用于被动控制燃料流到燃气涡轮的轴向燃料级的自动热阀的制作方法

本发明发明一般涉及燃气涡轮，更具体地，涉及一种用于被动地控制到燃气涡轮的轴向燃料级(例如，延迟贫喷射)的燃料流的自动热阀(auto-thermalvalve)。

发明背景

燃气涡轮通常包括压缩机、包括一个或多个燃烧器的燃烧器部段和至少一个涡轮部段。压缩机排放空气被引导到每个燃烧器中，在燃烧器中，燃料被喷入、混合并燃烧。燃烧气体然后被引导到从燃烧气体中提取能量的涡轮部段。

燃气涡轮制造商目前正在参与研究和工程项目，以生产能高效运行而不产生不良的空气污染排放物的燃气涡轮。燃烧常规烃类燃料的燃气涡轮通常产生的主要空气污染排放物包括氮氧化物(nox)、一氧化碳(co)和未燃烃类。

在燃烧器的初级反应区中的燃料和空气的贫燃料预混燃烧在整个燃气涡轮工业中被广泛地用作降低空气污染物水平，特别是热nox排放水平的方法。将烃类燃料和空气经由轴向燃料级贫燃料直接喷射到初级反应区下游的燃烧器的次级反应区中，也已被证明是降低燃气涡轮的nox排放水平的有效方法。

技术实现要素：

本发明的第一方面提供了一种用于燃气涡轮的燃烧器，其包括：轴向燃料级燃料喷射器；以及被动致动阀(passively-actuatedvalve)，其用于基于燃料的特性来选择性地将燃料供应源引导到轴向燃料级燃料喷射器。

本发明的第二方面提供了一种涡轮系统，其包括：压缩机、燃烧器、和涡轮，燃烧器包括：轴向燃料级燃料喷射器；和被动致动阀，其用于基于燃料的特性选择性地将燃料供应源引导到轴向燃料级燃料喷射器。

