專利名稱：對燃燒器的首端提供高壓空氣的系統和方法
技術領域：
本公開大體涉及對燃燒器的首端提供高壓空氣的系統和方法，并且更具體而言， 涉及冷卻燃燒器帽組件的系統和方法。
背景技術：
燃氣輪機通常包括壓縮機、若干燃燒器以及渦輪。典型地，壓縮機和渦輪沿著共用軸線對準，并且燃燒器定位在壓縮機和渦輪之間，繞著共用軸線成圓形陣列。在運行中，壓縮機產生壓縮空氣，壓縮空氣供應給燃燒器。燃燒器燃燒壓縮空氣與燃料，以產生熱的燃燒產物，該燃燒產物供應給渦輪。渦輪從熱的燃燒產物中提取能量來驅動負載。為了提高效率，現代燃燒器以足夠高到損害燃燒器結構以及產生污染物(例如氮氧化物(NOx))的溫度來運行。通過在預混合空氣與燃料來形成空氣-燃料混合物(當燃燒時，這會產生更低水平的NOx)之前將壓縮空氣引導到燃燒器外部上(這會冷卻燃燒器) 來減輕這些風險。出于這些原因，燃燒器典型地包括流動套管，流動套管限定了繞著燃燒器的環形通路。環形通路通過定位在燃燒器附近的擴散器來接收來自壓縮機的空氣。為了冷卻的目的，空氣沖擊在過渡管道和燃燒襯套上。然后該空氣沿相反的方向通過環形通路而朝向燃燒帽組件行進，燃燒帽組件容納燃料噴嘴。該空氣的一部分還從環形通路被轉移，以冷卻帽組件。例如，帽組件的端面暴露于燃燒室的高溫。因此，通常用通過帽組件壁中的開口而從環形通路轉移的空氣來冷卻端面。轉移的空氣沖擊端面，并且通過端面進入燃燒室。因此，轉移的空氣不與燃料預混合，這加重了 NOx的產生。行進通過環形通路的空氣會經歷壓力損失。由于這些壓力損失的原因，需要增加的量的空氣來冷卻帽組件，從而導致在燃燒器中有更低的百分比的預混合空氣。而且，通過端面的空氣流壓力可能不足以克服由于火焰不穩定而在燃燒室中出現的動態壓力波。動態壓力波可在端面上施加阻礙或阻止冷卻流的壓力，使得端面變熱以及可能故障。對帽組件供應較高壓空氣將減少冷卻所需要的空氣的量，使得相對更大的百分比的燃燒空氣可與燃料預混合，從而減少NOx的產生。另外，供應較高壓空氣將改進動態阻隔。因此，存在對燃燒器的首端(例如對帽組件)供應較高壓空氣的需要。
發明內容
一種燃燒器包括第一流徑和第二流徑。第一流徑將擴散器設置成通過中間的下部燃燒器環形通路與燃燒器帽組件間接流體連通。第二流徑將擴散器設置成與燃燒器帽組件直接流體連通。在審閱附圖和詳細說明之后，對于本領域技術人員，其它系統、裝置、方法、特征和優點將是顯而易見的或將變得顯而易見。所有這樣的另外的系統、裝置、方法、特征和優點意在包括在描述內，并且意在由所附權利要求書保護。
參照附圖，可更好地理解本公開。相配的參考標號在所有圖中指定對應的部件，并且圖中的構件不一定按比例繪制。
圖1是現有技術燃燒器的一個實施例的截面圖，其示出了通過燃燒器的空氣流徑。
圖2是現有技術燃燒器帽組件的平面圖。
圖3是沿著線3-3獲得的圖2所示的現有技術燃燒器帽組件的局部截面圖。
圖4是根據本發明的實施例的燃燒襯套帽組件的一個實施例的透視圖。
圖5是圖4所示的帽組件的一部分的透視圖，其從另一個角度示出了帽組件。
圖6是根據本發明的實施例的燃燒器的一個實施例的截面圖。
圖7是圖6所示的燃燒器的一部分的截面圖，其示出了帽組件的一部分。
圖8是示出了冷卻燃燒器帽組件的方法的一個實施例的框圖。
部件列表
100燃燒器
102燃燒襯套
104燃燒室
106燃燒襯套帽組件
108過渡管道
110環形通路
112環形流動套管
114燃料噴嘴
116立而蓋
118前箱
120后箱
122壓縮機排出箱
124外壁
126內壁
128端面
132帽室
134開口
136支架
400燃燒襯套帽組件
440外壁或外流動套管
442內壁或內流動套管
444端面
446前面
450跨接管
452開口
466端面
600燃燒器
