CN103032893A - 燃烧器和用于将流供应到燃烧器的方法 - Google Patents

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S.K.富尔谢尔
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Abstract

本发明涉及燃烧器和用于将流供应到燃烧器的方法。一种用于将流供应到燃烧器的装置包括流动套筒，其被构造成周向围绕该燃烧器，其中，流动套筒限定围绕燃烧器的第一环形通道。第一环形通道的第一区段以第一收敛速度收敛。第一区段下游的第一环形通道的第二区段以小于第一收敛速度的第二收敛速度收敛。一种用于将流供应到燃烧器的方法包括：使工作流体的第一部分大致轴向地流过第一环形通道；使第一环形通道以第一收敛速度收敛；以及使第一环形通道在第一收敛速度下游以第二收敛速度收敛，其中，第二收敛速度小于第一收敛速度。

Description

燃烧器和用于将流供应到燃烧器的方法
技术领域
本发明大体上涉及燃烧器和用于将流供应到燃烧器的方法。在特定实施例中，燃烧器和方法跨过燃烧器提供工作流体的轴向流。
背景技术
燃烧器在工业和商业操作中普遍地用于点燃燃料以产生具有高的温度和压力的燃烧气体。例如，工业燃气涡轮通常包括一个或更多燃烧器以产生功率或推力。用于产生电能的典型商用燃气涡轮包括在前部的轴向式压缩机、围绕中部周向布置的一个或更多燃烧器、以及在后部的涡轮。环境空气可被供应到压缩机，并且压缩机中的旋转叶片和静叶逐渐地赋予工作流体(空气)动能，以产生处于高能状态的压缩的工作流体。压缩的工作流体离开压缩机并流过每个燃烧器中的一个或更多喷嘴，在燃烧器中，压缩的工作流体与燃料混合并在燃烧室中点燃而产生具有高的温度和压力的燃烧气体。燃烧气体流动至涡轮以做功。例如，燃烧气体在涡轮中的膨胀可使连接到发电机的轴旋转而发电。
公知的是，燃气涡轮的热力学效率通常随着更高的燃烧气体温度而增加。然而，更高的燃烧气体温度也可增加不期望的排放的产生，减小对回火和/或火焰稳定的设计裕度，且/或使各种燃烧器构件暴露于过高的温度。结果，存在多种技术以允许更高的燃烧气体温度，同时减小不期望的废气排放、回火、火焰稳定和过高的温度。许多这样的技术试图在燃烧之前增强燃料和压缩的工作流体的均匀混合，以减少或防止燃烧室中与不期望的排放、回火和/或火焰稳定相关联的局部过热点。
另外的技术试图增加对燃烧器构件的冷却，以防止过高的温度损坏燃烧器构件。具体而言，工作流体的一部分可被引导跨过暴露于更高温燃烧气体的燃烧器构件的外部，以向燃烧器构件提供冲击、对流和/或传导冷却。工作流体跨过燃烧器构件外部的轴向喷射减小了工作流体跨过燃烧器的压力损失，这继而增加了燃烧气体流和燃气涡轮的总效率。因此，一种改进的燃烧器和用于跨过燃烧器构件的外部供应轴向流的方法将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点陈述在下面的描述中，或者可从该描述显而易见，或者可通过实施本发明来了解。
本发明的一个实施例是一种用于将流供应到燃烧器的装置。该装置包括构造成周向围绕燃烧器的流动套筒，其中，流动套筒限定围绕燃烧器的第一环形通道。第一环形通道的第一区段以第一收敛速度收敛。第一区段下游的第一环形通道的第二区段以小于第一收敛速度的第二收敛速度收敛。
本发明的另一个实施例是一种燃烧器，其包括至少部分地限定燃烧室的衬套。流动套筒周向围绕衬套，并且衬套和流动套筒在衬套和流动套筒之间限定第一环形通道。第一环形通道的第一区段以第一收敛速度收敛，并且第一区段下游的第一环形通道的第二区段以小于第一收敛速度的第二收敛速度收敛。
本发明还可包括一种用于将流供应到燃烧器的方法。该方法包括使工作流体的第一部分大致轴向地流过周向围绕燃烧室的至少一部分的第一环形通道。该方法还包括使第一环形通道以第一收敛速度收敛并使第一环形通道在第一收敛速度下游以第二收敛速度收敛，其中，第二收敛速度小于第一收敛速度。
通过阅读说明书，本领域的普通技术人员将更好地理解这些实施例和其它实施例的特征和方面。
附图说明
在说明书的其余部分中，包括参考附图，更具体地陈述了本发明的全面且能够实施的公开内容，包括其对于本领域技术人员而言的最佳模式，在附图中：