其中，所述热致动阀在所述温度设定点处开始打开，并且其中，所述热致动阀在高于所述温度设定点的目标温度下完全打开。

所述涡轮系统还包括初级反应区和在所述初级反应区下游的次级反应区，并且其中，当所述热致动阀打开时，所述轴向燃料级燃料喷射器将燃料喷射到所述燃烧器的所述次级反应区。

本发明的第三方面提供了一种方法，该方法包括：

控制燃气涡轮的燃烧器中的燃料的温度；以及基于燃料的温度选择性地致动燃烧器中的被动的热致动阀，以将燃料喷射到燃烧器的轴向燃料级中。

本发明的示例性方面设计用于解决本说明书描述的问题和/或未讨论的其它问题。

附图说明

根据结合附图的本发明的各个方面的以下详细描述，本发明的这些和其它特征将更容易被理解，附图描绘了本发明的各种实施例。在附图中，类似的数字表示类似的元件。

图1是根据实施例的联合循环燃气发电系统的示意图。

图2是根据实施例的燃气涡轮系统的燃烧器部段的横截面图。

图3是根据实施例的具有处于关闭状态的自动热阀的图2的燃烧器的头端区域的局部放大横截面图。

图4是根据实施例的具有处于打开状态的自动热阀的图2的燃烧器的头端区域的局部放大横截面图。

图5是根据实施例的描绘燃料温度与通过自动热阀的燃料流量关系的图表。

图6描绘了根据实施例的关闭构型的自动热阀。

图7描绘了根据实施例的处于打开构型的图6的自动热阀。

图8描绘了根据实施例的处于完全打开构型的图6的自动热阀。

应当指出，本发明的附图未必按比例绘制。附图旨在仅示出本发明的典型方面，因此不应视为是对本发明范围的限制。在附图中，相同的数字表示各图之间的相同元件。

具体实施方式

本发明一般涉及燃气涡轮，更具体地，涉及一种用于被动地控制到燃气涡轮的轴向燃料级(例如，延迟贫喷射)的燃料流的自动热阀(auto-thermalvalve)。

在图中，例如如图1所示，“a”轴线表示轴向取向。如本说明书所用，术语“轴向”和/或“轴向地”是指物体沿着轴线a的相对位置/方向，其基本上平行于涡轮机械(特别是转子部段)的旋转轴线。如本说明书进一步所用，术语“径向”和/或“径向地”是指沿着轴线(r)的物体的相对位置/方向，其基本上垂直于轴线a，并且仅在一个位置处与轴线a相交。此外，术语“周向”和/或“周向地”是指物体沿着围绕轴线a但不在任何位置处与轴线a相交的圆周(c)的相对位置/方向。在描述中，一组元件包括一个或多个元件。

转到图1，示出了示例性联合循环发电系统2的部分的示意图。联合循环发电系统2包括可操作地连接到发电机6的燃气涡轮系统4和可操作地联接到另一发电机10的蒸汽涡轮系统8。发电机6和燃气涡轮系统4可以通过轴12机械地联接。图1中还示出可操作地连接到燃气涡轮系统4和蒸汽涡轮系统8的热交换器14。热交换器14可以经由常规的管道(省略编号)流体地连接到燃气涡轮系统4和蒸汽涡轮系统8。

燃气涡轮系统4包括压缩机系统16和燃烧器系统18。燃气涡轮系统4还包括联接到轴12的燃气涡轮20。在操作中，空气22进入压缩机系统16的入口，被压缩，然后排出到燃烧器系统18，在那里，燃烧器24的供应被燃烧以提供驱动燃气涡轮20的热的高能量燃烧气体26。通常，燃烧器系统18包括周向地间隔开的燃烧器11(图2)的圆形阵列，每个燃烧器包括用于将燃料喷射到燃烧区域中的至少一个燃料喷嘴。在燃气涡轮20中，热气体的能量被转换成功，其中一些功用于通过旋转轴12驱动压缩机系统16，其余可用于有用的功以经由轴12驱动诸如发电机6的负载以产生电力。在本发明中，仅示出了一个燃烧器11，应当理解，燃气涡轮系统4中的其它燃烧器基本上类似于所示的燃烧器11。

图1还表示简单形式的联合循环，其中离开燃气涡轮20的热排气28中的能量被转换成额外的有用功。排气28进入热交换器14，在热交换器14中，水被转换成蒸汽34。蒸汽涡轮系统8可以包括一个或多个蒸汽涡轮30(仅示出一个)，例如高压(hp)涡轮、中压(ip)涡轮和低压(lp)涡轮，每个涡轮联接到轴32。蒸汽涡轮30包括机械地联接到轴32的多个旋转叶片(未示出)。在操作中，蒸汽34从热交换器14进入蒸汽涡轮30的入口，并且被引导以在蒸汽涡轮30的叶片上施加力，从而导致轴32旋转。旋转轴32可以联接到发电机10以产生额外的电力。燃料24可以使用例如在热交换器14中生成的热水和/或蒸汽、使用燃料加热器和/或以任何其它合适的方式加热(例如，以提高燃气涡轮系统4的效率)。可操作地联接到燃气涡轮系统4和蒸汽涡轮系统8的燃料控制系统36监测并调节燃料24的温度。

根据实施例，本发明提供了对燃料温度敏感的至少一个被动自动热阀，用于选择性地将燃料引导到燃气涡轮系统的燃烧器的一组轴向燃料级(afs)燃料喷射器(例如，延迟贫燃料喷射器)。自动热阀可以位于例如燃烧器的端盖内的燃料通道中。燃料可以包括例如在dln2.6+燃烧器(generalelectric)中使用的预混燃料(例如，pm2、pm3)。

自动热阀被构造成在低于温度设定点的燃料温度下关闭，并在高于温度设定点的燃料温度下打开。当自动热阀关闭时，阻止燃料流入afs燃料喷射器。当自动热阀打开时，允许燃料流向该组afs燃料喷射器。

