输送，可选地，其中第一流基本上被第二流径向包围。
在一些实施例中，该方法包括在初始浓燃烧过程中燃烧第一燃料和/或第二燃料的至少一部分，随后在无焰燃烧过程中燃烧第一燃料和/或第二燃料的至少一部分。
在一些实施例中，该方法包括执行第一过程，该第一过程包括使用由第一燃料和/或第二燃料的燃烧产生的热量来加热第一裂解器流体，以使该第一裂解器流体被化学分解成两种或更多种化学物质。
在一些实施例中，化学物质中的一种是第一燃料。
在一些实施例中，化学物质中的另一种是氮气。
在一些实施例中，所述方法包括执行第二过程，该第二过程包括使用由第一燃料和/或第二燃料的燃烧产生的热量来加热第二裂解器流体，从而增加第二裂解器流体的热能而不改变其化学性质。
在一些实施例中，第一裂解器流体和第二裂解器流体具有相同的组分。
在一些实施例中，所述方法包括使行进到燃气涡轮发动机的压缩机中的空气流的至少一部分与行进以在第二注入流体中输送的第二燃料的料流进行热接触。
在一些实施例中，所述方法包括使来自燃气涡轮发动机的排出流体流的至少一部分与行进以输送到燃烧室和/或以在输送第二注入流体之前经由热交换预热第二注入流体的水流进行热接触。
在一些实施例中，所述方法包括冷凝来自燃气涡轮发动机的排出流体流的至少一部分以从排出流体流的至少一部分中分离水。
在一些实施例中，水流是由冷凝过程产生的水。
根据本发明的第四方面，提供了一种燃气涡轮发动机流体系统，该燃气涡轮发动机流体系统可选地包括燃烧室和可选地位于燃烧室内的裂解器，该裂解器可选地被布置成在燃烧室中的燃烧流体和可选地穿过裂解器内的第一通道可选地经历第一过程的第一裂解器流体之间提供热接触，从而可选地将第一裂解器流体化学分解成两种或更多种化学物质。通过将裂解器定位在燃烧室内部，可以在裂解器内产生用于分解的所需热量。分解的产物可以是有用的，特别是可以用于生产一种或更多种燃料或将在燃烧器中使用的其他反应物。举例来说，第一裂解器流体可以是氨气，其可以在裂解器内部被分解成氮气和氢气。氢气可以用作燃烧器中的燃料和/或氮气可以被输送到燃烧室，用于冷却和/或降低燃烧室的至少一部分中的反应性。氮气可以支持产生特定形式的燃烧，例如在燃烧器的至少一部分中的无焰燃烧。就其中发生的化学反应的性质而言，例如就减少不期望的排放而言，这可能是有利的。
在一些实施例中，化学物质中的一种是用于在燃烧室中燃烧的第一燃料。第一注入流体的第一燃料可以经由第一通道的出口从裂解器输送并且可以在中间阶段(例如分子筛)中与一种或更多种其他化学物质分离。分子筛可以适合于将裂解器中分解的氢气和氮气与氨气分离。
在一些实施例中，化学物质中的另一种是氮气。该氮气可以被输送到燃烧器的副燃烧区中或邻近燃烧器的副燃烧区的氮气入口，该至少一个氮气入口被布置成将氮气输送到燃烧室中。副燃烧区可以是无焰燃烧区，其可以例如位于发生浓燃烧的主燃烧区的下游。氮气可以有助于为无焰燃烧创造必要的或期望的条件，例如通过降低反应性和/或温度。
在一些实施例中，裂解器进一步被布置成在燃烧室中的燃烧流体和穿过裂解器内的第二通道经历第二过程的第二裂解器流体之间提供热接触，从而增加第二裂解器流体的热能，而不改变其化学性质。可能期望第二裂解器流体具有其升高的温度。第二裂解器流体可以例如是用于在燃烧器中使用的燃料，如果第二裂解器流体温度升高，则该第二裂解器流体可以更容易燃烧和/或以更高的效率燃烧。附加地或替代地，第二裂解器流体可以为裂解器提供冷却。
在一些实施例中，第一裂解器流体和第二裂解器流体具有相同的组分。这些流体可以来自同一储层。
在一些实施例中，第二裂解器流体是用于在燃烧室中燃烧的第二燃料。第二注入流体的第二燃料可以经由第二通道的出口源自裂解器。第二裂解器流体可以例如是氨气。
在一些实施例中，第一通道和第二通道被布置在裂解器内，使得第一裂解器流体比第二裂解器流体经历来自燃烧室中的流体的更多热量。这可以例如通过将第一通道定位成更靠近裂解器的较热侧(例如面向可能发生浓燃烧的主燃烧区)并且将第二通道定位成更靠近裂解器的较冷侧(例如面向副燃烧区)或者通过使用与不同通路相关联的具有不同导热性能的材料来实现。所产生的差异可以促进不同的期望加热水平(例如，以引起第一裂解器流体的化学分解和第二裂解器流体的简单加热)。
在一些实施例中，所述系统包括燃料热交换器，该燃料热交换器被布置成使行进到燃气涡轮发动机的压缩机中的空气流的至少一部分与行进以注入到燃烧室中的第二燃料的料流进行热接触。以这种方式，第二燃料可以在燃烧之前被加热，这可以提高效率和/或产生从第二燃料(例如液体)的期望存储状态到期望燃烧状态(例如气体)的状态变化。这可以在裂解器中的第二燃料的进一步加热和/或分解之前完成。此外，进入压缩机的空气的质量可以通过其冷却而增加，从而潜在地提高效率。
