CN103968421A - 具有嵌套燃料歧管系统的可变体积燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有嵌套燃料歧管系统的可变体积燃烧器。所述燃烧器可包括：若干微混合器燃料喷嘴、与所述微混合器燃料喷嘴连通以向其传送燃料流的燃料歧管系统以及用以操纵所述微混合器燃料喷嘴和所述燃料歧管系统的线性致动器。

Description

具有嵌套燃料歧管系统的可变体积燃烧器

关于由联邦政府赞助的研究的声明

本发明受到政府支持，合同编号为DE-FC26-05NT42643，由美国能源部授予。政府享有本发明的某些权利。

技术领域

本发明大体上涉及燃气涡轮机领域，更确切地说，涉及具有机动的微混合器的燃料喷嘴的可变体积燃烧器，其燃料喷嘴与嵌套设置的燃料歧管系统相连通。

背景技术

燃气涡轮发动机的工作效率和总输出大体上随热燃烧气体流温度的增高而增大。然而，高的燃烧气体流温度可能产生较高水平的氮氧化物和其他类型的管制排放物。因此，在以下益处之间存在一种平衡的做法：在有效高温范围内操作燃气涡轮发动机，同时又确保氮氧化物和其他类型的管制排放物的输出保持在规定水平以下。此外，不同的负载水平、不同的环境条件和许多其他类型的操作参数也可以对总燃气涡轮机效率和排放物具有显著影响。

通过在燃烧之前提供燃料流与空气流的良好混合，可以促进较低排放水平的氮氧化物等等。这种预混合倾向于减小燃烧温度梯度和减少氮氧化物的输出。一种提供这种良好混合的方法是通过使用具有许多微混合器燃料喷嘴的燃烧器。一般来说，微混合器燃料喷嘴使小体积的燃料和空气在燃烧之前在腔室内的许多微混合器管中进行混合。

尽管当前微混合器燃烧器和微混合器燃料喷嘴设计提供提高的燃烧性能，但是在某些类型的操作条件下用于微混合器燃料喷嘴的可操作性窗口可能至少部分地由动力学和排放物方面的问题所限定。确切地说，某些内部部件的工作频率可以耦合，以便产生高频或低频动力场。这样的动力场可能对燃烧器部件以及下游涡轮机部件的物理性质具有负面影响。在这种情况下，当前燃烧器设计可以通过使燃料流或空气流分级以防止动力场的形成，来试图避免此类操作条件。分级力求产生具有稳定燃烧的局部区域，即使就排放物、可燃性等等而言大部分条件可能使设计超出通常工作范围。然而，这样的分级可能需要时间密集校准并且还可能需要在低于最佳水平下操作。

因此，希望有改进的微混合器燃烧器设计。此类改进的微混合器燃烧器设计可以促进燃料流和空气流在其中进行良好混合，以便以较高的温度和效率进行操作而同时具有较低的总排放和较低的动力学。此外，此类改进的微混合器燃烧器设计可以实现这些目标而不会大大增加总系统复杂性和成本。

发明内容

因此，本发明提供一种用于与燃气涡轮发动机一起使用的燃烧器。所述燃烧器可以包括：多个微混合器燃料喷嘴、与所述微混合器燃料喷嘴连通以向其传送燃料流的燃料歧管系统，和用以操纵所述微混合器燃料喷嘴和所述燃料歧管系统二者的线性致动器。

本发明进一步提供一种操作燃烧器的方法。所述方法可以包括以下步骤：将许多微混合器燃料喷嘴定位在驱动杆周围；通过共用燃料管向所述微混合器燃料喷嘴供应燃料流；以及通过所述驱动杆操纵所述共用燃料管和所述微混合器燃料喷嘴。

本发明进一步提供一种用于与燃气涡轮发动机一起使用的燃烧器。所述燃烧器可以包括：多个微混合器燃料喷嘴、与所述微混合器燃料喷嘴连通以向其传送燃料流的多个嵌套燃料回路，和用以操纵所述微混合器燃料喷嘴的驱动杆。

