專利名稱：燃燒室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由兩段構(gòu)成的燃燒室，以及一種使這種燃燒室工作的方法。
對(duì)于具有寬負(fù)荷范圍的燃燒室來(lái)說(shuō)，總會(huì)提出這樣的問(wèn)題即如何使燃燒能在高效率下進(jìn)行的同時(shí)又產(chǎn)生極少的有害物質(zhì)。此時(shí)雖然通常首先考慮是NOx(氮氧化物)排放物，然而事實(shí)已經(jīng)表明，在將來(lái)也需要大大減少UHC(不飽和烴類)和CO(一氧化碳)排放物的數(shù)量。尤其在使用液體和/或氣體燃料時(shí)，很快就表明了，對(duì)于某種燃料(例如油)的設(shè)計(jì)是旨在減少某種有害排放物例如NOx排放物時(shí)，這種設(shè)計(jì)對(duì)于其它的運(yùn)行方式和其它的有害物質(zhì)的排放物控制不能令人滿意。在采用多級(jí)燃燒室時(shí)，人們?cè)噲D使第二級(jí)在供給較稀薄的混合物下運(yùn)行。這只有在第二級(jí)的入口處溫度保持不變時(shí)才有可能，以便在第二級(jí)中即使燃油量很少也能達(dá)到充分的燃燒，亦即第一級(jí)中的混合物必須在很大程度上保持不變，例如用現(xiàn)有的擴(kuò)散燒嘴(diffusion burner)是不可能實(shí)現(xiàn)的。顯然這種燃燒室不屬于現(xiàn)有技術(shù)之列。
本發(fā)明對(duì)此提供幫助。本發(fā)明的目的在于提供一種由兩段構(gòu)成的燃燒室和方法，用于減少燃燒中產(chǎn)生的所有有害排放物，而與所采用的燃料種類無(wú)關(guān)。
本發(fā)明的燃燒室的主要優(yōu)點(diǎn)在于，此處將燒嘴(燃燒器)的兩個(gè)特性結(jié)合成一個(gè)創(chuàng)造性的組合，其最終目的是將尤其是NOx排放物減至零。燃燒室的第一部分(基于一種預(yù)混合燃燒)中只流過(guò)一部分燃燒空氣，而向后面的燃燒室第二部分提供高溫氣體。同時(shí)，全部流量流過(guò)燃燒室的第二部分。其目標(biāo)是，燃燒室的第一部分以盡可能低的溫度在“預(yù)混合方式”下工作，以便達(dá)到盡可能低的只有幾個(gè)VPPM的NOx水平。這是通過(guò)將燃燒室第一部分之前的燃燒空氣的溫度預(yù)熱到500～700℃的溫度而實(shí)現(xiàn)的。這種燃燒空氣可以較容易地由壓縮機(jī)端部溫度升到所希望的水平上，這最好是將燃燒空氣在這工作過(guò)程中先直接用作燃燒室本身的冷卻空氣或者使之從一個(gè)熱交換器中通過(guò)而達(dá)到。然后在燃燒室第一部分的下游通過(guò)壁冷卻效應(yīng)和通過(guò)噴入其余的未在燃燒室第一部分中使用的燃燒空氣使高溫氣體達(dá)到使燃燒室第二部分中產(chǎn)生自燃的那個(gè)溫度上，其中該燃燒室第二部分中裝有渦流發(fā)生器，它們能引起渦流。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，燃燒室第二部分是作為單一級(jí)的負(fù)載燃燒室(single-stage load combustion chamber)工作的，這與燃燒室第一部分是不同的，后者是作為空載運(yùn)轉(zhuǎn)的燃燒室工作的。由于混合程度極佳，燃燒室第二部分在中等NOx情況下一直工作到約1600℃的氣體溫度，并且產(chǎn)生具有極平坦的1～2VPPM溫度/NOx特性曲線的總潛在NOx(NOxpotential)。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)與燃燒室第二部分的入口處溫度相匹配，各種燃料的著火延遲時(shí)間(ignition-delay time)得到最佳的匹配。
本發(fā)明的技術(shù)方案的有利的符合目的的具體方案在閱讀了本說(shuō)明書(shū)后將變得十分明顯。
以下對(duì)照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的一些實(shí)施例，省略了理解本發(fā)明所不需要的部件。相同的部件在備附圖中采用相同的標(biāo)號(hào)。介質(zhì)的流動(dòng)方向由箭頭給出。附圖中，

