專利名稱：燃燒器的尺寸縮放的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及優(yōu)選用在燃氣渦輪發(fā)動機中的燃燒器的燃道(quarl)，更具體地 涉及適于使發(fā)動機燃燒穩(wěn)定的燃燒器中的燃道，而且進一步涉及用導引燃燒室(Pilot combustor)來提供燃燒產(chǎn)物以使主貧油預混燃燒穩(wěn)定的燃燒器。
背景技術(shù)：
燃氣渦輪發(fā)動機被用在包括發(fā)電、軍用商用航空、管道運輸以及海運在內(nèi)的各種 應(yīng)用中。在以LPP模式工作的燃氣渦輪發(fā)動機中，燃料和空氣被提供給燃燒室，并在此混合 后被火焰點燃，從而開始燃燒。除熱效率、燃料和空氣的適當混合之外，與燃氣渦輪發(fā)動機 的燃燒過程有關(guān)的主要問題與火焰穩(wěn)定、脈動和噪聲消除以及污染排放物的控制有關(guān)，特 別是與氮氧化物(NOx)、CO、UHC、煙和顆粒排放物有關(guān)。工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機在以LPP模式工作時，是通過添加比燃燒過程本身所需的空 氣更多的空氣來降低火焰溫度的。不發(fā)生反應(yīng)的多余空氣在燃燒過程中必須被加熱，其結(jié) 果是燃燒過程的火焰溫度被降低(低于化學計量點(或稱理論配比點))，從大約2300K降 低到1800K，甚至更低。要求降低火焰溫度是為了顯著降低NOx排放物。被證明是降低叫排 放物最成功的方法是使燃燒過程貧油(lean)，從而使火焰的溫度降低到低于使二價氮原子 和氧原子(隊和02)分離并重新結(jié)合成NO和NO2的溫度。旋流穩(wěn)定燃燒流通常用在工業(yè)燃 氣渦輪發(fā)動機中，以便通過上面指出的通過在中心線周圍產(chǎn)生逆流(旋流引起的回流區(qū)， Swirl Induced Recirculating Zone)，從而使逆流將熱和自由基返回進入的未燃燒燃料和 空氣的混合物中使燃燒穩(wěn)定。需要用之前發(fā)生反應(yīng)的燃料和空氣的熱和自由基來開始(使 燃料裂解，開始鏈鎖分支過程)并維持新鮮的未反應(yīng)燃料和空氣混合物的穩(wěn)定燃燒。燃氣 渦輪發(fā)動機中的穩(wěn)定燃燒要求循環(huán)燃燒過程產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物運送回上游以開始燃燒過程。 火焰前緣穩(wěn)定在旋流引起的回流區(qū)的剪切層。在剪切層中，“空氣/燃料混合物的局部湍流 火焰速率”必須要高于“局部空氣/燃料混合物速度”，從而使得火焰前緣/燃燒過程能夠 被穩(wěn)定。貧油預混燃燒不如擴散火焰燃燒穩(wěn)定的內(nèi)在原因如下1.將火焰溫度從2300K降低到1700-1800K所需的空氣量大約是化學計量燃燒 所需空氣量的兩倍。這樣總體的燃料/空氣比(Φ)非常接近(0.5左右或者低于0.5; Φ >0.5)或者近似于預混火焰出現(xiàn)貧油熄滅時的燃料/空氣比。在這些條件下，火焰以周 期方式局部熄滅，再重燃。2.接近貧油熄滅極限時，貧油局部預混火焰的火焰速率對于當量比波動非常敏 感?；鹧嫠俾实牟▌涌梢詫е禄鹧媲熬?旋流引起的回流區(qū))的空間波動/運動。預混火 焰較不穩(wěn)定的易于移動的火焰前緣導致周期性的熱釋放率，這又會導致火焰運動、不穩(wěn)定 的流體動態(tài)過程以及熱力學_聲學不穩(wěn)定性的發(fā)展。3.當量比波動可能是將不穩(wěn)定的熱釋放與不穩(wěn)定的壓力振動相聯(lián)接的最常見耦 連機理。
4.為了使燃燒充分貧油，為了能夠顯著降低NOx排放，發(fā)動機中使用的幾乎所有的 空氣都必須通過噴射器與燃料預混合。因此，燃燒器中的所有燃料流應(yīng)是有反應(yīng)可能的，并 且要求開始燃燒的那個點是固定的。5.當發(fā)生反應(yīng)所需的熱量是穩(wěn)定性限制因子時，燃料/空氣當量比的非常小的暫 時波動(可能由燃料的振動引起，或者由通過燃燒器/噴射器的空氣流動引起)可以使火 焰局部熄滅、重燃。6.預混火焰穩(wěn)定性降低的又一非常重要的原因是燃料和空氣混合的陡峭梯度會 從燃燒過程中被消除。這使得預混流在溫度足以產(chǎn)生反應(yīng)的任何地方都是可燃燒的。當火 焰可以更易于在多個位置出現(xiàn)時，會變得更加不穩(wěn)定。使預混火焰穩(wěn)定在固定位置的唯一 方法基于未燃燒的預混燃料和空氣與燃燒的熱產(chǎn)物混合所產(chǎn)生的溫度梯度(在溫度太低 時，不會出現(xiàn)火焰)。這使得熱量的產(chǎn)生、輻射、擴散和對流所產(chǎn)生的熱梯度成為使預混火焰 穩(wěn)定的一種方法。