專利名稱：用于燃燒器的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體而言涉及用于燃氣渦輪(gas turbine)的燃燒器(combustor)。具體而言，本發(fā)明描述了具有多個燃料噴嘴的燃燒器且使之能夠?qū)嵤?，該燃燒器可在各種減弱運轉(zhuǎn)模式(turndown regimes)操作以減少燃料消耗。
背景技術(shù)：
燃氣渦輪廣泛地用于商業(yè)操作中以功率生產(chǎn)(power generation)。燃氣渦輪壓縮周圍空氣，將燃料與壓縮空氣混合，且點燃混合物以產(chǎn)生高能燃燒氣體，高能燃燒氣流過渦輪以做功。渦輪可驅(qū)動連接到發(fā)電機的輸出軸桿以產(chǎn)生電流，電流然后被供應(yīng)到電網(wǎng)。渦輪和發(fā)電機必須以相對恒定的速度操作，無論發(fā)電量如何，以產(chǎn)生所需頻率的電流。燃氣渦輪通常被設(shè)計成在或接近所設(shè)計的基本負載最高效地操作。但是，燃氣渦輪的功率需求常?？赡軙∮谠O(shè)計的基本負載。例如，功率消耗和因此需求在一個季節(jié)中且甚至在一天中可能不同，通常夜間的功率需求較小。在低需求期間在燃氣渦輪的設(shè)計基本負載持續(xù)操作燃氣渦輪浪費燃料且生成過量排放。在低需求期間在基本負載操作燃氣渦輪的一種替代是簡單地停止燃氣渦輪且一旦功率需求增加就重新啟動它。但是，啟動和停止燃氣渦輪在許多構(gòu)件上造成大的熱應(yīng)力， 這導(dǎo)致增加的維修和維護。此外，燃氣渦輪常常在組合的循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)與額外的輔助器械一起操作。例如，熱回收蒸汽發(fā)生器可連接到渦輪排氣以從廢氣回收熱從而增加燃氣渦輪的總效率。在低需求期間停止燃氣渦輪，因此也需要停止相關(guān)聯(lián)的輔助器械，進一步增加與停止燃氣渦輪相關(guān)聯(lián)的成本。用于在低需求期間操作燃氣渦輪的另一方案是以減弱運轉(zhuǎn)模式操作燃氣渦輪。在現(xiàn)有減弱運轉(zhuǎn)模式中，燃氣渦輪仍以產(chǎn)生所需頻率的電流的速度操作，且減少到燃燒器的燃料和空氣的流率以減少在燃燒器中生成的燃燒氣體，從而減少燃氣渦輪產(chǎn)生的功率。但是，典型壓縮機的操作范圍限制可減少空氣流量的程度，從而限制可減少燃料流量的程度， 同時維持最佳燃料空氣比。在較低操作水平，在每個燃燒器的一個或多個噴嘴“閑置”，這通過避免(securing)燃料流動到閑置噴嘴實現(xiàn)。加燃料的噴嘴連續(xù)混合燃料與壓縮的工作流體用于燃燒，且閑置噴嘴只是傳遞壓縮的工作流體通過燃燒室而沒有任何燃料用于燃燒。減弱運轉(zhuǎn)模式產(chǎn)生足夠的燃燒氣體來使渦輪和發(fā)電機在產(chǎn)生預(yù)期頻率的電流所需要的速度來操作，且閑置噴嘴減少燃料消耗。當功率需求增加時，可恢復(fù)到所有噴嘴的燃料流動以允許燃氣渦輪再次以設(shè)計的基本負載操作?，F(xiàn)有的減弱運轉(zhuǎn)模式在能實現(xiàn)的功率減少量方面有限。例如，在減弱運轉(zhuǎn)模式中通過閑置噴嘴傳遞壓縮的工作流體與來自加燃料的噴嘴的燃燒氣體混合且傾向于過早地熄滅燃燒室中的燃料燃燒。燃料的不完全燃燒產(chǎn)生可超過排放限制的增加的CO排放。因此，在現(xiàn)有的減弱運轉(zhuǎn)模式中最小操作水平可需要為高達設(shè)計基本負載的40-50%以符合 CO和NOx的排放限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面和優(yōu)點在下文的描述中陳述，或者可通過該描述而變得明顯，或者可通過實踐本發(fā)明而學(xué)習(xí)。本發(fā)明的一實施例是一種燃燒器，其包括端蓋、在端蓋下游的燃燒室和在徑向設(shè)置在端蓋中的多個噴嘴。