650燃燒襯套帽組件
652前箱
653后凸緣/CDC交接處
654壓縮機排出箱
656環形壁
660凸緣
662外壁
664內壁
666端面
668前面
670立而蓋
672燃燒襯套
674燃燒室
678連接點
680帽室
682環形通路
684內部帽環形通路
686燃燒器流動套管
688下部燃燒器環形通路
690擴散器
692沖擊部分
696跨接管
698分配孔
699通道孑L
具體實施例方式圖1是現有技術燃燒器100的一個實施例的截面圖。燃燒器100包括限定燃燒室 104的燃燒襯套102。燃燒襯套102在燃燒襯套帽組件106和過渡管道108之間延伸。燃燒襯套帽組件106容納燃料噴嘴，燃料噴嘴預混合空氣和燃料，并且將產生的空氣-燃料混合物引導到燃燒室104中。過渡管道108將來自燃燒室104的燃燒產物引導到相鄰的渦輪中。環形流動套管112定位在燃燒器100的周圍。環形流動套管112限定環形通路 110或流徑，以便于空氣從過渡管道108朝向帽組件106行進。環形通路110通過定位在燃燒器100附近的擴散器來接收來自壓縮機的空氣。該空氣可具有相對高的壓力，例如約 250至約300psia的壓縮機排氣壓力(POT)。這種空氣通常被稱為壓縮機排出空氣或P⑶ 空氣。PCD空氣通過沖擊套管傳送進入燃燒器100中，沖擊套管將空氣沖擊在過渡管道108 和燃燒襯套102上。然后該空氣沿著燃燒室104的長度沿相反的方向行進。從而，空氣在到達帽組件106之前冷卻燃燒器100。通過環形通路110的這個流徑在圖1中由箭頭示出。 P⑶空氣在其沿著燃燒器100行進時經歷壓降，大體稱為燃燒器壓降或“ ΔP”。ΔP可比較高，例如約15psid。在帽組件106處，空氣與燃料預混合，以形成空氣-燃料混合物。具體而言，若干個燃料噴嘴114從端蓋116延伸到帽組件106中。燃料噴嘴114通過端蓋116接收燃料，并且接收來自環形通路110的空氣。燃料噴嘴114使空氣和燃料混合，并且將產生的空氣-燃料混合物噴射到燃燒室104中，該混合物在燃燒室104中燃燒。燃燒器100進一步包括前箱118、后箱120和壓縮機排出箱122。前箱118定位在燃燒器100的前端處，并且支承端蓋116。后箱120安裝到壓縮機排出箱122上，壓縮機排出箱122容納擴散器。前箱118和后箱120共同在燃燒器外部的周圍形成壓力容器，并且帽組件106定位在該壓力容器的內側。在圖2-3中顯示了帽組件106的一個實施例。帽組件106包括外壁124、內壁126、 端面128，并且在一些情況下，包括前面130。外壁IM形成凸緣，該凸緣承座在后箱120中， 以將帽組件106安裝到燃燒器100上。當這樣安裝時，外壁124從凸緣朝向前箱118向前延伸。外壁124限定環形通路110的一部分的外邊界。帽組件106的內壁126相對于外壁124在內側隔開，并且被若干個支架136支承在外壁IM上，支架136延伸通過環形通路110。內壁126限定帽室132，燃料噴嘴114延伸通過帽室132。內壁1 還限定若干個開口 134，開口 134容許將空氣從環形通路110轉移到帽室132中，以用于冷卻目的。轉移的空氣通過端面1 中的若干個小開口，以便以對流的方式冷卻端面1 (端面1 封閉燃燒室104的前端，并且因此而暴露于高溫)。圖1 中的箭頭示出了進入帽室132的轉移的空氣。在圖1中，箭頭的長度示意性地表示行進通過環形通路110和帽組件106的空氣的壓力。如圖所示，空氣在其行進通過環形通路110和帽組件106時經歷壓力損失。在一個實施例中，例如，進入環形通路110的空氣在其行進穿過沖擊套管時損失約5psi，從而在環形通路110中產生約M5psia的壓力。在空氣沿著環形通路110行進、進入帽組件106 以及在端蓋116附近轉向時發生約2至3psi的額外損失。