CN103196154B - 燃烧器和用于在燃烧器中分配燃料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及并公开一种燃烧器，该燃烧器包括管束，管束沿径向延伸穿过燃烧器的至少一部分。管束包括与下游表面沿轴向分开的上游表面。多个管从上游表面延伸穿过下游表面，每个管提供经过管束的流体连通。挡板在管束内部相邻管之间沿轴向延伸。本发明还涉及一种用于在燃烧器中分配燃料的方法，该方法包括使燃料流入到燃料室中，燃料室至少部分地由上游表面、下游表面、护罩和多个管限定，多个管从上游表面延伸到下游表面。该方法还包括使燃料冲击挡板，挡板在燃烧室内部相邻管之间沿轴向延伸。
Description
联邦研究声明
本发明根据由能源部授予的合同No.DE-FC26-05NT42643利用政府支持做出。政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
本发明一般地涉及燃烧器和用于在燃烧器中分配燃料的方法。
背景技术
燃烧器通常用在工业和发电操作中以点燃燃料来产生燃烧气体，该燃烧气体具有高温和高压。例如，涡轮机械（例如燃气涡轮机）通常包括一个或多个燃烧器以产生动力或产生推力。通常同于发电的燃气涡轮机包括在前部的轴流压缩机、在中间附近的一个或多个燃烧器、以及在后部的涡轮机。环境空气可以被供应至压缩机，压缩机中的旋转叶片和固定叶片逐渐地将动能传递给工作流体（空气），以产生处于高赋能状态的压缩工作流体。压缩工作流体离开压缩机并流动经过一个或多个喷嘴而进入到每个燃烧器的燃烧室中，在燃烧室中压缩工作流体与燃料混合并点燃以产生具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体在涡轮机中膨胀以做功。例如，压缩空气在涡轮机中的膨胀会使连接到发电机的轴旋转而产生电力。
各种设计和操作参数影响燃烧器的设计和操作。例如，更高的燃烧气体温度一般提高燃烧器的热力学效率。但是，更高的燃烧气体温度也促进回火（flashback）或火焰稳定条件，其中燃烧火焰朝向由喷嘴供应的燃料移动，可能在相对短的时间量内造成对喷嘴的严重损坏。此外，更高的燃烧气体温度一般增大双原子氮的分解率，从而增加产生氮氧化物（NOX）。相反，与减少燃料流量和/或部分载荷操作（下降）相关联的更低的燃烧气体温度一般降低燃烧气体的化学反应速率，从而增加产生一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物。
在具体的燃烧器设计中，燃烧器可以包括径向延伸穿越燃烧器的至少一部分的端帽，多个管可以穿过端帽径向布置在一个或多个管束中，以提供工作流体经由端帽进入到燃烧室的流体连通。燃料可以被供应至端帽内部的燃料室，以围绕管流动并提供对管的对流冷却。燃料然后可以流入到管中，并在流出管而流入燃烧室之前与流过管的工作流体混合。
尽管在实现更高的操作温度、并同时免受回火或火焰稳定和控制不期望的排放时有效，但是流动围绕并进入管中的燃料可能不会均匀分配。具体地，管自身可以阻挡燃料流动并防止燃料均匀流过管的与燃料流动方向相反的一侧。结果，由燃料提供的对流冷却和流过预混合器管的燃料浓缩会穿越管束在径向上改变。两种效果都会在燃烧室中产生局部热点和/或燃料痕（streak），这降低与回火或火焰稳定相关联的设计裕度并会增加不期望的排放。因此，改进燃料分配和冷却的燃烧器和用于在燃烧器中分配燃料的方法将是有用的。
发明内容
本发明的各个方面和优点在下列描述中阐明，或者会从说明书变得很明显，或者可通过实施本发明而得知。
本发明的一个实施例是燃烧器，该燃烧器包括管束，管束沿径向延伸穿过燃烧器的至少一部分，其中管束包括与下游表面沿轴向分开的上游表面。多个管从上游表面延伸穿过下游表面，每个管提供经过管束的流体连通。挡板在相邻的管之间在管束内部沿轴向延伸。
本发明的另一实施例是燃烧器，该燃烧器包括管束，管束沿径向延伸穿过燃烧器的至少一部分。管束包括与下游表面沿轴向分开的上游表面。护罩沿周向围绕上游表面和下游表面，以至少部分地限定管束内部的燃料室。多个管从上游表面延伸穿过管束的下游表面，每个管提供经过管束的流体连通。燃烧器还包括用于围绕多个管分配燃料的装置。
本发明还可以包括用于在燃烧器中分配燃料的方法，该方法包括使燃料流入到燃料室中，燃料室至少部分地由上游表面、下游表面、护罩和多个管限定，下游表面与上游表面沿轴向分开，护罩沿周向围绕上游表面和下游表面，多个管从上游表面延伸到下游表面。该方法还包括使燃料冲击挡板，挡板在燃烧室内部相邻管之间沿轴向延伸。
本领域普通技术人员在阅读说明书之后将更好地理解这些以及其他实施例的特征和各个方面。
附图说明
