CN103307634A - 燃烧器和减小燃烧器中的热应力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃烧器和减小燃烧器中的热应力的方法。一种燃烧器包括燃烧室和外壳，该外壳周向地围绕燃烧室以至少部分地在外壳与燃烧室之间限定环形通路。燃料压室径向地延伸穿过外壳以提供经外壳至环形通路的流体连通，并且衬套在燃料压室的至少一部分的内部延伸以防止燃料直接冲击在燃料压室的至少一部分上。一种减小在燃烧器中的热应力的方法包括：使燃料在径向地延伸穿过外壳的燃料压室内流动；将燃料压室的至少一部分与由外壳的径向内侧的燃料的直接冲击屏蔽；以及使燃料从燃料压室流入在外壳与燃烧室之间的环形通路。

Description

燃烧器和减小燃烧器中的热应力的方法
技术领域
本发明总体上涉及诸如可合并到燃气涡轮或其它涡轮机中的燃烧器，以及减小燃烧器中的热应力的方法。具体而言，本发明的各种实施例减小在燃烧器燃料回路中的热应力。
背景技术
燃烧器普遍用于在工业和功率生成操作中点燃燃料以产生具有高温和高压的燃烧气体。典型的燃烧器包括外壳，其包围燃烧室以在燃烧室与外壳之间限定环形通路。一个或多个燃料喷嘴可径向地布置在位于燃烧器一端处的端盖中。喷嘴使燃料与工作流体混合，且混合物流入燃烧室并点燃而产生具有高温和高压的燃烧气体。
燃烧器常常利用多个燃料回路来提高热动力效率，同时也减少不希望的排放物。例如，主燃料回路可在燃烧器的起动期间向喷嘴供应液态燃料以促进火焰稳定。二级燃料回路可在稳态操作期间向喷嘴供应较廉价的气态燃料以降低操作成本。三级燃料回路可在高功率操作期间将液态和/或气态燃料直接喷射到喷嘴下游的燃烧室中，以在不超过排放限制的前提下提高燃烧器燃烧温度。最后，四元(quaternary)燃料回路可将液态和/或气态燃料供应到喷嘴上游的环形通路中以在到达喷嘴之前与工作流体预混合。
燃料与工作流体之间的温差可在燃料回路和邻近的构件两者中形成相当大的热应力。此外，燃料回路常常包括相对小的通路或端口，其可易于诸如被形成在燃料回路中且随后释放的腐蚀产物堵塞。结果，燃料回路常常需要更耐腐蚀并具有高强度的更昂贵的材料。此外，材料可常常需要进一步增加燃料回路的制造成本的大量热处理。因此，一种降低了燃料回路的材料成本和/或制造成本的改进的燃烧器和减小燃烧器中的热应力的方法将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下说明中进行论述，或可从本说明变得显而易见，或可通过实施本发明来获知。
本发明的一个实施例是一种燃烧器，其包括燃烧室和外壳，该外壳周向地围绕燃烧室，以至少部分地在外壳与燃烧室之间限定环形通路。燃料压室(plenum)径向地延伸穿过外壳以提供经外壳至环形通路的流体连通，并且燃烧器包括用于将燃料压室的至少一部分与流经燃料压室的燃料的直接冲击屏蔽的装置。
本发明的另一实施例是一种燃烧器，其包括燃烧室和外壳，该外壳周向地围绕燃烧室，以至少部分地在外壳与燃烧室之间限定环形通路。燃料压室径向地延伸穿过外壳以提供经外壳至环形通路的流体连通，并且衬套在燃料压室的至少一部分的内部延伸以防止燃料直接冲击在燃料压室的至少一部分上。
本发明还可包括一种减小燃烧器中的热应力的方法，该方法包括：使燃料在径向地延伸穿过外壳的燃料压室内流动；将燃料压室的至少一部分与由外壳的径向内侧的燃料的直接冲击屏蔽；以及使燃料从燃料压室流入在外壳与燃烧室之间的环形通路。
附图说明
本发明的完整和能够实现的公开内容、包括其对本领域的技术人员来说的最佳模式在说明书的剩余部分、包括对附图的说明中更具体地论述，在附图中：
图1是可合并本发明的各种实施例的示例性燃气涡轮的简化截面图；
图2是根据本发明的第一实施例的图1中所示的燃烧器的扩大侧视图和部分截面视图；
图3是图2中所示的燃料压室的一部分的扩大侧视截面图；以及
图4是图2中所示的燃料压室的轴向截面图。
部件列表
10  燃气涡轮 
12  压缩机 
14  燃烧器 
16  涡轮 
18  转子 
20  发电机 
22  工作流体 
24  静止导叶 
26  旋转叶片 
28  压缩机外壳 
30  排气压室 
32  燃烧器外壳 
34  燃料喷嘴 
36  端盖 
38  燃烧室 
40  过渡件 
42  定子 
44  动叶(bucket) 
50  容积
52  衬套
54  流动套筒
56  环形通路
60  第一环形外壳
62  第二环形外壳
64  螺栓
66  连接部或接合部
70  凸缘
72  燃料压室
74  导叶
76  四元燃料端口
78  稀释剂通路
80  衬套
82  稳定装置(detent)。
具体实施方式
