專利名稱：燃燒器和向燃燒器供應燃料的方法
技術領域：
本發明總體上涉及一種燃燒器以及向燃燒器供應燃料的方法。
背景技術：
燃燒器通常用于工業及發電運行中，將燃料點燃以產生具有高溫高壓的燃燒氣體。燃燒器的設計和運行受各種競爭性考慮因素的影響。例如，較高燃燒氣體溫度通常提高燃燒器的熱力效率。然而，較高的燃燒氣體溫度也會促使產生回火或增強穩燃條件，在這種條件下燃燒火焰向通過噴嘴供應的燃料移動，從而可能導致噴嘴在相對短的時間內被嚴重損壞。此外，較高的燃燒氣體溫度通常會提高二價氮的分裂速度，因此增加了氮氧化物(NOx)的產量。相反，與降低燃料流率和/或部分負荷運行(關閉(turndown))相關的較低燃燒氣體溫度通常會降低燃燒氣體的化學反應速率，因此增加了一氧化碳和未燃碳氫化合物的產量。在一種特別的燃燒器設計中，可在端帽中徑向設置多個管，為工作流體流過端帽進入燃燒器提供流體連通。燃料可被送進端帽內的氣室(plenum)，以從管的外面流過，在流進管內與工作流體混合前對管進行對流冷卻。燃料與工作流體在管內的混合得到加強允許較高運行溫度下的較稀薄燃燒，同時防止產生回火或穩燃并控制不良排放物。但是，燃料在進入管之前由其提供的對流冷卻可導致燃料不均勻加熱。由此，流過管的燃料的溫度和密度的變化可在管內產生熱應力和/或不均勻的流體一工作流體比率，這又不利地對火焰穩定性、燃燒器性能和/或不良排放物產生影響。因此，有益的是，提供一種改進的燃燒器以及為燃燒器提供燃料的方法，所述方法減小了管內熱應力并且/或者減少流過管的燃料的溫度和密度變化。
發明內容
本發明的各方面和優勢通過以下描述進行詳細說明，或者通過描述清楚明了，或者通過本發明的實踐為人所了解。本發明的一個實施例為燃燒器，所述燃燒器包括端帽，所述端帽被配置徑向延伸穿過至少一部分燃燒器，其中，端帽包括與下游面軸向分開的上游面。端帽護罩周向包圍至少一部分的上游面和下游面，多個管從上游面延伸穿過下游面以提供穿過端帽的流體連通。上游面和下游之間的氣室位于所述端帽內。第一導流板朝端帽護罩徑向穿過所述氣室，板片在所述氣室內在第一導流板和上游面之間徑向延伸。本發明的另一個實施例為燃燒器，所述燃燒器包括上游面、與上游面軸向分開的下游面和周向包圍至少一部分上游面和下游面的端帽護罩。多個管從上游面延伸穿過下游面，并且氣室位于上游面和下游面之間。管道在所述氣室內延伸，為所述氣室提供流體連通。與所述管道連接的第一導流板朝端帽護罩徑向延伸穿過所述氣室，并且板片在所述氣室內在第一導流板和上游面之間徑向延伸。本發明的實施例還可包括向燃燒器供應燃料的方法，所述方法包括:工作流體流過多個從上游面向下游面軸向延伸的管。所述方法還包括燃料流進上游面與下游面之間的氣室，沿位于上游面和下游面之間并且環繞所述多個管的第一導流板對燃料進行第一方向上的徑向分配，以及燃料軸向流過氣室內的在第一導流板和上游面之間徑向延伸的板片。本領域的技術人員會對這些實施例的特征和方面有更好的理解，其他人通過對本說明書的回顧可對這些實施例的特征和方面有更好的理解。
包括對于本領域技術人員來說的本發明最佳方式的本發明完整披露在說明書的其余部分參考以下附圖進行詳細說明，其中:圖1是根據本發明一個實施例的示例燃料室的簡化橫截面圖；圖2是根據本發明一個實施例的圖1所示燃燒器的上游軸向視圖；圖3是根據本發明一個實施例的圖1所示管道的放大橫截面圖。
