專利名稱：：延遲貧噴射燃料噴射器構造的制作方法
技術領域：
：本發明的各方面涉及延遲貧噴射(lateleaninjection,LLI)燃料分級構造和獲得該構造的方法。
背景技術：
：當前，一些燃氣渦輪發動機未能以高效率運行并產生不期望的空氣污染排放物。由燃燒傳統碳烴燃料的渦輪機通常產生的主要空氣污染排放物是氮氧化物、一氧化碳和未燃的烴類。為此，由于燃氣渦輪發動機中例如氮分子的氧化依賴于燃燒器中的高溫和反應物在高溫下在燃燒器內的駐留時間，通過將燃燒器溫度維持在形成熱N0x的水平之下或通過限制反應物在高溫下的駐留時間(使得沒有足夠的時間來進行N0x生成反應)而降低熱N0x形成的水平。—種溫度控制方法，包括在燃燒之前使燃料和空氣預混合以形成它們的稀混合物。然而，已經懂得，對于重型工業燃氣渦輪機，即便使用預混合稀燃料，由于燃燒產物的所需溫度是如此的高，以致燃燒器必須在反應區中以超過熱N0x形成閾值溫度的峰值燃氣溫度運行，從而導致大量的N0x形成。
發明內容根據本發明的一個方面，提供一種燃氣渦輪發動機，其包括具有第一內部的燃燒器，通過燃料回路供應至此的第一燃料可在該第一內部中燃燒；包括旋轉渦輪葉片的渦輪，至少第一燃料的燃燒產物可接收到渦輪內，以便驅動渦輪葉片的旋轉；包括第二內部的過渡區域，通過燃料回路供應至此的第二燃料和第一燃料的燃燒產物可在該第二內部中燃燒，該過渡區域布置成流體地將燃燒器和渦輪彼此聯接；以及多個燃料噴射器，包括一個或多個多管/蓮蓬頭式噴射器、旋渦式噴射器和/或套管式(tube-in-tube)噴射器，這些噴射器在結構上被過渡區域支撐并聯接到燃料回路上，并且構造成將第二燃料供應給單軸向級、多軸向級、單軸向圓周級和多軸向圓周級中的任何一個中的第二內部。根據本發明的另一個方面，提供一種包括燃燒器和渦輪的燃氣渦輪發動機，該燃燒器具有第一內部，通過燃料回路供應至此的第一燃料可在該第一內部中燃燒，該渦輪包括旋轉渦輪葉片，至少第一燃料的燃燒產物可接收到渦輪內，以便驅動渦輪葉片旋轉；該燃氣渦輪發動機包括包括第二內部的過渡區域，通過燃料回路供應至此的第二燃料和第一燃料的燃燒產物可在該第二內部中燃燒，該過渡區域布置成流體地將燃燒器和渦輪彼此聯接；以及多個燃料噴射器，包括一個或多個多管/蓮蓬頭式噴射器、旋渦式噴射器和/或套管式噴射器，這些噴射器在結構上被過渡區域支撐并聯接到燃料回路上，并被構造成將第二燃料供應給單軸向級、多軸向級、單軸向圓周級和多軸向圓周級中的任何一個中的第二內部。結合附圖根據下列描述，這些和其它優點和特征將變得清楚明白。被認為是本發明的主題在說明書所附的權利要求中被特別地指出和清楚地要求保護。結合附圖，根據下列具體實施方式，本發明的上述和其它特征和優點是顯而易見的，附圖中圖1是包括延遲貧噴射能力的渦輪機的側截面圖；圖2是圖示了圖1的渦輪機的頭端燃料分流百分比對點火溫度的曲線的圖形；圖3是圖示了操作圖1的渦輪機的方法的流程圖4A-4D是不同頭端構造的側截面圖；以及圖5A-5D是不同燃料噴射器構造的透視圖。以示例的方式借助參考附圖，具體實施方式解釋了本發明的實施例以及優點和特征。部件列表<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>具體實施例方式參考圖l，提供了燃氣渦輪發動機IO，其包括具有第一內部21的燃燒器20，通過燃料回路70供應至此的第一燃料可在該第一內部21中燃燒；壓縮機30，入口空氣由該壓縮機壓縮并至少提供給燃燒器20和過渡區域43;以及包括旋轉渦輪葉片的渦輪50，至少第一燃料的燃燒產物可接收到渦輪內，以驅動渦輪葉片旋轉。