CN103292353A - 用于降低燃烧器中的燃烧动态性的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于降低燃烧器中的燃烧动态性的系统和方法。一种用于降低燃烧器中的燃烧动态性的系统包括具有与下游表面沿轴向分开的上游表面的端帽，并且管束从上游表面延伸通过下游表面。在管束内部的分隔物限定沿轴向延伸通过下游表面的稀释剂通道，并且与分隔物处于流体连通的稀释剂供应向稀释剂通道提供稀释剂流。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动通过管束，使稀释剂流动通过在管束内部的稀释剂通道，其中，稀释剂通道沿轴向延伸通过端帽的至少一部分进入到燃烧室中，并且在燃烧室中、在管束和至少一个其它的相邻的管束之间形成稀释剂隔离物。
Description
联邦研究声明
本发明根据由(美国)能源部给予的编号为DE－FC26－05NT42643的合同在（美国）政府的支持下作出。政府对本发明具有某些权利。
技术领域
本发明大体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
燃烧器通常用在工业操作和动力生产操作中以便使燃料燃烧来产生具有高温和高压的燃烧气体。例如，燃气涡轮典型地包括用以产生动力或推力的一个或多个燃烧器。用来产生电能的典型的燃气涡轮包括在前部的轴向式压缩机、围绕中部的一个或多个燃烧器以及在后部的涡轮。环境空气可供应到压缩机，并且在压缩机中的转动的叶片和静止的静叶将动能逐渐地给予工作流体(空气)，以产生在高度受激励状态的压缩工作流体。压缩工作流体离开压缩机并且流动通过一个或多个喷嘴进入到在各个燃烧器中的燃烧室中，其中，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产生功。例如，燃烧气体在涡轮中的膨胀可使连接到发电机的轴旋转，以便产生电力。
不同的设计参数和操作参数影响燃烧器的设计和操作。例如，较高的燃烧气体温度通常提高燃烧器的热力效率。尽管如此，较高的燃烧气体温度还促进逆燃或火焰保持情形，其中燃烧火焰朝正由喷嘴供应的燃料迁移，从而在相对短的时间量内可能引起对喷嘴的严重损害。此外，较高的燃烧气体温度通常会提高双原子氮的离解率，从而增加氮氧化物(NOX)的产生。相反，与降低的燃料流量和/或部分负荷操作(降低)相关的较低的燃烧气体温度通常会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产生。
在特定的燃烧器设计中，多个预混合器管可沿径向布置在端帽中，以提供用于通过端帽且进入到燃烧室中的工作流体和燃料的流体连通。尽管在实现较高的操作温度、同时进行保护而免于逆燃或火焰保持且控制不合乎需要的排放时是有效的，但某些燃料和操作条件在燃烧器中利用高的氢燃料成分产生了非常高的频率。在与高频率相关的燃烧器中的增加的振动可降低一个或多个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器管和/或燃烧室内部产生压力脉冲，其会影响燃烧火焰的稳定性、降低针对逆燃或火焰保持的设计余量和/或增加不合需要的排放。因此，降低在燃烧器中的共振频率的系统和方法对于提高燃烧器的热力效率、保护燃烧器不受灾难性的损害和/或在宽范围的燃烧器操作水平上减少不合乎需要的排放而言将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点下面在随后的描述中加以阐明，或可从描述中显而易见，或可通过实践本发明而学习。
本发明的一个实施例为用于降低燃烧器中的燃烧动态性的系统。该系统包括沿径向延伸跨过燃烧器的至少一部分的端帽，其中，端帽包括沿轴向与下游表面分开的上游表面。多个管束从上游表面延伸通过端帽的下游表面，并且各个管束提供通过端帽的流体连通。在第一管束内部的第一分隔物限定了沿轴向延伸通过下游表面的第一稀释剂通道。与第一分隔物处于流体连通的稀释剂供应向在第一分隔物中的第一稀释剂通道提供稀释剂流。
本发明的另一实施例为用于降低燃烧器中的燃烧动态性的系统，其包括沿径向延伸跨过燃烧器的至少一部分的端帽，其中，端帽包括与下游表面沿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，并且各个管束提供通过端帽的流体连通。在第一管束内部的第一稀释剂通道沿轴向延伸通过端帽的至少一部分并且通过下游表面。与第一稀释剂通道处于流体连通的稀释剂供应向稀释剂通道提供稀释剂流。
