专利名称：用于燃气涡轮机的燃烧动态特性控制的系统和方法
技术领域：
本发明大体涉及燃气涡轮机燃烧器，且更具体而言，涉及用于通过改变各个喷嘴 组中的燃料喷嘴阻抗来控制燃气涡轮机燃烧动态特性的系统和方法。
背景技术：
多罐式燃气涡轮机燃烧系统的各个罐典型地包括2-3个或更多个不同的燃料供 应喷嘴组。在不同的组中的这些燃料供应喷嘴在几何上大体相同，差别仅涉及燃料流量。到 不同的喷嘴组的燃料流的相对量称为燃料划分(split)，这是用以控制燃烧动态特性的主 要工具之一。但是，实现最低动态特性的最佳状态通常并不对应于适用于最小排放的运行 状态，反之亦然。当与燃烧器的自然模式耦联时，燃烧器罐内的不稳定的火焰会建立反馈循环，且 可导致对硬件具有潜在的损害的高幅压力脉动。这些问题对于用来产生更低排放的现代贫 (燃料)预混合燃烧系统而言更加明显，且已经以各种方式(包括修改发生机制、改变燃烧 器几何以及主动和被动控制)来解决这些问题。因为多喷嘴燃气涡轮机燃烧系统中的不同的火焰组彼此的互相作用可为导致/ 控制燃烧器的燃烧动态特性的关键因素，所以将有利且有益的是提供用于以在实现最小化 排放的同时降低燃烧动态特性幅度的方式、以均勻燃料划分来操作燃气涡轮机的系统和方法。
发明内容
简要地，根据一个实施例，一种燃烧器包括多个燃料喷嘴，其中，至少一个喷嘴接 收来自第一燃料线路的燃料，并且此外，其中，至少一个不同的喷嘴接收来自第二燃料线路 的燃料，各个燃料线路具有对应的阻抗，从而使得第一燃料线路阻抗不变地或可变地不同 于第二燃料线路阻抗。燃料线路的阻抗由喷嘴的几何尺寸和燃料流率控制。到各个喷嘴的 总燃料的部分称为燃料划分。当在各个喷嘴组之间分配的每个喷嘴的燃料的量相同时，这 个状态称为均勻燃料划分。根据另一个实施例，一种燃烧器包括多个燃料喷嘴，其中，至少一个喷嘴接收来自 第一燃料线路的燃料，并且此外，其中，至少一个不同的喷嘴接收来自第二燃料线路的燃 料，各个喷嘴包括不变地或可变地不同于至少一个其它喷嘴燃料线路阻抗的燃料线路阻 抗。根据又一个实施例，一种燃烧器构造成以便通过借助于各个喷嘴组中的几何变化 或惰性物添加改变燃料阻抗，在燃烧器均勻燃料划分状态期间，在与利用这样的多燃料喷 嘴燃烧器-其使用具有相同或相似的阻抗的喷嘴和阻止达到同样低的燃烧排放水平的高 的动态特性_在燃烧器均勻燃料划分状态期间可获得的燃烧动态特性水平相比更低的燃 烧动态特性水平处来最小化燃烧排放。
当参看附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得 更好理解，在附图中，同样的符号在所有图中表示同样的部件，其中图1示出了根据本发明的一个实施例的、具有多个喷嘴组的燃烧器罐，其中，用于 一个喷嘴组的预工作孔(pre orifice)和后工作孔(post orifice)大小不同于用于另一 个喷嘴组的预工作孔和后工作孔大小；图2示出了采用图1中描绘的燃烧器罐的燃气涡轮机；以及图3为图2中描绘的燃烧器的更详细的视图。虽然以上标识的图形阐明了备选实施例，但是如在论述中所注意到的那样，还构 思了本发明的其它实施例。在所有情况下，本公开以代表且非限制的方式提出了本发明的 示出的实施例。本领域技术人员可设计落在本发明的原理的范围和精神内的许多其它修改
和实施例o
部件列表
(10)燃烧器罐
(12)喷嘴组
(14)喷嘴组12喷嘴
(16)喷嘴组12喷嘴
(18)喷嘴组12喷嘴
(20)喷嘴组
(22)喷嘴组20喷嘴
(24)喷嘴组20喷嘴
(26)喷嘴组
(28)喷嘴组26喷嘴
(30)喷嘴组12燃料线
(32)喷嘴组20燃料线
(34)喷嘴组26燃料线
(36)喷嘴预工作孔
(38)喷嘴后工作孔
(50)燃气涡轮机系统
(52)压缩机
(54)燃烧器
(56)燃气涡轮机
(58)燃料喷嘴
(60)燃烧室
具体实施例方式