在一些实施例中，所述系统包括用于向燃烧室输送一种或更多种燃料的燃料注入设备。输送的燃料可以是第一燃料和第二燃料。
在一些实施例中，所述系统包括排出流体热交换器，该排出流体热交换器被布置成使来自燃气涡轮发动机的排出流体流的至少一部分与行进以输送到所述系统的设备和/或燃烧室的水流进行热接触。水可以例如由于通过排出流体热交换器而被转化成蒸汽和/或可以作为第二注入流体的一部分被输送以增加燃烧器中的质量和/或可以通过一个或更多个替代器件(例如经由主燃烧区和/或副燃烧区中的一个或多个替代端口(专用的或其他的))被引入到燃烧室。附加地或替代地，在通过所述设备输送第二注入流体之前，蒸汽的至少一部分可以用于经由热交换(例如在所述设备中)预热第二注入流体。附加地或替代地，尤其是在有过量的水/蒸汽的情况下，它可以用于区域供热和/或农业。
在一些实施例中，所述系统包括冷凝器，该冷凝器被布置成冷却来自燃气涡轮发动机的排出流体流的至少一部分以从排出流体流的至少一部分中分离水。例如，水可以通过冷凝器从蒸汽转化为液态水，这可以将其与以气态形式保持的一种或更多种其余排出流体成分分离。排出流体可以包括氮气气体，该氮气气体一旦通过冷凝过程与水分离就可以被排到大气中。
在一些实施例中，行进以输送到燃料注入设备和/或燃烧室的水流是由冷凝器产生的水。附加地或替代地，由冷凝器所产生的水的至少一些可以用于冷却所述设备。
在一些实施例中，燃烧室包括在设备的下游发生浓燃烧的主燃烧区和在主燃烧区的下游发生无焰燃烧的副燃烧区。副燃烧区可以直接位于主燃烧区的下游。与主燃烧区相比，副燃烧区在燃烧产物和/或其它反应产物和/或另外的流体组分中可以具有较高的湿度水平和/或更高的燃料稀释度。燃烧可以在基本上等于或低于1300K的温度下在副燃烧区中发生。由于较低的温度，无焰燃烧可能有利于减少不期望的排放产物的产生，尤其是当燃烧反应较快的燃料(比如氢气)时，该反应较快的燃料可以是第一燃料。
在一些实施例中，燃烧器的燃烧器罐可以包括在副燃烧区中或邻近副燃烧区的至少一个空气入口，该至少一个空气入口被布置成将额外的空气输送到燃烧室中。所述至少一个空气入口可以位于副燃烧区的起点附近。所述至少一个空气入口可以被布置成产生轴向切向涡流，这可以促进混合和停留时间，以实现更完全的燃烧以及增加稳定性。空气的这种输送可以促进副燃烧区中所存在的第一燃料和第二燃料的稀释，从而允许以谨慎的模式燃烧，潜在地促进无焰燃烧。
在一些实施例中，燃烧器可以包括在副燃烧区中或邻近副燃烧区的至少一个氮气入口，该至少一个氮气入口被布置成将氮气输送到燃烧室中。所述至少一个氮气入口可以位于副燃烧区的起点附近。所述至少一个氮气入口可以被布置成产生角度旋流，这可以促进混合和停留时间，以实现更完全的燃烧以及增加稳定性。以这种方式注入氮气可以降低副燃烧区中的反应性和温度，从而进一步促进用于无焰燃烧的正确条件和/或在燃烧器的下游的涡轮中产生更稳定的膨胀。输送的氮气可能来源于裂解器。
如将理解的，至少一个空气入口和至少一个氮气入口可以是组合的空气和氮气入口。
在一些实施例中，燃烧室包括主燃烧区和副燃烧区之间的挡板，该挡板减小了燃烧室的横截面积，从而为从主燃烧区流向副燃烧区的流体产生了流动收缩。挡板可以径向地基本上位于燃烧室内的中心，从而围绕其周边限定主燃烧区和副燃烧区之间的通路。该通路例如可以是环形的。挡板可以具有面向上游方向的突起，该突起可以具有中心顶点。挡板例如可以是圆顶形、圆锥形、截头圆锥形、卵形或球形。挡板可以有助于在主燃烧区内形成再循环。具体地说，挡板可以有助于使在下游方向上朝向燃烧室的径向末端行进的流转向，使得所述流更靠近燃烧室的中心向上游行进。
根据本发明的第五方面，提供了一种包括第四方面所述的系统的燃气涡轮发动机。
根据本发明的第六方面，提供了一种对第一裂解器流体执行第一过程的方法，从而可选地将第一裂解器流体化学分解成两种或更多种化学物质，可选地通过使第一裂解器流体穿过燃气涡轮发动机的燃烧室，从而可选地在燃烧室中的燃烧流体和第一裂解器流体之间提供热接触。
在该申请的范围内，明确的意图是，在前面的段落中、在权利要求中和/或在以下的描述和附图中阐述的各个方面、实施例、示例和替代方案，特别是其单独的特征，可以独立地或以任何组合的方式被采用。也就是说，所有实施例和/或任何实施例的特征可以以任何方式和/或组合进行组合，除非这些特征是不兼容的。申请人保留相应地更改任何最初提交的权利要求和/或提交任何新权利要求的权利，包括修改任何最初提交的权利要求以依赖和/或结合任何其他权利要求的任何特征的权利，尽管最初没有以该方式要求权利。
附图说明
现在将参考附图仅通过示例的方式描述本发明的一个或更多个实施例，其中：
图1示出了根据本发明的实施例的系统的透视图；
图2示出了根据本发明的实施例的系统的局部剖视图；
