专利名称：用于向燃烧器供应工作流体的系统和方法
技术领域：
本发明大体上涉及用于向燃烧器供应工作流体的系统和方法。
背景技术：
燃烧器普遍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，燃气涡轮典型地包括一个或更多燃烧器以产生功率或推力。用于产生电力的典型燃气涡轮包括位于前部的轴向压缩机、位于中部周围的一个或更多燃烧器以及位于后部的涡轮。环境空气可被供应给压缩机，并且压缩机中的旋转叶片和静止导叶逐渐向工作流体(空气)赋予动能，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通过一个或更多喷嘴流入每个燃烧器中的燃烧室中，在此压缩工作流体与燃料混合并点燃而产生具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体在涡轮中膨胀而做功。例如，燃烧气体在涡轮中的膨胀可使连接到发电机的轴旋转而产生电力。各种设计和操作参数影响燃烧器的设计和操作。例如，较高的燃烧气体温度通常提高燃烧器的热力学效率。然而，较高的燃烧气体温度也促进了回火或火焰保持状态，其中燃烧火焰朝正由喷嘴供应的燃料迁移，有可能在较短时间内对喷嘴造成严重损坏。此外，较高的燃烧气体温度通常提高二价氮的解离速率，从而增加氮氧化物(NOx)的产生。相反，与减小的燃料流和/或部分负载操作(低速)相关联的较低燃烧气体温度通常降低燃烧气体的化学反应速率，从而增加一氧化碳和未燃烧烃的产生。在特定燃烧器设计中，也称为延迟贫喷射器(late lean injector)的一个或更多燃料喷射器可在喷嘴下游周向地布置在燃烧室周围。离开压缩机的压缩工作流体的一部分可流动通过燃料喷射器而与燃料混合，以产生贫燃料-空气混合物。贫燃料-空气混合物然后可喷入燃烧室中用于另外的燃烧，以升高燃烧气体温度且提高燃烧器的热力学效率。延迟贫喷射器在提高燃烧气体温度而不产生NOx产量的对应增加上是有效的。然而，离开压缩机的压缩工作流体的压力和流量在燃烧室的周边周围可显著变化。结果，流动通过延迟贫喷射器的燃料-空气比可明显变化，从而减轻否则将由燃料到燃烧室中的延迟贫喷射形成的有益效果。已做出之前的尝试以实现通过延迟贫喷射器的工作流体的更均匀的流。例如，已将勺状件或外罩安装在燃料喷射器的一部分上方以更均匀地调节通过燃料喷射器的工作流体的流。然而，用于减小流动通过延迟贫喷射器的工作流体的压力和/或流量的变化的改进的系统和方法将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点阐述在以下描述中，或可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明来了解。本发明的一个实施例是一种用于向燃烧器供应工作流体的系统，其包括燃料喷嘴和在燃料喷嘴下游的燃烧室。流动套筒周向地围绕燃烧室，并且多个燃料喷射器周向地布置在流动套筒周围，以提供穿过流动套筒到燃烧室的流体连通。分配歧管周向地围绕多个燃料喷射器，并且穿过分配歧管的流体通路提供穿过分配歧管到多个燃料喷射器的流体连通。本发明的另一实施例是一种用于向燃烧器供应工作流体的系统，其包括燃烧室和周向地围绕燃烧室的衬套。流动套筒周向地围绕衬套，并且分配歧管周向地围绕流动套筒。多个燃料喷射器周向地布置在流动套筒周围以提供穿过流动套筒和衬套到燃烧室的流体连通。穿过分配歧管的流体通路提供穿过分配歧管到多个燃料喷射器的流体连通。本发明还可包括一种用于向燃烧器供应工作流体的方法。该方法包括:使工作流体从压缩机流动通过燃烧室；以及使工作流体的一部分转向通过分配歧管，该分配歧管周向地围绕周向布置在燃烧室周围的多个燃料喷射器。通过阅读本说明书，本领域普通技术人员将更好地理解此类实施例的特征和方面及其它。
在说明书的剩余部分中，包括对附图的参考，更特定地阐述了本发明的完整且能够实现的公开内容，包括其对本领域技术人员而言的最佳模式，在附图中:
图1是根据本发明的一个实施例的系统的简化侧视截面 图2是根据本发明的第一实施例的图1中所示的燃烧器的一部分的简化侧视截面图； 图3是根据本发明的第二实施例的图1中所示的燃烧器的一部分的简化侧视截面图； 图4是根据本发明的第三实施例的图1中所示的燃烧器的一部分的简化侧视截面图； 图5是根据本发明的第四实施例的图1中所示的燃烧器的一部分的简化侧视截面图； 图6是根据本发明的一个实施例的图5中所示的燃烧器沿线A-A截取的轴向截面图； 图7是根据本发明的一备选实施例的图5中所示的燃烧器沿线A-A截取的轴向截面
