專利名稱：燃燒器和用于向燃燒器供給燃料的方法
技術領域：
本發(fā)明大致涉及燃燒器和用于向燃燒器供給燃料的方法。
背景技術：
燃燒器通常用于エ業(yè)和發(fā)電操作中以點燃燃料，從而產生具有高溫和高壓的燃燒氣體。例如，燃氣渦輪一般包括一個或更多個燃燒器以產生動カ或推力。用于產生電カ的典型的燃氣渦輪包括位于前部的軸向式壓縮機、圍繞中部的一個或更多個燃燒器以及位于后部的渦輪。外界空氣可被供給到壓縮機，壓縮機中的旋轉葉片和靜止葉片向工作流體(空氣)逐漸地傳遞動能，以產生在高能狀態(tài)下的壓縮的工作流體。壓縮的工作流體排出壓縮機并且通過ー個或更多個噴嘴而流入每個燃燒器的燃燒室內，壓縮的工作流體在燃燒室中與燃料混合并且點燃以產生具有高溫和高壓的燃燒氣體。燃燒氣體在渦輪中膨脹以做功。例如，燃燒氣體在渦輪中的膨脹可以使連接至發(fā)電機的軸旋轉以產生電力。各種設計和操作參數影響燃燒器的設計和操作。例如，更高的燃燒氣體溫度一般提高燃燒器的熱カ效率。但是，更高的燃燒氣體溫度還促進逆燃(flashback)或火焰保持狀態(tài)，在該狀態(tài)中，燃燒火焰朝向由噴嘴供給的燃料移動，可能在相對短的時間內引起對噴嘴的嚴重破壞。另外，燃燒室中的局部過熱條紋可能提高雙原子氮的分解率，増加氮氧化物(NOx)在更高燃燒氣體溫度下的產生。相反地，與減少的燃料流和/或部分負載運行(調低)有關的低燃燒氣體溫度一般地降低燃燒氣體的化學反應率，増加一氧化碳和未燃碳氫化合物的產生。在特定的燃燒器設計中，多個管可被徑向地布置在端蓋中以用于工作流體的流體連通，從而流過端蓋并且流入燃燒室內。燃料和/或稀釋劑可被供給至端蓋并且噴射入管內，以在燃燒之前增強工作流體與燃料之間的混合。在燃燒之前增強的工作流體與燃料之間的混合減少了燃燒室中的過熱條紋，這對于更高燃燒氣體溫度可能是存在問題的。因此，在防止逆燃或火焰保持和/或減少NOx產生方法，特別是在更高的運轉水平吋，該管是有效的。但是，改進的燃燒器和用于向燃燒器供給燃料的方法將是有用的，該燃燒器允許將分階段(staged)燃料添加、多種燃料和/或稀釋劑在不堵塞管的情況下供給至管。

發(fā)明內容
本發(fā)明的各方面和優(yōu)點以下在下述說明中進行闡述，或者可從說明書中容易地理解，或者可通過對本發(fā)明的實施可以獲悉。本發(fā)明的一個實施例是ー種燃燒器，其包括端蓋和端蓋下游的端帽，端帽徑向地延伸越過(across)燃燒器的至少一部分。端帽包括與下游表面軸向地分隔開的上游表面。多個管從上游表面通過下游表面延伸，以提供通過端帽的流體連通。外支承管從端蓋向下游延伸并且連接至端帽的上游表面。內支承管從端蓋向下游延伸并且連接至端帽的下游表面。第一增壓室(plenum)在端蓋與上游表面之間包圍內支承管，第一增壓室在上游表面與下游表面之間徑向地延伸。第二增壓室在端蓋與上游表面之間包圍第一增壓室，并且第二增壓室在上游表面與下游表面之間徑向地延伸。本發(fā)明的另一個實施例是一種燃燒器，該燃燒器包括端蓋和從端蓋向下游延伸的燃料管路。連接至燃料管路的下游表面徑向地延伸越過燃燒器的至少一部分。與下游表面軸向地分隔開的上游表面徑向地延伸越過燃燒器的至少一部分。多個管從上游表面通過下游表面延伸，以提供通過上游表面和下游表面的流體連通。第一增壓室在端蓋與上游表面之間包圍燃料管路，并且第一增壓室在上游表面與下游表面之間徑向地延伸。第二增壓室在端蓋與上游表面之間包圍第一增壓室，并且第二增壓室在上游表面與下游表面之間徑向地延伸。本發(fā)明還可以包括用于向燃燒器供給燃料的方法。該方法包括使工作流體流過徑向地布置在端帽中的多個管，其中，端帽徑向地延伸越過燃燒器的至少一部分。該方法還包括使第一燃料或第一稀釋劑中的至少一種流過第一增壓室，其中，第一增壓室至少部分地由連接至端帽的下游表面的內支承管限定；以及使第二燃料或第二稀釋劑中的至少一種流過第二增壓室，第二增壓室周向地包圍第一增壓室的至少一部分，其中，第二增壓室至少部分地由連接至端帽的上游表面的外支承管限定。本領域普通技術人員在參閱本說明書時將會更好地理解這些實施例的特征和方面。


