CN103206725A - 用于将工作流体供应到燃烧器的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于将工作流体供应到燃烧器的系统和方法。用于将工作流体供应到燃烧器的系统包括燃料喷嘴、燃烧室和围绕燃烧室周向地配置的燃料喷射器。燃烧器外壳环绕燃烧室。分配歧管围封燃料喷射器，并且室穿过燃烧器外壳。用于将工作流体供应到燃烧器的方法包括使工作流体从压缩机流动穿过燃烧室，使工作流体的部分转向到室中，和使工作流体的转向部分在压缩机和燃烧器的外部流动。该方法进一步包括使工作流体的转向部分流动穿过燃烧器外壳和分配歧管，该分配歧管围封围绕燃烧室周向地配置的燃料喷射器。
Description
技术领域
本发明大体涉及用于将工作流体供应到燃烧器的系统和方法。
背景技术
燃烧器通常在工业和发电操作中用于点燃燃料，以生产具有高温和高压的燃烧气体。例如，燃气涡轮典型地包括一个或更多个燃烧器以产生功率或推力。用于产生电功率的典型燃气涡轮包括在前面的轴向压缩机、围绕中部的一个或更多个燃烧器和在后面的涡轮。周围空气可供应到压缩机，并且压缩机中的旋转叶片和固定静叶逐渐地给予工作流体(空气)动能，以生产处于高能状态的压缩工作流体。压缩工作流体离开压缩机，并且流动穿过一个或更多个喷嘴到每个燃烧器中的燃烧室中，在该燃烧室中，压缩工作流体与燃料混合，并且点燃以产生具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体在涡轮中膨胀以生产功。例如，燃烧气体在涡轮中的膨胀可使连接于发电机的轴旋转以生产电。
各种设计和操作参数影响燃烧器的设计和操作。例如，较高燃烧气体温度通常提高燃烧器的热力学效率。然而，较高燃烧气体温度还促进逆燃或火焰稳定条件，在该条件下，燃烧火焰朝向由喷嘴供应的燃料迁移，可能在相对短的时间内导致对喷嘴的严重损坏。另外，较高燃烧气体温度通常提高双原子氮的分解率，从而增加氮氧化物(NOx)的生产。相反地，与减少的燃料流和/或部分载荷操作(关闭)相关的较低燃烧气体温度通常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生产。
在特别燃烧器设计中，一个或更多个燃料喷射器（也被称为延迟稀燃喷射器）可围绕在喷嘴下游的燃烧室周向地配置。离开压缩机的压缩工作流体的部分可流动穿过燃料喷射器以与燃料混合，以生产稀薄的燃料-空气混合物。接着，稀薄的燃料-空气混合物可喷射到燃烧室中用于附加燃烧，以提升燃烧气体温度和提高燃烧器的热力学效率。
在增大燃烧气体温度而不引起NOx的生产的对应增加方面，延迟稀燃喷射器是有效的。然而，离开压缩机的压缩工作流体的压力和流可围绕燃烧室的周边显著地变化。因此，流动穿过延迟稀燃喷射器的燃料-空气比可相当大地变化，从而减小通过将燃料以延迟稀燃方式喷射到燃烧室中而另外产生的有利效果。先前已经尝试实现穿过延迟稀燃喷射器的工作流体的更均匀流。例如，戽斗或护罩安装在燃料喷射器的部分上面，以更均匀地调节穿过燃料喷射器的工作流体的流。然而，用于减少流动穿过延迟稀燃喷射器的工作流体的压力和/或流的变化的改进的系统和方法将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点在下面在下列描述中被提出，或者可从描述是明显的，或者可通过本发明的实践学习。
本发明的一个实施例是一种用于将工作流体供应到燃烧器的系统，其包括燃料喷嘴和在燃料喷嘴下游的燃烧室。多个燃料喷射器围绕在燃料喷嘴下游的燃烧室周向地配置。燃烧器外壳周向地环绕燃烧室的至少一部分。分配歧管围封多个燃料喷射器，并且室穿过燃烧器外壳，以向工作流体提供流体连通以流动到分配歧管。
本发明的另一个实施例是一种用于将工作流体供应到燃烧器的系统，其包括压缩机和在压缩机下游的燃烧器。燃烧器包括燃烧室和围绕燃烧室周向地配置的多个燃料喷射器。燃烧器外壳环绕燃烧器的至少一部分，以容纳从压缩机流动到燃烧器的工作流体。分配歧管围封多个燃料喷射器，并且室穿过燃烧器外壳，以向工作流体的部分提供流体连通以流动到分配歧管。
