專利名稱：燃燒器中的燃料分級(jí)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及優(yōu)選用在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒器，更具體地涉及適于使發(fā)動(dòng)機(jī)燃 燒穩(wěn)定的燃燒器的燃料分級(jí)，而且進(jìn)一步涉及用導(dǎo)引燃燒室(pilot combustor)來提供燃 燒產(chǎn)物以使主貧油預(yù)混燃燒穩(wěn)定的燃燒器中的燃料分級(jí)。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)被用在包括發(fā)電、軍用商用航空、管道運(yùn)輸以及海運(yùn)在內(nèi)的各種 應(yīng)用中。在以LPP模式工作的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃料和空氣被提供給燃燒室，并在此混合 后被火焰點(diǎn)燃，從而開始燃燒。除熱效率、燃料和空氣的適當(dāng)混合之外，與燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī) 的燃燒過程有關(guān)的主要問題與火焰穩(wěn)定、脈動(dòng)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?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在以LPP模式工作時(shí)，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(xué)計(jì)量點(diǎn)(或稱理論配比點(diǎn)))，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(jià)氮原子 和氧原子汎和O2)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(dòng)機(jī)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 InducedRecirculating Zone)，從而使逆流將熱和自由基返回進(jìn)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?xì)?渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)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(yù)混燃燒不如擴(kuò)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(xué)計(jì)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(yù)混火焰出現(xiàn)貧油熄滅時(shí)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(shí)，貧油局部預(yù)混火焰的火焰速率對(duì)于當(dāng)量比波動(dòng)非常敏 感?；鹧嫠俾实牟▌?dòng)可以導(dǎo)致火焰前緣(旋流引起的回流區(qū))的空間波動(dòng)/運(yùn)動(dòng)。預(yù)混火 焰較不穩(wěn)定的易于移動(dòng)的火焰前緣導(dǎo)致周期性的熱釋放率，這又會(huì)導(dǎo)致火焰運(yùn)動(dòng)、不穩(wěn)定 的流體動(dòng)態(tài)過程以及熱力學(xué)-聲學(xué)不穩(wěn)定性的發(fā)展。3.當(dāng)量比波動(dòng)可能是將不穩(wěn)定的熱釋放與不穩(wěn)定的壓力振動(dòng)相聯(lián)接的最常見耦 連機(jī)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(dòng)機(jī)中使用的幾乎所有的 空氣都必須通過噴射器與燃料預(yù)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(gè)點(diǎn)是固定的。5.當(dāng)發(fā)生反應(yīng)所需的熱量是穩(wěn)定性限制因子時(shí)，燃料/空氣當(dāng)量比的非常小的暫 時(shí)波動(dòng)(可能由燃料的振動(dòng)引起，或者由通過燃燒器/噴射器的空氣流動(dòng)引起)可以使火 焰局部熄滅、重燃。6.預(yù)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(huì) 從燃燒過程中被消除。這使得預(yù)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(dāng)火 焰可以更易于在多個(gè)位置出現(xiàn)時(shí)，會(huì)變得更加不穩(wěn)定。使預(yù)混火焰穩(wěn)定在固定位置的唯一 方法基于未燃燒的預(yù)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(shí)，不會(huì)出現(xiàn)火焰)。這使得熱量的產(chǎn)生、輻射、擴(kuò)散和對(duì)流所產(chǎn)生的熱梯度成為使預(yù)混火焰 穩(wěn)定的一種方法。流體的輻射加熱不會(huì)產(chǎn)生陡的梯度；因此，穩(wěn)定性肯定是由熱量產(chǎn)生、擴(kuò) 散以及對(duì)流到預(yù)反應(yīng)區(qū)而造成的。擴(kuò)散僅會(huì)在層流中產(chǎn)生陡峭的梯度，而不會(huì)在湍流中產(chǎn) 生，僅使得對(duì)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(shí)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(jī) 制產(chǎn)生、擴(kuò)散和對(duì)流的。