专利名称：燃烧器和用于向燃烧器供给燃料的方法
技术领域：
本发明大致涉及燃烧器和用于向燃烧器供给燃料的方法。
背景技术：
燃烧器通常用于エ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，燃气涡轮一般包括一个或更多个燃烧器以产生动カ或推力。用于产生电カ的典型的燃气涡轮包括位于前部的轴向式压缩机、围绕中部的一个或更多个燃烧器以及位于后部的涡轮。外界空气可被供给到压缩机，压缩机中的旋转叶片和静止叶片向工作流体(空气)逐渐地传递动能，以产生在高能状态下的压缩的工作流体。压缩的工作流体排出压缩机并且通过ー个或更多个喷嘴而流入每个燃烧器的燃烧室内，压缩的工作流体在燃烧室中与燃料混合并且点燃以产生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，燃烧气体在涡轮中的膨胀可以使连接至发电机的轴旋转以产生电力。各种设计和操作參数影响燃烧器的设计和操作。例如，更高的燃烧气体温度一般提高燃烧器的热カ效率。但是，更高的燃烧气体温度还促进逆燃(flashback)或火焰保持状态，在该状态中，燃烧火焰朝向由喷嘴供给的燃料移动，可能在相对短的时间内引起对喷嘴的严重破坏。另外，燃烧室中的局部过热条纹可能提高双原子氮的分解率，増加氮氧化物(NOx)在更高燃烧气体温度下的产生。相反地，与減少的燃料流和/或部分负载运行(调低)有关的低燃烧气体温度一般地降低燃烧气体的化学反应率，増加一氧化碳和未燃碳氢化合物的产生。在特定的燃烧器设计中，多个管可被径向地布置在端盖中以用于工作流体的流体连通，从而流过端盖并且流入燃烧室内。燃料和/或稀释剂可被供给至端盖并且喷射入管内，以在燃烧之前增强工作流体与燃料之间的混合。在燃烧之前增强的工作流体与燃料之间的混合減少了燃烧室中的过热条纹，这对于更高燃烧气体温度可能是存在问题的。因此，在防止逆燃或火焰保持和/或減少NOx产生方法，特别是在更高的运转水平吋，该管是有效的。但是，改进的燃烧器和用于向燃烧器供给燃料的方法将是有用的，该燃烧器允许将分阶段(staged)燃料添加、多种燃料和/或稀释剂在不堵塞管的情况下供给至管。
发明内容
本发明的各方面和优点以下在下述说明中进行阐述，或者可从说明书中容易地理解，或者可通过对本发明的实施可以获悉。本发明的一个实施例是ー种燃烧器，其包括端盖和端盖下游的端帽，端帽径向地延伸越过(across)燃烧器的至少一部分。端帽包括与下游表面轴向地分隔开的上游表面。多个管从上游表面通过下游表面延伸，以提供通过端帽的流体连通。外支承管从端盖向下游延伸并且连接至端帽的上游表面。内支承管从端盖向下游延伸并且连接至端帽的下游表面。第一增压室(plenum)在端盖与上游表面之间包围内支承管，第一增压室在上游表面与下游表面之间径向地延伸。第二增压室在端盖与上游表面之间包围第一增压室，并且第二增压室在上游表面与下游表面之间径向地延伸。本发明的另一个实施例是一种燃烧器，该燃烧器包括端盖和从端盖向下游延伸的燃料管路。连接至燃料管路的下游表面径向地延伸越过燃烧器的至少一部分。与下游表面轴向地分隔开的上游表面径向地延伸越过燃烧器的至少一部分。多个管从上游表面通过下游表面延伸，以提供通过上游表面和下游表面的流体连通。第一增压室在端盖与上游表面之间包围燃料管路，并且第一增压室在上游表面与下游表面之间径向地延伸。第二增压室在端盖与上游表面之间包围第一增压室，并且第二增压室在上游表面与下游表面之间径向地延伸。本发明还可以包括用于向燃烧器供给燃料的方法。该方法包括使工作流体流过径向地布置在端帽中的多个管，其中，端帽径向地延伸越过燃烧器的至少一部分。该方法还包括使第一燃料或第一稀释剂中的至少一种流过第一增压室，其中，第一增压室至少部分地由连接至端帽的下游表面的内支承管限定；以及使第二燃料或第二稀释剂中的至少一种流过第二增压室，第二增压室周向地包围第一增压室的至少一部分，其中，第二增压室至少部分地由连接至端帽的上游表面的外支承管限定。本领域普通技术人员在参阅本说明书时将会更好地理解这些实施例的特征和方面。
