降低燃氣輪機排放的方法和裝置的製作方法

2023-05-30 12:54:41 1

專利名稱：降低燃氣輪機排放的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明總的涉及燃氣輪機，尤其涉及燃氣輪機的燃燒室。
全球範圍內對空氣汙染的關注已導致了嚴格的排放標準。這些標準規定了由於燃氣輪機工作產生的氮氧化物(Nox)，未燃碳氫化合物(HC)和一氧化碳(CO)的排放量。尤其是由於高火焰溫度在燃氣輪機中形成氧化氮。在努力減少氧化氮排放量方面對燃氣輪機作出種種改進往往對相關燃氣輪機的工作性能具有有害的影響。
已知在燃氣輪機中，在運轉期間，常希望提高流過燃氣輪機的空氣流量來減少氧化氮排放量。燃氣輪機包含預定的工作參數，而這種空氣流量的任何增加受到包括透平噴嘴冷卻參數的預定工作參數的限制。結果，為在燃氣輪機內提高空氣流量，該燃氣輪機和有關部件應當修改，以便以新的工作參數運轉。
由於這種燃氣輪機的修改是密集型勞動且費時的，用戶常常限於降低燃氣輪機額定的運轉功率，並防止以全負荷運轉燃氣輪機。這種降低並不限制由於發動機以全負荷運轉而形成的氧化氮排放量，而卻限制了燃氣輪機的運轉功率。
在本發明一個示例性實施例中，燃氣輪機包含一個有效減少由燃氣輪機產生的氧化氮排放量的壓氣機轉子組件。該燃氣輪機包含一個可以以小於1的燃料/空氣混合當量比工作的燃燒器。該壓氣機組件包含一個第一轉子，一個第二轉子和一個噴水組件。該噴水組件安裝於燃氣輪機，並包含一輸水裝置和一輸氣裝置。該輸水裝置包含若干連接於燃氣輪機的噴霧嘴，將水噴到第一轉子和第二轉子之間。該輸氣裝置包含若干連於輸水裝置和燃氣輪機之間的導管，將洩放空氣輸給噴水組件，使供給燃氣輪機的水霧化。
在運輸中，壓氣機洩放空氣從高壓氣機排出，將流經供水裝置的水霧化。噴霧嘴將細霧沿下遊導向高壓壓氣機的入口。該細霧降低了燃氣輪機內的空氣流的溫度，允許自高壓壓氣機排出的空氣流具有增加的熱容量。該增加的熱容量降低了燃氣輪機內的火焰溫度，並且隨著火焰溫度降低，氧化氮排放量也減小。結果，或者相應於燃氣輪機規定的運轉功率，氧化氮排放物減少了，或者相應於規定的氧化氮排放值，燃氣輪機的運轉功率提高了。


圖1是燃氣輪機的簡圖；圖2是供圖1中所示的燃氣輪機使用的噴水組件的一部分的簡略側視圖；圖3是可與圖1中所示的燃氣輪機一起使用的噴水組件的另一實施例的簡略側視圖。
圖1是燃氣輪機10的簡圖，包含一低壓壓氣機12，一高壓壓氣機14和一燃燒器16。發動機10還包含一高壓透平18和一低壓透平20。由於燃燒器16為一稀薄預混合燃燒器，供給燃燒器16的燃料/空氣混合器包含的空氣比為完全燃燒該燃料所需的多。因此，燃燒器16的燃料/空氣混合當量比小於1。燃燒器12和透平20由第一軸21聯接，而壓氣機14和透平18由第二軸22聯接。負載(未示)藉第一軸21與燃氣輪機10耦合。
在運轉中，空氣流經低壓壓氣機12，而壓縮空氣由低壓壓氣機12供給高壓壓氣機14。該高壓空氣被輸送到燃燒器16。來自燃燒器16的空氣流(在圖1中未示出)驅動透平18和20，並經噴嘴24從燃氣輪機10排出。
圖2是供燃氣輪機10(圖1中所示)使用的壓氣機轉子組件30和噴水組件32一部分的簡略側視圖。壓氣機轉子組件30包含低壓壓氣機12和高壓壓氣機14。低壓壓氣機12包含苦幹偶合在一起並與燃氣輪機10的軸向中心軸線36共軸線的轉子34。轉子34沿中心軸線36自低壓壓氣機12的進氣側38軸向延伸到低壓壓氣機12的排氣側40。
