具有气动进料盖的涡轮机燃烧器系统的制作方法与工艺

本发明涉及涡轮机燃烧器，确切地说，涉及一种用于在涡轮机燃烧器头端室内形成气动流（aerodynamicflow）的系统。

背景技术：
燃气涡轮发动机在涡轮机燃烧器的燃烧室中燃烧燃料-空气混合物，然后用所产生的热燃烧气体来驱动一个或多个涡轮机。在某些配置中，燃料和空气要预先混合然后再点燃，以便减少排放物并改善燃烧。燃气涡轮发动机在诸如燃料喷嘴等一个或多个室内混合燃料和空气。燃料和空气可以一起和/或单独通过贯穿涡轮机燃烧器的一条或多条路径。但不幸的是，一条或多条路径可能包括形成回流区的急转弯、凹口和其他障碍物，从而可能出现火焰滞留（flameholding）和/或逆燃。

技术实现要素：
下文概述了与最初提出权利要求的本发明的范围相符的某些实施例。这些实施例的目的并不在于限制本发明的范围，而仅在于概述本发明的可能形式。实际上，本发明可能包括与下述实施例类似或不同的各种形式。在第一实施例中，一种系统包括涡轮机燃烧器，所述涡轮机燃烧器具有：燃料喷嘴，其具有内壳和外壳；以及围绕所述燃料喷嘴设置的进料盖（feedcap），其具有外壁和背板。所述背板接合所述燃料喷嘴的所述外壳、和所述进料盖的所述外壁的相应上游端。所述涡轮机燃烧器经配置以使第一加压空气经由第一空气路径流动，所述第一空气路径沿着所述进料盖的所述外壁、所述进料盖的所述背板延伸到所述燃料喷嘴中。在第二实施例中，一种系统包括涡轮机燃烧器，所述涡轮机燃烧器具有：燃烧室；头端室，其通过分隔板而与所述燃烧室分开；以及加压室，其设置在所述头端室中并且围绕燃料喷嘴。所述加压室包括背板，所述背板接合到所述燃料喷嘴的外壳的上游端。在第三实施例中，一种系统包括涡轮机燃烧器，所述涡轮机燃烧器具有：燃烧室；头端室，其通过分隔板而与所述燃烧室分开；以及空气路径，其设置在所述头端室中，并且经配置以使第一加压空气流入燃料喷嘴中。所述空气路径包括：第一段，其设置在所述涡轮机燃烧器的导流套筒与进料盖的外壁之间；以及第二段，其设置在所述第一段的下游，并且位于所述进料盖的背板与所述头端室的端板之间。所述第二段在所述背板与所述端板之间基本上没有任何阻流表面。所述空气路径还包括第三段，所述第三段设置在所述第二段的下游并且位于所述燃料喷嘴的内壳与外壳之间。附图说明在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似的符号代表所有附图中类似的部分，其中：图1为具有多个涡轮机燃烧器的燃气涡轮机系统的一项实施例的示意图，每个涡轮机燃烧器具有进料盖，其中加压室经配置以使得气动流能够进入相应的燃料喷嘴中；图2为图1所示的其中一个涡轮机燃烧器的一项实施例的截面侧视示意图，示出了进料盖的一项实施例，其中加压室具有气动背板；图3为沿着3-3截得的图2所示涡轮机燃烧器的头端的一项实施例的截面侧视示意图，示出了围绕并穿过进料盖和加压室的空气流路；图4为沿着3-3截得的图2所示涡轮机燃烧器的头端的一项实施例的截面侧视示意图，示出了由进料盖和多个燃料喷嘴形成的多个加压室；以及图5到图7所示为背板88的替代实施例示意图。具体实施方式下文将描述本发明的一项或多项具体实施例。为了简要描述这些实施例，说明书中可能不会描述实际实施方案的所有特征。应了解，在任意工程或设计项目中开发任意此类实际实施方案时，均应当做出与实施方案特定相关的各种决定，以实现开发人员的具体目标，例如，是否要遵守与系统相关以及与业务相关的限制，这些限制可能会因实施方案的不同而有所不同。此外，应了解，此类开发可能非常复杂耗时，但无论如何对受益于本发明的一般技术人员而言，此类开发仍是常规的设计、建造和制造操作。在介绍本发明各种实施例的元件时，“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示有一个或多个元件。