图3示出了根据本发明的实施例的包括燃料注入设备的系统的一部分的横截面视图；
图4示出了根据本发明的实施例的包括裂解器的系统的一部分的局部剖视图；
图5示出了表示根据本发明的实施例的系统的流体流的横截面视图；
图6示出了表示根据本发明的实施例的系统的温度分布的横截面视图；
图7示出了根据本发明的实施例的系统的示意图；
图8a示出了根据本发明的实施例的系统的一部分的透视图；和
图8b示出了根据本发明的实施例的系统的一部分的透视图。
具体实施方式
首先参考图1、图2和图7，系统通常以1示出。系统1包括通常以3示出的燃气涡轮发动机和通常以5示出的支撑流体处理组件。流体处理组件为燃气涡轮发动机3提供燃料并且管理来自燃气涡轮发动机3的排出产物。
燃气涡轮发动机3包括压缩机7、燃烧器9和涡轮10。如将理解的，依据特定的实施方式，压缩机7和涡轮机10中的每一个可以包括多个级。
图1和图2示出了燃烧器9。燃烧器9具有燃气涡轮发动机燃料注入设备11和燃烧室13。
设备11在图3中更详细地示出。该设备被布置成将第一注入流体和第二注入流体输送到燃烧室13，第一注入流体在这种情况下是第一燃料(氢气气体)，而第二注入流体在这种情况下由第二燃料(氨气气体)、补充燃料(氢气气体)、空气和蒸汽的混合物构成。因此，第一注入流体包括反应较快的第一燃料，而第二注入流体包括反应较慢的第二燃料和反应较快的补充燃料。
第一注入流体和第二注入流体借助于分开的对应的第一出口15和第二出口17被输送到燃烧室13。用于输送第一注入流体的第一出口15的横截面是环形的并且包括一圈离散的孔口。用于输送第二注入流体的第二出口17的横截面也是环形的并且包围第一出口15，从而形成围绕第一出口的完整的环。两个出口15、17是相邻的，因为它们彼此靠近，并且没有被任何其它出口或结构分开，除了将它们限定为分开的出口所需的壁之外。第一出口15和第二出口17是同心的。此外，被布置成将空气输送到燃烧室13的空气出口19被设置成以便被第一出口15包围，第一注入出口15形成围绕空气出口的完整的环。空气出口的横截面是圆形的，并且空气出口与第一出口15和第二出口17同心。空气出口19和第一出口15被组合在燃烧器头部21中。
第一出口15、第二出口17和空气出口19全部被定向成在大致轴向的方向上输送它们各自的流体，尽管第一出口15相对于径向平面成角度，使得该第一出口引导第一注入流体的流动方向，以便具有径向向外的分量。
第一注入流体通过设备11的第一通路23被输送到第一出口15。第二注入流体通过第二通路25被输送到第二出口17，该第二通路的横截面为环形并且包围第一通路23。在第二通路25内的是角度旋流器27，当第二注入流体经由第二出口17输送时，所述角度旋流器给予第二注入流体角度旋流。在角度旋流器27的下游和第二出口17的上游，第二通路25具有补充燃料出口29。补充燃料(在这种情况下是氢气)经由补充燃料出口29被添加到已经朝向第二通路25中的第二出口17流动的第二注入流体的其余成分中。补充燃料被输送到补充燃料通路31中的补充燃料出口29。补充燃料通路31的横截面是环形的，并且该补充燃料通路被设置在第一通路23和第二通路25之间，该补充燃料通路包围第一通路并且被第二通路包围。空气通过空气通路33被输送到空气出口19，该空气通路的横截面是圆形的并且被第一通路23包围。此外，空气通路包括轴向旋流器35。
包围第二通路25的是加热流体室37，该加热流体室的横截面为环形并且被布置成使得穿过加热流体室37的加热流体与第二通路25中的第二注入流体热接触。这可以加热第二注入流体。在这种情况下，加热流体是水和/或蒸汽。
根据以上所述，从径向内部到径向外部并且就主要出口而言，设置有空气出口19、第一出口15和第二出口17。此外，从径向内部到径向外部并且就通路和腔室而言，设置有空气通路33、第一通路23、补充燃料通路31、第二通路25和加热流体室37。
在本实施例中，燃烧室13由大致圆柱形的燃烧器罐39限定，该燃烧器罐具有上游壁41、侧壁43和下游壁45。设备11的一部分突出穿过上游壁41，使得第一出口15、第二出口17和空气出口19位于燃烧室13中的上游壁41的轴向下游。第一出口15、第二出口17和空气出口19与燃烧器罐39共用公共中心轴线。此外，第一出口15、第二出口17和空气出口19全部大致轴向对齐(尽管在其他实施例中它们不需要对齐)。燃烧室13的紧邻第一出口15、第二出口17和空气出口19下游的区域(即所有三种流体已经从它们各自的出口15、17和19输送的第一下游位置)是燃烧室13的输送区47。这在径向向外的方向上被柯恩达生成体49包围。柯恩达生成体49还在出口15、17和19的上游轴向延伸到上游壁41并且在出口15、17和19的下游延伸。