在说明书剩余部分中更具体地阐明（包括对附图的参照）针对本领域技术人员的完全和能够实现的公开（包括其最佳实施方式），在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的示例性燃烧器的简化侧视横截面图；
图2是根据本发明的第一实施例的在图1中所示的管束沿着线A—A取得的放大侧视横截面图；
图3是在图2中所示的管束沿着线B—B取得的轴向横截面图；
图4是根据本发明的第二实施例的在图1中所示的管束沿着线A—A取得的放大侧视横截面图；
图5是在图4中所示的管束沿着线C—C取得的轴向横截面图；
图6是根据替换实施例的在图4中所示的管束沿着线C—C取得的轴向横截面图；和
图7是根据替换实施例的在图4中所示的管束沿着线C—C取得的轴向横截面图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，实施例的一个或多个示例在附图中示出。详细的说明书使用数字和字母标记来表示附图中的特征。附图和说明书中相同或类似的标记用于表示本发明的相同或类似的部件。如本文所使用的，术语“上游”和“下游”表示流体流路中组件的相对位置。例如，如果流体从组件A流动到组件B，则组件A在组件B的上游。相反，如果组件B接收来自组件A的流体流动，则组件B在组件A的下游。
每个示例提供用以解释本发明，而不是作为对本发明的限制。实际上，对于本领域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情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分所示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用，以获得又一实施例。因此，本发明意欲覆盖在所附权利要求书及其等价的范围内的这些修改和变化。
本发明的各种实施例包括燃烧器和用于在燃烧器中分配燃料的方法。燃烧器大体包括具有多个管的管束，管束使得燃料和工作流体在进入燃烧室之前能够彻底混合。在具体实施例中，燃烧器还包括挡板或用于围绕管分配燃料的装置，以增强对管的冷却。尽管为解释说明而将以结合于涡轮机械（例如燃气涡轮机）中的燃烧器为背景来大体地描述本发明的示例性实施例，但是本领域普通技术人员很容易理解本发明的实施例可以应用于任意燃烧器，除非在权利要求书中具体说明，否则不限于涡轮机械燃烧器。
图1示出根据本发明的一个实施例的示例性燃烧器10（例如该燃烧器将包括在燃气涡轮机中）的简化侧视横截面图。外壳12和端盖14可以围绕燃烧器10以容纳流到燃烧器10的工作流体16。工作流体16可以经过冲击套管20中的流动孔18，以沿着过渡件22和衬里24的外部流动，从而对过渡件22和衬里24提供对流冷却。当工作流体16到达端盖14时，工作流体16反转方向流动经过端帽26并进入端帽26下游的燃烧室28中。
端帽26可以包括径向布置在一个或多个管束32中的多个管30。图2提供根据本发明的第一实施例的在图1中所示的示例性管束32沿着线A—A取得的放大侧视横截面图，图3提供在图2中所示的管束32沿着线B—B取得的轴向横截面图。如图所示，每个管束32一般地包括与下游表面36沿轴向分开的上游表面34，管30从上游表面34延伸到下游表面36，以提供工作流体16流过管束32到达燃烧室28的流体连通。护罩38周向围绕上游和下游表面34、36，以在管束32内部至少部分地限定燃料室40。燃料导管42可以延伸穿过上游表面34和/或护罩38，以提供燃料44流入到每个管束32的燃料室40中的流体连通。管30中的一个或多个可以包括燃料口46，燃料口46提供从燃料室40进入到一个或多个管30中的流体连通。燃料口46可以沿径向、轴向和/或方位角成角度，以使流过燃料口46而进入到管30中的燃料44形成涡流和/或向该燃料44传递涡流。以此方式，工作流体16可以流入到管30中，来自燃料室40的燃料44可以流过燃料口46并进入到管30中以与工作流体16混合。燃料-工作流体混合物然后可以流过管30并进入到燃烧室28中。
管30和管束32的具体形状、尺寸和数量可以根据具体实施例而改变。例如，管30一般地显示为具有圆柱形状；但是，本发明范围内的替换实施例可以包括具有几乎任意几何横截面的管30。类似地，燃烧器10可以包括沿径向延伸穿越整个端帽26的单一管束32，或者燃烧器10可以包括在端帽26中处于各种布置的多个圆形、三角形、方向、椭圆形或饼形管束32。本领域普通技术人员将容易理解，除非权利要求书中具体说明，否则管30和管束32的形状、尺寸和数量不是对本发明的限制。
如图2和图3所示，每个管束32还包括用于围绕管30分配燃料44的装置。沿径向围绕管30分配燃料44，使得燃料44能够更平均地与管30交换热量，以减少管30中的局部热点，而该局部热点可能会造成火焰稳定或回火条件。此外，更平均分配的燃料44导致燃料流动更均匀地穿过燃料口46并进入到管30中，从而减少燃烧室28中可能增加不期望排放的任意局部热痕或高燃料浓度。
