具有空气喷射的燃气涡轮排气扩散器的制作方法

本文公开的主题涉及涡轮系统，并且更具体地，涉及用于将冷却空气喷射到由涡轮系统产生的排气流(一个或多个)中的系统和方法。

背景技术：

燃气涡轮系统典型地包括至少一个燃气涡轮发动机，它具有压缩机、燃烧器和涡轮。燃烧器构造成燃烧燃料和压缩空气的混合物，以产生热的燃烧气体，热的燃烧气体进而驱动涡轮的叶片。由燃气涡轮发动机产生的排气可包括某些副产物，诸如氮氧化物(nox)、硫氧化物(sox)、碳氧化物(cox)和未燃烧的烃。一般而言，在将排气释放到大气中之前移除或显著减少排气中的副产物的量是合乎需要的。

技术实现要素：

下面对在范围方面与原本声明的发明相当的某些实施例进行概述。这些实施例不意图限制声明的发明的范围，这些实施例而是仅意于提供本发明的可能形式的简要概述。实际上，本发明可包括可能类似于或异于下面阐述的实施例的多种形式。

在第一实施例中，一种燃气涡轮系统包括可处理由燃气涡轮发动机产生的排气的排气处理系统，排气处理系统包括：排气扩散器，排气扩散器可接收来自燃气涡轮发动机的涡轮的排气，并且具有设置在内部环形壁和外部环形壁之间的环形通道；以及设置在排气扩散器内的空气喷射组件。空气喷射组件包括一个或多个空气喷射管道，空气喷射管道设置在排气扩散器的环形通道内，并且包括可将冷却流体引导到排气扩散器的第一混合区域中的流体喷射孔。

在第二实施例中，排气扩散器包括延伸排气扩散器的长度的至少一部分的中心本体和沿周向包围中心本体的外部环形壁。外部环形壁限定环形通道，环形通道可接收来自燃气涡轮发动机的涡轮的排气。排气扩散器还包括空气喷射组件，空气喷射组件可将冷却流体供应到排气扩散器的在中心本体下游的区域中。

在第三实施例中，一种燃气涡轮系统包括设置在排气扩散器内的空气喷射组件。空气喷射组件包括设置在排气扩散器的内部环形壁和外部环形壁之间的多个空气喷射管道，并且空气喷射组件可将冷却流体供应给排气扩散器，以冷却燃气涡轮发动机中产生的排气流。

技术方案1.一种燃气涡轮系统，包括：

排气处理系统，其构造成处理由燃气涡轮发动机产生的排气，所述排气处理系统包括排气扩散器，所述排气扩散器构造成接收来自所述燃气涡轮发动机的涡轮的排气，并且具有设置在内部环形壁和外部环形壁之间的环形通道；

设置在所述排气扩散器内的空气喷射组件，其中，所述空气喷射组件包括一个或多个空气喷射管道，所述一个或多个空气喷射管道设置在所述排气扩散器的环形通道内，并且包括构造成将冷却流体引导到所述排气扩散器的第一混合区域中的流体喷射孔。

技术方案2.根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述排气扩散器包括中空支柱，并且所述一个或多个空气喷射管道中的至少一个联接到所述中空支柱上。

技术方案3.根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述空气喷射组件包括设置在所述排气扩散器中心本体的下游端上的中心轮毂，其中，所述中心本体限定所述内部环形壁。

技术方案4.根据技术方案3所述的系统，其特征在于，所述一个或多个空气喷射管道包括沿径向远离所述中心轮毂朝向所述外部环形壁延伸的多个空气喷射管道，并且所述多个空气喷射管道中的空气喷射管道围绕所述排气扩散器的中心线轴线沿周向间隔开。

技术方案5.根据技术方案3所述的系统，其特征在于，所述中心轮毂包括设置在所述中心轮毂的下游尖部上的至少一个空气喷射孔，其中，所述至少一个空气喷射孔流通地联接到所述一个或多个空气喷射管道中的至少一个上。

技术方案6.根据技术方案3所述的系统，其特征在于，所述中心轮毂的直径沿所述排气扩散器的下游方向减小。

技术方案7.根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述流体喷射孔的尺寸沿着相应的空气喷射管道的径向长度改变。

技术方案8.根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述流体喷射孔中的各个的中心轴线相对于所述排气扩散器的中心线轴线成十字形地定向。

技术方案9.根据技术方案1所述的系统，其特征在于，包括联接到所述排气扩散器的外部环形壁上的额外的空气喷射组件，其中，所述额外的空气喷射组件包括围绕所述排气扩散器的中心线轴线沿周向设置的空气通道，其中，所述额外的空气喷射组件构造成将额外的冷却流体引导到所述排气扩散器的在所述第一混合区域下游的第二混合区域中。

技术方案10.一种排气扩散器，包括：

中心本体，其延伸所述排气扩散器的长度的至少一部分；

沿周向包围所述中心本体的外部环形壁，其中，所述外部环形壁限定环形通道，所述环形通道构造成接收来自燃气涡轮发动机的涡轮的排气；以及

空气喷射组件，其构造成将冷却流体供应到所述排气扩散器的在所述中心本体下游的区域中。

技术方案11.根据技术方案10所述的排气扩散器，其特征在于，所述空气喷射组件包括联接到所述中心本体的朝下游表面上的中心轮毂，以及其中，所述中心轮毂的直径沿远离所述排气扩散器的外部环形壁的下游方向减小，使得所述中心轮毂具有凹形表面。

技术方案12.根据技术方案11所述的排气扩散器，其特征在于，所述排气扩散器包括空气喷射管道，所述空气喷射管道沿径向远离所述中心轮毂朝向所述排气扩散器的外部环形壁延伸，并且围绕所述中心轮毂沿周向间隔开。

