用于降低燃烧动态的系统和方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于降低燃烧动态的系统和方法。用于降低燃烧动态的系统和方法包括绕着轴线布置的第一和第二燃烧器，并且每个燃烧器包括横跨燃烧器的至少一部分径向地延伸的盖组件和在盖组件下游的燃烧室。每个盖组件包括轴向地延伸穿过盖组件以提供穿过盖组件至燃烧室的流体连通的多个管和延伸穿过每个管以提供进入每个管的流体连通的燃料喷射器。每个盖组件具有轴向长度，并且第一燃烧器中的盖组件的轴向长度与第二燃烧器中的盖组件的轴向长度不同。
【专利说明】用于降低燃烧动态的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明大体涉及用于降低燃烧动态的系统和方法。在特定实施例中，本发明可并入到燃气涡轮或其它涡轮机中。
【背景技术】
[0002]燃烧器通常用于工业和商业操作中以点燃燃料，以产生具有高温和高压的燃烧气体。例如，燃气涡轮和其它涡轮机典型地包括一个或更多个燃烧器以生成功率或推力。用于生成电力的典型燃气涡轮包括位于前部的轴向压缩机、围绕中间的多个燃烧器以及位于后部的涡轮。环境空气作为工作流体进入压缩机，并且压缩机逐渐地向工作流体赋予动能，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机并且流经燃烧器中的一个或更多个燃料喷嘴和/或管，其中，压缩工作流体在点燃之前与燃料混合以生成具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体流动至涡轮，其中，燃烧气体膨胀以做功。例如，燃烧气体在涡轮中的膨胀可使连接于发电机的轴旋转以产生电力。
[0003]各种因素影响燃烧器的设计和操作。例如，较高的燃烧气体温度通常提高燃烧器的热力学效率。然而，较高的燃烧气体温度还促进火焰保持状态，其中，燃烧火焰朝向由燃料喷嘴供应的燃料迁移，可能在相对短的量的时间内引起对燃料喷嘴的加速磨损。另外，较高的燃烧气体温度通常增大二价氮的解离速率，从而增加氮氧化物(NOx)的产生。相反地，与减小的燃料流和/或部分负载操作(调低)相关的较低燃烧气体温度通常降低燃烧气体的化学反应速率，从而增加一氧化碳和未燃烧烃的产生。
[0004]虽然在防止火焰保持和控制不合乎需要的排放物的同时实现较高操作温度方面有效，但是在特定操作条件下，一些燃烧器可产生由燃烧过程或火焰动态与燃烧器的一个或更多个声学谐振频率的交互或耦合引起的燃烧不稳定。例如，一种燃烧不稳定的机制可在声学压力脉动引起燃料端口处的质量流量波动(其接着导致火焰区中的燃料-空气比率波动)时出现。当导致的燃料/空气比率波动和声学压力脉动具有某一相行为(例如，近似同相)时，导致自励式反馈环路。该机制和导致的燃烧动态的大小取决于燃料喷射之间的延时和燃料到达火焰区的时间，该延时和该时间在本领域中被称为对流时间(Tau)。当对流时间增加时，燃烧不稳定的频率减小，而当对流时间减少时，燃烧不稳定的频率增加。结果是可降低一个或更多个燃烧器和/或下游构件的使用寿命的燃烧动态。例如，燃烧动态可在燃料喷嘴和/或燃烧室的内部产生压力脉冲，其可不利地影响这些构件的高循环疲劳寿命、燃烧火焰的稳定性、用于火焰保持的设计裕度和/或不合乎需要的排放物。可选地，或者另外，同相且相干的、在具体频率下并具有足够的振幅的燃烧动态可在涡轮和/或其它下游构件中产生不合乎需要的共振。通过使一个或更多个燃烧器中的燃烧不稳定的频率从其它燃烧器转移开，燃烧系统的相干性总体上将降低，并且燃烧器之间的耦合将削弱。这降低了燃烧器音调(combustor tone)在下游构件中引起振动响应的能力，并且还激励燃烧器之间的破坏性干扰，从而减小燃烧动态振幅。因此，调节由每个燃烧器产生的燃烧动态的相和/或相干性的系统和方法将对提高燃烧器的热力学效率，从而在宽范围的操作级别上防止加速的磨损、促进火焰稳定和/或减少不合乎需要的排放物而言为有用的。
【发明内容】
[0005]本发明的方面和优点在下列描述中在下面被阐述，或者可从该描述显而易见，或者可通过本发明的实践而学习。
[0006]本发明的一个实施例是一种用于降低燃烧动态的系统，其包括绕着轴线布置的第一和第二燃烧器，并且每个燃烧器包括横跨燃烧器的至少一部分径向地延伸的盖组件和在盖组件下游的燃烧室。每个盖组件包括轴向地延伸穿过盖组件以提供穿过盖组件至燃烧室的流体连通的多个管和延伸穿过每个管以提供进入每个管的流体连通的燃料喷射器。每个盖组件具有轴向长度，并且第一燃烧器中的盖组件的轴向长度与第二燃烧器中的盖组件的轴向长度不同。
[0007]在本发明的另一个实施例中，一种用于降低燃烧动态的系统包括绕着轴线布置的第一和第二燃烧器，并且每个燃烧器包括横跨燃烧器的至少一部分径向地延伸的盖组件和在盖组件下游的燃烧室。每个盖组件包括轴向地延伸穿过盖组件以提供穿过盖组件至燃烧室的流体连通的燃料喷嘴。每个燃料喷嘴包括轴向地延伸的中心本体、周向地环绕轴向地延伸的中心本体的至少一部分的护罩、在中心本体与护罩之间径向地延伸的多个导叶、在离燃烧室的第一轴向距离处穿过多个导叶中的至少一个的第一燃料端口、在离燃烧室的第二轴向距离处穿过中心本体的第二燃料端口，并且多个导叶与燃烧室相距第三轴向距离。每个盖组件具有轴向长度，并且第一燃烧器中的盖组件的轴向长度与第二燃烧器中的盖组件的轴向长度不同。
[0008]在又一个实施例中，一种用于降低燃烧动态的系统包括绕着轴线布置的第一和第二燃烧器，并且每个燃烧器包括横跨燃烧器的至少一部分径向地延伸的盖组件和在盖组件下游的燃烧室。每个盖组件包括轴向地延伸穿过盖组件以提供穿过盖组件至燃烧室的流体连通的燃料喷嘴。每个燃料喷嘴包括轴向地延伸的中心本体、周向地环绕轴向地延伸的中心本体的至少一部分的护罩、在中心本体与护罩之间径向地延伸的多个导叶、在离燃烧室的第一轴向距离处穿过多个导叶中的至少一个的第一燃料端口、在离燃烧室的第二轴向距离处穿过中心本体的第二燃料端口，并且多个导叶与燃烧室相距第三轴向距离。系统还包括用于在第一燃烧器中产生与第二燃烧器中的燃烧不稳定频率不同的燃烧不稳定频率的结构。