圖1是一種作為環(huán)形燃燒室設(shè)計(jì)的燃燒室，它有兩個(gè)燃燒室部分，圖2是一個(gè)燒嘴的立視圖，并相應(yīng)地剖開(kāi)，圖3-5是通過(guò)燒嘴各個(gè)平面的相應(yīng)截面圖，圖6是渦流發(fā)生器的立視圖，圖7是渦流發(fā)生器的一種結(jié)構(gòu)變型的視圖，圖8是圖7所示渦流發(fā)生器的一種不同方案的視圖，圖9表示位于混合通道中的一個(gè)渦流發(fā)生器，圖10～16表示與渦流發(fā)生器相連的燃料供給方式的變體的視圖。
圖1示出了一種環(huán)形燃燒室，如由軸線16所表示的那樣，該環(huán)形燃燒室基本上是連續(xù)的圓筒形或準(zhǔn)圓筒形。此外，這種燃燒室也可以由數(shù)個(gè)沿軸向、準(zhǔn)軸向或者螺旋形設(shè)置的并且各個(gè)本身都是封閉的燃燒空間構(gòu)成。燃燒室本身也可以由一個(gè)單獨(dú)的管構(gòu)成。圖1所示的環(huán)形燃燒室由前后相接的第一級(jí)1和第二級(jí)2構(gòu)成，其中第二級(jí)2也包括實(shí)際的燃燒區(qū)11。沿流動(dòng)方向，首先第一級(jí)1包括一些沿周向設(shè)置的燒嘴100，后面對(duì)燒嘴還要詳述。對(duì)圖1所示燃燒室的說(shuō)明而言，僅僅涉及所示出的截面平面。自然，燃燒室的所有部件都按相應(yīng)的數(shù)目沿周向設(shè)置。在所示燒嘴的上游是一個(gè)未示出的壓縮機(jī)18，吸入的空氣在該壓縮機(jī)中被壓縮，使從該壓縮機(jī)供出的空氣的壓力為10～40巴。壓縮空氣中的30-60％流入燒嘴100，其工作方式將在圖2～5中詳細(xì)描述。在空氣進(jìn)入燒嘴100之前，這部分空氣115被加熱到500～700℃的溫度。這是先讓這部分空氣直接用作燃燒室的冷卻空氣而完成的。另一種可能性是讓空氣115流過(guò)未示出的熱交換器。通過(guò)這種預(yù)熱和減少燃燒室第一部分中空氣量，使得NOx排出量極低，在1～3VPPm的數(shù)量級(jí)范圍。由此，在燃燒室第一部分1的末端可得到在很大程度上不合NOx的熱氣4，該熱氣4從燃燒室第一部分1出來(lái)后流向流入?yún)^(qū)5并在此處被加速到約80～120米/秒的速度。流入?yún)^(qū)5在內(nèi)側(cè)和沿通道壁6的周向裝有一排產(chǎn)生渦流的部件200，后面將它們稱為渦流發(fā)生器，并在后面還要做詳細(xì)說(shuō)明。熱氣4在這個(gè)區(qū)域中通過(guò)壁冷卻效應(yīng)和噴入其余的空氣17，最好是通過(guò)擴(kuò)散冷卻使其溫度在800～1100℃的范圍，其中空氣的噴入最好也通過(guò)渦流發(fā)生器200進(jìn)行。這樣全部空氣被渦流發(fā)生器200渦旋起來(lái)，使得在后續(xù)的預(yù)混合區(qū)7中不會(huì)在所述的渦流發(fā)生器200的后面出現(xiàn)再循環(huán)區(qū)。在可以設(shè)計(jì)成文丘里管的該預(yù)混合區(qū)7內(nèi)，設(shè)有多個(gè)燃料噴管8，用于供給燃料9和補(bǔ)充空氣10。向各個(gè)燃料噴管8供給介質(zhì)例如可以經(jīng)一個(gè)未示出的環(huán)形導(dǎo)管來(lái)進(jìn)行，此時(shí)也可以用與渦流發(fā)生器200構(gòu)成一體的燃料噴管3來(lái)供入燃料。由渦流發(fā)生器200引起的渦流使供入的燃料9(在某種情況下也包括混合的補(bǔ)充空氣10)進(jìn)行廣泛分配，形成燃料/空氣混合物19。此外，渦流還使燃燒空氣和燃料的混合物均勻化。由燃料噴管8噴入熱氣4中的燃料9產(chǎn)生自燃，這只要該熱氣4具有能使不同燃料產(chǎn)生自燃的那種特定溫度就行。如果環(huán)形燃燒室是以一種氣體燃料工作的，那么為了引起自燃，熱氣4的溫度必須大于800℃，這種溫度在這里也是存在的。在這種燃燒情況下，如前面已述的那樣，存在逆火(flash back)的危險(xiǎn)。該問(wèn)題是這樣解決的，一方面將預(yù)混合區(qū)7設(shè)計(jì)文丘里管(未詳示)的結(jié)構(gòu)，另一方面將燃料9的噴入處設(shè)置在預(yù)混合區(qū)7中斷面收縮最大的區(qū)域中。