技术方案13.根据技术方案12所述的排气扩散器，其特征在于，所述空气喷射管道联接到中空支柱上，所述中空支柱设置在所述中心本体和所述排气扩散器的外部环形壁之间。

技术方案14.根据技术方案10所述的排气扩散器，其特征在于，所述空气喷射组件包括与所述排气扩散器的中空支柱对齐的空气喷射管道。

技术方案15.根据技术方案10所述的排气扩散器，其特征在于，所述空气喷射组件包括沿着一个或多个空气喷射管道设置的多个空气喷射孔，其中，所述多个空气喷射孔构造成将所述冷却流体引导到所述排气扩散器的所述区域中。

技术方案16.根据技术方案15所述的排气扩散器，其特征在于，所述多个空气喷射孔中的一个空气喷射孔的直径不同于所述多个空气喷射孔中的相邻空气喷射孔的直径。

技术方案17.根据技术方案10所述的排气扩散器，其特征在于，所述扩散器包括设置在所述空气喷射组件上游的中空支柱，其中，所述中空支柱构造成将所述冷却流体的至少一部分喷射到所述外部环形壁和所述排气扩散器的中心本体之间的环形通道中。

技术方案18.一种燃气涡轮系统，包括：

设置在排气扩散器内的空气喷射组件，其中，所述空气喷射组件包括设置在所述排气扩散器的内部环形壁和外部环形壁之间的多个空气喷射管道，以及其中，所述空气喷射组件构造成将冷却流体供应给所述排气扩散器，以冷却在燃气涡轮发动机中产生的排气流。

技术方案19.根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述多个空气喷射管道沿径向远离所述空气喷射组件的中心轮毂朝向所述外部环形壁延伸，以及其中，所述多个空气喷射管道包括设置在朝下游表面上的空气喷射孔。

技术方案20.根据技术方案19所述的系统，其特征在于，所述中心轮毂联接到所述排气扩散器的中心本体的下游端上，以及其中，所述中心轮毂的直径沿远离所述下游端的方向减小，使得所述中心轮毂具有凹形外表面。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中相同符号在图中表示相同部件，其中：

图1是根据本公开的实施例的燃气涡轮系统的框图，燃气涡轮系统包括用于冷却排气的空气喷射结构；

图2是根据本公开的实施例的图1的燃气涡轮系统的排气扩散器的沿着线2-2的横截面图，其具有空气喷射结构；

图3是根据本公开的实施例的图2的排气扩散器的透视图，排气扩散器包括空气喷射组件，空气喷射组件包括固定到排气扩散器的中空支柱上的空气喷射管道；

图4是根据本公开的实施例的图3的空气喷射组件的空气喷射管道的一部分的实施例的剖面透视图，空气喷射管道包括沿着空气喷射管道的长度具有不同的直径的空气喷射孔；

图5是根据本公开的实施例的图3的空气喷射组件的空气喷射管道的一部分的实施例的沿着线5-5的横截面图，空气喷射管道包括具有在排气扩散器的轴向方向上变化的直径的空气喷射孔；

图6是根据本公开的实施例的图3的空气喷射组件的空气喷射管道的实施例的沿着线6-6的横截面图，空气喷射管道具有相对于排气扩散器的中心线轴线以不同的角度定向的空气喷射孔；

图7是根据本公开的实施例的图3的空气喷射系统的实施例的详细透视图，空气喷射系统包括歧管，歧管具有带弯曲表面的中心轮毂；以及

图8是根据本公开的实施例的使用图3的空气喷射组件来冷却排气扩散器中的排气的方法的流程图。

部件列表

10燃气涡轮系统

12燃气涡轮发动机

14排气处理系统

18压缩机

20燃烧器区段

22涡轮

24轴

26来自空气源的空气

30箭头

34压缩空气

36燃料

40加压排气

42涡轮下游端

46排气流

50下游方向

54排气扩散器

56过渡区段

58排气管

60scr

62还原剂

64喷射系统

68空气喷射系统

70冷却空气

72箭头

74经冷却排气

78经处理排气

80烟囱

82轴线

84轴线

86轴线

90纵向中心线

92扩散器上游端

94环形开口

96中心本体

97长度

98环形内部壁

100外部环形壁

104流体流道

106支柱

108下游端

112检修孔

114中心本体下游端

115第一混合区域

116轮毂

120空气喷射管道

124管道端

126朝下游表面

128空气喷射孔

130额外的空气喷射孔

134额外的空气喷射系统

136空气管道

138空气喷射孔

140第二混合区域

142尺寸

146尺寸

150凸缘

152底端

156长度

158直径

164轮毂直径

168弯曲部

172轮毂表面

170轮毂表面

174尖部

200方法

204框

206框

210框

212框

216框

218框。

具体实施方式

下面将对本发明的一个或多个具体实施例进行描述。为了致力于提供对这些实施例的精确描述，可能不会在说明书中对实际实现的所有特征进行描述。应当理解，当例如在任何工程或设计项目中开发任何这种实际实现时，必须作出许多对实现而言专有的决定来实现开发者的具体目标，例如符合与系统有关及与商业有关的约束，开发人员的具体目标可根据不同的实现彼此有所改变。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但尽管如此，对受益于本公开的普通技术人员来说，这种开发工作将是设计、生产和制造的例行任务。

当介绍本发明的各实施例的元件时，冠词“一”、“一种”、“该”和“所述”意于表示存在一个或多个该元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意于为包括性的，并且表示除了列出的元件之外，可存在额外的元件。

本文的实施例大体涉及用于对燃气涡轮系统中产生的排气(例如，烟道气)冷却或调温的技术。例如，在燃气涡轮系统中，一个或多个燃气涡轮发动机可燃烧燃料/氧化剂混合物，以产生用于驱动一个或多个涡轮级的燃烧气体，各个涡轮级具有多个叶片。取决于多种因素，诸如燃烧的燃料的类型和多种燃烧参数，燃烧过程所引起的燃烧产物可包括氮氧化物(nox)、硫氧化物(sox)、碳氧化物(cox)和未燃烧的烃。通常，由燃气涡轮系统释放的排气的成分，诸如在燃气涡轮发电站中，可经受严格的规章要求。以非限制性示例的方式，规章可能要求由系统释放的排气的nox浓度不超过阈值水平，诸如百万分之3(ppm)。