在结合若干附图和所附权利要求书来阅读以下具体实施方式之后，所属领域的一般技术人员将明白本发明和相应专利的这些和其他特征和改进。

附图说明

图1是示出压缩机、燃烧器和涡轮机的燃气涡轮发动机的示意图。

图2是可以与图1的燃气涡轮发动机一起使用的燃烧器的示意图。

图3是可以与图2的燃烧器一起使用的微混合器燃料喷嘴的一部分的示意图。

图4是如可以在本说明书中描述的微混合器燃烧器的示意图。

图5是图4的微混合器燃烧器的实例的透视图。

图6是图5的微混合器燃烧器的侧视截面图。

图7是如可以与图5的微混合器燃烧器一起使用的嵌套燃料歧管系统的一部分的展开图。

具体实施方式

现参阅附图，在附图中，相同数字指示若干视图中的相同元件，图1示出如在本说明书中可以使用的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可以包括压缩机15。压缩机15压缩进入的空气流20。压缩机15向燃烧器25传送压缩的空气流20。燃烧器25使压缩的空气流20与加压的燃料流30进行混合，并且点燃所述混合物以产生燃烧气体流35。尽管仅示出单个燃烧器25，但是燃气涡轮发动机10可以包括任何数量的所述燃烧器25。进而向涡轮机40传送燃烧气体流35。燃烧气体流35驱动涡轮机40，以便产生机械功。在涡轮机40中产生的机械功通过轴45来驱动压缩机15和如发电机等等的外部负载50。

燃气涡轮发动机10可以使用天然气、液体燃料、各种类型的合成气和/或其他类型的燃料及其组合。燃气涡轮发动机10可以是由纽约斯卡奈塔第（Schenectady，New York）的通用电气公司（GeneralElectric Company）所提供的许多不同燃气涡轮发动机中的任何一种，包括但不限于，如7或9系列重型燃气涡轮发动机等等的那些燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机10可以具有不同构型，并且可以使用其他类型的部件。在本说明书中还可以使用其他类型的燃气涡轮发动机。在本说明书中也可以一起使用多种燃气涡轮发动机、其他类型的涡轮机和其他类型的发电设备。

图2示出如可以与以上所描述的燃气涡轮发动机10等等一起使用的燃烧器25的实例的示意图。燃烧器25可以从头端处的端盖52延伸至尾端处的在涡轮机40周围的过渡连接件54。多个燃料喷嘴56可以定位在端盖52周围。内衬58可以从燃料喷嘴56朝向过渡连接件54延伸，并且可以在其中限定出燃烧区域60。内衬58可以由导流套管62围绕。内衬58和导流套管62可以在其间限定出流动路径64，以用于来自压缩机15的空气流20等等的流动。在本说明书中可以筒环形阵列等等来使用任何数量的燃烧器25。本说明书中所描述的燃烧器25仅出于示例的目的。在本说明书中可以使用具有其他部件和其他构型的燃烧器。

图3示出可以与燃烧器25等等一起使用的微混合器燃料喷嘴66的一部分。微混合器燃料喷嘴66可以包括定位在燃料管70周围的许多微混合器管68。微混合器管68一般可以具有实质上均一的直径并且可以安排成环形、同心排。在本说明书中可以任何尺寸、形状或构型来使用任何数量的微混合器管68。微混合器管68可以通过燃料板72与来自燃料管70的燃料流30连通，并且通过流动路径64与来自压缩机15的空气流20连通。小体积的燃料流30和小体积的空气流20可以在微混合器管68中的每一个内进行混合。混合的燃料-空气流可以向下游流动以用于在燃烧区域60中燃烧，并且如以上所描述在涡轮机40中使用。在本说明书中可以使用其他部件和其他构型。

图4示出如可以在本说明书中描述的燃烧器100的实例。燃烧器100可以是有任何数量的微混合器燃料喷嘴120等等定位在其中的微混合器燃烧器110。微混合器燃料喷嘴120可以类似于以上所描述的那些。微混合器燃料喷嘴120可以是扇形形状的、圆形形状的和/或具有任何尺寸、形状或构型。同样，微混合器喷嘴120可以在其中包括处于任何构型的任何数量的微混合器管。微混合器燃料喷嘴120可以与共用燃料管125连通。共用燃料管125可以在其中带有一个或多个燃料回路。所述多个燃料回路因此可以允许微混合器燃料喷嘴120的分级。可以将微混合器燃料喷嘴120安装在帽盖组件130或类似结构内。帽盖组件130可以具有任何尺寸、形状或构型。帽盖组件130可以由常规密封件135等等围绕。

