CN102235672A - 用于燃烧器喷嘴的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于燃烧器喷嘴的系统及方法。具体而言，喷嘴(14)包括中心体(30)和护罩(32)，该护罩沿周向包绕中心体(30)的至少一部分以在中心体(30)与护罩(32)之间限定环形通路(38)。喷嘴(14)还包括位于中心体(30)与护罩(32)之间的双金属导引件(46)。一种用于将燃料供给至燃烧器(10)的方法，包括使工作流体流经喷嘴(14)、将燃料喷射到喷嘴(14)中，以及使燃料与工作流体混合以产生燃料和工作流体的混合物。该方法还包括使燃料和工作流体的混合物涡动、感测喷嘴(14)中的火焰稳定，以及减少燃料和工作流体混合物中的涡流。

Description

用于燃烧器喷嘴的系统及方法

技术领域

本发明主要涉及一种燃烧器。具体而言，本发明描述和传授了一种用于燃烧器的喷嘴以及一种用于响应燃料喷嘴中的火焰稳定状态的方法。

背景技术

燃烧器通常用于许多类型的商业设备中。例如，燃气轮机通常包括一个或多个燃烧器，这些燃烧器使燃料与工作流体相混合来产生具有较高温度、压力和速度的燃烧气体。许多燃烧器包括喷嘴，这些喷嘴使燃料在燃烧之前与工作流体预混。燃料在燃烧前与工作流体预混容许燃料较为贫乏的混合物，减少了不希望的排放物，和/或改善了燃气轮机的总体热力学效率。

在正常的燃烧器操作期间，燃烧火焰存在于喷嘴的下游，通常在燃烧室中位于喷嘴出口处。然而，有时会出现称为″火焰稳定″的事件，在其中，燃烧火焰在燃烧室上游存在于喷嘴内。例如，可能存在的状态是，燃烧火焰存在于喷嘴中的燃料端口附近或喷嘴中的低流动区域附近。喷嘴通常并未设计成用以经受由火焰稳定引起的高温，且因此火焰稳定可能在相对较短的时间量内导致对喷嘴的严重破坏。

本领域中，公知有各种方法用于防止或减少火焰稳定的出现。例如，火焰稳定更可能出现在使用较高反应性的燃料期间，或出现在使用较高的燃料-工作流体比例期间。火焰稳定还很可能出现在燃料-工作流体混合物以较低速度流经喷嘴的操作期间。因此，燃烧器可设计成具有特定的安全裕度来用于燃料反应性、燃料-工作流体的比例和/或燃料-工作流体混合物速度，以便防止或减少火焰稳定的出现。尽管安全裕度对于防止或减少火焰稳定的出现是有效的，但它们也可导致操作极限减小、维护增加、操作寿命缩短和/或总体热力学效率降低。因此，将应期望的是一种用于操作燃烧器来响应火焰稳定的喷嘴、燃烧器和/或方法。

发明内容

本发明的方面和优点将在以下说明中作如下阐述，或可根据该说明而清楚，或可通过实施本发明而理解到。

本发明的一个实施例为一种喷嘴，其包括中心体和护罩，该护罩沿周向包绕中心体的至少一部分，以在中心体与护罩之间限定环形通路。喷嘴还包括位于中心体与护罩之间的双金属导引件(guide)。

本发明的另一个实施例为燃烧器。该燃烧器包括端帽(cap)和设置在端帽中的喷嘴。喷嘴包括在该喷嘴中限定环形通路的护罩以及设置在该环形通路中的双金属导引件。

本发明还包括用于供给燃料至燃烧器的方法。该方法包括使工作流体流经喷嘴、将燃料注入喷嘴中，以及使燃料与工作流体相混合来产生燃料和工作流体的混合物。该方法还包括使燃料和工作流体混合物涡动、感测喷嘴中的火焰稳定，以及减少燃料和工作流体混合物中的涡流。