各低壓壓氣機轉子34由一個或多個葉輪44構成，每一葉輪44包含若干自燃氣輪中心軸線36徑向向外延伸的葉片。每排葉輪44有時被稱之為一個轉子級。葉片46與運動或工作流體，如空氣配合工作，當葉片46繞中心軸線36轉動時，將隨後的轉子級內的運動流體壓縮。
高壓壓氣機14包含若干與燃氣輪機中心軸線36共軸線地偶合在一起的轉子60。轉子60沿中心軸線36自高壓壓氣機14的進氣側62軸向延伸到高壓壓氣機14的排氣側64。各高壓壓氣機轉子60由一個或多個葉輪66構成，每一葉輪66包含若干自燃氣輪機中心軸線36徑向向外延伸的葉片。每排葉輪66有時被稱之為一個轉子級。葉片68與運動或工作流體，如空氣配合工作，當葉片68繞中心軸線36轉動時，壓縮隨後轉子級內的運動流體。一管道80自低壓壓氣機排氣側40延伸到高壓壓氣機進氣側62。管道80是圓環形的，將從低壓壓氣機12排出的運動或工作流體引導到高壓壓氣機14。
噴水組件32將水供給在管道80內的燃氣輪機10，包含一輸水裝置82和一輸氣裝置84。或者，在另一實施例中，輸水裝置並不包含輸氣裝置84，而包含若干壓力噴霧嘴(未示出)，將水霧化。輸水裝置82包含若干第一噴霧嘴86、若干導管88、一岐管90和一計量閥92。導管88將噴水組件32連到一供水源(未示出)，並在供水源和計量閥92之間延伸。計量閥92控制自供水源進入噴水組件32的水量。附加導管88在計量閥92和岐管90之間延伸。岐管90藉附加導管88連於空氣岐管100，將穩定的水流供給噴嘴組件32。岐管90為圓環形，沿圓周設置在低壓壓氣機12的周圍。
輸氣裝置84包含空氣岐管100和導管102。導管102將輸氣裝置84連於燃氣輪機10，以允許輸氣裝置84自高壓壓氣機14接收洩放空氣。在一個實施例中，導管102連接於燃氣輪機10，並自高壓壓氣機14的第八級接收洩放空氣。導管102在高壓壓氣機14和空氣岐管100之間延伸。在另一實施例中，噴水組件32包含一個設置成能控制自高壓壓氣機14排到輸氣裝置84和空氣岐管100的洩放空氣量的封塞/分隔器(未示)。
空氣岐管100為圓環形，沿圓周設置在低壓壓氣機12的周圍。空氣岐管100對噴水組件32提供穩定的洩放空氣流量。若干給水管110自空氣岐管100延伸到噴霧嘴86。在一個實施例中，供給管延伸到24個噴霧嘴86。供給管110允許洩放空氣和水自空氣岐管100流到噴霧嘴86。噴霧嘴86自管道80的外壁112向燃氣輪機中心軸線36徑向向內延伸，包含若干噴霧出口114。自空氣岐管100的洩放空氣對水加壓，將水霧化為小水滴。這些水滴經噴霧嘴噴霧出口114被迫進入流道。水滴成細霧自噴霧嘴排出，被引向高壓壓氣機進氣側62。在一個實施例中，這些水滴以大約20微米的平均顆粒直徑尺寸自噴霧嘴噴霧出口排出。
在運轉中，工作流體，如水，在流過低壓壓氣機12時受壓。該工作流體自低壓壓氣機12排出，經管道80按規定路線被輸送到高壓壓氣機14。因此，當空氣流過燃氣輪機10時，壓氣機的洩放空氣自高壓壓氣機14流到空氣岐管100。同時，水經計量閥92流到輸水岐管90，後者對噴霧嘴86提供穩定的水流。