图8是根据本发明的第四实施例的图1中所示的燃烧器的一部分的简化侧视截面图； 图9是根据本发明的一个实施例的图8中所示的燃烧器沿线B-B截取的轴向截面以及
图10是根据本发明的一备选实施例的图8中所示的燃烧器沿线B-B截取的轴向截面图。附图标记:
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静止导叶(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环形通路
60燃料喷射器
62分配歧管
64环形室
66流体通路
70螺栓
72径向突出部
80径向挡板(baffle)。
具体实施例方式现在将详细提及本发明的实施例，其一个或更多示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标号来指代附图中的特征。已在附图和描述中使用相同或类似的标号来指代本发明的相同或类似的部分。如文中所用，用语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以区分一个构件与另一个且并不意图表示各个构件的位置或重要性。此外，用语“上游”和“下游”指构件在流体路径中的相对位置。例如，如果流体从构件A流向构件B，则构件A在构件B的上游。相反，如果构件B从构件A接收流体流，则构件B在构件A的下游。以本发明的说明而非本发明的限制的方式来提供每个示例。事实上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，可在本发明中做出修改和变型而不脱离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分所示出或描述的特征可用于另一实施例上以产生再一实施例。因此，本发明意图覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。本发明的各个实施例包括用于向燃烧器供应工作流体的系统和方法。一般而言，该系统包括周向地围绕燃烧室的多个延迟贫喷射器。该系统使工作流体的一部分转向或流动通过周向围绕延迟贫喷射器的分配歧管，以减小到达延迟贫喷射器的工作流体的压力和/或流率的变化。在分配歧管内部可包括一个或更多挡板，以进一步分配和均衡燃烧室周向周围的工作流体的压力和/或流率。结果，该系统减小了流动通过每个延迟贫喷射器的工作流体的压力和/或流率的变化，以产生更均匀的喷入燃烧室中的燃料-空气混合物。虽然出于说明的目的而将通常在并入燃气涡轮中的燃烧器的上下文中描述本发明的示例性实施例，但本领域普通技术人员将容易理解，本发明的实施例可适用于任何燃烧器且不限于燃气涡轮燃烧器，除非在权利要求中具体指出。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。如图所示，系统10可并入燃气涡轮12中，该燃气涡轮12具有位于前部的压缩机14、径向配置在中部周围的一个或更多燃烧器以及位于后部的涡轮18。压缩机14和涡轮18典型地共享连接到发电机22的共同转子20以产生电力。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且穿过静止导叶26和旋转叶片28的交替级。压缩机壳体30在静止导叶26和旋转叶片28加速且重新定向工作流体24时容纳工作流体24，以产生压缩工作流体24的连续流。压缩工作流体24的主要部分通过压缩机排出室32流向燃烧器16。燃烧器16可为本领域中已知的任何类型的燃烧器。例如，如图1中所示，燃烧器壳体34可周向地围绕燃烧器16的一些或全部以容纳从压缩机14流来的压缩工作流体24。一个或更多燃料喷嘴36可径向布置在端盖38中，以向燃料喷嘴36下游的燃烧室40供应燃料。可能的燃料包括例如高炉煤气、焦炉煤气、天然气、气化的液化天然气(LNG)、氢气和丙烷中的一种或多种。压缩工作流体24可在到达端盖38且反转方向而流动通过燃料喷嘴36以与燃料混合之前从压缩机排出室32沿燃烧室40的外侧流动。燃料和压缩工作流体24的混合物流入燃烧室40中，在此其点燃而产生具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体通过过渡件42流向涡轮18。涡轮18可包括定子44和旋转动叶46的交替级。定子44的第一级将燃烧气体重新定向且集中在涡轮动叶46的第一级上。当燃烧气体经过涡轮动叶46的第一级时，燃烧气体膨胀，从而导致涡轮动叶46和转子20旋转。燃烧气体然后流向定子44的下一级，其将燃烧气体重新引导至旋转涡轮动叶46的下一级，并且对后面级重复该过程。