7.在預(yù)混流以及擴(kuò)散流中，引起分離的快速膨脹和旋流回流通常被用來在預(yù)反應(yīng) 的燃料和空氣中產(chǎn)生熱梯度和自由基。文獻(xiàn)WO 2005/040682A2描述了一種用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器的、使用導(dǎo)引 火焰來幫助維持燃燒過程并使燃燒過程穩(wěn)定的解決方案。當(dāng)點(diǎn)火器與現(xiàn)有技術(shù)的燃燒器中一樣被置于外部回流區(qū)時(shí)，進(jìn)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(yù)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(huì)傳播到主回流區(qū)，而這些是在較高的燃料流速下發(fā)生的。當(dāng)火焰在點(diǎn)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(shí)，必須在發(fā)動(dòng)機(jī)速率開始增加時(shí)，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(huì)導(dǎo)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(duì)于在主回流區(qū)的前駐點(diǎn)點(diǎn)燃火焰的情 況而言，它是是起反作用的。直到導(dǎo)引器將總體溫度(bulk temperature)升高到某一水平 時(shí)，主回流區(qū)才會(huì)點(diǎn)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(yù)混燃料和空 氣中加入自由基的產(chǎn)物的平衡水平足以點(diǎn)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(diǎn)燃的主預(yù)混燃料和空氣混合物離開發(fā)動(dòng)機(jī)。如果火焰 在某個(gè)燃燒器中是在同一發(fā)動(dòng)機(jī)中的其他燃燒器之前轉(zhuǎn)移到主回流區(qū)的，那么將會(huì)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(huì)燒得更熱。這導(dǎo) 致燃燒器與燃燒器之間的溫度不同，而這可能會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)組件。

發(fā)明內(nèi)容
作為示例，本文描述了根據(jù)本發(fā)明的燃料分級(jí)的各種方案，連同用于燃?xì)鉁u輪機(jī) 燃燒室的貧油-富油部分預(yù)混低排放燃燒器，其在所有發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載條件下都提供穩(wěn)定的點(diǎn) 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(dǎo)引燃燒室(pilot combustor)的排放口中“供應(yīng)”到在貧油預(yù)混空氣/燃料旋流中燃燒的主火焰，從 而維持主貧油預(yù)混火焰的快速穩(wěn)定燃燒。導(dǎo)引燃燒室供應(yīng)熱量，并將高濃度的自由基直接 補(bǔ)充到前駐點(diǎn)和主旋流引起的回流區(qū)的剪切層，主貧油預(yù)混流與導(dǎo)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(yù)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，本文提出了一種由權(quán)利要求1的特征所表征的用于燃料 分級(jí)的方法。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4 = 0. 6)；靠近前駐點(diǎn)被釋放的活性物-非平衡自由基，具有多個(gè)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(jí)使所有燃?xì)鉁u輪機(jī)工況下的燃燒過程穩(wěn)定。簡(jiǎn)而言之，在所有的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載條件下，所公開的燃燒器都提供穩(wěn)定點(diǎn)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(jí)的燃料和空氣量；在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)/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(dòng)機(jī)工況下燃料和空氣的混合；賦予的旋流水平(impartedlevel of swirl)；多個(gè)(最小是雙燃道)燃道布局。為了達(dá)到盡可能低的排放水平，本發(fā)明的目標(biāo)是在貧油預(yù)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(gè)不同的燃燒區(qū)，在這兩個(gè)燃燒區(qū) 中，燃料總是同時(shí)燃燒。兩個(gè)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(yù)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(dǎo)引燃燒室 內(nèi)部，其中最多有的總?cè)剂狭鞅幌?