流體的輻射加熱不會產(chǎn)生陡的梯度；因此，穩(wěn)定性肯定是由熱量產(chǎn)生、擴 散以及對流到預反應(yīng)區(qū)而造成的。擴散僅會在層流中產(chǎn)生陡峭的梯度，而不會在湍流中產(chǎn) 生，僅使得對流和能量產(chǎn)生來產(chǎn)生火焰穩(wěn)定所需的陡峭梯度，這實際上是熱梯度和自由輻 射梯度。熱梯度和自由輻射梯度是通過在旋流引起的回流區(qū)中通過回流燃燒產(chǎn)物的相同機 制產(chǎn)生、擴散和對流的。7.在預混流以及擴散流中，引起分離的快速膨脹和旋流回流通常被用來在預反應(yīng) 的燃料和空氣中產(chǎn)生熱梯度和自由基。本發(fā)明的一個目標是提出一種對燃燒器的尺寸進行縮放的途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開的是一種用于燃氣渦輪機燃燒室的貧油_富油部分預混低排放燃燒 器，其在所有發(fā)動機負載條件下都提供了穩(wěn)定的點火和燃燒過程。該燃燒器根據(jù)如下原理 工作，即將熱量和高濃度的自由基從導引燃燒室(Pilot combustor)的排放口中“供應(yīng)” 到在貧油預混空氣/燃料旋流中燃燒的主火焰，從而維持主貧油預混火焰的快速穩(wěn)定燃 燒。導引燃燒室供應(yīng)熱量，并將高濃度的自由基直接補充到前駐點和主旋流引起的回流區(qū) 的剪切層，主貧油預混流與導引燃燒室提供的熱的燃燒氣體產(chǎn)物在此混合。這允許主預混 空氣/燃料旋流燃燒的更貧油的混合和更低的溫度，不然在燃燒器的工況下其不能在旋流 穩(wěn)定回流自維持。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本文提出了一種由獨立權(quán)利要求1的特征所表征的放大 (或稱增大)燃燒器尺寸的方法。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本文提出了一種根據(jù)獨立方法權(quán)利要求的方法放大尺寸 的燃燒器。本發(fā)明的其它方面體現(xiàn)在從屬權(quán)利要求中。燃燒器采用由徑向旋流器產(chǎn)生_賦予到燃料流中的空氣/燃料的旋流，旋流數(shù)Sn為0. 7以上 (其大于臨界值Sn = 0.6)；靠近前駐點被釋放的活性物_非平衡自由基，具有多個燃道裝置的特殊類型的燃燒器幾何形狀，并且
燃燒器內(nèi)的燃料和空氣內(nèi)部分級使所有燃氣渦輪機工況下的燃燒過程穩(wěn)定。簡而言之，在所有的發(fā)動機負載條件下，所公開的燃燒器都提供穩(wěn)定點火和燃燒 過程。與本發(fā)明的燃燒器有關(guān)的一些重要特征是燃燒器元件的幾何方位；在燃燒器內(nèi)分級的燃料和空氣量；在不同的發(fā)動機/燃燒器工況下產(chǎn)生的所需活性物_基的最小量；燃料屬性；在不同發(fā)動機工況下燃料和空氣的混合；賦予的旋流水平(impartedlevel of swirl)；多個(最小是雙燃道)燃道布局。為了達到盡可能低的排放水平，本發(fā)明的目標是在貧油預混通道的出口具有一致 的混合屬性。本公開覆蓋如下情況在燃燒器內(nèi)存在兩個不同的燃燒區(qū)，在這兩個燃燒區(qū) 中，燃料總是同時燃燒。兩個燃燒區(qū)都是旋流穩(wěn)定的，燃料和空氣在燃燒過程前被預混合。 超過90 %的燃料都被燃燒的主燃燒過程是貧油的。支持性燃燒過程發(fā)生在小的導引燃燒室 內(nèi)部，其中最多有的總?cè)剂狭鞅幌模撨^程可以是貧油的，化學計量的(或稱理論配 比的)和富油的(當量比Φ = 1.4或者更高)。所公開的燃燒器和現(xiàn)有技術(shù)文獻中給出的燃燒器之間的一個重要的不同之處在 于由于本發(fā)明使用從導引燃燒室的燃燒區(qū)沿導引燃燒室的中心線向下游方向引導的未熄 自由基流，所以在導引燃燒室中不需要非流線體，所述自由基流通過導引燃燒室的喉狀部 的全開區(qū)域在導引燃燒室的出口被釋放。小導引燃燒室中的支持性燃燒過程可以是貧油的、化學計量的或者富油的，并在 所有的發(fā)動機負載條件下都能提供穩(wěn)定點火和燃燒過程的主要原因與燃燒效率有關(guān)。由于 高的表面面積導致導引燃燒室壁上的火焰熄滅，所以發(fā)生在小燃燒室導引器中的燃燒過程 效率低。不管是貧油的、化學計量的或者富油的情況，低效率的燃燒過程會產(chǎn)生大量的活性 物——自由基，需要這些活性物來提高主貧油火焰的穩(wěn)定性，且他們對于本燃燒器的設(shè)計/ 發(fā)明的成功工作是有益的(注預混貧油空氣/燃料混合物中出現(xiàn)的火焰在本文中被稱作 貧油火焰)。