具有面板式燃料喷射器的燃烧系统的制作方法

本发明是在由美国能源部颁发的合同号de-fe0023965的政府支持下做出。政府享有本发明的某些权利。

相关申请案的交叉引用

本申请案要求提交日为2016年3月25日的美国临时专利申请序列号62/313,232的申请权益，并且该申请案全文以引用方式并入本文。

本公开大体上涉及一种用于燃气涡轮机中的分段燃烧系统。更具体地，本公开涉及一种具有多个面板式燃料喷射器的分段燃烧系统。

背景技术：

工业燃气涡轮机燃烧系统通常燃烧碳氢燃料并且产生污染空气的排放物，诸如氮氧化物(nox)和一氧化碳(co)。燃气涡轮机中的分子氮的氧化取决于位于燃烧器中的气体温度，以及位于燃烧器内的最高温度区域中的反应物的停留时间。因此，通过将燃烧器温度维持为低于产生nox的温度或通过限制反应物在燃烧器中的停留时间，可减少或控制由燃气涡轮机产生的nox的量。

一种用于控制燃烧器温度的方法涉及在燃烧之前预先混合燃料和空气以形成燃料-空气混合物。此方法可以包括对燃料喷射器的轴向分级，其中一个或多个喷射器位于燃烧器的上游端并且一个或多个喷射器位于轴向下游的位置。上游喷射器将第一燃料-空气混合物喷射到第一或主要燃烧区中，在第一或主要燃烧区，第一燃料-空气混合物被点燃以产生高能燃烧气体主流。第二燃料-空气混合物经由定位在主要燃烧区下游的多个径向定向且周向间隔的燃料喷射器或轴向分级的燃料喷射器组件被喷射到高能燃烧气体主流中并且与其混合。

轴向分级的喷射提高可用燃料完全燃烧的可能性，这继而又减少污染空气的排放物。然而，对于常规的轴向分级的燃料喷射燃烧系统来说，平衡流向各个燃烧器部件的空气流量、对用于第一燃料-空气混合物的燃烧器的头端的空气流量要求和/或流向用于第二燃料-空气混合物的轴向分级的燃料喷射器的压缩空气流量，同时在燃气涡轮机的整个操作范围内维持排放物合规性存在各种挑战。因此，在工业中，一种包括轴向分级的燃料喷射的改进的燃气涡轮机燃烧系统将会是有用的。

技术实现要素：

各方面和优点在以下描述中阐述如下，并且可以通过描述而显而易见，或可以通过实践来了解。

本公开的一个实施方式针对一种环形燃烧系统。所述环形燃烧系统包括内衬和外衬，所述外衬布置在所述内衬的径向向外的位置。所述内衬和所述外衬在其之间限定了环绕所述燃烧系统的中线的环形空间。所述环形空间包括限定在其上游端的多个主要燃烧区并还限定在所述主要燃烧区下游的多个次要燃烧区。所述环形燃烧系统还包括多个燃料喷嘴，其中至少一个燃料喷嘴将可燃烧混合物排放到所述多个主要燃烧区中的相应主要燃烧区中。多个面板式燃料喷射器布置在相邻的燃料喷嘴之间。所述多个面板式燃料喷射器沿着轴向下游的方向延伸，以便分开相邻的主要燃烧区。每个面板式燃料喷射器将可燃烧混合物排放到至少一个次要燃烧区中。

本公开的另一实施方式针对一种燃烧系统。所述燃烧系统包括多个面板式燃料喷射器，所述多个面板式燃料喷射器围绕所述燃烧系统的轴向中线而布置成环形阵列。每对相邻的面板式燃料喷射器被燃料喷嘴周向地分开。每对相邻的面板式燃料喷射器包括第一面板式燃料喷射器，所述第一面板式燃料喷射器包括第一侧壁、第二侧壁和多个第二侧预混合通道，所述第二侧壁限定多个第二侧喷射出口，所述多个第二侧预混合通道限定在所述第一侧壁与所述第二侧壁之间。所述第一面板式燃料喷射器的每个第二侧预混合通道与所述多个第二侧喷射出口中的相应第二侧喷射出口流体连通。所述第一侧壁和所述第二侧壁在所述第一面板式燃料喷射器的后端处互连或终止。所述第一面板式燃料喷射器的所述后端布置在接近于第一静止喷嘴的前缘的位置。所述多个面板式燃料喷射器还包括第二面板式燃料喷射器，所述第二面板式燃料喷射器具有第一侧壁、第二侧壁和多个第一侧预混合通道，所述第二侧壁限定多个第一侧喷射出口，所述多个第一侧预混合通道限定在所述第一侧壁与所述第二侧壁之间。所述第二面板式燃料喷射器的每个第一侧预混合通道与相应第一侧喷射出口流体连通。所述第一侧壁和所述第二侧壁在所述第二面板式燃料喷射器的后端处互连或终止。所述第二面板式燃料喷射器的所述后端布置在接近于第二静止喷嘴的前缘的位置。

