筒环形燃气轮机发动机中的浓淡轴向级燃烧的制作方法
【专利说明】 筒环形燃气轮机发动机中的浓淡轴向级燃烧[0001 ] 关于联邦政府资助开发的声明
[0002]本发明的开发由美国能源部授予的合同N0.DE-FC26-05NT42644部分地支持。相应地，美国政府具有本发明的一些权利。
技术领域
[0003]本发明涉及筒环形燃气轮机发动机，更具体地说，涉及一种筒环形燃气轮机发动机的燃烧级布置。
【背景技术】
[0004]图1示出筒环形燃气轮机发动机110的中间框架设计的常规设计。压缩器111将压缩空气引导通过轴向扩散器113而进入夹层空间117中，之后，压缩空气翻转，并进入定位在燃烧器112周围的套筒122。压缩空气与来自燃烧器112的各燃料级119的燃料混合，空气燃料混合物在燃烧器112的级121处点火。由于空气燃料混合物的点火，产生热燃烧气体，热燃烧气体穿过燃烧器112进入过渡部114中，过渡部以一定角度将热燃烧气体引入涡轮115中。
[0005]在常规筒环形燃气轮机发动机中，淡空气/燃料混合物在燃烧器112的级121处点火。然而，在高负荷和高温度下，由于淡空气/燃料混合物点火，各排放物比如氮氧化合物(NOx)在热燃烧气体内产生，这些排放物可超过法律允许的范围。另外，如果浓空气/燃料混合物在燃烧器112的级121处点火，则产生的燃烧气体的温度不足以燃烧存在于燃烧气体内的碳氢化合物，由此，碳氢化合物也会超过法律允许的范围。
[0006]除了上面讨论的常规设计，Beebe的美国专利N0.6192688公开了一种燃气涡轮发动机中的燃烧级布置，其中，淡空气燃料混合物从上游级在下游级处注入燃烧气体中，在上游级，淡空气燃料预混合物燃烧以产生燃烧气体。另外，Gensler等人的美国专利N0.5271729和Suesada等人的美国专利N0.5020479也提出了其它燃烧级设计。
[0007]在本发明中，本发明人对筒环形燃气轮机发动机的燃烧级设计进行了各种改进，以克服常规燃烧级设计的显著缺点。
【附图说明】
[0008]参考附图在下面描述中说明本发明，附图中:
[0009]图1是现有技术燃气轮机发动机的剖面图；
[0010]图2是燃气轮机发动机中的轴向级燃烧布置的剖面图；
[0011]图3是图2的轴向级燃烧布置的燃料歧管的剖面图；
[0012]图4是燃烧气体的温度与用在图2的轴向级燃烧布置内的热燃烧气体的Phi的关系的图表；以及
[0013]图5是描绘燃气轮机发动机中的轴向级燃烧的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0014]本发明人已设计了筒环形燃气轮机发动机的轴向燃烧级布置，其避免了常规燃烧级布置的不足。淡空气燃料混合物在初始上游级燃烧，浓空气燃料混合物在随后下游级注入并燃烧。淡空气燃料混合物在初始上游级处燃烧，以在初始温度下产生热燃烧气体，使得排放物水平(包括NOx)不会超过不允许的阈值。浓空气燃料混合物随后在下游级处注入热燃烧气体中，使得来自淡燃烧的自由原子团的热量和存在促进浓空气燃料混合物中的碳氢化合物的完全燃烧，热燃烧气体的初始温度升高一个阈值量，使得排放物水平(包括NOx)不会超过不允许的阈值。
[0015]在本专利申请中，术语“浓”和“淡”用于描述空气燃料混合物。根据专利申请，“浓”空气燃料混合物指的是具有大于I的等值比，“淡”空气燃料混合物指的是具有小于I的等值比。如本领域技术人员所明白的，等值比定义为空气燃料混合物的燃料空气比与空气燃料混合物的化学计量反应的燃料空气比的商。因此，如果等值比小于1( “淡”空气燃料混合物)，则相对于空气和燃料之间的化学计量反应所需的燃料，燃料缺乏。如果等值比大于1( “浓”空气燃料混合物)，则相对于空气和燃料之间的化学计量反应所需的燃料，燃料过量。