类似于以上所描述的，燃烧器100可以从其头端150处的端盖140延伸。内衬160可以围绕帽盖组件130和密封件135，而微混合器燃料喷嘴120处于其中。内衬160可以在帽盖组件130的下游限定出燃烧区域170。内衬160可以由壳体180围绕。内衬160、壳体180和导流套管（未示出）可以在其间限定出流动路径190，以用于来自压缩机15的空气流20等等的流动。内衬160、燃烧区域170、壳体180和流动路径190可以具有任何尺寸、形状或构型。在本说明书中可以筒环形阵列等等来使用任何数量的燃烧器100。本说明书中还可以使用其他部件和其他构型。

燃烧器100还可以是可变体积燃烧器195。因此，可变体积燃烧器195可以包括线性致动器200。线性致动器200可以定位在端盖140周围并且在所述端盖的外部。线性致动器200可以具有常规设计，并且可以提供线性或轴向运动。可以机械地、机电地、压电地、气动地、液压地和/或其组合地来操作线性致动器200。举例来说，线性致动器200可以包括：液压缸、齿条齿轮式系统、滚珠丝杆、手动曲柄或能够提供受控轴向运动的任何类型的装置。线性致动器200可以与全部燃气涡轮控件连通以便基于系统反馈等等进行动态操作。

线性致动器200可以通过驱动杆210等等与共用燃料管125连通。驱动杆210可以具有任何尺寸、形状或构型。共用燃料管125可以定位在驱动杆210周围，以便随所述驱动杆进行移动。线性致动器200、驱动杆210和共用燃料管125因此可以沿内衬160的长度将帽盖组件130，并带动其中的微混合器喷嘴120，轴向地操纵到任何适合位置。共用燃料管125内的多个燃料回路可以允许燃料喷嘴分级。本说明书中还可以使用其他部件和其他构型。

在使用中，线性致动器200可以操纵帽盖组件130，以便相对于内衬160的体积来改变头端150的体积。因此通过使微混合器燃料喷嘴120沿内衬160伸出或缩回，可以减小或增大内衬体积（以及燃烧区域170的体积）。此外，可以在不改变总系统压降的情况下操纵帽盖组件130。典型燃烧器系统可以改变总压降。然而，这样的压降一般对冷却其中的部件具有影响。此外，压降的变化可以对控制燃烧动力学造成困难。

改变上游体积和下游体积可以致使改变总反应停留时间，并且因此改变氮氧化物、一氧化碳和其他类型排放物的总排放水平。一般来说，反应停留时间与内衬体积直接相关，并且因此可以在本说明书中进行调整以满足给定操作模式的排放要求。此外，改变停留时间还可能对降燃（turndown）和燃烧器动力学具有影响，因为总声行为可以随头端体积和内衬体积的改变而改变。

例如，在基础负载下，一般可能需要短的停留时间来确保低氮氧化物水平。相反，在低负载条件下，可能需要较长的停留时间来减少一氧化碳水平。因此作为在总系统压降上没有变化的可调谐燃烧器，本说明书中所描述的燃烧器100提供优化排放和动力减缓。具体地说，在本说明书中，燃烧器100提供以下能力：主动地改变体积，以便调谐燃烧器100来提供最小动态响应而不会影响燃料分级。

尽管将本说明书中所描述的线性致动器200显示为作为整体来操纵帽盖组件130中的微混合器燃料喷嘴120，还可以使用多个线性致动器200，以便单独地操纵微混合器燃料喷嘴120并且提供喷嘴分级。在此实例中，单独的微混合器燃料喷嘴120可以在其间并且相对于帽盖组件130提供另外的密封。在本说明书中还可以使用旋转运动。此外，在本说明书中可以使用无微混合器的燃料喷嘴，和/或在本说明书中可以一起使用无微混合器的燃料喷嘴和微混合器燃料喷嘴。在本说明书中还可以使用其他类型的轴向运动装置。在本说明书中可以使用其他部件和其他构型。

