用於將工作流體供應到燃燒器的系統的製作方法與工藝
2023-10-11 06:00:04 3
本發明大體涉及一種用於將工作流體供應到燃燒器的系統。在特定實施例中，本發明可以通過周向布置在燃燒室周圍的延遲貧噴射器將貧燃料空氣混合物供應到燃燒室。
背景技術：
燃燒器通常用於工業生產和發電操作中，用以點燃燃料，以產生高溫高壓的燃燒氣體。例如，燃氣渦輪機通常包括一個或多個燃燒器，以發電或產生推力。用於發電的典型燃氣渦輪機包括位於前部的軸流式壓縮機、位於中部附近的一個或多個燃燒器，以及位於尾部的渦輪機。可以將環境空氣供應到壓縮機，並且壓縮機中的旋轉葉片和固定輪葉逐漸向工作流體(空氣)傳遞動能，以產生處於高能狀態的壓縮的工作流體。隨後，壓縮的工作流體離開壓縮機並流向燃燒室，在燃燒室中，壓縮的工作流體與燃料混合併燃燒，從而產生高溫高壓的燃燒氣體。燃燒氣體在渦輪機中膨脹做功。例如，燃燒氣體在渦輪機中膨脹可以使連接到發電機的軸旋轉，從而發電。各種設計和運行參數均會影響燃燒器的設計和運行。例如，燃燒氣體溫度較高通常會提高燃燒器的熱力學效率。然而，燃燒氣體溫度較高也會促發逆燃或火焰附著條件，在這些條件下，燃燒火焰朝向燃料噴嘴供應的燃料移動，從而可能在相對較短時間內對燃料噴嘴造成嚴重損壞。此外，燃燒氣體溫度較高通常會提高雙原子氮的分解速率，從而增加氮氧化物(NOX)的產量。相反，與燃料流減小和/或部分負載操作(關閉)相關的較低燃燒氣體溫度通常會降低燃燒氣體的化學反應速率，從而增加一氧化碳和未燃燒的碳氫化合物的產量。在特定燃燒器設計中，一個或多個延遲貧噴射器或管道可以周向地布置在燃料噴嘴下遊的燃燒室的周圍。離開壓縮機的壓縮的工作流體中的一部分可以流動穿過管道，從而與燃料混合以產生貧燃料空氣混合物。然後，貧燃料空氣混合物可以噴射到燃燒室中，造成額外的燃燒，從而使燃燒氣體溫度升高並且提高燃燒器的熱力學效應。延遲貧噴射器能有效地提高燃燒氣體溫度，而不會相應地增加NOX的產量。然而，通過延遲貧噴射器噴射到燃燒室中的燃料在管道內並將與壓縮的工作流體充分混合的停留時間通常受到限制。此外，流出管道的燃料空氣混合物在管道內形成可能易受局部火焰附著影響的條件。因此，一種可以增強管道內燃料與工作流體之間的混合和/或降低火焰附著條件的用於將工作流體供應到燃燒器的改良系統將非常實用。
技術實現要素：
以下說明將闡明本發明的各個方面和優點，或者這些方面和優點在說明中可能是顯而易見的，或者可以通過實施本發明而獲悉。本發明的一項實施例為一種用於將工作流體供應到燃燒器的系統。所述系統包括燃燒室和周向環繞所述燃燒室的至少一部分的導流套管。管道為工作流體提供流體連通，以便所述工作流體流動穿過導流套管並流入燃燒室中，其中所述管道包括軸向中心線。第一組噴射器周向地布置在管道周圍並且相對於管道的軸向中心線徑向地成某一角度，其中所述第一組噴射器為工作流體提供流體連通，以便所述工作流體流動穿過管道的壁。進一步的，其中所述第一組噴射器相對於所述管道的所述軸向中心線軸向形成角度。進一步的，其包括第二組噴射器，所述第二組噴射器周向地布置在所述第一組噴射器下遊的所述管道周圍，其中所述第二組噴射器為所述工作流體流動穿過所述管道的所述壁提供流體連通。進一步的，其中所述第二組噴射器相對於所述管道的所述軸向中心線軸向形成角度。