专利名称：燃烧器和向燃烧器供应燃料的方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种燃烧器以及向燃烧器供应燃料的方法。
背景技术：
燃烧器通常用于工业及发电运行中，将燃料点燃以产生具有高温高压的燃烧气体。燃烧器的设计和运行受各种竞争性考虑因素的影响。例如，较高燃烧气体温度通常提高燃烧器的热力效率。然而，较高的燃烧气体温度也会促使产生回火或增强稳燃条件，在这种条件下燃烧火焰向通过喷嘴供应的燃料移动，从而可能导致喷嘴在相对短的时间内被严重损坏。此外，较高的燃烧气体温度通常提高二价氮的分裂速度，增加了氮氧化物(NOx)的产量。相反，与降低燃料流率和/或部分负荷运行(关闭(turndown))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，这增加了一氧化碳和未燃碳氢化合物的产量。在一种特别的燃烧器设计中，可在端帽中径向设置多个管，为工作流体流过端帽进入燃烧室提供流体连通。燃料可被送进端帽内的气室(plenum)，以从管的外面流过，在流进管内与工作流体混合前对管进行对流冷却。燃料与工作流体在管内的混合得到加强允许较高运行温度下的较稀薄燃烧，同时防止产生回火或稳燃并控制不良排放物。但是，燃料在进入管之前由其提供的对流冷却可导致燃料不均匀加热。由此，流过管的燃料的温度和密度的变化可在管内产生热应力和/或不均匀的燃料-工作流体比率，这又不利地对火焰稳定性、燃烧器性能和/或不良排放物产生影响。因此，有益的是，提供一种改进的燃烧器以及为燃烧器提供燃料的方法，所述方法减小了管内热应力并且/或者减少流过管的燃料的温度和密度变化。
发明内容
本发明的各方面和优势通过以下描述进行详细说明，或者通过描述清楚明了，或者通过本发明的实践所了解。本发明的一个实施例为一个燃烧器，所述燃烧器包括一个至少包围一部分燃烧器的壳体。燃料管道从所述壳体向下游延伸，且包括一条用于燃料流入所述燃料管道的弯路。本发明的另一个实施例为一个燃烧器，所述燃烧器包括一个端盖和一个与所述端盖轴向分离端帽，所述端帽被设置径向延伸穿越至少一部分燃烧器，其中，所述端帽包括一个上游面，所述上游面与下游面轴向分离。燃料管道从所述端盖向所述端帽延伸，为所述端帽提供流体连通，所述燃料管道包括在所述燃料管道内的燃料流的弯路。本发明的实施例还可包括向燃烧器供应燃料的方法，所述方法包括:工作流体流过多个轴向延伸穿过端帽的管。所述方法还包括通过燃料管道将燃料供入所述端帽，通过在所述燃料管道内轴向延伸的稀释剂管道供应稀释剂，并旋动流过所述燃料管道的燃料，所述燃料管道设置在流过所述稀释剂管道的稀释剂周围。本领域的技术人员会对这些实施例的特征和方面有更好的理解，通过对本说明书的回顾可对这些实施例的特征和方面有更好的理解。
包括对于本领域技术人员的本发明最佳方式的本发明完整披露在说明书的其余部分参考以下附图进行详细说明:图1是根据本发明一个实施例的示例燃烧器的简化横截面图；图2是根据本发明一个实施例的图1所示燃烧器的上游轴向视图；图3是根据本发明一个实施例的图1所示管道的放大横截面图。
具体实施例方式现参考附图中示出的一个或多个实例对本发明的实施例进行详细说明。这个详细说明使用数字和字母标识指代附图中的特征。附图和说明中相同或相似的标识已经用于指代本发明相同或相似的部分。正如此处所使用的，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以将一个元件与另一个元件区分开，但并不表示各元件的位置和重要性。此外，术语“上游”和“下游”是指流路中的元件的相对位置。例如，如果流体从元件A流向元件B，则元件A处于元件B的上游。相反，如果元件B接收从元件A流出的流体，则元件B处于元件A的下游。每个实例作为对本发明的说明提供，并不对本发明构成限制。事实上，对本领域技术人员显而易见地是，在不偏离本发明范围或精神的前提下，可对本发明做出各种修改和变动。例如，一个实施例中所解释或描述的特征部分可用于另一个实施例中，生成又一个实施例。