[发明专利]具有多个燃烧区的燃烧器

说明书

联邦资助的研究声明

本发明是在能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42643下通过政府支持完成的。政府享有本发明中的某些权益。

技术领域

本文中公开的主题大致涉及用于燃气涡轮的迟贫(late lean)喷射系统，并且更具体地涉及具有如下喷嘴组件的迟贫喷射系统，该喷嘴组件设计成使对燃烧器衬套和过渡管道的损伤最小。

背景技术

燃气涡轮系统大致包括压缩机子系统、燃烧器子系统、燃料喷射子系统和涡轮子系统。

通常，压缩机子系统对进气进行增压，进气接着被输送到燃烧器子系统，在此它被用于对燃烧过程提供空气并用于冷却。压缩机子系统包括压缩机转子、压缩机叶片、压缩机定子、压缩机外壳和压缩机排放外壳。典型的压缩机子系统可具有包括调制进口导叶的多个级。空气可在级中的某些之间被抽出用于冷却。

燃烧器子系统可包括至少一个燃烧器和点火机构。燃烧器可包括燃烧器外壳、流动套筒、衬套、至少一个喷嘴和过渡件。各燃烧器包括流动套筒和基本同心地布置在流动套筒内的燃烧器衬套。流动套筒和燃烧器衬套双方在位于它们的下游端或后端处的双壁过渡件与位于它们的上游端或前端处的燃烧器衬套罩帽组件之间延伸。柱形衬套和衬套罩帽组件位于各燃烧器内。衬套和衬套罩帽组件限定燃烧室，燃料在该燃烧室燃烧。

各燃烧器包括至少一个燃料喷嘴，其可将燃料或空气燃料混合物喷射到燃烧室中。燃料喷嘴可具有各种设计，其中包括但不限于套管(tube-in-tube)喷射器、旋流(swirl)喷射器、富催化(rich catalytic)喷射器构造和多管喷嘴设计。

过渡件将热气体从燃烧室引导到涡轮喷嘴。过渡件具有在用于涡轮喷嘴的出口处过渡到环形区段的圆形进口过渡。在两个连接位置处都利用密封件以控制泄漏流。

来自由压缩机子系统和燃烧器子系统所产生的热增压气体的能量被转化为机械能。涡轮分段包括燃烧罩壳(combustion wrapper)、涡轮转子、涡轮壳体、排气框架、排气扩散器、喷嘴和隔板、静止围带和后轴承组件。涡轮转子组件由前轴、至少一个涡轮叶轮(turbine wheel)和后涡轮轴以及多个动叶(bucket)组成。

涡轮动叶是装配在涡轮转子的外周周围以引导蒸汽或气流的叶片状导叶。涡轮动叶附连于叶轮，其带有枞树形燕尾件(fir tree dovetail)，所述枞树形燕尾件配合在位于涡轮叶轮的边沿处的匹配切口中。涡轮分段还可具有将气流引导到动叶的一组或多组喷嘴(静止叶片)。

一些燃气涡轮系统使用迟贫喷射(LLI)系统作为通过减少燃料和空气在燃烧器内的停留时间来减少NOx形成的途径。LLI涉及在位于主燃烧区下游的轴向位置处将燃料和空气的一部分喷射到燃烧器中。LLI系统可形成对燃气涡轮系统构件非常不利的排气出口廓线(profile)。

发明内容

根据一个示例性、非限制性的实施例，本发明涉及一种燃烧系统，该燃烧系统包括：燃烧器；配置在燃烧器内的燃烧器衬套。该燃烧器衬套具有上游端、下游端和外周。具有至少一个主燃料喷嘴以对配置在燃烧器衬套的上游端附近的主燃烧区提供燃料。具有表面区域的过渡管道联接于燃烧器衬套的下游端。辅助喷嘴组件配置在燃烧器的下游端附近，以在预先确定成减小过渡管道的表面区域上的峰热负荷的位置处对辅助燃烧区提供燃料。

在另一实施例中，提供一种燃气涡轮，其具有：压缩机；和联接于压缩机的多个燃烧器。各燃烧器包括：燃烧器衬套，其具有上游端、下游端和外周；以及至少一个主燃料喷嘴，其用于对主燃烧区提供燃料。该至少一个主燃料喷嘴配置在燃烧器衬套的上游端附近。该燃烧器还包括：过渡管道，其联接于燃烧器衬套的下游端；以及辅助喷嘴组件，其配置在燃烧器衬套的下游端附近，以在预先确定成减小过渡管道的表面区域上的峰热负荷的位置处对辅助燃烧区提供燃料。

在另一实施例中，一种管理过渡管道上的热负荷廓线的方法包括：在燃烧器衬套的上游端附近的主燃烧区中燃烧第一燃料流；使燃烧气体流到配置在燃烧器衬套的下游端附近的辅助燃烧区；以及通过配置成穿过燃烧器衬套的预定数量的喷嘴将第二燃料流喷射到辅助燃烧区中，该预定数量的喷嘴被选择成减小联接于燃烧器衬套的过渡管道的表面上的峰热负荷。