CN103375815A - 用于向燃烧器供给燃料的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及并提供一种用于向燃烧器供给燃料的系统，该系统包括：燃烧室；衬套，衬套沿周向包绕燃烧室的至少一部分；以及流套筒，流套筒沿周向包绕衬套的至少一部分。管为工作流体提供流过流套筒和衬套并且流入燃烧室中的流体连通，并且管包括管壁。通过管壁的多个燃料端口为燃料提供流过管壁并且流入管中的流体连通，并且燃料端口是非圆形的。

Description

用于向燃烧器供给燃料的系统
技术领域
本发明总体涉及用于向燃烧器供给燃料的系统。在特定实施例中，本发明可以通过围绕燃烧室沿周向布置的延迟贫喷射器（late leaninjector）向燃烧器供给稀薄的燃料-空气混合物。
背景技术
燃烧器通常用于工业和发电操作中以点燃燃料，从而产生具有高温和高压的燃烧气体。例如，燃气涡轮机典型地包括一个或多个燃烧器以产生电力或推力。用于产生电力的典型的燃气涡轮机包括位于前部的轴向压缩机、围绕中部的一个或多个燃烧器、以及位于后部的涡轮。环境空气可以被供给至压缩机，并且压缩机中的旋转轮叶和固定叶片逐步向工作流体（空气）施加动能，以产生处于高能状态的压缩工作流体。压缩工作流体离开压缩机并且流入燃烧室中，在燃烧室处，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以使连接至发电机的轴旋转以产生电力。
各种设计和操作参数对燃烧器的设计和操作产生影响。例如，较高的燃烧气体温度大体改进燃烧器的热力学效率。然而，较高的燃烧气体温度也促进回火或火焰保持状况，在回火或火焰保持状况中，燃烧火焰朝向由燃料喷嘴所供给的燃料迁移，从而有可能在相对较短的时间量中对燃料喷嘴造成严重损坏。此外，较高的燃烧气体温度通常使双原子氮的离解率提高，从而使氮氧化物（NOX）的产生增加。相反地，与减少的燃料流和/或部分负荷操作（调低）相关的较低的燃烧气体温度通常使燃烧气体的化学反应速率降低，从而使一氧化碳和未燃烃的产生增加。
在特定的燃烧器设计中，一个或多个延迟贫喷射器或管可以围绕位于燃料喷嘴下游的燃烧室沿周向布置。可以通过管中的燃料端口喷射燃料，并且离开压缩机的一部分压缩工作流体可以流过管，以与燃料混合从而产生稀薄的燃料-空气混合物。稀薄的燃料-空气混合物可以接着通过管流入燃烧室中，以产生使燃烧气体温度上升并且提高燃烧器的热力学效率的额外的燃烧。
延迟贫喷射器已经被证实在使燃烧气体温度上升方面有效，而不使NOX的产生相应地增加，并且已在提高延迟贫喷射器的性能方面所做出的各种努力获得了不同程度的成功。例如，燃料端口的数量和/或尺寸已增加，以增加可以通过延迟贫喷射器供给的燃料量。然而，额外和/或较大的燃料端口降低了管内侧的燃料的渗透并且/或者允许所喷射的燃料在管内侧结合，从而不利地影响燃烧器排放物。因此，用于向燃烧器供给工作流体的改进的系统将是有用的。
发明内容
本发明的各个方面以及优点将会在下文的描述中进行阐述，或者是通过描述可以显而易见的，或者是可以通过实施本发明而学到。
本发明的一个实施例是一种用于向燃烧器供给燃料的系统。该系统包括：燃烧室；衬套，衬套沿周向包绕燃烧室的至少一部分；以及流套筒，流套筒沿周向包绕衬套的至少一部分。管为工作流体提供流过流套筒和衬套并且流入燃烧室中的流体连通，并且管包括管壁。通过管壁的多个燃料端口为燃料提供流过管壁并且流入管中的流体连通，并且燃料端口是非圆形的。
本发明的另一个实施例是一种用于向燃烧器供给燃料的系统，该系统包括：燃烧室；衬套，衬套沿周向包绕燃烧室的至少一部分；以及流套筒，流套筒沿周向包绕衬套的至少一部分。第一流体流动路径通过流套筒和衬套并且进入燃烧室中。第二流体流动路径与第一流体流动路径相交，并且位于第一流体流动路径与第二流体流动路径的相交处的多个燃料端口是非圆形的。
本发明还可以包括一种用于向燃烧器供给燃料的系统，该系统包括：燃料喷嘴；燃烧室，燃烧室位于燃料喷嘴下游；以及流套筒，流套筒沿周向包绕燃烧室。围绕流套筒沿周向布置的多个燃料喷射器提供通过流套筒并且进入燃烧室中的流体连通。围绕每一个燃料喷射器沿周向布置的多个燃料端口为燃料提供流入每一个燃料喷射器中的流体连通，并且燃料端口是非圆形的。
通过阅览说明书，本领域普通技术人员将更好地领会这种实施例以及其它实施例的特征和各个方面。
附图说明
参照附图，说明书的其余部分更具体地阐述了面向本领域技术人员的本发明的完整公开，这种公开使得本领域技术人员能够实现本发明，包括本发明的最佳模式，在附图中：
图1是示例性燃气涡轮机的简化侧横截面图；