现将详细说明本发明的实施例，其一个或多个实例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标号来指代在附图中的特征。已在附图和描述中使用同样或相似的标号来指代本发明的同样或相似的零件。如文中所用，用语“第一”、“第二”和“第三”可互换地用来将一个构件与另一构件进行区分且并未意图表示单个构件的位置或重要性。此外，用语“上游”和“下游”指的是构件在流体路径中的相对位置。例如，如果流体从构件A流向构件B，则构件A在构件B的上游。相反地，如果构件B从构件A接收流体流，则构件B在构件A的下游。
各实例通过对本发明的说明来提供，而并非对本发明的限制。事实上，对本领域的技术人员来说将显而易见的是，可在本发明中做出改型和变型而不脱离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可用于另一实施例以产生又一实施例。因此，本发明旨在涵盖如落入所附权利要求及其等同物的范围内的此类改型和变型。
本发明的各种实施例包括一种燃烧器和一种减小在燃烧器中的热应力的方法。该燃烧器总体上包括外壳，其周向地围绕燃烧室以至少部分地在外壳与燃烧室之间限定环形通路。一个或多个燃料回路经外壳向喷嘴和/或燃烧室供应液态和/或气态燃料。在特定实施例中，燃料压室向环形通路和/或周向地在燃烧室周围供应燃料，并且燃料压室内部的衬套或其它装置将燃料压室的至少一部分从与燃料接触屏蔽，以减小形成在燃料压室中的热应力。尽管出于说明的目的而一般将在合并到燃气涡轮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易于了解的是，本发明的实施例可适用于任何燃烧器且不局限于燃气涡轮燃烧器或其它涡轮机，除非在权利要求中特别地指出。
图1提供了可合并本发明的各种实施例的示例性燃气涡轮10的简化截面图。如图所示，燃气涡轮10总体上可包括位于前部的压缩机12、径向地配置在中部周围的一个或多个燃烧器14、和位于后部的涡轮16。压缩机12和涡轮16典型地共用连接到发电机20上的共同转子20以产生电力。
压缩机12可以是轴流式压缩机，其中诸如环境空气的工作流体22进入压缩机12并且行进经过定子导叶24和旋转叶片26的交替的级。压缩机外壳28在定子导叶24和旋转叶片26加速时容纳工作流体22并重新定向工作流体22，以产生压缩工作流体22的连续流。大部分压缩工作流体22经压缩机排气压室30流向燃烧器14。
燃烧器14可以是在本领域中已知的任何类型的燃烧器。例如，如图1中所示，燃烧器外壳32可周向地围绕一部分或全部燃烧器14以容纳从压缩机12流来的压缩工作流体22。一个或多个燃料喷嘴34可径向地布置在端盖36中，以在燃料喷嘴34的下游向燃烧室38供应燃料。可能的燃料包括例如高炉煤气、焦炉煤气、天然气、气化的液化天然气(LNG)、氢气和丙烷中的一种或多种。压缩工作流体22可在到达端盖36并且逆转方向而流经燃料喷嘴34以与燃料混合前从压缩机排气压室30沿燃烧室38的外侧流动。燃料与压缩工作流体22的混合物流入燃烧室38中，此处其点燃而生成具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体经过渡件40流向涡轮16。
涡轮16可包括定子42和旋转动叶44的交替的级。第一级定子42将燃烧气体重新定向并且集中在第一级涡轮动叶44上。当燃烧气体行进过第一级涡轮动叶44时，燃烧气体膨胀，从而使涡轮动叶44和转子18旋转。燃烧气体然后流向下一级定子42，其将燃烧气体重新定向至下一级旋转涡轮动叶44，并对接下来的级重复该过程。
图2提供了根据本发明的第一实施例的图1中所示的燃烧器14的扩大侧视图和部分截面图。如图所示，燃烧器外壳32和端盖36在燃烧器14的内部限定容积50，其也被称为头端，并且衬套52周向地围绕并限定燃烧室38的至少一部分。流动套筒54可周向地围绕燃烧室38的至少一部分以在流动套筒54与衬套52之间限定环形通路56。以这种方式，工作流体22可流经环形通路56，以向衬套24提供对流冷却。当工作流体22到达头端或容积50时，工作流体22逆转方向而流经一个或多个燃料喷嘴34并流入燃烧室38。
燃烧器外壳32可包括有利于组装和/或在运转期间容纳热膨胀的多个环形区段。例如，如在图2中所示的特定实施例中所示，燃烧器外壳32可包括邻近端盖36的第一环形外壳60和位于第一环形外壳60上游的第二环形外壳62。夹具、焊缝和/或多个螺栓64可周向地围绕燃烧器14，以在第一环形外壳60与第二环形外壳62之间提供连接部或接合部66。
