用于支撑燃烧器内燃料喷嘴的系统和方法与流程

本发明大体涉及用于支撑燃烧器内燃料喷嘴的系统和方法。

背景技术：
燃烧器常用于工业生产和发电操作中，用以点燃燃料，以产生高温高压的燃烧气体。各种考虑因素会影响燃烧器的设计及运行，而且这些考虑因素之间存在彼此取舍的关系。例如，较高的燃烧气体温度一般会改善燃烧器的热力学效率。然而，较高的燃烧气体温度也会促发逆燃（flashback）或火焰稳定（flameholding）条件，这些条件会使燃焰朝由喷嘴所供应的燃料移动，从而可能在相对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会提高双原子氮的分解速率，从而增加氮氧化物（NOX）的产量。反过来说，较低的燃烧气体温度一般会降低燃烧气体的化学反应速率，进而会增加一氧化碳以及未燃尽的烃类的产量；该较低的燃烧气体温度与燃料流减小和/或部分负荷运行（停转）相关。在具体的燃烧器设计中，连接到燃烧器壳体的端盖或管尾端（breechend）可以限定燃烧器头端，而径向延伸越过所述燃烧器的某一部分的盖总成（capassembly）可以将所述头端与燃烧室分开。一个或多个燃料喷嘴以悬臂方式连接到所述管尾端，并且所述一个或多个燃料喷嘴可以从所述管尾端朝下游延伸，到达所述盖总成。所述燃料喷嘴可以在燃烧器头端中径向布置，以使得燃料在燃烧室中燃烧之前与工作流体混合。如果增加所述头端的轴向长度和/或容积，就可以让燃料和压缩工作流体在燃烧之前有更多的时间来进行混合。增强混合可以在较高的 操作温度下实现更稀薄的燃烧，以防止发生逆燃或火焰稳定，同时还控制了不期望的排放。但是，增加所述头端的轴向长度和/或容积可能会导致有害的燃烧动力学性质，而这会缩短一个或多个燃烧器部件的使用寿命。举例来说，增加所述头端的轴向长度可以使得悬臂式燃料喷嘴相关的固有频率更低，造成所述燃料喷嘴以及下游部件的高循环疲劳问题。或者或此外，这些燃烧动力学性质可以在所述燃料喷嘴和/或燃烧室内部产生压力脉冲，所述压力脉冲会影响燃焰的稳定性，减少关于逆燃或火焰稳定的设计余量，以及/或者增加非想要的排放。因此，需要使用一种用于支撑燃烧器内燃料喷嘴的改善的系统和方法，所述改善的系统和方法提高由所述燃料喷嘴所形成的固有频率或共振频率，改善高循环疲劳极限，和/或减少非想要的燃烧器动力学性质。

技术实现要素：
以下说明将阐明本发明的各个方面和优点，或者说，这些方面和优点在说明中可以显而易见，或者说，可以通过实践本发明而获悉。本发明的一个实施例是一种用于支撑燃烧器内燃料喷嘴的系统。所述系统包括：环形件，所述环形件在燃烧器内沿周向环绕所述燃料喷嘴；支撑板，所述支撑板在所述环形件中的至少一部分内径向延伸；以及第一连接件，所述第一连接件处于所述支撑板与在所述燃烧器内的至少一个所述燃料喷嘴之间。第二连接件处于所述支撑板与所述环形件之间。进一步的，其中所述环形件连接到所述燃烧器的管尾端。进一步的，其中所述支撑板沿周向环绕位于所述燃烧器内的每一燃料喷嘴。进一步的，其中所述支撑板刚性地连接到处于所述燃烧器内的每一燃料喷嘴。进一步的，其中所述支撑板相对于所述第一连接件或所述第二连接件中的至少一者轴向滑动。进一步的，包括多个独立的支撑板，并且每一独立的支撑板在所 述环形件的至少一部分内径向延伸。进一步的，其中每一独立的支撑板连接到所述环形件和位于所述燃烧器内的至少一个所述燃料喷嘴。