图1示出了根据本发明的一个实施例的、具有多个喷嘴组12、20、26的燃烧器罐 10，其中，用于一个喷嘴组的预工作孔和后工作孔大小不同于用于另一个喷嘴组的预工作 孔和后工作孔大小。多罐式燃烧系统中的各个燃烧器罐典型地具有2-3个不同的燃料供应喷嘴组，例如图1中描绘的那样。典型地，这些喷嘴是相同的，这对于在燃烧器均勻燃料划 分(在不同的组的喷嘴中有相等的燃料/空气混合物)状态期间的燃烧动态特性来说是有 问题的。燃烧器内部的不稳定的火焰可与燃烧器的自然模式耦联，从而建立反馈循环，这会 导致具有损害硬件的可能性的高幅压力脉动。这个问题对于用来实现更低的排放的现代贫 (燃料)预混合燃烧系统更明显，因为这些系统更容易受当量比(equivalence ratio)和声 /流量扰动的影响。此外，在多喷嘴系统中，当来自不同喷嘴的所有火焰具有相同或相似的 特性时(这是均勻分流时所处的情况)，问题变得更严重。但是，通常燃气涡轮机在均勻分 流处实现最低的排放，但是由于高的燃烧动态特性的原因，燃气涡轮机不能以这个状态操 作。已知多喷嘴燃烧器系统中的各个火焰组彼此的互相作用是导致/控制燃烧器的 燃烧动态特性的关键因素。因此，已经成功地采用了燃料划分来控制燃烧动态特性。但是， 在均勻燃料划分时，各个火焰组的特性非常相似/相同，这就抑制了用以使排放进一步更 低的操作。因为燃料线路阻抗表征特定喷嘴的响应，且在燃烧动态特性中起非常重要的作 用，关于一个或多个其它喷嘴组改变一个或多个喷嘴组的燃料线路阻抗可用于改变各个火 焰组的响应，以最小化排放(例如但不限于NOx)，而同时改变火焰-声互相作用且降低燃烧 动态特性幅度。继续参看图1，燃烧器罐10可为多罐式燃烧器系统中的一个部件，多罐式燃烧器 系统可为例如燃气涡轮机，例如以下参看图2和3所描述的那样。燃烧器罐10包括第一燃 料喷嘴组12、第二燃料喷嘴组20和第三燃料喷嘴组26。喷嘴组12包括喷嘴14、16、18。喷 嘴组20包括喷嘴22、24。喷嘴组26包括单个喷嘴28。各个喷嘴组12、20、26接收来自对 应的燃料线路30、32、34的燃料。各个燃料喷嘴包括对应的预工作孔36和对应的后工作孔 38。各个燃料喷嘴14、16、18、22、24、28构造成在其对应的预工作孔36和其对应的后工作 孔38之间具有期望的体积。取决于喷嘴设计，在喷嘴内部的燃料路径中可存在可控制燃料 线路阻抗的另外的几何特征。根据特定的实施例，各个喷嘴组12、20、26或特定的燃料喷嘴14、16、18、22、24、28 的燃料线路阻抗可通过改变其对应的预工作孔36、对应的后工作孔38、燃料喷嘴体积的大 小、它们的组合或通过在其中一个喷嘴的燃料线路中添加惰性物质来改变。例如，燃料喷嘴 组12的预工作孔和后工作孔大小可不同于燃料喷嘴组20的预工作孔和后工作孔大小。这 样，一个喷嘴组与另一个喷嘴组的燃料线路阻抗(一个或多个)不同，从而相对于其它火焰 组改变一个火焰组的性状。此外，取决于喷嘴燃料流动通道内部的另外的特征，那些特征的 变化/改变还可用来修改喷嘴燃料线路阻抗。各个喷嘴组之间的不同的燃料线路阻抗(一个或多个)可通过固定几何差异来实 现，或可使得该不同的燃料线路阻抗根据特定应用的要求可变或可调，只要最小化了不期 望的排放而且根据本文描述的原理在燃烧器均勻燃料划分(燃料/空气比率)状态期间同 时降低了燃烧动态特性即可。各个喷嘴组中的燃料阻抗的这个差异允许大多数/所有喷嘴 以相似/相同的当量比操作，这有助于那个燃气涡轮机实现最低的排放。此外，可变的/可 调的阻抗差异特征可用作主动或被动控制策略的一部分。总之，在均勻燃料划分状态时使用燃料阻抗差异来操作具有多喷嘴系统的燃烧器 会导致最不合乎需要的最高的燃烧动态特性和最合乎需要的最低的排放。本文描述的系
5统和方法实现了低于具有相似/相同的燃料线路阻抗的燃烧器系统可获得的燃烧动态特 性的降低的燃烧动态特性，且有助于在燃烧器均勻燃料划分状态期间获得最低的排放，从 而使得均勻燃料划分燃烧器操作可行，这是使用现有的燃烧器结构和技术所不能获得的特 征。图2示出了采用图1中描绘的燃烧器罐10的燃气涡轮机系统50。燃气涡轮机系 统50包括将压缩空气供应到燃烧器54的压缩机52，以及响应于通过燃烧器54产生的燃烧 的产物来操作的燃气涡轮机56。诸如喷嘴14、16、18、22、24、28的燃料喷嘴58与燃烧器54 成整体。图3为图2中描绘的燃烧器54的更详细的视图。燃料喷嘴58构造成如本文描述 的那样操作，以允许以降低的燃烧动态特性和最小的排放、以均勻燃料划分状态进行燃烧 器操作。在燃料喷嘴58中喷射的燃料在燃烧室60中与空气混合并且燃烧。燃烧室动态特 性响应于单独的燃料喷嘴阻抗之间的差异而降低，同时保持期望的最小排放。根据一个实施例，燃烧器54为包括多个喷嘴组的多燃料线路燃烧器，其中，各个 喷嘴组接收来自对应的燃料线路的燃料，并且此外，其中，至少一个喷嘴组燃料线路具有不 同于至少一个其它喷嘴组燃料线路阻抗的阻抗。根据另一个实施例，由燃料供以动力的机 器50包括罐或燃烧器54，该罐或燃烧器包括多燃料线路歧管，其中，至少一个燃料线路具 有不同于至少一个其它燃料线路的阻抗。虽然本文已经示出和描述了本发明的仅某些特征，但是本领域的技术人员将想到 许多修改和变化。因此，将理解的是，所附的权利要求书意在覆盖落在本发明的真实精神内 的所有这种修改和变化。
