專利名稱：帶有截留渦流空腔的氣體渦輪發(fā)動機(jī)燃燒室筒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體渦輪發(fā)動機(jī)燃燒室，并更具體地涉及帶有預(yù)混合器的環(huán)筒燃燒室。
背景技術(shù)：
工業(yè)氣體渦輪發(fā)動機(jī)包括一用于壓縮空氣的壓氣機(jī)，該壓縮空氣與燃料混合，并在燃燒室中點(diǎn)燃以便產(chǎn)生燃燒氣體。該燃燒氣體流入汲取能量的渦輪中以便驅(qū)動軸從而為所述壓氣機(jī)提供動力并產(chǎn)生輸出功率例如為發(fā)電機(jī)提供動力。產(chǎn)生電功率的氣體渦輪發(fā)動機(jī)一般在很長期間內(nèi)運(yùn)行，并且來自燃燒氣體的排放物所關(guān)心的問題并且要遵從規(guī)定的限制。為此，為低排放物操作并特別為低NOx操作設(shè)計(jì)燃燒室。一種典型的低NOx燃燒室包括多個(gè)圍繞發(fā)動機(jī)周圍在周向相互連接的筒形燃燒室。每個(gè)燃燒室筒具有多個(gè)連接到上游端的預(yù)混合器。已經(jīng)設(shè)計(jì)出貧燃預(yù)混合的低NOx燃燒室以產(chǎn)生低的排放物，但是在燃燒室腔中容易受到燃燒不穩(wěn)定的影響。
在溫度超過約3000°F度時(shí)雙原子氮迅速分離并與氧結(jié)合產(chǎn)生不可接受的高水平NOx排放物。通常用于減少峰值溫度并因此減少NOx排放物的方法是在燃燒室中噴水或蒸汽。然而，水/蒸汽的噴射是成本相當(dāng)高的技術(shù)并可導(dǎo)致不希望的抑制一氧化碳(CO)完全燃燒反應(yīng)的負(fù)效應(yīng)。另外水/蒸汽的噴射方法還不能達(dá)到許多地區(qū)要求的極低的污染排放水平。貧燃預(yù)混合燃燒是非常有吸引力的降低峰值火焰溫度并相應(yīng)地減少NOx排放物水平的方法。在貧燃預(yù)混合燃燒中，燃料和空氣在預(yù)混合區(qū)域中預(yù)先混合，然后該燃料空氣混合物噴射到它在其中燃燒的燃燒室腔中。由于該預(yù)混合形成的貧燃理想配比，實(shí)現(xiàn)了較低的火焰溫度和NOx排放水平。幾種典型的低NOx排放的燃燒室通常采用貧燃預(yù)混合燃燒以用于氣體渦輪發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)包括環(huán)筒形和環(huán)形燃燒室。
環(huán)筒燃燒室一般包括圓筒形的管型襯套并插入到轉(zhuǎn)接構(gòu)件中，同時(shí)多個(gè)燃料空氣預(yù)混合器定位在該襯套的前端部上。環(huán)形燃燒室也應(yīng)用在許多燃?xì)鉁u輪應(yīng)用中并包括多個(gè)預(yù)混合器，該混合器在呈環(huán)形方式的渦輪噴嘴的上游直接定位在環(huán)件中。環(huán)形燃燒器具有在徑向上通過內(nèi)和外襯套限界的環(huán)形橫截面燃燒室腔，同時(shí)筒形燃燒器具有在徑向上通過單獨(dú)襯套限界的圓形橫截面燃燒室腔。
工業(yè)氣體渦輪發(fā)動機(jī)一般包括為低排放物操作并特別為低NOx操作設(shè)計(jì)的燃燒室。低NOx燃燒室通常是多個(gè)圍繞發(fā)動機(jī)圓周在周向上相互連接的燃燒室筒，同時(shí)每個(gè)燃燒室筒具有多個(gè)連接到其上游端的預(yù)混合器。每個(gè)預(yù)混合器一般包括圓筒形導(dǎo)管，該導(dǎo)管中共軸線地布置從導(dǎo)管入口延伸到導(dǎo)管出口的管狀中央本體，在出口處其連接到較大拱頂上，該拱頂在其中限定該燃燒室筒的上游端以及燃燒室腔。
具有多個(gè)沿周向間隔布置的葉片的旋流器布置在導(dǎo)管入口處以便將接收來自發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的壓縮空氣形成旋渦流。在旋流器的下游布置了適當(dāng)?shù)娜剂蠂娚淦鳎鼈兺ǔＲ匝刂芟蜷g隔布置的燃料輻管的排列為形式，每個(gè)輻管具有多個(gè)在徑向上間隔布置的燃料噴射孔，該噴射孔按傳統(tǒng)方式接收例如氣體甲烷的燃料以通過該中央本體排放到位于燃燒室拱頂上游的預(yù)混合器導(dǎo)管中。
該燃料噴射器軸向布置在燃燒室腔的上游使得燃料和空氣有充足的時(shí)間相混合和預(yù)先汽化。依此方式，預(yù)先混合和預(yù)先汽化的燃料和空氣混合物有助于在燃燒室腔中更充分地燃燒以便減少排放污染物。燃燒室腔一般不穿孔使得到達(dá)了預(yù)混合器的空氣量最大并因此產(chǎn)生更低量的NOx排放物并因此能夠滿足規(guī)定的排放污染物標(biāo)準(zhǔn)。
