CN1392925A - 用于提高功率输出和效率的燃气轮机耐火层的蒸汽喷嘴设计 - Google Patents

Abstract

一种蒸汽注射喷嘴系统，该系统用于将蒸汽注射入燃气轮机的耐火层(10)中，以提高燃气轮机的功率输出和效率。耐火层(10)具有多个稀释孔，这些稀释孔用来向燃烧室供给空气以引起紊流。一蒸汽歧管(51)围绕所述耐火层并具有多个蒸汽注射喷嘴(55)。各个蒸汽注射喷嘴相对于一个相应的稀释孔设置，但不与耐火层接触，用于将蒸汽直接通过稀释孔注入耐火层中。蒸汽的注射不会改变通过多个稀释孔现有的空气量，这样，无关于在预定蒸汽范围内注入的蒸汽量，通过多个稀释孔的空气将为一恒量。

Description

用于提高功率输出和效率的的燃气轮机耐火层的蒸汽喷嘴设计

发明领域

本发明涉及燃气涡轮发动机的领域，尤其涉及一种用于燃气涡轮发动机的耐火层的蒸汽喷嘴系统，该喷嘴系统可提高燃气涡轮发动机的功率输出和效率。

发明背景

燃气涡轮发动机是一种通过燃气工作的热力发动机，而不是例如通过蒸汽或水工作的。燃气轮机的两个主要应用领域是飞机的推进装置以及发电。在William W.Bathie的《燃气轮机的基本原理》(John Wiley & Sons公司，1996)中对燃气轮机进行了详细描述，此内容援引在此以作参考。

燃气轮机的燃烧装置部分包括一燃烧室，燃烧室被设计成可燃烧一种燃料和空气的混合物，并且以不超过轮机入口允许限度的温度将产生的气体送入轮机。在非常有限的空间内，燃料装置必须向通过发动机的气体添加足够的热能，以对它们的质量充分加速，从而产生用于发动机的所需的推力和用于轮机的能量。

燃烧室衬有耐火层。图1示出了一种普通的耐火层。有多个孔来供给用于燃气轮机工作的原始空气、二次空气以及冷却空气。如图1所示，燃料通过预先混合的气流从耐火层的一端进入(在本例中燃料从页面的左侧进入)。沿耐火层的孔示出的多个射流为燃烧区域提供紊流和二次空气。这些射流由部分1、2和3的孔表示，为了达到一优质的燃烧系统，这些射流的工作将满足不同的空气要求。

部分4通常为一个非常大的区域，该区域以强射流供给的空气来产生紊流混合。在此过程中，燃烧火焰的产物与压缩机空气混合，从而达到一种指定的处于运行的轮机入口温度(TIT)的最终的均匀的工作流体。沿耐火层的壁还有许多冷却孔，以使耐火层金属温度下降。耐火层的排气最终流入一过渡套，该过渡套使普通燃烧罐(通常为一圆筒形的燃烧装置)的空气流动截面与轮机喷嘴组部分相连。这种设计通常被用于所有的或几乎所有的以地面为基础的燃气轮机。

带有较长耐火层设计的重型燃气轮机常常使用反向流动耐火层来容纳长焰。反向流动耐火层同样也被用于其它的耐火层的变化形式中。一般而言，为了补偿耐火层的长度，压缩机排出的空气通常会流回燃烧罐的外壳或燃烧包裹物中，接着方向反转，移过耐火层，并且在燃气轮机中的第一排喷嘴处达到一指定的轮机入口温度。这种燃气轮机的性能与轮机入口温度有关，并且第一级的喷嘴和叶片具有最大的金属温度限度。这些温度限度是由所使用的金属决定的。即使如今的轮机使用的是单晶体金属，但它们还是必须使用各种冷却手段来使金属温度下降。

近年来，耐火层经过仔细的设计，使得火焰能以较高的反转比率工作，以提供一种有效的启动以及提供低负载的工况。使用扩散火焰时，当燃料进行燃烧之前，燃料应与氧化剂混合。而后氧化剂扩散进入火焰包，使得氧化剂和燃料达到一种火焰可以存在的理想配比率。扩散火焰是一种用于使火焰包提高氧化剂扩散率的较佳的方法。由火焰总是停留在理想配比率的表面，所以通过沿火焰的长度向下游流动稀释空气，可以使燃气轮机入口温度受到控制，从而达到一适合的混合物以及用于燃气轮机的指定均匀的设计温度。稀释孔有策略地进行布置来提供可以产生内部紊流的空气射流。由于这种紊流会引起压力下降，所以这还会减少流体的工作势能。因此，空气射流必须试着以这样一种水平提供紊流，即，射流会引起的穿过耐火层的压降为最小，从而避免了流体工作势能的损失。

需要改进的燃气涡轮发动机的一个方面是功率输出和效率。由本发明的发明人构想的高级程氏循环是一种使用蒸汽来增加其能量输出的大规模蒸汽注射燃气轮机。蒸汽在紧接着燃烧区域的下游的第一轮机喷嘴组的前方被注入燃气轮机中。目前，蒸汽注射已作为功率辅助而被运用在一些燃气涡轮发动机上。然而，为了避免引起压缩机气流不平衡以及火焰的不稳定性，注入量通常仅限于空气流的5％到9％。

在现有系统中，蒸汽和空气已在耐火层之前被注入，也就是说，蒸汽不是直接注入耐火层的。蒸汽注射点先前一直是在压缩机出口增压区域中。以这种方法，蒸汽通过所有耐火层允许进入的区域进入燃烧室，这些允许进入的区域有：主区域、稀释区域以及冷却通气孔。燃烧室的压降随着蒸汽流量的增加而增加，即，取决于蒸汽-空气的比率。因此，尽管对燃烧效率的影响可能为最小，但是通过位于燃烧罐上的孔进入的额外的质量需要较高的压降。此外，通过使氧气和氮气的相对浓度的减少，空气中携带的蒸汽会使空气的燃烧起变化。在组合物中氧气的稀释会降低燃烧反应率。

