用于气体涡轮的水燃料乳液系统和方法与流程

用于气体涡轮的水燃料乳液系统和方法


背景技术：

1.本技术整体涉及一种气体涡轮系统，并且更具体地涉及对气体涡轮系统的燃烧器中的燃烧的控制。
2.气体涡轮系统可包括压缩机区段、燃烧器区段和涡轮区段。燃烧器区段被配置为使燃料与空气燃烧以产生热燃烧产物来驱动涡轮区段中的一个或多个涡轮级。遗憾的是，燃烧过程可能产生不期望的废气排放，诸如氮氧化物(nox)和烟灰。因此，期望减少废气排放而不会不利地影响性能，并且基本上不会增加与操作气体涡轮系统相关联的成本。


技术实现要素：

3.下面概述了与最初要求保护的主题的范围相当的某些实施方案。这些实施方案并非旨在限制要求保护的实施方案的范围，而是这些实施方案仅旨在提供主题的可能形式的简要概述。实际上，当前要求保护的实施方案可以包括可以与下面阐述的实施方案类似或不同的各种形式。
4.在某些实施方案中，气体涡轮引擎包括具有第一燃料喷嘴的第一燃烧器，其中第一燃料喷嘴被配置为将水燃料乳液供应到第一燃烧器中。水燃料乳液包括具有分散在燃料中的多个水滴的燃料包水(wif)乳液，其中多个水滴被配置为在喷射到燃烧器中之后在燃料内汽化以引起微爆炸来雾化燃料，并且燃料被配置为燃烧以产生燃烧气体。气体涡轮引擎还包括由来自第一燃烧器的燃烧气体驱动的涡轮。
5.在某些实施方案中，系统包括控制器，该控制器被配置为控制经由第一燃料喷嘴将水燃料乳液供应到气体涡轮引擎的第一燃烧器中。水燃料乳液包括具有分散在燃料中的多个水滴的燃料包水(wif)乳液，其中多个水滴被配置为在燃料内汽化以引起微爆炸来雾化燃料，并且燃料被配置为燃烧以产生燃烧气体来驱动气体涡轮引擎的涡轮。
6.在某些实施方案中，方法包括经由第一燃料喷嘴将水燃料乳液供应到气体涡轮引擎的第一燃烧器中，其中水燃料乳液包括具有分散在燃料中的多个水滴的燃料包水(wif)乳液。该方法还包括使燃料内的多个水滴汽化以引起微爆炸来雾化燃料。该方法还包括燃烧燃料以产生燃烧气体来驱动气体涡轮引擎的涡轮。
附图说明
7.当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解当前公开的技术的这些和其他特征、方面和优点，在整个附图中，相同的字符表示相同的零件，其中：
8.图1是具有水燃料乳化系统的气体涡轮系统的实施方案的示意图，该水燃料乳化系统被配置为产生包括燃料包水(wif)乳液的水燃料乳液。
9.图2是图1的水燃料乳化系统的实施方案的示意图。
10.图3是图1和图2的水燃料乳化系统的乳化器的实施方案的示意图，进一步示出了多个搅拌器以促进燃料和水的乳化。
11.图4是图1至图3的水燃料乳化系统的实施方案的示意图，进一步示出了用于各个
燃料喷嘴的多个乳化级和提取导管。
12.图5是燃料包水(wif)乳液燃烧过程的实施方案的示意图，示出了设置在乳液的较大燃料滴中的水滴的微爆炸，以及燃料滴的随后雾化和燃烧。
13.图6是燃料包水(wif)乳液滴的实施方案的示意图，示出了设置在较大燃料滴中的小水滴。
14.图7是燃料包水(wif)乳液滴的实施方案的示意图，示出了当在较大的燃料滴内发生蒸发时小水滴的微爆炸过程。
15.图8是由如图5、图6和图7中所示的燃料包水(wif)乳液滴中的水滴的微爆炸产生的小燃料滴的实施方案的示意图。
16.图9是用于在如图1所示的气体涡轮系统中燃烧水燃料乳液的过程的实施方案的流程图。
具体实施方式
17.下面将描述当前公开的技术的一个或多个具体实施方案。为了提供这些实施方案的简明描述，可能未在说明书中描述实际实施方式的所有特征。应当理解，在任何此类实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须作出许多特定于实施方式的决策以实现开发者的特定目标，诸如遵守系统相关和业务相关的约束，这些约束可能因实施方式而异。此外，应当理解，此类开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员来说仍然是设计、制作和制造的常规任务。
18.当介绍当前公开的实施方案的各种实施方案的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在意指存在元件中的一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包含性的，并且意味着可能存在除列出元件之外的附加元件。
19.所公开的实施方案涉及水燃料乳液，诸如燃料包水(wif)乳液和/或水包燃料(fiw)乳液，其被配置为改进气体涡轮引擎中的燃烧。wif乳液至少由于较大燃料滴内的小水滴的微爆炸而改进燃烧，从而改进燃料的雾化。例如，wif乳液由分散在液体燃料的连续相中的小水滴产生。wif乳液作为滴剂(即，较大燃料滴内的小水滴)的喷雾(即，初级雾化)被喷射到燃烧器中。微爆炸引起燃料的二次雾化，即小水滴在较大燃料滴内蒸发，从而导致较大燃料滴爆炸或分裂成较小燃料滴。较小燃料滴(即，精细雾化的燃料)然后迅速蒸发并与空气混合，从而导致燃料与空气的更均匀混合，更均匀的燃烧和温度分布，以及nox和烟灰的减少的排放。fiw乳液还可以为气体涡轮引擎中的燃烧提供益处。fiw乳液由分散在水的连续相中的小燃料滴产生。在任一情况下，水燃料乳液(例如，wif或fiw乳液)可有助于更好地控制气体涡轮引擎的燃烧过程、排放水平、用水量和操作的其他方面。水燃料乳液对于低等级燃料、粘性燃料、重质燃料油(hfo)、原油、柴油燃料和/或受污染燃料可能是特别有益的。
20.图1是气体涡轮系统10的实施方案的示意图，该气体涡轮系统具有驱动地联接到负载14(诸如发电机)的气体涡轮引擎12。气体涡轮系统10还包括联接到气体涡轮引擎12的流体供应系统16。如图所示，流体供应系统16包括联接到一个或多个燃料供应系统20，一个或多个水供应系统22和一个或多个乳化剂供应系统24的水燃料乳化系统18。另外，水燃料乳化系统18联接到乳液分配系统26，该乳液分配系统被配置为将水燃料乳液分配到气体涡
轮引擎12。气体涡轮系统10还包括联接到流体供应系统16和气体涡轮引擎12的控制系统28和监测系统30。
21.如下面进一步详细讨论的，水燃料乳化系统18被配置为产生用于在气体涡轮引擎12中分配和燃烧的水燃料乳液。水燃料乳液被配置为减少燃烧产物中的nox形成，减少燃烧产物中的烟灰形成，并且通常改进气体涡轮引擎12中的燃烧过程。另外，水燃料乳液被配置为减少原本与燃料分开地供应到气体涡轮引擎12的水的体积。所公开的实施方案还被配置为以多种组成产生水燃料乳液，诸如燃料包水(wif)乳液、水包燃料(fiw)乳液和/或各种比例的水与燃料以控制燃烧过程。
22.气体涡轮引擎12包括进气口区段32、压缩机区段34、具有一个或多个主燃烧器38的主燃烧器区段36、以及主涡轮区段40。在某些实施方案中，气体涡轮引擎12还可包括(或不包括)具有一个或多个次级燃烧器44和次级涡轮区段46的次级燃烧器区段42。气体涡轮引擎12还包括排气区段48。
23.压缩机区段34可以是具有一个或多个压缩机级50的轴向压缩机，每个压缩机级具有联接到中心转子或轴54的多个压缩机叶片52。压缩机叶片52被轴54驱动以在压缩机壳体56内旋转。压缩机区段34可包括1个至28个或更多个压缩机级50。
24.主燃烧器区段36包括各具有一个或多个燃料喷嘴58的燃烧器38。例如，每个燃烧器38可包括1个、2个、3个、4个、5个、6个或更多个燃料喷嘴58。通过进一步的示例，每个燃烧器38可包括由多个外围燃料喷嘴58围绕的中心燃料喷嘴58。燃料喷嘴58是设置在主燃烧器38的头端60中的主燃料喷嘴。另外，燃烧器38可以包括沿着主燃烧器38的燃烧器衬里或侧壁64的一个或多个侧向或四元燃料喷射器或喷嘴62。燃料喷嘴58和62相对于彼此交叉(例如，垂直或锐角)取向。例如，燃料喷嘴58相对于主燃烧器38的中心轴线沿轴向方向取向，而燃料喷嘴62相对于中心轴线沿径向方向取向。燃料喷嘴58和62被配置为将燃料和水的乳液喷射到主燃烧器38的燃烧室或区66中，使得可发生燃烧以产生热燃烧产物96以用于递送到主涡轮区段40。