自空氣岐管100排出的洩放空氣經輸水噴霧嘴114使水霧化，並迫使其成為細霧，自管道80噴向高壓壓氣機14。這種霧降低了燃氣輪機10內空氣流的溫度，產生一種中冷效果。該中冷效果允許自高壓壓氣機14排出的流體的熱容量增大，這又降低了燃氣輪機10中的火焰溫度。由於火焰溫度的下降，產生的氧化氮排放減少。結果，或者相應於規定的燃氣輪機運轉功率，氧化氮排放物減少了，或者相應於規定的氧化氮排放值，燃氣輪機10的運轉功率提高了。此外，由於相應於給定輸出功率的壓氣機出口溫度下降了，壓氣機12和12所需的功較少。
圖3是供類似於燃氣輪機10(圖1中所示)的燃氣輪機(未示)使用的壓氣機轉子組件200的一部分的簡略側視圖。在一個實施例中，該燃氣輪機是一臺可從General Electric Aircraft Engines,Cincinnati,Ohio買到的LM6000。壓氣機轉子組件200包含一低壓壓氣機202和一高壓壓氣機204。燃氣輪機10還包含一噴水組件206。低壓壓氣機202包含偶合在一起且與燃氣輪機的中心軸線212共軸線的若干轉子210。轉子210自低壓壓氣機202的進氣側214沿中心軸線212軸向延伸到低壓壓氣機202的排氣側216。
各低壓壓氣機轉子210由一個或多個葉輪220構成，每一葉輪220包含若干自燃氣輪機中心軸線212徑向向外延伸的葉片222。每排葉輪220有時被稱之為一個轉子級。葉片220與運動或工作流體，如空氣配合工作，當葉片220繞中心軸線212轉動時，將隨後的轉子級中的運動流體壓縮。
高壓壓氣機204包括若干偶合在一起與燃氣輪機中心軸線212共軸線的轉子230。轉子230自高壓壓氣機204的進氣側232沿中心軸線212軸向延伸到高壓壓氣機204的排氣側234。各高壓壓氣機轉子230由一個或多個葉輪240構成，每一葉輪240包含若干自燃氣輪機中心軸線212徑向向外延伸的葉片242。每排葉輪240有時被稱之為一個轉子級。葉片242運動或工作流體，如空氣配合工作，當葉片242繞中心軸線212轉動時，將隨後的轉子級內的運動流體壓縮。
管道256自低壓壓氣機排氣側216延伸到高壓壓氣機進氣側234。管道256是圓環形的，它將自低壓壓縮機202排出的運動或工作流體引導到高壓壓氣機進氣側232。一進氣管道260將運動工作流體引向低壓壓氣機進氣側214。
噴水組件206將水同時噴到管道260和256內的燃氣輪機，它包含一輸水裝置270和輸氣裝置272。或者，噴水組件206將水單獨噴到管道260或管道256內。在另一實施例中，噴水組件206並不包含輸氣裝置272，而包含若干霧化水的壓力噴霧嘴(未示出)。輸水裝置270包含一計量閥274，若干導管275，一高壓壓氣機部276，和一低壓壓氣機部278。導管275將噴水組件206連接到供水源(未示出)，並自供水源延伸到計量閥274。計量閥274控制自供水源流到噴水組件高壓壓氣機部276和噴水組件低壓壓氣機部278的水流量。附加導管275在計量閥274和一T形連接件280之間延伸。T形連接件280將水流量分到噴水組件裝置部276和278之間。
進入T形連接件280的一部分水被導入噴水組件高壓壓氣機部276，並經導管275內的一小孔282，以便在流入水岐管284之前提高水壓。在另一實施例中，進入T形連接件280的水被引入一個配置在高壓壓氣機部276內的第一閥(未示出)內，以獨立控制進入高壓壓氣機部276內的水流量。其餘的水被導入噴水組件低壓壓氣機部278內。在另一實施例中，該其餘的被導入一個配置在低壓壓氣機部278內的第二閥(未示出)內，以獨立控制進入低壓壓氣機部278內的水流量。岐管284藉附加導管275與若干設置在高壓壓氣機進氣側232上遊的噴霧嘴288連接。在一個實施例中，噴水組件高壓壓氣機部276包含24個噴霧嘴288。岐管284是圓環形的，沿圓周設置在低壓壓氣機202的周圍，以便將一穩定的水流量供給噴霧嘴288。噴霧嘴288沿圓周設置在低壓壓氣機排氣側216下遊和高壓壓氣機進氣側232上遊的管道256周圍。自噴霧嘴288噴出的水被導入接近高壓壓氣機204的燃氣輪機氣流中。