本发明的另一实施例是一种燃烧器，所述燃烧器包括：管尾端；壳体，所述壳体连接到所述管尾端并且沿周向环绕所述燃烧器中的至少一部分；以及多个燃料喷嘴，所述多个燃料喷嘴连接到所述管尾端并且延伸到所述管尾端的下游。环形件沿周向环绕所述燃料喷嘴，而支撑板在所述环形件中的至少一部分内径向延伸。第一连接件处于所述支撑板与至少一个所述燃料喷嘴之间，而第二连接件处于所述支撑板与所述环形件之间。进一步的，其中所述环形件连接到所述管尾端。进一步的，其中所述支撑板沿周向环绕每一燃料喷嘴。进一步的，其中所述支撑板刚性地连接到每一燃料喷嘴。进一步的，其中所述支撑板相对于至少一个所述燃料喷嘴或所述环形件轴向滑动。进一步的，包括多个独立的支撑板，并且每一独立的支撑板在所述环形件中的至少一部分内径向延伸。进一步的，其中每一独立的支撑板连接到所述环形件和至少一个所述燃料喷嘴。本发明还可以包括一种用于在燃烧器中支撑燃料喷嘴的方法，所述方法包括：使用环形件来环绕所述燃料喷嘴；将支撑板连接到所述环形件；以及将所述支撑板连接到至少一个燃料喷嘴。进一步的，包括将所述环形件连接到所述燃烧器的管尾端。进一步的，包括使用所述支撑板沿周向环绕每一燃料喷嘴。进一步的，包括将所述支撑板刚性地连接到每一燃料喷嘴。进一步的，包括使所述支撑板相对于至少一个所述燃料喷嘴或所述环形件轴向滑动。进一步的，包括将多个独立的支撑板连接到所述环形件，并且将 每一独立的支撑板连接到至少一个燃料喷嘴。附图说明本说明书接下来参考附图为所属领域的技术人员以完整且可实现的方式来详细揭示本发明，包括其最佳模式，其中：图1为示例性燃烧器的侧视截面图；图2为根据本发明的第一实施例的燃烧器的头端中一部分的侧视截面图；图3为图2所示燃烧器沿线A—A截得的轴向截面图；图4为根据本发明的第二实施例的燃烧器的头端中一部分的侧视截面图；图5为图4所示燃烧器沿线B—B截得的轴向截面图；以及图6为根据本发明的替代实施例的图4所示燃烧器中的一部分的放大侧视截面图。具体实施方式现在将详细参考本发明的各实施例，附图中图示了本发明实施例的一个或多个实例。具体实施方式中使用数字和字母标识来指代附图中的特征。附图和描述中相同或类似的标识用于指代本发明中相同或类似的部分。本说明书中所用的术语“第一”、“第二”以及“第三”可以互换使用以区分不同部件，并且这些术语并不旨在表示单个部件的位置或重要性。此外，术语“上游”和“下游”指部件在流体通路中的相对位置。例如，如果流体从部件A流向部件B，则部件A在部件B的上游。相反，如果部件B从部件A接收流体流，则部件B在部件A的下游。各个实例用以解释本发明而非限制本发明。事实上，所属领域的技术人员容易了解，在不脱离本发明的范围或精神的前提下，可以对本发明做出各种修改和变化。例如，可以将被说明或描述为某项实施例中一部分的特征用到另一项实施例中，从而得到又一项实施例。因 此，本发明应涵盖属于所附权利要求书及其等效物的范围内的此类修改和变化。本发明的各实施例包括一种用于在燃烧器中支撑燃料喷嘴的系统和方法。所述系统大体包括：环形件，所述环形件沿周向环绕所述燃料喷嘴；以及支撑板，所述支撑板将所述燃料喷嘴连接到所述环形件。所述环形件又连接到所述燃烧器，而在具体实施例中，所述环形件又可连接到所述燃烧器的管尾端。在其他具体实施例中，所述支撑板可包括多个独立的支撑板，所述多个独立的支撑板各自连接到所述环形件以及至少一个喷嘴。以此方式，本说明书所描述的系统和方法可以增加由所述燃料喷嘴所形成的固有频率或共振频率，改善高循环疲劳（highcyclefatigue）极限，和/或减少不期望的燃烧器动力学性质。