CN103104934A - 燃烧室以及用于向燃烧室供应燃料的方法 - Google Patents

燃烧室以及用于向燃烧室供应燃料的方法 Download PDF

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CN103104934A CN2012104454466A CN201210445446A CN103104934A CN 103104934 A CN103104934 A CN 103104934A CN 2012104454466 A CN2012104454466 A CN 2012104454466A CN 201210445446 A CN201210445446 A CN 201210445446A CN 103104934 A CN103104934 A CN 103104934A
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Abstract

本发明公开一种燃烧室以及用于向燃烧室供应燃料的方法。所述燃烧室包括端盖，所述端盖具有与下游表面轴向分开的上游表面。外壳周向环绕所述端盖的至少一部分，以形成环形通道。第一管束从所述上游表面延伸穿过所述下游表面，以提供穿过所述端盖的流体连通。第一燃料导管与所述第一管束流体连通，以穿过所述环形通道向所述第一管束供应燃料；且液体燃料供应设备通过所述第一燃料导管与所述第一管束流体连通。一种用于向燃烧室供应燃料的方法包括使工作流体流过第一管束，并使液体燃料流过环绕所述端盖的环形通道并流入所述第一管束中。

Description

燃烧室以及用于向燃烧室供应燃料的方法
技术领域
本发明大体涉及燃烧室以及用于向燃烧室供应燃料的方法。
背景技术
燃烧室通常用于工业和发电操作中，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室，用于发电或产生推力。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室，以及位于后部的涡轮。可将环境空气供应到压缩机，压缩机中的旋转叶片和固定轮叶随后逐渐向工作流体(空气)中注入动能，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、并流过一个或多个喷嘴进入各燃烧室中的燃烧腔，在燃烧腔中，压缩的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。燃烧气体在涡轮中膨胀做功。例如，燃烧气体在涡轮中的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室的设计和运行。例如，较高的燃烧气体温度通常会提高燃烧室的热力效率(thermodynamicefficiency)。然而，较高的燃烧气体温度也会促进逆燃(flashback)或火焰稳定(flame holding)状态，在该状态下，燃烧火焰朝着由喷嘴供应的燃料移动，可能在相对较短时间内对喷嘴造成严重损坏。另外，燃烧腔内的局部热痕(localized hot streaks)会加快二价氮的分解速率，在较高燃烧气体温度下增加氮氧化物(NOX)的产量。相反，与燃料流减少和/或部分负载操作(下降)相关的较低燃烧气体温度通常会减小燃烧气体的化学反应速率，增加一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物的产量。
在一项特定燃烧室设计中，多个管路可径向布置在端盖中，以为流过端盖并进入燃烧腔中的工作流体和燃料提供流体连通。这些管路可增进工作流体与燃料之间的混合，以减少可在较高燃烧气体温度下产生不利影响的热痕。因此，这些管路可有效地防止逆燃或火焰稳定，以及/或者减少NOX产量，尤其在较高运行级下。然而，对燃烧室以及用于向管路供应燃料的方法进行改进，进行分级燃料供应、和/或使管路能够在不同运行级下使用液体和气体燃料和是有益的。
发明内容
以下说明将阐明本发明的各方面和优点，或者，这些方面和优点在说明中可以显而易见，或者可以通过实践本发明来推导出。