与沿径向围绕管30分配燃料44相关联的结构可以包括适合于在与燃烧器10相关联的温度和压力下连续暴露的任意流动导向叶片、面板、引导件或其他类型的挡板。例如，在图2和图3所示的具体实施例中，用于围绕管30分配燃料44的装置是挡板50，挡板50大体定位在燃料室40内部的相邻管30之间，以使燃料44围绕管30改变方向。在具体实施例中，挡板50可以沿轴向从上游表面34延伸到下游表面36。可替换地或附加地，挡板50可以排列成与管30基本平行或者相对于管30沿轴向成角度，以在燃料室40内部沿轴向以及沿径向分配燃料44。
如图2和图3所示，挡板50可以包括一个或多个板52，板52具有穿过该板52的穿孔54或槽。板52的实体部分可以使燃料44围绕管30改变方向，板52中的穿孔54或槽可以使得燃料44在期望的位置处穿过板52，以更均匀地分配穿过燃料室40的燃料流动。在具体实施例中，穿孔54或槽可以在轴向比在周向更长，穿孔54或槽可以沿径向与管30对准，以使得燃料44相对于管30在期望的位置处穿过板52。例如，在图2和图3所示的具体实施例中，燃料44一般从燃料导管42沿着所有方向径向向外流动。板52的实体部分使燃料流动围绕管30改变方向，板中的穿孔54或槽沿径向与管30对准，以优先地使燃料44能够流过管30的径向外部。以此方式，燃料44被更平均地分配而穿过燃料室40，并对围绕管30的所有表面提供更平均的冷却。
图4提供根据本发明的第二实施例的在图1中所示的管束32沿着线A—A取得的放大横截面图，图5至图7提供根据各种替换实施例的在图4中所示的管束32沿着线C-C取得的轴向横截面图。在图4至图7所示的具体实施例中，挡板50包括多个杆56，杆56使燃料44围绕管30改变方向。尽管在每个实施例中显示为空心杆56，但是本发明不限于空心杆56，而是也可以包括实心杆56。如图5至图7所示，在不同的实施例中，杆56的外表面可以改变。例如，在图5所示的实施例中，每个杆56具有成角度的外表面58，该外表面58使燃料44围绕管30偏转。可替换地，如图6和图7描述的实施例中所示，每个杆56具有弓形的外表面60。具体地，在图6所示的实施例中，弓形的外表面60大体为圆形或凸形。可替换地，如图7描述的具体实施例中所示，弓形的外表面60可以是凹形。杆56的具体形状、尺寸和数量将取决于各种操作因素，这些因素包括但不限于管束32的尺寸、管束32中管30的数量、预期的燃料类型、预期的操作水平和温度、和/或管30的壁厚。
参照图1至图7所示并描述的各种实施例还可以提供用于在燃烧器10中分配燃料44的方法。例如，该方法可以包括使燃料44流入到燃料室40中，燃料室40至少部分地由上游表面34、下游表面36、护罩38和管30限定。该方法还可以包括使燃料44冲击或碰撞挡板50，挡板50在燃料室40内部的相邻管30之间沿轴向延伸。以此方式，沿径向围绕管30分配燃料44。在具体实施例中，挡板50可以相对于管30沿轴向成角度，以使得冲击或碰撞步骤可在燃料室40中沿轴向分配燃料44。
相对于现有喷嘴和燃烧器，本文描述的系统和方法可以提供下列优点中的一个或多个。例如，围绕管30分配燃料44使得燃料44能够更均匀地流过管30的所有表面。结果，燃料44和管30之间的热交换增加，并减少或消除可能会导致火焰稳定或回火条件的沿管30的局部热点。可替换地或附加地，穿过燃料室40的更均匀燃料44分配可导致燃料流动更均匀地穿过燃料口46而进入管30中，从而减少燃烧室28中可能增加不期望排放的任意局部热痕或高燃料浓度。
本书面说明书使用示例来公开本发明（包括最佳实施方式），还使得任意本领域技术人员可实现本发明（包括制造和使用任意装置或系统和执行任意结合的方法）。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求书的文字语言并非不同的结构元件、或者如果这样的其他示例包括与权利要求书的文字语言具有非实质性区别的等价结构元件，则这样的其他示例意欲落入权利要求书的范围。
Claims (20)
1.一种燃烧器，其包括：
管束，其沿径向延伸穿过所述燃烧器的至少一部分，其中所述管束包括与下游表面沿轴向分开的上游表面，其中所述上游表面和所述下游表面之间界定燃料室；
护罩，其周向地围绕所述管束的所述上游表面和所述下游表面；
多个管，其从所述上游表面延伸穿过所述下游表面，其中每个管提供经过所述管束的流体连通，其中所述每个管界定燃料口，所述燃料口所述燃料室流体连通、并设置在所述管束的所述上游表面和所述下游表面之间，其中所述多个管包括环状围绕所述管束的中央轴线布置的第一排管、和与所述第一排管同心地设置且径向向外分离设置的第二排管；和