具體實施例方式現參考附圖中示出的一個或多個實例對本發明的實施例進行詳細說明。這個詳細說明使用數字和字母標識指代附圖中的特征。附圖和說明中相同或相似的標識已經用于指代本發明相同或相似的部分。正如此處所使用的，術語“第一”、“第二”和“第三”可互換使用以將一個元件與另一個元件區分開，但并不表示各元件的位置和重要性。此外，術語“上游”和“下游”是指流路中的元件的相對位置。例如，如果流體從元件A流向元件B，則元件A處于元件B的上游。相反，如果元件B接收從元件A流出的流體，則元件B處于元件A的下游。每個實例作為對本發明的說明提供，并不對本發明構成限制。事實上，對本領域技術人員顯而易見地是，在不偏離本發明范圍或精神的前提下，可對本發明做出各種修改和變動。例如，一個實施例中所解釋或描述的特征部分可用于另一個實施例中，生成又一個實施例。因此，本發明意在涵蓋所附權利要求及其等同替換范圍之內的這種修改和變動。本發明的不同實施例包括燃燒器以及為燃燒器提供燃料的方法。所述燃燒器通常包括一個包圍流過燃燒器的工作流體的殼體。徑向設置在端帽中的多個管增強了工作流體與燃料在進入燃燒器前的混合。在特別的實施例中，一個或多個導流板和/或板片可在端帽內徑向延伸，對端帽中的燃料進行分配，從而允許燃料在流入管中與工作流體混合前均勻變熱。這種改進的對燃料的加熱減小了管內的熱應力和/或降低了流過管的燃料的溫度和密度，因此提高了火焰穩定性、燃燒器性能和/或增加了不良排放物。盡管通常會出于說明目的以作為燃氣渦輪一部分的燃燒器為背景下對本發明的示例進行描述，普通的本領域的技術人員容易理解本發明實施例可應用于任意一種燃燒器，并不局限于燃氣渦輪燃燒器，除非權利要求有特殊指明。圖1提供了根據本發明一個實施例的示例燃燒器10的簡化了的橫截面圖，及圖2提供了圖1所示燃燒器10的上游軸向圖。如圖所示，殼體12通常包圍燃燒器10以容納流向燃燒器10的工作流體14。殼體12可包括在一端的端蓋16，以提供為燃燒器10供應燃料、稀釋劑和/或其他添加劑的界面。可能的稀釋劑可包括供應給燃燒器10的例如水、蒸汽、工作流體、空氣、燃料添加劑、各種惰性氣體(如氮和/或各種如二氧化碳的非易燃氣體)或燃燒廢氣氣體。一個或多個流體管道18可從端蓋16向端帽20軸向延伸，為端帽20提供燃料、稀釋劑和/或其他添加劑的流體連通。端帽20被配置徑向延伸穿過燃燒器10的至少一部分，且端帽20和襯墊22通常限定出端帽20下游的燃燒室24。殼體12周向環繞端帽20和/或襯墊22，限定出一個環形通道26，所述環形通道環繞端帽20和襯墊22。通過這種方式，工作流體14可沿襯墊22的外部流過環形通道26，為襯墊22提供對流冷卻。當工作流體14到達端蓋16時，工作流體14可反轉方向流過端帽20，進入燃燒室24。如圖1和圖2所示，端帽20通常包括與下游面30軸向分開的上游面28，一個或多個噴嘴32和/或管34可從上游面28延伸穿過下游面30，為燃燒室24提供穿過端帽20的流體通道。噴嘴32和管34的特定的形狀、尺寸、數量和設置可根據特定實施例而變化。例如，噴嘴32和管34通常被描述為圓柱形；但是，本發明范圍內的替代實施例可包括事實上具有任意幾何橫截面的噴嘴和管。噴嘴32可從端蓋16軸向延伸穿過端帽20。護套36可周向環繞噴嘴32，界定出一個圍繞噴嘴32的環形通道38，提供穿過端帽20的流體連通。因此，工作流體14可流過環形通道38進入燃燒室24。而且，噴嘴32可為環形通道38供應燃料、稀釋劑和/或其他添加劑，使其在進入燃料室24前與工作流體14混合。一個或多個葉片40可在噴嘴32和護套36之間徑向延伸，將渦流傳遞給流過環形通道38的流體，從而增強了流體到達燃燒室24前的混合。