要維持(但不點火，原因是小導引燃燒室可以作為火舌式點火器)主回流區(qū)的剪 切層在低于主貧油火焰的貧油熄滅(Lean Blow Off，簡稱LB0)極限下(大致是T> 1350K， φ>0.25 )的燃燒可能是非常困難的。發(fā)動機在低于主貧油火焰的LBO極限下工作時，在 本燃燒器設(shè)計中，使用/提供附加的小燃燒室導引器的“分級(staging)”。用來冷卻小導 引燃燒室內(nèi)壁的空氣(通過結(jié)合撞擊和對流冷卻來進行)占流過燃燒器的總空氣的大約 5-8%，其在到達旋流器前與燃料預混合?？梢詫⑾鄬Υ蟮娜剂狭考尤氲叫б紵依鋮s 空氣中，這對應(yīng)非常富油的當量比(φ>3)。旋流冷卻空氣、燃料以及來自小導引燃燒室的 熱燃燒產(chǎn)物可以非常有效地維持主貧油火焰在低于、處在、大于LBO極限時的燃燒。燃燒過 程是非常穩(wěn)定、有效的，其原因在于與燃料預混合的熱燃燒產(chǎn)物和非常熱的冷卻空氣(大 于750°C )將熱和活性物(自由基)提供給主火焰回流區(qū)的前駐點。在此燃燒過程中，與預 混合了燃料的非常熱的冷卻空氣(大于750°C)結(jié)合的小導引燃燒室充當了無焰燃燒器，在 此處，反應(yīng)物(氧氣和燃料)與燃燒產(chǎn)物預混合，并且在旋流引起的回流區(qū)的前駐點產(chǎn)生分散火焰。為了使本申請中公開的燃燒器能正常工作穩(wěn)定運行，要求賦予的旋流水平和旋流 數(shù)(公式1)大于臨界值(不低于0.6，不大于0. 8)，在該臨界值處旋渦瓦解——回流區(qū)會 形成，并且會固定地位于多燃道布局中。前駐點P應(yīng)位于燃道內(nèi)，并處于導引燃燒室的出口 處。此要求的主要原因在于如果賦予的旋流水平低而且所產(chǎn)生的旋流數(shù)低于0. 6，則對于大部分燃燒器的幾 何結(jié)構(gòu)而言，會形成弱回流區(qū)，從而出現(xiàn)不穩(wěn)定的燃燒。需要有強回流區(qū)來將熱量和自由基從之前燃燒的燃料和空氣中朝火焰前緣方向 傳回上游。需要確實的強回流區(qū)來提供剪切層區(qū)域，在該剪切層區(qū)域中，湍流火焰速率可 以“匹配”或者與局部的燃料/空氣混合物成正比例，并且可以建立起穩(wěn)定的火焰。主回流 區(qū)的剪切層中建立起來的火焰前緣必須是穩(wěn)定的，火焰前緣不會出現(xiàn)周期運動或者移動。 賦予的旋流數(shù)可以是高的，但不應(yīng)高于0. 8，原因在于，如果為0. 8或者高于0. 8，那么超過 總?cè)剂狭?0%的燃料流會回流回去。旋流數(shù)的進一步增長不會再使燃燒產(chǎn)物回流物的量 再增長，在回流區(qū)的剪切層中的火焰會遇到高的湍流和張力，這可能導致火焰熄滅、局部熄 滅和重燃。本公開覆蓋如下情況任何類型的旋流發(fā)生器——徑向的、軸向的、軸向-徑向 的——都可以用在該燃燒器中。在本公開中，示出的是徑向旋流器構(gòu)形。燃燒器利用了火焰的空氣動力學穩(wěn)定性，并在多燃道布局中，將火焰局限于穩(wěn)定 區(qū)——回流區(qū)。多燃道布局是本發(fā)明提供的燃燒器設(shè)計的一個重要特征，其原因如下。該 燃道(或者稱作擴散器)提供了將火焰駐定(anchor)在空間預定位置的火焰前緣(主回流區(qū))，而不需要 將火焰駐定在固體表面/非流線形體上，這樣就避免了高的熱負荷以及與燃燒器機械完整 性有關(guān)的問題；幾何形狀(燃道半角α和長度L)對于控制與旋流數(shù)關(guān)聯(lián)的回流區(qū)的大小和形狀 是重要的?；亓鲄^(qū)的長度粗略地與2-2. 5倍的燃道長度成正比例；最佳長度L的數(shù)量級L/D = 1 (D是燃道喉狀部的直徑)。燃道的最小長度不應(yīng)該 比L/D = 0. 5小，并且不大于L/D = 2 ；最佳半角α不應(yīng)小于20度，并且不大于25度，這樣與較不局限的火焰前緣相比， 允許在穩(wěn)定性降低之前有較低的旋流；以及由于燃燒造成的熱氣體的膨脹使回流區(qū)中自由基的傳輸時間減小，因此最重要的 任務(wù)就是控制回流區(qū)的大小和形狀。


圖1是簡化的橫截面圖，其示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的封裝在外殼中的 燃燒器，但是該圖中并沒有示出燃燒器如何配置在所述外殼內(nèi)部的具體細節(jié)。圖2是燃燒器的橫截面圖，其示意性地示出了對稱軸上的區(qū)段，繞對稱軸的旋轉(zhuǎn) 形成一個旋轉(zhuǎn)體，其顯示了燃燒器的布局。圖3示出了火焰隨旋流數(shù)、賦予的旋流水平和當量比變化的火焰穩(wěn)定極限的圖
7J\ ο圖4a示出了燃燒室近場空氣動力學的圖示。