進入T形連接件280的其餘的水被導入噴水組件低壓壓氣機部278，並流經一小孔290。在一個實施例中，小孔290和282是用來有選擇地控制水流量的一些閥。小孔290和282使噴水組件低壓壓氣機部278和噴水組件高壓壓氣機部276之間的水形成適當的混合。岐管292藉附加導管275與設置在低壓壓氣機進氣側214上遊的若干噴霧嘴300連接。在一個實施例中，噴水組件低壓壓氣機部278包含24個噴霧嘴300。岐管292是圓環形的，沿圓周設置在高壓壓氣機部岐管288上遊的低壓壓氣機202的周圍，對噴霧嘴300供給一穩定的水流。噴霧嘴300沿圓周設置在低壓壓氣機進氣側214上遊的進氣管道260的周圍。自噴霧嘴300噴出的水沿下遊被導入接近低壓壓氣機202的燃氣輪機氣流中。在一具實施例中，低壓壓氣機部噴霧嘴300與高壓壓氣機部噴霧嘴288相同。
輸氣裝置包含一個第一岐管310，一個第二岐管312，和若干導管314，並對噴水組件206提供穩定的洩放空氣流。導管314將輸氣裝置272連接於燃氣輪機，並允許輸氣裝置272自高壓壓氣機204接收洩放空氣。在一個實施例中，導管314自第8級高壓壓氣機204接收洩放空氣。導管314在高壓壓氣機204和分流器接頭320之間延伸。在另一實施例中，輸氣裝置272包含一封塞/分隔器(未示出)，以控制流到噴水組件206的洩放空氣流量。
進入分流器接頭320的一部分空氣被導向第一岐管310，而其餘的空氣被導向第二岐管312。第一岐管310是圓環形的，沿圓周設置在第二岐管312下遊的低壓壓氣機202的周圍。若干供給管322自第一空氣岐管310延伸到噴霧嘴288。供給管322允許洩放空氣和水自空氣岐管310流到噴霧嘴288。噴霧嘴288自管道256的外壁324向燃氣輪機中心軸線212徑向向內延伸，它包含若干噴霧出口326。該洩放空氣使送到噴霧嘴288的水霧化，以形成小水滴。這些水滴經噴霧嘴噴霧出口326以被引向高壓壓氣機進氣側232的細霧被迫進入流道內，在一個實施例中，水霧以大約20微米的平均顆粒直徑尺寸自噴霧嘴噴霧出口326噴出。
進入分流器接頭320的其餘空氣被導向第二岐管312。第二岐管312是圓環形的，沿圓周設置在第一岐管310上遊的低壓壓氣機202周圍。若干供給管330自第二空氣岐管312延伸到噴霧嘴300。供給管330允許洩放空氣和水自第二岐管312流到噴霧嘴300。噴霧嘴300自進氣管道260的外壁332朝燃氣輪機中心軸線212徑向向外延伸，並包含若干噴霧出口334。洩放空氣使被送到噴霧嘴300的水霧化，以形成水滴。這些水滴經噴霧嘴噴霧出口334以被導向低壓壓氣機進氣側214的細霧被迫進入流道。在一個實施例中，該水霧以20微米的平均顆粒直徑尺寸自噴霧嘴噴霧出口332噴出。