图1是在本发明的各种实施例的范围内的示例性燃烧器的简化剖视图；
图2是根据本发明的一个实施例的图1所示燃烧器的一部分的透视局部立体剖视图；
图3是根据本发明的一个实施例的图2所示燃烧器的一部分的放大的透视局部立体剖视图；以及
图4是图3所示第一环形通道的侧剖视图。
附图标记：
10     燃烧器
12     壳体
14     端盖
16     喷嘴
18     端帽
20     衬套
22     燃烧室
24     过渡件
26     第一级喷嘴
28     涡轮
30     流动套筒
32     第一环形通道
34     冲击套筒
36     第二环形通道
38     流动孔
40     流过第二环形通道的工作流体
50     流过轴向喷射入口的工作流体
52     轴向喷射入口
54     组合流
56     第一区段
58     第二区段
60     第三区段
62     第四区段
64     流动套筒的上游部分
66     开口环。
具体实施方式
现在将详细地提及本发明的当前实施例，这些实施例的一个或更多示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。在附图和描述中相同或类似的标记用于指代本发明的相同或类似的部分。如本文所用，术语“上游”和“下游”是指构件在流体通道中的相对位置。例如，如果流体从构件A流至构件B，则构件A在构件B的上游。反之，如果构件B接纳来自构件A的流体流，则构件B在构件A的下游。此外，如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用，以区分一个构件与另一构件，而并不意图表示各个构件的特定结构、位置、功能或重要性。
每个示例以本发明的说明而非本发明的限制的方式提供。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中做出修改与变型。例如，作为一个实施例的一部分而示出或描述的特征可用于另一实施例，以产生更进一步的实施例。因此，本发明意图包括落入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改与变型。
本发明的各种实施例包括燃烧器和用于将流供应到燃烧器的方法。该燃烧器和方法可包括轴向喷射流动套筒，其周向围绕燃烧衬套以在流动套筒和衬套之间形成文丘里形环形通道。环形通道大体上包括轴向喷射入口，之后是在流动套筒和衬套之间收敛和发散的高度或距离。这样，轴向喷射流动套筒可增强对衬套的冷却，跨过衬套平稳地合并多个轴向流，且/或减小跨过衬套的压力和/或流损耗。虽然出于说明目的将大体上在并入燃气涡轮的燃烧器的上下文中描述本发明的示例性实施例，但本领域的普通技术人员将容易理解，本发明的实施例可应用于任何燃烧器，而不限于燃气涡轮燃烧器，除非权利要求中特别地叙述。
图1提供例如可包括在燃气涡轮中的示例性燃烧器10的简化剖视图，图2提供根据本发明的一个实施例的图1所示燃烧器10的一部分的透视局部立体剖视图。如图1所示，壳体12和端盖14大体上包封燃烧器10，并且一个或更多喷嘴16可径向布置在端盖14和端帽18之间。大致圆柱形的衬套20连接到端帽18，并且端帽18和衬套20至少部分地限定端帽18下游的燃烧室22。衬套20连接到过渡件24，并且过渡件24将燃烧室22连接到下游构件。例如，如图1所示，过渡件24可在涡轮28的入口处将燃烧室22连接到第一级喷嘴26。
如图1和图2所示，流动套筒30可周向围绕衬套20以在衬套20和流动套筒30之间限定第一环形通道32。类似地，冲击套筒34可周向围绕过渡件24以在过渡件24和冲击套筒34之间限定第二环形通道36。冲击套筒34可包括多个流动孔38，并且流到燃烧器10的工作流体40的一部分可流过流动孔38并进入过渡件24和冲击套筒34之间的第二环形通道36中。这样，工作流体40可流过第二环形通道36而向过渡件24的外部提供冲击、对流和/或传导冷却。