图2是图1中所示的燃烧器的一部分的简化侧透视图；
图3是根据本发明的第一实施例的图2中所示的延迟贫喷射器的剖视图；
图4是根据本发明的第二实施例的图2中所示的延迟贫喷射器的剖视图；以及
图5是根据本发明的第三实施例的图2中所示的延迟贫喷射器的剖视图。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的实施例，其中的一个或多个示例示于附图中。详细的描述使用数字和字母名称来表示附图中的特征。附图和描述中相似或类似的名称用于表示本发明的相似或类似的部分。如本文中所使用的，术语“第一”、“第二”、和“第三”可以互换使用，以区分一个部件与另一个部件，并且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”表示部件在流体路径中的相对位置。例如，如果流体从部件A流向部件B，则部件A位于部件B的上游。相反地，如果部件B从部件A接收流体流，则部件B位于部件A的下游。
每一个示例都以对发明进行解释的方式给出，并不对本发明构成限制。实际上，对于本领域技术人员而言显而易见的是，能够在不偏离本发明的范围或者精神的前提下对本发明进行改型和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或者进行描述的特征可以用于另一个实施例，从而产生又一个实施例。因此，期望的是，本发明覆盖落入所附权利要求及其等同形式的范围内的这些改型以及变型。
本发明的各个实施例包括用于向燃烧器供给燃料的系统。该系统大体包括围绕燃烧室沿周向布置的一个或多个延迟贫喷射器，以将燃料与工作流体的稀薄混合物喷射到燃烧室中。每一个延迟贫喷射器都大体包括多个非圆形燃料端口，所述多个非圆形燃料端口为燃料提供流入每一个喷射器中的流体连通。在特定实施例中，燃料端口可以具有一个或两个对称轴并且可以成形为类似于椭圆形、赛道、或者泪滴。尽管将为了说明性目的而在结合到燃气涡轮机中的燃烧器的背景下对本发明的示例性实施例进行总体描述，但是本领域普通技术人员将易于领会，本发明的实施例可以应用于任何燃烧器并且除非在权利要求书中特别陈述，否则并不限于燃气涡轮机燃烧器。
图1提供了可以结合本发明的各个实施例的示例性燃气涡轮机10的简化横截面图。如图所示，燃气涡轮机10可以包括位于前部的压缩机12、围绕中部沿径向布置的一个或多个燃烧器14、以及位于后部的涡轮16。压缩机12和涡轮16典型地共用公共转子18，公共转子18连接至发电机20以产生电力。
压缩机12可以是轴流式压缩机，在轴流式压缩机中，工作流体22（例如环境空气）进入压缩机12并且通过交替级的固定叶片24和旋转轮叶26。当固定叶片24和旋转轮叶26使工作流体22加速和重新定向以产生压缩工作流体22的连续流时，压缩机外壳28容纳工作流体22。大部分压缩工作流体22通过压缩机排气增压室30流向燃烧器14。
燃烧器14可以是本领域内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可以沿周向包绕一些或所有的燃烧器14，以容纳从压缩机12流动的压缩工作流体22。一个或多个燃料喷嘴34可以沿径向布置在端盖36中，以向位于燃料喷嘴34下游的燃烧室38供给燃料。可能的燃料例如包括高炉煤气、焦炉煤气、天然气、汽态液化天然气（LNG）、氢、和丙烷中的一种或多种。压缩工作流体22可以在到达端盖36之前沿燃烧室38的外侧从压缩机排气增压室30流动并且反转方向以流过燃料喷嘴34从而与燃料混合。燃料与压缩工作流体22的混合物流入燃烧室38中，在燃烧室38处，该混合物点燃以产生具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体通过过渡件40流向涡轮16。
涡轮16可以包括交替级的定子42和旋转斗叶44。第一级定子42使燃烧气体重新定向和集中到第一级旋转斗叶44上。当燃烧气体通过第一级旋转斗叶44上方时，燃烧气体膨胀，从而使得旋转斗叶44和转子18旋转。燃烧气体接着流向下一级定子42，下一级定子42使燃烧气体重新定向至下一级旋转斗叶44，并且随后的级重复该过程。
图2提供了图1中所示的燃烧器14的一部分的简化透视图。如图所示，燃烧器14可以包括衬套46，衬套46沿周向包绕燃烧室38的至少一部分。流套筒48可以沿周向包绕衬套46的至少一部分，以限定包绕衬套46的环形通路50。通过该方式，来自压缩机排气增压室30的压缩工作流体22可以沿衬套46的外侧流过环形通路50，从而在反转方向以流过燃料喷嘴34（示于图1中）并且流入燃烧室38中之前向衬套46提供对流冷却。
