CN103307636B - 用于将工作流体供应到燃烧器的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于将工作流体供应到燃烧器的系统。所述系统包括燃烧室和周向环绕所述燃烧室至少一部分的导流套管。管道为所述工作流体流动穿过所述导流套管并进入所述燃烧室提供流体连通，其中所述管道包括轴向中心线。第一组喷射器周向地布置在所述管道周围并且相对于所述管道的所述轴向中心线径向形成角度，其中所述第一组喷射器为所述工作流体流动穿过所述管道的壁提供流体连通。
Description
技术领域
本发明大体涉及一种用于将工作流体供应到燃烧器的系统。在特定实施例中，本发明可以通过周向布置在燃烧室周围的延迟贫喷射器将贫燃料空气混合物供应到燃烧室。
背景技术
燃烧器通常用于工业生产和发电操作中，用以点燃燃料，以产生高温高压的燃烧气体。例如，燃气涡轮机通常包括一个或多个燃烧器，以发电或产生推力。用于发电的典型燃气涡轮机包括位于前部的轴流式压缩机、位于中部附近的一个或多个燃烧器，以及位于尾部的涡轮机。可以将环境空气供应到压缩机，并且压缩机中的旋转叶片和固定轮叶逐渐向工作流体(空气)传递动能，以产生处于高能状态的压缩的工作流体。随后，压缩的工作流体离开压缩机并流向燃烧室，在燃烧室中，压缩的工作流体与燃料混合并燃烧，从而产生高温高压的燃烧气体。燃烧气体在涡轮机中膨胀做功。例如，燃烧气体在涡轮机中膨胀可以使连接到发电机的轴旋转，从而发电。
各种设计和运行参数均会影响燃烧器的设计和运行。例如，燃烧气体温度较高通常会提高燃烧器的热力学效率。然而，燃烧气体温度较高也会促发逆燃或火焰附着条件，在这些条件下，燃烧火焰朝向燃料喷嘴供应的燃料移动，从而可能在相对较短时间内对燃料喷嘴造成严重损坏。此外，燃烧气体温度较高通常会提高双原子氮的分解速率，从而增加氮氧化物(NOX)的产量。相反，与燃料流减小和/或部分负载操作(关闭)相关的较低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量。
在特定燃烧器设计中，一个或多个延迟贫喷射器或管道可以周向地布置在燃料喷嘴下游的燃烧室的周围。离开压缩机的压缩的工作流体中的一部分可以流动穿过管道，从而与燃料混合以产生贫燃料空气混合物。然后，贫燃料空气混合物可以喷射到燃烧室中，造成额外的燃烧，从而使燃烧气体温度升高并且提高燃烧器的热力学效应。
延迟贫喷射器能有效地提高燃烧气体温度，而不会相应地增加NOX的产量。然而，通过延迟贫喷射器喷射到燃烧室中的燃料在管道内并将与压缩的工作流体充分混合的停留时间通常受到限制。此外，流出管道的燃料空气混合物在管道内形成可能易受局部火焰附着影响的条件。因此，一种可以增强管道内燃料与工作流体之间的混合和/或降低火焰附着条件的用于将工作流体供应到燃烧器的改良系统将非常实用。
发明内容
以下说明将阐明本发明的各个方面和优点，或者这些方面和优点在说明中可能是显而易见的，或者可以通过实施本发明而获悉。
本发明的一项实施例为一种用于将工作流体供应到燃烧器的系统。所述系统包括燃烧室和周向环绕所述燃烧室的至少一部分的导流套管。管道为工作流体提供流体连通，以便所述工作流体流动穿过导流套管并流入燃烧室中，其中所述管道包括轴向中心线。第一组喷射器周向地布置在管道周围并且相对于管道的轴向中心线径向地成某一角度，其中所述第一组喷射器为工作流体提供流体连通，以便所述工作流体流动穿过管道的壁。
进一步的，其中所述第一组喷射器相对于所述管道的所述轴向中心线轴向形成角度。
进一步的，其包括第二组喷射器，所述第二组喷射器周向地布置在所述第一组喷射器下游的所述管道周围，其中所述第二组喷射器为所述工作流体流动穿过所述管道的所述壁提供流体连通。
进一步的，其中所述第二组喷射器相对于所述管道的所述轴向中心线轴向形成角度。
进一步的，其包括燃料通道，所述燃料通道在所述导流套管内部与所述管道流体连通。
进一步的，其中所述燃料通道的至少一部分环绕所述第一组喷射器的至少一部分。
进一步的，其包括穿过所述第一组喷射器的多个燃料口，其中所述多个燃料口提供从所述燃料通道进入所述第一组喷射器的流体连通。
