專利名稱：在壓縮空氣中燃燒燃料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在壓縮空氣中燃燒燃料的方法，壓縮空氣制備成沿軸線流動的氣流，其中，首先從此氣流中分出多股支流，為每股支流單獨供應(yīng)一部分燃料和燃燒成伸入氣流中的引領(lǐng)火焰，而其余的燃料分布在氣流中，在引領(lǐng)火焰處點燃和燃燒。
本發(fā)明具體涉及在燃?xì)廨啓C中壓縮機部段與渦輪部段之間流動的壓縮空氣中的燃料的燃燒。在一臺相應(yīng)的燃?xì)廨啓C的兩個渦輪部段之間流動的壓縮空氣中燃料的燃燒，也屬本發(fā)明考慮之列。
在用于提供機械能的燃?xì)廨啓C中，空氣在壓縮機部段中被壓縮為高壓，接著，通常通過燃料的燃燒供入熱量而被加熱，在這種情況下，一般基本上保持這一高壓，并最終在渦輪部段中膨脹降壓。燃料的燃燒按傳統(tǒng)的方法實現(xiàn)，此時，氣體通過燃燒室流動，在燃燒室中設(shè)有燃燒器或多個燃燒器的裝置，通過它們向氣體中供入要燃燒的燃料并點燃之。
這類燃燒器的例子可參閱EP0193838 B1、US-Patent Re.33896、EP0276696B1、US-Patent 5062792、WO92/19913 A1，以及其他的實施形式如EP0210462 A1、EP0321809 A1和EP0 483554 A1。由EP0 489193 A1可知一種用于燃?xì)廨啓C的燃燒室的例子，它設(shè)有多個燃燒器，這種燃燒室有一個帶端壁的圓形環(huán)腔，燃燒器固定在端壁上，被提供來用于燃燒的壓縮空氣大部分經(jīng)燃燒器流入環(huán)腔。此外，環(huán)腔以一個內(nèi)壁和一個外壁為界，它們各具有一些用于流過空氣的孔口。通過這些孔口流入環(huán)腔中的空氣用于冷卻內(nèi)壁和外壁。燃燒室設(shè)在燃?xì)廨啓C的壓縮機部段與渦輪部段之間。在壓縮機部段中壓縮過的空氣流進入燃燒室之前，它多次轉(zhuǎn)向并最晚在進入燃燒室時失去它在離開壓縮機部段時可能獲得的扭轉(zhuǎn)。盡管每個燃燒器本身給予流過它的氣體支流某種程度的扭轉(zhuǎn)，然而這還不足以使氣流獲得一種相對于軸線的扭轉(zhuǎn)。由于燃燒室的結(jié)構(gòu)以及比較復(fù)雜的氣流導(dǎo)引裝置造成了很大的壓力損失；此外，由于氣流失去了在壓縮機部段中可能獲得的扭轉(zhuǎn)，所以氣流必須在進入渦輪部段時重新被加入扭轉(zhuǎn)，這就需要昂貴的設(shè)備方面的支出，并導(dǎo)致進一步的壓力損失。
由EP0590297 A1可知一種燃燒室的例子，在這一燃燒室中導(dǎo)引一種帶扭轉(zhuǎn)的壓縮空氣流。雖然此文獻(xiàn)沒有明確說明燃燒室應(yīng)如何設(shè)計，但指出了在保持扭轉(zhuǎn)的情況下為了導(dǎo)引氣流通過燃燒室，可以取消按傳統(tǒng)的方式設(shè)在渦輪進口的固定的導(dǎo)向輪。
