CN103104933A - 燃烧室 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种燃烧室。所述燃烧室包括外壳，所述外壳围绕所述燃烧室的至少一部分，并且包括位于所述燃烧室一端的端盖。与所述端盖轴向分离的端帽经配置以径向延伸穿过所述燃烧室的至少一部分，并且包括与下游表面轴向分离的上游表面。多个管从所述上游表面延伸穿过所述下游表面，以提供穿过所述端帽的流体连通。帽罩从所述端盖轴向延伸，并且周向围绕且支撑所述端帽。
Description
技术领域
本发明大体涉及一种燃烧室。
背景技术
燃烧室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。各种竞争性的考虑因素影响燃烧室的设计和操作。例如，较高的燃烧气体温度通常会提高燃烧室的热力效率。然而，较高的燃烧气体温度也会促发逆燃(flashback)或火焰稳定(flame holding)条件，在这些条件下，燃烧火焰朝由喷嘴供给的燃料移动，从而可能在相对较短时间内对喷嘴造成严重损坏。另外，较高的燃烧气体温度通常会提高双原子氮的分解速率，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碳氢化合物的产量。
在特定的燃烧室设计中，端帽可径向延伸穿过燃烧室的一部分，并且多个管可径向布置在端帽中，以提供穿过端帽、并进入燃烧室的流体连通。工作流体和燃料通过管进行供给，以在工作流体和燃料到达燃烧室之前增强两者之间的混合。增强的混合可实现较高工作温度下的较稀薄燃烧(leaner combustion)，同时防止逆燃或火焰稳定，并且控制不需要的排放物。然而，供给各管的一些燃料会在燃烧室中产生振动，所述振动可能导致有害的燃烧动态(combustion dynamics)。燃烧动态会减少一个或多个燃烧室部件的使用寿命。作为替代或补充，燃烧动态可在各管、和/或燃烧室内产生压力脉冲，所述压力脉冲影响燃烧火焰的稳定性，减少逆燃或火焰稳定的设计余量，并且/或者增加不需要的排放物。除燃烧动态之外，燃烧室中的其他常见振动源可归因于转子振动、旋转叶片频率以及与涡旋脱落(vortex shedding)相关的由流产生的振动。
人们已做出各种努力来减小由穿过端帽的流体流产生的振动。例如，已开发各种结构和方法来防止或避免燃烧室内产生谐波频率。作为替代或补充，燃烧室的容积或几何形状可通过调整以改变燃烧室内部件的固有或共振频率；然而，容积或几何形状的改变可能会对燃料和工作流体之间的混合产生不利影响。作为替代或补充方法，提高燃烧室内端帽的固有或共振频率可用于避免燃烧室内产生谐波频率、以及相关不需要的燃烧室动态。
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，这些方面和优点在说明中可能是显而易见的，或者通过实践本发明能够推导出。
本发明的一项实施例为一种燃烧室，其包括外壳，所述外壳围绕所述燃烧室的至少一部分，并且包括位于所述燃烧室一端的端盖。与所述端盖轴向分离的端帽经配置以径向延伸穿过所述燃烧室的至少一部分，并且包括与下游表面轴向分离的上游表面。多个管从所述上游表面延伸穿过所述下游表面，以提供穿过所述端帽的流体连通。帽罩从所述端盖轴向延伸，并且周向围绕且支撑所述端帽。
所述帽罩包括位于所述端盖和所述端帽之间的多个开口，以便流体跨流过位于所述端盖和所述端帽之间的所述帽罩。所述燃烧室进一步包括从所述端盖轴向延伸到所述端帽的导管，其中所述导管提供从所述端盖到所述端帽的流体连通；位于所述端盖和所述端帽之间的所述导管内的柔性连接件；或者，位于所述导管和所述端盖之间的柔性密封件。所述的燃烧室进一步包括挡板，所述挡板在所述端帽内、在所述上游表面和所述下游表面之间径向延伸，从而在所述端帽内至少部分形成燃料室和稀释剂室。
所述燃烧室还进一步包括穿过所述多个管的多个燃料口，其中所述多个燃料口提供从所述燃料室进入所述多个管的流体连通；穿过所述帽罩的多个稀释剂口，其中所述多个稀释剂口提供进入所述稀释剂室的流体连通。所述燃烧室还进一步包括在所述端帽内从所述上游表面轴向延伸到所述下游表面的分隔物，其中所述分隔物对所述多个管进行分隔以形成多个管束；以及从所述端盖轴向延伸穿过所述端帽的燃料喷嘴。