在审阅本说明书之后，本领域的普通技术人员将更好地了解此类实施方式的特征和方面，以及其他特征和方面。

附图说明

在本说明书的剩余部分中，包括参考附图，更具体地阐述各种实施方式的完整且能够实现的公开内容，包括对于本领域的技术人员来说本公开内容的最佳模式，其中：

图1是可并入本公开的各种实施方式的示例性燃气涡轮机的功能框图；

图2是根据本公开的至少一个实施方式的燃气涡轮机的示例性燃烧部段的上游视图；

图3提供了根据本公开的至少一个实施方式的示例性分段环形燃烧系统的一部分的下游或后侧视图；

图4提供了根据本公开的至少一个实施方式的如图3所示的分段环形燃烧系统的一部分的上游或前侧视图；

图5提供了根据本公开的至少一个实施方式的图3的示例性分段环形燃烧系统的一部分的透视图；

图6提供了根据本公开的至少一个实施方式的沿着如图5所示的剖面线a-a截取的示例性束管式燃料喷嘴的一部分的横截面透视图；

图7提供了根据本公开的各种实施方式的安装在燃烧器的外部壳体内的环形燃烧系统的横截面侧视图；

图8提供了根据本公开的至少一个实施方式的示出示例性面板式燃料喷射器的第一侧壁的透视图；

图9提供了根据本公开的至少一个实施方式的如图8所示的示例性燃料喷射面板的第二侧壁的透视图；

图10提供了根据本公开的至少一个实施方式的沿着如图8所示的剖面线b-b截取的示例性面板式燃料喷射器的横截面俯视图；

图11提供了根据本公开的至少一个实施方式的沿着如图9所示的剖面线c-c截取的示例性面板式燃料喷射器的横截面俯视图；

图12提供了根据本公开的至少一个实施方式的束管式燃料喷嘴和一对周向相邻的面板式燃料喷射器的横截面俯视图；

图13提供了根据本公开的至少一个实施方式的束管式燃料喷嘴和一对周向相邻的面板式燃料喷射器的横截面俯视图；

图14提供了根据本公开的至少一个实施方式的面板式燃料喷射器和涡轮机喷嘴的示例性布置的简化的透视图；

图15是根据本公开的一个或多个实施方式的在示例性面板式燃料喷射器与示例性静止喷嘴的一部分之间的布置的放大横截面俯视图；

图16提供了根据本公开的至少一个实施方式的面板式燃料喷射器和涡轮机喷嘴的示例性布置的简化的透视图；

图17提供了根据本公开的至少一个实施方式的示例性面板式燃料喷射器的一部分的俯视横截面透视图；

图18提供了根据本公开的至少一个实施方式的示例性面板式燃料喷射器、束管式燃料喷嘴、内衬的一部分和外衬的一部分的透视图；

图19提供了根据本公开的至少一个实施方式的如图18所示的面板式燃料喷射器的一部分的放大横截面图；

图20提供了根据本公开的至少一个实施方式的示例性面板式燃料喷射器的一部分的透视图；

图21提供了根据本公开的至少一个实施方式的示例性燃烧器分段的一部分的透视图；

图22提供了根据本公开的至少一个实施方式的表示示例性内衬的一部分或示例性外衬的一部分的示出图；以及

图23提供了根据本公开的至少一个实施方式的表示示例性内衬的一部分或示例性外衬的一部分的示出图。

具体实施方式

现将详细参考本公开的各种实施方式，这些实施方式中的一个或多个实例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标识来指称附图中的特征。附图和描述中相似或类似的标识已经用来指称本公开的相似或类似的部分。

如本文所使用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换地使用以将一个部件与另一部件区分开来，并且并不旨在表示各个部件的位置或重要性。术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体流自的方向，“下游”是指流体流向的方向。术语“径向地”是指基本上垂直于特定部件的轴向中线的相对方向，术语“轴向地”是指基本上平行于和/或同轴地对准特定部件的轴向中线的相对方向，并且术语“周向地”是指围绕特定部件的轴向中线延伸的相对方向。

本文所使用的术语仅是出于描述特定实施方式的目的，而不旨在进行限制。如本文所使用，除非在上下文另外明确指出，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在包括复数形式。还将理解，术语“包括(comprises和/或comprising)”当在本说明书中使用时指定所表述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。

每个实例以解释而非限制的方式提供。实际上，将对本领域的技术人员显而易见的是，在不背离本公开的范围或精神的情况下可做出修改和变化。例如，示出或描述为一个实施方式的部分的特征可用于另一实施方式以产生又一实施方式。因此，本公开将旨在包括在随附的权利要求书和其等效物的范围内的修改和变化。

虽然为了说明目的，将大体上在用于陆基发电燃气涡轮机的分段环形燃烧系统的上下文中描述本公开的示例性实施方式，但是本领域的普通技术人员将容易地了解，除非在权利要求书中具体地陈述，否则本公开的实施方式可应用于任何类型的涡轮机械，而不限于用于陆基发电燃气涡轮机的环形燃烧系统。

现在参考附图，图1示出了示例性燃气涡轮机10的示意图。燃气涡轮机10一般地包括入口部段12、布置在入口部段12下游的压缩机14、布置在压缩机14下游的燃烧部段16、布置在燃烧部段16下游的涡轮机18和布置在涡轮机18下游的排放部段20。另外，燃气涡轮机10可以包括将压缩机14耦接到涡轮机18的一个或多个轴22。

在操作期间，空气24流过入口部段12并且进入压缩机14，在所述压缩机中，空气24逐渐地被压缩，由此将压缩空气26提供到燃烧部段16。压缩空气26的至少一部分在燃烧部段16内与燃料28混合并燃烧以产生燃烧气体30。燃烧气体30从燃烧部段16流入涡轮机18中，其中能量(动能和/或热能)从燃烧气体30传递到转子叶片(未示出)，由此致使轴22旋转。机械旋转能量可以然后用于各种目的，诸如为压缩机14供电和/或进行发电。离开涡轮机18的燃烧气体30可以然后经由排放部段20从燃气涡轮机10排放。

图2提供了根据本公开的各种实施方式的燃烧部段16的上游视图。如图2所示，燃烧部段16可至少部分地被外部或压缩机排气壳体32包围。压缩机排气壳体32可至少部分地限定至少部分地包围燃烧部段16的各种部件的高压增压室34。高压增压室34可以与压缩机14(图1)流体连通，以便从中接收压缩空气26。

在各种实施方式中，如图2所示，燃烧部段16包括分段环形燃烧系统36。如图2所示，分段环形燃烧系统36包括一系列的燃料喷嘴100和对应的一系列的中空或半空面板式燃料喷射器200，其以交替的方式围绕燃烧部段16的轴向中线38布置成环形阵列。面板式燃料喷射器200在内衬300与外衬400之间径向地延伸(相对于中线38)，从而在燃烧部段16内形成径向内部和径向外部的燃烧气体流动边界。燃料喷嘴100布置在内衬300与外衬400之间，但是不一定跨其之间的整个半径延伸。

图3提供了根据本公开的至少一个实施方式的分段环形燃烧系统36的一部分的下游或后侧视图。图4提供了根据本公开的至少一个实施方式的分段环形燃烧系统36的一部分的上游或前侧视图。在特定实施方式中，如图3和图4共同地所示，每个面板式燃料喷射器200周向地分开两个周向地相邻的燃料喷嘴100。在本文所示的实施方式中，燃料喷嘴100被示出并描述为束管式燃料喷嘴，但应清楚，可替代地使用其他类型的燃料喷嘴。例如，一个或多个燃料喷嘴(例如，喷枪)或燃烧器可以安装在盖面分段(未单独地示出)中，所述盖面分段在内衬300与外衬400之间径向地延伸并且在相邻的面板式燃料喷射器200之间周向地延伸。除非在上下文另外指出，否则对“束管式燃料喷嘴100”的任何提及旨在涵盖任何类型的燃料喷嘴。