圖4b示出了燃燒室近場空氣動力學的圖示。圖5示出了湍流強度的圖示。圖6示出了弛豫時間(relaxation time)隨燃燒壓力變化的圖示。圖7用透視解說明了旋流器3入口處的燃料管15。
具體實施例方式下文將參考所公開的附圖，更加詳細地描述多個實施例。在圖1中，用具有外殼2的燃燒器1來描述燃燒器，外殼2封裝了燃燒器組件。為清楚起見，圖2示出了旋轉(zhuǎn)對稱軸上的燃燒器的橫截面圖。燃燒器的主要部分 是徑向旋流器3、多個燃道4a，4b，4c和導引燃燒室5。如前所述的，燃燒器1是根據(jù)如下原理工作的，即將熱量和高濃度的自由基從導 引燃燒室5的排放口 6 “供應(yīng)”到在貧油預混空氣/燃料旋流中燃燒的主火焰7，從而維持 主貧油預混火焰7的快速穩(wěn)定燃燒，其中貧油預混空氣/燃料旋流出自第一貧油預混通道 10的第一出口 8和第二貧油預混通道11的第二出口 9。所述第一貧油預混通道10由多個 燃道的壁4a和4b形成，并介于這兩者之間。第二貧油預混通道11由多燃道的壁4b和4c 形成，并介于這兩者之間。多燃道的最外面的旋轉(zhuǎn)對稱壁4c配備有延伸部4cl，以提供多燃 道布局的最佳長度。第一貧油預混通道10和第二貧油預混通道11配備有旋流器翼，構(gòu)成 旋流器3，以將旋轉(zhuǎn)施加到穿過通道的空氣/燃料混合物中?？諝?2在所述第一通道和第二通道處的入口 13處被提供給第一貧油預混通道10 和第二貧油預混通道11。根據(jù)所示的實施例，旋流器3位于第一通道和第二通道的入口 13 附近。而且，燃料14是通過管道15引入到空氣/燃料旋流中的，管道15配備了小的擴散 孔15b，這些孔位于旋流器3兩翼之間的空氣12的入口 13處，籍此，燃料以噴射方式通過所 述孔分散到空氣流中，并與空氣流有效混合。額外的燃料可以通過從第一通道10伸出的第 二管道16添加。當貧油預混空氣/燃料流燃燒時，產(chǎn)生主火焰7?；鹧?在主回流區(qū)20 (下文有時 也簡寫為RZ)周圍形成圓錐形的旋轉(zhuǎn)對稱剪切層18。在這個示例燃道4c中，火焰7被包圍 在最外側(cè)燃道的延伸部4cl的內(nèi)部。導引燃燒室5供應(yīng)熱量，并將高濃度的自由基直接補充到前駐點P和引入主旋流 的回流區(qū)20的剪切層18中，主貧油預混流在此與導引燃燒室5提供的熱氣體產(chǎn)物混合。導引燃燒室5配備有壁21，壁21包圍著用于導引燃燒區(qū)22的燃燒間。空氣通過 燃料通道23和空氣通道24被供應(yīng)到燃燒間。在導引燃燒室5的壁21周圍，有分配板25， 分配板的板面上有孔。所述分配板25與所述壁21間隔一定距離，形成冷卻空間層25a。冷 卻空氣26通過冷卻入口 27被吸入，并來到所述分配板25的外部，屆時，冷卻空氣26分布 在導引燃燒室的壁21上，以有效冷卻所述壁21。在經(jīng)過所述冷卻后，冷卻空氣26通過設(shè)置 在導引燃燒室5的導引燃道29周圍的第二旋流器28釋放。通過給設(shè)置于冷卻空間層25a 外部周圍的管子30中供應(yīng)燃料，其他燃料可被加入到燃燒的主貧油火焰7中。然后所述其 他燃料出來，進入到第二旋流器28中，在此，目前正熱的冷卻空氣26和通過管子30添加的 燃料被有效混合?？梢詫⑾鄬Υ罅康娜剂霞尤氲叫б紵?冷卻空氣中，這對應(yīng)著非常富油的當量比(φ>3 )。來自小導引燃燒室的旋流冷卻空氣、燃料以及熱的燃燒產(chǎn)物可以非常有效 地維持主貧油火焰7在低于、處在、大于LBO極限情況下的燃燒。燃燒過程非常穩(wěn)定、有效， 其原因在于熱的燃燒產(chǎn)物和與燃料預混合的非常熱的冷卻空氣(大于750°C )將熱量和 活性物(自由基)提供給主火焰回流區(qū)20的前駐點P。在該燃燒過程中，與預混合了燃料 的非常熱的冷卻空氣(大于750°C)結(jié)合的小導引燃燒室5充當了無焰燃燒器，反應(yīng)物(氧 氣和燃料)在此與燃燒產(chǎn)物預混合，在旋流引起的回流區(qū)20的前駐點P產(chǎn)生分散的火焰。為了使本申請中公開的燃燒器1能正常穩(wěn)定地工作運行，要求賦予的旋流水平和 旋流數(shù)(公式1)大于臨界值(不低于0.6，不大于0.8，參見圖3)，在所述臨界值處，旋渦會 瓦解——回流區(qū)20會形成并且會固定地位于多燃道4a，4b，4c布局中。前駐點P應(yīng)位于燃 道4a，4b，4c內(nèi)導引燃燒室5的出口 6處。此要求的一些主要原因在發(fā)明內(nèi)容部分提到過。 另外的原因在于如果旋流數(shù)大于0. 8，則旋流會延伸到燃燒室的出口，這可能導致汽輪機隨后的導 向葉片過熱。以下給出對賦予的旋流水平和旋流數(shù)要求的概述。參見圖4a和4b。賦予的旋流水平(切向力矩和軸向力矩之間的比率)必須高于臨界水平 (0. 4-0. 6)，從而使得能夠形成穩(wěn)定的中心回流區(qū)20。