术语“包括”、“包含”以及“具有”旨在表示包括性含义，且表示除了所列元件外，可能还有其他元件。如上所述，燃气涡轮机燃烧器的头端位于燃烧室的上游，它包括大体非气动区域，例如，经由一个或多个急转弯或陡边缘形成湍流的区域，具有压缩空气和燃料涡（pocket）可以在此聚积的低流动条件的区域，以及不需要将燃料和空气混合的区域。换言之，燃气涡轮机燃烧器的头端可以包括回流区，所述回流区可以包括特定区，在这些区中燃料和空气的混合物具有低流动或研究关系，使得火焰可以滞留（hold）或逆燃（flashback）。这些条件中的任一条件或组合都可能致使燃气涡轮机燃烧器的燃烧室上游发生不期望的燃烧（例如，火焰滞留或逆燃），例如，在燃气涡轮机燃烧器的头端区域或进料盖区域内发生这种燃烧。本发明的实施例包括燃气涡轮机燃烧器的气动进料盖设计和头端，以便减少或消除回流区（recirculationzones）。进料盖可以采用整体式设计，这种设计经配置以降低形成以下区域的可能性：低流动区域，无流动区域，产生多余的湍流、回流、将燃料和空气多余混合的区域等。因此，本发明的实施例可以提高燃气涡轮发动机的可靠性，进而可以使能量产生更为可靠、以及提高诸如整体煤气化联合循环（IGCC）系统等整体煤气化系统的生产量。实际上，本发明的实施例可以用在采用具有特定区域的涡轮机燃烧器的任何背景下，在所述特定区域中，低流动、无流动、湍流和/或回流可能会引起不合需要/不期望的情况（例如，逆燃或火焰滞留）。现在转到附图，图1示出了根据本发明实施例的燃气涡轮机系统10的一项实施例的框图，燃气涡轮机系统10可以利用气动进料盖。系统10包括压缩机12、涡轮机燃烧器14，以及涡轮机16。涡轮机燃烧器14包括燃料喷嘴18，所述燃料喷嘴将天然气或合成气等液体燃料和/或气体燃料输送到涡轮机燃烧器14中。如图所示，每个涡轮机燃烧器14可以具有多个燃料喷嘴18。具体而言，涡轮机燃烧器14可以包括具有初级燃料喷嘴20的初级燃料喷射系统、以及具有二级燃料喷嘴22的二级燃料喷射系统。如下文详细描述，每个涡轮机燃烧器14还可以包括进料盖，所述进料盖经配置以减少不合需要的无流动、低流动、回流、或其他不合需要的空气流动情况。此外，每个涡轮机燃烧器14的气动进料盖可以在涡轮机燃烧器14中减缓声波并且抑制压力波动（即，减少动态情况的发生（occurrenceofdynamics））。实际上，这种进料盖设计可能适合于降低将燃料和空气的可燃混合物留在低速区等回流区中的可能性。例如，在回流区中，火焰可以滞留在此区中、和/或向上游行进到此区，而这种情况可能是不合需要的。涡轮机燃烧器14点燃并燃烧空气-燃料混合物，然后将热的加压燃烧气体24（例如，排气）传输到涡轮机16中。涡轮机叶片连接到轴26，所述轴也连接到遍布涡轮机系统10的若干其他部件。当燃烧气体24穿过涡轮机16中的涡轮机叶片时，涡轮机16受到驱动而旋转，从而使得轴26旋转。最后，燃烧气体24经由排气口28排出涡轮机系统10。此外，轴26可以连接到负载30，所述负载经由轴26的旋转而得到动力供应。例如，负载30可能是可以经由涡轮机系统10的旋转输出来发电的任何合适的装置，例如，发电机、飞机的推进器等。压缩机叶片作为压缩机12的部件。压缩机12内的叶片连接到轴26，而且所述叶片会在轴26受到涡轮机16驱动而旋转时发生旋转，如上所述。叶片在压缩机12内旋转时会将来自进气口32的空气压缩成加压空气34。加压空气34随后被馈送到涡轮机燃烧器14的燃料喷嘴18中。燃料喷嘴18将加压空气34和燃料混合，以便产生适于燃烧（例如，致使燃料更彻底燃烧的一种燃烧）的合适混合比，从而不会浪费燃料或导致排放物过多。