因此，本发明意在涵盖所附权利要求及其等同替换范围之内的这种修改和变动。本发明的不同实施例包括燃烧器以及为燃烧器提供燃料的方法。所述燃烧器通常包括一个包围流过燃烧器的工作流体的壳体。径向设置在端帽中的多个管增强了工作流体与燃料在燃烧前的混合。在特别的实施例中，燃料管道可在壳体与端帽之间延伸，为端帽提供燃料。所述燃料可流过燃料管道内的弯路，所述燃料管道与一个稀释剂管道相邻，所述稀释剂管道在燃料管道内轴向延伸，在燃料流进端帽前对其进行均匀加热。这种改进的对燃料的加热减小了管内的热应力和/或降低了流过管的燃料的温度和密度，因此提高了火焰稳定性、燃烧器性能和/或增加了不良排放物。尽管通常会出于说明目的以作为燃气涡轮一部分的燃烧器为背景下对本发明的示例进行描述，一个普通的本领域的技术人员会容易理解，本发明实施例可应用于任意一种燃烧器，并不局限于燃气涡轮燃烧器，除非权利要求有特殊指明。图1提供了根据本发明一个实施例的示例燃烧器10的简化了的横截面图，及图2提供了图1所示燃烧器10的上游轴向图。如图所示，壳体12通常至少包围燃烧器10的一部分以容纳流向燃烧器10的工作流体14。壳体12可包括设在一端的端盖16，所述端盖提供了为燃烧器10供应燃料、稀释剂和/或其他添加剂的界面。可能的稀释剂可包括供应给燃烧器10的例如水、蒸汽、工作流体、空气、燃料添加剂、各种惰性气体(如氮和/或各种如二氧化碳的非易燃气体)或燃烧废气气体。一个或多个流体管道18可从端盖16向端帽20轴向延伸，为端帽20提供燃料、稀释剂和/或其他添加剂的流体连通。端帽20被配置径向延伸穿过燃烧器10的至少一部分，且端帽20和衬垫22通常限定出端帽20下游的燃烧室
24。壳体12周向环绕端帽20和/或衬垫22，以限定出一个环形通道26，所述环形通道环绕端帽20和衬垫22。通过这种方式，工作流体14可沿衬垫22的外部流过环形通道26，为衬垫22提供对流冷却。当工作流体14到达端盖16时，工作流体14可反转方向流过端帽20，进入燃烧室24。端帽20通常包括与下游面30轴向分开的上游面28，及一个或多个喷嘴32和/或管34可从上游面28延伸穿过下游面30，为燃烧室24提供穿过端帽20的流体连通。喷嘴32和管34的特定的形状、尺寸、数量和设置可根据特定实施例而变化。例如，喷嘴32和管34通常被描述为圆柱形；但是，本发明范围内的替代实施例可包括事实上具有任意几何横截面的喷嘴和管。喷嘴32可从端盖16轴向延伸穿过端帽20。护套36可周向环绕喷嘴32，界定出一个围绕喷嘴32的环形通道38，并提供穿过端帽20的流体连通。因此，工作流体14可流过环形通道38进入燃烧室24。而且，喷嘴32可为环形通道38供应燃料、稀释剂和/或其他添加剂，使其在进入燃料室24前与工作流体14混合。一个或多个叶片40可在喷嘴32和护套36之间径向延伸，将涡流传递给流过环形通道38的流体，从而增强了流体到达燃烧室24前的混合。管34可用不同形状和尺寸的一个或多个管束42径向设置穿过端帽20，其中每个管束42与一个或多个流体管道18流体连通。例如，如图2所示,一个或多个隔板44可从流体管道18向下游延伸，所述流体管道轴向设置在上游面与下游面28，30之间的端帽20内，将管34分开或分组形成绕喷嘴32径向设置的派形管束42。一个或多个流体管道18可为每个管束42提供一种或多种燃料、稀释剂和/或其他添加剂，并且每个流体管道18或管束42的燃料和/或稀释剂的类型、燃料含量和反应性可各有不同。通过这种方式，可为一个或多个管束42供应不同类型、流速和/或添加剂，从而允许在宽范围的作业条件下对管34进行分级加燃料。端帽护罩46可周向包围至少一部分的上游面和下游面28，30，以至少部分地界定出一个或多个位于上游面和下游面28，30之间在端帽20内的气室。例如，图1最为清楚的显示出一个挡板48可在端帽20内在上游面与下游面28，30之间径向延伸，至少部分地界定出位于端帽20内的燃料气室50和稀释剂气室52。