在燃烧衬套上的集成式迟稀薄喷射和迟稀薄喷射套管组件的制作方法
【专利说明】在燃烧衬套上的集成式迟稀薄喷射和迟稀薄喷射套管组件
[0001]本申请为2012年06月06日提交的专利申请“在燃烧衬套上的集成式迟稀薄喷射和迟稀薄喷射套管组件”(申请号:201210183968.3，申请人:通用电气公司)的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及涡轮，并且更具体而言，涉及将迟稀薄喷射集成到燃气轮机的燃烧衬套中以及涉及迟稀薄喷射套管组件。
【背景技术】
[0003]对于燃气轮机中的分级燃烧存在多种设计，但是它们大多数是由多个管路和接口构成的复杂组件。燃气轮机中的一种分级燃烧是迟稀薄喷射(“1^1”)，其中空气/燃料混合物的LLI喷射器在燃烧器中位于较远的下游处，以实现改进的N0X性能。NO x或氮氧化物是燃烧传统的烃燃料的一些燃气轮机所产生的主要的不合需要的空气污染排放中的一种。迟稀薄喷射还用作空气旁通，这用来在“降速(turn down)”或低负荷运行期间满足一氧化碳或C0排放。
[0004]因为部件的数量和燃料通路的复杂性的原因，对于新的燃气轮机单元和现有单元的改型两者而言，当前的迟稀薄喷射组件是昂贵的且成本高。当前迟稀薄喷射组件还具有燃料泄漏到压缩机排出壳体中的高风险，这可导致自燃且是危害安全的。
【发明内容】
[0005]本发明涉及一种迟稀薄喷射套管组件，其将传统衬套和流动套管组件结合成具有内部燃料歧管和空气/燃料输送系统的组件。衬套和流动套管组件允许降低泄漏和改进对潜在的燃料泄漏的控制。迟稀薄喷射所需要的燃料通过流动套管凸缘中的歧管环被供应到套管。钻出通过流动套管的单个馈送孔。燃料通过流动套管中的至少一个通路被输送到喷嘴或喷射器中，喷嘴或喷射器混合燃料与压缩机排出壳体(“CDC”)空气，然后将其喷射到衬套中。优选地，该至少一个通路是在流动套管中的一个或多个沿纵向延伸的孔或管，但是还可使用具有同心地成环形的壁的流动套管来将燃料输送到喷嘴或喷射器。喷嘴/喷射器的数量和尺寸可有所变化，这取决于燃料供应要求。喷嘴/喷射器跨越流动套管和衬套组件两者，从而提供了迟稀薄喷射的中心核心，而无空气损失和潜在的燃料泄漏。
[0006]本发明还涉及一种迟稀薄喷射系统，其中，通过燃烧器组件来实现燃料的输送，其中，燃烧器的传统流动套管和衬套组件结合成具有内部燃料歧管和输送系统的单个构件。
[0007]迟稀薄喷射套管组件允许在过渡件之前的燃气轮机衬套的后部端处将燃料喷射到燃料喷嘴的下游的燃烧气体中。迟稀薄喷射使得燃料喷嘴下游的燃料喷射能够在下游在涡轮的过渡件之前产生燃烧区，同时降低/消除燃料泄漏到燃烧排出壳体中的风险。迟稀薄喷射套管组件容易改型到现有涡轮单元中且容易安装到新的单元中。这降低了燃料泄漏到CDC隔室中的风险，因为不具有任何未焊接的接口。
