專利名稱：帶有氣體噴射器的旋流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的燃燒器中的旋流器，更具體地涉及具有氣體噴 射器的旋流器，所述氣體噴射器用于向這類燃燒器的燃燒間提供氣體和燃料混合物。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u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?xì)鉁u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(dāng)混合之外，與燃?xì)鉁u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?xì)鉁u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(xué)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?xì)?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(yù)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(xué)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(yù)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(yù)混火焰的火焰速率對于當(dāng)量比波動非常敏 感?；鹧嫠俾实牟▌涌梢詫?dǎo)致火焰前緣(旋流引起的回流區(qū))的空間波動/運動。預(yù)混火 焰較不穩(wěn)定的易于移動的火焰前緣導(dǎo)致周期性的熱釋放率，這又會導(dǎo)致火焰運動、不穩(wěn)定 的流體動態(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(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點是固定的。5.當(dāng)發(fā)生反應(yīng)所需的熱量是穩(wěn)定性限制因子時，燃料/空氣當(dāng)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(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 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位置出現(xiàn)時，會變得更加不穩(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，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(yù)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(yù)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(yù)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(yù)反應(yīng) 的燃料和空氣中產(chǎn)生熱梯度和自由基。

發(fā)明內(nèi)容
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的特征所表征的燃燒器。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本文提出了一種由獨立方法權(quán)利要求所表征的燃燒燃料 的方法。本發(fā)明的其它方面體現(xiàn)在從屬權(quán)利要求中。本文結(jié)合用于燃?xì)鉁u輪機燃燒室的貧油_富油部分預(yù)混低排放燃燒器，示例性地 說明了本發(fā)明的各個方面，該燃燒器在所有發(fā)動機負(fù)載條件下都提供穩(wěn)定的點火和燃燒過 程。這一燃燒器是根據(jù)以下原理工作的將熱量和高濃度的自由基從導(dǎo)引燃燒室(pilot combustor)的排放口 “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，將高濃度的自由基直接補充到主旋流 引起的回流區(qū)的前駐點和剪切層，在此主貧油預(yù)混流與導(dǎo)引燃燒室提供的熱的燃燒氣體產(chǎn) 物混合。這允許主預(yù)混空氣/燃料旋流燃燒具有更貧油的混合和更低的溫度，否則其本身 在燃燒器的這些工況下是不能維持旋流穩(wěn)定回流的。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)；活性元素——提供靠近前駐點被釋放的高度不平衡的自由基，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?xì)鉁u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(fù)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)生的所需活性元素_自由基的最小量；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(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(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)計量的(或稱理論配 比的)和富油的(當(dāng)量比Φ = 1. 4或者更高)。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)計量的或者富油的，并在 所有的發(fā)動機負(fù)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(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 元素——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(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(但不點火，原因是小導(dǎo)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(dǎo)引器的“分級(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(yù)混合?？梢詫⑾鄬Υ蟮娜剂狭考尤氲叫?dǎo)引燃燒室冷卻 空氣中，這對應(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 )將熱和活性元素(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(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 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)(方程式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(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(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——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。為了實現(xiàn)超低排放，希望氣體燃料和空氣能完美預(yù)混合(平坦的燃料/空氣混合 物曲線)，從而避免火焰前緣處的濃度梯度造成高溫區(qū)域。而且，預(yù)混合需要在短距離內(nèi)完 成。這是通過本發(fā)明的實施例實現(xiàn)的。燃燒器利用了火焰的空氣動力學(xué)穩(wěn)定性，并在多燃道布局中，將火焰局限于穩(wěn)定 區(qū)——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(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(xì)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(dāng)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(xué)的圖示。圖4b示出了燃燒室近場空氣動力學(xué)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7a以透視解說明燃料管15的一個例子，圖7b示出了分布在旋流器3入口處的燃料管。
具體實施例方式下文將參考所公開的附圖，更加詳細(xì)地描述本發(fā)明的多個實施例。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(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 燃道的壁4a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(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?？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(yù)混通道10 和第二貧油預(yù)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(dāng)貧油預(yù)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。在這個示例性的燃道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(dǎo)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(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?？諝馔ㄟ^ 燃料通道23和空氣通道24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(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26通過設(shè)置 在導(dǎo)引燃燒室5的導(dǎo)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?dǎo)引燃燒室5冷卻空氣中，這對應(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