過渡區域43布置成流體地聯接燃燒器20和渦輪50，并包括第二內部41，其中通過燃料回路70供應至此的第二燃料和第一燃料的燃燒產物可在該第二內部中燃燒。如圖所示，燃燒器20和過渡區域43彼此結合，以大體上具有頭端11的形式，如下文將討論的，該頭端可具有多種構造。如圖1中所示，頭端11可包括多個預混合噴嘴12。然而，如圖4A-4D所示，其它的頭端11構造是可能的。這種備選構造包括但不限于圖4A的標準燃燒器構造13、圖4B的干燥低N0x(DLN)1+燃燒器構造14、圖4C的DLN2+燃燒器構造15和圖4D的DLN2.6/2.6+燃燒器構造16。又其它的燃燒器構造包括集成氣化組合循環(IGCC)頭端、催化頭端、擴散式頭端和多噴嘴安靜燃燒(MNQC)式頭端。對于各上述頭端11構造，應當了解的是，構造的形式可以是延遲貧噴射(LLI)兼容的。LLI兼容的燃燒器是具有超過2500下的出口溫度的任何燃燒器，或者處理含有比具有大于10ms的熱側駐留時間的甲烷更易反應的成分的燃料的任何燃燒器。作為示例，DLN1+燃燒器構造14的LLI兼容形式可具有小于2500。F的出口溫度，但可處理具有比甲烷更易反應的成分的燃料。擴散式頭端燃燒器的LLI兼容形式可具有超過2500下的出口溫度，并可處理具有比甲烷更易反應的成分的燃料。同樣地，DLN2.0/DLN2+燃燒器構造15的LLI兼容形式可具有超過2500下的出口溫度，并可處理具有比甲烷更易反應的成分的燃料，而催化頭端或DLN2.6/2.6+燃燒器構造16的LLI兼容形式可具有超過2500°F的出口溫度，并可處理具有比甲烷更易反應的成分的燃料。多個燃料噴射器60中的每一個均被過渡區域43的外壁或過渡區域43周圍的套筒40的外壁結構地支撐，并延伸進入第二內部41至不同的深度。利用這種構造，各燃料噴射器60均被構造成提供LLI燃料分級能力。就是說，各燃料噴射器60被構造成通過例如沿一個方向(其通常橫切于通過過渡區域43的主要流向)噴射燃料來將第二燃料(即LLI燃料)供應給單軸向級、多軸向級、單軸向圓周級和多軸向圓周級中的任何一個中的第二內部41。這樣一來，燃燒器20和過渡區域43內的條件被分級以創建穩定燃燒的局部區域。參考圖5A-5D，可見燃料噴射器60可具有不同的特征和功能。例如，如圖5A中所示，燃料噴射器60可包括套管式噴射器構造125。在此構造中，燃料通過管130中的噴嘴主動地供應給過渡區域43的內部41，而空氣被動地通過管130和套筒145之間的環形空間供給，該套筒自沖擊套筒表面140延伸至接口部分150。如圖5B中所示，燃料噴射器60也可包括旋渦式噴射器155。在此構造中，燃料通過歧管160主動地供應給過渡區域43的內部41，而空氣通過中心吹掃管165和/或經由渦旋式噴嘴170被動地供應。此外，如圖5C和5D中所示，燃料噴射器60構造的其它示例包括濃催化噴射器構造175，其包括濃催化元件180;和多管/蓮蓬頭式噴射器構造185，其包括多個管190(燃料通過多個管供應給過渡區域43)。在這些情況的每種情況下，應當了解的是，燃料噴射器60在對應于先前存在的過渡區域43的外表面上的稀釋孔42(如果有的話)的位置處可聯接到過渡區域43上。這樣一來，由于不需要在過渡區域43的外表面中鉆出額外的孔，制造成本和負面性能效果被限制或充分地降低。