一种用于移除或减少排气流中的nox量的技术是用选择性催化还原(scr)。在scr过程中，将诸如氨(nh3)的还原剂喷射到排气流中，并且在存在催化剂(例如，金属氧化物)的情况下，还原剂与nox反应，以产生氮(n2)和水(h2o)。scr过程的有效性可至少部分地取决于所处理的排气的温度。例如，用于移除nox的scr过程可能在大约500至900华氏度(ºf)的温度下特别有效。因而，当排气的温度高于scr的有效温度范围时，在scr之前冷却排气可为有益的，以提高scr过程(例如，移除nox)的有效性。

根据本文的实施例，可使用冷却系统来冷却排气，冷却系统将冷却/调温流体(例如，空气)喷射到scr上游的排气流中。某些燃气涡轮系统可包括在燃气涡轮系统的过渡区段内的冷却系统，过渡区段将燃气涡轮系统的排气扩散器联接到scr上。冷却系统可使用风扇来克服由通过过渡区段的排气流产生的背压将冷却流体吹到过渡区段中。用来在过渡区段内将排气冷却到期望温度的冷却流体的量可介于重型燃气涡轮的排气体积的大约10%和大约50%之间。这种大体积可降低涡轮效率，部分是因为系统上有不合需要的压降。

现在认识到，排气和冷却流体在过渡区段内可具有不均匀混合，部分是因为排气扩散器中的排气扩散效率低和/或排气和冷却流体混合物在过渡区段中的驻留时间短。排气和冷却流体混合不均匀可导致排气/冷却流体混合物内有热点，其中混合物中的热点包括具有高于scr的温度范围的温度的区域。因而，scr过程可能无法有效地移除或减少排气中的nox。因此，现在认识到，改进scr上游的排气/冷却流体混合可为合乎需要的。

如下面进一步详细论述的那样，本公开的实施例包括燃气涡轮系统，诸如简单循环重型燃气涡轮系统，它具有构造成将冷却空气喷射到排气流中的空气喷射组件。如将在下面进一步描述的那样，空气喷射组件可设置在涡轮的下游(即，相对于排气流)，但在scr系统的上游。例如，空气喷射组件可包括设置在燃气涡轮发动机系统的排气扩散器内的空气喷射结构。空气喷射结构可包括歧管，歧管具有多个空气喷射管道，空气喷射管道通过多个空气喷射孔将冷却流体喷射到排气流中。将空气喷射结构置于排气扩散器内，而非置于过渡区段中，可增加排气和冷却流体混合物在通往scr的通路中的驻留时间。

考虑前述内容，图1是燃气涡轮系统10的实施例的框图，燃气涡轮系统10包括燃气涡轮发动机12和排气处理系统14。在某些实施例中，燃气涡轮系统10可为发电系统的全部或一部分。在示出的实施例中，涡轮系统10被描绘成简单循环燃气涡轮系统。但是，在其它实施例中，燃气涡轮系统10可为联合循环燃气涡轮系统。燃气涡轮系统10可燃烧液体或气体燃料，诸如天然气和/或富氢合成气体，以产生热燃烧气体来驱动燃气涡轮系统10的多种结构。

如图1中显示的那样，燃气涡轮发动机12包括压缩机18、燃烧器区段20和涡轮22。涡轮22可通过轴24驱动地联接到压缩机18上。在运行中，来自空气源26的空气通过燃气涡轮发动机12的空气进口而进入涡轮发动机12，如箭头30所显示的那样，并且在压缩机18中加压。压缩机18可包括联接到轴24上的多个压缩机叶片。压缩机叶片可存在于一个或多个级中，并且轴24旋转会使压缩机叶片旋转。这个旋转将空气吸入压缩机18中且通过压缩机18，并且压缩空气，以将空气输送到燃烧器区段20。

燃烧器区段20可包括一个或多个燃烧器。在一个实施例中，多个燃烧器可围绕轴24设置在多个周向位置处，成大体圆形或环形构造。压缩空气34离开压缩机18且进入燃烧器区段20，压缩空气34可与来自燃料源的燃料36混合，以在燃烧器内燃烧。例如，燃烧器可包括一个或多个燃料喷嘴，其按对于燃烧、排放控制、燃料消耗、功率输出等适合的比率将燃料-空气混合物喷射到燃烧器中。空气和燃料燃烧会产生热的加压排气40，然后热的加压排气40可用来驱动涡轮22内的一个或多个涡轮级(它们各自具有多个涡轮叶片)。在运行中，流到涡轮22中且流过涡轮22的燃烧气体(例如，排气40)在涡轮叶片上且在涡轮叶片之间流动，从而驱动涡轮叶片旋转，并且因而驱动轴24旋转。轴24可用来驱动负载，诸如发电站中的发电机。如上面论述的那样，轴24旋转还会使压缩机18内的叶片吸入由进口接收到的空气且对它加压。

流过涡轮22的排气40可作为排气流46离开涡轮下游端42。排气流46可继续沿下游方向50流向排气处理系统14。例如，涡轮下游端42可流通地联接到排气处理系统14上，排气处理系统14构造成降低某些排气流46中的燃烧器产物的水平，诸如nox、sox和cox。更具体地，在示出的实施例中，排气流46离开涡轮下游端42且流到排气扩散器54中。如上面阐述的那样，排气扩散器54包括构造成有利于排气流46与冷却空气混合的某些空气喷射结构。

