CN103649642B - 燃烧器及向燃烧器供应燃料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种燃烧器(10)，所述燃烧器包括燃烧室(18)、环绕所述燃烧室的衬套(12)和环绕所述衬套的导流套筒(52)。环状通道位于所述衬套与所述导流套筒之间，并且燃料喷射器(50)部分地定位在所述环状通道中并且延伸通过所述衬套而进入所述燃烧室中。所述燃料喷射器包括外管、内管和流动通道。本发明还公开一种向燃烧器供应燃料的方法，所述方法包括：使稀释剂在外管内流动，所述外管沿衬套延伸；以及使液体燃料或气体燃料在内管内流动，所述内管在所述外管的一部分内延伸。所述方法进一步包括：使所述稀释剂和所述液体燃料或气体燃料流经所述衬套并进入由所述衬套环绕的燃烧室中。
Description
技术领域
本发明大体涉及燃烧器以及用于向所述燃烧器供应燃料的方法。
背景技术
燃气涡轮机广泛用于工业和发电操作中。典型的燃气涡轮机可以包括位于前部的轴式压缩机、位于中间的一个或多个燃烧器和位于后部的涡轮。环境空气进入压缩机后，压缩机中的旋转叶片和固定轮叶逐渐向所述空气传递动能，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喷嘴，在所述燃烧器中，所述压缩工作流体与燃料混合并点燃，以生成具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体在涡轮机中膨胀做功。例如，燃烧气体在涡轮机中的膨胀可以使连接至发电机上的轴旋转，从而发电。
供应给燃烧器的燃料可以是液体燃料、气体燃料，或液体燃料与气体燃料的组合。例如，供应给燃烧器的可能的液体燃料可以包括燃油、石脑油（naptha）、石油、煤焦油、原油和汽油，并且供应给燃烧器的可能的气体燃料可以包括高炉煤气、焦炉煤气、天然气、甲烷、汽化的液化天然气（LNG）、氢、合成气和丙烷。如果液体燃料和/或气体燃料与空气未在燃烧之前均匀混合，则可能在燃烧器中形成局部热点。局部热点可能不当地增加NOx的排放量，并且可能增大燃烧器中的火焰回火到喷嘴中和/或附着在喷嘴内的几率，从而可能损坏喷嘴。虽然使用任何燃料都可能发生火焰回火和火焰附着的情况，但它们更容易在使用如氢等燃烧率较高、可燃性范围较大的高反应性燃料时发生。
现在已有多种技术可用来提高燃烧器操作温度，同时最小化NOx排放量以及回火和火焰附着的几率。许多此类技术致力于通过减少局部热点来减少NOx的排放，和/或通过减小低流来防止或减少回火或火焰附着的发生。例如，通过不断改善喷嘴设计可使燃料和空气在燃烧之前混合更均匀，从而减少或防止在燃烧器中形成局部热点。替代地或另外，已经设计喷嘴来确保燃料和/或空气流过喷嘴的流率最小，以冷却喷嘴表面和/或防止燃烧器火焰回火到喷嘴中。然而，改进的喷嘴设计通常导致制造成本增大和/或不断向燃烧器添加另外的零件或部件，这增大了穿过燃烧器的压差，从而降低了燃气涡轮机的总效率。因此，用于加强燃料与空气在燃烧之前的混合方面和/或用于冷却燃烧器表面方面的燃烧器设计改进将会是有用的。另外，可以容易地在液体燃料和气体燃料的各种组合之间变换的燃烧器设计将会是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点在以下说明中进行陈述，或可以从说明书中清楚，或可以通过实践本发明来了解。
本发明的一个实施例是一种燃烧器，其包括燃烧室、环绕所述燃烧室的至少一部分的衬套和环绕所述衬套的至少一部分的导流套筒。环状通道位于所述衬套与所述导流套筒之间，并且燃料喷射器至少部分地定位在所述环状通道中并且延伸通过所述衬套而进入所述燃烧室中。所述燃料喷射器包括外管、在所述外管内的内管和位于所述内管与所述外管之间的流动通道。
本发明的另一个实施例是一种燃烧器，其包括燃烧室、环绕所述燃烧室的至少一部分的衬套和环绕所述衬套的至少一部分的导流套筒。环状通道位于所述衬套与所述导流套筒之间。外管延伸通过所述导流套筒，沿所述环状通道的至少一部分延伸，并且延伸通过所述衬套而进入所述燃烧室中。内管在所述外管的至少一部分内延伸，并且在所述环状通道之外的液体或气体燃料供应器中的至少一个与所述内管处于流体连通。
本发明的具体实施例还可以包括一种向燃烧器供应燃料的方法。所述方法包括：使稀释剂在外管内流动，所述外管沿衬套的至少一部分延伸；和使液体燃料或气体燃料中的至少一种在内管内流动，所述内管在所述外管的至少一部分内延伸。所述方法进一步包括：使所述稀释剂和所述液体燃料或气体燃料流经所述衬套而进入由所述衬套环绕的燃烧室中。