[0008]本发明进一步涉及在燃烧衬套上的集成式迟稀薄喷射，其为迟稀薄喷射提供了简单的低成本选择。这个集成式迟稀薄喷射设计容易在现有单元上进行改型且可以比当前迟稀薄喷射设计以更低的成本进行安装。该设计是在单元组件期间安装的单个组件。该设计具有前部凸缘，其用来既支承喷射管又将燃料馈送到衬套的后部端处的喷射管。燃料被供应到前部凸缘中的内部歧管，并且然后通过支柱输送到喷射管。支柱的数量和定向可有所变化，这取决于所需要的迟稀薄喷射的量。轴向延伸的管沿着衬套的长度由焊接到衬套本体上的支柱支承。这个接口被设计成最大程度地减小管支柱和管之间磨损。还可使用其它手段来沿着衬套的外侧将燃料从歧管凸缘传输到喷嘴。这个可通过配合到凸缘歧管中来实现，这与使用支柱相反。
【附图说明】
[0009]图1是显示典型的燃气轮机系统的构件的简单图示。
[0010]图2是包括根据本发明的迟稀薄喷射系统的涡轮燃烧器的局部侧视截面图。
[0011]图3A和3B分别是用于以迟稀薄的方式将燃料喷射通过燃烧器衬套的流动套管的第一实施例的局部透明透视图和侧视横截面图。
[0012]图4A至4F是用于以迟稀薄的方式将燃料喷射通过燃烧器衬套的流动套管的第二实施例的各种透视图和截面图。
[0013]图5A和5B是用于以迟稀薄的方式将燃料喷射到燃烧器衬套中的流动套管的第三实施例的两个截面图。
[0014]图6A和6B是迟稀薄喷射组件的两个局部透视图和截面图，该迟稀薄喷射组件集成到涡轮燃烧器的燃烧衬套组件中，以便结合传统燃烧衬套与集成式燃料输送系统。
[0015]部件列表
10燃气轮机系统 11输入空气 12压缩机 13燃料 14燃烧器 16涡轮 17热气 19排气
20燃气轮机燃烧器
21预混合燃料喷嘴
22首端
23衬套
24过渡件
25流动套管
26流动套管凸缘
28燃料环形歧管
29 “枪钻出的”长管/轴/孔
30迟稀薄喷射(“LLI”)喷嘴/喷射器 31管内部
40LLI喷嘴/燃料喷射器 41传输管 43衬套
44⑶C空气供应 45流动套管 46流动套管凸缘 48环形歧管 49馈送孔 50喷嘴/喷射器 51传输管 53衬套 55流动套管 56流动套管凸缘 60迟稀薄喷射组件 61管
62歧管凸缘 63燃烧衬套组件 64歧管 65支柱。
【具体实施方式】
[0016]图1是显示典型的燃气轮机系统10的构件的简单图示。燃气轮机系统10包括将输入空气11压缩到高压力的压缩机12、燃烧燃料13以便产生高压高速热气17的燃烧器14，以及涡轮16，涡轮16使用涡轮叶片(未显示)从自燃烧器14进入涡轮16的高压高速热气17中抽取能量，以便被热气17旋转。在涡轮16旋转时，连接到涡轮16的轴18上也被旋转。最终，排气19离开涡轮16。
[0017]图2是包括根据本发明的迟稀薄喷射系统的燃气轮机燃烧器20的局部侧视截面图。燃烧器20(图1中的燃烧器14)包括:首端22，其包括多个预混合燃料喷嘴21 ;以及衬套23，其连接到首端22上，并且在其中燃烧供应的燃料。衬套23限定燃烧器20的燃烧区。衬套23被流动套管25包围，并且由连接到衬套23上的过渡件或过渡区24终止。压缩机12(未在图2中显示)压缩入口空气11，并且将压缩空气提供给燃烧器20，提供给过渡件24，并且提供给涡轮16 (也未在图2中显示)。
[0018]如上面所提到的那样，涡轮包括涡轮叶片，至少燃料在衬套23中燃烧的产物被接收到涡轮叶片中，以对涡轮叶片的旋转提供动力。过渡件将燃烧产物流引导到涡轮16中，其中，它们转动涡轮的叶片，并且产生电力。因而，过渡件24用来联接燃烧器20和涡轮16。但是，过渡件24还包括第二燃烧区，对其供应的额外的燃料和供应给衬套23燃烧区的燃料的燃烧产物在其中燃烧。
