用于涡轮发动机的灵活燃料燃烧系统的制作方法

本发明总体上涉及涡轮发动机，并且更具体而言，涉及用于涡轮发动机的燃料燃烧器系统。

背景技术：

通常，燃气涡轮发动机包括多个喷射器，其用于将燃料喷射到燃烧室中，以在火焰区的上游与空气混合。常规涡轮发动机的燃料喷射器可以按照至少三种不同方案中的一种来布置。燃料喷射器可位于贫预混火焰系统中，其中，在燃料/空气混合物被点燃的位置的上游足够远处将燃料喷射入空气流中，使得空气和燃料在于火焰区中燃烧时完全混合。燃料喷射器也可以被配置在扩散火焰系统中，使得燃料和空气同时混合和燃烧。在通常称为部分预混系统的又一种配置中，燃料喷射器可以在火焰区的上游将燃料喷射足够的距离，使得一些空气与燃料混合。部分预混系统是贫预混火焰系统和扩散火焰系统的组合。

通常，配置成燃烧合成气的燃气涡轮发动机包括燃烧室，该燃烧室配置成燃烧基本上由h2和co形成的合成气以及例如n2或蒸汽之类的稀释剂。所述燃烧室通常是扩散火焰燃烧器的衍生物，并且燃烧接近于化学计算的火焰温度的温度，这增加了燃烧室筒（combustorbasket）上的热负荷，从而导致燃烧室筒的损坏。配置成燃烧合成气的燃烧室通常不配置成燃烧其他燃料源，从而限制了潜在燃料的可能使用。因此，需要一种燃料系统，其能够处理更多样化的燃料选择。

技术实现要素：

公开了一种燃料燃烧器系统，其配置成将液体燃料和气体燃料喷射到涡轮发动机的燃烧室中，使得发动机可以借助两种燃料源的燃烧来操作。该燃料燃烧器系统可由喷嘴帽形成，该喷嘴帽包括与合成气的第一燃料源流体连通的一个或多个第一燃料喷射端口以及与天然气的第二燃料源流体连通的一个或多个第二燃料喷射端口。该燃料燃烧器系统还可以包括具有一个或多个油喷射通道的油枪，该油枪与至少一个油源流体连通，并且被配置成将油排出到燃烧室中。该油枪可以包括一个或多个流体喷射通道。在至少一个实施例中，油枪中的流体喷射通道可被配置成排出空气来分散喷油，或排出水来冷却燃烧室，或两者。燃料可以共烧，并且在至少一个实施例中，天然气、油和合成气可以一起共烧，同时水被喷射到燃烧室中，以减少排放，增加功率以及降低燃烧室温度。

在至少一个实施例中，用于涡轮发动机的燃料燃烧器系统可以包括由燃烧室壳体形成的一个或多个燃烧室和一个或多个喷嘴帽。该喷嘴帽可以包括与至少一个第一燃料源流体连通的一个或多个第一燃料喷射端口以及与至少一个第二燃料源流体连通的一个或多个第二燃料喷射端口。第一燃料源可以包含第一燃料，其与包含在第二燃料源内的第二燃料不同。在至少一个实施例中，第一燃料源可以包含合成气，并且第二燃料源包含天然气。在至少一个实施例中，第一燃料喷射端口和第二燃料喷射端口可以被配置成同时将来自第一燃料源的第一燃料和来自第二燃料源的第二燃料喷射到一个或多个燃烧室中。在至少一个实施例中，第一燃料源可以包含合成气，并且第二燃料源可以包含天然气。

所述燃料燃烧器系统可以包括一个或多个油枪，其用于将油、水、空气或氮或者它们的任何组合喷射到一个或多个燃烧室中。一个或多个油枪可从喷嘴帽突出。该油枪可具有与一个或多个油源流体连通的一个或多个油喷射通道。油枪可以被配置成将油与合成气和天然气同时地排出到燃烧室中。油枪可以被配置成在合成气或天然气或两者被喷射到燃烧室中的同时将油排出到燃烧室中。所述燃料燃烧器系统可以被配置成同时喷射来自油枪的油和来自第一燃料源的合成气。在至少一个实施例中，燃料燃烧器系统可被配置成同时喷射来自油枪的油和来自第二燃料源的天然气。所述油枪可具有一个或多个流体喷射通道，其与一个或多个压缩空气源流体连通并且可以被配置成将压缩空气排出到燃烧室中。该流体喷射通道可以被配置成使得该流体喷射通道可以在将油从一个或多个油喷射通道排出到燃烧室中的同时将压缩空气排出到燃烧室中。在至少一个实施例中，油枪可以具有一个或多个流体喷射通道，其与一个或多个水源流体连通，用于将水排出到燃烧室中。所述流体喷射通道可以被配置成使得所述流体喷射通道可以在将油从一个或多个油喷射通道排出到燃烧室中的同时将水排出到燃烧室中。

