具有轴向燃料分级的分段式环形燃烧系统技术方案

一种分段式环形燃烧系统，所述分段式环形燃烧系统包括交替布置的燃料喷嘴和集成燃烧器喷嘴。所述燃料喷嘴将燃料传送到初级燃烧区域。所述集成燃烧器喷嘴包括内衬段、外衬段以及在所述衬段之间延伸的燃料喷射板。所述燃料喷射板包括位于一个或两个侧壁上用于将可燃混合物传送到次级燃烧区域的喷射出口。在相邻初级燃烧区域和次级燃烧区域之间提供边界的每个燃料喷射板包括限定涡轮喷嘴的后端。所述分段式环形燃烧系统是燃气涡轮机的一部分。

Sectional Annular Combustion System with Axial Fuel Classification

A sectional annular combustion system comprises alternately arranged fuel nozzles and integrated burner nozzles. The fuel nozzle transmits fuel to the primary combustion region. The integrated burner nozzle comprises an inner lining section, an outer lining section and a fuel injection plate extending between the lining sections. The fuel injection plate comprises an injection outlet located on one or two side walls for transferring combustible mixture to a secondary combustion region. Each fuel injection plate providing a boundary between the adjacent primary combustion region and the secondary combustion region includes a rear end that defines the turbine nozzle. The sectional annular combustion system is a part of a gas turbine.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有轴向燃料分级的分段式环形燃烧系统关于由联邦政府赞助的研究的声明本专利技术以由美国能源部授予的编号为DE-FE0023965的合同而受政府支持。政府对本专利技术拥有特定权利。相关申请案的交叉引用本申请是非临时申请，主张2016年3月25日提交的申请序列号为62/313,232的美国临时申请的优先权，此申请全部公开内容以引用方式并入本文中。
本说明书中所公开的主题涉及一种用于燃气涡轮机的环形燃烧系统。更确切地说，本公开涉及一种用于燃气涡轮机的具有轴向燃料分级的分段式环形燃烧系统。
技术介绍
工业用燃气涡轮机燃烧系统通常燃烧烃类燃料并且产生污染空气的排放物，例如氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)。燃气涡轮机中分子氮的氧化取决于位于燃烧器中的气体的温度以及位于燃烧器内最高温度区域中的反应物(reactants)的停留时间。因此，燃气涡轮机所产生的NOx量可以通过将燃烧器温度维持在低于产生NOx的温度或通过限制燃烧器中的反应物的停留时间来减少或控制。控制燃烧器温度的一种方法涉及在燃烧之前对燃料和空气进行预混合以形成燃料空气混合物。所述方法可以包括燃料喷射器的轴向分级，其中第一燃料空气混合物在所述燃烧器的第一或初级燃烧区域处喷射并且点燃以产生主高能燃烧气体流，并且其中第二燃料空气混合物经由定位在所述初级燃烧区域下游的多个径向定向并且周向隔开的燃料喷射器或轴向分级燃料喷射器组件来喷射到所述主高能燃烧气体流中并且与其混合。所述第二燃料空气混合物喷射到所述次级燃烧区域中有时称为“横流喷射(jet-in-crossflow)”布置。轴向分级喷射增加了可用燃料完全燃烧的可能性，进而减少污染空气的排放物。但是对于常规轴向分级燃料喷射燃烧系统，使送至各种燃烧器部件以用于冷却的空气流、送至燃烧器头端以用于第一燃料空气混合物的空气流以及/或者送至轴向分级燃料喷射器以用于第二燃料空气混合物的空气流之间达到平衡，同时在燃气涡轮机的整个操作范围内维持排放物的合规性中存在各种挑战。因此，包括轴向分级燃料喷射的改进的燃气涡轮机燃烧系统在行业内将是有用的。
技术实现思路