如果稀釋孔42不是已經存在，則燃料噴射器60可按需要置于過渡區域43的外部上。根據實施例，單軸向級包括當前運行的單燃料噴射器60，多軸向級(對于多級，這里沒有先行基礎)包括多個當前運行的燃料噴射器60，它們各自布置在過渡區域43的多個軸向位置處。單軸向圓周級包括多個當前運行的燃料噴射器60，它們各自布置在過渡區域43的單軸向位置的圓周周圍，而多軸向圓周級包括多個當前運行的燃料噴射器60，它們在過渡區域的多個軸向位置處布置在過渡區域43的圓周周圍。這里，多個燃料噴射器60布置在過渡區域43的圓周周圍，燃料噴射器60可彼此大體上均勻地或不均勻地隔開。作為示例，可在特定周向級上使用八個或十個燃料噴射器60，且2、3、4或5個燃料噴射器60以距彼此不同的分離度安裝在過渡區域43的上、下半球上。同樣，多個燃料噴射器60置于過渡區域43的多個軸向級上時，燃料噴射器60可相對于彼此成直線或交錯布置。在燃氣渦輪發動機10的運行期間，各個燃料噴射器60可以共同地或單獨地啟動或停止，以便形成單軸向級、多軸向級、單軸向圓周級和多軸向圓周級中的當前有效的一個。為此，應當了解的是，各燃料噴射器60可通過燃料回路70經由布置在相應燃料噴射器60和燃料回路70的支路71或72之間的閥61被供應LLI燃料。閥61與將信號發送到閥61的控制器80進行信號通訊，使得閥61打開或關閉，并從而使相應的燃料噴射器60啟動或停止。因此，如果當前希望使各燃料噴射器60當前啟動(即多軸向圓周級)，則控制器80將信號發送給各個閥61以便打開并因此啟動各個燃料噴射器60。相反地，如果當前希望使過渡區域43的特定軸向級的各燃料噴射器60(即單軸向圓周級)當前啟動，則控制器80將信號發送給僅對應于單軸向圓周級的燃料噴射器60的各個閥61，以便打開和因此啟動各個燃料噴射器60。當然，此控制系統僅僅是示例性的，并且應當理解的是，燃料噴射器構造的多種組合是可能的，并且可提供用于控制燃料噴射器60的啟動和停止中的至少一個的其它系統和方法。此外，在存在具有多個燃料噴射器構造的多個燃料噴射器60的情況下，如上所述，控制器80可進一步構造成在任一時刻僅啟動具有一定燃料噴射器構造的那些燃料噴射器60。因此，如果當前希望使具有套管狀噴射器構造125的各燃料噴射器60當前啟動，則控制器80將信號發送給對應于那些燃料噴射器60的各個閥61，以便打開。相反地，如果當前希望使包括旋渦式噴射器155的各個燃料噴射器60啟動，則控制器80將信號發送給僅對應于包括旋渦式噴射器155的燃料噴射器60的各個閥61，以便打開。根據本發明的另一方面，提供了一種操作燃氣渦輪發動機10的方法，其中，渦輪50通過置于渦輪和燃燒器之間的過渡區域43流體地聯接到燃燒器20上。該方法包括將第一燃料供應給燃燒器20內的第一內部21;燃燒燃燒器20內的第一內部21中的第一燃料；將第二燃料供應給單軸向級、多軸向級、單軸向圓周級和多軸向圓周級中任何一個中的過渡區域43內的第二內部41;并在過渡區域內的第二內部41中燃燒第二燃料和自第一內部21接收的燃燒產物流。這里，將第二燃料供應給單軸向級中的第二內部41包括啟動單個燃料噴射器60，將第二燃料供應給多軸向級中的第二內部41包括啟動分別布置在過渡區域43的多個軸向位置處的多個燃料噴射器60，將第二燃料供應給單軸向圓周級中的第二內部41包括啟動分別在過渡區域43的單軸向位置處布置在過渡區域43圓周周圍的多個燃料噴射器60，而將第二燃料供應給多軸向圓周級中的第二內部41包括啟動分別在過渡區域43的多軸向位置處布置在過渡區域43圓周周圍的多個燃料噴射器60。