CN203771455U - 用于在燃烧器内注射燃料和蒸汽的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于在燃烧器内注射燃料和蒸汽的系统。所述系统包括燃气涡轮机燃烧器，所述燃气涡轮机燃烧器配置用于燃烧燃料和如O₂和O₂混合物等氧化剂。所述系统还包括气动桩栓，所述气动桩栓设置在所述燃气涡轮燃烧器中。所述气动桩栓包括：第一通道，所述第一通道配置用于将第一流体输送到所述燃气涡轮机燃烧器中；以及第二通道，所述第二通道配置用于将第二流体输送到所述燃气涡轮机燃烧器中。所述第一流体与所述第二流体彼此互不相同。

Description

用于在燃烧器内注射燃料和蒸汽的系统

技术领域

在本说明书中所公开的本实用新型涉及流体注射系统，并且更为具体地说，涉及将多种流体注射到燃气涡轮发动机内的燃烧器中的结构。

背景技术

各种燃烧系统包括其中燃料与如O₂和O₂混合物的氧化剂燃烧以生成热气的燃烧室。例如，燃气涡轮发动机可以包括一个或多个燃烧室，所述燃烧室配置用于从压缩机接收压缩空气，将燃料且同时将其他流体注射到所述压缩空气内，并且生成热燃烧气体来驱动涡轮发动机。每燃烧室可以包括一个或多个燃料喷嘴、在燃烧内衬内的燃烧区、环绕燃烧内衬的导流套管以及燃气过渡连接管道。来自压缩机的压缩空气通过燃烧内衬与导流套管之间的间隙朝燃烧区流动。不幸地是，在压缩空气穿过间隙时，可能会使效率变低，从而对燃气涡轮发动机的性能造成负面影响。

实用新型内容

下文概述的是与原始要求的实用新型的保护范围相当的某些实施方案。这些实施方案并非意图限制所要求的实用新型范围，相反，这些实施方案仅仅意图简要概述本实用新型的可能形式。事实上，本实用新型可以涵盖可能与下述实施方案类似或不同的各种形式。

在第一实施方案中，一种系统包括燃气涡轮机燃烧器，所述燃气涡轮机燃烧器配置用于燃烧燃料和氧化剂。所述系统还会包括气动桩栓，所述气动桩栓设置在所述燃气涡轮燃烧器中。所述气动桩栓包括：第一通道，所述第一通道配置用于将第一流体输送到所述燃气涡轮机燃烧器中；以及第二通道，所述第二通道配置用于将第二流体输送到所述燃气涡轮机燃烧器中。所述第一流体与所述第二流体彼此互不相同。

进一步地，其中所述气动桩栓包括翼片形的截面。

进一步地，其中所述气动桩栓设置在所述燃气涡轮机燃烧器的壳体位置中、所述燃气涡轮机燃烧器的燃料喷嘴位置中或其任何组合中。

进一步地，该系统包括设置在所述燃气涡轮燃烧器中的多个气动桩栓。

进一步地，所述的系统包括歧管，所述歧管环绕所述燃气涡轮燃烧器设置并且连接到所述第一通道和所述第二通道，其中所述歧管配置用于将所述第一流体和所述第二流体输送到所述第一通道和所述第二通道上。

进一步地，其中所述歧管包括：第一歧管，所述第一歧管配置用于输送所述第一流体；以及第二歧管，所述第二歧管配置用于输送第二流体。

进一步地，所述的系统包括：第一孔口，所述第一孔口设置在所述气动桩栓中并且连接到所述第一通道上；以及第二孔口，所述第二孔口设置在所述气动桩栓中并且连接到所述第二通道上。

进一步地，其中所述第一流体包括非氧化剂而且非燃料的流体，所述第二流体包括燃料，并且所述第一通道设置在所述第二通道的上游。

进一步地，其中所述第一流体包括蒸汽，并且所述第二流体包括燃料。

进一步地，其中所述第一流体包括氮气，并且所述第二流体包括燃料。

进一步地，所述的系统包括具有所述燃气涡轮机燃烧器的燃气涡轮发动机。

进一步地，其中所述气动桩栓的纵轴是与所述燃气涡轮机燃烧器的纵轴大体平行。

进一步地，所述的系统包括第三通道，所述第三通道设置在所述气动桩栓中并且配置用于将第三流体输送到所述燃气涡轮机燃烧器中，其中所述第一流体、所述第二流体以及所述第三流体彼此不同。