[0016]图2示出燃气轮机发动机10的示例性实施例，该燃气轮机发动机包括压缩器11和扩散器13，它们将压缩空气流40输出到燃气轮机发动机10的夹层空间17中。燃气轮机发动机10是筒环形燃气轮机发动机，其表征了以环形布置布置在燃气轮机发动机10的旋转轴线周围的多个燃烧器12。图2示出环形布置的燃烧器的一个燃烧器12。在示例性实施例中，十六个燃烧器以该筒环形布置布置在旋转轴线周围。尽管图2示出筒环形燃气轮机发动机10，但是本发明的实施例不限于筒环形燃气轮机发动机，并可用在表征轴向级燃烧的任何燃气轮机发动机中，比如环形燃气轮机发动机。
[0017]图2还示出定位在燃烧器12的外表面周围的套筒22，其中，套筒22包括开口23，以接收来自夹层空间17的空气流40的一部分。空气流40引导通过套筒22，并与来自燃料级19的燃料混合，以在燃烧器12的第一燃烧级21处产生淡空气燃料混合物58。如先前所讨论的，淡空气燃料混合物58混合成混合物的等值比小于I。在示例性实施例中，淡空气燃料混合物的等值比为0.6。淡空气燃料混合物58在燃烧器12的第一燃烧级21处点火，以在第一温度62(图4)下产生包含自由原子团的热燃烧气体60。
[0018]图2还示出燃烧器延伸器16，其连接到燃烧器12的下游端，以接收在燃烧器12的第一燃烧级21处产生的热燃烧气体60。如下所讨论的，燃烧器延伸器16表征了位于燃烧器21的第一燃烧级21下游的第二燃烧级66，使得空气燃料混合物44 (图3)注入在第二级66处穿过燃烧器延伸器16的热燃烧气体60中。另外，过渡部14连接到燃烧器延伸器16的下游端，其中，过渡部14的长度比用在图1的常规燃气轮机发动机110中的常规过渡部114更短。在示例性实施例中，图2的燃气轮机10的燃烧器延伸器16和过渡部14用于共同地代替图1的常规燃气轮机发动机110的常规过渡部114。
[0019]燃烧器延伸器16的外表面20表征了开口 18，其沿外表面20的外周54形成。提供了燃料歧管28，其采取绕外表面20的外周54延伸的环形。如图2所示，燃料从燃料供给线24供给到燃料歧管28，燃料供给线从套筒22内延伸到燃料歧管28。如本领域技术人员所明折的，图1的常规燃气轮机发动机110的套筒122表征了燃料供给线(未示出)，在空气流140与来自燃料级119的的燃料混合之前，燃料供给线将燃料(有时称为C级燃料)与从夹层空间117接收在套筒122内的空气流140预混合。在图2的燃气轮机发动机中，套筒22内的燃料供给线24改为引导出套筒22至燃料歧管28，以在每个开口 18处将燃料供给到燃料歧管28。提供了控制器26，以引导燃料线供给线24，以将燃料供给到燃料歧管28 (基于燃气轮机发动机10的超过预定极限的操作参数，比如燃气轮机发动机10的超过功率或负荷阈值的功率或负荷需求)。
[0020]如图3所示，在燃烧器延伸器16的外表面20中的每个开口 18处，燃料歧管28包括具有侧盖57的燃料喷嘴30。尽管图2-3中示出的开口 18是圆形开口，但是开口 18可以是椭圆形开口或适于将空气燃料混合物输送进燃烧器延伸器16中的任何其它形状，如下所讨论的。如图3所示，混合器32还设置在每个开口 18处，并定位在燃料喷嘴30和开口18之间。混合器32包括第一开口 34和第二开口 38，第一开口接收来自燃料歧管28的燃料喷嘴30的燃料36，第二开口接收来自燃气轮机发动机10的夹层空间17的空气流40的