7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(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)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(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，則旋流會延伸到燃燒室的出口，這可能導(dǎo)致汽輪機隨后的導(dǎo) 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(xué)可能是非常不穩(wěn)定的，會導(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(dǎo)地位，那么會出現(xiàn)熱學(xué)_聲學(xué)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(yù)混或湍流擴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。回流區(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(fēng)險，因而對預(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 長度LERZ通常為2/3hERZ。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(yù)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?xì)鉁u輪發(fā)動機中的燃燒器在貧油部分預(yù)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(dāng)自由基開始 與從第一通道10和第二通道11進入的“新鮮”預(yù)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(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(dǎo)引燃燒室5的出口 6處在空氣 動力學(xué)上穩(wěn)定于燃道(4a)中。為了保證小導(dǎo)引燃燒室5內(nèi)與貧油、化學(xué)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(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4a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)動機是非常有利的。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尺寸小的可能性對于排放具有有益效果。燃料分級和燃燒器操作當(dāng)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(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，火焰通常不會傳播到主回流區(qū)。當(dāng)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(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(dǎo)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(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(yù)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(dǎo)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?xì)鉁u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(dǎo)引燃燒室5中產(chǎn)生貧油火 焰35。點火后，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，即第二低負(fù)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(yù)加熱的，溫度大大高于750°C)的燃料量可以對 應(yīng)于當(dāng)量比> 3。在燃燒器操作的下一級，第三部分和全負(fù)載級燃料14被逐漸添加到空氣12，這是 到達主火焰7的主空氣流。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的有效混合是通過旋流器3上游端(旋流器入口)處的燃 料管15的多噴射點實現(xiàn)的。用于氣態(tài)燃料的一個燃料管15被定位在混合棒15b的一側(cè)， 對于每個旋流器通路(處于兩個相鄰的旋流器翼3a之間)而言，混合棒15b沿旋流器3的高度方向設(shè)置在所述燃料管15之間。燃料管15的放置方式使得通過每個通路的空氣質(zhì)量 流量是恒定的。燃料14利用橫流(空氣流)噴射的原理進行噴射。每個燃料棒15上的噴 射點被布置成呈曲折圖案，該曲折圖案通過管子各側(cè)上的兩排噴射孔15a布置而成，以最 大化每次燃料噴射的分布。通過由每個燃料棒上的湍流器產(chǎn)生的小規(guī)模湍流來進一步增強 混合過程(這將在下文描述)。作為氣體添加的燃料14是通過氣體噴射器提供的，氣體噴射器為插在旋流器3入 口端處的管子15，旋流器3具有旋流器翼3a，旋流器翼3a被提供在通向燃燒器的燃燒間的 空氣/燃料預(yù)混通道10，11中。氣體噴射器的管子15在它們的外表面處露出圓形或螺旋 形的V形槽40，舉例而言，其可以被實施成氣體噴射器的管子外部的螺紋，在這種情況下是 形成螺旋形的槽。沿管子15的軸向方向分布著孔15a，作為氣態(tài)燃料14的出口并且用作該 氣態(tài)燃料的噴嘴。所述孔15a被設(shè)置成位于槽40的底部。設(shè)置在該位置的原因在于通過 孔15a流出的氣體燃料14會在槽中形成小的旋渦，因而會增強氣體噴射器管子15附近燃 料流的湍流，提高了與管子15周圍通過的空氣12的混合。在一個優(yōu)選的例子中，設(shè)置兩排直徑大致相對的孔15a(或者這兩排孔沿管子被 設(shè)置成，使得燃料垂直于旋流器3中的空氣流噴射)，這樣，氣體基本垂直于空氣流從管子 的兩側(cè)出來，進入到空氣12流中。這被示于圖7b中。在圖7b中還在旋流器3—部分的剖 視圖上示意性地示出了兩個燃料管15之間的混合棒15b。
1權(quán)利要求
用于預(yù)混合燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的燃燒器(1)中使用的燃料流(14)和空氣流(12)的旋流器(3)，其中所述旋流器(3)包括通入燃燒器(1)的燃燒間內(nèi)的至少一個第一通道(10，11)，用于為所述燃燒器(1)的燃燒間提供所述預(yù)混空氣(12)和燃料(14)的流；位于所述通道(10，11)的入口處；配備有旋流器翼(3a)，其中形成在兩個相鄰旋流器翼(3a)之間的通道限定了一個通路，其特征在于用于氣態(tài)燃料的一個燃料管(15)基本平行地定位在所述通路中的混合棒(15b)的每一側(cè)，所述燃料管(15)配備有沿管(15)分布的用作氣體噴射器的多個擴散孔(15a)，以在通過所述旋流器(3)通路的空氣流中有效地分配燃料(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋流器，其中燃料管(15)和相鄰的旋流器翼(3a)之間的距 離基本上等于燃料管(15)與混合棒(15b)之間的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋流器，其中所述擴散孔(15a)成兩排設(shè)置在所述燃料管 (15)的每一側(cè)上，使得一排擴散孔(15a)面向相鄰的旋流器翼(3a)，另一排擴散孔(15a) 面向所述混合棒(15b)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的旋流器，其中所述一排擴散孔(15)沿所述燃料管(15)被布 置成，使得噴射到經(jīng)過的空氣(12)流中的燃料(14)是大致垂直于經(jīng)過的空氣(12)的方向 被噴射的。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的旋流器，其中所述燃料管(15)沿兩個旋流器翼 (3a)之間所述通路的整個高度延伸。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的旋流器，其中第一排燃料管(15)的擴散孔(15a) 相對于第二排燃料管(15)的擴散孔(15a)呈曲折方式布置。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的旋流器，其中氣體噴射器管子(14)在其外表面 處露出圓形或螺旋形的V形槽(40)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的旋流器，其中所述擴散孔(15a)被設(shè)置成位于所 述槽(40)的底部。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于將提供給燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的燃燒器(1)的燃料流(14)和空氣流(12)進行預(yù)混合的旋流器，該燃燒器(1)配備有用于混合空氣(12)和燃料(14)的旋流器(3)，其中所述旋流器(3)配備有旋流器翼(3a)，其中在兩個相鄰旋流器翼(3a)之間形成的通道限定了一個通路。本發(fā)明的一個目標(biāo)是為貧油預(yù)混燃燒提供穩(wěn)定性。這是通過上述類型的旋流器實現(xiàn)的，其在所述通路中混合棒(15b)的每一側(cè)上具有平行定位的用于氣態(tài)燃料的一個燃料管(15)，其中所述燃料管(15)配備有沿管(15)分布的用作氣體噴射器的多個擴散孔(15a)，以在通過所述旋流器(3)通路中的空氣流中分配燃料(14)。
文檔編號F23R3/14GK101981375SQ200980111551
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A·佩爾松, M·佩爾松, V·米洛薩夫萊維克 申請人:西門子公司