[0009]一种用于降低燃烧动态的系统，其包括:a.绕着轴线布置的第一和第二燃烧器，其中，每个燃烧器包括横跨所述燃烧器的至少一部分径向地延伸的盖组件和在所述盖组件下游的燃烧室；b.其中，每个盖组件包括轴向地延伸穿过所述盖组件以提供穿过所述盖组件至所述燃烧室的流体连通的多个管和延伸穿过每个管以提供进入每个管的流体连通的燃料喷射器；以及c.其中，每个盖组件具有轴向长度，并且所述第一燃烧器中的所述盖组件的轴向长度与所述第二燃烧器中的所述盖组件的轴向长度不同。
[0010]优选地，每个盖组件中的所述多个管布置在横跨所述盖组件径向地布置的多个管束中，穿过每个管的所述燃料喷射器与所述燃烧室相距第四轴向距离，并且所述第四轴向距离对于所述第一燃烧器中的至少两个管束而言不同。
[0011]优选地，每个盖组件还包括轴向地延伸穿过所述盖组件以提供穿过所述盖组件至所述燃烧室的流体连通的燃料喷嘴，其中，每个燃料喷嘴包括轴向地延伸的中心本体、周向地环绕所述轴向地延伸的中心本体的至少一部分的护罩、在所述中心本体与所述护罩之间径向地延伸的多个导叶、在离所述燃烧室的第一轴向距离处穿过所述多个导叶中的至少一个的第一燃料端口、在离所述燃烧室的第二轴向距离处穿过所述中心本体的第二燃料端口，并且所述多个导叶与所述燃烧室相距第三轴向距离。
[0012]优选地，以下中的至少一个:所述第一燃烧器中的所述第一轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第一轴向距离不同，所述第一燃烧器中的所述第二轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第二轴向距离不同，或者所述第一燃烧器中的所述第三轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第三轴向距离不同。
[0013]优选地，以下中的至少两个:所述第一燃烧器中的所述第一轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第一轴向距离不同，所述第一燃烧器中的所述第二轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第二轴向距离不同，或者所述第一燃烧器中的所述第三轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第三轴向距离不同。
[0014]优选地，所述第一燃烧器中的所述第一轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第一轴向距离不同，所述第一燃烧器中的所述第二轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第二轴向距离不同，并且所述第一燃烧器中的所述第三轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第三轴向距离不同。
[0015]优选地，每个燃烧器包括多个燃料喷嘴，并且所述第一、第二或第三轴向距离中的至少一个对于所述第一燃烧器中的至少两个燃料喷嘴而言不同。
[0016]优选地，每个燃烧器包括多个燃料喷嘴，并且所述第一、第二或第三轴向距离中的至少两个对于所述第一燃烧器中的至少两个燃料喷嘴而言不同。
[0017]优选地，每个燃烧器包括多个燃料喷嘴，并且所述第一、第二和第三轴向距离对于所述第一燃烧器中的至少两个燃料喷嘴而言不同。
[0018]一种用于降低燃烧动态的系统，其包括:a.绕着轴线布置的第一和第二燃烧器，其中，每个燃烧器包括横跨所述燃烧器的至少一部分径向地延伸的盖组件和在所述盖组件下游的燃烧室；b.其中，每个盖组件包括轴向地延伸穿过所述盖组件以提供穿过所述盖组件至所述燃烧室的流体连通的燃料喷嘴，其中，每个燃料喷嘴包括轴向地延伸的中心本体、周向地环绕所述轴向地延伸的中心本体的至少一部分的护罩、在所述中心本体与所述护罩之间径向地延伸的多个导叶、在离所述燃烧室的第一轴向距离处穿过所述多个导叶中的至少一个的第一燃料端口、在离所述燃烧室的第二轴向距离处穿过所述中心本体的第二燃料端口，并且所述多个导叶与所述燃烧室相距第三轴向距离；并且c.其中，每个盖组件具有轴向长度，并且所述第一燃烧器中的所述盖组件的轴向长度与所述第二燃烧器中的所述盖组件的轴向长度不同。
[0019]优选地，以下中的至少一个:所述第一燃烧器中的所述第一轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第一轴向距离不同，所述第一燃烧器中的所述第二轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第二轴向距离不同，或者所述第一燃烧器中的所述第三轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第三轴向距离不同。
[0020]优选地，以下中的至少两个:所述第一燃烧器中的所述第一轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第一轴向距离不同，所述第一燃烧器中的所述第二轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第二轴向距离不同，或者所述第一燃烧器中的所述第三轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第三轴向距离不同。
