在燃?xì)鉁u輪機上使用的、具有預(yù)混合的燃料和空氣的切向環(huán)形燃燒器的制造方法
【專利摘要】一種在燃?xì)鉁u輪機中使用以產(chǎn)生推進(jìn)力或使軸旋轉(zhuǎn)用于發(fā)電的燃燒裝置，該燃燒裝置包括環(huán)形燃燒器，該環(huán)形燃燒器帶有一系列的燃料和空氣入口通道和噴嘴，這導(dǎo)致了預(yù)混合的燃料和空氣的分級燃燒。燃料和空氣入口周向地設(shè)置在多個縱向位置處，并可采用所有噴嘴均噴射燃料-空氣混合物或一些噴嘴僅噴射空氣的不同構(gòu)造。該燃燒裝置提供了燃料和空氣的最佳混合，形成了減少污染物排放的燃燒環(huán)境，從而降低了對昂貴的污染控制裝置的需求，增強了點火和火焰的穩(wěn)定性，減少了導(dǎo)向問題，允許提高燃料靈活性，減小了第一級噴嘴引導(dǎo)葉片(NGV)的尺寸，并改善了減振性。
【專利說明】在燃?xì)鉁u輪機上使用的、具有預(yù)混合的燃料和空氣的切向環(huán)形燃燒器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種燃?xì)鉁u輪機中的裝置，該裝置有助于容納燃料空氣混合物并產(chǎn)生燃料空氣混合物的燃燒。這樣的裝置包括(但不限于):燃料-空氣噴嘴、燃燒器襯套和殼體、以及流動過渡件，該流動過渡件用在軍用和商用飛機、發(fā)電及其它與燃?xì)鉁u輪機有關(guān)的應(yīng)用中。
【背景技術(shù)】
[0002]燃?xì)鉁u輪機包括從以很高的溫度、壓力和速度流動的燃燒氣體中提取功的機械。所提取的功可用于驅(qū)動用于發(fā)電的發(fā)電機，驅(qū)動壓縮裝置或用于提供飛機所需的推力。典型的燃?xì)鉁u輪機包括多級壓縮機，在該多級壓縮機中，大氣被壓縮至高壓。然后，壓縮空氣在燃燒器中以特定的燃料/空氣比混合，其中，升高了其溫度。然后，高溫高壓的燃燒氣體通過渦輪而膨脹以做功，從而根據(jù)其應(yīng)用而提供所需的推力或驅(qū)動發(fā)電機。渦輪包括至少一級，其中，每一級均包括一排刮片和一排葉片。這些刮片周向地布置在旋轉(zhuǎn)轂上，其中每個刮片的高度覆蓋熱氣流路。不旋轉(zhuǎn)的葉片的每個級沿周向地布置，該級還延伸通過熱氣流路。本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪機的燃燒器以及將燃料和空氣引導(dǎo)到所述裝置中的部件。
[0003]燃?xì)鉁u輪機的燃燒器部分可以有幾種不同類型:筒式、罐式/管狀、環(huán)形、以及罐式/管狀與環(huán)形的組合以形成罐式-環(huán)形燃燒器。通過該部件，壓縮的燃料-空氣混合物通過燃料-空氣渦流器并發(fā)生混合物的燃燒反應(yīng)，從而形成引起其密度下降和向下游加速的熱氣流。罐式燃燒器典型包括單獨的周向間隔的罐，該罐單獨容納每個噴嘴的火焰。來自每個罐的氣流然后被引導(dǎo)通過管，并且在其進(jìn)入第一級NGV之前被結(jié)合在環(huán)形過渡件中。在環(huán)形燃燒器類型中，燃料-空氣噴嘴典型地周向分布并將混合物引導(dǎo)到發(fā)生燃燒的單個環(huán)形室中。在不需要過渡件的情況下，氣流完全離開環(huán)形件的下游端并進(jìn)入第一級渦輪中。最后一種類型(即，罐狀-環(huán)形燃燒器)的關(guān)鍵差別在于其具有由容納空氣供給到每個罐中的環(huán)形殼體包圍的單獨的罐。取決于具體應(yīng)用，每個變型例均具有其各自的優(yōu)點和缺點。
[0004]在用于燃?xì)鉁u輪機的燃燒器中，典型的是燃料-空氣噴嘴將渦流引入混合物中。一個原因是增強混合并因此增強燃燒，另一個原因是增加的渦流使火焰穩(wěn)定以防止火焰熄滅并允許較貧的燃料-空氣混合物以減少排放。燃料空氣噴嘴可采用不同的結(jié)構(gòu)，例如在每一個上都具有旋流葉片的一個至多個環(huán)形入口。
[0005]對于其他的燃?xì)鉁u輪機部件，需要冷卻方法以防止燃燒器材料熔化。一種典型的用于冷卻燃燒器的方法是擴散冷卻，該擴散冷卻通過以在燃燒器襯套與燃燒氣體之間的附加的偏移襯套圍繞燃燒器襯套來實施，壓縮機排出的氣體通過稀釋孔和冷卻通道經(jīng)過并進(jìn)入熱氣流路。該技術(shù)消除了來自部件的熱量，并且在襯套與燃燒氣體之間形成了薄邊界層冷空氣膜，從而防止了熱量傳遞至襯套。稀釋孔根據(jù)其在襯套上的軸向位置而有如下兩個目的:第一，較靠近燃料空氣噴嘴的稀釋孔會有助于氣體的混合以增強燃燒并提供未燃空氣用于燃燒，第二，較靠近渦輪布置的孔會冷卻熱氣流并可以設(shè)計為控制燃燒器的出口溫度曲線。