在運轉期，工作流體，如空氣，經具有進氣管道260的低壓壓氣機202按規定路線流動。被壓縮的流體流從低壓壓氣機202排出，經管道256按規定路線流到高壓壓氣機204。因此，當空氣流過燃氣輪機時，壓氣機洩放空氣自高壓壓氣機204流到輸氣裝置分流器接頭320。一部分空氣被導向輸氣裝置第一岐管310，其餘的空氣被導向輸氣裝置第二岐管312。同時，水流經計量閥274，被導入輸水高壓壓氣機部276和輸水低壓壓氣機部278。
自空氣岐管310和312排出的洩放空氣分別將流到輸水噴霧嘴288和300的水霧化，形成細霧。該細霧被分別導向高壓壓氣機進氣側232和低壓壓氣機進氣側204。該細霧在低壓進氣側214出現過飽和狀態。當該霧流經低壓壓氣機202和高壓壓氣機204時，該霧蒸發，在燃氣輪機中產生一種中冷效果。該中冷效果允許有較低的燃燒溫度和較低的壓氣機排氣溫度，這便允許自高壓壓氣機14排出的流體的熱容量也增大。熱容量的增大降低了燃氣輪機中的火焰溫度，並且由於火焰溫度的降低，所產生的氧化氮排放物較少。結果，相應於規定的燃氣輪機逆轉功率，氧化氮排放物減少了，或者相應於規定的氧化氮排放物，運轉功率提高了。
燃氣輪機的上述壓氣機轉子組件在價格上是便宜的，且可靠的。輸水組件將霧化空氣有效地引至壓氣機轉子組件，以減少氧化氮排放物。結果相應於規定的燃氣輪機運轉功率，氧化氮排放物減少了。或者相應於規定的氧化氮排放值，燃氣輪機的運轉功率提高了。
雖然就各具體的實施例說明了本發明，然而，業內人士會認識到，可以通過各種修改來實施本發明，而這些修改均處於由權利要求書所限定的精神和範圍內。
權利要求
1．一種利用噴水組件(32)降低燃氣輪機燃燒器(16)排放量的方法，該燃氣輪機包含一個可以小於1的燃料/空氣混合當量比工作的燃燒器，該噴水組件包含一個連於燃氣輪機的輸水裝置(82)，該輸水裝置包含若干第一噴霧嘴(86)，所述方法包括如下步驟以小於1的燃燒器燃料/空氣混合當量比使燃氣輪機運轉；藉輸水裝置的若干第一噴霧嘴將水供給燃氣輪機，使水進入燃氣輪機的燃燒器上遊。
2．按權利要求1所述的方法，其特徵在於該輸水裝置(82)還包含一計量閥(92)和至少一個岐管(90)，該計量閥和岐管連於噴霧嘴(86)，所述供水步驟還包括計量被噴入燃氣輪機(10)內的水的步驟，以控制被噴霧到燃氣輪機內的水滴的尺寸和量。
3．按權利要求1所述的方法，其特徵在於噴水組件(32)還包含一個用若干導管(102)連接在輸水裝置(82)和燃氣輪機(10)之間的輸氣裝置(84)，所述供水步驟還包括利用噴水組件輸氣裝置噴霧水的步驟。
4．按權利要求2所述的方法，其特徵在於輸水裝置(82)包含若干第二噴霧嘴(300)，燃氣輪機(10)還包含至少兩個轉子組件(12,14)，所述供水步驟還包括經若干第二噴霧嘴將水供給燃氣輪機中第一轉子組件的上遊同時經若干第一噴霧嘴(288)將水供給第二轉子組件的上遊的步驟。
5．按權利要求4所述的方法，其特徵在於噴水組件(32)還包含一個用若干導管(102)連接在輸水裝置(80)和燃氣輪機(10)之間的輸氣裝置(82)，所述噴霧水的步驟還包括利用噴水組件輸氣裝置噴霧水的步驟。
6．一種燃氣輪機(10)的噴水組件(32)，包含至少一個壓氣機(14)，所述噴水組件包括一個燃燒器(16)，其構形能以小於1的燃料/空氣混合當量比工作；一個輸水裝置(82)，包括若干第一噴霧嘴(288)，所述輸水裝置連於燃氣輪機，所述若干第一噴霧嘴被構形成能將水噴霧到燃氣輪機中壓氣機的上遊，以降低由燃燒器產生的排放值。