尽管为便于说明而在将燃烧器并入到燃气涡轮机的情境中大体描述了本发明的各示例性实施例，但是所属领域的一般技术人员容易了解，本发明各实施例并非仅限于燃气涡轮机，除非在权利要求书中另有明确说明。图1所示为根据本发明的各实施例的示例性燃烧器10的简化截面图，所述燃烧器例如会包括在燃气涡轮机中。燃烧器10大体包含壳体12，壳体12沿周向环绕燃烧器10中的至少一部分，以便容纳流入燃烧器10中的工作流体。如图1所示，壳体12可连接到端盖或管尾端14，或包括端盖或管尾端14，端盖或管尾端14在燃烧器10中的至少一部分上径向伸展，从而提供用于将燃料、稀释剂和/或其他添加物供应到燃烧器10的界面。此外，壳体12与管尾端14可以组合，以至少部分地界定出在燃烧器10内部的头端16。处于头端16下游的盖总成18可以在燃烧器10中至少一部分上径向伸展，而连接到盖总成18的衬套（liner）20可以在头端16的下游至少部分地界定出燃烧室22。例如，所述工作流体可以流过在冲击套筒26中的导流孔24，并沿着衬套20外部流动，来为衬套20提供对流冷却。而当工作流体到达头端16时，所述工作流体会反向，流过盖总成18并流入到燃烧 室22中。一个或多个燃料喷嘴30可以在管尾端14与盖总成18之间延伸。所述燃料喷嘴30可以在燃烧器头端16中径向布置，以使得燃料在燃烧室22中燃烧之前与工作流体混合。如图1所示，所述燃料喷嘴30以悬臂方式连接到管尾端14，并且所述悬臂式连接导致与燃料喷嘴30和/或盖总成18相关的共振频率或固有频率可能处在其他共振源的频率范围之内，从而引发谐振，造成损坏和/或增加的磨损。因此，本发明的各实施例包括在盖总成18内部径向延伸的一个或多个支撑板。所述支撑板将所述燃料喷嘴30撑紧，以提高与燃料喷嘴30和/或盖总成18相关的共振频率或固有频率。图2为根据本发明的第一实施例的燃烧器10的头端16中一部分的侧视截面图；而图3为图2所示燃烧器10沿线A-A截得的轴向截面图。如图2所示，每一燃料喷嘴30可以包括：例如，中心主体32；罩壳（shroud，或称为“围带”）34（罩壳34沿周向环绕中心主体32中的至少一部分）；以及一个或多个静叶36（所述一个或多个静叶36在中心主体32与罩壳34之间径向延伸）。中心主体32提供流体连通，以使得燃料、稀释剂和/或其他添加剂从管尾端14、通过盖总成18，流入燃烧室22中。举例而言，燃料、稀释剂和/或其他添加剂可以通过中心主体32以及处于中心主体32下游末端的出燃料口38，流入燃烧室22。罩壳34界定出在中心主体32与罩壳34之间的环形通道40。环形通道40提供流体连通，以使得工作流体流过盖总成18，流入燃烧室22。在具体实施例中，中心主体32可以为静叶36中的一者或多者提供流体连通，使得燃料、稀释剂和/或其他添加剂可以流过在静叶36中的燃料口38。静叶36可以成一定角度，以使得流经环形通道40的燃料与工作流体发生旋流，使得所述燃料与工作流体在到达燃烧室22之前增强混合。如图2和图3所示，盖总成18大体包括：环形件50（环形件50沿周向环绕燃料喷嘴30）；以及一个或多个径向延伸的撑杆52或支 撑件，所述撑杆52或支撑件可以将盖总成18连接到壳体12。位于盖总成18内部的支撑板54可以在环形件50的至少一部分内部径向延伸。举例来说，最清晰如图3所示，支撑板54可以沿周向环绕在盖总成18内部的每一燃料喷嘴30的每一罩壳34，和/或刚性地连接到在燃烧器10内部的每一燃料喷嘴30的每一罩壳34。