自动热阀响应于燃料温度，燃料温度可以例如通过上述燃料控制系统36来控制。在实施例中，燃料控制系统36控制环境燃料温度和目标燃料温度之间的燃料温度。在环境燃料温度和目标燃料温度之间设定中间燃料温度。自动热阀被构造成使得其温度设定点等于中间燃料温度。

在中间燃料温度及以下，自动热阀关闭，并且没有燃料流向afs燃料喷射器。当燃气涡轮达到期望的输出水平时，燃料控制系统36将燃料温度朝目标温度升高。在高于中间燃料温度的燃料温度下，自动热阀开始打开。当达到目标温度时，自动热阀完全打开，并向afs燃料喷射器供应满流量的燃料。

图2描绘了根据实施例的燃气涡轮系统2的燃烧器11的简化横截面图。

燃气涡轮系统2的燃烧器11包括封闭在压缩机排气壳体42内的燃烧室40。一般而言，位于燃烧室40和压缩机排气壳体42之间的容积44接收从压缩机部段4排放的压缩空气8的流。压缩空气8的流通过容积44朝向燃烧器11的头端46传输，头端46由端盖组件48封闭。

燃烧室40还包括初级反应区50，在其中，由一组燃料喷射器68引入的燃料与压缩空气8混合。燃料/空气混合物在初级反应区50内被点燃并燃烧以生成热燃烧气体26的流。热燃烧气体26进入并通过次级反应区52和过渡管道54到涡轮部段16。在涡轮部段16中，热燃烧气体26可以用于例如驱动转子轴(例如，图1中的轴12)以产生功率。

在燃气涡轮系统4的燃烧器11的一些操作阶段期间，附加的燃料可以被喷入位于初级反应区50下游的次级反应区52中。通常，在轴向分级中，初级反应区设计用于在低功率下的最佳性能(和低排放)。当需要更多的功率时，燃料可以被喷射到初级反应区下游的一个或多个反应区中。

根据实施例，本发明可以提供包括一组afs燃料喷射器62的喷射器组件60，用于将燃料64的供应源(具有或不具有诸如空气的载体流体)喷射到次级反应区52中。燃料64被离开初级反应区50的热气体26点燃，并且所得到的燃烧在过渡导管54中完成。如下面参照图3和图4详细描述的，燃料64基于自动热阀66的状态被选择性地供应到喷射器组件60。

端盖组件48可以包括用于将燃料(例如，燃料64)供应到多个燃料喷嘴68的各种供应通道、歧管和相关联的阀(图2中未示出)，燃料喷嘴68被构造成将燃料和/或预混合的空气/燃料喷射到初级反应区50中以进行燃烧。也可以通过端盖组件48将其它流体(例如，空气、水、油和/或类似物)供应到燃料喷嘴68和/或燃烧部段10的其它部件。

在图3和图4中描绘了图2的燃烧器11的头端46的局部放大横截面图，并且继续参考图2。如图所示，燃料64的供应源流入在端盖组件48中或穿过端盖组件48形成的至少一个燃料通道70。根据一个或多个自动热阀66(在本示例中仅一个)的状态(例如，关闭、打开)，燃料64通过一组燃料通道72被选择性地引导到喷射器组件60的afs燃料喷射器62。燃料64还经由至少一个燃料通道74供应到燃烧器11的头端46中的一组燃料喷嘴68。燃料64流过燃料通道70，并独立于自动热阀66的状态经由燃料通道74流到一组燃料喷嘴68。

燃料通道72通过自动热阀66将燃料通道70流体地联接到喷射器组件60的燃料喷射器62。在图3和图4所示的构型中，示出了两个燃料通道72，但是可以使用任何数量的燃料通道72。此外，可以使用多个自动热阀66，每个自动热阀66控制燃料64向一个或多个燃料通道72内的流动。

自动热阀66包括温度设定点，使得自动热阀66在低于温度设定点的燃料温度下关闭，并且在高于温度设定点的燃料温度下打开。从这个意义上说，自动热量阀66的操作由通过燃料通道70并经过自动热阀66的燃料64的温度控制。如上文详述的，燃料64的温度由燃料控制系统36控制。因此，燃料控制系统36通过调节燃料64的温度间接地控制自动热阀66的操作。

