專利名稱：自燃燃燒室的冷卻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自燃燃燒室的冷卻方法。
在至今以來(lái)應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)中的燃燒室中，幾乎可以利用全部的空氣質(zhì)量流來(lái)冷卻燃燒室壁，避免材料溫度過(guò)高，該空氣質(zhì)量流中只有一小部分，沒(méi)有先用于冷卻而進(jìn)入燃燒室。在這種冷卻方式下，冷卻的最佳化在于沿著冷卻區(qū)段(冷卻級(jí))工作時(shí)的壓力損失要盡可能地小，從而不會(huì)降低燃?xì)廨啓C(jī)裝置的效率。
然而，對(duì)于最好在第一渦輪下游工作的自燃燃燒室來(lái)說(shuō)，由于其煙氣具有很高的溫度，因此這種煙氣自然就不能用于冷卻目的。另外，這種燃燒室在流入?yún)^(qū)已經(jīng)承受很高的熱負(fù)荷，因此在此區(qū)域中也必須極其有效地冷卻。同樣在后面的燃燒區(qū)中熱負(fù)荷更高，因此更需要進(jìn)行有效的冷卻。由此看來(lái)，就必須從工作過(guò)程中抽出很大部分的低溫空氣質(zhì)量流來(lái)冷卻這種自燃燃燒室。此時(shí)要注意，當(dāng)今大功率級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)組一般只能釋放出極少的空氣用于冷卻目的，因?yàn)榉駝t會(huì)大大降低其效率和比功率。因此不斷有人提出建議，要求利用其它介質(zhì)從外部對(duì)承受高熱負(fù)荷的組件進(jìn)行冷卻。最突出的建議是采用蒸汽來(lái)進(jìn)行冷卻。如果將燃?xì)廨啓C(jī)組合成一個(gè)具有蒸汽回路的聯(lián)合設(shè)備，那么這種建議肯定是值得考核的。但是如果沒(méi)有蒸汽或其它適于冷卻的介質(zhì)發(fā)生時(shí)，則只能通過(guò)犧牲效率來(lái)冷卻自燃燃燒室。
對(duì)此本發(fā)明將提供補(bǔ)救，正如在權(quán)利要求書(shū)中的特征所表明的那樣，本發(fā)明的目的在于提出一種本文開(kāi)頭所述的那種方法，它能用最小量的內(nèi)部空氣質(zhì)量流達(dá)到有效的冷卻。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于能夠在燃?xì)廨啓C(jī)組的效率和比功率的損失極小情況下實(shí)施燃燒室的冷卻。這種冷卻方式適應(yīng)于燃燒室中的各種燃燒特性并且用于冷卻的空氣質(zhì)量流在做完功后以合適的方式成為該燃燒室的熱燃?xì)獾慕M成部分。
如果該自燃燃燒室由一個(gè)流入?yún)^(qū)和一個(gè)燃燒區(qū)組成，那么前者選擇噴射冷卻(或稱為多孔式冷卻)，后者選擇對(duì)流冷卻。為了保證在燃燒區(qū)中預(yù)混合燃燒按要求那樣產(chǎn)生很少的有害物質(zhì)，沒(méi)有采用基于控制引入該區(qū)域中的空氣的冷卻技術(shù)，例如薄膜式冷卻。
噴射冷卻涉及在燒嘴壁中設(shè)置一些相互靠近排列的孔，冷卻空氣從這些孔進(jìn)入燃燒室內(nèi)部，由此冷卻燃燒室壁。在燃燒室內(nèi)側(cè)，冷卻空氣形成一層很薄的隔熱層，它降低了壁的熱負(fù)荷，并且保證冷卻空氣以很好的混合程度大面積地混入到主質(zhì)量流中。此外，這種噴射冷卻還保證火焰前沿不會(huì)從燃燒區(qū)朝上游回行，而這本身是很容易發(fā)生的，因?yàn)槿紵諝獾牧魉伲绕涫窃诹魅雲(yún)^(qū)內(nèi)襯處的壁邊界層中的流速，具有最小值，此處存在預(yù)混合火焰向后蠕動(dòng)而從燃燒區(qū)出來(lái)的潛在危險(xiǎn)。