图3提供图2所示燃烧器10的一部分的放大的透视局部立体剖视图，图4提供图3所示第一环形通道32的侧剖视图。如图所示，第一环形通道32大体围绕第二环形通道36下游(相对于燃烧室22外部的工作流体流的方向)的燃烧器10的一部分。工作流体50的一部分可大致轴向地流过流动套筒30中的轴向喷射入口52并进入第一环形通道32中。轴向喷射入口52可相对于衬套20成约1至15度的角度，使得当工作流体50进入第一环形通道32时，进入第一环形通道32的工作流体50大致平行于衬套20流动，以减小流动阻力和压降。
如图3和图4所示，第二环形通道36与第一环形通道32合并。结果，从第二环形通道36流入第一环形通道32中的工作流体40与穿过轴向喷射入口52进入第一环形通道32的工作流体50合并。第一环形通道32大体包括具有变化的长度的收敛区段和发散区段，收敛区段和发散区段类似于喷嘴一样工作以加速和合并工作流体流40、52。第一环形通道32的收敛和发散是指衬套20和流动套筒30之间的高度或距离，并且可以若干方式中的任一种来实现。例如，衬套20和/或流动套筒30可相对于彼此成角度，以形成所期望的收敛或发散。备选地，衬套20和/或流动套筒30的厚度可沿第一环形通道32变化以形成所期望的收敛或发散。
在图3和图4所示的特定实施例中，轴向喷射入口52下游的第一环形通道32的第一区段56以第一收敛速度收敛，以加速穿过轴向喷射入口52进入第一环形通道32的工作流体50。此外，轴向喷入第一环形通道32中的工作流体50形成低压区，该低压区进一步吸入或加速从第二环形通道36流入第一环形通道32中的工作流体40。这样，轴向喷射入口52跨过燃烧器10加速及合并多个轴向流。
第一区段56下游的第一环形通道32的第二区段58可以不同于第一收敛速度的第二收敛速度收敛。例如，如图4中最清楚示出的，第二收敛速度可小于第一收敛速度。这样，第二区段58允许从第二环形通道36流来的工作流体40与流入第一环形通道32中的工作流体50合并，同时仍使组合工作流体流54加速通过第一环形通道32。
第二区段58下游的第一环形通道32的第三区段60可以第一发散速度发散而形成低压区，该低压区减小速度并增加穿过第一环形通道32的组合工作流体流54的压力。第三区段60下游的第一环形通道32的第四区段62可具有基本恒定的高度。这样，第一环形通道32的第一区段56和第二区段58加速并混合工作流体流40、50，并且环形通道32的第三区段60和第四区段62使组合工作流体流54减速以减小跨过衬套20和/或燃烧器10的工作流体流54的总压降。组合工作流体流54流过第一环形通道32而向衬套20的外部提供额外的冲击、对流和/或传导冷却。组合工作流体54接着沿端帽18的外部流动(图1中最清楚地示出)，直到其到达端盖14，在这里，工作流体54倒转方向而流过喷嘴16并进入燃烧室22中。
如图3和图4所示，流动套筒30的上游部分64可以可脱开或固定地连接到第一区段56上游的冲击套筒34，从而简化与流动套筒30相关联的设计、制造成本和维护成本。例如，如图4中最清楚示出的，开口环66可在流动套筒30和冲击套筒34之间提供可脱开的连接。备选地或此外，焊缝、钎焊接头、夹具或其它机械装置可将流动套筒30连接到冲击套筒34。
关于图1至图4所示出和描述的各种实施例还可提供用于将流供应到燃烧器10的方法。该方法可包括使工作流体的第一部分50大致轴向地流过周向围绕燃烧室22的至少一部分的第一环形通道32。该方法还包括：使第一环形通道32以第一收敛速度收敛；使第一环形通道32在第一收敛速度下游以第二收敛速度收敛，其中第二收敛速度小于第一收敛速度；和/或使第一环形通道32在第二收敛速度下游以第一发散速度发散。在特定实施例中，该方法还可包括使工作流体的第二部分40大致轴向地流过周向围绕燃烧室22的至少一部分的第二环形通道36，其中，第二环形通道36在第一环形通道32的上游并与第一环形通道32中的工作流体的第一部分50和第二部分40合并。
该书面描述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施本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利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。如果这种其它示例包括与权利要求的字面语言没有差别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (16)

