用于与燃气涡轮发动机一起使用的燃烧器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及用于与燃气涡轮发动机一起使用的燃烧器。本申请和所得的专利提供了一种用于与燃气涡轮发动机一起使用的燃烧器。燃烧器可包括一定数目的微混合器燃料喷嘴和用于将燃料流提供至微混合器燃料喷嘴的燃料喷射系统。燃料喷射系统可包括中心毂，该中心毂用于提供燃料流穿过该中心毂。中心毂可包括用于第一微混合器燃料喷嘴的第一供应回路和用于第二混合器燃料喷嘴的第二供应回路。
【专利说明】用于与燃气涡轮发动机一起使用的燃烧器
【技术领域】 [0001]
[0002] 本实用新型是在由美国能源部（U. S. Department of Energy)资助的合同第 DE-FC26-05NT42643号的政府支持下制作出的。政府在本实用新型中具有一定的权利。
[0003] 本实用新型和所得的专利大体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及带有用 于将燃料分送至一定数目的燃料喷嘴的中心燃料毂的可变容积的燃烧器。
【背景技术】
[0004] 燃气涡轮发动机的操作效率和总体输出大体上随着热燃烧气流的温度提高而提 高。然而，高的燃烧气流温度可产生更高水平的氮氧化物和其它类型的受管制的排放物。因 此，平衡动作存在于在有效的高温范围中操作燃气涡轮发动机的利益同时还确保氮氧化物 和其它类型的受管制的排放物的输出保持在要求的水平下之间。此外，改变负载水平、改变 环境条件和许多其它类型的操作参数也可对总体燃气涡轮效率和排放具有显著的影响。
[0005] 氮氧化物等的更低排放水平可通过在燃烧之前提供燃料流和空气流的良好混合 来促进。此类预混趋于降低燃烧温度梯度和氮氧化物的输出。提供这样的良好混合的一 个方法为通过使用带有一定数目的微混合器燃料喷嘴的燃烧器。一般来说，微混合器燃料 喷嘴在燃烧之前在仓室（plenum)内的一定数目的微混合器管中混合较小体积的燃料和空 气。
[0006] 尽管当前微混合器燃烧器和微混合器燃料喷嘴设计提供了改善的燃烧性能，但某 些类型的操作条件中的微混合器燃料喷嘴的可操作性窗口可通过考虑动力和排放来至少 部分地限定。具体而言，某些内部构件的操作频率可耦合，以便产生高频或低频动力场。此 类动力场可能对燃烧器构件以及下游的涡轮构件的物理性能具有负面影响。假定这样，本 燃烧器设计可试图通过使燃料或空气的流分级来避免此类操作条件，以防止动力场的形 成。分级试图产生稳定燃烧的局部区，即使大量条件可在排放、可燃性等的方面将设计置于 典型操作极限外。然而，此类分级可能需要时间集中校准，且还可能需要在低于最佳水平下 操作。
[0007] 因此，期望改善的微混合器燃烧器设计。此类改善的微混合器燃烧器设计可促进 其中的燃料和空气的流的良好混合，以便在更高的温度和效率下但以更低的总体排放和更 低的动力操作。此外，此类改善的微混合器燃烧器设计可在不极大地提高整个系统的复杂 性和成本的情况下实现这些目标。 实用新型内容
[0008] 因此，本申请和所得的专利提供了一种与燃气涡轮发动机一起使用的燃烧器。燃 烧器可包括一定数目的微混合器燃料喷嘴和用于将燃料流提供至微混合器燃料喷嘴的燃 料喷射系统。燃料喷射系统可包括中心毂（center hub)，该中心毂用于提供燃料流穿过该 中心毂。中心毂可包括用于第一微混合器燃料喷嘴的第一供应回路和用于第二混合器燃料 喷嘴的第二供应回路。
[0009] 本申请和所得的专利还提供了一种针对用于与燃气涡轮发动机一起使用的燃烧 器的燃料喷射系统。燃料喷射系统可包括一定数目的微混合器燃料喷嘴、从一定数目的支 承柱延伸的微混合器燃料喷嘴中的一个或多个，且带有从中心毂延伸的支承柱。中心毂可 包括用于第一微混合器燃料喷嘴的第一供应回路和用于第二微混合器燃料喷嘴的第二供 应回路。