25.主涡轮区段40可包括一个或多个涡轮级68，每个涡轮级具有联接到转子或轴72的多个涡轮叶片70。在操作中，热燃烧产物96流过主涡轮区段40，从而驱动涡轮叶片70以使轴72在涡轮壳体74内旋转。主涡轮区段40可包括1个至10个或更多个涡轮级68。
26.在某些实施方案中，诸如图1所示，气体涡轮系统10可包括次级燃烧器区段42和次级涡轮区段46。然而，气体涡轮系统10的一些实施方案可以排除次级燃烧器区段42和次级涡轮区段46。如图所示，次级燃烧器区段42包括一个或多个次级燃烧器44，每个次级燃烧器具有一个或多个主燃料喷嘴76和一个或多个侧向或四元燃料喷射器或喷嘴78。燃料喷嘴76和78被配置为将燃料和水的乳液喷射到次级燃烧器44中的燃烧室或区80中，使得发生燃烧，并且将热燃烧气体100递送到次级涡轮区段46中。
27.次级涡轮区段46可包括一个或多个涡轮级82，每个涡轮级具有联接到转子或轴86的多个涡轮叶片84，这些涡轮叶片可在壳体87内共同旋转。例如，次级涡轮区段46可包括1个至5个或更多个涡轮级82。在所示实施方案中，轴54和72经由中间轴88联接在一起，并且轴72和86经由中间轴90联接在一起。然而，所示的轴54、88、72、90和86可以一起集成到一个或多个共用轴中。另外，轴86联接到负载14。
28.在操作中，压缩机区段34被配置为通过进气口区段32接收空气，如箭头92所指示。
进气口区段32可包括一个或多个空气过滤器、消音器、防冰系统或其他入口空气调节系统。压缩机区段34被配置为经由一个或多个压缩机级50压缩进气92，由此在将空气递送到主燃烧器区段36中之前逐渐地压缩空气，如箭头94所示。压缩空气94沿着燃烧器衬里64穿行到主燃烧器38中的每一者的头端60中。在某些实施方案中，压缩空气94穿行通过燃烧器衬里64的外表面和周围流动引导件之间的流动通道以用于冷却燃烧器衬里64。
29.然后，压缩空气94穿行到燃烧室66中。在某些实施方案中，压缩空气94中的一些可围绕燃料喷嘴58和/或燃料喷嘴62穿行。另外，一些雾化空气(例如，压缩空气)可穿行通过燃料喷嘴58和/或燃料喷嘴62以帮助雾化燃料。雾化空气(例如，压缩空气)可以从压缩机区段34、单独空气压缩机或另一空气供应源供应。在本讨论中，将参考压缩空气(例如，94)，但是应当理解，压缩空气可以源自一个或多个空气供应源。
30.燃料喷嘴58和/或燃料喷嘴62还从流体供应系统16接收燃料和水的乳液。燃料和水的乳液在燃烧室66中与压缩空气94混合并燃烧以形成热燃烧气体，该热燃烧气体然后如箭头96所示流入主涡轮区段40中。如下面进一步详细讨论的，由流体供应系统16提供的水和燃料的乳液被配置为增强燃料在燃烧室66中的雾化，从而改进燃烧反应，减少nox形成，减少烟灰，并且总体上改进燃烧过程。
31.燃烧气体96流过主涡轮区段40中的一个或多个涡轮级68，从而驱动级68中的每个级中的涡轮叶片70以使轴72旋转。燃烧气体最终离开主涡轮区段40，如箭头98所示。此时，燃烧气体可以进入次级燃烧区段42。次级燃烧器区段42中的次级燃烧器44中的每个次级燃烧器被配置为从流体供应系统16接收燃烧气体98以及水和燃料的乳液，这促进了乳液中的燃料在次级燃烧区段42的燃烧室80内的进一步燃烧。燃烧提供废气或燃烧产物的进一步输出，如箭头100所指示。燃烧气体100然后进入次级涡轮区段46，并且燃烧气体100驱动涡轮叶片84以在一个或多个涡轮级82中旋转轴86。
32.最后，如箭头102所指示，燃烧气体作为排气离开次级涡轮区段46。排气102然后流过排气区段48，该排气区段可包括排气烟囱、排气处理系统、消音器或其他设备。在操作中，驱动主涡轮区段40的旋转的燃烧气体96和驱动次级涡轮区段46的旋转的燃烧气体100被配置为使轴72和86旋转，从而驱动负载14、压缩机区段34以及联接到气体涡轮系统10的任何其他负载或设备的旋转。
33.如上所述，流体供应系统16被配置为向各个燃料喷嘴58、62、76和78以及气体涡轮引擎12提供水和燃料的乳液，以改进燃烧反应，减少nox形成，减少烟灰形成，并改进燃烧过程。在所示实施方案中，水燃料乳化系统18可包括相对于彼此串联和/或并联布置的多个乳化器104。例如，乳化器104可包括以串联或顺序布置方式设置的第一系列乳化器106，以串联或顺序布置方式设置的第二系列乳化器108，以及以串联或顺序布置方式设置的第三系列乳化器110，其中乳化器106、108和110相对于彼此平行布置。
34.并联和串联布置的这些乳化器104被配置为提供不同水平的乳化和水燃料乳化的独立路径，以用于在整个气体涡轮引擎12的各个位置中使用。例如，如下面进一步详细讨论的，可以使用不同的乳化技术并且/或者可以提供乳化水和燃料的特性，这取决于某些操作条件、喷射位置等。
35.水燃料乳化系统18被配置为从燃料供应系统20接收一种或多种燃料，如箭头117所指示。如图所示，燃料供应系统20中的每一者包括燃料供应源112，至少一个流动装置114
(例如，流量计、调节器和/或阀)以及至少一个泵116。燃料供应源112可包括燃料箱、管道、贮存器或另一种燃料源。燃料供应源112还可包括一个或多个燃料加热器或热交换器以控制燃料的温度。燃料可包括低等级燃料、高度粘性燃料、重质燃料油(hfo)、原油、柴油燃料和/或受污染的液体燃料。然而，在燃料供应源112中可以使用任何燃料。
36.更具体地，流动装置114可包括调节器、止回阀或联接到致动器的阀(例如，闸阀或球阀)，其可由控制系统28控制。在某些实施方案中，流动装置114可包括流量计，以监测燃料的流速，并且因此改进对在乳化器104中与水和乳化剂混合的燃料的百分比或比率的控制。泵116可包括泵区段和驱动区段，其中驱动区段可包括被配置为驱动泵区段的马达或驱动器(例如，变频驱动器(vfd))。vfd可被配置为提供对流速的更精确控制。泵116的泵区段可包括旋转泵和/或往复泵。
37.同样，流体供应系统16可包括一个或多个燃料供应系统20。这些燃料供应系统20中的每一个可以与另一个燃料供应系统20相同或不同。另外，燃料供应源112中的每一者可以与其他燃料供应源相同或不同。例如，一个燃料供应源112可以包括原油，另一个燃料供应源112可以包括受污染的液体燃料，另一个燃料供应源112可以包括生物燃料，另一个燃料供应源112可以包括其他废产物或劣质燃料，或它们的任何组合。在某些实施方案中，燃料供应系统20中的每一者可被配置为向水燃料乳化系统18中的仅一个或多个乳化器104供应液体燃料。例如，每个燃料供应系统20可被配置为向一系列乳化器106、108或110中的一者供应燃料。
38.水燃料乳化系统18还被配置为从水供应系统22中的一者或多者接收水。每个供水系统22可以包括水供应源118、流量装置120(例如，流量计、调节器和/或阀)以及泵122。类似于燃料供应源112，水供应源118可包括水箱、水管道、水贮存器或另一种水源。水供应源118还可包括一个或多个水加热器或热交换器以控制水的温度。流动装置120可包括调节器、止回阀或联接到致动器的阀(例如，闸阀或球阀)，其可由控制系统28控制。在某些实施方案中，流动装置120可包括流量计，以监测水的流速，并且因此改进对在乳化器104中与燃料和乳化剂混合的水的百分比或比率的控制。泵122可包括泵区段和驱动区段，其中驱动区段可包括被配置为驱动泵区段的马达或驱动器(例如，变频驱动器(vfd))。vfd可被配置为提供对流速的更精确控制。泵122的泵区段可包括旋转泵、往复泵、或泵的任何组合。水供应系统22向水燃料乳化系统18供应一股或多股水料流或水流，如箭头124所示。