臨界旋流數(shù)Sn也隨燃燒器的幾何形 狀而變，這也就是它在0. 4和0. 6之間變化的原因。如果賦予的旋流數(shù)小于等于0. 4，或者 在0. 4-0. 6的范圍內(nèi)，則主回流區(qū)20根本不會形成，或者在低的頻率(低于150Hz)下可以 周期性形成、消失，所產(chǎn)生的空氣動力學可能是非常不穩(wěn)定的，會導致瞬變的燃燒過程。在穩(wěn)定、不變的回流區(qū)20的剪切層18中，如有強的速度梯度和湍流水平，則火焰 可以在以下條件下穩(wěn)定湍流火焰速度(ST) >燃料/空氣混合物的局部速率(UF/A)。回流產(chǎn)物是位于回流區(qū)20內(nèi)的熱源和活性物(通過箭頭Ia和Ib標示)，在燃燒 器1的混合區(qū)段下游空間和時間上必須是靜止的，以能夠高溫分解進來的燃料和空氣混合 物。如果穩(wěn)定的燃燒過程不占主導地位，那么會出現(xiàn)熱學_聲學不穩(wěn)定性。旋流穩(wěn)定火焰的長度是短達噴射火焰的五分之一，并且具有明顯較為貧油的吹滅 極限。預混或湍流擴散燃燒旋流提供了一種有效的燃料和空氣預混合方式。夾帶進入回流區(qū)20的剪切層的燃料/空氣混合物與回流區(qū)的強度、旋流數(shù)和特征 回流區(qū)速率URZ成比例。該特征回流區(qū)速率URZ可以表示為URZ = UF/Af (MR, dF/A, cent/dF/A, SN)，其中MR = rcent (UF/A, cent) 2/rF/A (UF/A) 2實驗(Driscolll990,Whitelawl991)表明RZ 強度=(MR) exp-1/2 (dF/A/dF/A, cent) (URZ/UF/A) (b/dF/A)，并且MR應(yīng)該<1。(dF/A/dF/A, cent)僅對于湍流擴散火焰而言是重要的?；亓鲄^(qū)的大小/長度是“固定的”，與2-2. 5dF/A成比例。在Sn = 0. 8之上，不管Sn再增加到多高，大約不超過80%的物質(zhì)質(zhì)量會回流。
在燃燒器喉狀部下游增加燃道-分散壁改善了回流(Balchelor 67，Hallet 87， Lauckel 70, Whitelow 90) ；Lauckel 70 表明最佳的幾何形狀參數(shù)是α =20° -25° ；L/ dF/A, min = 1或者更高。這意味著dquarl/dF/A = 2_3，但火焰穩(wěn)定性表明對于接近2的值，可達到更貧油 的貧油吹滅極限(Whitelaw 90)。實驗和實際經(jīng)驗還表明由于存在逆燃風險，因而對預混火焰而言，UF/A應(yīng)該高于 30-50m/s(Proctor 85)。如果在燃道出口處設(shè)置背面步驟(backfacing step)，則形成外部RZ。外部RZ的 長度LERZ通常為2/3hERZ。000活性物——自由基在旋流穩(wěn)定燃燒中，通過將熱量和自由基31從之前燃燒的燃料和空氣中向上游 送回火焰前緣7來使燃燒過程開始并達穩(wěn)定。如果燃燒過程非常貧油，如貧油部分預混燃 燒系統(tǒng)中的情況那樣，那么將會造成燃燒溫度低，自由基的平衡水平也非常低。同樣，在高 發(fā)動機壓力下，由燃燒過程產(chǎn)生的自由基很快松馳到(或稱重新平衡到)與燃燒產(chǎn)物的溫 度相對應(yīng)的平衡水平，參見圖6。這是由于該自由基松馳到平衡態(tài)的速率是隨著壓力的增加 而呈指數(shù)級地增加的，而另一方面，自由基的平衡水平是隨著溫度的降低而呈指數(shù)級降低 的。用于使燃燒開始的自由基的水平越高，燃燒過程就會越快速、越穩(wěn)定。在較高壓力下， 現(xiàn)代燃氣渦輪發(fā)動機中的燃燒器在貧油部分預混模式下工作時，自由基的松馳時間相比自 由基從其在主回流區(qū)20的剪切層18中產(chǎn)生的那點往回向上游朝向火焰前緣7和主回流區(qū) 20的前駐點P向下游對流(用箭頭31表示)所需的“運送”時間可能要短。結(jié)果，等到主 回流區(qū)20內(nèi)反向流動的自由基31的流將自由基31送回火焰前緣7時，并且當自由基開始 與從第一通道10和第二通道11進入的“新鮮”預混貧油燃料和空氣混合物在前駐點P混 合以點燃/維持燃燒過程時，自由基31可能已經(jīng)達到低的平衡水平。本發(fā)明利用自由基32的高的不平衡水平來使主貧油燃燒7穩(wěn)定。在本發(fā)明中，小 導引燃燒室5的尺寸被保持成小的，大多數(shù)的燃料燃燒發(fā)生在貧油預混主燃燒室(7和18 處)中，而不是在小導引燃燒室5中。小導引燃燒室5能夠被保持成小尺寸，原因在于自由 基32是在靠近主回流區(qū)20的前駐點P處被釋放的。這通常是將額外的熱量和自由基供應(yīng) 到旋流穩(wěn)定燃燒的最為有效的位置⑵。