因此，約3至6psi的壓降可為在空氣到達帽室132時剩余來用于冷卻的所有壓降。因為系統壓力損失的原因，需要相對較大量的較低壓空氣來冷卻帽組件106。以下描述的是對燃燒器的首端提供高壓空氣的系統和方法的實施例。在實施例中，高壓空氣是來自擴散器的PCD空氣。另外在各實施例中，對燃燒襯套帽組件提供高壓空氣。高壓空氣可被提供給帽組件，以冷卻帽組件或改進動態阻隔。高壓空氣也可用于其它目的。在實施例中，系統和方法在PCD空氣源和燃燒器的首端之間提供了流徑。例如，系統和方法可將擴散器直接連接到帽組件上。在一些實施例中，直接連接可為將PCD空氣從擴散器通過端口運送到(port)帽組件或首端的其它部分的簡單的管。在其它實施例中，可通過帽組件中的額外的外部環形通路來提供直接連接。可將外部環形通路與帽組件中的內部環形通路至少部分地密封開。內部環形通路沿著燃燒器的長度接收空氣(很像傳統的環形通路)，而外部環形通路將高壓空氣引導到帽組件。例如，外部環形通路可接收直接來自擴散器的高壓空氣，并且可將較高壓空氣直接通過端口運送到帽組件。從而，較高壓空氣就不會經歷與沖擊過渡管道和燃燒襯套以及沿著燃燒室的長度朝向帽組件行進相關聯的壓力損失。在實施例中，外部環形通路形成于在燃燒器周圍的壓力容器的一部分和帽組件的一部分之間。具體而言，外部環形通路可形成于前箱壁和帽組件的外部帽流動套管之間，前箱壁從端蓋附近的前箱延伸到鄰近擴散器的壓縮機排出箱，外部帽流動套管從前箱延伸到燃燒器流動套管。外部環形通路可將直接來自擴散器的空氣傳遞到帽室，以用于冷卻目的。 因此，該空氣比沿著燃燒器行進通過內部環形通路的空氣經歷更小的壓力損失。圖4是燃燒襯套帽組件400的一個實施例的透視圖，而圖5是圖4所示的帽組件 400的一部分的透視圖，其從另一個角度示出了帽組件400。燃燒襯套帽組件400包括外壁或外流動套管440、內壁或內流動套管442、端面444和前面446。外壁440和內壁442相對于彼此同心地定位，內壁442相對于外壁440在內側隔開。外壁440和內壁442之間的空間限定環形間隙，而內壁442的內部上的空間限定燃燒器帽室的環形邊界。端面444和前面446基本是板，但是端面可由端面組件代替(如下文所述)。應當注意到，出于說明性目的，未在圖5中顯示前面446。內壁442支承端面444和前面446，端面444和前面446在前側和后側封閉燃燒帽室。外壁440通過例如安裝在環形間隙中的若干個跨接管450來支承內壁442。跨接管 450將外壁440的外部設置成與帽室連通。但是，在其它實施例中，跨接管450可由支架或其它安裝結構代替。外壁440和內壁442具有與跨接管450互相對準的開口 452。在實施例中，在除了開口 452處之外的所有點處，外壁440和內壁442基本連續或未穿孔。壁440、442的連續的本性使環形間隙與帽室以及與外壁440的外部分開或隔離開。外壁440還可具有適于例如安裝到端蓋附近的前箱上的前凸緣454。端面444和前面446具有用于接收燃料噴嘴組件的開口。圖6是燃燒器600的截面圖，其示出了安裝到燃燒器600上的燃燒襯套帽組件650 的一個實施例，而圖7是燃燒器600的一部分的截面圖，其更加詳細地示出了帽組件650的一部分。帽組件650可為以上參照圖4和5顯示和描述的帽組件的一個實施例，但是其它構造也是可行的。在燃燒器600中，不存在后箱。相反，前箱652延伸到壓縮機排出箱654，而帽組件 650安裝到前箱652上。一旦這樣安裝，帽組件650就完全封閉在前箱652內。但是，其它構造也是可行的。如圖6所示，前箱652限定環形壁656，環形壁656從前箱652延伸向壓縮機排出箱654。環形壁656具有跨越前箱652和壓縮機排出箱肪4之間的距離的長度。