CN103292349B - 燃烧器和用于吹扫燃烧器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃烧器和用于吹扫燃烧器的方法。该燃烧器包括：端帽，端帽包括第一表面和第二表面，第二表面相对于第一表面位于下游处；罩，罩沿周向包绕第一表面和第二表面的至少一部分；板，板在罩内沿径向延伸；多个管，所述多个管延伸通过板以及第一表面和第二表面；以及第一吹扫端口，第一吹扫端口延伸通过所述多个管中的一个或多个管，其中该吹扫端口与板沿轴向对准。
Description
技术领域
本发明总体涉及燃烧器和用于吹扫(purge)燃烧器的方法。
背景技术
燃烧器通常用于工业和发电操作中，从而点燃燃料以产生具有高温和高压的燃烧气体。各种相互抵触的考虑因素影响着燃烧器的设计和操作。例如，较高的燃烧气体温度总体改进燃气涡轮机的热动力效率。然而，较高的燃烧气体温度还促进回火(flashback)或火焰稳定状况，在回火或火焰稳定状况中，燃烧火焰朝向由喷嘴供给的燃料移动，从而有可能在相对较短的时间量中对喷嘴造成严重损坏。此外，较高的燃烧气体温度通常使二价氮的离解率(disassociation rate ofdiatomic nitrogen)提高，从而增加氮氧化物(NOX)的产生。相反地，与燃料流量降低和/或部分负载操作(调低)相关的、较低的燃烧气体温度通常使燃烧气体的化学反应速率降低，从而增加一氧化碳和未燃烧的烃的产生。
在特定的燃烧器设计中，多个管可以沿径向布置在端帽中，从而提供流体连通，以用于使工作流体流过端帽、并且流入燃烧室中。燃料可以被供给至位于端帽内侧的燃料增压室。在燃料流过多个燃料喷射端口、并且流入管中以与工作流体混合之前，燃料流过管的外侧。管中的燃料与工作流体之间增强的混合能够允许在较高的操作温度下进行更稀薄的燃烧(leaner combustion)，同时保护不受回火或火焰稳定的影响，并且控制不期望的排放物。然而，在某些燃烧器设计中，燃料可能从燃料增压室泄漏、并且变为被汇集在端帽内的体积中，并且工作流体的速度可能不足以从端帽吹扫汇集到的燃料(purge thetrapped fuel)。因此，工作流体和燃料可能会产生有利于回火和/或火焰稳定事件的条件。因此，使回火事件的风险最小化的改进的燃烧器和用于从燃烧器吹扫燃料的方法将是有用的。
发明内容
本发明的各个方面以及优点将会在下文的描述中进行阐述，或者是通过描述可以显而易见的，或者是可以通过实施本发明而获知。
本发明的一个实施例是一种燃烧器，该燃烧器包括：端帽，端帽包括第一表面和第二表面，第二表面相对于第一表面位于下游处；罩，罩沿周向包绕第一表面和第二表面的至少一部分；板，板在罩内沿径向延伸；多个管，所述多个管延伸通过板、以及第一表面和第二表面；以及第一吹扫端口，第一吹扫端口延伸通过多个管中的一个或多个管，其中该吹扫端口与板沿轴向对准。
本发明的第二实施例是一种燃烧器，该燃烧器包括：端帽；多个管，所述多个管延伸通过端帽、并且提供通过端帽的流体连通；板，板在端帽内侧沿径向延伸；以及第一吹扫端口，第一吹扫端口位于板与所述多个管中的一个或多个管之间，其中第一吹扫端口提供进入所述多个管中的一个或多个管的流体连通。
本发明的实施例还可以包括一种用于吹扫燃烧器的方法，该方法包括以下步骤：使工作流体流过多个管，所述多个管沿轴向延伸通过端帽；使燃料流入所述多个管中；以及使至少一部分工作流体流过定位在端帽内侧的稀释剂增压室，并且流入所述多个管中的一个或多个管中。
通过阅览说明书，本领域普通技术人员将更好地领会这种实施例和其它实施例的特征以及各个方面。
附图说明
参照附图，说明书的其余部分中更具体地阐述了面向本领域技术人员的本发明的完整公开，这种公开使得本领域技术人员能够实现本发明，包括本发明的最佳模式，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横截面图；以及
图2是如图1中所示的燃烧器的一部分的放大横截面图。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的实施例，其中的一个或多个示例示于附图中。详细的描述使用数字和字母名称来表示附图中的特征。附图和描述中相似或类似的名称用于表示本发明的相似或类似的部分。如本说明书中所使用的，术语“第一”、“第二”、和“第三”可以互换使用，以区分一个部件与另一个部件，并且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”表示部件在流体路径中的相对位置。例如，如果流体从部件A流向部件B，则部件A相对于部件B位于上游处。相反地，如果部件B从部件A接收流体流，则部件B相对于部件A位于下游处。