[0019]如上面所提到，图2中显示的涡轮燃烧器包括根据本发明的迟稀薄喷射系统。迟稀薄喷射系统的目的是将迟稀薄喷射系统喷射器定位在较远的下游处，以改进涡轮燃烧器的N0X性能，但是不会远到进入过渡件中而导致有不合需要的更高的C0排放。本发明的迟稀薄喷射系统还允许消除内部压缩机排出壳体(“CDC”)导管、柔性软管、受密封连接件等。还提供了简单组件来将迟稀薄喷射集成到燃气轮机的燃烧衬套中。
[0020]图3A是迟稀薄喷射流动套管25的一个实施例的侧面透视图，迟稀薄喷射流动套管25用于在过渡件24之前的衬套23的后部端33处将燃料喷射到首端22和预混合燃料喷嘴21的下游的燃烧气体中。
[0021]图3A显示钻出深孔29，其沿轴向和沿纵向通过流动套管25而到达位于衬套23的后部端/下游端33处的迟稀薄喷射(“LLI”)喷嘴/喷射器30。衬套23限定燃烧室，其中燃烧产物(燃料/空气混合物)在衬套23内燃烧。LLI喷射器的燃料入口通过在燃烧器衬套23的首端/上游端处的流动套管凸缘26。
[0022]图3B显示流动套管25和衬套23的横截面图。燃料从流动套管凸缘26中的至少一个燃料环形歧管28流出，通过流动套管25中的“枪钻出的”长管/轴/孔29，并且然后到达LLI喷嘴/喷射器30，LLI喷嘴/喷射器30构造成类似将(外部)流动套管25连接到(内部)衬套23上的管。存在许多LLI喷射器30，它们沿周向定位在流动套管25/衬套23的周围，使得燃料/空气混合物在衬套23的周围的多个点处被引入。应当注意，燃料/空气混合物被喷射到衬套中，因为在LLI喷嘴中，燃料被喷射到从CDC腔体传送到衬套中的空气中。这个空气绕过首端且参与到迟稀薄喷射中。各个LLI喷射器30包括其中形成了许多小孔的套环。燃料从流动套管25中的管29流到这些孔且通过这些孔而进入且通过管的内部30，并且进入燃烧衬套23。衬套23中的正在燃烧的燃烧产物点燃新引入的燃料/空气混合物。
[0023]图3A和3B中显示的迟稀薄喷射流动套管优选通过这样来构造:首先将衬套23定向成竖立的，将喷射器30完全插入衬套23中，然后将衬套插入流动套管中(流动套管不可配合在衬套上面)，对准衬套23中的喷射器30与流动套管25中的隙孔，以及然后安装垫圈和螺栓来将喷射器30固定到流动套管25上。前述部件共同连结成子单元，使得它们可在燃烧器的组装期间安装在燃烧器20内，从而在子组件的一端上附连到⑶C上且在下游端上附连到过渡件24上。首端22然后组装到流动套管凸缘上且插入衬套前部端中。应当注意，组件使各个构件相对于彼此而定位成沿轴向通过燃料喷嘴。换句话说，衬套轴向位置通过LLI喷嘴固持在燃烧器中，并且衬套后部端径向位置通过LLI喷嘴来保持(这对于本发明是与别个不同的，因为传统上衬套被前部端上的凸耳和止动件沿轴向保持)。这个固持允许LLI喷嘴在所有运行状况下相对于衬套在恰当位置上。
[0024]再次参照图3B，还应当注意，衬套23可为用作传统衬套和过渡件之间的连接器的完全长度衬套或缩短件。可使用这个，以具有可组装到⑶C上的较可管理的组件，并且然后可向后插入较长的传统衬套。在这个实施例中，流动套管/连接器