在包括参照附图的说明书的其余部分中更加具体地阐述本发明的包括对于本领域技术人员来说是最佳方式的完全的和能够实现的公开内容，在附图中:图1是根据本发明的一个实施例的示例性燃烧器的简化的横截面视图；以及图2是图1中所示的燃烧器沿线A-A截取的下游横截面视图。
具体实施例方式现在将详细参照本发明的实施例，在附图中示出实施例的一个或更多个示例。
具体实施方式
利用数字和字母符号表示附图中的特征。附图和说明中的相同或相似的符号已被用于指示本发明的相同或相似的部分。如在本说明书中所使用，术语“第一”、“第二”和“第三”可被可互换地使用以区别一个部件与另一个部件，并非旨在表示独立部件的位置或重要性。另外，“上游”和“下游”指的是部件在流体路径中的相对位置。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。相反地，如果部件B接收来自部件A的流体流动，则部件B在部件A的下游。每个示例均通过对本发明进行解释的方式提供，而非限制本发明。事实上，本领域技术人员很容易想到，在不脱离本发明的范围或其精神的情况下可对本发明做出变型和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或说明的部件可被用于另一个实施例以产生又一个的实施例。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求及其等同形式的范围内的这些变型和变化。本发明的各个实施例提供一种燃烧器和用于向燃烧器供给燃料的方法。该燃烧器大致包括多个管，多个管径向地布置在端帽中，以在燃烧之前加强工作流体与燃料之间的混合。在具体的实施例中，内部和外部支架可以连接至端帽，多个增压室可以向端帽供给一种或更多种燃料和/或稀释剂，从而流过管。在其他具体的实施例中，燃料管路可以连接至端帽以支承端帽，包围燃料增压室的增压室可以向端帽供给ー种或更多种燃料和/或稀释齐U，从而流过管。这样，本发明的范围内的各个实施例可以减小通过管的流动扰动、增强设置在端帽上的结构支架、降低燃烧器的制造成本和/或使得分阶段燃料添加和/或多种燃料和/或稀释剂能够在不超过与逆燃、火焰保持和/或排放物限制有关的设计裕度的情况下在宽范围的操作条件中供给至管。尽管在为了例示目的而结合到燃气涡轮内的燃烧器的上下文中将大致地说明本发明的示例性实施例，但是本领域普通技术人员将容易地理解，除非在权利要求中特别地记载，本发明的实施例可被应用于任意燃烧器并且不局限于燃气涡轮燃烧器。图1提供了根据本发明的一个实施例的示例性燃烧器10的简化的横截面视图，图2提供了图1中所示的燃烧器沿线A-A截取的下游横截面视图。如图所示，壳体12大致包围燃烧器10以包含流向燃烧器10的工作流体14，端盖16提供接ロ，以用于向燃烧器10供给燃料、稀释剂和/或其他添加剤。可能的稀释剂可以包括，例如，水、蒸汽、工作流体、空气、燃料添加剤、比如为氮的各种惰性气体和/或比如为ニ氧化碳的各种非可燃气体或供给到燃烧器10的燃烧排气。端帽18可以径向地延伸越过燃烧器10的至少一部分，壳体12可以周向地环绕端帽18的至少一部分以在端帽18与壳体12之间限定环形通路20。端帽18和内衬22可以限定端帽18的下游的燃烧室24的至少一部分。这样，工作流体14可以沿着内衬22的外部流过环形通路20以向内衬22提供对流冷却。当工作流体14达到端盖16时，工作流体14可以反向以流过端帽18并流入燃烧室24内。端帽18可以包括与下游表面28轴向分隔开的上游表面26，护罩29可以包围上游表面26和下游表面28。多个管30可以从上游表面26轴向地延伸至下游表面28，以通过端帽18提供流体连通。管30的具体的形状、尺寸、数量和布置可以根据具体的实施例而改变。例如，管30大致示出为具有圆筒形形状；但是，本发明的范围内的可替代的实施例可以包括具有实际的任何几何横截面的管。另外，管30在各种形状和尺寸的一个或更多个组或群中可以径向地布置越过端帽18，每组管30具有ー个或更多个独立的燃料供应。例如，多个管30可以围绕燃料喷嘴径向地布置，或者多组管30可以越过端帽18径向地布置。