专利名称：延迟贫油喷射的燃料分级构造的制作方法
技术领域：
本发明的方面涉及延迟贫油喷射(LLI) (late lean injection)的燃料分 级构造和实现延迟贫油喷射的燃料分级构造的方法。
背景技术：
目前，一些燃气涡轮发动机未能高效地操作并产生不希望的空气污染排 放。通常由燃烧传统的碳氢化合物燃料的涡轮产生的主要空气污染排放是氮氧化物、一氧 化碳和未燃烧的碳氢化合物。为此，由于燃气涡轮发动机中例如分子氮的氧化取决于燃烧 器内的高温和在燃烧器内的高温下反应物的停留时间，故通过维持燃烧器温度低于热力型 N0x形成时的水平或者通过限制高温时反应物的停留时间以便N0x形成反应没有足够的时 间进行而降低热力型N0x形成的水平。
一种温度控制方法包括燃料和空气的预混合以在燃烧之前形成其贫油混 合物。然而，已认识到的是，对于重载工业燃气涡轮，即使使用预混合的贫油燃料，燃烧产物 要求的温度太高以至于燃烧器必须在反应区中的峰值气体温度下操作，该峰值气体温度超 过热力型N0x形成的阈值温度，从而导致严重的N0x形成。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种燃气涡轮发动机，其包括燃烧器，该燃烧 器具有由燃料回路供应至其中的第一燃料可在其中燃烧的第一内部；涡轮，该涡轮包括旋 转的涡轮叶片，至少第一燃料的燃烧产物可接收至该旋转的涡轮叶片以为涡轮叶片的旋转 提供能量；过渡区，该过渡区包括由燃料回路供应至其中的第二燃料和第一燃料的燃烧产 物可在其中燃烧的第二内部，该过渡区布置成使燃烧器和涡轮彼此流体式联接；以及多个 燃料喷射器，该多个燃料喷射器在结构上由过渡区支承并联接到燃料回路，并构造成通过 单轴向级、多轴向级、单轴向圆周级以及多轴向圆周级中的任何一种或更多种将第二燃料 供应到第二内部。
根据本发明的另一个方面，提供一种燃气涡轮发动机，其包括燃烧器和涡 轮，该燃烧器具有第一燃料可在其中燃烧的第一内部，该涡轮包括旋转的涡轮叶片，至少第 一燃料的燃烧产物可接收至该旋转的涡轮叶片以为涡轮叶片的旋转提供能量，该燃气涡轮 发动机包括过渡区和多个燃料喷射器，该过渡区包括由燃料回路供应至其中的第二燃料和第一燃料的燃烧产物可在其中燃烧的第二内部，该过渡区布置成使燃烧器和涡轮彼此流体 式联接，该多个燃料喷射器在结构上由过渡区支承并联接到燃料回路，并构造成通过单轴 向级、多轴向级、单轴向圆周级以及多轴向圆周级中的任何一种将第二燃料供应到第二内 部。
根据本发明的又一个方面，提供一种燃气涡轮发动机的操作方法，在该燃 气涡轮发动机中涡轮和燃烧器通过插入在其间的过渡区而流体式联接，该方法包括将第一 燃料供应到燃烧器的第一内部，在燃烧器的第一内部中燃烧第一燃料，通过单轴向级、多 轴向级、单轴向圆周级以及多轴向圆周级中的任何一种将第二燃料供应到过渡区的第二内 部，以及在过渡区的第二内部中燃烧第二燃料和从第一内部接收的燃烧产物流。
当结合附图时，通过以下说明，本发明的这些和其它优点及特征将更明显。
被视为本发明的主题在权利要求中特别指出并清楚地声明。当结合附图 时，通过以下详细的说明，本发明的前述特征和其它特征及优点显而易见，在附图中
图1是具有延迟贫油喷射能力的涡轮的侧剖面图2是示出首端(head end)燃料分离(fuel split)百分比与图1涡轮的 点火温度的曲线图的图表；
图3是示出操作图1涡轮的方法的流程图4A-4D是各种首端构造的侧剖面图；以及
图5A-5D是各种燃料喷射器构造的透视图。
通过参考附图，以下详细的说明示例性地阐释本发明的实施例以及优点和 特征。部件列表
10燃气涡轮发动机
11首端
12多个预混合喷嘴
13标准燃烧器构造
14DLN 1+燃烧器构造
15DLN 2+燃烧器构造
16DLN 2. 6/2. 6+燃烧器构造
20燃烧器
21第一内部
30压缩机
40衬套
