CN103075746B - 用于减少燃烧器中的燃烧动态和NOx的***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于减少燃烧器中的燃烧动态和NOx的***和方法。更具体而言，一种用于减少燃烧器中的燃烧动态和NOx的***包括跨过燃烧器的至少一部分径向地延伸的管束，其中，管束包括与下游表面轴向分开的上游表面。护罩周向地包围上游和下游表面。多根管从上游表面穿过管束延伸穿过下游表面，其中，下游表面为阶梯状，以穿过管束产生具有不同长度的管。一种用于减少燃烧器中的燃烧动态和NOx的方法包括使工作流体流过径向布置在端帽的上游表面和下游表面之间的多根管，该端帽跨过燃烧器的至少一部分径向地延伸，其中下游表面为阶梯状。

Description

用于减少燃烧器中的燃烧动态和NOx的***和方法
联邦研究声明
本发明按照美国能源部授予的DE-FC26-05NT42643号合同在政府支持下进行。政府在本发明中享有某些权利。
技术领域
本发明大体上涉及用于减少燃烧器中的燃烧动态(combustion dynamic)和NOx的***和方法。
背景技术
燃烧器在工业和发电操作中普遍地用于点燃燃料以产生具有高的温度和压力的燃烧气体。例如，燃气涡轮机通常包括一个或更多燃烧器以产生动力或推力。用于产生电力的典型燃气涡轮机包括在前部的轴流压缩机、在中部附近的一个或更多燃烧器以及在后部的涡轮机。环境空气可被供应到压缩机，并且压缩机中的旋转叶片和静叶逐渐地赋予工作流体(空气)动能，以产生处于高能量状态的压缩工作流体。压缩工作流体离开压缩机并穿过一个或更多喷嘴流入每个燃烧器中的燃烧腔中，在此，压缩工作流体与燃料混合并点燃而产生具有高的温度和压力的燃烧气体。燃烧气体在涡轮机中膨胀而做功。例如，燃烧气体在涡轮机中的膨胀可使连接到发电机的轴旋转而产生电力。
各种设计和运行参数影响燃烧器的设计和运行。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也促进了回火或火焰稳定(flameholding)状态，其中燃烧火焰朝着由喷嘴供应的燃料迁移，这可能在相对较短的时间量内对喷嘴造成严重损坏。此外，较高燃烧气体温度通常增加了二价氮的解离速率，从而增加了氮氧化物(NOx)的产生。反之，与减小的燃料流量和/或部分负荷运行(减轻)相关联的较低燃烧气体温度通常降低了燃烧气体的化学反应速率，增加了一氧化碳和未燃烧烃的产生。
在特定的燃烧器设计中，多个预混合器管可径向布置在端帽中以提供流体连通，用于工作流体和燃料穿过端帽并进入燃烧腔中。虽然在防止回火或火焰稳定和控制不期望排放的同时允许较高运行温度方面是有效的，但一些燃料和运行条件对燃烧器中的高氢燃料成分产生非常高的频率。与高频率相关联的燃烧器中增加的振动可降低一个或更多燃烧器构件的使用寿命。备选地或另外，燃烧动态的高频率可在预混合器管和/或燃烧腔内部产生压力脉冲，其影响燃烧火焰的稳定性，减小对回火或火焰稳定的设计裕度且/或增加不期望的排放。因此，减小燃烧器中的共振频率的***和方法将可用于提高燃烧器的热力学效率、防止燃烧器遭受灾难性破坏且/或在较大范围的燃烧器运行水平下减少不期望的排放。
发明内容
本发明的方面和优点在下面的描述中陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实施本发明来了解。
本发明的一个实施例是一种用于减少燃烧器中的燃烧动态和NOx的***。该***包括跨过燃烧器的至少一部分径向地延伸的管束，其中，管束包括与下游表面轴向分开的上游表面。护罩周向地包围上游和下游表面。多根管从上游表面穿过管束延伸穿过下游表面，其中，下游表面为阶梯状，以防止管之间的火焰相互作用并穿过管束产生具有不同长度的管。
本发明的另一实施例是一种用于减少燃烧器中的燃烧动态和NOx的***，该***包括跨过燃烧器的至少一部分径向地延伸的端帽，其中，端帽包括上游表面和与上游表面轴向分开的阶梯状下游表面。帽罩周向地包围上游和下游表面。多根管从上游表面穿过端帽延伸穿过阶梯状下游表面。
本发明还可包括一种用于减少燃烧器中的燃烧动态和NOx的方法。该方法包括使工作流体流过径向布置在端帽的上游表面和下游表面之间的多根管，该端帽跨过燃烧器的至少一部分径向地延伸，其中下游表面为阶梯状。