ー个或更多个流体管路可以向每组管30提供ー种或更多种燃料、稀释剂和/或其他添加剤，并且，燃料和/或稀释剂的类型、燃料含量和反应性对于每个流体管路或每组管可以改变。这样，不同的类型、流速和/或添加剂可被供给至ー组或多组管，以在宽范围的操作条件下加强管30的分阶段燃料添加。燃烧器10可以包括从端盖16向下游延伸的ー个或更多个结构，以支承端帽18和/或提供端盖16与端帽18之间的各种流体通道。例如，如图1所示，燃烧器10可以包括从端盖16向下游延伸的内支承管40和外支承管42。内支承管40可以连接至端帽18的下游表面28，以在燃烧器10内部轴向地局部支承端帽18。在特定的实施例中，内支承管40还可以作用为或包括燃料管路40,燃料管路40从端盖16向下游延伸，以在内支承管40内部限定燃料增压室44。这样，内支承管/燃料管路40可以提供从端盖16到端帽18的流体连通，以向端帽18和/或燃烧室24供给燃料。外支承管42可以周向地包围内支承管40并且连接至端帽18的上游表面26，以在燃烧器10内部轴向地局部支承端帽18。另外，外支承管42可以在端盖16与端帽18之间限定一个或更多个流体通道。例如，如图1所示，障碍物46可以在内支承管40与外支承管42之间从上游表面26向上游轴向地延伸，以在内支承管40与外支承管42之间局部地限定第一增压室50和第二增压室52。从上游表面26向下游，障碍物46可以在第一增压室50与第二增压室52之间径向地延伸，以在端帽18内部进一步分离第一增压室50和第二增压室52。因此，在上游表面26与下游表面28之间在端帽18内部径向地延伸之前，第一增压室50可以在端盖16与上游表面26之间周向地包围内支承管/燃料管路40。类似地，在上游表面26与下游表面28之间在端帽18内部径向地延伸之前，第二增压室52可以在端盖16与上游表面26之间周向地包围第一增压室50。在图1所示的具体实施例中，第一增压室50因此在端帽18内部相对于工作流体14通过端帽18的方向从第二增压室52向下游径向地延伸。第一增压室50和第二增压室52提供端盖16与端帽18之间的流体连通，以使得各种燃料、稀释剂或其他流体添加剂能够被供给至管30。接着，每个管30可以包括一个或更多个端口 54，端口 54提供从第一燃料增压室50和/或第二燃料增压室52通过管30的流体连通。端口 54可以径向、轴向和/或角向地(azimuthally)倾斜，以向流过端口 54并流入管30内的流体射出和/或施加旋流。另外，管30中的端口 54的具体的数量、尺寸和位置可被改变以允许分阶段流体流至管30。例如，如图1所示，第一组管60可以包括提供仅与第一增压室50流体连通的端口 54，第二组管62可以包括提供仅与第二增压室52流体连通的端口 54。这样，工作流体14可以通过环形通路20流到端帽18的外部，直到其到达端盖16并且反转方向而流过管30。另外，第一燃料或稀释剂可以在第一增压室50中围绕管30流动，以在流过端口 54并流入第一组管60从而与工作流体14混合之前向管30提供对流冷却。类似地，第二燃料或稀释剂可以在第二增压室52中围绕管30流动，以在流过端口 54并流入第二组管60中从而与工作流体14混合之前向管30提供对流冷却。来自每组管60、62的混合物然后可以流入燃烧室24内。燃烧器10还可以包括用于支承端帽18和/或允许各个部件之间的热膨胀的另外的结构。例如，如在图1和2中示出的具体实施例所示，燃烧器10可以在端盖16与内支承管/燃料管路40和/或障碍物46之间包括柔性联接器64。柔性联接器64可以包括允许由外支承管42和/或管30的热膨胀及热收缩引起的内支承管/燃料管路40和/或障碍物46的轴向位移的膨胀接头、波纹管或其他装置。本领域普通技术人员将容易地理解，柔性联接器64的可替代的位置和/或组合落在本发明的各个实施例的范围内，柔性联接器64的特定位置或数量不是对本发明的限制，除非权利要求中特别地记载。如在图1和图2中进一步示出的，燃烧器10还可以包括在环形通路20中、在端帽18与壳体12之间径向地延伸的支架66。支架66可以具有翼型形状，以减小流过环形通路20中的支架66的工作流体14的流动阻力。在特定的实施例中，支架66可以倾斜以向流过环形通路20的工作流体14施加旋流。