進一步的，其包括燃料通道，所述燃料通道在所述導流套管內部與所述管道流體連通。進一步的，其中所述燃料通道的至少一部分環繞所述第一組噴射器的至少一部分。進一步的，其包括穿過所述第一組噴射器的多個燃料口，其中所述多個燃料口提供從所述燃料通道進入所述第一組噴射器的流體連通。本發明的另一項實施例是一種用於將工作流體供應到燃燒器的系統，所述系統包括：燃燒室；內襯，其周向環繞所述燃燒室的至少一部分；以及導流套管，其周向環繞所述內襯的至少一部分。管道為工作流體提供流體連通，以便所述工作流體流動穿過導流套管和內襯並流入燃燒室中，其中所述管道包括外壁、與外壁徑向分離的內壁，以及軸向中心線。第一組噴射器周向地布置在管道周圍並且相對於管道的軸向中心線徑向地成某一角度，其中所述第一組噴射器為工作流體提供流體連通，以便所述工作流體流動穿過外壁和內壁並流入管道中。進一步的，其中所述第一組噴射器大體沿所述管道的所述內壁的切向方向形成角度。進一步的，其中所述第一組噴射器相對於所述管道的所述軸向中心線軸向形成角度。進一步的，其包括第二組噴射器，所述第二組噴射器周向地布置在所述第一組噴射器下遊的所述管道周圍，其中所述第二組噴射器為所述工作流體流動穿過所述外壁和所述內壁並進入所述管道提供流體連通。進一步的，其中所述第二組噴射器相對於所述管道的所述軸向中心線軸向形成角度。進一步的，其包括燃料通道，所述燃料通道在所述導流套管內部與所述管道流體連通。進一步的，其中所述燃料通道的至少一部分環繞所述第一組噴射器的至少一部分。進一步的，其包括穿過所述第一組噴射器的多個燃料口，其中所述多個燃料口提供從所述燃料通道進入所述第一組噴射器的流體連通。本發明也可以包括一種用於將工作流體供應到燃燒器的系統，所述系統包括：燃燒室；內襯，其周向環繞所述燃燒室的至少一部分；以及導流套管，其周向環繞所述內襯的至少一部分。管道為工作流體提供流體連通，以便所述工作流體流動穿過導流套管和內襯並流入燃燒室中。第一組噴射器為工作流體提供流體連通，以便所述工作流體流動穿過管道的壁，其中所述第一組噴射器相對於管道的軸向中心線徑向地成某一角度。第二組噴射器位於所述第一組噴射器的下遊，其中所述第二組噴射器為工作流體提供流體連通，以便所述工作流體流動穿過管道的壁。進一步的，其中所述第一組噴射器相對於所述管道的所述軸向中心線軸向形成角度。進一步的，其中所述第二組噴射器相對於所述管道的所述軸向中心線軸向形成角度。進一步的，其包括燃料通道，所述燃料通道環繞所述第一組噴射器和所述第二組噴射器的至少一部分。進一步的，其包括穿過所述第一組噴射器的多個燃料口，其中所述多個燃料口提供從所述燃料通道進入所述第一組噴射器的流體連通。所屬領域的普通技術人員將通過閱讀說明書來更好地了解此類實施例的特徵和方面及其他內容。附圖說明本說明書的其餘部分參考附圖，針對所屬領域的技術人員，完整且可實現地詳細揭示了本發明，包括其最佳模式，其中：圖1為示例性燃氣渦輪機的簡化側視截面圖；圖2為根據本發明的第一實施例的圖1示出的燃燒器一部分的簡化側視透視圖；圖3為圖2示出的延遲貧噴射器的放大的側視透視圖；以及圖4為沿著線A—A截得的圖3示出的延遲貧噴射器的截面圖。具體實施方式現在將詳細參考本發明的各項實施例，附圖中圖示了本發明實施例的一個或多個實例。