CN103104913A - 燃烧器及给燃烧器供应燃料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃烧器，其包括：端帽，位于所述端帽下游的燃烧室，及多个延伸通过所述端帽的管，以提供通过所述端帽而到所述燃烧室的流体连通。壳体包围所述端帽，及导管从所述壳体延伸到所述端帽。输送管围绕所述导管并延伸到所述端帽内，以提供到端帽的流体连通。一种向燃烧器供应燃料的方法，其包括使工作流体流过多个管，所述多个管轴向地延伸通过端帽，供应通过导管进入所述端帽的第一流体，和供应通过输送管进入所述端帽的第二流体，所述输送管螺旋地围绕所述导管。

Description

燃烧器及给燃烧器供应燃料的方法

技术领域

本发明大体上涉及一种燃烧器及给燃烧器供应燃料的方法。

背景技术

燃烧器一般用在工业和发电运行中，以点燃燃料而产生具有高温和高压的燃烧气体。各种抵触的考虑影响着燃烧器的设计和操作。例如，较高的燃烧气体温度一般能提高燃烧器的热力学效率。但是，这也促使产生逆燃(flashback)或保持火焰状态，在该状态下，燃烧火焰移向由喷嘴提供的燃料，这可能在相当短的时间里严重损伤喷嘴。此外，较高的燃烧气体温度一般增强二价氮的分解率，增加氧化氮(NOx)的产生。相反地，与降低燃料流量和/或部分负荷运转(调低)有关的较低燃烧气体温度一般降低燃烧气体的化学反应率，并增加一氧化碳和未燃烧碳氢化合物的产生。

在特定的燃烧器设计中，在端帽中径向地设置多个管，以提供流体连通使工作流体流过端帽，并进入燃烧室。可向端帽内的集气室(plenum)供应燃料，使其在管外部的上方流动，以在其流入管中以与工作流体混合之前对该管提供对流冷却。提高管中燃料与工作流体之间的混合，允许在较高工作温度下更稀薄的(leaner)燃烧，同时防止逆燃或保持火焰并控制不合需要的排放物。但是，燃料进入管前提供的对流冷却可能导致燃料加热不均。因此，流过管的燃料的温度和密度的变化可能产生管中热应力和/或燃料与工作流体的比率不均，这不利地影响了火焰的稳定性、燃烧器性能和/或不合需要的排放物。因而，改进的燃烧器以及向燃烧器供应燃料的方法会有益处，其降低管中的热应力，和/或降低流过管的燃料的温度和密度的变化。

发明内容

本发明的各方面和优点将在以下描述中提及，或通过该描述而显而易见，或通过实施本发明而获悉。

本发明的一项实施例为一种燃烧器，其包括被配置为径向地延伸越过该燃烧器的至少一部分的端帽，其中该端帽包括与下游表面轴向分离的上游表面。帽防护罩在圆周方向上包围上游表面和下游表面的至少一部分，及多个管从上游表面延伸通过下游表面，以提供通过端帽的流体连通。在上游表面和下游表面间的端帽内有一集气室。导管延伸到集气室内部，及输送管围绕该导管并延伸到集气室内部，以提供至该集气室的流体连通。

本发明的另一实施例为一种燃烧器，其包括被配置为径向地延伸越过该燃烧器的至少一部分的端帽，端帽下游的燃烧室，多个延伸通过端帽的管，以提供通过端帽至燃烧室的流体连通。壳体包围该端帽，及导管从该壳体向端帽延伸，以向端帽提供流体连通。输送管螺旋地围绕该导管，并延伸到端帽内部以向端帽提供流体连通。

本发明的实施例也可包括一种向燃烧器供应燃料的方法，其包括使工作流体流动通过多个管，该管轴向地延伸通过端帽；供应通过导管进入端帽的第一流体，供应通过输送管进入端帽的第二流体，该输送管螺旋地围绕该导管。