本发明的另一项实施例为一种燃烧室，其包括外壳，所述外壳围绕所述燃烧室的至少一部分。与所述端盖轴向分离的端帽经配置以径向延伸穿过所述燃烧室的至少一部分，并且包括与下游表面轴向分离的上游表面。帽罩周向围绕所述上游表面和所述下游表面的至少一部分。多个管从所述上游表面延伸穿过所述下游表面，以提供穿过所述端帽的流体连通。多个支撑件连接到所述端帽，并且每个支撑件在所述端帽和所述外壳之间径向延伸，以支撑所述端帽。
所述燃烧室进一步包括导管，所述导管在所述端盖的下游延伸，并且提供从所述端盖到所述端帽的流体连通；位于所述端盖和所述端帽之间的所述导管内的柔性连接件；或者，位于所述导管和所述端盖之间的柔性密封件。所述燃烧室还进一步包括挡板，所述挡板在所述端帽内、在所述上游表面和所述下游表面之间径向延伸，从而在所述端帽内至少部分形成燃料室和稀释剂室。
所述燃烧室进一步包括穿过所述多个管的多个燃料口，其中所述多个燃料口提供从所述燃料室进入所述多个管的流体连通；以及，在所述端帽内从所述上游表面轴向延伸到所述下游表面的分隔物，其中所述分隔物对所述多个管进行分隔以形成多个管束。所述支撑件中的一个或多个与所述分隔物径向对齐；或者，所述支撑件中的一个或多个径向偏离所述分隔物设置。所述燃烧室还进一步包括从所述端盖轴向延伸穿过所述端帽的燃料喷嘴。
所属领域的一般技术人员可通过查看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披露了本发明，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室的简化截面图；
图2为根据本发明的一项实施例的图1所示燃烧室的上游轴向图；
图3为根据本发明的替代实施例的图1所示管束的放大截面图；
图4为根据本发明的替代实施例的示例性燃烧室的简化截面图；
图5为根据本发明的一项实施例的图4所示燃烧室的上游轴向图；以及
图6为根据本发明的替代实施例的图4所示管束的放大截面图。
元件符号列表：
| 参考标号 | 部件 | 参考标号 | 部件 |
| 10 | 燃烧室 | 12 | 外壳 |
| 14 | 工作流体 | 16 | 端盖 |
| 18 | 导管 | 20 | 端帽 |
| 22 | 内衬 | 24 | 燃烧室 |
| 26 | 环形通道 | 28 | 上游表面 |
| 30 | 下游表面 | 32 | 喷嘴 |
| 34 | 管 | 36 | 防护罩 |
| 38 | 环形通道 | 40 | 轮叶 |
| 42 | 管束 | 44 | 分隔物 |
| 46 | 帽罩 | 48 | 挡板 |
| 50 | 燃料室 | 52 | 稀释剂室 |
| 54 | 燃料口 | 56 | 稀释剂口 |
| 58 | 稀释剂通道 | 60 | 支撑件 |
| 62 | 柔性连接件 | 64 | 柔性密封件 |
| 66 | 唇形密封件 | 68 | 槽 |
| 70 | 72 | ||
| 74 | 76 | ||
| 78 | 80 | 帽罩 | |
| 82 | 开口 | 84 |
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。本说明书所用的术语“第一”、“第二”以及“第三”可互换使用，以区分不同部件，并且这些术语并不旨在表示单个部件的位置或重要性。此外，术语“上游”和“下游”指部件在流体通路中的相对位置。例如，如果流体从部件A流向部件B，则部件A在部件B的上游。相反，如果部件B从部件A获取流体流，则部件B在部件A的下游。
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，作为一项实施例的一部分进行说明或描述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。
本发明的各项实施例包括一种燃烧室，其通常包括外壳，所述外壳包围流经所述燃烧室的工作流体。径向布置在端帽内的多个管在所述工作流体和燃料燃烧之前增强两者之间的混合。在特定实施例中，一个或多个支撑件可从端帽径向和/或轴向延伸，以将所述端帽支承在所述外壳上。由支撑件提供的额外支承往往会提高端帽的固有或共振频率，从而减少和/或防止振动源触动或被激发、且随后损坏燃烧室内的部件。因此，本发明的各项实施例可延长燃烧室运行状态，延长各个燃烧室部件的寿命、和/或维护时间间隔，保持足够的逆燃或火焰稳定的设计余量，并且/或者减少不需要的排放物。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室的背景下进行描述，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室/器，且并不限于燃气涡轮机的燃烧室。