由于小導引燃燒室5的出口 6位于主貧油回流20 的前駐點P，所以熄滅和利用自由基32之間的時間比例非常短，不允許自由基32松馳到低 的平衡水平。主貧油回流區(qū)20的前駐點P被維持，并在小導引燃燒室5的出口 6處在空氣 動力學上穩(wěn)定于燃道(4a)中。為了保證小導引燃燒室5內(nèi)與貧油、化學計量或者富油燃燒 (區(qū)域22)的距離和時間盡可能短和直接，小導引燃燒室5的出口的位置被定位在中心線上 小導引燃燒室5的喉狀部33處。在中心線上小導引燃燒室5喉狀部33處，在燃道4a內(nèi)， 自由基32與來自管子30和空間25a的充分預加熱的燃料和空氣混合物貧油燃燒的產(chǎn)物31 混合，隨后再與貧油主回流區(qū)20的剪切層18中的預混燃料14和空氣12混合。這對于本來 固有最嚴重熱力學聲學不穩(wěn)定性的高壓力燃氣渦輪發(fā)動機是非常有利的。同樣，由于自由 基和由小導引燃燒室5產(chǎn)生的熱被有效利用，因此其尺寸能夠較小，而且不需要熄滅過程。 保持導引燃燒室5尺寸小的可能性對于排放具有有益效果。
具有多燃道布局的燃燒器幾何結(jié)構(gòu)所述燃燒器利用了火焰的空氣動力學穩(wěn)定性，并將火焰穩(wěn)定區(qū)域——回流區(qū)5界 定在多個燃道布局(4a，4b和4c)中。多燃道(術(shù)語多燃道在本文中有時用作多燃道區(qū)段， 它們限定了燃燒器的完整燃道)布局之所以成為所公開的燃燒器設(shè)計的一個重要特征的 原因如下。燃道(或者有時稱作擴散器)·提供火焰前緣7，(在不需要將火焰駐定在固體表面/非流線形體的情況下使主 回流區(qū)20駐定)，這樣避免了高的熱負荷以及與燃燒器機械完整性有關(guān)的問題，·幾何形狀(燃道半角α和長度L)與旋流數(shù)結(jié)合，對于控制回流區(qū)20的大小和 形狀是重要的?；亓鲄^(qū)20的長度粗略地與2-2. 5倍的燃道長度L成正比例， 最佳長度的數(shù)量級L/D= 1(D是燃道喉狀部的直徑)。燃道的最小長度不應(yīng) 小于 0. 5,并且不應(yīng)大于 2 (參考文獻 1 :The influence of Burner Geometry and Flow Rates on the Stability and Symmetry of Swirl-Stabilized Nonpremixed Flames ； V. Milosavljevic 等人；Combustion and Flame 80，第 196-208 頁，1990)，·最佳半角α (參考文獻1)不應(yīng)小于20度，并且不大于25度，·與較不局限的火焰前緣相比，在穩(wěn)定性降低之前可以有較低的旋流數(shù)，·由于燃燒造成的膨脹，重要的是控制回流區(qū)的大小和形狀，降低回流區(qū)中自由基 的傳輸時間。燃燒器的縮放對于不同的燃燒器功率，燃道(或者擴散器)和賦予的旋流提供了簡單地縮放所 公開的燃燒器的幾何尺寸比例的可能性。按比例縮小燃燒器(示例)·通道11應(yīng)該被去掉，形成燃道區(qū)段4c的殼體因此應(yīng)該代替之前形成燃道區(qū)段 4b的殼體，該殼體已被去除；燃道區(qū)段4c的幾何形狀應(yīng)該與之前存在的燃道區(qū)段4b的幾 何形狀一樣， 通道10中的旋流數(shù)應(yīng)該保持相同，·所有其它的燃燒器部分應(yīng)該是相同的；在燃燒器內(nèi)分級的燃料應(yīng)該保持相同或 者相似。按比例放大燃燒器 通道10和11應(yīng)該保持原樣，·燃道區(qū)段4c應(yīng)該設(shè)計成和燃道區(qū)段4b —樣(成型為薄的分隔板)， 新的第三通道(本文假定稱作11b，未公開)應(yīng)該被設(shè)置在外部，第二通道11周 圍，新的燃道區(qū)段4d(僅示出在示意性燃道附8中)被設(shè)置在外部第二通道11周圍； 由此形成第三通道的外壁；新的燃道區(qū)段4d的形狀應(yīng)該與前一個最外面的燃道區(qū)段4c的 形狀類似。·通道中的旋流數(shù)應(yīng)該是SN，10 > SN, 11 > SN, 11b，但應(yīng)該大于Sn = 0. 6，但不大 于0. 8·所有其它燃燒器部分應(yīng)該是相同的·燃燒器操作和燃燒器內(nèi)分級的燃料應(yīng)該保持相同或者類似。燃料分級和燃燒器操作