在排气扩散器54后面，排气流46可流到过渡区段56中，过渡区段56将排气扩散器54联接到排气管58上。排气管58包括scr系统60，scr系统60构造成执行scr过程，以从排气流46中移除nox。例如，还原剂62(例如，氨(nh3))通过喷射系统64喷射到排气管58中，并且与nox反应而产生氮(n2)和水(h2o)。如将理解的那样，这个scr过程的有效性可至少部分地取决于所处理的排气的温度。例如，用于移除nox的scr过程在大约500至900华氏度(ºf)的温度下可特别有效。但是，在某些实施例中，离开涡轮22且进入排气处理系统14的排气流46可具有大约1000至1500度ºf的温度，更具体地，1100至1200度ºf。因此，为了提高scr过程移除nox的有效性，排气处理系统14可包括空气喷射系统66，空气喷射系统66具有喷射组件68，喷射组件68可将冷却流体(例如，空气)喷射到排气流46中，从而在scr系统60中的scr过程之前冷却排气流46。空气喷射系统66还可包括空气源69(可与空气源26相同或不同)、一个或多个送风机71和流量控制器73(例如，阀、泵、传感器等)。应当理解，有效温度可取决于从排气流46中的移除的成分和/或scr过程中采用的催化剂而改变。

如图1中显示的那样，空气喷射组件68可设置在排气扩散器54内。将空气喷射组件68定位在排气扩散器54内可增加排气流46和冷却流体(例如，冷却空气70)的混合物在排气处理系统14中的驻留时间。因此，与在过渡区段中喷射冷却流体相比，排气流46和冷却空气70可混合较长的时段，从而允许更高效地冷却排气。如下参照图2和3更详细地论述的那样，空气喷射组件68可包括联接到排气扩散器54的中心本体上的歧管。歧管可包括多个喷射空气孔，它们将由一个或多个空气源26提供的冷却空气70喷射到排气扩散器54中，以与排气流46混合。例如，在一个实施例中，空气源(一个或多个)26可包括一个或多个送风机、压缩机(例如，压缩机18)、热交换器或者它们的组合。在某些实施例中，空气30的一部分可绕过压缩机18，并且被引导到空气喷射组件68，如箭头72显示的那样。在其它实施例中，来自压缩机18的压缩机排气可引导到空气喷射组件68。

当用来描述冷却空气70时，用语“冷却”在本文用来表示冷却空气70比离开涡轮22的排气流46更冷。例如，由空气源26供应的冷却空气70可为周围空气，或者可使用热交换器或其它类型的适当的冷却机构来进一步冷却。空气喷射组件68还可包括一个或多个阀，以调整冷却空气70的流量。以示例的方式，在一个实施例中，从涡轮22输出的排气流46可按大约1000磅/秒的第一流率流到排气扩散器54中，并且冷却空气70可按至少取决于第一流率和排气流46的温度和冷却空气70的温度的第二流率，喷射到排气扩散器54(通过空气喷射组件68)中。例如，第二流率可介于第一流率的1%和75%之间，诸如50%。但应当理解的是，排气蒸汽46的流率和冷却空气70的流率可基于多个因素而改变。

冷却空气70与排气流46混合而产生经冷却排气流74，如上面论述的那样，经冷却排气流74可具有适合scr过程的温度。如将在下面进一步论述的那样，将空气喷射组件68定位在排气扩散器54内可提供均匀混合，从而在scr60上游实现经冷却排气74的均匀的温度和速度分布。另外，空气喷射组件68的构造可通过减小可能由于排气扩散器54内的结构构件(例如，支柱，中心本体)引起的大尾流和逆流区域，来提高排气扩散器54的性能，如下面详细论述的那样。减小排气扩散器54内的尾流和逆流区域可允许排气流64实现合乎需要的速度分布，使得相对于在排气扩散器54内不包括空气喷射组件的燃气涡轮系统，燃气涡轮系统10的压力恢复和功率输出可得到改进。

经冷却排气74可继续向下游(例如，沿方向50)流过过渡区段56且流到排气管58中，在排气管58中，经冷却排气74经受处理，以从经冷却排气流74中移除nox且产生经处理排气78，如上面论述的那样。在某些实施例中，经处理排气78可通过在排气管58下游且联接到其上的烟囱80释放到大气。在一些实施例中，烟囱80可包括消音器或消声器。在其它实施例中，经处理排气78可引导到燃气涡轮系统10内的其它过程。以非限制性示例的方式，排气处理系统14可利用空气喷射组件68和scr系统60来使经处理排气78中的nox成分减少到大约百万分之3(ppm)或更少。

燃气涡轮系统10还可包括用以管理燃气涡轮系统10的运行的控制器79(例如，电子控制器和/或基于处理器的控制器)。控制器79可通过与系统10中的传感器、控制阀和泵或其它流量调节结构进行电连通，来独立地控制空气喷射系统66、scr60和/或喷射系统64的运行。在某些实施例中，控制器79还可控制燃气涡轮发动机12(例如压缩机18、燃烧器20和/或涡轮22)的运行。控制器79可包括分布式控制系统(dcs)或完全或部分地自动化的任何基于计算机的工作站。例如，控制器79可为采用通用或特定用途处理器(例如，微处理器81)的任何装置，它们两者都可大体包括用于存储指令的存储器电路(例如，存储器83)，诸如冷却参数(例如，冷却空气温度和流率)、scr参数等。处理器可包括一个或多个处理装置，并且存储器电路可包括一个或多个有形的非暂时性机器可读的介质，其共同存储可由处理器执行的指令，以执行图8的动作和本文描述的控制动作。

虽然本公开的某些实施例大体涉及处理排气流46和从中移除nox，但其它实施例可使得能够移除其它燃烧副产品，诸如一氧化碳和/或未燃烧的烃。因而，所供应的催化剂可取决于从排气流46中移除的成分而改变。另外，应当理解，本文公开的实施例不限于使用一个scr系统60，而是还可包括多个scr系统60。还是另外，系统10还可包括连续排放监测(cem)系统，它连续地监测离开烟囱80的经处理排气78的成分。如果cem系统检测到经处理排气78的成分未能符合一个或多个规章要求，则cem系统可对燃气涡轮发动机12的控制系统(例如，控制器79)提供通知，控制系统进而可采取某些校正行动来调节燃烧参数，调节冷却空气70的流量，调节scr系统60的运行等等。另外或备选地，燃气涡轮系统10的控制系统(例如，控制器79)可执行功能，诸如通知系统10的操作者调节运行参数、执行维护或者以别的方式停止运行系统10，直到由系统10产生的经处理排气78具有处于预定要求内的成分。在一些实施例中，cem系统还可实施尤其是关于排气处理系统14的校正行动，诸如调节冷却空气70的温度、流率、喷射到scr系统60中的nh3的量等。