在特定实施方式中，如图3所示，密封件40(诸如浮动套环密封件、弹簧密封件或呼拉密封件)可附接到束管式燃料喷嘴100中的一个或多个的侧壁。在特定实施方式中，如图4所示，密封件42(诸如浮动套环密封件、弹簧密封件或呼拉密封件)可附接到面板式燃料喷射器200中的一个或多个的侧壁。密封件40、42可以用于防止、减少和/或控制在燃烧部段16的操作期间相邻的束管式燃料喷嘴100与相应面板式燃料喷射器200之间的空气泄漏。

在特定实施方式中，如图2、图3和图4共同地所示，分段环形燃烧系统36可细分成单独的燃烧器分段44。每个燃烧器分段44可以包括两个或更多个(束管式)燃料喷嘴100和至少一个面板式燃料喷射器200。在特定实施方式中，如图2和图4所示，内衬300和/或外衬400可细分成对应于燃烧器分段44中的一个或多个的多个部段。

图5提供了根据本公开的至少一个实施方式的示例性燃烧器分段44的透视图。在特定实施方式中，如图5所示，燃烧器分段44中的一个或多个可耦接到端盖46，端盖被形成为耦接到和/或密封燃烧部段16的压缩机排气壳体32(图2)。在特定实施方式中，束管式燃料喷嘴100可经由一个或多个流体导管102流体耦接到端盖46和/或燃料供应(未示出)。在特定实施方式中，面板式燃料喷射器200中的一个或多个可经由一个或多个流体导管202流体耦接到端盖46和/或燃料供应(未示出)。

图6提供了根据本公开的至少一个实施方式的沿着如图5所示的剖面线a-a截取的示例性束管式燃料喷嘴100的一部分的横截面透视图。在各种实施方式中，如图6所示，束管式燃料喷嘴100包括外壳主体104。外壳主体104包括前或上游板或面106、后或下游板或面108和外部壁或防护罩110，所述外部壁或防护罩从前板106和后板108和/或在前板与后板之间轴向地延伸并且可以限定束管式燃料喷嘴100的径向外部的周边。束管式燃料增压室112限定在外壳主体104内。在特定实施方式中，束管式燃料增压室112可至少部分地由前板106、后板108和外部防护罩110限定和/或被限定在其之间。

如图6所示，多个管114轴向地延伸穿过前板106、束管式燃料增压室112和后板108。多个管114中的每个管114包括限定在前板106处或其上游的入口116和限定在后板108处或其下游的出口118。管114中的每一个限定相应预混合通道120，所述相应预混合通道在相应的入口116与出口118之间延伸。管114中的至少一些包括或限定与束管式燃料增压室112流体连通的至少一个燃料端口122。燃料端口122提供从束管式燃料增压室112到相应管114的相应预混合通道120内的流体连通。

在操作中，气态燃料(或在一些实施方式中，重新形成为气态混合物的液态燃料)经由燃料端口122从束管式燃料增压室112流入管114中的每一个的相应预混合通道120中，在所述相应预混合通道中，燃料与进入每个管114的相应入口116的空气混合。燃料端口122可以沿着相应管114相对于束管式燃料喷嘴100的中线定位在单个轴向平面中或定位在多于一个轴向平面中，例如，如果需要多头布置来处理或调节两个相邻的主要燃烧区48之间的燃烧动力或减轻分段环形燃烧系统36与涡轮机18之间的相干轴向模式。

在特定实施方式中，束管式燃料增压室112可经由壁或其他特征(未示出)细分或划分成限定在外壳主体104内的两个或更多个束管式燃料增压室112。在此实施方式中，多个管114的第一管子组可经由第一束管式燃料增压室被供给燃料，并且多个管114的第二管子组可经由第二束管式燃料增压室被独立地供给燃料。束管式燃料喷嘴100可经由铸造或增材制造制成为集成部件以降低成本并简化组装件。

如图6所示，流体导管102可耦接到和/或延伸穿过前板106，并且可以提供通向束管式燃料增压室112中的流体连通。在特定实施方式中，如图6所示，一个或多个束管式燃料喷嘴100可以包括内管124，所述内管在相应流体导管102内轴向地延伸并且穿过相应后板108。内管124可以穿过束管式燃料喷嘴100限定筒或空气通路126，所述筒或空气通路能够固持液体燃料筒、传感器、点火器或某些其他部件。在特定实施方式中，筒通道126可以延伸穿过后板108。

图7提供了根据本公开的各种实施方式的安装在燃烧部段16的压缩机排气壳体32内的环形燃烧系统36的横截面侧视图。如图7所示，内衬300、外衬400和每个相应面板式燃料喷射器200至少部分地限定主要燃烧腔室或区48，所述主要燃烧腔室或区限定自多个束管式燃料喷嘴100中的相应束管式燃料喷嘴100的下游。如图2所示，内衬300、外衬400和多个面板式燃料喷射器200限定多个环形布置的主要燃烧区48，所述多个环形布置的主要燃烧区结构上和/或流体地相对于彼此隔离。轴向间隙50形成在每个面板式燃料喷射器200的后端210与布置在接近于涡轮机的入口(图1)的位置的静止喷嘴54的前缘(或前部)52之间。次要燃烧区56不受面板式燃料喷射器200阻碍(即，次要燃烧区56分布在面板式燃料喷射器200的后端210下游的内衬300与外衬400之间的环形空间的部分内)。

图8提供了根据本公开的至少一个实施方式的示出示例性面板式燃料喷射器200的第一侧壁204的透视图。图9提供了根据本公开的至少一个实施方式的如图8所示的示例性燃料喷射面板200的第二侧壁206的透视图。如图8和图9共同地所示，每个面板式燃料喷射器200包括第一侧壁204、第二侧壁206、前壁或上游端部208、后端或下游端210、底壁(或径向内壁)212和顶(或径向外部)壁214。第一侧壁204和第二侧壁206在后端210处终止和/或互连。