39.水燃料乳化系统18还可包括一个或多个乳化剂供应系统24。乳化剂供应系统24中的每一者可包括乳化剂供应源126，至少一个流动装置128(例如，流量计、调节器和/或阀)以及至少一个泵130。试剂供应源126可包括试剂供应箱、试剂供应贮存器或另一合适的试剂供应存储介质。试剂供应源126还可包括一个或多个加热器或热交换器以控制乳化剂的温度。流动装置128可包括调节器、止回阀或联接到致动器的阀(例如，闸阀或球阀)，其可由控制系统28控制。在某些实施方案中，流动装置128可包括流量计，以监测乳化剂的流速，并且因此改进对在乳化器104中与水和燃料混合的乳化剂的百分比或比率的控制。泵130可包括泵区段和驱动区段，其中驱动区段可包括被配置为驱动泵区段的马达或驱动器(例如，变频驱动器(vfd))。vfd可被配置为提供对流速的更精确控制。泵130的泵区段可以包括往复泵和/或旋转泵。
40.每个乳化剂供应系统24被配置为向水燃料乳化系统18供应乳化剂，如箭头132所
指示。在某些实施方案中，单个乳化剂供应系统24可被配置为向所有乳化器104供应乳化剂，或者每个乳化剂供应系统24可被配置为向乳化器104中的一个或多个乳化器(诸如一系列乳化器106、108或110)供应乳化剂。在操作中，每个乳化器104被配置接收来自燃料供应系统20的燃料和来自水供应系统22的水。另外，根据操作模式、传感器反馈和控制输入，水燃料乳化系统18可被配置为从乳化剂供应系统24接收一种或多种乳化剂。
41.水燃料乳化系统18被配置为提供各种不同类型和组成的水燃料乳液。控制器152可被配置为控制水燃料乳液的产生以产生多种不同水燃料乳液，包括燃料包水(wif)乳液或水包燃料(fiw)乳液。多种不同水燃料乳液可包括不同的燃料或燃料百分比，不同的乳化剂或乳化剂百分比，不同的水百分比，或它们的组合。另外，多种不同水燃料乳液可包括分散在燃料中的不同尺寸的多个水滴(例如，wif乳液)和/或分散在水中的不同尺寸的多个燃料滴(例如，fiw乳液)。例如，不同尺寸的分散在燃料中的水滴和/或分散在水中的燃料滴可以小于大约5微米、10微米、15微米或20微米作为滴剂的平均直径。在某些实施方案中，水燃料乳化系统18和流体供应系统16可由控制系统28(例如，控制器152)控制，以提供不同比率或百分比的水、燃料和乳化剂的水燃料乳液，不同类型的乳液(例如，燃料包水[wif]乳液或水包燃料[fiw]乳液)，不同燃料，不同乳化剂，或燃料、乳化剂和水的不同混合物。
[0042]
燃料、水和乳化剂可以按各种方式混合以产生水燃料乳液。例如，乳化器104中的一个乳化器可被配置为在没有来自乳化剂供应系统24的乳化剂的情况下将来自燃料供应系统20中的一个燃料供应系统的燃料与来自水供应系统22中的一个水供应系统的水混合，而另一个乳化器104可被配置为将来自燃料供应系统20中的一个燃料供应系统的燃料、来自水供应系统22中的一个水供应系统的水和来自乳化剂供应系统24中的一个乳化剂供应系统的乳化剂混合。作为另外的示例，乳化器104中的一个乳化器可被配置为相对于水提供更大量的燃料以促进燃料包水(wif)乳液，而乳化器104中的另一个乳化器可被配置为相对于燃料提供更大量的水以产生水包燃料(fiw)乳液。作为另外的示例，乳化器104中的一个乳化器可配置有控制参数以将原油与水和乳化剂混合，而乳化器104中的另一个乳化器可配置为将受污染的液体燃料或生物燃料与水和乳化剂混合。
[0043]
以下示例可对应于产生wif和fiw乳液的水燃料乳液的组成。例如，控制器152可被配置为控制供应到水燃料乳化系统18的乳化器104的水、燃料和乳化剂的相对量，以产生具有第一组成的wif乳液，该第一组成具有第一百分比的水、大于第一百分比的水的第一百分比的燃料、以及等于零的第一百分比的乳化剂。在该示例中，第一百分比的水可以是1％至10％、2％至8％、3％至7％、或约5％，并且第一组成的剩余部分可以对应于燃料(例如，第一百分比的燃料可以是90％至99％、92％至98％、93％至97％、或约95％)。
[0044]
作为另一个示例，控制器152可被配置为控制供应到乳化器104的水、燃料和乳化剂的相对量以产生具有第二组成的wif乳液，该第二组成具有大于第一百分比的水的第二百分比的水、大于第二百分比的水且小于第一百分比的燃料的第二百分比的燃料、以及大于零的第二百分比的乳化剂。在该示例中，第二百分比的水可以是20％至30％，并且第二组成的剩余部分可以对应于燃料和乳化剂(例如，第二百分比的燃料可以是65％至79％，并且第二百分比的乳化剂可以是1％至5％)。
[0045]
控制器152还可被配置为控制供应到乳化器104的水、燃料和乳化剂的相对量以产生具有第三组成的水包燃料(fiw)乳液，该第三组成有大于第一百分比的水的第三百分比
的水、大于第三百分比的水且小于第一百分比的燃料的第三百分比的燃料、以及等于零的第三百分比的乳化剂。在该示例中，第三百分比的水可以是30％至50％，并且第二组成的剩余部分可以对应于燃料(例如，燃料的第三百分比可以是50％至70％)。
[0046]
因此，水燃料乳化系统18可以使用不同乳化器104以提供不同类型的乳液；不同比率的水、燃料、以及任选乳化剂；以及基于不同燃料和/或乳化剂的不同组成。在某些实施方案中，水燃料乳化系统18可被配置为根据气体涡轮引擎12的操作条件(诸如启动条件、稳态条件、瞬态条件、部分负载条件、全负载条件、不同排放要求、不同环境条件、不同燃料组成或质量等)来改变水燃料乳液的参数。
[0047]
由水燃料乳化系统18产生的水燃料乳液可经由乳液分配系统26分配在整个气体涡轮引擎12中。如图所示，乳液分配系统26可包括一个或多个流体分配歧管134、一个或多个阀136以及一个或多个流体分隔器或组合器138。例如，每个歧管134可以被配置为将输入流分配成多个输出流；阀136可以包括止回阀、闸阀、球阀或其他可致动阀；并且这些分隔器或组合器138可被配置为分离或组合水燃料乳液的流体流。
[0048]
乳液分配系统26可经由一个或多个乳液分配管线或导管140流体联接到气体涡轮引擎12。例如，在某些实施方案中，单个管线可流体联接到所有燃料喷嘴58、62、76和78。然而，在一些实施方案中，多个燃料回路可用于控制乳液并将其分配到各个燃料喷嘴58、62、76和78。例如，导管140中的每一者可联接到燃料喷嘴58、62、76和78的一个或多个子集。在某些实施方案中，燃料喷嘴58可包括主燃料喷嘴或中心燃料喷嘴以及次级燃料喷嘴或外围燃料喷嘴。因此，导管140可经由第一燃料回路或导管142联接到中心燃料喷嘴58，并且经由第二燃料流体回路或导管144独立地联接到外围燃料喷嘴或次级燃料喷嘴58。导管140还可以包括联接到侧向燃料喷嘴62的独立导管146，联接到燃料喷嘴76的独立导管148，以及联接到侧向燃料喷嘴78的独立燃料导管150。在某些实施方案中，这些独立管道142、144、146、148和150中的每一者可包括联接到控制系统28的可致动阀，以提供对到相应燃料喷嘴58、62、76和78的流动的独立控制。因此，可以控制水燃料乳液到这些燃料喷嘴58、62、76、78中的每一者的流动以改进燃烧，减少nox形成，减少烟灰形成，并且控制整个燃烧过程。
[0049]