支撑板54可以由能够连续地暴露在与燃烧器10相关的温度下的任何适宜材料来制造。举例而言，支撑板54可以使用碳钢、低合金钢、不锈钢，或其他适宜的高强度薄金属板来加工制造。支撑板54刚性地连接到环形件50与一个或多个燃料喷嘴30。举例来说，最清晰如图2所示，在支撑板54与燃料喷嘴30的罩壳34之间的第一连接件56以及在支撑板54与环形件50之间的第二连接件58使得支撑板54能够在径向上支撑在盖总成18内部的燃料喷嘴30。第一连接件56和第二连接件58可以包括所属领域已知的用于将所述部件固定地连接在一起的任何适宜结构。举例来说，第一连接件56和第二连接件58可以包括在支撑板54与燃料喷嘴30和/或环形件50之间的焊接接头。或者或此外，如图2或图3所示，第一连接件56和第二连接件58可以包括螺栓60、螺钉或夹具，所述螺栓60、螺钉或夹具将支撑板54刚性地连接到从罩壳34和/或环形件50径向延伸的凸缘或凸耳。在图2和图3所示的具体实施例中，环绕每一燃料喷嘴30的罩壳34包括凸缘62，而环绕燃料喷嘴30的环形件50还包括凸缘64。然而，在替代实施例中，凸缘62、64可以使用用于将支撑板54连接到燃料喷嘴30和环形件50的凸耳或其他附接点来替换。如图2和图3所示，第一连接件56和第二连接件58在燃料喷嘴30与环形件50之间连接支撑板54，而撑杆52将环形件50锚定或栓定到壳体12。这样，环形件50与支撑板54的组合效果可以增强对燃料喷嘴30的支撑，进而提高燃料喷嘴30和/或盖总成18的固有频率。此外，与第一连接件56和第二连接件58相关的螺栓60的位置和定向也利于燃料喷嘴30、支撑板54与环形件50的组装。具体来说，可 以先安装螺栓60，并将螺栓60扭转到所需值，然后将泻流盖（effusioncap）66铆接或其他方式附接到环形件50，从而完成盖总成18在燃烧器10中的安装。图4为根据本发明的第二实施例的燃烧器10的头端16中一部分的侧视截面图；而图5为图4所示燃烧器10沿线B-B截得的轴向截面图。如图4所示，每一燃料喷嘴30同样可以包括先前关于图2所描述的中心主体32、罩壳34、静叶36、燃料口38以及环形通道40。此外，盖总成18同样大体包括环形件70，环形件70沿周向环绕燃料喷嘴30。然而，最清晰如图4所示，在先前实施例中存在的径向延伸的撑杆52已被移除，而环形件70轴向延伸穿过头端16，并连接到燃烧器10的管尾端14。在环形件中的穿孔72允许工作流体流过环形件70进入到燃料喷嘴30中，如同前述，同时管尾端14将环形件70刚性地支撑在适当位置。在图4和图5中所示的实施例同样包括处于盖总成18内部的支撑板74，支撑板74在环形件70中的至少一部分内部径向延伸。如同前述，支撑板74刚性地连接到环形件70和一个或多个燃料喷嘴30。举例来说，最清晰如图4所示，在支撑板74与燃料喷嘴30的罩壳34之间的第一连接件76以及在支撑板74与环形件70之间的第二连接件78使得支撑板74能够在径向上支撑在盖总成18内部的燃料喷嘴30。如先前关于图2和图3所示的实施例所描述，第一连接件56和第二连接件58可以包括所属领域所知的用于将所述部件固定地连接在一起的任何适宜结构。举例来说，第一连接件76和第二连接件78可以包括在支撑板74与燃料喷嘴30和/或环形件70之间的焊接接头。或者或此外，如图4或图5所示，第一连接件76和第二连接件78可以包括螺栓80、螺钉或夹具，所述螺栓80、螺钉或夹具将支撑板74刚性地连接到从罩壳34和/或环形件70起径向延伸的凸缘或凸耳。