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生成功率或推力。用于产生电功率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。环境空气可被供应至压缩机，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至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一般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，从而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一般增加二价氮的解离速率，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一般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。在一特定燃烧器设计中，也称为延迟贫喷射器(late lean injector)的一个或更多燃料喷射器可周向地布置在喷嘴下游的燃烧室周围。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以与燃料混合而产生贫燃料-空气混合物。贫燃料-空气混合物然后可喷射到燃烧室中用于另外的燃烧，从而升高燃烧气体温度并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，从而减轻由燃料到燃烧室中的延迟贫喷射形成的有益效果。已做出先前尝试以实现工作流体通过延迟贫喷射器的更均匀流动。例如，已将勺状件或护罩安装在燃料喷射器的一部分上方以更均匀地调节工作流体通过燃料喷射器的流动。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的下游的燃烧室。流动套筒周向地围绕燃烧室，并且周向地布置在流动套筒周围的多个燃料喷射器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且在分配歧管与流动套筒之间限定环形室。穿过分配歧管的流体通路提供穿过分配歧管到环形室的流体连通。环形室的径向截面积在流动套筒周围变化。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、周向地围绕燃烧室的衬套以及周向地围绕衬套的流动套筒。分配歧管周向地围绕流动套筒且在分配歧管与流动套筒之间限定环形室。周向地布置在流动套筒周围的多个燃料喷射器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。环形室的径向截面积在流动套筒周围变化。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；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；以及改变工作流体的转向部分的压力或流率中的至少一个。
在说明书的剩余部分中，包括参考附图，更特定地阐述了本发明的完整且能够实现的公开内容，包括对于本领域技术人员而言的其最佳模式，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是图2中所示的燃烧器沿线A-A截取的轴向截面 图4是根据本发明的第二实施例的图1中所示的燃烧器16的一部分的简化侧视截面图；以及
图5是图4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径向截面积
72径向长度
74轴向宽度
76分配歧管的相对侧。
具体实施例方式现在将详细提及本发明的当前实施例，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”指的是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其范围或精神。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的范围内的此类修改和变型。本发明的各种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地围绕延迟贫喷射器的分配歧管。分配歧管在燃烧室周围限定径向截面积，其变化以改变分配歧管内部的工作流体的流率。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，以产生更均匀的喷射到燃烧室中的燃料-空气混合物。虽然出于说明的目的而一般将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明。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、径向设置在中部周围的一个或更多燃烧器16以及位于后部的涡轮18。压缩机14和涡轮18典型地共享连接至发电机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在定子导叶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，以向燃烧喷嘴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)、氢气以及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。燃料与压缩工作流体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可接收与供应给燃料喷嘴36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。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可沿流动套筒50的整个长度轴向延伸或者小于流动套筒50的轴向长度的大约75%、50%或25%，如图2中所示。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。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。流体通路66可从燃料喷射器60周向地偏离，以允许压缩工作流体24在流动通过燃料喷射器60之前更均匀地分散在环形室64内部。图3提供了图2中所示的燃烧器沿线A-A截取的轴向截面图。如图3中所示，环形室64具有在流动套筒50周围变化的径向截面积70。在该特定实施例中，例如，环形室64在分配歧管62与流动套筒50之间具有径向长度72，并且径向长度72在流动套筒50周围变化而产生环形室64的径向截面积70的对应变化。