燃燒器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種用于與燃氣渦輪發動機一起使用的燃燒器。所述燃燒器可包括與線性致動器連通的一級噴嘴和全部地或部分地圍繞所述一級噴嘴的多個固定的二級噴嘴。所述線性致動器改變所述一級噴嘴相對于所述固定的二級噴嘴的位置。
【專利說明】
燃燒器
技術領域
[0001]本申請和相應專利總體上涉及燃氣渦輪發動機，且更具體地說涉及一種在高溫下在整體低排放物的情況下高效燃燒的基于可變幾何結構、多級、微混合器的燃燒器。
【背景技術】
[0002]燃氣渦輪發動機的工作效率和總輸出功率大體上隨熱燃燒氣體流溫度的增高而增大。然而，高的燃燒氣體流溫度可能產生較高水平的氮氧化物(NOx)和其他類型的管制排放物。此類排放物在美國可能會受到聯邦法規和州法規的約束，并且在國外也可能會受到類似法規的約束。因此，在以下益處之間存在一種平衡的做法:在有效高溫范圍內操作燃氣渦輪發動機，同時又確保氮氧化物和其他類型的管制排放物的輸出保持為遠低于規定水平。此外，不同的載荷水平、不同的環境條件和許多其他類型的操作參數也可對總燃氣渦輪機效率和排放物具有顯著影響。
[0003]通過在燃燒之前提供燃料流與空氣流的良好混合，可促進氮氧化物等的較低排放水平。這種預混合傾向于減小燃燒溫度梯度和減少氮氧化物的輸出。一種提供這種良好混合的方法是通過使用具有多個微混合器燃料噴嘴的燃燒器。一般來說，微混合器燃料噴嘴使小體積的燃料和空氣在燃燒之前在腔室內的多個微混合器管中進行混合。
[0004]盡管當前微混合器燃燒器和微混合器燃料噴嘴提供改進的整體燃燒性能，但是在某些類型的操作條件下用于微混合器燃料噴嘴的可操作性窗口可能至少部分地由動力學方面的問題所限定。確切地說，某些內部部件的工作頻率可耦合，進而產生高頻或低頻動力場。這種動力場可能對燃燒器部件以及下游渦輪機部件的物理性質具有負面影響。在這種情況下，當前燃燒器可通過使燃料流和/或空氣流分級以防止這種動力場的形成來試圖避免此類操作條件。分級力求產生具有穩定燃燒的多個局部區域，即使就排放物、可燃性等而言整體條件使燃燒器超出通常工作范圍。然而，就輸出而言，這種分級可能需要時間密集校準并且還可能需要在低于最佳水平下操作。可使用不同類型的分級構型。
[0005]因此，希望有改進的微混合器燃燒器。此類改進的微混合器燃燒器可促進燃料流和空氣流在其中進行良好混合，以便以較高的溫度和效率進行操作而同時具有較低的總排放和較低的動力學方面的問題。此外，此類改進的微混合器燃燒器構型可實現這些目標而不會大大增加總系統復雜性和成本。
【實用新型內容】
[0006]本實用新型和相應專利提供一種用于與燃氣渦輪發動機一起使用的燃燒器，所述燃燒器可包括與線性致動器連通的一級噴嘴和全部地或部分地圍繞一級噴嘴的多個固定的二級噴嘴，所述線性致動器改變一級噴嘴相對于多個固定的二級噴嘴的位置。
[0007]其中，所述一級噴嘴包括微混合器噴嘴;所述多個固定的二級噴嘴包括微混合器噴嘴;所述一級噴嘴包括一級燃料管;所述線性致動器包括與所述一級噴嘴連通的驅動桿；所述一級噴嘴包括可變空氣旁路;所述多個固定的二級噴嘴包括二級燃料管;所述多個固定的二級噴嘴包括四個固定的二級噴嘴;所述多個固定的二級噴嘴中的至少一個包括成角度的形狀;所述燃燒器進一步包括所述一級噴嘴下游的燃燒區。
[0008]本實用新型還提供一種燃燒器，所述燃燒器包括:可操縱的一級噴嘴；以及多個固定的二級噴嘴，所述一級噴嘴定位在所述多個固定的二級噴嘴內；其中，在部分載荷條件下，所述一級噴嘴相對于所述多個固定的二級噴嘴縮回；以及在全載荷條件下，所述一級噴嘴相對于所述多個固定的二級噴嘴伸出。
[0009]其中，所述燃燒器進一步包括線性致動器，該線性致動器用于改變所述可操縱的一級噴嘴相對于所述多個固定的二級噴嘴的位置，以便改變其中的燃燒動態。