柯恩达生成体49具有从上游壁41沿着轴向方向延伸的圆柱形管状部分51。管状部分51在轴向方向上延伸超过出口15、17和19。在管状部分51的下游，柯恩达生成体49具有扩口部分53。扩口部分53具有连续渐缩部分55和边沿部分57。连续渐缩部分55从管状部分51延伸并且具有圆锥平截头体形状。连续渐缩部分55具有径向内表面，该径向内表面具有在下游方向上逐渐扩大的横截面，该横截面在边缘处与管状部分51的径向内表面相交。在该实施例中，逐渐扩大的横截面形成一致梯度的斜坡。边沿部分57从连续渐缩部分55延伸并且具有在大致径向的方向上延伸的下游表面。边沿部分57的下游表面和连续渐缩部分55的径向内表面在边缘处相交。组合起来，连续渐缩部分55和边沿部分57形成钟形形状，其中管状部分51和连续渐缩部分55的径向内表面以及边沿部分51的下游表面一起具有大致凸形的轮廓。
出口15、17和19下游的柯恩达生成体的轴向范围小于圆柱形管状部分51的直径。
在柯恩达生成体49的径向外侧，涡流区域59形成在燃烧室13中。涡流区域59由柯恩达生成体49的径向外表面61和燃烧器罐39的侧壁43径向界定，所述柯恩达生成体具有大致凹形的轮廓。涡流区域59由燃烧器罐39的上游壁41轴向界定。涡流区域59的其余下游侧向燃烧室13的其余部分敞开。
燃烧器罐39的上游壁41的至少一部分与加热流体室37热接触，该加热流体室还包围第二通路25并且与第二通路热接触。以这种方式，仅有加热流体室37和上游壁41，加热流体(例如水和/或蒸汽)还可以用于冷却涡流区域59中的流体。在特定实施例中，加热流体可以再循环、排出或注入到燃烧室13中，以增加涡流区域59中的湿度和/或进一步降低燃烧室13中的流体的温度。
现在参考图8a和8b，在本实施例中，加热流体中的一些从加热流体室37通过上游壁41经由一系列端口42a被注入到燃烧室13中。端口42a被布置成在基本垂直于燃烧器罐39的上游表面42b的方向上注入加热流体。上游表面42b相对于径向方向倾斜，使得上游表面42b从径向外部向径向内部方向进一步向下游移动。垂直于该有坡度的上游表面42b的加热流体的注入可以有助于将涡流区域59中的流体形成为涡流。
燃烧器罐39的上游壁41具有被布置成与平板状形式相比增加其表面积的形式。特别地，燃烧器罐的上游壁在其结构中包括波纹构造42c，该波纹构造给出了在周向方向上交替的波峰42d和波谷42e的图案，其中每个波峰42d和波谷42e在径向方向上延伸。这种图案存在于燃烧器罐39的上游表面42b和面向加热流体室37的相对表面42f上。
燃烧器罐39具有腰部部分63，在该腰部部分中，其径向内表面逐渐变细至减小的直径。腰部部分63就其轴向位置而言被定位成以便与指示连续渐缩部分55的径向内表面的突出部与燃烧器罐39的侧壁43的交点的环基本对齐。
燃烧室13大致分为基本上对应于其上游半部的主燃烧区65和基本上对应于其下游半部的副燃烧区67。主燃烧区65和副燃烧区67(在该实施例中)由两个特征彼此划界。穿过燃烧器罐39侧壁43的空气和氮气入口69与从主燃烧区65到副燃烧区67的过渡大致轴向对齐。空气和氮气入口69包括在角度方向上规则间隔的多个端口71。每个端口71是成角度的，以产生所注入的空气和氮气混合物的角度旋流。空气和氮气入口69经由环形管道(未示出)被供给来自压缩机7的空气供应，该环形管道径向向外并且包围燃烧罐39的主燃烧区部分。
此外，挡板73与从主燃烧区65到副燃烧区67的过渡大致轴向对齐。这在图2和图4中可以看得最清楚。挡板73被支撑在燃烧室13的中心，从而局部地将燃烧室13的横截面积减小到挡板的周边和燃烧器罐39的侧壁43之间的环形空间。在本实施例中，挡板73的形状是大致椭圆形的，并且该挡板具有面向上游方向的突起，该突起具有中心顶点75。在本实施例中，挡板73还是裂解器。裂解器73在内部具有第一通道和第二通道(未示出)，该第一通道和第二通道连接到穿过在燃烧室13内支撑裂解器73的结构的对应的入口和出口。第一通道和第二通道位于裂解器73内，使得第一通道比第二通道更靠近裂解器73的上游端。因为主燃烧区65中的燃烧比副燃烧区67中的燃烧更热，所以穿过第一通道的第一裂解器流体比穿过第二通道的第二裂解器流体(例如大约400℃)被加热到更大的程度(例如大约700℃)。在本实施例中，第一裂解器流体和第二裂解器流体是相同的，是氨气。在第一通道中，氨气被化学分解成氢气气体(第一燃料)和氮气气体。在第二通道中，氨气没有被化学分解，而是被加热。
第一通道的出口通向用于分离化学物质(在这种情况下，从氮气气体中分离氢气气体)的分子筛(未示出)。从分子筛中分离出的氢气被输送到第一通路23和补充燃料通路31。由分子筛分离的氮气气体被输送到空气和氮气入口69，用于与空气混合并且注入到副燃烧区67中。