在第二实施方案中，一种系统包括气动桩栓，所述气动桩栓包含：第一通道，所述第一通道配置用于经由第一孔口将第一流体输送到燃气涡轮机燃烧器中；以及第二通道，所述第二通道配置用于经由第二孔口将第二流体输送到所述燃气涡轮机燃烧器中。所述第一流体与所述第二流体彼此互不相同。

进一步地，其中所述第一通道连接到第一歧管上以便供应所述第一流体，并且所述第二通道连接到第二歧管上以便供应所述第二流体。

进一步地，其中所述气动桩栓设置在所述燃气涡轮机燃烧器的导流套管上，并且至少部分延伸到所述导流套管与燃烧内衬构成的环带中。

进一步地，其中所述气动桩栓完全延伸穿过所述环带，并且连接到所述燃气涡轮机燃烧器的所述导流套管和所述燃烧内衬上。

在第三实施方案中，一种方法包括使用设置在气动桩栓中的第一通道来将第一流体注射到燃气涡轮机燃烧器中，并且使用设置在所述气动桩栓中的第二通道来将第二流体注射到所述燃气涡轮机燃烧器中。所述第一流体与所述第二流体彼此互不相同。

进一步地，所述的方法包括：

通过设置在所述气动桩栓的侧表面上的多个第一孔口来注射所述第一流体，其中所述第一流体包括非氧化剂的非燃料流体；以及

通过设置在所述气动桩栓的所述侧表面上的多个第二孔口来注射所述第二流体，其中所述第二流体包括燃料，并且所所述多个第一孔口设置在所述多个第二孔口的上游。

进一步地，所述的方法包括：

沿着所述燃气涡轮机燃烧器的流路减少位于所述启动桩栓下游处的尾流区域中的尾流，其中减少所述尾流包括：

将所述流体分成第一流和第二流；以及

气动地组合所述第一流与所述第二流以及所述注射第一流体与所述注射第二流体，并送到所述尾流区域中。

附图说明

参照附图阅读以下详细描述之后，将更好地理解本实用新型的这些和其它特征、方面以及优点，在全部附图中，类似符号表示类似部分，其中：

图1是具有燃烧器的涡轮机系统的实施方案的方框图；

图2是燃烧器的实施方案的截面侧视图，其中示出气动桩栓位置；

图3是燃烧器壳体的实施方案的透视图，其中示出多个气动桩栓在燃烧器内的布置；

图4是如图3中的线4-4所指出的气动桩栓的实施方案的局部截面图，其中示出歧管和通道在气动桩栓内的布置；以及

图5是如图4中的线5-5所指出的气动桩栓的实施方案的局部截面端视图，其中示出通道和孔口在气动桩栓内的布置。

具体实施方式

下文将描述本实用新型的一个或多个特定实施方案。为了提供对这些实施方案的简洁描述，说明书中可能不会对实际实现方式的所有特征进行描述。应当了解，在任何此类实际实现方式发展中，如在任何工程或设计项目中，必须作出特定于许多实现方式的决策以便实现开发者的特定目标，如符合系统相关约束和商业相关约束，所述约束对于各个实现方式来说可以是不同的。另外，应当了解，这种研发工作可能复杂而且耗时，然而，对受益于本实用新型的一般技术人员而言，它仍然是一种常规设计、制作以及制造工作。

在介绍本实用新型的各个实施方案中的元件时，冠词“一（a）”、“一个（an）”、“该（the）”以及“所述（said）”意图表示存在一个或者多个所述元件。术语“包括（comprising）”、“包括（including）”以及“具有（having）”意图是指包括在内，并意味着可能存在除了所列举的元件外的其他另外元件。