具體實施方式中使用數字和字母標識來指代附圖中的特徵。附圖和描述中相同或類似的標識用於指代本發明中相同或類似的部分。本說明書所用的術語「第一」、「第二」以及「第三」可以互換使用以區分不同部件，並且這些術語並不旨在表示單個部件的位置或重要性。此外，術語「上遊」和「下遊」指部件在流體通路中的相對位置。例如，如果流體從部件A流向部件B，則部件A在部件B的上遊。相反，如果部件B從部件A接收流體流，則部件B在部件A的下遊。各個實例用以解釋本發明而非限制本發明。事實上，所屬領域的技術人員容易了解，在不脫離本發明的範圍或精神的前提下，可以對本發明做出各種修改和變化。例如，作為一項實施例的一部分進行說明或描述的特徵可以用於另一項實施例中，從而得到又一項實施例。因此，本發明應涵蓋屬於所附權利要求書及其等效物的範圍內的此類修改和變化。本發明的各項實施例包括一種用於將工作流體供應到燃燒器的系統。所述系統通常包括一個或多個周向地布置在燃燒室周圍的延遲貧噴射器，以將燃料和工作流體的貧混合物噴射到燃燒室中。每個延遲貧噴射器通常都包括：管道，所述管道為工作流體提供進入燃燒器的流體連通；以及一組或多組噴射器，所述噴射器周向地布置在管道周圍，為工作流體穿過和進入管道提供流體連通。在多項特定實施例中，燃料通道可以環繞噴射器組中的一組或多組，並且燃料口可以為燃料提供流體連通，以便所述燃料從燃料通道流入噴射器組中的一組或多組。儘管在對本發明的示例性實施例所進行的描述中，為便於說明大體上採取的是將燃燒器添加到燃氣渦輪機內的配置，但所屬領域的技術人員容易了解，除非在權利要求書中特別指出，否則本發明的各實施例可以用於任意燃燒器，且並不限於燃氣渦輪機燃燒器。圖1提供添加到本發明一項實施例中的示例性燃氣渦輪機10的簡化截面圖。如圖示出，燃氣渦輪機10可以包括位於前部的壓縮機12、徑向設置於中部附近的一個或多個燃燒器14以及位於尾部的渦輪機16。壓縮機12和渦輪機16通常共享公共轉子18，所述公共轉子連接到發電機20來發電。壓縮機12可以為軸流式壓縮機，其中環境空氣等的工作流體22進入壓縮機12並且流過交替級的固定輪葉24和旋轉葉片26。隨著固定輪葉24和旋轉葉片26使工作流體22加速並且改變方向以產生連續的壓縮的工作流體22流，壓縮機殼28包括工作流體22。大部分壓縮的工作流體22流過壓縮機排氣室30到達燃燒器14。燃燒器14可以為所屬領域中已知的任何類型的燃燒器。例如，如圖1示出，燃燒器殼32可以周向環繞一些或所有燃燒器14，以包括從壓縮機12流出的壓縮的工作流體22。一個或多個燃料噴嘴34可以徑向地布置在端蓋36中以將燃料供應給燃料噴嘴34下遊的燃燒室38。可能的燃料包括，例如，以下項中的一者或多者：高爐氣、焦爐煤氣、天然氣、汽化的液化天然氣(LNG)、氫以及丙烷。壓縮的工作流體22可以沿著燃燒室38外部從壓縮機排氣室30流出，然後到達端蓋36並且反轉方向流過燃料噴嘴34從而與燃料混合。燃料和壓縮的工作流體22的混合物流到燃燒室38中，在燃燒室中所述混合物燃燒從而產生高溫高壓的燃燒氣體。所述燃燒氣體流過過渡連接件40到達渦輪機16。渦輪機16可以包括交替級的定子42和旋轉槳葉44。第一級定子42使燃燒氣體改變方向並且集中在第一級旋轉槳葉44上。