[0021]优选地，所述第一燃烧器中的所述第一轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第一轴向距离不同，所述第一燃烧器中的所述第二轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第二轴向距离不同，并且所述第一燃烧器中的所述第三轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第三轴向距离不同。
[0022]优选地，每个燃烧器包括多个燃料喷嘴，并且所述第一、第二或第三轴向距离中的至少一个对于所述第一燃烧器中的至少两个燃料喷嘴而言不同。
[0023]优选地，每个燃烧器包括多个燃料喷嘴，并且所述第一、第二或第三轴向距离中的至少两个对于所述第一燃烧器中的至少两个燃料喷嘴而言不同。
[0024]优选地，每个燃烧器包括多个燃料喷嘴，并且所述第一、第二和第三轴向距离对于所述第一燃烧器中的至少两个燃料喷嘴而言不同。
[0025]一种用于降低燃烧动态的系统，其包括:a.绕着轴线布置的第一和第二燃烧器，其中，每个燃烧器包括横跨所述燃烧器的至少一部分径向地延伸的盖组件和在所述盖组件下游的燃烧室；b.其中，每个盖组件包括轴向地延伸穿过所述盖组件以提供穿过所述盖组件至所述燃烧室的流体连通的燃料喷嘴，其中，每个燃料喷嘴包括轴向地延伸的中心本体、周向地环绕所述轴向地延伸的中心本体的至少一部分的护罩、在所述中心本体与所述护罩之间径向地延伸的多个导叶、在离所述燃烧室的第一轴向距离处穿过所述多个导叶中的至少一个的第一燃料端口、在离所述燃烧室的第二轴向距离处穿过所述中心本体的第二燃料端口，并且所述多个导叶与所述燃烧室相距第三轴向距离；以及c.用于在所述第一燃烧器中产生与所述第二燃烧器中的燃烧不稳定频率不同的燃烧不稳定频率的器件。
[0026]优选地，每个盖组件还包括:多个管，其轴向地延伸穿过所述盖组件以提供穿过所述盖组件至所述燃烧室的流体连通；燃料喷射器，其在离所述燃烧室的第四轴向距离处延伸穿过每个管以提供进入每个管的流体连通；并且其中，所述第一燃烧器中的所述第四轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第四轴向距离不同。
[0027]优选地，每个盖组件中的所述多个管布置在横跨所述盖组件径向地布置的多个管束中，并且所述第四轴向距离对于所述第一燃烧器中的至少两个管束而言不同。
[0028]优选地，以下中的至少一个:所述第一燃烧器中的所述第一轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第一轴向距离不同，所述第一燃烧器中的所述第二轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第二轴向距离不同，或者所述第一燃烧器中的所述第三轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第三轴向距离不同。
[0029]在审阅本说明书之后，本领域技术人员将更好地认识到这种实施例的特征和方面及其它。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]在说明书的剩余部分中，包括对附图的参考，更特别地阐述本发明的完整且能够实现的公开，包括对本领域技术人员而言的其最佳模式，在该附图中:
图1是根据本发明的各种实施例的示例性燃气涡轮的简化侧视截面图；
图2是根据本发明的各种实施例的示例性燃烧器的简化侧视截面图； 图3是根据本发明的实施例的图2中示出的盖组件的上游平面图；
图4是根据本发明的可选实施例的图2中示出的盖组件的上游平面图；
图5是根据本发明的可选实施例的图2中示出的盖组件的上游平面图；
图6是根据本发明的实施例的图3中示出的燃烧器的头端沿着线A-A截取的侧视截面
图；
图7是根据本发明的第一实施例的用于降低燃烧动态的系统；
图8是根据本发明的第二实施例的用于降低燃烧动态的系统；
图9是根据本发明的实施例的图5中示出的燃烧器的头端沿着线B-B截取的侧视截面
图；
图10是根据本发明的第三实施例的用于降低燃烧动态的系统；
图11是根据本发明的第四实施例的用于降低燃烧动态的系统；以及 图12是根据本发明的各个实施例的燃烧器动态的示例性曲线图。
[0031]部件列表 10燃气涡轮 12压缩机区段 14燃烧器 16涡轮区段 18转子 20发电机 22工作流体 24静止导叶 26旋转叶片 28压缩机壳体 30压缩机排出腔室 32燃烧器壳体 34燃料喷嘴 36 管 38燃烧室 40过渡管道 42旋转动叶 44静止喷嘴 46端盖 48头端 50盖组件 52衬套 54流孔 56冲击套筒 58圆形管束 60 中心管束 62饼形管束 64轴向中心线
66中心本体 68护罩 70环形通路
72叶片 74燃料端口 76轴向距离 78轴线
80盖组件的轴向长度 82上游表面 84下游表面 86管入口
88管出口 90燃料腔室 92燃料导管 94燃料喷射器 96轴向距离 100轴线 102第一谐振频率 104第二谐振频率 106第三谐振频率。
【具体实施方式】
[0032]现在将详细提及本发明的实施例，其一个或更多个实例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。在附图和描述中使用同样或相似的标记来指代本发明的同样或相似的部分。如本文中使用的，用语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地使用以将一个构件与另一个构件区分开，并且不意图表示单独的构件的位置或重要性。另外，用语“上游”和“下游”指构件在流体路径中的相对位置。例如，如果流体从构件A流动至构件B，则构件A位于构件B上游。相反地，如果构件B从构件A接收流体流，则构件B位于构件A下游。
