专利名称：燃烧器和用于在燃烧器中分配燃料的方法
技术领域：
本发明大体上涉及燃烧器和用于在燃烧器中分配燃料的方法。
背景技术：
燃气涡轮在商业运营中广泛用于功率生成。燃气涡轮燃烧器通常依靠与压缩的诸如空气的工作流体混合的液态和/或气态燃料来操作。依靠任一燃料来运行燃气涡轮的灵活性为燃气涡轮操作者提供了大的益处。众所周知，燃气涡轮的热力效率随着操作温度、也就是燃烧气体温度升高而提高。还已知可通过在燃烧器的燃烧区中提供富燃料/空气混合物而获得较高的燃烧气体温度。但是，从富液态或气态燃料/空气混合物得到的较高燃烧温度可显著地增加作为不希望有的排气排放物的氮氧化物或NOx的生成。此外，较高的燃烧温度可在燃烧器内的机械构件上引起增大的热应力。通过提供用于燃烧的贫燃料/空气比率或者通过将诸如水的添加剂喷射到燃烧器中可降低NOx水平。为了提供贫燃料/空气混合物，燃料和空气可在燃烧前预混合。预混合可发生在双燃料燃烧器燃料喷嘴中，该燃料喷嘴可包括配置在管束(bundle)中的多个管。随着燃气涡轮循环通过各种操作模式，空气流经管并且燃料喷射到管中以与空气预混合。存在各种双燃料喷嘴，其允许液态和/或气态燃料在燃烧前与工作流体预混合。但是，一种改进的燃料喷嘴和提高了燃料混合物的均匀度的用于向燃烧器供应燃料的方法将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点将在下文在以下说明中进行论述，或可从说明变得显而易见，或可通过实施本发明来了解。本发明的一个实施例是一种燃烧器,其包括布置在管束中并由在燃烧器内径向地延伸的至少一个板支承的多个管，其中每个管都包括与下游端轴向地分离的上游端并且提供通过管束的流体连通。流调节器，其在多个管中的一个或多个的上游端的上游延伸，以及径向通路，其延伸通过流调节器。本发明的另一实施例是一种燃烧器，其包括布置在管束中并由在燃烧器内径向地延伸的至少一个板支承的多个管，其中每个管都包括与下游端轴向地分离的上游端并且提供通过管束的流体连通。流调节器，其在多个管中的一个或多个的上游端的上游延伸，以及环形插件，其至少部分由流调节器包围并且包括下游端。本发明还可包括一种用于在燃烧器中分配燃料的方法，该方法包括使工作流体流经流调节器，该流调节器在配置在管束中的管的上游端的上游延伸，该管束包括多个管并且由至少一个板支承。流调节器包括至少一个径向通路以向工作流体赋予径向涡旋。该方法还包括使燃料流经至少部分由流调节器包围的环形插件。本领域普通技术人员在阅读说明书以后将更好地理解此类实施例的特征和方面及其它。
本发明的完整和能够实现的公开、包括其对本领域技术人员来说的最佳模式在包
括对附图的参考的说明书的剩余部分中更具体地论述，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截面 图2是如图1中所示的管束的放大上游透视 图3是如图1中所示的管束的放大下游透视 图4是如图1中所示的燃烧器的单个管的放大截面图；以及 图5是单个管沿如图4中所示的线A-A截取的放大截面图。部件列表 10 燃烧器 12 端盖
14 外壳 16 工作流体 18 流调节器 20 管 22 管束 24 板
26 燃料-工作流体混合物
28 燃烧区
30 管道
32 雾化器
34 管上游端
36 管下游端
38 燃料端口
40 径向通路
42 流调节器内表面
44 流调节器外表面
46 径向流动区域
48 流调节器上游表面
50 环形插件
52 环形插件下游端
54 环形插件内表面
56 环形插件外表面
58 轴向流动区域
60 燃料压室
62 管内表面
64 管外表面
GF 气态燃料 LF 液态燃料。
具体实施例方式现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。详细描述使用数字和字母标记来参考附图中的特征。已在附图和描述中使用同样或相似的标记来参考本发明的同样或相似的零件。如文中所用，术语“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。相反地，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。以解释本发明而非限制本发明的方式来提供每个实例。事实上，对本领域技术人员来说将显而易见的是，可在本发明中做出改型和变型而不脱离本发明的范围或精神。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，本发明旨在涵盖诸如落入所附权利要求以及其等同布置的范围内的此类改型和变型。本发明的各种实施例包括燃烧器和用于在该燃烧器中分配燃料的方法。该燃烧器通常包括配置在由至少一个板形成的束中的多个管。管通常允许气态和/或液态燃料和工作流体在进入燃烧室前彻底混合。在特定实施例中，燃烧器还可包括流调节器，其用于在工作流体进入管时向工作流体赋予径向涡旋，以增强工作流体与燃料的混合。在另一实施例中，燃烧器还可包括至少部分由流调节器包围的环形插件。