本发明的另一项实施例是一种用于将工作流体供应到燃烧器的系统，所述系统包括：燃烧室；内衬，其周向环绕所述燃烧室的至少一部分；以及导流套管，其周向环绕所述内衬的至少一部分。管道为工作流体提供流体连通，以便所述工作流体流动穿过导流套管和内衬并流入燃烧室中，其中所述管道包括外壁、与外壁径向分离的内壁，以及轴向中心线。第一组喷射器周向地布置在管道周围并且相对于管道的轴向中心线径向地成某一角度，其中所述第一组喷射器为工作流体提供流体连通，以便所述工作流体流动穿过外壁和内壁并流入管道中。
进一步的，其中所述第一组喷射器大体沿所述管道的所述内壁的切向方向形成角度。
进一步的，其中所述第一组喷射器相对于所述管道的所述轴向中心线轴向形成角度。
进一步的，其包括第二组喷射器，所述第二组喷射器周向地布置在所述第一组喷射器下游的所述管道周围，其中所述第二组喷射器为所述工作流体流动穿过所述外壁和所述内壁并进入所述管道提供流体连通。
进一步的，其中所述第二组喷射器相对于所述管道的所述轴向中心线轴向形成角度。
进一步的，其包括燃料通道，所述燃料通道在所述导流套管内部与所述管道流体连通。
进一步的，其中所述燃料通道的至少一部分环绕所述第一组喷射器的至少一部分。
进一步的，其包括穿过所述第一组喷射器的多个燃料口，其中所述多个燃料口提供从所述燃料通道进入所述第一组喷射器的流体连通。
本发明也可以包括一种用于将工作流体供应到燃烧器的系统，所述系统包括：燃烧室；内衬，其周向环绕所述燃烧室的至少一部分；以及导流套管，其周向环绕所述内衬的至少一部分。管道为工作流体提供流体连通，以便所述工作流体流动穿过导流套管和内衬并流入燃烧室中。第一组喷射器为工作流体提供流体连通，以便所述工作流体流动穿过管道的壁，其中所述第一组喷射器相对于管道的轴向中心线径向地成某一角度。第二组喷射器位于所述第一组喷射器的下游，其中所述第二组喷射器为工作流体提供流体连通，以便所述工作流体流动穿过管道的壁。
进一步的，其中所述第一组喷射器相对于所述管道的所述轴向中心线轴向形成角度。
进一步的，其中所述第二组喷射器相对于所述管道的所述轴向中心线轴向形成角度。
进一步的，其包括燃料通道，所述燃料通道环绕所述第一组喷射器和所述第二组喷射器的至少一部分。
进一步的，其包括穿过所述第一组喷射器的多个燃料口，其中所述多个燃料口提供从所述燃料通道进入所述第一组喷射器的流体连通。
所属领域的普通技术人员将通过阅读说明书来更好地了解此类实施例的特征和方面及其他内容。
附图说明
本说明书的其余部分参考附图，针对所属领域的技术人员，完整且可实现地详细揭示了本发明，包括其最佳模式，其中：
图1为示例性燃气涡轮机的简化侧视截面图；
图2为根据本发明的第一实施例的图1示出的燃烧器一部分的简化侧视透视图；
图3为图2示出的延迟贫喷射器的放大的侧视透视图；以及
图4为沿着线A—A截得的图3示出的延迟贫喷射器的截面图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各项实施例，附图中图示了本发明实施例的一个或多个实例。具体实施方式中使用数字和字母标识来指代附图中的特征。附图和描述中相同或类似的标识用于指代本发明中相同或类似的部分。本说明书所用的术语“第一”、“第二”以及“第三”可以互换使用以区分不同部件，并且这些术语并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”指部件在流体通路中的相对位置。例如，如果流体从部件A流向部件B，则部件A在部件B的上游。相反，如果部件B从部件A接收流体流，则部件B在部件A的下游。
各个实例用以解释本发明而非限制本发明。事实上，所属领域的技术人员容易了解，在不脱离本发明的范围或精神的前提下，可以对本发明做出各种修改和变化。例如，作为一项实施例的一部分进行说明或描述的特征可以用于另一项实施例中，从而得到又一项实施例。因此，本发明应涵盖属于所附权利要求书及其等效物的范围内的此类修改和变化。