[0010] 本申请和所得的专利还提供了一种用于与燃气涡轮发动机一起使用的燃烧器。燃 烧器可包括一定数目的微混合器燃料喷嘴、带有用于将燃料流提供至微混合器燃料喷嘴的 中心毂的燃料喷射系统、以及用以操纵微混合器燃料喷嘴和中心毂的线性致动器。
[0011] 当结合若干附图和所附权利要求来查阅以下详细描述时，本申请和所得的专利的 这些及其它特征和改善将对于本领域的普通技术人员变得清楚。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为示出压缩机、燃烧器和涡轮的燃气涡轮发动机的示意图。
[0013] 图2为可与图1中的燃气涡轮发动机一起使用的燃烧器的示意图。
[0014] 图3为可与图2中的燃烧器一起使用的微混合器燃料喷嘴的一部分的示意图。
[0015] 图4为如本文描述的微混合器燃烧器的示意图。
[0016] 图5为图4中的微混合器燃烧器的示例的透视图。
[0017] 图6为图5中的微混合器燃烧器的侧部横截面视图。
[0018] 图7为可与图5中的微混合器燃烧器一起使用的嵌套的燃料歧管系统的一部分的 放大图。
[0019] 图8为用于在图5中的微混合器燃烧器中使用的一定数目的燃料喷嘴的平面视 图。
[0020] 零件清单
[0021] 10燃气涡轮发动机
[0022] 15压缩机
[0023] 20 空气
[0024] 25燃烧器
[0025] 30 燃料
[0026] 35燃烧气体
[0027] 40 涡轮
[0028] 45 轴
[0029] 50 负载
[0030] 52 端盖
[0031] 54过渡件
[0032] 56燃料喷嘴
[0033] 58 衬套
[0034] 60燃烧区
[0035] 62流动套筒
[0036] 64流动通路
[0037] 66微混合器燃料喷嘴
[0038] 68混合管
[0039] 70燃料管
[0040] 72燃料板
[0041] 100燃烧器
[0042] 110微混合器燃烧器
[0043] 120燃料喷嘴
[0044] 125燃料管
[0045] 130帽组件
[0046] 135密封件
[0047] 140 端盖
[0048] 150 头端
[0049] 160 衬套
[0050] 170燃烧区
[0051] 180 外壳
[0052] 190流动通路
[0053] 195可变容积的燃烧器
[0054] 200线性致动器
[0055] 210驱动杆
[0056] 220预喷嘴燃料喷射系统
[0057] 230燃料歧管
[0058] 240中心毂
[0059] 250支承柱
[0060] 255构形形状
[0061] 260上游端
[0062] 27〇下游端
[0063] 280 第一侧壁
[0064] 290 第二侧壁
[0065] 300燃料喷射孔
[0066] 310预喷嘴流
[0067] 320嵌套的燃料歧管系统
[0068] 330嵌套的燃料歧管
[0069] 340燃料回路连接件
[0070] 350嵌套的燃料供应回路 [0071] 360第一嵌套的燃料供应回路
[0072] 370第二嵌套的燃料供应回路
[0073] 380第三嵌套的燃料供应回路
[0074] 390燃料给送密封件
[0075] 400柔性软管
[0076] 410 进入端口
[0077] 420支承结构
[0078] 430悬臂形状
[0079] 440密封凸缘
[0080] 450 杆孔口
[0081] 460密封件
[0082] 480空气动力燃料凸缘
[0083] 490构形形状
[0084] 500航空燃料凸缘
[0085] 510扁平形状
[0086] 520圆锥形衬套支承件
[0087] 53〇流动套筒
[0088] 540流动通路
[0089] 550圆锥形本体
[0090] 560衬套凸缘
[0091] 570周向凹槽
[0092] 580流动套筒凸缘
[0093] 590径向唇部
[0094] 600止动销孔口
[0095] 610止动销
[0096] 620 窗口
[0097] 630过滤器筛网
[0098] 650翼型本体
[0099] 660空气动力安装区段