所属领域的一般技术人员通过查看说明书将会更好地了解此类实施例的特征和方面及其他内容。
附图说明
在说明书剩余部分中向所属领域的技术人员更具体地陈述了本发明的完整和实践内容，包括本发明的最佳模式，其中参考附图进行陈述，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侧视截面图；
图2是根据本发明的一个实施例的图1中所示的燃料喷射器的放大截面图；
图3是根据本发明的第二实施例的图1中所示的燃料喷射器的放大截面图；
图4是根据本发明的第三实施例的图1中所示的燃料喷射器的放大截面图；
图5是根据本发明的第四实施例的图1中所示的燃料喷射器的放大截面图；
图6是图1中所示的燃烧器在点燃或降燃（turndown）操作过程中的简化侧视截面图；
图7是图1中所示的燃烧器在部分负荷操作过程中的简化侧视截面图；以及
图8是图1中所示的燃烧器在全负荷操作过程中的简化侧视截面图。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的各个实施例，附图中示出本发明实施例的一个或多个实例。具体实施方式使用数字和字母标识来指代附图中的特征。附图和说明中相同或类似的标识用于指代本发明的相同或类似的部分。
每个实例均以解释本发明，而非限制本发明的方式提供。事实上，所属领域的技术人员将明白，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以对本发明做出各种修改和变化。例如，可以将说明或描述为一个实施例的一部分的特征用在另一个实施例上，从而得到又一个实施例。因此，本发明应涵盖属于所附权利要求书及其等效物的范围内的此类修改和变化。
本发明的各个实施例包括一种燃烧器，其加强液体燃料和/或气体燃料与空气在燃烧之前的混合，从而减少排放和/或降低峰值燃烧气体温度。在具体实施例中，所述燃烧器可以包括一个或多个预混合室，其加强所述液体燃料和/或气体燃料与所述空气在燃烧之前的混合。替代地或另外，所述燃烧器可以包括在所述预混合室下游的一个或多个延迟贫燃料喷射器，其向所述燃烧器供应另外的液体燃料和/或气体燃料。因此，所述燃烧器可以在延长的降燃操作过程中以液体燃料或气体燃料操作而不会超过排放限制；可以在发生火焰附着或回火的情况下具有提高的安全系数；和/或可以在预防性维护和/或校正维护之间具有更长的时间间隔。
图1提供根据本发明的一个实施例的示例性燃烧器10的简化侧视截面图；但是，所属领域的技术人员将容易了解，本发明不限于任何特定燃烧器设计或构型，除非权利要求书中明确提及。如所示的，燃烧器10大体可以包括衬套12以及第一预混合室14和第二预混合室16，所述第一预混合室14和第二预混合室16大体限定或环绕燃烧室18的至少一部分。衬套12可以由合适材料轧制和焊接、锻造或铸造而成，所述合适材料能够持续暴露于与由燃烧器10所产生的燃烧气体相关联的最大预期温度。例如，衬套12可以由钢合金或超级合金（如Inconel或Rene）制成。
燃烧器10可以进一步包括供应燃料以供燃烧的一个或多个燃料腔室。例如，如图1中最佳所示，燃烧器10可以包括第一燃料腔室40、第二燃料腔室42和第三燃料腔室44。第一燃料腔室40可以包括燃料供应器，其与第一预混合室14处于流体连通。第二燃料腔室42可以包括环绕燃烧器10的环状燃料歧管，其与第二预混合室16处于流体连通。来自第二燃料腔室42的燃料可以直接流经计量口而进入第二预混合室16中。如图1中最清楚所示，第三燃料腔室44可以类似地包括环绕燃烧器10的环状燃料歧管，其与燃烧室18处于流体连通。来自第三燃料腔室44的燃料可以流动至燃料喷射器50中，所述燃料喷射器50将燃料与压缩工作流体混合并且将混合物喷射通过衬套12而进入燃烧室18中。以这种方式，第三燃料腔室44的至少一部分可以环绕衬套12的至少一部分，这样使得燃料可以在衬套12上流动，以便在进入燃烧室18之前将热量从衬套12的外表面移除。
图2、图3、图4和图5提供根据本发明的各个实施例的图1中所示的第三燃料腔室44和燃料喷射器50的放大图。如这些图中所示，导流套筒52可以环绕衬套12的至少一部分以便在衬套12与导流套筒52之间界定环状通道54，并且壳体56可以环绕燃烧器10的至少一部分以容纳压缩工作流体。压缩工作流体的一部分由此可以沿衬套12的外部流经环状通道54，以便在通过第二预混合室16进入燃烧室18之前将热量从衬套12移除。