在操作期间，油枪的油喷射通道可被用于涡轮发动机的点燃和低负荷操作。为了点燃，油可以通过油喷射通道喷射到燃烧室中，并且压缩空气可以从压缩空气源通过流体喷射通道喷射。可以使用压缩空气来分散喷油，以提高燃烧室中的油的燃烧效率。在当油至少是部分的燃料源时的较高负荷操作期间，可以通过燃料喷射通道来喷射水，以限制nox排放并冷却燃烧室。

所述燃料燃烧器系统的一个优点在于，所述燃料燃烧器系统可以被配置成以高度的燃料灵活性（或适应性）来操作，使得所述燃料燃烧器系统可以燃烧燃料，例如但不限于低btu燃料、高btu燃料、液体燃料或气体燃料或者它们的任何组合。

所述燃料燃烧器系统的另一个优点在于，所述燃料燃烧器系统可以被配置成直接将例如但不限于蒸汽或氮之类的稀释剂喷射到一个或多个燃烧室中用于排放和功率增加。

下面更详细地描述这些和其他实施例。

附图说明

结合于本说明书中并形成本说明书的一部分的附图图示了当前公开的发明的实施例，并且连同描述一起公开了本发明的原理。

图1是包括燃料燃烧器系统的涡轮发动机的一部分的剖视图。

图2是在图1中的剖面线2-2处所取的具有燃料燃烧器系统的燃烧室的详细侧剖视图。

图3是具有喷嘴帽的燃料燃烧器系统的局部剖视透视图。

图4是在图3中的剖面线4-4处所取的具有喷嘴帽的燃料燃烧器系统的剖视图。

图5是具有喷嘴帽的燃料燃烧器系统的端视图。

具体实施方式

如图1-5中所示，公开了燃料燃烧器系统10，其配置成将液体燃料和气体燃料喷射到涡轮发动机14的燃烧室12中，使得发动机14可以借助两种燃料源的燃烧来操作。燃料燃烧器系统10可由喷嘴帽16形成，该喷嘴帽16包括与合成气的第一燃料源20流体连通的一个或多个第一燃料喷射端口18以及与天然气的第二燃料源24流体连通的一个或多个第二燃料喷射端口22。燃料燃烧器系统10还可以包括具有一个或多个油喷射通道28的油枪26，该油枪26与至少一个油源30流体连通，并且被配置成将油排出到燃烧室12中。油枪26可以包括一个或多个流体喷射通道32。在至少一个实施例中，油枪26中的流体喷射通道32可被配置成排出空气来分散（breakup）喷油，或排出水来冷却燃烧室，或两者。燃料可以共烧，并且在至少一个实施例中，天然气、油和合成气可以在一起共烧，同时水被喷射到燃烧室12中，以减少排放，增加功率以及降低燃烧室温度。

在至少一个实施例中，如图1中所示，燃料燃烧器系统10可由一个或多个燃烧室12和一个喷嘴帽16形成，所述燃烧室12由燃烧室壳体34形成。如图3-5中所示，喷嘴帽16可以包括与一个或多个第一燃料源20流体连通的一个或多个第一燃料喷射端口18以及与一个或多个第二燃料源24流体连通的一个或多个第二燃料喷射端口22。第一燃料源20可以包含第一燃料，其与包含在第二燃料源24内的第二燃料不同。在至少一个实施例中，第一燃料源20中的第一燃料可以是合成气，并且第二燃料源24中的第二燃料可以是天然气。第一燃料喷射端口18可由在尺寸上比第二燃料喷射端口22大的端口18形成。具有较大尺寸的第一燃料喷射端口18可被配置成排出高度稀释的合成气或低btu燃料。较小的第二燃料喷射端口22可以被配置成排出天然气或高btu燃料。在至少一个实施例中，第一燃料喷射端口22和第二燃料喷射端口22可以被配置成同时将来自第一燃料源20的第一燃料和来自第二燃料源24的第二燃料喷射到燃烧室12中。可以通过一个或多个阀54来控制第一燃料从第一燃料源20到第一燃料喷射端口18的流动，并且可以通过一个或多个阀52来控制第二燃料从第二燃料源24到第二燃料喷射端口22的流动。使两种或更多种燃料同时在燃烧室12中燃烧即为共烧。在至少一个实施例中，第一燃料源20可以包含合成气，并且第二燃料源24包含可在燃烧室12内共烧的天然气。

