CN102162648A - 对燃烧器的首端提供高压空气的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对燃烧器的首端提供高压空气的系统和方法。一种燃烧器(600)包括第一流径和第二流径。第一流径将扩散器设置成(690)通过中间的下部燃烧器环形通路(688)与燃烧器帽组件(650)间接流体连通。第二流径将扩散器(690)设置成与燃烧器帽组件(650)直接流体连通。

Description

对燃烧器的首端提供高压空气的系统和方法

技术领域

本公开大体涉及对燃烧器的首端提供高压空气的系统和方法，并且更具体而言，涉及冷却燃烧器帽组件的系统和方法。

背景技术

燃气轮机通常包括压缩机、若干燃烧器以及涡轮。典型地，压缩机和涡轮沿着共用轴线对准，并且燃烧器定位在压缩机和涡轮之间，绕着共用轴线成圆形阵列。在运行中，压缩机产生压缩空气，压缩空气供应给燃烧器。燃烧器燃烧压缩空气与燃料，以产生热的燃烧产物，该燃烧产物供应给涡轮。涡轮从热的燃烧产物中提取能量来驱动负载。

为了提高效率，现代燃烧器以足够高到损害燃烧器结构以及产生污染物(例如氮氧化物(NOx))的温度来运行。通过在预混合空气与燃料来形成空气-燃料混合物(当燃烧时，这会产生更低水平的NOx)之前将压缩空气引导到燃烧器外部上(这会冷却燃烧器)来减轻这些风险。

出于这些原因，燃烧器典型地包括流动套管，流动套管限定了绕着燃烧器的环形通路。环形通路通过定位在燃烧器附近的扩散器来接收来自压缩机的空气。为了冷却的目的，空气冲击在过渡管道和燃烧衬套上。然后该空气沿相反的方向通过环形通路而朝向燃烧帽组件行进，燃烧帽组件容纳燃料喷嘴。该空气的一部分还从环形通路被转移，以冷却帽组件。

例如，帽组件的端面暴露于燃烧室的高温。因此，通常用通过帽组件壁中的开口而从环形通路转移的空气来冷却端面。转移的空气冲击端面，并且通过端面进入燃烧室。因此，转移的空气不与燃料预混合，这加重了NOx的产生。

行进通过环形通路的空气会经历压力损失。由于这些压力损失的原因，需要增加的量的空气来冷却帽组件，从而导致在燃烧器中有更低的百分比的预混合空气。而且，通过端面的空气流压力可能不足以克服由于火焰不稳定而在燃烧室中出现的动态压力波。动态压力波可在端面上施加阻碍或阻止冷却流的压力，使得端面变热以及可能故障。

对帽组件供应较高压空气将减少冷却所需要的空气的量，使得相对更大的百分比的燃烧空气可与燃料预混合，从而减少NOx的产生。另外，供应较高压空气将改进动态阻隔。因此，存在对燃烧器的首端(例如对帽组件)供应较高压空气的需要。

发明内容

一种燃烧器包括第一流径和第二流径。第一流径将扩散器设置成通过中间的下部燃烧器环形通路与燃烧器帽组件间接流体连通。第二流径将扩散器设置成与燃烧器帽组件直接流体连通。

在审阅附图和详细说明之后，对于本领域技术人员，其它系统、装置、方法、特征和优点将是显而易见的或将变得显而易见。所有这样的另外的系统、装置、方法、特征和优点意在包括在描述内，并且意在由所附权利要求书保护。

