CN103375811A - 燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及并公开一种包括端帽的燃烧器，所述端帽径向延伸穿过所述燃烧器的至少一部分，其中所述端帽包括与下游表面轴向分离的上游表面。防护罩周向包围所述端帽的至少一部分，其中所述防护罩至少部分构成所述上游表面与所述下游表面之间的燃料室。所述端帽下游的燃烧室界定纵轴。多个管从所述端帽的所述上游表面延伸穿过所述端帽的所述下游表面，从而提供穿过所述端帽到达所述燃烧室的流体通道。过渡管道周向包围所述端帽下游的所述燃烧室的至少一部分并且从所述纵轴切向弯曲。

Description

燃烧器

技术领域

本发明大体涉及一种燃烧器。在本发明的特定实施例中，燃烧器可以添加到燃气涡轮机或其他涡轮机中。

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过燃烧器中的一个或多个燃料喷嘴，在燃烧器中，压缩的工作流体与燃料混合并在燃烧室中点燃，从而产生高温高压的燃烧气体。燃烧气体流过过渡连接件到达涡轮机，在涡轮机中交替级的固定喷嘴和旋转桨叶使燃烧气体改向、加速并且膨胀，从而产生功。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，较高的燃烧气体温度较高也会促发火焰稳定条件，其中燃烧火焰朝着喷嘴所供应的燃料移动，这可能在相对较短时间内加速对喷嘴造成损坏。另外，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（NO_X）的产量。相反，燃料流减小和/或部分负载运行（关闭）导致燃烧气体温度较低，这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。在各种不同的燃烧器运作水平下对燃烧器的热力学效率、加速损坏，和/或不需要的排放进行平衡的一种解决方案是增强燃料与压缩的工作流体之间的混合，从而产生贫燃料-工作流体混合物以用于燃烧。

增强燃料与压缩的工作流体之间的混合通常这样来实现：即通过在燃烧之前对注射、雾化和/或旋动燃料和/或工作流体进行各种组合以减少燃烧室中的局部热点。在一些涡轮机设计中，第一级涡轮机中的固定喷嘴包括具有较大半径的圆形前缘，从而容纳以各种入射角冲击第一级喷嘴的旋转燃烧气体。然而，在特定的涡轮机设计中，第一级固定喷嘴可以由各燃烧器与涡轮机之间的过渡管道来替换。这些过渡管道使燃烧气体加速并且改变方向，从而流入涡轮机中而不流入第一级喷嘴中。尽管能有效地提高涡轮机输出和/或效率，但是燃烧气体中过量的旋涡会降低过渡管道的有效性。因此，在不增加燃烧气体中旋涡的情况下增强燃料与工作流体之间混合的改善的燃烧器设计将有助于提高燃烧器性能而不对排放产生不利影响。

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，或者可以通过实践本发明而习得。

本发明的一项实施例是一种包括端帽的燃烧器，所述端帽径向延伸穿过所述燃烧器的至少一部分，其中所述端帽包括与下游表面轴向分离的上游表面。防护罩周向包围所述端帽中的至少一部分，其中所述防护罩在所述上游表面与所述下游表面之间至少部分地构成燃料室。所述端帽下游的燃烧室界定纵轴。多个管从所述端帽的所述上游表面延伸穿过所述端帽的所述下游表面，从而提供穿过所述端帽到达所述燃烧室的流体通道。过渡管道周向包围所述端帽下游的所述燃烧室的至少一部分并且从所述纵轴切向弯曲。

本发明的另一项实施例是一种包括端帽的燃烧器，所述端帽径向延伸穿过所述燃烧器的至少一部分，其中所述端帽包括与下游表面轴向分离的上游表面。燃料室处于所述上游表面与所述下游表面之间，并且所述端帽下游的过渡管道界定纵轴、切向轴，以及径向轴。多个管从所述端帽的所述上游表面延伸穿过所述端帽的所述下游表面，从而提供穿过所述端帽到达所述过渡管道的流体通道。所述过渡管道包括入口以及从所述入口沿着所述纵轴和所述切向轴位移的出口。