图10提供了根据本公开的至少一个实施方式的沿着如图8所示的剖面线b-b截取的示例性面板式燃料喷射器200的横截面俯视图。图11提供了根据本公开的至少一个实施方式的沿着如图9所示的剖面线c-c截取的面板式燃料喷射器200的横截面俯视图。如图10和图11共同地所示，第一侧壁204包括外(或热)侧表面216和内(或冷)侧表面218。如图10和图11共同地所示，第二侧壁206包括外(或热)侧表面220和内(或冷)侧表面222。第一侧壁204的外侧表面216和第二侧壁206的外侧表面220在燃烧系统36的操作期间暴露于燃烧气体。

在各种实施方式中，如图8、图9、图10和图11共同地所示，每个面板式燃料喷射器200包括预混合空气增压室或凹坑224(在图8和图9中以隐线示出)和一个或多个燃料分配增压室226(在图8和图9中以虚线示出)，其在相应面板式燃料喷射器200内限定在相应的第一侧壁204与第二侧壁206之间。如图8和图9所示，燃料分配增压室226和/或预混合空气增压室224可以在相应的径向内壁212与径向外壁214之间径向地延伸。在特定实施方式中，燃料分配增压室226可经由流体导管202与燃料供应(未示出)流体连通。在特定实施方式中，如图8所示，燃料分配增压室226可经由从顶壁214和/或底壁212径向地向外延伸的流体导管或耦接件228与燃料供应(未示出)流体连通。因此，燃料28递送到面板式喷射器壁200中可以发生在相对于燃烧器16的中线的轴向方向或径向方向上。

在各种实施方式中，如图10和图11共同地所示，面板式燃料喷射器200包括多个径向地堆叠的预混合通道，所述多个预混合通道在面板式燃料喷射器200内在第一侧壁204与第二侧壁206之间延伸，并且与预混合空气增压室224和燃料分配增压室226流体连通。在特定实施方式中，多个预混合通道包括多个第一侧预混合通道230和多个第二侧预混合通道232，所述多个第一侧预混合通道和所述多个第二侧预混合通道在面板式燃料喷射器200内径向地堆叠在第一侧壁204与第二侧壁206之间。

在特定实施方式中，如图10和图11所示，第一侧预混合通道230中的一个或多个沿着第二侧壁206的内表面222轴向地延伸，并且之后部分地围绕燃料分配增压室226朝向第一侧壁204弯曲，其在所述第一侧壁终止于沿着第一侧壁204限定的对应第一侧喷射孔隙234。在特定实施方式中，如图10和图11所示，第二侧预混合通道232中的一个或多个沿着第一侧壁204的内表面218轴向地延伸，并且之后部分地围绕燃料分配增压室226朝向第二侧壁206弯曲，其在所述第二侧壁终止于沿着第二侧壁206限定的对应第二侧喷射孔隙236。出于本文讨论目的，“第一侧”预混合通道230是基于其出口(喷射孔隙234)所在的侧壁204而如此标识。类似地，“第二侧”预混合通道232是基于在第二侧壁206上具有出口(喷射孔隙236)而如此标识。

在特定实施方式中，第一侧预混合通道230和/或第二侧预混合通道232可以横越或卷绕在面板式燃料喷射器200的第一侧壁204与第二侧壁206之间。在一个实施方式中，第一侧预混合通道230和/或第二侧预混合通道232可以径向地向内和/或向外横越在第一侧壁204与第二侧壁206之间而非沿着面板式燃料喷射器200的笔直或恒定的轴向或纵向平面。第一侧预混合通道230和/或第二侧预混合通道232可以在面板式燃料喷射器200内以不同的角度定向。在特定实施方式中，第一侧预混合通道230和/或第二侧预混合通道232中的一个或多个可形成为具有不同大小和/或几何形状。在特定实施方式中，预混合通道232、234中的一个或多个中可包括混合增强特征，诸如弯曲、扭结、扭转、螺旋部分、湍流器等。

如图11所示，每个第一侧预混合通道230包括与预混合空气增压室224流体连通的空气入口238。在特定实施方式中，第一侧预混合通道230中的一个或多个经由相应燃料端口240与燃料分配增压室226流体连通。在各种实施方式中，如图8所示，相应第一侧喷射孔隙234沿着第一侧壁204径向地间隔和/或堆叠。

如图10所示，每个第二侧预混合通道232包括与预混合空气增压室224流体连通的空气入口242。在特定实施方式中，第二侧预混合通道230中的一个或多个经由相应燃料端口244与燃料分配增压室226流体连通。在各种实施方式中，如图9所示，相应第二侧喷射孔隙236沿着第二侧壁206径向地间隔和/或堆叠。

设想的是，面板式燃料喷射器200可以具有终止于沿着单个侧壁(分别是第一侧壁204或第二侧壁206)定位的喷射孔隙的预混合通道(230或232)。因此，虽然本文参考在第一侧壁204与第二侧壁206两者上具有喷射孔隙234、236的实施方式，但应理解，除非在权利要求中陈述，否则并不要求第一侧壁204与第二侧壁206两者均具有用于递送燃料-空气混合物的喷射孔隙234、236。另外，喷射孔隙234、236可以均匀地设定大小并且被间隔开(如图所示)，或可根据需要而不均匀地设定大小和/或被间隔开。

在特定实施方式中，面板式燃料喷射器200可经由铸造、增材制造(诸如通过3d打印技术)或其他类似的制造工艺制成为集成或统一部件。通过将面板式燃料喷射器200形成为单一或统一部件，可减少或消除对面板式燃料喷射器200的各种特征之间的密封的需要，部分计数和成本可以减少，并且组装步骤可以被简化或消除。在其他实施方式中，面板式燃料喷射器200可诸如通过焊接来制造，或可通过不同的制造技术来形成，其中用一种技术制造的部件被联接到用另一技术制造的部件。在特定实施方式中，每个面板式燃料喷射器200的至少一部分或全部可由陶瓷基质复合材料(cmc)或其他复合材料形成。