通过阅读说明书，本领域的普通技术人员将更好地理解这些实施例和其它实施例的特征和方面。
附图说明
在说明书的其余部分中，包括参考附图，更具体地阐述了本发明的全面且能够实施的公开内容，包括对于本领域技术人员而言的最佳模式，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剖视图；
图2是根据本发明的实施例的图1所示的端帽的上游轴向视图；
图3是根据本发明的备选实施例的图1所示的端帽的上游轴向视图；
图4是根据本发明的备选实施例的图1所示的端帽的上游轴向视图；
图5是根据本发明的第一实施例的管束的放大剖视图；
图6是根据本发明的第二实施例的管束的放大剖视图；
图7是根据本发明的第三实施例的管束的放大剖视图；
图8是根据本发明的第四实施例的管束的放大剖视图；以及
图9是根据本发明的第五实施例的管束的放大剖视图。
附图标记：
10 燃烧器
12 壳体
14 端盖
16 流动孔
18 冲击套筒
20 过渡件
22 衬里
24 端帽
26 燃烧腔
28 上游表面
30 下游表面
32 帽罩(cap shield)
34 管
36 管束
38 护罩
42 轴向中心线
52 燃料室(fuel plenum)
54 燃料管道
56 燃料端口
58 热障涂层
60 管延伸部
62 屏障
64 稀释剂室
66 稀释剂管道
68 稀释剂端口
70 稀释剂通道。
具体实施方式
现在将详细地提及本发明的当前实施例，这些实施例的一个或更多示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。在附图和描述中相同或类似的标记用于指代本发明的相同或类似的部分。
每个示例以本发明的说明而非本发明的限制的方式提供。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中做出修改与变型。例如，作为一个实施例的部分显示或描述的特征可用于另一实施例，以产生又一实施例。因此，本发明意图覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这种修改与变型。
本发明的各个实施例包括用于减少燃烧器中的燃烧动态和NOx的***和方法。在特定实施例中，具有下游阶梯状表面的不同长度的多根管跨过端帽径向地布置在一个或更多管束中。不同管长度减低了燃烧动态的固有频率、减少流动不稳定性且/或跨过端帽的下游表面轴向地分布燃烧火焰以减少NOx产生。备选地或另外，端帽的下游表面可包括热障涂层、稀释剂通道和/或管突起，它们独立地或共同地进一步冷却下游表面、减少流动不稳定性且/或轴向地分布燃烧火焰。因此，本发明的各个实施例可允许扩展的燃烧器运行条件，延长各种燃烧器构件的寿命和/或维护间隔时间，维持回火或火焰稳定的足够设计裕度且/或减少不期望的排放。虽然出于说明目的将大体上在并入燃气涡轮机中的燃烧器的背景下描述本发明的示例性实施例，但本领域的普通技术人员将容易理解，本发明的实施例可应用于任何燃烧器且不限于燃气涡轮机燃烧器，除非在权利要求中明确叙述。
图1示出根据本发明的一个实施例的例如将包括在燃气涡轮机中的示例性燃烧器10的简化剖视图。壳体12和端盖14可包围燃烧器10以包含流至燃烧器10的工作流体。工作流体穿过冲击套筒18中的流动孔16沿着过渡件20和衬里22的外部流动，以向过渡件20和衬里22提供对流冷却。当工作流体到达端盖14时，工作流体转向而穿过端帽24流入燃烧腔26中。
端帽24跨过燃烧器10的至少一部分径向地延伸，并且大体上包括上游表面28和与上游表面28轴向分开的下游表面30。如本文所用，术语“上游”和“下游”是指构件在流体通道中的相对位置。例如，如果流体从构件A流至构件B，则构件A在构件B的上游。反之，如果构件B接纳来自构件A的流体流，则构件B在构件A的下游。帽罩32周向地包围上游表面28和下游表面30，以在上游表面28和下游表面30之间限定在端帽24内部的一个或更多流体室。多根管34从上游表面28穿过端帽24延伸穿过下游表面30，以提供穿过端帽24到燃烧腔26的流体连通。