此外，这些年来，空气污染已成为化工领域一个主要关心的问题，而减少空气污染则是本发明的第二个目标。燃气轮机的主要排放物是氮的氧化物或NO_x，而这恰恰又是当今空气污染的主要成分。最普通的NO_x排放物是氧化氮NO以及二氧化氮(NO₂)。从燃气轮机散发出的扩散火焰的温度会产生这些NO_x排放物。如果火焰的锋面接收到的氧气或紊流不充分，产生的一氧化碳的浓度就会变成严重污染空气的另一个因素。

关于空气污染问题，燃气轮机现在使用干燥的低NO_x的耐火层。与普通耐火层相比，这种类型的耐火层可保持较低的压力水平以及较高的紊流水平，以达到减少NO_x排放所必须的较低的火焰温度。

高级程氏循环证明，与现有的简单循环的耐火层的设计相比，NO_x排放物有显著的减少。然而，由于在蒸汽进入耐火层之前使蒸汽方便地与压缩机的排气混合，该反向流动耐火层与航空派生的燃气轮机的设计略有不同。

目前一些燃气轮机制造商将蒸汽同心地注入燃料喷嘴来作为降低NO_x排放的装置。采用那种特殊方法的最佳的蒸汽注射在蒸汽与燃料的比率约为1∶1时可以达到火焰稳定的极限。然而，这种蒸汽量的一个问题在于，进入耐火层的注入量会使功率的提高受到影响。

蒸汽注射的第二个方法涉及将蒸汽在增压腔注入。这里，蒸汽将与压缩机空气混合，而混合物将围绕耐火层流动，通过各种稀释和冷却孔进入耐火层。然而存在这样一个问题，当蒸汽与空气的比率达到约9％时，火焰会变得不稳定。

本文揭示的系统和方法可以克服上述困难。

发明内容

本发明的一个目的在于，增加燃气涡轮发动机的功率输出及效率。第二个目的在于减少从中排出的NO_x排放物的程度。再一个目的在于提供一种系统，在该系统中，蒸汽以各种量被注入原始耐火层设计上现存的稀释孔，但又不会干扰其中的空气流的分布。本发明揭示了利用蒸汽压力和它产生的动量来使空气通过原始的稀释孔喷射。通过利用耐火层内的蒸汽射流的动量，不仅可以使产生紊流所需的压降最小化，并且还能提供紊流本身。随着耐火层内的紊流的增加，火焰温度通过向现存的氧气和氮气的混合物(空气的主要成分)添加蒸汽而得以降低，而蒸汽具有非常高的热量吸收能力。由于蒸汽可使混合物吸收燃烧的热量，所以降低了火焰温度。这种紊流的混合物还将充分的氧气供给，从而潜在地减少一氧化碳的量。

本发明揭示的通过稀释孔直接进入耐火层的蒸汽的注射具有一个可取的特征，即，只有非常少甚至几乎没有蒸汽被允许引入主燃烧区域，而该区域与燃料注射喷嘴又非常接近。这样，耐火层内的反应动力学不会受到蒸汽注射的影响。

因此，本发明的一个目的在于通过多个稀释孔与总空气流成比例地注入蒸汽，而又不改变对于那些稀释孔已指定的空气分布。另一个目的在于，在蒸汽注射速度开始时减少经过燃烧室注射蒸汽所需的压降。还有一个目的在于，通过紊流的混合过程增加用于燃烧的紊流的扩散，这可以充分降低火焰温度和NO_x的排放物。

另一个目的在于，提供一种主燃烧产物、稀释冷却空气和蒸汽的一致的混合物，以在混合物进入燃气轮机的第一喷嘴之前，产生一稳定或均匀的温度轮廓。通过建立一种一致的温度轮廓，该混合物可以减少在第一级喷嘴中的热条纹和热点的金属温度，从而延长其使用寿命并增加其准确的功能。

因此，本发明描述了使蒸汽注入燃气轮机耐火层的有效的方法。本发明涉及所有耐火层的变化型式，并特别涉及反向流动耐火层。

总之，本发明的一个实施例提供了一种蒸汽注射喷嘴系统，该系统用于使蒸汽注射入燃气轮机的耐火层，从而提高燃气轮机的功率输出和效率，耐火层具有多个稀释孔，这些稀释孔用来向燃烧室供给空气以引起紊流，该蒸汽注射喷嘴系统包括：一蒸汽歧管，该蒸汽歧管围绕所述耐火层并具有多个蒸汽注射喷嘴，各个蒸汽注射喷嘴相对于一个相应的稀释孔设置，从而用于将蒸汽通过所述稀释孔直接注入所述耐火层，其中蒸汽的注射不会很大地改变通过多个稀释孔现有的空气量，这样，无关于在预定蒸汽范围内注入的蒸汽量，通过多个稀释孔的空气将为一恒量。

蒸汽注射的预定范围占到通过耐火层流动的空气的约9％到约35％之间。或者，预定的蒸汽注射范围等于或小于通过耐火层流动的空气重量的约35％。蒸汽注射喷嘴系统较佳地被设计成，相对于一个相应的稀释孔设置的各个蒸汽注射喷嘴不与耐火层接触。