根据关于流动通过环形室64的压缩工作流体24的压力和/或流率的特定设计需要，分配歧管62与流动套筒50之间的径向长度72的变化可以是恒定的或变化的。此外，流体通路66在分配歧管62周围以不同间隔周向地间隔开，并且径向长度72且因此径向截面积70在流体通路66附近最大。当压缩工作流体24流动通过流体通路66且进入环形室64中时，随着压缩工作流体24在环形室64内部在流动套筒50周围流动，压力降低且流率增大。结果，到达燃料喷射器60的工作流体24的压力和/或流率的变化减小而产生更均匀的喷射到燃烧室40中的燃料-空气混合物。图4提供了根据本发明的第二实施例的图1中所示的燃烧器16的一部分的简化侧视截面图，并且图5提供了图4中所示的燃烧器沿线B-B截取的轴向截面图。如图所示，燃烧器16也包括衬套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以及流体通路66，如之前关于图2中所示的实施例所描述的。在该特定实施例中，流体通路66在流动套筒50周围均匀地间隔开，并且分配歧管62与流动套筒50之间的径向长度72在分配歧管62周围周向地相对恒定，如图5中最清楚地示出的。然而，如图4中最清楚地示出的，环形室64在分配歧管62的相对侧76之间具有轴向宽度74，其在流动套筒50周围变化。根据关于流动通过环形室64的压缩工作流体24的压力和/或流率的特定设计需要，分配歧管62的相对侧76之间的轴向宽度74的变化可以是恒定的或变化的。此外，流体通路66可从燃料喷射器60轴向地偏离，以允许压缩工作流体24更均匀地分散在环形室64内部。当压缩工作流体24流动通过流体通路66且进入环形室64中时，流动套筒50周围的轴向宽度的变化改变了在环形室64内部在流动套筒50周围流动的压缩工作流体24的压力和/或流率。结果，到达燃料喷射器60的工作流体24的压力和/或流率的变化减小而产生更均匀的喷射到燃烧室40中的燃料-空气混合物。关于图1至图5示出及描述的系统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 ;使工作流体24的一部分转向通过周向地围绕周向布置在燃烧室40周围的多个燃料喷射器60的分配歧管62 ；以及改变工作流体24的转向部分的压力和/或流率。在特定实施例中，改变步骤可包括使工作流体24的转向部分流动通过分配歧管62的较窄部分和/或将工作流体24的转向部分基本均匀地分配在燃烧室40周围。本发明的各种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，文中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，各种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并入的方法。本发明的可专利权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区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的文字语言无实质性区别的等同结构元件，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且在所述分配歧管与所述流动套筒之间限定环形室； 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环形室的流体连通；并且 g.其中，所述环形室的径向截面积在所述流动套筒周围变化。
2.根据权利要求1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%。
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，所述环形室在所述分配歧管与所述流动套筒之间具有径向长度，并且所述径向长度在所述流动套筒周围变化。
5.根据权利要求 1所述的系统，其特征在于，所述环形室在所述分配歧管的相对侧之间具有轴向宽度，并且所述轴向宽度在所述流动套筒周围变化。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述环形室的径向截面积在所述流体通路附近最大。
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且在所述分配歧管与所述流动套筒之间限定环形室； 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； 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；并且 g.其中，所述环形室的径向截面积在所述流动套筒周围变化。
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，所述环形室在所述分配歧管与所述流动套筒之间具有径向长度，并且所述径向长度在所述流动套筒周围变化。
13.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述环形室在所述分配歧管的相对侧之间具有轴向宽度，并且所述轴向宽度在所述流动套筒周围变化。
14.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述环形室的径向截面积在所述流体通路附近最大。
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； 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；以及 c.改变所述工作流体的转向部分的压力或流率中的至少一个。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述改变步骤包括使所述工作流体的转向部分流动通过所述分配歧管的较窄部分。
19.根据权利要求17所述的方法，`其特征在于，还包括将所述工作流体的转向部分基本均匀地分配在所述燃烧室周围。
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，并且燃料喷射器提供到燃烧室的流体连通。分配歧管周向地围绕燃料喷射器且限定环形室。穿过分配歧管的流体通路提供穿过分配歧管的流体连通。环形室的径向截面积在流动套筒周围变化。一种用于向燃烧器供应工作流体的方法包括使工作流体流动通过燃烧室；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燃料喷射器；以及改变工作流体的转向部分的压力或流率中的至少一个。
文档编号F23R3/28GK103206724SQ20131001013
公开日2013年7月17日 申请日期2013年1月11日 优先权日2012年1月13日
发明者L.J.斯托亚, P.B.梅尔顿 申请人:通用电气公司