CN106537041A

CN106537041A - 用于涡轮发动机的燃料喷射系统

Info

Publication number: CN106537041A
Application number: CN201480081053.9A
Authority: CN
Inventors: J.贝尔通塞罗; R.施尔普; T.A.福克斯; J.W.哈德斯
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2017-03-22
Also published as: JP6415722B2; EP3177873A1; JP2017525931A; US20170198913A1; WO2016022135A1

Abstract

公开了一种用于燃气涡轮发动机的燃料系统（10），其通过经由公共的燃料源（18）将燃料供应到主要级（14）以及副级（16）来改善效率。燃料系统（10）可以由定位在燃烧器腔室（26）上游的第一预混合喷射器组件级（24）以及第一和第二主要喷射器组件级（20、22）形成，由此第一预混合喷射器组件级（24）是副喷射器系统。第二主要级（22）和第一预混合级（24）可以与同一个燃料源（18）流体连通，从而省去了在将燃料单独供应到第二主要级和第一预混合级的系统内出现的重复部件。在至少一个实施例中，第二主要喷射器组件级（22）和第一预混合喷射器组件级（24）可以各自与燃料歧管（28）连通，燃料歧管（28）被构造成：相比将燃料供应到第一预混合级（24），将更多的燃料供应到第二主要级（22）。

Description

用于涡轮发动机的燃料喷射系统

技术领域

本发明一般地涉及涡轮发动机，并且更具体地涉及用于涡轮发动机的燃料系统。

背景技术

通常，燃气涡轮发动机包括多个喷射器以便将燃料喷射到燃烧器中从而在火焰区域上游与空气混合。常见的涡轮发动机的燃料喷射器可以以至少三种不同的方案之一进行布置。燃料喷射器可以定位在贫预混合火焰系统中，其中，在燃料/空气混合物被点燃的位置的上游足够远处，燃料被喷射在空气流中，以使得空气和燃料在火焰区域中燃烧时被完全地混合。燃料喷射器还可以被构造在扩散火焰系统中以使得将燃料和空气进行同时地混合和燃烧。在另一通常被称为部分预混合系统的构造中，燃料喷射器可以将燃料喷射在火焰区域的上游足够的距离处，以使得空气中的一些与燃料混合。部分预混合系统是贫预混合火焰系统和扩散火焰系统的结合。

在运行中，经由喷射器将燃料喷射到燃烧腔室中，所述喷射器分为三级或四级，例如是引燃喷嘴、A级、B级以及C级（对于具有顶帽喷射（tophat injection）或引燃预混合特征的构造）。引燃喷嘴还可以由预混合级和扩散级形成。引燃喷嘴所提供的燃料进行燃烧以提供微扩散火焰喷射器，并且引燃喷嘴还为经预混合的A级、B级以及C级提供了稳定性。涡轮发动机常常使用高级别的空气流来运转，由此获得贫燃料混合物，该贫燃料混合物具有足够低的火焰温度从而防止形成大量的NO_x。然而，因为贫火焰具有低火焰温度，所以贫火焰易于产生高CO。并且因为产生过量的CO是有害的，所以存在对CO的排放进行限制的需要。

涡轮发动机常常在部分负载时而不是在满负载时以更高的燃料-空气比率运行。然而，涡轮发动机针对满负载进行设计。因此，为在满负载时运转而设计的喷嘴在部分负载时极度贫燃地进行运转。进口导向翼叶（IGV）可以被用于在部分负载时减少经过发动机的空气流，由此提高燃料-空气比率并且使发动机能够在更大的负载范围中更高效地运行。然而，IGV仅可以被用于对空气流进行有限量的限制。

燃料分级被用于在如下负载时控制燃料的喷射，即在低于该负载的负载时可以有效地使用IGV。燃料分级是从相比燃料系统中的全部喷射器要少的喷射器喷出燃料的过程。通过减少经由其射出燃料的喷射器的数量，提高了在涡轮发动机处于部分负载时进行运行的期间燃料通过喷射器的量，并且燃烧终止（burnout）的情况也因此得以改善。然而，使用燃料分级需要重复的辅助管线、孔口燃料流量计、压力传感器、温度传感器以及用于确定压力差的传感器。此外，常见的c级燃料喷射目前经由与c级燃料歧管一起安装在燃烧器内的、成形的且经焊接的环来实现。常见的c级燃料喷射系统通常包括具有数个经焊接的部件的复杂组件，所述数个经焊接的部件在组装期间是定制配合（custom fit）的。在导致这些部件失效的数个重要的实地问题中，该设计的挑战性的组装和拆卸过程被认为是促成因素。