现在参照图2，示出根据一个实施例的排气扩散器54的横截面图。为了有利于描述，可参照扩散器54(燃气涡轮发动机12)的轴向方向或轴线82、径向方向或轴线84和周向方向或轴线86来描述排气扩散器54的多种方面。例如，轴线82对应于纵向中心线90或长度方向，轴线84对应于相对于纵向中心线90的成十字形的方向或径向方向，并且轴线86对应于围绕轴向轴线82(例如，纵向中心线90)的周向方向。排气扩散器54的扩散器上游端92可包括环形开口94，环形开口94将排气扩散器54流通地联接到涡轮22上，以接收排气流46。排气扩散器54包括中心本体96，中心本体96沿着中心线90延伸排气扩散器54的长度97的至少一部分。中心本体96限定排气扩散器54的环形内部壁98。在某些实施例中，内部环形壁98可包围燃气涡轮发动机12的旋转构件。例如，内部环形壁98可包围轴24的至少一部分。

排气扩散器54还包括外部环形壁100，它与内部环形壁98沿径向84间隔开且沿周向86围绕中心线轴线90。外部环形壁100大体包围内部环形壁98，以限定在环形壁98、100之间通过排气扩散器54的流体流道104。排气扩散器54可为渐缩的，使得沿着中心线90移动，外部环形壁100在周向方向86上的大小增大。流体流道104内的多个支柱106在内部环形壁98和外部环形壁100之间沿径向84延伸。多个支柱106a、106b围绕轴向轴线82沿周向86间隔开，使得排气流46可在多个支柱106之间流动，通过流体流道104，并且流向排气扩散器54的下游端108。排气扩散器54可包括任何数量的支柱106，诸如介于1个和20个之间，例如，1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个或更多。支柱106可定位在环形开口94附近，以最大程度地减小可干涉通过排气扩散器54的排气流46的流动的阻力。但是，多个支柱106可定位在沿着中心本体96的任何轴向和周向位置处。在一个实施例中，多个支柱106可具有实心中心，如支柱106a示出的那样。在另一个实施例中，多个支柱106可具有中空中心，如支柱106b示出的那样。但是，在某些实施例中，多个支柱106可包括实心中心支柱106a和中空中心支柱106b的组合。如下面更详细地论述的那样，支柱106b的中空中心可提供用于将冷却空气70喷射到排气扩散器54中的流径。

除了支柱106之外，排气扩散器54还可包括多个中空支柱112，它们在与环形开口94相对的中心本体下游端114附近。多个中空支柱112在环形壁98、100之间沿径向84延伸，并且围绕排气扩散器54的中心线轴线90沿周向86间隔开。多个中空支柱112可对人提供进入到流体流道104中的通路(例如，为了维护和/或修理)。多个支柱106和多个中空支柱112两者都可在排气扩散器54的内部环形壁98和外部环形壁100之间提供结构支承。如下面更详细地论述的那样，中空支柱，诸如中空支柱112可引起大尾流区域，这可降低排气扩散器54的性能。例如，大尾流和逆流区域可减少离开排气扩散器54的排气的功率输出，从而在系统10上引起不合需要的压力恢复和总压力损失。但是，现在认识到，与不包括空气喷射组件的排气扩散器相比，将空气喷射组件68结合到排气扩散器54中会提高排气扩散器54的性能。

空气喷射组件68可不动地或可移除地联接到中心本体下游端114上。空气喷射组件68可将冷却空气70供应到排气扩散器54内的第一混合区域115。在第一混合区域115中时，排气流46可被冷却空气70(例如，调温空气)冲淡，以降低排气流46的温度。在示出的实施例中，空气喷射组件68包括联接到中心本体下游端114上的轮毂116。在示出的实施例中，轮毂116具有半圆形形状。但是，在其它实施例中，轮毂116可具有圆锥形状或任何其它适当的形状。轮毂116包括空气喷射管道120，它沿径向84远离轮毂116延伸向外部环形壁100。空气喷射管道120可围绕轴向轴线82在沿着中心本体96的不同的轴向和周向位置处沿周向86间隔开。在某些实施例中，各个空气喷射管道120可与相应的中空支柱112对齐(例如，沿周向)。中空支柱112可提供结构支承，并且将空气喷射组件68(例如，通过空气喷射管道120)固定到排气扩散器54上。

空气喷射管道120的管道端124的至少一部分可延伸经过排气扩散器54的外部环形壁100。管道端124可构造成联接到空气源26上，并且将冷却空气70提供给第一混合区域115，以混合冷却空气70与排气流46。例如，在示出的实施例中，各个空气喷射管道120的朝下游表面126(例如，面向下游方向50)可包括空气喷射孔128的组件。空气喷射管道120可包括按任何适当的型式(例如，排、交错等)沿着朝下游表面126分布的任何数量的空气喷射孔128。例如，空气喷射管道120可包括介于1个和100个之间的空气喷射孔128。例如，空气喷射管道120可包括1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、15个、20个、30个、50个、60个、70个、80个或更多个空气喷射孔128。但是，可使用任何适当数量的喷射孔128。如下面进一步论述的那样，空气喷射孔128可相对于轴向轴线82以相同或不同的角度定向(例如，直角或10度、20度、30度、40度、50度、60度、70度或80度的锐角)。在某些实施例中，一些空气喷射孔128可具有不同于相邻空气喷射孔128的形状和/或直径的形状和/或直径。空气喷射孔128的定向和几何构造可允许冷却空气70按合乎需要的速度流到第一混合区域115中，以实现某些漩涡量等等，以使冷却空气70与排气流46均匀混合，使得经冷却排气74实现合乎需要的温度分布。