本领域的普通技术人员可通过阅读本说明书而更好地理解这些实施例的特征和方面。

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为根据本发明的实施例的一种示例性燃烧器的简化横截面图。

图2为根据本发明的实施例的图1中所示燃烧器的上游轴向图；

图3为根据本发明的另一实施例的一种示例性燃烧器的简化横截面图。

具体实施方式

下面将详细参照本发明的具体实施例，其一个或多个例子已在附图中示出。详细描述中使用数字和字母符号表示附图中的特征。附图和说明中相同或相似的符号用于表示本发明中相同或相似的部件。如在本文中使用的，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以将一个元件与另一个元件进行区分，而并不旨在突出各个元件的位置或重要性。另外，术语“上游”、“下游”指的是在一个流体通路中元件的相对位置。例如，如果流体从元件A流向元件B，则元件A在元件B的上游；相反地，如果元件B收到来自元件A的流体流，则元件B在元件A的下游。

提供的每个实例是为了解释本发明而非限制本发明。实际上，对本领域中的技术人员显而易见的是可在不脱离本发明的范围或精神的情况下，对本发明做出修改和变化。举例来说，作为一项实施例的部分所示或所述的特征可用于另一实施例，以获得一个又一项实施例。因此，本发明旨在涵盖在所附权利要求和其等同形式的范围内的这些改变和变化。

本发明的各项实施例包括一种燃烧器及向该燃烧器供应燃料的方法。燃烧器一般包括壳体，其包绕流过燃烧器的工作流体。径向地布置在端帽中的多个管在燃烧前增加工作流体和燃料的混合。在特定实施例中，一个或多个导管可在壳体和端帽间延伸，以向端帽供应燃料、稀释剂、和/或其他添加剂。输送管可在导管外部延伸，以在燃料流入管中而与工作液混合之前，使流经输送管的燃料均匀受热。在具体实施例中，该输送管可螺旋地围绕导管。这种改进的燃料加热降低管的热应力，和/或减少流经管的燃料的温度和密度变化，从而增强火焰的稳定性和燃烧器性能，和/或改善不合需要的排放物。尽管本发明的示例性实施例为了说明，一般在与燃气涡轮机结合的燃烧器的情况下描述，但是本领域的普通技术人员容易理解，如果没有在权利要求中具体指明，则本发明的实施例可用于任何燃烧器而不限于燃气涡轮机燃烧器。

图1提供了根据本发明的一项实施例的一种示例性燃烧器10的简化横截面图；及图2为图1中所示燃烧器10的上游轴向视图。如图所示，壳体12大体包围该燃烧器10，以容纳流入到燃烧器10的工作流体14。壳体12可包括位于一端的端盖16，其提供接口用于向燃烧器10供应燃料、稀释剂和/或其他添加剂。一个或多个流体导管18可轴向地从端盖16延伸到端帽20，以向端帽20提供用于燃料、稀释剂和/或其他添加剂的流体连通。该端帽20大体径向地延伸越过燃烧器10的至少一部分，及端帽20和内衬22大体地限定了端帽20下游的燃烧室24。壳体12在圆周方向上包围端帽20和/或内衬22以限定环形通道26，该环形通道包围端帽20和内衬22。这样，工作流体14可沿着内衬22的外部流经环形通道26，以对流冷却该内衬22。当工作流体14到达端盖16时，工作流体14可反向地流经端帽20，并流入燃烧室24。

端帽20大体包括轴向地与下游表面30分离的上游表面28，及一个或多个喷嘴32和/或管34可从上游表面28通过下游表面30延伸，以向燃烧室24提供通过端帽20的流体相通。喷嘴32和管34的具体形状、尺寸、数量和布置可根据具体实施例变化。例如，喷嘴32和管34一般图示为圆柱状；但是，本发明范围内的替换实施例可能包括事实上具有任意几何形状横截面的喷嘴和管。

