CN103388837B - 用于将工作流体供应至燃烧器的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于将工作流体供应至燃烧器的系统，其包括燃料喷嘴、燃料喷嘴下游的燃烧室，以及周向地环绕燃烧室的流动套筒。多个燃料喷射器围绕流动套筒周向地布置，以提供穿过流动套筒至燃烧室的流体连通。分配歧管周向地环绕多个燃料喷射器，并且穿过流动套筒并进入分配歧管的流动通路提供穿过流动套筒至多个燃料喷射器的流体连通。
Description
技术领域
本发明大体涉及用于将工作流体供应至燃烧器的系统及方法。
背景技术
燃烧器通常在工业操作和发电操作中用于点燃燃料以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生成动力或推力的一个或更多个燃烧器。用于生成电功率的典型燃气涡轮包括前部处的轴向压缩机、围绕中部的一个或更多个燃烧器，以及后部处的涡轮。环境空气可供应至压缩机，并且压缩机中的旋转叶片和静止静叶将动能逐渐地给予工作流体(空气)以产生处于高度赋能状态的压缩工作流体。压缩工作流体离开压缩机，并且流动穿过一个或更多个燃料喷嘴到每个燃烧器中的燃烧室，其中，压缩工作流体与燃料相混合，并且点燃以生成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，燃烧气体在涡轮中膨胀可使连接于发电机的轴旋转以产生电。
各种设计参数和操作参数影响燃烧器的设计和操作。例如，较高燃烧气体温度大体改进燃烧器的热力学效率。然而，较高燃烧气体温度还促进火焰稳定状态，在该火焰稳定状态下，燃烧火焰朝向由燃料喷嘴供应的燃料转移，从而可能引起燃料喷嘴在相对短的时间量内的加速磨损。另外，较高燃烧气体温度大体增大双原子氮的分离速率，从而增加氮氧化物(NOx)的产生。相反地，与减小的燃料流和/或部分负载操作(下调(turndown))相关的较低燃烧气体温度大体减小燃烧气体的化学反应速率，从而增加一氧化氮和未燃烃的产生。
在特定燃烧器设计中，也被称为延迟贫喷射器的一个或更多个燃料喷射器可围绕燃料喷嘴下游的燃烧室周向地布置。离开压缩机的压缩工作流体的一部分可流动穿过燃料喷射器以与燃料混合以产生贫燃料-空气混合物。接着，贫燃料-空气混合物可喷射到燃烧室中，用于附加燃烧以提高燃烧气体温度和提高燃烧器的热力学效率。
延迟贫喷射器在增大燃烧气体温度而不产生NOx的产生的对应增加方面为有效的。然而，离开压缩机的压缩工作流体的压力和流可围绕燃烧室的圆周大致变化。因此，流动穿过延迟贫喷射器的燃料-空气比率可显著地变化，从而减弱由燃料到燃烧室中的延迟贫喷射另外形成的有益效果。另外，通常围绕燃烧室的外侧指引或引导离开压缩机的压缩工作流体，以在流动穿过燃料喷嘴之前从燃烧室对流地除去热。因此，转移穿过延迟贫喷射器的压缩工作流体的一部分可减少提供至燃烧室的外侧的冷却量。因此，如下的改进的系统和方法将是有用的，该改进的系统和方法用于通过延迟贫喷射器将压缩工作流体更均匀地供应至燃烧器而不减少提供给燃烧室的冷却。
发明内容
本发明的方面和优点在下列描述中在下面被阐述，或者可从描述为显而易见的，或者可通过本发明的实践学习。
本发明的一个实施例为一种用于将工作流体供应至燃烧器的系统，其包括燃料喷嘴、燃料喷嘴下游的燃烧室，以及周向地环绕燃烧室的流动套筒。多个燃料喷射器围绕流动套筒周向地布置，以提供穿过流动套筒至燃烧室的流体连通。分配歧管周向地环绕多个燃料喷射器，并且穿过流动套筒并进入分配歧管的流动通路提供穿过流动套筒至多个燃料喷射器的流体连通。
本发明的另一个实施例为一种用于将工作流体供应至燃烧器的系统，其包括燃烧室、周向地环绕燃烧室的衬套，以及周向地环绕衬套的流动套筒。分配歧管周向地环绕流动套筒，并且围绕流动套筒周向地布置的多个燃料喷射器提供穿过流动套筒和衬套至燃烧室的流体连通。穿过流动套筒的流体通路提供穿过流动套筒至多个燃料喷射器的流体连通。