第二通道的出口通向第二通路25，用于输送被加热的氨气以用作第二注入流体中的第二燃料。第二通道的入口接收来自燃料热交换器77的氨气(见图7)。燃料热交换器77从燃料箱(未示出)接收其氨气供应并且使该氨气与行进到燃气涡轮发动机3的压缩机7中的空气流的至少一部分进行热接触。被输送到裂解器73的第二通道入口的是通过穿过燃料热交换器77而被加热的氨气。此外，液态氨气膨胀成气态氨气为行进到压缩机7中的空气流提供冷却。
通过排出流体热交换器79执行进一步的流体处理(见图7)。蒸汽和氮气在燃烧过程中产生并且从燃气涡轮发动机3的排出物中收集。该排出流体流的至少一部分与水流热接触。水流被输送到第二通路25以用作第二注入流体中的成分并且被输送到加热流体室37以加热第二通路25中的第二注入流体，冷却燃烧室13中的流体，并且输送到涡流区域59中，用于冷却和稀释目的。水流本身来自排出流体流。一旦排出流体流已经穿过排出流体热交换器79，它就穿过冷凝器81。在冷凝器81中，排出流体中的水还与其中的氮气分离。氮气被排到大气中，而水被输送到排出流体热交换器79。水还将稀释燃烧过程中任何残留的NOx和未燃烧的氨气排放产物。
在系统1的使用中，作为第二燃料的液态氨气燃料从燃料箱被泵送到燃料热交换器77，在燃料热交换器中，液态氨气燃料与进入压缩机7的空气流的至少一部分进行热交换。这种热交换增加了氨气的热能，以获得更高的燃烧效率。它还将氨气的状态从储存时的液态变成气态并且冷却行进到压缩机中的空气流，以获得通过燃气涡轮发动机3的更多质量的空气。此后，氨气的一部分被泵送通过裂解器73的第二通道。在第二通道中，作为第二裂解器流体，氨气经由与燃烧室13中的燃烧流体热交换而经历了其热能进一步增加的第二过程。此后，该氨气作为第二燃料被泵送到第二通路25并且作为第二注入流体的成分被最终输送。
同时，来自燃料热交换器77的氨气燃料的另一部分穿过裂解器73的第一通道。在那里，作为第一裂解器流体，氨气经历了化学分解的第一过程，分解成两种化学物质氢气和氮气，该第一过程由于与燃烧室13中的燃烧流体热交换产生。此后，氢气和氮气被泵送通过分子筛，从而分离氢气和氮气。作为第一燃料的氢气被泵送到第一通路23以用作第一注入流体并且被泵送到补充燃料通路31以用作补充燃料。因此，第一燃料是系统1从第二燃料产生的。氮气被泵送到空气和氮气入口69。
在设备11内，第一燃料(即氢气，其在该实施例中构成第一注入流体)被泵送通过第一通路23并且从燃烧器头部21处的第一出口15排出。在其输送点处，由第一出口15注入的氢气以环形横截面的第一流输送，其在大致轴向的下游方向上行进，尽管具有由第一出口15相对于径向平面的成角度所赋予的一些径向向外的分量。当第一流被输送时，该第一流与同时从空气出口19输送的旋流空气部分组合，也在燃烧器头部21中。从空气出口21输送的空气由压缩机7输送到空气出口并且穿过空气通路33及其轴向旋流器35。
在设备11内，第二通路25中的第二燃料(即氨气)与由压缩机7输送到第二通路25的空气混合并且与从来自排出流体热交换器79的热水经由加热流体室37注入到第二通路25中的水和/或蒸汽混合。该混合物穿过具有角度旋流器27的第二通路25的一部分。此后，氢气气体通过补充燃料通路31和补充燃料出口29被引入到第二通路25，从而与已经在第二通路中的氨气、空气和蒸汽混合。所得混合物构成第二注入流体，并且该流体通过第二出口17被泵送。在其输送点处，由第二出口17注入的第二注入流体以环形横截面的第二流被输送，其在大致轴向的下游方向上行进。当两股流被输送到输送区47中时，第二流基本上包围第一流。因此，如果从第一流的基本上任何部分沿着径向向外的方向行进，就会遇到第二流。应当注意的是，在该实施例中，除了来自排出流体热交换器79的水和/或蒸汽被注入到第二通路25中之外，其还经由端口42a被单独且直接地注入到涡流区域59中，但是在其他实施例中，这些情况可能只发生一个、另一个或者两者都不发生。
第一注入流体和第二注入流体的成分的量以及直接注入到涡流区域59中的任何水和/或蒸汽的量可以被选择成使得注入的总蒸汽体积在注入的总燃料体积的0％-40％之间(也就是说，燃料和蒸汽以燃料∶蒸汽为5∶2的比例或以燃料与蒸汽的某种更高的比例注入)。