燃烧器10的各个实施例可包括不同数量和布置的管34，并且图2、图3和图4提供了在本发明的范围内管34在端帽24中的各种布置的上游视图。虽然在每个实施例中示出为圆柱形管，但管34的截面可为任何几何形状，并且本发明不限于任何特定截面，除非权利要求中明确叙述。管34可跨过整个端帽24径向地布置，如图2所示。备选地，如图3和图4所示，管34可布置成圆形、三角形、正方形、卵形或实际上任何形状的管束36，其中每个管束36大体上由端帽24的上游表面28和下游表面30以及护罩38限定，护罩38周向地包围上游表面28和下游表面30，以在上游表面28和下游表面30之间限定在管束36内部的一个或更多流体室。管束36可以各种几何形状径向地布置在端帽24中。例如，管束36可布置为包围单个管束36的六个管束36，如图3所示。备选地，如图4所示，五个饼形管束36可围绕或邻近与端帽24的轴向中心线42对齐的单个管束36布置。
图5至图9提供了根据本发明的各个实施例的管束36的放大剖视图。在每个实施例中，上游表面28为大体平坦的或直的，并且垂直于工作流体的总体流而定向。相比之下，下游表面30跨过管束36和/或端帽24在径向上为阶梯状，形成在上游表面28和下游表面30之间延伸的不同轴向长度的管34。下游表面30可以各种方向或图案呈阶梯状。例如，下游表面30的阶梯形状可以是凹形的，这导致较短的管34朝向管束36的中心，如图5至图7所示。备选地，下游表面30的阶梯形状可以是凸形的，这导致较短的管34朝向管束36的外周边，如图8所示。在另外的实施例中，下游表面30的阶梯形状可以是凹形和凸形两者，这导致较短的管34朝向管束36的中心和外周边，如图9所示。
在图5所示的特定实施例中，护罩38周向地包围上游表面28和下游表面30，以在上游表面28和下游表面30之间限定在管束36内部的燃料室52。燃料管道54可从壳体12和/或端盖14延伸穿过上游表面28，以提供用于燃料流入燃料室52中的流体连通。管34中的一个或更多可包括燃料端口56，其提供从燃料室52穿过一个或更多管34的流体连通。燃料端口56可径向、轴向和/或在方位上成角度，以射出流过燃料端口56并进入管34中的燃料和/或赋予该燃料涡旋。工作流体可因此流入管34中，并且来自燃料室52的燃料可围绕管34在燃料室52中流动，以在流过燃料端口56并进入管34中而与工作流体混合之前向管34提供对流冷却。燃料－工作流体混合物可接着流过管34并进入燃烧腔26中。由阶梯状下游表面30产生的管34的不同轴向长度减低了燃烧动态的固有频率、调整下游表面30下游的流动不稳定性且/或跨过管束36的下游表面30轴向地分布燃烧火焰以减少NOx产生。
如图5中进一步示出的，管束36还可包括沿着下游表面30的至少一部分的热障涂层58。热障涂层58可包括下列特性中的一个或更多：对热的低辐射率或高反射率、平滑的光洁度以及对下面的下游表面30的良好附着性。例如，本领域已知的热障涂层包括金属氧化物，例如，由氧化钇(Y2O3)部分或完全地稳定化的氧化锆(ZrO2)、氧化镁(MgO)或者其它贵金属氧化物。所选热障涂层58可通过使用空气等离子喷涂(APS)、低压等离子喷涂(LPPS)或诸如电子束物理气相沉积(EBPVD)的物理气相沉积(PVD)技术的常规方法来沉积，这产生了耐应变的柱状晶粒结构。所选热障涂层58也可使用任何上述方法的组合来施加，以形成条带，该条带随后被转移以施加到下面的基底，如例如在转让给与本发明相同的受让人的美国专利6,165,600中描述的。
图6提供了根据本发明的第二实施例的管束36的放大剖视图。管束36同样包括上游表面28、下游表面30、多根管34、护罩38、燃料室52、燃料管道54和燃料端口56，如此前关于图5所示的实施例所描述的那样。如在该特定实施例中所示，管34中的一个或更多包括下游表面30下游的延伸部60或突起。管延伸部60或突起进一步帮助改变在燃烧腔26中下游表面30下游的流动不稳定性。
