CN103292352A - 用于降低燃烧器中的燃烧动态性的系统和方法 - Google Patents

用于降低燃烧器中的燃烧动态性的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于降低燃烧器中的燃烧动态性的系统包括端帽，该端帽具有与下游表面轴向分开的上游表面，并且管束延伸通过端帽。与端帽流体连通的稀释剂供应向端帽提供稀释剂流。周向布置在至少一个管束内部的稀释剂分配器从下游表面向下游延伸且为稀释剂流提供通过端帽的流体连通。一种用于降低燃烧器中的燃烧动态性的方法包括：使燃料流过轴向延伸通过端帽的管束；使稀释剂通过稀释剂分配器流入燃烧室中，其中稀释剂分配器周向布置在至少一个管束内部，并且每个稀释剂分配器从端帽向下游延伸；以及，在至少一对相邻管束之间在燃烧室中形成稀释剂屏障。

Description

用于降低燃烧器中的燃烧动态性的系统和方法
联邦研究声明
本发明按照美国能源部授予的DE-FC26-05NT42643号合同在政府支持下进行。美国政府在本发明中享有某些权利。
技术领域
本发明大体上涉及用于降低燃烧器中的燃烧动态性(combustion dynamics)的系统和方法。
背景技术
燃烧器在工业和发电操作中普遍地用于点燃燃料以产生具有高的温度和压力的燃烧气体。例如，燃气涡轮机通常包括一个或更多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机包括在前部的轴流压缩机、在中部附近的一个或更多燃烧器以及在后部的涡轮机。环境空气可被供应到压缩机，并且压缩机中的旋转叶片和静叶逐渐地赋予工作流体(空气)动能，以产生处于高能状态的压缩的工作流体。压缩的工作流体离开压缩机并流动通过一个或更多喷嘴进入每个燃烧器中的燃烧室，在燃烧器中，压缩的工作流体与燃料混合并点燃以产生具有高的温度和压力的燃烧气体。燃烧气体在涡轮机中膨胀而做功。例如，燃烧气体在涡轮机中的膨胀可使连接到发电机的轴旋转以产生电力。
各种设计和运行参数影响燃烧器的设计和运行。例如，较高的燃烧气体温度通常提高燃烧器的热力学效率。然而，较高的燃烧气体温度也有助于其中燃烧火焰朝喷嘴所供应的燃料迁移的回火或火焰稳定状态，这可能在相对较短的时间内对喷嘴造成严重损坏。此外，较高燃烧气体温度通常增加二价氮的解离速率，从而增加了氮氧化物(NOX)的产生。反之，与减小的燃料流和/或部分负荷运行(减负荷)相关联的较低燃烧气体温度通常降低燃烧气体的化学反应速率，从而增加了一氧化碳和未燃烧烃的产生。
在特定的燃烧器设计中，多个预混合管可径向布置在端帽中以提供流体连通供工作流体和燃料通过端帽并进入燃烧室。虽然在防止回火或火焰稳定和控制不期望排放的同时允许较高运行温度方面有效，但一些燃料和运行条件对于燃烧器中的高氢燃料组成产生非常高的频率。与高频率相关联的燃烧器中增加的振动可降低一个或更多燃烧器构件的使用寿命。备选地或此外，燃烧动态性的高频率可在预混合管和/或燃烧室内部产生压力脉冲，其影响燃烧火焰的稳定性，减小对回火或火焰稳定的设计裕度，和/或增加不期望的排放。因此，减小燃烧器中的共振频率的系统和方法将可用于提高燃烧器的热力学效率、防止燃烧器遭受灾难性破坏和/或在较大范围的燃烧器运行水平下降低不期望的排放。
发明内容
本发明的方面和优点阐述在下面的描述中，或者可从该描述显而易见，或者可通过实施本发明来了解。
本发明的一个实施例是用于降低燃烧器中的燃烧动态性的系统。该系统包括跨过燃烧器的至少一部分径向延伸的端帽，其中端帽包括与下游表面轴向分开的上游表面。多个管束从上游表面延伸通过端帽的下游表面，其中每个管束提供通过端帽的流体连通。与端帽流体连通的稀释剂供应向端帽提供稀释剂流。多个第一稀释剂分配器周向布置在至少一个管束内部，其中每个第一稀释剂分配器从下游表面向下游延伸，并且为稀释剂流提供通过端帽的下游表面的流体连通。
本发明的另一实施例是用于降低燃烧器中的燃烧动态性的系统，该系统包括跨过燃烧器的至少一部分径向延伸的端帽，其中端帽包括与下游表面轴向分开的上游表面。多个管束从上游表面延伸通过端帽的下游表面，其中每个管束提供通过端帽的流体连通。与端帽流体连通的稀释剂供应向端帽提供稀释剂流。周向布置在至少一个管束内部的多个稀释剂口为稀释剂流提供通过端帽的下游表面的流体连通。多个第一稀释剂分配器与稀释剂口中的至少一些流体连通，其中每个第一稀释剂分配器从下游表面向下游延伸。
本发明还可包括用于降低燃烧器中的燃烧动态性的方法。该方法包括使燃料流过多个管束，其轴向延伸通过跨过燃烧器的至少一部分径向延伸的端帽。该方法还包括：使稀释剂通过多个稀释剂分配器流入端帽下游的燃烧室中，其中多个稀释剂分配器周向布置在至少一个管束内部，并且每个稀释剂分配器从端帽向下游延伸；以及，在至少一对相邻管束之间的燃烧室中形成稀释剂屏障。