附图说明

参照附图，可更好地理解本公开。相配的参考标号在所有图中指定对应的部件，并且图中的构件不一定按比例绘制。

图1是现有技术燃烧器的一个实施例的截面图，其示出了通过燃烧器的空气流径。

图2是现有技术燃烧器帽组件的平面图。

图3是沿着线3-3获得的图2所示的现有技术燃烧器帽组件的局部截面图。

图4是根据本发明的实施例的燃烧衬套帽组件的一个实施例的透视图。

图5是图4所示的帽组件的一部分的透视图，其从另一个角度示出了帽组件。

图6是根据本发明的实施例的燃烧器的一个实施例的截面图。

图7是图6所示的燃烧器的一部分的截面图，其示出了帽组件的一部分。

图8是示出了冷却燃烧器帽组件的方法的一个实施例的框图。

部件列表

100  燃烧器

102  燃烧衬套

104  燃烧室

106  燃烧衬套帽组件

108  过渡管道

110  环形通路

112  环形流动套管

114  燃料喷嘴

116  端盖

118  前箱

120  后箱

122  压缩机排出箱

124  外壁

126  内壁

128  端面

132  帽室

134  开口

136  支架

400  燃烧衬套帽组件

440  外壁或外流动套管

442  内壁或内流动套管

444  端面

446  前面

450  跨接管

452  开口

466  端面

600  燃烧器

650  燃烧衬套帽组件

652  前箱

653  后凸缘/CDC交接处

654  压缩机排出箱

656  环形壁

660  凸缘

662  外壁

664  内壁

666  端面

668  前面

670  端盖

672  燃烧衬套

674  燃烧室

678  连接点

680  帽室

682  环形通路

684  内部帽环形通路

686  燃烧器流动套管

688  下部燃烧器环形通路

690  扩散器

692  冲击部分

696  跨接管

698  分配孔

699  通道孔

具体实施方式

图1是现有技术燃烧器100的一个实施例的截面图。燃烧器100包括限定燃烧室104的燃烧衬套102。燃烧衬套102在燃烧衬套帽组件106和过渡管道108之间延伸。燃烧衬套帽组件106容纳燃料喷嘴，燃料喷嘴预混合空气和燃料，并且将产生的空气-燃料混合物引导到燃烧室104中。过渡管道108将来自燃烧室104的燃烧产物引导到相邻的涡轮中。

环形流动套管112定位在燃烧器100的周围。环形流动套管112限定环形通路110或流径，以便于空气从过渡管道108朝向帽组件106行进。环形通路110通过定位在燃烧器100附近的扩散器来接收来自压缩机的空气。该空气可具有相对高的压力，例如约250至约300psia的压缩机排气压力(PCD)。这种空气通常被称为压缩机排出空气或PCD空气。PCD空气通过冲击套管传送进入燃烧器100中，冲击套管将空气冲击在过渡管道108和燃烧衬套102上。然后该空气沿着燃烧室104的长度沿相反的方向行进。从而，空气在到达帽组件106之前冷却燃烧器100。通过环形通路110的这个流径在图1中由箭头示出。PCD空气在其沿着燃烧器100行进时经历压降，大体称为燃烧器压降或“ΔP”。ΔP可比较高，例如约15psid。

在帽组件106处，空气与燃料预混合，以形成空气-燃料混合物。具体而言，若干个燃料喷嘴114从端盖116延伸到帽组件106中。燃料喷嘴114通过端盖116接收燃料，并且接收来自环形通路110的空气。燃料喷嘴114使空气和燃料混合，并且将产生的空气-燃料混合物喷射到燃烧室104中，该混合物在燃烧室104中燃烧。

燃烧器100进一步包括前箱118、后箱120和压缩机排出箱122。前箱118定位在燃烧器100的前端处，并且支承端盖116。后箱120安装到压缩机排出箱122上，压缩机排出箱122容纳扩散器。前箱118和后箱120共同在燃烧器外部的周围形成压力容器，并且帽组件106定位在该压力容器的内侧。

在图2-3中显示了帽组件106的一个实施例。帽组件106包括外壁124、内壁126、端面128，并且在一些情况下，包括前面130。外壁124形成凸缘，该凸缘承座在后箱120中，以将帽组件106安装到燃烧器100上。当这样安装时，外壁124从凸缘朝向前箱118向前延伸。外壁124限定环形通路110的一部分的外边界。

