CN103032896A - 燃烧器及用于向燃烧器供应流的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃烧器及用于向燃烧器供应流的方法。具体而言，一种用于穿过燃烧器供应流的装置包括轴向流体喷射器，该喷射器构造成周向地环绕燃烧器的至少一部分。内环形通道延伸通过轴向流体喷射器，且提供了通过轴向流体喷射器且进入环绕燃烧器的第一环形通道中的流体连通。外环形通道从内环形通道径向向外延伸通过轴向流体喷射器，且提供了进入第一环形通道的轴向流。一种用于向燃烧器供应流的方法包括使工作流体的第一部分流过第一轴向流动路径，以及使工作流体的第二部分流过第二轴向流动路径。

Description

燃烧器及用于向燃烧器供应流的方法
技术领域
本发明大体上涉及燃烧器和用于向燃烧器供应流的方法。在特定的实施例中，该燃烧器和方法提供穿过燃烧器的工作流体的轴向流。
背景技术
燃烧器通常用于在工业和商业操作中点燃燃料，以产生具有高温和高压的燃烧气体。例如，工业燃气涡轮通常包括一个或多个燃烧器，以生成功率或推力。用以发电的典型商业燃气涡轮包括位于前部的轴向压缩机、周向地布置在中部周围的一个或多个燃烧器和位于后部的涡轮。环境空气可被供应给压缩机，并且压缩机中的旋转叶片和静止导叶(vane)逐渐地给予动能到工作流体(空气)，以产生处于高能状态的压缩工作流体。压缩工作流体离开压缩机并流过各个燃烧器中的一个或多个喷嘴，其中压缩工作流体在燃烧室中与燃料混合并点燃以生成具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体流至涡轮以产生功。例如，燃烧气体在涡轮中的膨胀可使连接到发电机上的轴旋转而产生电力。
公知的是，燃气涡轮的热动力效率大体上随较高的燃烧气体温度而增加。然而，较高的燃烧气体温度还可增加不期望的排放物的产生、减小用于火焰逆燃和/或火焰稳定的设计裕度、以及/或者使各种燃烧器构件暴露于过高的温度中。结果，存在多种技术以允许较高的燃烧气体温度，同时最小化不期望的排气排放、逆燃、火焰稳定和过高的温度。这些技术中许多都试图在燃烧之前提高燃料与压缩工作流体的均匀混合，以减少或防止与不期望的排放、逆燃和/或火焰稳定相关联的燃烧室中的局部热点。
附加的技术试图增加到燃烧器构件的冷却以防止过高的温度破坏燃烧器构件。具体而言，可将工作流体的一部分引送穿过暴露于较高温度的燃烧气体的燃烧器构件的外侧以向燃烧器构件提供冲击冷却、对流冷却和/或传导冷却。工作流体穿过燃烧器构件的外侧的轴向喷射减小了穿过燃烧器的工作流体的压力损失，这继而又增加了燃烧气体流和燃气涡轮的总体效率。然而，用以将工作流体沿轴向喷射穿过燃烧器构件的外侧的结构增加了与燃烧器相关联的复杂性、制造成本和/或维护成本。因此，一种用于穿过燃烧器构件的外侧供应轴向流的改进的燃烧器和方法将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下说明中陈述，或可从说明中显而易见，或可通过实践本发明而学习。
本发明的一个实施例是一种用于穿过燃烧器供应流的装置。该装置包括轴向流体喷射器，该喷射器构造成周向地环绕燃烧器的至少一部分。内环形通道延伸通过轴向流体喷射器，其中内环形通道提供通过轴向流体喷射器且进入环绕燃烧器的第一环形通道的流体连通。外环形通道从内环形通道径向向外延伸通过轴向流体喷射器，其中外环形通道提供进入第一环形通道中的轴向流。
本发明的另一实施例为一种燃烧器，该燃烧器包括至少部分地限定燃烧室的衬套，以及周向地环绕衬套以限定衬套与流动套筒之间的第一环形通道的流动套筒。轴向流体喷射器邻近流动套筒，且周向地围绕燃烧器延伸。内环形通道延伸通过轴向流体喷射器，提供了通过轴向流体喷射器且进入第一环形通道中的流体连通。外环形通道从内环形通道径向向外延伸通过轴向流体喷射器，提供了进入第一环形通道中的轴向流。
本发明还可包括一种用于向燃烧器供应流的方法。本方法包括使工作流体的第一部分流过第一轴向流动路径，其中第一轴向流动路径通过轴向流体喷射器中的内环形通道，轴向流体喷射器周向地环绕燃烧器。该方法还包括使工作流体的第二部分流过第二轴向流动路径，其中第二轴向流动路径通过轴向流体喷射器中的外环形通道。
