专利名称：用于减小在燃烧器中的燃烧动态性的系统和方法
技术领域：
本发明大体涉及用于减小在燃烧器中的燃烧动态性(combustion dynamics)的系统和方法。
背景技术：
燃烧器通常用于工业和发电操作中以点燃燃料来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多个燃烧器以生成功率或者推力。用于生成电力的典型燃气涡轮包括在前部的轴流压缩器、围绕中部的一个或多个燃烧器和在尾部的涡轮。外界空气可供给到压缩器并且在压缩器中的旋转叶片和静止导叶逐渐地给予动能到工作流体(空气)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器并且流过一个或多个喷嘴进入在各燃烧器中的燃烧室内，在燃烧室中压缩工作流体与燃料混合并且点燃以生成具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体在涡轮中膨胀以做功。例如，在涡轮中的燃·烧气体的膨胀可使连接到发电机的轴旋转以发电。各种设计和操作参数影响燃烧器的设计与操作。例如，更高的燃烧气体温度大体改善燃烧器的热力效率。然而，更高的燃烧气体温度还促进逆燃或火焰稳定状态，在逆燃或火焰稳定状态中燃烧火焰朝正由喷嘴供给的燃料移动，从而可能在相对少的次数内导致对喷嘴的严重损坏。另外，更高的燃烧气体温度大体增加双原子的氮的分裂率，从而增加氮氧化物(NOx)的产生。相反,与减小的燃料流和/或部分载荷负荷操作(弹性操作(turndown))相关联的较低的燃烧气体温度大体减小燃烧气体的化学反应速率，从而增加一氧化碳和未燃烧的烃的产生。在特定燃烧器设计中，多个预混合器可在端帽中径向排列以提供流体连通，用于工作流体和燃料通过端帽并且进入燃烧室内。虽然在实现更高的操作温度的同时免于逆燃或火焰稳定并且控制不受欢迎的排放物的方面是有效的，但是一些燃料和操作状态产生伴随在燃烧器中的高氢燃料成分的非常高的频率。与高频率相关联的在燃烧器中增加的振动可减小一个或多个燃烧器构件的使用寿命。可选地，或额外地，燃烧动态性的高频率可产生在预混合器和/或燃烧室内的压力脉冲，其影响燃烧火焰的稳定性，减小针对逆燃或火焰稳定的设计裕度和/或增加不受欢迎的排放物。因此，减小在燃烧器中的共振频率的系统和方法将在如下方面是有用的在很宽的燃烧器操作水平范围内提高燃烧器的热力效率；保护燃烧器使之免于灾难性的损坏；和/或减小不受欢迎的排放物。
发明内容
本发明的方面和优点在以下说明书中在下面陈述，或者可从描述中显而易见，或者可通过本发明的实践来学习。本发明的一个实施例是用于减小在燃烧器中的燃烧动态性的系统。系统包括横跨燃烧器的至少一部分径向延伸的端帽，并且端帽包括与下游表面轴向隔开的上游表面。燃烧室在端帽的下游，并且多个管从上游表面通过端帽的下游表面延伸。各管提供通过端帽到燃烧室的流体连通。系统还包括用于减小在燃烧器中的燃烧动态性的装置。本发明的另一实施例是用于减小在燃烧器中的燃烧动态性的系统，其包括横跨燃烧器的至少一部分径向延伸的端帽。端帽包括与下游 表面轴向隔开的上游表面。燃烧室在端帽的下游。多个管从上游表面延伸通过端帽的下游表面，并且各管提供通过端帽到燃烧室的流体连通。第一阻碍物至少部分横跨第一组管延伸。本发明还可包括用于减小在燃烧器中的燃烧动态性的方法。方法包括使工作流体流过通过横跨燃烧器的至少一部分径向延伸的端帽轴向延伸的多个管，并且阻碍流过多个管的第一组的工作流体的至少一部分。在阅读本说明书后，本领域技术人员将更好地理解这些实施例的特征和方面及其它。
针对本领域技术人员的本发明的全面且能够实现的公开，包括其最佳模式在本说明书的剩余部分中，包括对于附图的参考而更具体地陈述，其中
图I是根据本发明的一个实施例的示范燃烧器的简化截面视 图2是根据本发明的实施例在图I中所示的端帽的上游轴向视 图3是根据本发明的可选实施例在图I中所示的端帽的上游轴向视 图4是根据本发明的可选实施例在图I中所示的端帽的上游轴向视 图5是根据本发明的第一实施例在图I中所示的端帽的放大截面视 图6是根据本发明的第二实施例在图I中所示的端帽的放大截面视 图7是根据本发明的第三实施例在图I中所示的端帽的放大截面视 图8是根据本发明的第四实施例在图I中所示的端帽的放大截面视 图9是根据本发明的一个实施例在图8中所示的管的轴向视图；并且 图10是根据本发明的可选实施例在图8中所示的管的轴向视图。部件列表 10燃烧器
12外壳 14端盖 16流动孔 18冲击套筒 20过渡件 22衬套 24管 26燃烧室 28端帽 30管的群 32上游表面 34下游表面 36管进口38罩
40燃料压室 42空气压室 44水平隔板 46燃料导管 48燃料端口 50空气端口 52间隙 54干扰区域 56第一组管 60流体边界 62弯曲表面 64穿孔板 66第二穿孔板 68管出口 70热障涂层。
