专利名称：降低燃气轮机排放的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及燃气轮机，尤其涉及燃气轮机的燃烧室。
全球范围内对空气污染的关注已导致了严格的排放标准。这些标准规定了由于燃气轮机工作产生的氮氧化物(Nox)，未燃碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)的排放量。尤其是由于高火焰温度在燃气轮机中形成氧化氮。在努力减少氧化氮排放量方面对燃气轮机作出种种改进往往对相关燃气轮机的工作性能具有有害的影响。
已知在燃气轮机中，在运转期间，常希望提高流过燃气轮机的空气流量来减少氧化氮排放量。燃气轮机包含预定的工作参数，而这种空气流量的任何增加受到包括透平喷嘴冷却参数的预定工作参数的限制。结果，为在燃气轮机内提高空气流量，该燃气轮机和有关部件应当修改，以便以新的工作参数运转。
由于这种燃气轮机的修改是密集型劳动且费时的，用户常常限于降低燃气轮机额定的运转功率，并防止以全负荷运转燃气轮机。这种降低并不限制由于发动机以全负荷运转而形成的氧化氮排放量，而却限制了燃气轮机的运转功率。
在本发明一个示例性实施例中，燃气轮机包含一个有效减少由燃气轮机产生的氧化氮排放量的压气机转子组件。该燃气轮机包含一个可以以小于1的燃料/空气混合当量比工作的燃烧器。该压气机组件包含一个第一转子，一个第二转子和一个喷水组件。该喷水组件安装于燃气轮机，并包含一输水装置和一输气装置。该输水装置包含若干连接于燃气轮机的喷雾嘴，将水喷到第一转子和第二转子之间。该输气装置包含若干连于输水装置和燃气轮机之间的导管，将泄放空气输给喷水组件，使供给燃气轮机的水雾化。
在运输中，压气机泄放空气从高压气机排出，将流经供水装置的水雾化。喷雾嘴将细雾沿下游导向高压压气机的入口。该细雾降低了燃气轮机内的空气流的温度，允许自高压压气机排出的空气流具有增加的热容量。该增加的热容量降低了燃气轮机内的火焰温度，并且随着火焰温度降低，氧化氮排放量也减小。结果，或者相应于燃气轮机规定的运转功率，氧化氮排放物减少了，或者相应于规定的氧化氮排放值，燃气轮机的运转功率提高了。
图1是燃气轮机的简图；图2是供图1中所示的燃气轮机使用的喷水组件的一部分的简略侧视图；图3是可与图1中所示的燃气轮机一起使用的喷水组件的另一实施例的简略侧视图。
图1是燃气轮机10的简图，包含一低压压气机12，一高压压气机14和一燃烧器16。发动机10还包含一高压透平18和一低压透平20。由于燃烧器16为一稀薄预混合燃烧器，供给燃烧器16的燃料/空气混合器包含的空气比为完全燃烧该燃料所需的多。因此，燃烧器16的燃料/空气混合当量比小于1。燃烧器12和透平20由第一轴21联接，而压气机14和透平18由第二轴22联接。负载(未示)藉第一轴21与燃气轮机10耦合。
在运转中，空气流经低压压气机12，而压缩空气由低压压气机12供给高压压气机14。该高压空气被输送到燃烧器16。来自燃烧器16的空气流(在图1中未示出)驱动透平18和20，并经喷嘴24从燃气轮机10排出。
图2是供燃气轮机10(图1中所示)使用的压气机转子组件30和喷水组件32一部分的简略侧视图。压气机转子组件30包含低压压气机12和高压压气机14。低压压气机12包含苦干偶合在一起并与燃气轮机10的轴向中心轴线36共轴线的转子34。转子34沿中心轴线36自低压压气机12的进气侧38轴向延伸到低压压气机12的排气侧40。
各低压压气机转子34由一个或多个叶轮44构成，每一叶轮44包含若干自燃气轮中心轴线36径向向外延伸的叶片。每排叶轮44有时被称之为一个转子级。叶片46与运动或工作流体，如空气配合工作，当叶片46绕中心轴线36转动时，将随后的转子级内的运动流体压缩。