在包括參照附圖的說明書的其余部分中更加具體地闡述本發(fā)明的包括對于本領域技術人員來說是最佳方式的完全的和能夠實現的公開內容，在附圖中:圖1是根據本發(fā)明的一個實施例的示例性燃燒器的簡化的橫截面視圖；以及圖2是圖1中所示的燃燒器沿線A-A截取的下游橫截面視圖。
具體實施例方式現在將詳細參照本發(fā)明的實施例，在附圖中示出實施例的一個或更多個示例。
具體實施方式
利用數字和字母符號表示附圖中的特征。附圖和說明中的相同或相似的符號已被用于指示本發(fā)明的相同或相似的部分。如在本說明書中所使用，術語“第一”、“第二”和“第三”可被可互換地使用以區(qū)別一個部件與另一個部件，并非旨在表示獨立部件的位置或重要性。另外，“上游”和“下游”指的是部件在流體路徑中的相對位置。例如，如果流體從部件A流向部件B，則部件A在部件B的上游。相反地，如果部件B接收來自部件A的流體流動，則部件B在部件A的下游。每個示例均通過對本發(fā)明進行解釋的方式提供，而非限制本發(fā)明。事實上，本領域技術人員很容易想到，在不脫離本發(fā)明的范圍或其精神的情況下可對本發(fā)明做出變型和變化。例如，作為一個實施例的一部分示出或說明的部件可被用于另一個實施例以產生又一個的實施例。因此，本發(fā)明旨在覆蓋落入所附權利要求及其等同形式的范圍內的這些變型和變化。本發(fā)明的各個實施例提供一種燃燒器和用于向燃燒器供給燃料的方法。該燃燒器大致包括多個管，多個管徑向地布置在端帽中，以在燃燒之前加強工作流體與燃料之間的混合。在具體的實施例中，內部和外部支架可以連接至端帽，多個增壓室可以向端帽供給一種或更多種燃料和/或稀釋劑，從而流過管。在其他具體的實施例中，燃料管路可以連接至端帽以支承端帽，包圍燃料增壓室的增壓室可以向端帽供給ー種或更多種燃料和/或稀釋齊U，從而流過管。這樣，本發(fā)明的范圍內的各個實施例可以減小通過管的流動擾動、增強設置在端帽上的結構支架、降低燃燒器的制造成本和/或使得分階段燃料添加和/或多種燃料和/或稀釋劑能夠在不超過與逆燃、火焰保持和/或排放物限制有關的設計裕度的情況下在寬范圍的操作條件中供給至管。盡管在為了例示目的而結合到燃氣渦輪內的燃燒器的上下文中將大致地說明本發(fā)明的示例性實施例，但是本領域普通技術人員將容易地理解，除非在權利要求中特別地記載，本發(fā)明的實施例可被應用于任意燃燒器并且不局限于燃氣渦輪燃燒器。圖1提供了根據本發(fā)明的一個實施例的示例性燃燒器10的簡化的橫截面視圖，圖2提供了圖1中所示的燃燒器沿線A-A截取的下游橫截面視圖。如圖所示，殼體12大致包圍燃燒器10以包含流向燃燒器10的工作流體14，端蓋16提供接ロ，以用于向燃燒器10供給燃料、稀釋劑和/或其他添加剤?？赡艿南♂寗┛梢园ǎ?，水、蒸汽、工作流體、空氣、燃料添加剤、比如為氮的各種惰性氣體和/或比如為ニ氧化碳的各種非可燃氣體或供給到燃燒器10的燃燒排氣。端帽18可以徑向地延伸越過燃燒器10的至少一部分，殼體12可以周向地環(huán)繞端帽18的至少一部分以在端帽18與殼體12之間限定環(huán)形通路20。端帽18和內襯22可以限定端帽18的下游的燃燒室24的至少一部分。這樣，工作流體14可以沿著內襯22的外部流過環(huán)形通路20以向內襯22提供對流冷卻。當工作流體14達到端蓋16時，工作流體14可以反向以流過端帽18并流入燃燒室24內。端帽18可以包括與下游表面28軸向分隔開的上游表面26，護罩29可以包圍上游表面26和下游表面28。多個管30可以從上游表面26軸向地延伸至下游表面28，以通過端帽18提供流體連通。管30的具體的形狀、尺寸、數量和布置可以根據具體的實施例而改變。例如，管30大致示出為具有圓筒形形狀；但是，本發(fā)明的范圍內的可替代的實施例可以包括具有實際的任何幾何橫截面的管。另外，管30在各種形狀和尺寸的一個或更多個組或群中可以徑向地布置越過端帽18，每組管30具有ー個或更多個獨立的燃料供應。