挡板，其在所述燃料室内部内沿轴向延伸、并且周向围绕所述第一排管设置，其中所述挡板径向位于所述第一排管和所述第二排管之间，其中所述挡板界定多个燃料流路径以使得燃料可从所述第一排管朝向所述第二排管穿过所述挡板径向向外地流动。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述挡板从所述上游表面轴向延伸到所述下游表面。
3.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述挡板与所述多个管基本平行地延伸。
4.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述挡板包括具有穿孔的多个板以界定所述多个燃料流路径。
5.根据权利要求4所述的燃烧器，其特征在于，所述穿孔沿径向与所述多个管对准。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的燃烧器，其特征在于，所述挡板包括周向分开设置的多个杆，其中所述多个燃料流路径中的每一个界定于所述多个杆周向相邻的两个杆之间。
7.根据权利要求6所述的燃烧器，其特征在于，每个杆具有弓形的外表面。
8.根据权利要求6所述的燃烧器，其特征在于，每个杆具有成角度的外表面。
9.一种燃烧器，其包括：
管束，其沿径向延伸穿过所述燃烧器的至少一部分，其中所述管束包括与下游表面沿轴向分开的上游表面，其中所述上游表面和所述下游表面之间界定燃料室；
护罩，其沿周向围绕所述上游表面和所述下游表面，以至少部分地在所述管束的所述上游表面和所述下游表面之间限定所述管束内部的燃料室；
多个管，其从所述上游表面延伸穿过所述管束的所述下游表面，其中所述每个管界定燃料口，所述燃料口与所述燃料室流体连通、并设置在所述管束的所述上游表面和所述下游表面之间，其中每个管提供经过所述管束的流体连通，其中所述多个管包括环状围绕所述管束的中央轴线布置的第一排管、和与所述第一排管同心地设置且径向向外分离设置的第二排管；和
用于围绕所述多个管分配燃料的装置，所述装置为挡板，其在所述燃料室内部内沿轴向延伸、并且周向围绕所述第一排管设置，其中所述挡板径向位于所述第一排管和所述第二排管之间，其中所述挡板界定多个燃料流路径以使得燃料可从所述第一排管朝向所述第二排管穿过所述挡板径向向外地流动。
10.根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，所述挡板从所述上游表面轴向延伸到所述下游表面。
11.根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，所述挡板与所述多个管基本平行地延伸。
12.根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，所述挡板包括具有穿孔的、周向分开设置的多个板。
13.根据权利要求12所述的燃烧器，其特征在于，所述穿孔沿径向与所述多个管对准。
14.根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，所述挡板包括周向分开设置的多个杆。
15.根据权利要求14所述的燃烧器，其特征在于，每个杆具有弓形的外表面。
16.根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器并入涡轮机械中。
17.一种用于在燃烧器中分配燃料的方法，其包括：
a. 使燃料流入到燃料室中，所述燃料室至少部分地由上游表面、下游表面、护罩和多个管限定，所述下游表面与所述上游表面沿轴向分开，所述护罩沿周向围绕所述上游表面和所述下游表面，所述多个管从所述上游表面延伸到所述下游表面，其中所述多个管包括环状围绕管束的中央轴线布置的第一排管、和与所述第一排管同心地设置且径向向外分离设置的第二排管；并且
b. 使所述燃料冲击挡板，所述挡板在所述燃料室内部相邻管之间沿轴向延伸，其中所述挡板径向位于所述第一排管和所述第二排管之间，其中所述挡板界定多个燃料流路径以使得燃料可从所述第一排管朝向所述第二排管穿过所述挡板径向向外地流动。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，冲击步骤包括使所述燃料冲击所述挡板，所述挡板从所述上游表面延伸到所述下游表面。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，冲击步骤包括使所述燃料冲击所述挡板，所述挡板与所述多个管基本平行地延伸。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，冲击步骤包括使所述燃料冲击所述挡板，所述挡板位于每对相邻的管之间。
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