預(yù)混合的低NOx燃燒室更容易受到燃燒空腔中燃燒不穩(wěn)定的影響，這將導(dǎo)致燃料和空氣混合物發(fā)生變化，于是降低了燃燒室減少排放物的效率。這樣，具有預(yù)混合器的貧燃低NOx排放的燃燒室受到燃燒不穩(wěn)定性的影響，而燃燒不穩(wěn)定則對預(yù)先混合燃燒裝置的操作性能的施加嚴(yán)格限制。因此本技術(shù)領(lǐng)域在存在一種為采用預(yù)混合的燃燒室提供燃燒穩(wěn)定性的需要。

發(fā)明內(nèi)容
氣體渦輪發(fā)動機(jī)燃燒室筒組件包括位于具有預(yù)混合器上游端的預(yù)混合器下游的燃燒室筒，預(yù)混合器下游端和位于其間的預(yù)混合器流路。多個(gè)沿周向間置的渦流葉片橫過位于上游和下游端之間的預(yù)混合器流路布置。多個(gè)主燃料噴射器用于將燃料噴射到預(yù)混合器流路中。燃燒室筒具有由環(huán)形燃燒室襯套所環(huán)繞的燃燒室腔，該襯套布置成與該預(yù)混合器供應(yīng)流動連通。環(huán)形截留雙渦流空腔布置在該燃燒室襯套的上游端并限定在環(huán)形后壁和環(huán)形前壁以及在其間形成的圓形徑向外壁之間。在該空腔的徑向內(nèi)端開口的空腔與該軸向外壁間隔開并在后壁和前壁之間延伸?？諝鈬娚涞谝豢淄ㄟ^該前壁布置而空氣噴射第二孔通過后壁布置。該空氣噴射第一和第二孔沿徑向上間隔布置而燃料噴射孔通過該前和后壁的至少之一布置。
該燃燒室筒組件的示范性實(shí)施例包括布置成在下游方向上徑向向外傾斜通過該后壁的傾斜薄膜冷卻開口，布置成沿徑向向內(nèi)傾斜通過該前壁的薄膜冷卻開口以及布置成沿軸向向前傾斜的通過該外壁的薄膜冷卻開口。作為選擇，通過后壁的薄膜冷卻開口布置成在下游方向上徑向向內(nèi)傾斜，通過前壁的薄膜冷卻開口布置成在下游方向上徑向向外傾斜并且該薄膜冷卻開口布置成軸向向后傾斜，每個(gè)燃料噴射孔由多個(gè)空氣噴射第二孔環(huán)繞而空氣噴射第一孔特別布置在周向排列中。該主燃料噴射器包括在渦流葉片內(nèi)的燃料空腔和通過該渦流葉片的尾邊緣從該燃料空腔延伸道預(yù)混合器流路的燃料噴射孔。
一可選擇的燃燒室筒組件具有逆向流動燃燒室流路，該流路包括在下游串行流動關(guān)系上的位于外流動套筒和環(huán)形燃燒室襯套之間從后向前的部分，在該渦流空腔前部的180度彎曲部以及該在燃燒室流路的下游端的預(yù)混合器流路。該渦流葉片橫過限定在外流動套和內(nèi)流動襯套之間的預(yù)混合器流路布置，另一可選擇的燃燒室筒組件具有第二級預(yù)混合環(huán)繞混合器，該混合器布置在預(yù)混合器和渦流空腔之間。該環(huán)繞混合器包括徑向向內(nèi)延伸到預(yù)混合器流路中的周向交替的尾葉。


雖然此說明書以具體限定本發(fā)明并清楚要求本發(fā)明專利保護(hù)的權(quán)利要求來結(jié)束，但應(yīng)該相信通過下面結(jié)合附圖的說明將使此說明書容變得更加明了，其中圖1是按照本發(fā)明示范性實(shí)施例具有低NOx預(yù)混合器和帶有截留渦流空腔的筒形燃燒室的氣體渦輪發(fā)動機(jī)的一部分的示意圖；圖2是圖1所示筒形燃燒室的放大縱剖圖；圖3是圖2所示截留渦流空腔的放大縱剖示意圖；圖4是沿圖3中線4-4剖取的正面視圖；圖5是帶有位于預(yù)混合器和筒形燃燒室之間的環(huán)繞混合器的第一可選擇筒形燃燒室的縱剖示意圖；圖6是沿圖5中線6-6的方向剖取的環(huán)繞混合器的正面視圖；圖7是帶有逆向流動流路的第二可選擇筒形燃燒室的縱剖示意圖；圖8是通過圖7中線8-8剖取的位于逆向流動流路中的燃料葉片的縱剖示意圖；以及圖9是圖8所示截留渦流空腔的放大示意圖。
零件編號表發(fā)動機(jī)中心線4、筒軸線8、氣體渦輪發(fā)動機(jī)10、軸流式壓氣機(jī)12、低NOx燃燒室14、多級渦輪16、驅(qū)動軸18、壓縮空氣20、燃料22、燃燒室筒23、燃燒氣體24、燃燒室筒組件25、燃燒室腔26、燃燒室襯套27、預(yù)混合器28、燃燒室拱頂29、上游端30、出口31、旋流葉片32、下游端33、燃料/空氣混合物流35、內(nèi)端39、渦流空腔40、旋渦流41、渦流空腔開口42、點(diǎn)火器43、后壁44、空心中央本體45、前壁46、外壁48、燃料管59、燃料噴嘴68、燃料噴射孔70、導(dǎo)管72、燃料總管74、隔熱層80、薄膜冷卻開口84、冷卻空氣102、旋轉(zhuǎn)方向104、向后噴射的空氣110、第一孔112、第二孔114、旋流燃料115、向前噴射的空氣116、冷卻組件117、徑向向外開口的環(huán)形冷卻槽120、環(huán)形旋流器126、向下游開口的環(huán)形冷卻槽128、燃料空腔130、燃料噴射孔132、尾邊緣133、預(yù)混合器流路134、下游端135、預(yù)混合器管140、預(yù)混合器噴口144、中央本體尖頂150、兩級預(yù)混合器152、回旋混合器154、第一部分156、第一預(yù)混合級157、預(yù)混合區(qū)158、尾葉159、第二預(yù)混合級161、第二部分166、低壓區(qū)170、燃燒區(qū)172、單級燃燒室176、逆流燃燒室流路178、前部分180、彎曲部分181、外流動套筒182、內(nèi)流動套筒184、下游方向D、徑向向內(nèi)RI、徑向向外RO、軸向向后AA、軸向向前AF。