图1提供根据本发明的一项实施例的示例性燃烧室10的简化截面图，且图2提供图1所示的燃烧室10的上游轴向图。如图所示，外壳12通常围绕燃烧室10，以包含流向燃烧室10的工作流体14。外壳12可包括位于一端的端盖16，以提供用于向燃烧室10供给燃料、稀释剂、和/或其他添加剂的接口。一个或多个流体导管18可从端盖16轴向延伸到端帽20，从而为燃料、稀释剂和/或其他添加剂提供到达端帽20的流体连通。合适的稀释剂可包括，例如，水、蒸汽、工作流体、空气、燃料添加剂、氮气等各种惰性气体、以及/或者二氧化碳等不易燃气体、或供给燃烧室10的燃烧废气等各种非可燃气体。端帽20经配置以径向延伸穿过燃烧室10的至少一部分，并且端帽20和内衬22通常形成端帽20下游的燃烧室24。外壳12周向围绕端帽20和/或内衬22，以形成围绕端帽20和内衬22的环形通道26。通过这种方式，工作流体14可沿着内衬22的外部流经环形通道26，以向内衬22提供对流冷却。当工作流体14到达端盖16时，工作流体14可逆转方向，以流经端帽20、并流入燃烧室24中。
如图1和2所示，端帽20通常包括与下游表面30轴向分离的上游表面28，并且一个或多个喷嘴32和/或管34可从上游表面28延伸穿过下游表面30，以提供穿过端帽20的流体连通。喷嘴32和管34的特定形状、大小、数量和布置可根据特定实施例而变化。例如，喷嘴32和管34通常描绘为具有圆柱形；然而，本发明范围内的替代实施例可包括几乎具有任意几何截面的喷嘴和管。
喷嘴32可从端盖16轴向延伸穿过端帽20。防护罩36可周向围绕喷嘴32，以形成围绕喷嘴32的环形通道38，并提供穿过端帽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，以在进入燃烧室24之前与工作流体14混合。一个或多个轮叶40可在喷嘴32和防护罩36之间径向延伸，以使流经环形通道38的流体旋动，从而在这些流体到达燃烧室24之前增强它们的混合。
管34可径向穿过具有各种形状和大小的一个或多个管束42中的端帽20，其中每个管束42与一个或多个流体导管18流体连通。例如，如图2所示，一个或多个分隔物44可在上游表面28和下游表面30之间轴向延伸，以对管34进行分隔或分组使其形成围绕喷嘴32径向布置的饼状管束42。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，并且燃料和/或稀释剂的类型、燃料成份(fuel content)和反应性可根据每个流体导管18或管束42而变化。通过这种方式，不同的类型、流率和/或添加剂可供给一个或多个管束42，以便在运行状态的较大范围内对管34进行分级加燃料。
帽罩46可周向围绕上游表面28和下游表面30的至少一部分，从而在端帽20内、在上游表面28和下游表面30之间至少部分形成一个或多个腔室。例如，图1最清楚地显示出，挡板48可在端帽20内、在上游表面28和下游表面30之间径向延伸，从而在端帽20内至少部分形成燃料室50和稀释剂室52。具体而言，上游表面28、帽罩46和挡板48可形成燃料室50，而下游表面30、帽罩46和挡板48可形成稀释剂室52。一个或多个管34可包括燃料口54，其提供从燃料室50进入管34的流体连通。燃料口54可径向、轴向并且/或者按方位角倾斜，从而导致并且/或者使流经燃料口54、并流入管34的燃料旋动。类似地，帽罩46可包括一个或多个稀释剂口56，其提供从环形通道26穿过帽罩46、并进入稀释剂室52的流体连通。通过这种方式，来自流体导管18的燃料可流入端帽20、并围绕燃料室50内的管34流动，以向管34提供对流冷却，然后流经燃料口54并与流经管34的工作流体混合。另外，至少一部分受压缩的工作流体14可从环形通道26流经帽罩46、流入稀释剂室52，以向管34提供对流冷却。然后，工作流体14可流经下游表面30中的一个或多个稀释剂通道58，并流入燃烧室24。
