[发明专利]用于减少燃烧器中的燃烧动态和NOx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。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减少燃烧器中的燃烧动态(combustion dynamic)和NO_x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动力或推力。用于产生电力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，以产生处于高能量状态的压缩工作流体。压缩工作流体离开压缩机并穿过一个或更多喷嘴流入每个燃烧器中的燃烧腔中，在此，压缩工作流体与燃料混合并点燃而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而产生电力。

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促进了回火或火焰稳定(flame holding)状态，其中燃烧火焰朝着由喷嘴供应的燃料迁移，这可能在相对较短的时间量内对喷嘴造成严重损坏。此外，较高燃烧气体温度通常增加了二价氮的解离速率，从而增加了氮氧化物(NO_x)的产生。反之，与减小的燃料流量和/或部分负荷运行(减轻)相关联的较低燃烧气体温度通常降低了燃烧气体的化学反应速率，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，多个预混合器管可径向布置在端帽中以提供流体连通，用于工作流体和燃料穿过端帽并进入燃烧腔中。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是有效的，但一些燃料和运行条件对燃烧器中的高氢燃料成分产生非常高的频率。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。备选地或另外，燃烧动态的高频率可在预混合器管和/或燃烧腔内部产生压力脉冲，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且/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且/或在较大范围的燃烧器运行水平下减少不期望的排放。

发明内容

本发明的方面和优点在下面的描述中陈述，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一种用于减少燃烧器中的燃烧动态和NO_x的系统。该系统包括跨过燃烧器的至少一部分径向地延伸的管束，其中，管束包括与下游表面轴向分开的上游表面。护罩周向地包围上游和下游表面。多根管从上游表面穿过管束延伸穿过下游表面，其中，下游表面为阶梯状，以防止管之间的火焰相互作用并穿过管束产生具有不同长度的管。

本发明的另一实施例是一种用于减少燃烧器中的燃烧动态和NO_x的系统，该系统包括跨过燃烧器的至少一部分径向地延伸的端帽，其中，端帽包括上游表面和与上游表面轴向分开的阶梯状下游表面。帽罩周向地包围上游和下游表面。多根管从上游表面穿过端帽延伸穿过阶梯状下游表面。

本发明还可包括一种用于减少燃烧器中的燃烧动态和NO_x的方法。该方法包括使工作流体流过径向布置在端帽的上游表面和下游表面之间的多根管，该端帽跨过燃烧器的至少一部分径向地延伸，其中下游表面为阶梯状。

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是根据本发明的备选实施例的图1所示的端帽的上游轴向视图；

图4是根据本发明的备选实施例的图1所示的端帽的上游轴向视图；

图5是根据本发明的第一实施例的管束的放大剖视图；

图6是根据本发明的第二实施例的管束的放大剖视图；

图7是根据本发明的第三实施例的管束的放大剖视图；