CN102628592A - 构造为用于减轻高频动态性的涡轮燃烧器及相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种构造为用于减轻高频动态性的涡轮燃烧器及相关方法。一种涡轮机燃烧器(10)包括：燃烧室(30)；安装到燃烧室端盖上的多个微混合器喷嘴(14)，各个微混合器喷嘴包括固定到位于燃烧室内的喷嘴主体(28)的燃料供应管(26)，其中来自供应管的燃料在排入燃烧室之前在喷嘴主体内与空气混合；并且其中，该多个微混合器喷嘴(14)的喷嘴主体(28)中的至少一些具有不同于喷嘴主体中其它喷嘴主体的轴向长度尺寸的轴向长度尺寸。

Description

构造为用于减轻高频动态性的涡轮燃烧器及相关方法
本发明是按照(美国)能源部授予的第DE-FC26-05NT42643号合同在(美国)政府的支持下进行的。因此，(美国)政府在本发明中享有一定权利。
技术领域
本发明大体上涉及燃气涡轮燃烧技术，且更具体而言，涉及燃料喷射微混合器喷嘴装置，该装置设计为用于燃烧高浓度氢燃料和减轻高频动态音。
背景技术
燃烧不稳定性/动态性是使用贫预混合燃烧的涡轮机中的一种现象。根据燃烧室模式的激励性质，燃烧不稳定可由高频或低频动态场引起。低频燃烧动态场典型地由轴向模式的激励引起，而高频动态场一般由通常称为“振荡燃烧”的燃烧过程产生的径向模式、方位角模式和轴向模式的激励引起。高频动态场包括燃烧中涉及的所有燃烧器部件。在某些运行条件下，燃烧分量和声学分量结合以产生高频和/或低频动态场，高频和/或低频动态场对于各种涡轮机部件具有负面影响，并且有损坏硬件的可能。从燃烧器传出的动态场也可激励可导致对下游涡轮机部件的损坏的这些下游涡轮机部件的模式。
例如已经知道来自燃料喷嘴的具有一定燃料/空气比的燃气涡轮燃料中的高氢和氮可导致频率大于1.0kHz的高振幅振荡燃烧音动态性。这类高频音可传递强振动能到燃烧器部件，这种振动能可导致硬件损坏。
为了解决这个问题，涡轮机可在低于最佳水平下运行，即避免某些运行条件，以便避免助长燃烧不稳定性的环境。尽管在抑制燃烧不稳定性方面是有效的，但避免这些运行条件限制了涡轮机的总运行包络。
对燃烧不稳定性问题的另一个解决办法是改变燃烧器输入条件。更具体地，已知燃料空气比的波动会引起导致燃烧不稳定性的燃烧动态性。通过改变燃料流率在燃料空气混合物中产生扰动能使燃烧场与声学场分离以便抑制燃烧不稳定性。
尽管上述两种解决办法在抑制燃烧不稳定性方面都是有效的，但避免各种运行条件限制了涡轮机的总运行包络，而操纵燃料空气比需要复杂的控制方案，并且可导致低效的燃烧。
发明内容
根据一个示例性但非限制性实施例，本发明涉及一种涡轮机燃烧器，其包括：燃烧室；安装到燃烧室端盖上的多个微混合器喷嘴，各个微混合器喷嘴包括固定到位于燃烧室内的喷嘴主体上的燃料供应管，各个喷嘴主体包括由上游端面、下游端面和在二者间延伸的周壁形成的大致中空的主体，其中各个大致中空的主体设有多个沿轴向延伸穿过大致中空的主体的预混合管或通道，从而允许来自供应管的燃料在排入燃烧室之前在喷嘴主体内与空气混合；并且其中，该多个微混合器喷嘴中的至少一些喷嘴主体具有与其它喷嘴主体的轴向长度尺寸不同的轴向长度尺寸。
根据另一个示例性但非限制性实施例，本发明涉及一种涡轮机燃烧器，其包括：燃烧室；支承在燃烧室内并连接到相应的燃料供应管的多个喷嘴主体，其中来自供应管的燃料在排入燃烧室之前在喷嘴主体内与空气混合；其中该多个喷嘴主体包括中央喷嘴主体和围绕中央喷嘴主体的环形阵列的径向外喷嘴主体，该多个喷嘴主体中的各个和中央喷嘴主体包括由上游端面、下游端面和在二者间延伸的周壁形成的大致中空的主体，其中各个大致中空的主体设有多个沿轴向延伸穿过大致中空的主体的预混合管或通道；中央喷嘴主体具有第一轴向长度，并且环形阵列的径向外喷嘴主体具有不同于第一轴向长度的至少第二和第三轴向长度。