尽管本发明的示例性实施例将出于说明的目的而大体在合并入燃气涡轮中的燃烧器的背景中描述，但是本领域普通技术人员将容易理解的是，本发明的实施例可适用于任何燃烧器并且不局限于燃气涡轮燃烧器，除非在权利要求中明确地指出。图1示出了诸如可包括在燃气涡轮中并且根据本发明的一个实施例的示例性燃烧器10的简化截面图，且图4提供了如图1中所示的燃烧器的单个管的放大截面图。端盖12和外壳14可包围燃烧器10以容纳流向燃烧器10的诸如空气的工作流体16。当工作流体16到达端盖12时，工作流体16可逆转方向并且可流经在多个管20中的至少一个的上游延伸的流调节器，管20 —般配置在一个或多个管束22中并由在燃烧器10内大致径向地延伸的至少一个板24支承。如图1和图4中所示，流调节器18可包括环形插件50，该环形插件50包括下游端52，该下游端52可至少部分地由流调节器18包围并且可与流调节器18大致同心。如图4中所示，环形插件可包括与外表面56径向地分离的内表面54。环形插件50可提供从燃烧器10通过流调节器18并进入多个管20中的至少一个中的流体连通。如图1中所示，燃烧器10还可包括一个或多个管道30。一个或多个管道30可与端盖12流体连通并且可配置成供液态燃料LF或气态燃料GF流动。一个或多个管道30可大体在端盖12的下游延伸并且可提供在端盖12与多个管20中的一个或多个和/或环形插件50之间的流体连通。在特定实施例中，雾化器32可从一个或多个管道30延伸并且可向燃烧器10提供液态燃料LF的至少部分汽化的喷雾。通常，雾化器32可将液态燃料、乳剂或气态燃料喷射到燃烧器10中和/或多个管20中的一个或多个中。如图1中所示，多个管20中的每个管20都可包括与下游端36轴向地分离的上游端34并且可提供通过一个或多个管束22的流体连通。如图1和图4中所示，每个管都可包括管内表面62和管外表面64。在特定实施例中，如图1和图4中所示，多个管20中的一个或多个可限定径向地延伸通过多个管20中的一个或多个的一个或多个燃料端口 38。一个或多个燃料端口 38可定位在多个管20中的一个或多个的上游端34和下游端36之间。一个或多个燃料端口 38可至少部分由至少一个燃料压室60包围，并且一个或多个燃料端口 38可提供在燃料压室60与多个管20中的一个或多个之间的流体连通。燃料压室可适于提供气态燃料GF和/或液态燃料LF。一个或多个燃料端口 38可径向地、轴向地和/或方位角地成角度，以向流经一个或多个燃料端口 38并流入多个管20的一个或多个的液态或气态燃料和/或工作流体16投射和/或赋予涡旋。这样，液态燃料LF和/或气态燃料GF可流经一个或多个燃料端口 38并流入多个管20中的一个或多个中以与工作流体16混合，从而在多个管20中的一个或多个内提供燃料-工作流体混合物26。结果，燃料-工作流体混合物26然后可流经多个管20中的一个或多个并流入燃烧区28中，如图1中所示。图2是如图1中所示的管束22的放大上游透视图。如图1和2中所示，多个管20可布置在一个或多个管束22中并且可通过至少一个板24保持在适当位置。如图2中所示，多个管20可以以圆形图案布置。但是，管20和管束22的具体形状、大小和数量可根据具体实施例而变化。例如，多个管20大致示出为具有柱形形状；但是，在本发明的范围内的替代实施例可包括实际上具有任何几何截面的多个管20中的一个或多个。类似地，燃烧器10可包括跨整个燃烧器10径向地延伸的单个管束22，或者燃烧器10可包括以各种方式布置在燃烧器10中的多个圆形、三角形、正方形、椭圆形或饼形管束22。本领域普通技术人员将会容易地理解的是，管20和管束22的形状、大小和数量并非对本发明的限制，除非在权利要求中明确地指出。图3是如图1中所示的管束22的放大下游透视图，且图5是沿如图4中所示的线A-A截取的多个管20中的一个的放大截面图。如图3中所示，流调节器18可大体在多个管20中的一个或多个的上游端34的上游延伸，并且流调节器可包括上游表面48。如在图4和图5中所示，流调节器18可包括延伸通过流调节器18的一个或多个径向通路40。如图5中所示，一个或多个径向通路40可以是成角度的，以在工作流体16流经一个或多个径向通路40并且流入流调节器18时向其赋予径向涡旋。在特定实施例中，一个或多个径向通路40中的至少一个可配置成赋予沿第一方向、例如顺时针的径向涡旋，并且第二径向通路40可配置成赋予沿第二方向、例如逆时针的径向涡旋。一个或多个径向通路40可具有相等的流动面积，或者可具有不同的流动面积。这样，在燃烧器10中各处的单独流调节器18中可控制通过一个或多个径向通路40的工作流体的流率和/或涡旋量。流调节器18还可包括流调节器内表面42和流调节器外表面44。径向流动区域46可由流调节器内表面42和环形插件50外表面56限定，并且可提供通过流调节器18并通向多个管20中的一个或多个中的流体连通。这样，随着工作流体16经一个或多个径向通路40进入流调节器18，工作流体可防止液态燃料LF和/或气态燃料GF与多个管20中的一个或多个的管内表面62接触和/或沿其形成膜。