例如，多個管30可以圍繞燃料噴嘴徑向地布置，或者多組管30可以越過端帽18徑向地布置。ー個或更多個流體管路可以向每組管30提供ー種或更多種燃料、稀釋劑和/或其他添加剤，并且，燃料和/或稀釋劑的類型、燃料含量和反應性對于每個流體管路或每組管可以改變。這樣，不同的類型、流速和/或添加劑可被供給至ー組或多組管，以在寬范圍的操作條件下加強管30的分階段燃料添加。燃燒器10可以包括從端蓋16向下游延伸的ー個或更多個結構，以支承端帽18和/或提供端蓋16與端帽18之間的各種流體通道。例如，如圖1所示，燃燒器10可以包括從端蓋16向下游延伸的內支承管40和外支承管42。內支承管40可以連接至端帽18的下游表面28，以在燃燒器10內部軸向地局部支承端帽18。在特定的實施例中，內支承管40還可以作用為或包括燃料管路40,燃料管路40從端蓋16向下游延伸，以在內支承管40內部限定燃料增壓室44。這樣，內支承管/燃料管路40可以提供從端蓋16到端帽18的流體連通，以向端帽18和/或燃燒室24供給燃料。外支承管42可以周向地包圍內支承管40并且連接至端帽18的上游表面26，以在燃燒器10內部軸向地局部支承端帽18。另外，外支承管42可以在端蓋16與端帽18之間限定一個或更多個流體通道。例如，如圖1所示，障礙物46可以在內支承管40與外支承管42之間從上游表面26向上游軸向地延伸，以在內支承管40與外支承管42之間局部地限定第一增壓室50和第二增壓室52。從上游表面26向下游，障礙物46可以在第一增壓室50與第二增壓室52之間徑向地延伸，以在端帽18內部進一步分離第一增壓室50和第二增壓室52。因此，在上游表面26與下游表面28之間在端帽18內部徑向地延伸之前，第一增壓室50可以在端蓋16與上游表面26之間周向地包圍內支承管/燃料管路40。類似地，在上游表面26與下游表面28之間在端帽18內部徑向地延伸之前，第二增壓室52可以在端蓋16與上游表面26之間周向地包圍第一增壓室50。在圖1所示的具體實施例中，第一增壓室50因此在端帽18內部相對于工作流體14通過端帽18的方向從第二增壓室52向下游徑向地延伸。第一增壓室50和第二增壓室52提供端蓋16與端帽18之間的流體連通，以使得各種燃料、稀釋劑或其他流體添加劑能夠被供給至管30。接著，每個管30可以包括一個或更多個端口 54，端口 54提供從第一燃料增壓室50和/或第二燃料增壓室52通過管30的流體連通。端口 54可以徑向、軸向和/或角向地(azimuthally)傾斜，以向流過端口 54并流入管30內的流體射出和/或施加旋流。另外，管30中的端口 54的具體的數量、尺寸和位置可被改變以允許分階段流體流至管30。例如，如圖1所示，第一組管60可以包括提供僅與第一增壓室50流體連通的端口 54，第二組管62可以包括提供僅與第二增壓室52流體連通的端口 54。這樣，工作流體14可以通過環(huán)形通路20流到端帽18的外部，直到其到達端蓋16并且反轉方向而流過管30。另外，第一燃料或稀釋劑可以在第一增壓室50中圍繞管30流動，以在流過端口 54并流入第一組管60從而與工作流體14混合之前向管30提供對流冷卻。類似地，第二燃料或稀釋劑可以在第二增壓室52中圍繞管30流動，以在流過端口 54并流入第二組管60中從而與工作流體14混合之前向管30提供對流冷卻。來自每組管60、62的混合物然后可以流入燃燒室24內。燃燒器10還可以包括用于支承端帽18和/或允許各個部件之間的熱膨脹的另外的結構。例如，如在圖1和2中示出的具體實施例所示，燃燒器10可以在端蓋16與內支承管/燃料管路40和/或障礙物46之間包括柔性聯(lián)接器64。柔性聯(lián)接器64可以包括允許由外支承管42和/或管30的熱膨脹及熱收縮引起的內支承管/燃料管路40和/或障礙物46的軸向位移的膨脹接頭、波紋管或其他裝置。本領域普通技術人員將容易地理解，柔性聯(lián)接器64的可替代的位置和/或組合落在本發(fā)明的各個實施例的范圍內，柔性聯(lián)接器64的特定位置或數量不是對本發(fā)明的限制，除非權利要求中特別地記載。