本专利技术的方面和优点在以下说明中进行阐述，或可以从说明书中显而易见，或可以通过实践了解到。本公开的各种实施例涉及一种分段式环形燃烧系统。所述分段式环形燃烧系统包括交替系列的燃料喷射模块和燃烧器喷嘴。所述燃料喷射模块包括燃料喷嘴部分和燃料喷射喷枪这两者。所述燃烧器喷嘴限定初级燃烧区域和次级燃烧区域的环形阵列。每个燃烧器喷嘴包括内衬段、外衬段以及在所述内衬段和所述外衬段之间径向延伸的一个或多个中空或半中空燃料喷射板。每个燃料喷射板具有第一侧壁和第二侧壁，其中所述第一侧壁和所述第二侧壁中的一者或两者包括预混合通道，所述预混合通道将相应的燃料空气混合物传送到多个径向隔开的喷射出口。在各种实施例中，所述燃料喷射板配置成经由所述第一侧燃料喷射出口和所述第二侧喷射出口将可燃燃料和空气混合物引入两个周向相邻的次级燃烧区域中。在一些实施例中，所述燃料喷射板的下游端部分过渡到涡轮喷嘴或翼型件中，所述涡轮喷嘴或翼型件与所述燃料喷射板的所述侧壁以无缝方式集成一体。所述涡轮喷嘴引导并且加速进入所述燃气涡轮机的涡轮部分中的燃烧产物流(即，所述流进入涡轮叶片)。因此，所述喷射板可以视作没有前缘的翼型件，所述第一侧壁可以视作压力侧壁，并且所述第二侧壁可以视作吸力侧壁。在其他实施例中，所述燃料喷射板中的至少一个燃料喷射板终止于与翼型件不同的形状(例如，所述燃料喷射板可以渐缩到前缘，而不导致进入所述涡轮部分中的所述燃烧产物流转动、改变方向或加速)。在特定实施例中，所述涡轮喷嘴至少部分被热屏蔽件或外罩包裹或包覆。在特定实施例中，所述热屏蔽件可由高度耐氧化的材料形成，例如陶瓷基质复合材料。在其他实施例中，涡轮喷嘴的一部分(例如，后缘)或者整个涡轮喷嘴可以由高度耐氧化的材料形成，例如陶瓷基质复合材料。在其他实施例中，燃烧器喷嘴(即，燃料喷射板和集成涡轮喷嘴)可以由高度耐氧化的材料形成，例如陶瓷基质复合材料。在特定实施例中，燃料从所述分段式环形燃烧系统的上游端供应到所述燃料喷嘴部分和所述燃料喷射喷枪。例如，在一个实施例中，所述燃料喷嘴部分和/或所述燃料喷射喷枪可以从设置在所述分段式环形燃烧系统的头端处的端盖或燃料供应设备，或者从径向向外的歧管或燃料供应设备来供给燃料。在其他实施例中，送至所述燃料喷嘴部分的燃料可以通过所述燃料喷射板向上游输送，其中所述燃料可以用于冷却所述燃料喷射板。在一些实施例中，所述燃料喷嘴部分是具有一个或多个子集管的束管式燃料喷嘴。每个燃料喷射喷枪向相应燃料喷射板的第一侧壁或第二侧壁上的对应预混合通道中供料或者延伸到其中。燃料和空气的混合物从位于所述燃料喷嘴部分下游的对应燃料喷射板的第一(压力)侧壁和第二(吸入)侧壁中的一者或两者喷射。在具有束管式燃料喷嘴的一些实施例中，与其他预混合燃料喷嘴(例如，产生旋流的旋流器)相比，来自所述束管式燃料喷嘴的火焰长度相对较短。在其他实施例中，所述燃料喷射板的所述第一(压力)侧壁或所述第二(吸入)侧壁可以设置有预混合通道，所述预混合通道从所述燃料喷射喷枪接收燃料。在所述实施例中，所有预混合通道中的所有预混合通道将流引导到位于所述燃料喷射板的单个侧壁上的出口。在一个实施例中，每个燃料喷射模块的所述燃料喷射喷枪可以沿相应燃料喷射模块的一个径向侧定位。在另一个实施例中，每个燃料喷射模块的所述燃料喷射喷枪可以周向定位在所述燃料喷射模块的所述束管式燃料喷嘴部分的第一子集管和第二子集管之间。在其他实施例中，所述燃料喷射喷枪可以省略并且替换成通到所述燃料喷射板内的喷射器燃料增压室(plenum)的径向燃料供应管线，在此实施例中，所述束管式燃料喷嘴部分可以是定位成与所述燃料喷射板的第一侧壁相邻的单束管式燃料喷嘴，或者可以分段成第一子集管和第二子集管，其中所述第一子集管与第二子集管之间具有用于所述燃料喷射板的周向间隙。在特定实施例中，每个燃料喷射模块可以循序安装在集成燃烧器喷嘴阵列内以便于安装。在特定实施例中，所述分段式环形燃烧系统包括以交替模式布置的数量相等的燃料喷射模块和集成燃烧器喷嘴。在特定实施例中，密封件可以定位成围绕每个燃料喷射模块的周边。在特定实施例中，呼啦圈形密封件(hulaseal)可以附接到所述燃料喷射模块中的每个燃料喷射模块的侧壁。在特定实施例中，所述燃料喷射模块包括限定燃料喷嘴增压室和至少一个喷射器燃料增压室的壳体。在特定实施例中，所述燃料喷射模块可以定位在对应集成燃烧器喷嘴的所述内衬段和所述外衬段之间。在特定实施例中，所述燃料喷射模块中的两个燃料喷射模块径向堆叠在两个周向相邻燃料喷射板之间，形成一排内部燃料喷射模块和一排外部燃料喷射模块，其中每排燃料喷射模块单独供给燃料。在操作期间，每个束管式燃料喷嘴部分经由每个对应初级(或第一)燃烧区域中的相对较短火焰产生高温燃烧气体流出气流(effluentstream)。