本发明还可包括一种用于将工作流体供应至燃烧器的系统，其包括燃料喷嘴、燃料喷嘴下游的燃烧室，以及周向地环绕燃烧室的衬套。第一环形通路周向地环绕衬套，并且第二环形通路周向地环绕第一环形通路。流体通路位于第一环形通路与第二环形通路之间。围绕衬套周向地布置的多个燃料喷射器提供从第二环形通路穿过衬套并进入燃烧室的流体连通。
一种用于将工作流体供应至燃烧器的系统，其包括：a. 燃料喷嘴；b. 燃烧室，其位于燃料喷嘴下游；c. 流动套筒，其周向地环绕燃烧室；d. 多个燃料喷射器，其围绕流动套筒周向地布置，其中，多个燃料喷射器提供穿过流动套筒至燃烧室的流体连通；e. 分配歧管，其周向地环绕多个燃料喷射器；以及f. 流体通路，其穿过流动套筒并且进入分配歧管，其中，流体通路提供穿过流动套筒至多个燃料喷射器的流体连通。
优选地，分配歧管与流动套筒大致共同延伸。
优选地，分配歧管围绕流动套筒的圆周连接于流动套筒。
优选地，系统还包括流动套筒与分配歧管之间的隔板。
优选地，隔板在流动套筒与分配歧管之间径向地延伸。
优选地，隔板围绕流动套筒周向地延伸。
优选地，系统还包括穿过流动套筒的多个流体通路，其中，多个流体通路提供穿过流动套筒至多个燃料喷射器的流体连通。
优选地，多个流体通路围绕流动套筒周向地均匀地隔开。
一种用于将工作流体供应至燃烧器的系统，其包括：a. 燃烧室；b. 衬套，其周向地环绕燃烧室；c. 流动套筒，其周向地环绕衬套；d. 分配歧管，其周向地环绕流动套筒；e. 多个燃料喷射器，其围绕流动套筒周向地布置，其中，多个燃料喷射器提供穿过流动套筒和衬套至燃烧室的流体连通；以及f. 流体通路，其穿过流动套筒，其中，流体通路提供穿过流动套筒至多个燃料喷射器的流体连通。
优选地，分配歧管轴向地延伸小于流动套筒的轴向长度的大约50%。
优选地，分配歧管围绕流动套筒的圆周连接于流动套筒。
优选地，系统还包括流动套筒与分配歧管之间的隔板。
优选地，隔板从流动套筒径向地延伸至分配歧管。
优选地，隔板围绕流动套筒周向地延伸。
优选地，系统还包括穿过流动套筒的多个流体通路，其中，多个流体通路提供穿过流动套筒至多个燃料喷射器的流体连通。
优选地，多个流体通路围绕流动套筒周向地以不同间隔隔开。
一种用于将工作流体供应至燃烧器的系统，其包括：a. 燃料喷嘴；b. 燃烧室，其位于燃料喷嘴下游；c. 衬套，其周向地环绕燃烧室；d. 第一环形通路，其周向地环绕衬套；e. 第二环形通路，其周向地环绕第一环形通路；f. 第一通路，其位于第一环形通路与第二环形通路之间；g. 多个燃料喷射器，其围绕衬套周向地布置，其中，多个燃料喷射器提供从第二环形通路穿过衬套并进入燃烧室的流体连通。
优选地，第二环形通路与第一环形通路大致共同延伸。
优选地，系统还包括第二环形通路内的隔板。
优选地，隔板围绕第一环形通路周向地延伸。
附图说明
包括对本领域技术人员而言的本发明的最佳模式的、本发明的完全且能够实现的公开在包括参考附图的说明书的其余部分中被更具体地阐述，在该附图中：
图1为根据本发明的一个实施例的系统的简化侧视截面图；
图2为根据本发明的第一实施例的图1中示出的燃烧器的一部分的简化侧视截面图；
图3为根据本发明的第二实施例的图1中示出的燃烧器的一部分的简化侧视截面图；
图4为根据本发明的第三实施例的图1中示出的燃烧器的一部分的简化侧视截面图；
图5为根据本发明的第四实施例的图1中示出的燃烧器的一部分的简化侧视截面图；
图6为根据本发明的一个实施例的沿线A-A截取的图5中示出的燃烧器的轴向截面图；以及
图7为根据本发明的可选实施例的沿线A-A截取的图5中示出的燃烧器的轴向截面图。
部件列表
10系统
12燃气涡轮
14压缩机
16燃烧器
18涡轮
20转子
22发电机
24工作流体
26静止静叶(压缩机)
28旋转叶片
30压缩机壳体
32压缩机排出室