，該過程可以是貧油的，化學(xué)計(jì)量的(或稱理論配 比的)和富油的(當(dāng)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(xiàn)中給出的燃燒器之間的一個(gè)重要的不同之處在 于由于本發(fā)明使用從導(dǎo)引燃燒室的燃燒區(qū)沿導(dǎo)引燃燒室的中心線向下游方向引導(dǎo)的未熄 自由基流，所以在導(dǎo)引燃燒室中不需要非流線體，所述自由基流通過導(dǎo)引燃燒室的喉狀部 的全開區(qū)域在導(dǎo)引燃燒室的出口被釋放。小導(dǎo)引燃燒室中的支持性燃燒過程可以是貧油的、化學(xué)計(jì)量的或者富油的，并在 所有的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載條件下都能提供穩(wěn)定點(diǎn)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(dǎo)致導(dǎo)引燃燒室壁上的火焰熄滅，所以發(fā)生在小燃燒室導(dǎo)引器中的燃燒過程 效率低。不管是貧油的、化學(xué)計(jì)量的或者富油的情況，低效率的燃燒過程會(huì)產(chǎn)生大量的活性 物一自由基，需要這些活性物來提高主貧油火焰的穩(wěn)定性，且他們對(duì)于本燃燒器的設(shè)計(jì)/ 發(fā)明的成功工作是有益的(注預(yù)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(diǎn)火，原因是小導(dǎo)引燃燒室可以作為火舌式點(diǎn)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(jiǎn)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(dòng)機(jī)在低于主貧油火焰的LBO極限下工作時(shí)，在 本燃燒器設(shè)計(jì)中，使用/提供附加的小燃燒室導(dǎo)引器的“分級(jí)(staging)”。用來冷卻小導(dǎo) 引燃燒室內(nèi)壁的空氣(通過結(jié)合撞擊和對(duì)流冷卻來進(jìn)行)占流過燃燒器的總空氣的大約 5-8%，其在到達(dá)旋流器前與燃料預(yù)混合。可以將相對(duì)大的燃料量加入到小導(dǎo)引燃燒室冷卻 空氣中，這對(duì)應(yīng)非常富油的當(dāng)量比(φ>3)。旋流冷卻空氣、燃料以及來自小導(dǎo)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(shí)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(yù)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(diǎn)。在此燃燒過程中，與預(yù) 混合了燃料的非常熱的冷卻空氣(大于750°C)結(jié)合的小導(dǎo)引燃燒室充當(dāng)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(yù)混合，并且在旋流引起的回流區(qū)的前駐點(diǎn)產(chǎn)生分 散火焰。為了使本申請(qǐng)中公開的燃燒器能正常工作穩(wěn)定運(yùn)行，要求賦予的旋流水平和旋流 數(shù)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一回流區(qū)會(huì)形成，并且會(huì) 固定地位于多燃道布局中。前駐點(diǎn)P應(yīng)位于燃道內(nèi)，并處于導(dǎo)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(duì)于大部分燃燒器的幾 何結(jié)構(gòu)而言，會(huì)形成弱回流區(qū)，從而出現(xiàn)不穩(wěn)定的燃燒。需要有強(qiáng)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(shí)的強(qiáng)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(huì)出現(xiàn)周期運(yùn)動(dòng)或者移動(dòng)。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 燃料流80%的燃料流會(huì)回流回去。旋流數(shù)的進(jìn)一步增長(zhǎng)不會(huì)再使燃燒產(chǎn)物回流物的量再增 長(zhǎng)，在回流區(qū)的剪切層中的火焰會(huì)遇到高的湍流和張力，這可能導(dǎo)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)生器一徑向的、軸向的、軸向-徑向的一都 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(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，并在多燃道布局中，將火焰局限于穩(wěn)定 區(qū)一回流區(qū)。多燃道布局是本發(fā)明提供的燃燒器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要特征，其原因如下。該燃 道(或者稱作擴(kuò)散器)提供了將火焰駐定(anchor)在空間預(yù)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(fù)荷以及與燃燒器機(jī)械完整 性有關(guān)的問題；幾何形狀(燃道半角α和長(zhǎng)度L)對(duì)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(zhǎng)度粗略地與2-2. 5倍的燃道長(zhǎng)度成正比例；最佳長(zhǎng)度L的數(shù)量級(jí)L/D = 1 (D是燃道喉狀部的直徑)。燃道的最小長(zhǎng)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(shí)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(jiǎn)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(xì)節(jié)。圖2是燃燒器的橫截面圖，其示意性地示出了對(duì)稱軸上的區(qū)段，繞對(duì)稱軸的旋轉(zhuǎn) 形成一個(gè)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(dāng)量比變化的火焰穩(wěn)定極限的圖