结果，可提供更彻底地混合的燃料-工作流体混合物26以用于燃烧。此外，可在多个管20中的一个或多个的下游表面36处降低驻焰或逆燃的可能性。如图3和图4中所示，环形插件50内表面54和外表面56可大体限定通过环形插件50的轴向流动区域58。轴向流动区域58可大体在环形插件下游端52的下游延伸。这样，轴向流动区域58可防止形成中央再循环区和/或可增强对在多个管20中的一个或多个内混合的燃料-工作流体的剪切。在特定实施例中，环形插件50下游表面52可终止于尖端(point)。例如，在该终止尖端处沿下游表面52可形成锋利边缘或刀刃。在特定实施例中，环形插件50内表面54可朝环形插件50的下游端52径向向外和/或径向向内会聚。在特定实施例中，环形插件50外表面56可朝环形插件下游端52径向向内会聚并且还可限定在环形插件外表面54与流调节器内表面42之间的径向流动区域40。在特定实施例中，环形插件内表面56可包括突出部、沟槽和导叶中的至少一个，以在工作流体16流经轴向流动区域58时向其赋予轴向涡旋。在本发明的特定实施例中，工作流体16可经环形插件50和/或一个或多个径向通路40进入径向流动区域46并且气态燃料GF可经一个或多个燃料端口 38喷射。这样，工作流体16可与气态燃料GF混合以提供用于在燃烧区28中燃烧的预混合的燃料-工作流体混合物26。结果，气态燃料GF和工作流体16混合可被增强并且可允许具有较大直径的较短管20，由此减少每个管束22所需的单独管20的数量，从而降低整个燃烧区10重量和成本。此外，当燃料-工作流体混合物26离开多个管20中的一个或多个的下游端36时，涡旋混合物可增强燃烧区28中的热燃烧产物和新鲜反应剂之间的湍流混合，从而增强燃烧火焰稳定性。结果，可为诸如甲烷的较低反应性气态燃料提供更大的可操作范围。在如图4中所示的替代实施例中，液态燃料LF可经雾化器32喷射并且喷射到环形插件50轴向流动区域58中。液态燃料LF的至少一部分可在工作流体16进入环形插件50时与其混合。但是,其余液态燃料LF可沿环形插件50内表面54预先形成膜(pre-film)。当燃料-工作流体混合物26向下游驱动预先形成膜的液态燃料LF并使其跨过在环形插件50的下游端52的锋利边缘时，预先形成膜的燃料的至少一部分可汽化成细雾并且可与流经轴向流动区域的工作流体和/或来自径向流动区域46的工作流体16更有效地混合。这样，可大幅增强燃料和工作流体预混合，从而在燃烧器10中减少实现期望的NOx水平通常所必要的诸如水的添加剂的使用。此外，环形插件内表面54可在径向流动区域46与液态燃料LF之间提供屏障，从而降低液态燃料LF附着于多个管20中的一个或多个的管内表面62的可能性。关于图1-5示出和描述的各种实施例还可提供一种用于在燃烧器10中分配液态燃料LF和/或气态燃料GF的方法。例如，该方法可包括使工作流体流经在管20的上游端34的上游延伸的流调节器18，该管20配置在包括多个管20并由至少一个板24支承的管束22中。流调节器18可包括至少一个径向通路40以向工作流体16赋予径向涡旋。该方法还可包括使燃料流经至少部分由流调节器18包围的环形插件50。该方法还可包括使燃料和工作流体16跨环形插件50的下游端52流动。该方法还可包括通过燃料端口 38喷射气态燃料GF，使工作流体16和气态燃料GF在多个管20中的一个或多个内混合，以及使燃料-工作流体混合物26流经多个管20中的一个或多个并流入燃烧区28。该方法还可包括在第一流调节器18中赋予沿第一方向的第一径向涡旋，以及在第二流调节器18中赋予沿第二方向的第二径向涡旋。该方法还可包括使工作流体16流经流调节器18和/或流经环形插件50并且将液态燃料LF喷射到环形插件50中。该方法还可包括使工作流体16与环形插件50内部的液态燃料LF混合，并且使液态燃料LF沿环形插件内表面54预先形成膜。该方法还可包括在液态燃料LF在环形插件下游端52的下游流动时使其汽化。该方法还可包括向进入径向流动区域46的工作流体16赋予径向涡旋并且在液态燃料LF流过环形插件下游端52时剪切汽化的液态燃料LF。此书面描述使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，并且还使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并执行任何合并的方法。本发明可取得专利权的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。如果此类其它实例包括与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性区别的等同结构元件，则此类其它实例预期在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种燃烧器，包括: a.多个管，其布置在管束中并由在所述燃烧器内径向地延伸的至少一个板支承，其中，每个管都包括与下游端轴向地分离的上游端并且提供通过所述管束的流体连通；以及 b.流调节器，其在所述多个管中的一个或多个的上游端的上游延伸；以及 c.延伸通过所述流调节器的径向通路。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述径向通路成角度以赋予径向涡旋。
