CN103062796B - 燃烧器以及用于调整穿过燃烧器的流的方法 - Google Patents
燃烧器以及用于调整穿过燃烧器的流的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种燃烧器和用于调整穿过燃烧器的流的方法。所述烧烧器包括端帽，所述端帽径向延伸越过所述燃烧器的一部分，并且包括与下游表面轴向分离的上游表面。燃烧室位于所述端帽下游。预混合管从紧邻所述上游表面的预混合管入口延伸穿过所述下游表面，以提供穿过所述端帽的流体连通，并且所述预混合管包括用于调整穿过所述多个预混合管的流的构件。一种用于调整穿过燃烧器的流的方法，其包括：使工作流体流过轴向延伸穿过端帽的第一组预混合管和第二组预混合管，其中所述第二组预混合管包括用于调整穿过所述第二组预混合管的流的构件；以及，使燃料流过所述第一组预混合管或所述第二组预混合管。
Description
技术领域
本发明大体上涉及一种燃烧器以及用于调整(condition)穿过燃烧器的流的方法。在本发明的特定实施例中，所述燃烧器和方法可用于使穿过燃烧器的工作流体的流标准化(normalize)。
背景技术
燃烧器通常用于工业生产和发电操作中，用以点燃燃料，以产生高温高压的燃烧气体。例如，燃气涡轮机通常包括一个或多个燃烧器，以发电或产生推力。用来发电的典型燃气涡轮机包括位于前部的轴流式压缩机、位于中部附近的一个或多个燃烧器，以及位于尾部的涡轮机。周围空气可供应到压缩机，并且压缩机中的旋转桨叶和固定叶片逐渐向工作流体(空气)传递动能，以产生处于高能状态的压缩工作流体。随后，压缩工作流体离开压缩机并流过一个或多个喷嘴进入各燃烧器中的燃烧室，在燃烧室中，压缩工作流体与燃料混合并点燃，从而产生高温高压的燃烧气体。燃烧气体在涡轮机中膨胀做功。例如，燃烧气体在涡轮机中膨胀可使连接至发电机的轴旋转，从而发电。
各种设计和运行参数均会影响燃烧器的设计和运行。例如，较高的燃烧气体温度通常会提高燃烧器的热力学效率。然而，较高的燃烧气体温度也会改善逆燃或火焰稳定条件，其中燃烧火焰朝着由喷嘴提供的燃料移动，这可能在相对较短时间内对喷嘴造成严重损害。此外，较高的燃烧气体温度通常会提高二价(diatomic)氮的分解(disassociation)速率，从而增加氮氧化物(NOX)的产量。相反，与燃料流减小和/或部分负载运行(关闭)相关的较低燃烧气体温度通常会降低燃烧气体的化学反应速率，从而增加一氧化碳和未燃烧的烃类化合物的产量。因此，对用于调整穿过燃烧器的流的设计和方法的持续改进将用于在大范围的燃烧器运行水平上提高燃烧器的热力学效率，保护燃烧器免受灾难性损害，并且/或者减少不需要的排放物。
发明内容
以下说明将阐明本发明的各方面内容和优点，或者，这些方面和优点在该说明中可能是显而易见的，或者通过实施本发明能够获悉。
本发明的一项实施例为一种燃烧器，其包括径向延伸越过(across)所述燃烧器的至少一部分的端帽。所述端帽包括与下游表面轴向分离的上游表面。燃烧室位于所述端帽下游。多个预混合管从紧邻所述上游表面的预混合管入口延伸穿过所述端帽的所述下游表面，以提供穿过所述端帽到达所述燃烧室的流体连通，并且所述多个预混合管包括用于调整穿过所述多个预混合管的流的构件。
本发明的另一项实施例为一种燃烧器，其包括径向延伸越过所述燃烧器的至少一部分的端帽。所述端帽包括与下游表面轴向分离的上游表面。防护罩周向包围所述端帽的至少一部分，并且在所述上游表面和所述下游表面之间至少部分构成燃料腔室。多个预混合管延伸穿过所述端帽的所述上游表面和所述下游表面，并且包括预混合管入口，以及用于调整穿过所述多个预混合管的流的构件。
本发明也可包括一种用于调整穿过燃烧器的流的方法，所述方法包括：使工作流体流过轴向延伸穿过端帽的第一组预混合管，所述端帽径向延伸越过所述燃烧器的至少一部分；使所述工作流体流过轴向延伸穿过所述端帽的第二组预混合管，其中所述第二组预混合管包括用于调整穿过所述第二组预混合管的流的构件；以及，使燃料流过所述第一组预混合管或所述第二组预混合管中的至少一者。