如下文论述，压缩空气可以穿过、和/或围绕每个燃烧器14中的燃料喷射上游的进料盖。图2为图1所示的其中一个涡轮机燃烧器14的一项实施例的示意图，示出了设置在涡轮机燃烧器14的头端52内、并且围绕单个燃料喷嘴20的进料盖50。如上所述，压缩机12接收来自进气口32的空气，对该空气进行压缩，并且产生加压空气34流，以便用于涡轮机燃烧器14内的燃烧过程。如所示实施例所示，加压空气34由有效连接到涡轮机燃烧器14的压缩机排放装置54接收。如箭头56所示，加压空气34从压缩机排放装置54流向涡轮机燃烧器14的头端52。具体而言，加压空气34通过位于涡轮机燃烧器14的内衬62与导流套筒64之间的环状空间60流到头端52。在某些实施例中，头端52包括端板66，所述端板可以支撑如图1所示的初级燃料喷嘴20。在所示实施例中，头端52具有单个初级燃料喷嘴20和相关联的进料盖50。然而，如下文论述，头端52可以包括多个燃料喷嘴20，其中有一个或多个进料盖50环绕燃料喷嘴20。根据一项实施例，单个进料盖50可以环绕多个燃料喷嘴20，例如，环绕2个到10个燃料喷嘴（例如，2个到8个、或者4个到6个燃料喷嘴）。燃料供应装置将燃料68提供给初级燃料喷嘴20。此外，空气流路72通过初级燃料喷嘴20来输送来于涡轮机燃烧器14的环状空间60的加压空气34。初级燃料喷嘴20使加压空气34与初级燃料供应装置68提供的燃料68相结合，以便形成燃料-空气混合物。具体而言，燃料68可以通过多片旋流轮叶74，且在一些实施例中，额外通过一个或多个四级燃料喷射器（quaternaryfuelinjectors）97而被喷射到空气流路72中。燃料-空气混合物从空气流路72流到燃烧室76中，在该燃烧室中，燃料-空气混合物被点燃并燃烧以形成燃烧气体（例如，排气）。燃烧气体沿着方向78流向涡轮机燃烧器14的过渡连接件80。所述燃烧气体穿过过渡连接件80而朝向涡轮机16传输，如箭头82所示，在所述涡轮机中，燃烧气体驱动涡轮机16内的叶片，使其旋转。如上所述，涡轮机燃烧器14包括期望有燃烧的区域，例如，燃烧室76，以及不需要/期望燃烧的区域，例如，设置在端板66与分隔板86之间的头端室84，所述分隔板86将头端52与燃烧室76分开。头端室84内发生的燃烧（例如，逆燃和/或火焰滞留）可能是由沿着空气流路72的湍流空气流和燃料-空气涡（fuel-airpockets）造成的，其中所述流会回流、和/或在上游区域中具有低速或无速，例如，所述上游区域在燃烧室的上游、和/或燃料喷射器（例如，燃料喷射器20）的上游，并且在四级燃料喷射器97的下游。因此，根据本发明，现在认识到，通过提供将进料盖50的外壁90与燃料喷嘴20的外壳92连接起来的气动背板88，可以至少部分减缓这些和其他不合需要/不期望的流动条件。具体而言，如下文详细论述，背板88将燃料喷嘴20的外壳92与进料盖50的外壁90连接起来，使得加压空气34能够沿着空气流路72流动，而不会遇到低流动或无流动的大量湍流或涡。此外，背板88的配置还可以有助于减少由燃烧过程产生的压力波、声波、以及称为燃烧动力/动态（combustiondynamics）的其他振动。燃烧动力可以导致涡轮机燃烧器14中（例如，头端室84内）出现性能降低、结构应力，以及机械或热疲劳。背板88、进料盖50的外壁90、燃料喷嘴20的外壳92、以及分隔板86一起构成了封闭的容积或室94。如图所示，室94接收从一组四级燃料喷射器97流入的、预调节过的空气96，所述预调节过的空气所处的压力可能等于或大于沿着空气路径72流动的加压空气34的压力。因此，相对于空气路径72和头端室84而言，室94可以被视作加压室。