帽组件106的内壁126相对于外壁124在内侧隔开，并且被若干个支架136支承在外壁124上，支架136延伸通过环形通路110。内壁126限定帽室132，燃料喷嘴114延伸通过帽室132。内壁126还限定若干个开口134，开口134容许将空气从环形通路110转移到帽室132中，以用于冷却目的。转移的空气通过端面128中的若干个小开口，以便以对流的方式冷却端面128(端面128封闭燃烧室104的前端，并且因此而暴露于高温)。图1中的箭头示出了进入帽室132的转移的空气。

在图1中，箭头的长度示意性地表示行进通过环形通路110和帽组件106的空气的压力。如图所示，空气在其行进通过环形通路110和帽组件106时经历压力损失。在一个实施例中，例如，进入环形通路110的空气在其行进穿过冲击套管时损失约5psi，从而在环形通路110中产生约245psia的压力。在空气沿着环形通路110行进、进入帽组件106以及在端盖116附近转向时发生约2至3psi的额外损失。因此，约3至6psi的压降可为在空气到达帽室132时剩余来用于冷却的所有压降。因为系统压力损失的原因，需要相对较大量的较低压空气来冷却帽组件106。

以下描述的是对燃烧器的首端提供高压空气的系统和方法的实施例。在实施例中，高压空气是来自扩散器的PCD空气。另外在各实施例中，对燃烧衬套帽组件提供高压空气。高压空气可被提供给帽组件，以冷却帽组件或改进动态阻隔。高压空气也可用于其它目的。

在实施例中，系统和方法在PCD空气源和燃烧器的首端之间提供了流径。例如，系统和方法可将扩散器直接连接到帽组件上。在一些实施例中，直接连接可为将PCD空气从扩散器通过端口运送到(port)帽组件或首端的其它部分的简单的管。在其它实施例中，可通过帽组件中的额外的外部环形通路来提供直接连接。可将外部环形通路与帽组件中的内部环形通路至少部分地密封开。内部环形通路沿着燃烧器的长度接收空气(很像传统的环形通路)，而外部环形通路将高压空气引导到帽组件。例如，外部环形通路可接收直接来自扩散器的高压空气，并且可将较高压空气直接通过端口运送到帽组件。从而，较高压空气就不会经历与冲击过渡管道和燃烧衬套以及沿着燃烧室的长度朝向帽组件行进相关联的压力损失。

在实施例中，外部环形通路形成于在燃烧器周围的压力容器的一部分和帽组件的一部分之间。具体而言，外部环形通路可形成于前箱壁和帽组件的外部帽流动套管之间，前箱壁从端盖附近的前箱延伸到邻近扩散器的压缩机排出箱，外部帽流动套管从前箱延伸到燃烧器流动套管。外部环形通路可将直接来自扩散器的空气传递到帽室，以用于冷却目的。因此，该空气比沿着燃烧器行进通过内部环形通路的空气经历更小的压力损失。

图4是燃烧衬套帽组件400的一个实施例的透视图，而图5是图4所示的帽组件400的一部分的透视图，其从另一个角度示出了帽组件400。燃烧衬套帽组件400包括外壁或外流动套管440、内壁或内流动套管442、端面444和前面446。

外壁440和内壁442相对于彼此同心地定位，内壁442相对于外壁440在内侧隔开。外壁440和内壁442之间的空间限定环形间隙，而内壁442的内部上的空间限定燃烧器帽室的环形边界。端面444和前面446基本是板，但是端面可由端面组件代替(如下文所述)。应当注意到，出于说明性目的，未在图5中显示前面446。

内壁442支承端面444和前面446，端面444和前面446在前侧和后侧封闭燃烧帽室。外壁440通过例如安装在环形间隙中的若干个跨接管450来支承内壁442。跨接管450将外壁440的外部设置成与帽室连通。但是，在其它实施例中，跨接管450可由支架或其它安装结构代替。