固定護罩包圍(surround)多個噴嘴中的至少一個且從多個噴嘴中的至少一個向下游延伸到燃燒室內(nèi)。固定護罩包括內(nèi)壁表面和外壁表面。在固定護罩內(nèi)的噴嘴中心體從多個噴嘴中的至少一個向下游延伸到燃燒室內(nèi)。本發(fā)明的另一實施例是一種燃燒器，其包括端蓋、在端蓋下游的燃燒室和在徑向設(shè)置在端蓋中的多個噴嘴。固定護罩包圍多個噴嘴中的至少一個且從多個噴嘴中的至少一個向下游延伸到燃燒室內(nèi)。固定護罩包括雙壁管。在固定護罩內(nèi)的噴嘴中心體從多個噴嘴中的至少一個向下游延伸到燃燒室內(nèi)。本發(fā)明的又一實施例是一種用于操作燃燒器的方法。該方法包括使壓縮的工作流體流過多個噴嘴到燃燒室內(nèi)且使燃料流過多個噴嘴的第一子集中的每個噴嘴。該方法還包括在燃燒室內(nèi)點燃來自多個噴嘴的第一子集中的每個噴嘴的燃料。此外，該方法包括使在多個噴嘴的第二子集中的每個噴嘴周圍的單獨的固定護罩延伸到燃燒室內(nèi)，且隔離 (isolating)燃料避免到多個噴嘴的第二子集中的每個噴嘴。通過閱讀說明書，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將更了解這些實施例和其它實施例的特點和方面。


在說明書的其余部分中并參考附圖向本領(lǐng)域技術(shù)人員更具體描述了本發(fā)明的全面并可實施的公開內(nèi)容(包括對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言的本發(fā)明的最佳模式)，在附圖中圖1示出在本發(fā)明范圍內(nèi)的燃氣渦輪的簡化截面圖；圖2示出圖1所示的燃燒器的透視圖，為了清楚起見而移除了襯套；圖3示出圖2所示的燃燒器以特定減弱運轉(zhuǎn)模式操作的透視圖；圖4示出圖3所示護罩的透視圖；圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一實施例的噴嘴中心體和固定護罩的側(cè)視圖。圖6、圖7、圖8和圖9示出在本發(fā)明范圍內(nèi)的處于特定減弱運轉(zhuǎn)模式的閑置噴嘴和加燃料噴嘴。附圖標記構(gòu)件
10燃氣渦輪
12壓縮機
14燃燒器
16渦輪
18轉(zhuǎn)子
20壓縮機排放集氣室
22立而蓋
24噴嘴
26襯套
283032343638404244464850
具體實施例方式現(xiàn)詳細地參考本發(fā)明的實施例，其一個或多個實例在附圖中示出。詳細描述使用數(shù)字和字母標記來指代附圖中的特點。在附圖和描述中相同或相似的標記用于指代本發(fā)明相同或相似的部件。以解釋本發(fā)明的方式提供每個實例，并不限制本發(fā)明。實際上，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的是，在不偏離本發(fā)明的范圍或精神的情況下可做出各種修改和變型。舉例而言，作為一個實施例的部分示出或描述的特點可用于另一實施例以得到又一實施例。因此，預(yù)期本發(fā)明涵蓋屬于所附權(quán)利要求和其等效物內(nèi)的這些修改和變型。圖1示出在本發(fā)明范圍內(nèi)的燃氣渦輪10的簡化截面圖。燃氣渦輪10大體上包括前部的壓縮機12、在中部周圍的一個或多個燃燒器14和在后部的渦輪16。壓縮機12和渦輪16通?？晒灿靡还餐D(zhuǎn)子18。壓縮機12通過壓縮工作流體(空氣)而賦予工作流體(空氣)動能以使之到高能狀態(tài)。壓縮的工作流體從壓縮機12離開且流過壓縮機排放集氣室20到燃燒器14。每個燃燒器14大體上包括端蓋22、多個噴嘴M和襯套沈，襯套沈限定端蓋22下游的燃燒室觀。噴嘴M混合燃料與壓縮的工作流體，且混合物在燃燒室觀內(nèi)點燃以產(chǎn)生具有高溫、高壓和高速的燃燒氣體。燃燒氣體流過一過渡件30到渦輪16內(nèi)，在渦輪16中它們膨脹以做功。圖2示出圖1所示的燃燒器14的透視圖，為了清楚起見，移除了襯套。