[发明专利]用于降低燃烧动态的系统和方法

说明书

技术领域

本发明大体涉及用于降低燃烧动态的系统和方法。在特定实施例中，本发明可并入到燃气涡轮或其它涡轮机中。

背景技术

燃烧器通常用于工业和商业操作中以点燃燃料，以产生具有高温和高压的燃烧气体。例如，燃气涡轮和其它涡轮机典型地包括一个或更多个燃烧器以生成功率或推力。用于生成电力的典型燃气涡轮包括位于前部的轴向压缩机、围绕中间的多个燃烧器以及位于后部的涡轮。环境空气作为工作流体进入压缩机，并且压缩机逐渐地向工作流体赋予动能，以产生处于高能状态的压缩工作流体。压缩工作流体离开压缩机并且流经燃烧器中的一个或更多个燃料喷嘴和/或管，其中，压缩工作流体在点燃之前与燃料混合以生成具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体流动至涡轮，其中，燃烧气体膨胀以做功。例如，燃烧气体在涡轮中的膨胀可使连接于发电机的轴旋转以产生电力。

各种因素影响燃烧器的设计和操作。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还促进火焰保持状态，其中，燃烧火焰朝向由燃料喷嘴供应的燃料迁移，可能在相对短的量的时间内引起对燃料喷嘴的加速磨损。另外，较高的燃烧气体温度通常增大二价氮的解离速率，从而增加氮氧化物(NO_X)的产生。相反地，与减小的燃料流和/或部分负载操作(调低)相关的较低燃烧气体温度通常降低燃烧气体的化学反应速率，从而增加一氧化碳和未燃烧烃的产生。

虽然在防止火焰保持和控制不合乎需要的排放物的同时实现较高操作温度方面有效，但是在特定操作条件下，一些燃烧器可产生由燃烧过程或火焰动态与燃烧器的一个或更多个声学谐振频率的交互或耦合引起的燃烧不稳定。例如，一种燃烧不稳定的机制可在声学压力脉动引起燃料端口处的质量流量波动(其接着导致火焰区中的燃料-空气比率波动)时出现。当导致的燃料/空气比率波动和声学压力脉动具有某一相行为(例如，近似同相)时，导致自励式反馈环路。该机制和导致的燃烧动态的大小取决于燃料喷射之间的延时和燃料到达火焰区的时间，该延时和该时间在本领域中被称为对流时间(Tau)。当对流时间增加时，燃烧不稳定的频率减小，而当对流时间减少时，燃烧不稳定的频率增加。结果是可降低一个或更多个燃烧器和/或下游构件的使用寿命的燃烧动态。例如，燃烧动态可在燃料喷嘴和/或燃烧室的内部产生压力脉冲，其可不利地影响这些构件的高循环疲劳寿命、燃烧火焰的稳定性、用于火焰保持的设计裕度和/或不合乎需要的排放物。可选地，或者另外，同相且相干的、在具体频率下并具有足够的振幅的燃烧动态可在涡轮和/或其它下游构件中产生不合乎需要的共振。通过使一个或更多个燃烧器中的燃烧不稳定的频率从其它燃烧器转移开，燃烧系统的相干性总体上将降低，并且燃烧器之间的耦合将削弱。这降低了燃烧器音调(combustor tone)在下游构件中引起振动响应的能力，并且还激励燃烧器之间的破坏性干扰，从而减小燃烧动态振幅。因此，调节由每个燃烧器产生的燃烧动态的相和/或相干性的系统和方法将对提高燃烧器的热力学效率，从而在宽范围的操作级别上防止加速的磨损、促进火焰稳定和/或减少不合乎需要的排放物而言为有用的。

发明内容

本发明的方面和优点在下列描述中在下面被阐述，或者可从该描述显而易见，或者可通过本发明的实践而学习。

本发明的一个实施例是一种用于降低燃烧动态的系统，该系统包括绕着轴线布置的第一和第二燃烧器，并且每个燃烧器包括轴向地延伸穿过燃烧器的至少一部分的多个管和在多个管下游的燃烧室。燃料喷射器在离燃烧室的第四轴向距离处延伸穿过每个管以提供进入每个管的流体连通。第一燃烧器中的第四轴向距离与第二燃烧器中的第四轴向距离不同。

本发明的另一个实施例是一种用于降低燃烧动态的系统，该系统包括绕着轴线布置的第一和第二燃烧器，并且每个燃烧器包括横跨燃烧器的至少一部分径向地延伸的盖组件和在盖组件下游的燃烧室。每个盖组件包括轴向地延伸穿过盖组件以提供穿过盖组件至燃烧室的流体连通的多个管和在离燃烧室的第四轴向距离处延伸穿过每个管以提供进入每个管的流体连通的燃料喷射器。第一燃烧器中的第四轴向距离与第二燃烧器中的第四轴向距离不同。

在本发明的又一个实施例中，一种用于降低燃烧动态的系统包括绕着轴线布置的第一和第二燃烧器，并且每个燃烧器包括轴向地延伸穿过燃烧器的至少一部分的多个管和在多个管下游的燃烧室。燃料喷射器在离燃烧室的第四轴向距离处延伸穿过每个管以提供进入每个管的流体连通。系统还包括用于在第一燃烧器中产生与第二燃烧器中的燃烧不稳定频率不同的燃烧不稳定频率的结构。