管34可用不同形狀和尺寸的一個或多個管束42的形式徑向設置穿過端帽20，其中每個管束42與一個或多個流體管道18流體連通。例如,如圖2所示,一個或多個隔板44可在上游面和下游面28、30之間軸向延伸，將管34分開或分組形成徑向設置在噴嘴32周圍的派形(pie-shaped)管束42。一個或多個流體管道18可為每個管束42提供一種或多種燃料、稀釋劑和/或其他添加劑，并且每個流體管道18或管束42的燃料和/或稀釋劑的類型、燃料含量和反應性可各有不同。通過這種方式，可為一個或多個管束42供應不同類型、流速和/或添加劑，從而允許在寬范圍的作業條件下對管34進行分級加燃料。端帽護罩46可周向包圍至少一部分的上游面和下游面28、30，以至少部分地界定出一個或多個位于上游面和下游面28、30之間在端帽20內的氣室。例如，圖1最為清楚的顯示出一個擋板48可在端帽20內在上游面與下游面28、30之間徑向延伸，以至少部分地界定出位于端帽20內的燃料氣室50和稀釋劑氣室52。具體地，上游面28、端帽護罩46和擋板48可界定出燃料氣室50，下游面30、端帽護罩46和擋板48可界定出稀釋劑體氣室52。圖3為圖1所示燃料氣室50的局部放大橫截面圖。如圖所示，燃料氣室50可包括一個或多個徑向延伸穿過燃料氣室50的導流板，對燃料氣室50內的燃料流進行徑向和軸向導流。例如，第一導流板70可與管道18連接并穿過燃料氣室50朝端帽護罩46向外在各個方向上徑向延伸。相反，與第一導流板70軸向分開的第二導流板72可與端帽護罩46連接并穿過燃料氣室50朝管道18向內徑向延伸。第一導流板70和端帽護罩46之間的間隙74允許燃料在燃料氣室50內軸向流過第一導流板70，及第二導流板72和管道18之間的間隙76允許燃料在燃料氣室50內軸向流過第二導流板72。普通的本領技術人員容易理解，在替代實施例中，間隙74、76可沿第一導流板和第二導流板70、72在替代位置上相對設置或錯位設置，使燃料軸向流過導流板70、72。通過這種方式，燃料可從管道18流入燃料氣室50內，及第一導流板70可引導燃料在燃料氣室50中向外徑向流向端帽護罩46。當燃料在燃料氣室50中向外徑向繞管34流動時，熱量從流過管34的工作流體傳遞至燃料，對燃料進行加熱并冷卻管34。當燃料到達第一導流板70和端帽護罩46之間的間隙74時，燃料軸向流過間隙74朝第二導流板72流動。同樣的，第二導流板72引導燃料在燃料氣室50中向內朝管道18徑向流動，允許在管34和燃料之間額外的熱傳遞。當燃料到達第二導流板72和管道18之間的間隙76時，燃料軸向流過間隙76朝上游面28流動。在燃料氣室50內的每個后續導流板的作用下，燃料溫度逐漸增加，直至接近或近似等于工作流體的溫度。燃料氣室50還可包括一個板片80，所述板片在燃料高壓內間50內在第一導流板70和上游面28之間徑向延伸。板片80可包括多個穿過板片80的通道82，其提供軸向流過板片80的流體流。通過這種方式，板片80中的通道82可在燃料氣室50內在軸向上和/或徑向上均勻分配加熱后的燃料。一個或多個管34可包括燃料口 54，所述燃料口提供了從燃料氣室50進入管34的流體連通。燃料口 54可徑向、軸向和/或成方位角地成一定角度設置，向流過燃料口 54并進入管34的燃料噴射和/或傳遞渦流。同樣的，端帽護罩46可包括一個或多個稀釋劑口56，所述稀釋劑口提供了從環形通道26穿過端護罩46并進入稀釋劑氣室52的流體連通。通過這種方式，來自流體管道18的燃料可流進端帽20并沿燃料氣室50內的一個或多個導流板70、72流動，為管34提供對流冷卻并對燃料進行加熱。