[0010]本實用新型和相應專利進一步提供一種操作燃燒器的方法。所述方法可包括以下步驟:將可操縱的一級噴嘴定位在多個固定的二級噴嘴內；在部分載荷條件下，將可操縱的一級噴嘴相對于固定的二級噴嘴縮回；以及在全載荷條件下，將可操縱的一級噴嘴相對于固定的二級噴嘴伸出。
[0011]其中，所述方法進一步包括以下步驟:在部分載荷條件下，僅向所述可操縱的一級噴嘴提供燃料流;所述方法進一步包括以下步驟:隨著所述多個固定的二級噴嘴上的載荷增大，增加至所述多個固定的二級噴嘴的燃料流，同時減少至所述可操縱的一級噴嘴的燃料流;所述方法進一步包括以下步驟:在全載荷條件下，僅向所述多個固定的二級噴嘴提供燃料流;所述方法進一步包括以下步驟:改變所述可操縱的一級噴嘴相對于所述多個固定的二級噴嘴的位置，以便改變其中的燃燒動態。
[0012]本實用新型和相應專利進一步提供一種燃氣渦輪發動機。所述燃氣渦輪發動機可包括壓縮機、渦輪機和多個燃燒器。每個所述燃燒器可包括可操縱的一級噴嘴和全部地或部分的地圍繞一級噴嘴的多個固定的二級噴嘴。
[0013]其中，所述可操縱的一級噴嘴和所述多個固定的二級噴嘴包括微型混合器燃料噴嘴;所述多個燃燒器中的每個包括與所述可操縱的一級噴嘴連通的線性致動器;所述多個燃燒器中的每個包括與所述可操縱的一級噴嘴連通的可變空氣旁路;所述多個固定的二級噴嘴中的一個或多個包括成角度的形狀。
[0014]在結合若干附圖和所附權利要求書來閱讀以下【具體實施方式】之后，所述領域的一般技術人員將明白本實用新型和相應專利的這些和其他特征和改進。
【附圖說明】
[0015]圖1是示出壓縮機、燃燒器和渦輪機的燃氣渦輪發動機的示意圖。
[0016]圖2是可與圖1的燃氣渦輪發動機一起使用的燃燒器的示意圖。
[0017]圖3是可與圖2的燃燒器一起使用的微混合器燃料噴嘴的一部分的示意圖。
[0018]圖4是如可在本說明書中描述的多級燃燒器的示意圖。
[0019]圖5是圖4的多級燃燒器的燃料噴嘴的示意圖。
【具體實施方式】
[0020]現參閱附圖，在附圖中，相同數字是指若干附圖中的相同元件，圖1示出本說明書中所使用的燃氣渦輪發動機10的示意圖。燃氣渦輪發動機10可包括壓縮機15。壓縮機15對進入的空氣流20進行壓縮。壓縮機15將壓縮空氣流20輸送到燃燒器25。燃燒器25將壓縮空氣流20與加壓燃料流30混合并點燃所述混合物以產生燃燒氣體流35。盡管只示出了單個燃燒器25，但是燃氣渦輪發動機10可包括任何數量的以周向陣列或其它方式布置的燃燒器25。燃燒氣體流35又被輸送到渦輪機40。燃燒氣體流35驅動渦輪機40，以便產生機械功。在渦輪機40中產生的機械功經由軸45驅動壓縮機15和諸如發電機等的外部載荷50。
[0021]燃氣渦輪發動機10可使用天然氣、液體燃料、各種類型的合成氣和/或其他類型的燃料和它們的混合物。燃氣禍輪發動機10可以是紐約斯克內克塔迪(Schenectady ,NewYork)的通用電氣公司(General Electric Company)所提供的多種不同燃氣禍輪發動機中的任一種，包括但不限于，7或9系列重型燃氣渦輪發動機等。燃氣渦輪發動機10可具有不同構型，并且可使用其他類型的部件。在本說明書中，也可使用其他類型的燃氣渦輪發動機。本說明書中也可同時使用多個燃氣渦輪發動機、其他類型的渦輪機和其他類型的發電設備。
[0022]圖2示出如可與上述燃氣渦輪發動機10等一起使用的燃燒器25的實例的示意圖。燃燒器25可在渦輪機40周圍從頭端處的端蓋52延伸到尾端處的過渡連接件54。多個燃料噴嘴56可定位在端蓋52周圍。內襯58可從燃料噴嘴56朝向過渡連接件54延伸并且可將燃燒區60限定在其中。內襯58可由殼體62和導流套管圍繞。內襯58和殼體62可在其間限定流動路徑64，以供用于來自壓縮機15或通到其的空氣流20。在本說明書中可以周向陣列等來使用任何數量的燃燒器25 ο如上所述，可在燃燒器25中點燃空氣流20和燃料流30以產生燃燒氣流35。本說明書所描述的燃燒器25僅用于舉例的目的。在本說明書中可使用具有其他部件和其他構型的燃燒器。