34燃烧器壳体
36燃料喷嘴
38端盖
40燃烧室
42过渡件
44定子
46动叶
48衬套
50流动套筒
52第一环形通路
60燃料喷射器
62分配歧管
64第二环形通路
66流体通路
70螺栓
72径向凸起
80径向隔板。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，在附图中示出本发明的一个或更多个实例。详细描述使用数字和字母标记来指示图中的特征。图和描述中的同样或相似的标记用于指示本发明的同样或相似的部件。如本文中使用的，用语"第一"、"第二"和"第三"可以可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，并且不意图表示单独构件的位置或重要性。另外，用语"上游"和"下游"指示构件在流体路径中的相对位置。例如，如果流体从构件A流动至构件B，则构件A位于构件B上游。相反地，如果构件B从构件A接收流体流，则构件B位于构件A下游。
每个实例经由说明本发明而非限制本发明来提供。实际上，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。例如，示出或描述为一个实施例的一部分的特征可使用在另一个实施例上，以产生又一个实施例。因此，意图是，本发明涵盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这种修改和变化。
本发明的各种实施例包括用于将工作流体供应至燃烧器的系统及方法。大体上，系统包括周向地环绕燃烧室的多个延迟贫喷射器。系统使工作流体的一部分沿燃烧室的外侧转移或流动，并穿过周向地环绕延迟贫喷射器的分配歧管，以减少到达延迟贫喷射器的工作流体的压力和/或流动速率的变化。一个或更多个隔板可包括在分配歧管内，以进一步分配和平衡周向地围绕燃烧室的工作流体的压力和/或流动速率。因此，系统减少流动穿过每个延迟贫喷射器的工作流体的压力和/或流动速率的变化，以产生喷射到燃烧室中的更均匀的燃料-空气混合物。虽然将出于示出的目的而在并入到燃气涡轮中的燃烧器的背景下大体描述本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员将容易认识到本发明的实施例可应用于任何燃烧器，并且不受限于燃气涡轮燃烧器，除非在权利要求中明确叙述。
图1提供了根据本发明的一个实施例的系统10的简化截面图。如示出的，系统10可并入到燃气涡轮12中，燃气涡轮12具有前部处的压缩机14、围绕中部径向地配置的一个或更多个燃烧器16，以及后部处的涡轮18。压缩机14和涡轮18典型地共享连接于发电机22的共同转子20以产生电。
压缩机14可为轴流式压缩机，其中，诸如环境空气的工作流体24进入压缩机14，并且穿过交替的静止静叶26级和旋转叶片28级。当静止静叶26和旋转叶片28加速并且使工作流体24改变方向以产生压缩工作流体24的连续流时，压缩机壳体30容纳工作流体24。大多数压缩工作流体24流动穿过压缩机排出室32至燃烧器16。
燃烧器16可为本领域已知的任何类型的燃烧器。例如，如图1所示，燃烧器壳体34可周向地环绕燃烧器16中的一些或全部，以容纳从压缩机14流动的压缩工作流体24。一个或更多个燃料喷嘴36可径向地布置在端盖38中，以将燃料供应至燃料喷嘴36下游的燃烧室40。可能的燃料包括例如高炉气、焦炉气、天然气、汽化的液化天然气(LNG)、氢和丙烷中的一种或更多种。在到达端盖38并且倒转方向以流动穿过燃料喷嘴36以与燃料混合之前，压缩工作流体24可从压缩机排出室32沿燃烧室40的外侧流动。燃料和压缩工作流体24的混合物流动到燃烧室40中，在燃烧室40中，其点燃以生成具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体流动穿过过渡件42至涡轮18。