本发明还可以包括一种燃烧器，其具有燃料室以及所述燃料室下游的燃烧室，其中所述燃烧室界定纵轴。多个管建立所述燃料室与所述燃烧室的流体连通，并且过渡管道周向包围所述多个管下游的燃烧室中的至少一部分并且从所述纵轴切向弯曲。

所属领域的普通技术人员将通过查看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披露了本发明，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为根据本发明的一项实施例的图1中所示的示例性燃烧器的简化截面图；

图3为根据本发明的一项实施例的图1和图2中所示的燃烧器一部分的放大截面图；

图4为根据本发明的替代实施例的图1中所示的燃烧器一部分的放大截面图；

图5为图4中所示的燃烧器端帽部分的局部透视图；

图6为根据本发明一项实施例的端帽的下游轴向图；

图7为根据本发明替代实施例的端帽的下游轴向图；

图8为根据本发明替代实施例的端帽的下游轴向图；

图9为图2中所示的过渡管道和冲击套管的透视图；以及

图10为围绕图1中所示的燃气涡轮机周向布置的多个过渡管道的透视图。

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。本专利申请文件所用的术语“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获取流体流，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个实施例中，从而得到又一个实施例。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燃烧器，所述燃烧器可以添加到，例如，燃气涡轮机或其他涡轮机中。所述燃烧器通常包括多个预混合器管，所述多个预混合器管使燃料与压缩的工作流体混合以产生贫燃料-工作流体混合物，其中与常规燃料喷嘴相比旋涡的量减少。贫燃料-工作流体混合物流到燃烧室中，在燃烧室中所述贫燃料-工作流体点燃以产生高温高压的燃烧气体。这些燃烧气体流过过渡管道，所述过渡管道使燃烧气体加速并且/或者将其引导到第一级旋转叶片上，在第一级旋转叶片上燃烧气体膨胀并且将能量转移到旋转叶片以产生功。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提供可以添加到本发明各项实施例中的示例性燃气涡轮机10的简化截面图。如图所示，燃气涡轮机10通常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可以共享公用转子18，所述公用转子连接到发电机20来发电。

压缩机12可以为轴流式压缩机，其中工作流体22，例如周围空气，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加速并且改变方向从而产生连续的压缩的工作流体22流，压缩机壳28容纳工作流体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所示，燃烧器壳32可以周向包围一些或所有燃烧器14，以容纳从压缩机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外部从压缩机排气通道30流出，然后到达端盖36并且反向流过燃料喷嘴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点燃以产生高温高压的燃烧气体。过渡管道40周向包围燃烧室38中的至少一部分，并且燃烧气体流过过渡管道40到达涡轮机16。

涡轮机16可以包括交替级的旋转桨叶42和固定轮叶44。如下文详细描述，过渡管道40使燃烧气体改变方向并且集中在第一级旋转桨叶42上。随着燃烧气体穿过第一级旋转桨叶42，这些燃烧气体膨胀，从而使旋转桨叶42和转子18旋转。燃烧气体随后流到下一级固定轮叶44，所述固定轮叶使燃烧气体改变方向到达下一级旋转桨叶42，并且该流程在以下级中重复进行。

图2所示为根据本发明的一项实施例的图1中所示的示例性燃烧器14的简化截面图。如图所示，燃烧器壳32和端盖36可以包围燃烧器14，以容纳从压缩机12流出的工作流体22。冲击套管46可以包围过渡管道40，并且工作流体22可以流过冲击套管46中的流孔48以沿着过渡管道40的外部流动，从而向过渡管道40提供对流冷却。当工作流体22到达端盖36时，工作流体22反向流过一个或多个燃料喷嘴34和/或管50，然后进入燃烧室38。