[0006]可見，可以將幾種方法和技術(shù)合并到用于燃?xì)鉁u輪機的燃燒器的設(shè)計中以改善燃燒并減少排放。盡管燃?xì)鉁u輪機傾向于比其它發(fā)電方法產(chǎn)生更少的污染，但在該領(lǐng)域中仍然存在改善空間。隨著一些國家加強了政府排放法規(guī)，該技術(shù)將需要改進(jìn)以滿足需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]關(guān)于本發(fā)明，提供了一種新穎的和改善的燃燒器設(shè)計，它能夠以典型的方式運行，同時使由于燃料和空氣混合物的燃燒的污染物排放最小化。本發(fā)明由典型的由環(huán)形燃燒器構(gòu)成，其具有預(yù)混合的燃料-空氣噴嘴和/或稀釋孔，在沿著縱向方向和周向方向不同的位置處將壓縮機排出的空氣和加壓燃料引導(dǎo)到燃燒器中。本發(fā)明的原有特征是燃料和空氣入口被布置成使得形成燃燒反應(yīng)物和產(chǎn)物的提高的混合的環(huán)境。將預(yù)混合燃料和空氣噴嘴分級以具有比另一組下游噴嘴多的燃料上游提高了燃燒反應(yīng)物的混合，并且在燃燒區(qū)域中產(chǎn)生了特定的氧濃度，這大大降低了 NOx的產(chǎn)生。此外，燃燒區(qū)域下游的壓縮機排出的氣體的引入允許在燃燒期間產(chǎn)生的任何CO在進(jìn)入第一級渦輪之前被燃燒/消耗。實際上，燃燒器將改進(jìn)燃?xì)鉁u輪機排放水平，因此降低了對排放控制裝置的需要以及使這樣的裝置的環(huán)境影響最小化。除了該改善之外，切向點燃的燃料和燃料-空氣噴嘴將其火焰向其相鄰的燃燒器引導(dǎo)，從而大大提高了燃燒器的點火過程并且離開燃燒器的最終氣流具有大的周向速度分量，這降低了第一級NGV的所需尺寸。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]參照以下附圖:
[0009]圖1是示出了附接到燃燒器外襯套上并具有指向燃燒器內(nèi)部的周向和徑向方向(噴嘴的可能的縱向方向未示出)的噴嘴的二維示意圖；
[0010]圖2是具有所提出的分級燃料和空氣噴射的示例性環(huán)形燃燒器的等軸側(cè)視圖；
[0011]圖3是具有由發(fā)動機中心線和半徑限定的截面的等軸截面圖；
[0012]圖4A是從前向后觀察到的等軸側(cè)視圖，示出了本發(fā)明可以具有的前壁和穿孔前壁；
[0013]圖4B是圖4A的圖像的細(xì)節(jié)放大圖；
[0014]圖5A是從后向前觀察到的示例性燃燒器的等軸正視圖，示出了出口噴嘴和入口噴嘴；
[0015]圖5B是根據(jù)圖5A的細(xì)節(jié)放大圖；并且
[0016]圖6是示出了燃料-空氣噴嘴的常規(guī)噴嘴截面布置的二維圖。
【具體實施方式】
[0017]圖1示出了具有切向指向的燃料-空氣噴嘴的環(huán)形燃燒器的大體結(jié)構(gòu)。該燃燒器包括:外殼體(或外襯套)1，其可以在縱向方向上具有恒定或變化的半徑；內(nèi)殼體(或內(nèi)襯套)2，其可以在縱向方向上具有恒定或變化的半徑；以及前壁6，該前壁6連接外襯套I和內(nèi)襯套2。如圖所示，本發(fā)明的示例性構(gòu)造示出了主要沿著周向方向指向的預(yù)混合燃料-空氣噴嘴3，其中在與外襯套相切的線8與噴嘴3的中心線9之間形成了角度10，但可以具有相對于其方向的徑向或縱向分量。這些噴嘴3可以共用由縱向方向和沿發(fā)動機中心線的點限定的公共平面，并且可以在周向上等距間隔開或具有相對于在該方向上的間距的圖案。噴嘴將預(yù)混合燃料-空氣混合物4引導(dǎo)到由外殼體1、內(nèi)殼體2和前壁6形成的燃燒器容積空間中。由燃料和空氣噴嘴3噴射的反應(yīng)物在該區(qū)域內(nèi)燃燒，并產(chǎn)生通過該燃燒器的、圍繞發(fā)動機中心線旋轉(zhuǎn)的流場5。燃料、空氣或預(yù)混合燃料和空氣所經(jīng)過的這些噴嘴具有如圖6所示的大體布局。與噴嘴同軸的圓形區(qū)域12環(huán)繞可以保持軸向渦流器和/或?qū)蛉剂?空氣噴嘴的區(qū)域。同心環(huán)形流動通道11對通過的空氣或預(yù)混合燃料-空氣混合物產(chǎn)生幾乎不產(chǎn)生渦旋。為了維持進(jìn)入燃燒器的較大的切向速度(如果有的話)，將最小量的渦旋引導(dǎo)到通過該環(huán)形通道的氣流。這種構(gòu)造允許氣流在燃燒器出口處保持最大周向速度分量，這減少了所需的第一級渦輪的葉片長度。
[0018]圖2示出了用于本發(fā)明的示例性構(gòu)造，其中燃料噴嘴3布置在共用公共平面且周向間隔開的第二組燃料-空氣噴嘴的上游(左側(cè))。燃料噴嘴3的數(shù)量可以是至少一個，最高可以不限數(shù)量。壓縮機排出的空氣也可以通過如圖3、4A和4B所示的穿孔前壁6而引入到燃燒器容積空間中。通過靠近前壁的第一排噴嘴進(jìn)行的混合物的噴射產(chǎn)生了所期望的混合和燃料-空氣分級效果，這會產(chǎn)生在部分載荷和/或滿載條件下減少來自該燃燒器的NOx和CO排放的最佳燃燒環(huán)境，所述第一排噴嘴可以比與噴射到燃料噴嘴3下游的混合物相關(guān)的第二組噴嘴具有更高的燃料/空氣比。然后，熱的燃燒產(chǎn)物通過如圖5A和5B所示的環(huán)形開口 7離開燃燒器，其中該熱的燃燒產(chǎn)物進(jìn)入燃?xì)鉁u輪機的第一級渦輪。