图12提供了根据本公开的各种实施方式的环形燃烧系统36的一部分的横截面俯视图，所述环形燃烧系统包括多个束管式燃料喷嘴100中的一个束管式燃料喷嘴100和多个面板式燃料喷射器200中的一对周向相邻的面板式燃料喷射器200。如图12所示，每个相应主要燃烧区48被限定在一对周向相邻的面板式燃料喷射器200的对应的第一侧喷射孔隙234和第二侧喷射孔隙236上游。如图12所示，次要燃烧区56被限定在一对周向相邻的面板式燃料喷射器200的对应的第一侧喷射孔隙234和第二侧喷射孔隙236下游。

如图12所示，多个面板式燃料喷射器200的两个周向相邻的燃料喷射面板200的第一侧喷射孔隙234和第二侧喷射孔隙236分别限定相应的第一侧喷射平面58和第二侧喷射平面60，第二燃料和空气混合物从中被喷射到源自相应主要燃烧区48的燃烧气流中。第一侧喷射平面58限定在距相应束管式燃料喷嘴100的后板108的第一轴向距离62处。第二侧喷射平面60限定在距相应束管式燃料喷嘴100的后板108的第二轴向距离64处。

在特定实施方式中(诸如图12中所示的实施方式)，第一侧喷射平面58的第一轴向距离62和第二侧喷射平面60的第二轴向距离64可以一致(即，在距相应束管式燃料喷嘴100的后板108相同的轴向距离处)。在其他实施方式中(诸如图13中所示的实施方式)，第一侧喷射平面58和第二侧喷射平面60可以被限定或轴向分级在距相应束管式燃料喷嘴100的后板108不同的轴向距离处(即，第一轴向距离62不同于第二轴向距离64)限定或轴向地分级。

虽然多个第一侧喷射孔隙234在图8中被示出为在公共径向或喷射平面58中，在一些实施方式中，第一侧喷射孔隙234中的一个或多个可相对于径向相邻的第一侧喷射孔隙234轴向地交错，由此偏离第一侧喷射孔隙234中的一个或多个的轴向距离60。类似地，虽然多个第二侧喷射孔隙在图9中被示出为在公共径向或喷射平面60中，在一些实施方式中，第二侧喷射孔隙236中的一个或多个可相对于径向相邻的第二侧喷射孔隙236轴向地交错，由此偏离第二侧喷射孔隙236中的一个或多个的轴向距离62。第一侧喷射孔隙234的偏离量可不同于第二侧喷射孔隙236的偏离量。

图13提供了根据本公开的各种实施方式的环形燃烧系统36的一部分的横截面俯视图，所述环形燃烧系统包括多个束管式燃料喷嘴100中的一个束管式燃料喷嘴100和多个面板式燃料喷射器200中的一对周向相邻的面板式燃料喷射器200。在特定实施方式中，多个面板式燃料喷射器200的第一面板式燃料喷射器200(a)的后端210(a)可相对于相应束管式燃料喷嘴100的后板108轴向地定位在多个面板式燃料喷射器200的第二面板式燃料喷射器200(b)的后端210(b)下游。换句话说，限定在面板式燃料喷射器200(a)的后端210(a)与静止喷嘴54(a)的前缘52(a)之间的轴向间隙50可以小于限定在面板式燃料喷射器200(b)的后端210(b)与第二静止喷嘴54(b)的前缘52(b)之间的轴向间隙50(b)。

再次参考图12，在燃烧系统36的轴向分级的操作期间，来自压缩机14的压缩空气26的一部分流过束管式燃料喷嘴100的管114的入口116，同时燃料28被供应到相应燃料增压室112。燃料28经由燃料端口122喷射到管114内的压缩空气流中。燃料和空气在每个管114内混合以将主要燃料-空气混合物提供到主要燃烧区48。主要燃料-空气混合物在主要燃烧区48中燃烧以产生燃烧气体的热流出流。在本文所示的示例性束管式燃料喷嘴100的情况下，相对短的火焰源自每个对应主要(或第一)燃烧区48中的管114中的每一个的出口118。热流出流向下游朝第一侧喷射平面58和第二侧喷射平面60流动。

压缩空气26的一部分输送到面板式燃料喷射器200的预混合空气增压室224中。压缩空气26从预混合空气增压室224输送到第一侧预混合通道230中的每一个的相应入口238中并且进入每个第二侧预混合通道232的相应入口242。燃料28经由流体导管202和/或流体导管228被供应到燃料分配增压室226。当压缩空气26流过相应面板式燃料喷射器200的第一侧预混合通道230和第二侧预混合通道232时，燃料可经由相应的燃料端口240喷射到第一侧预混合通道230中和/或可经由相应燃料端口244喷射到第二侧预混合通道232中的每一个中。

燃料与空气在第一面板式燃料喷射器200的第一侧预混合通道230内混合以经由第一侧喷射孔隙234将燃料和空气的第一预混合流提供到第一侧喷射平面58。燃料与空气在周向相邻的面板式燃料喷射器200的第二侧预混合通道232内混合以经由第二侧喷射孔隙236将燃料和空气的第二预混合流提供到第二侧喷射平面60。在至少一个实施方式中，可能需要从面板式燃料喷射器200的单个侧面(例如，第一侧壁204或第二侧壁206)引入次要燃料和空气。第一侧喷射孔隙234和/或第二侧喷射孔隙236可以布置在一个或多个径向或轴向平面中。热流出流以及燃料与空气的第一预混合流和第二预混合流在次要燃烧区56中反应。来自主要燃烧区48的热流出流(占总燃烧气体流的约40％至95％)加速，直到到达喷射平面58和/或60，其中经由第一预混合流和第二预混合流增加次要燃烧区56中的燃料与空气流的平衡。在一个实施方式中，总燃烧气体流的约50％源自主要燃烧区48，并且其余的约50％源自次要燃烧区56。此布置使得能够有足够的时间来实现co向co2的转化并最小化在主要燃烧区的较低温度下且在第一侧喷射平面58和第二侧喷射平面60与静止喷嘴54之间出现升高的气体温度前的nox形成，从而使总nox排放最小化。

圆周动力学模式在传统的环形燃烧器中是常见的。然而，在很大程度上由于轴向分级的次要燃料-空气喷射，本文所述和所示的分段环形燃烧系统36并不允许这些动力学模式存在。另外，由于每个燃烧器部段与周向相邻的分段隔离，因此多罐动力学被减轻或不存在。