本发明还可包括一种用于将工作流体供应到燃烧器的方法。该方法包括使工作流体从压缩机流动穿过燃烧室、使工作流体的部分转向到室中，和使工作流体的转向部分在压缩机和燃烧器的外部流动。该方法进一步包括使工作流体的转向部分流动穿过燃烧器外壳，和使工作流体的转向部分流动穿过分配歧管，该燃烧器外壳周向地环绕燃烧室的至少一部分，该分配歧管围封围绕燃烧室周向地配置的多个燃料喷射器。
本领域技术人员在审阅说明书之后将更好地理解这种实施例和其他实施例的特征和方面。
附图说明
本发明的完整且能够实现的公开（包括对本领域技术人员而言的其最佳模式）在说明书的其余部分被更特别地提出，包括参考附图，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的系统的简化侧视截面图；并且
图2是根据本发明的一个实施例的图1中示出的燃烧器的简化侧视图。
部件列表
10系统
12燃气涡轮
14压缩机
16燃烧器
18涡轮
20转子
22发电机
24工作流体
26固定静叶(压缩机)
28旋转叶片
30压缩机外壳
32压缩机排出室
34燃烧器外壳
36燃料喷嘴
38端盖
40燃烧室
42过渡件
44定子
46动叶
50燃料喷射器
52分配歧管
54室
56上游部分
58支线。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的目前实施例，在附图中示出该实施例的一个或更多个实例。详细描述使用数字标记和字母标记以表示附图中的特征。附图和描述中的同样或相似的标记用于表示本发明的同样或相似的部件。如在本文中使用的，用语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地用于将一个构件与另一个构件区别开，并且不意图表示单独构件的位置或重要性。另外，用语“上游”和“下游”表示流体通道中的构件的相对位置。例如，如果流体从构件A流到构件B，则构件A位于构件B上游。相反地，如果构件B从构件A接收流体流，则构件B位于构件A下游。
每个实例作为本发明的说明而不是本发明的限制被提供。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，在不背离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出修改和变化。例如，作为一个实施例的部分被示出或描述的特征可使用在另一个实施例中以产生又一个实施例。因此，意图是，本发明涵盖在所附权利要求和它们的等同物的范围内的这种修改和变化。
本发明的各种实施例包括用于将工作流体供应到燃烧器的系统和方法。大体上，系统包括周向地环绕燃烧室的多个延迟稀燃喷射器。系统使工作流体的部分从共同位置转向或流动，并且将工作流体的转向部分运送到环绕延迟稀燃喷射器的分配歧管。通过从一个共同位置抽吸工作流体并且将其传送到分配歧管，系统减少在每个延迟稀燃喷射器处的转向工作流体的压力和/或流动速率的变化，以生产喷射到燃烧室中的更均匀的燃料-空气混合物。虽然本发明的示例性实施例将出于说明的目的而在并入到燃气涡轮中的燃烧器的背景下被大体描述，但是本领域技术人员将容易理解，本发明的实施例可应用于任何燃烧器，并且不受限于燃气涡轮燃烧器，除非在权利要求中特别地叙述。
图1提供了根据本发明的一个实施例的系统10的简化截面图。如示出的，系统10可并入到燃气涡轮12中，燃气涡轮12具有在前面的压缩机14、围绕中部径向地布置的一个或更多个燃烧器16和在后面的涡轮18。压缩机14和涡轮18典型地共享共同转子20，其连接于发电机22以生产电。
压缩机14可为轴流式压缩机，其中，诸如周围空气的工作流体24进入压缩机14，并且穿过固定静叶26和旋转叶片28的交替级。当固定静叶26和旋转叶片28使工作流体24加速并改变方向以生产连续的压缩工作流体24流时，压缩机外壳30容纳工作流体24。大部分压缩工作流体24流动穿过压缩机排出室32到燃烧器16。
燃烧器16可包括现有技术中已知的任何类型的燃烧器。例如，如图1所示，燃烧器外壳34可周向地环绕燃烧器16中的一些或所有以容纳流动到燃烧器16的压缩工作流体24。一个或更多个燃料喷嘴36可径向地配置在端盖38中，以将燃料供应到在燃料喷嘴36下游的燃烧室40。可能的燃料包括例如高炉气、焦炉气、天然气、蒸发的液化天然气(LNG)、氢和丙烷中的一种或更多种。在到达端盖38并反转方向以流动穿过燃料喷嘴36以与燃料混合之前，压缩工作流体24可从压缩机排出室32沿着燃烧室40外部流动。燃料和压缩工作流体24的混合物流动到燃烧室40中，在燃烧室40中，该混合物点燃以产生具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体流动穿过过渡件42到涡轮18。