參考圖2，可見到圖2提供用于燃料分流控制的不同選項的圖形說明。在圖2中，頭端燃料分流的百分數相對于T點火值繪出，T點火值是燃燒器20和/或過渡區域43內的溫度測量值。由于控制器80進一步構造成控制第一和第二燃料向頭端11和/或燃料噴射器60的流向，可以看到，LLI燃料分級也可根據圖2中所示的控制選項進一步由控制器80控制。為此，如上所討論的那樣，將控制器80聯接到閥61和閥73上，以便控制第二燃料到燃料噴射器60的輸送并控制第一和/或LLI燃料到頭端11的輸送。如圖2中所示，用于此類控制的第一選項是使用固定的頭端分流，其中，一旦達到T點火的預選值，第一和/或LLI燃料的百分數(<100%)即被輸送給用于LLI燃料分級的過渡區域43。從那點來說，輸送給過渡區域43的燃料的百分數大體上保持不變。第二選項是使用頭端分流一覽表。在此情況下，由于T點火的值增加超過預選值，LLI燃料的百分數按比例增加，或根據一些其它合適的函數增加。第三選項是使LLI燃料的百分數為燃燒器20、壓縮機30、過渡區域43和/或渦輪50的內部環境的幾個特征的任何一個或多個的函數。例如，百分數可以是Tcd或Pcd(測得的壓縮機排放溫度和壓力條件)的函數；燃燒器20、壓縮機30或過渡區域43內的濕度讀數的函數；燃氣渦輪排氣溫度和/或T39(計算所得的燃燒器出口溫度)的函數。也可修改上面討論的第三選項以說明當前的修正沃泊指數(麗I)。在這種情況下，由于已知麗I計量燃料的能量密度，對于給定的燃料噴嘴區域，較低的麗I表示橫跨頭端燃料噴嘴增加的壓力比率，其可能引起LLI燃料噴嘴對其不靈敏的不期望的動態變化，LLI燃料的百分數也可作為麗I的函數。通過這種方式，隨著麗I增加，LLI燃料的較大百分數轉向過渡區域43。根據這些選項中的各個選項，應當了解的是，可在燃燒器20、壓縮機30、過渡區域43和/渦輪50內安裝被視為測量燃燒器20、壓縮機30、過渡區域43和/渦輪50內的溫度和壓力必要的熱電偶/壓力計100或任何其它合適的環境測量裝置。參考圖3，可見達成了控制具有LLI能力的渦輪機的方法，該方法包括在步驟300操作渦輪機；在步驟310在一段時期后或者一旦達到T點火的預選值則啟動LLI;并且根據第一選項，在步驟350繼續以相同的水平操作LLI。相反地，根據第二選項，方法包括在步驟350繼續以增加的水平操作LLI。同時，根據第三選項，在步驟320確定燃燒器20、壓縮機30和/或過渡區域43的任何特定的測量特征是否高于或低于確定的參數，并且基于確定的結果，在步驟330降低LLI水平、在340增加LLI水平、或在步驟350維持并隨后繼續LLI操作。仍然參考圖1，控制器80進一步構造成控制3通閥IIO，并在一些實施例中，控制布置在燃料噴射器60周圍的歧管上的附加閥或如上所述的閥61。因此，控制器80能夠控制由壓縮機30輸送至燃燒器20和過渡區域43或各個燃料噴射器60的入口空氣的空氣分流。通過這種方式，控制器80能夠同時改變燃料分流和空氣分流。如此一來，控制器80因此能產生用于燃燒系統的操作路徑，其注重優化燃燒系統的燃料與空氣的比率。根據本發明的不同實施例，3通閥110可進一步集成為整體空氣冷卻劑系統、廣義調節努力(extendedturndownefforts)和/或能源部(DoE)計劃的一部分。如上所述，實現了對3通閥110的控制，目的是優化燃燒系統的燃料與空氣比率。