如下文所详细讨论，所公开的实施方案提供用于通过使用单个结构来将多种流体引入到燃烧系统中的系统和方法。在一个实施方案中，所述结构可以用于将两种或更多种流体注射到燃料喷嘴中的、介于燃烧内衬与导流套管之间的和/或介于燃烧器壳体或燃气涡轮机燃烧器的燃烧器盖之间的气流中。使用单个结构来将多种流体注射到气流中可以减少燃烧内衬与导流套管之间空间内所使用的结构总数。使伸入到气流中的结构总数减少可以减少流的间断，如滞留点、涡流以及其他湍流（turbulence）形式。在某些实施方案中，所述结构可为气动形的桩栓（例如，翼片），从而可以通过减少气动桩栓下游处的尾流区域中的尾流而来帮助保持气流均匀。桩栓所采用的气动形状可为翼片所采用的的气动形状，以便使用前缘将气流分离成两流，并且随后使得这两个流能够以层流方式重新聚合在气动桩栓后缘处。当被放置在介于燃烧内衬与导流套管之间的间隙中时，气动桩栓可以连接到导流套管上并且至少部分延伸到所述间隙中。另外，气动桩栓可以延伸间隙整个长度，从而在导流套管与燃烧内衬之间提供结构支撑。

在某些实施方案中，气动桩栓可以包括至少两个通道，如一个上游通道和一个下游通道。每个通道可以连接到气动桩栓的侧表面上的至少一个孔口上。例如，当被放置在燃烧内衬与导流套管之间时，气动桩栓可以将燃料和蒸汽注射到预先燃烧气流之中。然而，可以替代蒸汽而来注射如氮气的另外非氧化剂/非燃料的流体。气动桩栓的上游通道和相应孔口可以注射蒸汽、氮气或另一非氧化剂/非燃料的流体（例如，液体或者气体），并且下游通道和相应孔口可以将燃料注射到气流中。加入非氧化剂/非燃料的流体可以增加通过燃气涡轮机的质量流率（mass flow rate），从而增加功率输出。另外，非氧化剂/非燃料的流体可以产生不可燃的护罩，以便保护燃料注射上游处的部件，从而防止发生火焰保持（flame holding）以及回火。

这种布置可以帮助防止在燃料偶然在燃烧器内的上游行进的情况下或者在燃料未与压缩空气完全混合的情况下可能发生火焰保持以及回火的可能性，从而导致产生富燃料袋（fuel-rich pockets）。使用气动形状（例如，翼片）来使气流保持均匀还有助于通过阻碍滞流区的形成而来防止火焰保持以及回火，该滞留区可以使得能够富燃料袋生长。防止火焰保持以及回火使得性能、可靠程度得到提高，并且帮助避免潜在损坏事件。将多个流体注射部位组合成单个气动结构能够产生性能优点（performance advantages），如（但不限于）燃气涡轮发动机的可靠程度提高、压降减小以及火焰保持和/或回火的潜在性减小。另外，使用单个气动结构而来注射多种流体可以提供经济优点，如（但不限于）节省建筑材料、易于制造并且易于安装。

图1是涡轮机系统10的实施方案的方框图。该涡轮机系统10可以使用如天然气和/或合成气的液体或气体燃料来驱动该涡轮机系统10。如图描绘，一个或多个燃料喷嘴12可以吸入燃料供应14，将燃料与空气部分混合，并且将燃料与空气混合物分配到燃烧器16中，在该燃烧器中，燃料与空气之间发生进一步混合。如所公开的实施方案中的细节所描述，该燃烧器16可以包含至少一个气动桩栓，以便将燃料并且同时将非氧化剂/非燃料的流体注射到空气中，从而增强该燃烧器16中的空气-燃料预先混合。空气-燃料混合物在燃烧器16的室内燃烧，从而产生热加压的排放气体。该燃烧器16引导排放气体通过涡轮机18而流向排放出口20。在排放气体通过该涡轮机18时，气体迫使涡轮机叶片转动沿着涡轮机系统10轴线的轴22。如图所示，该轴22连接到涡轮机系统10的包括压缩机24在内的各种部件上。该压缩机24还会包括连接到轴22的叶片。在该轴22转动时，该压缩机24内的叶片也会转动，从而压缩从空气进口26通过压缩机24并且进入燃料喷嘴12和/或燃烧器16中的空气。轴22还可连接到负载28上，例如，所述负载可为车辆负载或静负载（stationary load），如发电厂中的发电机或飞机上的推进器。负载28可以包括能够通过涡轮机系统10的转动输出来获得动力的任何合适装置。