气体涡轮引擎12和流体供应系统16可由控制系统28和监测系统30控制和监测。控制系统28可包括一个或多个控制器152，每个控制器具有一个或多个处理器154、存储器156以及存储在存储器156上并可由处理器154执行的指令158。例如，控制器152可包括用于操作气体涡轮引擎12，水燃料乳化系统18，通过乳液分配系统26的乳液分配，通过燃料供应系统20的燃料供应，通过水供应系统22的水供应以及通过乳化剂供应系统24的乳化剂供应的各种控制。监测系统30可包括各种监测功能或子系统。
[0050]
如图所示，监测系统30包括传感器反馈采集系统160，其可包括涡轮监测器162、乳液监测器164、供应监测器166和分配监测器168。监测系统30还通信地联接到分布在整个气体涡轮系统10中的各种传感器170。传感器170(在图1至图3中用s指定)经由一条或多条监测或通信管线172通信地联接到监测系统30。如图所示，传感器170联接到沿着压缩机区段34、主燃烧器38、主涡轮区段40、次级燃烧器44、次级涡轮区段46、负载14、水燃料乳化系统18、燃料供应系统20、水供应系统22，乳化剂供应系统24和乳液分配系统26的一个或多个位置。这些传感器170可以包括温度传感器、压力传感器、流量传感器、振动传感器、废气排放传感器、燃烧动态或组成传感器、流体组成传感器、泄漏传感器或它们的任何组合。传感器
170向监测系统30提供传感器反馈，该监测系统然后使用传感器反馈来促进各种监测器(或监测功能)162、164、166和168。
[0051]
监测器162、164、166和168监测气体涡轮系统10，以促进控制系统28的控制功能。涡轮监测器162被配置为监测气体涡轮引擎12的操作特性，诸如启动条件、稳态条件、瞬态条件、部分负载或全负载条件、燃烧动力学、燃烧产物中的废气排放、燃烧的火焰温度，或可用于促进经由控制系统28的控制的任何其他合适的参数。所监测的废气排放可包括氮氧化物(nox)、烟灰、二氧化碳(co2)、一氧化碳(co)和硫氧化物(sox)。
[0052]
乳液监测器164可被配置为监测水燃料乳化系统18的各方面，诸如燃料、水和乳化剂的比率，水燃料乳液的特性或类型(例如，wif乳液或fiw乳液)，流体供应源或乳液的压力，或任何其他特性。供应监测器166可具体地被配置为监测燃料供应系统20、水供应系统22和乳化剂供应系统24。例如，供应监测器166可被配置为监测从流体供应系统16(例如，20、22、24)到水燃料乳化系统18的流体流动(例如，117、124、132)的流体供应源(例如，112、118、126)的量或水平、供应压力、供应流速、供应温度、潜在泄漏或其他特性。
[0053]
分配监测器168被配置为监测水燃料乳液通过乳液分配系统26的分配。因此，分配监测器168可以监测流体压力，流体流速，温度，泄漏，乳液的组成，或影响乳液到各个燃料喷嘴58、62、76和78的分配的其他特性。总之，各种监测器162、164、166和168帮助控制系统28控制气体涡轮引擎12的操作，控制水燃料乳液的产生和分配，以及控制燃烧室66和80中的燃烧反应和排放水平。
[0054]
图2是具有多个乳化器104的水燃料乳化系统18的一部分的实施方案的示意图。如图所示，水燃料乳化系统18具有燃料供应系统20中的一个燃料供应系统，水供应系统22中的一个水供应系统，以及联接到乳化器104的乳化剂供应系统24中的一个乳化剂供应系统。燃料供应系统20的燃料供应源112、流动装置114和泵116流体联接到乳化器104。类似地，水供应系统22的水供应源118、流动装置120和泵122流体联接到乳化器104。乳化剂供应系统24的试剂供应源126、流动装置128和泵130流体联接到乳化器104。尽管在图2的实施方案中仅示出了每个供应系统20、22和24中的一者，但是可以包括供应系统中的两个或更多个供应系统，以在流体供应源和乳液到各种燃料喷嘴的独立控制和分配方面提供更大的灵活性。如图所示，乳化器104分别通过相应的管线或导管202、204和206接收燃料、水和试剂。每个乳化器104可分别经由具有阀214、216和218的分支管线208、210和212联接到管线或导管202、204和206。因此，阀214，216和218可被配置为帮助控制燃料、水和试剂到乳化器104中的每个乳化器的分配和流动。
[0055]
乳化器104中的每个乳化器被配置为在使用或不使用乳化剂的情况下乳化燃料和水。乳化器104中的每个乳化器可包括一个或多个设置在乳化器104的主体或外壳222周围或内部的乳化诱导器或搅拌器220。搅拌器220可包括机械结构，诸如固定筛、突起、凹陷或其他被配置为混合流体的特征。搅拌器220可包括旋转叶片或叶轮、振动诱导器、声学搅拌器、不同流体的冲击流，或它们的任何组合。乳化器104中的每个乳化器可被配置为独立于其他乳化器104操作，使得乳化器104可被配置为提供水、燃料和乳化剂的不同乳液。无论如何，每个乳化器104被配置为输出水燃料乳液，如箭头224所指示。水燃料乳化系统18被配置为使乳液224穿行到乳液分配系统26。
[0056]
如图所示，乳液分配系统26包括歧管134、阀136、以及位于乳化器104和燃料喷嘴
228之间的热交换器226。每个歧管134包括至少一个流体入口通道230、多个流体出口通道232、以及位于通道230和232之间的公共或连接通道234。出口通道232中的每个出口通道沿着在歧管134和燃料喷嘴228中的一个燃料喷嘴之间延伸的出口或分配导管236流体联接到阀136中的一个阀和热交换器226中的一个热交换器。阀136被配置为选择性地打开和关闭水燃料乳液到相应燃料喷嘴228的流体流动。
[0057]
热交换器226被配置为与热流体238(例如，水)交换热量，该热流体经由具有阀242和泵244的热交换回路240流体联接到热交换器226。阀242被配置为打开和关闭，以启用或禁用热流体238通过热交换回路240的流动，而泵244被配置为迫使热流体238流过热交换回路240，以与热交换器226中的一个或多个热交换器或与热交换器226中的每个热交换器交换热量。例如，热流体238可以比水燃料乳液热，从而在递送到燃料喷嘴228之前将热量传递到水燃料乳液。然而，在某些实施方案中，热流体238可以比水燃料乳液冷，从而促进热量远离乳液传递到热交换器226中的热流体238中。控制系统28可被配置为控制阀242和泵244，以根据需要选择性地控制水燃料乳液和热流体238之间的热交换，从而在进入燃料喷嘴228之前控制乳液的温度。
[0058]
每个燃料喷嘴228(例如，58、62、76、78)被配置为将水燃料乳液喷射到燃烧室(例如，66、80)中，如上所讨论的。在所示实施方案中，水燃料乳化系统18具有多个系列的乳化器104、歧管134、阀136、热交换器226和燃料喷嘴228。例如，水燃料乳液系统18可包括这些系列中的1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个或更多个水燃料乳液系统，用于乳化水和燃料以递送到各种燃料喷嘴228中。在某些实施方案中，每个系列的乳化器104、歧管134、阀136、热交换器226和燃料喷嘴228可以与单个燃烧器(例如，66、80)或燃烧区段(例如，36、42)，多个燃烧器(例如，66、80)或燃烧区段(例如，36、42)，一个或多个燃料回路或它们的任何组合相关联。例如，每个系列可以与主燃料回路、次级燃料回路等相关联。在一些实施方案中，每个系列可以对应于不同气体涡轮引擎12，使得每个系列将燃料和水的乳液分配到联接到发电厂或其他设施中的负载14的不同气体涡轮引擎12。
[0059]
类似于图1，图2的水燃料乳化系统18具有在乳化器104、歧管134、阀136、热交换器226和燃料喷嘴228处联接到各种传感器170的监测系统30。传感器170(由字母“s”指示)经由一条或多条通信管线172联接到监测系统30。另外，控制系统28经由一条或多条控制管线159通信地联接到水燃料乳化系统18。例如，控制系统28在整个水燃料乳化系统18中通信地联接到流动装置114、120、128，阀214、216和218，泵116、122和130，阀136和其他设备。
