在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的方法，該方法包括以下步驟：在內(nèi)部流動(dòng)路徑內(nèi)配置下游噴射系統(tǒng)，所述下游噴射系統(tǒng)包括兩個(gè)噴射級(jí)，第一級(jí)和第二級(jí)，其中第一級(jí)和第二級(jí)彼此軸向地間隔；以及已知來(lái)自第一級(jí)和第二級(jí)的空氣和燃料噴射的預(yù)期效應(yīng)，基于以下圓周地定位所述第一級(jí)和所述第二級(jí)的噴射器：a)在操作模式期間發(fā)生在第一級(jí)的緊上游的預(yù)期燃燒流的特性；以及b)所述第二級(jí)的緊下游的預(yù)期燃燒流的特性。
【專利說(shuō)明】在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)大體而言涉及燃式或燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)(在下文中稱為“燃?xì)鉁u輪機(jī)”)中的燃燒系統(tǒng)。更具體地，但不作為限制，本申請(qǐng)描述與燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃燒系統(tǒng)中的空氣和燃料的下游或延遲噴射相關(guān)的方法、系統(tǒng)和裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]燃?xì)鉁u輪機(jī)的效率在過(guò)去的幾十年已明顯地改善，原因是新技術(shù)允許發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸的增加和更高的操作溫度。允許更高操作溫度的一種技術(shù)基礎(chǔ)是引入新的和創(chuàng)新的熱傳遞技術(shù)以便冷卻熱氣體路徑內(nèi)的部件。另外，新材料允許燃燒器內(nèi)具有更高溫度。
[0003]然而在該時(shí)期期間，制定了限制發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間某些污染物可以排放的水平的新標(biāo)準(zhǔn)。具體地，更嚴(yán)格地限制了全部對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的操作溫度敏感的NOx、CO和UHC的排放水平。其中，NOx的排放水平尤其對(duì)更高發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火溫度下的增加排放水平敏感，并且因此成為關(guān)于溫度可以增加多少的明顯限制。由于更高操作溫度與更高效發(fā)動(dòng)機(jī)一致，因此這阻礙發(fā)動(dòng)機(jī)效率的提高?？傊?，燃燒器操作變?yōu)槿細(xì)鉁u輪機(jī)操作效率的明顯限制。
[0004]因此，高級(jí)燃燒器設(shè)計(jì)技術(shù)的主要目標(biāo)之一變?yōu)殚_(kāi)發(fā)這樣的配置，所述配置能夠降低在這些更高操作溫度下的燃燒器驅(qū)動(dòng)排放水平，使得發(fā)動(dòng)機(jī)可以在更高溫度下點(diǎn)火，并且因此具有更高的壓力比周期和更高的發(fā)動(dòng)機(jī)效率。因此將領(lǐng)會(huì)，減小排放、特別是NOx的排放并且允許更高點(diǎn)火溫度的新穎燃燒系統(tǒng)將在商業(yè)上需求很大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本申請(qǐng)因此描述一種在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的方法，所述燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括:聯(lián)接到渦輪機(jī)的燃燒器，所述燃燒器和所述渦輪機(jī)一起限定內(nèi)部流動(dòng)路徑，所述內(nèi)部流動(dòng)路徑圍繞縱軸線從位于所述燃燒器的前端處的初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)向后延伸，通過(guò)所述燃燒器連接到所述渦輪機(jī)處的接口，并且通過(guò)所述渦輪機(jī)中的至少一排定子葉片。所述方法包括以下步驟:在所述內(nèi)部流動(dòng)路徑內(nèi)配置下游噴射系統(tǒng)，所述下游噴射系統(tǒng)包括兩個(gè)噴射級(jí)，第一級(jí)和第二級(jí)，其中所述第一級(jí)和所述第二級(jí)均沿著所述縱軸線軸向地間隔使得所述第一級(jí)包括在所述初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)的后面的軸向位置并且所述第二級(jí)包括在所述第一級(jí)的后面的軸向位置，其中所述第一級(jí)和所述第二級(jí)的每一個(gè)包括多個(gè)噴射器，每個(gè)噴射器配置成將空氣和燃料噴射到通過(guò)所述內(nèi)部流動(dòng)路徑的燃燒流中；以及已知來(lái)自所述第一級(jí)和所述第二級(jí)的空氣和燃料噴射的預(yù)期效應(yīng)，基于以下圓周地定位所述第一級(jí)和所述第二級(jí)的噴射器:a)在操作模式期間發(fā)生在所述第一級(jí)的緊上游的預(yù)期燃燒流的特性；以及b)所述第二級(jí)的緊下游的預(yù)期燃燒流的特性。
[0006]通過(guò)結(jié)合附圖和附帶的權(quán)利要求閱讀優(yōu)選實(shí)施例的以下詳細(xì)描述，本申請(qǐng)的這些和其它特征將變得明顯。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007]通過(guò)結(jié)合附圖仔細(xì)研究本發(fā)明的示例性實(shí)施例的以下更詳細(xì)描述，將更完整地理解和領(lǐng)會(huì)本發(fā)明的這些和其它特征，其中:
[0008]圖1是本申請(qǐng)的某些實(shí)施例可以在其中使用的示例性燃?xì)鉁u輪機(jī)的截面示意性表不;
[0009]圖2是本發(fā)明的實(shí)施例可以在其中使用的常規(guī)燃燒器的截面示意性表示；
[0010]圖3是包括根據(jù)常規(guī)設(shè)計(jì)的下游燃料噴射器的單級(jí)的常規(guī)燃燒器的截面示意性表不;
[0011]圖4是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的方面的燃燒器和渦輪機(jī)的上游級(jí)的截面示意性表示；
[0012]圖5是根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例的燃燒器和渦輪機(jī)的上游級(jí)的截面示意性表示；
[0013]圖6是根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例的燃燒器和渦輪機(jī)的上游級(jí)的截面示意性表示；
[0014]圖7是根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例的燃燒器和渦輪機(jī)的上游級(jí)的截面示意性表示；
[0015]圖8是根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例的燃燒器和渦輪機(jī)的上游級(jí)的截面示意性表示；
[0016]圖9是根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例的燃燒器和渦輪機(jī)的上游級(jí)的截面示意性表示；
[0017]圖10是根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例的燃燒器和渦輪機(jī)的上游級(jí)的截面示意性表示；
[0018]圖11是根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例的燃燒器和渦輪機(jī)的上游級(jí)的截面示意性表示；
[0019]圖12是根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例的燃燒器和渦輪機(jī)的上游級(jí)的截面示意性表示；
[0020]圖13是根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例的燃燒器和渦輪機(jī)的上游級(jí)的截面示意性表示；
[0021]圖14是根據(jù)本發(fā)明的某些方面的后框架的透視圖；
[0022]圖15是根據(jù)本發(fā)明的某些方面的后框架的截面圖；
[0023]圖16是根據(jù)本發(fā)明的某些方面的后框架的截面圖；
[0024]圖17是根據(jù)本發(fā)明的某些方面的后框架的截面圖；
[0025]圖18是根據(jù)本發(fā)明的某些方面的后框架的截面圖；以及