本领域的普通技术人员在浏览说明书时将更好地理解这些实施例的特征和方面。

附图说明

在包括参照附图的余下说明书中，向本领域的技术人员更为具体地阐述了本发明包括其最佳模式的完整和能够实现的公开内容，在附图中：

图1为根据本发明的一个实施例的燃烧器的简化截面图；

图2为图1中所示的燃烧器的顶平面视图；

图3为根据本发明的一个实施例的喷嘴的截面图；

图4为图3中所示的喷嘴的局部剖面透视图；

图5示出了根据本发明一个实施例的双金属导引件对燃料端口附近的火焰稳定事件的响应；

图6示出了根据本发明的一个实施例的双金属导引件对低流动区域附近的火焰稳定事件的响应；

图7为响应于火焰稳定的图3中所示的喷嘴的局部剖面透视图；

图8为根据本发明的备选实施例的喷嘴的截面图；

图9为图8中所示的喷嘴的局部剖面透视图；以及

图10为响应于火焰稳定的图8中所示的喷嘴的局部剖面透视图。

零件清单

10 燃烧器

12 壳体

14 喷嘴

16 端盖

18 端帽

20 衬套

22 燃烧室

24 流动套筒

26 环形通路

28 燃烧火焰

30 中心体

32 护罩

34 喷嘴凸缘

36 轴向中心线

38 环形通路

40 涡流器导叶

42 内部通路

44 燃料端口

46 双金属导引件

48 钢层

50 黄铜层

52 附接点

54 燃烧火焰

56 喷嘴--图8

58 燃烧火焰

60 中心体

62 护罩

64 喷嘴凸缘

66 轴向中心线

68 环形通路

70 导叶

72 双金属导引件

具体实施方式

现在将详细地参照本发明的现有实施例，其中的一个或多个实例在附图中示出。详细说明使用数字和字母标号来表示附图中的特征。附图和说明中相似或类似的标号用于表示本发明的相似或类似的部分。

各实例均是通过阐述本发明的方式来提供的，且并不作为对本发明的限制。实际上，本领域的技术人员将清楚的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可在另一个实施例上使用，以产生又一个实施例。因此，期望的是，本发明涵盖归入所附权利要求及其等同物的范围内的这些修改和变型。

本发明的各种实施例包括主动装置，该主动装置最大限度地减小或防止由火焰稳定引起的对喷嘴或燃烧器的破坏。当火焰稳定发生时，主动装置减小流经喷嘴的燃料和工作流体的涡流。减小发生火焰稳定的喷嘴中的燃料和工作流体的涡流容许喷嘴从相邻的喷嘴″借取″附加的工作流体，从而增大燃料和工作流体混合物的轴向速度和/或质量流率，以便有效地将燃烧火焰推出喷嘴。此外，假定燃料质量流率恒定，则质量流率增大的工作流体将减小燃料-工作流体的比例。燃料-工作流体的比例减小还有助于熄灭或除去喷嘴中的燃烧火焰。当不再存在火焰稳定时，则主动装置回到其先前位置，以便对喷嘴给予涡流，或容许燃料和工作流体的涡流流经喷嘴。

通过响应于火焰稳定，主动装置可在火焰稳定开始之前提供增大的裕度，或容许在正常操作期间有较小限制的操作极限。例如，主动装置响应于火焰稳定的能力可容许使用具有较高反应性的燃料、对燃料喷射的位置有较小限制的设计极限，以及由火焰稳定引起的强制停机(outage)较少。作为另一个实例，主动装置可容许正常操作期间喷嘴速度减小，从而导致跨过喷嘴的压力损失减小和热力学效率增大。

图1提供了根据本发明的一个实施例的燃烧器10的简化截面图。壳体12包绕燃烧器10以容纳经压缩的工作流体。喷嘴14布置在端盖16和端帽18中，以及衬套20在喷嘴14的下游限定燃烧室22。流动套筒24包绕衬套20，以在流动套筒24与衬套20之间限定环形通路26。压缩的工作流体朝端盖16流经环形通路26，在端盖处16，该工作流体反向而流过喷嘴14并进入燃烧室22中。

图2提供了图1中所示的燃烧器10的顶平面视图。燃烧器10的各种实施例均可包括不同数目和布置的喷嘴。例如，在图2所示的实施例中，燃烧器10包括沿径向布置的五个喷嘴14。工作流体流经流动套筒24与衬套20之间的环形通路26，直到其到达端盖16，在端盖16处，该工作流体反向而流过喷嘴14并进入燃烧室22中。

图3示出了根据本发明的一个实施例的喷嘴14的简化截面图。如图3中所示，在正常操作期间，燃烧火焰28在燃烧室22中存在于喷嘴14的下游。喷嘴14通常包括中心体30和护罩32，但本发明范围内的备选实施例可包括护罩32而没有中心体30。中心体30(如果存在的话)可在一端处连接到喷嘴凸缘34上，且沿喷嘴14的轴向中心线36延伸。护罩32沿周向包绕中心体30的至少一部分，以便在中心体30与护罩32之间限定环形通路38。燃料可供给至中心体30且喷射到环形通路38中以与工作流体相混合。导叶40可将切向速度给予燃料和工作流体的混合物，以便在其到达燃烧室22之前均匀地混合燃料和工作流体。如果不存在中心体30，则护罩32可在护罩32的圆周内限定圆形通路，且燃料可再次经由圆形通路38进行供送。

