CN102401377A - 用于冷却燃烧器盖的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于冷却燃烧器盖的装置和方法，具体而言，一种燃烧器(10)包括具有穿孔的下游板(30)的端盖(14)和位于下游板(30)下游的燃烧室(18)。气室(36)与下游板(30)保持流体连通，并且通过下游板(30)中的穿孔(34)而将冷却介质供给燃烧室(18)。一种用于冷却燃烧器(10)的方法包括使冷却介质流入到燃烧器(10)的端盖(14)中，并使冷却介质冲击在燃烧器(10)的端盖(14)中的下游板(30)上。该方法还包括使冷却介质通过下游板(30)中的穿孔(34)而流入到燃烧室(18)中。

Description

用于冷却燃烧器盖的装置和方法
联邦政府研究声明
本发明是在政府支持下依据由能源部授予的合同No.DE-FC26-05NT42643做出的。政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
本发明大体上涉及用于冷却燃烧器的装置和方法。本发明的特定实施例可通过燃烧器盖供应冷却，从而为燃烧器盖的下游表面提供冷却，减少不期望的排放，并且/或者减少驻焰或闪回的发生。
背景技术
燃气涡轮机广泛用于工业和发电运营。典型的燃气涡轮机包括位于前面的轴向压缩机、围绕中间的一个或多个燃烧器和定位在后面的涡轮。周围空气进入压缩机中，并且压缩机中的旋转叶片和固定导叶逐渐地将动能赋予工作流体(空气)，从而产生处于高能状态下的压缩的工作流体。压缩的工作流体离开压缩机，并流过燃烧器中的喷嘴，在燃烧器中压缩的工作流体与燃料混合并点燃，从而产生具有高温、高压和高速的燃烧气体。燃烧气体在涡轮中膨胀以做功。例如，燃烧气体在涡轮中的膨胀可使连接在发电机上的轴旋转，从而产生电力。
众所周知的是，燃气涡轮机的热力学效率随着操作温度，即燃烧气体温度的增加而增加。然而，如果燃料和空气在燃烧之前没有均匀地混合，那么在燃烧器中靠近喷嘴出口处可能形成局部热点。局部热点增加了火焰闪回和驻焰发生的机会，它们可能损伤喷嘴。虽然对于任何燃料都可能发生火焰闪回和驻焰，但它们更容易发生于高反应性的燃料，例如氢气，其具有更高的燃烧速率和更宽的可燃性范围。局部热点还可能增加燃料富集区域中一氧化二氮的产生，同时燃料贫乏区域可能增加一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物的产生，所有这些都是不期望的废气排放。
存在各种技术以容许较高的操作温度，同时最小化局部热点和不期望的排放。例如，已经研究出各种喷嘴，以便在燃烧之前使较高反应性燃料与工作流体更均匀地混合。然而，较高反应性燃料的较高燃烧速率仍然产生有助于火焰闪回和/或驻焰事件的环境。因此，在为燃烧器盖提供冷却作用以冷却燃烧器盖，减少不期望的排放，和/或减少驻焰或闪回的发生等方面的持续改进将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优势将在以下描述中阐述，或者可从描述而变得明显，或者可通过本发明的实践而获悉。
本发明的一个实施例是一种包括端盖的燃烧器。该端盖包括上游板、邻近上游板的下游板、以及位于上游板和下游板之间的通道。下游板包括穿孔。燃烧室位于下游板的下游。穿过上游板的气室将冷却介质供给上游板和下游板之间的通道。
本发明的另一实施例是一种具有端盖的燃烧器。该端盖包括具有穿孔的下游板。燃烧室位于下游板的下游。气室与下游板保持流体连通，并且通过下游板中的穿孔而将冷却介质供给燃烧室。
本发明的实施例还包括一种用于冷却燃烧器的方法。该方法包括使冷却介质流入燃烧器端盖，并使冷却介质冲击在燃烧器端盖中的下游板上。该方法还包括通过下游板中的穿孔而使冷却介质流入燃烧室。
本领域中的普通技术人员在查看本说明书后将更好地理解此类实施例以及其它实施例的特征和方面。
附图说明
在说明书的剩余部分，包括参照附图将为本领域中的技术人员更具体地描述本发明完整且能够实施的公开，包括其最佳模式，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的燃烧器的透视剖面图；