本发明的一项实施例是一种燃烧室，所述燃烧室包括端盖，所述端盖径向延伸穿过所述燃烧室的至少一部分，其中所述端盖包括与下游表面轴向分开的上游表面。外壳周向环绕所述端盖的至少一部分，以在所述端盖与外壳之间形成环形通道。第一管束从所述上游表面延伸穿过所述下游表面，以提供穿过所述端盖的流体连通。第一燃料导管与所述第一管束流体连通，以穿过所述环形通道向所述第一管束供应燃料；且液体燃料供应设备通过所述第一燃料导管与所述第一管束流体连通。
所述第一燃料导管包括用于所述第一管束中的每个管路的径向延伸的燃料管线。每个径向延伸的燃料管线终止于所述第一管束的上游处。每个径向延伸的燃料管线包括燃料口，所述燃料口与所述第一管束中的每个管路的轴向中心线对齐。所述燃烧室进一步包括第二管束，所述第二管束从所述上游表面延伸穿过所述下游表面，以提供穿过所述端盖的流体连通；以及第二燃料导管，所述第二燃料导管与所述第二管束流体连通，以向所述第二管束供应燃料。其中，所述第二燃料导管穿过所述环形通道向所述第二管束供应燃料。所述燃烧室还可进一步包括：第三燃料导管，所述第三燃料导管与所述第一管束流体连通，以穿过所述环形通道向所述第一管束供应燃料；防护罩，所述防护罩周向环绕所述第二燃料导管，其中所述防护罩提供穿过所述端盖的流体连通；以及旋流器轮叶，所述旋流器轮叶在所述防护罩与所述第二燃料导管之间延伸。
本发明的另一项实施例是一种燃烧室，所述燃烧室包括端盖，所述端盖径向延伸穿过所述燃烧室的至少一部分，其中所述端盖包括与下游表面轴向分开的上游表面。外壳周向环绕所述端盖的至少一部分，以在所述端盖与外壳之间形成环形通道。多个管路从所述上游表面延伸穿过所述下游表面，以提供穿过所述端盖的流体连通。挡板轴向延伸穿过所述端盖，以将所述多个管路分成第一管束和第二管束。第一燃料导管与所述第一管束流体连通，以穿过所述环形通道向所述第一管束供应燃料；且液体燃料供应设备通过所述第一燃料导管与所述第一管束流体连通。
所述第一燃料导管包括用于所述第一管束中的每个管路的径向延伸的燃料管线。每个径向延伸的燃料管线终止于所述第一管束的上游处。每个径向延伸的燃料管线包括燃料口，所述燃料口与所述第一管束中的每个管路的轴向中心线对齐。所述燃烧室进一步包括第二燃料导管，所述第二燃料导管与所述第二管束流体连通，以向所述第二管束供应燃料。其中，所述第二燃料导管穿过所述环形通道向所述第二管束供应燃料。所述燃烧室还可进一步包括：第三燃料导管，所述第三燃料导管与所述第一管束流体连通，以穿过所述环形通道向所述第一管束供应燃料；防护罩，所述防护罩周向环绕所述第二燃料导管，其中所述防护罩提供穿过所述端盖的流体连通；以及旋流器轮叶，所述旋流器轮叶在所述防护罩与所述第二燃料导管之间延伸。
本发明也包括一种用于向燃烧室供应燃料的方法，所述方法包括使工作流体流过第一管束，所述一管束轴向延伸穿过端盖，所述端盖径向延伸穿过所述燃烧室的至少一部分。所述方法进一步包括使液体燃料流过环绕所述端盖的环形通道，并流入所述第一管束中。
所述方法进一步包括将所述液体燃料喷射到所述第一管束中的每个管路的轴向中心内。
所属领域的一般技术人员在阅读本说明书后可更好地了解此类实施例的特征和方面，以及其他内容。
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为根据本发明的第一实施例的示例性燃烧室的简化截面图；
图2为图1所示燃烧室的下游轴向图；
图3为根据本发明的第二实施例的示例性燃烧室的简化截面图；以及
图4为图3所示端盖的下游轴向图。
元件符号列表：
Figure BDA00002379244400041
Figure BDA00002379244400051
