[发明专利]燃气涡轮机的燃烧系统中的分级燃料和空气喷射

说明书

本发明涉及燃气涡轮机的燃烧系统中的分级燃料和空气喷射，具体而言，涉及一种燃气涡轮机，其包括从燃烧器中的前喷射器向后延伸的工作流体流径。燃烧器可包括内径向壁，外径向壁，以及它们之间的流环道。分级喷射器可与流环道相交，以便获得工作流体流径内的喷射点，通过该喷射点限定后环形区段和前环形区段。空气指引结构可包括对应于后环形区段的后入口区段和对应于前环形区段的前入口区段。空气指引结构可构造成：将穿过后入口区段进入的空气沿向前的方向指引穿过后环形区段至分级喷射器；以及将穿过前入口区段进入的空气沿向后的方向指引穿过前环形区段至分级喷射器。

联邦政府资助的研究申明

本发明在由能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42643下的政府支持下完成。美国政府具有对本发明的一些权利。

技术领域

本申请大体上涉及燃烧或燃气涡轮发动机内的燃烧系统。更具体地，但并非作为限制，本申请描述了与空气和燃料在此类燃烧系统中的下游或轴向分级喷射相关的新型系统、装置和/或方法，以及与之相关的冷却系统和构件。

背景技术

如将会认识到的，在过去几十年来，由于先进的技术已经实现增大发动机尺寸以及更高的操作温度，因而燃烧或燃气涡轮发动机(“燃气涡轮机”)的效率已经极大地改善。已经允许此类成就的技术进步包括用于冷却热气体路径构件的新的热传递技术，以及新的更耐久的材料。然而，在此时间范围期间，颁布了限制某些污染物的排放水平的规章性标准。具体地，NOx，CO和UHC(它们都对发动机的操作温度和燃烧特性敏感)的排放水平已经变得被更严格地规定。在这些中，NOx的排放水平对于在较高发动机点火温度下的增加尤其敏感，并且因此，此污染物对于点火温度可以进一步升高多少变成了显著的限制。由于更高的运行温度通常导致更高效的发动机，因此这妨碍了效率的进一步提高。因此，与常规燃烧系统相关的性能限制变成了限制更高效的燃气涡轮机的发展的因素。

其中已经提高了燃烧系统出口温度，同时还依然保持可接受的排放水平以及冷却要求的一种方式是通过轴向分级燃料和空气喷射。这典型地要求增大经过燃烧器的空气体积，并指引比该体积更多的空气至相对于主喷射器轴向地在下游隔开的喷射器，主喷射器位于燃烧器的前端。如将会理解的，此增大的空气流的体积导致对于该单元的空气动力学性能产生更显著的影响。更具体地，最小化移动通过燃烧器的压缩的空气的压降的燃烧器可实现性能益处和效率，其在通过燃烧器的流量水平上升时，变得更加显著。另外，压缩机空气的显著部分在冷却热气体路径构件(诸如涡轮转子和定子叶片)，特别是在涡轮的初始级中的那些中消耗。

结果，先进燃烧系统设计的一个主要目标涉及开发能够实现更高点火温度和/或更高效的性能，同时最小化燃烧驱动排放和空气动力学压力损耗的构造和冷却策略。如将会认识到的，此类技术进步将导致改善的发动机效率水平。

发明内容