以下，将详细论述蒸汽喷嘴直径设计和耐火层的稀释孔的尺寸之间的关系，以及本种关系对燃气轮机的燃烧和排放物的影响。

附图说明

图1为示出了一普通耐火层的剖面图；

图2示出了具有一蒸汽歧管的蒸汽注射实施例，其中的蒸汽歧管带有多个朝向耐火层的稀释孔的蒸汽射流；

图3a和图3b示出了通过流体力学的计算而得的流动模拟，其中分别示出了沿最后的大的稀释孔截取的带有和不带有蒸汽注射的耐火层的截面；

图4a和图4b示出了带有和不带有蒸汽注射的耐火层中温度分布图的结果的比较；

图5示出了伴随蒸汽注射的蒸汽浓度分布图；

图6示出了不带有蒸汽注射的排气的温度分布图的实例；

图7示出了伴随20％蒸汽注射的排气的温度分布图的实例；

图8示出了NO_x减少量与火焰温度的坐标图；

图9示出了一射流的相似流线及其喷出轮廓；以及

图10示出了用于设计反向流动燃烧室用的蒸汽喷嘴的方法。

较佳实施例的详细描述

图2示出了带有一蒸汽歧管51的蒸汽注射设计，该蒸汽歧管51带有多个朝向耐火层的稀释孔的蒸汽射流55。图2示出了燃气轮机框架5或框架7的烟道配置。注射孔最好不和耐火层10直接接触。

如图2所示，首先，沿朝轮机的相反方向引导压缩空气。接着，压缩空气流入一个围绕耐火层10的外壳60内。该耐火层10具有多个稀释孔和蒸发冷却孔。稀释孔和蒸发冷却孔装备有一交叉火焰管11，该交叉火焰管11允许火焰交叉点燃其相邻腔室。耐火层10的端部还具有一燃料喷嘴12，该喷嘴通常安装在被称为燃料罩盖54的一后板上。燃烧罐的外壳60有时也被称为燃烧包裹物，该外壳60设有用于使耐火层10定位的机械定位件。外壳60用螺栓固定在包围燃烧罐的大件的隔板上，它通常被安装在进入燃气轮机部分之前。

来自于废热回收锅炉的蒸汽通过孔50并且沿着蒸汽歧管51流动。蒸汽由接头53分配到四条蒸汽排出管道52中。管道52可以带有单个或多个蒸汽喷嘴55，这些喷嘴55指向耐火层10的若干稀释孔。过渡套由标号30表示。附加的轮机叶片冷却蒸汽注射器21从锅炉20接收到它们的冷却蒸汽，蒸汽通常在500°F左右。在蒸汽进入位置23处的第一级喷嘴的冷却剂入口之前，蒸汽在区域22中与压缩空气混合，并且对压缩空气进行冷却。可以在轮机壳体上安装任何东西以进行机械定位，而耐火层可通过夹紧和排列系统61进行调节。安装若干垫片并且使垫片与燃烧包裹物对齐，以设置所需的必要数量的燃烧罐。

以下，将详细讨论喷嘴的直径设计和耐火层的稀释孔尺寸之间的关系，以及该关系对于燃气轮机的燃烧和排放的影响。

图3a和图3b为示出了以数字表示的流动模拟的剖视图，其中采用了流体力学的计算结果来描绘沿最后的稀释孔的耐火层的截面。这两图分别以带有蒸汽和不带有蒸汽来作为耐火层内的紊流强度的变化，对速度进行了比较。图3a示出了不带有蒸汽注射的比照结果，而图3b示出了根据此处所揭示的内容带有蒸汽注射的比照结果。

更详细地说，图3a示出了在稀释孔下方的半个未受扰动的燃烧罐，其中带有进入稀释孔的压缩空气。此截面中的耐火层未使用本发明所揭示的蒸汽注射法。这种情况中的紊流仅由空气引起，而穿过耐火层的孔的压力损失通常保持在所有压缩空气的3-5％的范围中。然而，图3b示出了使用本发明的蒸汽注射法的耐火层，以增加在图1中的部分4处的紊流度。紊流度较高说明蒸汽的动量和蒸汽注射射流可增加耐火层的效用和性能。

图4a和图4b为计算机生成的图，其中示出了燃烧时耐火层的工作。这些图绘出了稀释空气与火焰混合的结果，其中示出了当混合物进入第一级轮机系统的喷嘴之前，温度的轮廓以及混合物通过过渡套的移动。图4a示出了不带有蒸汽注射的情况下耐火层中的温度分布线的初步结果，而图4b示出了带有此处所揭示的蒸汽注射的情况下耐火层中的温度分布线的初步结果。图4b示出了流入量对燃烧室以高级程氏循环流速移动，并通过一普通耐火层的部分4的第四稀释孔。图4b的温度分布图示出了蒸汽产生的混合的结果。在进入第一级喷嘴之前，图4b中带有蒸汽注射的紊流比图4a中不带有蒸汽注射的紊流更均匀。

图5示出了注入的蒸汽浓度的计算机模拟，而注入的蒸汽通过耐火层与燃烧产物相混合并且朝着第一级燃气轮机喷嘴在过渡套中加速。浓度轮廓是以右手侧上的比例示出的。图5中蒸汽浓度的显著特征是当它进入第一级喷嘴之前它的均匀性，这对保存燃气轮机的零件寿命以及改进它的综合性能起了重要作用。

图6示出了不带了蒸汽注射的排气的温度轮廓的实例。图7示出了根据本发明的带有20％蒸汽注射的温度轮廓的实例。两图的比较表明，带有蒸汽注射的图7的图表具有的温度轮廓比图6的图表的更加均匀。图7还具有较低的排气温度，并且标出的点不像图6中的分散，这表示带有蒸汽注射的燃气轮机的性能得以增强。