在特定实施例中，凸缘70可在第一环形外壳60与第二环形外壳62之间径向地延伸，并且凸缘70可包括提供经连接部66的流体连通的一个或多个内部流体通路。例如，凸缘70可包括燃料压室72，其径向地延伸穿过外壳32以提供经外壳32与环形通路56的流体连通。多个导叶74可周向地围绕燃烧室38并在环形通路56中径向地延伸以引导工作流体22流。在特定实施例中，导叶74可以是成角度的，以向流经环形通路56的工作流体22赋予旋涡。凸缘70可连接到导叶74中的一个或多个，并且燃料压室72可在导叶74中的一个或多个的内部延伸，使得燃料可流经在导叶74中的四元燃料端口76以与流经环形通路56的工作流体22混合。可替代地，或者另外，凸缘70可包括稀释剂通路78，其提供用于工作流体22在流入燃烧室38前流入燃料喷嘴34或者在燃料喷嘴34周围流动的流体通道。
当工作流体22流经环形通路56时，在工作流体22与燃料之间的温差可在凸缘70、燃料压室72、和/或导叶74中形成相当大的热梯度。该热梯度进而可形成相当大的热应力，其要求使用含镍、铬、和铁的高合金钢和/或在制造期间的昂贵且耗时的热处理。为了降低材料成本和/或制造成本，本发明的各种实施例可包括用于将燃料压室72的至少一部分与由流经燃料压室72的燃料的直接冲击屏蔽的装置。如文中所用，该装置的功能包括防止流经燃料压室72的燃料直接冲击在燃料压室72的至少一部分上。在特定实施例中，该装置还可防止流经燃料压室72的燃料直接冲击在导叶74与外壳32之间的任何燃料压室72。通过防止流经燃料压室72的燃料直接冲击燃料压室72的各部分，该装置减少了否则将冲击在燃料压室72上的燃料所导致的燃料压室72的局部冷却。这样，该装置充当在燃料与燃料压室72之间的屏障，以减小在凸缘和/或燃料压室72中的热梯度。可替代地或另外地，该装置也可保护燃料压室72免于可能剥去或以其它方式释放来自燃料压室72的表面的腐蚀产物的燃料流的腐蚀作用。因此，该装置使得能够为燃料压室72的各部分使用诸如碳钢或低合金钢的较低成本材料和/或消除或减小在燃料压室72的各部分的制造期间所需的热处理的量。
图3提供了在图2中所示的燃料压室72的一部分的扩大侧视截面图，而图4提供了在图2中所示的燃料压室72沿线A--A截取的轴向截面图。如在图3和图4中所示地，用于将燃料压室72的至少一部分与由流经燃料压室72的燃料的直接冲击屏蔽的装置的结构可以是插件、衬套80、或由具有合适的腐蚀和强度特性的材料制成的其它屏蔽件。例如，衬套80可由含镍、铬、和铁的高合金钢制成，从而允许为燃料压室72使用诸如碳钢或低合金钢的较低成本材料。衬套80可被插入燃料压室72的至少一部分中并轻轻地压靠在燃料压室72上，以在外壳32的径向内侧将其紧密地保持在燃料压室72的至少一部分的内部。如在图3和图4中进一步所示地，燃料压室72可在燃烧室38周围周向地延伸，且同一衬套或单独的衬套80可在燃烧室38周围周向地在燃料压室72的内部延伸。这样，衬套80可防止流经燃料压室72的燃料直接冲击导叶74与外壳32之间的任何燃料压室72。但是，本领域的普通技术人员应该易于了解的是，本发明的特定实施例并不要求衬套80在燃料压室72的内部连续地延伸，除非在权利要求中特别地指出。
如在图3和图4中所示，衬套80可包括压配或以其它方式密封在一起以在燃料压室72的一部分或全部的内部提供流体边界。此外，燃料压室72内部的一个或多个稳定装置82可与衬套80接触，以将衬套80保持在燃料压室72内部的适当位置。稳定装置82可包括用于约束相邻物体之间的移动的本领域中公知的任何合适的结构。例如，如图3中最清楚地所示，稳定装置82可包括环、突起部、或燃料压室72内部提供在燃料压室72与衬套80之间的摩擦配合以将衬套80保持在适当位置的其它表面特征结构。稳定装置82也可提供在燃料压室72与衬套80之间的密封。这样，稳定装置82可减少或防止燃料在衬套80周围流动并流过燃料压室72的由更易于腐蚀的较低成本的材料制成的区域、从而可能将腐蚀产物释放到燃料流中。
图1-4中所述和示出的结构还可提供一种用于减小燃烧器14中的热应力的方法。该方法可包括使燃料在燃料压室72的内部流动，防止燃料的至少一部分直接冲击在导叶74与外壳32之间的燃料压室72，并使燃料从燃料压室72流入在外壳32与燃烧室38之间的环形通路56。在特定实施例中，该方法可包括将在导叶74与外壳32之间的整个燃料压室72与来自燃料的直接冲击屏蔽。可替代地或额外地，该方法可包括使燃料在燃烧室38周围周向地在燃料压室72的内部流动和/或防止在燃烧室38周围周向地在燃料压室72的内部流动的燃料直接冲击燃料压室72。
此书面描述使用了包括最佳模式在内的实例来公开本发明，并且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并利用任何器件或系统并且执行任何所合并的方法。本发明可取得专利权的范围通过权利要求来限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它实例。如果此类其它实例包括与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或者它们包括与权利要求的字面语言无实质性区别的等同结构元件，则此类其它实例预期在权利要求的范围内。