涡轮18可包括交替的定子44级和旋转动叶46级。第一级定子44使燃烧气体改变方向并且使其集中到第一级动叶46上。当燃烧气体越过第一级动叶46时，燃烧气体膨胀，从而使动叶46和转子20旋转。接着，燃烧气体流动至下一级定子44，其使燃烧气体改变方向到下一级旋转动叶46，并且该过程重复用于后面的级。
图2提供了根据本发明的第一实施例的图1中示出的燃烧器16的一部分的简化侧视截面图。如示出的，燃烧器16可包括周向地环绕燃烧室40的至少一部分的衬套48，并且流动套筒50可周向地环绕衬套48以限定环绕衬套48的第一环形通路52。以该方式，来自压缩机排出室32的压缩工作流体24可沿衬套48的外侧流动穿过第一环形通路52，以在倒转方向以流动穿过燃料喷嘴36(在图1中示出)并且流动到燃烧室40中之前向衬套48提供对流冷却。
燃烧器16还可包括围绕燃烧室40周向地布置的多个燃料喷射器60、衬套48，以及在燃料喷嘴36下游的流动套筒50。燃料喷射器60提供穿过衬套48和流动套筒50并进入燃烧室40的流体连通。燃料喷射器60可接收与供应至燃料喷嘴36的相同或不同的燃料，并且在将混合物喷射到燃烧室40中之前或同时使燃料与压缩工作流体24的一部分混合。以该方式，燃料喷射器60可供应燃料和压缩工作流体24的贫混合物，用于附加燃烧以提高燃烧器16的温度和因此效率。
分配歧管62周向地环绕燃料喷射器60以保护燃料喷射器60免受由从压缩机14流出的压缩工作流体24的直接冲击。分配歧管62可压入配合或另外连接于燃烧器壳体34和/或在流动套筒50的圆周周围，以提供在分配歧管62与流动套筒50之间的大致包封的体积或第二环形通路64。分配歧管62可沿流动套筒50的部分长度或全部长度轴向地延伸。例如，在图2中示出的特定实施例中，分配歧管62沿流动套筒50的全部长度轴向地延伸，以使分配歧管62与流动套筒50大致共同延伸。
穿过流动套筒50的一个或更多个流体通路66可提供穿过流动套筒50至分配歧管62与流动套筒50之间的第二环形通路64的流体连通。因此，压缩工作流体24的一部分可转移或流动穿过流体通路66并进入第二环形通路64。当压缩工作流体24在第二环形通路64内围绕流动套筒50流动时，到达燃料喷射器60的工作流体24的压力和/或流动速率的变化减少以产生喷射到燃烧室40中的更均匀的燃料-空气混合物。
图3和图4提供了根据本发明的可选实施例的图1中示出的燃烧器16的一部分的简化侧视截面图。如示出的，燃烧器16又包括衬套48、流动套筒50、第一环形通路52、燃料喷射器60、分配歧管62、第二环形通路64以及流体通路66，如先前关于图2中示出的实施例描述的。在这些特定实施例中，多个螺栓70用于将分配歧管62的一个端部连接于燃烧器壳体34。另外，分配歧管62包括接近燃料喷射器60并与燃料喷射器60轴向地对齐的径向凸起72。径向凸起72可如图3所示地与分配歧管62集成，或者可为如图4所示地连接于分配歧管62和/或流动套筒50的分开的套筒、套环或相似装置。另外，径向凸起72可如图3所示地周向地环绕流动套筒50，或者可如图4所示地与燃料喷射器60重合地存在。在任一情况下，径向凸起72在功能上提供分配歧管62与燃料喷射器60之间的附加间隙。该间隙可操作地减少到达燃料喷射器60的压缩工作流体24的压力和/或流动速率的变化，这可产生喷射到燃烧室40中的更均匀的燃料-空气混合物。
图5提供了根据本发明的可选实施例的图1中示出的燃烧器16的一部分的简化侧视截面图。如图5所示，分配歧管62又周向地环绕流动套筒50和/或燃料喷射器60，以保护燃料喷射器60免受由从压缩机14流出的压缩工作流体24的直接冲击。另外，穿过流动套筒50的流体通路66又允许压缩工作流体24的一部分流动穿过第一环形通路52、穿过流动套筒50，并在到达燃料喷射器60之前流动至第二环形通路64内。然而，在该特定实施例中，分配歧管62仅覆盖流动套筒50的一小部分。例如，分配歧管62可轴向地延伸小于流动套筒50的轴向长度的大约75%、50%或25%。另外，一个或更多个隔板80在流动套筒50与分配歧管62之间径向地延伸。隔板80可连接于流动套筒50和/或分配歧管62，可围绕流动套筒50中的一些或全部周向地延伸，并且/或者可包括用以增强压缩工作流体24围绕流动套筒50的分配的通路或孔。以该方式，隔板80可减少到达燃料喷射器60的压缩工作流体24的压力和/或流动速率的变化，以产生喷射到燃烧室40中的更均匀的燃料-空气混合物。