在一些实施例中，室94接收处于特定压力的预调节空气96，所述特定压力比沿着空气路径72流动的加压空气34和/或空气/燃料混合物的压力高约1%到20%，例如，高约1%到15%、1%到10%、2%到8%、2%到6%、或者3%到5%（例如，约3%、4%，或5%）。因此，室94可以被密封到头端室84，从而可以防止燃料、和/或空气/燃料混合物流入室94。在防止这种流入时，室94可以降低空气/燃料混合物在头端室84内过早燃烧的可能性，因为空气/燃料混合物无流动或低流动。如下文更详细地论述，通过将预调节空气96传输到燃烧室76中，室94还使得能够对分隔板86进行冷却。预调节空气96可以是加压空气34，或者可以来自另一空气源。如下文论述，四级燃料喷射器97还可以将燃料86喷射到空气路径72中，以便形成燃料-空气混合物。因此，背板88的配置，尤其是它与进料盖50的外壁90和燃料喷嘴20的外壳92的连接方式，降低了燃料-空气混合物出现火焰滞留和回流的可能性。图3为沿着线3-3截得的图2所示涡轮机燃烧器14的头端52的一项实施例的示意图，示出了室94、四级燃料喷射器97，以及设置在头端室84内的初级燃料喷嘴20。如上所述，背板88将进料盖50的外壁90与燃料喷嘴20的外壳92接合/连接起来。具体而言，背板88直接将外壁90的头端末端98与外壳92的头端末端100连接起来。背板88可以采用任何气动形式，其中背板88的主要部分102相对于端板66和/或分隔板86可以是弯曲（例如，凹入或凸出）、蜿蜒、倾斜、或者基本上平行，如下文参考图5到图7所论述。在某些实施例中，背板88可以基本上沿着直线从头端末端98延伸到头端末端100，而且可能基本上没有阻流表面，例如，凹口或凹形（例如，相对于末端98、100而言）。在一项实施例中，背板88基本上平行于端板66和/或分隔板86。如本说明书所定义，基本上平行包括这样的配置：整个第一部分102定向在与端板66和分隔板86中的一者或两者平行的约2°范围内，其中考虑到了制造公差。然而，目前也预期了这样的配置：主要部分102相对于端板66和/或分隔板86成一定角度，例如，所成的角度介于约2°与30°之间、2°与20°之间、2°与15°之间、3°与10°之间，或者4°与8°之间。如图所示，主要部分102基本上平行于端板66和分隔板86，并且在第一边缘104和第二边缘106处成圆形/圆角，在此处所述主要部分分别连接到外壁90和外壳92。根据本发明的实施例，第一边缘104和第二边缘106可以呈现出任何边缘配置，包括圆形边缘、平直边缘、倾斜边缘、凸出边缘，或者不会对加压空气34施加剪切力的任何边缘。实际上，如本说明书所论述，背板88的配置促进加压空气34和燃料-空气混合物沿着空气流路72流动。如上所述，空气流路72接收来自涡轮机燃烧器14的环状空间60的加压空气34。此外，在某些实施例中，四级燃料喷射器97将燃料68喷射到流路72中，以便形成燃料-空气混合物，该混合物也可以沿着空气流路72流动。空气流路72包括第一部分120、第二部分122、以及第三部分123。第一部分120、第二部分122、以及第三部分123有效/可操作地连接起来。空气流路72的第一部分120由外壁124和进料盖50的外壁90限定，所述外壁124可能是头端壳体、也可能是导流套筒64。空气流路72的第二部分122由头端室84的端板66和进料盖50的背板88限定。燃料喷嘴20的外壳92和内壳130限定第三部分123。换言之，加压空气34和/或燃料-空气混合物的流沿着加压室94的外表面流动，所述外表面包括围绕燃料喷嘴20设置的进料盖50的第一外表面、背板88的外表面、以及燃料喷嘴20的外壳92的外表面。如图所示，背板88设置在第一部分120和第二部分122的接合处、以及第二部分122和第三部分123的接合处。根据本发明的实施例，背板88的形状和位置可以促进加压空气34在各个部分之间流动。