束管燃料噴嘴及對應(yīng)的燃燒器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及具有束管燃料噴嘴(bundled tube fuel nozzle)的燃燒器。更具體地，本發(fā)明涉及用于束管燃料噴嘴的燃料分配主體，該燃料分配主體被配置成緩解燃燒器內(nèi)的燃燒動態(tài)(dynamics) ο
【背景技術(shù)】
[0002]燃燒器在工業(yè)和商業(yè)操作中通常用于點燃燃料，以產(chǎn)生具有高溫和高壓的燃燒氣體。例如，燃?xì)鉁u輪機以及其它的渦輪機通常包括一個或多個燃燒器以產(chǎn)生動態(tài)或推力。典型的用于產(chǎn)生電力的燃?xì)鉁u輪機包括位于前部的軸向壓縮機、圍繞中部的多個燃燒器、和位于后部的渦輪。環(huán)境空氣作為工作流體進(jìn)入壓縮機，并且壓縮機逐步向工作流體提供動能，以產(chǎn)生處于高能量狀態(tài)的壓縮工作流體。
[0003]壓縮工作流體離開壓縮機并且流過燃燒器中的一個或多個燃料噴嘴和/或管，在燃燒器處，壓縮工作流體與燃料混合，之后點燃，以產(chǎn)生具有高溫和高壓的燃燒氣體。在特定配置中，每個燃燒器都包括多個束管或微混合器型燃料噴嘴。多個束管或微混合器型燃料噴嘴被配置成允許燃燒之前在燃燒室的上游對燃料和工作流體(即空氣)進(jìn)行預(yù)混。燃燒氣體流向渦輪，在渦輪處，燃燒氣體膨脹以做功。例如，燃燒氣體在渦輪中的膨脹可以使連接到發(fā)電機的軸旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生電力。
[0004]在特定的操作條件下，一些燃燒器可能由于燃燒過程或火焰動態(tài)與燃燒器的一個或多個聲共振頻率的相互作用或耦合而產(chǎn)生燃燒不穩(wěn)定性。例如，一種燃燒不穩(wěn)定性機制可能在聲壓脈動造成燃料端口處的質(zhì)量流量波動時發(fā)生，從而造成火焰中的空燃比波動。當(dāng)所獲得的燃料/空氣比波動和聲壓脈動具有特定的相行為(phase behav1r)(例如，同相或大致同相)時，會造成自激反饋回路。該機制、以及所獲得的燃燒動態(tài)的大小取決于燃料噴射與燃料到達(dá)火焰區(qū)域中間的延遲時間(在本領(lǐng)域內(nèi)被稱為“對流時間(convectivetime) ”(Tau))?？傮w而言，對流時間與頻率之間存在反比關(guān)系:即，當(dāng)對流時間增加時，燃燒不穩(wěn)定性的頻率減?。徊⑶耶?dāng)對流時間減少時，燃燒不穩(wěn)定性的頻率增大。在束管燃料噴嘴的情況下，對流時間大體作為由每個管內(nèi)噴射燃料的點所確定的燃料和空氣到達(dá)管的出口處花費的時間被測量到。
[0005]已經(jīng)觀察到，在一些情況下，燃燒動態(tài)可能減少一個或多個燃燒器以及/或者下游部件的使用壽命。例如，燃燒動態(tài)可能在燃料噴嘴和/或燃燒室內(nèi)側(cè)產(chǎn)生壓力脈動，從而可能不利地影響這些部件的高循環(huán)疲勞壽命、燃燒火焰的穩(wěn)定性、火焰保持的設(shè)計余量、和/或不期望的排放物。備選地或者除此之外，處于特定頻率下并且具有同相和相干的足夠大小的燃燒動態(tài)可能在渦輪和/或其它的下游部件中產(chǎn)生不期望的共振。
[0006]當(dāng)前用于消除燃燒動態(tài)的系統(tǒng)和/或方法包括阻尼系統(tǒng)，所述阻尼系統(tǒng)被設(shè)計成緩解一個特定頻率和/或有限的頻率范圍。與束管燃料噴嘴相關(guān)的其它系統(tǒng)包括改變位于束管燃料噴嘴的燃料增壓部分下游的單個管的長度，從而影響對流時間，以緩解或防止燃燒器內(nèi)出現(xiàn)特定的頻率。然而，當(dāng)前的系統(tǒng)通常是復(fù)雜的并且制造和維護(hù)成本可能較高。因此，被配置成緩解燃燒器內(nèi)的燃燒動態(tài)的經(jīng)過改進(jìn)的束管燃料噴嘴將是有用的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明的方面和優(yōu)點在下文的描述中有所闡述，或者可以是通過描述顯而易見的，或者可以通過實施本發(fā)明而習(xí)得。