[0060]
控制系统28可包括各种控制以促进水燃料乳化系统18的操作。例如，控制器152可以编程有乳化控制250、水/燃料分离控制252、搅拌控制254、瞬态操作控制256、稳态操作控制258、负载状态控制260、燃料包水(wif)乳液控制262和水包燃料(wif)乳液控制264。这些控制器250、252、254、256、258、260、262和264中的每一者被配置为改变水燃料乳化系统18的特性，从而根据来自传感器170的各种传感器反馈、用户输入或操作条件来改变提供给燃料喷嘴228的水燃料乳液224的一个或多个特性。
[0061]
控制器250、252、254、262和264可被配置为改变乳化器104中的乳化过程的各方面。乳化控制250可被配置为控制乳化器104和流体供应源20、22和24的各个方面，从而有助于控制乳化过程和水燃料乳液的组成。水/燃料分离控制252可被配置为控制从流体供应源20、22和24进入乳化器104的水、燃料和乳化剂的比率，从而有助于控制水燃料乳液224的组
成。搅拌控制254可被配置为控制乳化诱导器或搅拌器220中的每一者，诸如控制搅拌器220的位置、速度、强度或其他特性。控制262和264可被配置为根据期望的乳液类型改变水燃料乳化系统18的各方面。燃料包水(wif)乳液控制262被配置为调整或改变水燃料乳化系统18的特性，使得水作为燃料包水(wif)乳液被封装在燃料内部。相反，水包燃料(fiw)乳液控制264被配置为调整或改变水燃料乳化系统18的特性，从而提供水包燃料(fiw)乳液。这些控制250、252、254、262和264被配置为独立地和/或协作地操作以调整水燃料乳液224。
[0062]
控制256、258和260可被配置为根据气体涡轮系统10的操作条件和负载来改变水燃料乳化系统18的各方面。例如，瞬态操作控制256可被配置为在水燃料乳化系统18和/或气体涡轮引擎12的瞬态操作条件(诸如启动条件、关闭条件或操作期间通常不稳定的条件)期间控制或改变水燃料乳化系统18的各方面。稳态操作控制258可被配置为在水燃料乳化系统18和/或气体涡轮引擎12的稳态条件(诸如在启动条件和关闭条件之间的相对连续或稳定的条件)期间调整或改变水燃料乳化系统18的特性。负载状态控制器260可以被配置为根据气体涡轮引擎12的负载状态(诸如全负载条件或部分负载条件)来调整水燃料乳化系统18的特性。因此，水燃料乳化系统18可以根据负载调整或改变水燃料乳液的特性。这些控制256、258和260被配置为与控制250、252、254、262和264独立地和/或协作地操作以调整水燃料乳液224。
[0063]
图3是水燃料乳液系统18的实施方案的示意图，示出了具有多种不同类型的乳化诱导器或搅拌器220的乳化器104。如图所示，搅拌器220联接到乳化器104的主体222并可延伸到该主体中。例如，搅拌器220包括流体冲击搅拌器280、旋转搅拌器282、旋转搅拌器284、固定搅拌器286、声学搅拌器288、振动搅拌器290、或这些搅拌器的任何组合，它们一起集成到公共单元中。出于讨论的目的，可以参考轴向方向或轴线292、径向方向或轴线294、以及围绕轴向方向或轴线292延伸的周向方向或轴线296。这些轴线或方向292、294和296中的每一者相对于乳化器104的纵向轴线298。搅拌器220以相对于纵向轴线298的各种取向并且通过主体222的内部316联接到主体222的各种侧面。
[0064]
流体冲击搅拌器280包括多个流体喷射器或喷嘴300，其被配置为将燃料20、水22和试剂24喷射到乳化器104的主体222中以促进不同流体的混合。如图所示，流体喷射器300包括流体喷射器302和流体喷射器304，它们相对于彼此交叉(例如，垂直或成锐角)取向以促进流体的混合。例如，流体喷射器302可以沿着轴向方向292取向，而流体喷射器304可以沿着径向方向294取向。在一些实施方案中，流体喷射器302和/或304可以按一定角度取向以促进围绕乳化器104的纵向轴线298的涡流流动。例如，燃料喷射器302可大致沿着轴向方向292在周向方向296上以微小角度(例如，相对于纵向轴线298成5度、10度、15度、20度、25度或30度)取向，诸如围绕纵向轴线298沿顺时针或逆时针方向。类似地，流体喷射器304可大致沿径向方向294以一定角度围绕纵向轴线298取向，使得流体喷射器304沿周向方向296引导流体流。在某些实施方案中，流体喷射器302和304被配置为使流体流彼此冲击，如表示喷射流体料流的箭头306和308所指示。
[0065]
喷射流体料流306和308也可限制在乳化器104的主体222的外侧壁310与设置在主体222的内部316内的中心毂314的外侧壁312之间。因此，侧壁310和312可限定受限的腔或流动路径318以进一步增强流体料流306和308之间的混合。例如，受限流动路径318可以是围绕毂314延伸并且沿轴向方向292延伸的环形流动路径。流体冲击搅拌器280被配置为增
强燃料20与水22和任选试剂24在该受限流动路径318中的混合和乳化。在某些实施方案中，毂314还可被配置为与旋转搅拌器282的其他方面一起旋转地移动。
[0066]
旋转搅拌器282包括经由轴324联接到旋转推进器322的驱动器320。在操作中，驱动器320被配置为经由轴324旋转推进器322，以促进燃料20、水22和任选试剂24在乳化器104的内部316内的混合，从而有助于促进乳化。推进器322的直径可以等于、小于或大于毂314的外径。因此，推进器322可以沿径向方向294部分地延伸跨过受限流动路径318。驱动器320可包括电动马达或驱动器，液压马达或驱动器，气动马达或驱动器，或任何其他合适的马达或驱动器。驱动器320还可被配置为沿着纵向轴线298沿轴向方向292移动推进器322和轴324以促进混合，诸如以一定频率使推进器322和轴324往复运动。
[0067]
旋转搅拌器284包括联接到旋转毂328的驱动器326，该旋转毂可包括从环形外壁332向内延伸的多个径向突起或辐条330。驱动器326被配置为使具有多个径向突起330的环形壁332旋转，从而促进燃料20、水22和任选试剂24的混合并改进其乳化。在某些实施方案中，外环形壁332可沿着主体222的外侧壁310密封，使得驱动器326可沿着乳化器104的外部直接旋转环形外壁332。然而，在某些实施方案中，驱动器326可以经由另一种驱动技术来促进环形外壁332的旋转，诸如联接到旋转毂328的带或链条驱动的组件。另外，驱动器326可以被配置为使旋转毂328沿轴向方向292和/或径向方向294以一定频率来回移动以促进附加混合。类似于驱动器320，驱动器326可包括电动马达或驱动器，液压马达或驱动器，气动马达或驱动器，或另一种合适的马达或驱动器。
[0068]
固定搅拌器286可包括一个或多个筛网334，该筛网具有沿第一方向延伸跨过内部316的多条金属丝或线336，以及沿第二方向延伸跨过内部316的多条第二金属丝或线338的网格，其中金属丝或线336和338彼此交叉延伸。例如，线336和338可以彼此垂直取向以限定跨过内部316的网格。在一些实施方案中，线336和338可以从一个屏幕334错开到另一个屏幕。如图所示，具有筛网334的固定搅拌器286可设置在内部316内的多个位置处，例如旋转搅拌器282的下游和旋转搅拌器284的上游。然而，乳化器104的实施方案可以具有一组或多组在不同位置处具有筛网334的固定搅拌器286。
[0069]