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动通过沿轴向延伸通过端帽的多个管束，端帽沿径向延伸跨过燃烧器的至少一部分。该方法还包括使稀释剂流动通过在第一管束内部的第一稀释剂通道进入到在端帽下游的燃烧室中，其中，第一稀释剂通道沿轴向延伸通过端帽的至少一部分，并且从而在燃烧室中、在第一管束和至少一个其它相邻的管束之间形成稀释剂隔离物。
在审阅说明书之后，本领域普通技术人员将更好地理解这样的以及其它的实施例的特征和方面。
附图说明
在说明书的剩余部分中(包括对附图的参考)更详细地阐述了本发明的完整且能够实现的公开、包括对本领域技术人员来说本发明的最佳模式，在其中：
图1为根据本发明的一个实施例的示范性的燃烧器的简化的截面图；
图2为根据本发明的第一实施例的、在图1中示出的端帽的上游轴向视图；
图3为根据本发明的第二实施例的、在图1中示出的端帽的上游轴向视图；
图4为根据本发明的第三实施例的、在图1中示出的端帽的上游轴向视图；
图5为根据本发明的第四实施例的、在图1中示出的端帽的上游轴向视图；
图6为根据本发明的实施例的、在图1中示出的管束的放大的截面图；
图7为根据本发明的备选实施例的、在图1和图4中示出的燃烧器的一部分的放大的截面图；以及
图8为在图7中示出的端帽的下游轴向视图。
具体实施方式
现在将对本发明的当前实施例详细地作出参考，在附图中示出了实施例的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标号来指示附图中的特征。在附图和描述中的相同或相似的标号用来指示本发明的相同或相似的零件。如本文所使用的，术语“第一”、“第二”以及“第三”可以可互换地使用，以便使一个构件区别于另一个构件，并且不意图来表示单独的构件的位置或重要性。此外，术语“上游”和“下游”指的是构件在流体通路中的相对位置。例如，如果流体从构件A流到构件B，那么构件A在构件B的上游。相反，如果构件B从构件A接收流体流，那么构件B在构件A的下游。
通过解释本发明而不是限制本发明来提供各个示例。事实上，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。举例来说，作为一个实施例的一部分而说明或描述的特征可用在另一个实施例上以得到另外的另一个实施例。因此，意图是本发明覆盖在所附的权利要求和它们的等效物的范围之内的这样的修改和变化。
本发明的各种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。该系统和方法大体包括沿径向布置在端帽中的多个管束。管束向在端帽下游的燃烧室供应燃料和工作流体的混合物。在一个或多个管束内部的分隔物在至少一对相邻的管束之间产生稀释剂隔离物，以消除(decouple)在相邻的管束之间的火焰相互作用，并且因此降低燃烧器中的燃烧动态性。尽管将大体在结合到燃气涡轮中的燃烧器的上下文中描述本发明的示范性实施例，本领域普通技术人员将容易地理解本发明的实施例可应用于任何燃烧器并且不限于燃气涡轮燃烧器，除非在权利要求中明确地记述。
图1示出了根据本发明的一个实施例的示范性燃烧器10(诸如将被包括在燃气涡轮中的示范性燃烧器)的简化的截面。外壳12和端盖14可包围燃烧器10以容纳流向燃烧器10的工作流体15。工作流体15可穿过在冲击套筒18中的流孔16以沿着过渡件20和衬套22的外侧流动，以便向过渡件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反转方向以流动通过多个管束24进入到燃烧室26中。
管束24沿径向以不同的形状、数量和大小布置在燃烧室26上游的端帽28中，并且图2－5提供了在本发明的范围内的端帽28中的管束24的示范性布置的上游视图。如在图2和图3中所示，例如，管束24可越过端帽28沿径向布置在由外围罩31封闭的预混合器管30的圆形组中，其中，六个管束24包围一个管束24。备选地，如在图4和图中5所示，管束24可布置为由外围罩31(其由一系列的预混合器管30的饼形组(pie-shaped)包围)包围的预混合器管30的圆形组。在图4中，预混合器管30的备选的饼形组由外围罩31至少部分地封闭。本领域普通技术人员将容易地理解管束24的形状、数量以及大小的多种可能的组合，并且本发明不限于管束24的任何特定的布置，除非在权利要求中明确地记述。