除了空气喷射孔128之外，轮毂116可包括中心空气喷射孔，诸如一个或多个中心空气喷射孔130。中心空气喷射孔130可接收来自至少一个空气喷射管道120的冷却空气70，如图2中示出的那样。但是，在其它实施例中，轮毂116可接收直接来自空气源26(例如，通过专用管道)的冷却空气70。

在某些实施例中，外部环形壁100可包括允许在中心本体96的下游喷射冷却空气70的特征。如图2中示出的那样，排气扩散器54可包括额外的空气喷射组件134，其沿周向86围绕中心线轴线90沿着排气扩散器54的外部环形壁100布置。类似于空气喷射管道120，额外的空气喷射组件134包括空气管道136，空气管道136接收来自空气源26的冷却空气70，并且将冷却空气70喷射到排气扩散器54的第二混合区域140中。例如，示出的空气管道136包括沿周向86围绕中心线轴线90间隔开、沿着空气管道134的空气喷射孔138。类似于空气喷射孔128，空气喷射孔138可相对于轴向轴线82按相同或不同的角度定向(例如，直角或10度、20度、30度、40度、50度、60度、70度或80度的锐角)。空气喷射孔138的几何构造和大小围绕周向轴线86沿着空气管道136可为相同或不同的。

混合区域115、140延伸排气扩散器54的长度97的一部分。例如，第一混合区域115在空气喷射组件68、134之间延伸尺寸142，并且第二混合区域140在额外的空气喷射组件134和扩散器下游端108之间延伸尺寸146。各个尺寸142、146可介于排气扩散器54的长度97的大约5%和50%之间。在某些实施例中，尺寸142、146可为相同的。在其它实施例中，尺寸142、146可为不同的。空气喷射组件68、134可同时或按顺序将冷却空气70喷射到相应的混合区域115、140中。例如，空气喷射组件134可在空气喷射组件68将冷却空气70喷射到第一混合区域中之后或之前的任何时间喷射冷却空气70。在其它实施例中，可使用仅一个空气喷射组件68、134。

另外，冷却空气70的至少一部分可在中空支柱112的下游喷射到排气扩散器54中。例如，如上面论述的那样，中空中心支柱106b可构造成接收冷却空气70，并且将冷却空气70喷射到排气扩散器54中。在中空支柱112下游喷射冷却空气70可进一步增加排气和冷却空气混合物在排气扩散器54中的驻留时间。此外，冷却空气70可冷却排气扩散器54(例如，壁98、100、中空支柱112等)。用冷却空气70冷却排气扩散器54可减轻排气扩散器54部分地由于离开涡轮22的排气流46的高温所引起的退化。因而，排气扩散器54的总寿命可延长。此外，与在不构造成用冷却空气冷却的排气扩散器中使用的材料(例如，347不锈钢)相比，排气扩散器54可由不那么昂贵的更低温合金材料制造而成。以示例的方式，排气扩散器54可由321h、321、316、304不锈钢或任何其它适当的材料制造而成。

如上面提到的那样，现在认识到，与在排气扩散器54的下游(例如，在过渡区段56中)喷射冷却空气的系统比，分别通过空气喷射组件68、134将冷却空气70喷射到混合区域115、140中的一个或它们两者中，排气流46和冷却空气70的混合物可在排气处理系统14内具有更长的驻留时间。例如，混合物在流过混合区域115、140和过渡区段56时可继续混合和冷却，不像其中冷却空气喷射到过渡区段(例如，过渡区段56)中的现有系统。排气流46和冷却空气70的混合物在排气处理系统14中的驻留时间较长可提高热混合(例如，冷却空气70和排气流46的混合)，从而促使经冷却排气流74内的温度分布更均匀。

此外，可用来将冷却空气70喷射到排气扩散器54中的冷却风扇的大小可小于用来将冷却空气喷射到例如过渡区段56中的冷却风扇的大小，因为排气流46和冷却空气70的混合物的驻留时间较长。与喷射到过渡区段56中的冷却空气相比，喷射到排气扩散器54中的冷却空气70可处于更高的温度，因为排气流46和冷却空气70的混合物在排气处理系统14中的驻留时间更长。因而，可使用较小的冷却风扇，因为与喷射到过渡区段56中的冷却空气相比，冷却喷射到排气扩散器54中的冷却空气70所需的能量更低。

参照图3可进一步理解排气扩散器54的布置，图3是排气扩散器54的一部分的透视图，排气扩散器54具有联接到中心本体96和中空支柱112上的空气喷射组件68。在示出的实施例中，空气喷射管道120在围绕轴向轴线90的不同周向位置处沿周向86间隔开。空气喷射组件68可包括大于或1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、15个、20个、25个、30个、40个、50个或更多个空气喷射管道120和空气喷射孔128。如上面论述的那样，空气喷射管道120在排气扩散器54的内部环形壁98和外部环形壁100之间延伸，并且流通地联接空气源26与空气喷射孔128。空气喷射孔128将冷却空气70的流供应到第一混合区域115中，以混合冷却空气70与排气流46。在示出的实施例中，空气喷射管道120和中空支柱112沿周向86与中空支柱112对齐，使得空气喷射管道120大体沿着与轴向轴线90相交的径向轴线84定向。这可使得能够有促进排气流46和冷却空气70之间的均匀混合的合乎需要的流特性。

空气喷射组件68可不动地或可移除地附连到排气扩散器54上。例如，在一个实施例中，轮毂116和/或空气喷射管道120可分别焊接到排气扩散器54的中心本体96和中空支柱112上。在其它实施例中，轮毂116和/或空气喷射管道120可包括有利于将轮毂116和空气喷射管道120联接和固定到中心本体96和中空支柱112上的一个或多个联接结构。例如，轮毂116可包括轮毂116和/或空气喷射管道120的外表面上的一个或多个凸缘150。凸缘150可与中心本体96和/或中空支柱112上的互补联接结构(例如，凸缘、开口)对齐。轮毂116可具有沿着底端152(例如，在中心本体下游端114附近的端部)的周边沿周向86间隔开的不止一个凸缘150。凸缘150例如可通过螺钉、螺栓、夹子或任何其它适当的紧固件，来固定到中心本体96上的互补联接结构上。这个联接布置可有利于改造现有排气扩散器，使其具有空气喷射组件68。