高压压气机14包含若干与燃气轮机中心轴线36共轴线地偶合在一起的转子60。转子60沿中心轴线36自高压压气机14的进气侧62轴向延伸到高压压气机14的排气侧64。各高压压气机转子60由一个或多个叶轮66构成，每一叶轮66包含若干自燃气轮机中心轴线36径向向外延伸的叶片。每排叶轮66有时被称之为一个转子级。叶片68与运动或工作流体，如空气配合工作，当叶片68绕中心轴线36转动时，压缩随后转子级内的运动流体。一管道80自低压压气机排气侧40延伸到高压压气机进气侧62。管道80是圆环形的，将从低压压气机12排出的运动或工作流体引导到高压压气机14。
喷水组件32将水供给在管道80内的燃气轮机10，包含一输水装置82和一输气装置84。或者，在另一实施例中，输水装置并不包含输气装置84，而包含若干压力喷雾嘴(未示出)，将水雾化。输水装置82包含若干第一喷雾嘴86、若干导管88、一岐管90和一计量阀92。导管88将喷水组件32连到一供水源(未示出)，并在供水源和计量阀92之间延伸。计量阀92控制自供水源进入喷水组件32的水量。附加导管88在计量阀92和岐管90之间延伸。岐管90藉附加导管88连于空气岐管100，将稳定的水流供给喷嘴组件32。岐管90为圆环形，沿圆周设置在低压压气机12的周围。
输气装置84包含空气岐管100和导管102。导管102将输气装置84连于燃气轮机10，以允许输气装置84自高压压气机14接收泄放空气。在一个实施例中，导管102连接于燃气轮机10，并自高压压气机14的第八级接收泄放空气。导管102在高压压气机14和空气岐管100之间延伸。在另一实施例中，喷水组件32包含一个设置成能控制自高压压气机14排到输气装置84和空气岐管100的泄放空气量的封塞/分隔器(未示)。
空气岐管100为圆环形，沿圆周设置在低压压气机12的周围。空气岐管100对喷水组件32提供稳定的泄放空气流量。若干给水管110自空气岐管100延伸到喷雾嘴86。在一个实施例中，供给管延伸到24个喷雾嘴86。供给管110允许泄放空气和水自空气岐管100流到喷雾嘴86。喷雾嘴86自管道80的外壁112向燃气轮机中心轴线36径向向内延伸，包含若干喷雾出口114。自空气岐管100的泄放空气对水加压，将水雾化为小水滴。这些水滴经喷雾嘴喷雾出口114被迫进入流道。水滴成细雾自喷雾嘴排出，被引向高压压气机进气侧62。在一个实施例中，这些水滴以大约20微米的平均颗粒直径尺寸自喷雾嘴喷雾出口排出。
在运转中，工作流体，如水，在流过低压压气机12时受压。该工作流体自低压压气机12排出，经管道80按规定路线被输送到高压压气机14。因此，当空气流过燃气轮机10时，压气机的泄放空气自高压压气机14流到空气岐管100。同时，水经计量阀92流到输水岐管90，后者对喷雾嘴86提供稳定的水流。
自空气岐管100排出的泄放空气经输水喷雾嘴114使水雾化，并迫使其成为细雾，自管道80喷向高压压气机14。这种雾降低了燃气轮机10内空气流的温度，产生一种中冷效果。该中冷效果允许自高压压气机14排出的流体的热容量增大，这又降低了燃气轮机10中的火焰温度。由于火焰温度的下降，产生的氧化氮排放减少。结果，或者相应于规定的燃气轮机运转功率，氧化氮排放物减少了，或者相应于规定的氧化氮排放值，燃气轮机10的运转功率提高了。此外，由于相应于给定输出功率的压气机出口温度下降了，压气机12和12所需的功较少。
图3是供类似于燃气轮机10(图1中所示)的燃气轮机(未示)使用的压气机转子组件200的一部分的简略侧视图。在一个实施例中，该燃气轮机是一台可从General Electric Aircraft Engines,Cincinnati,Ohio买到的LM6000。压气机转子组件200包含一低压压气机202和一高压压气机204。燃气轮机10还包含一喷水组件206。低压压气机202包含偶合在一起且与燃气轮机的中心轴线212共轴线的若干转子210。转子210自低压压气机202的进气侧214沿中心轴线212轴向延伸到低压压气机202的排气侧216。
各低压压气机转子210由一个或多个叶轮220构成，每一叶轮220包含若干自燃气轮机中心轴线212径向向外延伸的叶片222。每排叶轮220有时被称之为一个转子级。叶片220与运动或工作流体，如空气配合工作，当叶片220绕中心轴线212转动时，将随后的转子级中的运动流体压缩。