在壓縮空氣流中燃燒的方式和方法取決于有關(guān)于氣流的許多細(xì)節(jié)。尤其是當(dāng)氣流運動得比較快時，在氣流中進行的燃燒趨于不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定可能表現(xiàn)為增加有害物質(zhì)的產(chǎn)生量，并可能直至使燃燒完全中斷。當(dāng)然，總是非常希望在此較快速流動的氣流中相應(yīng)進行必須的短時間內(nèi)的燃燒，以抑制氧化氮的產(chǎn)生量，這種氧化氮由于燃燒時出現(xiàn)的高溫自行調(diào)整，而與燃燒時進行反應(yīng)的具體情況無關(guān)。為了取代氧化氮產(chǎn)物，只需要在燃燒形成的煙氣中有過剩的氧，當(dāng)然在燃?xì)廨啓C中總是存在著這種情況。氣流在高溫下停留的時間短與減少氧化氮的產(chǎn)生量意義相同。當(dāng)具有扭轉(zhuǎn)的氣流通過時，剛才所敘述的困難可能變得更加嚴(yán)重，因為在規(guī)定的用于燃燒燃料的氣流的停留時間下，要求有更高的流動速度。
鑒于這一困難，本發(fā)明的目的是提出一種在壓縮空氣中燃燒燃料的方法，它始終保證燃料的穩(wěn)定燃燒。
按本發(fā)明為達(dá)到這一目的，提出了一種在壓縮空氣中燃燒燃料的方法，壓縮空氣制備或沿軸線流動的氣流，其中，首先從此氣流中分出多股支流，為每股支流單獨供應(yīng)一部分燃料并燃燒成伸入氣流中的引領(lǐng)火焰，其余的燃料分布在氣流中，并在引領(lǐng)火焰處點燃和燃燒，其中，其余的燃料不均勻地分布在氣流中，使由此所形成的燃料在氣流中的分布，在每個引領(lǐng)火焰處有局部最大值。
就本發(fā)明的意圖而言，除了將燃料在其中燃燒的空氣流分成多股支流，并分別為每一股支流供入或多或少的熱能的傳統(tǒng)實踐外；按本發(fā)明燃燒的主負(fù)荷不是在分成支流的氣流中實施的。當(dāng)然，是從氣流中分出一部分氣流并再分成一些支流，而這些支流用于形成引領(lǐng)火焰，它們伸入氣流中并構(gòu)成了其余燃料的點火源，燃料或多或少自由地分布在氣流中。燃料在氣流中的分布是有目的地不均勻，使得燃料在每個引領(lǐng)火焰處存在著分布的局部最大值。燃料在氣流中的這種分布的不均勻性，保證在每個引領(lǐng)火焰處有比較充足的燃料與空氣的混合物，這種混合氣可簡單并安全地點燃；在此意義上，與按傳統(tǒng)的理解在燃料分布方面不希望有的不均勻性，對保證燃燒的穩(wěn)定性和保證全部燃料徹底燃燒是有裨益的。
由氣流分出的支流應(yīng)這樣確定并供入適當(dāng)?shù)娜剂狭?，即，在所有可考慮到的情況下產(chǎn)生穩(wěn)定燃燒；尤其是為了這種穩(wěn)定燃燒應(yīng)能形成一種較充足的燃料空氣混合氣。其余的燃料直接供入氣流中，此時，所形成的混合氣在中央比較貧乏，如同燃?xì)廨啓C在一般工作狀態(tài)下所要求的那樣。由此存在的過剩空氣有時對燃燒起不良的作用，并可能的話需要采取其他使燃燒穩(wěn)定的措施。按本發(fā)明通過在有利的情況下所形成的引領(lǐng)火焰可實現(xiàn)這種穩(wěn)定性，這些引領(lǐng)火焰起點火源的作用，并保證點燃直接供入氣流中的燃料和它們的完全燃燒。