[0026]圖19是根據(jù)本發(fā)明的某些方面的后框架的截面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027]盡管可以參考特定類型的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)描述本發(fā)明的以下例子，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將領(lǐng)會(huì)本發(fā)明可以不限于這樣的使用并且可應(yīng)用于其它類型的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，除非具體地由此限制。此外，將領(lǐng)會(huì)在描述本發(fā)明中，某些術(shù)語(yǔ)可以用于表示燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的某些機(jī)器部件。只要可能，普通工業(yè)術(shù)語(yǔ)將以與它的公認(rèn)含義一致的方式使用和采用。然而，不應(yīng)當(dāng)狹義地理解這樣的術(shù)語(yǔ)，原因是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將領(lǐng)會(huì)特定的機(jī)器部件常常可以使用不同術(shù)語(yǔ)來(lái)稱呼。另外，本文中描述為單部件的內(nèi)容可以在另一上下文中引用為由多個(gè)部件組成，或者本文中描述為包括多個(gè)部件的內(nèi)容可以在別處稱為單部件。因而，在理解本發(fā)明的范圍中，不僅應(yīng)當(dāng)關(guān)注特定術(shù)語(yǔ)，而且應(yīng)當(dāng)關(guān)注附帶的描述、上下文以及部件的結(jié)構(gòu)、配置、功能和/或用途，尤其是如可以在附帶的權(quán)利要求中提供的。
[0028]若干描述性術(shù)語(yǔ)可能在本文中經(jīng)常使用，并且在該部分的開(kāi)始定義這些術(shù)語(yǔ)可能是有幫助的。因此，除非另外說(shuō)明，這些術(shù)語(yǔ)和它們的定義如下。當(dāng)在本文中使用時(shí)，“下游”和“上游”是指示相對(duì)于流體、例如通過(guò)燃?xì)鉁u輪機(jī)的壓縮器、燃燒器和渦輪機(jī)部段的工作流體或通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的部件系統(tǒng)之一的流動(dòng)冷卻劑的流動(dòng)方向的術(shù)語(yǔ)。術(shù)語(yǔ)“下游”對(duì)應(yīng)于流體流動(dòng)的方向，而術(shù)語(yǔ)“上游”表示與流體流動(dòng)的方向相反或相逆的方向。在沒(méi)有任何進(jìn)一步說(shuō)明的情況下，術(shù)語(yǔ)“前”和“后”表示相對(duì)于燃?xì)鉁u輪機(jī)的取向的方向，“前”表示發(fā)動(dòng)機(jī)的前端或壓縮器端，“后”表示發(fā)動(dòng)機(jī)的后端或渦輪機(jī)端，在圖1中示出它們的排列。
[0029]另外，已知圍繞中心軸線的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的配置以及在一些部件系統(tǒng)中的該相同類型的配置，描述相對(duì)于軸線的位置的術(shù)語(yǔ)可能將被使用。在這方面，將領(lǐng)會(huì)術(shù)語(yǔ)“徑向”表示垂直于軸線的運(yùn)動(dòng)或位置。與此相關(guān)，可能需要描述離中心軸線的相對(duì)距離。在該情況下，例如，如果第一部件比第二部件更靠近中心軸線定位，則在本文中將說(shuō)成第一部件在第二部件的“徑向內(nèi)側(cè)”或“內(nèi)側(cè)”。在另一方面，如果第一部件比第二部件更遠(yuǎn)離軸線定位，則在本文中可以說(shuō)成第一部件在第二部件的“徑向外側(cè)”或“外側(cè)”。另外，將領(lǐng)會(huì)術(shù)語(yǔ)“軸向”表示平行于軸線的運(yùn)動(dòng)或位置。并且最后，術(shù)語(yǔ)“圓周”表示圍繞軸線的運(yùn)動(dòng)或位置。如上所述，盡管這些術(shù)語(yǔ)可以關(guān)于典型地延伸通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮器和渦輪機(jī)部段的公共中心軸線或軸被應(yīng)用，但是它們也可以關(guān)于其它部件或子系統(tǒng)被使用。例如，在許多機(jī)器共同的圓柱形“罐式”燃燒器的情況下，賦予這些術(shù)語(yǔ)相對(duì)含義的軸線可以是通過(guò)它所稱為的圓柱、“罐”形狀或過(guò)渡件的更環(huán)形、下游形狀的中心限定的縱向參考軸線。
[0030]現(xiàn)在參考圖1，作為背景，提供本申請(qǐng)的實(shí)施例可以在其中使用的示例性燃?xì)鉁u輪機(jī)10。一般地，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)從在壓縮空氣流中的燃料的燃燒所產(chǎn)生的熱氣體的加壓流動(dòng)中提取能量進(jìn)行操作。如圖1中所示，燃式渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10包括經(jīng)由公共軸機(jī)械地聯(lián)接到下游渦輪機(jī)部段或渦輪機(jī)13的軸流式壓縮器11，燃燒器12定位在其間。如圖所示，壓縮器11包括多個(gè)級(jí)，每個(gè)級(jí)包括一排壓縮器轉(zhuǎn)子葉片，且緊接著一排壓縮器定子葉片。渦輪機(jī)13也包括多個(gè)級(jí)。渦輪機(jī)級(jí)的每一個(gè)包括一排渦輪機(jī)輪葉或轉(zhuǎn)子葉片，緊接著一排渦輪機(jī)噴嘴定子葉片，所述渦輪機(jī)噴嘴定子葉片在操作期間保持靜止。渦輪機(jī)定子葉片大體上圓周地彼此間隔并且圍繞旋轉(zhuǎn)軸線固定。轉(zhuǎn)子葉片可以安裝在連接到軸的轉(zhuǎn)子輪上。
[0031]在操作中，壓縮器11內(nèi)的壓縮器轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)壓縮引導(dǎo)到燃燒器12中的空氣流。在燃燒器12內(nèi)，壓縮空氣與燃料混合并且點(diǎn)燃從而產(chǎn)生然后可以通過(guò)渦輪機(jī)13膨脹的賦能工作流體流。具體地，來(lái)自燃燒器12的工作流體被引導(dǎo)到渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片上使得引起旋轉(zhuǎn)，然后轉(zhuǎn)子輪將所述旋轉(zhuǎn)傳遞到軸。以該方式，工作流體流的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)械能量。軸的機(jī)械能量然后可以用于驅(qū)動(dòng)壓縮器轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生壓縮空氣的必要供應(yīng)，并且例如驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生電力。
[0032]圖2是本發(fā)明的實(shí)施例可以在其中使用的常規(guī)燃燒器的截面圖。然而，燃燒器20可以采用各種形式，每種形式適合于包括本發(fā)明的各實(shí)施例。典型地，燃燒器20包括位于頭端22處的多個(gè)燃料噴嘴21。將領(lǐng)會(huì)燃料噴嘴21的各種常規(guī)配置可以與本發(fā)明一起使用。在頭端22內(nèi)，空氣和燃料聚在一起以便在由周圍內(nèi)襯24限定的燃燒區(qū)域23內(nèi)燃燒。內(nèi)襯24典型地從頭端22延伸到過(guò)渡件25。如圖所示，內(nèi)襯24由流動(dòng)套筒26圍繞，并且類似地，過(guò)渡件25由沖擊套筒28圍繞。在流動(dòng)套筒26和內(nèi)襯24以及過(guò)渡件25和沖擊套筒28之間，將領(lǐng)會(huì)形成在本文中被稱為“流動(dòng)環(huán)隙27”的環(huán)隙。如圖所示，流動(dòng)環(huán)隙27在燃燒器20的大部分長(zhǎng)度上延伸。從內(nèi)襯24起，過(guò)渡件25隨著它朝著渦輪機(jī)13向下游延伸而將來(lái)自內(nèi)襯24的圓形橫截面的流動(dòng)轉(zhuǎn)換成環(huán)形橫截面。在下游端，過(guò)渡件25朝著渦輪機(jī)13的第一級(jí)引導(dǎo)工作流體流。
[0033]將領(lǐng)會(huì)流動(dòng)套筒26和沖擊套筒28典型地具有通過(guò)其中形成的沖擊孔(未顯示)，所述沖擊孔允許來(lái)自壓縮器12的壓縮空氣的沖擊流進(jìn)入形成于流動(dòng)套筒26/內(nèi)襯24和/或沖擊套筒28/過(guò)渡件25之間的流動(dòng)環(huán)隙27。通過(guò)沖擊孔的壓縮空氣的流動(dòng)對(duì)流地冷卻內(nèi)襯24和過(guò)渡件25的外表面。通過(guò)流動(dòng)套筒26和沖擊套筒28進(jìn)入燃燒器20的壓縮空氣經(jīng)由流動(dòng)環(huán)隙27朝著燃燒器20的前端被引導(dǎo)。壓縮空氣然后進(jìn)入燃料噴嘴21，在所述燃料噴嘴處它與燃料混合以便燃燒。