[0100] 670第一构建区域
[0101] 680第二构建区域
[0102] 690半圆锥形状
[0103] 700 燃料端口
[0104] 710螺栓孔
[0105] 720 -致的翼型形状
[0106] 725截头部分
[0107] 730附加材料
[0108] 740燃料芯
[0109] 750中心喷嘴
[0110] 760第一组外喷嘴
[0111] 770第二组外喷嘴。
【具体实施方式】
[0112] 现在参看附图，其中，相似的数字表示若干视图各处相似的元件，图1示出了如本 文可使用的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可包括压缩机15。压缩机 15压缩空气20的进入流。压缩机15将空气20的压缩流输送至燃烧器25。燃烧器25将 空气20的压缩流与燃料30的加压流混合，且点燃混合物来产生燃烧气体35的流。尽管仅 示出了单个燃烧器25,但燃气涡轮发动机10可包括任何数目的燃烧器25。燃烧气体35的 流继而又输送至涡轮40。燃烧气体35的流驱动涡轮40,以便产生机械功。涡轮40中产生 的机械功经由轴45驱动压缩机15,并驱动外部负载50,如发电机等。
[0113] 燃气涡轮发动机10可使用天然气、液体燃料、各种类型的合成气和/或其它类型 的燃料以及它们的组合。燃气涡轮发动机10可为由纽约的斯克内克塔迪的通用电气公司 提供的一定数目的不同燃气涡轮发动机中的任一者，包括但不限于诸如7系列或9系列重 载燃气涡轮发动机等的那些。燃气涡轮发动机10可具有不同的构造，且可使用其它类型的 构件。在此还可使用其它类型的燃气涡轮发动机。在此还可一起使用多个燃气涡轮发动机、 其它类型的涡轮、以及其它类型的发电设备。
[0114] 图2为可与上文所述的燃气涡轮发动机10等一起使用的燃烧器25的示例的示意 图。燃烧器25可在涡轮40旁边从头端处的端盖52延伸至后端处的过渡件54。一定数目 的燃料喷嘴56可在端盖52旁边定位。衬套58可从燃料喷嘴56朝过渡件54延伸，且可限 定其中的燃烧区60。衬套58可由流动套筒62包绕。衬套58和流动套筒62可限定其间的 流动通路64,以用于空气20从压缩机15或其它流动。任何数目的燃烧器25都可以以筒环 形阵列等在此使用。本文所述的燃烧器25仅用于示例的目的。在此可使用带有其它构件 和其它构造的燃烧器。
[0115] 图3示出了微混合器燃料喷嘴66的一部分，其可与燃烧器25等一起使用。微混 合器燃料喷嘴66可包括在燃料管70旁边定位的一定数目的微混合器管68。微混合器管 68大体上可具有大致一致的直径，且可布置成环形同心行列。在此可使用任何尺寸、形状或 构造的任何数目的微混合器管68。微混合器管68可经由燃料板72与来自于燃料管70的 燃料30的流连通且经由流动通路64与来自于压缩机15的空气20的流连通。小体积的燃 料30的流和小体积的空气20的流可在各个微混合器管68内混合。混合的燃料-空气流 可向下游流动来用于在燃烧区60中燃烧，且在如上文所述的涡轮40中使用。在此可使用 其它构件和其它构造。
[0116] 图4示出了本文可描述的燃烧器100的示例。燃烧器100可为带有定位在其中的 任何数目的微混合器燃料喷嘴120等的微混合器燃烧器110。微混合器燃料喷嘴120可类 似于上文所述的那些。微混合器燃料喷嘴120可为扇形、圆形，且/或具有任何尺寸、形状 或构造。同样，微混合器喷嘴120可包括以任何构造的其中的任何数目的微混合器管。微 混合器燃料喷嘴120可与公共燃料管125连通。公共燃料管125可在其中承载一个或多个 燃料回路。因此，多个燃料回路可允许微混合器燃料喷嘴120的分级。微混合器燃料喷嘴 120可安装在帽组件130或类似结构内。帽组件130可具有任何尺寸、形状或构造。帽组件 130可由常规密封件135等包绕。