通过阅读说明书，本领域的普通技术人员将更好地理解这些实施例和其它实施例的特征和方面。
附图说明
在说明书的其余部分中(包括参考附图)更具体地阐述了本发明的全面且能够实施的公开内容，包括对于本领域技术人员而言的其最佳模式，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剖视图；
图2是根据本发明的第一实施例的图1所示的端帽的上游轴向视图；
图3是根据本发明的第二实施例的图1所示的端帽的上游轴向视图；
图4是根据本发明的第三实施例的图1所示的端帽的上游轴向视图；
图5是根据本发明的第四实施例的图1所示的端帽的上游轴向视图；
图6是根据本发明的一实施例的图1所示的管束的放大剖视图；
图7是根据本发明的一备选实施例的图1和图4所示的燃烧器的一部分的放大剖视图；以及
图8是图7所示的端帽的下游轴向视图。
附图标记：
10     燃烧器
12     壳体
14     端盖
15     工作流体
16     流动孔
18     冲击套筒
20     过渡件
22     衬套
24     管束
26     燃烧室
28     端帽
30     预混合管
31     外护罩
32     稀释剂分配器
34     稀释剂口
36     分隔件
42     上游表面
44     下游表面
46     管入口
50     燃料室
52     稀释剂室
54     水平屏障
56     燃料供应
58     稀释剂供应
60     燃料口
66     稀释剂喷射器
68     热障涂层。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的当前实施例，其一个或更多示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。在附图和描述中相同或类似的标记用于指代本发明的相同或类似的构件。如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以区分一个构件与另一个，而并非意图表示各个构件的位置或重要性。此外，术语“上游”和“下游”是指构件在流体通道中的相对位置。例如，如果流体从构件A流至构件B，则构件A在构件B的上游。反之，如果构件B接纳来自构件A的流体流，则构件B在构件A的下游。
每个示例以本发明的说明而不是本发明的限制的方式提供。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，在不脱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型。例如，作为一个实施例的部分所示出或描述的特征可用于另一实施例，以产生更进一步的实施例。因此，本发明意图包括落入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
本发明的各个实施例包括用于降低燃烧器中的燃烧动态性的系统和方法。该系统和方法大体上包括径向布置在端帽中的多个管束。管束将燃料和工作流体的混合物供应至端帽下游的燃烧室。与端帽流体连通的稀释剂供应向端帽提供稀释剂流。周向布置在至少一个管束内部内且从端帽向下游延伸的多个稀释剂分配器为稀释剂流提供通过端帽的流体连通。稀释剂分配器因此在至少一对相邻管束之间产生稀释剂屏障，以消减(decouple)相邻管束之间的火焰相互作用并因此降低燃烧器中的燃烧动态性。虽然将大体上在并入燃气涡轮机中的燃烧器的上下文中描述本发明的示例性实施例，但本领域的普通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且不限于燃气涡轮机燃烧器，除非权利要求中特别地叙述。
图1示出根据本发明的一个实施例的诸如将包括在燃气涡轮机中的示例性燃烧器10的简化剖视图。壳体12和端盖14可围绕燃烧器10以包含流到燃烧器10的工作流体15。工作流体15可穿过冲击套筒18中的流动孔16而沿着过渡件20和衬套22的外侧流动，以向过渡件20和衬套22提供对流冷却。当工作流体15到达端盖14时，工作流体15倒转方向而通过多个管束24流入燃烧室26中。
管束24以不同形状、数量和尺寸径向布置在燃烧室26上游的端帽28中，并且图2至图5提供了在本发明的范围内的端帽28中的管束24的示例性布置的上游视图。例如，如图2和图3所示，管束24可以以由外护罩31包封的圆形成组预混合管30的形式跨过端帽28径向布置，其中六个管束24围绕一个管束24。或者，如图4和图5所示，管束24可布置为由外护罩31围绕的圆形成组预混合管30，外护罩31由一系列饼形成组预混合管30围绕。在图4中，交替的饼形成组预混合管30至少部分地由外护罩31包封。本领域的普通技术人员将容易理解管束24的形状、数量和尺寸的多种可能组合，并且本发明不限于管束24的任何特定布置，除非权利要求中特别地叙述。