图2是图1中所示的燃烧器盖的一部分的放大的下游透视图；
图3是图1中所示的燃烧器盖的一部分的放大的上游透视图；
图4是当冷却介质的压力略小于燃烧器盖上游的工作流体压力时，跨越燃烧器盖的冷却介质的上游图像；
图5是当冷却介质的压力大致等于燃烧器盖上游的工作流体压力时，跨越燃烧器盖的冷却介质的上游图像；
图6是当冷却介质的压力略大于燃烧器盖上游的工作流体压力时，跨越燃烧器盖的冷却介质的上游图像。
零部件列表
10燃烧器
12喷嘴
14端盖
16衬套
18燃烧室
20外壳
22孔
24流套筒
26环形通道
28上游板
30下游板
32通道
34穿孔
36气室
38导管
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，图中显示了其一个或多个示例。详细描述中使用数字标号和字母标号来表示图中的特征。附图和详细描述中使用相似或类似的标号表示本发明的相似或类似的部件。
各个示例是作为本发明的说明，而非本发明的限制而提供的。实际上，对本领域技术人员将会明显的是，在不脱离本发明的精神或范围的条件下可在本发明中做出修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分而被显示或被描述的特征可用于另一实施例上，从而产生又一实施例。因而，假如其在所附权利要求及其等价物的范围内，则本发明意图覆盖这种修改和变化。
本发明的实施例包括一种具有气室的燃烧器，气室将冷却介质供给燃烧器盖。冷却介质可包括能够传递来自燃烧器盖的热量的任何流体，例如氮气、另一惰性气体或甚至蒸汽。冷却介质通过冲击冷却从燃烧器盖除去热量。另外，冷却介质流过燃烧器盖中的穿孔，从而在燃烧器盖的燃烧室侧面上形成薄的保护层。燃烧器盖的燃烧室侧面上的薄的冷却介质层可保护燃烧器盖的表面免于过热，降低了燃烧器中的峰值温度，减少了驻焰和闪回的发生，并且/或者减少了来自燃烧器的不期望的排放。
图1显示了根据本发明一个实施例的燃烧器10的剖面透视图。如图所示，燃烧器10通常包括径向布置在端盖14中的一个或多个喷嘴12。出于清晰起见，图中显示喷嘴12为圆柱体，没有关于喷嘴12的类型、构造或内部构件的任何细节。本领域技术人员将会容易懂得，除非在权利要求中特别陈述，否则本发明不限于任何特定的喷嘴类型、形状或设计。衬套16限定了位于端盖14下游的燃烧室18。包围燃烧器10的外壳20包含流入燃烧器10的空气或压缩的工作流体。空气或压缩的工作流体通过流套筒24中的孔22而流入环形通道26。空气或压缩的工作流体然后流过环形通道26并流入端盖14，在此处其逆转方向，以便流过喷嘴12并流入燃烧室18。
图2和图3提供了图1中所示的端盖14的一部分的放大的下游视图和上游视图。如图所示，端盖14通常包括上游板28、邻近上游板28的下游板30、以及位于上游板28和下游板30之间的通道32。上游板28和下游板30通常跨越端盖14的下游部分的宽度，从而使进入端盖14的空气或压缩的工作流体与下游燃烧室18隔开。上游板28和下游板30典型地由合金、超级合金、带涂层的陶瓷或其它能够承受大约1,600华氏度的温度的材料制成。然而，燃烧室18中的火焰温度常超过2,800-3,000华氏度。因此，上游板28和下游板30通常受益于冷却源，冷却源可防止上游板28和下游板30由于燃烧室18中存在的高温而受到损伤。
上游板28和/或下游板30可包括多个穿孔34。例如，如图2和图3中所示，上游板28和下游板30二者均可包括多个穿孔34。下游板30中的穿孔34可小于上游板28中的穿孔34，并且相对上游板28中的穿孔34成角度。这样，流过通道26并进入端盖14的压缩的工作流体可流过上游板28中的穿孔34，从而在下游板30上提供冲击冷却。压缩的工作流体然后可流过下游板30中的穿孔34，从而为下游板30的燃烧室18的侧面提供薄膜冷却。