燃烧器14还可以包括多个延迟贫喷射器或管60，多个延迟贫喷射器或管60可以将燃料和工作流体22延迟贫喷射到燃烧室38中。管60可以围绕位于燃料喷嘴34下游的燃烧室38、衬套46、和流套筒48沿周向布置，以为至少一部分工作流体22提供流过流套筒48和衬套46并且流入燃烧室38中的流体连通。如图2中所示，流套筒48可以包括内部燃料通路62，并且每一个管60都可以包括围绕管60沿周向布置且通过管壁的一个或多个燃料端口64。内部燃料通路62向燃料端口64供给的燃料可以与被供给至燃料喷嘴34的相同或不同。因此，燃料端口64可以为燃料提供流入管60中的流体连通，从而允许燃料和工作流体22在流过管60并且流入燃烧室38中的同时混合。通过该方式，管60可以供给燃料与工作流体22的稀薄的混合物以用于额外燃烧，从而使燃烧器14的温度上升，并且因此提高燃烧器14的效率。
燃料端口64的数量、尺寸、和形状直接影响延迟贫喷射器60使燃烧室38温度上升而不使NOX排放物相应增加的能力。例如，燃料端口64的数量、尺寸、和形状直接影响流入管60中的燃料的流速、压力、和渗透。如果燃料端口64的组合横截面积过大，那么燃料将不会充分地渗透到管60中以有效地与工作流体22混合并且产生期望的稀薄的燃料-空气混合物。此外，燃料端口64过大的横截面积可能导致通过每一个燃烧器14中的各个管60以及不同燃烧器14之间的燃料流不一致。相反地，如果燃料端口64的组合横截面积过小，那么在燃料供给压力不显著增大的情况下，进入管60中的燃料流可能是不足的。
在燃料端口64的各个形状上执行的计算流体动力学（CFD）建模显示了对比几何横截面积，燃料端口64的形状能够改变燃料端口64的有效横截面积。具体而言，CFD建模显示几何横截面积与圆形燃料端口64相同的非圆形燃料端口64可以具有较大的有效横截面积。对比圆形燃料端口64，较大的有效横截面积允许非圆形燃料端口64在较低的燃料供给压力下实现可比较的燃料渗透以及流速。因此，对比圆形燃料端口64，非圆形燃料端口64可以在相同的燃料供给压力下实现更好的燃料渗透以及流速。
图3至图5提供了根据本发明的各个实施例的图2中所示的延迟贫喷射器60的放大侧透视图。如每一幅图中所示，每一个管60都提供第一流体流动路径66以用于工作流体22流过流套筒48和衬套46并且流入燃烧室38中。此外，燃料端口64提供第二流体流动路径68以用于燃料流入管60并且与第一流体流动路径66中的工作流体22相交。燃料端口64位于第一流体流动路径66与第二流体流动路径68的相交处。每一个燃料端口64都可以包括接近流套筒48的第一端部70和与第一端部70相对并且接近衬套46的第二端部72。尽管在图3至图5中所示的特定实施例中，第一端部70可以具有大体恒定的半径74，但是除非在权利要求中的特别陈述，否则本发明并不限于此。备选地或者除此之外，燃料端口64可以具有逐渐变小的宽度76，如图3和图4中所示。在图4中所示的特定实施例中，逐渐变小的宽度76可以终止于顶点78，使得燃料端口64具有泪滴形状。备选地，如图5中所示，接近衬套46的第二端部72可以具有大体恒定的半径，使得燃料端口64具有椭圆形或赛道形状。
通过本文中的教导内容，本领域普通技术人员将易于理解，属于本发明范围内的实施例可以包括图3至图5中更详细地描述和示出的一种或多于一种的燃料端口64形状，并且除非在权利要求书中特别陈述，否则本发明的实施例并不限于这种特征的任何组合。因此，对比圆形燃料端口64，本文中所描述的各种非圆形形状的燃料端口64都可以使燃料端口64的有效横截面积增大。因此，在燃烧器14中的较广的温度范围内，本文中所描述的燃料端口64可以允许效率得以改进而不会使排放物增加。
本书面描述使用示例对本发明进行了公开（其中包括最佳模式），并且还使本领域技术人员能够实施本发明（其中包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法）。本发明的可专利范围通过权利要求进行限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它的示例。如果这种其它的示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这种其它的示例包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件，则期望这种其它的示例落入权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种用于向燃烧器供给燃料的系统，所述系统包括：
a.燃烧室；