如在圖1和圖2中進一步示出的，燃燒器10還可以包括在環(huán)形通路20中、在端帽18與殼體12之間徑向地延伸的支架66。支架66可以具有翼型形狀，以減小流過環(huán)形通路20中的支架66的工作流體14的流動阻力。在特定的實施例中，支架66可以傾斜以向流過環(huán)形通路20的工作流體14施加旋流。可替代地或另外，燃燒器10可以包括周向地包圍端帽18的帽屏蔽物68和/或在端帽18與帽屏蔽物68之間的滑動接合件70。帽屏蔽物68可被連接至支架66和/或包圍端帽18的護罩29。滑動接合件70可以包括彈簧墊圈、呼拉密封件(hulaseal)或類似裝置，并且可以圍繞端帽18連續(xù)地延伸或圍繞端帽18成節(jié)段，如圖2所示，以允許端帽18相對于帽屏蔽物68和/或支架66的軸向運動。在特定的實施例中，滑動接合件70還可以向端帽18提供可變的徑向剛度，以允許對端帽18的固有或共振頻率進行略微的改變。在圖1和圖2中示出的各個實施例提供用于向燃燒器10供給燃料的方法的多種組合。例如，工作流體14可以通過環(huán)形通路20和徑向地布置在端帽18中的管30供給。第一燃料或第一稀釋劑可以通過第一增壓室50供給至第一組管60，而第二燃料或第二稀釋劑可以通過第二增壓室52供給至第二組管62?？商娲鼗蛄硗?，第三燃料或第三稀釋劑可以通過燃料增壓室44供給至燃燒室24。第一、第二和第三燃料和稀釋劑可以相同或不同，由此提供用于向燃燒器10的各個位置提供分階段的燃料添加的非常靈活的方法，以使得燃燒器10能夠在不超過與逆燃、火焰保持和/或排放物限制有關的設計裕量的情況下在寬范圍的操作條件下操作。本說明書利用示例公開了本發(fā)明，包括最佳方式，并且還使得本領域任何技術人員能夠實施本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何采用的方法。本發(fā)明的可獲得專利的范圍由權利要求限定，并可包括本領域技術人員想得到的其他示例。如果這些其他示例包括并非不同于權利要求的文字語言的結構元件、或者包括與權利要求的文字語言無實質性區(qū)別的等同結構元件，則這些其他示例g在落入權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種燃燒器，包括: a.端蓋； b.位于所述端蓋下游的端帽，所述端帽徑向地延伸越過所述燃燒器的至少一部分，其中，所述端帽包括與下游表面軸向地間隔開的上游表面； c.多個管，所述多個管從所述上游表面通過所述下游表面延伸，以提供通過所述端帽的流體連通； d.外支承管，所述外支承管從所述端蓋向下游延伸并且連接至所述端帽的所述上游表面； e.內支承管，所述內支承管從所述端蓋向下游延伸并且連接至所述端帽的所述下游表面； f.第一增壓室，所述第一增壓室在所述端蓋與所述上游表面之間包圍所述內支承管，其中，所述第一增壓室在所述上游表面與所述下游表面之間徑向地延伸；以及 g.第二增壓室，所述第二增壓室在所述端蓋與所述上游表面之間包圍所述第一增壓室，其中，所述第二增壓室在所述上游表面與所述下游表面之間徑向地延伸。
2.按權利要求1所述的燃燒器，其特征在于，所述第一增壓室在所述端帽內部從所述第二增壓室向下游徑向地延伸。
3.按權利要求1所述的燃燒器 ，其特征在于，所述第一增壓室與所述多個管中的第一組流體連通，所述第二增壓室與所述多個管中的第二組流體連通。
4.按權利要求1所述的燃燒器，其特征在于，所述燃燒器還包括在所述第一增壓室與所述第二增壓室之間延伸的障礙物，所述障礙物在所述第一增壓室與所述第二增壓室之間從所述上游表面向上游軸向地延伸。
5.按權利要求4所述的燃燒器，其特征在于，所述障礙物在所述第一增壓室與所述第二增壓室之間從所述上游表面向下游徑向地延伸。
6.按權利要求1所述的燃燒器，其特征在于，所述燃燒器還包括位于所述內支承管內部的燃料增壓室。