一个或多个气室36与上游板28、下游板30和/或通道32保持流体连通。例如，如图1到图3中所示，各个气室36均可穿过与导管38基本平行的端盖14的至少一部分，导管38将燃料供给喷嘴12。这样，气室36径向布置在端盖14中的喷嘴12之间。各个气室36可进一步穿过上游板28，从而提供经由气室36通向上游板28、下游板30并进入通道32的流体路径。各个气室36将冷却介质供给位于上游板28和下游板30之间的通道32。冷却介质可包括能够除去热量的任何流体，例如氮气、另一惰性气体或蒸汽。各个气室36可供给相同的冷却介质，或者可通过不同的气室36供给不同的冷却介质，这取决于操作需要和冷却介质的可用性。
冷却介质通常通过各个气室36流入通道32，并通过为上游板28和下游板30提供冲击冷却而冷却端盖14的下游部分。冷却介质然后可通过上游板28和/或下游板30中的穿孔34而流出通道32。流过下游板30中的穿孔34的冷却介质可提供一个或多个额外的好处。例如，冷却介质可在下游板30的燃烧室18的侧面上形成薄的惰性气体层或蒸汽层。此薄的惰性气体层或蒸汽层在发生于燃烧室18中的高温燃烧和端盖14的下游部分之间提供了保护屏障，因而降低了端盖14的表面温度。另外，由冷却介质提供的保护屏障可容许离开喷嘴12的燃料和空气在燃烧之前有更多的时间进行混合，导致燃料-空气混合物更均匀且更完全的燃烧。由冷却介质提供的保护屏障还可防止燃烧火焰穿过保护屏障，从而减少了喷嘴12内驻焰或闪回的发生。最后，惰性气体或蒸汽最终与离开喷嘴12的燃料-空气混合物相混合，从而降低了燃烧气体的峰值温度。对于相同的平均燃烧温度，燃烧气体的降低的峰值温度导致不期望的排放减少。
图4、图5和图6显示了根据针对冷却介质的各种流速和/或压力的数学模型的跨越端盖14的冷却介质的上游图像。例如，在图4中，冷却介质的压力小于端盖14内部压缩的工作流体的压力。该情形可能存在于例如当冷却介质不可用或不需要为端盖14提供冷却时。端盖14内部压缩的工作流体的更大的压力有效地防止了任何冷却介质流过气室36并进入通道32。因此，在下游板30的燃烧室侧面18上不存在冷却介质，并且压缩的工作流体为端盖14供给冷却。具体地说，压缩的工作流体流过上游板28中的穿孔34，从而在下游板30上提供冲击冷却。压缩的工作流体然后可流过下游板30中的穿孔34，从而为下游板30的燃烧室18的侧面提供薄膜冷却。
在图5中，冷却介质的压力大致等于端盖14内部压缩的工作流体的压力。该情形可能存在于例如当希望从冷却介质获得某些额外的冷却，以便为端盖14提供冷却时。在冷却介质和端盖14内部压缩的工作流体之间大致相等的压力容许冷却介质从各个气室36流入到通道32中。冷却介质因而将一些冲击冷却与流过上游板28中的穿孔34的压缩的工作流体所提供的冷却一起提供给下游板30的上游侧。另外，冷却介质与压缩的工作流体一起通过下游板30中的穿孔34而流入到燃烧室18中。因此，冷却介质跨越下游板30的燃烧室18的侧面部分。如图5中所示，冷却介质通常在可在气室36的附近形成薄膜层(由阴影区域指示)，并且压缩的工作流体可远离气室36并朝向端盖14的径向中心形成薄膜层(由无阴影的区域指示)。
在图6中，冷却介质的压力大于端盖14内部压缩的工作流体的压力。该情形可能存在于例如当需要从冷却介质获得最大的额外冷却，以便为端盖14提供冷却时。冷却介质的更大的压力有效地防止了任何压缩的工作流体通过上游板28中的穿孔34而流入到通道32中。因此，冷却介质通过各个气室36流入到通道32中，从而在下游板30上提供冲击冷却。冷却介质然后流过穿孔34以及上游板28和下游板30。流过下游板30的冷却介质为下游板30的燃烧室18的侧面提供了薄膜冷却。因此，冷却介质跨越下游板30的燃烧室18的侧面的大部分而存在，然后达到图5中所示的条件。如图6中所示，除了端盖14的径向中心之外，冷却介质通常可跨越下游板30的整个燃烧室18的侧面形成薄膜层(由阴影区域指示)。
本发明的实施例还可提供一种用于冷却燃烧器10的端盖14的方法。例如，燃烧器10的端盖14可通过使冷却介质流入到端盖14中，并使冷却介质冲击在下游板30上而被冷却。该方法还可包括使冷却介质通过下游板30中的穿孔34而流入到燃烧室18中。在特定的实施例中，该方法还可包括使冷却介质冲击在上游板28上和/或使冷却介质流过通道32。