[0033]经由本发明的说明而非本发明的限制提供每个实例。事实上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，可在本发明中做出修改和变化而不背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个实施例以产生又一个实施例。因此，意图是，本发明覆盖落入所附权利要求及它们的等同物的范围内的这种修改和变化。
[0034]本发明的各个实施例包括用于降低燃烧动态以在宽范围的操作级别上提高热力学效率、促进火焰稳定，和/或减少不合乎需要的排放物的系统和方法。系统和方法大体包括多个燃烧器，并且每个燃烧器包括一个或更多个燃料喷嘴和/或管以及在(多个)燃料喷嘴和/或管下游的燃烧室。每个燃料喷嘴包括一个或更多个燃料端口和/或径向地延伸的导叶，并且每个管包括一个或更多个燃料喷射器。系统和方法包括用于在第一燃烧器中产生与第二燃烧器中的燃烧不稳定频率不同的燃烧不稳定频率的各种器件。因此，本发明的各个实施例可导致扩展的操作条件、延长的寿命和/或维护间隔、改进的火焰保持设计裕度和/或减少的不合乎需要的排放物。虽然将出于说明的目的而在燃气涡轮中的燃烧动态的背景下大体描述本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员将容易认识到，本发明的实施例可适用于任何燃烧动态并且不受限于燃气涡轮，除非在权利要求中明确陈述。
[0035]图1提供了可并入本发明的各个实施例的示例性燃气涡轮10的简化截面图。如示出的，燃气涡轮10可大体包括位于前部的压缩机区段12、围绕中间径向地配置在燃烧区段中的多个燃烧器14以及位于后部的涡轮区段16。压缩机区段12和涡轮区段16可共享连接于发电机20的共同转子18以产生电力。诸如环境空气的工作流体22可进入压缩机区段12，并且穿过静止导叶24和旋转叶片26的交替级。压缩机壳体28在静止导叶24和旋转叶片26使工作流体22加速并且重新引导工作流体22时容纳工作流体22，以产生压缩工作流体22的连续流。压缩工作流体22的大多数流经压缩机排出腔室30至燃烧器14。燃烧器壳体32可周向地环绕每个燃烧器14的一些或全部以容纳从压缩机区段12流动的压缩工作流体22。燃料可在一个或更多个燃料喷嘴34和/或管36中与压缩工作流体22混合。可能的燃料包括例如高炉煤气、焦炉煤气、天然气、气化的液化天然气(LNG)、氢气和丙烷中的一种或更多种。燃料和压缩工作流体22的混合物可接着流入燃烧室38中，其中，其点燃以生成具有高温和高压的燃烧气体。过渡管道40周向地环绕燃烧室38的至少一部分，并且燃烧气体流经过渡管道40至涡轮区段16。
[0036]涡轮区段16可包括静止喷嘴42和旋转动叶44的交替级。静止喷嘴42将燃烧气体重新引导到旋转动叶44的下一级上,并且在燃烧气体在旋转动叶44上面经过时,燃烧气体膨胀，从而使旋转动叶44和转子18旋转。接着，燃烧气体流动至静止喷嘴42的下一级，其将燃烧气体重新引导至旋转动叶44的下一级，并且对后面的级重复该过程。
[0037]燃烧器14可为本领域中已知的任何类型的燃烧器，并且本发明不受限于任何特定燃烧器设计，除非在权利要求中明确陈述。图2提供了根据本发明的各种实施例的示例性燃烧器14的简化侧视截面图。燃烧器壳体32周向地环绕燃烧器14的至少一部分以容纳从压缩机12流动的压缩工作流体22。如图2所示，燃烧器壳体32可连接于或者包括横跨每个燃烧器14的至少一部分径向地延伸的端盖46，以提供用于向每个燃烧器14供应燃料、稀释剂和/或其它添加剂的界面。另外，燃烧器壳体32和端盖46可组合以至少部分地在每个燃烧器14内部限定头端48。燃料喷嘴34和/或管36可径向地布置在盖组件50中，盖组件50在头端48的下游横跨每个燃烧器14的至少一部分径向地延伸。衬套52可连接于盖组件50以在盖组件50下游至少部分地限定燃烧室38。以该方式，工作流体22可例如流经冲击套筒56中的流孔54并且沿着过渡管道40和衬套52的外侧流动，以向过渡管道40和衬套52提供对流冷却。当工作流体22到达头端48时，工作流体22逆转方向，并且燃料喷嘴34和/或管36提供用于工作流体22流经盖组件50并流入燃烧室38中的流体连通。
[0038]虽然大体示出为柱形，但是燃料喷嘴34和/或管36的径向截面可为任何几何形状，并且本发明不受限于任何特定径向截面，除非在权利要求中明确陈述。另外，燃烧器14的各个实施例可包括盖组件50中的不同数量和布置的燃料喷嘴34和/或管36，并且图3-5在本发明的范围内提供了盖组件50中的燃料喷嘴34和/或管36的示例性布置的上游平面图。如图3所示，例如，多个燃料喷嘴34可径向地布置在单个燃料喷嘴34周围。可选地，如图4所示，管36可横跨整个盖组件50径向地布置，并且管36可分成各个组以便于在燃烧器14的操作范围内的多个加注燃料体系。例如，管36可聚合成周向地环绕中心管束60的多个圆形管束58，如图4所示。可选地，如图5所示，多个饼形管束62可周向地环绕单个燃料喷嘴34。在基本负荷操作期间，燃料可供应至图3-5中示出的每个燃料喷嘴34和管束58、60、62，同时在降低或调低操作期间可从中心燃料喷嘴34和/或中心管束60和/或一个或更多个周向地布置的燃料喷嘴34或圆形或饼形管束58、62减小或完全消除燃料流。本领域技术人员将容易认识到，来自本文中的教导的用于燃料喷嘴34、管36和管束58、60、62的多种其它形状和布置以及燃料喷嘴34、管36和管束58、60、62的具体形状和布置不限制本发明，除非在权利要求中明确陈述。