具体地，上游面28、端帽护罩46和挡板48可界定出燃料气室50，下游面30、端帽护罩46和挡板48可界定出稀释剂体气室52。一个或多个管34可包括一个或多个燃料口 54，所述燃料口提供了从燃料气室50进入管34的流体连通。燃料口 54可径向、轴向和/或成方位角地成一定角度设置，向流过燃料孔54并进入管34的燃料喷射和/或传递涡流。所述燃料于是可与流过管34的工作流体14在进入燃烧室24前进行混合。图3提供了根据本发明一个实施例的图1所示流体管道18的放大横截面图。如图所示，流体管道18可包括一个围绕稀释剂管道62的燃料管道60。燃料管道60可从壳体12或端盖16到端帽20向下游延伸，为端帽20内燃料气室50提供流体连通。燃料管道60可包括燃料管道60内燃料流的弯路，从而增加了燃料流过的距离，因此增加了燃料到达端帽20内燃料气室50前从周围的工作流体14和/或其他稀释剂传递至燃料的热量。例如，燃料管道60可包括设在燃料管道60内表面上的多个导流板64或其他导流装置，用于引导和/或扰动燃料管道60内的燃料流，从而增强从工作流体14或其他稀释剂与燃料的热交换。在图3所示的特别实施例中，导流板64可与燃料管道60的内表面连接或机械加工在该内表面中，以形成一个燃料绕稀释剂管道62流动的螺旋形通道。稀释剂管道62可通常在燃料管道60内在端盖16与端帽20之间轴向延伸，为稀释剂气室52提供流体连通。可能通过稀释剂管道62供应的稀释剂可包括，例如，供应给燃烧器10的水、蒸汽、工作流体、燃料添加剂、各种惰性气体如氮、和/或各种不易燃烧气体如
二氧化碳或燃烧废气。稀释剂可通过端盖16由外源供给稀释剂管道62。可替代的，或者此夕卜，端盖16中的旁路66可为一部分工作流体14提供流进稀释剂管道62的流体连通，对绕稀释剂管道62流动的燃料加热。在到达端帽20后，工作流体14或其他稀释剂可流进稀释剂气室52并绕管34流动，对管34进行对流冷却。然后，工作流体14或其他稀释剂可流过下游面30中的一个或多个稀释剂通道68，并进入燃料室24。多个各种不同形状和尺寸的湍流器可设置在燃料管道和/或稀释剂管道60，62上或周围，扰动这些层面上的工作流体14或其他稀释剂的层流。例如，如图3所示，湍流器70可径向设置在燃料管道60外表面和/或稀释剂管道62内表面的周围，以减少形成于这些层面上的层流层，并因此增强了流过燃料管道60的燃料的热传递。绕燃烧器10流动并流过燃烧器10的燃料和工作流体14的温度可在运转过程中发生大幅度变化，导致壳体12、流体管道18和/或管34以不同速度及不同程度地膨胀或收缩。因此，一个或多个燃料管道和/或稀释剂管道60，62可在端盖16与端帽20之间包括柔性联结器72。所述柔性联结器72可包括一个或多个伸缩节或伸缩管，所述伸缩节或伸缩管为壳体12、流体管道18和/或管34由于热膨胀或收缩产生的轴向位移提供空间。一个普通的本领域技术人员容易理解，柔性联结器72的可选位置和/或组合是在本发明不同实施例范围内的，并且柔性联结器72的具体位置或数量不构成对本发明的限制，除非权利要求中特别指明。图1-3显示和说明的不同实施例也可提供一种向燃烧器10供应燃料的方法。所述方法可包括:例如，工作流体14流过轴向延伸穿过端帽20的管34，并通过燃料管道60向端帽20供入燃料。该方法还可包括:通过在燃料管道60内轴向延伸的稀释剂管道62供应工作流体14或其他稀释剂，并旋动流过燃料管道60的燃料，所述燃料管道设置在流过所述稀释剂管道62的工作流体14或其他稀释剂周围。在特别实施例中，该方法还可包括扰动流过燃料管道60外表面和/或稀释剂管道62内表面的流体，并且/或者将燃料与端帽20内的工作流体14或其他稀释剂分离。图1-3显示和描述的不同实施例与从前燃烧器相比具有一个或多个商业和/或技术优势。例如，燃料流过燃料管道60的弯路使在稀释剂管道62内流动或在燃料管道60外流动的工作流体14或其他稀释剂能够对到达燃料气室50之前的燃料进行均匀加热。这种改进的燃料加热减少了管34中的热应力和/或流过管34的燃料的温度和密度的变化，从而增强了火焰稳定性、燃烧器性能和/或不良排放物。本书面说明书使用实例来披露本发明，其中包括最佳方式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，其中包括制造和使用任意一种装置或系统以及执行任意一种纳入的方法。本发明的可专利范围由权利要求定义，并可包括本领域技术人员想到的其他实例。如果所述其他实例包括与权利要求书面文字没有不同之处的结构成分，或者包括与权利要求书面文字具有非实质性差异的等同结构成分，则这些其他实例处于权利要求保护范围内。