发明内容

公开了一种用于燃气涡轮发动机的燃料系统，所述燃料系统通过经由公共的燃料源将燃料供应到主级以及副级来改善效率。所述燃料系统可以由定位在燃烧器腔室上游的第一预混合喷射器组件级以及第一和第二主要喷射器组件级形成，由此第一预混合喷射器组件级是副喷射器系统。第二主要喷射器组件级和第一预混合喷射器组件级可以与同一个燃料源流体连通，从而省去了在将燃料单独供应到第二主要喷射器组件级和第一预混合喷射器组件级的系统内出现的重复部件。所述燃料系统还可以被构造成使得第一预混合喷射器组件级不需要由发动机组装期间安装的、定制配合的零件来形成。更确切地，所述燃料系统可以形成为不具有此类部件。在至少一个实施例中，第二主要喷射器组件级和第一预混合喷射器组件级可以各自与燃料歧管连通，所述燃料歧管被构造成：相比将燃料供应到第一预混合喷射器组件级，将更多的燃料供应到第二主要喷射器组件级。

所述燃料系统可以包括第一主要喷射器组件级，第一主要喷射器组件级包括定位在燃烧器中的至少一个喷射器，由此第一主要喷射器组件级是第一主喷射器系统。所述燃料系统还可以包括第二主要喷射器组件级，第二主要喷射器组件级包括定位在燃烧器中的至少一个喷射器，由此第二主要喷射器组件级是第二主喷射器系统。所述燃料系统可以包括第一预混合喷射器组件级，第一预混合喷射器组件级由定位在燃烧器中的一个或多个喷射器形成并且与燃料源流体连通，所述燃料源也将燃料至少供应到第二主要喷射器组件级。第一预混合喷射器组件级可以是副喷射器系统。第一预混合喷射器组件级和第二主要喷射器组件级可以联接在一起，以使得所述燃料系统能够经由第一预混合喷射器组件级和第二主要喷射器组件级同时将燃料喷到涡轮发动机的燃烧器中。在至少一个实施例中，第二主要喷射器组件级可以与燃料供应歧管流体连通，并且第一预混合喷射器组件级可以与所述燃料供应歧管流体连通。所述燃料供应歧管可以被构造成：相比将燃料供应到第二主要喷射器组件级，将更少的燃料供应到第一预混合喷射器组件级。

第一预混合喷射器组件级可以包括一个或多个燃料喷射器，所述一个或多个燃料喷射器在燃烧器内延伸到燃烧器腔室中。在至少一个实施例中，燃料喷射器可以是与燃料供应歧管流体连通的燃料喷射器桩（peg）。燃料喷射器桩可以从支撑壳体延伸，支撑壳体容纳燃料供应歧管。在至少一个实施例中，燃料喷射器桩可以包括至少六个燃料喷射器桩，所述至少六个燃料喷射器桩从支撑壳体延伸到燃烧器腔室中，支撑壳体容纳燃料供应歧管。所述燃料喷射器桩可以定位成从支撑壳体向下游延伸的周向阵列。形成第二主要喷射器组件级的喷射器可以将所述燃料喷射器桩隔开。

第一预混合喷射器组件级的一个或多个喷射器可以定位在燃料旋流器（swirler）的上游。第一预混合喷射器组件级的喷射器中的一个或多个的下游端部可以终止在第二主要喷射器组件级的喷射器的下游端部的上游。

所述燃料系统的优点是：所述燃料系统可以结合主要燃料喷射器组件级和副燃料喷射器组件级而同时维持可接受的发动机动力以及NO_x的排放，由此省去对重复的辅助管线、孔口燃料流量计、压力传感器、温度传感器以及用于确定压力差的传感器的需要。

所述燃料系统的另一优点是：可以容易地将形成副燃料喷射器组件级的第一预混合喷射器组件级合并到支撑壳体中，而不需要在安装期间针对副燃料喷射器系统的常规燃料供给系统的部件、歧管等创建定制的配合。