如图4中所示，燃料燃烧器系统10还可以包括从喷嘴帽16突出的一个或多个油枪26。油枪26可具有与一个或多个油源30流体连通的一个或多个油喷射通道28。油喷射通道28可以被配置成与合成气和天然气同时地将油排出到燃烧室12中。可以通过一个或多个阀48来控制油从油源30到油喷射通道28的流动。燃料燃烧器系统10可以被配置成同时喷射来自油枪26的油和来自第一燃料源20的合成气。在至少一个实施例中，燃料燃烧器系统10可被配置成同时喷射来自油枪26的油和来自第二燃料源24的天然气。

油枪26可具有一个或多个流体喷射通道32，其与一个或多个压缩空气源38流体连通，并被配置成将压缩空气排出到燃烧室12中。可以通过一个或多个阀50来控制压缩空气从压缩空气源38到流体喷射通道32的流动。油枪26还可以具有一个或多个流体喷射通道32，其与一个或多个水源40流体连通，用于将水排出到燃烧室12中。流体喷射通道32可以被配置成将水排出到燃烧室12中。可以通过一个或多个阀50来控制水从水源40到流体喷射通道32的流动。在配置成将水排出到燃烧室12中的同时，油枪26可以包括一个或多个油喷射通道28，该一个或多个油喷射通道28与一个或多个油源30流体连通并且被配置成将油排出到燃烧室12中。

在操作期间，油枪26的油喷射通道28可被用于涡轮发动机14的点燃和低负荷操作。为了点燃，油可以通过油喷射通道28喷射到燃烧室12中，并且压缩空气可以从压缩空气源40通过流体喷射通道32喷射。可以使用压缩空气来分散喷油，以提高燃烧室12中的油的燃烧效率。在当油至少是部分的燃料源时的较高负荷操作期间，可以通过燃料喷射通道32来喷射水，以限制nox排放并冷却燃烧室12。

燃料燃烧器系统10可以被操作成使得，例如但不限于通过同时喷射到燃烧室12中，油和合成气可以共烧。在另一实施例中，燃料燃烧器系统10可以被操作成使得，例如但不限于通过同时喷射到燃烧室12中，天然气和合成气可以共烧。在又一实施例中，燃料燃烧器系统10可以被操作成使得，例如但不限于通过同时喷射到燃烧室12中，天然气和油可以共烧。在再一实施例中，燃料燃烧器系统10可以被操作成使得例如但不限于合成气、天然气和油的三种燃料可以同时共烧。油枪26的流体喷射通道32可以被用于在两种燃料的共烧期间或者在合成气、天然气和油一起共烧期间将水喷射到燃烧室12中，以减少排放，增加功率并降低燃烧室温度。

在至少一个实施例中，可以操作燃料燃烧器系统10以在天然气或油操作期间将蒸汽喷射到燃烧室12中，以减少排放，或降低金属温度，或两者。蒸汽可以从蒸汽源42经由油枪26的流体喷射通道32来喷射。也可以通过其他方式来喷射蒸汽。可以通过一个或多个阀46来控制蒸汽从一个或多个蒸汽源42到流体喷射通道32的流动。

在至少一个实施例中，可以操作燃料燃烧器系统10以在天然气或油操作期间将氮喷射到燃烧室12中，以减少排放，或降低金属温度，或两者。氮可以从氮源44经由油枪26的流体喷射通道32来喷射。也可以通过其他方式来喷射氮。可以通过一个或多个阀46来控制氮从一个或多个氮源44到流体喷射通道32的流动。

提供前述内容是为了说明、解释和描述本发明的实施例的目的。对这些实施例的修改和调适对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且可以在不脱离本发明的范围或精神的情况下作出。