声学搅拌器288被配置为将声学能量或声波能量提供到乳化器104的一个或多个位置中，诸如如箭头340、342和344所指示的主体222的外侧壁310中，如箭头346和348所指示的流体冲击搅拌器280的流体喷射器302和304中，如箭头350所指示的旋转搅拌器282和284中的一者或两者中，或者直接在乳化器104处、在各个搅拌器220处、在乳化器104的上游和/或在乳化器104的下游的任何其他位置。声学搅拌器288被配置为提供声波形式的声学能量或声波能量(例如，超声能量)。因此，声学搅拌器288可包括被配置为将超声波提供到乳化器104的各个位置中的超声搅拌器。超声波能量被配置为帮助混合和乳化燃料20、水22和任选试剂24。
[0070]
振动搅拌器290被配置为在乳化器104的各个位置处提供振动能量。例如，振动搅拌器290可以将振动能量施加到乳化器104的外侧壁310，如箭头352所指示；施加到固定搅拌器286的筛网334中的一者或多者，如箭头354所指示；施加到流体冲击搅拌器280的流体喷射器302和304中的一者或多者，如箭头356和358所指示；或者施加到旋转搅拌器282和284中的一者或两者，如箭头360所指示。振动能量被配置为帮助引起燃料20与水22和任选试剂24的混合和乳化。振动搅拌器290可被设置在围绕乳化器104的一个或多个位置处，诸
如周向地围绕外侧壁310或沿着乳化器104的主体222的相对端壁362和364中的一者或两者。
[0071]
图3所示的搅拌器220可在乳化器104中的每一者中以相对于彼此的任何组合、取向或顺序使用。例如，如果乳液系统18包括如图1所指示的彼此平行的多个系列106、108和110中的乳化器104，则这些乳化器104中的每一者可具有相对于彼此呈不同布置方式或相同布置方式的搅拌器220中的一者或多者。因此，搅拌器220的多个级可用于不同乳化器104。在某些实施方案中，流体冲击搅拌器280可以在流体喷射器302和304中的一者或两者中喷射燃料20、水22和任选试剂24。例如，流体喷射器302可以仅用于喷射燃料20、水22、或试剂24、或者这些流体中的两种或全部流体的组合。类似地，流体喷射器304可用于仅喷射燃料20、水22或试剂24，或者这些流体喷射器304可用于这些流体中的两种或全部流体。另外，流体喷射器302和304可被配置为使得燃料20和水22成对，使得料流306和308对应于燃料20和水22的料流。
[0072]
控制器152被配置为经由联接到每个相应搅拌器220的控制管线159控制所示搅拌器220中的每一者。如上所讨论的，控制器152还可以响应于来自监测系统30的传感器反馈。监测系统30通信地联接到控制系统28和分布在整个乳化器104中的各种传感器170。例如，一个或多个传感器170可联接到搅拌器220中的每一者。传感器170可被配置为监测这些搅拌器220的操作和/或乳化器104内的内部条件。
[0073]
图4是具有多个乳化级370的水燃料乳化系统18的实施方案的示意图，该多个乳化级包括第一乳化级372，第二乳化级374，第三乳化级376和直到第n乳化级378的一系列附加乳化级。乳化级370中的每一者可包括如上所讨论的搅拌器220中的一者或多者，诸如参考图3所述。例如，第一乳化级372可包括流体冲击搅拌器280，第二乳化级374可包括旋转搅拌器282，并且第三乳化级376可包括固定搅拌器286。另一个乳化级可以包括声学搅拌器288、振动搅拌器290、固定搅拌器286和/或旋转搅拌器284。因此，乳化级370可以用相同或不同搅拌器220中的一者或多者继续，直到第n乳化级378。在某些实施方案中，乳化级370中的每一者可包括与先前或随后乳化级370相同的搅拌器220中的一者或多者。
[0074]
乳化级370的顺序可以逐渐改变水燃料乳液224的特性。例如，第一乳化级372可产生具有第一特性的水燃料乳液380，第二乳化级374可产生具有第二特性的水燃料乳液382，第三乳化级376可产生具有第三特性的水燃料乳液384，依此类推，直到第n乳化级378产生具有第n特性的水燃料乳液386。不同水燃料乳液380、382、384和386的特性可包括设置在载流体中的不同滴剂尺寸，燃料、水与试剂之间的不同比率，不同类型的水燃料乳液，不同的总体组成或它们的任何组合。例如，不同类型的水燃料乳液可包括具有在连续或主要水流中携带的燃料滴的水包燃料(fiw)乳液，或者水燃料乳液可包括具有设置在主要燃料流中的水滴的燃料包水(wif)乳液。在某些实施方案中，根据水燃料乳液的类型，可以应用于燃料滴或水滴的不同滴剂尺寸可以在乳化级370中从一个级到另一个级逐渐减小。燃料、水和试剂的比率也可以按这些不同流体的质量百分比变化。水燃料乳液中的不同组成也可对应于不同乳液中使用的不同试剂，或在随后级370中添加的不同试剂。不同组成还可包括水燃料乳液中的不同燃料，或在随后级370中添加的不同燃料。
[0075]
因此，水燃料乳化系统18产生具有潜在不同特性的水燃料乳液380、382、384和386，其然后可在沿着如导管388、390、392、394所指示的不同提取导管的不同点处提取。导
管388从第一乳化级372延伸到第一燃料喷嘴396，并且包括联接到控制系统28的阀398，以使得能够选择性地控制水燃料乳液380到第一燃料喷嘴396的流动。类似地，导管390从第二乳化级374延伸到第二燃料喷嘴400，并且包括联接到控制系统28的阀402，以便选择性地控制水燃料乳液382到第二燃料喷嘴400的流动。导管392从第三乳化级376延伸到第三燃料喷嘴404，并且包括联接到控制系统28的阀406，以便选择性地控制第三水燃料乳液384到第三燃料喷嘴404的流动。附加导管、阀和喷嘴联接到随后乳化级370，直到第n乳化级378。导管394从第n乳化级378延伸到第n燃料喷嘴408，并且阀410沿着导管394设置并联接到控制系统28，以便选择性地控制水燃料乳液386到第n燃料喷嘴408的流动。因此，水燃料乳化系统18被配置为使得不同水燃料乳液能够从不同的乳化级370受控地流动到气体涡轮引擎12中的不同的燃料喷嘴228。
[0076]
如图所示，燃料供应系统20、水供应系统22和乳化剂供应系统24联接到第一乳化级372。然而，这些供应源20、22和24中的一者或多者可联接到每个随后级370，诸如第二乳化级374、第三乳化级376和第n乳化级378，以在从一个级到另一个级对流进行乳化时添加附加燃料、水和/或试剂。例如，随后乳化级370可接收相同或不同燃料和/或试剂以改变水燃料乳液的组成。
[0077]
图5是发生在燃料喷嘴228下游的燃烧区或室422中的燃料包水(wif)乳液燃烧过程420的实施方案的示意图。燃料喷嘴228可以对应于以上详细讨论的燃料喷嘴中的任一种，包括但不限于燃料喷嘴58、62、76、78、228、396、400、404和408。如图所示，燃料喷嘴228将燃料包水(wif)乳液424(例如，通过一次雾化形成的wif喷雾)喷射到燃烧室422中，使得燃烧室422内的热量有助于引起设置在每个燃料滴428内的水滴426的微爆炸。水滴426在燃料滴428之前蒸发，从而使水滴426在燃料滴428的主体内变成蒸气。蒸发水滴426产生向外的力或压力以使燃料滴428爆炸(即，微爆炸)，这导致燃料滴428二次雾化成更精细雾化的燃料滴。如图5所示，箭头430指示由内部水滴426的蒸发引起的燃料滴428的微爆炸。所得的精细雾化的燃料滴由滴剂432指示。此时，精细雾化的燃料滴迅速蒸发并与空气混合，并经历燃烧，如燃烧燃料滴434所指示。wif乳液424的这种微爆炸过程提供了更好的燃烧，同时水有助于减少nox和烟灰的形成。wif乳液424比直接水喷射(例如，与燃料分离)消耗更少的水，由于使用更少的热量来蒸发水，导致热耗率提高和燃料节省。