图1最清楚地显示出，流体导管18和/或喷嘴32提供端帽20和端盖16之间的悬臂式连接。该悬臂式连接导致与端帽20相关的共振或固有频率，此频率可处于其他振动源的频率范围之内，因此会在特定流率下产生谐波振动，从而可能导致损坏且/或增加磨损。因此，多个支撑件60可连接到端帽20，并在端帽20和外壳12之间径向延伸。通过这种方式，支撑件60支承端帽20，并提高与端帽20相关的共振或固有频率，从而降低燃烧室10中存在谐波振动的可能性。图2最清楚地显示出，支撑件60中的一个或多个可与分隔物44径向对齐，而其他支撑件60可径向偏离分隔物44，从而增强提供给端帽20的结构支撑和/或支承，同时也获得所需的较高共振或固有频率。
围绕燃烧室10流动并穿过所述燃烧室的燃料和工作流体的温度可在运行期间发生较大变化，从而使外壳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，柔性连接件62可包括于位于端盖16和端帽20之间的一个或多个流体导管18中。柔性连接件62可包括一个或多个膨胀接头或波纹管(bellows)，其可调节由外壳12、管34、和/或导管18的热膨胀或热收缩造成的轴向位移。所属领域的一般技术人员将容易了解，柔性连接件62的替代位置和/或组合在本发明的各项实施例的范围之内，而且除非在权利要求中特别指出，否则柔性连接件62的具体位置或数量并不限制本发明。
图3为根据本发明的替代实施例的图1所示管束42的放大截面图。如图所示，管束42也包括具有上游表面28和下游表面30的端帽20，以及管34。帽罩46和挡板48也在端帽20内部分形成燃料室50和稀释剂室52，并且如上文参考图1和2所示实施例所述，燃料口54和稀释剂口56提供穿过端帽20的流体连通。此外，一个或多个支撑件60也在端帽20和外壳12之间径向延伸，以支承端帽20，并提高与端帽20相关的共振或固有频率。
然而，在图3所示的特定实施例中，图1所示柔性连接件62已由流体导管18和端盖16之间的柔性密封件64代替。柔性密封件64允许导管18相对于端盖16发生轴向位移，此位移由外壳12、管34和/或导管18的热膨胀或热收缩造成。如图3所示，柔性密封件64可包括设置于槽68中的唇形密封件66，所述槽围绕穿过端盖16的流体导管18。唇形密封件66的压缩可提供密封，以防止工作流体14渗过端盖16，同时也允许流体导管18进行轴向膨胀和收缩。
图4提供根据本发明的替代实施例的示例性燃烧室10的简化截面图，且图5提供根据本发明的一项实施例的图4所示燃烧室10的上游轴向图。如图所示，燃烧室10也包括外壳12、端盖16、导管18、端帽20、内衬22、燃烧室24、喷嘴32以及管34，如上文参考图1至图3所示实施例所述，因此无需对这些部件做进一步的说明。然而，在此特定实施例中，支撑件为帽罩80，其从端盖16轴向延伸，并周向围绕且支撑端帽20。图4最清楚地显示出，帽罩80包括位于端盖16和端帽20之间的多个开口82，以便流体流经位于端盖16和端帽20之间的帽罩80。通过这种方式，帽罩80支承端帽20，并提高与端帽20相关的共振或固有频率，以降低燃烧室10中存在谐波振动的可能性。
如图4所示，流体导管18也可包括位于端盖16和端帽20之间的柔性连接件62，以调节由外壳12、管34和/或导管18的热膨胀或热收缩造成的轴向位移。作为替代或补充，如图6所示，流体导管18和端盖16之间的柔性密封件64可允许导管18相对于端盖16发生轴向位移，此位移由外壳12、管34和/或导管18的热膨胀或热收缩造成。
图6提供根据本发明的替代实施例的图4所示管束42的放大截面图。如图所示，管束42也包括具有上游表面28和下游表面30的端帽20，以及管34。帽罩46和挡板48也在端帽20内部分形成燃料室50和稀释剂室52，并且燃料口54和稀释剂口56提供穿过端帽20的流体连通，如上文参考图1和2所示实施例所述。此外，帽罩80也从端盖16轴向延伸，并周向围绕且支撑端帽20，以提高与端帽20相关的共振或固有频率。
然而，在图6所示的特定实施例中，图4所示柔性连接件62已由流体导管18和端盖16之间的柔性密封件64代替。柔性密封件64允许导管18相对于端盖16发生轴向位移，此位移由外壳12、管34和/或导管18的热膨胀或热收缩造成。如图6所示，柔性密封件64可包括设置于槽68中的唇形密封件66，所述槽围绕穿过端盖16的流体导管18。唇形密封件66的压缩可提供密封，以防止工作流体14渗过端盖16，同时允许流体导管18进行轴向膨胀和收缩。