在图2－5中示出的各个示范性的布置中，通过预混合器管30和/或管束24的燃料和/或工作流体15流可在燃烧室26中产生不合乎需要的燃烧动态性，特别是当燃料和/或工作流体15流在各个管束24之间大致相等时。结果，本发明的各种实施例包括一种或多种特征以消除在相邻的管束24之间的燃烧火焰相互作用，并且因此降低在燃烧器10中的燃烧动态性。该特征大体布置在一个或多个管束24内部和/或之间，并且限定了在一对或多对相邻的管束24之间的、分开相邻的管束24的结构和/或流体隔离物。以该方式，结构和/或流体隔离物防止在由相邻的管束24产生的燃烧火焰之间的相互作用，以降低在燃烧室26中的不合乎需要的燃烧动态性。
例如，在图2－5中示出的特定的管束24布置中，在中心管束24内部或周围的第一分隔物32可限定第一稀释剂通道34，其将中心管束24与沿径向布置在端帽28中的其它管束分开。第一稀释剂通道34大体在一个或多个稀释剂端口36处终止，稀释剂端口36为稀释剂提供流体连通，以便(稀释剂)在相邻的管束24之间流动通过端帽28。以该方式，通过第一分隔物32的稀释剂流可充分消除在中心管束24和沿径向布置在端帽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，附加的分隔物38可布置在沿径向布置在端帽28中的管束24中的一个或多个内部或之间，以便在沿径向布置在端帽28中的一个或多个管束24之间限定附加的稀释剂通道40和稀释剂端口36。例如，在图2和图4中示出的特定的实施例中，在沿径向布置在端帽28中的备选的管束24内部的附加的分隔物38提供了在任何两个相邻的管束24之间的至少一个分隔物32、38和稀释剂通道34、40。备选地，如在图3和图5中示出的特定的实施例中所示，附加的分隔物38可布置在沿径向布置在端帽28中的管束24中的一个或多个之间，以在任何两个相邻的管束24之间再次提供至少一个分隔物32、38和稀释剂通道34、40。
图6提供了示范性的管束24(诸如根据本发明的第一实施例在图1和图2－5的中心中所示)的放大的截面图。如图所示，管束24大体包括沿轴向与下游表面44分开的上游表面42。各个预混合器管30包括紧邻上游表面42的管入口46，并且延伸通过下游表面44，以提供用于工作流体15的流体连通，以便（工作流体）流动通过管束24并且进入到燃烧室26中。尽管示出为圆柱形的管，预混合器管30的截面可为任何几何形状，并且本发明不限于任何特定的截面，除非在权利要求中明确地记述。内围罩48沿周向包围管束24的至少一部分，以在上游表面42和下游表面44之间部分地限定燃料室（plenum）50和稀释剂室52。大体水平的隔离物54可沿径向在上游表面42和下游表面44之间延伸，以便使燃料室50沿轴向与稀释剂室52分开。以该方式，上游表面42、内围罩48以及隔离物54围绕预混合器管30的上游部分封闭或限定了燃料室50，并且下游表面44、内围罩48以及隔离物54围绕预混合器管30的下游部分封闭或限定了稀释剂室52。
燃料供应56和稀释剂供应58可延伸通过端盖14且通过上游表面42，以提供用于燃料和稀释剂的流体连通，以便（燃料和稀释剂）通过端盖14流动到在各个管束24中的相应的燃料室50或稀释剂室52。供应到管束24的燃料可包括适合于燃烧的任何液态或气态燃料，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、各种惰性气体(诸如氮气)和/或各种非可燃性的气体(诸如二氧化碳或燃烧排气气体)。在图6中示出的特定的实施例中，燃料供应56与稀释剂供应58基本上同心－虽然这不是限制本发明，除非在权利要求中明确地记述。
预混合器管30中的一个或多个可包括燃料端口60，其提供从燃料室50进入到一个或多个预混合器管30中的流体连通。燃料端口60可沿径向、沿轴向和/或沿方位角成角度，以将旋涡投射和/或给予流动通过燃料端口60并且进入到预混合器管30中的燃料。以该方式，工作流体15可流动通过管入口46并且进入到预混合器管30中，并且来自燃料室50的燃料可流动通过燃料端口60并且进入到预混合器管30中以便与工作流体15混合。燃料－工作流体混合物然后可流动通过预混合器管30并且进入到燃烧室26中。