外壁440和内壁442具有与跨接管450互相对准的开口452。在实施例中，在除了开口452处之外的所有点处，外壁440和内壁442基本连续或未穿孔。壁440、442的连续的本性使环形间隙与帽室以及与外壁440的外部分开或隔离开。外壁440还可具有适于例如安装到端盖附近的前箱上的前凸缘454。端面444和前面446具有用于接收燃料喷嘴组件的开口。

图6是燃烧器600的截面图，其示出了安装到燃烧器600上的燃烧衬套帽组件650的一个实施例，而图7是燃烧器600的一部分的截面图，其更加详细地示出了帽组件650的一部分。帽组件650可为以上参照图4和5显示和描述的帽组件的一个实施例，但是其它构造也是可行的。

在燃烧器600中，不存在后箱。相反，前箱652延伸到压缩机排出箱654，而帽组件650安装到前箱652上。一旦这样安装，帽组件650就完全封闭在前箱652内。但是，其它构造也是可行的。

如图6所示，前箱652限定环形壁656，环形壁656从前箱652延伸向压缩机排出箱654。环形壁656具有跨越前箱652和压缩机排出箱654之间的距离的长度。在压缩机排出箱654附近，环形壁656形成后凸缘658，并且在后凸缘/CDC接合部653处连接到压缩机排出箱654上。

再次，帽组件650包括外壁662、内壁664、端面666和前面668。例如通过将外壁662上的凸缘660设置在端盖670附近的对应的凹槽中来将帽组件650安装到前箱652上。当这样安装时，端面666与燃烧衬套672的周缘互相对准，以封闭燃烧室674，而且前面668定位在端面666和端盖670之间。帽组件650的内壁664与燃烧衬套672的纵向边缘对准，并且朝向前箱652延伸，终止而尚未达到端盖670。外壁662定位在帽组件650的内壁664和前箱652的环形壁656之间。外壁662具有超过内壁664的直径但却小于环形壁656的直径的直径，使得内部环形间隙限定在内壁662和外壁664之间，而外部环形间隙限定在外壁662和环形壁656之间。外壁662具有从前箱652延伸到燃烧衬套672周围的流动套管686的长度。在连接点678处，外壁662和流动套管686彼此交迭并且被密封。

因此，当帽组件650安装到燃烧器600上时，帽组件650完全封闭在前箱652内。帽室680由内壁664沿横向封闭，并且由端面666和前面668沿轴向封闭。内部帽环形通路684形成于帽组件650的内壁664和外壁662之间，而外部帽环形通路682形成于帽组件650的外壁662和前箱652的环形壁656之间。

燃烧器600还包括以环形的方式定位在燃烧衬套672周围的燃烧器流动套管686。燃烧器流动套管686和燃烧衬套672在燃烧室674周围限定下部燃烧器环形通路688。在一端处，下部燃烧器环形通路688与内部帽环形通路684对准。在另一端处，下部燃烧器环形通路688与扩散器690连通。具体而言，燃烧器流动套管686包括冲击部分692，冲击部分692包括流动套管孔687。扩散器690在冲击部分692的附近定位在压缩机排出箱654中。扩散器690接收来自压缩机的PCD空气，并且通过冲击部分692中的流动套管孔687将该空气传递到下部燃烧器环形通路688中。

下部燃烧器环形通路688和内部帽环形通路684共同限定从扩散器690到帽组件650的内流径。该内流径自扩散器690延伸，通过冲击部分692，沿着燃烧室674的长度，进入帽组件650中，通过燃料喷嘴并且进入燃烧室674中。从而，PCD空气沿着间接路线从扩散器690到达帽组件650。具体而言，PCD空气冲击在过渡管道694或燃烧衬套672上，并且沿着燃烧室674行进，以在进入帽组件650之前用于冷却目的，在帽组件650中，空气在燃料喷嘴中混合且被喷射到燃烧室674中以用于燃烧目的。由于间接路线的原因，PCD空气在到达帽组件650之前经历压力损失。