在另外的又一方面，本发明涉及一种在包括多个大致平行地布置的微混合器喷嘴的涡轮燃烧器内减轻高频动态性的方法，各个微混合器喷嘴具有在其后端处的喷嘴主体，该方法包括：将该多个微混合器喷嘴布置成围绕中央微混合器喷嘴的径向外微混合器喷嘴的阵列；径向外微混合器喷嘴主体中的各个和中央微混合器喷嘴主体包括由上游端面、下游端面和在二者间延伸的周壁形成的大致中空的主体，其中多个预混合管或通道沿轴向延伸穿过该大致中空的主体；以及将该多个微混合器喷嘴中的至少一些形成为具有分别有不同的轴向长度尺寸的喷嘴主体。
现在将结合以下标识的附图更详细地描述本发明。
附图说明
图1是根据第一示例性但非限制性实施例的包括多个微混合器喷嘴的燃烧器的局部简化示意图；
图2是图1的燃烧器中的微混合器喷嘴的示意性后端视图；
图3是图1的燃烧器中使用的微混合器喷嘴主体的局部侧剖面图，示出了喷嘴主体的示例性的不同长度；
图4是根据其它示例性但非限制性实施例的微混合器喷嘴主体构造的局部侧剖面图；以及
图5是本文所述的发明所适用于的微混合器喷嘴的备选构造的示意性后端视图。
部件列表：
 参考符号   项目
 10   燃气涡轮燃烧器
 12   端盖
 14   燃料注射喷嘴
 16   室
 18   帽组件
 20   流动套管
 22   燃烧器衬套
 24   垂直管道
 26   喷嘴管道
 28、54   喷嘴主体
 30   燃烧室
 32A、32B或32C   圆柱形主体
 32A   中央喷嘴
 32B-32G   径向外喷嘴
 34   上游端面
 36   下游端面
 38   周壁
 40   预混合管
 42   燃料喷射孔
 44   台阶或肩部
 46   后部或径向外部
 48   前部
 50   径向外部
 52   径向内部
 56   中央喷嘴主体
具体实施方式
参照图1，燃气涡轮燃烧器10包括端盖12，端盖12对在端盖12和后帽组件18之间延伸穿过室16的多个微混合器燃料注射喷嘴14进行支承。流动套管20围绕燃烧器衬套22并为压缩机空气提供路径，以使压缩机空气在与燃烧气体的流动相反的方向上流过燃烧器。由压缩机供应的空气也用来冷却过渡件24(未示出)，过渡件24将热的燃烧气体供应至与过渡件的出口端相邻的涡轮第一级(未示出)。
燃料经过垂直管道(plumbed pipe)24、端盖12并经过喷嘴管道26供应至微混合器喷嘴主体28，燃料在这里如本文中进一步所述与空气混合，接着被喷入燃料在其中燃烧的燃烧室30，且然后再经由过渡件以气体形式供应至涡轮第一级。喷嘴主体28也在其后端处由后帽组件18支承。
将理解，多个燃烧器10典型地被布置成向相应的燃烧室供应燃料和空气的混合物。在已知的涡轮构造中，环形阵列的这种燃烧器(也称为“环管型”阵列)通过类似数量的过渡件或导管向涡轮的第一级供应燃烧气体。
现在也参照图2和3，微混合器喷嘴主体28可各自被形成为大致中空的圆柱形主体32A、32B或32C，各个圆柱形主体具有彼此大致平行的上游端面34和后部或下游端面36，二者之间沿轴向具有环形周壁38。内部空气供应通道或管40(也称为预混合管)在上游端面34和下游端面36之间延伸，并且具有从上游入口直至下游出口的大致均匀的直径，但入口可以向外张开(即形成为具有喇叭口形状)以有利于(和加速)空气流入和流过管道。预混合管40可被布置成环形且同心的排，使得任何给定排的预混合管与相邻排的预混合管或通道沿周向偏移。然而将理解，本发明不限于预混合管40在中空主体32内的任何具体布置方式。
中空主体32的中央区在前部或上游端面处开放，以提供用于接纳燃料进料管或管道26的入口，使得燃料被供应至围绕预混合管40的中空主体内部空间。
在围绕对应的管的周边等距地隔开的位置处，在预混合管40中的各个内提供至少一个燃料喷射孔、且优选为燃料喷射孔的阵列(在图3和4中示意性地示出为42)，例如每个管中四个。燃料喷射孔可以在流向上倾斜，也就是说，孔可以在下游方向上沿径向向内成角度(相对于对应的预混合管40的中心线成小锐角，例如30°)，以使得穿过喷射孔的燃料流在流过预混合管40的空气的方向上具有速度分量。然而应当理解，喷射孔42可相对于预混合管的纵向轴线以在15°和大致90°之间的任何角度延伸。关于喷嘴构造的另外的细节可见于例如共同拥有的已公开的美国专利申请No.US2010/0218510A1中。