[0034]渦輪機(jī)13典型地具有多個(gè)級(jí)，每個(gè)級(jí)包括軸向堆疊的兩排葉片:一排定子葉片16和緊接的一排轉(zhuǎn)子葉片17，如圖1和4中所示。每個(gè)葉片排包括圍繞渦輪機(jī)13的中心軸線圓周地間隔的許多葉片。在下游端，過(guò)渡件25包括出口和將燃燒產(chǎn)物的流引導(dǎo)到渦輪機(jī)13中的后框架29，在所述渦輪機(jī)處該燃燒產(chǎn)物的流與轉(zhuǎn)子葉片相互作用以引起圍繞軸的旋轉(zhuǎn)。以該方式，過(guò)渡件25用于聯(lián)接燃燒器20和渦輪機(jī)13。
[0035]圖3示出包括補(bǔ)充或下游燃料/空氣噴射的燃燒器12的視圖。將領(lǐng)會(huì)這樣的補(bǔ)充燃料/空氣噴射常常被稱為延遲貧噴射或軸向分級(jí)噴射。當(dāng)在本文中使用時(shí)，由于燃料/空氣噴射相對(duì)于位于頭端22的初級(jí)燃料噴嘴21的下游位置，該類型的噴射將被稱為“下游噴射”。將領(lǐng)會(huì)圖3的下游噴射系統(tǒng)30與常規(guī)設(shè)計(jì)一致并且僅僅為了示例性目的被提供。如圖所示，下游噴射系統(tǒng)30可以包括在流動(dòng)套筒26內(nèi)限定的燃料通道31，但是其它類型的燃料輸送是可能的。燃料通道31可以延伸到噴射器32，在該例子中，所述噴射器位于內(nèi)襯24和流動(dòng)套筒26的后端處或附近。噴射器32可以包括噴嘴33和延伸橫越流動(dòng)環(huán)隙27的傳送管34。已知該布置，將領(lǐng)會(huì)每個(gè)噴射器32將源自流動(dòng)套筒26的外部壓縮空氣的供應(yīng)和通過(guò)噴嘴33輸送的燃料的供應(yīng)聚在一起并且將該混合物噴射到內(nèi)襯24內(nèi)的燃燒區(qū)域23中。如圖所示，若干燃料噴射器32可以圍繞流動(dòng)套筒26/內(nèi)襯24組件圓周地定位，使得燃料/空氣混合物在圍繞燃燒區(qū)域23的多個(gè)點(diǎn)被引入。若干燃料噴射器32可以位于相同的軸向位置。也就是說(shuō)，若干噴射器沿著燃燒器12的中心軸線37位于相同位置。當(dāng)在本文中使用時(shí)，具有該配置的燃料噴射器32可以被描述為位于公共噴射平面38上，如圖所示，所述公共噴射平面是垂直于燃燒器12的中心軸線37的平面。在圖3的示例性常規(guī)設(shè)計(jì)中，噴射平面36位于內(nèi)襯24的后端或下游端。
[0036]參見(jiàn)圖4至19和本申請(qǐng)的發(fā)明，將領(lǐng)會(huì)燃?xì)鉁u輪機(jī)排放的水平取決于許多操作標(biāo)準(zhǔn)。燃燒區(qū)域中的反應(yīng)物的溫度是這些因素中的一個(gè)并且已顯示對(duì)特定排放水平、例如NOx的影響高于其它。將領(lǐng)會(huì)燃燒區(qū)域中的反應(yīng)物的溫度與燃燒器的出口溫度成比例地相關(guān)，這對(duì)應(yīng)于更高的壓力比，并且更高的壓力比進(jìn)一步允許改善這樣的布雷頓循環(huán)型發(fā)動(dòng)機(jī)(Brayton Cycle type engines)中的效率水平。由于已發(fā)現(xiàn)NOx的排放水平與反應(yīng)物的溫度具有強(qiáng)的、直接的關(guān)系，因此當(dāng)通過(guò)技術(shù)進(jìn)步、例如高級(jí)燃料噴嘴設(shè)計(jì)和預(yù)混增加點(diǎn)火溫度時(shí)，現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪機(jī)僅僅能夠保持可接受的NOx排放水平。繼那些進(jìn)步之后，使用延遲或下游噴射以允許進(jìn)一步增加點(diǎn)火溫度，原因是發(fā)現(xiàn)燃燒區(qū)域內(nèi)的更高溫度下的反應(yīng)物的更短停留時(shí)間能夠減小NOx排放水平。具體地，已顯示至少在某種程度上，控制停留時(shí)間可以用于控制NOx排放水平。
[0037]也被稱為“延遲貧噴射”的這樣的下游噴射在輸送到燃燒器的頭端或前端內(nèi)的初級(jí)噴射點(diǎn)的空氣和燃料的主供應(yīng)的下游引入空氣和燃料供應(yīng)的一部分。將領(lǐng)會(huì)噴射器的這樣的下游定位能夠減小燃燒反應(yīng)物保留在燃燒器內(nèi)的更高溫度的火焰區(qū)域內(nèi)的時(shí)間。具體地，由于通過(guò)燃燒器的流體的流動(dòng)的大致恒定速度，因此經(jīng)由下游噴射縮短反應(yīng)物在離開(kāi)火焰區(qū)域之前必須行進(jìn)的距離導(dǎo)致那些反應(yīng)物在高溫下停留在火焰區(qū)域中的時(shí)間減小，如上所述，這樣能夠減小發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx的形成和NOx排放水平。這允許高級(jí)燃燒器設(shè)計(jì)，其將高級(jí)燃料/空氣混合或預(yù)混技術(shù)與下游噴射的減小反應(yīng)物停留時(shí)間聯(lián)系，以獲得燃燒器點(diǎn)火溫度的進(jìn)一步增加，并且重要地，獲得更高效的發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)也保持可接受的NOx排放水平。
[0038]然而，其它考慮限制可以進(jìn)行下游噴射的方式和程度。例如，下游噴射可能導(dǎo)致CO和UHC的排放水平上升。也就是說(shuō)，如果燃料在燃燒區(qū)域中的太遠(yuǎn)下游以太大的量噴射，則它可能導(dǎo)致燃料的不完全燃燒或CO的不充分燒盡。因此，盡管延遲噴射的概念的基本原理和它如何可以用于影響某些排放可能是公知的，但是關(guān)于該策略如何可以優(yōu)化使得允許更高的燃燒器點(diǎn)火溫度，仍存在有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)障礙。因此，允許以高效和成本效益高的方式進(jìn)一步優(yōu)化停留時(shí)間的新穎的燃燒器設(shè)計(jì)和技術(shù)是用于進(jìn)一步技術(shù)進(jìn)步的重要領(lǐng)域，如下所述，所述技術(shù)進(jìn)步是本申請(qǐng)的主題。
[0039]本發(fā)明的一個(gè)方面提出將雙級(jí)噴射整合到下游噴射的方法。如下所述，每個(gè)級(jí)可以軸向地間隔從而相對(duì)于燃燒器12的遠(yuǎn)后部分和/或渦輪機(jī)13的上游區(qū)域內(nèi)的另一個(gè)具有離散軸向位置?，F(xiàn)在參考圖4，示出燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10的截面部分，根據(jù)本發(fā)明的方面，其顯示用于放置延遲噴射的兩個(gè)級(jí)的每一個(gè)的大致范圍(陰影部分)。更具體地，根據(jù)本發(fā)明的下游噴射系統(tǒng)30可以包括過(guò)渡區(qū)域39內(nèi)的噴射的兩個(gè)整合軸向級(jí)，所述過(guò)渡區(qū)域是在燃燒器12的過(guò)渡件25內(nèi)限定的內(nèi)部流動(dòng)路徑、或在渦輪機(jī)13的第一級(jí)內(nèi)的下游限定的內(nèi)部流動(dòng)路徑的部分。本發(fā)明的兩個(gè)軸向級(jí)包括將在本文中稱為上游或“第一級(jí)41”和下游或“第二級(jí)42”的級(jí)。根據(jù)某些實(shí)施例，這些軸向級(jí)的每一個(gè)包括多個(gè)噴射器32。每一個(gè)級(jí)內(nèi)的噴射器32可以在過(guò)渡區(qū)域39或渦輪機(jī)13的前部分內(nèi)的大致相同軸向位置圓周地間隔。以該方式配置的噴射器32 (即，噴射器32在公共軸向平面上圓周地間隔)將在本文中被描述為具有公共噴射平面38，如關(guān)于圖5至7更詳細(xì)地所述。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，第一和第二級(jí)41、42的每一個(gè)處的噴射器可以配置成在每個(gè)位置處噴射空氣和燃料。
[0040]圖4示出第一級(jí)41和第二級(jí)42的每一個(gè)根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例可以位于其中的軸向范圍。為了限定優(yōu)選軸向定位，將領(lǐng)會(huì)已知圖5至7的截面或剖面圖，燃燒器12和渦輪機(jī)13可以被描述為限定圍繞縱向中心軸線37從靠近燃燒器12的頭端22的上游端延伸到渦輪機(jī)13部段中的下游端的內(nèi)部流動(dòng)路徑。因此，第一和第二級(jí)41、42的每一個(gè)的定位可以相對(duì)于每一個(gè)沿著內(nèi)部流動(dòng)路徑的縱軸線37的位置限定。也如圖4中所示，可以限定垂直于縱向中心軸線37形成的某些參考平面，所述參考平面提供渦輪機(jī)的該區(qū)域內(nèi)的軸向位置的進(jìn)一步限定。這些中的第一個(gè)是燃燒器中平面48，其是位于燃燒器12的大致軸向中點(diǎn)處、即在頭端22的燃料噴嘴21和燃燒器12的下游端之間的大致中途的相對(duì)于中心軸線37的垂直平面。將領(lǐng)會(huì)燃燒器中平面48典型地靠近內(nèi)襯24/流動(dòng)套筒26組件讓路于過(guò)渡件25/沖擊套筒28組件的位置出現(xiàn)。如圖所示在燃燒器12的后端限定的第二參考平面在本文中被稱為燃燒器端平面49。燃燒器端平面49標(biāo)記后框架29的遠(yuǎn)、下游端。