具體實(shí)施例方式
在圖1中表示示范性工業(yè)氣體渦輪發(fā)動機(jī)10，其包括布置成與低NOx燃燒室14和單或多級渦輪16串行流動連通的多級軸流式壓氣機(jī)12。該渦輪16通過驅(qū)動軸18驅(qū)動地連接壓氣機(jī)12上，軸18還用于驅(qū)動發(fā)電機(jī)(未示出)以產(chǎn)生電功率。在運(yùn)行期間，壓氣機(jī)12將壓縮空氣20沿下游方向D排放到燃燒室14中，在該燃燒室中壓縮空氣20與燃料22混合并點(diǎn)燃以便產(chǎn)生燃燒氣體24，渦輪16從該燃燒氣體中汲取能量以轉(zhuǎn)動該軸18從而為壓氣機(jī)12提供動力并驅(qū)動發(fā)電機(jī)或其他適宜的外部負(fù)載。該燃燒室14是環(huán)筒結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有多個(gè)圍繞發(fā)動機(jī)中心線4周向布置的燃燒室筒組件25。
進(jìn)一步參考圖2，每個(gè)燃燒室筒組件25包括直接位于預(yù)混合器28下游的燃燒室筒23，該預(yù)混合器在該預(yù)混合器和該燃燒器筒之間的預(yù)混合區(qū)域內(nèi)在燃料/空氣混合物流35中形成主空氣/燃料混合物。燃燒室筒23包括由圍繞筒軸線8并連接到燃燒室拱頂29的管狀或環(huán)形燃燒室襯套27所圍繞的燃燒室腔26。燃燒室腔26具有帶有與筒軸線8垂直的圓形截面的旋轉(zhuǎn)形狀的主體。在示例性實(shí)施例中，每個(gè)燃燒室襯套27不穿孔以使到達(dá)預(yù)混合器28的空氣量最大化從而減少NOx排放。該總體平的燃燒室拱頂29位于燃燒室腔26的上游端30并且出口31位于該燃燒室腔的下游端。轉(zhuǎn)變部分(未示出)將多個(gè)燃燒室筒出口31相連接以實(shí)現(xiàn)向渦輪16的共同環(huán)形排放結(jié)構(gòu)。
與本發(fā)明相關(guān)的貧燃工藝可成功通過和經(jīng)受燃燒困難和相關(guān)的流動不穩(wěn)定性以實(shí)現(xiàn)燃燒室低NOx排放的效率。為了克服這燃燒室腔26中的問題，需要一些用于點(diǎn)燃該燃料/空氣混合物并穩(wěn)定火焰的技術(shù)。這通過結(jié)合形成在燃燒室襯套27中的截留渦流空腔40來實(shí)現(xiàn)。該截留渦流空腔40用于產(chǎn)生燃料/空氣混合物的環(huán)形旋轉(zhuǎn)的渦流41，如在圖1、2和3中示意所示。
參見圖3，點(diǎn)火器43用于點(diǎn)燃燃料和空氣混合物的環(huán)形旋轉(zhuǎn)渦流41并使火焰前緣擴(kuò)散到燃燒室腔26的其余部分中。該截留渦流空腔40因此用作導(dǎo)燃物以便在從空氣燃料預(yù)混合器28噴射到燃燒室腔中的空氣/燃料混合物流35中點(diǎn)燃主空氣/燃料混合物。該截留渦流空腔40表示為大致矩形并限定在環(huán)形后壁44、環(huán)形前壁46以及在其間形成的圓形徑向外壁48之間，該徑向外壁大致分別垂直于后和前壁44和46。術(shù)語“后”涉及下游方向D，并且術(shù)語“前”涉及該上游方向U。
空腔開口42在該空腔40的徑向內(nèi)端39處在后壁44和前壁46之間延伸，并向燃燒室腔26開口，并在徑向與外壁48向內(nèi)間隔開。在本示范性實(shí)施例中，該渦流空腔40是大致矩形截面并且后壁44、前壁46和外壁48在軸向延伸的截面中的長度近似相等，如圖中所示。
具體地參看圖3，通過在前壁46中的空氣噴射第一孔112噴入渦流驅(qū)動的向后噴射的空氣110，該第一孔沿位于空腔40的徑向內(nèi)端39處的開口42附近徑向定位的前壁徑向定位。渦流驅(qū)動的向前噴射的空氣116通過靠近外壁48徑向定位的后壁44中的空氣噴射第二孔114噴入。渦流燃料115通過后壁44中靠近徑向外壁48的后壁44中的燃料噴射孔70噴入。每個(gè)燃料噴射孔70由幾個(gè)布置成圓形圖案的第二孔114所環(huán)繞。前壁46中的第一孔112布置成圍繞筒軸線8的單個(gè)周向排列，如圖4所示。然而，可采用包括多于一排的燃料噴射孔70和/或第一孔112的其他布置。