這些比率可基于用于燃燒器20和過渡區域43的規格進行預選，或可基于當前環境條件進行預選。在這種情況下，控制器80可基于安裝在燃燒器20、壓縮機30、過渡區域43和渦輪50內的熱電偶/壓力計100所產生的溫度和/或壓力讀數增加燃燒器20或過渡區域43中的燃料與空氣的比率。延遲貧噴射(LLI)也可考慮多氣流噴射，包括例如為煉廠氣的備用氣體噴射到非LLI燃燒器通常不能處理的過渡區域43中。例如為煉廠氣的高反應性氣體由于考慮了預混合器中不期望的駐焰(flameholding)而典型地不能由預混燃燒器處理。另一方面，可或不可與天然氣混合的煉廠氣在一定情況下可直接噴射到過渡區域43中而沒有此類問題，尤其是燃料噴射器60是耐駐焰的地方。這里，煉廠氣與天然氣混合，所使用的天然氣的量可以是如上所述的Tcd、Pcd和T39的函數。同樣，煉廠氣被注入到過渡區域43中，應當理解的是，可在頭端11處使用駐焰靈敏的預混合器以防止或極大地減少駐焰事件發生的可能性。如圖1中所示，備選氣體可自源90經由控制器80所控制的煉廠氣閥91噴射到燃料回路70的支路71或72中。通過這種方式，當確定備選氣體噴射到過渡區域43中時，控制器80可打開煉廠氣閥91，使得備選氣體可通過燃料回路70向燃料噴射器61擴散。作為進一步的實施例，應當理解的是，備選氣體可與天然氣混合以形成成分反映使用中的特定頭端11的公差的第一燃料。備選氣體可提供成具有或不具有這種混合以形成第二燃料。另外，還應了解的是，備選氣體可包括被燃料回路70從源90接收的煉廠氣，如上所提及的那樣，以及由比甲烷更易起反應的成分組成的氣體。更特別地，備選氣體可包括含有按體積算大約0.5%以上量的氫、按體積算大約5%以上量的乙烷、按體積算大約10%以上量的丙烷、按體積算大約5%以上量的丁烷或丁烷以上的烴的氣體。燃料回路70也可結合多個支路71和72以適應燃料流的改變。多個支路71和72然后也可用來通過提供額外的燃料流區域，或通過以產生分離的燃燒模式(即擴散和預混合)的方式引入燃料而允許燃料成分的大的變化。支路71和72也可考慮燃料沃泊值、燃料成分的變化以及動態調整。燃料回路70的支路71和72可實施為燃料回路70的支路，過渡區域43中的附加燃料噴嘴或這些選項的組合以及其它合適的選項。支路71和72可進一步包括沿其長度布置的催化部分氧化反應器(CPCR)120。CPCR120將第一或第二燃料內的甲烷轉化為氫和/或部分地氧化甲烷而不產生氧化氮。結果，由于用于LLI的反應燃料已經被部分地氧化，燃料可甚至晚于其否則將要噴射的時間而噴射到過渡區域43中。盡管已經僅結合有限數量的實施例詳細地描述了本發明，但應當容易了解的是，本發明不限于此類公開的實施例。相反地，可對本發明進行修改以結合與本發明的精神和范圍相稱的多種變化、變更、替換或迄今尚未描述的等價裝置。此外，盡管已經描述了本發明的不同實施例，但應當了解的是，本發明的多個方面可僅包括其中一些所描述的實施例。因此，本發明不能認為被上述的描述所限制，而僅僅被所附權利要求的范圍所限制。