外部帽环形通路682限定从扩散器690到帽组件650的外流径。外部帽环形通路682通过压缩机排出箱654中的开口与扩散器690直接流体连通。外部帽环形通路682还通过跨接管696与帽室680直接流体连通。外流径延伸自扩散器，进入帽组件650中，通过跨接管696，并且进入帽室680中。从而，沿着外流径行进的PCD空气通过直接路线从扩散器690到达帽组件650。由于直接路线的原因，沿着外流径行进到帽组件650的空气比沿着内流径行进的空气经历显著地更小的压力损失。例如，在其中扩散器690以约250psia提供空气的情况下，沿着外流径行进的空气可以约249psia到达帽组件650，而沿着内流径行进的空气可以约240至247psia到达帽组件。

在实施例中，沿着外流径行进的空气冷却帽组件650的一部分。例如，该空气可进入帽室680，以冷却帽室680的部分。在一些实施例中，该空气用来冷却端面666。一旦端面666冷却，空气就传送进入燃烧室674中，以参与燃烧过程。端面666的构造会影响冷却模式。例如，端面666可为通过冲击冷却而得到冷却的冲击板。端面666也可为通过泻流冷却而得到冷却的泻流板。端面666可构造成以便进行薄膜冷却，其中，在燃烧室674内的端面666的表面上形成空气薄膜。这些冷却模式的组合也是可行的。例如，端面666可包括由间隙隔开的冲击板和泻流板。泻流板可暴露于燃烧室674，并且可具有角度设置成以便在燃烧室674内形成空气薄膜的泻流孔。在这样的实施例中，端面666可通过冲击冷却、泻流冷却和薄膜冷却的组合来得到冷却。行进到帽组件650中的空气还可冷却帽组件650的其它部分，例如跨接管696、前面668以及外壁662和内壁664。

因为外流径对帽组件650提供相对较高压力的空气来用于冷却目的，所以帽组件650得到更加高效的冷却。加强的冷却改进了帽组件650的耐用性，提高了其使用寿命。燃烧器600也可在更高的温度处运行。另外，需要较少的空气来冷却帽组件650。因此，与通过燃料喷嘴而被传送通过端面666的空气相反，燃烧室674中相对更小百分比的空气是被传送通过端面666以用于冷却目的空气。从而，燃烧室674中相对更高百分比的空气与燃料预混合，从而减少NOx的形成。另外，提供通过端面666的较高压空气可改进动态阻隔。具体而言，当由于火焰不稳定性的原因而在燃烧室674中出现动态压力波时，该动态压力波可能相对较不可能阻碍或阻止冷却空气传送通过端面666。由于冷却空气的较高压力的原因，该空气可继续传送通过端面466，从而防止热应力或故障。

应当注意到，沿着外流径行进到帽组件650中的相对较高压的空气可用于其它目的。该空气可被引导到其它结构，以用于冷却目的或用于其它目的。在其中空气不被引导到帽室680的实施例中，跨接管696可用传统支架来代替。但是，包括跨接管696可减轻与支架相关联的制造和修理问题。

在实施例中，高压空气可用来改进进入燃料喷嘴的空气流的均匀性。例如，前面668可具有空气分配孔698，空气分配孔698将来自帽室680的空气引导向燃料喷嘴。空气分配孔698可大小设置成以及定位成以便对未充分供给的燃料喷嘴提供空气，使得进入燃料喷嘴中的空气流更均匀。出于说明的目的，仅示出了一个空气分配孔698，但是可使用任何数量和位置。

在实施例中，跨接管696可具有一个或多个通道孔699。通道孔699可形成为通过跨接管696的壁。通道孔699可容许高压空气通过通道孔699而从跨接管696的内部通路泄露，且进入内部帽环形通路684中。泄露的空气可填充跨接管696后的尾流区域，从而减少压力损失以及改进流动均匀性。