[0041]根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，如圖4中所示，本發(fā)明的下游噴射系統(tǒng)30可以包括位于燃燒器中平面的后面的噴射的兩個(gè)軸向級(jí)，第一級(jí)41和第二級(jí)42。更具體地，第一級(jí)41可以定位在過(guò)渡區(qū)域39的后半部中，并且第二級(jí)42可以定位在第一級(jí)41和渦輪機(jī)13中的第一排定子葉片16之間。更優(yōu)選地，第一級(jí)41可以很靠后地定位在燃燒器12的后部分內(nèi)，并且第二級(jí)42在燃燒器12的端平面49的附近或下游。在某些情況下，第一和第二級(jí)41、42可以彼此靠近地定位使得可以使用公共空氣/燃料管道。
[0042]現(xiàn)在參見(jiàn)圖5至10，提供示出本發(fā)明的另外方面的若干優(yōu)選實(shí)施例，原因是它涉及雙級(jí)系統(tǒng)。這些圖的每一個(gè)包括通過(guò)示例性燃燒器12和渦輪機(jī)13的內(nèi)部流動(dòng)路徑。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將領(lǐng)會(huì)，頭端22和燃料噴嘴21 (其也可以在本文中被稱為初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng))可以包括若干配置中的任何一個(gè)，原因是本發(fā)明的操作不取決于任何特定的一個(gè)。根據(jù)某些實(shí)施例，頭端22和燃料噴嘴21可以配置成與如美國(guó)專利8，019，523中描述和限定的延遲貧噴射或下游噴射系統(tǒng)兼容，上述專利通過(guò)引用完整地被合并于此。在頭端22的下游，內(nèi)襯24可以限定燃燒區(qū)域23，在所述燃燒區(qū)域內(nèi)輸送到頭端22的空氣和燃料的大部分供應(yīng)初級(jí)燃燒。過(guò)渡件25然后從內(nèi)襯24向下游延伸并且限定過(guò)渡區(qū)域39，并且在過(guò)渡件25的下游端，后框架29可以朝著渦輪機(jī)13中的定子葉片16的初始排引導(dǎo)燃燒產(chǎn)物。
[0043]這些噴射的第一和第二級(jí)41、42的每一個(gè)可以包括多個(gè)圓周間隔的噴射器32。軸向級(jí)的每一個(gè)內(nèi)的噴射器32可以位于公共噴射平面38上，所述公共噴射平面是相對(duì)于內(nèi)部流動(dòng)路徑的縱軸線37的垂直參考平面。為了清楚起見(jiàn)以簡(jiǎn)化形式在圖5至7中表示的噴射器32可以包括用于將空氣和燃料噴射到燃燒器12的下游或后端或渦輪機(jī)13的第一級(jí)中的任何常規(guī)設(shè)計(jì)。任一級(jí)41、42的噴射器32可以包括圖3的噴射器32，以及在美國(guó)專利8，019，523和7，603，863 (兩者通過(guò)引用合并于本文中)中描述或引用的任何噴射器，下面關(guān)于圖14至19所述的任何噴射器，以及其它常規(guī)燃燒器燃料/空氣噴射器。如包含的參考文獻(xiàn)中所述，本發(fā)明的燃料/空氣噴射器32也可以包括根據(jù)任何常規(guī)手段和裝置整合在一排定子葉片16內(nèi)的噴射器，如例如在美國(guó)專利7，603，863中所述的噴射器。對(duì)于過(guò)渡區(qū)域39內(nèi)的噴射器32，每一個(gè)可以在結(jié)構(gòu)上由過(guò)渡件25和/或沖擊套筒28支撐，并且在一些情況下，可以延伸到過(guò)渡區(qū)域39中。噴射器32可以配置成在大體與通過(guò)過(guò)渡區(qū)域39的主流動(dòng)方向橫切的方向上將空氣和燃料噴射到過(guò)渡區(qū)域39中。根據(jù)某些實(shí)施例，下游噴射系統(tǒng)30的每個(gè)軸向級(jí)可以包括以規(guī)則間距或在其它情況下以非均勻間距圓周地間隔的若干噴射器32。作為例子，根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，在每個(gè)軸向級(jí)處可以使用3到10個(gè)之間的噴射器。在其它優(yōu)選實(shí)施例中，第一級(jí)可以包括3到6個(gè)之間的噴射器并且第二級(jí)(和第三級(jí)，如果有的話)可以均包括5到10個(gè)之間的噴射器。關(guān)于它們的圓周放置，兩個(gè)軸向級(jí)41、42之間的噴射器32可以相對(duì)于彼此成直線或交錯(cuò)放置，并且如下所述，可以放置成互為補(bǔ)充。在優(yōu)選實(shí)施例中，第一級(jí)41的噴射器32可以配置成比第二級(jí)42的噴射器32更多地穿透主流動(dòng)。在優(yōu)選實(shí)施例中，這可以導(dǎo)致第二級(jí)42比第一級(jí)41具有圍繞流動(dòng)路徑的圓周定位的更多噴射器32。第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)(如果有的話)的噴射器均可以配置成在操作中使噴射器在與參考線成+30°到-30°之間的方向上噴射空氣和燃料，所述參考線相對(duì)于通過(guò)內(nèi)部流動(dòng)路徑的主流動(dòng)方向垂直。
[0044]關(guān)于下游噴射系統(tǒng)30的第一級(jí)41和第二級(jí)42的軸向定位，在圖5和6的優(yōu)選實(shí)施例中，第一級(jí)41可以定位在燃燒器中平面48的緊上游或下游，并且第二級(jí)42可以靠近燃燒器12的端平面49定位。在某些實(shí)施例中，第一級(jí)41的噴射平面38可以布置在過(guò)渡區(qū)域39內(nèi)，在燃燒器中平面48和端平面49之間的大致中途。如圖5中所示，第二級(jí)42可以定位在燃燒器12的下游端或端平面49的緊上游。換句話說(shuō)，第二級(jí)42的噴射平面38可以出現(xiàn)在后框架29的上游端的緊上游。將領(lǐng)會(huì)第一和第二級(jí)41、42的下游位置減小了從其噴射的反應(yīng)物停留在燃燒器內(nèi)的時(shí)間。也就是說(shuō)，已知通過(guò)燃燒器13的流動(dòng)的相對(duì)恒定速度、停留時(shí)間的減小與反應(yīng)物在到達(dá)燃燒器的下游終點(diǎn)或火焰區(qū)域之前必須行進(jìn)的距離直接相關(guān)。因此，如下面更詳細(xì)地所述，第一級(jí)41的距離51 (如圖6中所示)導(dǎo)致噴射反應(yīng)物的停留時(shí)間是在頭端22釋放的反應(yīng)物的停留時(shí)間的小分?jǐn)?shù)。類似地，第二級(jí)42的距離52導(dǎo)致噴射反應(yīng)物的停留時(shí)間是在第一級(jí)41釋放的反應(yīng)物的停留時(shí)間的小分?jǐn)?shù)(smal Ifract1n)。如上所述,該減小的停留時(shí)間減小了 NOx排放水平。如下面更詳細(xì)地所述，已知軸向位置和通過(guò)燃燒器的計(jì)算流量，在某些實(shí)施例中噴射級(jí)相對(duì)于初級(jí)燃料和空氣噴射系統(tǒng)和彼此的精確放置可以取決于預(yù)期停留時(shí)間。
[0045]在另一示例性實(shí)施例中，如圖7中所示，第一級(jí)41的噴射平面38可以定位在過(guò)渡件25的后四分之一區(qū)域中，如圖所示，在燃燒器12中比圖5的第一級(jí)41稍處更下游。在該情況下，第二級(jí)42的噴射平面38可以定位在后框架29處或很靠近燃燒器12的端平面49。在這樣的情況下，根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，第二級(jí)42的噴射器32可以整合到后框架29的結(jié)構(gòu)中。
[0046]在另一示例性實(shí)施例中，如圖8中所示，第一級(jí)41的噴射平面38可以定位在后框架29或燃燒器12的端平面49的緊上游。第二級(jí)42可以定位在渦輪機(jī)13內(nèi)的第一排定子葉片16的軸向位置處或很靠近該位置。在優(yōu)選實(shí)施例中，第二級(jí)42的噴射器32可以整合到該排定子葉片16中，如上所述。