本领域技术人员在阅读说明书以后将更好地理解此类实施例的特征和方面及其它。
附图说明
本发明的完整且能够实现的公开，包括其对本领域技术人员而言的最佳模式在包括对附图的参考的说明书的剩余部分中更具体地论述，在附图中：
图1为在本发明的各种实施例的范围内的示例性燃烧器的简化截面视图；
图2为根据本发明的一个实施例的图1中所示的燃烧器的一部分的局部断面透视图；
图3为根据本发明的一个实施例的图2中所示的燃烧器的一部分的局部断面放大透视图；以及
图4是图3中所示的轴向流体喷射器的侧截面视图；
部件列表
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 轴向流体喷射器
42 内环形通道
44 外环形通道
46 导叶
48 环形翼型件
50 轴向中心线
52 流体通道
54 分流环
56 槽口
58 焊珠(weld bead)
60 弹簧夹具
62 第一轴向流动路径
64 第二轴向流动路径。
具体实施方式
现将详细参考本发明的实施例，其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。在附图和说明中使用相同或类似的标号来表示本发明的相同或类似的零件。
以解释本发明而不是限制本发明的方式来提供各个实例。事实上，对本领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的前提下，可在本发明中做出改型和变型。例如，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求及其等同方案的范围内的这些改型和变型。
本发明的各种实施例包括燃烧器和用于向燃烧器供应流的方法。该燃烧器和方法可包括双轴向流体喷射器，该喷射器周向地环绕燃烧器以穿过燃烧器供应多股轴向流。双轴向流体喷射器加强了对燃烧器的冷却、平稳地汇合穿过燃烧器的多股轴向流和/或减小穿过燃烧器的压力和/或流损失。尽管为了图示的目的大体上以合并入燃气涡轮中的燃烧器为背景描述了本发明的示例性实施例，但本领域技术人员将容易认识到本发明的实施例可应用于任何燃烧器，且不限于燃气涡轮燃烧器，除非在权利要求中明确地指明。此外，如本文使用的用语"第一"、"第二"和"第三"可互换地使用以将一个构件与另一个区分开，且并非旨在表示独立构件的特定结构、位置、功能或重要性。
图1提供了示例性燃烧器10(诸如可包括在燃气涡轮中)的简化截面，而图2提供了根据本发明的一个实施例的图1中所示的燃烧器的一部分的局部断面透视图。如图1中所示，壳体12和端盖14大体上围住燃烧器10，且一个或多个喷嘴16可径向地布置在端盖14与端帽18之间。大体上柱形的衬套20连接到端帽18上，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上，且过渡件24将燃烧室22连接到下游构件上。例如，如图1中所示，过渡件24可将燃烧室22连接到在涡轮28的入口处的第一级喷嘴26上。
如图1和图2中所示，流动套筒30可周向地环绕衬套20以限定在衬套20与流动套筒30之间的第一环形通道32。类似地，冲击套筒34可周向地环绕过渡件24以限定在过渡件24与冲击套筒34之间的第二环形通道36。冲击套筒34可包括多个流动孔38，且流至燃烧器10的工作流体的一部分可流过流动孔38且流入过渡件24与冲击套筒34之间的第二环形通道36中。以此方式，工作流体可向过渡件24的外侧提供冲击冷却、对流冷却和/或传导冷却。然后，工作流体可流过轴向流体喷射器40，喷射器40在衬套20与过渡件24之间周向地环绕燃烧器10。在流过轴向流体喷射器40之后，工作流体流过衬套20与流动套筒30之间的第一环形通道32以类似地向衬套20的外侧提供冲击冷却、对流冷却和/或传导冷却。然后，工作流体沿端帽18(图1中最清楚地示出)的外侧流动，直到工作流体到达端盖14，在端盖14处，工作流体反向以流过喷嘴16且流入燃烧室22中。