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各实施例，附图中图示了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。附图和说明中相似或类似的标识用于指代本发明的相似或类似的部分。本专利申请文件所用术语“第一”、“第二”以及“第三”可交换使用，用于区分各部件，且这些术语并不旨在表示各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接纳流体流，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，所属领域的技术人员将清楚地认识到，可在不脱离本发明的范围或精神的情况下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，以得到又一项实施例。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。
本发明的各实施例提供一种燃烧室，以及用于向燃烧室供应燃料的方法。可将多个管路布置在端盖中，以提供流体连通，供工作流体流过端盖、并进入燃烧室(combustion chamber)中。液体燃料可通过环绕端盖的环形通道供应，并被喷射或注射到一个或多个管路中。在特定实施例中，管路可被分组成多个管束，使燃烧室能够在广泛运行状态范围内使用液体和/或气体燃料运行，而不超过与逆燃、火焰稳定和/或排放限制相关的设计限度。尽管出于说明目的，本发明的示例性实施例将在并入燃气涡轮机的燃烧室的上下文中进行一般性描述，但所属领域的一般技术人员将容易了解到，除非在权利要求中特别指出，否则本发明的各实施例可应用到任意燃烧室，且并不限于燃气涡轮机燃烧室。
图1所示为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所示燃烧室10的下游轴向图。如图所示，外壳12和端盖14大体环绕燃烧室10，以容纳流到燃烧室10的工作流体16。端盖18可径向延伸穿过燃烧室10的至少一部分，且外壳12可周向环绕端盖18的至少一部分，以在端盖18与外壳12之间形成环形通道20。端盖18和内衬22可构成端盖18下游的燃烧室24的至少一部分。通过这种方式，工作流体16可沿内衬22的外部流过环形通道20，以对内衬22进行对流冷却。当工作流体16到达端盖14时，工作流体16可反向流过端盖18并进入燃烧室24中。
端盖18可包括与下游表面28轴向分开的上游表面26，且多个管路30可从上游表面26轴向延伸到下游表面28，以提供穿过端盖18的流体连通。管路30的特定形状、大小、数量和布置可根据特定实施例而有所不同。例如，管路30可通常描绘为呈圆柱形；然而，本发明范围内的替代实施例可包括具有几乎任何几何截面的管路。此外，管路30可穿过端盖18径向布置成各种形状和大小的一个或多个管束，其中每个管束具有一个或多个单独的燃料供应设备。例如，多个管路30可环绕单个管束径向布置，或者多个管束可穿过端盖18径向布置。一个或多个燃料导管可将一种或多种燃料提供给每个管束，且燃料的类型、燃料成分(■el content)、以及反应性可针对每个燃料导管或管束而有所不同。通过这种方式，可向一个或多个管束供应不同燃料、不同燃料类型和/或不同燃料流速，以使管路30能够在广泛运行状态范围内进行分级燃料供应。
在图1和2所示的特定实施例中，盖罩32可周向环绕上游表面26和下游表面28，以在端盖18内形成燃料间。挡板34可大体轴向延伸穿过端盖18，以将燃料间和管路分成第一燃料间36和第二燃料间38，以及第一管束40和第二管束42。第一燃料导管44和第二燃料导管46可径向延伸穿过外壳12，以通过环形通道20分别向第一管束40和第二管束42供应燃料。例如，燃烧室10外部的液体燃料供应设备48可向第一燃料导管44供应液体燃料。第一燃料导管44可包括用于第一管束40中的每个管路30的径向延伸燃料管线50。每个径向延伸燃料管线50可终止于位于第一管束40中每个管路30上游的燃料口52处，且每个燃料口52可与第一管束40中每个管路30的轴向中心线对齐。通过这种方式，第一燃料导管44可在液体燃料供应设备48与第一管束40之间提供流体连通，且燃料口52可将液体燃料喷射到第一管束40中的每个管路30中，以使液体燃料雾化并与流过管路30的工作流体混合。