如圖所示， 端蓋22向噴嘴M提供結(jié)構(gòu)支承。噴嘴M大體上以各種幾何構(gòu)造沿徑向布置于端蓋22中， 諸如五個噴嘴包圍單個噴嘴，如圖2所示。在本發(fā)明的范圍內(nèi)另外的幾何構(gòu)造包括六個或七個噴嘴包圍單個噴嘴或根據(jù)特定設(shè)計需要的任何合適的布置。噴嘴M可具有均一直徑或不同的直徑(如圖2所示)。當在基本負載功率操作時，每個噴嘴M使燃料與工作流體混合。混合物在端蓋22 下游在燃燒室觀中點燃以產(chǎn)生燃燒氣體。在功率需求減少期間，燃燒器14可以減弱運轉(zhuǎn)模式操作，其中一個或多個噴嘴M “閑置’，這通過避免燃料流動到閑置噴嘴實現(xiàn)。圖3示出對于特定延伸噴嘴布置，圖2所示的燃燒器在特定減弱運轉(zhuǎn)模式操作。
燃燒室過渡件加燃料噴嘴閑置噴嘴護罩-圖3、圖4 內(nèi)壁表面外壁表面腔 孔口
固定護罩-圖5 噴嘴中心體混合葉片在此特定減弱運轉(zhuǎn)模式和噴嘴布置中，三個噴嘴是加燃料的噴嘴32，且三個噴嘴是閑置噴嘴34。燃料和壓縮的工作流體流過加燃料的噴嘴32，而只有壓縮的工作流體流過閑置噴嘴 34。此外，護罩36包圍每個閑置噴嘴34且從每個閑置噴嘴34向下游延伸到燃燒室。護罩 36可固定地附連到閑置噴嘴34和/或端蓋22上。每個護罩36引導(dǎo)壓縮的工作流體流過燃燒室的一部分以防止來自閑置噴嘴34的壓縮的工作流體過早地熄滅燃燒。當功率需求增加時，通過恢復(fù)到閑置噴嘴34的燃料流動且在燃燒室中點燃燃料混合物可使燃燒器14 返回到基本負載功率水平。圖4示出圖3所示護罩36的透視圖。護罩36可由任何合金、超合金、涂覆陶瓷或其它能耐受高于觀00-3000華氏度的燃燒溫度的合適材料制成。護罩36可為多壁構(gòu)造，具有朝向相關(guān)聯(lián)的閑置噴嘴的內(nèi)壁表面38，背離相關(guān)聯(lián)的閑置噴嘴的外壁表面40，在內(nèi)壁表面38與外壁表面40之間的腔42。在替代實施例中，護罩36可為單壁構(gòu)造，具有簡單地為單壁的相對側(cè)的內(nèi)壁表面38和外壁表面40。無論構(gòu)造如何，護罩36可在內(nèi)壁表面38和外壁表面40的任一個或兩個中包括多個孔口 44，孔口 44具有在大約0. 02英寸至0. 05英寸之間的直徑。冷卻流體可穿過腔42和/或孔口 44供應(yīng)以冷卻護罩36的表面38、40。合適冷卻流體包括蒸汽、水、轉(zhuǎn)移的壓縮的工作流體和空氣。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它結(jié)構(gòu)和方法也可用于冷卻護罩36。例如，美國專利公開第2006/0191268號描述了一種用于冷卻燃氣渦輪噴嘴的方法和設(shè)備，其也可適于用于冷卻護罩。每個護罩36具有略微大于相關(guān)聯(lián)的閑置噴嘴的直徑且可為圓柱形，如圖所示，或可具有會聚或發(fā)散的形狀，這取決于特定實施例和設(shè)計需要。護罩36的長度應(yīng)足以使護罩 36延伸足夠遠到燃燒室內(nèi)以防止從閑置噴嘴來的壓縮的工作流體與來自加燃料的噴嘴的燃燒氣體混合且過早地熄滅燃燒。合適長度可為3英寸、5英寸、7英寸或更長，取決于特定燃燒器設(shè)計和預(yù)期的減弱運轉(zhuǎn)模式。圖5提供根據(jù)本發(fā)明的一實施例的固定護罩46和噴嘴中心體48的側(cè)視圖。如圖 5所示，固定護罩46和噴嘴中心體48從端蓋22向下游延伸到燃燒室內(nèi)。在減弱運轉(zhuǎn)操作期間，壓縮的空氣連續(xù)地流過混合或旋流器葉片50且流過固定護罩46到燃燒室內(nèi)，但避免燃料流動到此噴嘴。在基本負載操作期間，到此噴嘴的燃料流動恢復(fù)，且噴嘴中心體48增強在護罩46端部的火焰穩(wěn)定性。圖5所示的實施例產(chǎn)生一種分級燃燒器，與常規(guī)單級燃燒器相比，其可導(dǎo)致額外的排放益處。