7J\ ο圖如示出了燃燒室近場(chǎng)空氣動(dòng)力學(xué)的圖示。圖4b示出了燃燒室近場(chǎng)空氣動(dòng)力學(xué)的圖示。圖5示出了湍流強(qiáng)度的圖示。圖6示出了弛豫時(shí)間(relaxation time)隨燃燒壓力變化的圖示。
具體實(shí)施例方式下文將參考所公開的附圖，更加詳細(xì)地描述多個(gè)實(shí)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(duì)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(gè)燃道如，仙，如和導(dǎo)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(dǎo) 引燃燒室5的排放口 6 “供應(yīng)”到在貧油預(yù)混空氣/燃料旋流中燃燒的主火焰7，從而維持 主貧油預(yù)混火焰7的快速穩(wěn)定燃燒，其中貧油預(yù)混空氣/燃料旋流出自第一貧油預(yù)混通道 10的第一出口 8和第二貧油預(yù)混通道11的第二出口 9。所述第一貧油預(yù)混通道10由多個(gè) 燃道的壁如和4b形成，并介于這兩者之間。第二貧油預(yù)混通道11由多燃道的壁4b和如 形成，并介于這兩者之間。多燃道的最外面的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱壁4c配備有延伸部如1，以提供多燃 道布局的最佳長(zhǎng)度。第一貧油預(yù)混通道10和第二貧油預(yù)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。空氣12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(yù)混通道10 和第二貧油預(yù)混通道11。根據(jù)所示的實(shí)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(kuò)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(dāng)貧油預(yù)混空氣/燃料流燃燒時(shí)，產(chǎn)生主火焰7?；鹧?在主回流區(qū)20 (下文有時(shí) 也簡(jiǎn)寫為RZ)周圍形成圓錐形的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱剪切層18。在這個(gè)示例燃道如中，火焰7被包圍 在最外側(cè)燃道的延伸部4cl的內(nèi)部。
導(dǎo)引燃燒室5供應(yīng)熱量，并將高濃度的自由基直接補(bǔ)充到前駐點(diǎn)P和引入主旋流 的回流區(qū)20的剪切層18中，主貧油預(yù)混流在此與導(dǎo)引燃燒室5提供的熱氣體產(chǎn)物混合。導(dǎo)引燃燒室5配備有壁21，壁21包圍著用于導(dǎo)引燃燒區(qū)22的燃燒間。空氣通過 燃料通道23和空氣通道M被供應(yīng)到燃燒間。在導(dǎo)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 卻空氣沈通過冷卻入口 27被吸入，并來到所述分配板25的外部，屆時(shí)，冷卻空氣沈分布 在導(dǎo)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，冷卻空氣沈通過設(shè)置 在導(dǎo)引燃燒室5的導(dǎo)引燃道四周圍的第二旋流器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(jìn)入到第二旋流器觀中，在此，目前正熱的冷卻空氣沈和通過管子30添加的 燃料被有效混合?？梢詫⑾鄬?duì)大量的燃料加入到小導(dǎo)引燃燒室5冷卻空氣中，這對(duì)應(yīng)著非常富油的 當(dāng)量比(φ>3)。來自小導(dǎo)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(yù)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(diǎn)P。在該燃燒過程中，與預(yù)混合了燃 料的非常熱的冷卻空氣(大于750°C)結(jié)合的小導(dǎo)引燃燒室5充當(dāng)了無焰燃燒器，反應(yīng)物 (氧氣和燃料)在此與燃燒產(chǎn)物預(yù)混合，在旋流引起的回流區(qū)20的前駐點(diǎn)P產(chǎn)生分散的火 焰。為了使本申請(qǐng)中公開的燃燒器1能正常穩(wěn)定地工作運(yùn)行，要求賦予的旋流水平和 旋流數(shù)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(huì)瓦解一回 流區(qū)20會(huì)形成并且會(huì)固定地位于多燃道4a，4b，如布局中。前駐點(diǎn)P應(yīng)位于燃道4a，4b, 4c 內(nèi)導(dǎo)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(huì)延伸到燃燒室的出口，這可能導(dǎo)致汽輪機(jī)隨后的導(dǎo) 向葉片過熱。