所属领域的一般技术人员可通过阅读本说明书来更好地了解此类实施例的特征和方面及其他内容。
附图说明
本说明书的其余部分参考附图，针对所属领域的技术人员，完整且可实现地详细揭示了本发明，包括其最佳模式，其中：
图1为根据本发明的一项实施例的示例性燃烧器的简化截面图；
图2为根据本发明的一项实施例的图1所示燃烧器的一部分的放大截面图；
图3至图10为根据本发明各项实施例的预混合管入口的放大透视图；以及
图11为图1至图2所示端帽的上游表面的一部分的下游平面视图。
元件符号列表：
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各实施例，附图中将图示本发明实施例的一个或多个实例。具体实施方式中使用数字和字母标识来指代附图中的特征。附图和说明中相同或类似的标识用于指代本发明的相同或类似的部分。
各个实例用以解释本发明而非限制本发明。事实上，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，所属领域的技术人员可对本发明做各种修改和变化。例如，作为一项实施例一部分的特征可用于另一项实施例中，从而得到又一项实施例。因此，本发明应涵盖属于所附权利要求书及其等效物的范围内的此类修改和变化。
本发明的各种实施例包括一种燃烧器以及用于调整穿过燃烧器的流的方法。基线计算流体动力学的计算表明，流动通过燃烧器的工作流体可能分层(stratified)，从而形成局部流的过量供给区域。具体而言，燃烧器中存在的重复几何结构可能使高流区域形成于边界或分界线附近。因此，本发明的特定实施例寻求减少局部流的过量供给区域，以使径向越过燃烧器的工作流体流标准化。尽管出于说明目的，本发明的示例性实施例将大体在并入燃气涡轮机的燃烧器的背景下描述，但所属领域的一般技术人员将容易了解，除非在权利要求书中特别指出，否则本发明的各实施例可用于任意燃烧器，且并不限于燃气涡轮机燃烧器。
图1图示根据本发明的一项实施例的，例如，会设于燃气涡轮机中的示例性燃烧器10的简化截面图。外壳12和端盖14可包围燃烧器10，以容纳流向燃烧器10的工作流体。工作流体穿过冲击套管18中的导流孔16，以沿过渡连接件20和内衬22的外侧流动，从而为过渡连接件20和内衬22提供对流冷却。当工作流体到达端盖14时，工作流体反向流过一个或多个燃料喷嘴24和/或预混合管26，进入燃烧室28中。
一个或多个燃料喷嘴24和预混合管26径向布置在位于燃烧室28上游的端帽30中。本说明书中所用的术语“上游”和“下游”指各部件在流体通道中的相对位置。例如，如果流体从部件A流向部件B，则部件A位于部件B上游。相反，如果部件B收纳来自部件A的流体流，则部件B位于部件A下游。燃烧器10的各种实施例可包括不同数量和布置的燃料喷嘴24和预混合管26。例如，在图1所示实施例中，燃烧器10包括与燃烧器10的轴中心线32对齐的单个燃料喷嘴24，预混合管26包围单个燃料喷嘴24，且在端帽30中径向向外延伸。
燃料喷嘴24延伸穿过端帽30，并且提供穿过端帽30到达燃烧室28的流体连通。燃料喷嘴24可包括所属领域一般技术人员已知的任何合适结构，以用于使燃料和工作流体在进入燃烧室28之前混合，并且除非权利要求书中特别指出，否则本发明不限于任何特定结构或设计。例如，如图2中更清晰地图示，燃料喷嘴24可包括中心体34和钟口形开口36。中心体34为燃料提供流体连通，使其从端盖14流过中心体34，然后进入燃烧室28中。钟口形开口36包围中心体34的至少一部分，从而在中心体34和钟口形开口36之间构成环形通道38。通过这种方式，工作流体可流过环形通道38，以在到达燃烧室28之前，与来自中心体34的燃料混合。如果需要，则燃料喷嘴24可进一步包括一个或多个旋流器叶片40，其在中心体34和钟口形开口36之间径向延伸，以在燃料和工作流体的混合物到达燃烧室28之前，使其旋动。