在图4和图5所示的具体实施例中，环绕每一燃料喷嘴30的罩壳34包括凸耳82，而环绕燃料喷嘴30的环形件70还包括凸缘84。最清晰如图5所示，支撑板74可包括多个独立的支撑板74，其中每一独立的支撑板74在环形件70中的至少一部分内部径向延伸，以将环形件70连接到在燃烧器10内的燃料喷嘴30中的至少一个燃料喷嘴。每一独立的支撑板74可以同样由能够连续地暴露在与燃烧器10相关的温度下的任何适宜材料来制造。举例而言，支撑板74可以使用碳钢、低合金钢、不锈钢，或其他适宜的高强度薄金属板来加工制造。就图2至图5所示的两个实施例来说，沿燃烧器10流动以及穿过燃烧器10流动的燃料和工作流体的温度在运行期间可以发生显著变化，使得壳体12和燃料喷嘴30以不同的比率来膨胀或收缩，并且以不同的量来膨胀或收缩。可以预计，在支撑板54、74中的弹性可以容受由壳体12、环形件50、70以及燃料喷嘴30之间的热膨胀及热收缩所导致的在这些部件之间的轴向运动。但是，在支撑板54、74与燃料喷嘴30和/或环形件50、70之间的额外结构可以容许在这些部件之间的额外轴向运动。举例来说，图6所示为根据本发明的替代实施例的图4所示的第一连接件76和第二连接件78的放大侧视截面图。如图所示，如先前关于图4和图5所示的实施例所描述，在支撑板74与罩壳34之间的第一连接件76可以同样包括螺栓80，螺栓80将支撑板74刚性地连接到凸耳82。然而，第二连接件78可以包括螺栓90，螺栓90具有肩部92以及螺母94，螺母94将螺栓90刚性地紧固到凸缘84。以此方式，肩部92容许支撑板74在第二连接件78中轴向滑动，以容受在燃料喷嘴30与环形件70之间的相对轴向运动。关于图2至图6所示及所描述的实施例还可以提供一种用于在燃烧器10中支撑燃料喷嘴30的方法。所述方法可包括使用环形件50、70来环绕燃料喷嘴30，将支撑板54、74连接到环形件50、70，以及将支撑板54、74连接到至少一个燃料喷嘴30。在具体实施例中，所述方法可以包括使用支撑板54沿周向环绕每一燃料喷嘴30，和/或将支撑板54刚性地连接到每一燃料喷嘴30，例如图3所示。在其他具 体实施例中，所述方法可以进一步包括将环形件74连接到燃烧器10的管尾端14，例如图4所示。在另外的其他实施例中，所述方法可以包括使支撑板74相对于至少一个所述燃料喷嘴30或环形件70轴向滑动，例如图6所示。关于图2至图6所示和所描述的各个实施例提供了优于当前燃烧器的一个或多个商业和/或技术优势。举例来说，在燃料喷嘴30、支撑板54、74以及环形件50、70之间的刚性连接的组合效果可以使得与燃料喷嘴30和/或盖总成18相关的共振频率或固有频率较高。较高的共振频率或固有频率使得头端16的容积较之于当前所能提供的头端更大，而且不会在燃烧器动力学性质中发生相应增加。燃烧室22上游的头端16的较大容积可使燃料和工作流体在燃烧之前有更多时间进行混合，实现更稀薄且更高温的燃烧，而且不会增加排放量。本说明书使用了多个实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行所涵盖的任何方法。本发明的专利保护范围由权利要求书限定，并可以包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或者如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。