本发明整体涉及气体涡轮的燃烧系统。更具体地讲，本发明涉及包括轴向分级燃料喷射的燃烧系统。
背景技术：
典型的涡轮机包括压缩进气的压缩机、其中压缩的进气与燃料一起燃烧的燃烧器、其中燃烧的产物可用于发电目的的涡轮以及过渡件。过渡件流体地插置在燃烧器和涡轮之间。
在一些情况下，典型的涡轮机被配置为支持轴向分级或延迟贫喷射。在这些情况下，将二次燃料-空气混合物喷射到燃烧器或过渡件的下游区段中，以便在燃烧器或过渡件的下游区段内引起二次燃烧。这种二次燃烧往往会减少污染物的排放，诸如氮氧化物。
技术实现要素：
在以下描述中阐述了各个方面和优点，或者各个方面和优点可以从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践来了解。
本发明的一个实施方案为轴向分级燃烧系统。轴向分级燃烧系统包括初级燃料喷嘴、限定在初级燃料喷嘴下游的初级燃烧区、设置在初级燃烧区下游的锥形管道以及设置在锥形管道下游的集成出口件。锥形管道和集成出口件至少部分地形成管道区段的热气路径。多个燃料喷射器相对于管道区段的轴向中心线径向向内取向，并且设置在初级燃烧区的下游。多个燃料喷射器中的每个燃料喷射器提供将二次燃料-空气混合物喷射到热气路径中。多个燃料喷射器沿着锥形管道和集成出口件中的至少一者分布。
本公开的另一个实施方案是燃烧区段。燃烧区段包括围绕共同的轴向中心线环形布置的多个管道区段。每个管道区段包括限定在初级燃料喷嘴下游的初级燃烧区、从初级燃烧区下游延伸的锥形管道以及设置在锥形管道下游的集成出口件。锥形管道和集成出口件至少部分地形成管道区段的热气路径。多个燃料喷射器相对于管道区段的轴向中心线径向向内取向，并且设置在初级燃烧区下游。多个燃料喷射器中的每个燃料喷射器提供将二次燃料-空气混合物喷射到热气路径中。多个燃料喷射器沿着锥形管道和集成出口件中的至少一者分布。
在阅读说明书之后，本领域的普通技术人员将更好地理解此类实施方案以及其他实施方案的特征和方面。
附图说明
本说明书的其余部分(包括参考附图)更具体地阐述了各种实施方案的完整且可行的公开内容，包括对于本领域技术人员而言的最佳模式，其中：
图1为可结合本发明的各种实施方案的示例性气体涡轮的功能框图；
图2为可结合本公开的各种实施方案的燃烧区段的管道布置的上游或从后向前的示意图；
图3为示出根据本公开的各种实施方案的图2中所示的管道布置的示例性管道区段的透视图；
图4为根据本公开的各种实施方案的图3中所示的管道区段的一部分的横截面侧视图；
图5为根据本公开的各种实施方案的示出图2中所示的管道布置的示例性管道区段的透视图；并且
图6为根据本公开的各种实施方案的图5中所示的管道区段的一部分的横截面侧视图。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的实施方案，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和说明书中的相似或类似的名称已用于指代本公开的相似或类似的部分。
如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用，以将一个部件与另一个部件区分开来，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。术语“上游”和“下游”是指相对于流体通路中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，并且“下游”是指流体向其流动的方向。术语“径向地”是指基本垂直于特定部件的轴向中心线的相对方向，术语“轴向地”是指与特定部件的轴向中心线基本平行和/或同轴对齐的相对方向，并且术语“周向地”是指围绕特定部件的轴向中心线延伸的相对方向。