第二燃料导管46可以类似方式在另一燃料供应设备(未图示)与第二管束42之间提供流体连通。具体而言，第二燃料导管46可径向延伸通过外壳12、环形通道20以及盖罩32，以向第二燃料间38供应燃料。第二管束42中的一个或多个管路30可包括燃料通道54，所述燃料通道提供从第二燃料间38穿过管路30的流体连通。燃料通道54可径向、轴向和/或以一定方位角倾斜，以将旋动投入和/或注入流过燃料通道54并流入管路30中的燃料中。通过这种方式，来自第二燃料导管46的燃料可环绕第二管束42中的管路30流动，以在流过燃料通道54并与工作流体混合之前，对第二管束42进行对流冷却。然后，来自第二管束42的燃料工作流体混合物可流到燃烧室24中。
燃烧室10可进一步包括与一个或多个管束流体连通的第三燃料导管。例如，如图1和2所示，第三燃料导管56可穿过环形通道20向第一管束40供应燃料。第一管束40中的一个或多个管路30可包括燃料通道54，所述燃料通道提供从第一燃料间36穿过管路30的流体连通，如前所述。通过这种方式，来自第三燃料导管56的燃料可环绕第一管束40中的管路30流动，以在流过燃料通道54并与工作流体混合之前，对第一管束40进行对流冷却。然后，来自第一管束40的燃料-工作流体混合物可流到燃烧室24中。
从图1中可以最清楚地看出，翼片58或轮叶中的至少一者可环绕环形通道20中的第一燃料导管44、第二燃料导管46和/或第三燃料导管56的至少一部分，以减小流过环形通道20中的燃料导管44、46、56的工作流体的流动阻力。在特定实施例中，翼片58或轮叶可倾斜，以将旋动注入流过环形通道20的工作流体中。
环绕并流过管路30的燃料和工作流体的温度可在燃烧室10运行期间显著变化。因此，端盖18可进一步包括上游表面26与下游表面28之间的一个或多个膨胀接头或波纹管，以允许管路30在上游表面26与下游表面28之间热膨胀。例如，如图1所示，盖罩32和/或挡板34中的膨胀接头60可允许上游表面26和下游表面28在第一管束40和第二管束42膨胀和收缩时进行轴向移位。所属领域的一般技术人员将容易了解到，膨胀接头在上游表面26与下游表面28之间的替代位置和/或组合在本发明各项实施例的范围内，而且除非在权利要求中特别指出，否则膨胀接头60的具体位置或数量并不限制本发明。
图3所示为本发明的替代实施例的简化截面图，且图4提供图3所示燃烧室10的下游轴向图。在此项特定实施例中，燃烧室10同样包括外壳12、端盖14、端盖18、环形通道20、内衬22、燃烧室24、第一管束40和第二管束42，以及各燃料导管44、46、58，如上文相对于图1和2所示实施例所述。
此外，燃烧室10包括第四燃料导管62，所述第四燃料导管轴向延伸穿过端盖14，以提供穿过端盖18的上游表面26的流体连通。防护罩64可周向环绕第四燃料导管62，且一个或多个旋流器轮叶66可在防护罩64与第四燃料导管62之间径向延伸。通过这种方式，第四燃料导管62可穿过上游表面26供应额外燃料，以使所述燃料与流过防护罩64的工作流体16混合，且旋流器轮叶66可在燃料-工作流体混合物进入燃烧室24之前使该混合物发生旋动。
图1至4所示的各项实施例提供用于向燃烧室10供应燃料的方法的多个组合。例如，所述方法可包括使工作流体16流过第一管束40，并使液体燃料流过环绕端盖18的环形通道20、并流入第一管束40中。在特定实施例中，所述方法可包括将液体燃料喷射到第一管束40中的每个管路30的轴向中心内，和/或通过其他燃料导管46、56向第一管束40和/或第二管束42供应相同或不同的燃料。在再进一步实施例中，所述方法可包括使相同或不同的燃料轴向流过提供穿过端盖18的流体连通的又一燃料通道62和防护罩64，并流入燃烧室24中。因此，每项实施例提供非常灵活的燃料供应方法，这些方法向燃烧室10中的各个位置进行分级燃料供应，以使燃烧室10能够在广泛运行状态范围内运行，而不会超过与逆燃、火焰稳定和/或排放限制相关的设计限度。
本说明书使用了各种实例来揭示本发明，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，则此类实例也在权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种燃烧室，包括：