图2提供了根据本发明的第一实施例的图1中所示的燃烧器16的一部分的简化侧视截面图。如图所示，燃烧器16可包括周向地围绕燃烧室40的至少一部分的衬套48，并且流动套筒50可周向地围绕衬套48以限定围绕衬套48的环形通路52。这样，来自压缩机排出室32的压缩工作流体24可沿衬套48的外侧流动通过环形通路26，以在反转方向而流动通过燃料喷嘴36 (在图1中示出)且流入燃烧室40中之前向衬套48提供对流冷却。燃烧器16还可包括在燃料喷嘴36的下游周向地布置在燃烧室40、衬套48和流动套筒50周围的多个燃料喷射器60。燃料喷射器60提供穿过衬套48和流动套筒50且到燃烧室40中的流体连通。燃料喷射器60可接收与供应至燃料喷嘴36的燃料相同或不同的燃料并且在将混合物喷入燃烧室40中之前或同时将燃料与压缩工作流体24的一部分混合。这样，燃料喷射器60可供应燃料和压缩工作流体24的贫混合物用于另外的燃烧，以升高燃烧器16的温度且因此效率。分配歧管62周向地围绕燃料喷射器60，以屏蔽燃料喷射器60免于由流出压缩机14的压缩工作流体24引起的直接冲击。分配歧管62可压配合或以其它方式连接至燃烧器壳体34和/或流动套筒50的周边周围，以在分配歧管62与流动套筒50之间提供基本封闭的体积或环形室64。分配歧管62可沿流动套筒50的一部分或整个长度轴向地延伸。在图2所示的特定实施例中，例如，分配歧管62沿流动套筒50的整个长度轴向地延伸，使得分配歧管62与流动套筒50基本同延(coextensive)。穿过分配歧管62的一个或更多流体通路66可提供穿过分配歧管62到分配歧管62与流动套筒50之间的环形室64的流体连通。压缩工作流体24的一部分因此可通过流体通路66转向或流动到环形室64中。当压缩工作流体24在环形室64内部在流动套筒50周围流动时，到达燃料喷射器60的工作流体24的压力和/或流率的变化减小，从而产生更均匀的喷入燃烧室40中的燃料-空气混合物。图3和图4提供了根据本发明的备选实施例的图1中所示的燃烧器16的一部分的简化侧视截面图。如图所示，燃烧器16也包括如前文关于图2中所示的实施例所描述的衬套48、流动套筒50、环形通路52、燃料喷射器60、分配歧管62、环形室64和流体通路66。在这些特定实施例中，多个螺栓70用于将分配歧管62的一端连接至燃烧器壳体34。此外，分配歧管62包括靠近燃料喷射器60且与其轴向对准的径向突出部72。径向突出部72可与分配歧管62为一体，如图3中所示，或者可以是连接至分配歧管62和/或流动套筒50的单独的套筒、套环或类似装置，如图4中所示。此外，径向突出部72可周向地围绕流动套筒50，如图3中所示，或者可与燃料喷射器60 —致地存在，如图4中所示。在任一情况下，径向突出部72提供分配歧管62与燃料喷射器60之间的额外间隙，以进一步减小到达燃料喷射器60的压缩工作流体24的压力和/或流率的任何变化，从而产生更均匀的喷入燃烧室40中的燃料-空气混合物。图5提供了根据本发明的一备选实施例的图1中所示燃烧器16的一部分的简化侧视截面图。如图5中所示，分配歧管62也周向地围绕流动套筒50和/或燃料喷射器60，以屏蔽燃料喷射器60免于由流出压缩机14的压缩工作流体24引起的直接冲击。此外，穿过分配歧管62的流体通路66也允许工作流体24的一部分在到达燃料喷射器60之前在流动套筒50周围和环形室64内部流动通过分配歧管62。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%。此外，一个或更多挡板80在流动套筒50与分配歧管62之间径向延伸。挡板80可连接至流动套筒50和/或分配歧管62，可在流动套筒50的一些或全部周围周向地延伸，且/或可包括通路或孔以改进压缩工作流体24在流动套筒50周围的分布。这样，挡板80可减小到达燃料喷射器60的压缩工作流体24的压力和/或流率的变化，以产生更均匀的喷入燃烧室40中的燃料-空气混合物。图6和图7提供了根据本发明的各个实施例的图5中所示的燃烧器16沿线A-A截取的轴向截面图。如图6中所示，流体通路66可在分配歧管62周围均匀地间隔开和/或相对于燃料喷射器60周向地错开。流体通路66的均匀间距可用于以下应用中:其中，压缩工作流体24的压力和/或流量在分配歧管62的周边周围不过度变化，且/或挡板80在环形室64内部充分地分配压缩工作流体24，以充分减小到达燃料喷射器60的压缩工作流体24的压力和/或流率的任何变化。备选地，如图7中所示，流体通路66可在分配歧管62周围以不同间隔周向地间隔开。