参考图1至图6所示和所述的各实施例提供与先前燃烧室相比所具有的一种或多种商业和/或技术优势。例如，图1至图3所示的支撑件60、和/或图4至图6所示的帽罩80提高了与端帽20相关的共振或固有频率。端帽20的较高共振或固有频率使燃烧室24上游的容积大于之前(现有设计)所提供的容积。燃烧室24上游的较大容积可使燃料和工作流体14在燃烧之前有更多时间进行混合，从而可在不增加排放物的情况下实现较稀薄且更高温的燃烧。
本说明书使用了多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践本发明，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界定，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，或者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)
1.一种燃烧室，包括：
a.外壳，其围绕所述燃烧室的至少一部分，其中所述外壳包括位于所述燃烧室一端的端盖；
b.端帽，其与所述端盖轴向分离，其中所述端帽经配置以径向延伸穿过所述燃烧室的至少一部分，并且包括与下游表面轴向分离设置的上游表面；
c.多个管，其从所述上游表面延伸穿过所述下游表面，以提供穿过所述端帽的流体连通；以及
d.帽罩，其从所述端盖轴向延伸，其中所述帽罩周向围绕、且支撑所述端帽。
2.根据权利要求1所述的燃烧室，其中所述帽罩包括位于所述端盖和所述端帽之间的多个开口，以便流体跨流过位于所述端盖和所述端帽之间的所述帽罩。
3.根据权利要求1所述的燃烧室，进一步包括从所述端盖轴向延伸到所述端帽的导管，其中所述导管提供从所述端盖到所述端帽的流体连通。
4.根据权利要求3所述的燃烧室，进一步包括位于所述端盖和所述端帽之间的所述导管内的柔性连接件。
5.根据权利要求3所述的燃烧室，进一步包括位于所述导管和所述端盖之间的柔性密封件。
6.根据权利要求1所述的燃烧室，进一步包括挡板，所述挡板在所述端帽内、在所述上游表面和所述下游表面之间径向延伸，从而在所述端帽内至少部分形成燃料室和稀释剂室。
7.根据权利要求6所述的燃烧室，进一步包括穿过所述多个管的多个燃料口，其中所述多个燃料口提供从所述燃料室进入所述多个管的流体连通。
8.根据权利要求6所述的燃烧室，进一步包括穿过所述帽罩的多个稀释剂口，其中所述多个稀释剂口提供进入所述稀释剂室的流体连通。
9.根据权利要求1所述的燃烧室，进一步包括在所述端帽内从所述上游表面轴向延伸到所述下游表面的分隔物，其中所述分隔物对所述多个管进行分隔以形成多个管束。
10.根据权利要求1所述的燃烧室，进一步包括从所述端盖轴向延伸穿过所述端帽的燃料喷嘴。
11.一种燃烧室，包括：
a.外壳，其围绕所述燃烧室的至少一部分；
b.端帽，其位于所述端盖下游，其中所述端帽经配置以径向延伸穿过所述燃烧室的至少一部分，并且包括与下游表面轴向分离设置的上游表面；
c.帽罩，其周向围绕所述上游表面和所述下游表面的至少一部分；
d.多个管，其从所述上游表面延伸穿过所述下游表面，以提供穿过所述端帽的流体连通；以及
e.多个支撑件，其连接到所述端帽，其中每个支撑件在所述端帽和所述外壳之间径向延伸，以支撑所述端帽。
12.根据权利要求11所述的燃烧室，进一步包括导管，所述导管在所述端盖的下游延伸，并且提供从所述端盖到所述端帽的流体连通。
13.根据权利要求12所述的燃烧室，进一步包括位于所述端盖和所述端帽之间的所述导管内的柔性连接件。
14.根据权利要求12所述的燃烧室，进一步包括位于所述导管和所述端盖之间的柔性密封件。
15.根据权利要求11所述的燃烧室，进一步包括挡板，所述挡板在所述端帽内、在所述上游表面和所述下游表面之间径向延伸，从而在所述端帽内至少部分形成燃料室和稀释剂室。
16.根据权利要求15所述的燃烧室，进一步包括穿过所述多个管的多个燃料口，其中所述多个燃料口提供从所述燃料室进入所述多个管的流体连通。
17.根据权利要求11所述的燃烧室，进一步包括在所述端帽内从所述上游表面轴向延伸到所述下游表面的分隔物，其中所述分隔物对所述多个管进行分隔以形成多个管束。
18.根据权利要求17所述的燃烧室，其中所述支撑件中的一个或多个与所述分隔物径向对齐。
19.根据权利要求17所述的燃烧室，其中所述支撑件中的一个或多个径向偏离所述分隔物设置。
20.根据权利要求11所述的燃烧室，进一步包括从所述端盖轴向延伸穿过所述端帽的燃料喷嘴。
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