[0047]本發(fā)明也包括用于在頭端22的初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)與下游噴射系統(tǒng)的第一級(jí)41和第二級(jí)42之間分配空氣和燃料的控制配置。相對(duì)于彼此，根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，第一級(jí)41可以配置成比第二級(jí)42噴射更多的燃料。在某些實(shí)施例中，在第二級(jí)42處噴射的燃料小于在第一級(jí)處噴射的燃料的50%。在其它實(shí)施例中，在第二級(jí)42處噴射的燃料在第一級(jí)41處噴射的燃料的大約10%到50%之間。已知可以通過(guò)分析和測(cè)試確定的噴射燃料，第一和第二級(jí)41、42的每一個(gè)可以配置成噴射大致最小量的空氣以大致最小化NOx對(duì)比燃燒器出口溫度，同時(shí)也允許充分的CO燒盡。其它優(yōu)選實(shí)施例包括頭端22的初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)與下游噴射系統(tǒng)的第一級(jí)41和第二級(jí)42的空氣和燃料分配的更特定水平。例如，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，燃料的分配包括:在50%到80%之間的燃料分配到初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)；在20%到40%之間的燃料分配到第一級(jí)41 ;并且在2%到10%之間的燃料分配到第二級(jí)。在這樣的情況下，空氣的分配可以包括:在60%到85%之間的空氣分配到初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)；在15%到35%之間的空氣分配到第一級(jí)41 ;并且在1%到5%之間的空氣分配到第二級(jí)42。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，可以更加精確地限定這樣的空氣和燃料分離。在該情況下，初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)、第一級(jí)41和第二級(jí)42之間的空氣和燃料分離如下:燃料相應(yīng)地為70/25/5%并且空氣相應(yīng)地為80/18/2%。
[0048]兩個(gè)噴射級(jí)的各噴射器可以以若干方式控制和配置以獲得期望的操作和優(yōu)選的空氣和燃料分離。將領(lǐng)會(huì)這些方法中的某些包括通過(guò)引用完整地被合并于此的美國(guó)申請(qǐng)2010/0170219的方面。如圖9中示意性地表示，到達(dá)級(jí)41、42的每一個(gè)的空氣和燃料供應(yīng)可以經(jīng)由公共控制閥55控制。也就是說(shuō)，在某些實(shí)施例中，空氣和燃料供應(yīng)可以配置成具有公共閥55的單系統(tǒng)，并且兩個(gè)級(jí)之間的期望空氣和燃料分離可以經(jīng)由兩個(gè)級(jí)的獨(dú)立供應(yīng)通道或噴射器32內(nèi)的孔尺寸大小(sizing)被動(dòng)地確定。如圖10中所示,每個(gè)級(jí)41、42的空氣和燃料供應(yīng)可以用控制每個(gè)級(jí)41、42的進(jìn)給的獨(dú)立閥55單獨(dú)地控制。將領(lǐng)會(huì)本文中所述的任何可控閥可以電連接到控制器并且根據(jù)常規(guī)系統(tǒng)經(jīng)由控制器操作它的設(shè)置。
[0049]第一級(jí)41中的噴射器32的數(shù)量和每個(gè)噴射器的圓周位置可以選擇成使得噴射的空氣和燃料穿透主燃燒器流從而改善混合和燃燒。已知噴射的下游位置，噴射器32可以被調(diào)節(jié)從而具有到主流動(dòng)中充分的穿透，使得在短暫的停留時(shí)間期間空氣和燃料混合并且充分地反應(yīng)。第二級(jí)42的噴射器32的數(shù)量可以選擇成適應(yīng)由第一級(jí)41噴射產(chǎn)生的流動(dòng)和溫度分布。此外，第二級(jí)可以配置成具有比第一級(jí)噴射所需更小的工作流體的流動(dòng)中的噴射穿透。因此，第二級(jí)與第一級(jí)相比，更多的噴射點(diǎn)可以圍繞流動(dòng)路徑的周邊定位。另外，第一級(jí)噴射器32的數(shù)量和類型和在每一個(gè)處噴射的空氣和燃料的量可以選擇成將可燃反應(yīng)物置于溫度低和/或CO濃度高的位置，從而改善燃燒和CO燃盡。優(yōu)選地，第一級(jí)41的軸向位置應(yīng)當(dāng)盡可能靠后，與第二級(jí)42促進(jìn)離開(kāi)第一級(jí)41的C0/UHC的反應(yīng)的能力一致。由于第二級(jí)42噴射的停留時(shí)間很短暫，因此燃料的較小分?jǐn)?shù)將在那里噴射，如上所述。第二級(jí)42的空氣的量也可以基于計(jì)算和測(cè)試數(shù)據(jù)被最小化。
[0050]在某些優(yōu)選實(shí)施例中，第一級(jí)41和第二級(jí)42可以配置成使得來(lái)自第一級(jí)41的噴射空氣和燃料比來(lái)自第二級(jí)42的噴射空氣和燃料更穿透通過(guò)內(nèi)部流動(dòng)路徑的燃燒流。在這樣的情況下，如已經(jīng)所述，第二級(jí)42可以使用配置成產(chǎn)生較弱噴射流的更多噴射器32(相對(duì)于第一級(jí)41)。將領(lǐng)會(huì)使用該策略，第一級(jí)41的噴射器32可以主要配置成使它們所噴射的噴射空氣和燃料與內(nèi)部流動(dòng)路徑的中間區(qū)域中的燃燒流混合，而第二級(jí)42的噴射器32主要配置成使噴射空氣和燃料與內(nèi)部流動(dòng)路徑的周邊區(qū)域中的燃燒流混合。
[0051]根據(jù)本發(fā)明的方面，下游噴射的兩個(gè)級(jí)可以整合從而改善功能、反應(yīng)物混合和通過(guò)內(nèi)部流動(dòng)路徑的燃燒特性，同時(shí)改善關(guān)于操作期間輸送到燃燒器13的壓縮空氣供應(yīng)的使用的效率。也就是說(shuō)，獲得與下游噴射關(guān)聯(lián)的性能優(yōu)勢(shì)可能需要較少的噴射空氣，這增加供應(yīng)到燃燒器13的后部分的空氣的量和該空氣提供的冷卻效應(yīng)。與此一致，在優(yōu)選實(shí)施例中，第一級(jí)41的噴射器32的圓周放置包括這樣一種配置，來(lái)自該配置的噴射空氣和燃料基于來(lái)自初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)的預(yù)期燃燒流動(dòng)穿透內(nèi)部流動(dòng)路徑的預(yù)定區(qū)域，從而增加第一級(jí)41的下游的燃燒流動(dòng)中的反應(yīng)物混合和溫度均勻性。另外，已知第一級(jí)41的下游的預(yù)期燃燒流動(dòng)的特性，第二級(jí)42的噴射器32的圓周放置可以是與第一級(jí)41的噴射器32的圓周放置互補(bǔ)的圓周放置。將領(lǐng)會(huì)若干不同燃燒流動(dòng)特性是重要的，從而改善通過(guò)燃燒器的燃燒，這可以有益于排放水平。這些例如包括燃燒流內(nèi)的反應(yīng)物分布、溫度分布、CO分布和UHC分布。將領(lǐng)會(huì)這樣的特性可以被限定為內(nèi)部流動(dòng)路徑內(nèi)的軸向位置或范圍處的燃燒流內(nèi)的任何流動(dòng)性質(zhì)的橫截面分布，并且某些計(jì)算機(jī)操作模型可以用于預(yù)測(cè)這樣的特性或者它們可以經(jīng)由實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)操作的實(shí)驗(yàn)或測(cè)試或這些的組合進(jìn)行確定。典型地，當(dāng)燃燒流動(dòng)徹底混合并且均勻時(shí)的性能改善以及本發(fā)明的整合雙級(jí)方法可以用于實(shí)現(xiàn)該目的。因此，已知來(lái)自第一級(jí)41和第二級(jí)42的噴射器32的圓周放置的空氣和燃料噴射的預(yù)期效應(yīng)，第一級(jí)41和第二級(jí)42的噴射器32的圓周放置可以基于:a)操作期間第一級(jí)41的緊上游的預(yù)期燃燒流的特性；和《第二級(jí)42的緊下游的預(yù)期燃燒流的特性。如上所述，這里的特性可以是反應(yīng)物分布、溫度分布、NOx分布、CO分布、UHC分布或可以用于建模這些中的任何一個(gè)的相關(guān)特性。分開(kāi)說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，第一級(jí)41的噴射器32的圓周放置可以基于操作期間的第一級(jí)41的緊上游的預(yù)期燃燒流的特性，其可以基于初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)30的配置。第二級(jí)42的噴射器32的圓周放置可以基于第二級(jí)42的緊上游的預(yù)期燃燒流的特性，其可以基于第一級(jí)41的噴射器32的圓周放置。