[0039]图6提供了根据本发明的实施例的图3中示出的燃烧器14的头端48沿着线A-A截取的侧视截面图。如图3和图6所示，燃烧器14可包括径向地布置在与燃烧器14的轴向中心线64大致对齐的中心燃料喷嘴34周围的多个燃料喷嘴34。每个燃料喷嘴34可包括在端盖46的下游轴向地延伸的中心本体66以及护罩68，护罩68周向地环绕中心本体66的至少一部分以在中心本体66与护罩68之间限定环形通路70。一个或更多个导叶72可在中心本体66与护罩68之间径向地延伸，并且导叶72可成角度或弯曲以向流经中心本体66与护罩68之间的环形通路70的工作流体22给予涡流。导叶72和/或中心本体66可包括一个或更多个燃料端口 74。以该方式，燃料可供应穿过中心本体66和/或导叶72，并且燃料端口 74提供用于燃料流入环形通路70中并在混合物到达燃烧室38之前与工作流体22混合的流体连通。
[0040]当燃料喷嘴34并入到燃烧器14(诸如图2中示出的示例性燃烧器14)中时，在燃烧室38中导致的燃烧过程可产生热释放波动，其进而可与燃烧器14的一种或更多种声学模式耦合，从而生成燃烧不稳定。可产生燃烧不稳定的一个具体机制在由热释放波动驱动的声学脉动通过燃料端口 74引起质量流量波动时出现。例如，与燃烧火焰相关的压力脉冲可在燃烧室38的上游传播到每个环形通路70中。一旦压力脉冲到达燃料端口 74和/或导叶72，则压力脉冲可干扰穿过燃料端口 74和/或导叶72上面的燃料流，从而形成朝向燃烧火焰的下游流动的燃料-空气混合物浓度的波动。接着，该燃料/空气比率波动在下游行进至火焰区域，其中，其引起热释放波动。假如导致的热释放波动与压力波动近似同相，则其将进一步激励热释放波动，从而形成连续反馈环路。相反地，如果导致的热释放波动和压力波动异相，则破坏性干扰将减小与特定燃料喷嘴34相关的燃烧不稳定频率的大小。与燃料喷嘴34相关的燃烧不稳定频率进而可构造性地或破坏性地互相干扰以增大或减小与特定燃烧器14相关的燃烧动态的振幅。
[0041]导致的燃烧不稳定频率将取决于声学压力脉冲到达燃料端口并且接着导致的燃料/空气比率干扰到达火焰区所用的时间。该时间在本领域中被称为对流时间，或Tau。由燃料/空气比率波动和声学压力波动的交互生成的燃烧不稳定频率因此与燃料端口 74和/或导叶72与燃烧室38( S卩，燃料喷嘴34的端部或护罩68的端部)之间的轴向距离成反t匕。在特定实施例中，可在一个或更多个燃料喷嘴34中调节和/或调整这些燃烧不稳定频率，以影响与单独的燃烧器14相关的燃烧动态。在图3和图6中示出的特定实施例中，例如，燃烧器14可包括多个燃料喷嘴34，对于每个燃料喷嘴34而言，燃料端口 74和/或导叶72与燃烧室38之间存在不同轴向距离76。因此，生成用于每个燃料喷嘴34的燃烧不稳定频率将稍微不同，从而减少或排除燃料喷嘴34之间由于增大与特定燃烧器14相关的燃烧动态的振幅而引起的构造性干扰。本领域技术人员从本文中的教导将容易认识到，燃料端口 74和/或导叶72与燃烧室38之间的轴向距离76可以有多种变化组合，以实现用于每个燃料喷嘴34的期望燃烧不稳定频率和/或用于特定燃烧器14的期望燃烧动态。例如，在特定实施例中，燃料端口 74和/或导叶72与燃烧室38之间的轴向距离76对于特定燃烧器14中的燃料喷嘴34的一部分或全部而言可相同或不同，并且本发明不受限于轴向距离76的任何特定组合，除非在权利要求中明确陈述。
[0042]与并入到燃气涡轮10中的多个燃烧器14相关的燃烧动态进而可构造性地或破坏性地互相干扰，以增大或减小与燃气涡轮10相关的燃烧动态的振幅和/或相干性。在特定实施例中，可调节和/或调整与一个或更多个燃烧器14相关的燃烧不稳定频率和/或燃烧动态，以影响与另一个燃烧器14的燃烧动态和因此与燃气涡轮10相关的燃烧动态的交互。例如，图7提供了根据本发明的第一实施例的用于降低燃烧动态和/或燃烧动态的相干性的系统。在图7中示出的特定实施例中，如图3和图6中示出的多个燃烧器14绕着轴线78布置。轴线78可例如与燃气涡轮10中将压缩机区段12连接于涡轮区段16的转子18重合，但是本发明不受限于轴线78的特定方位或燃烧器14绕着轴线78的特定布置。
[0043]如图7所示，每个燃烧器14包括多个燃料喷嘴34，其中，燃烧室38位于燃料喷嘴34的下游,如先前关于图2、3和6描述的。另外,系统还包括用于在一个燃烧器14中产生与另一个燃烧器14中的燃烧不稳定频率不同的燃烧不稳定频率的器件。在一个燃烧器14中产生与另一个燃烧器14中的燃烧不稳定频率不同的燃烧不稳定频率的功能减少或防止可增大燃烧动态的振幅或增大两个或更多个燃烧器14的燃烧动态的相干性的燃烧不稳定频率之间的相干或构造性干扰。用于该器件的结构可包括燃料端口 74与燃烧室38之间和/或导叶72与燃烧室38之间的轴向距离76中的一个或更多个在两个燃烧器14之间的差异。在图7中示出的特定实施例中，例如，燃料端口 74与燃烧室38之间以及导叶72与燃烧室38之间的每个轴向距离76在两个燃烧器14之间不同。因此，该器件在两个燃烧器14中产生不同燃烧不稳定频率。本领域技术人员从本文中的教导将容易认识到，燃料端口 74与燃烧室38之间和/或导叶72与燃烧室38之间的轴向距离76可以有多种变化组合，以在一个燃烧器14中产生与另一个燃烧器14中的燃烧不稳定频率不同的燃烧不稳定频率。例如，在特定实施例中，燃料端口 74与燃烧室38之间和/或导叶72与燃烧室38之间的一个或更多个轴向距离76对于特定燃烧器14中的燃料喷嘴34中的一个或更多个而言与另一个燃烧器14相比可相同或不同，只要轴向距离76在两个燃烧器14之间不全部相同，并且本发明不受限于轴向距离76的任何特定组合，除非在权利要求中明确陈述。
[0044]图8提供了根据本发明的第二实施例的用于降低燃烧动态的系统。如图8所示，每个燃烧器14再次包括多个燃料喷嘴34，其中，燃烧室38位于燃料喷嘴34下游，如先前关于图2、3、6和7描述的。另外，燃料端口 74和/或导叶72的轴向位置在每个燃烧器14中可相同或不同。在图8中示出的具体实施例中，例如，燃料端口 74和导叶72的轴向位置在同一燃烧器14内不同，但是燃料端口 74和导叶72的轴向位置在两个燃烧器14中重复。