本文使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和利用任何装置或系统，并执行任何结合的方法。本发明可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例包括并非不同于权利要求字面语言的结构元件，或者如果其包括与权利要求语言无实质差异的等效的结构元件，那么这些其它示例都属于权利要求的范围内。

Claims (12)

1.一种燃烧器(10)，包括：
端盖(14)，其中所述端盖(14)包括上游板(28)、邻近所述上游板(28)的下游板(30)、以及位于所述上游板(28)和所述下游板(30)之间的通道(32)；
所述下游板(30)中的穿孔(34)；
位于所述下游板(30)的下游的燃烧室(18)；和
穿过所述上游板(28)的气室(36)，其中所述气室(36)将冷却介质供给所述上游板(28)和所述下游板(30)之间的所述通道(32)。
2.根据权利要求1所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述燃烧器(10)还包括所述上游板(28)中的穿孔(34)。
3.根据权利要求2所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述下游板(30)中的穿孔(34)相对于所述上游板(28)中的穿孔(34)成角度。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述冷却介质包括惰性气体。
5.根据权利要求1到4中的任一项所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述冷却介质包括蒸汽。
6.根据权利要求1到5中的任一项所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述冷却介质具有第一压力，而所述端盖(14)具有第二压力，并且所述冷却介质的所述第一压力大于所述端盖(14)的所述第二压力。
7.根据权利要求1到6中的任一项所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述燃烧器(10)还包括穿过所述上游板(28)的多个气室(36)，其中所述多个气室(36)的每一个均将所述冷却介质供给所述上游板(28)和所述下游板(30)之间的所述通道(32)。
8.一种用于冷却燃烧器(10)的方法，包括：
使冷却介质流入所述燃烧器(10)的端盖(14)；
使所述冷却介质冲击在所述燃烧器(10)的端盖(14)中的下游板(30)上；且
使所述冷却介质通过所述下游板(30)中的穿孔(34)流入燃烧室(18)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使所述冷却介质冲击在所述燃烧器(10)的端盖(14)中的上游板(28)上，其中所述上游板(28)邻近所述下游板(30)。
10.根据权利要求8或9中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使惰性气体冲击在所述燃烧器(10)的端盖(14)中的所述下游板(30)上。
11.根据权利要求8到10中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使蒸汽冲击在所述燃烧器(10)的端盖(14)中的所述下游板(30)上。
12.根据权利要求8到11中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使所述冷却介质在第一压力下流入所述端盖(14)，其中所述第一压力大于所述端盖(14)中的压力。
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