喷嘴32可轴向地从端盖16延伸通过端帽20。护罩36可沿着圆周方向包围喷嘴32，以限定围绕喷嘴32的环形通道38，并提供通过端帽20的流体连通。因此，工作流体14可流经环形通道38，并流入燃烧室24。另外，喷嘴32可向环形通道38供给燃料、稀释剂、和/或其他添加剂，以在其进入燃烧室24之前与工作流体14混合。一个或多个叶片40可径向地在喷嘴32和护罩36之间延伸，以使流经环形通道38的流体形成漩涡，从而在其到达燃烧室24之前，增强流体的混合。

管34可以不同形状和尺寸的一个或多个管束42的方式被径向地设置成越过端帽20，每个管束42与一个或多个流体导管18流体相通。例如，如图2所示，一个或多个分隔器44可在上游表面28和下游表面30之间轴向地延伸，以使管34分离或组合成饼状管束42，该饼状管束围绕喷嘴32径向地设置。一个或多个流体导管18可向每个管束42提供一种或多种燃料、稀释剂、和/或其他添加剂，及燃料和/或稀释剂的类型、燃料含量和反应性能可对于每个流体导管18或管束42而变化。这样，可向一个或多个管束42提供不同类型、流速和/或添加剂，以在宽范围的操作条件下允许管34分级燃料供给。

帽防护罩46可沿着圆周方向包围上游表面28和下游表面30的至少一部分，以至少部分地限定上游表面28和下游表面30之间端帽20内的一个或多个集气室。例如，图1很清楚地显示，隔板48可在上游表面28和下游表面30之间的端帽20内部径向地延伸，以在端帽20内至少部分地限定燃料集气室50和稀释剂集气室52。具体地，上游表面28、帽防护罩46及隔板48可限定燃料集气室50；而下游表面30、帽防护罩46及隔板48限定稀释剂集气室52。

在如图1所示的具体实施例中，流体导管18延伸到端帽20中，以提供到稀释剂集气室52的流体连通。这样，流体导管18可向稀释剂集气室提供稀释剂或其他添加剂。通过流体导管18提供的可能的稀释剂包括，如水、蒸汽、空气、燃料添加剂、惰性气体如氮气，和/或不可燃气体如二氧化碳或供给到燃烧室10的燃烧废气。该稀释剂可在稀释剂集气室52中围绕管34流动，以在其流经管34和下游表面30之间的一个或多个稀释剂通道54而流入燃烧室24中之前对流冷却管34。

进一步地如图1中所示，燃烧器10可进一步包括输送管60，其围绕每个流体导管18延伸并进入端帽20内，以提供到燃料集气室50的流体连通。该输送管60可包括端盖16和端帽20之间的流体导管18外的多个长度，以增加输送管60暴露于围绕流体导管18流动并通过该流体导管18的工作流体14的表面积。可选地，或此外，如图1所示，输送管60可螺旋地围绕流体导管18的外部，以增加输送管60暴露于围绕流体导管18并流经该流体导管18的工作流体14的表面积。这样，输送管60可向燃料集气室50提供燃料；以及在燃料到达燃料集气室50之前，围绕输送管60流动并通过该输送管60的工作流体14可加热输送管60中的燃料。根据各种参数，如输送管60的长度、厚度和直径，工作流体14可加热燃料到工作流体14温度的30华氏度，20华氏度或甚至5华氏度内。受热燃料可在燃料集气室50内流动并通过一个或多个管34内的一个或多个燃料口62。燃料口62提供从燃料集气室50进入管34中的流体连通，并可径向、轴向和/或有方位地形成角度，以使流经燃料口62并流入管34的燃料射出和/或形成漩涡。然后，该燃料可在进入燃烧室24前，与流经管34的工作流体14混合。