在图2至图5所示的每种示例性布置中，燃料和/或工作流体15通过预混合管30和/或管束24的流动可以在燃烧室26中产生不期望的燃烧动态性，尤其是在燃料和/或工作流体15流在每个管束24之间大约相等时。因此，本发明的各个实施例包括一个或更多特征，其用于消减相邻管束24之间的燃烧火焰相互作用且因此降低燃烧器10中的燃烧动态性。这些特征大体上布置在一个或更多管束24内部和/或之间，并且在一对更或多对相邻管束24之间限定分开相邻管束24的结构和/或流体屏障。这样，该结构和/或流体屏障防止由相邻管束24产生的燃烧火焰之间的相互作用，以降低燃烧室26中不期望的燃烧动态性。
例如，在图2至图5所示的特定的管束24布置中，多个稀释剂分配器32可周向布置在中央管束24内部。每个稀释剂分配器32可从端帽28向下游延伸以在中央管束24内部或周围形成结构屏障。此外，稀释剂可流过端帽28并流出稀释剂分配器32以在燃烧室26中形成流体屏障，该流体屏障将中央管束24与径向布置在端帽28中的相邻管束分开。这样，稀释剂分配器32和通过稀释剂分配器32的稀释剂流可充分地消减在中央管束24和径向布置在端帽28中的其它管束24之间的任何燃烧火焰相互作用。
备选地或此外，稀释剂分配器32可布置在径向布置于端帽28中的管束24中的一个或更多内部或之间，以在相邻管束24之间提供结构和/或流体屏障。在图2和图4所示的特定实施例中，径向布置在端帽28中的管束24包括周向布置在交替的管束24内部的多个稀释剂口34。备选地，如在图3和图5中示出的特定实施例中所示，端帽28可包括在径向布置在端帽28中的管束24之间的一个或更多分隔件36。每个分隔件36可轴向延伸通过端帽28以将相邻管束24分开，并且稀释剂口34可提供流体连通供稀释剂流出相邻管束24之间的分隔件36。这样，通过稀释剂口34的稀释剂流可在燃烧室26中形成将径向布置在端帽28中的相邻管束24分开的流体屏障。此外，稀释剂分配器32可与稀释剂口34中的一个或更多流体连通，以在径向布置在端帽28中的相邻管束24之间形成结构屏障。例如，在图2和图3所示的特定实施例中，稀释剂分配器32可以仅与紧邻相邻管束24或在相邻管束24之间的稀释剂口34重合。备选地，如在图4和图5所示的特定实施例中所示，稀释剂分配器32可与邻近相邻管束24或在相邻管束24之间的每个稀释剂口34重合。
图6提供了根据本发明的第一实施例的诸如图1所示的示例性管束24和图2至图5的中心的放大剖视图。如图所示，管束24大体包括与下游表面44轴向分开的上游表面42。每个预混合管30包括靠近上游表面42的管入口46且延伸通过下游表面44，以为工作流体15提供流过管束24且进入燃烧室26中的流体连通。虽然示出为圆柱形管，但预混合管30的截面可为任何几何形状，并且本发明不限于任何特定截面，除非权利要求中特别地叙述。外护罩31周向围绕管束24的至少一部分，以部分地限定在上游表面42和下游表面44之间的燃料室50和稀释剂室52。大体水平的屏障54可在上游表面42和下游表面44之间径向延伸，以将燃料室50与稀释剂室52分开。这样，上游表面42、外护罩31和屏障54包封或限定预混合管30的上游部分周围的燃料室50，并且下游表面44、外护罩31和屏障54包封或限定预混合管30的下游部分周围的稀释剂室52。
燃料供应56和稀释剂供应58可延伸通过端盖14并通过上游表面42，以为燃料和稀释剂提供流过端盖14到每个管束24中相应的燃料室50或稀释剂室52的流体连通。供应到管束24的燃料可包括适于燃烧的任何液体或气态燃料，并且供应到管束24的可能的稀释剂可包括水、蒸汽、燃料添加剂、诸如氮气的各种惰性气体和/或诸如二氧化碳或燃烧排气的各种不可燃气体。在图6所示的特定实施例中，燃料供应56与稀释剂供应58基本上同心，但这不是本发明的限制，除非权利要求中特别地叙述。
预混合管30中的一个或更多可包括燃料口60，其提供从燃料室50进入一个或更多预混合管30中的流体连通。燃料口60可在径向、轴向和/或在方位上成角度，以射出流过燃料口60并进入预混合管30中的燃料和/或赋予燃料涡旋。这样，工作流体15可流过管入口46并进入预混合管30中，并且来自燃料室50的燃料可流过燃料口60并进入预混合管30中以与工作流体15混合。燃料-工作流体混合物可接着流过预混合管30并进入燃烧室26中。