參看圖3，渦流燃料115通過燃料噴射器68進(jìn)入截留渦流空腔40，該噴射器在燃料噴射孔70內(nèi)對中。該燃料噴射器68與外燃料總管74流動連通，該總管通過燃料導(dǎo)管72接收該渦流燃料115。在本發(fā)明的示范性實(shí)施例中，該燃料總管74具有隔熱層80以保護(hù)該燃料總管免受熱作用，該隔熱層可以包含空氣或其他隔熱材料。
以例如通過壁傾斜的冷卻孔或槽的冷卻開口84為形式的薄膜冷卻裝置在用于冷卻燃燒室壁的領(lǐng)域中已為人所知。在本發(fā)明示范性實(shí)施例中，通過后璧44、前壁46和外壁48布置的薄膜冷卻開口84用作薄膜冷卻裝置。該薄膜冷卻開口84傾斜布置以有助于促進(jìn)燃料和空氣在空腔40中形成渦流41并且還用于冷卻壁部。該薄膜冷卻開口84傾斜布置以使冷卻空氣102在渦流的旋轉(zhuǎn)方向104上流動。由于空氣從第一和第二孔112和114以及該薄膜冷卻開口84進(jìn)入空腔40，該截留渦流41在該渦流空腔40的空腔開口42處的切線方向是下游方向D，進(jìn)入燃燒室腔26的燃料/空氣混合物也是如此。這就意味著，對于渦流空腔40的空腔開口42處的截留渦流41的下游D切線方向，通過后璧44的薄膜冷卻開口84在下游方向D徑向向外傾斜RO，通過前壁46的薄膜冷卻開口84徑向向內(nèi)傾斜RI，通過外壁48的薄膜冷卻開口84軸向向前傾斜AF。對于在該渦流41的渦流空腔40的空腔開口42處的截留渦流41的切線方向是下游方向的情況，通過后壁44的薄膜冷卻開口84在下游方向D上徑向向內(nèi)傾斜RI，通過前壁46的薄膜冷卻開口84在下游方向D上徑向向外傾斜RO，通過外壁48的薄膜冷卻開口84沿軸向向后傾斜AA(見圖7和9)。
因此，通過在空腔40的截留渦流產(chǎn)生的燃燒氣體用作導(dǎo)燃物以便從預(yù)混合器接收到燃燒室腔26中的空氣和燃料混合物進(jìn)行燃燒。該截留渦流空腔40為進(jìn)入燃燒室腔26的燃料/空氣混合物提供連續(xù)點(diǎn)燃和火焰穩(wěn)定源。由于該截留渦流實(shí)現(xiàn)該火焰穩(wěn)定的功能，不需要如所有其他低NOx燃燒室那樣在主氣流中產(chǎn)生熱氣體再循環(huán)區(qū)域。這使得在筒形燃燒室中從主氣流區(qū)域中消除渦流穩(wěn)定的再循環(huán)區(qū)域。該主燃料可噴入進(jìn)入該燃燒室腔的高速氣流中而沒有流動分離或再循環(huán)，并且使燃料/空氣預(yù)混合器區(qū)域中自動點(diǎn)燃或逆燃和火焰穩(wěn)定的危險(xiǎn)最小化。
與傳統(tǒng)的貧燃預(yù)混合工業(yè)氣體渦輪燃燒室相比，截留渦流燃燒室可以明顯較少的駐留時(shí)間實(shí)現(xiàn)基本完全的燃燒。通過使在燃燒室腔中的駐留時(shí)間保持在相對較短的水平上，可以減少在高于熱NOx形成的極限溫度上停留的時(shí)間，從而使產(chǎn)生的NOx量也下降。因?yàn)闇p少了使CO完全燃燒的時(shí)間，此方法的危險(xiǎn)是增加了CO的水平。然而，應(yīng)當(dāng)相信，由于在渦流和主空氣之間為強(qiáng)烈混合，燃燒室腔的火焰區(qū)域很短。與傳統(tǒng)的航空飛機(jī)燃燒室相比，截留渦流在更短的駐留時(shí)間條件下可提供高的燃燒室效率。可以預(yù)料，CO水平將是確定最佳燃燒室長度和駐留時(shí)間的關(guān)鍵因素。
點(diǎn)火、加速以及低功率運(yùn)行可通過只向截留渦流提供燃料來完成。在負(fù)荷范圍內(nèi)的某些點(diǎn)上，可將燃料導(dǎo)入主氣流預(yù)混合器中。從熱燃燒產(chǎn)物從截留渦流到主氣流的徑向向內(nèi)流動將導(dǎo)致主氣流點(diǎn)燃。隨著負(fù)荷連續(xù)地增加，主氣流燃料噴射增加并且截留渦流燃料以緩慢的速率下降，使得燃燒室出口溫度上升。在滿負(fù)荷狀態(tài)下，截留渦流燃料流量將下降到以下水平，使得在渦流中的溫度將低于熱NOx形成的極限值水平，但仍然足以使主氣流燃燒保持穩(wěn)定。由于該截留渦流在過于貧燃狀態(tài)下運(yùn)行以便不能產(chǎn)生大量熱NOx，并且該主氣流在高溫下的駐留時(shí)間過短不致于產(chǎn)生大量熱NOx，該燃燒室的總排放物將最小化。
在本文描述的示范性實(shí)施例中，該燃燒室襯套27包括沿徑向向外開口的環(huán)形冷卻槽120，該槽平行于后壁44并且可操作引導(dǎo)冷卻空氣102使之沿著后壁44流動。燃燒室襯套27包括下游開口環(huán)形冷卻槽128，該槽可操作引導(dǎo)冷卻空氣102并使之沿著空腔40下游的燃燒室襯套27向下游流動。該徑向向外開口的冷卻槽120和向下游開口的冷卻槽128是所謂冷卻組件117的組成部分。