第三燃料腔室44可以连接至位于环状通道54外部的液体燃料供应器58和/或气体燃料供应器60，这样使得第三燃料腔室44可以提供与燃料喷射器50的流体连通。燃料喷射器50的一部分可以至少部分地定位在环状通道54中，从而允许燃料喷射器50延伸通过衬套12而进入燃烧室18中。例如，燃料喷射器50可以包括大体平行于衬套12的第一区段62和大体垂直于第一区段62的第二区段64，如图2中所示。在替代实施例中，第二区段64可以连接至第一区段62上如图3中所示成钝角，或如图4中所示成锐角。
如图2至图5中最清楚所示，燃料喷射器50可以包括内管66、外管68和位于内管66与外管68之间的流动通道70。内管66与外管68大体同轴并且位于外管68内。内管66的内表面可以涂布有疏油涂层（不可见）和/或带浅凹的结构72，以便抵抗流经内管66的燃料堆积或结块。外管68可以延伸通过导流套筒52，沿着环状通道54的至少一部分延伸，并且延伸通过衬套12而进入燃烧室18中。外管68可以进一步包括导流件74，所述导流件74从外管68和导流套筒52径向向外延伸，以便将压缩工作流体或稀释剂的一部分舀起（scoop）或喷射至流动通道70中。以这种方式，第三燃料腔室44可以向燃料喷射器50的内管66和/或外管68供应液体燃料和/或气体燃料，并且压缩工作流体或其他稀释剂的一部分可以流经位于内管66与外管68之间的流动通道70，从而使所述燃料在喷射至燃烧室18中之前预热。确切地，流经流动通道70的压缩工作流体或稀释剂可以使流经内管66的液体燃料在到达衬套12并被喷射至燃烧室18中之前气化（evaporation）。
在具体实施例中，燃料喷射器50可以进一步在内管66与外管68之间包括结构，用以破坏流经流动通道70的压缩工作流体或稀释剂的层流，从而增强从压缩工作流体到燃料的热传递。例如，图2和图4示出位于内管66与外管68之间的挡板（baffle）76。挡板76可以包括波纹或穿孔表面以破坏流动通道70中压缩工作流体或稀释剂的层流。替代地或另外，如图3中所示，在位于内管66与外管68之间的流动通道70中的一个或多个紊流器（turbulator）78可以类似地破坏层流层（laminarlayer）的形成，从而增强从压缩工作流体或稀释剂到燃料的热传递。
在图5所示的具体实施例中，第三燃料腔室44提供从气体燃料供应器60到燃料喷射器50的流体连通，并且液体燃料供应器58分离地延伸通过导流套筒52和外管68，以提供与内管66的流体连通。以这种方式，第三燃料腔室44向燃料喷射器50供应气体燃料60，并且液体燃料供应器58分离地向燃料喷射器50供应液体燃料。如图5中所示，可以将预膜构件或鼓风构件79***内管66内，所述预膜构件或鼓风构件79例如为锥形、圆柱形或弯曲的子午线形状的环。供应给燃料喷射器50的液体燃料在构件79上形成，并且由流经内管66的压缩工作流体或气体燃料分散或打碎成液滴（droplets），从而促进所述液体燃料在到达衬套12并且被喷射至燃烧室18中之前与所述气体燃料一起气化（evaporation）。
图6至图8示出本发明实施例的灵活性，其中容易在各种工作条件下以液体燃料58和/或气体燃料60进行操作，而不会超过排放限制和/或峰值操作温度。例如，图6提供燃烧器10在点燃或降燃操作过程中的简化侧视截面图。在此具体操作方案中，不通过第一燃料腔室40或第三燃料腔室44供应燃料，而仅从第二燃料腔室42向第二预混合室16供应燃料。如图6中所示，流经第二预混合室16的燃料-空气混合物的质量流率和速度将第一火焰80大体维持在第二预混合室16的排气口（exhaust）附近，其中第一火焰80的精确位置取决于燃烧器10在点燃时或降燃过程中的实际功率电平。
图7示出在部分负荷操作过程中进行操作的燃烧器10。在部分负荷操作过程中，第二燃料腔室42向第二预混合室16供应燃料，并且在燃气涡轮机所包括的一个或多个燃烧器10中，第一燃料腔室40向第一预混合室14供应燃料，其中从第一燃料腔室40接收燃料的燃烧器10的数量取决于所述燃气涡轮机的实际功率电平。如先前参照图6所描述，流经第二预混合室16的燃料-空气混合物的质量流率和速度将第一火焰80大体维持在第二预混合室16的排气口附近。另外，流经第一预混合室14的燃料-空气混合物的质量流率和速度将第二火焰82维持在燃烧室18中第一火焰80的下游，其中精确位置取决于燃烧器10的实际功率电平。