通過(guò)將預(yù)混合區(qū)7變窄，提高軸向速度，使紊流減小，由此通過(guò)減少紊動(dòng)的火焰速度而降低逆火的危險(xiǎn)。另一方面，燃料9的廣泛分配還進(jìn)一步得以保證，這是因?yàn)橛蓽u流發(fā)生器200產(chǎn)生的渦流的周向分量未受影響。在較短的預(yù)混合區(qū)7之后接著的是燃燒區(qū)11。兩個(gè)區(qū)域之間的過(guò)渡區(qū)由一個(gè)徑向的橫截面突變段12構(gòu)成，該段首先確定燃燒區(qū)11的通流截面。在截面突變段12的區(qū)域中也存在一個(gè)火焰前沿21。為了避免火焰向預(yù)混合區(qū)7的內(nèi)部發(fā)生逆火，必須保持火焰前沿21穩(wěn)定。為此，是這樣設(shè)計(jì)渦流發(fā)生器的，使得在預(yù)混合區(qū)7中仍不會(huì)發(fā)生再循環(huán)，只有在突然擴(kuò)展的截面之后才發(fā)生渦流的分裂。渦流幫助截面突變部12之后的流動(dòng)迅速確定，從而通過(guò)盡可能完全地利用燃燒區(qū)11的空間，可以在較短的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度下實(shí)現(xiàn)高程度的燃燒。在工作期間，在該截面突變部12之內(nèi)形成一個(gè)邊緣區(qū)，其中由于存在的負(fù)壓而形成渦流分離，使火焰前沿21穩(wěn)定。該角部渦流20也構(gòu)成第二級(jí)2內(nèi)的著火區(qū)。在燃燒區(qū)11產(chǎn)生的高溫工作氣體13接著推動(dòng)在下游工作的透平14。從透平14出來(lái)的廢氣可以接著用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)蒸汽循環(huán)系統(tǒng)，在這種情況下系統(tǒng)則是一種聯(lián)合裝置系統(tǒng)。
總體上說(shuō)，由于流速很高，在流道中實(shí)施二次燃燒(afterburning)是不可能的。在燒油時(shí)，可以通過(guò)加水防止直接著火。如已說(shuō)過(guò)的那樣，截面突變部12用于穩(wěn)定二次燃燒。在角部渦流20中，由于滯留時(shí)間較長(zhǎng)，混合物產(chǎn)生自燃?；鹧媲把?1朝著燃燒區(qū)11的中部向前伸展。在兩個(gè)火焰前沿部分匯合點(diǎn)的下游鄰近處，也結(jié)束了CO的完全燃燒。典型的燃燒溫度為1300～1600℃。將燃料噴入高溫氣體中的這種方法定然只會(huì)產(chǎn)生極少的NOx，在我們的情況下為1～2vppm。
所建議的方法在寬的負(fù)荷范圍內(nèi)也具有極好的性能。由于第一級(jí)1中的混合基本上總是保持恒定，因此也可以防止UHC或者CO排放物。在第二級(jí)2的入口處的恒定溫度保證了混合物可靠地自燃，而與在第二級(jí)2中的燃料量無(wú)關(guān)。入口的溫度是足夠高的，以便即使在燃料量很少時(shí)也能在第二級(jí)2中實(shí)現(xiàn)充分地燃燒。經(jīng)燃?xì)馔钙截?fù)荷對(duì)功率的調(diào)節(jié)基本上是通過(guò)在第二級(jí)2中匹配燃料量進(jìn)行的。
第一級(jí)1作為空載運(yùn)行燃燒室工作，第二級(jí)2作為單級(jí)的負(fù)荷燃燒室工作。
為了更好地理解燒嘴100的結(jié)構(gòu)，最好在參見(jiàn)圖2的同時(shí)，也參見(jiàn)圖3-5所示的各個(gè)截面。此外，為了使圖2一目了然，在圖中只是示意地示出了圖3-5中示出的導(dǎo)板(baffle plate)121a、121b。下面在說(shuō)明圖2時(shí)根據(jù)需要參見(jiàn)其余的圖3-5。