[0052]將領(lǐng)會(huì)本發(fā)明的整合雙級(jí)下游噴射系統(tǒng)30具有若干優(yōu)點(diǎn)。第一，整合系統(tǒng)通過(guò)物理地聯(lián)接第一和第二級(jí)減小停留時(shí)間，這允許第一級(jí)41進(jìn)一步朝下游移動(dòng)。第二，整合系統(tǒng)允許使用在第一級(jí)中使用更多和更小的噴射點(diǎn)，原因是第二級(jí)可以被定制以解決第一級(jí)的下游的由此產(chǎn)生的流動(dòng)的非期望屬性。第三，第二級(jí)的包括允許每個(gè)級(jí)可以配置成與單級(jí)系統(tǒng)相比較少地穿透到主流動(dòng)中，這需要使用較少的“運(yùn)載”空氣獲得必要的穿透。這意味著較少的空氣將從流動(dòng)環(huán)隙內(nèi)的冷卻流動(dòng)虹吸(syphoned),允許主燃燒器的結(jié)構(gòu)在降低的溫度下操作。第四，減小的停留時(shí)間將允許更高的燃燒器溫度而不增加NOx排放。第五，單“雙歧管”布置可以用于簡(jiǎn)化整合雙級(jí)噴射系統(tǒng)的構(gòu)造，這使這些各種優(yōu)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)成本效
frff IWl ο
[0053]現(xiàn)在參見(jiàn)本發(fā)明的附加實(shí)施例，將領(lǐng)會(huì)噴射級(jí)的定位可以基于停留時(shí)間。如上所述，下游噴射級(jí)的定位可以影響多個(gè)燃燒性能參數(shù)，包括但不限于一氧化碳排放(CO)。當(dāng)下游級(jí)未被供應(yīng)燃料時(shí)，太靠近初級(jí)定位下游級(jí)可以導(dǎo)致過(guò)量一氧化碳排放。因此，來(lái)自初級(jí)區(qū)域的流動(dòng)必須有時(shí)間反應(yīng)并且在噴射的第一下游級(jí)之前消耗一氧化碳。將領(lǐng)會(huì)該需要時(shí)間是流動(dòng)的“停留時(shí)間”，或換句話說(shuō)，燃燒材料流行進(jìn)軸向間隔的噴射級(jí)之間的距離所花費(fèi)的時(shí)間。兩個(gè)級(jí)之間的停留時(shí)間可以在任何兩個(gè)位置之間的體積的基礎(chǔ)上基于位置之間的總體積和已知燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的操作模式可以計(jì)算的體積流量被計(jì)算。所以，任何兩個(gè)位置之間的停留時(shí)間可以計(jì)算為體積除以體積流量，其中體積流量是質(zhì)量流量除以密度。換句話說(shuō)，體積流量可以計(jì)算為質(zhì)量流量乘以氣體的溫度乘以適用的氣體常數(shù)除以氣體的壓力。
[0054]因此，已確定已知對(duì)排放水平(包括一氧化碳的排放水平)的關(guān)注，第一下游噴射級(jí)離燃燒器的頭端處的初級(jí)燃料和空氣噴射系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)不小于6毫秒(ms)。也就是說(shuō)，該停留時(shí)間是在發(fā)動(dòng)機(jī)操作的某個(gè)模式期間，燃燒流沿著內(nèi)部流動(dòng)路徑從限定于初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)處的第一位置行進(jìn)到限定于下游噴射系統(tǒng)的第一級(jí)處的第二位置花費(fèi)的時(shí)間。在該情況下，第一級(jí)應(yīng)當(dāng)定位在初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)的后面一定距離處，所述距離等于至少為6ms的第一停留時(shí)間。另外，已確定從NOx排放的觀點(diǎn)來(lái)看，延遲下游噴射具有有益影響，并且第二下游噴射級(jí)應(yīng)當(dāng)定位成離燃燒器出口或燃燒器端平面小于2ms。也就是說(shuō)，該停留時(shí)間是在發(fā)動(dòng)機(jī)操作的某個(gè)模式期間，燃燒流沿著內(nèi)部流動(dòng)路徑從限定于第二級(jí)處的第一位置行進(jìn)到限定于燃燒器端平面處的第二位置所花費(fèi)的時(shí)間。在該情況下，第二級(jí)應(yīng)當(dāng)定位在燃燒器端平面的前面一定距離處，所述距離等于小于2ms的該停留時(shí)間。
[0055]圖11至14示出具有三個(gè)噴射級(jí)的系統(tǒng)。圖11示出三個(gè)級(jí)的每一個(gè)可以定位在其中的軸向范圍。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，如圖11中所示，本發(fā)明的下游噴射系統(tǒng)30可以包括定位在燃燒器中平面的后面的噴射的三個(gè)軸向級(jí)，第一級(jí)41、第二級(jí)42和第三級(jí)43。更具體地，第一級(jí)41可以定位在過(guò)渡區(qū)域39中，第二級(jí)42可以靠近燃燒器端平面49定位，并且第三級(jí)可以定位在燃燒器端平面49處或后面。圖12和14提供某些優(yōu)選實(shí)施例，其中三個(gè)噴射級(jí)的每一個(gè)可以位于那些范圍內(nèi)。如圖12中所示，第一和第二級(jí)可以位于過(guò)渡區(qū)域內(nèi)，并且第三級(jí)可以靠近燃燒器端平面定位。如圖13中所示，第一級(jí)可以位于過(guò)渡區(qū)域內(nèi)，而第二和第三級(jí)相應(yīng)地位于后框架和第一排定子葉片處。在某些實(shí)施例中，如上所述，第二級(jí)可以整合到后框架中，而第三級(jí)整合到定子葉片中。
[0056]本發(fā)明還描述包括三個(gè)噴射級(jí)的下游噴射系統(tǒng)內(nèi)的燃料和空氣噴射量和速率。在一個(gè)實(shí)施例中，第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)包括這樣一種配置，所述配置將第二級(jí)處噴射的燃料限制到小于第一級(jí)處噴射的燃料的50%，并且將第三級(jí)處噴射的燃料限制到小于第一級(jí)處噴射的燃料的50%。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)包括這樣一種配置，所述配置將第二級(jí)處噴射的燃料限制到第一級(jí)處噴射的燃料的10%到50%之間，并且將第三級(jí)處噴射的燃料限制到第一級(jí)處噴射的燃料的10%到50%之間。在其它優(yōu)選實(shí)施例中，初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)以及下游噴射系統(tǒng)的第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)可以配置成使得在操作期間總?cè)剂瞎?yīng)的以下百分比輸送到每一個(gè):50%到80%之間輸送到初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng);20%到40%之間輸送到第一級(jí)；2%到10%之間輸送到第二級(jí)；并且2%到10%之間輸送到第三級(jí)。在另外的其它優(yōu)選實(shí)施例中，初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)以及下游噴射系統(tǒng)的第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)配置成使得在操作期間總?cè)紵骺諝夤?yīng)的以下百分比輸送到每一個(gè):60%到85%之間輸送到初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)；15%到35%之間輸送到第一級(jí)；1%到5%之間輸送到第二級(jí)；并且0%到5%之間輸送到第三級(jí)。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)以及下游噴射系統(tǒng)的第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)配置成使得在操作期間總?cè)剂瞎?yīng)的以下百分比輸送到每一個(gè):大約65%輸送到初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)；大約25%輸送到第一級(jí)；大約5%輸送到第二級(jí)；并且大約5%輸送到第三級(jí)。在該情況下，初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)以及下游噴射系統(tǒng)的第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)配置成使得在操作期間總空氣供應(yīng)的以下百分比輸送到每一個(gè):大約78%輸送到初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)；大約18%輸送到第一級(jí)；大約2%輸送到第二級(jí)；并且大約2%輸送到第三級(jí)。
[0057]圖14至19提供本發(fā)明的另一方面的實(shí)施例，其包括燃料噴射器可以包含到后框架29中的方式。如上所述，后框架29包括提供燃燒器12的下游端和渦輪機(jī)13的上游端之間的接口的框架元件。