再參見圖2，該預(yù)混合器28包括環(huán)形旋流器126，該漩流器具有多個(gè)圍繞通過預(yù)混合器流路134的空心中央本體45周向布置的旋流葉片32，該流路134延伸通過預(yù)混合器管140。燃料管59通過在環(huán)形旋流器126的旋流葉片32中的燃料空腔130(見圖8)將燃料22提供到作為實(shí)例的燃料噴射器中。該燃料22通過燃料噴射孔132噴射到預(yù)混合器流路134中，孔132從燃料空腔130通過旋流葉片32的尾邊緣33延伸到預(yù)混合器流路。這種旋流器葉片32的實(shí)例表示在圖8的橫截面圖中。這是用于將燃料噴入預(yù)混合器流路134中的主燃料噴射器。其他裝置在本領(lǐng)域中是公知的，并包括(但不限于此)將燃料沿下游方向噴入該預(yù)混合器流路134中的徑向延伸燃料桿，和將燃料徑向噴入預(yù)混合器流路134的中央燃料管。該預(yù)混合器管140連接到燃燒室拱頂29上并終止在預(yù)混合器和燃燒室腔26之間的預(yù)混合器噴嘴144處。該空心中央本體45由擴(kuò)散冷卻的中央本體頂部150蓋住。
在圖5中表示兩級預(yù)混合器152，其中第一預(yù)混合級157包括該環(huán)形旋流器126。該旋流葉片32圍繞橫過預(yù)混合器管140內(nèi)的預(yù)混合器流路134的空心中央本體45周向布置。該燃料管59將燃料提供到位于環(huán)形旋流器126的旋流葉片32中的燃料空腔130中，如將在圖8進(jìn)一步說明。在環(huán)形旋流器126的下游是以回轉(zhuǎn)混合器154為形式的第二預(yù)混合級161，該混合器位于第一預(yù)混合級157和渦流空腔40之間。該回旋混合器154包括徑向向內(nèi)延伸到預(yù)混合器流路134和燃料/空氣混合物流35中的周向交替的尾葉159。
預(yù)混合區(qū)域158在環(huán)形旋流器126和回轉(zhuǎn)混合器154之間延伸。該回轉(zhuǎn)混合器154的尾葉159將燃料/空氣混合物流35的第一部分從該預(yù)混合區(qū)域158沿著尾葉159徑向向內(nèi)引導(dǎo)，如圖5和6所示。來自預(yù)混合區(qū)158的燃料/空氣混合物流35的第二部分166通過該尾葉159之間。該回轉(zhuǎn)混合器154直接在尾葉159的下游尾流中產(chǎn)生低壓區(qū)域170。這就促使渦流空腔40中的氣體深深進(jìn)入燃料/空氣混合物流35中以便在該燃燒室腔26中渦流空腔40下游的燃燒區(qū)172內(nèi)對該燃料/空氣混合物提供良好的引導(dǎo)及點(diǎn)燃作用。該回轉(zhuǎn)混合器154可使來自渦流空腔40的燃燒氣體迅速地混合。有些來自靠近徑向外壁48的后壁44中的燃料噴射孔70的渦流燃料115將噴射到前壁46上。這些燃料迅速徑向向內(nèi)流動向上并沿著該回轉(zhuǎn)混合器154的面向后的表面流動從而夾帶在空氣/燃料混合物流35中。這就更有利于空氣/燃料混合物的混合。該回轉(zhuǎn)混合器154使燃燒區(qū)172中的空氣/燃料混合物的火焰前緣錨定和穩(wěn)定并提供高度火焰穩(wěn)定性。
在圖7中表示帶有逆向流動燃燒室流路178的干式低NOx單級燃燒室176。該燃燒室流路178包括以下游的串行流動關(guān)系的位于外流動套筒182和環(huán)形燃燒室襯套27之間的后到前的部分180，在渦流空腔40前面的180度彎曲部分和位于該燃燒室流路178的下游端135處的預(yù)混合器流路134。該預(yù)混合器28的旋流葉片32布置成橫過所述限定在外流動套筒182和內(nèi)流動套筒184之間的預(yù)混合器流路134。該燃料管59提供燃料22到位于環(huán)形旋流器126的旋流葉片32中的燃料空腔130去。燃料從燃料空腔130通過延伸通過該旋流葉片32的尾邊緣133的燃料噴射孔132噴入到預(yù)混合器流路134中，如圖8的橫截面圖所示。
渦流驅(qū)動向后噴射的空氣110通過在后壁44中的空氣噴射第一孔112噴入。該第一孔112在渦流空腔40徑向內(nèi)端39處開口42的附近沿縱向定位。渦流驅(qū)動的向前噴射的空氣116通過前壁46中的空氣噴射第二孔114噴入。該第二孔114在徑向上沿著前壁盡可能靠近外壁48地定位。渦流燃料115通過在前后壁46中靠近徑向外壁48的燃料噴射孔70噴入。每個(gè)燃料噴射孔70由布置成圓形圖案的第二孔114所環(huán)繞。該在后壁44中的第一孔112圍繞該管軸線8布置成單個(gè)周向排列，如圖4所示。