可替代地或另外，燃烧器10可以包括周向地包围端帽18的帽屏蔽物68和/或在端帽18与帽屏蔽物68之间的滑动接合件70。帽屏蔽物68可被连接至支架66和/或包围端帽18的护罩29。滑动接合件70可以包括弹簧垫圈、呼拉密封件(hulaseal)或类似装置，并且可以围绕端帽18连续地延伸或围绕端帽18成节段，如图2所示，以允许端帽18相对于帽屏蔽物68和/或支架66的轴向运动。在特定的实施例中，滑动接合件70还可以向端帽18提供可变的径向刚度，以允许对端帽18的固有或共振频率进行略微的改变。在图1和图2中示出的各个实施例提供用于向燃烧器10供给燃料的方法的多种组合。例如，工作流体14可以通过环形通路20和径向地布置在端帽18中的管30供给。第一燃料或第一稀释剂可以通过第一增压室50供给至第一组管60，而第二燃料或第二稀释剂可以通过第二增压室52供给至第二组管62。可替代地或另外，第三燃料或第三稀释剂可以通过燃料增压室44供给至燃烧室24。第一、第二和第三燃料和稀释剂可以相同或不同，由此提供用于向燃烧器10的各个位置提供分阶段的燃料添加的非常灵活的方法，以使得燃烧器10能够在不超过与逆燃、火焰保持和/或排放物限制有关的设计裕量的情况下在宽范围的操作条件下操作。本说明书利用示例公开了本发明，包括最佳方式，并且还使得本领域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任何采用的方法。本发明的可获得专利的范围由权利要求限定，并可包括本领域技术人员想得到的其他示例。如果这些其他示例包括并非不同于权利要求的文字语言的结构元件、或者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，则这些其他示例g在落入权利要求的范围内。
权利要求
1.一种燃烧器，包括: a.端盖； b.位于所述端盖下游的端帽，所述端帽径向地延伸越过所述燃烧器的至少一部分，其中，所述端帽包括与下游表面轴向地间隔开的上游表面； c.多个管，所述多个管从所述上游表面通过所述下游表面延伸，以提供通过所述端帽的流体连通； d.外支承管，所述外支承管从所述端盖向下游延伸并且连接至所述端帽的所述上游表面； e.内支承管，所述内支承管从所述端盖向下游延伸并且连接至所述端帽的所述下游表面； f.第一增压室，所述第一增压室在所述端盖与所述上游表面之间包围所述内支承管，其中，所述第一增压室在所述上游表面与所述下游表面之间径向地延伸；以及 g.第二增压室，所述第二增压室在所述端盖与所述上游表面之间包围所述第一增压室，其中，所述第二增压室在所述上游表面与所述下游表面之间径向地延伸。
2.按权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述第一增压室在所述端帽内部从所述第二增压室向下游径向地延伸。
3.按权利要求1所述的燃烧器 ，其特征在于，所述第一增压室与所述多个管中的第一组流体连通，所述第二增压室与所述多个管中的第二组流体连通。
4.按权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括在所述第一增压室与所述第二增压室之间延伸的障碍物，所述障碍物在所述第一增压室与所述第二增压室之间从所述上游表面向上游轴向地延伸。
5.按权利要求4所述的燃烧器，其特征在于，所述障碍物在所述第一增压室与所述第二增压室之间从所述上游表面向下游径向地延伸。
6.按权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括位于所述内支承管内部的燃料增压室。
7.按权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括壳体和支架，所述壳体周向地包围所述端帽的至少一部分以在所述端帽与所述壳体之间限定环形通路，所述支架在所述环形通路中在所述端帽与所述壳体之间径向地延伸。
8.按权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括帽屏蔽物，所述帽屏蔽物周向地包围所述端帽。