图8示出了CO和NO_x的浓度与火焰温度的标绘图，其中火焰温度的单位为华氏度。从图中可以看出，NO_x排放物的产生在很大程度上取决于火焰的温度。CO的产生在2850°F左右以极小的水平开始。当达到的温度比它的温度范围更高些或低些时，CO的浓度增加。因此，蒸汽注射的设计应注意选择为，当使用特定的燃料时，理想配比的火焰包的温度保持在2600°F和2850°F之间的任何温度上。该温度范围可以根据所使用的燃料而改变。

图9示出了紊流射流的流线轮廓。该轮廓同样表现为一种相似的轮廓，它可以通过数学的方法得出，并通过实验的验证。该相似的流线轮廓形成为若干组几何流线。它的物理位置和形状与射流的强度无关。射流的速度和引入射流的外部质量相互成比例地增加，而射流比为一常数。射流速度与引入射流的外部质量还会相互成比例地减少。当这种情况发生时，由于射流动量的守恒，几何形状保持不变。当射流的动量输送朝着外部材料移动时，由于它动量或速度的减少，射流的流线会膨胀。同时，流线必须维持连续性方程和条件。

流体的粘性会引起外部质量的向内流动分量。当中间的膨胀流线和外部质量流的进入分量的量值相互抵消时，可以形成一个零径向速度分量的表面。规则气流的圆柱的锥体部分通常为15度的立体角。这种特性使得可以使用相似的几何轮廓来设计此处所揭示的蒸汽注射喷嘴。可以看到，存在这样一个区域，该区域中仅存在进入流体的垂直速度。由于中间内芯含有射流材料，任何流线的交点可以通过一孔并且回到射流材料与外部材料的比率。此处揭示的设计利用了这个特性，人们希望蒸汽注射可以提供动量来拖曳空气通过耐火层的稀释孔，这样通过孔的空气流量大致为一常数，并且空气流量基本与有利的范围的注入的蒸汽量无关。此处揭示的系统和方法的蒸汽的有利范围最好达到空气流的35％左右。

从图9中可以看到，当轴向速度变慢时，中间蒸气的流线径向变宽，这将从射流的中间流线向外产生一个径向速度分量。这时，周围气体会被引入射流中，该气流具有一个向内的径向速度分量。可以理解的是，基于上述原因，某处的径向速度v必须接近零。由于速度轮廓相似，故存在一个径向速度等于零的表面。该表面取决于流体的特性，但不取决于在有利范围内被注入的蒸汽量。

如图9所示，这个现象还可以用于确保良好的混合。由于v＝0的表面会与该图所示的燃烧罐相交，超过这点，蒸汽和周围气体必须充分地混合。从射流到交叉发生的长度被称为混合的“特征长度”。当混合长度比过滤套短时，在工作流体进入第一喷嘴组之前，可以保证良好或充分的混合。

本设计可达到下列目的。第一，由于蒸汽注射的范围，通过耐火层的空气分布基本没有改变，蒸汽注射的范围可以超过现有技术中观测到的9％的火焰稳定性范围。第二，蒸汽注射不会在耐火层内造成火焰不稳定性，这是对同轴蒸汽喷嘴方法的改进。第三，在混合物通过耐火层的过渡套离开之前，耐火层内的紊流强度会增加，从而可提供更加均匀地混合。

图10为示出了采用相似流动模式来根据稀释孔直径计算蒸汽喷嘴的直径的结果的示意图。在这种计算中，在射流的喷嘴内假设一虚点源。假定此处存在相似的射流模式。在图10中，蒸汽射流喷嘴的直径标为d1，稀释孔的直径标为d3，而与稀释孔相交的射流的直径为d2。从流线的计算可以测定位于蒸汽射流喷嘴和耐火层之间的偏距L1，这样，先前流入稀释孔的空气现在以较高的速度流入稀释孔，以补偿流动区域中的减少量。从图2中可以看出，耐火层具有许多孔，这些孔是必须的，它们可维持燃烧的稳定性。本设计要求，无论是否有蒸汽流存在，流线模式都能使均匀量的空气通过稀释孔。由于这不会干扰通过其它稀释孔的气流，所以可以维持燃烧的稳定性。由于蒸汽的压力比压缩机排放的空气的压力高得多，本设计可以实现此目的，从而提供额外的动量来喷射空气通过单个的稀释孔。尽管压降的增加量减少，但高速的射流以及它的动量还是可以在耐火层内产生较强的紊流搅动作用，这样正如先前计算机摸拟中观测到的那样，可以产生更充分的紊流混合。

设计方案

蒸汽注射系统应当注意被设计并构造成，在进入轮机之前可以确保较低的损失和适当的混合。在HRSG锅炉的出口和注射喷嘴之间的管路应当设计成较低蒸汽流速以及较低的压降，并且应当进行良好的绝热处理以减少热量损失。蒸汽歧管和注射喷嘴应当被设计成可确保平衡的蒸汽分布。

用于将注射物引入耐火层稀释孔的蒸汽歧管的设计应当仔细地进行。在图2示出的实施例中，带有过热蒸汽的管线50最好应当被划分成向各个燃烧室的集管或子歧管供给蒸汽。每个集管最好应供给四个等间隔的注射管。在本实例中，各个燃烧室的头盖通过在其中钻四个孔而进行了改进，以插入并固定蒸汽注射管。供给管线、歧管以及流道(runner)的位置和结构被选定为能与燃烧室的该区域中现有的特征相适应。歧管系统中的波纹管式伸缩接头可避免热应力的损坏。