41第二内部
42稀释孔
43过渡区
50涡轮
60燃料喷射器
5
61阀
70燃料回路
71，72支路
73阀
80控制器
90源
91精炼气体(refinery gas)阀
100热偶/压力计
110三通阀
120催化部分氧化反应器
125套管式(tube-in-tube)喷射器构造
130管子
140冲击衬套表面
145被套
150分界部分
155旋流式喷射器
160歧管
165清洗件
170旋流器
175富催化(rich catalytic)喷射器构造
180富催化元件
185多管/淋浴头式喷射器构造
190多管
300操作涡轮
310启动LLI
320确定
330降低LLI水平
340增加LLI水平
350继续操作LLI
具体实施例方式
参考图1，提供燃气涡轮发动机10，其包括燃烧器20，燃烧器20具有由燃 料回路70供应至其中的诸如液体燃料或气体燃料的第一燃料可在其中燃烧的第一内部 21 ；压缩机30，通过该压缩机30进气被压缩并至少提供到燃烧器20和过渡区43 ；和涡轮 50，该涡轮50包括旋转的涡轮叶片，至少第一燃料的燃烧产物可接收至该旋转的涡轮叶片 以为涡轮叶片的旋转提供能量。过渡区43布置成使燃烧器20和涡轮50流体式联接，并包 括由燃料回路70供应至其中的第二燃料和第一燃料的燃烧产物可在其中燃烧的第二内部 41。如图所示，燃烧器20和过渡区43彼此结合以大体具有首端11的形式，该形式可具有 各种的构造，如下所述。
如图1所示，首端11可包括多个预混合喷嘴12。然而，如图4A-4D所示， 其它首端11构造是可能的。这些可选构造包括但不限于图4A中的标准燃烧器构造13、图 4B中的干式低NOx(DLN) 1+燃烧器构造14、图4C中的DLN 2+燃烧器构造15以及图4D中 的DLN2. 6/2. 6+燃烧器构造16。其它燃烧器构造还包括集成式气化联合循环(IGCC)首端、 催化式首端、扩散式首端和多喷嘴低噪燃烧(MNQC)式首端。
对于各上述首端11的构造，应理解的是各种形式的构造可以是延迟贫油 喷射(LLI)兼容的。LLI兼容式燃烧器是具有超过2500下的出口温度或在高于10毫秒的 热侧停留时间内处理具有比甲烷更易反应的成分的燃料的任何燃烧器。作为实例，LLI兼容 式DLN 1+燃烧器构造14可具有低于2500 T的出口温度，但是可处理具有比甲烷更易反应 的成分的燃料。LLI兼容式扩散式首端燃烧器可具有超过2500下的出口温度，并可处理具 有比甲烷更易反应的成分的燃料。同样地，LLI兼容式DLN 2. 0/DLN 2+燃烧器构造15可 具有超过2500 T的出口温度并可处理具有比甲烷更易反应的成分的燃料，而LLI兼容式催 化式首端或DLN 2. 6/2. 6+燃烧器构造16可具有超过2500 T的出口温度并可处理具有比 甲烷更易反应的成分的燃料。
多个燃料喷射器60在结构上各由过渡区43的外壁或由过渡区43周围的 衬套40的外壁支承，并延伸进入第二内部41达到不同的深度。根据此构造，燃料喷射器60 各构造成提供LLI燃料分级能力。也就是说，燃料喷射器60各构造成通过例如在大体横向 于通过过渡区43的主要流向的方向上的燃料喷射以单轴向级、多轴向级、单轴向圆周级以 及多轴向圆周级中的任何一种将第二燃料(即LLI燃料)供应到第二内部41。