每个示例都以对发明进行解释的方式给出，并不对本发明构成限制。实际上，对于本领域技术人员而言显而易见的是，能够在不偏离本发明的范围或者精神的前提下对本发明进行改型和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或者进行描述的特征可以用于另一个实施例，从而产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明覆盖落入所附权利要求及其等同形式的范围内的这种改型以及变型。
本发明的各实施例包括燃烧器和用于从燃烧器吹扫燃料的方法。燃烧器通常包括端帽和多个管，所述多个管延伸通过端帽以提供通过端帽的流体连通。一个或多个板在端帽内侧沿径向延伸，以至少部分地限定端帽内侧的一个或多个稀释剂增压室。一个或多个管可以包括一个或多个吹扫端口，所述一个或多个吹扫端口能够提供从一个或多个稀释剂增压室到管中的流体连通。在特定的实施例中，吹扫端口可以与板沿轴向对准。通过该方式，流过一个或多个稀释剂增压室的至少一部分工作流体可以允许处于端帽内侧的低速区域中所汇集的燃料或其它气体被引导通过吹扫端口，从而降低端帽内侧的燃料的聚集。尽管将为了说明目的在结合到燃气涡轮机中的燃烧器的背景下对本发明的示例性实施例进行总体描述，但是本领域普通技术人员将易于领会，本发明的实施例可以应用于任何燃烧器并且除非在权利要求中具体列举，否则本发明的实施例并不限于燃气涡轮机燃烧器。
图1提供了根据本发明的一个实施例的示例性燃烧器10的简化横截面图，并且图2提供了如图1中所示的燃烧器的一部分的放大横截面图。如图1中所示，壳体12大体包绕燃烧器10，以容纳流向燃烧器10的工作流体14。壳体12可以包括位于一端处的端盖16，以提供用于向燃烧器10供给燃料、稀释剂、和/或其它添加剂的接口。至少一个流体管道18可以从端盖16向下游沿轴向延伸，以提供端盖16与至少一个燃料喷嘴20之间的流体连通。流体管道18可以构造成能够使燃料、稀释剂、和/或其它添加剂流向燃料喷嘴20以及/或者燃烧器。在特定的实施例中，燃烧器可以包括沿端盖16的轴向中心线从端盖16向下游沿轴向延伸的中心燃料喷嘴22。罩24可以沿周向包绕燃料喷嘴20，以至少部分地限定位于壳体12与燃料喷嘴20之间的环形通道26。在特定的实施例中，罩可以在端帽28第一表面30与端帽第二表面32之间沿轴向延伸。
相对于端盖16布置在下游处的端帽28包括第一表面30，第一表面30与位于第一表面30下游处的第二表面32沿轴向分开。端帽28可以构造成能够沿径向延伸跨过燃烧器10的至少一部分。端帽28第一表面30和第二表面32可以分别至少部分地由罩24沿周向包绕。至少一个板34可以在罩24内大体沿径向延伸。多个管36可以延伸通过板34、并且分别延伸通过第一表面30和第二表面32，以提供通过端帽28的流体连通。如图2中所示，管36可以包括一个或多个燃料端口37，从而提供从大体布置在端帽28内的燃料增压室38到管36中的流体连通。燃料端口37可以沿径向、轴向、和/或方位角成角度，以将涡漩喷射、和/或施加给流过燃料端口37并且流入管36中的燃料。
如图1和图2中所示，燃料增压室38可以连接至管36中的一个或多个管，并且可以至少部分地由罩24包绕。如图1中所示，端帽28和流套筒40大体限定相对于端帽28位于下游处的燃烧室42。通过该方式，工作流体14可以沿罩24的外侧流过环形通道26，以向罩24提供对流冷却。在特定的实施例中，罩还可以包括延伸通过罩的至少一个稀释剂端口52。通过该方式，工作流体可以向燃料喷嘴20提供吹扫介质。当工作流体14到达端盖16时，工作流体14可以转换方向，以流过端帽28、和/或管36中的至少一个管，并且流入燃烧室42中。
如图2中所示，板34可以限定至少一个管通道44，该至少一个管通道44沿轴向延伸通过板34。管通道44可以具有任何尺寸和/或形状，以适应管36的各种尺寸和形状，并且管通道44可以具有任何构造以与管36互补(或相配合)。在特定的实施例中，管通道44可以提供多个管36中的每一个管与板34之间的径向间隙46。径向间隙46可以具有足够的尺寸，以允许工作流体、和/或燃料在其间流动。板34可以至少部分地限定端帽内的一个或多个稀释剂增压室。例如，如图1和图2中所示，端帽的第一表面30、罩24和板34可以形成端帽28内的第一稀释剂增压室48，并且板34、罩24和端帽的第二表面可以形成端帽28内的第二稀释剂增压室50。在特定的实施例中，至少一个稀释剂端口54可以定位在板34的上游处，并且/或者相对于板34位于下游处。