图5和图6示出可以与燃烧器100等等一起使用的预喷嘴燃料喷射系统220的实例。燃料喷嘴120各自可以安装至预喷嘴燃料喷射系统220上。预喷嘴燃料喷射系统220可以包括燃料喷嘴歧管230。燃料喷嘴歧管230可以与共用燃料管125连通，并且可以如以上所描述通过驱动杆210可操纵。燃料喷嘴歧管230可以具有任何尺寸、形状或构型。

预喷嘴燃料喷射系统220的燃料喷嘴歧管230可以包括中心毂240。中心毂240可以具有任何尺寸、形状或构型。中心毂240可以将多个不同流容纳在其中。预喷嘴燃料喷射系统220的燃料喷嘴歧管230可以包括从中心毂240延伸的多个支撑支杆250。可以使用任何数量的支撑支杆250。尽管在本说明书中可以使用任何尺寸、形状或构型，但是支撑支杆250可以具有实质上空气动力学轮廓形状255。具体地说，支撑支杆250各自可以包括上游端260、下游端270、第一侧壁280和第二侧壁290。支撑支杆250可以从中心毂240向帽盖组件130径向地延伸。每个支撑支杆250可以与燃料喷嘴120中的一个或多个连通，以便向其提供燃料流30。燃料喷嘴120可以从支撑支杆250各自的下游端270轴向地延伸。本说明书中可以使用其他部件和其他构型。

图5至图7还示出如可以在本说明书中使用的嵌套燃料歧管系统320。嵌套燃料歧管系统320可以与预喷嘴燃料喷射系统220或其他类型的燃料喷射系统合作，以便安全地向燃料喷嘴120传送一个或多个燃料流30。此外，嵌套燃料歧管系统320还可以与线性致动器200和驱动杆210合作，以在限制穿过端盖140的数量同时，调节帽盖组件130内燃料喷嘴120的轴向运动。

嵌套燃料歧管系统320包括嵌套燃料歧管330。嵌套燃料歧管330可以在头端150处的端盖140外部定位在线性致动器200周围，以便随所述线性致动器进行移动。嵌套燃料歧管330可以包括许多燃料回路连接340。可以使用任何数量的燃料回路连接340。在本说明书中，燃料回路连接340可以与相同或不同类型的燃料流30连通，以便提供燃料灵活性。燃料回路连接340可以具有任何尺寸、形状或构型。

嵌套燃料歧管330的燃料回路连接340各自可以与嵌套燃料供应回路350连通。在此实例中，示出三个（3个）嵌套燃料供应回路350：第一嵌套燃料供应回路360、第二嵌套燃料供应回路370和第三嵌套燃料供应回路380。然而，在本说明书中可以使用任何数量的嵌套燃料供应回路350。嵌套燃料供应回路350可以环状地嵌套在彼此内，以使得第一嵌套燃料供应回路360定位在第二嵌套燃料供应回路370内，而所述第二嵌套燃料供应回路又定位在第三嵌套燃料供应回路380内。燃料供给密封件390可以使嵌套燃料供应回路350各自分开。嵌套燃料供应回路350各自可以采取挠性软管400等等的形式。嵌套燃料供应回路350可以具有任何尺寸、形状或构型。嵌套燃料供应回路350共同地充当共用燃料管125。

嵌套燃料供应回路350可以定位在共用燃料管125内，以便使穿透端盖140到单一入口410的数量最小化。然而，在本说明书中也可以使用穿过端盖140的其他类型的进口/进入。嵌套燃料供应回路350可以与燃料喷嘴歧管230连通。嵌套燃料供应回路350各自可以专用于特定燃料喷嘴120，或所述嵌套燃料供应回路通常可以整体地或部分地向所述燃料喷嘴歧管进行馈送。本说明书中可以使用其他部件和其他构型。