参考图5A-5D，可看出的是，燃料喷射器60可具有各种特征和功能。例如， 如图5A所示，燃料喷射器60可包括套管式喷射器构造125。在此构造中，燃料通过管子130 中的喷嘴主动地馈送到过渡区43的内部41，空气被动地馈送通过管子130和从冲击衬套 表面140延伸到分界部分150的衬套145之间的环形空间。如图5B所示，燃料喷射器60 还可包括旋流式喷射器155。在该结构中，燃料通过歧管160主动地馈送到过渡区43的内 部41，空气通过中央清洗件165和/或利用旋流器170被动地馈送。此外，如图5C和5D所 示，燃料喷射器60构造的其它实例包括具有富催化元件180的富催化喷射器构造175和具 有燃料通过其馈送到过渡区43的多管190的多管/淋浴头式喷射器构造185。在这些实例 的各个中，应理解的是燃料喷射器60可在与过渡区43的外表面上已有稀释孔42 (若有的 话)相对应的位置上联接到过渡区43。因此，由于不需要在过渡区43的外表面上钻出额外 的孔，故制造成本和不利的性能影响受到限制或显著降低。如果稀释孔42已经不存在，则 燃料喷射器60可按照需要布置在过渡区43的外部。
根据实施例，单轴向级包括当前操作的单一燃料喷射器60，多轴向级包括 分别布置在过渡区43的多个轴向位置处的多个当前操作的燃料喷射器60，单轴向圆周级 包括分别围绕过渡区43的单个轴向位置的圆周布置的多个当前操作的燃料喷射器60，多 轴向圆周级包括在过渡区43的多个轴向位置处围绕过渡区43的圆周布置的多个当前操作 的燃料喷射器60。W022]此处，在多个燃料喷射器60围绕过渡区43的圆周布置的情况下，燃料喷射 器60可大体均勻地或不均勻地彼此间隔。作为实例，可在特定圆周级采用八个或者十个燃 料喷射器60，其中2个、3个、4个或5个燃料喷射器60以彼此分离开的不同角度安装在过
7渡区43的北半球和南半球。此外，在多个燃料喷射器60布置在过渡区43的多轴向级的情 况下，燃料喷射器60可彼此相对对齐和/或交错。
在燃气涡轮发动机10的操作期间，各燃料喷射器60可联合地或单独地被 激活或被停用，以形成单轴向级、多轴向级、单轴向圆周级以及多轴向圆周级中的当前有效 的一种。为此，应理解的是，燃料喷射器60各可通过燃料回路70经由布置在相应燃料喷射 器60和燃料回路70的支路71或72之间的阀61由LLI燃料供应。阀61与控制器80处 于信号互通，控制器80将导致阀61开启或关闭并因此激活或停用相应燃料喷射器60的信 号发送到阀61。
因此，如果当前需要使各燃料喷射器60当前被激活(即多轴向圆周级)， 则控制器80发信号到各阀61以开启并因此激活各燃料喷射器60。相反地，如果当前需要 使过渡区43的特定轴向级的各燃料喷射器60当前被激活(即单轴向圆周级)，控制器80 发信号到仅仅与单轴向圆周级的燃料喷射器60相对应的各阀61以开启并因此激活各燃料 喷射器60。当然，该控制系统仅仅是示例性的，应理解的是燃料喷射器构造的多种组合是可 能的，并且用于控制燃料喷射器60的激活和停用中的至少一个的其它系统和方法是可获 得的。
此外，在存在具有多个燃料喷射器构造的多个燃料喷射器60时，如上所 述，控制器80还可构造成在任何一次仅激活具有某些燃料喷射器构造的那些燃料喷射器 60。因此，如果当前需要使具有套管式喷射器构造125的各燃料喷射器60当前被激活，控 制器80发信号到与那些燃料喷射器60相对应的各个阀61以开启。相反地，如果当前需要 使包括旋流式喷射器155的各燃料喷射器60当前被激活，控制器80发信号到仅与包括旋 流式喷射器155的燃料喷射器60相对应的各个阀61以开启。
根据本发明的另一个方面，提供操作燃气涡轮发动机10的方法，在该燃气 涡轮发动机10中，涡轮50通过布置在其间的过渡区43流体式联接到燃烧器20。该方法包 括将第一燃料供应到燃烧器20的第一内部21，在燃烧器20的第一内部21中燃烧第一燃 料，通过单轴向级、多轴向级、单轴向圆周级以及多轴向圆周级中的任何一种将第二燃料供 应到过渡区43的第二内部41，以及在过渡区的第二内部41中燃烧第二燃料和从第一内部 21接收的燃烧产物流。
此处，在单轴向级中将第二燃料供应到第二内部41包括激活单个燃料喷 射器60，在多轴向级中将第二燃料到供应第二内部41包括激活分别布置在过渡区43的多 个轴向位置处的多个燃料喷射器60，在单轴向圆周级中将第二燃料供应到第二内部41包 括激活分别在过渡区43的单个轴向位置处围绕过渡区43的圆周布置的多个燃料喷射器 60，在多轴向圆周级中将第二燃料供应到第二内部41包括激活分别在过渡区43的多个轴 向位置处围绕过渡区43的圆周布置的多个燃料喷射器60。