在壓縮機排出箱6M附近，環形壁656形成后凸緣658，并且在后凸緣/OTC接合部653處連接到壓縮機排出箱肪4上。再次，帽組件650包括外壁662、內壁664、端面666和前面668。例如通過將外壁 662上的凸緣660設置在端蓋670附近的對應的凹槽中來將帽組件650安裝到前箱652上。 當這樣安裝時，端面666與燃燒襯套672的周緣互相對準，以封閉燃燒室674，而且前面668 定位在端面666和端蓋670之間。帽組件650的內壁664與燃燒襯套672的縱向邊緣對準， 并且朝向前箱652延伸，終止而尚未達到端蓋670。外壁662定位在帽組件650的內壁664和前箱652的環形壁656之間。外壁662具有超過內壁664的直徑但卻小于環形壁656的直徑的直徑，使得內部環形間隙限定在內壁662和外壁664之間，而外部環形間隙限定在外壁662和環形壁656之間。外壁662具有從前箱652延伸到燃燒襯套672周圍的流動套管 686的長度。在連接點678處，外壁662和流動套管686彼此交迭并且被密封。因此，當帽組件650安裝到燃燒器600上時，帽組件650完全封閉在前箱652內。 帽室680由內壁664沿橫向封閉，并且由端面666和前面668沿軸向封閉。內部帽環形通路684形成于帽組件650的內壁664和外壁662之間，而外部帽環形通路682形成于帽組件650的外壁662和前箱652的環形壁656之間。燃燒器600還包括以環形的方式定位在燃燒襯套672周圍的燃燒器流動套管686。 燃燒器流動套管686和燃燒襯套672在燃燒室674周圍限定下部燃燒器環形通路688。在一端處，下部燃燒器環形通路688與內部帽環形通路684對準。在另一端處，下部燃燒器環形通路688與擴散器690連通。具體而言，燃燒器流動套管686包括沖擊部分692，沖擊部分692包括流動套管孔687。擴散器690在沖擊部分692的附近定位在壓縮機排出箱6M 中。擴散器690接收來自壓縮機的P⑶空氣，并且通過沖擊部分692中的流動套管孔687 將該空氣傳遞到下部燃燒器環形通路688中。下部燃燒器環形通路688和內部帽環形通路684共同限定從擴散器690到帽組件 650的內流徑。該內流徑自擴散器690延伸，通過沖擊部分692，沿著燃燒室674的長度，進入帽組件650中，通過燃料噴嘴并且進入燃燒室674中。從而，P⑶空氣沿著間接路線從擴散器690到達帽組件650。具體而言，P⑶空氣沖擊在過渡管道694或燃燒襯套672上，并且沿著燃燒室674行進，以在進入帽組件650之前用于冷卻目的，在帽組件650中，空氣在燃料噴嘴中混合且被噴射到燃燒室674中以用于燃燒目的。由于間接路線的原因，PCD空氣在到達帽組件650之前經歷壓力損失。外部帽環形通路682限定從擴散器690到帽組件650的外流徑。外部帽環形通路 682通過壓縮機排出箱654中的開口與擴散器690直接流體連通。外部帽環形通路682還通過跨接管696與帽室680直接流體連通。外流徑延伸自擴散器，進入帽組件650中，通過跨接管696，并且進入帽室680中。從而，沿著外流徑行進的PCD空氣通過直接路線從擴散器690到達帽組件650。由于直接路線的原因，沿著外流徑行進到帽組件650的空氣比沿著內流徑行進的空氣經歷顯著地更小的壓力損失。例如，在其中擴散器690以約250psia提供空氣的情況下，沿著外流徑行進的空氣可以約M9psia到達帽組件650，而沿著內流徑行進的空氣可以約240至M7psia到達帽組件。在實施例中，沿著外流徑行進的空氣冷卻帽組件650的一部分。例如，該空氣可進入帽室680，以冷卻帽室680的部分。在一些實施例中，該空氣用來冷卻端面666。一旦端面666冷卻，空氣就傳送進入燃燒室674中，以參與燃燒過程。