图3提供根据本发明的一项实施例的图1和图2中所示的燃烧器14一部分的放大截面图。如图所示，一个或多个燃料喷嘴34和管50可以径向地布置在燃烧室38上游的端帽52中。燃烧器14的各项实施例可以包括不同数目和不同布置的燃料喷嘴34和管50。例如，在如图1到图3中所示的实施例中，燃烧器14包括与燃烧器14的轴向中心线54对齐的单个燃料喷嘴34，并且管50径向地布置在端帽52中的单个燃料喷嘴34周围。燃料喷嘴34可以延伸穿过端帽52，从而提供穿过端帽52到达燃烧室38的流体通道。燃料喷嘴34可以包括所属领域的普通技术人员已知的任何合适结构，用于使燃料和工作流体22在进入燃烧室38之前混合，并且除非权利要求书中特别指出，否则本发明不限于任何特定结构或设计。例如，如图3所示，燃料喷嘴34可以包括中心体56和钟口形开口58。中心体56为燃料建立流体连通，使其从端盖36流过中心体56，然后进入燃烧室38。钟口形开口58包围中心体56中的至少一部分，从而在中心体56和钟口形开口58之间构成环形通道60。通过这种方式，工作流体22可以流过环形通道60，以在到达燃烧室38之前与来自中心体56的燃料混合。必要时，燃料喷嘴34可以进一步包括一个或多个旋流器轮叶62，所述旋流器轮叶在中心体56与钟口形开口58之间径向延伸，以在燃料-工作流体混合物到达燃烧室38之前，使其旋转。

如图3所示，端帽52径向延伸穿过燃烧器14中的至少一部分，并且通常包括与下游表面66轴向分离的上游表面64。管50通常从上游表面64轴向延伸穿过端帽52的下游表面66，从而为工作流体22建立流体连通，使其流过端帽52，然后进入燃烧室38。虽然图示为圆柱形管，但是管50的截面可以为任何几何形状，并且除非权利要求书中特别指出，否则本发明不限于任何特定截面。防护罩68周向包围端帽52中的至少一部分，从而在上游表面64与下游表面66之间部分地构成燃料室70。

燃料导管72可以从端盖36延伸穿过端帽52的上游表面64，从而为燃料建立流体连通，使其从端盖36流过燃料导管72，然后进入燃料室70。一个或多个管50可以包括燃料口74，其建立燃料室70与一个或多个管50的流体连通。燃料口74可以径向、轴向和/或方位角地成角，以喷射流过燃料口74然后进入管50中的燃料，并且/或者使所述燃料旋转。通过这种方式，工作流体22可以流到管50中，并且来自燃料导管72的燃料可以在燃料室70中的管50周围流动以向管50提供对流冷却，然后流过燃料口74并且进入管50，从而与工作流体22混合。然后，燃料-工作流体混合物可以流出管50，然后进入燃烧室38。

图4提供根据本发明的替代实施例的图1中所示的燃烧器14一部分的放大截面图，而图5提供图4中所示的燃烧器14的端帽52部分的局部透视图。如图4和图5所示，端帽52可以同样包括上游表面64、下游表面66、防护罩68，以及燃料室70，如先前关于图3中所示的实施例所述。另外，端帽52可以包括大体水平的隔板74，所述隔板在上游表面64与下游表面66之间径向延伸，从而轴向地将燃料室70与空气室76分隔。通过这种方式，上游表面64、防护罩68以及隔板74围绕或构成管50上游部分周围的燃料室70，而下游表面66、防护罩68以及隔板74围绕或构成管50下游部分周围的空气室76。在特定实施例中，图5最清楚地显示，一个或多个大体垂直的挡板78可以从上游表面64轴向地延伸到隔板74或完全穿过端帽52到达下游表面66，从而在端帽52中径向地将管50分隔成多个组或管束80。挡板78（如果存在）允许管50的每个管束80具有专用的燃料室70和/或空气室76，从而允许不同的燃料和/或燃料流量供应给管50的每个管束80。或者，挡板78（如果存在）可以包括流孔82或其他穿孔，从而促进与管50的每个管束80相关的燃料室70之间的燃料流动。

图4和图5中最清楚显示，防护罩68可以包括多个气口84，所述气口为工作流体22建立流体连通从而使工作流体22流过防护罩68然后进入空气室76。在特定实施例中，图4中最清楚地显示，一个或多个管50与下游表面66之间的空气通道86可以提供穿过下游表面66从空气室76到燃烧室38的流体通道。通过这种方式，工作流体22的一部分可以流过防护罩68中的气口84然后进入空气室76，从而提供管50下部周围的对流冷却，然后流过空气通道86并进入燃烧室38。