以下給出對(duì)賦予的旋流水平和旋流數(shù)要求的概述。參見圖如和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)、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(huì)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(dòng)力學(xué)可能是非常不穩(wěn)定的，會(huì)導(dǎo)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(qiáng)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)?；亓鳟a(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(biāo)示)，在燃燒 器1的混合區(qū)段下游空間和時(shí)間上必須是靜止的，以能夠高溫分解進(jìn)來的燃料和空氣混合 物。如果穩(wěn)定的燃燒過程不占主導(dǎo)地位，那么會(huì)出現(xiàn)熱學(xué)-聲學(xué)不穩(wěn)定性。旋流穩(wěn)定火焰的長(zhǎng)度是短達(dá)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(yù)混或湍流擴(kuò)散燃燒旋流提供了一種有效的燃料和空氣預(yù)混合方式。夾帶進(jìn)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(qiáng)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/A f (MR, dF/A, cent/dF/A, SN)，其中MR = rcent (UF/A, cent) 2/rF/A (UF/A) 2實(shí)驗(yàn)(Driscolll990,Whitelawl991)表明RZ 強(qiáng)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(duì)于湍流擴(kuò)散火焰而言是重要的?；亓鲄^(qū)的大小/長(zhǎng)度是“固定的”，與2-2. 5dF/A成比例。在、=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(huì)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(duì)于接近2的值，可達(dá)到更貧油 的貧油吹滅極限(Whitelaw 90)。實(shí)驗(yàn)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)還表明由于存在逆燃風(fēng)險(xiǎn)，因而對(duì)預(yù)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(zhǎng)度LERZ通常為2/3hERZ。活性物一自由基在旋流穩(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(dá)穩(wěn)定。如果燃燒過程非常貧油，如貧油部分預(yù)混燃 燒系統(tǒng)中的情況那樣，那么將會(huì)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(dòng)機(jī)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(duì)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(jí)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(jí)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(huì)越快速、越穩(wěn)定。在較高壓力下， 現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒器在貧油部分預(yù)混模式下工作時(shí)，自由基的松馳時(shí)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(diǎn)往回向上游朝向火焰前緣7和主回流區(qū) 20的前駐點(diǎn)P向下游對(duì)流(用箭頭31表示)所需的“運(yùn)送”時(shí)間可能要短。結(jié)果，等到主 回流區(qū)20內(nèi)反向流動(dòng)的自由基31的流將自由基31送回火焰前緣7時(shí)，并且當(dāng)自由基開始 與從第一通道10和第二通道11進(jìn)入的“新鮮”預(yù)混貧油燃料和空氣混合物在前駐點(diǎn)P混 合以點(diǎn)燃/維持燃燒過程時(shí)，自由基31可能已經(jīng)達(dá)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(dǎo)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(yù)混主燃燒室(7和18處)中，而不是在小導(dǎo)引燃燒室5中。小導(dǎo)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(diǎn)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(dǎo)引燃燒室5的出口 6位于主貧油回流20 的前駐點(diǎn)P，所以熄滅和利用自由基32之間的時(shí)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(diǎn)P被維持，并在小導(dǎo)引燃燒室5的出口 6處在空氣 動(dòng)力學(xué)上穩(wěn)定于燃道區(qū)段如中。