例如，将背板88与进料盖50的外壁90连接起来的背板88的第一边缘104可以成圆形/圆角，以便防止在加压空气34和/或燃料-空气混合物从第一部分120流到第二部分122时出现湍流、回流和/或低速流。同样，将背板88与燃料喷嘴20的外壳92连接起来的背板88的第二边缘106可以成圆形/圆角，以便防止在加压空气和/或燃料-空气混合物从第二部分122流到第三部分123时出现湍流、回流和/或低速流。背板88的主要部分102防止空气和/或燃料-空气流停止（stalling）。换言之，通过使得加压空气34和/或燃料-空气混合物连续流动，主要部分102能防止加压空气34和/或空气/燃料混合物的涡（pockets）陷在第二部分122中。此外，主要部分102经过成形，以防止出现会在第二部分122中形成交叉空气流的区域。通常，背板88并不具有会引起流剪切的任何形状，例如，突起、障碍物、凹口等。实际上，外壁90、背板88、以及外壳92配置成使得空气路径72基本上没有无流动或低流动区域，在这些区域中，加压空气和/或燃料空气的流会受阻、停止、或以其他方式遭剪切（sheared）。也就是说，背板88可以是基本上平滑的连续表面。如箭头132所示，加压空气34从环状空间60流动，首先流过空气流路72的第一部分120，流过空气流路72的第二部分122，然后流过第三部分123。如上所述，加压空气34可以与燃料68混合，从而形成燃料-空气混合物。因此，在第一部分120、第二部分122以及第三部分123中，箭头132还可以表示燃料-空气混合物。加压空气34、和/或燃料-空气混合物还围绕旋流轮叶74流动。如上所述，燃料68通过旋流轮叶74而被释放到加压空气34中。具体而言，燃料68沿着燃料喷嘴20的内壳130内的燃料路径134向下流动，如箭头136所示。燃料68从燃料路径134传输到旋流轮叶74中，如箭头138所示，并且通过旋流轮叶74中的燃料端口140排出旋流轮叶74，如箭头142所示。燃料68与加压空气34混合，以形成空气/燃料混合物。空气/燃料混合物向下游流向燃烧室76，如箭头144所示。在所示实施例中，分隔板86包括一个或多个开口146，所述开口将头端室84和燃烧室76有效/可操作地接合起来。如上所述，涡轮机燃烧器14的头端52包括室94，所述室94接收预调节空气96。具体而言，预调节空气96通过预调节空气入口148进入室94，同时燃料86的一个流通过一系列燃料入口149进入空气流路72的第一部分120。例如，预调节空气96可以由压缩机排放装置54供应。虽然所示实施例示出了两个预调节空气入口148，但其他实施例可以包括更少或更多的预调节空气入口148。例如，涡轮机燃烧器14可以具有1个、3个、4个、5个、6个、7个、8个，或更多的预调节空气入口148。室94接收来自预调节空气入口148的预调节空气96，并且充满预调节空气96，如箭头150所示。此外，预调节空气96可以导向分隔板86中的孔口152，如箭头154所示。在某些实施例中，孔口152可以是平直或有角度/倾斜的孔。预调节空气96可以穿过孔口152，从而对分隔板86进行冷却并且进入燃烧室76。如上所述，预调节空气96提供给处于一定压力的室94，所述压力足以防止燃料喷嘴20处产生的燃料-空气混合物流入到室94中。也就是说，燃料-空气混合物可以处于第一压力，室94内的预调节空气96可以处于第二压力，而且第二压力可以大于第一压力。同样，预调节空气96可以比加压空气34、和/或燃料-空气混合物高约1%到15%、1%到10%、2%到8%、2%到6%，或者3%到5%（例如，约3%、4%，或5%）。此外，在某些实施例中，室94内的压力可以处于一定水平，其足以防止燃烧室76内产生的燃烧产物流入。