[0045]图8中示出的实施例再次包括用于在一个燃烧器14中产生与另一个燃烧器14中的燃烧不稳定频率或谐振频率不同的燃烧不稳定频率或谐振频率的器件。在该特定实施例中，用于该器件的结构可包括一个燃烧器14中的盖组件50的轴向长度80与另一个燃烧器14中的盖组件的轴向长度80相比的差异。在燃料端口 74和导叶72的轴向位置在两个燃烧器14中重复的情况下，两个燃烧器14之间的轴向长度80的差异产生燃料端口 74与燃烧室38之间以及导叶72与燃烧室38之间的轴向距离76在两个燃烧器14之间的对应差异。两个燃烧器14之间的轴向距离76的差异产生两个燃烧器14之间的燃烧不稳定或谐振频率的对应差异。本领域技术人员从本文中的教导将容易认识到，燃料端口 74与燃烧室38之间和/或导叶72与燃烧室38之间的轴向距离76可以有多种变化组合，以在一个燃烧器14中产生与另一个燃烧器14中的燃烧不稳定或谐振频率不同的燃烧不稳定或谐振频率。例如，在特定实施例中，燃料端口 74与燃烧室38之间和/或导叶72与燃烧室38之间的一个或更多个轴向距离76对于特定燃烧器14中的燃料喷嘴34中的一个或更多个而言与另一个燃烧器14相比可相同或不同，并且本发明不受限于轴向距离76的任何特定组合，除非在权利要求中明确陈述。
[0046]图9提供了根据本发明的实施例的图5中示出的燃烧器14的头端48沿着线B-B截取的侧视截面图。如示出的，盖组件50横跨燃烧器14的至少一部分径向地延伸，并且包括与下游表面84轴向地分离的上游表面82。上游表面82和下游表面84可大体为平坦或笔直的，并且垂直于穿过盖组件50的工作流体22的大体流定向。在图9中示出的特定实施例中，燃料喷嘴34再次与盖组件50的轴向中心线64大致对齐，并且延伸穿过盖组件50以提供穿过盖组件50至燃烧室38的流体连通。燃料喷嘴34可包括用于使燃料在进入到燃烧室38中之前与工作流体22混合的本领域技术人员已知的任何合适的结构，并且本发明不受限于任何特定的结构或设计，除非在权利要求中明确陈述。例如，如图9所示，燃料喷嘴34可包括中心本体66、护罩68、环形通路70、导叶72和燃料端口 74，如先前关于图6中示出的实施例描述的。
[0047]如图5和图9所示，管36可在饼形管束62中周向地布置在燃料喷嘴34周围，并且可从上游表面82延伸穿过盖组件50的下游表面84。每个管36大体包括接近上游表面82的入口 86和接近下游表面84的出口 88，以提供穿过盖组件50并在管36的下游进入燃烧室38的流体连通。
[0048]如图9所示，上游表面82和下游表面84可在盖组件50内部至少部分地限定燃料腔室90。燃料导管92可从壳体32和/或端盖46延伸穿过上游表面82以提供用于燃料流入燃料腔室90中的流体连通。管36中的一个或更多个可包括延伸穿过管36以提供从燃料腔室90到管36中的流体连通的燃料喷射器94。燃料喷射器94可径向地、轴向地和/或各向异性地成角度以向流经燃料喷射器94并流入管36中的燃料投射和/或给予涡流。工作流体22因此可流入管入口 86中，并且来自燃料导管92的燃料可在燃料腔室90中在管36周围流动，以在流经燃料喷射器94并流入管36中以与工作流体22混合之前向管36提供对流冷却。接着，燃料-工作流体混合物可流经管36并流入燃烧室38中。
[0049]如先前关于图6中示出的实施例描述的，当管36并入到燃烧器14 (诸如图2中示出的示例性燃烧器14中)时，燃烧室38中导致的燃烧过程可产生热释放波动，其进而可与燃烧器14的一种或更多种声学模式耦合，从而产生燃烧不稳定。可由其产生燃烧不稳定的一种具体机制在由热释放波动驱动的声学脉动在上游行进至燃料喷射器94(其中，它们可干扰穿过燃料喷射器94的燃料流，并且形成朝向燃烧火焰下游流动的燃料-空气混合物浓度的波动)时出现。接着，该燃料/空气比率波动在下游行进至火焰区域，其中，其可引起热释放波动。假如导致的热释放波动与压力波动近似同相，则其将进一步激励热释放波动，从而完成连续反馈环路。相反地，如果导致的热释放波动和压力波动异相，则破坏性干扰将减小与管36、管束62和/或盖组件50相关的燃烧不稳定频率的大小。与管36和/或管束62相关的燃烧不稳定频率进而可构造性地或破坏性地互相干扰，以增大或减小与特定燃烧器14相关的燃烧动态的振幅。
[0050]导致的燃烧不稳定频率将取决于声学压力脉冲到达燃料喷射器并且接着导致的燃料/空气比率干扰到达火焰区所用的时间。该时间在本领域中被称为对流时间，或Tau。由燃料/空气比率波动和声学压力波动的交互产生的燃烧不稳定频率因此与燃料喷射器94与燃烧室38(8卩，管出口 88)之间的轴向距离成反比。在特定实施例中，可在一个或更多个管36和/或管束62中调节和/或调整这些燃烧不稳定频率，以影响与单独的燃烧器14相关的燃烧动态。在图5和图9中示出的特定实施例中，例如，管36可具有用于每个管束62的在燃料喷射器94与燃烧室38之间的不同轴向距离96。因此，用于每个管62的燃烧不稳定频率将稍微不同，从而减少或排除管束62之间由于增大与特定燃烧器14相关的燃烧动态的振幅而引起的构造性干扰。本领域技术人员从本文中的教导将容易认识到，燃料喷射器94与燃烧室38之间的轴向距离96可以有多种变化组合，以实现用于每个管36的期望燃烧不稳定频率和/或用于特定燃烧器14的期望燃烧动态。例如，在特定实施例中，燃料喷射器94与燃烧室38之间的轴向距离96对于特定燃烧器14中的管36和/或管束62的一部分或全部而言可相同或不同，并且本发明不受限于轴向距离96的任何特定组合，除非在权利要求中明确陈述。