[0058]如圖14中所示，后框架29形成包圍或環(huán)繞內(nèi)部流動(dòng)路徑的剛性結(jié)構(gòu)元件。后框架29包括限定內(nèi)部流動(dòng)路徑的外側(cè)邊界的內(nèi)表面或壁65。后框架29包括具有結(jié)構(gòu)元件的外表面66，后框架通過(guò)所述結(jié)構(gòu)元件連接到燃燒器和渦輪機(jī)。通過(guò)后框架29的內(nèi)壁形成許多出口 74。出口 74可以配置成將燃料增壓室71連接到內(nèi)部流動(dòng)路徑67。后框架29可以包括6到20個(gè)之間的出口，但是也可以提供更多或更少的出口。出口 74可以圍繞后框架的內(nèi)壁65圓周地間隔。如圖所示，后框架29可以包括環(huán)形橫截面形狀。
[0059]如圖15至19中所示，根據(jù)本發(fā)明的后框架29可以包括形成于其中的圓周延伸燃料增壓室71。如圖15中所示，燃料增壓室71可以具有通過(guò)后框架29的外壁66形成的燃料入口 72，燃料通過(guò)所述燃料入口供應(yīng)到燃料增壓室71。因此燃料入口 72可以將燃料增壓室71連接到燃料供應(yīng)77。燃料增壓室77可以配置成包圍或完全環(huán)繞內(nèi)部流動(dòng)路徑67。如圖所示，一旦燃料到達(dá)燃料增壓室71，它然后可以通過(guò)出口 74噴射到內(nèi)部流動(dòng)路徑67中。如圖16中所示，在某些情況下，空氣可以在輸送到燃料增壓室71之前與預(yù)混器84內(nèi)的燃料預(yù)混。替代地，空氣和燃料可以在燃料增壓室71內(nèi)聚在一起并且混合，在圖17中示出所述燃料增壓室的例子。在該情況下，空氣入口 73可以形成于后框架29的外壁66中并且可以與燃料增壓室71流體地連通?？諝馊肟?73可以圍繞后框架29圓周地間隔并且通過(guò)在該區(qū)域中圍繞燃燒器的壓縮器排放來(lái)進(jìn)給。
[0060]也如圖17中所示，出口 74可以傾斜。該角可以相對(duì)于參考方向，所述參考方向垂直于通過(guò)內(nèi)部流動(dòng)路徑67的燃燒流動(dòng)。在某些優(yōu)選實(shí)施例中，如圖所示，出口的傾斜朝著燃燒流動(dòng)的下游方向可以在0°到45°之間。另外，出口 74可以配置成相對(duì)于后框架29的內(nèi)壁65的表面齊平，如圖17中所示。替代地，出口 74可以配置成使得每一個(gè)遠(yuǎn)離內(nèi)壁65并突出到內(nèi)部流動(dòng)路徑67中，如圖19中所示。
[0061]圖18和19提供替代實(shí)施例，其中多個(gè)管81配置成橫穿燃料增壓室71。管81的每一個(gè)可以配置成使得第一端部連接到空氣入口 73中的一個(gè)，并且第二端部連接到出口74中的一個(gè)。在某些實(shí)施例中，如圖18中所示，形成于后框架的內(nèi)表面65上的出口 74包括:a)空氣出口 76，其配置成連接到管81中的一個(gè)；和幻燃料出口 72，其配置成連接到燃料增壓室71。這些出口的每一個(gè)可以彼此鄰近并定位在內(nèi)壁65上，從而一旦噴射到內(nèi)部流動(dòng)路徑67中便于混合空氣和燃料。在優(yōu)選實(shí)施例中，如圖18中所示，空氣出口 76配置成具有圓形并且燃料出口 75配置成具有圍繞空氣出口 76的圓形而形成的環(huán)形。一旦燃料和空氣輸送到內(nèi)部流動(dòng)路徑67，該配置將進(jìn)一步便于混合燃料和空氣。將領(lǐng)會(huì)在某些實(shí)施例中管81將具有實(shí)心結(jié)構(gòu)，所述實(shí)心結(jié)構(gòu)防止移動(dòng)通過(guò)管81的流體與移動(dòng)通過(guò)燃料增壓室71的流體混合，直到兩種流體噴射到內(nèi)部流動(dòng)路徑67中。替代地，如圖19中所示，管71可以包括開(kāi)口 82，所述開(kāi)口允許空氣和燃料在噴射到內(nèi)部流動(dòng)路徑67中之前預(yù)混。在這樣的情況下，促進(jìn)紊流和混合的結(jié)構(gòu)、例如紊流器83可以包括在開(kāi)口 82的下游使得預(yù)混被增強(qiáng)。
[0062]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將領(lǐng)會(huì)，上面關(guān)于若干示例性實(shí)施例所述的許多變化特征和配置可以進(jìn)一步選擇性地應(yīng)用以形成本發(fā)明的其它可能實(shí)施例。為了簡(jiǎn)潔起見(jiàn)并且考慮本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員的能力，未詳細(xì)地提供或論述所有可能的迭代，但是由以下若干權(quán)利要求或以另外方式包含的所有組合和可能實(shí)施例旨在屬于本申請(qǐng)的一部分。另外，從本發(fā)明的若干示例性實(shí)施例的以上描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到改進(jìn)、變化和修改。本領(lǐng)域的技術(shù)內(nèi)的這樣的改進(jìn)、變化和修改也旨在由附帶的權(quán)利要求涵蓋。此外，將顯而易見(jiàn)前述內(nèi)容僅僅涉及本申請(qǐng)的所述實(shí)施例并且可以在本文中進(jìn)行許多變化和修改而不脫離由以下權(quán)利要求及其等效物限定的本申請(qǐng)的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的方法，所述燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括:聯(lián)接到渦輪機(jī)的燃燒器，所述燃燒器和所述渦輪機(jī)一起限定內(nèi)部流動(dòng)路徑，所述內(nèi)部流動(dòng)路徑圍繞縱軸線從位于所述燃燒器的前端處的初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)向后延伸，通過(guò)所述燃燒器連接到所述渦輪機(jī)處的接口，并且通過(guò)所述渦輪機(jī)中的至少一排定子葉片，所述方法包括以下步驟: 在所述內(nèi)部流動(dòng)路徑內(nèi)配置下游噴射系統(tǒng)，所述下游噴射系統(tǒng)包括兩個(gè)噴射級(jí)，第一級(jí)和第二級(jí)，其中所述第一級(jí)和所述第二級(jí)均沿著所述縱軸線軸向地間隔，使得所述第一級(jí)包括在所述初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)的后面的軸向位置，并且所述第二級(jí)包括在所述第一級(jí)的后面的軸向位置，其中所述第一級(jí)和所述第二級(jí)的每一個(gè)包括多個(gè)噴射器，每個(gè)噴射器配置成將空氣和燃料噴射到通過(guò)所述內(nèi)部流動(dòng)路徑的燃燒流中；以及 已知來(lái)自所述第一級(jí)和所述第二級(jí)的空氣和燃料噴射的預(yù)期效應(yīng)，基于以下圓周地定位所述第一級(jí)和所述第二級(jí)的噴射器:a)在操作模式期間發(fā)生在所述第一級(jí)的緊上游的預(yù)期燃燒流的特性；以及b)所述第二級(jí)的緊下游的預(yù)期燃燒流的特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，已知所述初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)的配置，圓周地定位所述第一級(jí)的噴射器的步驟基于所述操作模式期間的所述第一級(jí)的緊上游的預(yù)期燃燒流的特性；并且 已知所述第一級(jí)的噴射器的圓周放置，圓周地定位所述第二級(jí)的噴射器基于所述第二級(jí)的緊上游的預(yù)期燃燒流的特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一級(jí)定位在所述燃燒器內(nèi)的所述內(nèi)部流動(dòng)路徑的縱向中點(diǎn)的后面； 所述方法還包括在操作期間從所述第一級(jí)和所述第二級(jí)的噴射器的每一個(gè)噴射空氣和燃料的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述特性包括反應(yīng)物分布；并且 其中圓周地定位所述噴射器基于朝著反應(yīng)物分布的更加均勻性來(lái)優(yōu)化燃燒流。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述特性包括溫度分布； 其中圓周地定位所述噴射器基于朝著溫度分布的更加均勻性來(lái)優(yōu)化燃燒流。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述特性包括CO分布； 其中圓周地定位所述噴射器基于朝著CO分布的更加均勻性來(lái)優(yōu)化燃燒流。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述特性包括UHC分布； 其中圓周地定位所述噴射器基于朝著UHC分布的更加均勻性來(lái)優(yōu)化燃燒流。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述特性包括NOx分布； 其中圓周地定位所述噴射器基于朝著NOx分布的更加均勻性來(lái)優(yōu)化燃燒流。