本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的并且不旨在限制。如本文所使用，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在该特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或者添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组。
每个示例都是以解释而非限制的方式提供的。事实上，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以进行修改和变化。例如，作为一个实施方案的一部分示出或描述的特征可以用于另一个实施方案，以产生又一个实施方案。因此，本公开旨在涵盖落入所附权利要求书以及其等同物的范围内的这些修改和变型。尽管为了说明的目的，将在用于陆基发电气体涡轮的燃烧器的背景下一般性地描述本公开的示例性实施方案，但是本领域普通技术人员将容易理解，本公开的实施方案可以应用于任何样式或类型的用于涡轮机的燃烧器，并且不限于用于陆基发电气体涡轮的燃烧器或燃烧系统，除非在权利要求书中具体叙述。
现在参考附图，图1示出了示例性气体涡轮10的示意图。气体涡轮10通常包括压缩机12、具有设置在压缩机12下游的多个环形布置的罐式燃烧器(未示出)的燃烧区段14以及设置在燃烧区段14下游的涡轮16。另外，气体涡轮10可包括一个或多个轴18，其将压缩机12联接到涡轮16。
在操作期间，空气20流入压缩机12，在压缩机12处空气20逐渐被压缩，从而将压缩或加压的空气22提供给燃烧区段14。至少一部分压缩空气22与燃烧区段14的每个罐式燃烧器内的燃料24混合并且燃烧以产生燃烧气体26。燃烧气体26从燃烧器14流入涡轮16，其中能量(动力和/或热能)从燃烧气体26传递到转子叶片(未示出)，从而使轴18旋转。然后，机械旋转能量可用于各种目的，诸如为压缩机12供电和/或发电。然后可从气体涡轮10中排出燃烧气体26。
图2提供了燃烧区段14的管道布置28的上游或从后向前的示意图，其可以与适当取向的罐式燃烧器(未示出)一起使用。管道布置28包括多个离散的管道区段30，这些管道区段围绕共同的轴向中心线(诸如气体涡轮10的轴向中心线32)环形地布置。每个管道区段30可合并到公共管道结构34中。公共管道结构34可包括和/或限定环形室36，所有燃烧气体26流入该环形室36中。
图3提供了示出根据本公开的各种实施方案的示例性管道区段30的透视图。如图3所示，每个管道区段30限定相应的热气路径38(以虚线示出)，用于引导燃烧气体26朝向涡轮16的入口(未示出)(图1)。
在特定实施方案中，每个管道段30以串联流动顺序包括圆柱形衬垫或管道100、联接到圆柱形管道100的下游和/或紧邻圆柱形管道100定位的锥形衬垫或管道200以及设置在锥形管道200下游的集成出口件300。在具体实施方案中，圆柱形管道100设置在一个或多个初级或轴向取向的燃料喷嘴40的下游和/或向其下游延伸。
在特定实施方案中，圆柱形管道100可以至少部分地限定在初级燃料喷嘴40下游的初级燃烧或反应区42。圆柱形管道100、锥形管道200和集成出口件300一起至少部分地形成相应管道区段30的热气路径38。每个相应的集成出口件300与两个周向相邻的集成出口件300互连，使得集成出口件300的集合形成环形室36(图2)，燃烧气体26刚好从涡轮16的上游流入环形室36。
在特定实施方案中，如图3所示，锥形管道200可包括各种扰流器202，其从锥形管道200的外表面204径向向外延伸。在特定实施方案中，锥形管道200的上游端部或前端部206可以是大致圆柱形的。在特定实施方案中，锥形管道200在锥形管道200的前端部206和后端部208之间朝向相应管道区段30的轴向中心线44径向向内发散。