嵌套燃料歧管系统320因此提供简化系统以向燃烧器100提供燃料流30。嵌套燃料供应回路350的使用限制潜在泄露路径的数量。具体地说，如果嵌套燃料供应回路350之一泄露，那么所述泄露将会简单地流入下一个回路350或共用燃料管125中。由于在可能发生自燃的喷嘴120上游的燃料泄露可能性，端盖140内挠性软管的泄露可能导致硬件损失和长时间涡轮机停机。此外，燃料连接340在端盖140的外部，在这里温度低得多并且在这里燃料泄露是更容易检测到的。

嵌套燃料供应回路350在提供多个燃料回路的同时还使穿透端盖140的数量最小化。假设相对于驱动杆210同轴定向（in-line orientation），则整个嵌套燃料歧管系统320因此与帽盖组件130和线性致动器200一起操纵。这样的定向可以限制所述燃料连接上的应力。这与其中燃料歧管是固定不动的并且每个连接穿过端盖以供应燃料的典型定向形成对比。嵌套燃料歧管系统320因此提供多个燃料回路，同时使简化构型中泄露路径的数量最小化。

应了解，上述说明仅涉及本发明和相应专利的某些实施例。所属领域的技术人员可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明做多种变化和修改，本发明的精神和范围由所附权利要求书及其等效物定义。

Claims (20)

1.一种用于与燃气涡轮发动机一起使用的燃烧器，其包括：

多个微混合器燃料喷嘴；

燃料歧管系统，其与所述多个微混合器燃料喷嘴连通以向其传送燃料流；以及

线性致动器，其操纵所述多个微混合器燃料喷嘴和所述燃料歧管系统。

2.如权利要求1所述的燃烧器，其中所述多个微混合器燃料喷嘴包括多个微混合器燃料管和一个燃料板。

3.如权利要求1所述的燃烧器，其中所述多个微混合器喷嘴定位在帽盖组件内。

4.如权利要求1所述的燃烧器，其中所述燃料歧管系统包括嵌套燃料歧管系统。

5.如权利要求1所述的燃烧器，其中所述燃料歧管系统包括嵌套燃料歧管。

6.如权利要求5所述的燃烧器，其中所述嵌套燃料歧管包括一个或多个燃料回路连接。

7.如权利要求1所述的燃烧器，其中所述燃料歧管系统包括多个燃料回路。

8.如权利要求1所述的燃烧器，其中所述燃料歧管系统包括多个嵌套燃料回路。

9.如权利要求8所述的燃烧器，其中所述多个嵌套燃料回路包括定位在其间的多个燃料供给密封件。

10.如权利要求8所述的燃烧器，其中所述多个嵌套燃料回路包括多个挠性软管。

11.如权利要求8所述的燃烧器，其中所述多个嵌套燃料回路各自与所述多个微混合器燃料喷嘴之一连通。

12.如权利要求8所述的燃烧器，其中所述多个嵌套燃料回路各自与燃料喷嘴歧管连通。

13.如权利要求8所述的燃烧器，其中所述线性致动器包括驱动杆，并且其中所述多个嵌套燃料回路由所述驱动杆操纵。

14.如权利要求13所述的燃烧器，其进一步包括端盖并且其中所述多个嵌套燃料回路包括穿过所述端盖的单一入口。

15.一种操作燃烧器的方法，其包括：

将多个微混合器燃料喷嘴设置在驱动杆周围；

通过共用燃料管向所述多个微混合器燃料喷嘴供应燃料流；以及

通过所述驱动杆来操纵所述共用燃料管和所述多个微混合器燃料喷嘴。

16.一种用于与燃气涡轮发动机一起使用的燃烧器，其包括：

多个燃料喷嘴；

多个嵌套燃料回路，其与所述多个燃料喷嘴连通以向其传送燃料流；以及

驱动杆，其用以操纵所述多个燃料喷嘴。

17.如权利要求16所述的燃烧器，其中所述多个燃料喷嘴包括多个微混合器喷嘴。

18.如权利要求16所述的燃烧器，其进一步包括与所述多个嵌套燃料回路连通的嵌套燃料歧管。

19.如权利要求18所述的燃烧器，其中所述嵌套燃料歧管包括一个或多个燃料回路连接。

20.如权利要求16所述的燃烧器，其中所述多个嵌套燃料回路包括多个挠性软管。