一旦被输送到输送区47中，第一流就被点火器(未示出)点燃。轴向旋流器35对从空气出口21输送的空气的作用使点燃的氢气产生旋流火焰，这又可以经由涡流破裂在输送区47附近产生再循环。第一流的氢气容易被点燃，但是第二流的氨气不容易被点燃。第一流的被点燃的氢气用作点燃第二流的氨气的引燃。因此，第一流的氢气在点燃第二流的氨气中起到有用的目的，但是在燃烧过程的这个热的早期阶段，其燃烧机理产生氮氧化物，从排放的观点来看，这是不期望的(即(H2+(O2+N2(空气))＝>NOx+H2O)。然而，在燃烧温度条件在大约1200-1600K之间并且氨气浓度在大约30-40％的情况下，第二流中未燃烧的氨气和氨自由基(例如NH2)可以将氮氧化物还原成氮气(NH3+NOx＝>N2+H2O)。因为当所述流进入输送区47并且进入主燃烧区65时，第一流被第二流包围，所以在第一燃料的氢气和第二燃料的氨气的燃烧中所产生的氮氧化物更可能遇到第二燃料的未燃烧的氨气和氨自由基并且因此被还原。具有朝向第二流的行进方向的分量(由于第一出口15的成角度)的第一流还可以增加这种可能性。由于轴向旋流器35，在输送区47附近发生的再循环可以增加停留时间并且因此增加所输送的氢气在该阶段被燃烧以产生氮氧化物的比例。考虑到所产生的氮氧化物具有更大的可能性遇到周围第二流中第二燃料的未燃烧的氨气和氨自由基(即由于周围第二流和第一流的行进方向)，在该阶段燃烧更大比例的氢气可能是有利的。此外，因为第二注入流体(以及因此第二燃料的氨气)由于其被径向向外输送到第一注入流体之外而在一定程度上被从燃烧火焰的中心屏蔽/移除，并且因此被从最热的温度屏蔽/移除，所以额外的氨气可以保持未燃烧。然后，这对于还原氮氧化物可能是可用的。
当第一流和第二流向下游行进时，它们在径向向外的方向上相继遇到两个不同的低压区，这两个不同的低压区分别由柯恩达生成体的连续渐缩部分55和边沿部分57产生。这些倾向于增加流体在径向向外方向上的行进方向的分量，从而使火焰弯曲并且在一定程度上变平。这可能倾向于在一定程度上降低燃烧器头部21处的温度，从而降低其应力并且潜在地降低其维护/更换需求。如将理解的，分开的第一流和第二流将逐渐失去它们的同一性，并且至少在一定程度上将相互混合，以产生燃烧流体和其它反应物和成分的更普遍的混合物。燃烧流体继续向下游行进并且径向向外行进。柯恩达生成体49使火焰弯曲的初始效果、燃烧器罐39的腰部部分63、侧壁43和上游壁41以及柯恩达生成体49的径向外表面61的组合倾向于导致在涡流区域59中形成流体的混合物的截留涡流。此外，柯恩达生成体49使火焰弯曲的初始效果、燃烧器罐39的腰部部分63、侧壁43和裂解器73对主燃烧区65的出口的部分阻塞的组合倾向于导致形成更大的中心再循环。这可以用氧气耗尽区域中的后燃烧热自由基充分填充主燃烧区65的其余部分，从而进一步促进氮氧化物的还原。
波纹构造42c(其可能倾向于在大致径向的方向上引导流体)和经由端口42a注入的水和/或蒸汽(注入的方向具有径向向内的和向下游的分量)可以进一步促进涡流区域59中的截留涡流的形成。
柯恩达生成体49的弯曲效应可以在图5中看到，并且截留涡流和较大的中心再循环的形成的初始阶段可以在图6中看到。截留涡流和较大的中心再循环都增加了流体在燃烧室13中的停留时间，特别是在主燃烧区65中的停留时间。这产生了额外的混合，以通过痕量的未燃烧的氨气和未反应的氨自由基来促进氮氧化物的还原并且允许为其提供更多的时间。此外，截留涡流、水温控制和中心再循环在一定程度上降低了主燃烧区65中的温度，这可以使温度更适合于这种降低(即在1200-1500K的范围内)。第二注入流体的蒸汽组分还可以有助于温度降低以及增加流体的质量并且因此增加所产生的功率。当再循环发生时，第二注入流体内氢气的存在可以有助于未燃烧的氨气的持续点燃。
还有助于降低燃烧室13中的流体的温度的是从加热流体室37通过端口42a注入的水和/或蒸汽以及增加与加热流体室37中的水和/或蒸汽的热交换的波纹构造42c。
最终，现在其中燃烧了很大一部分的氢气和氨气并且被大量的水和氮气组分稀释的流体的混合物穿过裂解器73的周边和燃烧器罐39的侧壁43之间的环形空间。因此，所述流体混合物进入副燃烧区67。当流体的混合物经过裂解器73时，它们加热裂解器73，从而允许其如先前所述起作用，促进与其第一通道和第二通道中的流体的热交换。
为了给燃烧提供额外的空气并且为了进一步稀释流体的混合物以便产生期望的燃烧条件(下面将进一步讨论)，空气和氮气经由副燃烧区的上游端处的多个端口71被注入。此外，由多个端口71的性质赋予的涡流有助于增加副燃烧区67内的混合和停留。
如先前所述，氢气在相对较高的温度下的燃烧会产生不期望的氮氧化物。因此，一旦足够的氢气在较热的主燃烧区65内燃烧以充分点燃第二注入流体的氨气，则优选的是，任何其余的氢气主要以另一种方式燃烧。此外，已知在浓燃烧条件下的氨气燃烧也会导致氢气产生，并且由于氧气的缺乏，该氢气通常将不会在主燃区中燃烧。对于纯氢气，为了减少氮氧化物的形成，期望燃烧发生在大约1200-1300K以下。这可以在发生无焰燃烧的副燃烧区67中实现。在无焰燃烧中，不存在火焰，并且氢气的燃烧以离散模式发生。这可以在充分稀释的反应物(例如在水和氮气中稀释的氢气和氧气)和充分降低的温度下发生。也就是说，虽然存在氢分子和氧分子以进行反应，但是它们被充分稀释，使得每单位体积发生的反应不足以产生可见的火焰。