具体实施例方式现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个实例在附图中示出。本详细描述使用数字和字母标识来指示附图中的特征。在附图和描述中相同或类似的标识用于指示本发明的相同或类似的部件。各实例以解释本发明而非限制本发明的方式提供。事实上，对本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中做出修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。因此，意图本发明涵盖属于所附权利要求及其等价物的范围之内的这种修改和变型。本发明的各种实施例包括用于减小燃烧器中的燃烧动态性的系统和方法。在特定实施例中，本系统和方法可设立燃烧动态性的干扰区域，在该干扰区域中在一个或多个管中的共振频率使通过环绕管激励的燃烧动态性的频率衰减。因此，本发明的各种实施例可允许扩展的燃烧器操作状态、为各种燃烧器构件延长寿命和/或维护周期、维持足够的逆燃或火焰稳定的设计裕度和/或减小不受欢迎的排放物。虽然本发明的示范实施例为了说明起见而将大体以合并入燃气涡轮的燃烧器为背景进行描述，但是本领域技术人员将容易理解本发明的实施例可应用于任何燃烧器并且除非在权利要求中明确地叙述，否则不受限于燃气润轮燃烧器。图I示出了根据本发明的一个实施例诸如将包括于燃气涡轮中的示范燃烧器10的简化截面。外壳12和端盖14可环绕燃烧器10以包含流动至燃烧器10的工作流体。工作流体通过在冲击套筒18中的流动孔16以沿着过渡件20和衬套22的外侧流动，以提供对流冷却到过渡件20和衬套22。在工作流体到达端盖14时，工作流体反转方向以流过多个管24进入燃烧室26内。管24在燃烧室26的上游的端帽28中径向排列。如本文中所用地，术语“上游”和“下游”指的是构件沿流体路径的相对位置。例如，如果流体从构件A流动至构件B，则构件A在构件B的上游。相反，如果构件B接收来自构件A的流体流，则构件B在构件A的下游。燃烧器10的各种实施例可包括不同数量和排列的管24，并且图2、图3和图4提供了在本发明的范围内的管24在端帽28中的各种排列的上游视图。如图2所示，管24可横跨整个端帽28径向排列。可选地，如图3和图4所示，管24可以以圆形、三角形、正方形、椭圆形或实际上任何形状的群30排列，并且管24的群30可在端帽28中以各种几何形状排列。例如，管24的群30可排列成环绕单一群30的六个群30，如图3所示。可选地，管24可排列成环绕圆形群30的一系列饼形群30，如图4所示。图5-8提供了根据本发明的各种实施例在图I中所示的端帽28的放大截面视图。如各图所示，端帽28横跨燃烧器10的至少一部分大体径向延伸并且包括与下游表面34轴向隔开的上游表面32。各管24包括接近上游表面32的管进口 36并且延伸通过端帽28的下游表面34以提供流体连通，用于工作流体流过端帽28并且进入燃烧室26内。虽然示出为柱形管，但是管24的截面可以是任何几何形状，并且除非在权利要求中明确地叙述，否 则本发明不受限于任何特定截面。罩38周向围绕端帽28的至少一部分以部分限定在上游表面32与下游表面34之间的燃料压室40和空气压室42。大体水平隔板44可在上游表面32与下游表面34之间径向延伸以将燃料压室40与空气压室42轴向隔开。以这种方式，上游表面32、罩38和隔板44围封或限定围绕管24的上游部分的燃料压室40，并且下游表面34、罩38和隔板44围封或限定围绕管24的下游部分的空气压室42。燃料导管46可从端盖14延伸通过端帽28的上游表面32以提供流体连通，用于燃料从端盖14流过燃料导管46并且进入燃料压室40内。管24中的一个或多个可包括燃料端口 48，其提供从燃料压室40通过一个或多个管24的流体连通。燃料端口 48可径向地、轴向地和/或方位地成角度以射出和/或给予漩涡到流过燃料端口 48并且进入管24内的燃料。以这种方式，工作流体可流过管进口 36并且进入管24内，并且来自燃料压室40的燃料可流过燃料端口 48并且进入管24内以与工作流体混合。燃料-工作流体混合物可然后流过管24并且进入燃烧室26内。罩38可包括多个空气端口 50，其提供流体连通，用于工作流体流过罩38并且进入空气压室42内。在特定实施例中，在一个或多个管24之间的间隙52和下游表面34可提供流体连通，其从空气压室42通过下游表面34并且进入燃烧室26内。以这种方式，工作流体的一部分可流过在罩38中的空气端口 50并且进入空气压室42内，以在流过间隙52并且进入燃烧室26内之前提供围绕管24的下部的对流冷却。燃烧器10的各实施例还包括用于减小通过管24激励的燃烧动态性的装置。重新参考图2，用于减小通过管24激励的燃烧动态性的装置可设立一个或多个燃烧动态性的干扰区域54，在干扰区域54中在第一组管56中的共振频率可使通过环绕管24激励的燃烧动态性衰减或减小。在特定实施例中，用于减小通过管24激励的燃烧动态性的装置可包括在各个轴向位置处至少部分横跨第一组管56延伸的阻碍物或流体边界。阻碍物或流体边界可包括大致平行于上游表面32的平坦结构。可选地或额外地，阻碍物或流体边界可包括在上游表面32的上游延伸的弯曲表面，从而有效地扩展管24的长度。在其它特定实施例中，阻碍物可包括在各个轴向位置处至少部分横跨第一组管56延伸的穿孔板，和/或第一组管56的内径可变化以使在环绕管24中的共振频率衰减。