7.按權利要求1所述的燃燒器，其特征在于，所述燃燒器還包括殼體和支架，所述殼體周向地包圍所述端帽的至少一部分以在所述端帽與所述殼體之間限定環(huán)形通路，所述支架在所述環(huán)形通路中在所述端帽與所述殼體之間徑向地延伸。
8.按權利要求1所述的燃燒器，其特征在于，所述燃燒器還包括帽屏蔽物，所述帽屏蔽物周向地包圍所述端帽。
9.按權利要求8所述的燃燒器，其特征在于，所述燃燒器還包括位于所述端帽與所述帽屏蔽物之間的滑動接合件。
10.一種燃燒器，包括: a.端蓋； b.燃料管路，所述燃料管路從所述端蓋向下游延伸； c.連接至所述燃料管路的下游表面，其中，所述下游表面越過所述燃燒器的至少一部分徑向地延伸； d.與所述下游表面軸向地分隔開的上游表面，其中，所述上游表面越過所述燃燒器的至少一部分徑向地延伸；e.多個管，所述多個管從所述上游表面通過所述下游表面延伸，以提供通過所述上游表面和所述下游表面的流體連通； f.第一增壓室，所述第一增壓室在所述端蓋與所述上游表面之間包圍所述燃料管路，其中，所述第一增壓室在所述上游表面與所述下游表面之間徑向地延伸；以及 g.第二增壓室，所述第二增壓室在所述端蓋與所述上游表面之間包圍所述第一增壓室，其中，所述第二增壓室在所述上游表面與所述下游表面之間徑向地延伸。
11.按權利要求10所述的燃燒器，其特征在于，所述第一增壓室在所述上游表面與所述下游表面之間從所述第二增壓室向下游徑向地延伸。
12.按權利要求10所述的燃燒器，其特征在于，所述第一增壓室與所述多個管中的第ー組流體連通，所述第二增壓室與所述多個管中的第二組流體連通。
13.按權利要求10所述的燃燒器，其特征在于，所述燃燒器還包括在所述第一增壓室與所述第二增壓室之間延伸的障礙物。
14.按權利要求10所述的燃燒器，其特征在于，所述燃燒器還包括外支承管，所述外支承管從所述端蓋向下游延伸并且連接至所述上游表面。
15.按權利要求10所述的燃燒器，其特征在于，所述燃燒器還包括位于所述端蓋與所述燃料管路之間的柔性聯(lián)接器。
16.按權利要求10所述的燃燒器，其特征在于，所述燃燒器還包括在所述第一增壓室與所述第二增壓室之間延伸的障礙物，所述障礙物在所述第一增壓室與所述第二增壓室之間從所述上游表面向上游軸向地延伸。
17.按權利要求16所述的燃燒器，其特征在于，所述障礙物在所述第一增壓室與所述第二增壓室之間從所述上游表面向下游徑向地延伸。
18.一種用于向燃燒器供給燃料的方法，包括: a.使工作流體流過徑向地布置在端帽中的多個管，其中，所述端帽徑向地延伸越過所述燃燒器的至少一部分； b.使第一燃料或第一稀釋劑中的至少ー種流過第一增壓室，其中，所述第一增壓室至少部分地由連接至所述端帽的下游表面的內支承管限定；以及 c.使第二燃料或第二稀釋劑中的至少ー種流過第二增壓室，所述第二增壓室周向地包圍所述第一增壓室的至少一部分，其中，所述第二增壓室至少部分地由連接至所述端帽的上游表面的外支承管限定。
19.按權利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法還包括使第三燃料在所述內支承管內部流動。
20.按權利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法還包括使所述第一燃料或第一稀釋劑中的至少ー種在所述端帽內部從所述第二增壓室向下游徑向地流動。
全文摘要
本發(fā)明公開一種燃燒器，其包括端蓋、端蓋下游的端帽以及延伸通過端帽的管。外支承管從端蓋向下游延伸并且連接至端帽的上游表面。內支承管從端蓋向下游延伸并且連接至端帽的下游表面。第一增壓室在端蓋與上游表面之間包圍內支承管并且在上游表面與下游表面之間徑向地延伸。第二增壓室在端蓋與上游表面之間包圍第一增壓室并且在上游表面與下游表面之間徑向地延伸。
文檔編號F23R3/28GK103090415SQ20121044375
公開日2013年5月8日 申請日期2012年11月8日 優(yōu)先權日2011年11月8日
發(fā)明者P.B.梅爾頓, J.H.韋斯特摩爾蘭三世 申請人:通用電氣公司