必要時壓縮空氣流可具有相對于軸線的扭轉(zhuǎn)，尤其在燃?xì)廨啓C中應(yīng)用時這是有利的；也就是說，在這種情況下可以取消那些必須用于消除在壓縮機部段中可能造成的氣流扭轉(zhuǎn)所設(shè)的導(dǎo)向器，因此燃?xì)廨啓C可以設(shè)計得更加簡單。此外，可能可以取消在渦輪進口縫隙處的導(dǎo)向器，通過它才能產(chǎn)生渦輪部段的旋轉(zhuǎn)部件工作所需的扭轉(zhuǎn)；即使并不總是可以完全取消導(dǎo)向器，也能將導(dǎo)向器設(shè)計得更加簡單，因為氣流已經(jīng)具有一部分所需要的扭轉(zhuǎn)，以及還需要的是比傳統(tǒng)需要的要少的轉(zhuǎn)向。
最好將從中分出支流的那一部分氣流在分出支流前消除扭轉(zhuǎn)，尤其是最好全部取消。取消扭轉(zhuǎn)相應(yīng)會帶來減速和增壓，這會被有利地充分利用來形成引領(lǐng)火焰。也就是說，在相應(yīng)地設(shè)計導(dǎo)引裝置的情況下，在減速時所產(chǎn)生的壓力足以形成引領(lǐng)火焰，所以不再需要設(shè)置附加的鼓風(fēng)設(shè)備或類似的裝置。
將這種方法應(yīng)用于燃?xì)廨啓C中是特別有利的，其中，氣流由燃?xì)廨啓C的壓縮機部段提供，并在燃料燃燒后供往燃?xì)廨啓C的渦輪部段。具有另一項優(yōu)點的做法是預(yù)設(shè)在進口間隙(氣流通過它流入渦輪部段)中的導(dǎo)向葉片的數(shù)量并這樣排列，即，使得由于燃料不均勻分布造成的氣流中不均勻分布的溫度的局部最大值，總是位于兩個導(dǎo)向葉片之間。這一點尤其通過下列做法來達(dá)到引領(lǐng)火焰的數(shù)量與導(dǎo)向葉片數(shù)量一致，以及，引領(lǐng)火焰和導(dǎo)向葉片在考慮到氣流可能的扭轉(zhuǎn)的情況下，以適當(dāng)?shù)姆绞奖舜讼鄬Χㄎ弧?br> 本發(fā)明的實施例表示在附圖中。在附圖中沒有表示那些對用于說明不重要的細(xì)節(jié)。附圖也不能看作是尺寸完全準(zhǔn)確的一個具體實施例的示圖，附圖中

圖1為實施在壓縮空氣中燃燒燃料的方法的設(shè)備軸向縱剖面；
圖2為如圖1中線II-II所示通過此同一設(shè)備的橫截面；圖3為如圖2中線III-III所示通過此同一設(shè)備的切向剖面；圖4為如圖1中線IV-IV所示通過圖1設(shè)備的橫截面；圖5為通過可裝入設(shè)備中用于輸入多種不同燃料的肋的橫剖面；圖6為具有兩個輸入燃料的系統(tǒng)的布置。
在附圖中彼此相應(yīng)的部分用同樣的標(biāo)記符號表示，因此在這方面共同涉及圖1至4。
尤其可由圖1看出燃?xì)廨啓C截面的一部分，而且有一個設(shè)在壓縮機部段4與渦輪部段5之間的燃燒室，此燃燒室有一個環(huán)繞燃?xì)廨啓C軸線1的環(huán)形腔6。由此壓縮機部段4提供了沿軸線1流動并具有相對于此軸線1扭轉(zhuǎn)的壓縮空氣流2。具有扭轉(zhuǎn)的氣流2的特點，在圖中用象征性的彎曲箭頭表示。氣流2基本上不受阻礙地流過環(huán)形腔6，此環(huán)形腔6朝向軸線1的方向由內(nèi)壁12為界，而離開軸線1的一邊以外壁13為界。環(huán)形腔6圍繞著燃?xì)廨啓C的轉(zhuǎn)子23。為防止氣流2的一部分沿轉(zhuǎn)子23流動，在轉(zhuǎn)子23與內(nèi)壁12之間插入密封裝置24，例如迷宮式密封裝置。要燃燒的燃料經(jīng)管道系統(tǒng)8供入。