如在图5中示出的特定实施例中所示，用于减小通过管24激励的燃烧动态性的装置可包括流体边界60，其横跨第一组管56延伸。流体边界60可大致平行于上游表面32并且可横跨第一组管56的进口 36延伸。可选地，流体边界60可位于第一组管56内的各个轴向位置处，以变化在第一组管56中形成的共振频率。以这种方式，流体边界60阻止或阻碍工作流体流过第一组管56，因此改变第一组管56中的共振频率。第一组管56中的新的共振频率反过来使通过邻近管24激励的燃烧动态性衰减或减小，从而形成在图2中最清楚地示出的围绕第一组管56的干扰区域54。在图6中所示的实施例中，流体边界60又提供用于减小通过管24激励的燃烧动态性的结构。然而，在该特定实施例中，流体边界6 0包括弯曲表面62，其接近第一组管56从上游表面32向上游延伸。以这种方式，流体边界60的弯曲表面62引导或导引工作流体远离第一组管56，从而减小对流入并且通过邻近或环绕管24的工作流体的任何干扰。如图5所示的先前实施例一样，流体边界60阻止或阻碍工作流体流过第一组管56，以改变第一组管56中的共振频率。另外，流体边界60扩展第一组管56的长度以进一步改变在第一组管56中的共振频率。在第一组管56中的新的共振频率反过来使通过邻近管24激励的燃烧动态性衰减或减小，从而形成围绕第一组管56的燃烧动态性的干扰区域54。在图7中所示的实施例中，用于减小通过管24激励的燃烧动态性的装置又包括在进口 36处或在第一组管56内的各个轴向位置处的阻碍物。然而，在该特定实施例中，阻碍物包括至少部分横跨第一组管56延伸的穿孔板64。穿孔板64可具有一个或多个孔，其允许减小量的工作流体流过第一组管56。另外，燃料端口 48，如果存在于第一组管56中的话，可稍微减小大小以减小从燃料压室40流入第一组管56内的燃料的量。通过第一组管56的减小的工作流体流和/或燃料流改变在第一组管56中的共振频率，从而导致在通过管24激励的燃烧动态性中的对应衰减或减小。在图8中所示的实施例中，穿孔板64又提供用于减小通过管24激励的燃烧动态性的结构。在该特定实施例中，燃烧器10还包括第二穿孔板66，其横跨第一组管56中的一个或者多个的出口 68延伸并且接近第一组管56中的一个或多个的出口 68。所形成的第一和第二穿孔板64、66的组合在第一组管56中有效地形成亥姆霍兹共振器，以改变在第一组管56中的共振频率，因此形成燃烧动态性的干扰区域54。在特定实施例中，热障涂层70可应用于第二穿孔板66和/或下游表面34以提供抵抗来自燃烧室26的过热温度的额外保护。图9和图10提供根据本发明的可选实施例在图8中示出的第一组管56中的示范管的轴向视图。如图9所示，第一穿孔板64和第二穿孔板66可大致对准以便在各穿孔板64,66中的相应孔或穿孔彼此对准。相反，在图10中所示的第一穿孔板64和第二穿孔板66大致不对准。在第一组管56中的第一穿孔板64和第二穿孔板66的对准或不对准可允许在第一组管56中的共振频率的进一步调节。关于图1-10描述和示出的各种实施例还可提供用于减小燃烧器10中的燃烧动态性的方法。方法大体包括使工作流体流过第一组管56并且阻碍流过第一组管56的工作流体的至少一部分。该阻碍可包括阻止工作流体流入第一组管56内或减小流入第一组管56内的工作流体。方法还可包括引导工作流体远离第一组管56和/或阻碍流出第一组管56的工作流体的至少一部分。
本文中描述的系统和方法可提供对现有喷嘴和燃烧器的如下优点中的一个或多个。例如，在燃烧器中燃烧动态性的干扰区域54的形成可在很宽的燃料范围内扩展燃烧器10的操作能力而无需使各种燃烧器10构件的使用寿命和/或维护周期缩短。可选地或额外地，在燃烧器10中减小的共振频率可在很宽的燃烧器10操作水平范围内维持或增加针对逆燃或火焰稳定的设计裕度和/或减小不受欢迎的排放物。另外，本文中描述的阻碍物、流体边界60和/或穿孔板64、66可安装在现有燃烧器10中，从而提供减小共振频率的对现有燃烧器10的相对便宜的修改。该书面描述使用实例以公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制备和使用任何器件或系统并且执行任何合并的方法。