图2提供根据本发明的一项实施例的图1所示燃烧器10的一部分的放大截面图。如图2所示，端帽30径向延伸越过燃烧器10的至少一部分，并且通常包括与下游表面44轴向分离的上游表面42。每个预混合管26包括紧邻上游表面42的预混合管入口46，并且延伸穿过端帽30的下游表面44，从而为工作流体提供流体连通，使其流过端帽30，然后进入燃烧室28。虽然图示为圆柱形管，但预混合管26的横截面可为任何几何形状，并且除非权利要求书中特别指出，否则本发明不限于任何特定横截面。防护罩48周向包围端帽30的至少一部分，从而在上游表面42和下游表面44之间部分构成燃料腔室50。
燃料管道52可从端盖14延伸穿过端帽30的上游表面42，从而为燃料提供流体连通，使其从端盖14流过燃料管道52，然后进入燃料腔室50中。一个或多个预混合管26可包括燃料口54，其提供从燃料腔室50穿过一个或多个预混合管26的流体连通。燃料口54可径向、轴向并且/或者以一方位角而成角度，以喷射流过燃料口54然后进入预混合管26中的燃料，并且/或者使所述燃料旋动。通过这种方式，工作流体可流过预混合管入口46，然后进入预混合管26，并且来自燃料管道52的燃料可流过燃料腔室50和燃料口54，然后进入预混合管26，从而与工作流体混合。然后，燃料和工作流体的混合物可流过预混合管26，然后进入燃烧室28。
图3至图10提供根据本发明各项实施例的预混合管入口46的放大透视图。如图所示，独立预混合管26可包括用于调整穿过预混合管26的流，因此用于调整穿过燃烧器10的流的各种构件。例如，如图3至图6所示，用于调整穿过预混合管26的流的构件可包括预混合管入口46中的一个或多个槽70。或者，如图7至图10所示，用于调整穿过预混合管的流的构件可包括紧邻预混合管入口46的一个或多个孔口72。如图3至图10所示，槽70和孔口72可采用任何几何形状，并且除非权利要求书中特别指出，否则本发明不限于槽70或孔口72的任何特定横截面或形状。例如，槽70可具有位于各个深度处的圆形底部，如图3和图5所示。或者，槽70可具有尖角底部，如图4所示，或者具有平坦底部，如图6所示。类似地，孔口72可为弧形或多边形，如图7至图10所示。计算流体动力学模型表明，预混合管入口46中或者紧邻所述预混合管入口的槽70或孔口72将降低穿过独立预混合管26的工作流体的质量流率。因此，具有槽70或孔口72的预混合管26的宽度、深度、数量和位置可容易确定，以便具有用于调整穿过预混合管26的流的构件的一个或多个预混合管26可位于局部流的过量供给区域中，从而使径向越过燃烧器10的工作流体流标准化。
例如，图11提供图1和图2所示端帽30的上游表面42的一部分的下游平面视图。如图所示，燃烧器10包括垂直挡板60，其将预混合管26分成多组62。在此特定实例中，计算流体动力学模型表明，高流区域通常邻近挡板60和燃料管道52。因此，槽70已被添加到邻近挡板60和燃料管道52的预混合管26，以降低此先前高流区域中工作流体的质量流率，从而使径向越过端帽30的工作流体的质量流率标准化。所属领域的一般技术人员无需过度实验即可容易确定槽70和/或孔口72的最佳位置、方向、大小和数量。
因此，参考图1至图11描述和图示的燃烧器10可提供一种用于调整穿过燃烧器10的流的方法。如以上所述，所述方法通常包括，使一部分工作流体流过轴向延伸穿过端帽30的第一组预混合管26(不具有槽70和孔口72)，使一部分工作流体流过轴向延伸穿过端帽30的第二组预混合管26(具有槽70和孔口72)，以及使燃料流过第一组或第二组预混合管26中的至少一者。在特定实施例中，所述方法可进一步包括，使用挡板60，并且/或者单独调节穿过预混合管26的各个组62的燃料类型和/或流率，来将预混合管26分成多组62。在其他实施例中，所述方法可包括，使燃料流过轴向延伸穿过端帽30的燃料喷嘴24。
本说明书使用了各个实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书限定，并可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。
Claims (20)
1.一种燃烧器，其包括：
a.端帽，其径向延伸越过所述燃烧器的至少一部分，其中所述端帽包括与下游表面轴向分离的上游表面；
b.位于所述端帽下游的燃烧室；