图7提供了根据本发明的第三实施例的管束36的放大剖视图。管束36同样包括上游表面28、下游表面30、多根管34、护罩38、燃料室52、燃料管道54和燃料端口56，如此前关于图5和图6所示的实施例所描述的那样。此外，屏障62在上游表面28和下游表面30之间在管束36内部径向延伸，以分开管束36内部的燃料室52与稀释剂室64。如图7所示，稀释剂管道66可以与燃料管道54分开或与燃料管道54同轴的方式从壳体12和/或端盖14延伸穿过上游表面28，以提供用于稀释剂流入稀释剂室64中的流体连通。合适的稀释剂包括例如水、蒸汽、燃烧排气和/或诸如氮气的惰性气体。穿过下游表面30的多个稀释剂端口68提供了从稀释剂室64穿过下游表面30的流体连通。如图7所示，稀释剂端口68可相对于穿过管34的流体流平行、垂直或成各种角度地对齐。这样，工作流体和燃料可因此流过管34并进入燃烧腔26中，如此前所描述的。此外，来自稀释剂管道64的稀释剂可围绕管34流动，以在流过稀释剂端口68而冷却邻近燃烧腔26的下游表面30之前向稀释剂室64中的管34提供对流冷却。除了冷却下游表面30之外，被供应穿过下游表面30的稀释剂进一步帮助减低燃烧动态的固有频率、调整流动不稳定性且/或跨过管束36的下游表面30轴向地分布燃烧火焰以减少NOx产生。
图8提供了根据本发明的第四实施例的管束36的放大剖视图。该特定实施例大体上表示此前关于图6和图7所描述及示出的实施例的组合。因此，管束36包括上游表面28、下游表面30、多根管34、护罩38、燃料室52、燃料管道54、燃料端口56、管延伸部60、屏障62、稀释剂室64、稀释剂管道66和稀释剂端口68，如此前关于图6和图7所示的实施例所描述的那样。如在该特定实施例中所示，下游表面30的阶梯形状为凸形，其中在上游表面28和下游表面30之间较短的轴向长度朝向管束36的周边。
图9提供了根据本发明的第五实施例的管束36的放大剖视图。该特定实施例大体上表示此前关于图5和图7所描述及示出的实施例的组合。因此，管束36包括上游表面28、下游表面30、多根管34、护罩38、燃料室52、燃料管道54、燃料端口56、热障涂层58、屏障62、稀释剂室64和稀释剂端口68，如此前关于图5和图7所示的实施例所描述的那样。如在该特定实施例中所示，下游表面30的阶梯形状为凹形和凸形两者，这导致较短的管34朝向管束36的中心和周边，如图9所示。此外，稀释剂通道70提供了穿过护罩38到稀释剂室64的流体连通。这样，工作流体和燃料可因此流过管34并进入燃烧腔26中，如此前所述。此外，稀释剂或工作流体可穿过稀释剂通道70并围绕管34流动，以在流过稀释剂端口68而冷却邻近燃烧腔26的下游表面30之前向稀释剂室64中的管34提供对流冷却。除了冷却下游表面30之外，被供应穿过下游表面30的稀释剂或工作流体进一步帮助减低燃烧动态的固有频率、调整流动不稳定性且/或跨过管束36的下游表面30轴向地分布燃烧火焰以减少NOx产生。
关于图1至图9所描述及示出的各个实施例还可提供用于减少燃烧器10中的燃烧动态和NOx的方法。该方法大体上包括使工作流体和/或燃料流过径向布置在上游表面28和阶梯状下游表面30之间的管34。该方法还可包括使稀释剂流过下游表面中的稀释剂端口和/或使燃料流过与端帽24的轴向中心线42对齐的管束36。
本文所述的***和方法可提供超出现有喷嘴和燃烧器的下列优点中的一个或更多。具体而言，管34的不同轴向长度、管延伸部60和/或稀释剂端口68可单独或以各种组合减低燃烧动态的固有频率、调整流动不稳定性且/或跨过管束36的下游表面30轴向地分布燃烧火焰以减少NOx产生。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括做出和使用任何装置或***以及执行任何包括在内的方法。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示例。如果这种其它示例包括与权利要求的字面语言没有差别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，那么这种其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于减少燃烧器中的燃烧动态和NOx的***，包括：
a. 管束，所述管束跨过所述燃烧器的至少一部分径向地延伸，其中，所述管束包括与下游表面轴向分开的上游表面；
b. 护罩，所述护罩周向地包围所述上游和下游表面；以及
c. 多根管，所述多根管从所述上游表面穿过所述管束延伸穿过所述下游表面，其中，所述下游表面为阶梯状，以防止管之间的火焰相互作用并穿过所述管束产生具有不同长度的管；