下面将更详细地描述这些以及其他实施例。

附图说明

合并在说明书中并且形成说明书的一部分的附图示出了目前所公开的发明的实施例，并且与描述一起公开了本发明的原理。

图1是涡轮发动机的一部分的截面图，该涡轮发动机的一部分包括燃料系统。

图2是具有主要燃料级和副燃料级的支撑壳体的透视图。

图3是从燃烧器移除的燃料系统的透视图。

具体实施方式

如图1-3所示，公开了一种用于燃气涡轮发动机12的燃料系统10，燃料系统10通过经由公共的燃料源18将燃料供应到主级14以及副级16来改善效率。燃料系统10可以由定位在燃烧器腔室26上游的第一预混合喷射器组件级24以及第一和第二主要喷射器组件级20、22形成，由此第一预混合喷射器组件级24是副喷射器系统。第二主要喷射器组件级22和第一预混合喷射器组件级24可以与同一个燃料源18流体连通，从而省去了在将燃料单独供应到第二主要喷射器组件级22和第一预混合喷射器组件级24的系统内出现的重复部件。燃料系统10还可以被构造成使得第一预混合喷射器组件级24不需要由发动机组装期间安装的、定制配合的零件来形成。更确切地，燃料系统10可以形成为不具有此类部件。在至少一个实施例中，第二主要喷射器组件级22和第一预混合喷射器组件级24可以各自与燃料歧管28连通，燃料歧管28被构造成：相比将燃料供应到第一预混合喷射器组件级24，将更多的燃料供应到第二主要喷射器组件级22。

在至少一个实施例中，燃料系统10 可以由第一主要喷射器组件级20形成，第一主要喷射器组件级20包括定位在燃烧器32中的一个或多个喷射器30。第一主要喷射器组件级20可以是第一主喷射器系统。第一主要喷射器组件级20可以具有任何适当数量的喷射器30，例如但是不限于具有在一个和16个之间的喷射器30。燃料系统10可以包括第二主要喷射器组件级22，第二主要喷射器组件级22由定位在燃烧器32中的一个或多个喷射器34形成。第二主要喷射器组件级22可以是第二主喷射器系统。第二主要喷射器组件级22可以具有任何适当数量的喷射器34，例如但是不限于具有在一个和16个之间的喷射器34。第一和第二主要喷射器组件级20、22可以联接到不同的燃料源。

燃料系统10还可以包括一个或多个第一预混合喷射器组件级24，一个或多个第一预混合喷射器组件级24由定位在燃烧器32中的一个或多个喷射器36形成并且与燃料源18流体连通，燃料源18还将燃料供应到第二主要喷射器组件级22。第一预混合喷射器组件级24可以是副喷射器系统。第一预混合喷射器组件级24可以包括一个或多个燃料喷射器36，一个或多个燃料喷射器36在燃烧器32内延伸到燃烧器腔室26中。燃料喷射器36可以是燃料喷射器桩38，燃料喷射器桩38与燃料供应歧管28流体连通。燃料喷射器桩38可以从支撑壳体40延伸，支撑壳体40容纳燃料供应歧管28。燃料喷射器桩38可以是圆柱形的或具有另一形状。燃料喷射器桩38可以是线性的、弯曲的（如图3所示）或者具有任何构造。在至少一个实施例中，支撑壳体40可以是大体上圆柱形的壳体，其定位在燃烧器32的上游端部处。在至少一个实施例中，第一预混合喷射器组件级24可以包括至少六个燃料喷射器桩38，至少六个燃料喷射器桩38从支撑壳体40延伸到燃烧器腔室26中，支撑壳体40容纳燃料供应歧管28。在其他实施例中，可以使用另一更高或更低数量的燃料喷射器桩38。燃料喷射器桩38可以定位成从支撑壳体40向下游延伸的周向阵列。形成第二主要喷射器组件级22的喷射器34可以将燃料喷射器桩38隔开。在至少一个实施例中，第一预混合喷射器组件级24的喷射器36的下游端部44可以终止在第二主要喷射器组件级22的喷射器34的下游端部46的上游。第一预混合喷射器组件级24的燃料喷射器36可以定位在燃料旋流器42的上游。燃料旋流器42可以定位在燃烧器腔室26内并且可以由任何适当构造来形成。

第一预混合喷射器组件级24和第二主要喷射器组件级22可以联接在一起，以使得燃料系统10能够经由第一预混合喷射器组件级24和第二主要喷射器组件级22同时将燃料喷到涡轮发动机12的燃烧器32中。在至少一个实施例中，第二主要喷射器组件级22可以与燃料供应歧管28流体连通，并且第一预混合喷射器组件级24可以与该燃料供应歧管28流体连通。在至少一个实施例中，第一主要喷射器组件级20可以不联接到燃料供应歧管28。燃料供应歧管28可以被构造成：相比将燃料供应到第二主要喷射器组件级22，将更少的燃料供应到第一预混合喷射器组件级24。