图4为沿着线3-3截得的图2所示涡轮机燃烧器14的头端52的一项实施例的示意图，示出了围绕多个燃料喷嘴20设置的进料盖50。例如，涡轮机燃烧器14可以包括一个中心燃料喷嘴和多个周围燃料喷嘴（例如，2个到10个）。在所示实施例中，进料盖50环绕第一外部燃料喷嘴160和第二外部燃料喷嘴162、以及中心燃料喷嘴164。在本发明的实施例中，进料盖50的外壁90充当环绕所有燃料喷嘴的主壁。此外，应注意，燃料喷嘴20示为成线性配置，以便于论述，而且所述燃料喷嘴可以成其他配置，例如，成环状布置，其中燃料喷嘴20设置成桶状配置。因此，进料盖50的外壁90示为仅设置在第一外部燃料喷嘴160和第二外部燃料喷嘴162附近。此外，进料盖50包括对应于各个燃料喷嘴160、162、164的多个开口，其中各个喷嘴160、162、164的相应外壳92、166限定各个开口。如上文参考图3所论述，通过背板88和分隔板86将进料盖50的外壁90与燃料喷嘴20的外壳92接合起来，形成了室94。通过类似的方式，第一外部燃料喷嘴160和第二外部燃料喷嘴162的相应外壳92、和中心燃料喷嘴164的外壳166通过背板88和分隔板86接合起来，以便形成容积168。也就是说，进料盖50的背板88将第一外部燃料喷嘴160和第二外部燃料喷嘴162的外壳92的头端末端100、与中心燃料喷嘴164的外壳166的头端末端170接合起来。这样，中心燃料喷嘴164的区域中的空气流路72便可以基本上没有低流动或无流动区域。因此，所示配置适于降低在头端室84内出现不合需要的流动情况的可能性，所述情况例如回流、低速流、火焰滞留等。此外，如室94那样，容积168可以充满预调节空气96。例如，应了解，中心燃料喷嘴164并未设置在进料盖50的外壁90附近。实际上，第一外部燃料喷嘴160和第二外部燃料喷嘴162置于第一中心燃料喷嘴164和第二中心燃料喷嘴166与外壁90之间。因此，预调节空气96并不直接喷射到容积168中。事实上，预调节空气96首先直接喷射到室94中，并且流向头端52的中心区域，所述中心区域包括中心燃料喷嘴164和容积168。预调节空气96随后充满容积168。因此，容积168和室94直接流连通，并且可以具有相同的压力。实际上，容积168可以具有预调节空气96的压力，所述压力大于流过中心喷嘴164的空气燃料混合物的压力。例如，容积168内的预调节空气96的压力可以比加压空气34和/或燃料-空气混合物高约1%到15%、1%到10%、2%到8%、2%到6%，或者3%到5%（例如，约3%、4%，或5%）。如上所述，背板88可以采用将进料盖50的外壁90与燃料喷嘴20的外壳92连接起来的任何气动形式。也就是说，背板88经配置以维持沿着所有边界表面的充足流，从而防止燃料-空气混合物和/或加压空气34回流（recirculation）。此类配置的实例在图5到图7中示出。具体而言，在图5中，背板88可以具有大体平直的形状，这种形状基本上没有任何阻流表面。或者，背板88可以弯曲和/或成角度（倾斜）。例如，如图6所示，背板88可以具有相对于外壁90和外壳92的头端末端凸出（即，向外弓）的弯曲形状。作为替代或补充，背板88可以成角度/倾斜，如图7所示。在图7中，所示背板88大体沿着流路72的流向成角度。实际上，目前预期背板88的任何通用形状和配置，前提是所述形状和配置能够经配置以降低出现火焰滞留、逆燃、低速流、无流动，以及类似不合需要的流动条件的可能性。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践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书限定，并可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。