如图1中所示，燃料增压室38可以在第一稀释剂增压室48内定位在端帽28第一表面30与板34之间。如图2中所示，燃料增压室38可以至少部分地包绕多个管36中的一个或多个管。燃料增压室38例如可以通过钎焊或焊接、或者以任何合适的方式连接至多个管36中的一个或多个管，以用于形成燃料增压室38与管36之间的密封。通过该方式，随着燃料进入燃料增压室38，燃料增压室38与第一稀释剂增压室48之间可能存在压差。在燃料增压室38内的压力总体高于第一稀释剂增压室48内的压力的特定的情况下，密封可能至少部分地失效。因此，燃料可能从燃料增压室38泄漏，并且流入第一稀释剂增压室48内所产生的低速体积54中。低速体积54通常可以出现在燃料增压室38与罩24之间。这可能是由于燃料增压室38、稀释剂端口52、管36、以及/或者端帽28内的其它障碍物的尺寸和/或位置造成的。因此，泄漏的燃料可能滞留在低速体积54中、并且受热，从而增加燃料在端帽28内自动点燃的风险，并且会对燃料喷嘴20和/或燃烧器10造成显著损坏。
至少一个吹扫端口56可以延伸通过端帽28内的多个管36中的一个或多个管，并且可以提供分别从第一稀释剂增压室48、和/或第二稀释剂增压室50到管36中的流体连通。在一个实施例中，吹扫端口56可以与板34沿轴向对准。通过该方式，随着工作流体分别通过第一稀释剂增压室48和/或第二稀释剂增压室50、并且大体跨过燃料增压室38的至少一部分，板34可以将工作流体14引导朝向吹扫端口56。第一稀释剂增压室48、第二稀释剂增压室50、以及流过管36的流体之间的压差可以抽吸工作流体通过吹扫端口56、并且进入管36，从而分别从低速体积54、以及/或者从第一稀释剂增压室48和第二稀释剂增压室50吹扫泄漏的燃料。在备选的实施例中，吹扫端口56可以位于一个或多个板28的下游和/或上游处。
参照图1至图2示出和进行描述的各实施例还提供了用于吹扫燃烧器10的方法。该方法可以包括使工作流体14流过多个管36中的至少一个管，使燃料流入多个管36中，以及使工作流体14的至少一部分流过定位在端帽28内侧的至少一个稀释剂增压室48、50、并且流入多个管36中的一个或多个管中。该方法可以进一步包括使工作流体14流过定位在板34上游处的第一稀释剂端口52，并且引导工作流体14跨过燃料增压室38、且进入多个管36中的一个或多个管。该方法还可以包括使工作流体14流过多个管36、并流过第一稀释剂端口52，并且引导工作流体14通过一个或多个吹扫端口56进入多个管36中的一个或多个管，其中一个或多个吹扫端口56中的至少一个吹扫端口与板34至少部分地沿轴向对准。该方法可以进一步包括使燃料流入燃料增压室38中，并且引导工作流体14跨过燃料增压室38、且进入吹扫端口56，从而从包绕燃料增压室38的低速体积54吹扫泄漏的燃料。在特定的实施例中，该方法可以进一步包括使工作流体14流过第二稀释剂端口52，其中第一稀释剂端口52定位在板34的上游处，并且第二稀释剂端口52定位在板34的下游处。该方法可以进一步包括引导工作流体14进入位于板34的上游处的吹扫端口56中的一个或多个吹扫端口。该方法可以进一步包括引导工作流体14进入吹扫端口56中的一个或多个吹扫端口，其中一个或多个吹扫端口56中的至少一个吹扫端口定位在板28的下游处。
本说明书使用示例对本发明进行了公开(其中包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实施本发明(其中包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法)。本发明的可专利范围通过权利要求进行限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它的示例。如果这种其它的示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这种其它的示例包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件，则期望这种其它的示例落入权利要求的范围内。
Claims (22)
1.一种燃烧器，所述燃烧器包括：
a.端帽，其中所述端帽包括第一表面和第二表面，所述第二表面相对于所述第一表面位于下游处；
b.罩，所述罩沿周向包绕所述第一表面和所述第二表面的至少一部分；
c.板，所述板在所述罩内沿径向延伸；
d.多个管，所述多个管延伸通过所述板、以及所述第一表面和所述第二表面；
e.径向间隙，所述径向间隙位于所述多个管中的一个或多个管与所述板之间；
f.第一吹扫端口，所述第一吹扫端口延伸通过所述多个管中的一个或多个管，其中所述第一吹扫端口与所述板沿轴向对准。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述板至少部分地限定位于所述板与所述第一表面之间的第一稀释剂增压室。
3.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器进一步包括第一稀释剂端口，所述第一稀释剂端口相对于所述板在上游处延伸通过所述罩。
4.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述板至少部分地限定位于所述板与所述第二表面之间的第二稀释剂增压室。