高压压气机204包括若干偶合在一起与燃气轮机中心轴线212共轴线的转子230。转子230自高压压气机204的进气侧232沿中心轴线212轴向延伸到高压压气机204的排气侧234。各高压压气机转子230由一个或多个叶轮240构成，每一叶轮240包含若干自燃气轮机中心轴线212径向向外延伸的叶片242。每排叶轮240有时被称之为一个转子级。叶片242运动或工作流体，如空气配合工作，当叶片242绕中心轴线212转动时，将随后的转子级内的运动流体压缩。
管道256自低压压气机排气侧216延伸到高压压气机进气侧234。管道256是圆环形的，它将自低压压缩机202排出的运动或工作流体引导到高压压气机进气侧232。一进气管道260将运动工作流体引向低压压气机进气侧214。
喷水组件206将水同时喷到管道260和256内的燃气轮机，它包含一输水装置270和输气装置272。或者，喷水组件206将水单独喷到管道260或管道256内。在另一实施例中，喷水组件206并不包含输气装置272，而包含若干雾化水的压力喷雾嘴(未示出)。输水装置270包含一计量阀274，若干导管275，一高压压气机部276，和一低压压气机部278。导管275将喷水组件206连接到供水源(未示出)，并自供水源延伸到计量阀274。计量阀274控制自供水源流到喷水组件高压压气机部276和喷水组件低压压气机部278的水流量。附加导管275在计量阀274和一T形连接件280之间延伸。T形连接件280将水流量分到喷水组件装置部276和278之间。
进入T形连接件280的一部分水被导入喷水组件高压压气机部276，并经导管275内的一小孔282，以便在流入水岐管284之前提高水压。在另一实施例中，进入T形连接件280的水被引入一个配置在高压压气机部276内的第一阀(未示出)内，以独立控制进入高压压气机部276内的水流量。其余的水被导入喷水组件低压压气机部278内。在另一实施例中，该其余的被导入一个配置在低压压气机部278内的第二阀(未示出)内，以独立控制进入低压压气机部278内的水流量。岐管284藉附加导管275与若干设置在高压压气机进气侧232上游的喷雾嘴288连接。在一个实施例中，喷水组件高压压气机部276包含24个喷雾嘴288。岐管284是圆环形的，沿圆周设置在低压压气机202的周围，以便将一稳定的水流量供给喷雾嘴288。喷雾嘴288沿圆周设置在低压压气机排气侧216下游和高压压气机进气侧232上游的管道256周围。自喷雾嘴288喷出的水被导入接近高压压气机204的燃气轮机气流中。
进入T形连接件280的其余的水被导入喷水组件低压压气机部278，并流经一小孔290。在一个实施例中，小孔290和282是用来有选择地控制水流量的一些阀。小孔290和282使喷水组件低压压气机部278和喷水组件高压压气机部276之间的水形成适当的混合。岐管292藉附加导管275与设置在低压压气机进气侧214上游的若干喷雾嘴300连接。在一个实施例中，喷水组件低压压气机部278包含24个喷雾嘴300。岐管292是圆环形的，沿圆周设置在高压压气机部岐管288上游的低压压气机202的周围，对喷雾嘴300供给一稳定的水流。喷雾嘴300沿圆周设置在低压压气机进气侧214上游的进气管道260的周围。自喷雾嘴300喷出的水沿下游被导入接近低压压气机202的燃气轮机气流中。在一具实施例中，低压压气机部喷雾嘴300与高压压气机部喷雾嘴288相同。
输气装置包含一个第一岐管310，一个第二岐管312，和若干导管314，并对喷水组件206提供稳定的泄放空气流。导管314将输气装置272连接于燃气轮机，并允许输气装置272自高压压气机204接收泄放空气。在一个实施例中，导管314自第8级高压压气机204接收泄放空气。导管314在高压压气机204和分流器接头320之间延伸。在另一实施例中，输气装置272包含一封塞/分隔器(未示出)，以控制流到喷水组件206的泄放空气流量。