[0023]圖3示出可與燃燒器25等一起使用的微混合器燃料噴嘴66的一部分。微混合器燃料噴嘴66可包括定位在燃料管70周圍的多個微混合器管68。微混合器管68大體可具有基本上均勻的直徑并且可以環形、同心行布置。在本說明書中可使用呈任何尺寸、形狀或構型的任何數量的微混合器管68。微混合器管68可經由燃料板72與來自燃料管70的燃料流30連通，并且可經由流動路徑64與來自壓縮機15的空氣流20連通。小體積的燃料流30和小體積的空氣流20可在微型混合器管68中的每個內混合。混合的燃料-空氣流可流向下游，以便在燃燒區60中燃燒并在如上所述的渦輪機40中使用。本說明書中可使用其他部件和其他構型。
[0024]圖4和圖5示出如可在本說明書中描述的燃燒器100的實例。類似于上文所描述的，燃燒器100可從在其一端處的端蓋110延伸到另一端處的過渡連接件120。內襯130可從端蓋110延伸到過渡連接件120并且可將燃燒區140限定在其中。內襯130可由殼體150和導流套管圍繞。內襯130和殼體150可限定其間的流動路徑160。流動路徑160可接收來自壓縮機15或通到其的空氣流20。內襯130、燃燒區140、殼體150和流動路徑160可具有任何合適的尺寸、形狀或構型。在本說明書中可以周向陣列等使用任何數量的燃燒器100。本說明書中可使用其他部件和其他構型。
[0025]燃燒器100可包括主燃燒級170。主燃燒級170可包括一級噴嘴180。一級噴嘴180可以是微混合器燃料噴嘴190。微混合器燃料噴嘴190可類似于上述的那些燃料噴嘴。一級噴嘴180可與一次燃料管200連通。主燃燒級170可以是可變容積級210。在這種情況下，一級噴嘴180可以是可操縱的。例如，一級噴嘴180可與線性致動器220連通。線性致動器220可定位在端蓋110周圍和它的外部。線性致動器220可具有常規構型并且可提供線性或軸向運動。可機械地、機電地、壓電地、氣動地、液壓地和/或用它們的組合操作線性致動器220。舉例來說，線性致動器220可包括:液壓缸、齒條齒輪式系統、滾珠絲桿、手動曲柄或能夠提供受控軸向運動的任何類型的裝置。線性致動器220可與整個燃氣渦輪機控制系統連通，以便基于系統反饋等進行動態操作。
[0026]線性致動器220可通過驅動桿230等與一次燃料管200連通。驅動桿230可具有任何合適的尺寸、形狀或構型。一次燃料管200可定位在驅動桿230周圍或定位在驅動桿230內，以便隨所述驅動桿進行移動。線性致動器220、驅動桿230和一次燃料管200因此可軸向機動，使得一級噴嘴180的位置可改變。一級噴嘴180還可包括與空氣流20連通的可變空氣旁路240。本說明書中可使用其他部件和其他構型。
[0027]燃燒器100可包括次燃燒級250。次燃燒級250可包括多個二級噴嘴260。二級噴嘴260可以是固定的。二級噴嘴260可以是微混合噴嘴190等。在這個實例中，盡管示出了四個
(4)二級噴嘴260，但是本說明書中可使用任何數量的噴嘴260 ο 二級噴嘴260可圍繞一級噴嘴180周向定位。二級噴嘴260中的每個可由二級燃料管270進料。二級噴嘴260中的一個或多個可整體地或部分地具有成角度的形狀280。成角度的形狀280可基本上順應過渡連接件120的形狀。本說明書中可使用其它合適的尺寸和形狀。本說明書中也可使用其他部件和其他構型。
[0028]—般來說，主燃燒級170在全功率時針對小百分比的預混合燃料/空氣可具有相對長的停留時間。主燃燒級170可居中定位作為二次或“主”燃燒級的“子燃燒器”。主燃燒級170因此可針對低功率進行優化。次燃燒級250可具有相對低的停留時間，在低功率時可不接收燃料，并且在高功率時可接收大部分燃料。如所示，主燃燒級170與次燃燒級250可軸向分級。