权利要求
1.一种燃烧器，包括: a.包围至少一部分燃烧器的壳体； b.从所述壳体向下游延伸的燃料管道； c.所述燃料管道内的燃料流的弯路。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，所述燃料流弯路包括燃料管道内的燃料流的螺旋形流路。
3.根据权利要求1所述的燃烧器，还包括多个设置在所述燃料管道内表面上的导流板。
4.根据权利要求1所述的燃烧器，还包括多个设置在所述燃料管道外表面上的湍流器。
5.根据权利要求1所述的燃烧器，还包括在所述燃料管道内轴向延伸的稀释剂管道。
6.根据权利要求5所述的燃烧器，还包括所述燃料管道下游的稀释剂气室，其中，所述稀释剂管道为所述稀释剂气室提供流体连通。
7.根据权利要求 1所述的燃烧器，还包括多个管，所述多个管径向设置穿过所述燃烧器并与所述燃料管道流体连通。
8.根据权利要求7所述的燃烧器，还包括从所述燃料管道向下游延伸的隔板，以将所述多个管分隔成管束。
9.根据权利要求1所述的燃烧器，还包括所述燃料管道下游的燃料气室，其中，所述燃料管道为所述燃料气室提供流体连通。
10.一种燃烧器，包括: a.端盖； b.与所述端盖轴向分离的端帽，所述端帽被设置径向穿过所述燃烧器的至少一部分，其中，所述端帽包括与下游面轴向分离的上游面。
c.从所述端盖向所述端帽延伸的燃料管道，为所述端帽提供流体连通； d.燃料管道内的燃料流的弯路。
11.根据权利要求10所述的燃烧器，其中，所述燃料流弯路包括所述燃料管道内的燃料流的螺旋形流路。
12.根据权利要求10所述的燃烧器，还包括多个设置在所述燃料管道的内表面上的导流板。
13.根据权利要求10所述的燃烧器，还包括多个设置在所述燃料管道外表面上的湍流器。
14.根据权利要求10所述的燃烧器，还包括在所述燃料管道内向所述端帽轴向延伸的稀释剂管道。
15.根据权利要求10所述的燃烧器，还包括多个管，所述多个管径向设置在所述端帽内并且和所述燃料管道流体连通。
16.根据权利要求15所述的燃烧器，还包括在所述端帽内轴向延伸的隔板，以将所述多个管分隔成多个管束。
17.根据权利要求10所述的燃烧器，还包括轴向延伸穿过所述端帽的燃料喷嘴。
18.一种向燃烧器供应燃料的方法，包括:a.工作流体流过多个轴向延伸穿过端帽的管； b.通过燃料管道将燃料供入所述端帽； c.通过在所述燃料管道内轴向延伸的稀释剂管道供应稀释剂； d.旋动流过所述燃料管道的燃料，所述燃料管道设置在流过所述稀释剂管道的稀释剂周围。
19.根据权 利要求18所述的方法，还包括扰动流过所述燃料管道外表面的流体。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括将所述燃料与所述端帽内的稀释剂分离。
全文摘要
本发明涉及并公开一种燃烧器包括至少包围燃烧器的一部分的壳体。一个燃料管道从所述壳体向下游延伸，并包括燃料管道内的燃料流的弯路。一种为燃烧器供应燃料的方法包括工作流体流过轴向延伸穿过端帽的管。所述方法还包括通过燃料管道将燃料供入端帽，通过在燃料管道内轴向延伸的稀释剂管道供应稀释剂，并旋动流过燃料管道的燃料，所述燃料管道设置在流过所述稀释剂管道的稀释剂周围。
文档编号F23D17/00GK103104917SQ20121044758
公开日2013年5月15日 申请日期2012年11月9日 优先权日2011年11月11日
发明者L.J.斯托伊亚, P.B.梅顿 申请人:通用电气公司