燃烧器14的各项实施例可以包括不同数目和不同布置的燃料喷嘴34和管50，并且图6到图8提供端帽52的下游轴向图，所述下游轴向图图示了本发明范围内的各种布置。在图6所示的特定实施例中，例如，管50穿过端帽52径向地进行布置，并且燃料和工作流体22可以通过管50供应给燃烧室38。在图7所示的特定实施例中，大体垂直的挡板78可以将管50分隔为大体圆形的管束80，所述管束围绕中心圆形管束80径向布置。或者，如图8所示，大体垂直的挡板78可以将管50分隔为三角形或饼形的管束80，所述管束围绕中心燃料喷嘴34径向布置。所属领域的普通技术人员基于本申请专利文件的教示将容易了解，除非在权利要求书中特别指出，否则本发明的特定实施例不限于燃料喷嘴34、管50和/或管束80的任何特定布置、形状或数量。

图9提供图2中所示的过渡管道40和冲击套管46的透视图，而图10提供围绕图1中所示的燃气涡轮机10径向地周向布置的多个过渡管道40的透视图。如先前所示，过渡管道40通常包围燃烧室38中的至少一部分，并且延伸每个端帽52和涡轮机16。通过这种方式，每个过渡管道40提供一条路径，所述路径为燃烧气体从每个燃烧器14流到涡轮机16提供条件。在特定实施例中，过渡管道40的定向和/或截面可以取代或消除对第一级旋转桨叶42正上游的固定轮叶44的需要，从而增加涡轮机16的效率和/或输出。

如图9和图10所示，每个过渡管道40通常包括入口90以及入口90下游的出口92。入口90的截面与靠近端帽52的燃烧室38的径向截面大体一致，而过渡管道40的截面可以随着靠近出口92逐渐变窄，从而使燃烧气体加速进入涡轮机16。另外，过渡管道40可以在入口90与出口92之间弯曲，从而增加燃烧气体流入涡轮机16的角度。例如，如图9和图10所示，在过渡管道40上重叠的纵轴94、切向轴98以及径向轴96示出了过渡管道40可以从纵轴94横向、切向和/或径向弯曲。应理解，径向轴96和切向轴98是相对于由过渡管道40的环形阵列界定的圆周而针对每个过渡管道40单独定义的，如图10所示，并且基于布置在围绕纵轴94的环形阵列中过渡管道40的数量，围绕圆周的每个过渡管道40的径向轴96和切向轴98均有所不同。如图9和图10中所示，过渡管道40的出口92可以从入口90沿着纵轴94和切向轴98位移或偏移。在特定实施例中，过渡管道40也可以从纵轴94径向地弯曲，从而增加燃烧气体对旋转桨叶42的冲击角。因此，过渡管道40的出口92可以从入口90沿着径向轴96位移或偏移，图10中最清楚地显示。出口92相对于入口90的切向偏移和/或径向偏移的组合可以消除对第一级旋转桨叶42上游的固定轮叶44的需要。

图2到图10中描述和示出的实施例提供与现存的燃烧器相比所具有的一个或多个优点以及将燃料供应给燃烧器的方法。例如，常规燃烧器通常包括燃料喷嘴，所述燃料喷嘴经设计以使燃料和工作流体旋转，从而在燃烧之前增强混合效果。尽管能有效地减少不需要的NOX排放，但是第一级固定轮叶通常包括在燃烧器与第一级旋转桨叶上游的涡轮机之间，以使所得的旋转燃烧气体改变方向到达第一级旋转桨叶上。添加到本发明各项实施例中的过渡管道消除对第一级固定轮叶的需要，从而提高涡轮机的效率。

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践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施任何所涵盖的方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并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，或者如果此类实例所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，则此类实例也应属于权利要求书的范围。

Claims (20)