在特定实施方案中，如图3所示，每个集成出口件300可包括入口室304和下游端部306，入口室304具有大致矩形的横截面，下游端部306设置在入口端部302的下游。连接段或凸缘308与入口室304一体地形成和/或连接到入口室304，并且位于集成出口件300的径向内侧。连接段308具有大致矩形的横截面，并且可被配置为与上游相邻的集成出口件300(未示出)形成结合部。在特定实施方案中，连接段308包括径向延伸侧壁310(图3)、后延伸内壁312和后延伸外壁314。在发明人为charron的美国专利no.8,276,389中描述了可以与本发明结合使用的已知类型的集成出口件，该专利全文以引用方式并入本文。
图4提供了根据本公开的各种实施方案的如图3中所示的管道区段30的一部分的横截面侧视图。在特定实施方案中，如图4中所示，圆柱形管道100的后端部102可以延伸到锥形管道200的前端部206中。接合部46可以形成在锥形管道200的后端部208和集成出口件300的前端部或入口端部302之间。如图3和图4共同地所示，锁定环48或其他机械紧固装置可将锥形管道200的后端部208固定到集成出口件300的入口端部302。
图5提供了根据本公开的一个或多个实施方案的示例性管道区段30的透视图。图6提供了根据本公开的各种实施方案的图5中所示的管道区段30的一部分的横截面侧视图。在特定实施方案中，如图5和图6中共同地所示，管道区段30可以按串联流动顺序包括圆柱形管道100、锥形管道200、中间管道或衬垫400和集成出口件300。
中间管道400的前端部402可以在接合部50处连接到锥形管道200的后端部208或与其接合。中间管道400的后端部404可以在接合部52处连接到集成出口件300的入口端部302或与其接合。如图5和图6中共同地示出，第一锁定环54可以在接合部50处将锥形管道200的后端部208固定到中间管道400的前端部402。第二锁定环56可以在接合部52处将中间管道400的后端部404固定到集成出口件300的入口端部302。中间管道400可以用作若干功能中的任何一个或全部，包括：准直进入集成出口件300的燃烧气流；将进入中间管道400的燃烧气体流的横截面从圆锥形管道200的后端部208从圆形转变到更多的四边形形状，其中在集成出口件300的上游具有圆角以及除了在锥形管道200内发生的加速之外，还进一步加速燃烧气体26。
在各种实施方案中，如图3至图6共同地示出的，管道区段30中的一者或多者包括多个燃料喷射器500，该多个燃料喷射器500在初级燃料喷嘴38和初级燃烧区40的下游分布或轴向分级。多个燃料喷射器500可沿着管道区段30分布在各个轴向和周向位置处。多个燃料喷射器500中的每个相应的燃料喷射器500流体地联接到燃料供应58并且穿过管道区段30，以便引导燃料-空气60的二次流基本上径向向内或基本垂直于在热气路径38内从初级燃烧区42流出的燃烧气体26的流。燃料供应58可以将气体燃料、液体燃料或气体和液体燃料两者供应到燃料喷射器500。
在各种实施方案中，多个燃料喷射器500可以沿圆柱形管道100、锥形管道200、中间管道400、出口件300中的任何一者或其组合分布。例如，在一个实施方案中，多个燃料喷射器500分布在圆柱形管道100上。在一个实施方案中，多个燃料喷射器500分布在锥形管道200上。在一个实施方案中，多个燃料喷射器500中的至少一个燃料喷射器500分布在入口出口件300上。在一个实施方案中，如图5所示，多个燃料喷射器500分布在中间管道400上。
在一个实施方案中，如图3至图6共同地示出，多个燃料喷射器500中的一个或多个燃料喷射器502沿着入口出口件300分布，并且提供二次燃料-空气混合物60通过入口出口件300并且进入热气路径38的流体连通。多个燃料喷射器500中的至少一个燃料喷射器502可以沿着入口室304、连接段308的径向延伸侧壁310、连接段308的后延伸内壁312、连接段308的后延伸外壁314以及连接段308的连接凸缘316中的一者或多者分布。