9.按权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括位于所述端帽与所述帽屏蔽物之间的滑动接合件。
10.一种燃烧器，包括: a.端盖； b.燃料管路，所述燃料管路从所述端盖向下游延伸； c.连接至所述燃料管路的下游表面，其中，所述下游表面越过所述燃烧器的至少一部分径向地延伸； d.与所述下游表面轴向地分隔开的上游表面，其中，所述上游表面越过所述燃烧器的至少一部分径向地延伸；e.多个管，所述多个管从所述上游表面通过所述下游表面延伸，以提供通过所述上游表面和所述下游表面的流体连通； f.第一增压室，所述第一增压室在所述端盖与所述上游表面之间包围所述燃料管路，其中，所述第一增压室在所述上游表面与所述下游表面之间径向地延伸；以及 g.第二增压室，所述第二增压室在所述端盖与所述上游表面之间包围所述第一增压室，其中，所述第二增压室在所述上游表面与所述下游表面之间径向地延伸。
11.按权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述第一增压室在所述上游表面与所述下游表面之间从所述第二增压室向下游径向地延伸。
12.按权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述第一增压室与所述多个管中的第ー组流体连通，所述第二增压室与所述多个管中的第二组流体连通。
13.按权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括在所述第一增压室与所述第二增压室之间延伸的障碍物。
14.按权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括外支承管，所述外支承管从所述端盖向下游延伸并且连接至所述上游表面。
15.按权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括位于所述端盖与所述燃料管路之间的柔性联接器。
16.按权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括在所述第一增压室与所述第二增压室之间延伸的障碍物，所述障碍物在所述第一增压室与所述第二增压室之间从所述上游表面向上游轴向地延伸。
17.按权利要求16所述的燃烧器，其特征在于，所述障碍物在所述第一增压室与所述第二增压室之间从所述上游表面向下游径向地延伸。
18.一种用于向燃烧器供给燃料的方法，包括: a.使工作流体流过径向地布置在端帽中的多个管，其中，所述端帽径向地延伸越过所述燃烧器的至少一部分； b.使第一燃料或第一稀释剂中的至少ー种流过第一增压室，其中，所述第一增压室至少部分地由连接至所述端帽的下游表面的内支承管限定；以及 c.使第二燃料或第二稀释剂中的至少ー种流过第二增压室，所述第二增压室周向地包围所述第一增压室的至少一部分，其中，所述第二增压室至少部分地由连接至所述端帽的上游表面的外支承管限定。
19.按权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使第三燃料在所述内支承管内部流动。
20.按权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使所述第一燃料或第一稀释剂中的至少ー种在所述端帽内部从所述第二增压室向下游径向地流动。
全文摘要
本发明公开一种燃烧器，其包括端盖、端盖下游的端帽以及延伸通过端帽的管。外支承管从端盖向下游延伸并且连接至端帽的上游表面。内支承管从端盖向下游延伸并且连接至端帽的下游表面。第一增压室在端盖与上游表面之间包围内支承管并且在上游表面与下游表面之间径向地延伸。第二增压室在端盖与上游表面之间包围第一增压室并且在上游表面与下游表面之间径向地延伸。
文档编号F23R3/28GK103090415SQ20121044375
公开日2013年5月8日 申请日期2012年11月8日 优先权日2011年11月8日
发明者P.B.梅尔顿, J.H.韦斯特摩尔兰三世 申请人:通用电气公司