[发明专利]用于扩散燃烧系统的辅助注水

说明书

相关应用的交叉参考

本申请要求2010年6月23日提交的第61/357,616号美国临时申请的优先权，其全部内容在此。

技术领域

本发明总体涉及用于涡轮发动机的扩散火焰燃烧器，并且更具体地涉及将液态水的形式的水供给至这种扩散火焰燃烧器。

背景技术

NO_X是用于单氮氧化物NO和NO₂(一氧化氮和二氧化氮)的统称。燃烧器的发展聚焦于满足尾气NO_X排放量，而不会负面影响到作为整体系统设计的一部分的其他关键区。通过扩散火焰燃烧器，水或蒸汽可被注入到燃烧器中，以控制NO_X的排放。注入的水可导致不必要的稳定性问题，其采用与套裂纹(liner cracking)有关的高燃烧室动态性能和耐用性问题的形式。这种系统的发展需要这些矛盾的设计标准--排放、动力学和硬件寿命--处于微妙的平衡。

在燃气涡轮发动机的扩散火焰燃烧器中，经常以诸如甲烷或天然气的气态来供给主燃料。在燃烧器中，燃气与压缩空气以及液体、水蒸汽或蒸汽的形式的水混合。设计标准需要燃料和水的适当混合。用于分配和混合H₂O的无效方法会导致更大的NO_X排放量和不可接受的动态性能。

因此，通过在较高的火焰温度下使发动机可承受地运转，不仅利于降低发动机的排放量，而且可期望改善燃烧动力学和发动机性能；本发明便于实现各个所述这些目标。

发明内容

根据本发明的各方面，涡轮发动机燃烧系统包括具有主燃料出口和辅助喷嘴的燃料喷嘴组件，辅助喷嘴用于在主燃料出口的下游将液体喷射到燃烧器的火焰区中。与主燃料出口流体连通的燃料管路将燃料供给至主燃料出口。在主燃料出口的上游，主水管路供水用于与燃料混合，而辅助管路通过辅助液体喷雾喷嘴将水提供到火焰区。辅助喷嘴在燃料喷嘴组件的中心线上对准。辅助液体喷嘴以空心喷雾(hollow cone spray)模式将水分注到燃烧器中。

单独的管路也可以将诸如液体油燃料的辅助燃料提供到辅助液体喷嘴。主燃料可以是气态的。

燃料喷嘴组件还可包括雾化空气帽，其具有围绕液体喷嘴的多个孔。

本发明的各方面还提出了一种用于在涡轮机燃烧器中控制排放的方法，其包括以下步骤：将主水注入到第一燃料流中；通过燃料喷嘴组件将第一燃料流和水的混合物供给至燃烧室；在火焰区中燃烧第一燃料流；以及将辅助水以空心喷雾模式注入到火焰区中。

这些系统和方法改进了对排放的控制，同时管理了燃烧动力学并且减少了系统硬件的磨损。

附图说明

图1是用于具有主供水管路和辅助供水管路的扩散火焰燃烧器的燃料喷嘴组件的示意图。

图2是图1的右手端示意图，示出了雾化空气帽和液体燃料喷嘴。

具体实施方式

参照图1，设置了用于涡轮发动机扩散火焰燃烧器的燃料喷嘴组件1。燃料管路2可将燃料3供给至燃料喷嘴组件1。主流体(水)管路4可将诸如水的第一流体供给至与燃料管路2联接的注水环形挡板(donut)5。注水环形挡板5可以安装成环绕或包围燃料管路2。注水环形挡板5可便于将一个或多个水流6注入到流过燃料管路2的燃料3中。

另外地或可选地，水被注入到位于燃料喷嘴组件1下游的燃烧器的燃烧火焰区中。将水注入到燃料和燃烧区两者之中可以控制尾气排放，特别是NO_X。

如本文中所使用的，水指的是其各相，包括液体或水蒸汽、以及液体和水蒸汽的组合，并且包括液滴。本文中，水能够替代地被称作液体、水蒸汽或蒸汽。

辅助流体(水)管路8还可以将诸如水的第二流体13供给至燃料喷嘴组件1。辅助水管路8(包括8A、8B)可以单独使用或与主水管路4组合。主水管路4和辅助水管路8可以由相同或不同的水源7来供给。当燃气轮机基于天然气来运转时，它可利于经主水管路4和辅助水管路8的两个位置处来注入水。当采用主水管路4和辅助水管路8两者时，供水通常在两个注入点(主要的和辅助的)之间平分。可以采用不同的供给比率。例如，经由主水管路4的水供应量与经由辅助水管路8的水供应量的比率可以是50:50、60:40、70:30、80:20、90:10、100:0、40:60、30:70、20:80、10:90或0:100或者任何其他组合。