隨著燃燒氣體穿過第一級旋轉槳葉44，該燃燒氣體膨脹，從而使旋轉槳葉44和轉子18旋轉。燃燒氣體隨後流到下一級定子42，所述定子使燃燒氣體改變方向到達下一級旋轉槳葉44，並且該過程在後續級中重複進行。圖2提供根據本發明的第一實施例的圖1示出的燃燒器14一部分的簡化透視圖。如圖示出，燃燒器14可以包括：內襯46，所述內襯周向環繞燃燒室38的至少一部分；以及導流套管48，所述導流套管可以周向環繞內襯46，以限定環繞內襯46的環形通道50。通過這種方式，來自壓縮機排氣室30的壓縮的工作流體22可以沿著內襯46的外部流過環形通道50以向內襯46提供對流冷卻，然後反轉方向流過燃料噴嘴34(圖1示出)並流入燃燒室38中。燃燒器14可以進一步包括多個延遲貧噴射器60，所述延遲貧噴射器周向地布置在燃燒室38周圍，以將燃料和壓縮的工作流體22的貧混合物噴射到燃燒室38中。每個延遲貧噴射器60通常可以包括管道62，所述管道為壓縮的工作流體22提供流體連通，以便所述壓縮的工作流體流動穿過導流套管48和內襯46並流入燃燒室38中。如圖2示出，管道62的至少一部分可以從導流套管48徑向向外延伸。圖3和圖4提供圖2示出的延遲貧噴射器60的放大圖，從而圖示可存在於本發明各項實施例中的各種部件和部件的組合。具體而言，圖3提供圖2示出的延遲貧噴射器60的放大透視圖，而圖4提供沿著線A—A截取的圖3示出的延遲貧噴射器60的截面圖。如圖3和圖4示出，延遲貧噴射器60的管道62可以包括外壁64、內壁66以及軸向中心線68。在特定實施例中，外壁64和內壁66可以徑向分離，以在所述外壁與所述內壁之間形成流體通道70。每個管道62都可以進一步包括一組或多組噴射器，所述噴射器提供穿過外壁64、內壁66並進入管道62的流體連通。例如，在圖3和圖4示出的特定實施例中，每個管道62都包括第一組噴射器72和第二組噴射器74，所述噴射器周向地布置在管道62周圍，並且第一組噴射器72和第二組噴射器74為壓縮的工作流體22提供流體連通，以便所述壓縮的工作流體流動穿過外壁64和內壁66，並流入管道62中。燃料室、管道或其他流體通路可以將燃料供應到噴射器。例如，圖3最清楚地示出，導流套管48可以包括內部燃料通道76，所述內部燃料通道與每個管道62都流體連通。具體而言，圖3最清楚地示出，燃料通道76可以與流體通道70接合或延伸入流體通道70中，所述流體通道70位於外壁64與內壁66之間，以使得燃料通道76的至少一部分環繞第一組噴射器72和/或第二組噴射器74的至少一部分。通過這種方式，流動穿過第一組噴射器72和/或第二組噴射器74的壓縮的工作流體22可以對流動穿過燃料通道76和/或流體通道70的燃料進行預熱。如圖3和圖4進一步示出，第一組噴射器72可以包括一個或多個燃料口78，所述燃料口提供從燃料通道76進入第一組噴射器72中的流體連通。通過這種方式，管道62可以接收與供應到燃料噴嘴34相同或不同的燃料，並且將燃料與壓縮的工作流體22的一部分混合，所述壓縮的工作流體流動穿過管道62的中心。然後，燃料和壓縮的工作流體22所得的貧混合物可以噴射到燃燒室38中用於額外的燃燒，從而使溫度升高並且因此提高燃燒器14的效率。第一組噴射器72可以相對於管道62的軸向中心線68徑向地和/或軸向地成某一角度。