[发明专利]用于降低燃烧器中的燃烧动态性的系统和方法

说明书

联邦研究声明

本发明按照美国能源部授予的DE-FC26-05NT42643号合同在政府支持下进行。美国政府在本发明中享有某些权利。

技术领域

本发明大体上涉及用于降低燃烧器中的燃烧动态性(combustion dynamics)的系统和方法。

背景技术

燃烧器在工业和发电操作中普遍地用于点燃燃料以产生具有高的温度和压力的燃烧气体。例如，燃气涡轮机通常包括一个或更多燃烧器以产生功率或推力。用于产生电功率的典型燃气涡轮机包括在前部的轴流压缩机、在中部附近的一个或更多燃烧器以及在后部的涡轮机。环境空气可被供应到压缩机，并且压缩机中的旋转叶片和静叶逐渐地赋予工作流体(空气)动能，以产生处于高能状态的压缩的工作流体。压缩的工作流体离开压缩机并流动通过一个或更多喷嘴进入每个燃烧器中的燃烧室，在燃烧器中，压缩的工作流体与燃料混合并点燃以产生具有高的温度和压力的燃烧气体。燃烧气体在涡轮机中膨胀而做功。例如，燃烧气体在涡轮机中的膨胀可使连接到发电机的轴旋转以产生电力。

各种设计和运行参数影响燃烧器的设计和运行。例如，较高的燃烧气体温度通常提高燃烧器的热力学效率。然而，较高的燃烧气体温度也有助于其中燃烧火焰朝喷嘴所供应的燃料迁移的回火或火焰稳定状态，这可能在相对较短的时间内对喷嘴造成严重损坏。此外，较高燃烧气体温度通常增加二价氮的解离速率，从而增加了氮氧化物(NO_X)的产生。反之，与减小的燃料流和/或部分负荷运行(减负荷)相关联的较低燃烧气体温度通常降低燃烧气体的化学反应速率，从而增加了一氧化碳和未燃烧烃的产生。

在特定的燃烧器设计中，多个预混合管可径向布置在端帽中以提供流体连通供工作流体和燃料通过端帽并进入燃烧室。虽然在防止回火或火焰稳定和控制不期望排放的同时允许较高运行温度方面有效，但一些燃料和运行条件对于燃烧器中的高氢燃料组成产生非常高的频率。与高频率相关联的燃烧器中增加的振动可降低一个或更多燃烧器构件的使用寿命。备选地或此外，燃烧动态性的高频率可在预混合管和/或燃烧室内部产生压力脉冲，其影响燃烧火焰的稳定性，减小对回火或火焰稳定的设计裕度，和/或增加不期望的排放。因此，减小燃烧器中的共振频率的系统和方法将可用于提高燃烧器的热力学效率、防止燃烧器遭受灾难性破坏和/或在较大范围的燃烧器运行水平下降低不期望的排放。

发明内容

本发明的方面和优点阐述在下面的描述中，或者可从该描述显而易见，或者可通过实施本发明来了解。

本发明的一个实施例是用于降低燃烧器中的燃烧动态性的系统。该系统包括跨过燃烧器的至少一部分径向延伸的端帽，其中端帽包括与下游表面轴向分开的上游表面。多个管束从上游表面延伸通过端帽的下游表面，其中每个管束提供通过端帽的流体连通。与端帽流体连通的稀释剂供应向端帽提供稀释剂流。多个第一稀释剂分配器周向布置在至少一个管束内部，其中每个第一稀释剂分配器从下游表面向下游延伸，并且为稀释剂流提供通过端帽的下游表面的流体连通。

本发明的另一实施例是用于降低燃烧器中的燃烧动态性的系统，该系统包括跨过燃烧器的至少一部分径向延伸的端帽，其中端帽包括与下游表面轴向分开的上游表面。多个管束从上游表面延伸通过端帽的下游表面，其中每个管束提供通过端帽的流体连通。与端帽流体连通的稀释剂供应向端帽提供稀释剂流。周向布置在至少一个管束内部的多个稀释剂口为稀释剂流提供通过端帽的下游表面的流体连通。多个第一稀释剂分配器与稀释剂口中的至少一些流体连通，其中每个第一稀释剂分配器从下游表面向下游延伸。

本发明还可包括用于降低燃烧器中的燃烧动态性的方法。该方法包括使燃料流过多个管束，其轴向延伸通过跨过燃烧器的至少一部分径向延伸的端帽。该方法还包括：使稀释剂通过多个稀释剂分配器流入端帽下游的燃烧室中，其中多个稀释剂分配器周向布置在至少一个管束内部，并且每个稀释剂分配器从端帽向下游延伸；以及，在至少一对相邻管束之间的燃烧室中形成稀释剂屏障。

通过阅读说明书，本领域的普通技术人员将更好地理解这些实施例和其它实施例的特征和方面。

附图说明

在说明书的其余部分中(包括参考附图)更具体地阐述了本发明的全面且能够实施的公开内容，包括对于本领域技术人员而言的其最佳模式，在附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的示例性燃烧器的简化剖视图；

图2是根据本发明的第一实施例的图1所示的端帽的上游轴向视图；

图3是根据本发明的第二实施例的图1所示的端帽的上游轴向视图；