参考图2，应看出的是，图2提供用于燃料分离控制的各种选择的图表说 明。在图2中，绘制首端燃料分离的百分比与Tfire值的曲线，该Tfire值是燃烧器20和 /或过渡区43内的温度测量值。由于控制器80还构造成控制第一燃料和第二燃料朝着首 端11和/或燃料喷射器60的流向，故应看出的是，LLI燃料分级还可根据图2所示的控制 选择由控制器80进一步控制。为此，控制器80联接到阀61，如上所述，并联接到阀73以控 制将第二燃料传送到燃料喷射器60和控制将第一燃料和/或LLI燃料传送到首端11。
如图2所示，这种控制的第一选择是采用设定的首端分离，其中，一旦达到 Tfire的预选值，第一燃料和/或LLI燃料的百分比(< 100% )传送到过渡区43用于LLI 分级。从此开始，传送到过渡区43的燃料百分比保持大致恒定。第二选择是采用首端分离 计划。在这种情况中，当Tfire的值增加而超出预选值时，LLI燃料的百分比成比例增加或 根据一些其它适合的函数增加。第三选择是使LLI燃料的百分比成为燃烧器20、压缩机30、 过渡区43和/或涡轮50的内部环境的多个特性中的任何一个或更多个的函数。例如，百 分比可成为以下参数的函数为经测量的压缩机排出温度和压力条件的Tcd或Pcd，来自燃 烧器20、压缩机30或过渡区43内的湿度读数，燃气涡轮排气温度和/或为经计算的燃烧器 出口温度的T39。
还可改变上文所述的第三选择以考虑当前改进沃泊指数(MWI)。在这种情 况中，由于已知丽I测量燃料的能量密度，并且对于给定的燃料喷嘴面积，较低的丽I指示 跨过首端燃料喷嘴的增加的压力比率，该增加的压力比率可导致LLI燃料喷嘴对其不敏感 的不需要的动态性，故LLI燃料的百分比也可成为丽I的函数。因此，当丽I增加时，LLI燃 料的大百分比转移到过渡区43。根据各个选择，应理解的是，当认为测量燃烧器20、压缩机 30、过渡区43和涡轮50内的温度和压力是必要的时，热偶/压力计100或者任何其它适合 的环境测量装置可安装在燃烧器20、压缩机30、过渡区43和/或涡轮50内。W031]参考图3，可看到的是，控制具有LLI能力的涡轮的方法包括操作涡轮300， 在某个时间段之后或一旦达到Tfire的预设值时启动LLI 310，以及根据第一选择以相同 的水平350继续操作LLI。相反地，根据第二选择，该方法包括以增加的水平350继续操作 LLI。同时，根据第三选择，确定燃烧器20、压缩机30和/或过渡区43的任何特定的测量 特性是否高于或低于已确定参数320，并基于确定的结果，LLI水平降低330，增加340或保 持，随后LLI操作继续350。
仍然参考图1，控制器80还构造成控制三通阀110和在一些实施例中布置 在围绕燃料喷射器60的歧管上的额外阀或上述的阀61。因此，控制器80能够控制通过压 缩机30传送到燃烧器20和过渡区43或传送到各燃料喷射器60的进气的空气分离(air split)。因此，控制器80能够同时改变燃料分离和空气分离。因此，控制器80可因此产生用 于注重燃烧系统的优化燃料空气比率的燃烧系统的操作路径。根据本发明的各种实施例， 三通阀110还可集成为整体空气冷却系统、长期关闭工作(extended turndown efforts) 和/或能源部(DoE)计划的一部分。
如上所述，实现三通阀110的控制以优化燃烧系统的燃料空气比率。基于 用于燃烧器20和过渡区43的规范或可基于当前的环境条件，这些比率是可预选的。在这种 情况中，基于由安装在燃烧器20、压缩机30、过渡区43和涡轮50内的热偶/压力计100产 生的温度和/或压力读数，控制器80可增加在燃烧器20或过渡区43中的燃料空气比率。