在一个实施方案中，多个燃料喷射器500中的至少一个燃料喷射器502沿着入口室304定位。在一个实施方案中，多个燃料喷射器500中的至少一个燃料喷射器500沿着连接段308的径向延伸侧壁310定位。在一个实施方案中，多个燃料喷射器500中的至少一个燃料喷射器502沿着连接段308的后延伸内壁312定位。在一个实施方案中，多个燃料喷射器500中的至少一个燃料喷射器502沿着连接段308的后延伸外壁314定位。在一个实施方案中，多个燃料喷射器500中的至少一个燃料喷射器502沿着连接段308的连接凸缘316定位。
在特定实施方案中，如图3至图6公共地所示，多个燃料喷射器500中的一个或多个燃料喷射器504沿着锥形管道200分布，并且提供二次燃料-空气混合物60通过锥形管道200并且进入热气路径38的流体连通。沿着锥形管道200分布的多个燃料喷射器500中的一个或多个燃料喷射器504可以相对于相应的管道区段30的轴向中心线44围绕圆锥形管道200周向间隔开和/或轴向间隔开。
在特定实施方案中，如图3至图6共同地示出，多个燃料喷射器500中的一个或多个燃料喷射器506可以沿着圆柱形管道100分布，并且提供二次燃料-空气混合物60通过圆柱形管道100并且进入热气路径38的流体连通。沿着圆柱形管道100设置的一个或多个燃料喷射器506可以相对于相应的管道区段30的轴向中心线44围绕圆柱形管道100周向间隔开和/或轴向间隔开。
在特定实施方案中，如图5和图6共同地示出，多个燃料喷射器500中的一个或多个燃料喷射器508可以沿着中间管道400分布，并且提供二次燃料-空气混合物60通过中间管道400并且进入热气路径38的流体连通。沿着中间管道400设置的一个或多个燃料喷射器508可以相对于相应的管道区段30的轴向中心线44围绕中间管道400周向间隔开和/或轴向间隔开。
有利的是，燃料喷射器500、502、504、506、508提供减少燃烧过程期间产生的不希望的排放的能力，同时为整个燃烧区段14提供灵活性。轴向分级或延迟贫喷射可还允许将多种气流(包括替代气体，诸如炼油厂气体)喷射到热气路径38中，非轴向分级燃烧系统通常不能处理。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求书的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言没有实质差异的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求书的范围内。
技术特征：
1.一种轴向分级燃烧系统，包括：
初级燃料喷嘴；
初级燃烧区，所述初级燃烧区限定在所述初级燃料喷嘴下游；
锥形管道，所述锥形管道设置在所述初级燃烧区下游；
集成出口件，所述集成出口件设置在所述锥形管道下游，其中所述锥形管道和所述集成出口件至少部分地形成管道区段的热气路径；
多个燃料喷射器，所述多个燃料喷射器相对于所述管道区段的轴向中心线径向向内取向并且设置在所述初级燃烧区下游，其中所述多个燃料喷射器中的每个燃料喷射器提供将二次燃料-空气混合物喷射到所述热气路径中，其中所述多个燃料喷射器沿着所述锥形管道和所述集成出口件中的至少一者分布。
2.根据权利要求1所述的轴向分级燃烧系统，其中所述多个燃料喷射器沿着所述锥形管道设置。
3.根据权利要求1所述的轴向分级燃烧系统，其中所述多个燃料喷射器沿着所述集成出口件设置。
4.根据权利要求1所述的轴向分级燃烧系统，其中所述集成出口件包括连接段，所述连接段包括径向延伸侧壁、后延伸内壁、后延伸外壁和凸缘。
5.根据权利要求4所述的轴向分级燃烧系统，其中所述多个燃料喷射器中的至少一个燃料喷射器沿着所述连接段的所述径向延伸侧壁设置。