然后，加熱后的燃料可流過板片80和燃料口 54與流過管34的工作流體混合。此外，至少一部分壓縮的工作流體14可從環形通道26流過端帽護罩46并進入稀釋劑氣室52，對管34進行對流冷卻。于是，工作流體14可流過管34和下游面30之間的一個或多個稀釋劑通道58并進入燃燒室24。繞燃燒器10流動并流過燃燒器10的燃料和工作流體14的溫度可在運行過程中發生大幅度變化，導致殼體12、流體管道18和/或管34以不同速度及不同程度地膨脹或收縮。因此，一個或多個流體管道18可在端蓋16與端帽20之間包括柔性聯結器90。所述柔性聯結器90可包括一個或多個伸縮節或伸縮管，所述伸縮節或伸縮管為殼體12、管34和/或管道18由于熱膨脹或收縮產生的軸向位移提供空間。普通的本領域技術人員容易理解柔性聯結器90的交替位置和/或組合是在本發明各種實施例范圍內的，柔性聯結器90的具體位置或數量不構成對本發明的限制，除非權利要求中特別指明。圖1 一 3顯示和說明的各種實施例也可提供一種向燃燒器10供應燃料的方法。所述方法可包括:工作流體14流過管34，及燃料流進位于上游面和下游面28、30之間的燃料氣室50。所述方法還包括沿位于上游面和下游面28、30之間的并環繞管34的第一導流板70對燃料進行第一方向上的徑向分配，及燃料軸向流過燃料氣室50內的在第一導流板70和上游面28之間徑向延伸的板片80。在特別的實施例中，所述方法還包括沿第二導流板對燃料進行第二方向上的徑向分配，其中，第二方向與第一方向基本相對或者錯位。所述方法還包括，燃料流過與管34相鄰的燃料噴嘴32，并且/或者至少一部分工作流體14在稀釋劑氣室52內繞管34流動。圖1 一 3顯示和描述的各種實施例與從前燃燒器相比具有一個或多個商業和/或技術優勢。例如，圖1和圖3所示的一個或多個導流板70、72和/或板片80能夠使燃料在到達燃料氣室50中的燃料口 54之前被流過管34的工作流體14更均勻地加熱。這種改進的燃料加熱減少了管中的熱應力和/或燃料流過管34時溫度和密度的變化，從而增強了火焰穩定性、燃燒器性能和/或不良排放物。本書面說明書使用實例來披露本發明，其中包括最佳方式，還使本領域技術人員能夠實踐本發明，其中包括制造和使用任意一種裝置或系統以及實施任意一種納入的方法。本發明的專利權范圍由權利要求定義，可包括本領域技術人員想到的其他實例。如果所述其他實例包括與權利要求書面文字沒有不同之處的結構成分，或者包括與權利要求書面文字具有非實質性差異的等同結構成分，則這些其他實例處于權利要求保護范圍內。
權利要求
1.一種燃燒器，包括: a.端帽，其被 配置徑向延伸穿過所述燃燒器的至少一部分，其中所述端帽包括與下游面軸向分開的上游面； b.端帽護罩，其周向包圍所述上游面和下游面的至少一部分； c.多個管，從所述上游面延伸穿過所述下游面，以提供穿過所述端帽的流體連通； d.氣室，在所述端帽內位于所述上游面和下游面之間； e.第一導流板，朝所述端帽護罩徑向延伸穿過所述氣室； f.板片，在所述氣室內在所述第一導流板和所述上游面之間徑向延伸。
2.根據權利要求1所述的燃燒器，還包括與所述端帽護罩連接的第二導流板，其中，所述第二導流板朝所述管道徑向延伸穿過所述氣室。
3.根據權利要求1所述的燃燒器，還包括在所述端帽內延伸的管道，為所述氣室提供流體連通。
4.根據權利要求1所述的燃燒器，還包括穿過所述板片的多個通道，其中，所述多個通道提供了軸向穿過所述板片的流體流。
5.根據權利要求1所述的燃燒器，還包括穿過所述多個管的一個或多個燃料口，其中，所述一個或多個燃料口提供了從所述氣室進入所述多個管的流體連通。