本发明的各项实施例包括一种用于将工作流体供应到燃烧器的系统。所述系统通常包括一个或多个周向地布置在燃烧室周围的延迟贫喷射器，以将燃料和工作流体的贫混合物喷射到燃烧室中。每个延迟贫喷射器通常都包括：管道，所述管道为工作流体提供进入燃烧器的流体连通；以及一组或多组喷射器，所述喷射器周向地布置在管道周围，为工作流体穿过和进入管道提供流体连通。在多项特定实施例中，燃料通道可以环绕喷射器组中的一组或多组，并且燃料口可以为燃料提供流体连通，以便所述燃料从燃料通道流入喷射器组中的一组或多组。尽管在对本发明的示例性实施例所进行的描述中，为便于说明大体上采取的是将燃烧器添加到燃气涡轮机内的配置，但所属领域的技术人员容易了解，除非在权利要求书中特别指出，否则本发明的各实施例可以用于任意燃烧器，且并不限于燃气涡轮机燃烧器。
图1提供添加到本发明一项实施例中的示例性燃气涡轮机10的简化截面图。如图示出，燃气涡轮机10可以包括位于前部的压缩机12、径向设置于中部附近的一个或多个燃烧器14以及位于尾部的涡轮机16。压缩机12和涡轮机16通常共享公共转子18，所述公共转子连接到发电机20来发电。
压缩机12可以为轴流式压缩机，其中环境空气等的工作流体22进入压缩机12并且流过交替级的固定轮叶24和旋转叶片26。随着固定轮叶24和旋转叶片26使工作流体22加速并且改变方向以产生连续的压缩的工作流体22流，压缩机壳28包括工作流体22。大部分压缩的工作流体22流过压缩机排气室30到达燃烧器14。
燃烧器14可以为所属领域中已知的任何类型的燃烧器。例如，如图1示出，燃烧器壳32可以周向环绕一些或所有燃烧器14，以包括从压缩机12流出的压缩的工作流体22。一个或多个燃料喷嘴34可以径向地布置在端盖36中以将燃料供应给燃料喷嘴34下游的燃烧室38。可能的燃料包括，例如，以下项中的一者或多者：高炉气、焦炉煤气、天然气、汽化的液化天然气(LNG)、氢以及丙烷。压缩的工作流体22可以沿着燃烧室38外部从压缩机排气室30流出，然后到达端盖36并且反转方向流过燃料喷嘴34从而与燃料混合。燃料和压缩的工作流体22的混合物流到燃烧室38中，在燃烧室中所述混合物燃烧从而产生高温高压的燃烧气体。所述燃烧气体流过过渡连接件40到达涡轮机16。
涡轮机16可以包括交替级的定子42和旋转桨叶44。第一级定子42使燃烧气体改变方向并且集中在第一级旋转桨叶44上。随着燃烧气体穿过第一级旋转桨叶44，该燃烧气体膨胀，从而使旋转桨叶44和转子18旋转。燃烧气体随后流到下一级定子42，所述定子使燃烧气体改变方向到达下一级旋转桨叶44，并且该过程在后续级中重复进行。
图2提供根据本发明的第一实施例的图1示出的燃烧器14一部分的简化透视图。如图示出，燃烧器14可以包括：内衬46，所述内衬周向环绕燃烧室38的至少一部分；以及导流套管48，所述导流套管可以周向环绕内衬46，以限定环绕内衬46的环形通道50。通过这种方式，来自压缩机排气室30的压缩的工作流体22可以沿着内衬46的外部流过环形通道50以向内衬46提供对流冷却，然后反转方向流过燃料喷嘴34(图1示出)并流入燃烧室38中。
燃烧器14可以进一步包括多个延迟贫喷射器60，所述延迟贫喷射器周向地布置在燃烧室38周围，以将燃料和压缩的工作流体22的贫混合物喷射到燃烧室38中。每个延迟贫喷射器60通常可以包括管道62，所述管道为压缩的工作流体22提供流体连通，以便所述压缩的工作流体流动穿过导流套管48和内衬46并流入燃烧室38中。如图2示出，管道62的至少一部分可以从导流套管48径向向外延伸。
图3和图4提供图2示出的延迟贫喷射器60的放大图，从而图示可存在于本发明各项实施例中的各种部件和部件的组合。具体而言，图3提供图2示出的延迟贫喷射器60的放大透视图，而图4提供沿着线A—A截取的图3示出的延迟贫喷射器60的截面图。如图3和图4示出，延迟贫喷射器60的管道62可以包括外壁64、内壁66以及轴向中心线68。在特定实施例中，外壁64和内壁66可以径向分离，以在所述外壁与所述内壁之间形成流体通道70。
每个管道62都可以进一步包括一组或多组喷射器，所述喷射器提供穿过外壁64、内壁66并进入管道62的流体连通。例如，在图3和图4示出的特定实施例中，每个管道62都包括第一组喷射器72和第二组喷射器74，所述喷射器周向地布置在管道62周围，并且第一组喷射器72和第二组喷射器74为压缩的工作流体22提供流体连通，以便所述压缩的工作流体流动穿过外壁64和内壁66，并流入管道62中。