圖2所示的燒嘴100包括兩個(gè)空心錐形部件101、102，它們相錯(cuò)位地插裝在一起。兩個(gè)錐形部件101、102相互間以中心軸線，或以縱向?qū)ΨQ軸線201b、202b的錯(cuò)位造成在兩側(cè)(鏡面對(duì)稱布置狀況)各有一個(gè)切向的空氣進(jìn)入縫119、120(圖3-5)，燃燒空氣115經(jīng)該縫119、120進(jìn)入燒嘴100內(nèi)部，即流入錐形空腔114中。所示部件101、102沿流向的錐形形狀具有一個(gè)確定的角度。當(dāng)然，根據(jù)不同的工作情況，部件101、102沿流動(dòng)方向可以具有增大的或者減小的錐度，類似于一種喇叭或郁金香花。這兩種形狀在圖上沒(méi)有繪出，因?yàn)閷?duì)專業(yè)人員來(lái)說(shuō)是可以很容易領(lǐng)會(huì)的。兩個(gè)錐形部件101、102各有一個(gè)圓柱形的開(kāi)始部分101a、102a，它們與錐形部件101、102一樣，同樣是相互錯(cuò)開(kāi)地布置的，這樣在燒嘴100的總長(zhǎng)度上都存在切向的空氣流入縫口119、120。在圓柱形開(kāi)始部分的區(qū)域中裝有一個(gè)噴嘴103，其噴射部分104與錐形空腔114的最窄截面處相重合，該錐形空腔114由錐形部件101、102構(gòu)成。該噴嘴103的噴入量和方式由各燒嘴100的預(yù)定參數(shù)確定。當(dāng)然，燒嘴100可以是完全的錐形體，即沒(méi)有圓柱形開(kāi)始部分101a、102a。此外，錐形部件101、102各有一個(gè)燃料管108、109，它們沿著切向的進(jìn)口縫119、120設(shè)置，并配有噴射孔117，通過(guò)這些噴射孔117將最好是氣態(tài)的燃料113噴入流經(jīng)此的燃燒空氣115中，如箭頭116所示。這些燃料管108、109最遲設(shè)在切向進(jìn)入口的端部處，然后進(jìn)入錐形空腔114，以便獲得最佳的空氣/燃料混合。在流入?yún)^(qū)5的區(qū)域中，燒嘴100的出口過(guò)渡到一個(gè)端壁110，該端壁中有一些鉆孔110a。這些鉆孔在需要時(shí)發(fā)生作用，確保將稀釋空氣或冷卻空氣110b供到流入?yún)^(qū)5的前部中。噴嘴103供給的燃料最好是液體燃料112，它有些情況下可以富含循環(huán)的廢氣。燃料112以一個(gè)銳角噴入錐形空腔114中。燃料從噴嘴103出來(lái)后形成一種錐形輪廓105，它被沿切向流入的旋轉(zhuǎn)的燃燒空氣包圍住，沿著軸向，燃料112的濃度由流入的燃燒空氣115降低，形成一種最佳的混合物。如果燒嘴100是以一種氣態(tài)燃料113工作的，那么這也可以經(jīng)燃料噴嘴103進(jìn)行，但最好由噴孔117進(jìn)行，其中，燃料/空氣混合物直接在空氣進(jìn)口縫119、120的端部處形成。在由燃料噴嘴103噴入燃料112時(shí)，在燒嘴100的端部處達(dá)到截面上的最佳的均勻的燃料濃度。如果燃燒空氣還附加地被預(yù)熱，或者富含循環(huán)的廢氣，那么這樣會(huì)持續(xù)地幫助液態(tài)燃料112的蒸發(fā)。這同樣也適用于經(jīng)管子108、109輸送液體燃料而不是氣態(tài)燃料的情況。在錐形部件101、102的結(jié)構(gòu)方面，就其錐角和切向空氣進(jìn)口縫119、120的寬度而言，本身要保持窄的界限，以便所希望的燃燒空氣115的流場(chǎng)在燒嘴100的出口處能夠調(diào)節(jié)。臨界渦流值在燒嘴100的出口處產(chǎn)生此處也構(gòu)成一個(gè)回流區(qū)(渦流破裂(Vortex break down))，對(duì)火焰起到穩(wěn)定的作用。一般地說(shuō)，減小切向空氣進(jìn)口縫119、120的截面積，就會(huì)構(gòu)成一個(gè)回流區(qū)106。此外，燒嘴100的結(jié)構(gòu)還有利地適于改變切向空氣進(jìn)口縫119、120的大小，這樣，在不改變燒嘴100的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度下可以達(dá)到一個(gè)相當(dāng)大的工作范圍。自然，部件101、102也可以在另一個(gè)平面中相對(duì)移動(dòng)，由此甚至能控制它們的相互疊合。甚至還有可能通過(guò)相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)將部件101、102螺旋地插裝在一起。