為了保證小導(dǎo)引燃燒室5內(nèi)與貧油、化學(xué)計(jì)量或者富油燃 燒(區(qū)域22)的距離和時(shí)間盡可能短和直接，小導(dǎo)引燃燒室5的出口的位置被定位在中心 線上小導(dǎo)引燃燒室5的喉狀部33處。在中心線上小導(dǎo)引燃燒室5喉狀部33處，在燃道區(qū) 段如內(nèi)，自由基32與來自管子30和空間25a的充分預(yù)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(yù)混燃料14和空氣12混合。 這對(duì)于本來固有最嚴(yán)重?zé)崃W(xué)聲學(xué)不穩(wěn)定性的高壓力燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是非常有利的。同 樣，由于自由基和由小導(dǎo)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(dǎo)引燃燒室5尺寸小的可能性對(duì)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(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，并將火焰穩(wěn)定區(qū)域一回流區(qū)5界定 在多個(gè)燃道布局^⑴仙和如)中。多燃道布局之所以成為所公開的燃燒器設(shè)計(jì)的一個(gè)重 要特征的原因如下。燃道(或者有時(shí)稱作擴(kuò)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(fù)荷以及與燃燒器機(jī)械完整性有關(guān)的問題，·幾何形狀(燃道半角α和長(zhǎng)度L)與旋流數(shù)結(jié)合，對(duì)于控制回流區(qū)20的大小和 形狀是重要的?；亓鲄^(qū)20的長(zhǎng)度粗略地與2-2. 5倍的燃道長(zhǎng)度L成正比例，·最佳長(zhǎng)度的數(shù)量級(jí)L/D = 1(D是燃道喉狀部的直徑)。燃道的最小長(zhǎng)度不應(yīng) 小于 0. 5,并且不應(yīng)大于 2 (參考文獻(xiàn) 1 :The influence of BurnerGeometry and Flow Rates on the Stability and Symmetry of Swirl-StabilizedNonpremixed Flames ； V. Milosavljevic 等人；Combustion and Flame 80，第 196-208 頁，1990)， 最佳半角α (參考文獻(xiàn)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(shí)間。燃燒器的縮放對(duì)于不同的燃燒器功率，燃道(或者擴(kuò)散器)和賦予的旋流提供了簡(jiǎn)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)段如的殼體因此應(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(jí)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)段如應(yīng)該設(shè)計(jì)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(圖中未示出)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(gè)最外面的燃道區(qū)段如的形狀類似?！ねǖ乐械男鲾?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(jí)的燃料應(yīng)該保持相同或者類似。燃料分級(jí)和燃燒器操作本發(fā)明還允許在主回流區(qū)20的前駐點(diǎn)P處點(diǎn)燃主燃燒7。大多數(shù)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī) 必須使用外部回流區(qū)(參見圖4b)作為火花或者火舌式點(diǎn)火器點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的位置。如果還 能出現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，則能夠進(jìn)行點(diǎn)火；否則在點(diǎn)火后會(huì)立即被吹滅。如在本發(fā)明中，內(nèi)部或主 回流區(qū)20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(yùn)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(diǎn)P處的小區(qū)域。燃燒火焰前緣7也從此 前駐點(diǎn)P以圓錐形狀向外擴(kuò)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(dòng)時(shí)加寬。與沒有燃道的旋流穩(wěn)定燃 燒相比，圖2所示的多燃道Ga，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(diǎn)源能有效開始整個(gè)流場(chǎng)的燃燒。在本發(fā)明中，燃燒器1內(nèi)的燃燒過程是分級(jí)的。在第一級(jí)，即點(diǎn)火級(jí)中，通過添加 與空氣M混合的燃料23，并利用點(diǎn)火器34點(diǎn)燃混合物，在小導(dǎo)引燃燒室5中產(chǎn)生貧油火 焰35。點(diǎn)火后，小導(dǎo)引燃燒室5中火焰35的當(dāng)量比被調(diào)節(jié)到貧油狀態(tài)(低于當(dāng)量比1，大 約為0.8的當(dāng)量比)或者富油狀態(tài)(大于當(dāng)量比1，當(dāng)量比大約介于1.4和1.6之間)。