高氢燃料将流过燃料喷射孔42且流入预混合管40，在这里燃料与空气混合，然后在后端面36处离开喷嘴主体32并进入燃烧室30。
根据一个示例性但非限制性的实施例，已经确定通过改变微混合器喷嘴主体32的轴向长度尺寸可实现对高频动态音或高振荡燃烧的减轻。特别地，在一个示例性但非限制性的实施例(图1-3)中，六个微混合器喷嘴主体的环形阵列围绕中央微混合器喷嘴主体。所有微混合器喷嘴主体32在其对应的出口端处在相同平面内大致对齐(在图1和3中最佳地看出)并且与图1中的喷嘴主体定向一致，使得帽组件18基本上限定单个平面。然而，喷嘴主体的入口端并不处在单个平面内，并且正是在这里实现了不同的长度尺寸。在图2中，微混合器喷嘴主体32A、32B和32C被分配在径向外阵列和阵列的中央内的某些位置。例如，喷嘴主体32A可以在中央、在位置A处使用；并且喷嘴主体32B和32C可以多种组合在径向外喷嘴位置B-G处使用。例如，喷嘴主体32B和32C可以交替方式布置。虽然示出三种不同长度的主体32A、32B和32C，但将理解，外阵列内的六个喷嘴主体可具有六个不同的轴向长度，并且中央喷嘴主体可具有这六个轴向长度中的一种长度或不同的第七轴向长度，该长度比外喷嘴主体更短或更长。
基本上，可采用不同长度的任何组合，但重要的是避免某些相对长度关系，特别是为另一长度的1/2或2倍的长度。这是因为在1/2或2倍长度时，将以基波的谐波以及子谐波发生振动，这两种振动分别具有很少量的振荡燃烧减轻或没有振荡燃烧减轻。还优选的是，任何两个相邻的外喷嘴主体不具有相同的长度。
转到图4，示出了备选的微混合器喷嘴主体32H和32I，其中在喷嘴主体的前端处提供了阶梯状构造。喷嘴主体32H被形成为在上游侧具有台阶或肩部44，使得喷嘴主体的第一后部46具有比前部48更大的外径，从而使喷嘴主体的后部或径向外部46内的预混合管40的轴向长度小于喷嘴主体的前部或径向内部48内的预混合管的轴向长度。换句话讲，喷嘴主体32H具有一体化在其中的不同的长度尺寸。将理解，可在喷嘴主体的上游端内包括多个台阶或肩部。
喷嘴主体32I相对于喷嘴主体32H颠倒，因为径向外部50的轴向长度大于径向内部52(的轴向长度)，使得径向外部50内的预混合管具有大于径向内部52内的预混合管的轴向长度的轴向长度尺寸。此处同样地，可在喷嘴主体的上游端内包括多个台阶或肩部，并且喷嘴主体32D和32E可以有多种组合。例如，在遵照上述说明的情况下，喷嘴主体32D和/或32E可与喷嘴主体32A-32C中的一个或多个一起使用。
将理解，包括不同轴向长度尺寸或模式的其它微混合器喷嘴主体设计在本发明的范围内。例如，图5是本文所述的发明适用于的微混合器喷嘴的备选构造的示意性后端视图。此处，位置B-G处的喷嘴主体54为“扇形”，而位置A处的中央喷嘴主体56仍然是图1-4中的圆形。此外，如结合图3和4描述的差别化的长度完全适用于扇形喷嘴主体。将理解，也可采用其它喷嘴主体形状。
虽然已经结合目前被认为是最实用和优选的实施例的内容描述了本发明，但是要理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，其意图涵盖各种修改与等同布置。

Claims (15)

1.一种涡轮机燃烧器(10)，包括：
燃烧室(30)；
安装到所述燃烧室的端盖(12)上的多个微混合器喷嘴(14)，各个微混合器喷嘴包括固定到位于所述燃烧室内的喷嘴主体(28)上的燃料供应管(26)，各个喷嘴主体包括由上游端面(34)、下游端面(36)和在此二者间延伸的周壁(38)形成的大致中空的主体，其中各个大致中空的主体设有多个沿轴向延伸穿过所述大致中空的主体的预混合管或通道(40)，从而允许来自所述供应管的燃料在排入所述燃烧室之前在所述喷嘴主体内与空气混合；并且
其中，所述多个微混合器喷嘴(14)的至少一些喷嘴主体(28)具有与所述喷嘴主体中的其它喷嘴主体的轴向长度尺寸不同的轴向长度尺寸。