由于空氣從第一和第二孔112和114以及薄膜冷卻開口84進(jìn)入該空腔40中，該截留渦流41在渦流空腔40的空腔開口42處的切線方向是向上游的，這與進(jìn)入燃燒室腔26的燃料/空氣混合物的向下游的方向相反。這就進(jìn)一步促使渦流41的熱燃燒氣體的混合。
因此，通過渦流空腔40的截留渦流產(chǎn)生的燃燒氣體用作導(dǎo)燃源以將從預(yù)混合器接收到燃燒室腔26中的空氣及燃料混合物點(diǎn)燃。該截留渦流空腔40提供用于進(jìn)入燃燒室腔26的燃料/空氣混合物的連續(xù)點(diǎn)燃和火焰穩(wěn)定源。由于截留渦流完成了火焰穩(wěn)定的功能，因此就元需如同所有其他低NOx燃燒室那樣在主氣流中產(chǎn)生熱燃?xì)庠傺h(huán)區(qū)域。在所述區(qū)中的薄膜冷卻開口傾斜布置以使冷卻空氣102在渦流旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動方向上流動。由于空氣從第一和第二孔112和114以及薄膜冷卻開口84進(jìn)入空腔40中，該截留渦流411在渦流空腔的空腔開口42處的切線方向是向下游方向，進(jìn)入燃燒室腔26的燃料/空氣混合物的情況也是如此。
由于主燃料通過旋流葉片噴射到高速氣流中而沒有氣流分離或再循環(huán)，因此在燃料/空氣預(yù)混合區(qū)域中自動點(diǎn)燃或逆燃和火焰穩(wěn)定的危險(xiǎn)最小化。顯而易見，與傳統(tǒng)的貧燃預(yù)混合工業(yè)氣體渦輪發(fā)動機(jī)相比，燃燒室截留渦流燃燒室筒能夠?qū)崿F(xiàn)以明顯少的駐留時(shí)間進(jìn)行完全燃燒。通過在該燃燒室筒的截留渦流的平面和該燃燒室的出口之間的駐留時(shí)間保持在相對短的水平上，在高于熱NOx形成極限值的溫度上停留時(shí)間可以減小。
雖然本文已經(jīng)描述了認(rèn)為是本發(fā)明優(yōu)選和示范性實(shí)施例，但對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說對本發(fā)明作出其他修改變型是顯而易見的，因此希望所附權(quán)利要求書確保所有這些修改都將落入本發(fā)明的真實(shí)構(gòu)思和保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種氣體渦輪發(fā)動機(jī)(10)燃燒室筒組件(25)，該組件包括一在預(yù)混合器(28)下游的燃燒室筒(23)；所述預(yù)混合器(28)具有一預(yù)混合器上游端(30)，一預(yù)混合器下游端(33)和一位于其間的預(yù)混合器流路(134)，多個(gè)沿所述上游和下游端(30，33)之間的預(yù)混合器流路(134)布置的周向間隔開的旋流尾葉以及一用于將燃料(22)噴射到預(yù)混合器流路(134)中的主燃料噴射裝置；所述燃燒室筒(23)具有由環(huán)形燃燒室襯套(27)環(huán)繞并布置成和預(yù)混合器(28)供料連通的燃燒室腔(26)；一布置在燃燒室襯套(27)的上游端(30)并限定在一環(huán)形后壁(44)、一環(huán)形前壁(46)以及一形成在其間的圓形徑向外壁(48)之間的環(huán)形截留雙渦流空腔(40)；一位于所述空腔(40)的徑向內(nèi)端(39)處的空腔開口(42)與所述徑向外壁(48)間置并在后壁(44)和前壁(46)之間延伸；所述前壁(46)中的空氣噴射第一孔(112)和后壁(44)中的空氣噴射第二孔(114)，所述空氣噴射第一和第二孔(112，114)徑向間隔開；以及在所述前和后壁(44，46)至少之一中的燃料噴射孔(70)。
2.如權(quán)利要求1所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，其還包括布置成通過后壁(44)、前壁(46)、及外壁(48)的傾斜薄膜冷卻開口(84)。
3.如權(quán)利要求2所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，其還包括通過所述后壁(44)的所述薄膜冷卻開口(84)徑向向外(RO)傾斜，通過所述前壁(46)的所述薄膜冷卻開口(84)在下游方向(D)上徑向向內(nèi)(RI)傾斜以及通過所述外壁(48)的所述薄膜冷卻開口(84)軸向向前(AF)傾斜。
4.如權(quán)利要求2所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，其還包括通過所述后壁(44)的所述薄膜冷卻開口(84)徑向向內(nèi)(RI)傾斜，通過所述前壁(46)的所述薄膜冷卻開口(84)在下游方向(D)上徑向向外(RO)傾斜以及通過所述外壁(48)的所述薄膜冷卻開口(84)軸向向后(AA)傾斜。