流体通路66之间的不均匀间距可用于以下应用中:其中，压缩工作流体24的静压力在分配歧管62的周边周围过度变化，且/或挡板80未在环形室64内部充分地分配压缩工作流体24，以充分减小到达燃料喷射器60的压缩工作流体24的压力和/或流率的任何变化。图8提供了根据本发明的又一实施例的图1中所示的燃烧器16的一部分的简化侧视截面图。如图8中所示，分配歧管62也周向地围绕流动套筒50和/或燃料喷射器60，以屏蔽燃料喷射器60免于由流出压缩机14的压缩工作流体24引起的直接冲击。此外，穿过分配歧管62的流体通路66也允许工作流体24的一部分在到达燃料喷射器60之前在流动套筒50周围和环形室64内部流动通过分配歧管62。然而，与图5中示出的前一实施例一样，分配歧管62仅覆盖流动套筒50的一部分。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%。此外，一个或更多挡板80在流动套筒50与分配歧管62之间周向地延伸。挡板80可连接至流动套筒50和/或分配歧管62，可在流动套筒50的一些或全部周围周向地延伸，且/或可包括通路或孔以改进压缩工作流体24在流动套筒50周围的分布。这样，挡板80可减小到达燃料喷射器60的压缩工作流体24的压力和/或流率的变化，以产生更均匀的喷入燃烧室40中的燃料-空气混合物。图9和图10提供了根据本发明的各个实施例的图8中所示的燃烧器16沿线B-B截取的轴向截面图。如图9中所示，流体通路66可在分配歧管62周围均匀地间隔开和/或相对于燃料喷射器60周向地错开。流体通路66的均匀间距可用于以下应用中:其中，压缩工作流体24的压力和/或流量在分配歧管62的周边周围不过度变化，且/或挡板80在环形室64内部充分地分配压缩工作流体24，以充分减小到达燃料喷射器60的压缩工作流体24的压力和/或流率的任何变化。备选地，如图10中所示，流体通路66可在分配歧管62周围以不同间隔周向地间隔开。流体通路66之间的不均匀间距可用于以下应用中:其中，压缩工作流体24的静压力在分配歧管62的周边周围过度变化，且/或挡板80未在环形室64内部充分地分配压缩工作流体24，以充分减小到达燃料喷射器60的压缩工作流体24的压力和/或流率的任何变化。关于图1至图10所示出和描述的系统10还可提供用于向燃烧器16供应工作流体24的方法。该方法可包括使工作流体24从压缩机14流动通过燃烧室40以及使工作流体24的一部分转向或流动通过分配歧管62，该分配歧管62周向地围绕周向布置在燃烧室40周围的燃料喷射器60。在特定实施例中，该方法还可包括使工作流体24的转向部分流过在分配歧管内部径向和/或周向延伸的挡板80，以在燃烧室40周围基本均匀地分配转向的工作流体24。本发明的各个实施例可提供优于现有延迟贫喷射系统的一个或更多技术优点。例如，本文所述的系统和方法可减小通过每个燃料喷射器50的工作流体24的压力和/或流量的变化。结果，各个实施例需要较少的分析来实现通过燃料喷射器50的期望燃料-空气比且提高燃料喷射器50实现期望效率和来自燃烧器16的减少排放的预期能力。该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的任何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以及执行任何所并入的方法。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示例。如果此类其它示例包括与权利要求的文字语言没有差别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的文字语言无实质性差别的等同结构元件，则认为此类其它示例在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种用于向燃烧器供应工作流体的系统，包括: a.燃料喷嘴； b.在所述燃料喷嘴下游的燃烧室； c.流动套筒，其周向地围绕所述燃烧室； d.多个燃料喷射器，其周向地布置在所述流动套筒周围，其中，所述多个燃料喷射器提供穿过所述流动套筒到所述燃烧室的流体连通； e.分配歧管，其周向地围绕所述多个燃料喷射器；以及 f.穿过所述分配歧管的流体通路，其中，所述流体通路提供穿过所述分配歧管到所述多个燃料喷射器的流体连通。