图6和图7提供了根据本发明的各种实施例的沿线A-A截取的图5中示出的燃烧器16的轴向截面图。如图6所示，流体通路66可围绕流动套筒50均匀地隔开，并且/或者相对于燃料喷射器60周向地交错。流体通路66的均匀隔开可在如下应用中为有用的，在该应用中，压缩工作流体24的压力和/或流不围绕流动套筒50的圆周过大地变化，并且/或者隔板80充分地分配第二环形通路64内的压缩工作流体24以充分地减少到达燃料喷射器60的压缩工作流体24的压力和/或流动速率的任何变化。可选地，如图7所示，流体通路66可围绕流动套筒50以不同间隔周向地隔开。流体通路66之间的非均匀隔开可在如下应用中为有用的，在该应用中，压缩工作流体24的静压力围绕流动套筒50的圆周过大地变化，并且/或者隔板80不充分地分配第二环形通路64内的压缩工作流体24以充分地减少到达燃料喷射器60的压缩工作流体24的压力和/或流动速率的任何变化。
关于图1-7示出和描述的系统10还可提供用于将工作流体24供应至燃烧器16的方法。该方法可包括使工作流体24从压缩机14流动穿过第一环形通路52，第一环形通路52周向地环绕燃烧室40和衬套48。该方法还可包括使工作流体24的一部分转移穿过流动套筒50中的流体通路66、进入流动套筒50与分配歧管62之间的第二环形通路64，并穿过围绕燃烧室40周向地布置的燃料喷射器60。在特定实施例中，该方法还可包括使工作流体24的转移的部分流动穿过隔板80，以围绕燃烧室40大致均匀地分配转移的工作流体24，隔板80在分配歧管62内径向地和/或周向地延伸。
本发明的各种实施例可提供优于现有的延迟贫喷射系统的一个或更多个技术优点。例如，本文中描述的系统和方法可减少穿过每个燃料喷射器60的工作流体24的压力和/或流的变化。因此，各种实施例需要较少的分析来实现穿过燃料喷射器60的期望的燃料-空气比，并且增强燃料喷射器60实现期望的效率和减少来自燃烧器16的排放物的预期能力。另外，本文中描述的各种实施例可将工作流体24供应至燃料喷射器60，而不减少由工作流体24提供给燃烧室40的冷却量。
该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域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并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利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实例。如果这些其它实例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。
Claims (17)
1.一种用于将工作流体供应至燃烧器的系统，其包括：
a.燃料喷嘴；
b.燃烧室，其位于所述燃料喷嘴下游；
c.流动套筒，其周向地环绕所述燃烧室；
d.多个燃料喷射器，其围绕所述流动套筒周向地布置，其中，所述多个燃料喷射器提供穿过所述流动套筒至所述燃烧室的流体连通；
e.分配歧管，其周向地环绕所述多个燃料喷射器；以及
f.流体通路，其穿过所述流动套筒并且进入所述分配歧管，其中，所述流体通路提供穿过所述流动套筒至所述多个燃料喷射器的流体连通；