涡轮18可包括定子44和旋转动叶46的交替级。第一级定子44使燃烧气体改变方向并集中到第一级涡轮动叶46上。当燃烧气体经过第一级涡轮动叶46时，燃烧气体膨胀，从而使涡轮动叶46和转子20旋转。接着，燃烧气体流动到下一级定子44，其使燃烧气体改变方向到下一级旋转涡轮动叶46，并且过程重复用于随后级。
图2提供了根据本发明的一个实施例的图1中示出的燃烧器16的简化侧视图。如示出的，燃烧器16包括多个燃料喷射器50，其围绕在燃料喷嘴36下游的燃烧室40周向地配置。燃料喷射器50可接收与供应到燃料喷嘴36的燃料相同或不同的燃料，并且使燃料与压缩工作流体24的部分混合，之后将混合物喷射到燃烧室40中。以该方式，燃料喷射器50供应用于附加燃烧的燃料和空气的稀薄混合物，以提高燃烧器16的温度和因此效率。
分配歧管52围封燃料喷射器50，以保护燃料喷射器50免受从压缩机14流出的压缩工作流体24的直接冲击。如图2所示，分配歧管52可周向地环绕在燃烧器外壳34内部的燃烧室40的至少一部分，以包含从共同源转向并供应到燃料喷射器50的压缩工作流体24的部分。室54可将分配歧管52连接于转向的压缩工作流体24的共同源，以向转向工作流体24提供流体连通以流动到分配歧管52。例如，如在图1中更清楚地示出的，室54可包括上游部分56，其构造成接收来自压缩机14的工作流体24的部分或使其转向。上游部分56可穿过压缩机外壳30，以使室54的至少一部分在压缩机14和燃烧器16的外部延伸，之后穿过燃烧器外壳32以连接于分配歧管52。在特别实施例中，如图2所示，室54可在穿过燃烧器外壳34之前或之后分成多个支线58。支线58可包括例如管道或柔性软管，以使每个支线58提供与分配歧管52的分离流体连通。以该方式，室54可使在压缩机14的排出压力处或接近该排出压力的压缩工作流体24的部分转向，并且在具有压缩工作流体24的小压降或没有压缩工作流体24的压降的情况下，将该转向的压缩工作流体24直接传送到在分配歧管52内部的燃料喷射器50。
关于图1和图2示出和描述的系统10还可提供用于将工作流体24供应到燃烧器16的方法。该方法可包括使工作流体24从压缩机14流动穿过燃烧室40，和使工作流体24的部分转向到室54中。该方法可进一步包括使工作流体24的转向部分在压缩机14和燃烧器16的外部流动，穿过燃烧器外壳34并且穿过分配歧管52，燃烧器外壳34周向地环绕燃烧室40的至少一部分，分配歧管52围封围绕燃烧室40周向地配置的燃料喷射器50。在特别实施例中，该方法可进一步包括使工作流体24的转向部分流动穿过压缩机外壳30、使工作流体24的转向部分围绕在分配歧管52内部的燃烧室40的至少一部分周向地流动，和/或在穿过燃烧器外壳34之前或之后使工作流体24的转向部分分离到支线58中。
本发明的各种实施例可提供相对于现有延迟稀燃喷射系统的一个或更多个技术优点。例如，本文中描述的系统和方法可减少穿过每个燃料喷射器50的工作流体24的压力和/或流的变化。因此，各种实施例要求较少分析来实现穿过燃料喷射器50的期望燃料-空气比，并且增强燃料喷射器50的预期能力，即，实现期望的效率和来自燃烧器16的减少排放物。
该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。
Claims (20)
1. 一种用于将工作流体供应到燃烧器的系统，其包括：
a. 燃料喷嘴；
b. 燃烧室，其位于所述燃料喷嘴下游；
c. 多个燃料喷射器，其围绕在所述燃料喷嘴下游的所述燃烧室周向地配置；
d. 燃烧器外壳，其周向地环绕所述燃烧室的至少一部分；
e. 分配歧管，其围封所述多个燃料喷射器；和
f. 室，其穿过所述燃烧器外壳，以向工作流体提供流体连通以流动到所述分配歧管。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分配歧管周向地环绕在所述燃烧器外壳内部的所述燃烧室。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述室包括与所述分配歧管流体连通的多个支线。