[0117] 类似于上文所述的那样，燃烧器100可在其头端150处从端盖140延伸。衬套160 可包绕帽组件130和密封件135,而微混合器燃料喷嘴120在其中。衬套160可限定帽组件 130下游的燃烧区170。衬套160可由外壳180包绕。衬套160、外壳180和流动套筒（未 示出）可限定其间的流动通路190,以用于空气20从压缩机15或其它流动。衬套160、燃 烧区170、外壳180和流动通路190可具有任何尺寸、形状或构造。任何数目的燃烧器100 都可以以筒环形阵列等在此使用。在此还可使用其它构件和其它构造。
[0118] 燃烧器100还可具有可变容积的燃烧器195。因此，可变容积的燃烧器195可包括 线性致动器200。线性致动器200可在端盖140旁边且其外侧定位。线性致动器200可为 常规设计，且可提供线性或轴向运动。线性致动器200可机械地、机电地、压电地、气动地、 液压地和/或以它们的组合操作。举例来说，线性致动器200可包括液压缸、齿条齿轮系统、 滚珠螺杆、手动曲柄、或能够提供受控的轴向运动的任何类型的装置。线性致动器200可与 总体燃气涡轮控制件连通用于基于系统反馈等的动态操作。
[0119] 线性致动器200可经由驱动杆210等与公共燃料管125连通。驱动杆210可具有 任何尺寸、形状或构造。公共燃料管125可定位成在驱动杆210旁边用于与其移动。因此， 线性致动器200、驱动杆210和公共燃料管125可沿处于任何适合位置的衬套160的长度轴 向地操纵其中带有微混合器喷嘴120的帽组件130。公共燃料管125内的多个燃料回路可 允许燃料喷嘴分级。在此还可使用其它构件和其它构造。
[0120] 在使用中，线性致动器200可操纵帽组件130,以便相对于衬套160的容积改变头 端150的容积。因此，衬套容积（以及燃烧区170的容积）可通过使微混合器燃料喷嘴120 沿衬套160延伸或收缩来减小或增大。此外，帽组件130可在不改变总体系统压降的情况 下被操纵。典型的燃烧器系统可改变总体压降。然而，此类压降大体上会影响其中的构件 的冷却。此外，压降中的变化可产生控制燃烧动力的难度。
[0121] 改变上游和下游的容积可导致改变总体反应停留时间，且因此改变氮氧化物、一 氧化碳和其它类型的排放物的总体排放水平。一般来说，反应停留时间直接地相关于衬套 容积，且因此在此可调整来满足针对给定操作模式的排放要求。此外，改变停留时间还可对 下调和燃烧器动力具有影响，其中总体声学特性可随头端和衬套容积改变而改变。
[0122] 例如，大体上可能需要短停留时间来确保基本负载下的低氮氧化物水平。相反，可 能需要更长的停留时间来降低低负载条件下的一氧化碳水平。因此，本文所述的燃烧器100 作为可调的燃烧器提供了最佳的排放和动力缓和，而不带有整个系统压降的变化。具体而 言，燃烧器100提供了主动地改变在此的容积的能力，以便调节燃烧器100来提供最小动态 响应，而不影响到燃料分级。
[0123] 尽管本文所述的线性致动器200示为操纵作为组的帽组件130中的微混合器燃料 喷嘴120,但也可使用多个线性致动器200,以便独立地操纵微混合器燃料喷嘴120且提供 喷嘴分级。在该示例中，独立的微混合器燃料喷嘴120可提供其间的附加密封和相对于帽 组件130的密封。在此还可使用旋转移动。此外，非微混合器燃料喷嘴也可在此使用，且/ 或非微混合器燃料喷嘴和微混合器燃料喷嘴可在此一起使用。在此还可使用其它类型的轴 向移动装置。在此可使用其它构件和其它构造。
[0124] 图5和图6示出了可与燃烧器100等一起使用的预喷嘴燃料喷射系统220的示例。 各个燃料喷嘴120均可安装到预喷嘴燃料喷射系统220上。预喷嘴燃料喷射系统220可包 括燃料喷嘴歧管230。燃料喷嘴歧管230可与公共燃料管125连通，且可经由如本文所述的 驱动杆210来操纵。燃料喷嘴歧管230可具有任何尺寸、形状或构造。