设计和制造的质量对于达到均匀的蒸汽流分布是很重要的。压力和热量的损失应当较低，并且对于各个注射点应当几乎相等。在各个注射位置中希望有精确的低压比的喷嘴。各燃烧罐之间耐火层中的压降的较微变化对蒸汽流分布的影响很小。不均匀的蒸汽流的分布会导致轮机入口温度增加，由此会对轮机部件的寿命产生不利地影响。

在较佳实施例中，蒸汽注射硬件不是直接与耐火层相连的。因此，耐火层和过滤套是不受限制，并且可以不带有由蒸汽注射硬件的直接连接而引起的额外应力而如原设计的那样自由膨胀。在此期间，发动机不带有蒸汽注射地工作，喷嘴不暴露在燃烧气体中，甚至，这些喷嘴被沿耐火层外部流动的压缩机排放的空气屏蔽起来。在这些情况下，它们的存在会引起可忽略不计的流动限制。

在上述基础上，高级程氏循环系统需要蒸汽注射设计满足下列设计目标。第一，蒸汽应当在燃烧罐的下游均匀混合。第二，注入燃烧罐的蒸汽不应在燃烧罐的上游扰乱燃烧过程。第三，蒸汽注射不应在压缩机上产生反压力负荷，否则这将使压缩机产生气流不平衡情况。最后，发动机应当在不带有蒸汽注射的情况下也能工作。

设计实例

下列是一较佳实施例的描述。本描述仅出于说明的目的，但本发明的说明不仅限于此。

在对紊流射流的相似结果的计算中，紊流射流混合物的速度轮廓可以从下列公式得出，式中，u为自然轴向速度轮廓，η为相似变量，K为射流强度，而ε₀为表面运动粘度。 $u=\frac{3}{8\mathrm{\π}}\frac{K}{{\mathrm{\ϵ}}_{0}x}\frac{1}{{(1+\frac{1}{4}{\mathrm{\η}}^2)}^2}------\left(1\right)$ $v=\sqrt{\frac{3}{16\mathrm{\π}}}\frac{\sqrt{K}}{x}\frac{\mathrm{\η}-\frac{1}{4}{\mathrm{\η}}^3}{{(1+\frac{1}{4}{\mathrm{\η}}^2)}^2}------\left(2\right)$ $\mathrm{\η}=\sqrt{\frac{3}{16\mathrm{\π}}}\frac{\sqrt{K}}{{\mathrm{\ϵ}}_0}\frac{y}{x}------\left(3\right)$ $K=2\mathrm{\π}\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{u}^2\mathrm{ydy}-----\left(4\right)$

在亚音速的流动中，ε₀/K为一常数，因此射流动量K的变化不会相对y和x而改变流线的几何模式。

如前所示出的，由于没有蒸汽会通过v＝0的表面，所述v＝0被设为是射流的边界。以v＝0计算公式(2)来求解η，对于射流边界的相似表面位于η＝2处。穿过η＝2的速度仅具有u分量，并且它是引入量的测量值。经验常数可以被估计为： $\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{\sqrt{K}}=0.0161$ 因此，使用公式(3)的射流边界的展开角为：环形射流的体积流量可以根据以下公式计算： $Q\left(x\right)=2\mathrm{\π}\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\left(\mathrm{ru}\right)\mathrm{dr}$ 用r代替η中的y可得： $Q\left(x\right)=2\mathrm{\π}\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{3}{8\mathrm{\π}}\frac{K}{{\mathrm{\ϵ}}_{0}x}\frac{r}{{(1+\frac{1}{4}{\mathrm{\η}}^2)}^2}\mathrm{dr}$ 从公式(3)可得： $\mathrm{\ηd\η}=\frac{1}{16}\frac{3}{\mathrm{\π}}\frac{K}{{\mathrm{\ϵ}}_0^2{x}^2}\mathrm{rdr}$ 因此： $Q=4{\mathrm{\π\ϵ}}_{0}x\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{1}{{(1+\frac{1}{4}{\mathrm{\η}}^2)}^2}\mathrm{\ηd\η}=0.404\sqrt{K}x-------\left(8\right)$

在蒸汽喷嘴的设计中，通过稀释孔的气流Q_air首先以燃烧罐的压降以及压缩机空气出口情况进行计算。蒸汽喷嘴直径d1和偏距L1(参见图10)可以计算成与最大的蒸汽流量相匹配，而与有利范围中蒸汽的量无关地维持恒定量的空气流入稀释孔。

为了决定适当的蒸汽喷嘴孔的直径，通过确定喷嘴直径d1而对相似轮廓进行计算，而其中的喷嘴直径d1需要与设计的蒸汽流量以及穿过喷嘴允许的压降匹配。采用下列算法，给定注射管道中蒸汽的总的温度和压力以及注射管道的直径，可以获得喷嘴直径d1。

首先，从ASME蒸汽表可以确定蒸汽的总焓H以及总熵S。对于总焓H和总压力P_total，蒸汽的马赫数以不同静压力进行计算。在总压力P_total、蒸汽的马赫数M以及静压力P_static之间存在以下相关函数： $\frac{P_{\mathrm{total}}}{P_{\mathrm{static}}}=(1+\frac{M^2}{1.305})$

对于这些蒸汽条件的临界压力比为0.5662(注意：对于这些条件的蒸汽(γ+1)/2＝1.146)。如果蒸汽喷嘴排放所处的媒质压力比临界压力小，那么，喷嘴排放平面压力被设置为临界压力(即蒸汽喷嘴被阻塞)。另外，喷嘴排放平面压力被设置成与媒质的静压力相等，该压力是在燃烧测试基础上的大气压力。