[0078]
图6是图5的燃料包水(wif)乳液滴424中的一者的实施方案的示意图。如图所示，wif滴剂424具有分散在较大燃料滴428内的多个水滴426。水滴426的尺寸可取决于各种参数和如上所讨论的乳化器104中的搅拌器220的搅拌。例如，水滴426可具有小于5微米、10微米、15微米或20微米的平均直径。在某些实施方案中，水滴426可以具有介于1微米至15微米之间或介于5微米至10微米之间的平均直径。燃料滴428的尺寸可以对应于由燃料喷嘴228提供的雾化的特性。例如，燃料滴428可以具有介于25微米至200微米之间或介于50微米至100微米之间的平均直径。滴剂尺寸的范围包括该范围的端值。
[0079]
图7是图5的燃料包水(wif)乳液滴424中的一者的实施方案的示意图，示出了在wif乳液滴424内发生的微爆炸。如图所示，箭头430示出了由设置在燃料滴428内的水滴426的蒸发引起的向外压力或力。每个燃料滴428可以包括一个或多个水滴426，诸如1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个或更多个水滴426。这些水滴426中的每一者都蒸发以引起燃料滴428中的微爆炸，从而有助于将燃料滴428雾化成多个精细雾化的燃料滴432。
[0080]
图8是示出了由如上参考图5、图6和图7所讨论的在wif乳液滴424中发生的微爆炸产生的精细雾化的燃料滴432(即二次雾化)的示意图。精细雾化的燃料滴432可具有小于5微米、10微米、15微米、20微米、25微米或30微米的平均直径。例如，精细雾化的燃料滴432可以具有介于5微米至10微米之间的平均直径。
[0081]
图9是如上所讨论的用于在气体涡轮引擎12的一个或多个燃烧器内燃烧水燃料乳液的过程440的实施方案的流程图。如图所示，过程440可包括如框442所指示向一个或多个乳化器104供应水，如框444所指示向一个或多个乳化器104供应燃料，以及(任选地)如框446所指示向一个或多个乳化器104供应乳化剂。尽管顺序地列出，但应当理解，水、燃料和乳化剂的供应可以按不同的顺序发生或者可同时发生。
[0082]
过程440还包括控制一种或多种乳化器104中流体(例如，水、燃料和乳化剂)的比率，如框448所指示。例如，可以改变水、燃料和试剂之间的比率以提供更多或更少量的水、燃料或乳化剂来改变水燃料乳液的组成和类型。例如，燃料相对于水的更大比率可产生燃料包水(wif)乳液，其具有分散在连续体积或流量的燃料中的小水滴。另选地，水相对于燃料的更大比率可产生水包燃料(fiw)乳液，其中小燃料滴分散在连续体积或流量的水中。因此，过程440可包括控制一种或多种乳化器104中的乳液的类型(例如，燃料包水乳液或水包燃料乳液)，如框450所指示。
[0083]
比率的控制(框448)和乳液类型的控制(框450)可以彼此紧密相关，使得改变流体的比率也可以在wif型乳液和fiw型乳液之间改变乳液的类型。然而，控制流体的比率也可以帮助改变悬浮在另一流体内的一种流体的滴剂的组成和/或尺寸。另外，控制流体的比率(框448)可以包括选择性地选择不包括或包括一种或多种乳化剂(诸如表面活性剂)的比率。包括或排除不同量的乳化剂也可能对水燃料乳液的整体特性有影响。
[0084]
过程440还可包括在一种或多种乳化器104中乳化之前、期间和之后控制流体(例如，水、燃料和试剂)的搅拌，如框452所指示。例如，对搅拌的控制可以包括控制以上详细讨论的搅拌器220中的任一者或多者。例如，对搅拌的控制可包括控制喷射到乳化器104中的燃料、水和试剂的压力和流速，由振动搅拌器290进行的振动的强度或频率，由声学搅拌器288提供的声学搅拌的强度和频率，旋转搅拌器282和284的旋转速度，或它们的任何组合。
[0085]
过程440还可包括控制水燃料乳液的分配，如框454所指示。例如，分配控制454可包括选择性地打开和关闭各种阀，从而控制不同乳液到气体涡轮引擎12中的各种燃料喷嘴的流动。分配控制454可被配置为将相同水燃料乳液分配到不同燃料喷嘴、燃烧器和/或气体涡轮引擎，或者将不同水燃料乳液分配到不同燃料喷嘴、燃烧器和/或气体涡轮引擎。
[0086]
过程440还可以包括监测来自传感器的反馈，如框456所指示。例如，监测系统30可以监测来自传感器170的传感器反馈，如上所讨论的。过程440还可包括基于气体涡轮引擎12和水燃料乳化系统18的反馈和操作模式/状态来调整控制，如框458所指示。例如，框458的控制调整可包括由水燃料乳化系统18提供的水燃料乳液的特性的变化，这取决于气体涡轮引擎12的操作模式(例如，稳态、启动、关闭或瞬态条件)、气体涡轮引擎12的负载状态(例如，部分负载或全负载)、环境条件(例如，湿度、温度或其他参数)、排放要求、负载需求(例如，电力网需求)、或它们的任何组合。
[0087]
所公开的实施方案的技术效果包括在气体涡轮引擎的燃烧器中产生、分配和燃烧水燃料乳液。例如，水燃料乳液可以作为燃料包水(wif)乳液供应，其有助于在燃料滴内部
发生水滴的微爆炸时进一步雾化燃料。继而，燃料通过微爆炸更精细地雾化，从而导致燃料更多地蒸发并且与空气更好地混合。燃料继而在燃烧器中更完全且均匀地燃烧。因此，wif乳液有助于减少燃烧过程中nox和烟灰的形成，同时与将水单独喷射到燃烧器中相比使用较少的水。例如，相对于直接水喷射(即，与燃料分离)，水燃料乳液(例如，wif乳液)可有助于将nox排放降低30％至50％，将烟灰排放降低60％至90％，将燃料消耗降低3％至15％，并将水消耗降低40％至60％。
[0088]
如以下阐述的，以上详细描述的主题可以由一个或多个条款来限定。
[0089]
一种系统包括气体涡轮引擎，该气体涡轮引擎具有带有第一燃料喷嘴的第一燃烧器，其中第一燃料喷嘴被配置为将水燃料乳液供应到第一燃烧器中。水燃料乳液包括具有分散在燃料中的多个水滴的燃料包水(wif)乳液，其中多个水滴被配置为在燃料内汽化以引起微爆炸来雾化燃料，并且所雾化的燃料被配置为燃烧以产生燃烧气体。该系统还包括由来自第一燃烧器的燃烧气体驱动的涡轮。
[0090]
根据前述条款所述的系统，包括控制器，该控制器被配置为控制水燃料乳液的产生以产生wif乳液。
[0091]
根据任一项前述条款所述的系统，包括乳化器，该乳化器被配置为使水和燃料乳化以产生水燃料乳液，其中控制器被配置为控制水和燃料之间的比率以控制水燃料乳液的产生以产生wif乳液。
[0092]
根据任一项前述条款所述的系统，其中乳化器包括声学搅拌器、振动搅拌器、旋转搅拌器、流体冲击搅拌器、固定搅拌器或它们的组合。
[0093]
根据任一项前述条款所述的系统，其中控制器被配置为控制供应到乳化器的水、燃料和乳化剂的相对量以产生第一组成并且任选地产生第二组成；其中第一组成具有第一百分比的水，大于第一百分比的水的第一百分比的燃料，以及等于零的第一百分比的乳化剂；并且其中第二组成具有大于第一百分比的水的第二百分比的水，大于第二百分比的水且小于第一百分比的燃料的第二百分比的燃料，以及大于零的第二百分比的乳化剂。
[0094]
根据任一项前述条款所述的系统，其中控制器被配置为控制供应到乳化器的相对量以产生具有第三组成的水包燃料(fiw)乳液，该第三组成具有大于第一百分比的水的第三百分比的水，大于第三百分比的水且小于第一百分比的燃料的第三百分比的燃料，以及等于零的第三百分比的乳化剂。
[0095]
根据任一项前述条款所述的系统，其中控制器被配置为控制水燃料乳液的产生以产生wif乳液，其中多个水滴中的每个水滴的平均直径小于15微米。
[0096]
根据任一项前述条款所述的系统，其中控制器被配置为控制水燃料乳液的产生以产生包括wif乳液的多种不同水燃料乳液。