圖3-5中示出了導(dǎo)板121a、121b的幾何結(jié)構(gòu)。它們有導(dǎo)流(flow-initiating)作用，按照它們的長(zhǎng)度，它們沿流入方向相對(duì)燃燒空氣115延長(zhǎng)了錐形部件101、102的各自的端部。通過(guò)圍繞一個(gè)在通道入口區(qū)中定位在錐形空腔114中的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)(pivot)123，開(kāi)啟和閉合導(dǎo)板121a、121b，可以使燃燒空氣115進(jìn)入錐形空腔114中沿通道的流動(dòng)最佳化，尤其是當(dāng)切向空氣進(jìn)口縫119、120的原始縫隙尺寸由于上述原因而要改變時(shí)則這一點(diǎn)更為必要。這種動(dòng)態(tài)的措施自然也可以靜態(tài)地設(shè)定，其方法是按需要將用導(dǎo)板與錐形部件101、102構(gòu)成一個(gè)固定的組成部分。同樣地，燒嘴100也可以在沒(méi)有導(dǎo)板下工作，或者設(shè)置其它的輔助部件。
圖6、7、8中未示出實(shí)際的流入?yún)^(qū)5，而是由一個(gè)箭頭表示高溫氣體4的流動(dòng)，由此指定流動(dòng)方向。按照這些附圖，渦流發(fā)生器200、201、202主要包括三個(gè)自由繞流的三角形面，它們是一個(gè)頂面210和兩個(gè)側(cè)面211和213。沿其長(zhǎng)度部分上，這些面以一定的角度沿流動(dòng)方向延伸。渦流發(fā)生器200、201、202的側(cè)壁(它們最好是直角三角形的)和它們的縱側(cè)面一起固定在所述的通道壁6上，最好是氣密地。它們是這樣定向的，即在它們的窄邊處形成一個(gè)接頭，并形成一個(gè)銳角α。該接頭是銳利的連接邊緣216，并與每個(gè)通道壁6垂直，側(cè)面與通道壁6齊平。圍成銳角α的兩個(gè)側(cè)面211、213在圖4中是在形狀、尺寸和取向上對(duì)稱的，設(shè)置在一條對(duì)稱軸線217的兩側(cè)，該軸線的方向與通道軸線相同。
頂面210利用窄邊緣215和側(cè)面211、213一樣支承在同一個(gè)通道壁6上，其中窄邊215在通流通道橫向上延伸。其縱向的邊緣212、214與側(cè)面211、213的伸入流動(dòng)通道中的縱向邊緣相齊平。頂面210在一個(gè)迎角θ下朝通道壁6延伸，其中縱向邊緣212、214與連接邊緣216一起構(gòu)成一個(gè)尖頂218。當(dāng)然，渦流發(fā)生器200、201、202也可以有一個(gè)底面，可以用合適的方式固定在通道壁6上。這種底面與部件的工作方式?jīng)]有關(guān)系。
渦流發(fā)生器200、201、202的工作方式如下在邊緣212和214周?chē)l(fā)生繞流時(shí)，主流轉(zhuǎn)變成一對(duì)反向的渦流，如圖中示意的那樣。渦流的軸線位于主流的軸線上。渦流值和渦流破裂(vortex breakdown)(在要求渦流破裂的情況)的位置將通過(guò)相應(yīng)地選擇迎角θ和后掠角α來(lái)確定。角度增大時(shí)，渦流強(qiáng)度及渦流值則提高，渦流破裂的位置向上游移動(dòng)，直到渦流發(fā)生器200、201、202本身的區(qū)域中。根據(jù)不同的應(yīng)用情況，兩個(gè)角θ和α由實(shí)際的結(jié)構(gòu)情況和工作過(guò)程本身來(lái)確定。渦流發(fā)生器只要在長(zhǎng)度和高度上相匹配，這在后面對(duì)照?qǐng)D9還要詳細(xì)說(shuō)明。
圖6中，兩個(gè)側(cè)面211、213的連接邊緣216構(gòu)成渦流發(fā)生器200的下游側(cè)邊緣。頂面210在通流通道橫向分布的邊緣215由此是首次被通道中的流動(dòng)沖擊的邊緣。
圖7中示出了一種基于圖6所示渦流發(fā)生器的所謂半“渦流發(fā)生器”。此處示出的渦流發(fā)生器201中，兩個(gè)側(cè)面中只有一個(gè)側(cè)面有一后掠角α/2，另一個(gè)側(cè)面是直的，并沿流動(dòng)方向取向。與對(duì)稱的渦流發(fā)生器不同，此處只有一個(gè)渦流在做成后掠形的一側(cè)上產(chǎn)生，如圖中所示。這樣在渦流發(fā)生器的下游就不存在渦流中性場(chǎng)(vortex-neutral field)，而是在流動(dòng)上加了一個(gè)渦流。