延迟贫油喷射(LLI)还可允许将包括诸如精炼气体的可选气体的多种气 体流喷入到过渡区43，非LLI燃烧器通常不能够处理此类喷射。由于考虑预混合器中不需 要的火焰保持，诸如精炼气体的高活性气体典型地不能由预混合燃烧器处理。另一方面，可 以或不可以与天然气混合的精炼气体在某些情况中可直接喷入到过渡区43而没有这些问 题，尤其是在燃料喷射器60耐受火焰保持的情况下。此处，在精炼气体与天然气混合的情 况下，所使用天然气的量可以是Tcd，Pcd和T39的函数，如上所述。此外，在精炼气体喷入到过渡区43的情况下，应理解的是，可在首端11处采用火焰保持敏感预混合器以防止或显 著降低火焰保持事件的可能性。
如图1所示，可选气体在最终喷入燃烧器20和过渡区43之前可经由由控 制器80控制的精炼气体阀91从源90喷入燃料回路70的支路71或72。因此，当确定可 选气体将喷入过渡区43时，控制器80可开启精炼气体阀91以便可选气体可通过燃料回路 70朝向燃料喷射器60传送。
作为又一个实施例，应理解的是可选气体可与天然气混合以形成具有反映 使用中的特定首端11的耐受性的组分的第一燃料。可提供具有或不具有此混合的可选气 体以形成第二燃料。
此外，还应理解的是，可选气体可包括通过燃料回路70从源90接收的精 炼气体，如上所述，以及由比甲烷更易反应的成分组成的气体。更具体地，可选气体可包括 包含高于大约0. 5%体积量的氢气、高于大约5%体积量的乙烷、高于大约10%体积量的丙 烷、高于大约5%体积量的丁烷或高于丁烷的碳氢化合物的气体。
燃料回路70也可具有多个支路71和72以适应燃料流中的变化。因此多 个支路71和72还可用于通过提供额外燃料流动面积或者通过以产生燃烧的单独模式(即 扩散和预混合)的方式引入燃料而允许燃料组分的很大变化。支路71和72还可允许燃料 沃泊数和燃料组分的变更并允许动态调节。燃料回路70的支路71和72可实施为燃料回 路70的支路、过渡区43的额外燃料喷嘴或这些选择和其它适合选择的组合。
支路71和72可还包括沿着其长度布置的催化部分氧化反应器 (CPCR)120。CPCR 120将第一燃料和第二燃料内的甲烷转换成氢气和/或部分氧化该甲烷 而不产生氮氧化物。因此，由于用于LLI的反应燃料已经部分氧化，故燃料可甚至晚于其另 外应当喷射的时间而喷入过渡区43。
尽管结合仅仅有限数量的实施例详细说明了本发明，但是应容易理解的 是，本发明不局限于这些公开的实施例。相反，本发明可改变以包括迄今未说明但与本发明 的范围和精神相一致的任何变化、变更、替换或等价布置。此外，尽管说明了本发明的许多 实施例，但应理解的是，本发明的方面可仅仅包括所述实施例的一些方面。因此，本发明不 应被视为由前述说明所限制，而仅由所附权利要求的范围所限制。
权利要求
一种燃气涡轮发动机(10)，其包括燃烧器(20)，其具有第一内部(21)，由燃料回路(70)供应至所述第一内部(21)的第一燃料可在所述第一内部(21)中燃烧；涡轮(50)，其包括旋转的涡轮叶片，至少所述第一燃料的燃烧产物可接收至所述旋转的涡轮叶片以为所述涡轮叶片的旋转提供能量；过渡区(43)，其包括第二内部(41)，由所述燃料回路(70)供应至所述第二内部(41)的第二燃料和所述第一燃料的燃烧产物可在所述第二内部(41)中燃烧，所述过渡区(43)布置成使所述燃烧器(20)和所述涡轮(50)彼此流体式联接；以及多个燃料喷射器(60)，其在结构上由所述过渡区(43)支承并联接到所述燃料回路(70)，并构造成通过单轴向级、多轴向级、单轴向圆周级以及多轴向圆周级中的任何一种或更多种将所述第二燃料供应到所述第二内部(41)。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，各个所述燃料喷射器 (60)将所述第二燃料混合物喷入所述第二内部(41)。