[0097]
根据任一项前述条款所述的系统，其中多种不同水燃料乳液包括不同的燃料或燃料百分比，不同的乳化剂或乳化剂百分比，不同的水百分比，或它们的组合。
[0098]
根据任一项前述条款所述的系统，其中多种不同水燃料乳液包括分散在燃料中的不同尺寸的多个水滴。
[0099]
根据任一项前述条款所述的系统，其中控制器被配置为控制多种不同水燃料乳液到包括第一燃料喷嘴的多个不同燃料喷嘴的分配。
[0100]
根据任一项前述条款所述的系统，其中多个不同燃料喷嘴设置在第一燃烧器中。
[0101]
根据任一项前述条款所述的系统，其中多个不同燃料喷嘴设置在包括第一燃烧器的多个不同燃烧器中。
[0102]
一种系统包括控制器，该控制器被配置为控制经由第一燃料喷嘴将水燃料乳液供应到气体涡轮引擎的第一燃烧器中，水燃料乳液包括具有分散在燃料中的多个水滴的燃料包水(wif)乳液，其中多个水滴被配置为在燃料内汽化以引起微爆炸来雾化燃料，并且所雾化的燃料被配置为燃烧以产生燃烧气体来驱动气体涡轮引擎的涡轮。
[0103]
根据前述条款所述的系统，包括乳化器，该乳化器被配置为使水和燃料乳化以产生水燃料乳液，其中控制器被配置为控制水和燃料之间的比率以控制水燃料乳液的产生以产生wif乳液。
[0104]
根据任一项前述条款所述的系统，其中乳化器包括声学搅拌器，并且声学搅拌器包括超声搅拌器。
[0105]
根据任一项前述条款所述的系统，其中控制器被配置为控制水燃料乳液的产生以产生水包燃料(fiw)乳液以用于供应到第一燃烧器或第二燃烧器中。
[0106]
根据任一项前述条款所述的系统，其中控制器被配置为控制水燃料乳液的产生以产生包括wif乳液的多种不同水燃料乳液，其中控制器被配置为控制多种不同水燃料乳液到包括第一燃料喷嘴的多个不同燃料喷嘴的分配。
[0107]
一种方法包括经由第一燃料喷嘴将水燃料乳液供应到气体涡轮引擎的第一燃烧器中，其中水燃料乳液包括具有分散在燃料中的多个水滴的燃料包水(wif)乳液。该方法包括使燃料内的多个水滴汽化以引起微爆炸来雾化燃料。该方法还包括燃烧所雾化的燃料以产生燃烧气体来驱动气体涡轮引擎的涡轮。
[0108]
根据前述条款所述的方法，包括控制水燃料乳液的产生以产生包括wif乳液的多种不同水燃料乳液，以及控制多种不同水燃料乳液到包括第一燃料喷嘴的多个不同燃料喷嘴的分配。
[0109]
本发明的又一些方面由以下条款的主题提供：
[0110]
1.一种系统，包括：气体涡轮引擎，该气体涡轮引擎包括：具有第一燃料喷嘴的第一燃烧器，其中第一燃料喷嘴被配置为将水燃料乳液供应到第一燃烧器中，水燃料乳液包括具有分散在燃料中的多个水滴的燃料包水(wif)乳液，其中多个水滴被配置为在燃料内汽化以引起微爆炸来雾化燃料，并且所雾化的燃料被配置为燃烧以产生燃烧气体；以及涡轮，该涡轮由来自第一燃烧器的燃烧气体驱动。
[0111]
2.根据任一项前述条款所述的系统，包括控制器，该控制器被配置为控制水燃料乳液的产生以产生wif乳液。
[0112]
3.根据任一项前述条款所述的系统，包括乳化器，该乳化器被配置为使水和燃料乳化以产生水燃料乳液，其中控制器被配置为控制水和燃料之间的比率以控制水燃料乳液的产生以产生wif乳液。
[0113]
4.根据任一项前述条款所述的系统，其中乳化器包括声学搅拌器、振动搅拌器、旋转搅拌器、流体冲击搅拌器、固定搅拌器或它们的组合。
[0114]
5.根据任一项前述条款所述的系统，其中控制器被配置为控制供应到乳化器的水、燃料和乳化剂的相对量以产生具有第一组成的wif乳液，并且任选地产生具有第二组成的wif乳液；其中第一组成具有第一百分比的水，大于第一百分比的水的第一百分比的燃
料，以及等于零的第一百分比的乳化剂；并且其中第二组成具有大于第一百分比的水的第二百分比的水，大于第二百分比的水且小于第一百分比的燃料的第二百分比的燃料，以及大于零的第二百分比的乳化剂。
[0115]
6.根据任一项前述条款所述的系统，其中控制器被配置为控制供应到乳化器的相对量以产生具有第三组成的水包燃料(fiw)乳液，该第三组成具有大于第一百分比的水的第三百分比的水，大于第三百分比的水且小于第一百分比的燃料的第三百分比的燃料，以及等于零的第三百分比的乳化剂。
[0116]
7.根据任一项前述条款所述的系统，其中控制器被配置为控制水燃料乳液的产生以产生wif乳液，其中多个水滴中的每个水滴的平均直径小于15微米。
[0117]
8.根据任一项前述条款所述的系统，其中控制器被配置为控制水燃料乳液的产生以产生包括wif乳液的多种不同水燃料乳液。
[0118]
9.根据任一项前述条款所述的系统，其中多种不同水燃料乳液包括不同的燃料或燃料百分比，不同的乳化剂或乳化剂百分比，不同的水百分比，或它们的组合。
[0119]
10.根据任一项前述条款所述的系统，其中多种不同水燃料乳液包括分散在燃料中的不同尺寸的多个水滴。
[0120]
11.根据任一项前述条款所述的系统，其中控制器被配置为控制多种不同水燃料乳液到包括第一燃料喷嘴的多个不同燃料喷嘴的分配。
[0121]
12.根据任一项前述条款所述的系统，其中多个不同燃料喷嘴设置在第一燃烧器中。
[0122]
13.根据任一项前述条款所述的系统，其中多个不同燃料喷嘴设置在包括第一燃烧器的多个不同燃烧器中。
[0123]
14.一种系统，包括控制器，该控制器被配置为控制经由第一燃料喷嘴将水燃料乳液供应到气体涡轮引擎的第一燃烧器中，其中水燃料乳液包括具有分散在燃料中的多个水滴的燃料包水(wif)乳液，其中多个水滴被配置为在燃料内汽化以引起微爆炸来雾化燃料，并且所雾化的燃料被配置为燃烧以产生燃烧气体来驱动气体涡轮引擎的涡轮。
[0124]
15.根据任一项前述条款所述的系统，包括乳化器，该乳化器被配置为使水和燃料乳化以产生水燃料乳液，其中控制器被配置为控制水和燃料之间的比率以控制水燃料乳液的产生以产生wif乳液。
[0125]
16.根据任一项前述条款所述的系统，其中乳化器包括声学搅拌器，并且声学搅拌器包括超声搅拌器。
[0126]
17.根据任一项前述条款所述的系统，其中控制器被配置为控制水燃料乳液的产生以产生水包燃料(fiw)乳液以用于供应到第一燃烧器或第二燃烧器中。
[0127]
18.根据任一项前述条款所述的系统，其中控制器被配置为控制水燃料乳液的产生以产生包括wif乳液的多种不同水燃料乳液，其中
[0128]
控制器被配置为控制多种不同水燃料乳液到包括第一燃料喷嘴的多个不同燃料喷嘴的分配。
[0129]
19.一种方法，包括：经由第一燃料喷嘴将水燃料乳液供应到气体涡轮引擎的第一燃烧器中，其中水燃料乳液包括具有分散在燃料中的多个水滴的燃料包水(wif)乳液；使燃料内的多个水滴汽化以引起微爆炸来雾化燃料；以及燃烧所雾化的燃料以产生燃烧气体来
驱动气体涡轮引擎的涡轮。
[0130]
20.根据任一项前述条款所述的方法，包括：控制水燃料乳液的产生以产生包括wif乳液的多种不同水燃料乳液；以及控制多种不同水燃料乳液到包括第一燃料喷嘴的多个不同燃料喷嘴的分配。
[0131]
此书面描述使用示例来描述本实施方案，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员能够实践当前公开的实施方案，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。当前公开的的实施方案的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求书的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，则此类其他示例预期在权利要求书的范围内。