在這種情況下，大部分燃料流入肋7，并通過設(shè)在每根肋7中的噴嘴9進入氣流2中，在那里燃料被點燃和燃燒。在氣流2通過進口間隙14流入渦輪部段5并到達(dá)在那里的導(dǎo)向葉片15之前，燃料應(yīng)完全燃燒。為了影響和穩(wěn)定經(jīng)肋7供入的燃料的燃燒。并附加地為分出用于冷卻內(nèi)壁12和外壁13的空氣，直接在壓縮機部段4后面或近或遠(yuǎn)的地方，在環(huán)形腔6中插入一個環(huán)形通道16?？諝獾囊徊糠至魅氕h(huán)形通道16中，并在環(huán)形通道中分成多股支流3。每一股支流3通過相應(yīng)的冷卻管道19到達(dá)環(huán)形腔6的內(nèi)壁12或外壁13的后面，并能冷卻它們。另一股支流3流入引領(lǐng)燃燒器10。此引領(lǐng)燃燒器10有一個噴嘴11，燃料經(jīng)管道系統(tǒng)8流入噴嘴11，引領(lǐng)燃燒器10設(shè)在肋7的前面。燃料的一部分供往引領(lǐng)燃燒器10或所設(shè)的多個引領(lǐng)燃燒器10，并主要與經(jīng)支流3供入的那些空氣燃燒。在這種情況下，燃料與空氣的混合比可以靈敏地調(diào)整，尤其是調(diào)整到一個能保證恒定和穩(wěn)定燃燒的值。這一燃燒使通過肋7供入的燃料燃燒穩(wěn)定化。顯然，根據(jù)設(shè)計，引領(lǐng)燃燒器10和肋7沿切向彼此錯開；在這方面圖1所示結(jié)構(gòu)沒有代表性。氣流2進入環(huán)形管道16中的部分首先到達(dá)轉(zhuǎn)向葉片17，并在那里轉(zhuǎn)向，使得原來存在的扭轉(zhuǎn)消失了。這一轉(zhuǎn)向與某種程度的減速和由此產(chǎn)生的靜壓增加相聯(lián)系，并因而有助于沿主要的圓周支流3的穩(wěn)定化。氣流2通過轉(zhuǎn)向葉片17轉(zhuǎn)向的部分到達(dá)集氣腔18，從那里分出支流3。在引領(lǐng)燃燒器10后面的肋7的布置并不重要；肋7和引領(lǐng)燃燒器10沿軸線1的位置根據(jù)流量比來先定。完全可以想像，引領(lǐng)燃燒器10和肋7并列；于是有可能由肋7局部地代替冷卻管道19。也可見圖6。
圖2在一個垂直于軸線1(圖中以+字表示)的橫截面視圖中，表示環(huán)形腔的肋7與渦輪部段5中的導(dǎo)向葉片15互相排列成什么樣的空間關(guān)系。彎曲的箭頭表示氣流2的扭轉(zhuǎn)?？梢钥闯?，有與肋7同樣多的導(dǎo)向葉片15，同時還可看出，肋7和導(dǎo)向葉片15的方位角以規(guī)定的方式彼此錯開。若這一錯開相應(yīng)于氣流2的扭轉(zhuǎn)選擇正確，那么氣流2中溫度分布有一個最大值，這一最大值產(chǎn)生在由于燃料不均勻分布而在燃料分布中出現(xiàn)的局部最大值處，準(zhǔn)確地位于兩個導(dǎo)向葉片15之間，并因而有助于減輕導(dǎo)向葉片15的熱負(fù)荷。