4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述室在穿过所述燃烧器外壳之后分成多个支线。
5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述室包括上游部分，其构造成接收来自压缩机的所述工作流体。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述室包括穿过压缩机外壳的上游部分。
7. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述室包括穿过压缩机外壳的上游部分，并且所述室的至少一部分在所述燃烧器外部延伸。
8. 一种用于将工作流体供应到燃烧器的系统，其包括：
a. 压缩机；
b. 燃烧器，其位于所述压缩机下游，其中，所述燃烧器包括燃烧室和多个燃料喷射器，其围绕所述燃烧室周向地配置；
c. 燃烧器外壳，其环绕所述燃烧器的至少一部分，以容纳从所述压缩机流动到所述燃烧器的工作流体；
d. 分配歧管，其围封所述多个燃料喷射器；和
e. 室，其穿过所述燃烧器外壳，以向所述工作流体的部分提供流体连通以流动到所述分配歧管。
9. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述分配歧管周向地环绕在所述燃烧器外壳内部的所述燃烧室。
10. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述室包括与所述分配歧管流体连通的多个支线。
11. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述室在穿过所述燃烧器外壳之后分成多个支线。
12. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述室包括上游部分，其构造成接收来自所述压缩机的所述工作流体的部分。
13. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述室包括穿过压缩机外壳的上游部分。
14. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述室包括穿过压缩机外壳的上游部分，并且所述室的至少一部分在所述压缩机和所述燃烧器的外部延伸。
15. 一种用于将工作流体供应到燃烧器的方法，其包括：
a. 使工作流体从压缩机流动穿过燃烧室；
b. 使所述工作流体的部分转向到室中；
c. 使所述工作流体的转向部分在所述压缩机和所述燃烧器的外部流动；
d. 使所述工作流体的转向部分流动穿过燃烧器外壳，其周向地环绕所述燃烧室的至少一部分；和
e. 使所述工作流体的转向部分流动穿过分配歧管，其围封围绕所述燃烧室周向地配置的多个燃料喷射器。
16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括使所述工作流体的转向部分围绕在所述分配歧管内部的所述燃烧室周向地流动。
17. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括将所述工作流体的转向部分分离到与所述分配歧管流体连通的多个支线中。
18. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括使所述工作流体的转向部分在穿过所述燃烧器外壳之后分离到多个支线中。
19. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括使所述工作流体的转向部分流动穿过压缩机外壳。
20. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括使所述工作流体的转向部分流动穿过压缩机外壳并在所述燃烧器外部流动。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130717 |