稀释剂可从围绕预混合器管30的稀释剂供应58流进稀释剂室52中，以向预混合器管30提供对流冷却和/或向下游表面44提供冲击冷却。稀释剂然后可流动通过在分隔物32中的稀释剂端口62并且进入到稀释剂通道34中。稀释剂然后可流动通过在稀释剂通道中的稀释剂端口36并且进入到燃烧室26中。以该方式，稀释剂可在相邻的管束24之间形成隔离物，以便分开相邻的管束24的燃烧火焰，从而降低或阻止在相邻的管束24的燃烧火焰之间的任何相互作用。
图7提供了根据本发明的备选实施例的、在图1和图4中示出的燃烧器10的一部分的放大的截面图，并且图8提供了在图7中示出的端帽28的下游轴向视图。如图所示，端帽28大体沿径向延伸跨过燃烧器10的至少一部分并且包括之前关于在图6中示出的管束24而描述的上游表面42和下游表面44。如在图7中所示，一个或多个管束24从上游表面42延伸通过下游表面44，以提供用于通过端帽28的燃料和/或工作流体15的流体连通。如在图7和图8中另外示出，燃料供应56与管束24处于流体连通，并且稀释剂供应58与由分隔物32、38限定的稀释剂通道34、40处于流体连通。稀释剂通道34、40沿轴向延伸通过端帽28的至少一部分并且通过下游表面44，以将一对或多对相邻的管束24分开。以该方式，稀释剂供应58可将稀释剂供应到且供应通过稀释剂通道34、40并且在相邻的管束24之间供应到燃烧室26中。
在图7中示出的特定实施例中，稀释剂通道34、40中的一个或多个在多个稀释剂分配器64处终止。稀释剂分配器64可存在于稀释剂通道34、40内部或可从下游表面44向下游延伸，如在图7中所示。稀释剂分配器64在相邻的管束24之间提供物理隔离物并且在相邻的管束24之间可包括将稀释剂投射到燃烧室26中的多个稀释剂喷射器66。流动通过稀释剂分配器64的稀释剂向稀释剂分配器64提供对流冷却和/或薄膜冷却。备选地或此外，在稀释剂分配器64的下游表面上的热隔离物涂层68可保护稀释剂分配器64不受与燃烧火焰相关的过量的热负荷和/或氧化(影响)。在特定的实施例中，热隔离物涂层68可包括多个层，其至少包括金属粘合涂层、热制备的氧化物和/或陶瓷覆面涂层－虽然热隔离物涂层68的特定的成分和结构不是对本发明的限制，除非在权利要求中明确地记述。
关于图1－8所描述和示出的各种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动通过沿轴向延伸通过端帽28的一个或多个管束24，端帽沿径向延伸跨过燃烧器10的至少一部分。该方法还可包括使稀释剂流动通过在一个或多个管束24内部和/或之间的一个或多个稀释剂通道34、40而进入到在端帽28下游的燃烧室26中，其中，稀释剂通道34、40分开至少一对相邻的管束24并且沿轴向延伸通过端帽28的至少一部分。以该方式，该方法可在相邻的管束24之间、在燃烧室26中形成稀释剂隔离物。
在特定的实施例中，该方法可完全围绕一个或多个管束24和/或在各对相邻的管束24之间形成稀释剂隔离物。在另外的另一实施例中，该方法可将稀释剂注入到在端帽28下游的燃烧室26中和/或使燃料同心地与稀释剂流动通过燃烧器10的至少一部分。
本文所描述的系统和方法可提供超过现有的喷嘴和燃烧器的以下优点中的一个或多个。例如，由分隔物32和/或稀释剂通道34形成的稀释剂隔离物消除在相邻的管束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宽的燃料范围上使燃烧器10的操作能力延伸，而没有降低各种燃烧器10构件的使用寿命和/或维护间隔。备选地或此外，降低的燃烧动态性可维持或增加针对逆燃或火焰保持的设计余量和/或在宽范围的燃烧器10操作水平上降低不合需要的排放。
本书面描述使用示例公开了本发明，包括最佳模式，并且还使本领域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相结合的方法。本发明的可得到专利保护的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。如果这样的其它示例包括与权利要求的文字语言无差别的结构元素，或如果它们包括与权利要求的文字语言无实质差别的等效的结构元素，则这样的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. 沿径向延伸跨过所述燃烧器的至少一部分的端帽，其中，所述端帽包括与下游表面沿轴向分开的上游表面；