如图3所示，当燃料64的温度低于自动热阀66的温度设定点(例如，低于由燃料控制系统36(图1)设定的中间燃料温度)时，自动热阀66处于关闭状态，并且阻止燃料64流入该组燃料通道72。因此，燃料64不经由喷射器组件60的燃料喷射器62喷射到次级反应区52中。如此，在燃料64的温度(由燃料控制系统36控制)低于自动热阀66的温度设定点的燃料器11的部分负荷操作(运行状况)下，燃料64经由燃料通道74流到该组燃料喷嘴68，但是不通过该组燃料通道72流到喷射器组件60的afs燃料喷射器62。

随着燃烧器11的操作负载增加，燃料控制系统36升高进入和通过燃料通道70并且经过自动热阀66的燃料64的温度。当燃料64的温度升高到自动热阀66的温度设定点以上时，自动热阀66开始进入打开状态，其中至少一些燃料64被允许流过燃料通道72到达喷射器组件60的燃料喷射器62。随着燃料64的温度在燃料控制系统36的控制下朝由燃料控制系统36设定的目标温度增加，自动热阀66进一步打开。在目标温度下，自动热阀66完全打开，并且燃料64的最大流量被供应到喷射器组件60的燃料喷射器62。然而，无论自动热阀66的状态如何，通过燃料通道74到该组燃料喷嘴68的燃料64的流动都不会中断。

应当注意，自动热阀66完全打开的“目标”温度可能不一定对应于基本负载操作时的燃料温度。例如，根据实施例，自动热阀66可以在低于基本负载操作时的燃料温度的燃料温度下完全打开，使得系统中的所有自动热阀66在考虑到阀门制造中的微小变化之后将完全打开。

图5中描绘了自动热阀66的行为的图表。在温度设定点tset以下，燃料64不流过自动热阀66。随着燃料64的温度升高到tset以上，燃料64开始流过自动热阀66。随着温度接近目标温度ttarget，通过自动热阀66的燃料64的流量继续增加，在目标温度处，最大量的燃料64通过自动热阀66。如上所述，自动热量阀66可以在低于以基本负载操作时的燃料温度tbaseload的燃料温度下完全打开。

端盖组件48中的门96提供到自动热阀66的通路(例如，用于安装、修理和/或更换自动热阀66)。尽管仅描绘了一个自动热阀66，但是可以使用多个自动热阀66。多个自动热阀66中的每一个可以具有相同或不同的温度设定点和目标温度。

燃料控制系统36(图1)在燃气涡轮系统4的操作期间监测并调节燃料64的温度。因此，燃料控制系统36可以通过将燃料64的温度升高到自动热阀66的温度设定点以上来“打开”自动热阀66，并且可以通过将燃料64的温度降低到自动热阀66的温度设定点以下来“关闭”自动热阀66。

自动热阀66对燃料64的温度敏感，并且被被动地致动。换句话说，不需要控制连接和传感器信号。例如，自动热阀66可以通过联接到可移动活塞的温度敏感流体的膨胀而被动地致动。

在图6-8中描绘了根据实施例的自动热阀66。也可以使用其它合适类型的自动热阀66。如图所示，自动热阀66包括阀部段102，其包括一个或多个燃料入口端口104和燃料出口端口106。自动热阀66还包括外壳108，外壳108包围波纹管或其它可膨胀元件110，可膨胀元件110包括可热膨胀材料112。可膨胀元件110联接到杆114。阀盘116联接到杆114的远端。可热膨胀材料112可以包括例如硅传热流体、热盐或油，或者能够提供本说明书所述功能的任何其它合适的可热膨胀材料。

自动热阀66在图6中显示处于关闭构型(closedconfiguration)(例如，燃料64的温度低于自动热阀66的温度设定点)。在关闭构型中，阀盘116的表面118密封地接合邻近燃料出口端口106形成的互补(例如，圆锥形)阀座120。通常，阀盘116和阀座120可以具有任何合适的构型，其能够形成密封以防止燃料64流过流体出口端口106。在关闭构型中，燃料64的流动被阻止从(多个)燃料入口端口104通过燃料出口端口106流入下游位置。