[0008]本發(fā)明的一個實施例是一種束管燃料噴嘴。該束管燃料噴嘴包括燃料分配主體(fuel distribut1n body)。該燃料分配主體包括并且/或者限定:基本平坦(substantially flat)的后壁，該基本平坦的后壁具有與外表面軸向地間隔開的內(nèi)表面；燃料柄圈(fuel stem collar)，該燃料柄圈與后壁的內(nèi)表面軸向地間隔開；和波狀(contoured)前壁，該波狀前壁在燃料柄圈與后壁之間延伸。波狀前壁和后壁在燃料分配主體內(nèi)限定了燃料增壓室(fuel plenum)。該束管燃料噴嘴還包括多個噴射管，該多個噴射管與燃料增壓室流體連通。每個噴射管都從波狀前壁延伸到燃料分配主體的后壁并且限定了通過波狀前壁、燃料增壓室和后壁的預(yù)混通道(premix passage)。
[0009]其中，所述波狀前壁相對于所述束管燃料噴嘴的軸向中心線從所述燃料柄圈徑向地向外發(fā)散(diverge)到所述后壁(未被外周壁包繞)。
[0010]其中，所述波狀前壁在所述燃料柄圈與所述后壁之間波動(undulate)。
[0011]其中，每個噴射管(injector tube)都包括提供所述燃料增壓室與所述預(yù)混通道之間的流體連通的燃料端口(fuel port)。
[0012]其中，所述多個噴射管中的第一噴射管的第一燃料端口相對于所述多個噴射管中的第二噴射管的第二燃料端口軸向地偏置(offset)，其中所述第一燃料端口和所述第二燃料端口提供所述燃料增壓室與所述多個噴射管中的第一噴射管和第二噴射管之間的流體連通。
[0013]其中，所述多個噴射管中的第三噴射管的第三燃料端口相對于所述第一燃料端口和所述第二燃料端口中的至少一個軸向地偏置。
[0014]所述束管燃料噴嘴還包括在一端處聯(lián)接到所述燃料柄圈的燃料柄(fuel stem),其中所述燃料柄與燃料源流體連通。
[0015]所述束管燃料噴嘴還包括成束平行布置的多個管，每個管都具有與出口端軸向地分開的入口端，其中每個管都與相應(yīng)的混合通道同心地對準(zhǔn)，其中所述多個管中的每個管都與相應(yīng)的預(yù)混通道流體連通。
[0016]本發(fā)明的另一個實施例是一種束管燃料噴嘴。該束管燃料噴嘴包括燃料分配主體，該燃料分配主體具有并且/或者限定基本平坦后壁，該基本平坦后壁包括與外表面軸向地間隔開的內(nèi)表面。外周壁(perimeter wall)包繞后壁的外周并且燃料柄圈與后壁的內(nèi)表面軸向地間隔開。波狀前壁在燃料柄圈與外周壁之間延伸。波狀前壁、外周壁和后壁限定了燃料分配主體內(nèi)的燃料增壓室。多個噴射管從波狀前壁軸向地延伸到后壁。每個噴射管都終止于或者沿著波狀前壁的外表面。每個噴射管都限定通過波狀前壁、燃料增壓室和后壁的預(yù)混通道。每個噴射管還包括在燃料增壓室與預(yù)混通道之間提供流體連通的至少一個燃料端口。
[0017]其中，所述波狀前壁相對于所述束管燃料噴嘴的軸向中心線從所述燃料柄圈徑向向外地發(fā)散到所述外周壁。
[0018]其中，所述波狀前壁在所述燃料柄圈與所述外周壁之間波動。
[0019]其中，所述多個噴射管中的第一噴射管的第一燃料端口相對于所述多個噴射管中的第二噴射管的第二燃料端口軸向地偏置。
[0020]其中，所述束管燃料噴嘴還包括在一端處聯(lián)接到所述燃料柄圈的燃料柄，其中所述燃料柄與燃料源流體連通。
[0021]其中，所述束管燃料噴嘴還包括成束平行布置的多個管，每個管都具有與出口端軸向地分開的入口端，其中每個管都與相應(yīng)的預(yù)混通道同心地(concentrically)對準(zhǔn)。
[0022]其中，所述多個管中的每個管都與所述燃料分配主體的多個預(yù)混通道的相應(yīng)的預(yù)混通道流體連通。
[0023]本發(fā)明還包括一種燃燒器。該燃燒器包括聯(lián)接到外殼的端蓋和束管燃料噴嘴。該束管燃料噴嘴包括通過燃料柄流體地聯(lián)接到端蓋的燃料分配主體和成束平行布置的多個管。每個管都包括與出口端軸向地分開的入口端。該燃料分配主體包括:基本平坦后壁，該基本平坦后壁具有與外表面軸向地間隔開的內(nèi)表面；燃料柄圈，該燃料柄圈與后壁的內(nèi)表面軸向地間隔開并且聯(lián)接到燃料柄圈；和波狀前壁，該波狀前壁在燃料柄圈與后壁之間延伸。該波狀前壁和后壁至少部分地限定了燃料分配主體內(nèi)的燃料增壓室。該燃料分配主體還包括多個噴射管，該多個噴射管與燃料增壓室流體連通。每個噴射管都從波狀前壁延伸到后壁并且限定了通過波狀前壁、燃