在分段环形燃烧系统36的操作期间，可能必需冷却第一侧壁204、第二侧壁206、静止喷嘴54、内衬300和/或外衬400中的一个或多个，以便增强单独部件的机械性能。为了适应冷却要求，第一侧壁204、第二侧壁206、静止喷嘴54、内衬300和/或外衬400中的一个或多个可以包括各种空气通路或空腔，所述各种空气通路或空腔可以与形成在压缩机排气壳体32内的高压增压室34和/或与限定在每个面板式燃料喷射器200内的预混合空气增压室224流体连通。

在特定实施方式中，如图12所示，燃料端口244中的一个或多个可成角度、成形或形成以便将来自燃料分配增压室226的燃料射流28冲击或导引到第一侧壁204的内表面218上，由此对其提供冲击冷却。在特定实施方式中，从预混合空气增压室224流出的压缩空气26可以向第一侧壁204的内表面218提供对流冷却。

在特定实施方式中，如图12所示，燃料端口240中的一个或多个可成角度、成形或形成以便将来自燃料分配增压室226的燃料射流28冲击或导引到第二侧壁206的内表面222上，由此对其提供冲击冷却。

如图12所示，冷却空气空腔或凹坑246可以在面板式燃料喷射器200内限定在第一侧壁204与第二侧壁206之间。一个或多个端口248可成角度、成形或形成以便将来自冷却空气空腔246的压缩空气射流26冲击或导引到预混合通道232的内表面218上。在所示的示例性实施方式中，预混合通道232的内表面218与第一侧壁204一致，由此对其提供冲击冷却。

在特定实施方式中，从预混合空气增压室224流出的压缩空气26可以向第二侧壁206的内表面222提供对流冷却。一个或多个端口250可成角度、成形或形成以便将来自冷却空气空腔246的压缩空气射流26冲击或导引到预混合通道230的内表面222上。在所示的示例性实施方式中，预混合通道230的内表面222与第二侧壁206重合，由此对其提供冲击冷却。

图12还示出了燃料分配增压室226在上游侧连着冷却空气空腔246并且在下游侧连着冷却空气空腔246的继续部分。在燃料端口240、244的下游，预混合通道230、232包括弯曲端部部段，所述弯曲端部部段将燃料/空气混合物导引到相应喷射空隙234、236。弯曲端部部段包括内径和外径。端口248可以提供在弯曲部分的内径中，端口248与冷却空气空腔246的下游部分流体连通以沿着预混合通道230、232的弯曲部分的内表面导引空气膜，由此防止流沿着预混合通道232、234的壁停滞。

图14是根据本公开的至少一个实施方式的示例性燃烧器分段44的简化的透视图。图15是根据本公开的一个或多个实施方式的示例性面板式燃料喷射器200的放大横截面俯视图并且包括示例性静止喷嘴54。在特定实施方式中，如图14和图15共同地所示，至少一个面板式燃料喷射器200的后端210布置在接近、邻近、紧邻或靠近相应静止喷嘴54的相应前缘52的位置。因此，限定在面板式燃料喷射器200的后端210与相应静止喷嘴54的前缘52之间的相应轴向间隙50被最小化，由此至少部分地屏蔽相应前缘52免受燃烧气体30流动影响。例如，后端210与相应静止喷嘴54的前缘之间的轴向间隙50可以小于六英寸、小于三英寸、小于两英寸或小于一英寸。此外，在这些实施方式中，次要燃烧区56彼此分开，并且次要燃烧区56的数量等于主要燃烧区48的数量。

在特定实施方式中，如图14所示，第一侧壁204和第二侧壁206中的至少一个的后端可轴向地延伸经过前缘52朝向后缘和/或部分地穿过静止喷嘴54的压力侧壁66或吸力侧壁68，从而至少部分地屏蔽压力侧壁66和/或吸力侧壁68的一部分不受燃烧气体30流动影响。

在特定实施方式中，如图15所示，至少一个面板式燃料喷射器200包括限定在第一侧壁204与接近后端210的第二侧壁206之间的冷却空气增压室252。面板式燃料喷射器200的后壁254或后端210可以是弓形的或凹入的，或以其他方式在形状上与相应静止喷嘴54的前缘52互补。例如，面板式燃料喷射器200的后端210可以限定凹坑或狭槽，并且静止喷嘴54的前缘52可以延伸到凹坑中。可以沿着后壁254限定一个或多个冷却孔洞256。冷却孔洞256与冷却空气增压室252流体连通。在操作期间，压缩空气26可从冷却空气增压室252流出、穿过冷却孔256并且进入轴向间隙50，由此对对应静止喷嘴54、特别是对应静止喷嘴54的前缘52提供冲击与膜冷却中的至少一者。

或者，如图16所示，燃烧器36可以包括第一组面板式燃料喷射器200a，所述第一组面板式燃料喷射器在相应后端210与对应静止喷嘴54(“短”面板式燃料喷射器，如图7所示)之间限定第一轴向间隙50a，并且包括第二组面板式燃料喷射器200b，所述第二组面板式燃料喷射器在相应后端210与对应静止喷嘴54(“长”面板式燃料喷射器，如图14所示)之间限定第二轴向间隙50b。第二组中的面板式燃料喷射器200b的数量可以小于第一组中的面板式燃料喷射器200a的数量。在一些实施方式中，第二组中的面板式燃料喷射器200b彼此周向地间隔(即，不相邻)。在可用于缓解动力学的此示例性配置中，次要燃烧区56的数量小于主要燃烧区48的数量。也就是说，次要燃烧区56轴向地形成在第一组中的面板式燃料喷射器200a的后端210的下游并且在第二组中的面板式燃料喷射器200b之间周向地延伸。

图17提供了根据本公开的至少一个实施方式的示例性面板式燃料喷射器200的一部分的俯视横截面透视图。在特定实施方式中，如图17所示，第一侧壁204可以限定多个第一侧微冷却通道258，所述多个第一侧微冷却通道在第一侧壁204的内表面218与外表面216之间延伸和/或限定在第一侧壁的内表面218与外表面216之间。每个第一侧微冷却通道258包括相应入口260和相应出口262。通向第一侧微冷却通道258中的一个或多个的相应入口260可以与冷却空气增压室252、冷却空气空腔246、预混合空气增压室223或其他压缩空气或冷却流体源流体连通。第一侧微冷却通道258中的一个或多个的相应出口262可以沿着面板式燃料喷射器200的后壁254限定。虽然第一侧微冷却通道258被示出为基本上轴向地或线性地延伸穿过第一侧壁204，但应注意，第一侧微冷却通道258中的一个或多个可以以蛇形或弯曲图案在内表面218与外表面216之间延伸。