由于多种因素，这种条件可能在副燃烧区67中占主导地位。首先，大部分氢气将已经在主燃烧区65中燃烧。第二，主燃烧区65中的燃烧产生稀释剂(主要是水和氮气)，并且主燃烧区65中增加的停留时间将增加这些稀释剂的产生，从而增加混合并且允许温度降低。水和氮气可以构成到达副燃烧区65的材料的90％以上并且可以构成95％以上。第三，经由多个端口71注入氮气将进一步稀释反应物，以便输送到副燃烧区67。应当进一步注意的是，第一出口15的位置(即，在更径向向内的/中心的位置处)可能导致第一注入流体的氢气倾向于比第二注入流体的成分更少地在主燃烧区65中再循环，而是倾向于沿着更直接的路径到达副燃烧区67。这可能是有益的，因为较少的氢气可以在主燃烧区65中燃烧，而更多的氢气可以在副燃烧区67中燃烧。
从副燃烧区67排出的是燃烧产物。排出流体流将主要是水和氮气。水组分可以是大约30％-40％。这可以与依靠常规化石燃料运行的传统燃气涡轮发动机形成对比，在常规化石燃料中，水浓度可以小于大约10％。一旦它们穿过涡轮机10，排出产物就被输送到排出流体热交换器79。在排出流体热交换器79中，来自排出流体流的热能被传递给水流(增加水的温度)。水流被泵送到加热流体室37，用于加热第二通路25中的第二注入流体并且控制涡流区域59中的温度。然后，水流的一部分经由端口42a被注入到涡流区域59中，而其余部分被泵送到第二通路25，用作第二注入流体中的成分。用于水流的水来自排出流体流。一旦排出流体流穿过排出流体热交换器79，流体然后就穿过冷凝器81。在冷凝器81中，排出流体中的水还与其中的氮气分离。氮气被排到大气中，而水被泵送到排出流体热交换器79。
因此，系统1从单一燃料输入中产生其自身的燃料和反应物并且利用其产生的部分热能和一些排出产物。
该说明书(包括任何所附权利要求、摘要和图纸)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合来组合，除了这样的特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合。
除非另外明确说明，否则该说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由用于相同、等效等同或类似目的的替代特征代替。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅是一系列等效或类似特征的一个示例。
本发明不限于任何前述实施例的细节。本发明延伸到该说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和图纸)中所公开的特征的任何新颖特征或任何新颖组合，或者延伸到如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖步骤或任何新颖组合。权利要求不应被解释为仅涵盖前述实施例，而是还涵盖落入权利要求的范围内的任何实施例。举例来说，包括裂解器和相关联的燃烧室的系统的实施例可以独立于上述实施例中所讨论的系统的其余部分和/或与其他系统特征关联使用。例如，包括裂解器和相关联的燃烧室的系统的实施例可以与不同的燃气涡轮发动机关联使用，该不同的燃气涡轮发动机例如可以在所使用的燃料和/或它们的输送方式上不同。进一步举例来说，在上述实施例中，蒸汽作为第二注入流体的一部分被注入并且通过燃烧器罐39的上游壁41，尽管在其它实施例中，这些情况可能只发生一个、另一个或者两者都不发生。

Claims (25)

1.一种系统，包括燃气涡轮发动机燃料注入设备，所述燃气涡轮发动机燃料注入设备被布置成向燃气涡轮发动机的燃烧室输送包括第一燃料的第一注入流体和包括第二燃料的第二注入流体，所述设备被布置成输送所述第一注入流体和所述第二注入流体，使得以第一流来输送所述第一注入流体并且以第二流来输送所述第二注入流体，并且使得存在对应于第一位置的输送区，在所述第一位置处，所述第一流和所述第二流都已被输送，其中所述第一流基本上被所述第二流径向地包围。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述设备被布置成在基本相同的方向上输送所述第一流和所述第二流。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中，所述第一流和所述第二流从分开的对应的第一出口和第二出口输送。
4.根据权利要求3所述的系统，包括空气出口，其处于所述第一出口的径向内侧并且被所述第一出口径向地包围，所述空气出口被布置成输送空气，以便空气一旦被输送就与所述第一燃料和所述第二燃料一起燃烧。