圖8與圖6的不同之外在于，此外渦流發(fā)生器202的銳利連接邊緣216處于首先被通道中的流動(dòng)沖擊的那個(gè)位置。此時(shí)，該部位被轉(zhuǎn)動(dòng)了180°。如圖所示，兩個(gè)反向渦流的轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變了。
圖9示出了裝入通道5中的一個(gè)渦流發(fā)生器200的基本幾何尺寸。一般地，連接邊緣216的高度h和與渦流發(fā)生器相配的通道高度H(或通道部分的高度)是這樣的確定的，使得產(chǎn)生的渦流在緊靠著渦流發(fā)生器200的下游處就達(dá)到完全充滿整個(gè)通道高度H的尺寸。這使得在所作用的截面上的速度分布是均勻的。另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是壓力降，它可以影響要選擇的兩個(gè)高度的比h/H，所述壓力降在圍繞渦流發(fā)生器200流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生。顯然，比值h/H較大時(shí)，壓力損失也上升。
渦流發(fā)生器200、201、201主要用在要將兩股流動(dòng)相互混合的地方。作為高溫氣體的主流4沿箭頭方向沖擊橫向的邊緣215，或者連接邊緣216。次流(secondary flow)為氣態(tài)和/或液態(tài)的燃料，該次流中有時(shí)也加有補(bǔ)助空氣(參見(jiàn)圖1)，該次流的質(zhì)量流量比主流要小得多。在目前的情況下，該次流在渦流發(fā)生器的下游引入到主流中，于圖1中尤其清楚可見(jiàn)。
在圖1所示的實(shí)施例中，有四個(gè)渦流發(fā)生器200在通道5周向上相間地分布。自然地，渦流發(fā)生器也可以沿周向這樣順序地相互排列，即無(wú)間隙地設(shè)置在通道壁6上。渦流發(fā)生器的數(shù)目和布置最終由要產(chǎn)生的渦流來(lái)決定。
圖10-16示出了將燃料供入高溫氣體4中的其它一些可能的方式。這些變型方式可以用許多方式相互地以及與一個(gè)中央燃料噴入系統(tǒng)組合起來(lái)，例如參見(jiàn)圖1。
在圖10中，除了通過(guò)位于渦流發(fā)生器下游的通道壁的鉆孔220噴入燃料外，也可通過(guò)壁孔221噴入，這些壁孔221緊靠側(cè)面211、213和在安置渦流發(fā)生器的同一通道壁6中的這些側(cè)面的縱向延伸段中。通過(guò)這些壁孔221引入燒料，使產(chǎn)生的渦流獲得額外的動(dòng)力，使渦流發(fā)生器的壽命延長(zhǎng)。
在圖11和12中，燃料經(jīng)一個(gè)縫口222或者經(jīng)壁孔223噴入，其中該縫口222和壁孔223兩者都設(shè)置在緊靠頂面210的沿通流通道橫向分布的邊緣215之前面并位于安裝渦流發(fā)生器的同一通道壁6中的其縱向延伸段中。壁孔223或縫口222的幾何尺寸是這樣選擇的，即要使燃料在一定的噴入角度下噴入主流中并作為保護(hù)膜在很大程度上保護(hù)后面安置的渦流發(fā)生器不受繞流的高溫主流4的損壞。
在以下所述的實(shí)施例中，次流(參見(jiàn)前面的內(nèi)容)首先經(jīng)未示出的導(dǎo)管穿過(guò)通道壁6引入到渦流發(fā)生器的內(nèi)部空腔中。從而可以直接地對(duì)渦流發(fā)生器的內(nèi)部進(jìn)行冷卻，而不需要另外的措施。
在圖13中，燃料經(jīng)壁孔224噴入，這些壁孔224位于頂面210內(nèi)緊靠近沿通流通道橫向分布的邊緣215的后面，并沿著該邊緣215分布。此時(shí)，對(duì)渦流發(fā)生器的冷卻程度而言，外部要大于內(nèi)部。出來(lái)的次流在圍繞頂面210流動(dòng)時(shí)，構(gòu)成一層保護(hù)頂面不受高溫主流4損壞的保護(hù)層。
在圖14中，燃料經(jīng)壁孔225噴入，這些壁孔在頂面210內(nèi)沿對(duì)稱線217階梯形設(shè)置。這種交型結(jié)構(gòu)能更好地防止通道壁6受到高溫主流4的損壞，因?yàn)槿剂舷仁菑臏u流的外周面引入的。