进入分流器接头320的一部分空气被导向第一岐管310，而其余的空气被导向第二岐管312。第一岐管310是圆环形的，沿圆周设置在第二岐管312下游的低压压气机202的周围。若干供给管322自第一空气岐管310延伸到喷雾嘴288。供给管322允许泄放空气和水自空气岐管310流到喷雾嘴288。喷雾嘴288自管道256的外壁324向燃气轮机中心轴线212径向向内延伸，它包含若干喷雾出口326。该泄放空气使送到喷雾嘴288的水雾化，以形成小水滴。这些水滴经喷雾嘴喷雾出口326以被引向高压压气机进气侧232的细雾被迫进入流道内，在一个实施例中，水雾以大约20微米的平均颗粒直径尺寸自喷雾嘴喷雾出口326喷出。
进入分流器接头320的其余空气被导向第二岐管312。第二岐管312是圆环形的，沿圆周设置在第一岐管310上游的低压压气机202周围。若干供给管330自第二空气岐管312延伸到喷雾嘴300。供给管330允许泄放空气和水自第二岐管312流到喷雾嘴300。喷雾嘴300自进气管道260的外壁332朝燃气轮机中心轴线212径向向外延伸，并包含若干喷雾出口334。泄放空气使被送到喷雾嘴300的水雾化，以形成水滴。这些水滴经喷雾嘴喷雾出口334以被导向低压压气机进气侧214的细雾被迫进入流道。在一个实施例中，该水雾以20微米的平均颗粒直径尺寸自喷雾嘴喷雾出口332喷出。
在运转期，工作流体，如空气，经具有进气管道260的低压压气机202按规定路线流动。被压缩的流体流从低压压气机202排出，经管道256按规定路线流到高压压气机204。因此，当空气流过燃气轮机时，压气机泄放空气自高压压气机204流到输气装置分流器接头320。一部分空气被导向输气装置第一岐管310，其余的空气被导向输气装置第二岐管312。同时，水流经计量阀274，被导入输水高压压气机部276和输水低压压气机部278。
自空气岐管310和312排出的泄放空气分别将流到输水喷雾嘴288和300的水雾化，形成细雾。该细雾被分别导向高压压气机进气侧232和低压压气机进气侧204。该细雾在低压进气侧214出现过饱和状态。当该雾流经低压压气机202和高压压气机204时，该雾蒸发，在燃气轮机中产生一种中冷效果。该中冷效果允许有较低的燃烧温度和较低的压气机排气温度，这便允许自高压压气机14排出的流体的热容量也增大。热容量的增大降低了燃气轮机中的火焰温度，并且由于火焰温度的降低，所产生的氧化氮排放物较少。结果，相应于规定的燃气轮机逆转功率，氧化氮排放物减少了，或者相应于规定的氧化氮排放物，运转功率提高了。
燃气轮机的上述压气机转子组件在价格上是便宜的，且可靠的。输水组件将雾化空气有效地引至压气机转子组件，以减少氧化氮排放物。结果相应于规定的燃气轮机运转功率，氧化氮排放物减少了。或者相应于规定的氧化氮排放值，燃气轮机的运转功率提高了。
虽然就各具体的实施例说明了本发明，然而，业内人士会认识到，可以通过各种修改来实施本发明，而这些修改均处于由权利要求书所限定的精神和范围内。
权利要求
1．一种利用喷水组件(32)降低燃气轮机燃烧器(16)排放量的方法，该燃气轮机包含一个可以小于1的燃料/空气混合当量比工作的燃烧器，该喷水组件包含一个连于燃气轮机的输水装置(82)，该输水装置包含若干第一喷雾嘴(86)，所述方法包括如下步骤以小于1的燃烧器燃料/空气混合当量比使燃气轮机运转；藉输水装置的若干第一喷雾嘴将水供给燃气轮机，使水进入燃气轮机的燃烧器上游。
2．按权利要求1所述的方法，其特征在于该输水装置(82)还包含一计量阀(92)和至少一个岐管(90)，该计量阀和岐管连于喷雾嘴(86)，所述供水步骤还包括计量被喷入燃气轮机(10)内的水的步骤，以控制被喷雾到燃气轮机内的水滴的尺寸和量。
3．按权利要求1所述的方法，其特征在于喷水组件(32)还包含一个用若干导管(102)连接在输水装置(82)和燃气轮机(10)之间的输气装置(84)，所述供水步骤还包括利用喷水组件输气装置喷雾水的步骤。
4．按权利要求2所述的方法，其特征在于输水装置(82)包含若干第二喷雾嘴(300)，燃气轮机(10)还包含至少两个转子组件(12,14)，所述供水步骤还包括经若干第二喷雾嘴将水供给燃气轮机中第一转子组件的上游同时经若干第一喷雾嘴(288)将水供给第二转子组件的上游的步骤。