5.如權(quán)利要求2所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，每個(gè)所述燃料噴射孔(70)由多個(gè)所述空氣噴射第二孔(114)所環(huán)繞并且所述空氣噴射第一孔(112)單獨(dú)地布置在一周向排列中。
6.如權(quán)利要求5所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，其還包括布置成通過所述后壁(44)、前壁(46)和外壁(48)的傾斜薄膜冷卻開口(84)。
7.如權(quán)利要求6所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，其還包括通過所述后壁(44)的所述薄膜冷卻開口(84)徑向向外(RO)傾斜，通過所述前壁(46)的所述薄膜冷卻開口(84)在下游方向(D)上徑向向內(nèi)(RI)傾斜以及通過所述外壁(48)的所述薄膜冷卻開口(84)軸向向前(AF)傾斜。
8.如權(quán)利要求6所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，其還包括通過所述后壁(44)的所述薄膜冷卻開口(84)徑向向內(nèi)(RI)傾斜，通過所述前壁(46)的所述薄膜冷卻開口(84)在下游方向(D)上徑向向外(RO)傾斜以及通過所述外壁(48)的所述薄膜冷卻開口(84)軸向向后(AA)傾斜。
9.如權(quán)利要求1所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，所述主燃料噴射裝置包括在所述旋流葉片(32)中的燃料空腔(130)，從該燃料空腔(130)通過旋流葉片(32)的尾邊緣(133)延伸到預(yù)混合器流路(134)的燃料噴射孔(132)。
10.如權(quán)利要求9所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，其還包括布置成通過所述后壁(44)、前壁(46)和外壁(48)的傾斜薄膜冷卻開口(84)。
11.如權(quán)利要求10所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，其還包括通過所述后壁(44)的所述薄膜冷卻開口(84)徑向向外(RO)傾斜，通過所述前壁(46)的所述薄膜冷卻開口(84)在下游方向(D)上徑向向內(nèi)內(nèi)(RI)傾斜以及通過所述外壁(48)的所述薄膜冷卻開口(84)軸向向前(AF)傾斜。
12.如權(quán)利要求10所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，其還包括通過所述后壁(44)的所述薄膜冷卻開口(84)徑向向內(nèi)(RI)傾斜，通過所述前壁(46)的所述薄膜冷卻開口(84)在下游方向(D)上徑向向外(RO)傾斜，以及通過所述外壁(48)的所述薄膜冷卻開口(84)軸向向后(AA)傾斜。
13.如權(quán)利要求10所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，每個(gè)燃料噴射孔(70)由多個(gè)空氣噴射第二孔(114)所環(huán)繞而所述空氣噴射第一孔(112)單獨(dú)地布置在一周向排列中。
14.如權(quán)利要求13所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，其還包括布置成通過后壁(44)、前壁(46)和外壁(48)的傾斜薄膜冷卻開口(84)。
15.如權(quán)利要求14所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，其還包括通過所述后壁(44)的所述薄膜冷卻開口(84)徑向向外(RO)傾斜，通過所述前壁(46)的所述薄膜冷卻開口(84)徑向向內(nèi)(RI)傾斜以及通過所述外壁(48)的所述薄膜冷卻開口(84)軸向向前(AF)傾斜。
16.如權(quán)利要求14所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，其還包括通過所述后壁(44)的所述薄膜冷卻開口(84)徑向向內(nèi)(RI)傾斜，通過所述前壁(46)的所述薄膜冷卻開口(84)在下游方向(D)上徑向向外(RO)傾斜以及通過所述外壁(48)的所述薄膜冷卻開口(84)軸向向后(AA)傾斜。