图4提供了在正常操作期间图3中所示的喷嘴14的局部剖面透视图。如图4中所示，导叶40可包括内部通路42，该内部通路42容许燃料流体连通，以便从中心体30和/或护罩32流到导叶40中。以此方式，燃料可经由中心体30的任一侧、护罩32内侧和/或导叶40的任一侧上的燃料端口44喷射到环形通路38中。燃料端口44的直径和角度相结合以确保燃料充分地渗透到环形通路38中，且防止燃料简单地沿中心体30、护罩32和/或导叶40流动。燃料端口44的直径和角度还相结合以减少在燃料端口44附近出现火焰稳定。

如图4中所示，导叶40可包括双金属导引件46，以便引导燃料和工作流体的混合物流经喷嘴14。如图4中所示，双金属导引件46可与导叶40同延(或共同扩张)或形成为一体。在备选实施例中，双金属导引件46可在环形通路38中设置在导叶40下游且与导叶40分离开。各个双金属导引件46通常包括具有不同膨胀温度系数的至少两个不同的金属层。金属层可使用金属连结领域中的任何公知的连结技术进行连结，如铆接、螺栓连接、软焊、卡钉、粘接、硬焊，以及焊接。例如，各个双金属导引件46均可包括连结到铜或黄铜金属层50上的钢金属层48。用于双金属导引件46的特定双金属的金属不限于钢、铜或黄铜，而是可包括具有适合的膨胀温度系数的任何金属的组合。膨胀温度系数的差异响应于温度的变化而引起不同金属的两层膨胀或收缩不同的量，从而改变双金属导引件46的曲率。

导叶40的角度和/或双金属导引件46的曲率的组合确定燃料和工作流体混合物的方向、质量流率、轴向速度以及角速度。例如，如图4中所示，导叶40可设置在环形通路38中大致平行于喷嘴14的轴向中心线36，以及双金属导引件46可弯曲，以便导叶40和双金属导引件46的组合将涡流给予燃料和工作流体混合物。由导叶40和双金属导引件46产生的涡流相比于没有任何涡流的喷嘴而言，会减小喷嘴14的轴向速度和/或质量流率，且增大燃料和工作流体混合物的切向速度，以便在涡流稳定的燃烧器中提供稳定性以及还在其到达燃烧室22之前加强燃料与工作流体的混合。

图5和图6示出了双金属导引件46对公知为易经受火焰稳定的两个区域中可能出现的火焰稳定的响应。参看图5，直接在燃料端口44下游的区域通常具有相对较高的燃料浓度和相对较低的工作流体轴向速度。结果，对于燃烧火焰54的附接点52可直接形成在燃料端口44的下游。如图5中所示，工作流体的质量流随双金属导引件46的变直而穿过喷嘴增大。假定通向该喷嘴的燃料流率恒定，则燃料射流穿透性降低，且因此，恰好在燃料射流下游的再循环或低速区的大小也是如此。减小射流下游的该低速区的大小将在一定点处消除火焰54的稳定性，且将其推出喷嘴。假定燃料流率恒定，由于燃料射流穿透性下降，故所有这些都会发生。此外，由于工作流体质量流增大且燃料流保持恒定，故燃料与工作流体的比例减小，这也有助于熄灭火焰54。

参看图6，导叶40和/或双金属导引件46的低压侧可产生轴向速度相对较低的区域，或甚至是工作流体的再循环气泡，产生用于燃烧火焰54的另一附接点52。随着双金属导引件46变直，涡流减少，且燃料和工作流体的混合物移动而更接近导引件46。这还使相邻导叶中的流速平均，这减少了低速区的出现(即，即使不出现分离也减少低速区)。这两个作用使得火焰54更难以锚定，且最终将火焰54推出喷嘴。

在图5和图6中所示的各情形中，火焰稳定在双金属导引件46附近引起温度升高，从而导致双金属导引件46变直。在一些实施例中，双金属导引件46可响应于火焰稳定而完全变直，而在其它实施例中，火焰稳定仅可减小双金属导引件46的曲率。当双金属导引件46变直时，如图5和图6中所示，工作流体的轴向速度和/或质量流率增大(由于火焰稳定的喷嘴从相邻喷嘴″借取″附加的工作流体)，以便有效地将火焰稳定吹出喷嘴14。增大工作流体的轴向速度和/或质量流率减小了对于燃烧火焰54的附接点52的大小。此外，假定燃料流恒定，则增大穿过喷嘴14的工作流体的轴向速度和/或质量流率会减小燃料与工作流体的比例，从而进一步减小火焰稳定的机会。