围绕并通过燃烧器10流动的燃料和工作流体14的温度可在操作过程中相当大地变化，使壳体12、流体导管18和/或管34以不同速率和不同量进行膨胀或收缩。因此，在端盖16和端帽20之间的一个或多个流体导管18中可包括弹性联轴器70。该弹性联轴器70可包括一个或多个伸缩接头或波纹管，用于容纳热膨胀或收缩导致的壳体12、流体导管18和/或管34的轴向位移。本领域的普通技术人员会容易理解弹性联轴器70的替换位置和/或组合均在本发明的实施例范围内，及弹性联轴器70的特定位置或数量如在权利要求中无特别说明则不构成对本发明的限制。

图3为根据本发明的另一实施例的一种示例性燃烧器10的简化横截面图。如参照图1和图2中所示的实施例前面描述的，该燃烧器10也包括壳体12、端帽20、燃烧室24、喷嘴32、管34、帽防护罩46、隔板48、燃料和稀释剂集气室50，52、稀释剂通道54、输送管60和燃料口62。但是在这具体实施例中，流体导管18延伸到端帽20中，以提供到燃料集气室50的流体连通，及挡板80在上游表面28和隔板48之间的燃料集气室50中径向延伸。多个通道82延伸通过该挡板80，以提供轴向地越过该挡板80的流体流。通道82可包括，如挡板80和管34之间的间隙，或轴向地延伸通过挡板80的孔。这样，流体导管18和输送管60均可向燃料集气室50提供燃料。由流体导管18提供的燃料可在燃料集气室50中围绕管34流动，以在其流经挡板80中的多个通道82并流向上游表面28之前对管34提供对流冷却。然后在由流体导管18提供的燃料通过燃料口62流入到管34之前，其可与输送管60提供的燃料混合。

如图3所示，一个或多个稀释剂口84可延伸通过帽防护罩46，以提供通过帽防护罩46并进入稀释剂集气室52的流体连通。因此，至少部分工作流体14流经稀释剂口84并进入稀释剂集气室52。工作流体14可在稀释剂集气室52中围绕管34流动，以在流经管34和下游表面30之间的一个或多个稀释剂通道54并进入燃烧室24之前，向管34提供对流冷却。

参照图1-3所示并描述的各实施例还可提供了一种向燃烧器10供应燃料的方法。该方法可包括：使工作流体14流经管34，提供通过导管18并进入端帽20的第一流体，并提供通过螺旋围绕导管18的输送管进入端帽20的第二流体。在具体实施例中，该方法包括：向端帽20中的燃料集气室50或稀释剂集气室52提供第一流体。可选地或另外地，该方法可包括在端帽20内分离第一流体与第二流体，在端帽20内混合第一流体与第二流体，和/或在端帽20内轴向地分布第一流体。

参照图1-3所示并描述的各实施例与先前的燃烧器相比，其具有一个或多个商业上和/或技术上的优点。例如，螺旋围绕流体导管18的输送管60使得工作流体14能够在燃料到达燃料集气室50之前均匀地加热流经所述输送管的燃料。这种改进的燃料加热降低管34中的热应力，和/或减少流经管34的燃料的温度和密度变化，从而增强火焰的稳定性，燃烧器性能，和/或改善不合需要的排放物。

本书面说明使用包括最佳方式的实例来披露本发明，也使本领域的任何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，并执行所包含的任何方法。本发明的专利范围由权利要求书所限定，并可包括本领域内的普通技术人员想到的其他实例。如果这些其他实例包含了与权利要求文字语言所述没有不同的结构元素，或包含了与权利要求文字语言所述没有实质不同的等效结构元素，则这些其他实例被认为在权利要求书范围内。

Claims (20)