在某些实施例中，轮毂116和/或空气喷射管道120可包括分别与中心本体96和中空支柱112对接的突起和/或凹部。例如，轮毂116可在底部152处的表面上包括与中心本体96的下游端表面上的突起和/或凹部互补的突起和/或凹部。突起和/或凹部可联接到将中心本体96的下游端表面上的互补突起/凹部上(例如，通过干涉配合或其它联接布置)，以固定轮毂116和中心本体96。联接结构可允许空气喷射组件68可移除地联接到排气扩散器96上。通过将空气喷射组件68可移除地联接到排气扩散器54上，可在系统维护(例如，清洁)或更换系统构件的期间移除空气喷射组件68。因此，与系统10相关联的装备和维护费用可降低。

如上面论述的那样，轮毂116通过空气喷射管道120上的空气喷射孔126将冷却空气70喷射到第一混合区域115中。图4示出空气喷射管道120的一部分的透视图，空气喷射管道120具有沿着空气喷射管道120的长度156的至少一部分沿径向84间隔开的空气喷射孔128。虽然在示出的实施例中，空气喷射孔128沿着径向方向84布置成单排，但空气喷射孔128可沿着径向方向84布置成多排或任何其它适当的型式。排可布置成使得各个排的空气喷射孔128相对于相邻排中的空气喷射孔128对齐或者偏移。另外，空气管道136的空气喷射孔138还可按类似于空气喷射孔128的方式布置。在示出的实施例中，空气喷射孔128具有圆形几何构造。但是，空气喷射孔128可为正方形、棱形、椭圆形、槽形、长方形，或者可构造成其它适当类型的几何构造。

沿着空气喷射管道120的空气喷射孔128的直径158(或其它尺寸)可改变。例如，在一个实施例中，直径158可相对于相邻空气喷射孔128的对应的直径158(或其它对应的尺寸)减小。也就是说，与内部环形壁98(例如，中心本体96)相邻的第一空气喷射孔128可具有比与外部环形壁100相邻的第二空气喷射孔128的对应的直径158更大的直径158。以非限制性示例的方式，与内部环形壁98相邻的空气喷射孔128的直径158可为与外部环形壁100相邻的空气喷射孔128的直径158的1至5倍大。在另一个实施例中，空气喷射孔128的直径158可沿远离内部环形壁98的径向方向84增大。在其它实施例中，直径158可沿径向方向84沿着空气喷射管道120的长度156而大小交替。额外的空气喷射组件134的空气喷射孔138可具有相似构造。空气喷射孔128的直径158可与冷却空气70喷射到排气扩散器54中的速度相关联。通过改变空气喷射孔128的直径158，冷却流体70可按多种速度喷射到第一混合区域115中。冷却空气70和排气流46的变化的速度(例如，排气流46可具有变化的速度，部分原因是在排气扩散器54中扩散)可有利于湍流，湍流可改进排气流46和冷却空气70的混合和流分布。因此，经冷却排气流74可具有更均匀的温度分布(例如，基于在轴向位置处获得的混合物的横截面)。以示例的方式，空气喷射孔128的直径158可介于大约2英寸和大约7英寸之间。

在某些实施例中，空气喷射孔128还可具有在轴向方向82上变化的直径。例如，图5是空气喷射管道120的一部分的横截面图，空气喷射管道120具有在轴向方向82上具有变化的直径158的一个或多个空气喷射孔128。在示出的实施例中，空气喷射孔128的直径158沿轴向方向82朝向朝下游表面126增大。在其它实施例中，直径158可沿轴向方向82远离朝下游表面126增大。沿轴向方向82改变直径158允许冷却空气70以适合使排气流46和冷却空气70实现均匀混合的速度和流分布进入排气扩散器54。另外，改进冷却空气70的流分布可减小燃气涡轮系统10中的背压，以及提高排气扩散器54的性能。

在某些实施例中，空气喷射孔128可定向成相对于轴向方向82成角度。图6示出空气喷射管道120的实施例的一部分的横截面图。如上面论述的那样，空气喷射孔128将冷却空气70引导到第一混合区域115中。例如，冷却空气70可沿径向方向84流过空气喷射管道120，流向排气扩散器54的内部环形壁98。朝向空气喷射组件68下游的第一混合区域115，图6的空气喷射孔128使冷却空气70的流向从径向方向84变成轴向方向82。在这种实施例中，额外的空气喷射组件134也可按类似的方式将冷却空气70引导到第二混合区域140中。

如图6中显示的那样，空气喷射孔128相对于排气扩散器54的轴向轴线82成角度(例如，直角或10度、20度、30度、40度、50度、60度、70度或80度的锐角)。空气喷射孔128的角度可改变冷却空气70相对于轴向方向82在第一混合区域115内的方向。虽然在示出的实施例中，各个空气喷射孔128相对于相邻空气喷射开口128具有不同的角度，但空气喷射开口128的角度可取决于给定应用中的排气流46的特定特性而改变。例如，可选择空气喷射孔128的角度，以及空气喷射孔128的大小和形状，以在scr系统60对经冷却排气流74进行scr处理之前，对经冷却排气流74提供大体均匀混合、均匀温度和/或速度分布，以及改进流分布。