[0019]已參照優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到，在不脫離本發(fā)明的性質(zhì)和范圍的情況下可以對描述的實施例做出變化和變型。對于本文中為了示例的目的所選擇的實施例的各個變化和變型對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。在這樣的變型和變體不脫離本發(fā)明的精神的情況下，它們旨在包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0020]為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解和實踐，已經(jīng)以清楚簡練的語句充分描述了本發(fā)明，本發(fā)明的權(quán)利要求參見后文。
【權(quán)利要求】
1.一種用于燃?xì)鉁u輪機的環(huán)形燃燒器，所述燃?xì)鉁u輪機用在地面發(fā)電、陸基或海基車輛或航空發(fā)動機應(yīng)用中，所述燃燒器包括:多個周向間隔開的燃料、空氣和/或燃料-空氣噴嘴，所述多個噴嘴排列在與縱向方向垂直的平面上；殼體/襯套，所述殼體/襯套由高溫合金或陶瓷材料制成；被稱為前壁的襯套，所述前壁由上述材料制成并將內(nèi)襯套和外襯套連接以形成環(huán)形容積空間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，燃料-空氣混合物在離開所述燃料/空氣噴嘴并進(jìn)入燃燒室之前被預(yù)混合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述 的燃燒器，其中，所述燃料-空氣噴嘴由同軸圓形區(qū)域和同心環(huán)形氣流入口組成，在所述同軸圓形區(qū)域中，能夠設(shè)置有軸向旋流器和/或?qū)蛉剂?空氣噴嘴，在所述同心環(huán)形氣流入口處，幾乎不對氣流產(chǎn)生渦流(O <渦流< 0.5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃燒器，其中，所述燃料-空氣噴嘴具有幾乎不對氣流產(chǎn)生渦流的所述環(huán)形氣流入口，以便引導(dǎo)具有大的切向速度的所述氣流，這有效增大了靠近燃燒器出口的氣流的角度，從而減小了第一級靜止NGV的所需長度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，一排燃料/空氣噴嘴以在周向上圍繞所述燃燒器的外襯套的方式布置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，兩排或更多排的燃料/空氣噴嘴以在周向上圍繞所述燃燒器的外襯套的方式布置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，在與縱向方向垂直的公共平面內(nèi)周向間隔開并靠近所述前壁的噴嘴噴射燃料-空氣混合物，該燃料-空氣混合物比下游的一組噴嘴具有更大的燃料/空氣比，且主要具有周向方向并能夠具有徑向方向和/或縱向方向。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，位于權(quán)利要求7所述的噴嘴下游并在與所述縱向方向垂直的公共平面內(nèi)周向間隔開的噴嘴噴射燃料-空氣混合物，該燃料-空氣混合物具有比權(quán)利要求7中描述的噴嘴的燃料/空氣比更低的燃料/空氣比，且主要具有周向方向并能夠具有徑向方向和/或縱向方向。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，所述燃料-空氣噴嘴具有提供了使火焰穩(wěn)定功能的導(dǎo)向燃料/空氣噴嘴，尤其在部分載荷運行時使火焰穩(wěn)定功能。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，所述燃料-空氣噴嘴能夠具有在平面-平面之間的恒定或變化的角度值，如附圖標(biāo)記10所示，其范圍為O度至90度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，所述燃料-空氣噴嘴能夠具有在同一平面內(nèi)的恒定或變化的角度值，其范圍為O度至90度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，所述燃料-空氣噴嘴能夠具有至少在同一平面內(nèi)被分為兩組的燃料-空氣噴嘴，每一組以其值為O度至90度的不同角度點然。