图3提供了图2中所示的燃烧器10的一部分的局部断面放大透视图，而图4提供了图3中所示的轴向流体喷射器40的侧截面视图。如图所示，轴向流体喷射器40大体上在第一环形通道32与第二环形通道36之间环绕燃烧器10的一部分，以调节流入或流过第一环形通道32和第二环形通道36的工作流体。轴向流体喷射器40可包括会聚部分和扩散部分，会聚部分和扩散部分的作用类似于喷嘴，用于加速和/或喷射流过第一环形通道32和第二环形通道36的工作流体。例如，如图3和图4中所示，内环形通道42可提供第一环形通道32与第二环形通道36之间的流体连通，而外环形通道44可提供从流动套筒30的外侧和/或冲击套筒34的外侧进入第一环形通道32中的流体连通。内环形通道42和外环形通道44可限定会聚的流动路径以增加流过相应的通道42,44的工作流体的速度。在流过相应的通道42,44之后，轴向流体喷射器40可扩散以产生低压区，低压区减小工作流体的速度且增加工作流体的压力。此外，轴向地喷射通过外环形通道44进入第一环形通道32中的工作流体产生低压区，该低压区还吸入或加速从第二环形通道36流过内环形通道42的工作流体。以此方式，轴向流体喷射器40加速且合并穿过燃烧器10的多股轴向流。
如图3和图4中进一步所示，轴向流体喷射器40可包括多个导叶46，导叶46径向地延伸穿过内环形通道42或外环形通道44中的至少一个。除部分地限定或分开内环形通道42和外环形通道44的径向分开的环形翼型件48之外，导叶46可相对于燃烧器10的轴向中心线50成角度或倾斜，以将周向旋流给予流过第一环形通道32的工作流体。作为备选或此外，如图4中的虚线所示，流体通道52可在一个或多个导叶46的内侧径向地延伸，以提供通过轴向流体喷射器40至燃烧室22的流体连通。以此方式，工作流体的一部分可流过流体通道52，以在流入燃烧室22之前在轴向流体喷射器40与衬套20之间提供冷却。
轴向流体喷射器40可铸造或形成为单个零件，且随后可释放地或固定地连接到一个或多个邻近的构件上，由此简化了与邻近的构件相关联的设计、制造成本和维护成本。例如，图4中最清楚地示出，分流(split)环54可将流动套筒30连接到轴向流体喷射器40的凹槽或槽口56上，以提供流动套筒30与轴向流体喷射器40之间的可释放连接。作为备选或此外，焊珠58、硬焊接头、夹具或其它机械装置可将轴向流体喷射器40连接到过渡件24上。在另外的更多实施例中，一个或多个弹簧夹具60可用于提供在轴向流体喷射器40与衬套20、流动套筒30、过渡件24和/或冲击套筒34之间的弹性密封件。本领域技术人员将容易认识到轴向流体喷射器40与邻近的构件之间的各种可释放连接和/或固定连接是可能的，且本发明不限于任何特定的连接，除非在权利要求中明确地指明。
参照图1-4描述和示出的各种实施例还可提供一种用于向燃烧器10供应流的方法。该方法可包括使工作流体的第一部分流过第一轴向流动路径62以及使工作流体的第二部分流过第二轴向流动路径64。如图4中最清楚地示出地，第一轴向流动路径62可通过内环形通道42，而第二轴向流动路径64可通过外环形通道44。在特定的实施例中，该方法还可包括使工作流体的第三部分在一个或多个导叶46的内侧流动，导叶46径向延伸穿过内环形通道42或外环形通道44中的至少一个。作为备选或此外，该方法可包括使流过第一轴向流动路径62或第二轴向流动路径64的工作流体的第一部分或第二部分中的至少一个成旋流。
本书面描述使用了包括最佳模式在内的实例来公开本发明，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利权的范围通过权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果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，或者如果其它实例包括与权利要求的字面语言无实质性差别的等同结构元件，则这种其它实例意图在权利要求的保护范围内。

Claims (19)

1.一种用于穿过燃烧器供应流的装置，包括：
a. 轴向流体喷射器，其构造成周向地环绕所述燃烧器的至少一部分；
b. 延伸通过所述轴向流体喷射器的内环形通道，其中，所述内环形通道提供通过所述轴向流体喷射器且进入环绕所述燃烧器的第一环形通道的流体连通；