例如，在減少的負載或減弱運轉(zhuǎn)操作期間，固定護罩46防止來自閑置噴嘴的壓縮空氣與來自加燃料的噴嘴的燃燒氣體混合且過早地熄滅燃燒氣體，從而在減弱運轉(zhuǎn)操作期間減少CO排放。在基本負載操作期間，噴嘴中心體48維持在固定護罩端部的火焰。在基本負載操作期間這可減少NOx排放，這是由于在燃燒室內(nèi)的燃燒的較短的駐留時間。此外，在基本負載操作期間，延伸的噴嘴中心體48沿燃燒室的長度分配放熱，這可導(dǎo)致減少的燃燒器一般固有的壓力脈動，在燃燒之前這種壓力脈動預(yù)混合壓縮的工作流體與燃料。圖6、圖7、圖8和圖9示出在本發(fā)明范圍內(nèi)的特定減弱運轉(zhuǎn)模式中的加燃料的噴嘴32和閑置噴嘴34。在每個圖中陰影圓代表加燃料的噴嘴32，且空白圓代表閑置噴嘴34。 如圖4和圖5所示，固定護罩包圍每個閑置噴嘴34且從每個閑置噴嘴34向下游延伸到燃燒室內(nèi)。
在圖6中，在周邊的五個噴嘴是加燃料的噴嘴32，且中央噴嘴是閑置噴嘴34。在此減弱運轉(zhuǎn)模式期間，燃燒器排氣溫度可降低多達70華氏度，而不超過任何排放要求。在圖7、圖8、圖9，在減弱運轉(zhuǎn)模式期間，額外的噴嘴被閑置以進一步減少功率消耗。在圖6、 圖7、圖8和圖9所示的每個減弱運轉(zhuǎn)模式中，壓縮的工作流體從壓縮機流過每個噴嘴32， 34。在每個圖示中，噴嘴的第一集合作為加燃料的噴嘴32操作且持續(xù)接收燃料以在燃燒室中燃燒。在每個圖示中，噴嘴的第二集合作為閑置噴嘴34操作，避免燃料流動到閑置噴嘴 34且用護罩包圍每個閑置噴嘴34，護罩從閑置噴嘴34向下游延伸到燃燒室內(nèi)。本發(fā)明范圍內(nèi)的燃燒器可如下文所述以減弱運轉(zhuǎn)模式操作。壓縮的工作流體流動可通過每個噴嘴供應(yīng)到燃燒室內(nèi)。燃料流動可通過噴嘴的第一子集(即，加燃料的噴嘴) 供應(yīng)到燃燒室內(nèi)且在燃燒室內(nèi)點燃。一個或多個固定護罩可在噴嘴的第二子集(即，閑置噴嘴)中的每個噴嘴周圍延伸，且隔離燃料避免到每個閑置噴嘴。若需要，每個護罩可被冷卻，例如，通過使蒸汽、水、轉(zhuǎn)移的壓縮的工作流體和/或空氣流過每個護罩中的孔口。通過使燃料流過每個閑置噴嘴到燃燒室內(nèi)且在燃燒室內(nèi)點燃來自每個先前閑置噴嘴的燃料可使燃燒器過渡到設(shè)計基本負載操作。護罩保持從先前閑置噴嘴向下游延伸到燃燒室內(nèi)。本書面描述使用實例來公開本發(fā)明(包括最佳實施方式)，且也能使本領(lǐng)域技術(shù)人員實踐本發(fā)明(包括做出和使用任何裝置或系統(tǒng)和執(zhí)行任何合并的方法)。專利保護范圍由權(quán)利要求限定，且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的這些修改和其它實例。如果這些其它實例具有與權(quán)利要求的字面語言并無不同的結(jié)構(gòu)元件或者如果這些其它實例包括與權(quán)利要求的字面語言并無實質(zhì)不同的等效結(jié)構(gòu)元件，那么這些其它實例預(yù)期在權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種燃燒器(14)，包括a.端蓋02)；b.在所述端蓋02)下游的燃燒室08)；c.在徑向設(shè)置在所述端蓋02)中的多個噴嘴04)；d.固定護罩(36)，其包圍所述多個噴嘴04)中的至少一個且從所述多個噴嘴04)中的所述至少一個向下游延伸到所述燃燒室08)內(nèi)，其中，所述固定護罩(36)包括內(nèi)壁表面 (38)和外壁表面(40)；以及e.