2.根据权利要求1所述的涡轮机燃烧器，其特征在于，所述多个微混合器喷嘴包括中央喷嘴(32A)和围绕所述中央喷嘴的环形阵列的径向外喷嘴(32B-32G)。
3.根据权利要求2所述的涡轮机燃烧器，其特征在于，所述环形阵列的径向外喷嘴(32B-32G)中的每隔一个喷嘴主体具有第一轴向长度尺寸，并且其中，所述环形阵列的所述径向外喷嘴中的剩余喷嘴主体具有大于或小于所述第一轴向长度尺寸的第二轴向长度尺寸。
4.根据权利要求3所述的涡轮机燃烧器，其特征在于，所述中央喷嘴(32A)的所述喷嘴主体(28)具有等于或不同于所述第一和第二轴向长度尺寸的轴向长度尺寸。
5.根据权利要求1所述的涡轮机燃烧器，其特征在于，所述多个微混合器喷嘴主体(28)的所述轴向长度尺寸全不相同。
6.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述多个微混合器喷嘴的一个或多个的所述喷嘴主体被形成为包括由沿径向定向的肩部(44)连接的具有第一直径的径向外部(46)和具有小于所述第一直径的第二直径的至少一个径向内部(48)，并且其中所述径向外部和径向内部具有不同的轴向长度。
7.根据权利要求6所述的涡轮机，其特征在于，所述径向外部(46)内的预混合管(40)具有小于所述至少一个径向内部(48)内的预混合管的轴向长度尺寸的轴向长度尺寸。
8.根据权利要求6所述的涡轮机，其特征在于，所述径向外部(50)内的预混合管(40)具有大于所述至少一个径向内部(52)内的预混合管的轴向长度尺寸的轴向长度尺寸。
9.一种在包括多个大致平行地布置的微混合器喷嘴(14)的涡轮燃烧器(10)内减轻高频动态性的方法，各个微混合器喷嘴具有在其后端处的喷嘴主体(28)，所述方法包括：
a.将所述多个微混合器喷嘴布置成围绕中央微混合器喷嘴主体(32A)的径向外微混合器喷嘴主体(32B-32G)的阵列，所述径向外微混合器喷嘴主体中的各个和所述中央微混合器喷嘴主体包括由上游端面(34)、下游端面(36)和在此二者间延伸的周壁(38)形成的大致中空的主体，其中多个预混合管或通道(40)沿轴向延伸穿过所述大致中空的主体；以及
b.将所述多个微混合器喷嘴(14)中的至少一些形成为具有分别有不同的轴向长度尺寸的喷嘴主体(28)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤b.包括将径向外微混合器喷嘴(32B-32G)的所述阵列的每隔一个喷嘴主体形成为具有第一轴向长度尺寸，以及将径向外微混合器喷嘴的所述阵列的剩余喷嘴主体形成为具有大于或小于所述第一轴向长度尺寸的第二轴向长度尺寸。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤b.包括将所述中央喷嘴(32A)形成为具有喷嘴主体，所述喷嘴主体具有不同于第一和第二轴向长度尺寸的第三轴向长度尺寸。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述多个微混合器喷嘴中的各个的轴向长度尺寸不同。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述多个微混合器喷嘴中的一个或多个的所述喷嘴主体被形成为至少包括由肩部(44)相连的第一和第二沿轴向延伸的部分(46、48)，使得所述至少第一和第二沿轴向延伸的部分具有不同的轴向长度。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述多个喷嘴主体中的相邻喷嘴主体(28)都不具有相同的轴向长度。
15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，径向外微混合器喷嘴主体的所述阵列中的各个径向外微混合器喷嘴主体(54)为扇形的，并且所述中央微混合器喷嘴主体(56)为圆形的。
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