小 導(dǎo)引燃燒室5內(nèi)的當(dāng)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(xué)計(jì)量情況下(當(dāng)量比為1)，可以操作并維持小導(dǎo)引燃燒室5中的火焰35，但由于可能導(dǎo) 致高的排放水平、壁21較高的熱負(fù)荷，所以并不建議這樣做。操作并維持小導(dǎo)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(fù)荷低。在下一級(jí)，即第二低負(fù)載級(jí)中，燃料通過管子30被添加到冷卻空氣27，并在旋流 器觀中被賦予旋流運(yùn)動(dòng)。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(shí)的燃燒?？梢蕴砑拥綗岬睦鋮s空氣(經(jīng)預(yù)加熱的，溫度大大高于750°C)的燃料量可以對(duì) 應(yīng)于當(dāng)量比> 3。在燃燒器操作的下一級(jí)，第三部分和全負(fù)載級(jí)燃料1 被逐漸添加到空氣12，這 是到達(dá)主火焰7的主空氣流。
權(quán)利要求
1.一種在用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室的燃燒器啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行分級(jí)操作的方法，燃燒室 包括封閉燃燒器⑴的燃燒器外殼0)，燃燒器⑴具有軸向相對(duì)的上游端部和下游端部 以及位于所述燃燒器(1)上游端的導(dǎo)引燃燒室(5)；所述導(dǎo)引燃燒室(5)被供給燃料和空 氣，以燃燒所述燃料，從而產(chǎn)生非平衡態(tài)下的未達(dá)熄滅濃度的自由基(3 流以及來自導(dǎo)引 燃燒區(qū)02)的熱量，它們被沿導(dǎo)引燃燒室(5)的中心線向下游引導(dǎo)，穿過導(dǎo)引燃燒室(5) 的出口(6)處的喉狀部；所述燃燒器(1)進(jìn)一步配備有由所述導(dǎo)引燃燒室(5)的出口(6) 下游的燃道Ga，4b，4c)壁限定的用于容納主火焰(7)的主燃燒間，和用于回流未燃燒的基 (31)的主回流區(qū)OO)；所述方法包括以下步驟將混合了空氣04)的燃料03)加入到導(dǎo)引燃燒室(5)；使用在導(dǎo)引燃燒室(5)的上游端提供的點(diǎn)火器(34)給混合物點(diǎn)火，以啟動(dòng)導(dǎo)引燃燒室 (5)內(nèi)的貧油火焰(35)，并將所述自由基(32)的流和熱量提供給所述下游燃燒間；在所述燃燒間的上游端導(dǎo)引燃燒室( 的出口(6)處的外部施加第一混合燃料和空氣 旋流(27)，以產(chǎn)生和維持所述主燃燒間中的主貧油火焰(7)；從所述導(dǎo)引燃燒室出口(6)下游的第一貧油預(yù)混通道(10)的出口(8)中以及從所述 第一貧油預(yù)混通道的所述出口(8)的所述第一出口(8)下游的第二貧油預(yù)混通道(11)的 出口(9)中產(chǎn)生第二混合空氣(12)和燃料(14)的旋流，向所述第一通道(10)和第二通道(11)中的至少一個(gè)通道逐漸加入用于建立全負(fù)載級(jí) 的所述第二混合空氣(1 和燃料(14)的旋流，以便利用主空氣(1 和燃料(14)流提供 所述主貧油火焰(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟在點(diǎn)火后，將導(dǎo)引燃燒室中火焰(35)的當(dāng)量比調(diào)節(jié)成以下之一a)低于當(dāng)量比1并且優(yōu)選大約為當(dāng)量比0.8的貧油火焰；b)當(dāng)量比大于1并且優(yōu)選當(dāng)量比在1.4和1. 6之間的富油火焰。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟提供冷卻空氣06)，以冷卻導(dǎo)引燃燒室(5)的壁01)，通過冷卻所述壁(21)，將所述冷卻空氣06)預(yù)熱到超過750°C的溫度，向所述冷卻空氣中加入燃料，加入的燃料量對(duì)應(yīng)于高達(dá)大于3的當(dāng)量比。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室的燃燒器啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行分級(jí)操作的方法。本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是在所有的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載條件下，使用于燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒室的貧油-富油部分預(yù)混低排放燃燒器的燃燒穩(wěn)定。所述方法包括以下步驟將混合了空氣(24)的燃料(23)加入到導(dǎo)引燃燒室(5)；利用在導(dǎo)引燃燒室(5)上游端提供的點(diǎn)火器(34)給混合物點(diǎn)火，以使導(dǎo)引燃燒室(5)內(nèi)部出現(xiàn)貧油火焰(35)并提供自由基(32)流和熱量；在燃燒間上游端的導(dǎo)引燃燒室(5)的出口(6)的外部，施加燃料(30b)和空氣(27)的旋流，以產(chǎn)生并維持主貧油火焰(7)；逐漸增加用于建立完全負(fù)載級(jí)的空氣(12)和燃料(14)旋流到至少一個(gè)通道(10，11)。
文檔編號(hào)F23R3/34GK102099628SQ200980111287
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)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(qǐng)人:西門子公司