[0051]与并入到燃气涡轮10中的多个燃烧器14相关的燃烧动态进而可构造性地或破坏性地互相干扰，以增大或减小与燃气涡轮10相关的燃烧动态的振幅和/或相干性。在特定实施例中，可调节和/或调整与一个或更多个燃烧器14相关的燃烧不稳定频率和/或燃烧动态，以影响与另一个燃烧器14的燃烧动态和因此与燃气涡轮10相关的燃烧动态的交互。例如，图10提供了根据本发明的第三实施例的用于降低燃烧动态的系统。在图10中示出的特定实施例中，如图5和图9中示出的多个燃烧器14绕着轴线100布置。轴线100可例如与燃气涡轮10中将压缩机区段12连接于涡轮区段16的转子18重合，但是本发明不受限于轴线100的特定方位或燃烧器14绕着轴线100的特定布置。
[0052]如图10所示，每个燃烧器14包括布置在周向地环绕燃料喷嘴34的饼形管束62中的多个管36，并且燃烧室38位于管36、管束62和燃料喷嘴34的下游，如先前关于图2、5和9描述的。另外，系统还包括用于在一个燃烧器14中产生与另一个燃烧器14中的燃烧不稳定频率不同的燃烧不稳定频率的器件。用于该器件的结构可包括燃料喷射器94与燃烧室38之间的轴向距离96中的一个或更多个在两个燃烧器14之间的差异。在图10中示出的特定实施例中，例如，燃料喷射器94与燃烧室38之间的轴向距离96对于每个管束62而言在两个燃烧器14之间不同。因此，该器件在两个燃烧器14中产生不同燃烧不稳定频率。本领域技术人员从本文中的教导将容易认识到，燃料喷射器94与燃烧室38之间的轴向距离96可以有多种变化组合，以在一个燃烧器14中产生与另一个燃烧器14中的燃烧不稳定频率不同的燃烧不稳定频率。例如，在特定实施例中，燃料喷射器94与燃烧室38之间的一个或更多个轴向距离96对于特定燃烧器14中的管36和/或管束62中的一个或更多个而言与另一个燃烧器14相比可相同或不同，只要轴向距离96在两个燃烧器14之间不全部相同，并且本发明不受限于轴向距离96的任何特定组合，除非在权利要求中明确陈述。
[0053]图11提供了根据本发明的第四实施例的用于降低燃烧动态的系统。如图11所示，每个燃烧器14再次包括布置在周向地环绕燃料喷嘴34的饼形管束62中的多个管36，并且燃烧室38位于管36、管束62和燃料喷嘴34下游，如先前关于图2、5、9和10描述的。另外，燃料喷射器94的轴向位置可在每个燃烧器14中相同或不同。在图11中示出的特定实施例中，例如，燃料喷射器94的轴向位置对于同一燃烧器14内的每个管束62而言不同，但是燃料喷射器94的轴向位置对于每个管束62而言在两个燃烧器14中重复。
[0054]图11中示出的实施例再次包括用于在一个燃烧器14中产生与另一个燃烧器14中的燃烧不稳定或谐振频率不同的燃烧不稳定或谐振频率的器件。与图8中描述和示出的先前实施例一样，用于该器件的结构可包括一个燃烧器14中的盖组件50的轴向长度80与另一个燃烧器14中的盖组件的轴向长度80相比的差异。在燃料喷射器94的轴向位置在两个燃烧器14中重复的情况下，两个燃烧器14之间的轴向长度80的差异产生燃料喷射器94与燃烧室38之间的轴向距离96在两个燃烧器14之间的对应差异。两个燃烧器14之间的轴向距离96的差异产生两个燃烧器14之间的燃烧不稳定或谐振频率的对应差异。本领域技术人员从本文中的教导将容易认识到，燃料喷射器94与燃烧室38之间的轴向距离96可以有多种变化组合，以在一个燃烧器14中产生与另一个燃烧器14中的燃烧不稳定或谐振频率不同的燃烧不稳定或谐振频率。例如，在特定实施例中，燃料喷射器94与燃烧室38之间的一个或更多个轴向距离96对于特定燃烧器14中的管36和/或管束62中的一个或更多个而言与另一个燃烧器14相比可相同或不同，并且本发明不受限于轴向距离96的任何特定组合，除非在权利要求中明确陈述。
[0055]图12提供了根据本发明的各个实施例的燃烧器动态的示例性曲线图。水平轴线代表燃烧不稳定或谐振频率的范围，而竖直轴线代表振幅范围。图12中描绘的系统可包括并入到燃气涡轮10或其它涡轮机中的三个或更多个燃烧器14。使用用于在一个燃烧器14中产生与另一个燃烧器14中的燃烧不稳定频率不同的燃烧不稳定频率的器件，可调节或调整每个燃烧器14，以实现期望的燃烧不稳定频率或燃烧动态。如图12所示，例如，可调节和/或调整第一组燃烧器14以实现第一燃烧不稳定频率102，可调节和/或调整第二组燃烧器14以实现第二燃烧不稳定频率104，并且可调节和/或调整第三组燃烧器14以实现第三燃烧不稳定频率106。第一、第二和第三燃烧不稳定频率102、104、106互相略微不同并且因此互相略微异相。因此，与燃烧器14相关的燃烧不稳定频率102、104、106不可相干地或构造性地互相干扰，从而减少或防止燃烧动态的升高和/或降低燃烧系统驱动下游涡轮区段16中的共振的能力。
[0056]本领域技术人员从本文中的教导将容易认识到，关于图1-11描述和示出的各种结构可提供一种或更多种用于为两个或更多个燃烧器14降低燃烧动态和/或降低燃烧动态的相干性的方法。该方法可包括例如使工作流体22和燃料流经一个或更多个燃料喷嘴34、管36和/或管束62进入多个燃烧器14的燃烧室38。在特定实施例中，该方法可包括改变燃料端口 74与燃烧室38之间和/或导叶72与燃烧室38之间的轴向距离76中的一个或更多个，只要轴向距离76在所有燃烧器14之间不全部相同，以在一个燃烧器14中产生与另一个燃烧器14中的燃烧不稳定频率不同的燃烧不稳定频率。在其它特定实施例中，该方法可包括改变燃料喷射器94与燃烧室38之间的轴向距离96中的一个或更多个，只要轴向距离96在所有燃烧器14之间不全部相同，以在一个燃烧器14中产生与另一个燃烧器14中的燃烧不稳定频率不同的燃烧不稳定频率。在又一些特定实施例中，该方法可包括改变盖组件50的轴向长度80中的一个或更多个，只要轴向长度80在所有燃烧器14之间不全部相同，以在一个燃烧器14中产生与另一个燃烧器14中的燃烧不稳定频率不同的燃烧不稳定频率。