3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，所述第二燃料混合物在 大体横向于通过所述过渡区(43)的主要流向的方向上喷射。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，所述单轴向级包括单个 燃料喷射器(60)。
5.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，所述多轴向级包括分别 布置在所述过渡区(43)的多个轴向位置处的多个燃料喷射器(60)。
6.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，所述单轴向圆周级包括 分别围绕所述过渡区(43)的单个轴向位置的圆周布置的多个燃料喷射器(60)。
7.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，所述多轴向圆周级包括 在所述过渡区(43)的多个轴向位置处围绕所述过渡区(43)的圆周布置的多个燃料喷射器 (60)。
8.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，各个所述燃料喷射器 (60)由控制器(80)激活或停用。
9.一种燃气涡轮发动机(10)，其包括具有第一内部(21)的燃烧器(20)和包括旋转的 涡轮叶片的涡轮，由燃料回路(70)供应至所述第一内部(21)的第一燃料可在所述第一内 部(21)中燃烧；至少所述第一燃料的燃烧产物接收至所述旋转的涡轮叶片以为所述涡轮 叶片的旋转提供能量，所述燃气涡轮发动机(10)包括过渡区(43)，其包括第二内部(41)，由所述燃料回路(70)供应至所述第二内部(41) 的第二燃料和所述第一燃料的燃烧产物可在所述第二内部(41)中燃烧，所述过渡区(43) 布置成使所述燃烧器(20)和所述涡轮(50)彼此流体式联接；和多个燃料喷射器(60)，其在结构上由所述过渡区(43)支承并联接到所述燃料回路 (70)，并构造成通过单轴向级、多轴向级、单轴向圆周级以及多轴向圆周级中的任何一种将 所述第二燃料供应到所述第二内部(41)。
10.一种操作燃气涡轮发动机(10)的方法，在所述燃气涡轮发动机(10)中，涡轮(50) 和燃烧器(20)通过插入在其间的过渡区(43)而流体式联接，所述方法包括将第一燃料供应到所述燃烧器(20)的第一内部(21)；在所述燃烧器(20)的第一内部(21)中燃烧所述第一燃料； 通过单轴向级、多轴向级、单轴向圆周级以及多轴向圆周级中的任何一种将第二燃料 供应到所述过渡区(43)的第二内部(41)；在所述过渡区(43)的第二内部(41)中燃烧所述第二燃料和从所述第一内部(21)接 收的燃烧产物流。
全文摘要
本发明涉及延迟贫油喷射的燃料分级构造，并且提供一种燃气涡轮发动机，其包括燃烧器，该燃烧器具有供应至其中的第一燃料可在其中燃烧的第一内部；涡轮，该涡轮包括旋转的涡轮叶片，至少第一燃料的燃烧产物可接收至该旋转的涡轮叶片以为涡轮叶片的旋转提供能量；过渡区，该过渡区包括供应至其中的第二燃料和第一燃料的燃烧产物可在其中燃烧的第二内部，该过渡区布置成使燃烧器和涡轮彼此流体式联接；以及多个燃料喷射器，该多个燃料喷射器由过渡区支承并联接到燃料回路，并构造成通过单轴向级、多轴向级、单轴向圆周级以及多轴向圆周级中的任何一种或更多种将第二燃料供应到第二内部。
文档编号F02C9/00GK101839177SQ20101000382
公开日2010年9月22日 申请日期2010年1月6日 优先权日2009年1月7日
发明者C·B·维尔库尔, H·凯琳, J·C·特里, K·K·文卡塔拉曼 申请人:通用电气公司