图2是燃烧器16的实施方案的截面侧视图。如图2所示，轴向轴线30水平延伸并且被认为是大体平行于轴22。径向轴线32垂直延伸并且大体垂直于轴22。最后，周向方向34被认为是环绕轴向轴线30。该燃烧器16包括后端36和前端38。前端38位于涡轮机系统10的前侧（或上游）附近，并且后端36位于涡轮机系统10的后侧（或下游）附近。该燃烧器16的径向最外层是燃烧器壳体40，该燃烧器壳体可以包围燃烧器16的部件。壳体40的各部分可与导流套管41直接接触，从而帮助冷却燃烧器16的部件。在径向方向32上继续向内，下一部件则是燃烧内衬42，所述燃烧内衬可以包含燃烧反应。空的空间设置在导流套管41与燃烧内衬42之间，并且可被称作环带44。环带44可以将气流引导到燃烧器16的头端46。通过该环带44的气流包括压缩空气48，所述压缩空气可以由压缩机24生成，并且可以用于沿着燃烧内衬42进行冷却。空气随后可与燃料混合燃烧，然后进行燃烧。在压缩空气48穿过环带44朝着前端38行进时，所述压缩空气48遇到壳体桩栓位置50。

位于壳体桩栓位置50处的可为至少一个气动桩栓82（图3所示），所述至少一个气动桩栓用来将多种流体注入到压缩空气48之中。气动桩栓82所喷射的流体可以包括燃料、蒸汽、氮气或在燃烧反应之前或期间所使用的其他非氧化剂/非燃料的流体（例如，液体或气体）。空气-燃料混合物则可以在头端46处转向或者重新定向（目前，朝着后端36移动）并且朝着燃料喷嘴12和燃料喷嘴桩栓位置52行进。每个燃料喷嘴12配置用于将空气与燃料在燃料喷嘴12的中介壁或内壁内进行部分预先混合。气动桩栓82可以放置在燃料喷嘴12的壁内的燃料喷嘴桩栓位置52处。气动桩栓82可有助于预先混合空气-燃料混合物54，其离开燃料喷嘴12。该空气-燃料混合物54行进到燃烧区56，在该燃烧区中，则会发生燃烧反应。燃烧反应导致热加压的燃烧产物58产生。燃烧产物58随后行进通过过渡连接件60而到达涡轮机18（图1所示）处。

在壳体桩栓位置50处，至少一个气动桩栓82可以附加到燃烧器壳体40的内表面上。类似地是，至少一个气动桩栓82可以连接到导流套管41上，进一步地朝着燃烧器16的后端36。图3示出有多个气动桩栓82的实施方案，所述气动桩栓可以具有翼片形状并且可以在单个轴向位置处彼此周向等距间隔开来。每个气动桩栓82可以包括第一流体孔口84的集合和第二流体孔口86的集合。孔口84和86可以将第一流体和第二流体注射到压缩空气流48中。例如，第一流体孔口84（朝着后端36定位）可以注射蒸汽或其他非氧化剂/非燃料的流体，并且第二流体孔口86（朝着前端38定位）可以用来注射燃料。在所描绘的实施方案中，两个第一流体孔84和两个第二流体孔口86被示出为位于气动桩栓82的每个侧表面上。在进一步实施方案中，可以使用任何数量的孔口。例如，气动桩栓82可以包括3、4、5、6个或更多个第一流体口84并且包括3、4、5、6个或更多个第二流体孔口86。另外，在实现时，气动桩栓82可以容纳任何数量的流体。例如，气动桩栓82可以用来注射3，4种或更多种流体。

图3所示出的气动桩栓82各自包括前缘88以及后缘90（图4所示）。前缘88可以位于气动桩栓82的后端36处并且可以将气流分离成两流而不产生湍流，然而，后缘90可以位于气动桩栓82的前端38处并且可以将这两个流重新聚合而不产生涡流。然而，在其他实施方案中，当压缩空气48方向不同时，前缘88可以位于前端38,例如，处于燃料喷嘴桩栓位置52。如图3所示，歧管92可以附贴到燃烧器壳体40的外表面上。歧管92可以沿着壳体40圆周在轴向位置处环绕壳体40的宽度94。歧管92轴向位置可与气动桩栓82重合。歧管92可容纳通向第一流体孔口84的集合和第二流体孔口86的集合的不同流体路径。气动桩栓82和歧管92可以被构造成该燃烧器壳体40的一部分或者可以单独产生并且通过焊接、铜焊、粘合剂的使用或另一附接方法来附接到壳体40上。如在构造时所确定，气动桩栓82本身可以经过铸造、制造或以其他方式构造。

