与燃气涡轮机中的下游燃料和空气喷射相关的系统和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种与燃气涡轮机中的下游燃料和空气喷射相关的系统和装置，其包括：联接到涡轮机的燃烧器，以及下游喷射系统，所述下游喷射系统包括定位在内部流动路径内的两个喷射级，第一级和第二级，其中第一级包括在初级空气和燃料喷射系统的后面的轴向位置并且第二级包括在所述第一级的后面的轴向位置。第一级和第二级的每一个包括多个圆周间隔喷射器，每个喷射器配置成将空气和燃料喷射到通过内部流动路径的流动中。第一级和第二级具有将第二级处喷射的燃料限制到小于所述第一级处喷射的燃料的50%的配置。

【技术实现步骤摘要】
与燃气涡轮机中的下游燃料和空气喷射相关的系统和装置
本专利技术大体而言涉及燃式或燃气涡轮发动机(在下文中称为燃气涡轮机）中的 燃烧系统。更具体地，但不作为限制，本专利技术描述与燃气涡轮机的燃烧系统中的空气和燃料 的下游或延迟喷射相关的新颖方法、系统和装置。
技术介绍
燃气涡轮机的效率在过去的几十年已明显地改善，原因是新技术允许发动机尺寸 的增加和更高的操作温度。允许更高操作温度的一种技术基础是引入新的和创新的热传递 技术以便冷却热气体路径内的部件。另外，新材料允许燃烧器内的更高温度能力。 然而在该时期期间，制定了限制发动机操作期间某些污染物可以排放的水平的新 标准。具体地，更严格地限制全部对发动机的操作温度敏感的NOx、C0和UHC的排放水平。 其中，NOx的排放水平尤其对更高发动机点火温度下的增加排放水平敏感，并且因此成为关 于温度可以增加多少的明显限制。由于更高操作温度与更高效发动机一致，因此这阻碍发 动机效率的提高。总之，燃烧器操作变为燃气涡轮机操作效率的明显限制。 因此，高级燃烧器设计技术的主要目标之一变为开发这样的配置，所述配置减小 在这些更高操作温度下的燃烧器驱动排放水平使得发动机可以在更高温度下点火，并且因 此具有更高的压力比周期和更高的发动机效率。因此将领会，减小排放、特别是NOx的排放 并且允许更高点火温度的新颖燃烧系统将在商业上需求很大。
技术实现思路
本专利技术因此描述一种燃气涡轮发动机，其包括：联接到涡轮机的燃烧器，所述燃烧 器和所述涡轮机一起限定内部流动路径，所述内部流动路径围绕纵轴线从位于所述燃烧器 的前端处的初级空气和燃料喷射系统向后延伸，通过所述燃烧器连接到所述涡轮机处的接 口，并且通过所述涡轮机中的至少一排定子叶片；以及下游喷射系统，所述下游喷射系统包 括定位在所述内部流动路径内的两个喷射级，第一级和第二级，其中所述第一级和所述第 二级均沿着所述纵轴线轴向地间隔使得所述第一级包括在所述初级空气和燃料喷射系统 的后面的轴向位置并且所述第二级包括在所述第一级的后面的轴向位置。所述第一级和所 述第二级的每一个包括多个圆周间隔喷射器，每个喷射器配置成将空气和燃料喷射到通过 所述内部流动路径的流动中。所述第一级和所述第二级包括将所述第二级处喷射的燃料限 制到小于所述第一级处喷射的燃料的50%的配置。 通过结合附图和附带的权利要求阅读优选实施例的以下详细描述，本专利技术的这些 和其它特征将变得明显。 【附图说明】 通过结合附图仔细研究本专利技术的示例性实施例的以下更详细描述，将更完整地理 解和领会本专利技术的这些和其它特征，其中： 图1是本专利技术的某些实施例可以在其中使用的示例性燃气涡轮机的截面示意性 表不； 图2是本专利技术的实施例可以在其中使用的常规燃烧器的截面示意性表示； 图3是包括根据常规设计的下游燃料喷射器的单级的常规燃烧器的截面示意性 表不； 图4是根据本专利技术的示例性实施例的方面的燃烧器和涡轮机的上游级的截面示 意性表示； 图5是根据本专利技术的替代实施例的燃烧器和涡轮机的上游级的截面示意性表示； 图6是根据本专利技术的替代实施例的燃烧器和涡轮机的上游级的截面示意性表示； 图7是根据本专利技术的替代实施例的燃烧器和涡轮机的上游级的截面示意性表示； 图8是根据本专利技术的替代实施例的燃烧器和涡轮机的上游级的截面示意性表示； 图9是根据本专利技术的替代实施例的燃烧器和涡轮机的上游级的截面示意性表示； 图10是根据本专利技术的替代实施例的燃烧器和涡轮机的上游级的截面示意性表 示； 图11是根据本专利技术的替代实施例的燃烧器和涡轮机的上游级的截面示意性表 示； 图12是根据本专利技术的替代实施例的燃烧器和涡轮机的上游级的截面示意性表 示； 图13是根据本专利技术的替代实施例的燃烧器和涡轮机的上游级的截面示意性表 示； 图14是根据本专利技术的某些方面的后框架的透视图； 图15是根据本专利技术的某些方面的后框架的截面图； 图16是根据本专利技术的某些方面的后框架的截面图； 图17是根据本专利技术的某些方面的后框架的截面图； 图18是根据本专利技术的某些方面的后框架的截面图；以及 图19是根据本专利技术的某些方面的后框架的截面图。 