除了改进排气流46的冷却之外，与不包括空气喷射组件68的排气扩散器相比，将空气喷射组件68定位在排气扩散器54还可提高排气扩散器54的性能。例如，目前认识到，排气扩散器的中心本体96和中空支柱112大体通过排气扩散器在排气流46流中形成大尾流区域，这部分是因为中心本体96的钝端(例如，中心本体下游端114)和中空支柱112的圆柱形形状的原因。因而，中心本体下游端114和中空支柱112可在中心本体96下游产生逆流区域，这可降低排气扩散器性能，因为允许排气流46沿与下游方向50基本相反的方向流动。这会在排气扩散器54内产生不合需要的压力损失。因此，排气流46的压力减小，使得排气流的流能至少在排气流离开排气扩散器之前降低。排气流的压力和流能降低可降低排气扩散器中的排气扩散的有效性。排气在排气扩散器内的扩散效率低可导致系统10的压力恢复降低，以及导致冷却空气和排气流在排气扩散器下游的混合不均匀。但是，通过将空气喷射组件68定位在中心本体下游端114上，可减小钝形中心本体下游端114所产生的大尾流区域和逆流区域。

例如，如图7中显示的那样，轮毂116的轮毂直径164沿着中心线轴线90沿下游方向50逐渐减小。减小轮毂直径164会在轮毂表面170(例如，凹形表面)上产生弯曲部168。轮毂表面170的弯曲部168可改进排气流46在排气扩散器54内的流体动力学。例如，弯曲部168可最大程度地减小在大尾流和逆流区域中引起的排气流54的流分离。因此，排气扩散器54可使用排气流46的压力来使排气流46更高效地流过排气处理处理系统14。实际上，与在排气扩散器54内不包括空气喷射组件68的系统相比，在系统10上可实现高压力恢复和合乎需要的压降。这可对混合物产生更加合乎需要的流分布。因此，经冷却排气74可具有对于scr系统60高效移除或减少nox来说合乎需要的温度分布。

通过将额外的冷却空气70喷射到排气流46和冷却空气70的混合物，定位在轮毂116的尖部174处的中心空气喷射孔130也可有利于冷却。虽然在示出的实施例中，尖部174包括单个空气喷射孔130，但尖部174可包括多个空气喷射孔130，它们在沿着轮毂116的任何周向和轴向位置处沿周向86间隔开。空气喷射孔(一个或多个)130可进一步有利于排气流46的均匀混合和冷却，这部分是因为当冷却空气70喷射到排气扩散器54中可产生湍流。

根据上面描述的多种实施例，燃气涡轮系统10可比其它系统更高效地运行，而且可产生更少的排放。图8示出根据这样的实施例，燃气涡轮系统(例如，上面描述的燃气涡轮系统10)可用来冷却排气扩散器(例如，排气扩散器54)中的排气流(例如排气流46)的方法200的流程图。方法200包括对燃气涡轮发动机12的燃烧器20供应燃料36和压缩空气34(框204)，以及燃烧燃料36和压缩空气34而产生排气流46(框206)，如上面参照图1所描述的那样。

排气流46可包括可能需要减少或移除(例如，为了实现某些排放水平)的燃烧副产物，诸如氮氧化物(nox)、硫氧化物(sox)、碳氧化物(cox)和未燃烧的烃。因此，排气流46可在排气处理系统14中经受处理，以移除这些副产物。排气处理过程可包括在scr系统60中存在催化剂的情况下，使排气流46与还原剂62反应。催化剂的效率可受到离开涡轮22的排气流46的温度升高的影响。因此，排气流46可在scr系统60中经受处理之前被冷却。因此，方法200还包括将排气流46从涡轮22引导到排气扩散器(框210)，以及经冷却排气扩散器54中的排气流46而产生经冷却排气74(框212)。例如，空气喷射组件68、134可将冷却空气70喷射到排气扩散器54的混合区域115、140中。冷却流体70与排气流46混合，从而在排气流46流过排气扩散器54的混合区域115、140且随后流过过渡区段56时冷却排气流46。通过在排气扩散器54中启用冷却排气流46的过程，排气和冷却流体混合物在排气处理系统14内的驻留时间可增加。因而，经冷却排气74可具有均匀温度分布。另外，将空气喷射组件68、134定位在排气扩散器54内可提高扩散器性能，这部分是因为与在排气扩散器中不包括空气喷射组件的系统相比，在系统10上有较高的压力恢复和较低的总压降，如上面论述的那样。

方法200进一步包括将经冷却排气流74引导到scr系统62，以移除在燃料36燃烧期间产生的含氮副产物(框216)，以及从经冷却排气74中移除燃烧副产物(框218)。如上面论述的那样，用来使排气流46中的nox还原成氮(n2)和水(h2o)的催化剂的效率可受到排气流46在scr过程中时的温度的影响。在排气扩散器(例如，排气扩散器54)下游冷却的排气流可能未与冷却空气恰当地混合，从而使得排气流的冷却效率低。再次，经冷却排气流74的均匀温度分布可提高scr过程的效率，以及使nox排放量降低到大约3ppm的水平或低于3ppm的水平。

如上面论述的那样，本文阐述的多种技术可允许将冷却空气喷射到排气流中，以便加强排气流的温度和/或速度分布的均匀性，同时还冷却排气流，以加强选择性催化剂还原过程的有效性。例如，公开的技术包括将一个或多个空气喷射组件置于排气扩散器内。至少一个空气喷射组件可定位在排气扩散器的中心本体附近。将至少一个空气喷射组件定位在排气扩散器的中心本体附近可改进系统的压力恢复和降低与排气扩散器相关联的中心本体的钝形下游端和中空支柱所产生的逆流区域引起的总压力损失。另外，本文公开的技术可覆盖恒定或变化的空气喷射孔径的任何组合、孔间隙、孔几何构造，或者它们的改进排气流的流分布和/或速度的任何组合，以允许均匀地混合排气流和冷却空气。此外，在排气扩散器中将冷却空气添加到排气流可增加排气流和冷却空气混合物的驻留时间。因此，排气流和冷却空气可有更长的混合时间，从而与在排气扩散器的下游添加冷却空气的系统相比，提高温度均匀性。再次，应当理解，公开的空气喷射组件68、134的技术和构造仅仅意于为某些实施例的示例，而且决不应理解为限制。

本书面描述使用示例来公开本发明的实施例，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。