5．按权利要求4所述的方法，其特征在于喷水组件(32)还包含一个用若干导管(102)连接在输水装置(80)和燃气轮机(10)之间的输气装置(82)，所述喷雾水的步骤还包括利用喷水组件输气装置喷雾水的步骤。
6．一种燃气轮机(10)的喷水组件(32)，包含至少一个压气机(14)，所述喷水组件包括一个燃烧器(16)，其构形能以小于1的燃料/空气混合当量比工作；一个输水装置(82)，包括若干第一喷雾嘴(288)，所述输水装置连于燃气轮机，所述若干第一喷雾嘴被构形成能将水喷雾到燃气轮机中压气机的上游，以降低由燃烧器产生的排放值。
7．按权利要求6所述的喷水组件(32)，其特征在于输水装置(82)还包括一个计量阀(274)和至少一个岐管(284)，所述计量阀连于所述至少一个岐管，所述岐管连于所述若干第一喷雾嘴。
8．按权利要求7所述的喷水组件(32)，其特征在于所述若干第一喷雾嘴(288)包括24个喷雾嘴。
9．按权利要求8所述的喷水组件(32)，其特征在于还包括一个输气装置(84)，输气装置(84)包括若干导管(102)，所述输气装置连于所述输水装置和一空气源之间。
10．按权利要求9所述的喷水组件(32)，其特征在于所述输气装置(84)还包括至少一个用导管(102)连于所述输气装置的岐管(312)。
11．按权利要求10所述的喷水组件(32)，其特征在于还包括若干第二喷雾嘴(300)。
12．按权利要求11所述的喷水组件(32)，其特征在于燃气轮机(10)还包含一个第二压气机(12)，所述输水装置(82)还包括至少两个岐管(284,292)，所述若干第二喷雾嘴(300)的构形能将水喷雾到燃气轮机中的第二压气机上游。
13．按权利要求12所述的喷水组件(32)，其特征在于所述若干第二喷雾嘴(300)包括23个喷雾嘴，所述空气源为燃气轮机(10)。
14．一种燃气轮机，包括一个第一转子(204)；一个燃烧器(16)，配置在第一转子的下游，与第一转子共轴线，所述燃烧器被构形成能以小于1的燃料/空气混合当量比工作；一个喷水组件(206)，安装于所述燃气轮机，所述喷水组件包括一输水装置(270)，该输水装置包括若干连于燃气轮机的第一喷雾嘴(288)，所述第一喷雾嘴被构形成能将水喷到所述第一转子的上游。
15．按权利要求14所述的燃气轮机(10)，其特征在于所述输水装置(270)还包括一个计量阀(274)和至少一个岐管(284)，所述计量阀连于所述岐管，所述岐管连于所述若干第一喷雾嘴(288)。
16．按权利要求15所述的燃气轮机(10)，其特征在于所述输水装置(270)的若干喷雾嘴(288)包括24个喷雾嘴。
17．按权利要求16所述的燃气轮机(10)，其特征在于所述输水装置(270)还包括一输气装置(272)，该输气装置包括若干连在所述输水装置和燃气轮机之间的导管(314)。
18．按权利要求17所述的燃气轮机(10)，其特征在于所述输气装置(272)还包括至少一个用导管(314)连于所述输气装置的岐管(312)。
19．按权利要求18所述的燃气轮机(10)，其特征在于所述输水装置(270)还包括若干第二喷雾嘴(300)。
20．按权利要求19所述的燃气轮机(10)，其特征在于还包括一个第二转子(12)和一个转子轴，所述第一转子(14)与所述第二转子轴向偶合，所述第一转子在所述第二转子的下游，所述输水装置的若干第二喷雾嘴(300)被构形成能将水喷入燃气轮机中所述第二转子的上游。
全文摘要
一种燃气轮机(10),包含一个具有一个第一转子的压气机转子组件(14);一个被构形成能以小于1的燃料/空气混合当量比工作的燃烧器(16);和一个喷水组件(32)。该喷水组件包括一个具有若干第一喷雾嘴(288)的输水装置(82),将水供给第一转子的上游。供给第一转子的水在输到发动机之前借助于若干第一喷雾嘴被喷雾,以减少由燃烧器产生的排放物。
文档编号F02C7/143GK1321825SQ01117658
公开日2001年11月14日 申请日期2001年4月28日 优先权日2000年4月28日
发明者小R·B·霍克, M·W·阿德哈米, N·D·约施 申请人:通用电气公司