在燃燒區(qū)中采用的對(duì)流冷卻最好按照逆流原理設(shè)計(jì)，當(dāng)然也可以采用順流冷卻或者兩者的組合。這種冷卻的特征在于它的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，按照這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在燃燒室外壁周面上沿燃燒區(qū)縱向形成前后緊密相隨的流動(dòng)通道，這些通道的徑向深度為冷卻通道的高度，由此使承受高熱負(fù)荷的燃燒室壁得到極其有效的冷卻。
在按照逆流原理對(duì)燃燒區(qū)進(jìn)行對(duì)流冷卻時(shí)，冷卻空氣以最佳的流動(dòng)方式被輸送到流入?yún)^(qū)的一個(gè)前室中，從該前室可以進(jìn)行上述噴射冷卻。
采用這種方式冷卻的自燃燃燒室，所需的冷卻空氣與流過(guò)燃燒室的質(zhì)量流的比可以減小到10％以下，而不會(huì)有由于在沿著要冷卻的區(qū)段上產(chǎn)生的壓力損失而使燃燒室壁產(chǎn)生大機(jī)械負(fù)荷的危險(xiǎn)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案的一些有利的和適宜的細(xì)節(jié)在從屬權(quán)利要求中給出。
下面將對(duì)照附圖
對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。其中省去了所有對(duì)理解本發(fā)明所不需要的部件，介質(zhì)的流動(dòng)方向由箭頭表示。
唯一的附圖示出了一個(gè)作為燃?xì)廨啓C(jī)組的后燃燒室而設(shè)計(jì)的受到冷卻的燃燒室，其中的燃燒基于自燃著火。(以下涉及本發(fā)明的實(shí)施以及在工業(yè)上的應(yīng)用性)。
附圖中所示的燃燒室例如是可以用作燃?xì)廨啓C(jī)組的第二個(gè)燃燒室，它按照自燃原理工作。該燃燒室最好基本上是沿軸向或準(zhǔn)軸向的連續(xù)環(huán)形筒體形狀，這由所示的中軸線14呈現(xiàn)出來(lái)。該燃燒室基本上是由一個(gè)流入?yún)^(qū)1和一個(gè)后繼的燃燒區(qū)2組成。當(dāng)然，該燃燒室也可以由一些軸向的、準(zhǔn)軸向的或螺旋形設(shè)置的并且相互閉合在一起的燃燒空間組成。當(dāng)該燃燒室是基于自燃而設(shè)計(jì)的情況下，那么在其上游工作的未示出的渦輪則設(shè)計(jì)成只對(duì)工作燃?xì)?進(jìn)行部分膨脹，這樣工作燃?xì)?仍然具有很高的溫度。在這種工作方式和環(huán)形結(jié)構(gòu)的燃燒室情況下，沿著構(gòu)成燃燒室的環(huán)形筒體的周向設(shè)置了多個(gè)燃油噴管6，它們例如由一個(gè)未示出的環(huán)形管道相互連接以供給燃油。該燃燒室沒(méi)有任何燒嘴，因?yàn)橹灰?dāng)工作燃?xì)?具有能使燃油自燃的比溫度時(shí)，就會(huì)使通過(guò)噴管6噴入到工作燃?xì)?中的燃油自燃著火。如果燃燒室是以一種氣態(tài)燃油工作的，那么為了實(shí)現(xiàn)自燃，從上游的渦輪來(lái)的工作燃?xì)?的溫度的典型值約為1000℃。為了保證這種按自燃設(shè)計(jì)的燃燒室工作可靠并且具有高的效率，重要的是在整個(gè)工作過(guò)程中火焰前沿13在各處保持穩(wěn)定。為此目的，一方面，在燃油噴管6的上游，沿流入?yún)^(qū)1的內(nèi)壁3的內(nèi)側(cè)和周向上設(shè)置一排產(chǎn)生渦流的部件7，它們?cè)诨鹧媲把?3的區(qū)域中引起一個(gè)回流區(qū)。另一方面，在火焰前沿13的一個(gè)徑向平面中設(shè)有一個(gè)相對(duì)于流入?yún)^(qū)1的橫截面對(duì)稱的橫截面躍變部分15，它的大小同時(shí)構(gòu)成了燃燒區(qū)2的流動(dòng)橫截面。在工作期間，在該橫截面躍變部分15內(nèi)形成回流區(qū)，這些回流區(qū)又使火焰前沿13環(huán)形穩(wěn)定。由于這種軸向設(shè)置的并且結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度極短的燃燒室是一種高速燃燒室，其平均速度大于60米/秒，因此，產(chǎn)生渦流的部件7的形狀必須按照流動(dòng)情況來(lái)確定。