来自所述初级燃烧区域的高温流出气流—总燃烧气体流的约40％到95％—向下游流动，直到到达喷射平面，在所述喷射平面处，所述高温流出气流中渗入第二燃料和空气流，所述第二燃料和空气流由一个(或者第一)燃料喷射板的所述压力侧预混合通道以及一个周向相邻(或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种环形燃烧系统段，包括：第一集成燃烧器喷嘴，所述第一集成燃烧器喷嘴包括内衬段、外衬段、第一侧壁、第二侧壁、限定在它们之间的多个预混合通道、与所述多个预混合通道流体连通的多个喷射出口，以及限定第一涡轮喷嘴的下游端部分；与所述第一集成燃烧器喷嘴相邻的第二集成燃烧器喷嘴，所述第二集成燃烧器喷嘴包括内衬段、外衬段、第一侧壁、第二侧壁、限定在它们之间的多个预混合通道、与所述多个预混合通道流体连通的多个喷射出口，以及限定第二涡轮喷嘴的下游端部分；以及第一燃料喷射模块，所述第一燃料喷射模块包括设置在所述第一集成燃烧器喷嘴的所述第二侧壁与所述第二集成燃烧器喷嘴的所述第一侧壁之间的燃料喷嘴部分，以及至少一个燃料喷射喷枪，所述至少一个燃料喷射喷枪与燃料源以及所述第一集成燃烧器喷嘴的所述多个预混合通道以及所述第二集成燃烧器喷嘴的所述多个预混合通道中的至少一者流体连通。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.25 US 62/313232;2017.03.21 US 15/4643941.一种环形燃烧系统段，包括：第一集成燃烧器喷嘴，所述第一集成燃烧器喷嘴包括内衬段、外衬段、第一侧壁、第二侧壁、限定在它们之间的多个预混合通道、与所述多个预混合通道流体连通的多个喷射出口，以及限定第一涡轮喷嘴的下游端部分；与所述第一集成燃烧器喷嘴相邻的第二集成燃烧器喷嘴，所述第二集成燃烧器喷嘴包括内衬段、外衬段、第一侧壁、第二侧壁、限定在它们之间的多个预混合通道、与所述多个预混合通道流体连通的多个喷射出口，以及限定第二涡轮喷嘴的下游端部分；以及第一燃料喷射模块，所述第一燃料喷射模块包括设置在所述第一集成燃烧器喷嘴的所述第二侧壁与所述第二集成燃烧器喷嘴的所述第一侧壁之间的燃料喷嘴部分，以及至少一个燃料喷射喷枪，所述至少一个燃料喷射喷枪与燃料源以及所述第一集成燃烧器喷嘴的所述多个预混合通道以及所述第二集成燃烧器喷嘴的所述多个预混合通道中的至少一者流体连通。2.根据权利要求1所述的环形燃烧系统段，其中所述至少一个燃料喷射喷枪包括多个燃料喷射喷枪。3.根据权利要求2所述的环形燃烧系统段，进一步包括导管，所述导管连接到所述燃料源和所述第一燃料喷射模块，其中所述导管向束管式燃料喷嘴部分和所述多个燃料喷射喷枪中的至少一者提供燃料。4.根据权利要求1所述的环形燃烧系统段，其中所述第一集成燃烧器喷嘴的所述第一侧壁和所述第二集成燃烧器喷嘴的所述第一侧壁是压力侧壁，并且其中所述第一集成燃烧器喷嘴的所述第二侧壁和所述第二集成燃烧器喷嘴的所述第二侧壁是吸力侧壁。5.根据权利要求4所述的环形燃烧系统段，其中所述第一集成燃烧器喷嘴包括沿所述吸力侧壁径向间隔开的多个吸力侧喷射出口，并且其中所述第一集成燃烧器喷嘴的所述吸力侧喷射出口限定位于初级燃烧区域下游的径向喷射平面，所述初级燃烧区域限定在所述第一集成燃烧器喷嘴与所述第二集成燃烧器喷嘴之间。6.根据权利要求4所述的环形燃烧系统段，其中所述第二集成燃烧器喷嘴包括沿所述压力侧壁径向间隔开的多个压力侧喷射出口，并且其中所述第二集成燃烧器喷嘴的所述压力侧喷射出口限定位于初级燃烧区域下游的径向喷射平面，所述初级燃烧区域限定在所述第一集成燃烧器喷嘴与所述第二集成燃烧器喷嘴之间。7.根据权利要求4所述的环形燃烧系统段，其中所述第一集成燃烧器喷嘴包括沿所述吸力侧壁径向间隔开的多个吸力侧喷射出口，每个吸力侧喷射出口与所述第一集成燃烧器喷嘴的所述多个预混合通道中的相应预混合通道流体连通，并且其中所述第二集成燃烧器喷嘴包括沿所述压力侧壁径向间隔开的多个压力侧喷射出口，每个压力侧喷射出口与所述第二集成燃烧器喷嘴的所述多个预混合通道中的相应预混合通道流体连通。8.根据权利要求1所述的环形燃烧系统段，进一步包括围绕第一燃料喷射模块的外壁延伸的密封件。9.一种环形燃烧系统，包括：多个集成燃烧器喷嘴，所述多个集成燃烧器喷嘴围绕所述燃烧系统的轴向中线设置成环形阵列，其中每个集成燃烧器喷嘴包括燃料喷射板，所述燃料喷射板具有下游端部分，所述下游端部分限定具有翼型形状的涡轮喷嘴；以及...

【专利技术属性】
技术研发人员：JD贝里，SK维德纳，MJ休斯，JS弗拉纳根，JV西特诺，KW麦克马汉，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国,US