[0125] 预喷嘴燃料喷射系统220的燃料喷嘴歧管230可包括中心毂240。中心毂240可 具有任何尺寸、形状或构造。中心毂240可在其中容纳一定数目的不同流。预喷嘴燃料喷 射系统220的燃料喷嘴歧管230可包括从中心毂240延伸的一定数目的支承柱250。可使 用任何数目的支承柱250。支承柱250可具有实质空气动力构形形状255,虽然在此可使用 任何尺寸、形状或构造。具体而言，各个支承柱250均可包括上游端260、下游端270、第一 侧壁280和第二侧壁290。支承柱250可从中心毂240沿径向延伸至帽组件130。各个支 承柱250均可与燃料喷嘴120中的一个或多个连通，以便向其提供燃料30的流。燃料喷嘴 120可从各个支承柱250的下游端270沿轴向延伸。在此可使用其它构件和其它构造。
[0126] 图7示出了如本文所述的嵌套的燃料歧管系统320。嵌套的燃料歧管系统320可 与预喷嘴燃料喷射系统220或其它类型的燃料喷射系统协作，以便将一个或多个燃料30的 流安全地输送至燃料喷嘴120。此外，嵌套的燃料歧管系统320还可与线性致动器200和驱 动杆210协作来调节帽组件130内的燃料喷嘴120的轴向移动，同时限制穿过端盖140的 穿透的数目。
[0127] 嵌套的燃料歧管系统320包括嵌套的燃料歧管330。嵌套的燃料歧管330可在线 性致动器200旁边定位在头端150处的端盖140外侧，以与其一起移动。嵌套的燃料歧管 330可包括一定数目的燃料回路连接件340。可使用任何数目的燃料回路连接件340。燃料 回路连接件340可与相同或不同类型的燃料流30连通以便在此提供燃料灵活性。燃料回 路连接件340可具有任何尺寸、形状或构造。
[0128] 嵌套的燃料歧管330的各个燃料回路连接件340均可与嵌套的燃料供应回路350 连通。在该示例中，示出了三（3)个嵌套的燃料供应回路350 :第一嵌套的燃料供应回路 360、第二嵌套的燃料供应回路370和第三嵌套的燃料供应回路380。然而，在此可使用任何 数目的嵌套的燃料供应回路350。嵌套的燃料供应回路350可环形地嵌套在彼此内，使得第 一嵌套的燃料供应回路360定位在第二嵌套的燃料供应回路370内，第二嵌套的燃料供应 回路370继而又定位在第三嵌套的燃料供应回路380内。燃料给送密封件390可分开各个 嵌套的燃料供应回路350。各个嵌套的燃料供应回路350可采取柔性软管等的方式。嵌套 的燃料供应回路350可具有任何尺寸、形状或构造。嵌套的燃料供应回路350共同地用作 公共燃料管125。
[0129] 基于中心毂240的构造，嵌套的燃料供应回路350可以以任何数目的构造分级。例 如，如图8中所示，第一嵌套的燃料供应回路360可对中心喷嘴750供燃料。第二嵌套的燃 料供应回路370可对第一组外喷嘴760供燃料。因此，第三嵌套的燃料供应回路380可对 第二组外燃料喷嘴770供燃料。在此可使用许多其它构造、回路和喷嘴。
[0130] 如上文所述，燃料分级可提供改善的排放，同时允许对燃烧动力的附加调节能力。 中心毂240的内部通道可包括一定数目的变化。假定这样，中心毂240提供成本效益合算 且简单的方法来改善总体燃烧器性能。因此，中心毂240允许燃料分级，而不需要附加的构 件。中心毂240可以以常规技术制造，包括加工、铸造、附加制造，或经由焊接或硬钎焊的构 件。在此可使用其它构件和其它构造。
[0131] 应当清楚的是，前文仅涉及本申请和所得专利的某些实施例。在不脱离如由以下 权利要求和其等同物限定的本实用新型的总体要旨和范围的情况下，可由本领域的普通技 术人员在此进行许多改变和修改。
【权利要求】
1. 一种用于与燃气涡轮发动机一起使用的燃烧器，包括： 多个微混合器燃料喷嘴；以及 用于将燃料流提供至所述多个微混合器燃料喷嘴的燃料喷射系统； 所述燃料喷射系统包括中心毂，该中心毂用于提供所述燃料流穿过所述中心毂； 其中，所述中心毂包括用于所述多个微混合器燃料喷嘴的第一微混合器燃料喷嘴的第 一供应回路和用于所述多个微混合器燃料喷嘴的第二微混合器燃料喷嘴的第二供应回路。
2. 根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述多个微混合器燃料喷嘴包括多个 微混合器燃料管和燃料板。