采用以上确定的静压力，便可确定静态温度，将产生与总熵相等的静态焓。使用喷嘴出口静态压力和温度，蒸汽的单位质量(p)以及静态焓h可从ASME蒸汽表中确定。蒸汽在喷嘴处的排出速度可以由公式V2＝2(H-h)来确定，而喷嘴排出面积可以由公式A1＝mst/pV来确定。

需要一种递归的计算方法来确定喷嘴上游的管道内的质量。在这种情况下，管道的面积是已知的，但静压力最初必须进行估测。而后，静压可以使用下列关系式进行重新计算：

P_sT_s(从S，P_s蒸汽表)ρ u_s(内部能量)

V＝m_st/(ρA₀)＝h_s＝H-V²/2 ps＝ρ(h_s-u_s)

重复计算直到达到收敛。

已知蒸汽喷嘴孔d1的各尺寸以及射流的强度，可以引入图8中所示的相似轮廓来计算最大的附带流量(Q2)以及喷嘴偏距L1。射流的相似解可以被用来使通过稀释孔喷射的空气与设计的空气流速相匹配。详细的计算过程如下。

喷嘴孔到蒸汽射流虚拟原点的距离为： $x_1=\frac{d_1}{2}\frac{1}{\tan \mathrm{\α}}------\left(9\right)$

蒸汽射流动量为： $K=2\mathrm{\π}\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{u}^2\mathrm{ydy}=\frac{4}{\mathrm{\π}}{\left(\frac{m_{\mathrm{st}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{st}}{d}_1}\right)}^2-----\left(10\right)$

相似变量可以如下进行计算： $\mathrm{\η}=\sqrt{\frac{3}{16\mathrm{\π}}}\frac{\sqrt{K}}{{\mathrm{\ϵ}}_0}\frac{y}{x}=15.17\frac{y}{x}------\left(11\right)$

在耐火层稀释孔处，y₂＝d₂/2，因此： ${\mathrm{\η}}_2=7.585\frac{d_2}{x_2}-------\left(12\right)$

根据公式(8)，通过耐火层稀释孔的最大附带体积流速(空气和蒸汽)为 $Q_2=4{\mathrm{\π\ϵ}}_0{x}_2\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}(\frac{\mathrm{\η}}{(1+\frac{1}{4}{\mathrm{\η}}^2{)}^2}\mathrm{d\η}=8{\mathrm{\π\ϵ}}_0{x}_2\frac{{\mathrm{\η}}_2^2}{4+{\mathrm{\η}}_2^2}$ 将η₂替换x₂可得： $Q_2=C\frac{\mathrm{\η}}{4+{\mathrm{\η}}^2},$ 式中：C＝8πε₀(7.585d_x)      (13)由于：Q₂＝Q_air+Q_st                                   (14)因此，从下列公式中可以得到η₂的值： $(Q_{\mathrm{air}}-Q_{\mathrm{st}}){\mathrm{\η}}_2^2-{\mathrm{C\η}}_2+4(Q_{\mathrm{air}}+Q_{\mathrm{st}})=0-----\left(15\right)$ 蒸汽喷嘴的偏距为： $l=\frac{7.585d_2}{{\mathrm{\η}}_2}-x_1------\left(16\right)$ 燃烧室内的混合长度计算应当考虑到位于燃烧罐和过渡套中的横流。由于燃烧罐上的最后一排孔被用于蒸汽注射，所以只有过渡套的速度需要作为其中的因素。假定过渡套中的速度约为50ft/sec，则混合长度为射流边界层达到过渡套的直径的一半处的长度。由于四射流的喷射冲击的长度较短并且由于过渡套适度的S形的转弯，所以可以促进更多的混合以进一步确保蒸汽适当的混合。例如混合长度的计算结果(不带有冲击)的数量级为15英寸。

因此，以上述的设计，蒸汽将以这样一种方式被引入稀释孔中，即蒸汽会夹带上稀释空气。通过适当设定蒸汽射流的尺寸，无论有利范围内的蒸汽量为多少，蒸汽射流的动量都将保持通过稀释孔的空气流的恒量。

本发明揭示了如何设计蒸汽注射喷嘴以通过现有的稀释孔来注入蒸汽。这些喷嘴被设计成，进入各个稀释孔的稀释空气的量不会随着注入蒸汽量的不同而改变。换而言之，当注入的蒸汽在通过稀释孔的空气流的0-35％的范围内时，通过主区域和次级区域的燃烧空气的分布基本保持恒定。该设计被作为在喷射器流动中的“相似流动”的方法的基础。

操作方法

目前的测试使用一种燃气轮机反向流动耐火层，对流线和射流喷嘴的设计作了实验性的研究，图2中示出了该耐火层的一种实例。尽管，使用了压缩空气来摸拟燃气轮机的压缩机空气，但还是通过计算将其比例调整成环境大气的情况。该测试使用了三种不同蒸汽射流喷嘴的直径。结果表明，较小的直径的射流会对蒸汽质量流产生较大的蒸汽速度，但不能如为其相应尺寸而设计的喷嘴那样提供充分的混合。直径较大的喷嘴提供了最好的混合效果，但是不能提供所需的喷射效果，其中一些蒸汽会在耐火层的空间中偏移而进入耐火层的其它区域中。该实验还对空气、蒸汽以及燃料的流速进行了改变。适当的燃料流速可选择为可使燃烧室的温度维持在额定燃气轮机入口温度。对达到总空气流的35％的蒸汽注入物进行了测试，实验证明这对火焰的稳定性无不利影响。将热电偶与金属过渡套以及耐火层相连，而它们未表现出过热点或较高的金属温度。紊流的混合以及一种特殊的蒸汽注射燃料喷嘴都会使NO_x排放物减到低于10ppm的水平。而蒸汽注射物则会产生更强的紊流流动，减少了附带的CO产物。这些结果证明，该方法可远远超过本发明的背景部分所描述的9％的火焰稳定率。