端面666的構造會影響冷卻模式。例如，端面666可為通過沖擊冷卻而得到冷卻的沖擊板。端面666也可為通過瀉流冷卻而得到冷卻的瀉流板。端面666可構造成以便進行薄膜冷卻，其中，在燃燒室674內的端面666的表面上形成空氣薄膜。這些冷卻模式的組合也是可行的。例如，端面666可包括由間隙隔開的沖擊板和瀉流板。瀉流板可暴露于燃燒室674，并且可具有角度設置成以便在燃燒室674內形成空氣薄膜的瀉流孔。在這樣的實施例中，端面666可通過沖擊冷卻、瀉流冷卻和薄膜冷卻的組合來得到冷卻。行進到帽組件650中的空氣還可冷卻帽組件650的其它部分，例如跨接管696、前面668以及外壁662和內壁664。因為外流徑對帽組件650提供相對較高壓力的空氣來用于冷卻目的，所以帽組件 650得到更加高效的冷卻。加強的冷卻改進了帽組件650的耐用性，提高了其使用壽命。燃燒器600也可在更高的溫度處運行。另外，需要較少的空氣來冷卻帽組件650。因此，與通過燃料噴嘴而被傳送通過端面666的空氣相反，燃燒室674中相對更小百分比的空氣是被傳送通過端面666以用于冷卻目的空氣。從而，燃燒室674中相對更高百分比的空氣與燃料預混合，從而減少NOx的形成。另外，提供通過端面666的較高壓空氣可改進動態阻隔。 具體而言，當由于火焰不穩定性的原因而在燃燒室674中出現動態壓力波時，該動態壓力波可能相對較不可能阻礙或阻止冷卻空氣傳送通過端面666。由于冷卻空氣的較高壓力的原因，該空氣可繼續傳送通過端面466，從而防止熱應力或故障。應當注意到，沿著外流徑行進到帽組件650中的相對較高壓的空氣可用于其它目的。該空氣可被引導到其它結構，以用于冷卻目的或用于其它目的。在其中空氣不被引導到帽室680的實施例中，跨接管696可用傳統支架來代替。但是，包括跨接管696可減輕與支架相關聯的制造和修理問題。在實施例中，高壓空氣可用來改進進入燃料噴嘴的空氣流的均勻性。例如，前面 668可具有空氣分配孔698，空氣分配孔698將來自帽室680的空氣引導向燃料噴嘴。空氣分配孔698可大小設置成以及定位成以便對未充分供給的燃料噴嘴提供空氣，使得進入燃料噴嘴中的空氣流更均勻。出于說明的目的，僅示出了一個空氣分配孔698，但是可使用任何數量和位置。在實施例中，跨接管696可具有一個或多個通道孔699。通道孔699可形成為通過跨接管696的壁。通道孔699可容許高壓空氣通過通道孔699而從跨接管696的內部通路泄露，且進入內部帽環形通路684中。泄露的空氣可填充跨接管696后的尾流區域，從而減少壓力損失以及改進流動均勻性。在實施例中，至少部分地密封外流徑，以保持PCD空氣的壓力。例如，可在連接點 653,678處密封環形壁656和外壁662，以限制或防止在與內部環形通路684的匯合處的空氣損失。可在跨接管696處密封外壁662和內壁664，以限制或防止通過壁中的開口的泄露。外壁662和內壁664可基本為連續的或未穿孔的，以限制或防止外部環形通路682和內部環形通路684之間的泄露。也可例如在端面和前面與內壁664的交接處或在接收燃料噴嘴的開口附近密封帽室680。可采用這些密封的任何組合來減少在外流徑中的高壓空氣的壓力損失。應當注意，上述實施例僅是用于對燃燒器的首端提供高壓或PCD空氣的系統的一個實例。其它實施例意在包括在本公開的范圍內。例如，該系統可設計成用于具有傳統帽組件的燃燒器，例如圖1所示的燃燒器100。在這種實施例中，帽組件可具有在內壁與外壁之間的跨接管而非支架。另外，帽和流動套管凸緣可具有孔，孔將跨接管設置成與擴散器直接流體連通。可例如通過密封外壁來密封系統。帽組件的內壁可不具有否則可將空氣從環形通路轉移到帽室中的開口。在一些實施例中，燃燒器100可改型成具有用于對燃燒器的首端提供高壓或PCD空氣的系統。