Claims (20)

1. 一种燃烧器，包括：
a. 燃烧室；
b. 外壳，其周向地围绕所述燃烧室，以至少部分地在所述外壳与所述燃烧室之间限定环形通路；
c. 燃料压室，其径向地延伸穿过所述外壳，以提供经所述外壳至所述环形通路的流体连通；以及
d. 用于将所述燃料压室的至少一部分与由流经所述燃料压室的燃料的直接冲击屏蔽的装置。
2. 根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括位于所述外壳的径向内侧的导叶，其中，所述屏蔽装置防止燃料在所述导叶与所述外壳之间直接冲击燃料压室。
3. 根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述屏蔽装置在所述外壳的径向内侧在所述燃料压室的内部延伸。
4. 根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃料压室在所述燃烧室周围周向地延伸。
5. 根据权利要求4所述的燃烧器，其特征在于，所述屏蔽装置在所述燃烧室周围周向地在所述燃料压室的内部延伸。
6. 根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括位于所述燃料压室的内部并与所述屏蔽装置接触的稳定装置。
7. 根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括在所述环形通路中周向地围绕所述燃烧室的多个导叶。
8. 根据权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，所述燃料压室在所述多个导叶中的一个或多个的内部延伸。
9. 一种燃烧器，包括：
a. 燃烧室；
b. 外壳，其周向地围绕所述燃烧室，以至少部分地在所述外壳与所述燃烧室之间限定环形通路；
c. 燃料压室，其径向地延伸穿过所述外壳，以提供经所述外壳至所述环形通路的流体连通；以及
d. 衬套，其在所述燃料压室的至少一部分的内部延伸，以防止燃料直接冲击在所述燃料压室的至少一部分上。
10. 根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括位于所述外壳的径向内侧的导叶，其中，所述衬套在所述燃料压室的内部延伸，以防止燃料直接冲击在所述燃料压室在所述导叶与所述外壳之间的任何部分上。
11. 根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，所述衬套在所述外壳的径向内侧在所述燃料压室的内部延伸。
12. 根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，所述燃料压室在所述燃烧室周围周向地延伸。
13. 根据权利要求12所述的燃烧器，其特征在于，所述衬套在所述燃烧室周围周向地在所述燃料压室的内部延伸。
14. 根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括位于所述燃料压室的内部并与所述衬套接触的稳定装置。
15. 根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括在所述环形通路中周向地围绕所述燃烧室的多个导叶。
16. 根据权利要求15所述的燃烧器，其特征在于，所述燃料压室在所述多个导叶中的一个或多个的内部延伸。
17. 一种减小燃烧器中的热应力的方法，包括：
a. 使燃料在燃料压室的内部流动，所述燃料压室径向地延伸穿过外壳；
b. 将所述燃料压室的至少一部分与由所述外壳的径向内侧的燃料的直接冲击屏蔽；以及
c. 使所述燃料从所述燃料压室流入在所述外壳与燃烧室之间的环形通路。
18. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述燃料压室在所述外壳与位于所述外壳的径向内侧的导叶之间的整个部分与由所述燃料的直接冲击屏蔽。
19. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使所述燃料在所述燃烧室周围周向地在所述燃料压室的内部流动。
20. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包括防止在所述燃烧室周围周向地在所述燃料压室的内部流动的燃料直接冲击在所述燃料压室上。
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