其中所述分配歧管围绕所述流动套筒的圆周连接于所述流动套筒。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分配歧管与所述流动套筒大致共同延伸。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括所述流动套筒与所述分配歧管之间的隔板。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述隔板在所述流动套筒与所述分配歧管之间径向地延伸。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述隔板围绕所述流动套筒周向地延伸。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括穿过所述流动套筒的多个流体通路，其中，所述多个流体通路提供穿过所述流动套筒至所述多个燃料喷射器的流体连通。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述多个流体通路围绕所述流动套筒周向地均匀地隔开。
8.一种用于将工作流体供应至燃烧器的系统，其包括：
a.燃烧室；
b.衬套，其周向地环绕所述燃烧室；
c.流动套筒，其周向地环绕所述衬套；
d.分配歧管，其周向地环绕所述流动套筒；
e.多个燃料喷射器，其围绕所述流动套筒周向地布置，其中，所述多个燃料喷射器提供穿过所述流动套筒和所述衬套至所述燃烧室的流体连通；
f.流体通路，其穿过所述流动套筒，其中，所述流体通路提供穿过所述流动套筒至所述多个燃料喷射器的流体连通；以及
g.隔板，其设置在所述流动套筒与所述分配歧管之间。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述分配歧管轴向地延伸小于所述流动套筒的轴向长度的50％。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述分配歧管围绕所述流动套筒的圆周连接于所述流动套筒。
11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述隔板从所述流动套筒径向地延伸至所述分配歧管。
12.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述隔板围绕所述流动套筒周向地延伸。
13.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括穿过所述流动套筒的多个流体通路，其中，所述多个流体通路提供穿过所述流动套筒至所述多个燃料喷射器的流体连通。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述多个流体通路围绕所述流动套筒周向地以不同间隔隔开。
15.一种用于将工作流体供应至燃烧器的系统，其包括：
a.燃料喷嘴；
b.燃烧室，其位于所述燃料喷嘴下游；
c.衬套，其周向地环绕所述燃烧室；
d.第一环形通路，其周向地环绕所述衬套；
e.第二环形通路，其周向地环绕所述第一环形通路；
f.第一通路，其位于所述第一环形通路与所述第二环形通路之间；
g.多个燃料喷射器，其围绕所述衬套周向地布置，其中，所述多个燃料喷射器提供从所述第二环形通路穿过所述衬套并进入所述燃烧室的流体连通；以及
h.隔板，其设置在所述第二环形通路内。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述第二环形通路与所述第一环形通路大致共同延伸。
17.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述隔板围绕所述第一环形通路周向地延伸。
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