【具体实施方式】 尽管可以参考特定类型的涡轮发动机描述本专利技术的以下例子，但是本领域的普通 技术人员将领会本专利技术可以不限于这样的使用并且可应用于其它类型的涡轮发动机，除非 具体地由此限制。此外，将领会在描述本专利技术中，某些术语可以用于表示燃气涡轮发动机中 的某些机器部件。只要可能，普通工业术语将以与它的公认含义一致的方式使用和采用。然 而，不应当狭义地理解这样的术语，原因是本领域的普通技术人员将领会特定的机器部件 常常可以使用不同术语来称呼。另外，本文中描述为单部件的内容可以在另一上下文中引 用为由多个部件组成，或者本文中描述为包括多个部件的内容可以在别处称为单部件。因 而，在理解本专利技术的范围中，不仅应当关注特定术语，而且应当关注附带的描述、上下文以 及部件的结构、配置、功能和/或用途，尤其是如可以在附带的权利要求中提供的。 若干描述性术语可能在本说明书中经常使用，并且在该部分的开始定义这些术语 可能是有帮助的。因此，除非另外说明，这些术语和它们的定义如下。当在本说明书中使用 时，下游和上游是指示相对于流体、例如通过燃气涡轮机的压缩器、燃烧器和涡轮机部 段的工作流体或通过发动机的部件系统之一的流动冷却剂的流动方向的术语。术语下游 对应于流体流动的方向，而术语上游表示与流体流动的方向相反或相逆的方向。在没有 任何进一步说明的情况下，术语前和后表示相对于燃气涡轮机的取向的方向，前表 示发动机的前端或压缩器端，后表示发动机的后端或涡轮机端，在图1中示出它们的排 列。 另外，已知围绕中心轴线的燃气涡轮发动机的配置以及在一些部件系统中的该相 同类型的配置，描述相对于轴线的位置的术语可能将被使用。在这方面，将领会术语径向 表示垂直于轴线的运动或位置。与此相关，可能需要描述离中心轴线的相对距离。在该情 况下，例如，如果第一部件比第二部件更靠近中心轴线定位，则在本说明书中将说成第一部 件在第二部件的径向内侧或内侧。在另一方面，如果第一部件比第二部件更远离轴线 定位，则在本说明书中可以说成第一部件在第二部件的径向外侧或外侧。另外，将领 会术语轴向表示平行于轴线的运动或位置。并且最后，术语圆周表示围绕轴线的运 动或位置。如上所述，尽管这些术语可以关于典型地延伸通过发动机的压缩器和涡轮机部 段的公共中心轴线或轴被应用，但是它们也可以关于其它部件或子系统被使用。例如，在许 多机器共同的圆柱形罐式燃烧器的情况下，赋予这些术语相对含义的轴线可以是通过它 所称为的圆柱、罐形状或过渡件的更环形、下游形状的中心限定的纵向参考轴线。 现在参考图1，作为背景，提供本专利技术的实施例可以在其中使用的示例性燃气涡轮 机10。一般地，燃气涡轮发动机通过从在压缩空气流中的燃料的燃烧所产生的热气体的加 压流动中提取能量进行操作。如图1中所示，燃式涡轮发动机10包括经由公共轴机械地联 接到下游涡轮机部段或涡轮机13的轴流式压缩器11，燃本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃气涡轮发动机，其包括：联接到涡轮机的燃烧器，所述燃烧器和所述涡轮机一起限定内部流动路径，所述内部流动路径围绕纵轴线从位于所述燃烧器的前端处的初级空气和燃料喷射系统向后延伸，通过所述燃烧器连接到所述涡轮机处的接口，并且通过所述涡轮机中的至少一排定子叶片；以及下游喷射系统，所述下游喷射系统包括定位在所述内部流动路径内的两个喷射级，第一级和第二级，其中所述第一级和所述第二级均沿着所述纵轴线轴向地间隔，使得所述第一级包括在所述初级空气和燃料喷射系统的后面的轴向位置并且所述第二级包括在所述第一级的后面的轴向位置；其中所述第一级和所述第二级的每一个包括多个圆周间隔的喷射器，每个喷射器配置成将空气和燃料喷射到通过所述内部流动路径的流动中；并且其中所述第一级和所述第二级包括将所述第二级处喷射的燃料限制到小于所述第一级处喷射的燃料的50%的配置。

【技术特征摘要】
2013.03.15 US 13/836,5031. 一种燃气涡轮发动机，其包括： 联接到涡轮机的燃烧器，所述燃烧器和所述涡轮机一起限定内部流动路径，所述内部 流动路径围绕纵轴线从位于所述燃烧器的前端处的初级空气和燃料喷射系统向后延伸，通 过所述燃烧器连接到所述涡轮机处的接口，并且通过所述涡轮机中的至少一排定子叶片； 以及 下游喷射系统，所述下游喷射系统包括定位在所述内部流动路径内的两个喷射级，第 一级和第二级，其中所述第一级和所述第二级均沿着所述纵轴线轴向地间隔，使得所述第 一级包括在所述初级空气和燃料喷射系统的后面的轴向位置并且所述第二级包括在所述 第一级的后面的轴向位置； 其中所述第一级和所述第二级的每一个包括多个圆周间隔的喷射器，每个喷射器配置 成将空气和燃料喷射到通过所述内部流动路径的流动中；并且 其中所述第一级和所述第二级包括将所述第二级处喷射的燃料限制到小于所述第一 级处喷射的燃料的50%的配置。2. 根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一级定位在所述燃烧 器内的所述内部流动路径的纵向中点的后面。