b.衬套，所述衬套沿周向包绕所述燃烧室的至少一部分；
c.流套筒，所述流套筒沿周向包绕所述衬套的至少一部分；
d.管，所述管为工作流体提供流过所述流套筒和所述衬套并且流入所述燃烧室中的流体连通，
其中所述管包括管壁；以及
e.通过所述管壁的多个燃料端口，所述多个燃料端口为燃料提供流过所述管壁并且流入所述管中的流体连通，其中所述燃料端口是非圆形的。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每一个燃料端口都包括接近所述流套筒的第一端部，并且所述第一端部具有大体恒定的半径。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每一个燃料端口都包括接近所述衬套的第二端部，并且所述第二端部具有大体恒定的半径。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每一个燃料端口都具有逐渐变小的宽度。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每一个燃料端口都包括接近所述衬套的第二端部，并且所述第二端部包括顶点。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所述管流体连通的所述流套筒内侧的燃料通路。
7.一种用于向燃烧器供给燃料的系统，所述系统包括：
a.燃烧室；
b.衬套，所述衬套沿周向包绕所述燃烧室的至少一部分；
c.流套筒，所述流套筒沿周向包绕所述衬套的至少一部分；
d.第一流体流动路径，所述第一流体流动路径通过所述流套筒和所述衬套并且进入所述燃烧室中；
e.第二流体流动路径，所述第二流体流动路径与所述第一流体流动路径相交；以及
f.多个燃料端口，所述多个燃料端口位于所述第一流体流动路径与所述第二流体流动路径的相交处，其中所述燃料端口是非圆形的。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，每一个燃料端口都包括接近所述流套筒的第一端部，并且所述第一端部具有大体恒定的半径。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，每一个燃料端口都包括接近所述衬套的第二端部，并且所述第二端部具有大体恒定的半径。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，每一个燃料端口都具有逐渐变小的宽度。
11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，每一个燃料端口都包括接近所述衬套的第二端部，并且所述第二端部包括顶点。
12.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第二流体流动路径位于所述流套筒内侧。
13.一种用于向燃烧器供给燃料的系统，所述系统包括：
a.燃料喷嘴；
b.燃烧室，所述燃烧室位于所述燃料喷嘴下游；
c.流套筒，所述流套筒沿周向包绕所述燃烧室；
d.多个燃料喷射器，所述多个燃料喷射器围绕所述流套筒沿周向布置，其中所述多个燃料喷射器提供通过所述流套筒并且进入所述燃烧室中的流体连通；以及
e.多个燃料端口，所述多个燃料端口围绕每一个燃料喷射器沿周向布置，以为燃料提供流入每一个燃料喷射器中的流体连通，其中所述燃料端口是非圆形的。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，每一个燃料端口都包括接近所述流套筒的第一端部，并且所述第一端部具有大体恒定的半径。
15.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，每一个燃料端口都包括接近所述燃烧室的第二端部，并且所述第二端部具有大体恒定的半径。
16.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，每一个燃料端口都具有逐渐变小的宽度。
17.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，每一个燃料端口都包括接近所述燃烧室的第二端部，并且所述第二端部包括顶点。
18.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与每一个燃料喷射器流体连通的所述流套筒内侧的燃料通路。
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