17.如權(quán)利要求1所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，其還包括一逆向流動燃燒室流路(178)以向下游串行流動關(guān)系包括外流動套筒(182)和環(huán)形燃燒室襯套(27)之間的后到前的部分(180)，一在渦流空腔(40)的前面的180度彎曲部分(181)和所述在燃燒室流路(78)的下游端(135)處的預(yù)混合器流路(134)，所述旋流葉片(32)橫過限定在外流動套筒(182)和內(nèi)流動套筒(184)之間的所述預(yù)混合器流路(134)布置。
18.如權(quán)利要求17所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，其還包括通過所述后壁(44)的所述薄膜冷卻開口(84)徑向向內(nèi)(RI)傾斜，通過所述前壁(46)的所述薄膜冷卻開口(84)在下游方向(D)上徑向向外(RO)傾斜，通過所述外壁(48)的所述薄膜冷卻開口(84)軸向向后(AA)傾斜，燃料噴射孔(70)和空氣噴射第二孔(114)布置成通過所述前壁(46)，以及空氣噴射第一孔(112)布置成通過后壁(44)。
19.如權(quán)利要求18所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，所述主燃燒噴射裝置包括在旋流葉片(32)中的燃料空腔(130)，通過所述旋流葉片(32)的尾邊緣(133)從燃料空腔(130)延伸到預(yù)混合器流路(134)的燃料噴射孔(132)。
20.如權(quán)利要求18所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，其還包括布置成通過所述后壁(44)、前壁(46)和外壁(48)的傾斜薄膜冷卻開口(84)。
21.如權(quán)利要求18所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，每個(gè)燃料噴射孔(70)由多個(gè)空氣噴射第二孔(114)所環(huán)繞并且空氣噴射第一孔(112)單獨(dú)布置在一周向排列中。
22.如權(quán)利要求2所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，其還包括一第二級預(yù)混合回轉(zhuǎn)混合器(154)，該混合器位于預(yù)混合器(28)和渦流空腔(40)之間并包括徑向向內(nèi)延伸到所述預(yù)混合流路(134)的周向交替的尾葉(159)。
23.如權(quán)利要求22所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，其還包括布置成通過所述后壁(44)、前壁(46)和外壁(48)的傾斜薄膜冷卻開口(84)。
24.如權(quán)利要求23所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，還包括通過所述后壁(44)的所述薄膜冷卻開口(84)徑向向外(RO)傾斜，通過所述前壁(46)的所述薄膜冷卻開口(84)在下游方向(D)上徑向向內(nèi)(RI)傾斜，通過所述外壁(48)的所述薄膜冷卻開口(84)軸向向后(AA)傾斜，所述燃料噴射孔(70)和空氣噴射第二孔(114)布置成通過所述后壁(44)，以及所述空氣噴射第一孔(112)布置成通過所述前壁(46)。
25.如權(quán)利要求24所述的燃燒室筒組件(25)，其特征在于，每個(gè)所述燃料噴射孔(70)由多個(gè)所述空氣噴射第二孔(114)所環(huán)繞并且所述空氣噴射第一孔(112)單獨(dú)布置在一周向排列中。
全文摘要
一種位于預(yù)混合器下游的氣體渦輪發(fā)動機(jī)具有在其中的預(yù)混合器流路和橫過預(yù)混合器流路布置的周向間隔的旋流葉片。主燃料噴射器定位成將燃料噴到預(yù)混合器流路中。環(huán)形燃燒室襯套環(huán)繞的燃燒室腔布置成和預(yù)混合器供料流動連通。布置在該燃燒室襯套上游端的環(huán)形截留雙渦流空腔限定在環(huán)形后壁、環(huán)形前壁以及形成在其間的圓形徑向外壁之間。位于空腔的徑向內(nèi)端處的空腔開口與徑向外壁間距布置?？諝鈬娚涞谝豢淄ㄟ^前壁布置并且空氣噴射第二孔通過后壁布置。燃料噴射孔通過前和后壁至少之一布置。
文檔編號F23R3/34GK1467407SQ0311059
公開日2004年1月14日 申請日期2003年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月11日
發(fā)明者J·M·海尼斯, J M 海尼斯, A·S·費(fèi)特爾伯格, 費(fèi)特爾伯格, D·L·布爾魯斯, 布爾魯斯, N·D·喬施, 喬施 申請人:通用電氣公司