7．按權利要求6所述的噴水組件(32)，其特徵在於輸水裝置(82)還包括一個計量閥(274)和至少一個岐管(284)，所述計量閥連於所述至少一個岐管，所述岐管連於所述若干第一噴霧嘴。
8．按權利要求7所述的噴水組件(32)，其特徵在於所述若干第一噴霧嘴(288)包括24個噴霧嘴。
9．按權利要求8所述的噴水組件(32)，其特徵在於還包括一個輸氣裝置(84)，輸氣裝置(84)包括若干導管(102)，所述輸氣裝置連於所述輸水裝置和一空氣源之間。
10．按權利要求9所述的噴水組件(32)，其特徵在於所述輸氣裝置(84)還包括至少一個用導管(102)連於所述輸氣裝置的岐管(312)。
11．按權利要求10所述的噴水組件(32)，其特徵在於還包括若干第二噴霧嘴(300)。
12．按權利要求11所述的噴水組件(32)，其特徵在於燃氣輪機(10)還包含一個第二壓氣機(12)，所述輸水裝置(82)還包括至少兩個岐管(284,292)，所述若干第二噴霧嘴(300)的構形能將水噴霧到燃氣輪機中的第二壓氣機上遊。
13．按權利要求12所述的噴水組件(32)，其特徵在於所述若干第二噴霧嘴(300)包括23個噴霧嘴，所述空氣源為燃氣輪機(10)。
14．一種燃氣輪機，包括一個第一轉子(204)；一個燃燒器(16)，配置在第一轉子的下遊，與第一轉子共軸線，所述燃燒器被構形成能以小於1的燃料/空氣混合當量比工作；一個噴水組件(206)，安裝於所述燃氣輪機，所述噴水組件包括一輸水裝置(270)，該輸水裝置包括若干連於燃氣輪機的第一噴霧嘴(288)，所述第一噴霧嘴被構形成能將水噴到所述第一轉子的上遊。
15．按權利要求14所述的燃氣輪機(10)，其特徵在於所述輸水裝置(270)還包括一個計量閥(274)和至少一個岐管(284)，所述計量閥連於所述岐管，所述岐管連於所述若干第一噴霧嘴(288)。
16．按權利要求15所述的燃氣輪機(10)，其特徵在於所述輸水裝置(270)的若干噴霧嘴(288)包括24個噴霧嘴。
17．按權利要求16所述的燃氣輪機(10)，其特徵在於所述輸水裝置(270)還包括一輸氣裝置(272)，該輸氣裝置包括若干連在所述輸水裝置和燃氣輪機之間的導管(314)。
18．按權利要求17所述的燃氣輪機(10)，其特徵在於所述輸氣裝置(272)還包括至少一個用導管(314)連於所述輸氣裝置的岐管(312)。
19．按權利要求18所述的燃氣輪機(10)，其特徵在於所述輸水裝置(270)還包括若干第二噴霧嘴(300)。
20．按權利要求19所述的燃氣輪機(10)，其特徵在於還包括一個第二轉子(12)和一個轉子軸，所述第一轉子(14)與所述第二轉子軸向偶合，所述第一轉子在所述第二轉子的下遊，所述輸水裝置的若干第二噴霧嘴(300)被構形成能將水噴入燃氣輪機中所述第二轉子的上遊。
全文摘要
一種燃氣輪機(10),包含一個具有一個第一轉子的壓氣機轉子組件(14);一個被構形成能以小於1的燃料/空氣混合當量比工作的燃燒器(16);和一個噴水組件(32)。該噴水組件包括一個具有若干第一噴霧嘴(288)的輸水裝置(82),將水供給第一轉子的上遊。供給第一轉子的水在輸到發動機之前藉助於若干第一噴霧嘴被噴霧,以減少由燃燒器產生的排放物。
文檔編號F02C7/143GK1321825SQ01117658
公開日2001年11月14日 申請日期2001年4月28日 優先權日2000年4月28日
發明者小R·B·霍克, M·W·阿德哈米, N·D·約施 申請人:通用電氣公司