3.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，包括多个流调节器，所述流调节器包括多个径向通路，其中，所述多个径向通路包括沿第一方向引导工作流体的第一组径向通路和沿第二方向引导工作流体的第二组径向通路。
4.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，包括多个流调节器，所述流调节器包括多个径向通路，其中，所述多个径向通路限定不同的流动面积。
5.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，还包括环形插件，其中，所述环形插件与所述流调节器大体同心并且包括至少部分由所述流调节器包围的下游端。
6.根据权利要求5所述的燃烧器，其特征在于，所述环形插件向所述工作流体赋予轴向涡旋。
7.根据权利要求 5所述的燃烧器，其特征在于，所述环形插件包括内表面和外表面，并且所述内表面朝所述下游端径向地向内会聚。
8.根据权利要求5所述的燃烧器，其特征在于，所述环形插件包括内表面和外表面，其中，所述内表面朝所述下游端径向地向外发散。
9.根据权利要求5所述的燃烧器，其特征在于，所述环形插件包括内表面和外表面，其中，所述外表面朝所述下游端径向地向内会聚。
10.一种燃烧器，包括: a.多个管，其布置在管束中并由在所述燃烧器内径向地延伸的至少一个板支承，其中，每个管都包括与下游端轴向地分离的上游端并且提供通过所述管束的流体连通；以及 b.流调节器，其在所述多个管中的一个或多个的上游端的上游延伸；以及 c.环形插件，其至少部分地由所述流调节器包围并且包括下游端。
11.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述环形插件提供通过所述流调节器的轴向流动区域。
12.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述环形插件和所述流调节器在所述流调节器内提供径向流动区域。
13.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述下游端终止于锋利边缘。
14.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述环形插件包括内表面和外表面，并且所述内表面朝所述下游端径向地向内会聚。
15.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述环形插件包括内表面和外表面，并且所述内表面朝所述下游端径向地向外发散。
16.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述环形插件包括内表面和外表面，并且所述外表面朝所述下游端径向地向内会聚。
17.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，包括多个所述流调节器和多个所述环形插件，其中，第一环形插件提供第一流率并且第二环形插件提供第二流率。
18.根据权利要求10所述的燃烧器，其特征在于，所述环形插件在所述流调节器的上游轴向地延伸。
19.一种用于在燃烧器内分配燃料的方法,包括: a.使工作流体流经在管的上游端的上游延伸的流调节器，所述管配置在管束中，所述管束包括多个管并由至少一个板支承，其中，所述流调节器包括至少一个径向通路以向所述工作流体赋予径向涡旋；以及 b.使燃料流经至少部分地由所述流调节器包围的环形插件。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使所述燃料和所述工作流体跨所述环形 插件的下游端流动。
全文摘要
本发明包括燃烧器和用于在燃烧器中分配燃料的方法。燃烧器包括布置在管束中并由在燃烧器内径向地延伸的至少一个板支承的多个管，其中每个管都包括与下游端轴向地分离的上游端并且提供通过管束的流体连通。流调节器在多个管中的一个或多个的上游端的上游延伸，并且径向通路延伸通过流调节器。一种用于在燃烧器中分配燃料的方法包括使工作流体流经流调节器，该流调节器从配置在管束中的管延伸，该管束包括多个管并由至少一个板支承。流调节器包括至少一个径向通路以向工作流体赋予径向涡旋。使燃料流经至少部分由流调节器包围的环形插件。
文档编号F23R3/28GK103196158SQ20131000452
公开日2013年7月10日 申请日期2013年1月7日 优先权日2012年1月6日
发明者G.A.博德曼, G.D.迈尔斯, H.凯琳, M.J.休斯, A.哈吉卢 申请人:通用电气公司