a.端盖，所述端盖径向延伸穿过所述燃烧室的至少一部分，其中所述端盖包括与下游表面轴向分开的上游表面；
b.外壳，所述外壳周向环绕所述端盖的至少一部分，以在所述端盖与所述外壳之间形成环形通道；
c.第一管束，所述第一管束从所述上游表面延伸穿过所述下游表面，以提供穿过所述端盖的流体连通；
d.第一燃料导管，所述第一燃料导管与所述第一管束流体连通，以穿过所述环形通道向所述第一管束供应燃料；以及
e.液体燃料供应设备，所述液体燃料供应设备通过所述第一燃料导管与所述第一管束流体连通。
2.根据权利要求1所述的燃烧室，其中所述第一燃料导管包括用于所述第一管束中的每个管路的径向延伸的燃料管线。
3.根据权利要求2所述的燃烧室，其中每个径向延伸的燃料管线终止于所述第一管束的上游处。
4.根据权利要求2所述的燃烧室，其中每个径向延伸的燃料管线包括燃料口，所述燃料口与所述第一管束中的每个管路的轴向中心线对齐。
5.根据权利要求1所述的燃烧室，进一步包括第二管束，所述第二管束从所述上游表面延伸穿过所述下游表面，以提供穿过所述端盖的流体连通；以及第二燃料导管，所述第二燃料导管与所述第二管束流体连通，以向所述第二管束供应燃料。
6.根据权利要求5所述的燃烧室，其中所述第二燃料导管穿过所述环形通道向所述第二管束供应燃料。
7.根据权利要求5所述的燃烧室，进一步包括第三燃料导管，所述第三燃料导管与所述第一管束流体连通，以穿过所述环形通道向所述第一管束供应燃料。
8.根据权利要求5所述的燃烧室，进一步包括防护罩，所述防护罩周向环绕所述第二燃料导管，其中所述防护罩提供穿过所述端盖的流体连通。
9.根据权利要求9所述的燃烧室，进一步包括旋流器轮叶，所述旋流器轮叶在所述防护罩与所述第二燃料导管之间延伸。
10.一种燃烧室，包括：
a.端盖，所述端盖径向延伸穿过所述燃烧室的至少一部分，其中所述端盖包括与下游表面轴向分开的上游表面；
b.外壳，所述外壳周向环绕所述端盖的至少一部分，以在所述端盖与所述外壳之间形成环形通道；
c.多个管路，所述多个管路从所述上游表面延伸穿过所述下游表面，以提供穿过所述端盖的流体连通；
d.挡板，所述挡板轴向延伸穿过所述端盖，以将所述多个管路分成第一管束和第二管束；
e.第一燃料导管，所述第一燃料导管与所述第一管束流体连通，以穿过所述环形通道向所述第一管束供应燃料；以及
f.液体燃料供应设备，所述液体燃料供应设备通过所述第一燃料导管与所述第一管束流体连通。
11.根据权利要求10所述的燃烧室，其中所述第一燃料导管包括用于所述第一管束中的每个管路的径向延伸的燃料管线。
12.根据权利要求11所述的燃烧室，其中每个径向延伸的燃料管线终止于所述第一管束的上游处。
13.根据权利要求11所述的燃烧室，其中每个径向延伸的燃料管线包括燃料口，所述燃料口与所述第一管束中的每个管路的轴向中心线对齐。
14.根据权利要求10所述的燃烧室，进一步包括第二燃料导管，所述第二燃料导管与所述第二管束流体连通，以向所述第二管束供应燃料。
15.根据权利要求14所述的燃烧室，其中所述第二燃料导管穿过所述环形通道向所述第二管束供应燃料。
16.根据权利要求14所述的燃烧室，进一步包括第三燃料导管，所述第三燃料导管与所述第一管束流体连通，以穿过所述环形通道向所述第一管束供应燃料。
17.根据权利要求14所述的燃烧室，进一步包括防护罩，所述防护罩周向环绕所述第二燃料导管，其中所述防护罩提供穿过所述端盖的流体连通。
18.根据权利要求17所述的燃烧室，进一步包括旋流器轮叶，所述旋流器轮叶在所述防护罩与所述第二燃料导管之间延伸。
19.一种用于向燃烧室供应燃料的方法，包括：
a.使工作流体流过第一管束，所述第一管束轴向延伸穿过端盖，所述端盖径向延伸穿过所述燃烧室的至少一部分；以及
b.使液体燃料流过环绕所述端盖的环形通道，并流入所述第一管束中。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括将所述液体燃料喷射到所述第一管束中的每个管路的轴向中心内。
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