稀释剂可从稀释剂供应58围绕预混合管30在稀释剂室52中流动，以向预混合管30提供对流冷却和/或向下游表面44提供冲击冷却。稀释剂可接着流过稀释剂口34和/或稀释剂分配器32并进入燃烧室26中。这样，稀释剂可在相邻管束24之间形成流体屏障以将相邻管束24的燃烧火焰分开，由此减小或防止相邻管束24的燃烧火焰之间的任何相互作用。
如图6所示，每个稀释剂分配器32大体从端帽28的下游表面44向下游延伸并进入燃烧室26中。稀释剂分配器32在相邻管束24之间提供物理屏障并且可包括多个稀释剂喷射器66，稀释剂喷射器将稀释剂射出到相邻管束24之间的燃烧室26中。流过稀释剂分配器32的稀释剂向稀释剂分配器32提供对流和/或膜冷却。备选地或此外，在稀释剂分配器32的下游表面上的热障涂层68可保护稀释剂分配器32免于过度热负载和/或与燃烧火焰相关联的氧化。在特定实施例中，热障涂层68可包括多个层，其至少包括金属粘合涂层、热制备氧化物和/或陶瓷顶部涂层，可是热障涂层68的特定组成和结构不是本发明的限制，除非权利要求中特别地叙述。
图7提供了根据本发明的一备选实施例的图1和图4所示的燃烧器10的一部分的放大剖视图，并且图8提供了图7所示的端帽28的下游轴向视图。如图所示，端帽28跨过燃烧器10的至少一部分大体径向延伸，并且包括此前关于图6所示管束24描述的上游表面42和下游表面44。如图7所示，一个或更多管束24从上游表面42延伸通过下游表面44，以为燃料和/或工作流体15提供通过端帽28的流体连通。如图7和图8中另外示出的，燃料供应56与管束24流体连通，并且稀释剂供应58与稀释剂分配器32流体连通。分隔件36轴向延伸通过端帽28的至少一部分且通过下游表面44，以将一对或更多对相邻管束24分开。这样，稀释剂供应58可将稀释剂供应至且通过稀释剂分配器32并进入相邻管束24之间的燃烧室26中。
关于图1至图8描述及示出的各个实施例还可提供用于降低燃烧器10中的燃烧动态性的方法。该方法可包括使燃料流过轴向延伸通过端帽28的一个或更多管束24，端帽28跨过燃烧器10的至少一部分径向延伸。该方法还可包括使稀释剂通过在一个或更多管束24内部或之间的一个或更多稀释剂分配器32而流入端帽28下游的燃烧室26中，其中稀释剂分配器32周向布置在至少一个管束24的内部，并且每个稀释剂分配器32从端帽28向下游延伸。这样，该方法可在至少一对相邻管束24之间的燃烧室26中形成稀释剂屏障。
在特定实施例中，该方法可形成完全围绕一个或更多管束24和/或在每一对相邻管束24之间的稀释剂屏障。在另外的实施例中，该方法可将稀释剂喷入端帽28下游的燃烧室26中和/或使燃料与稀释剂同心地流过燃烧器10的至少一部分。
本文所述的系统和方法可提供超出现有喷嘴和燃烧器的下列优点中的一个或更多。例如，由稀释剂分配器32和/或稀释剂口34形成的稀释剂屏障消减相邻管束24之间的火焰相互作用，并且因此降低燃烧器10中的燃烧动态性。燃烧器10中的降低的燃烧动态性可在广泛的燃料范围内扩展燃烧器10的运行能力，而不降低各种燃烧器10构件的使用寿命和/或维护间歇。备选地或此外，降低的燃烧动态性可维持或增加对回火或火焰稳定的设计裕度和/或在广泛的燃烧器10运行水平下降低不期望的排放。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的任何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以及执行任何包括在内的方法。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示例。如果这种其它示例包括与权利要求的字面语言没有差别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言有非实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (20)

1. 一种用于降低燃烧器中的燃烧动态性的系统，包括：
a. 端帽，其跨过所述燃烧器的至少一部分径向延伸，其中，所述端帽包括与下游表面轴向分开的上游表面；
b. 多个管束，其从所述上游表面延伸通过所述端帽的下游表面，其中，每个管束提供通过所述端帽的流体连通；
c. 稀释剂供应，其与所述端帽流体连通，其中，所述稀释剂供应向所述端帽提供稀释剂流；以及
d. 多个第一稀释剂分配器，其周向布置在至少一个管束内部，其中，每个第一稀释剂分配器从所述下游表面向下游延伸，并且为所述稀释剂流提供通过所述端帽的下游表面的流体连通。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括周向布置在多于一个管束周围的多个稀释剂口，其中，所述稀释剂口为所述稀释剂流提供通过所述端帽的下游表面的流体连通。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个第一稀释剂分配器包括多个喷射器，其提供通过所述第一稀释剂分配器的流体连通。