图7提供了响应于火焰稳定的图3中所示的喷嘴14的局部剖面透视图。双金属导引件46附近的火焰稳定造成双金属导引件46附近温度的升高。结果，如图7中所示，包括具有不同膨胀温度系数的两种金属的双金属导引件46变直。如前文参照图5C和图6C所述，更直的双金属导引件46导致工作流体的轴向速度和/或质量流率增大，且假定燃料流恒定，则燃料与工作流体的比例就减小。相信的是，这些效果中的任一个或两个有助于将燃烧火焰28吹出喷嘴14且回到燃烧室22中。当不再存在火焰稳定时，双金属导引件46附近的温度降低，使双金属导引件46的曲率复原，且使燃料和工作流体的混合物恢复切向旋转。

图8示出了根据本发明的备选实施例的喷嘴56的截面图。如图8中所示，在正常操作期间，燃烧火焰58在喷嘴56的下游存在于燃烧室22中。如前文参照图3中所示实施例所述，喷嘴56通常包括中心体60、护罩62、喷嘴凸缘64、轴向中心线66、环形通路68、涡流器或旋转导叶70以及双金属导引件72。然而，在该特定实施例中，双金属导引件72在旋转导叶70下游且与旋转导叶70分离。此外，如提供在图9中的透视图中所示，旋转导叶70与喷嘴56轴向中心线66成锐角设置在环形通路68中，且双金属导引件72为直的，且与旋转导叶70大致对准，以便在正常操作期间不干扰燃料和工作流体混合物的切向速度。

图10提供了响应于火焰稳定的图8中所示的喷嘴56的局部剖面透视图。双金属导引件72附近的火焰稳定造成双金属导引件72附近的温度升高。结果，如图10中所示，包括具有不同膨胀温度系数的两种金属的双金属导引件72弯曲以消除涡流，或减小燃料工作流体混合物的切向速度。弯曲的双金属导引件72增大工作流体的轴向速度和/或质量流率以及双金属导引件72上游的速度大小。由于涡流角度将在双金属导引件72上游保持大致相同且质量流增加，则速度大小(轴向和切向)增大，且假定燃料流恒定，燃料与工作流体的比例减小。认为的是，这些效果中的任一个或两个有助于将燃烧火焰58吹出喷嘴56且回到燃烧室22中。当燃料喷嘴内不再存在火焰稳定时，双金属导引件72附近的温度降低，导致双金属导引件72变直，且因此变为与涡流燃料和工作流体混合物对准。

本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员所构思出的其它实例。如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无实质差别的同等结构元件，则认为这些其它实例处在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种喷嘴(14)，包括：

a.中心体(30)；

b.护罩(32)，其沿周向包绕所述中心体(30)的至少一部分，以在所述中心体(30)与所述护罩(32)之间限定环形通路(38)；以及

c.位于所述中心体(30)与所述护罩(32)之间的双金属导引件(46)。

2.根据权利要求1所述的喷嘴(14)，其特征在于，所述双金属导引件(46)在所述中心体(30)与所述护罩(32)之间连续地延伸。

3.根据权利要求1或权利要求2中任何一项所述的喷嘴(14)，其特征在于，所述喷嘴(14)还包括位于所述中心体(30)与所述护罩(32)之间的多个双金属导引件(46)。

4.根据权利要求1至权利要求3中任何一项所述的喷嘴(14)，其特征在于，所述喷嘴(14)还包括在所述中心体(30)与所述护罩(32)之间的位于所述双金属导引件(46)上游的导叶(40)。

5.根据权利要求4所述的喷嘴(14)，其特征在于，所述导叶(40)与所述双金属导引件(46)形成为一体。

6.根据权利要求1至权利要求5中任何一项所述的喷嘴(14)，其特征在于，所述双金属导引件(46)排列成平行于所述喷嘴(14)的纵轴线(36)。

7.根据权利要求1至权利要求6中任何一项所述的喷嘴(14)，其特征在于，所述双金属导引件(46)相对于所述喷嘴(14)的纵轴线(36)排列成锐角。

8.根据权利要求1至权利要求7中任何一项所述的喷嘴(14)，其特征在于，所述双金属导引件(46)包括钢和铜。

9.一种用于供给燃料至燃烧器(10)的方法，包括：

a.使工作流体流经喷嘴(14)；

b.将所述燃料喷射到所述喷嘴(14)中；

c.使所述燃料与所述工作流体相混合以产生燃料和工作流体的混合物；

d.使所述燃料和工作流体的混合物涡动；

e.感测所述喷嘴(14)中的火焰稳定；以及

f.减少所述燃料和工作流体的混合物中的涡流。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括增大所述工作流体的穿过所述喷嘴(14)的质量流率。

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