在特定实施方式中，如图17所示，第二侧壁206可以限定多个第二侧微冷却通道264，所述多个第二侧微冷却通道在第二侧壁206的内表面222与外表面220之间延伸。每个第二侧微冷却通道264包括相应入口266和相应出口268。通向第二侧微冷却通道264中的一个或多个的相应入口266可以与冷却空气增压室252、冷却空气空腔246、预混合空气增压室224(图15)或其他压缩空气或冷却流体源流体连通。第二侧微冷却通道264中的一个或多个的相应出口268可以沿着面板式燃料喷射器200的后壁254限定。虽然第二侧微冷却通道264被示出为基本上轴向地或线性地延伸穿过第二侧壁206，但应注意，第二侧微冷却通道264中的一个或多个可以以蛇形或弯曲图案在内表面222与外表面220之间延伸。

在特定实施方式中，如图17所示，面板式燃料喷射器200的第一侧壁204与第二侧壁206中的任一者或两者的壁厚度t可以沿着轴向或纵向长度和/或沿着面板式燃料喷射器200的径向跨度变化。例如，面板式燃料喷射器200的第一侧壁204与第二侧壁206中的任一者或两者的壁厚度可以在上游端部208与后端210之间和/或在径向内壁212与径向外壁214(图9)之间变化。

在特定实施方式中，如图17所示，总喷射面板厚度pt可以沿着轴向或纵向长度和/或沿着面板式燃料喷射器200的径向跨度变化。例如，第一侧壁204和/或第二侧壁206可以向外地朝向和/或往在两个周向相邻的面板式燃料喷射器200之间流动的燃烧气体流中隆起。总喷射面板厚度pt的隆起或变化可以发生在沿着相应的第一侧壁204或第二侧壁206的径向跨度和/或轴向长度的任何点处。面板厚度pt或隆起区域的位置可以沿着第一侧壁204或第二侧壁206的轴向长度和/或径向跨度变化以调节局部热通路区域来实现一定目标速度和停留时间轮廓，而不需要改变壁厚度t。

图18提供了根据本公开的至少一个实施方式的示例性面板式燃料喷射器200、束管式燃料喷嘴100、内衬300的一部分和外衬400的一部分的透视图。图19提供了根据至少一个实施方式的如图17所示的面板式燃料喷射器200的一部分的放大横截面透视图。在特定实施方式中，如图18和图19共同地所示，面板式燃料喷射器200中的至少一个可以限定至少一个交叉火焰开口270，所述交叉火焰开口延伸穿过相应面板式燃料喷射器200的第一侧壁204和第二侧壁206。交叉火焰开口270容许周向相邻的主要燃烧区48的交叉点火和点燃。

在一个实施方式中，交叉点火开口270由双壁式圆柱形结构限定，在所述双壁式圆柱形结构之间有空气容积。在主要燃烧区48中点燃的燃烧气体30被容许流过交叉点火开口270的内壁而进入相邻的主要燃烧区48，在所述相邻的主要燃烧区中，点燃相邻的主要燃烧区48中的燃料和空气混合物发生。为了防止燃烧气体30停滞在交叉点火开口70中，在内壁中提供净化空气孔洞272。除了净化空气孔洞272之外，交叉点火开口270的外壁可以设有空气供给孔洞273，所述空气供给孔洞可以与预混合空气增压室224、冷却空气空腔246或另一压缩空气源中的至少一个流体连通。净化空气孔洞272与经由空气供给孔洞273接收空气的空气容积流体连通。外壁中的较小空气供给孔洞273与内壁中的较大净化空气孔洞272的组合将交叉点火开口270转变为谐振器以减轻分段环形燃烧系统36内的潜在燃烧动力。

图20提供了根据至少一个实施方式的示例性面板式燃料喷射器200的一部分的透视图。在特定实施方式中，如图20所示，至少一个冲击空气插件274、276可以布置在相应空气空腔内，诸如限定在多个面板式燃料喷射器200中的相应面板式燃料喷射器200内的冷却空气空腔246和/或冷却空气增压室252。冲击空气插件274、276包括在形状上分别与冷却空气空腔246和冷却空气增压室252互补的壁。冲击空气插件274、276包括空气可流过的至少一个开端。冲击空气插件274、276中的至少一个可以包括或限定多个冷却或冲击孔洞278、280，所述多个冷却或冲击孔洞被定向和/或形成为将多个离散空气射流导引到相应面板式燃料喷射器200的一个或多个内表面218、222(图10和图11)上的离散位置处以向其提供射出或冲击冷却。

图21提供了根据本公开的至少一个实施方式的示例性燃烧器分段44的一部分的透视图。在特定实施方式中，如图21所示，内衬300和外衬400是双带结构，每个结构在内带与外带之间限定相应流动环形空间。在这些实施方式中，内衬300和外衬400通过冲击和/或膜冷却而被冷却。

具体地讲，在这些实施方式中，内衬300包括与外带304径向地间隔的内带302。在至少一个实施方式中，壁306在内带302与外带304之间径向地延伸。内带302、外带304和壁306(当存在时)在其之间限定了内部流动环形空间308。

在特定实施方式中，内部流动环形空间308的入口310限定在内衬300的下游端处。在特定实施方式中，内部流动环形空间308经由高压增压室34和入口310与压缩机16流体连通。在特定实施方式中，外带304可以限定多个孔隙312。在操作中，孔隙312提供高压增压室34与内部流动环形空间308之间的流体连通。在特定实施方式中，多个孔隙312中的一个或多个孔隙312被定向成将冷却空气射流导引到内衬300的内带302的冷侧表面313。