燃料室、管道或其他流体通路可以将燃料供应到喷射器。例如，图3最清楚地示出，导流套管48可以包括内部燃料通道76，所述内部燃料通道与每个管道62都流体连通。具体而言，图3最清楚地示出，燃料通道76可以与流体通道70接合或延伸入流体通道70中，所述流体通道70位于外壁64与内壁66之间，以使得燃料通道76的至少一部分环绕第一组喷射器72和/或第二组喷射器74的至少一部分。通过这种方式，流动穿过第一组喷射器72和/或第二组喷射器74的压缩的工作流体22可以对流动穿过燃料通道76和/或流体通道70的燃料进行预热。如图3和图4进一步示出，第一组喷射器72可以包括一个或多个燃料口78，所述燃料口提供从燃料通道76进入第一组喷射器72中的流体连通。通过这种方式，管道62可以接收与供应到燃料喷嘴34相同或不同的燃料，并且将燃料与压缩的工作流体22的一部分混合，所述压缩的工作流体流动穿过管道62的中心。然后，燃料和压缩的工作流体22所得的贫混合物可以喷射到燃烧室38中用于额外的燃烧，从而使温度升高并且因此提高燃烧器14的效率。
第一组喷射器72可以相对于管道62的轴向中心线68径向地和/或轴向地成某一角度。在特定实施例中，如图4最清楚地示出，第一组喷射器72可以大体沿管道62的内壁66的切向方向成某一角度。第一组燃料喷射器74相对于轴向中心线68的径向和/或轴向定向可以产生一个或多个益处，所述益处为在将混合物喷射到燃烧室38之前，增强了燃料和压缩的工作流体22的混合。例如，第一组喷射器72与轴向中心线68之间的径向和/或轴向角度增加了第一组喷射器72的长度、体积和/或表面面积，所述第一组喷射器位于管道62的外壁64与内壁66之间。这继而增加了从流过第一组喷射器72的压缩的工作流体22转移到围绕第一组喷射器72流动的燃料的热量。此外，第一组喷射器72内部的额外体积增加了流入第一组喷射器72内部的燃料的停留时间，这在混合物到达管道62并随后喷射到燃烧室38中之前，增强了燃料与流过第一组喷射器72的压缩的工作流体22之间的混合。第一组燃料喷射器72相对于轴向中心线68的径向和/或轴向角度也可以在燃料空气混合物流过管道62并流入燃烧室38中时，引发燃料空气混合物的旋流。旋动的混合物可以减少由延迟贫喷射器形成的涡旋脱落(vortex shedding)的量，同时也使燃料空气混合物进一步渗透到燃烧室38中，以增强与燃烧气体的混合。
如图3最清楚地示出，第二组喷射器74可以位于第一组喷射器72的下游，并且相对于管道62的轴向中心线68轴向地成某一角度。通过这种方式，第二组喷射器74可以沿着内壁66提供压缩的工作流体22的涂层、膜层或覆盖层，从而将内部66与燃料空气混合物分离，所述燃料空气混合物流出第一组喷射器72并进入管道62中。压缩的工作流体22沿着内壁66的涂层、膜层或覆盖层降低了有利于管道62内部火焰附着和/或逆燃的条件。
所属领域的一般技术人员将从本说明书的教导中容易了解到，图2示出的延迟贫喷射器60可以仅包括一个或一个以上图3和图4中详细示出和描述的部件，并且除非在权利要求中特别指出，本发明的各项实施例并不限于此类部件的任何组合。此外，相对于图1至图4进行描述及示出的特定实施例也可以提供一种用于将工作流体22供应到燃烧器14的方法。所述方法可以包括：使工作流体22从压缩机12流动穿过燃烧室38并且使工作流体22的一部分通过延迟贫喷射器60转移或流动穿过延迟贫喷射器60，所述延迟贫喷射器周向地布置在燃烧室38周围。在特定实施例中，所述方法可以进一步包括在压缩的工作流体22喷射到燃烧室38中之前，围绕延迟贫喷射器60和/或在管道62的内壁64与外壁66之间螺旋式转移或径向转移压缩的工作流体22的一部分。或者或此外，所述方法可以包括沿着管道62的内壁66喷射压缩的工作流体22的一部分。本说明书中所述的延迟贫喷射器60的各种特征因此可以在混合物喷射到燃烧室38中之前增强燃料与压缩的工作流体22之间的混合，从而更加减少NOx的排放。此外，本说明书中所述的各项实施例可以降低有利于管道62内部火焰附着的条件。