當點火器34與在現(xiàn)有技術(shù)的燃燒器中一樣被置于外部回流區(qū)時(如圖4b中所 示)，進入此區(qū)域的燃料/空氣混合物通常必須被制成富油的，以便使得火焰溫度足夠熱， 從而維持該區(qū)域的穩(wěn)定燃燒。在主預混燃料和空氣流變得足夠富油、足夠熱，并具有足夠量 的自由基之前，火焰通常不會傳播到主回流區(qū)。當火焰在點火后不久不能從外部回流區(qū)傳 播到內(nèi)部主回流區(qū)時，必須在發(fā)動機速率開始增加時，使火焰以較高的壓力傳播。僅在燃燒 室壓力開始上升之后，主火焰開始從外部回流區(qū)的傳播會導致自由基更快速向低的平衡水 平重新平衡，這是不期望的特性，對于在主回流區(qū)的前駐點點燃火焰的情況而言，它是是起 反作用的。直到導引器將總體溫度(bulk temperature)升高到某一水平時，主回流區(qū)才會 點火，其中在所述某一水平處，主回流區(qū)中夾帶的自由基和預混燃料和空氣中加入自由基 的產(chǎn)物的平衡水平足以點燃主回流區(qū)。在使火焰從外部傳播到主回流區(qū)的過程中，大量的 燃料不燃燒就以未點燃的主預混燃料和空氣混合物離開發(fā)動機。如果火焰在某個燃燒器中 是在同一發(fā)動機中的其他燃燒器之前轉(zhuǎn)移到主回流區(qū)的，那么將會出現(xiàn)問題，原因在于由 于所有的燃料都被燃燒，因而火焰被穩(wěn)定在內(nèi)部的燃燒器會燒得更熱。這導致燃燒器與燃 燒器之間的溫度不同，而這可能會損壞發(fā)動機組件。本發(fā)明還允許在主回流區(qū)20的前駐點P處點燃主燃燒7。大多數(shù)燃氣渦輪發(fā)動機 必須使用外部回流區(qū)(參見圖4b)作為火花或者火舌式點火器點燃發(fā)動機的位置。如果還 能出現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，則能夠進行點火；否則在點火后會立即被吹滅。如在本發(fā)明中，內(nèi)部或主 回流區(qū)22通常在穩(wěn)定火焰方面更加成功，原因是回流的氣體31被運送回去，來自回流氣體 31的燃燒產(chǎn)物的熱量集中到主回流區(qū)20的前駐點P處的小區(qū)域。燃燒火焰前緣7也從此 前駐點P以圓錐形狀向外擴展，如圖2所示。下游的圓錐形膨脹使得上游產(chǎn)生的熱量和自 由基32能維持下游的燃燒，使火焰前緣7在向下游移動時加寬。與沒有燃道的旋流穩(wěn)定燃 燒相比，圖2所示的燃道(4a，4b，4c)顯示出燃道是如何從本質(zhì)上將火焰的形狀變得更加圓 錐化而不那么半球化。更加圓錐化的火焰前緣使熱的點源能有效開始整個流場的燃燒。在本發(fā)明中，燃燒器1內(nèi)的燃燒過程是分級的。在第一級，即點火級中，通過添加 與空氣24混合的燃料23，并利用點火器34點燃混合物，在小導引燃燒室5中產(chǎn)生貧油火 焰35。點火后，小導引燃燒室5中火焰35的當量比被調(diào)節(jié)到貧油狀態(tài)(低于當量比1，大 約為0.8的當量比)或者富油狀態(tài)(大于當量比1，當量比大約介于1.4和1.6之間)。小 導引燃燒室5內(nèi)的當量比處于范圍在1. 4和1. 6之間的富油條件的原因是排放水平。在化 學計量情況下(當量比為1)，可以操作并維持小導引燃燒室5中的火焰35，但由于可能導 致高的排放水平、壁21較高的熱負荷，所以并不建議這樣做。操作并維持小導引燃燒室中 的火焰35處于貧油或者富油條件的好處是產(chǎn)生的排放物和壁21的熱負荷低。在下一級，即第二低負載級中，燃料通過管子30被添加到冷卻空氣27，并在旋流 器28中被賦予旋流運動。這樣可以有效維持主貧油火焰7在低于、處于或者高于LBO極限 時的燃燒?？梢蕴砑拥綗岬睦鋮s空氣(經(jīng)預加熱的，溫度大大高于750°C)的燃料量可以對 應(yīng)于當量比> 3。在燃燒器操作的下一級，第三部分和全負載級燃料15a被逐漸添加到空氣12，這 是到達主火焰7的主空氣流。
權(quán)利要求
一種用于放大燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒器(1)尺寸的方法，其中所述燃燒器包括燃燒器外殼(2)，而且所述燃燒器具有軸向相對的上游端部和下游端部；在所述燃燒器(1)的上游端，燃料(14)和空氣(12)被提供成從預混通道(10)的出口(8)中出來的空氣和燃料混合物，以用于維持所述燃燒器(1)的下游端的主火焰(7)；所述預混通道(10)在其出口(8)處由內(nèi)燃道區(qū)段(4a)形成的環(huán)形內(nèi)壁和由外燃道區(qū)段(4b)形成的環(huán)形外壁限定；其特征在于所述方法包括以下步驟通過在先前所述的最外面的燃道區(qū)段(4b)的外部周圍增加燃道區(qū)段(4c)從而在所增加的燃道區(qū)段(4c)和已有的外燃道區(qū)段(4b)之間形成環(huán)形空間，并通過由先前所述的最外面燃道區(qū)段(4b)形成的圓形內(nèi)壁和由所增加的燃道區(qū)段(4c)形成的圓形外壁在其出口(9)處限定出增加的預混通道(11)，來增大燃燒器(1)的尺寸；所述燃道區(qū)段(4a，4b，4c)限定了用于容納所述燃燒器(1)的所述主火焰(7)的燃燒間，其中外燃道區(qū)段(4c，4b)的直徑大于相鄰的內(nèi)燃道區(qū)段(4b，4a)的直徑，并且外燃道區(qū)段(4c，4b)比相鄰的內(nèi)區(qū)段(4b，4a)向下游延伸出的距離更大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括以下步驟通過在所述先前最外面的燃道區(qū)段(4c)的外部周圍增加燃道區(qū)段(4d)從而在所增加 