本发明的专利权范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它实例。如果其它实例具 有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质差别的等效结构元件，则这些其它实例预期在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种用于减小在燃烧器(10)中的燃烧动态性的系统，包括 a.端帽(28)，其横跨所述燃烧器(10)的至少一部分径向延伸，其中，所述端帽(28)包括与下游表面(34)轴向隔开的上游表面(32)； b.所述端帽(28)下游的燃烧室(26)； c.多个管(24)，其从所述上游表面(32)延伸通过所述端帽(28)的下游表面(34)，其中，各管(24)提供通过所述端帽(28)到所述燃烧室(26)的流体连通；和 d.用于减小在所述燃烧器(10)中的燃烧动态性的装置。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，用于减小在所述燃烧器(10)中的燃烧动态性的装置包括横跨在第一组管(56)中的一个或多个管(24)延伸的流体边界(60)。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述流体边界(60)大致平行于所述上游表面(32) ο
4.根据权利要求2-3中的任一项所述的系统，其特征在于，所述流体边界(60)横跨在所述第一组管(56)中的一个或多个管(24)的进口(36)延伸。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，用于减小在所述燃烧器(10)中的燃烧动态性的装置包括在所述多个管(24)中的一个或多个管，其从所述上游表面(32)向上游延伸。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，用于减小在所述燃烧器(10)中的燃烧动态性的装置包括横跨第一组管(56)延伸的第一穿孔板(64)。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一穿孔板￠4)横跨在所述第一组管(56)中的一个或多个管(24)的进口(36)延伸。
8.根据权利要求6-7中的任一项所述的系统，其特征在于，还包括第二穿孔板(66)，其横跨并且接近所述第一组管(56)中的一个或多个管(24)的出口(68)延伸。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一穿孔板￠4)和第二穿孔板(66)大致对准。
10.一种用于减小在燃烧器(10)中的燃烧动态性的方法，包括 a.使工作流体流过多个管(24)，所述多个管(24)通过横跨所述燃烧器(10)的至少一部分径向延伸的端帽(28)轴向延伸；并且 b.阻碍流过所述多个管的第一组(56)的工作流体的至少一部分。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述阻碍包括阻止工作流体流入所述多个管的第一组(56)中的一个或多个管(24)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括引导所述工作流体远离所述多个管的第一组(56)。
13.根据权利要求10-12中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括阻碍流出所述多个管的第一组(56)中的一个或多个管(24)的工作流体的至少一部分。
全文摘要
本发明涉及用于减小在燃烧器中的燃烧动态性的系统和方法。一种用于减小在燃烧器(10)中的燃烧动态性的系统包括横跨燃烧器(10)径向延伸的端帽(28)并且包括与下游表面(34)轴向隔开的上游表面(32)。燃烧室(26)在端帽(28)的下游，并且管(24)从上游表面(32)延伸通过下游表面(34)。各管(24)提供通过端帽(28)到燃烧室(26)的流体连通。系统还包括用于减小在燃烧器(10)中的燃烧动态性的装置。一种用于减小在燃烧器(10)中的燃烧动态性的方法包括使工作流体流过通过横跨燃烧器(10)径向延伸的端帽(28)轴向延伸的管(24)，并且阻碍流过第一组管(56)的工作流体的至少一部分。
文档编号F23R3/00GK102954492SQ20121020243
公开日2013年3月6日 申请日期2012年6月19日 优先权日2011年8月19日
发明者严钟昊, W.S.齐明斯基, T.E.约翰逊, S.斯里尼瓦桑, W.D.约克 申请人:通用电气公司