由于燃燒室的熱負(fù)荷很高，因此必須進(jìn)行極其有效的冷卻。如已經(jīng)提到的那樣，此時(shí)必須考慮到大功率級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)組中一般只能釋放出極少量的空氣用于冷卻目的，如果不想讓效率和比功率顯著下降的話。這種燃燒室的冷卻是這樣進(jìn)行的即在流入?yún)^(qū)1和燃燒區(qū)2之間采用各種各樣的冷卻方式。首先，燃燒區(qū)2按照逆流原理進(jìn)行冷卻一定量的冷卻空氣10沿著由燃燒區(qū)2的內(nèi)壁5和外壁4構(gòu)成的冷卻空氣通道18流向流入?yún)^(qū)1，對(duì)燃燒室2的承受高熱負(fù)荷的內(nèi)壁5進(jìn)行對(duì)流冷卻。在燃燒區(qū)2通過(guò)以下措施達(dá)到冷卻的最佳化，即冷卻空氣通道18具有相應(yīng)匹配的高度，要冷卻的內(nèi)壁5具有一定的表面粗糙度，沿著冷卻區(qū)段設(shè)置一些各種各樣的肋，等等，其中前面提及的可以在內(nèi)壁5的周向上設(shè)置一些軸向流動(dòng)通道提供了良好的結(jié)果。燃燒區(qū)2的對(duì)流冷卻中有時(shí)也可以加入一種沖擊冷卻，此時(shí)要注意，不允許讓冷卻空氣10的壓力下降太多。在完成了第一次冷卻后，已承受了部分熱負(fù)荷的冷卻空氣11流入一個(gè)前室17中，該前室沿軸向平行于流入?yún)^(qū)1，由流入?yún)^(qū)1的內(nèi)壁3和已提及的外壁4構(gòu)成。該冷卻空氣11仍然具有很大的冷卻潛力，因此，對(duì)相對(duì)于燃燒區(qū)2來(lái)說(shuō)承受較小熱負(fù)荷的流入?yún)^(qū)1也同樣得到最佳的冷卻。流入?yún)^(qū)1是這樣冷卻的所述的冷卻空氣11大部分經(jīng)內(nèi)壁3中的許多孔16進(jìn)入流入?yún)^(qū)1內(nèi)部，一小部分冷卻空氣11經(jīng)徑向壁20中的其它孔19直接進(jìn)入到橫截面躍變部分15中，這里有個(gè)環(huán)形穩(wěn)定區(qū)，根據(jù)需要，冷卻空氣在此處起到冷卻和強(qiáng)化作用。所述孔16沿流入?yún)^(qū)1的軸向和周向分布，從整體上來(lái)說(shuō)覆蓋了整個(gè)流入?yún)^(qū)1，保證能以極小的空氣耗量使內(nèi)壁3冷卻。此外，該冷卻空氣12在流入?yún)^(qū)1的內(nèi)側(cè)，即沿著壁3的內(nèi)襯形成一層薄的隔熱層，它大大降低了壁3的熱負(fù)荷，并且保證使參予冷卻的空氣以良好的混合程度大面積地混入到工作燃?xì)?的主質(zhì)量流中。這種隔熱層此外還保證了所要求的預(yù)混合火焰不會(huì)在壁處的流動(dòng)邊界層中向上游傳播到燃油噴入處，而在此處火焰會(huì)擴(kuò)散式地燃燒。由此有效地促進(jìn)了這種自燃著火并且有害物質(zhì)少的自燃燃燒室概念。由于起初的冷卻空氣10絕大部分是在一個(gè)相當(dāng)高的溫度下從火焰前沿13的上游引入到工作燃?xì)獾馁|(zhì)量流中，這些冷卻空氣在燃燒區(qū)2中為形成熱燃?xì)?同樣也得到處理，由此避免了溫度的不均勻性，而這種溫度不均勻性會(huì)影響自燃著火，尤其是在部分負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)。射入到橫截面躍變部分15中的那一小部分冷卻空氣不會(huì)產(chǎn)生不均勻性情況，相反，在該區(qū)域中這部分冷卻空氣會(huì)促進(jìn)燃燒區(qū)2的對(duì)流冷卻，該區(qū)域的冷卻特別由于流動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)以及在冷卻空氣通道18和中間室17之間的截面擴(kuò)展而尤其受到削弱。