d. 其中，所述上游表面、所述下游表面和所述护罩限定燃料室，其中所述多根管中的每根管与所述燃料室流体连通。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述多根管中的第一组从所述下游表面向下游延伸。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，还包括径向布置在所述燃烧器中的多个管束。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，还包括沿着所述下游表面的至少一部分的热障涂层。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，还包括屏障，所述屏障在所述上游和下游表面之间在所述管束内部径向延伸，以分开所述管束内部的燃料室与稀释剂室。
6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，还包括穿过所述下游表面的多个稀释剂端口，其中，所述多个稀释剂端口提供了从所述稀释剂室穿过所述下游表面的流体连通。
7.根据权利要求5所述的***，其特征在于，还包括穿过所述多根管的多个燃料端口，其中，所述多个燃料端口提供了从所述燃料室穿过所述多根管的流体连通。
8.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述下游表面在凹入方向上为阶梯状。
9.一种用于减少燃烧器中的燃烧动态和NOx的***，包括：
a. 端帽，所述端帽跨过所述燃烧器的至少一部分径向地延伸，其中，所述端帽包括上游表面和与所述上游表面轴向分开的阶梯状下游表面；
b. 帽罩，所述帽罩周向地包围所述上游和下游表面，其中所述帽罩、所述上游表面和所述下游表面在所述端帽内限定燃料室；
c. 多根管，所述多根管从所述上游表面穿过所述端帽延伸穿过所述燃料室且穿过所述阶梯状下游表面，其中所述多根管中的至少一根管与所述燃料室流体连通。
10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述多根管中的第一组从所述阶梯状下游表面向下游延伸。
11.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述多根管布置在多个管束中，所述多个管束径向布置在所述端帽中。
12.根据权利要求9所述的***，其特征在于，还包括沿着所述阶梯状下游表面的至少一部分的热障涂层。
13.根据权利要求9所述的***，其特征在于，还包括屏障，所述屏障在所述上游表面和所述阶梯状下游表面之间在所述端帽内部径向延伸，以分开所述端帽内部的燃料室与稀释剂室。
14.根据权利要求13所述的***，其特征在于，还包括穿过所述阶梯状下游表面的多个稀释剂端口，其中，所述多个稀释剂端口提供了从所述稀释剂室穿过所述阶梯状下游表面的流体连通。
15.根据权利要求13所述的***，其特征在于，还包括穿过所述多根管的多个燃料端口，其中，所述多个燃料端口提供了从所述燃料室穿过所述多根管的流体连通。
16.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述阶梯状下游表面为凸形的。
17.一种用于减少燃烧器中的燃烧动态和NOx的方法，包括：
a. 使工作流体流过径向布置在端帽的上游表面和下游表面之间的多根管，所述端帽跨过所述燃烧器的至少一部分径向地延伸；
b. 将燃料从燃料室注入所述管中，其中所述管轴向地延伸穿过所述燃料室，其中所述燃料室至少部分地限定在所述上游表面和所述下游表面之间且其中所述下游表面为阶梯状。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括使第一燃料流过所述多根管。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括使稀释剂流过所述下游表面中的稀释剂端口。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括使第二燃料流过与所述端帽的轴向中心线对齐的管束。
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