在另外的其它實施例中，管或導管可從擴散器延伸到帽室。管可將PCD空氣直接從擴散器輸送到帽室。在這種實施例中，帽組件的內壁可基本為連續的或未穿孔的，使得PCD空氣不向后泄露到環形通路中。圖8是示出了冷卻燃燒器帽組件的方法600的一個實施例的框圖。在方框802中， 直接流徑限定在PCD空氣源和燃燒器帽組件之間。在方框804中，至少部分地密封直接流徑。本書面描述使用實例來公開本發明，包括最佳模式，并且還使本領域任何技術人員能夠實踐本發明，包括制造和使用任何裝置或系統，以及執行任何結合的方法。本發明的可授予專利的范圍由權利要求書限定，并且可包括本領域技術人員想到的其它實例。如果這樣的其它實例具有不異于權利要求書的字面語言的結構元素，或者如果它們包括與權利要求書的字面語言無實質性差異的等效結構元素，則這樣的其它實例意圖處于權利要求書的范圍之內。
權利要求
1.一種燃燒器(600)，包括第一流徑，其包括通過中間的下部燃燒器環形通路(688)與燃燒器帽組件(650)間接流體連通的擴散器(690)；以及第二流徑，其包括與所述燃燒器帽組件(650)直接流體連通的所述擴散器(690)。
2.根據權利要求1所述的燃燒器(600)，其特征在于，所述第二流徑被至少部分地密封，以限制對所述第一流徑的泄露。
3.根據權利要求1所述的燃燒器(600)，其特征在于所述燃燒器帽組件(650)包括外壁(662)，內壁(664)，其相對于所述外壁(66 在內側隔開，以限定內部帽環形通路(684)，以及多個跨接管(696)，其在所述外壁(66 和所述內壁(664)之間延伸，以提供越過所述內部帽環形通路(684)的流徑。
4.根據權利要求3所述的燃燒器(600)，其特征在于，除了在與所述跨接管(696)互相對準的開口處之外，所述外壁和內壁(662，664)基本連續且未穿孔。
5.根據權利要求3所述的燃燒器(600)，其特征在于，所述內部帽環形通路(684)連接到所述下部燃燒器環形通路(688)上，以限定所述第一流徑的至少一部分。
6.根據權利要求5所述的燃燒器(600)，其特征在于，所述燃燒器(600)進一步包括形成于所述外壁(66 和殼體的一部分之間的外部帽環形通路(682)。
7.根據權利要求6所述的燃燒器(600)，其特征在于，所述外部帽環形通路(68 與來自所述擴散器(690)的開口直接流體連通。
8.根據權利要求6所述的燃燒器(600)，其特征在于所述燃燒器帽組件(650)進一步包括帽室(680)；以及所述跨接管(696)將所述外部帽環形通路(68 設置成與所述帽室(680)流體連通。
9.根據權利要求1所述的燃燒器(600)，其特征在于，所述燃燒器(600)進一步包括壓縮機排出箱(6M)；以及包括環形壁(656)的前箱(652)。
10.根據權利要求9所述的燃燒器(600)，其特征在于，所述燃燒器帽組件(650)安裝到所述燃燒器(600)上，使得所述帽組件(650)的所述外壁(66 相對于所述前箱(652) 的所述環形壁(656)在內側隔開，以限定外部帽環形通路(682)。
全文摘要
本發明涉及對燃燒器的首端提供高壓空氣的系統和方法。一種燃燒器(600)包括第一流徑和第二流徑。第一流徑將擴散器設置成(690)通過中間的下部燃燒器環形通路(688)與燃燒器帽組件(650)間接流體連通。第二流徑將擴散器(690)設置成與燃燒器帽組件(650)直接流體連通。
文檔編號F23R3/02GK102162648SQ201110042768
公開日2011年8月24日 申請日期2011年2月15日 優先權日2010年2月15日
發明者C·R·巴克, C·迪努, J·D·貝里, K·K·文卡塔拉曼 申請人:通用電氣公司