c. 从所述内环形通道径向向外延伸通过所述轴向流体喷射器的外环形通道，其中，所述外环形通道提供进入所述第一环形通道中的轴向流。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述轴向流体喷射器还包括多个导叶，所述导叶径向延伸穿过所述内环形通道或所述外环形通道中的至少一个。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括流体通道，所述流体通道在所述导叶中的一个或多个内侧径向延伸。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述导叶中的一个或多个相对于所述燃烧器的轴向中心线成角度。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内环形通道大于所述外环形通道。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内环形通道提供在环绕所述燃烧器的第二环形通道与所述第一环形通道之间的流体连通。
7.一种燃烧器，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，其周向地环绕所述衬套以限定在所述衬套与所述流动套筒之间的第一环形通道；
c. 轴向流体喷射器，其邻近所述流动套筒，且围绕所述燃烧器周向地延伸；
d. 延伸通过所述轴向流体喷射器的内环形通道，其中，所述内环形通道提供通过所述轴向流体喷射器且进入所述第一环形通道中的流体连通；以及
e. 从所述内环形通道径向向外延伸通过所述轴向流体喷射器的外环形通道，其中，所述外环形通道提供进入所述第一环形通道中的轴向流。
8.根据权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，还包括所述流动套筒与所述轴向流体喷射器之间的连接。
9.根据权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，还包括所述轴向流体喷射器与所述衬套之间的弹性密封件。
10.根据权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括多个导叶，所述导叶径向延伸穿过所述内环形通道或所述外环形通道中的至少一个。
11.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，还包括流体通道，所述流体通道在所述导叶中的一个或多个的内侧径向延伸。
12.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述导叶中的一个或多个相对于所述燃烧器的轴向中心线成角度。
13.根据权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括将所述燃烧室连接到下游构件的过渡件。
14.根据权利要求13所述的燃烧器，其特征在于，所述轴向流体喷射器连接到所述过渡件上。
15.根据权利要求13所述的燃烧器，其特征在于，还包括冲击套筒，所述冲击套筒周向地环绕所述过渡件以限定所述过渡件与所述冲击套筒之间的第二环形通道。
16.一种用于向燃烧器供应流的方法，包括：
a. 使工作流体的第一部分流过第一轴向流动路径，其中，所述第一轴向流动路径通过轴向流体喷射器中的内环形通道，所述轴向流体喷射器周向地环绕所述燃烧器；以及
b. 使所述工作流体的第二部分流过第二轴向流动路径，其中，所述第二轴向流动路径通过所述轴向流体喷射器中的外环形通道。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括使所述工作流体的第三部分在一个或多个导叶的内侧流动，所述导叶径向延伸穿过所述内环形通道或所述外环形通道中的至少一个。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括使所述工作流体的第一部分或第二部分中的至少一个成旋流。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括使所述工作流体的第一部分和第二部分汇合。
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