在圖15中，燃料經(jīng)壁孔226噴入，這些壁孔位于頂面210的縱向邊緣212、214上。這種方案保證渦流發(fā)生器的有良好的冷卻，因?yàn)槿剂蠌乃捻敹瞬砍鰜?lái)，從而能完全沖刷部件的內(nèi)壁。次流在此處是直接供入形成的渦流中，而產(chǎn)生確定的流動(dòng)情況。
在圖16中，燃料經(jīng)壁孔227噴入，這些壁孔位于側(cè)面211和213中，一方面位于縱邊緣212和214的區(qū)域中，另一方面位于連接邊緣216的區(qū)域中。該變型結(jié)構(gòu)的作用與圖10(孔221)和圖15(孔226)所示的結(jié)構(gòu)相類似。
代號(hào)表1第一段2第二段3另一種燃料導(dǎo)管4高溫氣體，主流5流入?yún)^(qū)、流入?yún)^(qū)通道6流入?yún)^(qū)通道壁7預(yù)混合區(qū)8燃料導(dǎo)管9燃料10 補(bǔ)充空氣11 燃燒區(qū)12 橫截面突變部13 高溫工作氣14 透平16 軸線17 原始?jí)嚎s空氣的剩余部分18 壓縮機(jī)19 燃料/空氣混合物20 角渦流、點(diǎn)火區(qū)21 火焰前沿100 燒嘴101、102 側(cè)面體101a、102a 筒形起始部分101b、102b 縱面對(duì)稱軸105 燃料注入圖108、109 燃料管線110 前壁110a 空氣孔110b 冷卻空氣112 液體燃料113 氣態(tài)燃料114 錐形空腔115 燃燒空氣116 燃料注入117 燃料噴嘴119、120 切向空氣入口縫121a、121b 導(dǎo)板123 導(dǎo)板轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)200、201、202 渦流發(fā)生器210 頂面211、213 側(cè)面212、214 縱向邊緣215 橫向邊緣216 連接邊緣217 對(duì)稱軸線218 尖頂220-227 燃料注入孔L、h 渦流發(fā)生器尺寸H 導(dǎo)管高度α 后掠角θ 迎角
權(quán)利要求
1.燃燒室，它主要由一個(gè)第一級(jí)(1)和一個(gè)沿流動(dòng)方向接在后面的第二級(jí)(2)組成，其中第一級(jí)(1)設(shè)置在流體機(jī)械(18)的下游，第二級(jí)(2)設(shè)置在流體機(jī)械(14)的上游，其特征在于第一級(jí)(1)在前端處至少有一個(gè)產(chǎn)生高溫氣體(4)的燒嘴(100)，在燒嘴(100)的下游設(shè)置渦流發(fā)生器(200、201、202)，在渦流發(fā)生器(200、201、202)的下游可以向主流中噴入一種氣態(tài)和/或液態(tài)燃料(9)，渦流動(dòng)方向相接的第二級(jí)(2)有一個(gè)截面突變部(12)，該截面突變部(12)構(gòu)成第二級(jí)(2)開(kāi)始的流動(dòng)截面，燒嘴(100)可以用一部分壓縮空氣(115)工作，而其余的壓縮空氣(17)可以從燒嘴(100)的下游噴入。
2.按權(quán)利要求1的燃燒室，其特征在于渦流發(fā)生器(200)有三個(gè)被自由繞流的表面，這些表面沿流動(dòng)方向延伸，其中一個(gè)表面構(gòu)成頂面(210)，其余兩個(gè)表面構(gòu)成側(cè)面(211、213)，側(cè)面(211、213)與通道(5)的同一個(gè)壁部分相齊平，并且相互間構(gòu)成一個(gè)后掠角(α)，頂面(210)與一個(gè)在通流通道(5)橫向分布的有流動(dòng)通過(guò)的邊緣(215)裝在與側(cè)面(211、213)安裝的同一通道(6)壁部分上，頂面(210)的縱向邊緣(212、214)與側(cè)面(211、213)的伸入通道(5)中的縱向邊緣相齊平，并與通道(5)的壁部分成一迎角(θ)地分布。
3.按權(quán)利要求2的燃燒室，其特征在于渦流發(fā)生器(200)的圍成后掠角(α)的兩個(gè)側(cè)面(211、213)圍繞一個(gè)對(duì)稱軸(217)對(duì)稱地設(shè)置。
4.按權(quán)利要求2的燃燒室，其特征在于圍成后掠角(α，α/2)的側(cè)面(211、213)相互間構(gòu)成一個(gè)連接邊緣(116)，它與頂面(210)的縱向邊緣(212、214)一起形成一個(gè)尖頂(218)，連接邊緣(216)位于圓形通道(5)的徑向上。