图8示出在全负荷操作过程中进行操作的燃烧器10。在此具体操作方案中，第一燃料腔室40、第二燃料腔室42和第三燃料腔室44各自供应燃料以供燃烧。确切地，第一燃料腔室40向第一预混合室14供应燃料，并且第二燃料腔室42向第二预混合室16供应燃料，如先前参照图7所描述。另外，第三燃料腔室44供应燃料来与空气在燃料喷射器50中混合，之后直接喷射通过衬套12而进入燃烧室18中，从而在燃烧室18中产生第三火焰84。
本说明书使用各种实例来公开本发明，包括最佳模式，同时也使得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设备或***，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的可获得专利的范围由权利要求书界定，并可以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，则希望此类实例是在权利要求书的范围内。
Claims (20)
1.一种燃烧器，其包括：
燃烧室；
衬套，所述衬套环绕所述燃烧室的至少一部分；
导流套筒，所述导流套筒环绕所述衬套的至少一部分；
环状通道，所述环状通道位于所述衬套与所述导流套筒之间；以及
燃料喷射器，所述燃料喷射器至少部分地定位在所述环状通道中并且延伸通过所述衬套而进入所述燃烧室中，所述燃料喷射器具有位于所述环状通道内并且大致平行于所述衬套延伸的第一区段，其中所述燃料喷射器包括外管、在所述外管内的内管和在所述内管与所述外管之间的流动通道。
2.如权利要求1所述的燃烧器，其中所述燃料喷射器进一步包括大体垂直于所述第一区段的第二区段。
3.如权利要求1所述的燃烧器，其进一步包括从所述外管沿所述导流套筒径向向外延伸的导流件。
4.如权利要求1所述的燃烧器，其进一步包括位于所述内管上的疏油涂层。
5.如权利要求1所述的燃烧器，其进一步包括位于所述内管与所述外管之间的挡板。
6.如权利要求1所述的燃烧器，其进一步包括位于所述流动通道中的多个紊流器。
7.如权利要求1所述的燃烧器，其进一步包括位于所述内管的至少一部分内的预膜构件。
8.如权利要求1所述的燃烧器，其进一步包括液体燃料供应器，所述液体燃料供应器延伸通过所述导流套筒和所述外管并且与所述内管流体连通。
9.一种燃烧器，其包括：
燃烧室；
衬套，所述衬套环绕所述燃烧室的至少一部分；
导流套筒，所述导流套筒环绕所述衬套的至少一部分；
环状通道，所述环状通道位于所述衬套与所述导流套筒之间；以及
外管，所述外管延伸通过所述导流套筒，沿所述环状通道的至少一部分延伸，并且延伸通过所述衬套而进入所述燃烧室中，所述外管具有位于所述环状通道内并且大致平行于所述衬套延伸的第一区段；
内管，所述内管在所述外管的至少一部分内延伸；以及
液体燃料供应器或气体燃料供应器中的至少一个，所述至少一个位于所述环状通道的外部并且与所述内管流体连通。
10.如权利要求9所述的燃烧器，其中所述外管进一步包括相对于所述第一区段成钝角的第二区段。
11.如权利要求9所述的燃烧器，其进一步包括所述内管上的疏油涂层。
12.如权利要求9所述的燃烧器，其进一步包括从所述外管沿所述导流套筒径向向外延伸的导流件。
13.如权利要求9所述的燃烧器，其进一步包括位于所述内管与所述外管之间的挡板。
14.如权利要求9所述的燃烧器，其进一步包括位于所述内管与所述外管之间的多个紊流器。
15.如权利要求9所述的燃烧器，其进一步包括液体燃料供应器，所述液体燃料供应器延伸通过所述导流套筒和所述外管并且与所述内管流体连通。
16.一种向燃烧器供应燃料的方法，其包括：
a.使稀释剂在外管内流动，所述外管沿衬套的至少一部分延伸，所述外管具有位于环状通道内并且沿大致平行于所述衬套延伸的第一区段；
b.使液体燃料或气体燃料中的至少一种在内管内流动，所述内管在所述外管的至少一部分内延伸；以及
c.使所述稀释剂和所述液体燃料或气体燃料中的至少一种流经所述衬套而进入由所述衬套环绕的燃烧室中。
17.如权利要求16所述的方法，其进一步包括破坏流经所述外管的所述稀释剂的流动。
18.如权利要求16所述的方法，其进一步包括供应所述液体燃料通过所述外管而进入所述内管中。
19.如权利要求16所述的方法，其进一步包括使所述液体燃料和所述气体燃料二者流经所述内管。
20.如权利要求16所述的方法，其进一步包括使所述液体燃料流经所述内管和使在所述内管中流动的所述液体燃料气化。
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