噴嘴中心體(48)，其在所述固定護罩(36)內(nèi)且從所述多個噴嘴04)中的所述至少一個向下游延伸到所述燃燒室08)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述燃燒器(14)，其特征在于，所述固定護罩(36)從所述多個噴嘴 (24)中的所述至少一個向下游延伸至少3英寸到所述燃燒室08)內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃燒器(14)，其特征在于還包括多個孔口(44)，所述孔口 G4)穿過所述內(nèi)壁表面(38)或所述外壁表面GO)中的至少一個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的燃燒器(14)，其特征在于，所述固定護罩(36) 包括在所述內(nèi)壁表面(38)與所述外壁表面GO)之間的腔02)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的燃燒器(14)，其特征在于，所述固定護罩(36) 固定到所述端蓋02)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的燃燒器(14)，其特征在于還包括包圍所述多個噴嘴04)中的一個以上的多個固定護罩(36)，所述多個固定護罩(36)從所述多個噴嘴 (24)中的所述一個以上向下游延伸到所述燃燒室08)內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃燒器(14)，其特征在于還包括在所述多個固定護罩(36) 中的每一個內(nèi)的單獨的噴嘴中心體(48)，且所述單獨的噴嘴中心體08)從所述多個噴嘴 (24)中的所述一個以上向下游延伸到所述燃燒室08)內(nèi)。
8.一種用于操作燃燒器(14)的方法，包括a.使壓縮的工作流體流過多個噴嘴(32，34)到燃燒室08)內(nèi)；b.使燃料流過所述多個噴嘴(32，34)的第一子集中的每個噴嘴(3 到所述燃燒室 (28)內(nèi)；c.在所述燃燒室08)內(nèi)點燃來自所述多個噴嘴(32，34)的第一子集中的每個噴嘴 (32)的燃料；d.使在所述多個噴嘴(32，34)的第二子集中的每個噴嘴(34)周圍的單獨的固定護罩 (36)延伸到所述燃燒室08)內(nèi)；以及e.隔離燃料避免到所述多個噴嘴(32，34)的第二子集中的每個噴嘴(34)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于還包括使單獨的噴嘴中心體08)在每個單獨的固定護罩(36)內(nèi)延伸，每個單獨的噴嘴中心體G8)從所述多個噴嘴(32，34)的第二子集中的每個噴嘴(34)向下游延伸到所述燃燒室08)內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于還包括恢復(fù)通過所述多個噴嘴(32，34)的第二子集中的每個噴嘴(34)的燃料流動。
全文摘要
本申請涉及用于燃燒器的設(shè)備和方法。其中，一種燃燒器(14)包括端蓋(22)，在端蓋(22)下游的燃燒室(28)，和在徑向設(shè)置在端蓋(22)中的噴嘴(24)。固定護罩(36)包圍噴嘴(24)中至少一個且向下游延伸到燃燒室(28)內(nèi)。該護罩包括內(nèi)壁表面(38)和外壁表面(40)。一種用于操作燃燒器(14)的方法包括使壓縮工作流體流過噴嘴(32，34)到燃燒室(28)內(nèi)，使燃料流過噴嘴(32，34)的第一子集中的每個噴嘴(32)到燃燒室(28)內(nèi)，以及在燃燒室(28)中點燃來自噴嘴(32，34)的第一子集中的每個噴嘴(32)的燃料。此外，該方法包括使在噴嘴(32，34)的第二子集中的每個噴嘴(34)周圍的單獨的固定護罩(36)延伸到燃燒室(28)內(nèi)，且隔離燃料避免到噴嘴(32，34)的第二子集中的每個噴嘴(34)。
文檔編號F23D11/36GK102235668SQ201110084730
公開日2011年11月9日 申請日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月25日
發(fā)明者A·瓦利夫, S·梅什科夫, S·蔡爾德斯 申請人:通用電氣公司