在這種方式冷卻的自燃燃燒室中，所需的全部冷卻空氣10與流過(guò)燃燒室的質(zhì)量流8之間的比例可以降低到10％以下，而不會(huì)由于冷卻通道18中的壓力損失使內(nèi)壁3和5產(chǎn)生值得注意的機(jī)械負(fù)荷。為了減小渦流部件7的熱負(fù)荷，一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是將渦流部件7做成空心的，亦即它們構(gòu)成流入?yún)^(qū)1內(nèi)壁3的一個(gè)延伸部分，這一點(diǎn)由附圖中作為一種變型示出的那樣可以看到。流動(dòng)側(cè)的構(gòu)成渦流部件的折邊上同樣也均勻地設(shè)置了孔16，冷卻空氣11經(jīng)這些孔16進(jìn)入流入?yún)^(qū)1內(nèi)部并且在那里同樣產(chǎn)生噴射冷卻效果。壁3中這些讓冷卻空氣通過(guò)而進(jìn)入流入?yún)^(qū)1中的孔16在一定的流量比下是相對(duì)于流動(dòng)方向傾斜設(shè)置的，以便使已述的在內(nèi)襯上形成的冷卻空氣薄膜具有更強(qiáng)的附著性，此時(shí)孔16的傾斜設(shè)置情況取決于冷卻空氣薄膜形成的與流動(dòng)相關(guān)的脫離現(xiàn)象的強(qiáng)度。
標(biāo)號(hào)表1流入?yún)^(qū)2燃燒區(qū)3流入?yún)^(qū)內(nèi)壁4燃燒區(qū)外壁5燃燒區(qū)內(nèi)壁6燃油噴管7渦流部件8工作燃?xì)?熱燃?xì)?0 冷卻空氣11 按照對(duì)流冷卻的冷卻空氣12 用于噴射冷卻的冷卻空氣13火焰前沿14中軸線15橫截面躍變部分，環(huán)形穩(wěn)定區(qū)16壁3中的孔17中間室18沿著燃燒區(qū)的冷卻空氣通道19壁20中的孔20徑向壁
權(quán)利要求
1.燃?xì)廨啓C(jī)組的自燃燃燒室的冷卻方法，這種自燃燃燒室基本上由一個(gè)流入?yún)^(qū)和一個(gè)燃燒區(qū)組成，高溫工作燃?xì)饬魅肴紵抑?，通過(guò)與燃油混合而使混合物自燃著火，其特征是，流入?yún)^(qū)(1)借助于一種噴射冷卻進(jìn)行冷卻，燃燒區(qū)(2)借助于一種對(duì)流冷卻進(jìn)行冷卻。
2.按權(quán)利要求1的方法，其特征是，燃燒區(qū)(2)先按照逆流原理進(jìn)行冷卻，接著將同一冷卻空氣(10)用于流入?yún)^(qū)(1)的噴射冷卻。
3.按權(quán)利要求1的方法，其特征是，燃油(6)與工作燃?xì)?8)的混合在流入?yún)^(qū)(1)中進(jìn)行，在流入?yún)^(qū)(1)和燃燒區(qū)(2)之間的過(guò)渡處形成一個(gè)火焰前沿(13)，該火焰前沿(13)利用燃燒區(qū)(2)的一個(gè)相對(duì)于流入?yún)^(qū)(1)橫截面的橫截面躍變部分(15)而得到穩(wěn)定。
4.按權(quán)利要求1的方法，其特征是，在流入?yún)^(qū)(1)中燃油噴入處的上游，通過(guò)一些產(chǎn)生渦流的部件(7)而在火焰前沿(13)的區(qū)域中產(chǎn)生一個(gè)回流區(qū)。
5.按權(quán)利要求4的方法，其特征是，產(chǎn)生渦流的部件(7)借助了一種噴射冷卻進(jìn)行冷卻。
全文摘要
在一種基本上由一個(gè)流入?yún)^(qū)(1)和一個(gè)燃燒區(qū)(2)組成的燃燒室中，在高溫下流入燃燒室的工作燃?xì)馀c一種燃油混合而使該燃油自燃著火，流入?yún)^(qū)(1)按照噴射冷卻方式進(jìn)行冷卻，而燃燒區(qū)(2)則是對(duì)流冷卻的，其中用于對(duì)流冷卻的冷卻空氣(10)同時(shí)也是用于噴射冷卻的冷卻空氣(12)。
文檔編號(hào)F23R3/02GK1114732SQ9510204
公開(kāi)日1996年1月10日 申請(qǐng)日期1995年2月17日 優(yōu)先權(quán)日1994年2月18日
發(fā)明者U·本茨, B·舒爾特-沃寧, D·瓦爾胡德 申請(qǐng)人:Abb管理有限公司