[发明专利]束管燃料喷嘴及对应的燃烧器

说明书

技术领域

本发明总体涉及具有束管燃料喷嘴(bundledtubefuelnozzle)的 燃烧器。更具体地，本发明涉及用于束管燃料喷嘴的燃料分配主 体，该燃料分配主体被配置成缓解燃烧器内的燃烧动态 (dynamics)。

背景技术

燃烧器在工业和商业操作中通常用于点燃燃料，以产生具有高 温和高压的燃烧气体。例如，燃气涡轮机以及其它的涡轮机通常包 括一个或多个燃烧器以产生动态或推力。典型的用于产生电力的燃 气涡轮机包括位于前部的轴向压缩机、围绕中部的多个燃烧器、和 位于后部的涡轮。环境空气作为工作流体进入压缩机，并且压缩机 逐步向工作流体提供动能，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且流过燃烧器中的一个或多个燃料 喷嘴和/或管，在燃烧器处，压缩工作流体与燃料混合，之后点燃， 以产生具有高温和高压的燃烧气体。在特定配置中，每个燃烧器都 包括多个束管或微混合器型燃料喷嘴。多个束管或微混合器型燃料 喷嘴被配置成允许燃烧之前在燃烧室的上游对燃料和工作流体(即 空气)进行预混。燃烧气体流向涡轮，在涡轮处，燃烧气体膨胀以 做功。例如，燃烧气体在涡轮中的膨胀可以使连接到发电机的轴旋 转以产生电力。

在特定的操作条件下，一些燃烧器可能由于燃烧过程或火焰动 态与燃烧器的一个或多个声共振频率的相互作用或耦合而产生燃烧 不稳定性。例如，一种燃烧不稳定性机制可能在声压脉动造成燃料 端口处的质量流量波动时发生，从而造成火焰中的空燃比波动。当 所获得的燃料/空气比波动和声压脉动具有特定的相行为(phase behavior)(例如，同相或大致同相)时，会造成自激反馈回路。该 机制、以及所获得的燃烧动态的大小取决于燃料喷射与燃料到达火 焰区域中间的延迟时间(在本领域内被称为“对流时间(convective time)”(Tau))。总体而言，对流时间与频率之间存在反比关 系：即，当对流时间增加时，燃烧不稳定性的频率减小；并且当对 流时间减少时，燃烧不稳定性的频率增大。在束管燃料喷嘴的情况 下，对流时间大体作为由每个管内喷射燃料的点所确定的燃料和空 气到达管的出口处花费的时间被测量到。

已经观察到，在一些情况下，燃烧动态可能减少一个或多个燃 烧器以及/或者下游部件的使用寿命。例如，燃烧动态可能在燃料喷 嘴和/或燃烧室内侧产生压力脉动，从而可能不利地影响这些部件的 高循环疲劳寿命、燃烧火焰的稳定性、火焰保持的设计余量、和/或 不期望的排放物。备选地或者除此之外，处于特定频率下并且具有 同相和相干的足够大小的燃烧动态可能在涡轮和/或其它的下游部件 中产生不期望的共振。

当前用于消除燃烧动态的系统和/或方法包括阻尼系统，所述阻 尼系统被设计成缓解一个特定频率和/或有限的频率范围。与束管燃 料喷嘴相关的其它系统包括改变位于束管燃料喷嘴的燃料增压部分 下游的单个管的长度，从而影响对流时间，以缓解或防止燃烧器内 出现特定的频率。然而，当前的系统通常是复杂的并且制造和维护 成本可能较高。因此，被配置成缓解燃烧器内的燃烧动态的经过改 进的束管燃料喷嘴将是有用的。

发明内容

发明的方面和优点在下文的描述中有所阐述，或者可以是通过 描述显而易见的，或者可以通过实施本发明而习得。

本发明的一个实施例是一种束管燃料喷嘴。该束管燃料喷嘴包 括燃料分配主体(fueldistributionbody)。该燃料分配主体包括并且/或 者限定：基本平坦(substantiallyflat)的后壁，该基本平坦的后壁具有 与外表面轴向地间隔开的内表面；燃料柄圈(fuelstemcollar)，该燃料 柄圈与后壁的内表面轴向地间隔开；和波状(contoured)前壁，该波状 前壁在燃料柄圈与后壁之间延伸。波状前壁和后壁在燃料分配主体 内限定了燃料增压室(fuelplenum)。该束管燃料喷嘴还包括多个喷 射管，该多个喷射管与燃料增压室流体连通。每个喷射管都从波状 前壁延伸到燃料分配主体的后壁并且限定了通过波状前壁、燃料增 压室和后壁的预混通道(premixpassage)。

其中，所述波状前壁相对于所述束管燃料喷嘴的轴向中心线从 所述燃料柄圈径向地向外发散(diverge)到所述后壁(未被外周壁包 绕)。

其中，所述波状前壁在所述燃料柄圈与所述后壁之间波动 (undulate)。