权利要求
1.一种燃烧器(10)，包括多个燃料喷嘴(14)、(16)、(18)、(22)、(24)、(28)，其中，至 少一个喷嘴接收来自第一燃料线路的燃料，并且此外，其中，至少一个不同的喷嘴接收来自 第二燃料线路的燃料，各个燃料线路具有对应的阻抗，使得所述第一燃料线路阻抗不变地 或可变地不同于所述第二燃料线路阻抗。
2.根据权利要求1所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述燃烧器为燃气涡轮机燃烧器。
3.根据权利要求1所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述燃烧器为多罐式燃烧器。
4.根据权利要求1所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述燃烧器包括接收来自多个燃 料线路的燃料的歧管。
5.根据权利要求1所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述喷嘴燃料线路阻抗构造成以 便通过借助于各个喷嘴组中的几何变化或惰性物添加改变燃料阻抗，在燃烧器均勻燃料划 分状态期间，在与利用如下多燃料线路燃烧器在燃烧器均勻燃料划分状态期间可获得的燃 烧动态特性水平相比更低的燃烧动态特性水平处最小化燃烧排放该多燃料线路燃烧器使 用具有相同或相似的阻抗的喷嘴以及阻止达到同样的低燃烧排放水平的高动态特性。
6.根据权利要求1所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述多个燃料喷嘴(14)、(16)、 (18)、(22)、(24)、(28)包括至少两组燃料喷嘴(12)、(20)、(26)，其中，第一组燃料喷嘴接 收来自所述第一燃料线路的燃料，而第二组燃料喷嘴接收来自所述第二燃料线路的燃料。
7.根据权利要求6所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述喷嘴燃料线路阻抗构造成以 便通过借助于各个喷嘴组中的几何变化或惰性物添加改变燃料阻抗，在燃烧器均勻燃料划 分状态期间，在与利用如下多燃料线路燃烧器在燃烧器均勻燃料划分状态期间可获得的燃 烧动态特性水平相比更低的燃烧动态特性水平处最小化燃烧排放该多燃料线路燃烧器使 用对所有喷嘴组而言共同的燃料线路阻抗，同时排出基本相同的低水平燃烧排放。
8.一种燃烧器(10)，构造成以便通过借助于各个喷嘴组中的几何变化或惰性物添加 改变燃料阻抗，在燃烧器均勻燃料划分状态期间，在与利用这样的多燃料喷嘴燃烧器在燃 烧器均勻燃料划分状态期间可获得的燃烧动态特性水平相比更低的燃烧动态特性水平处 最小化燃烧排放该多燃料喷嘴燃烧器使用对于所有喷嘴而言共同的喷嘴燃料阻抗，同时 排出基本相同水平的燃烧排放。
9.根据权利要求8所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述燃烧器(10)包括至少两组燃 料喷嘴(12)、(20)、(26)，其中，第一组燃料喷嘴接收来自第一燃料线路的燃料，而第二组燃 料喷嘴接收来自第二燃料线路的燃料。
10.根据权利要求9所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述第一燃料线路包括与所述第 二燃料线路的阻抗不变地或可变地不同的阻抗。
全文摘要
一种燃烧器(10)，其通过借助于各个喷嘴组中的几何变化或惰性物添加改变燃料阻抗，在燃料器均匀燃料划分状态期间，在与利用如下多燃料喷嘴燃烧器在燃烧器均匀燃料划分状态期间可获得的燃烧动态特性水平相比更低的燃烧动态特性水平处最小化燃烧排放该多燃料喷嘴燃烧器使用对所有喷嘴而言共同的喷嘴燃料阻抗，同时排出基本相同水平的燃烧排放。
文档编号F23D14/48GK102003706SQ20101027276
公开日2011年4月6日 申请日期2010年8月27日 优先权日2009年8月29日
发明者K·K·辛赫, P·巴拉苏布拉曼亚姆, Q·张, S·斯里尼瓦桑, 金冠佑, 韩飞 申请人:通用电气公司