c.多个预混合管，其从紧邻所述上游表面的预混合管入口延伸穿过所述端帽的所述下游表面，其中每个预混合管提供穿过所述端帽到达所述燃烧室的流体连通；
d.预混合管入口中的或者紧邻预混合管入口的用于调整穿过所述多个预混合管的流的构件。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其中用于调整穿过所述多个预混合管的流的所述构件包括一个或多个预混合管入口中的一个或多个槽。
3.根据权利要求2所述的燃烧器，其中所述槽为圆形、尖角形或平坦形中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的燃烧器，其中用于调整穿过所述多个预混合管的流的所述构件包括紧邻一个或多个预混合管入口的一个或多个孔口。
5.根据权利要求4所述的燃烧器，其中所述孔口为弧形或多边形中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的燃烧器，其进一步包括防护罩，所述防护罩周向包围所述端帽的至少一部分，其中所述防护罩在所述上游表面和所述下游表面之间至少部分构成燃料腔室。
7.根据权利要求1所述的燃烧器，其进一步包括，延伸穿过所述端帽的所述上游表面的燃料管道。
8.根据权利要求1所述的燃烧器，其进一步包括，延伸穿过一个或多个预混合管的燃料口，其中每个燃料口提供穿过所述一个或多个预混合管的流体连通。
9.根据权利要求1所述的燃烧器，其进一步包括，延伸穿过所述端帽的燃料喷嘴，其中所述燃料喷嘴提供穿过所述端帽到达所述燃烧室的流体连通。
10.一种燃烧器，其包括：
a.端帽，其径向延伸越过所述燃烧器的至少一部分，其中所述端帽包括与下游表面轴向分离的上游表面；
b.防护罩，其周向包围所述端帽的至少一部分，其中所述防护罩在所述上游表面和所述下游表面之间至少部分限定燃料腔室；
c.多个预混合管，其延伸穿过所述端帽的所述上游表面和所述下游表面，其中每个预混合管包括预混合管入口；以及
d.预混合管入口中的或者紧邻预混合管入口的用于调整穿过所述多个预混合管的流的构件。
11.根据权利要求10所述的燃烧器，其中用于调整穿过所述多个预混合管的流的所述构件包括一个或多个预混合管入口中的一个或多个槽。
12.根据权利要求11所述的燃烧器，其中所述槽为圆形、尖角形或平坦形中的至少一种。
13.根据权利要求10所述的燃烧器，其中用于调整穿过所述多个预混合管的流的所述构件包括紧邻一个或多个预混合管入口的一个或多个孔口。
14.根据权利要求13所述的燃烧器，其中所述孔口为弧形或多边形中的至少一种。
15.根据权利要求10所述的燃烧器，其进一步包括，延伸穿过一个或多个预混合管的燃料口，其中每个燃料口提供穿过所述一个或多个预混合管的流体连通。
16.根据权利要求10所述的燃烧器，其进一步包括，延伸穿过所述端帽的所述上游表面和所述下游表面的燃料喷嘴，其中所述燃料喷嘴提供穿过所述端帽的流体连通。
17.一种用于调整穿过燃烧器的流的方法，其包括：
a.使工作流体流过轴向延伸穿过端帽的第一组预混合管，所述端帽径向延伸越过所述燃烧器的至少一部分；
b.使所述工作流体流过轴向延伸穿过所述端帽的第二组预混合管，其中所述第二组预混合管包括预混合管入口和所述预混合管入口中的或者紧邻所述预混合管入口的用于调整穿过所述第二组预混合管的流的构件；以及
c.使燃料流过所述第一组预混合管或所述第二组预混合管中的至少一者。
18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括，使所述燃料流过轴向延伸穿过所述端帽的燃料喷嘴。
19.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括，将预混合管分成多组，所述预混合管包括所述第一组预混合管和所述第二组预混合管。
20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括，调整穿过预混合管的所述多组的燃料流率。
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