图4示出沿着图3中标记的线4-4所截得的气动桩栓82的截面图。该截面图延伸穿过气动桩栓82、燃烧器壳体40和歧管92。容纳在歧管92内的可为第一流体歧管110和第二流体歧管112。第一流体歧管110可以经由第一流体通道114连接到第一流体孔口84。第二流体歧管112可以经由第二流体通道116连接到第二流体孔口86。在一个实施方案中，第一流体歧管110、第一流体通道114以及第一流体孔口84可以将蒸汽、氮气或其他非氧化剂/非燃料的流体注射到气流48中，并且第二流体歧管112、第二流体通道116以及第二流体孔口86可以将燃料输送到气流48之中。第一流体孔口84和第二流体孔口86在图4中示出为带有圆形开口，但是在另一实施方案中，所述孔口可为椭圆形的、正方形的、矩形的或具有任何其他形状。图4还描绘了可选狭槽几何形状118，用以代替圆形第一流体孔口84。如前所述，气动桩栓82可以配置用于注射任何数量的流体，而且并不限于供应两种流体。

图5示出沿着图4中标记的线5-5所截得的气动桩栓82、孔口84、86以及通道114、116的截面端视图。图5描绘接近气动桩栓82的前缘88的压缩机气流48。该压缩机气流48和燃烧器16的轴向轴线30可以与气动桩栓82的纵轴138大体平行，以致该压缩机气流48直接冲击前缘88。气流48的经对准的直接冲击可减少气动桩栓82所导致的流动扰动。气动桩栓82的长度140是沿着纵轴138进行测量。气动桩栓82的宽度142是在最厚的点处垂直于该纵轴138进行测量。图5所示长度140对宽度142比约为3.5:1；然而，所公开的实施方案可以使用任何长度140对宽度142比。例如，长度140对宽度142比介于约1.1:1至10:1、1.5:1至5:1或2:1至4:1之间。

在图5所示实施方案中，两个流体通道114和116位于纵轴138处并且具有圆形截面。然而，流体通道114和116可以从纵轴138偏心地定位，可以包括任何截面的几何形状，并且可以具有各种大小。另外，气动桩栓82可以包括大于两个的任何数量的通道，如3、4、5个或更多个通道。例如，可选流体通道144经由图5所示虚线示出，同时也会示出相应孔口146。可选流体通道144可以用来输送如空气、氮气或其他流体的另外流体。图5所示实施实施方案描绘的是从纵轴138垂直延伸的流体孔口84、86以及146。然而，流体孔口84、86以及146可以从流体通道114、116以及144以任何角度延伸。例如，孔口84、86以及146可以朝着前缘88延伸或者朝着后缘90延伸。另外，尽管示出的是朝着气动桩栓82的两个侧表面延伸，但是在其他实施方案中，孔口84、86和146可以仅仅朝着气动桩栓82的一个侧表面延伸。

上述所公开的实施方案示出使用单一结构，所述单一结构用于经由放置在涡轮发动机的燃烧器16内的单个气动桩栓82来将多种流体引入到燃烧系统。气动桩栓82可以用来将两种或更多种流体注射到燃烧器16的环带44中的气流48中和/或燃料喷嘴12内的气流中。当位于环带44中时，气动桩栓82可以部分延伸到环带44中或完全延伸穿过环带44，从而使得能够在导流套管41与燃烧内衬42之间实现结构支撑。气动桩栓82可以包括至少两个通道114和116以将流体注射到气流中，并且每个通道114和116可以连接到气动桩栓82的侧表面上的至少一个孔口84和86上。气动形状可以包括各种翼片截面以便保持气流均匀并且通过阻碍滞流区的形成而来帮助防止发生火焰保持和/或回火，从而提高燃烧器16的可靠程度。可能存在多个性能优点，如燃气涡轮发动机的可靠程度提高、压降减小以及火焰保持和/或回火的潜在性减小。另外，使用单个气动结构可以导致经济优点，如节省材料并且易于制造和组装。