5.按照權(quán)利要求4的燃燒室，其特征在于連接邊緣(216)和/或頂面(210)的縱向邊緣(212、214)至少是大約尖銳的。
6.按權(quán)利要求1、2、3、4之一的燃燒室，其特征在于渦流發(fā)生器(200)的對(duì)稱軸線(217)平行于通道軸線，兩個(gè)側(cè)面(211、213)的連接邊緣(216)構(gòu)成渦流發(fā)生器(200)的下游邊緣，頂面(210)的在通流通道(5)橫向延伸的有流動(dòng)通過(guò)的邊緣(215)是首先被主流(4)沖擊的邊緣。
7.按權(quán)利要求1的燃燒室，其特征在于渦流發(fā)生器的高度(h)與通道(5)的高度(H)之比值是這樣選擇的，即使產(chǎn)生的渦流在緊靠近渦流發(fā)生器(200)的下游處充滿通道(5)的整個(gè)高度(H)和與渦流發(fā)生器(200)相配的通道部分的整個(gè)高度(h)。
8.按權(quán)利要求1的燃燒室，其特征在于燒嘴(100)至少由兩個(gè)空的、錐形的、沿流動(dòng)方向相互插裝在一起的部件(101、102)構(gòu)成，該部件各自的縱向?qū)ΨQ軸線(101b、102b)相互錯(cuò)開(kāi)布置，部件(101、102)的相鄰的壁在其縱向延伸部分中構(gòu)成用于引入燃燒空氣流(115)的切向通道(119、120)，在由部件(101、102)構(gòu)成的錐形空腔(114)中至少有一個(gè)燃料噴嘴(103)。
9.按權(quán)利要求8的燃燒室，其特征在于在切向通道(119、120)區(qū)域中的其縱向延伸段中還設(shè)置了其它的燃料噴嘴(117)。
10.按照權(quán)利要求8的燃燒室，其特征在于部件(101、102)沿流動(dòng)方向在一個(gè)固定的角度下擴(kuò)張，或者至少具有一種增加或減少的錐度。
11.按權(quán)利要求8的燃燒室，其特征在于部件(101、102)是螺旋式地相互插裝在一起的。
12.按權(quán)利要求1的燃燒室，其特征在于燃燒室是一種環(huán)形燃燒室。
13.按照權(quán)利要求1的燃燒室，其特征在于在渦流發(fā)生器(200、201、202)下游側(cè)的通道段是做成文丘里管結(jié)構(gòu)的，燃料(9)可以在文丘里管形通道段的最大收縮部分的區(qū)域中噴入。
14.權(quán)利要求1所述燃燒室的工作方法，所述燃燒室基本上由一個(gè)第一級(jí)和一個(gè)后接的第二級(jí)構(gòu)成，其中第一級(jí)在流體機(jī)械的下游工作，第二級(jí)在流體機(jī)械的上游工作，其特征在于，在第一級(jí)中流入一部分壓縮空氣(115)，該壓縮空氣預(yù)先被預(yù)加熱處理，其余部分的壓縮空氣(17)在第一級(jí)(1)的下游和一個(gè)燃料噴入部件(9)的上游部分中供入。
15.按權(quán)利要求14的方法，其特征在于，在第一級(jí)(1)中供入的壓縮空氣(115)部分的量為30～60％，這部分壓縮空氣(115)預(yù)先加熱到500～700℃，通過(guò)與其余部分的壓縮空氣(17)相混合，則產(chǎn)生為燃燒準(zhǔn)備的溫度為800～1050℃的混合空氣。
全文摘要
一種燃燒室，它基本上由一個(gè)第一級(jí)(1)和一個(gè)沿流動(dòng)方向接在后面的第二級(jí)(2)構(gòu)成。第一級(jí)(1)在端部處至少裝有用于形成高溫氣體(4)的一個(gè)燒嘴(100)。在燒嘴(100)的下游側(cè)設(shè)置了一些渦流發(fā)生器(200)，在渦流發(fā)生器的下游側(cè)將另一股燃料(9)噴入主流中。第二級(jí)(2)此外具有一個(gè)截面突變部分(12)，在該區(qū)域中構(gòu)成火焰前沿。燒嘴(100)只利用一部分壓縮空氣工作。其它部分的壓縮空氣在渦流發(fā)生器(200)之前或者其區(qū)域中供入。
文檔編號(hào)F02C3/14GK1133393SQ95121139
公開(kāi)日1996年10月16日 申請(qǐng)日期1995年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月24日
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