在特定实施方式中，内带302限定主要孔隙314。在操作中，主要孔隙314提供内部流动环形空间308与相应面板式燃料喷射器200之间的流体连通。例如，在特定实施方式中，主要孔隙312可以提供内部流动环形空间308与预混合空气增压室224、冷却空气空腔246和冷却空气增压室252中的一个或多个之间的压缩空气流动。在特定实施方式中，内带302可以限定多个次要孔隙316。在操作期间，来自内部流动环形空间308的压缩空气26可以流过次要孔隙316，由此提供穿过内带302的外侧或热侧表面318的压缩空气26的冷却膜。

在特定实施方式中，如图21所示，外衬400包括与外带404径向地间隔的内带402。在至少一个实施方式中，壁406在内带402与外带404之间径向地延伸。内带402、外带404和壁406(当存在时)在其之间限定了外部流动环形空间408。在特定实施方式中，外部流动环形空间408的入口410限定在外衬400的下游端处。在特定实施方式中，外部流动环形空间408经由高压增压室34和入口410与压缩机16流体连通。在特定实施方式中，外带404可以限定多个孔隙412。在操作中，孔隙412提供高压增压室34与外部流动环形空间408之间的流体连通。在特定实施方式中，多个孔隙412中的一个或多个孔隙412被定向成将冷却空气射流导引到外衬400的内带402的冷侧表面。

在特定实施方式中，内带402限定主要孔隙414。在操作中，主要孔隙414提供外部流动环形空间408与相应面板式燃料喷射器200之间的流体连通。例如，在特定实施方式中，主要孔隙414可以提供外部流动环形空间408与预混合空气增压室224、冷却空气空腔246和冷却空气增压室252中的一个或多个之间的压缩空气流动。在特定实施方式中，内带402可以限定多个次要孔隙416。在操作期间，来自外部流动环形空间408的压缩空气26可以流过次要孔隙416，由此提供穿过内带402的内部或热侧表面418的压缩空气26的冷却膜。

图22和图23旨在根据本公开的特定实施方式示出内衬300的内带302或外衬400的内带402中的任一者或两者的一部分。在这些实施方式中，内衬300和外衬400是单壁结构，微通道冷却通路穿过所述单壁结构而布置，如下所述。因此，内衬300和外衬400的冷却通过对流冷却而非如参考图21所述的冲击和/或膜冷却实现。

在特定实施方式中，如图22和图23所示，内衬300的外侧或冷侧表面和/或外衬400的外侧或冷侧表面413可以限定或包括多个入口孔洞320、420以用于从高压增压室34(图2)接收压缩空气26。每个入口孔洞320、420可以与终止于对应的出口孔洞或排放端口324、424的微通道冷却通路322、422集成。微通道冷却通路322、422的长度在衬里300、400的不同区域中可以变化。

在特定实施方式中，微通道冷却通路322、422的一些或全部的长度可以小于约十英寸。在特定实施方式中，微通道冷却通路322、422的一些或全部的长度可以小于约五英寸。在特定实施方式中，微通道冷却通路322、422的一些或全部的长度可以小于约二英寸。在特定实施方式中，微通道冷却通路322、422的一些或全部的长度可以小于约一英寸。在特定实施方式中，微通道冷却通路322、422中的一个或多个可以在0.5英寸与6英寸之间。各种微通道冷却通路322、422的长度可由流过其中的空气的吸热能力(即，冷却空气的温度)、微通道通路的直径和衬里300、400在要冷却的区域中的温度而确定。

在特定实施方式中，出口孔洞324、424中的一个或多个可以沿着相应外表面318、418定位并且可以将来自相应入口孔洞320、420的压缩空气26沉积到相应的流动通路或收集通道326、426中。在至少一个实施方式中，如图22所示，收集通道326、426可由沿着相应外表面318、418延伸的管道328、428限定。相应收集通道326、426可以将压缩空气26的至少一部分输送到面板式燃料喷射器200的预混合空气增压室224(图12)，在所述预混合空气增压室中，所述压缩空气的至少一部分可分配到各种第一侧预混合通道230和/或第二侧预混合通道232。关于使用此方法的微通道冷却的更多细节在共同转让的于2015年11月18日提交的美国专利申请案第14/944,341号中进行描述。

在特定实施方式中，微通道冷却通路322、422中的一个或多个可以被定向成提供在预混合空气增压室224、冷却空气空腔246和冷却空气增压室252中的一个或多个之间的压缩空气流动。因此，来自微通道冷却通路322、422中的一个或多个的压缩空气26可以与用于冷却面板式燃料喷射器200的内部的压缩空气26混合。

在特定实施方式中，使用微通道冷却和冲击冷却是可能的。例如，微通道冷却通路322、422中的一个或多个的出口孔洞324、424可以沿着内带302或内带402的侧壁325、425(图21)定位，以使得压缩空气26流过微通道冷却通路322、422并且然后沿着限定在两个相邻的内衬300或外衬400之间的分划线流过两个周向相邻的内衬300或相邻的外衬400之间，由此在其之间形成流体密封。在一个实施方式中，微通道冷却通路322、422中的一个或多个的出口孔洞324、424可以沿着内带302的相应热侧表面318或外带404的热侧表面418定位，以使得压缩空气26流过微通道冷却通路322、422并且然后作为冷却膜空气进入主要燃烧腔室或区48或次要燃烧腔室或区56。

分段环形燃烧系统36的各种实施方式，特别是与本文所述和所示的与面板式燃料喷射器200、内衬300和外衬400结合的束管式燃料喷嘴100提供比传统的环形燃烧系统增强或改进的操作和调节能力。例如，在分段环形燃烧系统36的启动期间，点火器可以点燃从多个管114中的管114的出口118流出的燃料和空气混合物。随着动力需求增加，可同时或顺序地使燃料流向面板式燃料喷射器200，直到每个面板式燃料喷射器200都是可操作的。

为了减少功率输出，根据需要，可同时或顺序地减少流向束管式燃料喷嘴100和/或面板式燃料喷射器200的管114的燃料。当需要或必须关闭面板式燃料喷射器200时，可停止使燃料流向每个面板式燃料喷射器200或流向单独的面板式燃料喷射器200或面板式燃料喷射器200的群组，由此使对涡轮机操作的任何扰动最小化。

本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明的专利保护范围由权利要求书限定，并且可以包括由本领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，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义并无实质差别，那么此类实例也应在权利要求书的覆盖范围内。