5.根据任一项前述权利要求所述的系统，其中，所述第一流中的第一注入流体的至少一部分的初始燃烧用作点燃所述第二流中的第二注入流体的至少一部分的引火。
6.根据任一项前述权利要求所述的系统，其中，所述第一燃料包括快速反应的燃料，而所述第二燃料包括慢速反应的燃料。
7.根据任一项前述权利要求所述的系统，其中，所述输送区由柯恩达生成体径向地包围并限定，所述第一注入流体和所述第二注入流体由所述设备输送到所述柯恩达生成体中。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述柯恩达生成体包括具有横截面一致的径向内表面的径向地包围所述设备的管状部分，以及与之相连的位于所述管状部分的下游的扩口部分。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述管状部分的径向内表面和所述连续渐缩部分的径向内表面在呈边缘形式的不连续处相交。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的系统，其中，所述扩口部分包括连接到所述连续渐缩部分的边沿部分，所述边沿部分具有在大致径向方向上延伸的下游表面。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述连续渐缩部分的径向内表面和所述边沿部分的下游表面在呈边缘形式的不连续处相交。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的系统，其中，所述柯恩达生成体延伸到由燃烧器罐限定的燃烧室中，从而形成径向地由所述柯恩达生成体的径向外表面和所述燃烧器罐的径向内表面界定并且在轴向上由所述燃烧器罐的上游表面界定的涡流区域。
13.根据任一项前述权利要求所述的系统，其中，所述燃烧室包括在所述设备的下游的进行浓燃烧的主燃烧区和在所述主燃烧区的下游的发生无焰燃烧的副燃烧区。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述燃烧器能够包括在所述副燃烧区中或邻近所述副燃烧区的至少一个空气入口，所述至少一个空气入口被布置成将额外的空气输送到所述燃烧室中。
15.根据任一项前述权利要求所述的系统，其中，裂解器位于所述燃烧室内，所述裂解器被布置成在所述燃烧室中的燃烧流体和穿过该裂解器内的第一通道经历第一过程的第一裂解器流体之间提供热接触，从而将所述第一裂解器流体化学地分解成两种或更多种化学物质。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述化学物质中的一种是所述第一燃料。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的系统，其中，所述裂解器进一步被布置成在所述燃烧室中的燃烧流体和穿过该裂解器内的第二通道经历第二过程的第二裂解器流体之间提供热接触，从而增加所述第二裂解器流体的热能，而不改变其化学性质。
18.根据权利要求17的系统，其中，所述第二裂解器流体是所述第二燃料。
19.根据任一项前述权利要求所述的系统，其中，所述系统包括燃料热交换器，所述燃料热交换器被布置成使行进到所述燃气涡轮发动机的压缩机中的空气流的至少一部分与行进以通过所述设备在所述第二注入流体中输送的第二燃料的料流进行热接触。
20.根据任一项前述权利要求所述的系统，包括排出流体热交换器，所述排出流体热交换器被布置成使来自所述燃气涡轮发动机的排出流体流的至少一部分与行进以输送到所述设备和/或所述燃烧室的水流进行热接触。
21.一种燃气涡轮发动机，包括根据权利要求1至20中任一项所述的系统。
22.一种在燃气涡轮发动机中注入燃料的方法，包括向燃烧室输送包括第一燃料的第一注入流体和包括第二燃料的第二注入流体，使得以第一流来输送所述第一注入流体并且以第二流来输送所述第二注入流体，并且使得存在对应于第一位置的输送区，在所述第一位置处，所述第一流和所述第二流都已被输送，其中所述第一流基本上被所述第二流径向地包围。
23.一种燃气涡轮发动机流体系统，包括燃烧室和位于所述燃烧室内的裂解器，所述裂解器被布置成在所述燃烧室中的燃烧流体和穿过该裂解器内的第一通道经历第一过程的第一裂解器流体之间提供热接触，从而将所述第一裂解器流体化学地分解成两种或更多种化学物质。
24.一种燃气涡轮发动机，包括根据权利要求23所述的系统。
25.一种方法，通过使所述第一裂解器流体穿过燃气涡轮发动机的燃烧室而在所述燃烧室中的燃烧流体和所述第一裂解器流体之间提供热接触，对第一裂解器流体执行第一过程，从而将所述第一裂解器流体化学地分解成两种或更多种化学物质。
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