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基本同延。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分配歧管在所述流动套筒的周边周围连接至所述流动套筒。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括在所述流动套筒与所述分配歧管之间的挡板。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述挡板在所述流动套筒与所述分配歧管之间径向延伸。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述挡板在所述流动套筒周围周向延伸。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括穿过所述分配歧管的多个流体通路，其中，所述多个流体通路提供穿过所述分配歧管到所述多个燃料喷射器的流体连通。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述多个流体通路在所述分配歧管周围周向地均匀间隔开。
9.一种用于向燃烧器供应工作流体的系统，包括: a.燃烧室； b.衬套，其周向地围绕所述燃烧室； c.流动套筒，其周向地围绕所述衬套； d.分配歧管，其周向地围绕所述流动套筒； e.多个燃料喷射器，其周向地布置在所述流动套筒周围，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到所述燃烧室的流体连通；以及 f.穿过所述分配歧管的流体通路，其中，所述流体通路提供穿过所述分配歧管到所述多个燃料喷射器的流体连通。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述分配歧管轴向延伸小于所述流动套筒的轴向长度的大约50%。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述分配歧管在所述流动套筒的周边周围连接至所述流动套筒。
12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括在所述流动套筒与所述分配歧管之间的挡板。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述挡板从所述流动套筒径向延伸至所述分配歧管。
14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述挡板在所述流动套筒周围周向地延伸。
15.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括穿过所述分配歧管的多个流体通路，其中，所述多个流体通路提供穿过所述分配歧管到所述多个燃料喷射器的流体连通。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述多个流体通路在所述分配歧管周围以不同间隔周向地间隔开。
17.一种用于向燃烧器供应工作流体的方法，包括: a.使工作流体从压缩机流动通过燃烧室；以及 b.使所述工作流体的一部分转向通过分配歧管，所述分配歧管周向地围绕周向布置在所述燃烧室周围的多个燃料喷射器。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括使所述工作流体的转向部分流过在所述分配歧管内部径向延伸的挡板。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括使所述工作流体的转向部分流过在所述燃烧室周围周向延伸的挡板。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括在所述燃烧室周围基本均匀地分配所述工作流 体的转向部分。
全文摘要
一种用于向燃烧器供应工作流体的系统包括燃料喷嘴和在燃料喷嘴下游的燃烧室。流动套筒周向地围绕燃烧室，并且多个燃料喷射器周向地布置在流动套筒周围，以提供穿过流动套筒到燃烧室的流体连通。分配歧管周向地围绕多个燃料喷射器，并且穿过分配歧管的流体通路提供穿过分配歧管到多个燃料喷射器的流体连通。一种用于向燃烧器供应工作流体的方法包括使工作流体从压缩机流动通过燃烧室；以及使工作流体的一部分转向通过分配歧管，该分配歧管周向地围绕周向布置在燃烧室周围的多个燃料喷射器。
文档编号F23R3/28GK103196157SQ20131000317
公开日2013年7月10日 申请日期2013年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者L.J.斯托亚, P.B.梅尔顿 申请人:通用电气公司