10權利要求一種燃氣渦輪發動機(10)，包括具有第一內部(21)的燃燒器(20)，通過燃料回路(70)供應至所述第一內部(21)的第一燃料可在所述第一內部中燃燒；包括旋轉渦輪葉片的渦輪(50)，至少所述第一燃料的燃燒產物能夠接收到所述渦輪內，以便驅動所述渦輪葉片的旋轉；包括第二內部(41)的過渡區域(43)，通過燃料回路(70)供應至所述第二內部(41)的第二燃料和第一燃料的燃燒產物可在所述第二內部中燃燒，所述過渡區域(43)布置成流體地將所述燃燒器(20)和所述渦輪(50)彼此聯接；以及多個燃料噴射器(60)，包括一個或多個多管/蓮蓬頭式噴射器(185)、旋渦式噴射器(170)、和/或套管式噴射器(125)，所述噴射器在結構上被所述過渡區域(43)支撐并聯接到所述燃料回路(70)上，并且構造成將所述第二燃料供應給單軸向級、多軸向級、單軸向圓周級和多軸向圓周級中的任何一個中的所述第二內部(41)。2.根據權利要求l所述的燃氣渦輪發動機(IO)，其特征在于，所述多個燃料噴射器(60)的其中一個或多個噴射器被所述過渡區域(43)結構性地支撐在限定在所述過渡區域(43)的外表面中的稀釋孔(42)處。3.根據權利要求l所述的燃氣渦輪發動機(IO)，其特征在于，所述燃氣渦輪發動機(10)還包括聯接到所述燃料回路(70)上的控制系統，以啟動/停止所述多管/蓮蓬頭式噴射器(185)、旋渦式噴射器(170)和/或套管式噴射器(125)中預選的噴射器。4.一種包括燃燒器(20)和渦輪(50)的燃氣渦輪發動機(IO)，所述燃燒器(20)具有第一內部(21)，通過燃料回路(70)供應至所述第一內部(21)的第一燃料可在所述第一內部中燃燒，所述渦輪(50)包括旋轉渦輪葉片，至少所述第一燃料的燃燒產物能夠接收到所述渦輪內，以便驅動所述渦輪葉片旋轉；所述燃氣渦輪發動機(10)包括包括第二內部(41)的過渡區域(43)，通過燃料回路(70)供應至所述第二內部(41)的第二燃料和所述第一燃料的燃燒產物可在所述第二內部中燃燒，所述過渡區域(43)布置成流體地將所述燃燒器(20)和所述渦輪彼此聯接；以及多個燃料噴射器(60)，其包括一個或多個多管/蓮蓬頭式噴射器(185)、旋渦式噴射器(170)和/或套管式噴射器(125)，所述噴射器在結構上被所述過渡區域(43)支撐并聯接到所述燃料回路(70)上，并構造成將所述第二燃料供應給單軸向級、多軸向級、單軸向圓周級和多軸向圓周級中的任何一個中的所述第二內部(41)。5.根據權利要求4所述的燃氣渦輪發動機(IO)，其特征在于，所述多個燃料噴射器(60)的其中一個或多個噴射器被所述過渡區域(43)結構性地支撐在限定在所述過渡區域(43)的外表面中的稀釋孔(42)處。6.根據權利要求4所述的燃氣渦輪發動機(IO)，其特征在于，所述燃氣渦輪發動機(10)還包括聯接到所述燃料回路(70)上的控制系統，以啟動/停止所述多管/蓮蓬頭式噴射器(185)、旋渦式噴射器(170)和/或套管式噴射器(125)中預選的噴射器。全文摘要本發明涉及延遲貧噴射燃料噴射器構造，具體而言，提供了一種燃氣渦輪發動機，包括具有第一內部的燃燒器，通過燃料回路供應至此的第一燃料可在該第一內部中燃燒；渦輪；包括第二內部的過渡區域，通過燃料回路供應至此的第二燃料和第一燃料的燃燒產物可在該第二內部中燃燒；以及多個燃料噴射器，包括一個或多個多管/蓮蓬頭式噴射器、旋渦式噴射器和/或套管式噴射器，這些噴射器在結構上被過渡區域支撐并聯接到燃料回路上，并且可構造成將第二燃料供應給單軸向級、多軸向級、單軸向圓周級和多軸向圓周級中的任何一個中的第二內部。文檔編號F02C9/00GK101782019SQ20101000395公開日2010年7月21日申請日期2010年1月7日優先權日2009年1月7日發明者J·C·特里,K·K·文卡塔拉曼,R·M·瓦薩姆申請人:通用電氣公司