由圖3可知導(dǎo)向葉片15的這種降低熱負(fù)荷是如何實現(xiàn)的。圖3所表示的是相應(yīng)于圖2中的線III-III通過在圖2中表示為橫截面的結(jié)構(gòu)的切向剖面。由圖中可以看出，氣流2是如何從肋7流向?qū)蛉~片15的。圖3中還表示了氣流2從肋7流出并結(jié)束燃燒時，在氣流2中溫度分布的概況。溫度T表示為與坐標(biāo)X的關(guān)系，坐標(biāo)X垂直于氣流2。由圖可見，溫度T的局部最大值位于兩個導(dǎo)向葉片15之間，在導(dǎo)向葉片15附近的氣流2的溫度與其最大值相比明顯降低。對于在燃?xì)廨啓C中所進行的過程，在熱力學(xué)上有重要意義的是對全部氣流平均的溫度平均值；通過因肋7的幾何布置造成的不均勻的溫度分布，可以達(dá)到使導(dǎo)向葉片15不是受到溫度平均值或甚至高于此平均值的溫度的負(fù)荷。而是受到一個比平均值明顯低得多的溫度的負(fù)荷?？紤]到這一點，以及考慮到在渦輪部段5進口處所確定的可供使用的材料在最大溫度下的熱承載能力，可在充分利用本發(fā)明優(yōu)點的情況下，達(dá)到顯著提高此最大值。
由圖3還可看出肋7的結(jié)構(gòu)。肋7是空心的，內(nèi)腔8屬于用于燃料的管道系統(tǒng)，并具有許多噴嘴9，燃料通過噴嘴供入氣流2中。噴嘴9基本上可以任意地沿肋7分布；并不要求噴嘴9只設(shè)在肋的下游側(cè)的端部。對噴嘴9布置的唯一重要的準(zhǔn)則是，在氣流2中獲得在本發(fā)明的范圍內(nèi)所要求的燃料分布的不均勻性。
圖4表示用于分出支流3的帶冷卻管道19的環(huán)形通道16的結(jié)構(gòu)。由圖中還可見轉(zhuǎn)向葉片17，它將氣流2中進入環(huán)形通道16的部分轉(zhuǎn)為沿軸向流動并有一定程度的減速，以獲得在支流3中靜壓的提升。
圖5表示通過肋7的橫剖面，這種肋有能力按選擇供給多品種的燃料。在肋7的內(nèi)部有三個燃料通道20、21和22，其中，最小的燃料通道20用于提供油，中等的燃料通道用于提供天然氣，最大的燃料通道用于提供低熱值的可燃?xì)怏w，例如煤氣。每一條燃料通道20、21和22都與附屬的噴嘴9相通。
圖6表示在本發(fā)明的范圍內(nèi)向氣流2供入燃料的兩套系統(tǒng)的共同作用。在圖的下部概略表示燃燒室中的流量比，其中，肋7和引領(lǐng)燃燒器10被氣流2所繞流。按此圖氣流2直線流動。顯然此圖也適用于具有扭轉(zhuǎn)的氣流2，當(dāng)然在這種情況下縱坐標(biāo)便與沿有扭轉(zhuǎn)的氣流2不同，它不平行于軸線1，而沿著氣流并因此圍繞著軸線1為螺旋形。在圖中的橫坐標(biāo)在任何情況下都是一個方位角，它環(huán)繞著軸線1計量。在每個引領(lǐng)燃燒器10內(nèi)供入從氣流2中分出的空氣支流(圖中未示出)，給予同時提供的燃料，并燃燒形成一個伸入氣流2中的引領(lǐng)火焰25。因此，引領(lǐng)燃燒器10形成了向氣流2供入熱量的第一階段。第二階段的供熱通過肋7進行，燃料從肋7直接供入氣流2。此時，燃料大體上沿垂直于氣流2的方向流出每個肋7，并沿虛線所示的流線26分布。由于肋7的結(jié)構(gòu)造成燃料在氣流2中的分布是不均勻的，這一情況表示在圖上部的曲線圖中。每兩股由彼此相鄰的肋7中流出的燃料流逐漸會合，并分別形成了燃料分布的一個局部最大值，在這里燃料也在各個引領(lǐng)火焰25處被點燃。燃燒沿著點線所表示的火焰前鋒27在氣流2中擴展，并最終導(dǎo)致通過肋7供入的燃料完全燃燒。