1. 一种用于将流供应到燃烧器的装置，包括：
a. 流动套筒，其被构造成周向围绕所述燃烧器，其中，所述流动套筒限定围绕所述燃烧器的第一环形通道；
b. 所述第一环形通道的第一区段，其以第一收敛速度收敛；以及
c. 所述第一区段下游的所述第一环形通道的第二区段，其以小于所述第一收敛速度的第二收敛速度收敛。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括所述第一区段上游的轴向喷射入口，其中，所述轴向喷射入口提供进入所述第一环形通道中的大致轴向的流体流。
3. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括所述第二区段下游的所述第一环形通道的第三区段，其中，所述第一环形通道在所述第三区段中以第一发散速度发散。
4. 根据权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括所述第三区段下游的所述第一环形通道的第四区段，其中，所述环形通道在所述第四区段中具有基本恒定的高度。
5. 一种燃烧器，包括：
a. 衬套，其中，所述衬套至少部分地限定燃烧室；
b. 流动套筒，其周向围绕所述衬套，其中，所述衬套和所述流动套筒在所述衬套和所述流动套筒之间限定第一环形通道；
c. 所述第一环形通道的第一区段，其以第一收敛速度收敛；以及
d. 所述第一区段下游的所述第一环形通道的第二区段，其以小于所述第一收敛速度的第二收敛速度收敛。
6. 根据权利要求5所述的燃烧器，其特征在于，还包括所述第一区段上游的轴向喷射入口，其中，所述轴向喷射入口提供进入所述第一环形通道中的大致轴向的流体流。
7. 根据权利要求5所述的燃烧器，其特征在于，还包括所述第二区段下游的所述第一环形通道的第三区段，其中，所述第一环形通道在所述第三区段中以第一发散速度发散。
8. 根据权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，还包括所述第三区段下游的所述第一环形通道的第四区段，其中，所述环形通道在所述第四区段中具有基本恒定的高度。
9. 根据权利要求5所述的燃烧器，其特征在于，还包括将所述燃烧室连接到下游构件的过渡件。
10. 根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，还包括冲击套筒，所述冲击套筒周向围绕所述过渡件，以在所述过渡件和所述冲击套筒之间限定第二环形通道。
11. 根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述第二环形通道在所述第一环形通道的第二区段上游与所述第一环形通道合并。
12. 根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述流动套筒在所述第一区段的上游连接到所述冲击套筒。
13. 一种用于将流供应到燃烧器的方法，包括：
a. 使工作流体的第一部分大致轴向地流过周向围绕燃烧室的至少一部分的第一环形通道；
b. 使所述第一环形通道以第一收敛速度收敛；以及
c. 使所述第一环形通道在所述第一收敛速度下游以第二收敛速度收敛，其中，所述第二收敛速度小于所述第一收敛速度。
14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括使所述第一环形通道在所述第二收敛速度下游以第一发散速度发散。
15. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括使所述工作流体的第二部分大致轴向地流过周向围绕所述燃烧室的至少一部分的第二环形通道，其中，所述第二环形通道在所述第一环形通道的上游。
16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括在所述第一环形通道中合并所述工作流体的第一部分和第二部分。
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