3. 根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一级和所述第二级的 每一个处的所述多个喷射器的每一个定位在公共喷射平面上，每个公共喷射平面大致垂直 于所述内部流动路径的纵轴线对准； 其中所述第一级和所述第二级的每一个包括3到10个之间的喷射器；并且 其中所述第一级的喷射器相对于所述第二级的喷射器圆周地交错。4. 根据权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一级和所述第二级的 喷射器均包括这样一种配置，在操作中，所述配置在与参考线成+30°到-30°之间的方向 上喷射空气和燃料，所述参考线相对于通过所述内部流动路径的主流动方向垂直；并且 其中所述第一级包括3到6个之间的喷射器并且所述第二级包括5到10个之间的喷 射器。5. 根据权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一级和所述第二级的 喷射器配置成使得来自所述第一级的喷射空气和燃料比来自所述第二级的喷射空气和燃 料更穿透通过所述内部流动路径的燃烧流；并且 其中所述第二级比所述第一级包括更多的围绕所述内部流动路径定位的喷射器。6. 根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一级的喷射器配置成 使喷射的空气和燃料与所述内部流动路径的中心区域中的燃烧流混合；并且 其中所述第二级的喷射器配置成使喷射的空气和燃料与所述内部流动路径的周边区 域中的燃烧流混合。7. 根据权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一级的喷射器的圆周 放置包括这样一种圆周放置，来自所述圆周放置的喷射空气和燃料基于来自所述初级空气 和燃料喷射系统的预期流动穿透所述内部流动路径的预定区域，从而增加所述第一级的下 游的燃烧流中的反应物混合和温度均匀性；并且 其中所述第二级的喷射器的圆周放置包括这样一种周向设置，在已知所述第一级的下 游的预期流动的特性的情况下，所述第二级的喷射器的周向设置与所述第一级的喷射器的 周向设置互补。8. 根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一级和所述第二级包 括这样一种配置，所述配置将所述第二级处喷射的燃料限制为所述第一级处喷射的燃料的 10%到50%之间。9. 根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述初级空气和燃料喷射系 统以及所述下游喷射系统的所述第一级和所述第二级配置成使得在操作期间总燃料供应 的以下百分比输送到每一个：50%到80%之间输送到所述初级空气和燃料喷射系统；20%到 40%之间输送到所述第一级；并且2%到10%之间输送到所述第二级； 其中所述初级空气和燃料喷射系统以及所述下游喷射系统的所述第一级和所述第二 级配置成使得在操作期间总燃烧器空气供应的以下百分比输送到每一个：60%到85%之间 输送到所述初级空气和燃料喷射系统；15%到35%之间输送到所述第一级；并且1%到5%之 间输送到所述第二级。10. 根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述初级空气和燃料喷射系 统以及所述下游喷射系统的所述第一级和所述第二级配置成使得在操作期间总燃料供应 的以下百分比输送到每一个：大约70%输送到所述初级空气和燃料喷射系统；大约25%输 送到所述第一级；并且大约5%输送到所述第二级； 其中所述初级空气和燃料喷射系统以及所述下游喷射系统的所述第一级和所述第二 级配置成使得在操作期间总空气供应的以下百分比输送到每一个：大约80%输送到所述初 级空气和燃料喷射系统；大约18%输送到所述第一级；并且大约2%输送到所述第二级。11. 根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一级和所述第二级包 括用于控制燃料供应的公共阀，其中所述第一级和所述第二级配置成使得其间的期望燃料 分离通过相对孔尺寸大小来实现；并且 其中所述第一级和所述第二级包括用于控制到达每一个的空气供应的公共阀，其中所 述第一级和所述第二级配置成使得期望空气分离通过相对孔尺寸大小来实现。12. 根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其还包括双歧管，燃料供应 通过所述双歧管输送到所述第一级和所述第二级的每一个，...

【专利技术属性】
技术研发人员：LB小戴维斯，KK文卡塔拉曼，KM格雷厄姆，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US