3. 根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃料喷射系统包括在所述中心毂 与所述多个微混合器燃料喷嘴之间延伸的多个支承柱。
4. 根据权利要求3所述的燃烧器，其特征在于，所述多个支承柱从所述中心毂延伸至 帽组件。
5. 根据权利要求3所述的燃烧器，其特征在于，所述多个支承柱包括空气动力形状。
6. 根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述第一微混合器燃料喷嘴包括中心 微混合器燃料喷嘴。
7. 根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述第二微混合器燃料喷嘴包括外微 混合器燃料喷嘴。
8. 根据权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，所述外微混合器燃料喷嘴包括第一组 外微混合器燃料喷嘴。
9. 根据权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，所述外微混合器燃料喷嘴包括第二组 外微混合器燃料喷嘴。
10. 根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃料喷射系统与公共燃料管连 通，该公共燃料管在其中带有所述第一供应回路和所述第二供应回路。
11. 根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括与所述公共燃料 管连通的嵌套的燃料歧管，该公共燃料管在其中带有所述第一供应回路和所述第二供应回 路。
12. 根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括端盖，并且其中， 所述公共燃料管包括穿过所述端盖的单个进入端口。
13. 根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述中心毂包括穿过该中心毂的第三 供应回路，该第三供应回路用于所述多个微混合器燃料喷嘴的第三微混合器燃料喷嘴。
14. 根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括线性致动器以操纵 所述多个微混合器燃料喷嘴和所述中心毂。
15. -种针对用于与燃气涡轮发动机一起使用的燃烧器的燃料喷射系统，包括： 多个微混合器燃料喷嘴； 从多个支承柱延伸的所述多个微混合器燃料喷嘴中的一个或多个；以及 从中心毂延伸的所述多个支承柱； 其中，所述中心毂包括用于所述多个微混合器燃料喷嘴的第一微混合器燃料喷嘴的第 一供应回路和用于所述多个微混合器燃料喷嘴的第二微混合器燃料喷嘴的第二供应回路。
16. 根据权利要求15所述的燃料喷射系统，其特征在于，所述多个微混合器燃料喷嘴 包括多个微混合器燃料管和燃料板。
17. 根据权利要求15所述的燃料喷射系统，其特征在于，所述第一微混合器燃料喷嘴 包括中心微混合器燃料喷嘴。
18. 根据权利要求15所述的燃料喷射系统，其特征在于，所述第二微混合器燃料喷嘴 包括外微混合器燃料喷嘴。
19. 根据权利要求18所述的燃料喷射系统，其特征在于，所述外微混合器燃料喷嘴包 括一组外微混合器燃料喷嘴。
20. -种用于与燃气涡轮发动机一起使用的燃烧器，包括： 多个微混合器燃料喷嘴； 用于将燃料流提供至所述多个微混合器燃料喷嘴的燃料喷射系统； 所述燃料喷射系统包括中心毂，该中心毂用于提供所述燃料流穿过所述中心毂；以及 用以操纵所述多个微混合器燃料喷嘴和所述中心毂的线性致动器。
【文档编号】F23R3/28GK203907673SQ201320795820
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2013年2月6日
【发明者】H.M.奧斯特比, J.F.麦康瑙格哈伊, J.T.斯特瓦特, C.P.基纳 申请人:通用电气公司