在实施例中，至少部分地密封外流径，以保持PCD空气的压力。例如，可在连接点653、678处密封环形壁656和外壁662，以限制或防止在与内部环形通路684的汇合处的空气损失。可在跨接管696处密封外壁662和内壁664，以限制或防止通过壁中的开口的泄露。外壁662和内壁664可基本为连续的或未穿孔的，以限制或防止外部环形通路682和内部环形通路684之间的泄露。也可例如在端面和前面与内壁664的交接处或在接收燃料喷嘴的开口附近密封帽室680。可采用这些密封的任何组合来减少在外流径中的高压空气的压力损失。

应当注意，上述实施例仅是用于对燃烧器的首端提供高压或PCD空气的系统的一个实例。其它实施例意在包括在本公开的范围内。例如，该系统可设计成用于具有传统帽组件的燃烧器，例如图1所示的燃烧器100。在这种实施例中，帽组件可具有在内壁与外壁之间的跨接管而非支架。另外，帽和流动套管凸缘可具有孔，孔将跨接管设置成与扩散器直接流体连通。可例如通过密封外壁来密封系统。帽组件的内壁可不具有否则可将空气从环形通路转移到帽室中的开口。在一些实施例中，燃烧器100可改型成具有用于对燃烧器的首端提供高压或PCD空气的系统。

在另外的其它实施例中，管或导管可从扩散器延伸到帽室。管可将PCD空气直接从扩散器输送到帽室。在这种实施例中，帽组件的内壁可基本为连续的或未穿孔的，使得PCD空气不向后泄露到环形通路中。

图8是示出了冷却燃烧器帽组件的方法600的一个实施例的框图。在方框802中，直接流径限定在PCD空气源和燃烧器帽组件之间。在方框804中，至少部分地密封直接流径。

本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，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。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.一种燃烧器(600)，包括：

第一流径，其包括通过中间的下部燃烧器环形通路(688)与燃烧器帽组件(650)间接流体连通的扩散器(690)；以及

第二流径，其包括与所述燃烧器帽组件(650)直接流体连通的所述扩散器(690)。

2.根据权利要求1所述的燃烧器(600)，其特征在于，所述第二流径被至少部分地密封，以限制对所述第一流径的泄露。

3.根据权利要求1所述的燃烧器(600)，其特征在于：

所述燃烧器帽组件(650)包括：

外壁(662)，

内壁(664)，其相对于所述外壁(662)在内侧隔开，以限定内部帽环形通路(684)，以及

多个跨接管(696)，其在所述外壁(662)和所述内壁(664)之间延伸，以提供越过所述内部帽环形通路(684)的流径。

4.根据权利要求3所述的燃烧器(600)，其特征在于，除了在与所述跨接管(696)互相对准的开口处之外，所述外壁和内壁(662，664)基本连续且未穿孔。

5.根据权利要求3所述的燃烧器(600)，其特征在于，所述内部帽环形通路(684)连接到所述下部燃烧器环形通路(688)上，以限定所述第一流径的至少一部分。

6.根据权利要求5所述的燃烧器(600)，其特征在于，所述燃烧器(600)进一步包括形成于所述外壁(662)和壳体的一部分之间的外部帽环形通路(682)。

7.根据权利要求6所述的燃烧器(600)，其特征在于，所述外部帽环形通路(682)与来自所述扩散器(690)的开口直接流体连通。

8.根据权利要求6所述的燃烧器(600)，其特征在于：

所述燃烧器帽组件(650)进一步包括帽室(680)；以及

所述跨接管(696)将所述外部帽环形通路(682)设置成与所述帽室(680)流体连通。

9.根据权利要求1所述的燃烧器(600)，其特征在于，所述燃烧器(600)进一步包括：

压缩机排出箱(654)；以及

包括环形壁(656)的前箱(652)。

10.根据权利要求9所述的燃烧器(600)，其特征在于，所述燃烧器帽组件(650)安装到所述燃烧器(600)上，使得所述帽组件(650)的所述外壁(662)相对于所述前箱(652)的所述环形壁(656)在内侧隔开，以限定外部帽环形通路(682)。

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