在特定實施例中，如圖4最清楚地示出，第一組噴射器72可以大體沿管道62的內壁66的切向方向成某一角度。第一組燃料噴射器74相對於軸向中心線68的徑向和/或軸向定向可以產生一個或多個益處，所述益處為在將混合物噴射到燃燒室38之前，增強了燃料和壓縮的工作流體22的混合。例如，第一組噴射器72與軸向中心線68之間的徑向和/或軸向角度增加了第一組噴射器72的長度、體積和/或表面面積，所述第一組噴射器位於管道62的外壁64與內壁66之間。這繼而增加了從流過第一組噴射器72的壓縮的工作流體22轉移到圍繞第一組噴射器72流動的燃料的熱量。此外，第一組噴射器72內部的額外體積增加了流入第一組噴射器72內部的燃料的停留時間，這在混合物到達管道62並隨後噴射到燃燒室38中之前，增強了燃料與流過第一組噴射器72的壓縮的工作流體22之間的混合。第一組燃料噴射器72相對於軸向中心線68的徑向和/或軸向角度也可以在燃料空氣混合物流過管道62並流入燃燒室38中時，引發燃料空氣混合物的旋流。旋動的混合物可以減少由延遲貧噴射器形成的渦旋脫落(vortexshedding)的量，同時也使燃料空氣混合物進一步滲透到燃燒室38中，以增強與燃燒氣體的混合。如圖3最清楚地示出，第二組噴射器74可以位於第一組噴射器72的下遊，並且相對於管道62的軸向中心線68軸向地成某一角度。通過這種方式，第二組噴射器74可以沿著內壁66提供壓縮的工作流體22的塗層、膜層或覆蓋層，從而將內部66與燃料空氣混合物分離，所述燃料空氣混合物流出第一組噴射器72並進入管道62中。壓縮的工作流體22沿著內壁66的塗層、膜層或覆蓋層降低了有利於管道62內部火焰附著和/或逆燃的條件。所屬領域的一般技術人員將從本說明書的教導中容易了解到，圖2示出的延遲貧噴射器60可以僅包括一個或一個以上圖3和圖4中詳細示出和描述的部件，並且除非在權利要求中特別指出，本發明的各項實施例並不限於此類部件的任何組合。此外，相對於圖1至圖4進行描述及示出的特定實施例也可以提供一種用於將工作流體22供應到燃燒器14的方法。所述方法可以包括：使工作流體22從壓縮機12流動穿過燃燒室38並且使工作流體22的一部分通過延遲貧噴射器60轉移或流動穿過延遲貧噴射器60，所述延遲貧噴射器周向地布置在燃燒室38周圍。在特定實施例中，所述方法可以進一步包括在壓縮的工作流體22噴射到燃燒室38中之前，圍繞延遲貧噴射器60和/或在管道62的內壁64與外壁66之間螺旋式轉移或徑向轉移壓縮的工作流體22的一部分。或者或此外，所述方法可以包括沿著管道62的內壁66噴射壓縮的工作流體22的一部分。本說明書中所述的延遲貧噴射器60的各種特徵因此可以在混合物噴射到燃燒室38中之前增強燃料與壓縮的工作流體22之間的混合，從而更加減少NOx的排放。此外，本說明書中所述的各項實施例可以降低有利於管道62內部火焰附著的條件。本說明書使用了多個實例來揭示本發明，包括最佳模式，同時也讓所屬領域的任何技術人員能夠實施本發明，包括製造並使用任何裝置或系統，以及實施所涵蓋的任何方法。本發明的保護範圍由權利要求書限定，並且可以包括所屬領域的技術人員想出的其他實例。如果其他此類實例的結構要素與權利要求書的字面意義相同，或者如果此類實例包括的等效結構要素與權利要求書的字面意義無實質差別，那麼此類實例也屬於權利要求書的範圍。