本说明书使用各种实例来公开本实用新型，包括最佳模式，同时也使所属领域的任何技术人员能够实践本实用新型，包括制造并且使用任何装置或系统，而且实施所涵盖的任何方法。本实用新型的保护范围是由权利要求书界定，并且可以包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果此类其他实例的结构要素与权利要求书的字面意思相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意思无实质差别，那么此类实例也在权利要求书的范围内。

Claims (17)

1.一种系统，所述系统包括： 

燃气涡轮机燃烧器，所述燃气涡轮机燃烧器配置用于燃烧燃料和氧化剂；以及 

气动桩栓，所述气动桩栓设置在所述燃气涡轮燃烧器中，其中所述气动桩栓包括：第一通道，所述第一通道配置用于将第一流体输送到所述燃气涡轮机燃烧器中；以及第二通道，所述第二通道配置用于将第二流体输送到所述燃气涡轮机燃烧器中，其中所述第一流体与所述第二流体不相同。 

2.如权利要求1所述的系统，其中所述气动桩栓包括翼片形的截面。 

3.如权利要求1所述的系统，其中所述气动桩栓设置在所述燃气涡轮机燃烧器的壳体位置中、所述燃气涡轮机燃烧器的燃料喷嘴位置中或其组合中。 

4.如权利要求1所述的系统，包括设置在所述燃气涡轮燃烧器中的多个气动桩栓。 

5.如权利要求1所述的系统，包括歧管，所述歧管环绕所述燃气涡轮燃烧器设置并且连接到所述第一通道和所述第二通道，其中所述歧管配置用于将所述第一流体和所述第二流体输送到所述第一通道和所述第二通道上。 

6.如权利要求5所述的系统，其中所述歧管包括：第一歧管，所 述第一歧管配置用于输送所述第一流体；以及第二歧管，所述第二歧管配置用于输送第二流体。 

7.如权利要求1所述的系统，包括：第一孔口，所述第一孔口设置在所述气动桩栓中并且连接到所述第一通道上；以及第二孔口，所述第二孔口设置在所述气动桩栓中并且连接到所述第二通道上。 

8.如权利要求1所述的系统，其中所述第一流体包括非氧化剂而且非燃料的流体，所述第二流体包括燃料，并且所述第一通道设置在所述第二通道的上游。 

9.如权利要求8所述的系统，其中所述第一流体包括蒸汽，并且所述第二流体包括燃料。 

10.如权利要求8所述的系统，其中所述第一流体包括氮气，并且所述第二流体包括燃料。 

11.如权利要求1所述的系统，包括具有所述燃气涡轮机燃烧器的燃气涡轮发动机。 

12.如权利要求1所述的系统，其中所述气动桩栓的纵轴是与所述燃气涡轮机燃烧器的纵轴大体平行。 

13.如权利要求1所述的系统，包括第三通道，所述第三通道设置在所述气动桩栓中并且配置用于将第三流体输送到所述燃气涡轮机燃烧器中，其中所述第一流体、所述第二流体以及所述第三流体彼此不同。 

14.一种系统，所述系统包括： 

气动桩栓，所述气动桩栓包括：第一通道，所述第一通道配置用于 经由第一孔口将第一流体输送到燃气涡轮机燃烧器中；以及第二通道，所述第二通道配置用于经由第二孔口将第二流体输送到所述燃气涡轮机燃烧器中，其中所述第一流体与所述第二流体彼此互不相同。 

15.如权利要求14所述的系统，其中所述第一通道连接到第一歧管上以便供应所述第一流体，并且所述第二通道连接到第二歧管上以便供应所述第二流体。 

16.如权利要求14所述的系统，其中所述气动桩栓设置在所述燃气涡轮机燃烧器的导流套管上，并且至少部分延伸到所述导流套管与燃烧内衬构成的环带中。 

17.如权利要求16所述的系统，其中所述气动桩栓完全延伸穿过所述环带，并且连接到所述燃气涡轮机燃烧器的所述导流套管和所述燃烧内衬上。