6.根据权利要求4所述的轴向分级燃烧系统，其中所述多个燃料喷射器中的至少一个燃料喷射器沿着所述连接段的所述后延伸内壁设置。
7.根据权利要求4所述的轴向分级燃烧系统，其中所述多个燃料喷射器中的至少一个燃料喷射器沿着所述连接段的所述后延伸外壁设置。
8.根据权利要求4所述的轴向分级燃烧系统，其中所述多个燃料喷射器中的至少一个燃料喷射器沿着所述连接段的所述凸缘设置。
9.根据权利要求1所述的轴向分级燃烧系统，还包括圆柱形管道，所述圆柱形管道具有轴向延伸到所述锥形管道的前端部中的后端部，其中所述圆柱形管道还限定所述热气路径，并且其中所述多个燃料喷射器中的至少一个燃料喷射器沿着所述圆柱形管道设置。
10.根据权利要求1所述的轴向分级燃烧系统，还包括中间管道，所述中间管道设置在所述锥形管道的后端部和所述集成出口件之间，其中所述中间管道还限定所述热气路径，并且其中所述多个燃料喷射器中的至少一个燃料喷射器沿着所述中间管道设置。
11.一个燃烧区段，包括：
多个管道区段，所述多个管道区段围绕共同轴向中心线环形布置，每个管道区段包括：
初级燃烧区，所述初级燃烧区限定在初级燃料喷嘴下游；
锥形管道，所述锥形管道在所述初级燃烧区下游延伸；
集成出口件，所述集成出口件设置在所述锥形管道下游，其中所述锥形管道和所述集成出口件至少部分地形成所述管道区段的热气路径；
多个燃料喷射器，所述多个燃料喷射器相对于所述管道区段的轴向中心线径向向内取向并且设置在所述初级燃烧区下游，其中所述多个燃料喷射器中的每个燃料喷射器提供将二次燃料-空气混合物喷射到所述热气路径中，其中所述多个燃料喷射器沿着所述锥形管道和所述集成出口件中的至少一者分布。
12.根据权利要求11所述的燃烧区段，其中所述多个燃料喷射器沿着所述锥形管道设置。
13.根据权利要求11所述的燃烧区段，其中所述多个燃料喷射器沿着所述集成出口件设置。
14.根据权利要求11所述的燃烧区段，其中所述集成出口件包括连接段，所述连接段包括径向延伸侧壁、后延伸内壁、后延伸外壁和凸缘。
15.根据权利要求14所述的燃烧区段，其中所述多个燃料喷射器中的至少一个燃料喷射器沿着所述连接段的所述径向延伸侧壁设置。
16.根据权利要求14所述的燃烧区段，其中所述多个燃料喷射器中的至少一个燃料喷射器沿着所述连接段的所述后延伸内壁设置。
17.根据权利要求14所述的燃烧区段，其中所述多个燃料喷射器中的至少一个燃料喷射器沿着所述连接段的所述后延伸外壁设置。
18.根据权利要求14所述的燃烧区段，其中所述多个燃料喷射器中的至少一个燃料喷射器沿着所述连接段的所述凸缘设置。
19.根据权利要求11所述的燃烧区段，还包括圆柱形管道，所述圆柱形管道具有轴向延伸到所述锥形管道的前端部中的后端部，其中所述圆柱形管道还限定所述热气体路径，并且其中所述多个燃料喷射器中的至少一个燃料喷射器沿着所述圆柱形管道设置。
20.根据权利要求11所述的燃烧区段，还包括中间管道，所述中间管道设置在所述锥形管道的后端部和所述集成出口件之间，其中所述中间管道还限定所述热气路径，并且其中所述多个燃料喷射器中的至少一个燃料喷射器沿着所述中间管道设置。
技术总结
轴向分级燃烧系统包括初级燃料喷嘴、限定在初级燃料喷嘴下游的初级燃烧区、设置在初级燃烧区下游的锥形管道以及设置在锥形管道下游的集成出口件。锥形管道和集成出口件至少部分地形成管道区段的热气路径。多个燃料喷射器相对于管道区段的轴向中心线径向向内取向并且设置在初级燃烧区下游。多个燃料喷射器中的每个燃料喷射器提供将二次燃料‑空气混合物喷射到热气路径中。多个燃料喷射器沿着锥形管道和集成出口件中的至少一者分布。
技术研发人员：凯文·韦斯顿·麦克马汉;乔纳森·德怀特·贝里;迈克尔·约翰·休斯
受保护的技术使用者：通用电气公司
技术研发日：.02.15
技术公布日：.11.19