5.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器进一步包括第二稀释剂端口，所述第二稀释剂端口相对于所述板在下游处延伸通过所述罩。
6.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器进一步包括定位在所述板的上游处的第二吹扫端口。
7.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器进一步包括位于所述板上游处的第一稀释剂端口和位于所述板下游处的第二稀释剂端口。
8.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器进一步包括包绕所述多个管的燃料增压室，其中所述燃料增压室定位在所述板的上游处、并且至少部分地由所述罩沿周向包绕。
9.一种燃烧器，所述燃烧器包括：
a.端帽；
b.多个管，所述多个管延伸通过所述端帽、并且提供通过所述端帽的流体连通；
c.板，所述板在所述端帽内侧沿径向延伸；
d.径向间隙，所述径向间隙位于所述多个管中的一个或多个管与所述板之间；
e.第一吹扫端口，所述第一吹扫端口位于所述板与所述多个管中的一个或多个管之间，其中所述第一吹扫端口提供进入所述多个管中的一个或多个管的流体连通。
10.根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器进一步包括定位在所述板的上游处的第二吹扫端口。
11.根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器进一步包括定位在所述板的下游处的第三吹扫端口。
12.根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器进一步包括包绕所述多个管的燃料增压室，其中所述燃料增压室定位在所述板的上游处。
13.根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，所述端帽包括第一表面，所述第一表面与下游第二表面沿轴向分开。
14.根据权利要求13所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器进一步包括罩，所述罩从所述端帽第一表面沿轴向延伸至所述端帽第二表面，其中所述罩至少部分地包绕所述多个管。
15.根据权利要求14所述的燃烧器，其特征在于，所述板至少部分地限定位于所述板与所述第一表面之间的第一稀释剂增压室。
16.根据权利要求14所述的燃烧器，其特征在于，所述板至少部分地限定位于所述板与所述第二表面之间的第二稀释剂增压室。
17.根据权利要求14所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器进一步包括位于所述板上游处的第一稀释剂端口和位于所述板下游处的第二稀释剂端口。
18.一种用于吹扫燃烧器的方法，所述方法包括以下步骤：
a.使工作流体流过多个管，所述多个管沿轴向延伸通过端帽；
b.使燃料流入所述多个管中；以及
c.使至少一部分所述工作流体流过定位在所述端帽内侧的稀释剂增压室，并且流入所述多个管中的一个或多个管中；
其中，所述端帽包括第一表面和第二表面，所述第二表面相对于所述第一表面位于下游处；所述燃烧器包括罩和板，所述罩沿周向包绕所述第一表面和所述第二表面的至少一部分，所述板在所述罩内沿径向延伸；所述多个管延伸通过所述板、以及所述第一表面和所述第二表面，并且在所述多个管中的一个或多个管与所述板之间设有径向间隙。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使所述工作流体流过定位在所述板的上游处的第一稀释剂端口，并且引导所述工作流体跨过燃料增压室、且进入所述多个管中的一个或多个管。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使所述工作流体流过定位在所述板的下游处的第一稀释剂端口，并且引导所述工作流体跨过燃料增压室、且进入所述多个管中的一个或多个管。
21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使所述工作流体流过定位在所述板的下游处的第一稀释剂端口和定位在所述板的上游处的第二稀释剂端口，并且进一步包括引导所述工作流体跨过燃料增压室、且进入所述多个管中的一个或多个管。
22.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使所述工作流体流过定位在由被所述板的端部和所述管的壁所限定的区域形成的环形部内的第一稀释剂端口，其中所述环形部引导所述工作流体跨过燃料增压室、并进入所述多个管中的一个或多个管。
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