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述特性包括燃燒流內(nèi)的流動(dòng)性質(zhì)的橫截面分布并且其中所述第一級(jí)和所述第二級(jí)的噴射器的圓周放置基于使所述流動(dòng)性質(zhì)的橫截面分布在所述第二級(jí)的下游更加均勻。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，流動(dòng)性質(zhì)包括以下的至少兩項(xiàng):反應(yīng)物分布、溫度分布、CO分布、UHC分布、和NOx分布。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，第一停留時(shí)間包括在所述操作模式期間燃燒流通過(guò)所述內(nèi)部流動(dòng)路徑從所述初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)行進(jìn)到所述下游噴射系統(tǒng)的所述第一級(jí)的時(shí)間； 所述方法還包括將所述第一級(jí)軸向地定位在所述初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)的后面一定距離處使得所述第一停留時(shí)間包括至少6毫秒的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，第二停留時(shí)間包括在所述操作模式期間燃燒流通過(guò)所述內(nèi)部流動(dòng)路徑從所述第二級(jí)行進(jìn)到燃燒器端平面的時(shí)間； 所述方法還包括將所述第二級(jí)軸向地定位在所述燃燒器端平面的前面一定距離處使得所述第二停留時(shí)間包括小于2毫秒的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一級(jí)和所述第二級(jí)的每一個(gè)處的所述多個(gè)噴射器的每一個(gè)定位在公共噴射平面上，每個(gè)公共噴射平面大致垂直于所述內(nèi)部流動(dòng)路徑的縱軸線排列； 其中所述第一級(jí)和所述第二級(jí)的每一個(gè)包括3到10個(gè)之間的噴射器；并且 其中圓周地定位所述噴射器的步驟包括使所述第一級(jí)的噴射器相對(duì)于所述第二級(jí)的噴射器圓周地交錯(cuò)。
14.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟: 將所述第一級(jí)和所述第二級(jí)的噴射器定向成使得在操作中，每個(gè)噴射器在與參考線成+30°到-30°之間的方向上噴射空氣和燃料，所述參考線相對(duì)于通過(guò)所述內(nèi)部流動(dòng)路徑的主流動(dòng)方向垂直； 將所述第一級(jí)配置成包括3到6個(gè)之間的噴射器；并且 將所述第二級(jí)配置成包括5到10個(gè)之間的噴射器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 將所述第一級(jí)和所述第二級(jí)的噴射器配置成使得來(lái)自所述第一級(jí)的噴射空氣和燃料比來(lái)自所述第二級(jí)的噴射空氣和燃料更穿透通過(guò)所述內(nèi)部流動(dòng)路徑的預(yù)期燃燒流；并且 其中所述第二級(jí)比所述第一級(jí)包括更多的圍繞所述內(nèi)部流動(dòng)路徑定位的噴射器。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，圓周地定位所述第一級(jí)的噴射器基于根據(jù)來(lái)自所述初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)的預(yù)期燃燒流，穿透所述內(nèi)部流動(dòng)路徑的預(yù)定區(qū)域，從而增加所述第一級(jí)的下游的燃燒流中的反應(yīng)物混合和溫度均勻性；并且 其中圓周地定位所述第二級(jí)的噴射器包括基于與所述第一級(jí)的噴射器的圓周放置互補(bǔ)。
17.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)以及所述下游噴射系統(tǒng)的所述第一級(jí)和所述第二級(jí)配置成使得在操作期間總?cè)剂瞎?yīng)的以下百分比輸送到每一個(gè):60%到75%之間輸送到所述初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng);20%到30%之間輸送到所述第一級(jí)；并且2%到10%之間輸送到所述第二級(jí)； 其中所述初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)以及所述下游噴射系統(tǒng)的所述第一級(jí)和所述第二級(jí)配置成使得在操作期間總?cè)紵骺諝夤?yīng)的以下百分比輸送到每一個(gè):75%到85%之間輸送到所述初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)；15%到25%之間輸送到所述第一級(jí)；并且1%到5%之間輸送到所述第二級(jí)。
18.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在所述初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)的緊后面，所述內(nèi)部流動(dòng)路徑包括由圍繞的內(nèi)襯限定的初級(jí)燃燒區(qū)域，并且在所述內(nèi)襯的緊后面，所述內(nèi)部流動(dòng)路徑包括由圍繞的過(guò)渡件限定的過(guò)渡區(qū)域；其中所述過(guò)渡件配置成將所述初級(jí)燃燒區(qū)域流體地聯(lián)接到所述渦輪機(jī)的入口，同時(shí)將通過(guò)所述過(guò)渡件的流動(dòng)從所述內(nèi)襯的大致圓柱形橫截面區(qū)域過(guò)渡到所述渦輪機(jī)的入口的環(huán)形橫截面區(qū)域； 其中所述過(guò)渡件包括后框架，所述后框架形成所述燃燒器和所述渦輪機(jī)的入口之間的接口 ；并且 其中所述下游噴射系統(tǒng)的所述第一級(jí)定位在所述過(guò)渡區(qū)域內(nèi)并且所述下游噴射系統(tǒng)的所述第二級(jí)定位在所述后框架內(nèi)或后面。
19.一種在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的方法，所述燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括:聯(lián)接到渦輪機(jī)的燃燒器，所述燃燒器和所述渦輪機(jī)一起限定內(nèi)部流動(dòng)路徑，所述內(nèi)部流動(dòng)路徑圍繞縱軸線從位于所述燃燒器的前端處的初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)向后延伸，通過(guò)所述燃燒器連接到所述渦輪機(jī)處的接口，并且通過(guò)所述渦輪機(jī)中的至少一排定子葉片，所述方法包括以下步驟: 在所述內(nèi)部流動(dòng)路徑內(nèi)配置下游噴射系統(tǒng)，所述下游噴射系統(tǒng)包括三個(gè)軸向間隔噴射級(jí)，第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)，其中所述第一級(jí)定位在所述初級(jí)空氣和燃料噴射系統(tǒng)的后面，所述第二級(jí)定位在所述第一級(jí)的后面，并且所述第三級(jí)定位在所述第二級(jí)的后面；其中所述第一級(jí)、所述第二級(jí)和所述第三級(jí)的每一個(gè)包括多個(gè)噴射器，每個(gè)噴射器配置成將空氣和燃料噴射到通過(guò)所述內(nèi)部流動(dòng)路徑的燃燒流中；以及 已知來(lái)自所述第一級(jí)、所述第二級(jí)和所述第三級(jí)的空氣和燃料噴射的預(yù)期效應(yīng)，基于以下圓周地定位所述第一級(jí)、所述第二級(jí)和所述第三級(jí)的噴射器:a)在操作模式期間發(fā)生在所述第一級(jí)的緊上游的預(yù)期燃燒流的特性；以及b)所述第三級(jí)的緊下游的預(yù)期燃燒流的特性。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，圓周地定位所述第一級(jí)的噴射器的步驟基于所述操作模式期間的所述第一級(jí)的緊上游的預(yù)期燃燒流的特性； 圓周地定位所述第二級(jí)的噴射器的步驟基于所述操作模式期間的所述第二級(jí)的緊上游的預(yù)期燃燒流的特性； 圓周地定位所述第三級(jí)的噴射器基于所述第三級(jí)的緊上游的預(yù)期燃燒流的特性。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述特性包括以下的至少一項(xiàng):反應(yīng)物分布；溫度分布；CO分布；UHC分布；和NOx分布。
【文檔編號(hào)】F02C3/14GK104047726SQ201410097044
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】L.B.小戴維斯, K.K.文卡塔拉曼, K.M.格雷厄姆 申請(qǐng)人:通用電氣公司