本发明的衍生

本发明揭示了如何将现有的通常为大型工业燃气轮机所用的反向流动燃烧室转变为蒸汽注射的系统。转变方法很简单，并且基本涉及使蒸汽注射管道穿过位于耐火层和外则包裹物之间的空间内的燃烧室的背板。当没有应用蒸汽或蒸汽未产生时，本发明揭示的蒸汽注射系统不会妨碍燃气轮机的工作。另外，蒸汽流的节流基本不会改变耐火层设计的空气分布，这样便维持了在耐火层的功率范围中的燃烧的稳定性。本发明还揭示了以图2中所示出的方法连接冷却蒸汽管线，这样当蒸汽通过较大的喷嘴设计适当混合之后，冷却的蒸汽被直接引向第一级喷嘴顶部上的若干槽。使蒸汽注入耐火层可以有效地冷却第一级喷嘴，而又不会引起金属温度上升。此外，本发明还可以减少NO_x产物以及它所附的CO排放物。本发明使得对燃气轮机的转变相对容易且经济，为工作提供了灵活性，并且便于执行。

上述特定的实施例是说明性，在不脱离附本发明的精神或不脱离所附权利要求书的范围的情况下，精于本技术领域的人员可以在这些实施例上引出许多变化。例如，在本发明和所附权利要求书的范围内，不同说明性的实施例中的元件和/或特征可以互结合和/或相互替换。这些实施例仅起说明性的目的，但不对所主张的发明或它的应用起限制作用。因此，应当以权利要求书来解释本发明及其变化的精神和范围。

权利要求书

(按照条约第19条的修改)

1.一种蒸汽注射喷嘴系统，该系统用于将蒸汽注射入燃气轮机的耐火层中，以提高燃气轮机的功率输出和效率，所述耐火层具有多个稀释孔，这些稀释孔用来向一燃烧室供给空气以引起紊流，该蒸汽注射喷嘴系统包括：

一蒸汽歧管，所述蒸汽歧管围绕所述耐火层并具有多个蒸汽注射喷嘴，各个蒸汽注射喷嘴相对于一个相应的稀释孔设置，从而用于将蒸汽通过所述稀释孔直接注入所述耐火层，

其中，各个蒸注射喷嘴位于与相应的稀释孔离开一定偏距处，蒸汽注射喷嘴和稀释孔可具有多种直径，所述各直径和所述偏距选定为，蒸汽的注射不会改变通过多个稀释孔的现有空气量，这样，与在一预定蒸汽范围内注入其中的蒸汽量无关，通过多个稀释孔的空气将为一恒量。

2.如权利要求1所述的蒸汽注射喷嘴系统，其特征在于，蒸汽注射的预定范围占到通过所述耐火层流动的空气的约9％到约35％之间。

3.如权利要求1所述的蒸汽注射喷嘴系统，其特征在于，预定的蒸汽注射范围等于或小于通过所述耐火层的空气的约35％。

4.如权利要求1所述的蒸汽注射喷嘴系统，其特征在于，与相应的稀释孔相对设置的各个蒸汽注射喷嘴其形状被设定为且操作为在立体角15度的范围内喷射蒸汽射流。

5.一种用于将蒸汽注入燃气轮机的耐火层来提高燃气轮机的功率输出和效率的方法，所述耐火层具有多个稀释孔，这些稀释孔用来向燃烧室供给空气以引起紊流，该方法包括下列步骤：

将蒸汽通过所述稀释孔从围绕所述耐火层的蒸汽歧管的多个蒸汽注射喷嘴直接注入所述耐火层中，各个蒸汽注射喷嘴相对于一相应的稀释孔设置；

其中，注射步骤不会改变通过多个稀释孔的现有空气量，这样，与在一预定蒸汽范围内注入的蒸汽量无关，通过多个稀释孔的空气将为一恒量。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，蒸汽注射的预定范围占到通过所述耐火层流动的空气的约9％到约35％之间。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，预定的蒸汽注射范围等于或小于通过所述耐火层的空气的约35％。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包括这样一个步骤，将各个蒸汽喷嘴相对于一相应的稀释孔设置，使得各个蒸汽喷嘴不会与所述耐火层接触。

9.一种燃气轮机，该轮机包括：

一压缩机，该压缩机对入口空气进行压缩；

一燃烧室，该燃烧室容纳经压缩的入口空气；

一耐火层，该耐火层衬在所述燃烧室中，耐火层具有多个稀释孔和多个冷却孔，这些稀释孔用来向燃烧室供给空气以引起紊流，而冷却孔沿所述耐火层的外壁设置，用于冷却所述耐火层；

一蒸汽歧管，该蒸汽歧管围绕所述耐火层；

多个蒸汽注射喷嘴，这些喷嘴从所述蒸汽歧管突出，各个蒸汽注射喷嘴相对于一个相应的稀释孔设置，用于通过所述稀释孔将蒸汽直接注入所述耐火层中，其中，蒸汽的注射不会改变通过多个稀释孔的现有空气量，这样，与在在预定蒸汽范围内注入其中的蒸汽量无关，通过多个稀释孔的空气将为一恒量；

其中，各个蒸注射喷嘴位于与相应的稀释孔离开一定偏距处，蒸汽注射喷嘴和稀释孔可具有多种直径，所述直径和所述偏距选定为，可与注射的蒸汽量而维持一所述恒定的空气量无关；以及