1.一种燃烧器，其包括：

a.端帽，所述端帽被配置以径向地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地分离的上游表面；

b.帽防护罩，所述帽防护罩在圆周方向上包围所述上游表面和所述下游表面的至少一部分；

c.多个管，所述多个管从所述上游表面延伸通过所述下游表面，以提供通过所述端帽的流体连通；

d.集气室，所述集气室设置在所述上游表面和所述下游表面之间的所述端帽内；

e.导管，所述导管延伸到所述集气室；

f.输送管，所述输送管围绕所述导管并且延伸到所述集气室内部，以提供到所述集气室的流体连通。

2.根据权利要求1所述的燃烧器，所述燃烧器进一步包括隔板，所述隔板在所述集气室内部径向地延伸，以在所述端帽内至少部分地限定与稀释剂集气室轴向分离的燃料集气室。

3.根据权利要求2所述的燃烧器，其中所述导管延伸到所述稀释剂集气室内，以提供到所述稀释剂集气室的流体连通。

4.根据权利要求2所述的燃烧器，所述燃烧器进一步包括一个或多个稀释剂口，所述稀释剂口延伸通过所述帽防护罩，其中所述一个或多个稀释剂口提供通过所述帽防护罩并且进入所述第二集气室的流体连通。

5.根据权利要求2所述的燃烧器，所述燃烧器进一步包括多个稀释剂通道，所述多个稀释剂通道延伸通过所述下游表面，其中所述多个稀释剂通道提供从所述第二集气室通过所述下游表面的流体连通。

6.根据权利要求1所述的燃烧器，所述燃烧器进一步包括挡板，该挡板在所述上游表面和所述下游表面之间的所述集气室内径向地延伸。

7.根据权利要求6所述的燃烧器，所述燃烧器进一步包括多个通道，所述通道延伸通过所述挡板，其中所述多个通道提供轴向地越过所述挡板的流体流。

8.根据权利要求1所述的燃烧器，所述燃烧器进一步包括通过所述多个管的一个或多个燃料口，其中所述一个或多个燃料口提供从所述集气室进入所述多个管的流体连通。

9.根据权利要求1所述的燃烧器，所述燃烧器进一步包括燃料喷嘴，所述燃料喷嘴轴向地延伸通过所述端帽。

10.一种燃烧器，包括：

a.端帽，其被配置径向地延伸越过所述燃烧器的至少一部分；

b.位于所述端帽下游的燃烧室；

c.多个管，其延伸通过所述端帽，以提供通过所述端帽到所述燃烧室的流体连通；

d.壳体，其包围所述端帽；

e.导管，其从所述壳体延伸到所述端帽，和

f.输送管，其螺旋地围绕所述导管，并且延伸到所述端帽内以提供到所述端帽的流体连通。

11.根据权利要求10所述的燃烧器，所述燃烧器进一步包括隔板，该隔板在所述端帽内径向地延伸，以在所述端帽内至少部分地限定与稀释剂集气室轴向分离的燃料集气室。

12.根据权利要求11所述的燃烧器，其中，所述导管延伸到所述释剂集气室内，以提供到所述稀释剂集气室的流体连通。

13.根据权利要求10所述的燃烧器，所述燃烧器进一步包括通过所述多个管的一个或多个燃料口，其中所述一个或多个燃料口提供进入所述多个管的流体连通。

14.根据权利要求10所述的燃烧器，所述燃烧器进一步包括分隔器，该分隔器轴向地延伸通过所述端帽以将所述多个管分隔成多个管束。

15.根据权利要求10所述的燃烧器，所述燃烧器进一步包括燃料喷嘴，该燃料喷嘴轴向地延伸通过所述端帽。

16.一种向燃烧器供应燃料的方法，所述方法包括：

a.使工作流体流动通过通过多个管，所述管轴向地延伸通过端帽；

b.供应通过导管进入所述端帽的第一流体；和

c.供应通过输送管进入所述端帽的第二流体，所述输送管螺旋地围绕所述导管。

17.根据权利要求16所述的方法，所述方法进一步包括：向所述端帽内的稀释剂集气室供应第一流体。

18.根据权利要求16所述的方法，所述方法进一步包括：在所述端帽内将所述第一流体与所述第二流体分离。

19.根据权利要求16所述的方法，所述方法进一步包括：在所述端帽内将所述第一流体与所述第二流体混合。

20.根据权利要求16所述的方法，所述方法进一步包括：在所述端帽内径向地分布所述第一流体。