在运行期间，组合的主要和副燃料喷射器组件级14、16（例如第一预混合喷射器组件级24和第二主要喷射器组件级22）可以被同时激活并且可以通过发动机负载操作。可以将燃料从燃料供应歧管28同时供应到第一预混合喷射器组件级24和第二主要喷射器组件级22。可以经由燃料供应歧管28对通向第一预混合喷射器组件级24的燃料进行节流，以使得供应到第一预混合喷射器组件级24的燃料少于从燃料供应歧管28供应到第二主要喷射器组件级22的燃料。第一主要喷射器组件级20与第二主要喷射器组件级22和第一预混合喷射器组件级24可以同时点燃或者可以不同时点燃。可以使用来自与燃料供应歧管28不同的燃料源的燃料来供应第一主要喷射器组件级20。在包括引燃级48的实施例中，可以使用来自与燃料供应歧管28不同的燃料源的燃料来供应引燃级48。

为了说明、解释以及描述本发明的实施例的目的而提供了前述内容。对这些实施例的修改和调整对于本领域的技术人员将是明显的，并且在不偏离本发明的范围或精神的情况下可以对这些实施例作出修改和调整。

Claims

1.一种用于涡轮发动机（12）的燃料系统（10），其特征在于：

第一主要喷射器组件级（20），其包括定位在燃烧器（32）中的至少一个喷射器（30），其中，所述第一主要喷射器组件级（20）是第一主喷射器系统；

第二主要喷射器组件级（22），其包括定位在所述燃烧器（32）中的至少一个喷射器（34），其中，所述第二主要喷射器组件级（22）是第二主喷射器系统；

第一预混合喷射器组件级（24），其包括定位在所述燃烧器（32）中的至少一个喷射器并且与燃料源流体连通，所述燃料源还至少将燃料供应到所述第二主要喷射器组件级（22），其中，所述第一预混合喷射器组件级（24）是副喷射器系统；并且

其中，所述第一预混合喷射器组件级（24）和所述第二主要喷射器组件级（22）联接在一起，以使得所述燃料系统（10）能够经由所述第一预混合喷射器组件级（24）和所述第二主要喷射器组件级（22）同时将燃料喷到所述涡轮发动机的燃烧器（32）中。

2.如权利要求1所述的燃料系统（10），其特征在于，所述第二主要喷射器组件级（22）与燃料供应歧管（28）流体连通，并且所述第一预混合喷射器组件级（24）与所述燃料供应歧管（28）流体连通。

3.如权利要求2所述的燃料系统（10），其特征在于，所述燃料供应歧管（28）被构造成：相比将燃料供应到所述第二主要喷射器组件级（22），将更少的燃料供应到所述第一预混合喷射器组件级（24）。

4.如权利要求1所述的燃料系统（10），其特征在于，所述第一预混合喷射器组件级（24）包括至少一个燃料喷射器（36），所述至少一个燃料喷射器（36）在所述燃烧器（32）内延伸到燃烧器腔室（26）中。

5.如权利要求4所述的燃料系统（10），其特征在于，所述至少一个燃料喷射器（36）是燃料喷射器桩（38），所述燃料喷射器桩（38）与燃料供应歧管（28）流体连通。

6.如权利要求5所述的燃料系统（10），其特征在于，所述至少一个燃料喷射器桩（38）从支撑壳体延伸，所述支撑壳体容纳所述燃料供应歧管（28）。

7.如权利要求6所述的燃料系统（10），其特征在于，所述至少一个燃料喷射器桩（38）包括至少六个燃料喷射器桩（38），所述至少六个燃料喷射器桩（38）从所述支撑壳体（40）延伸到所述燃烧器腔室（26）中，所述支撑壳体（40）容纳所述燃料供应歧管（28）。

8.如权利要求7所述的燃料系统（10），其特征在于，所述燃料喷射器桩（38）被定位成从所述支撑壳体（40）向下游延伸的周向阵列。

9.如权利要求7所述的燃料系统（10），其特征在于，形成所述第二主要喷射器组件级（22）的喷射器（34）将所述燃料喷射器桩（38）隔开。

10.如权利要求1所述的燃料系统（10），其特征在于，所述第一预混合喷射器组件级（24）的至少一个喷射器（30）定位在燃料旋流器（42）的上游。

11.如权利要求1所述的燃料系统（10），其特征在于，所述第一预混合喷射器组件级（24）的至少一个喷射器（36）的下游端部（44）终止在所述第二主要喷射器组件级（22）的至少一个喷射器（34）的下游端部（46）的上游。