4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括在每个第一稀释剂分配器上的热障涂层。
5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括在至少一对相邻管束之间的分隔件，其中，所述分隔件限定轴向延伸通过所述下游表面的稀释剂通道。
6. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括多个第二稀释剂分配器，其与由所述分隔件限定的所述稀释剂通道流体连通，其中，每个第二稀释剂分配器从所述下游表面向下游延伸，并且为所述稀释剂流提供通过所述端帽的下游表面的流体连通。
7. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括与每个管束流体连通的燃料供应，其中，所述燃料供应与所述稀释剂供应基本上同心。
8. 一种用于降低燃烧器中的燃烧动态性的系统，包括：
a. 端帽，其跨过所述燃烧器的至少一部分径向延伸，其中，所述端帽包括与下游表面轴向分开的上游表面；
b. 多个管束，其从所述上游表面延伸通过所述端帽的下游表面，其中，每个管束提供通过所述端帽的流体连通；
c. 稀释剂供应，其与所述端帽流体连通，其中，所述稀释剂供应向所述端帽提供稀释剂流；
d. 多个稀释剂口，其周向布置在至少一个管束内部，其中，所述多个稀释剂口为所述稀释剂流提供通过所述端帽的下游表面的流体连通；以及
e. 多个第一稀释剂分配器，其与所述稀释剂口中的至少一些流体连通，其中，每个第一稀释剂分配器从所述下游表面向下游延伸。
9. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述稀释剂口周向布置在多于一个管束周围。
10. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述多个第一稀释剂分配器与每个稀释剂口流体连通。
11. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，每个第一稀释剂分配器包括多个喷射器，所述多个喷射器提供通过所述第一稀释剂分配器的流体连通。
12. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括在每个第一稀释剂分配器上的热障涂层。
13. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括在至少一对相邻管束之间的分隔件，其中，所述分隔件限定轴向延伸通过所述下游表面的稀释剂通道。
14. 根据权利要求13所述的系统，其特征在于，还包括多个第二稀释剂分配器，其与由所述分隔件限定的所述稀释剂通道流体连通，其中，每个第二稀释剂分配器从所述下游表面向下游延伸，并且为所述稀释剂流提供通过所述端帽的下游表面的流体连通。
15. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括与每个管束流体连通的燃料供应，其中，所述燃料供应与所述稀释剂供应基本上同心。
16. 一种用于降低燃烧器中的燃烧动态性的方法，包括：
a. 使燃料流过多个管束，所述多个管束轴向延伸通过端帽，所述端帽跨过所述燃烧器的至少一部分径向延伸；
b. 使稀释剂通过多个稀释剂分配器流入所述端帽下游的燃烧室中，其中，所述多个稀释剂分配器周向布置在至少一个管束内部，并且每个稀释剂分配器从所述端帽向下游延伸；以及
c. 在至少一对相邻管束之间的所述燃烧室中形成稀释剂屏障。
17. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括在所述第一管束周围形成所述稀释剂屏障。
18. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括在每一对相邻管束之间形成所述稀释剂屏障。
19. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括将所述稀释剂喷入所述端帽下游的所述燃烧室中。
20. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括使所述燃料与所述稀释剂同心地流过所述燃烧器的至少一部分。
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