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，處于不同平面內(nèi)的所述噴嘴能夠具有相同的燃料/空氣比或不同的燃料/空氣比。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，處于同一平面內(nèi)的所述燃料空氣噴嘴能夠具有相同的燃料/空氣比或不同的燃料/空氣比值。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，切向指向的所述噴嘴大大增強了所述燃燒器的點火過程，這是因為相鄰的噴嘴會將它們的火焰導(dǎo)向到其平面內(nèi)的相鄰噴嘴處，從而減少了對多個導(dǎo)向噴燒器的需求。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃燒器，其中，所述增強的點火過程產(chǎn)生了固有地穩(wěn)定的噴燒器，這將會降低火焰引起的震動以及在部分載荷和滿載荷水平運行時由于火焰不穩(wěn)定性產(chǎn)生的聲響。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，所述切向的燃料-空氣噴嘴布置結(jié)構(gòu)增強了反應(yīng)物的混合，用于在非常低的載荷水平下有效燃燒。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，由于提高了火焰穩(wěn)定性，諸如低BTU氣體的低反應(yīng)性燃料能夠容易地用在所述燃燒器中并在所述燃燒器中燃燒。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，減少了使燃料-空氣混合物燃燒所需的停留時間；因此，減小了所需的燃燒空間，這減少了發(fā)動機尺寸(這在所有燃?xì)鉁u輪機的應(yīng)用中都很重要)，并因此減小了重量/推力比(這在航空燃?xì)鉁u輪機的應(yīng)用中很重要)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，在所述燃燒器的出口處實現(xiàn)了更均勻的溫度分布，這允許所述燃燒器在較高的燃燒溫度(點燃溫度)下運行，而不會減少所述燃燒器和渦輪機部件的壽命。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，權(quán)利要求20所述的在較高的燃燒溫度下運行的能力提高了發(fā)動機效率和動力輸出，因此降低了二氧化碳排放水平。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，所述前壁襯套能夠具有至少一個孔(所述至少一個孔能夠是通過火花電放電加工而產(chǎn)生的筆直或喇叭口形的入口孔)或者一組孔，這允許壓縮機排出的空氣穿過所述襯套以對其進(jìn)行冷卻并迅速地與燃燒室內(nèi)的燃燒煙氣混合。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，取決于所述燃?xì)鉁u輪機的尺寸和形狀，所述內(nèi)襯套和外襯套二者的半徑能夠在縱向方向上變化。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，能夠使用使燃?xì)鉁u輪機部件冷卻的任一種可用的冷卻方法，例如:沖擊冷卻、擴散冷卻、蒸汽冷卻等。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，共用公共平面的所述噴嘴能夠相對于在另一不同平面內(nèi)的另一組噴嘴偏離以發(fā)動機中心線為中心的一定周向角度。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中，所產(chǎn)生的通過所述燃燒器的氣流以相當(dāng)大的周向速度分量離開所述燃燒器，這減小了第一級渦輪NGV的所需長度以實現(xiàn)用于第一級渦輪的邊界入口條件，因此，減少了與該NGV有關(guān)的冷卻需求，從而減少了性能損失和成本問題。
27.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃燒器，其中，氮氧化物的排放被最小化。
【文檔編號】F23R3/28GK103930723SQ201180073012
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2011年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月22日
【發(fā)明者】馬吉德·托甘, 布倫特·阿倫·格雷戈里, 喬納森·達(dá)維德·賴蓋萊, 里安·薩多·亞馬內(nèi) 申請人:馬吉德·托甘, 布倫特·阿倫·格雷戈里, 喬納森·達(dá)維德·賴蓋萊, 里安·薩多·亞馬內(nèi)