1.一种燃烧器，包括：

a.端帽，所述端帽径向延伸穿过所述燃烧器的至少一部分，其中所述端帽包括与下游表面轴向分离的上游表面；

b.防护罩，所述防护罩周向包围所述端帽的至少一部分，其中所述防护罩至少部分构成所述上游表面与所述下游表面之间的燃料室；

c.所述端帽下游的燃烧室，其中所述燃烧室界定纵轴；

d.多个管，所述多个管从所述端帽的所述上游表面延伸穿过所述端帽的所述下游表面，其中所述多个管提供穿过所述端帽到达所述燃烧室的流体通道；以及

e.过渡管道，所述过渡管道周向包围所述端帽下游的所述燃烧室的至少一部分，其中所述过渡管道从所述纵轴切向弯曲。

2.根据权利要求1所述的燃烧器，进一步包括燃料口，所述燃料口提供从所述燃料室到所述多个管中的一个或多个的流体通道。

3.根据权利要求1所述的燃烧器，进一步包括位于所述上游表面与所述下游表面之间且处于所述燃料室下游的空气室。

4.根据权利要求3所述的燃烧器，进一步包括一个或多个气口，所述气口提供穿过所述防护罩到达所述空气室的流体通道。

5.根据权利要求1所述的燃烧器，进一步包括延伸穿过所述端帽的燃料喷嘴，其中所述燃料喷嘴提供穿过所述端帽到达所述燃烧室的流体通道。

6.根据权利要求5所述的燃烧器，其中所述多个管周向包围所述燃料喷嘴。

7.根据权利要求1所述的燃烧器，进一步包括从所述上游表面轴向延伸到所述下游表面的挡板，其中所述挡板将所述多个管分隔成所述端帽中的多个管束。

8.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述过渡管道从所述纵轴径向弯曲。

9.一种燃烧器，包括：

a.端帽，所述端帽径向延伸穿过所述燃烧器的至少一部分，其中所述端帽包括与下游表面轴向分离的上游表面；

b.燃料室，位于所述上游表面与所述下游表面之间；

c.所述端帽下游的过渡管道，其中所述过渡管道界定纵轴、切向轴和径向轴；

d.多个管，所述多个管从所述端帽的所述上游表面延伸穿过所述端帽的所述下游表面，其中所述多个管提供穿过所述端帽到达所述过渡管道的流体通道；

e.所述过渡管道的入口；以及

f.所述过渡导管的出口，所述出口从所述入口沿着所述纵轴和所述切向轴位移。

10.根据权利要求9所述的燃烧器，进一步包括位于所述上游表面与所述下游表面之间且处于所述燃料室下游的空气室。

11.根据权利要求10所述的燃烧器，进一步包括一个或多个气口，所述空气口提供穿过所述端帽到达所述空气室的流体通道。

12.根据权利要求10所述的燃烧器，进一步包括所述多个管中的一个或多个与所述端帽的所述下游表面之间的空气通道。

13.根据权利要求9所述的燃烧器，进一步包括延伸穿过所述端帽的燃料喷嘴，其中所述燃料喷嘴提供穿过所述端帽到达所述过渡管道的流体通道。

14.根据权利要求9所述的燃烧器，进一步包括从所述上游表面轴向延伸到所述下游表面的挡板，其中所述挡板将所述多个管分隔成所述端帽中的多个管束。

15.根据权利要求9所述的燃烧器，其中所述过渡导管的所述出口从所述入口沿着所述径向轴位移。

16.一种燃烧器，包括：

a.燃料室；

b.所述燃料室下游的燃烧室，其中所述燃烧室界定纵轴；

c.多个管，所述多个管提供从所述燃料室到所述燃烧室的流体通通；

d.过渡管道，所述过渡管道周向包围所述多个管下游的所述燃烧室的至少一部分，其中所述过渡管道从所述纵轴切向弯曲。

17.根据权利要求16所述的燃烧器，进一步包括位于所述燃料室与所述燃烧室之间的空气室。

18.根据权利要求16所述的燃烧器，其中所述过渡管道从所述纵轴径向弯曲。

19.根据权利要求16所述的燃烧器，进一步包括轴向延伸穿过所述燃料室的挡板，其中所述挡板将所述多个管分隔成多个管束。

20.根据权利要求16所述的燃烧器，进一步包括与所述燃烧室流体连通的燃料喷嘴，其中所述多个管周向包围所述燃料喷嘴。

Images