[0029]更確切地說，主燃燒級170在高功率時引導次燃燒級250并且在高功率時接收低燃料流量。主燃燒級170可包括可變幾何結構以提供可變的停留時間。主燃燒級170可結合有可變空氣旁路240以改進起燃、調速(part speed)和低功率操作。在低功率時，一級噴嘴180可縮回較長的停留時間。在高功率時，一級噴嘴180可伸出以減少所述停留時間。在多凸輪構型中，一級噴嘴180的位置可在凸輪與凸輪之間變化，以提供“實時”調整，從而使來自“相干”燃燒聲學模式的可影響整個部件壽命的燃燒動態特性失諧。取決于相干燃燒模式的激勵，多凸輪布置中的每個凸輪可具有單獨的軸向設置以減小相鄰的燃燒器之間的聲能的相干性。
[0030]在極其低的停留時間時，預重整器(未示出)可用于在燃料被注入燃燒器中之前部分反應所述燃料，以便促進燃料的快速和完全燃燒。確切地說，重整器可使燃料部分氧化，以便減小燃燒器內部的點火延遲時間，從而使火焰中化學過程加速并且減少總排放。
[0031]在使用中，在點火(lightoff)和加速期間一級燃料噴嘴180可縮回，以便提供長的停留時間。可變空氣旁路240可以是活動的。在加速期間，一級噴嘴180可關閉空氣旁路的一部分以實現全速、空載操作。在低功率操作期間，一級噴嘴180在較高載荷時可伸出以減小旁路的尺寸，從而保持排放性能。在中等功率時，二級噴嘴260可以低水平加注燃料以提供附加的熱量釋放，以便增強燃燒器活性。在更高功率處，可將更多的燃料添加到次燃燒級250，直到次燃燒級250接收大部分或全部燃料。在最高功率設置處，一級噴嘴180可完全伸出。可將次燃燒級250“調節”成用于燃燒器出口輪廓控制的外部至中心的燃料分流，以便在高焙燒溫度時使長的部件壽命與效率平衡。
[0032]本說明書中的燃燒器100因此將延遲貧燃料軸向地輸送到導流套筒壓降的下游，以便預防不受控制的燃燒。燃燒器100軸向(與在大部分空氣流的情況下的徑向相對)注射延遲貧燃料，以便避免可能導致不均勻性的圓周熱點。燃燒器100在較高功率時使用一級噴嘴180橫穿尾部，以便減小其中的總停留時間損失。微混合器噴嘴190的使用因此提供增加的排放性能。確切地說，燃燒器100提供整體增大的效率、改進的可調性、更低的排放和改進的整體耐用性。
[0033]應清楚的是，上述說明僅涉及本申請和相應專利的某些實施例。所屬領域中的技術人員可在不背離本實用新型的總體精神和范圍的情況下在本說明書中做出多種變化和修改，其中本實用新型的總體精神和范圍由所附權利要求書和其等效物限定。
【主權項】
1.一種燃燒器，所述燃燒器包括: 一級噴嘴； 線性致動器，所述線性致動器與所述一級噴嘴連通；以及 多個固定的二級噴嘴，所述二級噴嘴全部地或部分地圍繞所述一級噴嘴； 其中所述線性致動器改變所述一級噴嘴相對于所述多個固定的二級噴嘴的位置。2.根據權利要求1所述的燃燒器，其中所述一級噴嘴和/或所述多個固定的二級噴嘴包括微混合器噴嘴。3.根據權利要求1所述的燃燒器，其中所述線性致動器包括與所述一級噴嘴連通的驅動桿。4.根據權利要求1所述的燃燒器，其中所述一級噴嘴包括可變空氣旁路和/或一級燃料管。5.根據權利要求1所述的燃燒器，其中所述多個固定的二級噴嘴包括順應過渡連接件的形狀和/或四個固定的二級噴嘴，其中所述四個固定的二級噴嘴中的至少一個包括順應過渡連接件的形狀。6.一種燃燒器，所述燃燒器包括: 可操縱的一級噴嘴；以及 多個固定的二級噴嘴，所述一級噴嘴定位在所述多個固定的二級噴嘴內； 其中，在部分載荷條件下，所述一級噴嘴相對于所述多個固定的二級噴嘴縮回；以及 在全載荷條件下，所述一級噴嘴相對于所述多個固定的二級噴嘴伸出。7.根據權利要求6所述的燃燒器，所述燃燒器進一步包括線性致動器，該線性致動器用于改變所述可操縱的一級噴嘴相對于所述多個固定的二級噴嘴的位置，以便改變其中的燃燒動態。
【文檔編號】F23R3/28GK205425015SQ201520584489
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2015年8月5日
【發明人】J.V.奇特諾, T.E.約翰遜
【申請人】通用電氣公司