[0057]关于图1-12描述和示出的各个实施例可提供优于现有燃烧器14的下列优点中的一个或更多个。具体地，不同轴向距离76、96和/或轴向长度80可单独或以各种组合使燃烧动态的燃烧不稳定频率去耦。因此，本文中描述的各个实施例可在宽范围的操作级别上提高热力学效率、促进火焰稳定和/或减少不合乎需要的排放物。
[0058]该书面的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(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。
【权利要求】
1.一种用于降低燃烧动态的系统，其包括: a.绕着轴线布置的第一和第二燃烧器，其中，每个燃烧器包括横跨所述燃烧器的至少一部分径向地延伸的盖组件和在所述盖组件下游的燃烧室； b.其中，每个盖组件包括轴向地延伸穿过所述盖组件以提供穿过所述盖组件至所述燃烧室的流体连通的多个管和延伸穿过每个管以提供进入每个管的流体连通的燃料喷射器；以及 c.其中，每个盖组件具有轴向长度，并且所述第一燃烧器中的所述盖组件的轴向长度与所述第二燃烧器中的所述盖组件的轴向长度不同。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个盖组件中的所述多个管布置在横跨所述盖组件径向地布置的多个管束中，穿过每个管的所述燃料喷射器与所述燃烧室相距第四轴向距离，并且所述第四轴向距离对于所述第一燃烧器中的至少两个管束而言不同。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个盖组件还包括轴向地延伸穿过所述盖组件以提供穿过所述盖组件至所述燃烧室的流体连通的燃料喷嘴，其中，每个燃料喷嘴包括轴向地延伸的中心本体、周向地环绕所述轴向地延伸的中心本体的至少一部分的护罩、在所述中心本体与所述护罩之间径向地延伸的多个导叶、在离所述燃烧室的第一轴向距离处穿过所述多个导叶中的至少一个的第一燃料端口、在离所述燃烧室的第二轴向距离处穿过所述中心本体的第二燃料端口，并且所述多个导叶与所述燃烧室相距第三轴向距离。
4.根据权利要求 3所述的系统，其特征在于，以下中的至少一个:所述第一燃烧器中的所述第一轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第一轴向距离不同，所述第一燃烧器中的所述第二轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第二轴向距离不同，或者所述第一燃烧器中的所述第三轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第三轴向距离不同。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，以下中的至少两个:所述第一燃烧器中的所述第一轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第一轴向距离不同，所述第一燃烧器中的所述第二轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第二轴向距离不同，或者所述第一燃烧器中的所述第三轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第三轴向距离不同。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一燃烧器中的所述第一轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第一轴向距离不同，所述第一燃烧器中的所述第二轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第二轴向距离不同，并且所述第一燃烧器中的所述第三轴向距离与所述第二燃烧器中的所述第三轴向距离不同。
7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，每个燃烧器包括多个燃料喷嘴，并且所述第一、第二或第三轴向距离中的至少一个对于所述第一燃烧器中的至少两个燃料喷嘴而言不同。
8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，每个燃烧器包括多个燃料喷嘴，并且所述第一、第二或第三轴向距离中的至少两个对于所述第一燃烧器中的至少两个燃料喷嘴而言不同。
9.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，每个燃烧器包括多个燃料喷嘴，并且所述第一、第二和第三轴向距离对于所述第一燃烧器中的至少两个燃料喷嘴而言不同。
10.一种用于降低燃烧动态的系统，其包括:a.绕着轴线布置的第一和第二燃烧器，其中，每个燃烧器包括横跨所述燃烧器的至少一部分径向地延伸的盖组件和在所述盖组件下游的燃烧室； b.其中，每个盖组件包括轴向地延伸穿过所述盖组件以提供穿过所述盖组件至所述燃烧室的流体连通的燃料喷嘴，其中，每个燃料喷嘴包括轴向地延伸的中心本体、周向地环绕所述轴向地延伸的中心本体的至少一部分的护罩、在所述中心本体与所述护罩之间径向地延伸的多个导叶、在离所述燃烧室的第一轴向距离处穿过所述多个导叶中的至少一个的第一燃料端口、在离所述燃烧室的第二轴向距离处穿过所述中心本体的第二燃料端口，并且所述多个导叶与所述燃烧室相距第三轴向距离；并且 c.其中，每个盖组件具有轴向长度，并且所述第一燃烧器中的所述盖组件的轴向长度与所述第二燃烧器中的所述盖组件的轴向长度不同。
【文档编号】F23D23/00GK103629670SQ201310365409
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年8月21日 优先权日:2012年8月21日
【发明者】S.L.克罗瑟斯, G.O.克雷默 申请人:通用电气公司