在圖的上部曲線圖中畫出了燃料的分布28；橫坐標(biāo)表示的是方位角，在縱坐標(biāo)上表示的是濃度?？v坐標(biāo)表示為斷裂線，以便象征性地表示此視圖只是表示分布28的形狀，而并不認(rèn)為是定量的表述。分布28大體相當(dāng)于燃料在一條引領(lǐng)火焰尖端連線上的分布。此分布28與已借助于圖3說明的在氣流中的溫度分布有密切的關(guān)系；燃料局部濃度越高，則在燃燒時達(dá)到的溫度也越高。借助于圖6還表明了本發(fā)明的一項有利的改進此改進在于，無論是導(dǎo)向葉片15(見圖3)還是肋7和引領(lǐng)燃燒器10各設(shè)置相同的數(shù)量。
按本發(fā)明提出了一種在壓縮空氣中燃燒燃料的方法，這種方法尤其適用于燃?xì)廨啓C，以及，此方法保證迅速和完全地燃燒燃料。
權(quán)利要求
1.一種在壓縮空氣中燃燒燃料的方法，壓縮空氣制備成沿軸線(1)流動的氣流(2)，其中，首先從氣流(2)中分出多股支流(3)，為每股支流單獨供應(yīng)一部分燃料，并燃燒成伸入氣流(2)中的引領(lǐng)火焰(25)，其余的燃料分布在氣流(2)中，并在引領(lǐng)火焰(25)處點燃和燃燒，其特征在于其余的燃料不均勻地分布在氣流(2)中，由此所形成的燃料在氣流(2)中的分布(28)，在每個引領(lǐng)火焰(25)處有局部最大值(29)。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中，氣流(2)相對于軸線(1)有扭轉(zhuǎn)。
3.按照權(quán)利要求2所述的方法，其中，從其中分出支流(3)的氣流(2)的一部分，在分流出支流(3)之前消除此扭轉(zhuǎn)。
4.按照上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其中，氣流(2)由燃?xì)廨啓C的壓縮機部段(4)制備提供，并在燃料燃燒后流入燃?xì)廨啓C的渦輪部段(5)。
5.按照權(quán)利要求4所述的方法，其中，氣流(2)通過進口間隙(14)流入渦輪部段(5)，渦輪部段(5)中設(shè)有導(dǎo)向葉片(15)，此時，由于燃料的燃燒在氣流(2)中形成了不均勻的溫度分布，這種不均勻分布具有局部最大值，它的每個最大值均位于兩個導(dǎo)向葉片(15)之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及在壓縮空氣中燃燒燃料的方法，壓縮空氣制備成沿軸線(1)流動的氣流(2)。在這種情況下，首先從氣流(2)中分出多股支流(3)，并為每股支流(3)單獨供應(yīng)一部分燃料和燃燒為伸入氣流(2)中的引領(lǐng)火焰(25)。其余的燃料分布在氣流(2)中并在引領(lǐng)火焰(25)中點燃和燃燒。燃料在氣流(2)中所形成的分布(28)是不均勻的，在每一個引領(lǐng)火焰(25)處有一個局部最大值(29)。這種方法特別適合于應(yīng)用在燃?xì)廨啓C中，并保證燃料迅速和完全燃燒。
文檔編號F23R3/04GK1140489SQ95191592
公開日1997年1月15日 申請日期1995年1月24日 優(yōu)先權(quán)日1994年1月24日
發(fā)明者赫爾穆特·馬霍恩 申請人:西門子公司