一轮机，该轮机用于接收来自到燃烧室的高温燃烧产物。

10.如权利要求9所述的燃气轮机，其特征在于，注射的蒸汽占到通过所述耐火层流动的空气的约9％到约35％之间。

11.如权利要求9所述的燃气轮机，其特征在于，注射的蒸汽等于或小于通过所述耐火层的空气的约35％。

12.如权利要求9所述的燃气轮机，其特征在于，与相应的稀释孔相对设置的各个蒸汽注射喷嘴其形状被设定为且操作为在立体角15度的范围内喷射蒸汽射流。

13.如权利要求1所述的蒸汽注射喷嘴系统，其特征在于，所述注射喷嘴被排列成向所述燃烧室中的主燃烧区域引入极少量的蒸汽或不引入蒸汽。

14.如权利要求1所述的蒸汽注射喷嘴系统，其特征在于，所述注射在所述燃烧室中增加了紊流，并减少CO产物。

15.如权利要求1所述的蒸汽注射喷嘴系统，其特征在于，所述燃烧室为转换到所述蒸汽注射喷嘴系统而成的一反向流动燃烧室。

16.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述注射包括向所述燃烧室的主燃烧区中引入极少量的蒸汽或不引入蒸汽。

17.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述注射在所述燃烧室中增加了紊流，并减少CO产物。

18.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述燃烧室为一个转换到所述蒸汽注射喷嘴系统而成的一反向流动燃烧室。

19.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述注射包括在立体角为15度的范围内注射蒸汽射流。

20.如权利要求9所述的燃气轮机，其特征在于，所述注射喷嘴被排列成向所述燃烧室中的主燃烧区域引入极少量的蒸汽或不引入蒸汽。

21.如权利要求9所述的燃气轮机，其特征在于，所述注射在所述燃烧室中增加了紊流，并减少CO产物。

22.如权利要求9所述的燃气轮机，其特征在于，所述燃烧室为一个转换到所述蒸汽注射喷嘴系统而成的一反向流动燃烧室。

Claims (12)

1.一种蒸汽注射喷嘴系统，该系统用于将蒸汽注射入燃气轮机的耐火层中，以提高燃气轮机的功率输出和效率，所述耐火层具有多个稀释孔，这些稀释孔用来向一燃烧室供给空气以引起紊流，该蒸汽注射喷嘴系统包括：

一蒸汽歧管，所述蒸汽歧管围绕所述耐火层并具有多个蒸汽注射喷嘴，各个蒸汽注射喷嘴相对于一个相应的稀释孔设置，从而用于将蒸汽通过所述稀释孔直接注入所述耐火层，

其中，蒸汽的注射不会改变通过多个稀释孔的现有空气量，这样，与在一预定蒸汽范围内注入其中的蒸汽量无关，通过多个稀释孔的空气将为一恒量。

2.如权利要求1所述的蒸汽注射喷嘴系统，其特征在于，蒸汽注射的预定范围占到通过所述耐火层流动的空气的约9％到约35％之间。

3.如权利要求1所述的蒸汽注射喷嘴系统，其特征在于，预定的蒸汽注射范围等于或小于通过所述耐火层的空气的约35％。

4.如权利要求1所述的蒸汽注射喷嘴系统，其特征在于，与相应的稀释孔相对设置的各个蒸汽注射喷嘴不和所述耐火层接触。

5.一种用于将蒸汽注入燃气轮机的耐火层来提高燃气轮机的功率输出和效率的方法，所述耐火层具有多个稀释孔，这些稀释孔用来向燃烧室供给空气以引起紊流，该方法包括下列步骤：

将蒸汽通过所述稀释孔从围绕所述耐火层的蒸汽歧管的多个蒸汽注射喷嘴直接注入所述耐火层中，各个蒸汽注射喷嘴相对于一相应的稀释孔设置；

其中，注射步骤不会改变通过多个稀释孔现有的空气量，这样，无关于在预定蒸汽范围内注入的蒸汽量，通过多个稀释孔的空气将为一恒量。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，蒸汽注射的预定范围占到通过所述耐火层流动的空气的约9％到约35％之间。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，蒸汽注射的预定范围等于或小于通过所述耐火层的空气的约35％。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包括这样一个步骤，将各个蒸汽喷嘴相对于一相应的稀释孔设置，使得各个蒸汽喷嘴不会与所述耐火层接触。

9.一种燃气轮机，该轮机包括：

一压缩机，该压缩机对入口空气进行压缩；

一燃烧室，该燃烧室容纳经压缩的入口空气；

一耐火层，该耐火层衬在所述燃烧室中，耐火层具有多个稀释孔和多个冷却孔，这些稀释孔用来向燃烧室供给空气以引起紊流，而冷却孔沿所述耐火层的外壁设置，用于冷却所述耐火层；

一蒸汽歧管，该蒸汽歧管围绕所述耐火层；

多个蒸汽注射喷嘴，这些喷嘴从所述蒸汽歧管突出，各个蒸汽注射喷嘴相对于一个相应的稀释孔设置，这些喷嘴用于通过所述稀释孔将蒸汽直接注入所述耐火层中，其中，蒸汽的注射不会改变通过多个稀释孔现有的空气量，这样，无关于在预定蒸汽范围内注入其中的蒸汽量，通过多个稀释孔的空气将为一恒量；以及

一轮机，该轮机用于接收来自到燃烧室的高温燃烧产物。

10.如权利要求9所述的燃气轮机，其特征在于，注射的蒸汽占到通过所述耐火层流动的空气的约9％到约35％之间。

11.如权利要求9所述的燃气轮机，其特征在于，注射的蒸汽注射范围等于或小于通过所述耐火层的空气的约35％。

12.如权利要求9所述的燃气轮机，其特征在于，与相应的稀释孔相对设置的各个蒸汽注射喷嘴不和所述耐火层接触。

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