的燃道區(qū)段(4d)和現(xiàn)有的外燃道區(qū)段(4c)之間形成環(huán)形空間，并通過由所述先前最外面 的燃道區(qū)段(4c)形成的圓形內(nèi)壁和由所增加的燃道區(qū)段(4d)形成的圓形外壁在其出口處 限定出增加的預混通道(11b)，來增大燃燒器⑴的尺寸；所述燃道區(qū)段(4a，4b，4c，4d)限定了用于容納所述燃燒器⑴的所述主火焰(7)的燃 燒間，其中外燃道區(qū)段(4d，4c，4b)的直徑大于相鄰的內(nèi)燃道區(qū)段(4c，4b，4a)的直徑，并且 外燃道區(qū)段(4d，4c，4b)比其相鄰的內(nèi)區(qū)段(4c，4b，4a)向下游延伸出的距離更大。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，進一步包括以下步驟設(shè)置提供給所述通道(10，11，lib)的空氣/燃料混合物的旋流數(shù)，以根據(jù)SN，10 > Sn, 11 > SN, lib來保持旋流數(shù)，但所述旋流數(shù)應(yīng)該全部大于Sn = 0. 6，但不大于0. 8。
4.一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒器(1)中的可縮放的燃道， 燃燒器(1)具有軸向相對的上游端部和下游端部；燃料和空氣被混合并提供給所述燃燒器(1)，然后燃燒在所述燃燒器(1)的主火焰(7) 中燃燒，燃道(4a，4b，4c)被設(shè)置成容納所述主火焰(7)， 其特征在于所述可縮放的燃道由多個燃道區(qū)段(4a，4b，4c)制成，其中每個燃道區(qū)段(4a，4b，4c) 具有截錐形的錐殼構(gòu)形，并且相繼依次分布在燃燒器(1)的下游方向，其中下游燃道區(qū)段 (4b)的殼體的最窄部分圍繞在最近的上游燃道區(qū)段(4a)的殼體的最寬部分，用于預混空氣和燃料的環(huán)形通道(10，11)被設(shè)置在兩個連續(xù)的燃道區(qū)段(4a，4b)之間，所述燃道被設(shè)置成使另外的燃道區(qū)段(4c，4d)能夠被增加到現(xiàn)有數(shù)目的至少兩個燃 道區(qū)段(4a，4b)，以及所述燃道被設(shè)置成使所增加的燃道區(qū)段(4d，4c)能夠被移去，直至保持最少的兩個燃 道區(qū)段(4a，4b)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于確定燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒器(1)尺寸的方法，所述燃燒器包括燃燒器外殼(2)，其中，在燃燒器(1)的上游端由預混通道(10)提供燃料(14)和空氣(12)混合物，以維持燃燒器(1)的下游端的主火焰(7)，其中在其出口(8)處通過由內(nèi)燃道區(qū)段(4a)形成的圓形內(nèi)壁和由外燃道區(qū)段(4b)形成的圓形外壁來限定出預混通道(10)。根據(jù)本發(fā)明，通過在所述燃道區(qū)段(4b)外部周圍增加燃道區(qū)段(4c)并在所增加的燃道區(qū)段(4c)和已有的外燃道區(qū)段(4b)之間形成環(huán)形空間，并通過由所述先前最外面的燃道區(qū)段(4b)形成的圓形內(nèi)壁和由所增加的燃道區(qū)段(4c)形成的圓形外壁在其出口(9)處限定出預混通道(11)，可以增大燃燒器(1)的尺寸，其中所述燃道區(qū)段(4a，4b，4c)限定了用于容納所述主火焰(7)的燃燒間，其中外燃道區(qū)段(4c，4b)的直徑大于相鄰的內(nèi)燃道區(qū)段(4b，4a)的直徑，并且外燃道區(qū)段(4c，4b)比相鄰的內(nèi)區(qū)段(4b，4a)向下游延伸出的距離更大。
文檔編號F23R3/34GK101981379SQ200980111262
公開日2011年2月23日 申請日期2009年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月1日
發(fā)明者V·米洛薩夫萊維克 申請人:西門子公司