燃料64的温度升高导致可热膨胀元件110内的可热膨胀材料112的膨胀。外壳108内的可膨胀元件110的扩大(例如，如箭头122所示)迫使杆114和阀盘116远离阀座120和燃料出口端口106。

在自动热阀66的温度设定点之上，阀盘116的表面118不再形成抵靠阀座120的密封。这允许燃料64从燃料入口端口104流过气流出口端口106(如虚线箭头所示)进入下游位置。当燃料64的温度达到目标温度时，如图8所示，可膨胀元件110完全扩大，从而允许最大量的燃料64从燃料入口端口104流过气流出口端口106。

自动热阀66被构造成在燃料温度范围内打开。在这种情况下，自动热阀66可以在第一温度下开始打开，并且在第二较高温度下完全打开。

各种可热膨胀材料112可以在不同的自动热阀66中使用以提供不同的热膨胀系数。这提供了例如不同的自动热阀66的不同的打开/关闭温度设定点。此外，通常，可以使用任何数量的自动热阀66。此外，尽管自动热阀66在附图中显示为设置在特定位置，但是这些位置仅用于描述目的；在燃气涡轮系统中可能存在其它合适的位置。

在其它实施例中，可以使用压敏阀(pressure-sensitivevalve)来代替自动热阀66中的一个或多个或作为其补充。在这种情况下，当燃料温度高到足以将横跨燃料喷嘴的压降推到足够高的水平时，压敏阀将打开。当然，也可以使用主动控制阀来代替自动热阀66中的一个或多个或作为其补充。

自动热阀的使用使得能够将afs燃料分级添加(例如改装)到现有的燃烧器，而不需要包括燃料歧管和控制阀的完整且昂贵的燃料回路。到afs燃料喷射器的燃料流量被间接地控制，其中控制“信号”通过燃料温度传递到自动热阀。将燃料导引至通常位于过渡导管上或附近的afs燃料喷射器所需的管道和/或管路不需要太多的空间、并且限于在afs燃料喷射器和端盖组件之间提供管路。与当今的技术相比，这使制造商能够以非常低的成本提供具有afs的升级封装。使用(多个)自动热阀的afs将能够显著改善燃气涡轮减负载(turndown)(最小的排放合规负载)。其原因之一是因为afs空气流绕过燃烧器头端，而自动热阀使得所有燃料能够在低功率条件下被导引到前端，从而增加头端温度，并使co在流离开燃烧器之前能够完全反应。

在各种实施例中，描述为彼此“联接”的部件可以沿着一个或多个接口连结。在一些实施例中，这些接口可以包括不同部件之间的交界，并且在其它情况下，这些接口可以包括牢固地和/或一体地形成的互连部。也就是说，在一些情况下，可以同时形成彼此“联接”的部件以限定单个连续构件。然而，在其它实施例中，这些联接的部件可以形成为分离的部件，并且随后通过已知的工艺(例如，紧固、超声焊接、结合)连结。

当元件或层被称为在另一元件“上”、“接合到”、“连接到”或“联接到”另一元件时，其可以直接在该另一元件上、直接接合、直接连接或联接到该另一元件，或者可以存在居间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件上面”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一元件时，可以不存在居间元件或层。应以类似方式来解释用来描述元件之间的关系的其它词语(例如，“在...之间”对比“直接在...之间”、“邻近于”对比“直接邻近于”等)。如本说明书所用，术语“和/或”包括相关的所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。

本说明书所用的技术术语仅用来描述特定实施例，而并非旨在限制本发明。如本说明书所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文明确表示不是这样。进一步应当理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或增加。

本说明书用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定，且可包括所属领域的技术人员所想到的其它实例。如果此类其它实例具有与所附权利要求的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，那么此类其它实例意图在所附权利要求的范围内。