本说明书使用了多个实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书限定，并且可以包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或者如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，那么此类实例也属于权利要求书的范围。
Claims (11)
1.一种用于将工作流体供应到燃烧器的系统，其包括：
a.燃烧室的内衬；
b.导流套管，所述导流套管周向环绕所述燃烧室的至少一部分；
c.管道，所述管道为所述工作流体流动穿过所述导流套管和所述内衬并进入所述燃烧室提供流体连通，其中所述管道包括轴向中心线，所述管道包括径向分离的外壁和内壁，流体通道形成于所述外壁与所述内壁之间，所述流体通道与燃料通道流体连通，所述燃料通道用于向所述燃烧器供应燃料；以及
d.第一组喷射器，所述管道包括所述第一组喷射器，所述第一组喷射器周向地布置在所述管道周围并且相对于所述管道的所述轴向中心线径向形成角度，其中，所述第一组喷射器为所述工作流体流动穿过所述管道的所述外壁和所述内壁提供流体连通，所述第一组喷射器包括一个或多个燃料口，所述燃料口提供从所述燃料通道进入所述第一组喷射器的流体连通。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一组喷射器相对于所述管道的所述轴向中心线轴向形成角度。
3.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括第二组喷射器，所述第二组喷射器周向地布置在所述第一组喷射器下游的所述管道周围，其中所述第二组喷射器为所述工作流体流动穿过所述管道的所述外壁和所述内壁提供流体连通。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述第二组喷射器相对于所述管道的所述轴向中心线轴向形成角度。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述燃料通道在所述导流套管内部与所述管道流体连通。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述燃料通道的至少一部分环绕所述第一组喷射器的至少一部分。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一组喷射器大体沿所述管道的所述内壁的切向方向形成角度。
8.一种用于将工作流体供应到燃烧器的系统，其包括：
a.燃烧室；
b.内衬，所述内衬周向环绕所述燃烧室的至少一部分；
c.导流套管，所述导流套管周向环绕所述内衬的至少一部分；
d.管道，所述管道为所述工作流体流动穿过所述导流套管和所述内衬并进入所述燃烧室提供流体连通，所述管道包括径向分离的外壁和内壁，流体通道形成于所述外壁与所述内壁之间，所述流体通道与燃料通道流体连通，所述燃料通道用于向所述燃烧器供应燃料；
e.第一组喷射器，所述管道包括所述第一组喷射器，所述第一组喷射器为所述工作流体流动穿过所述管道的所述外壁和所述内壁提供流体连通，其中，所述第一组喷射器相对于所述管道的轴向中心线径向形成角度，所述第一组喷射器包括一个或多个燃料口，所述燃料口提供从所述燃料通道进入所述第一组喷射器的流体连通；以及
f.第二组喷射器，所述第二组喷射器位于所述第一组喷射器的下游，其中所述第二组喷射器为所述工作流体流动穿过所述管道的所述外壁和所述内壁提供流体连通。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述第一组喷射器相对于所述管道的所述轴向中心线轴向形成角度。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述第二组喷射器相对于所述管道的所述轴向中心线轴向形成角度。
11.根据权利要求8所述的系统，其中所述燃料通道环绕所述第一组喷射器和所述第二组喷射器的至少一部分。
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