b. 从所述上游表面延伸通过所述端帽的所述下游表面的多个管束，其中，各个管束提供通过所述端帽的流体连通；
c. 在第一管束内部的第一分隔物，其中，所述第一分隔物限定了沿轴向延伸通过所述下游表面的第一稀释剂通道；以及
d. 与所述第一分隔物处于流体连通的稀释剂供应，其中，所述稀释剂供应向在所述第一分隔物中的所述第一稀释剂通道提供稀释剂流。
2.如在权利要求1中所述的系统，其特征在于，还包括在至少一对相邻的管束之间的第二分隔物，其中，所述第二分隔物限定了沿轴向延伸通过所述下游表面的第二稀释剂通道。
3.如在权利要求1中所述的系统，其特征在于，还包括在第二管束内部的第二分隔物，其中，所述第二分隔物限定了沿轴向延伸通过所述下游表面的第二稀释剂通道。
4. 如在权利要求1中所述的系统，其特征在于，所述第一稀释剂通道在多个稀释剂端口处终止，所述稀释剂端口提供用于通过所述端帽的所述下游表面的所述稀释剂流的流体连通。
5.如在权利要求1中所述的系统，其特征在于，所述第一稀释剂通道在从所述下游表面向下游延伸的多个稀释剂分配器处终止。
6.如在权利要求5中所述的系统，其特征在于，还包括在所述多个稀释剂分配器上的热隔离物涂层。
7.如在权利要求1中所述的系统，其特征在于，还包括与各个管束处于流体连通的燃料供应，其中，所述燃料供应基本上与所述稀释剂供应同心。
8.一种用于降低燃烧器中的燃烧动态性的系统，包括：
a. 沿径向延伸跨过所述燃烧器的至少一部分的端帽，其中，所述端帽包括与下游表面沿轴向分开的上游表面；
b. 从所述上游表面延伸通过所述端帽的所述下游表面的多个管束，其中，各个管束提供通过所述端帽的流体连通；
c. 在第一管束内部的第一稀释剂通道，其中，所述第一稀释剂通道沿轴向延伸通过所述端帽的至少一部分并且通过所述下游表面；以及
d. 与所述第一稀释剂通道处于流体连通的稀释剂供应，其中，所述稀释剂供应向所述稀释剂通道提供稀释剂流。
9.如在权利要求8中所述的系统，其特征在于，还包括在至少一对相邻的管束之间的第二稀释剂通道，其中，所述第二稀释剂通道沿轴向延伸通过所述下游表面。
10.如在权利要求8中所述的系统，其特征在于，还包括在第二管束内部的第二稀释剂通道，其中，所述第二稀释剂通道沿轴向延伸通过所述下游表面。
11.如在权利要求8中所述的系统，其特征在于，所述第一稀释剂通道在多个稀释剂端口处终止，所述多个稀释剂端口提供用于通过所述端帽的所述下游表面的所述稀释剂流的流体连通。
12.如在权利要求8中所述的系统，其特征在于，所述第一稀释剂通道在从所述下游表面向下游延伸的多个稀释剂分配器处终止。
13.如在权利要求12中所述的系统，其特征在于，还包括在所述多个稀释剂分配器上的热隔离物涂层。
14.如在权利要求8中所述的系统，其特征在于，还包括与各个管束处于流体连通的燃料供应，其中，所述燃料供应基本上与所述稀释剂供应同心。
15.如在权利要求8中所述的系统，其特征在于，所述稀释剂向所述稀释剂通道提供水、蒸汽、燃料添加剂、惰性气体或非可燃性的气体中的至少一种。
16.一种用于降低燃烧器中的燃烧动态性的方法，包括：
a. 使燃料流动通过沿轴向延伸通过端帽的多个管束，所述端帽沿径向延伸跨过所述燃烧器的至少一部分；
b. 使稀释剂流动通过在第一管束内部的第一稀释剂通道而进入到在所述端帽下游的燃烧室中，其中，所述第一稀释剂通道沿轴向延伸通过所述端帽的至少一部分；以及
c. 在所述燃烧室中、在所述第一管束和至少一个其它相邻的管束之间形成稀释剂隔离物。
17.如在权利要求16中所述的方法，其特征在于，还包括围绕所述第一管束形成所述稀释剂隔离物。
18.如在权利要求16中所述的方法，其特征在于，还包括在各对相邻的管束之间形成所述稀释剂隔离物。
19.如在权利要求16中所述的方法，其特征在于，还包括将所述稀释剂注入到在所述端帽下游的所述燃烧室中。
20.如在权利要求16中所述的方法，其特征在于，还包括使所述燃料同心地与所述稀释剂流动通过所述燃烧器的至少一部分。
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