6.根據權利要求1所述的燃燒器，還包括在所述氣室內徑向延伸的擋板，所述擋板至少部分地限定了在所述端帽內與第二氣室軸向分開的第一氣室。
7.根據權利要求6所述的燃燒器，還包括一個或多個穿過所述端帽護罩的稀釋劑口，其中，所述一個或多個稀釋劑口提供了穿過所述端帽護罩并進入所述第二氣室的流體連通。
8.根據權利要求6所述的燃燒器，還包括穿過所述下游面的多個稀釋劑通道，其中，所述多個稀釋劑通道提供了從所述第二氣室穿過所述下游面的流體連通。
9.根據權利要求1所述的燃燒器，還包括軸向延伸穿過所述端帽的燃料噴嘴。
10.一種燃燒器，包括: a.上游面； b.與所述上游面軸向分開的下游面； c.周向包圍所述上游面和下游面的至少一部分的端帽護罩； d.從所述上游面延伸穿過所述下游面的多個管； e.在所述上游面和下游面之間的氣室； f.在所述氣室內延伸為所述氣室提供流體連通的管道； g.與所述管道連接的第一導流板，其中，所述第一導流板朝所述端帽護罩徑向延伸穿過所述氣室； h.在所述氣室內的在所述第一導流板和所述上游面之間徑向延伸的板片。
11.根據權利要求10所述的燃燒器，還包括與所述端帽護罩連接的第二導流板，其中，所述第二導流板朝所述管道徑向延伸穿過所述氣室。
12.根據權利要求10所述的燃燒器，還包括穿過所述板片的多個通道，其中，所述多個通道提供軸向穿過所述板片的流體流。
13.根據權利要求10所述的燃燒器，還包括在所述氣室內徑向延伸的擋板，所述擋板至少部分地限定了在所述端帽內與第二氣室軸向分開的第一氣室。
14.根據權利要求10所述的燃燒器，還包括在所述第一導流板和所述端帽護罩之間的 軸向通道，其中，所述軸向通道提供在所述氣室內圍繞所述第一導流板的流體連通。
15.根據權利要求10所述的燃燒器，還包括從所述上游面向所述下游面軸向延伸的隔 板，其中，所述隔板將所述多個管分成多個管束。
16.根據權利要求10所述的燃燒器，還包括軸向穿過所述端帽的燃料噴嘴。
17.一種向燃燒器供應燃料的方法，包括a.工作流體流過從上游面向下游面軸向延伸的多個管；b.燃料流入在所述上游面和下游面之間的氣室；c.沿位于所述上游面和下游面之間并環繞所述多個管的第一導流板對燃料進行第一 方向上的徑向分配；d.燃料軸向流過所述氣室內的在所述第一導流板和所述上游面之間徑向延伸的板片。
18.根據權利要求17所述的方法，還包括沿所述第一導流板和所述板片之間的第二導 流板對燃料進行第二方向上的徑向分配，其中，所述第二方向與所述第一方向基本相對。
19.根據權利要求17所述的方法，還包括燃料流過與所述多個管相鄰的燃料噴嘴。
20.根據權利要求17所述的方法，還包括至少一部分工作流體繞所述多個管流動。
全文摘要
本發明涉及并公開一種燃燒器，包括端帽，所述端帽具有與下游面軸向分開的上游面。端帽護罩周向包圍所述上游面和下游面，多個管從上游面延伸穿過下游面，及氣室位于端帽中。第一導流板朝端帽護罩徑向延伸穿過氣室，及板片在氣室內在第一導流板和上游面之間徑向延伸。一種向燃燒器供應燃料的方法包括工作流體流過多個管，燃料流入位于上游面和下游面之間的氣室，沿第一導流板徑向分配燃料，及燃料軸向流過在氣室內徑向延伸的板片。
文檔編號F23D17/00GK103104918SQ201210447618
公開日2013年5月15日 申請日期2012年11月9日 優先權日2011年11月11日
發明者L.J.斯托亞, P.B.梅爾頓, J.H.韋斯特摩爾蘭三世 申請人:通用電氣公司