燃燒器襯套的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，并且更具體地涉及用于改進(jìn)燃燒性能的燃燒器襯套。
【背景技術(shù)】
[0002]為了減少來自氣體供能的渦輪的污染排放量，政府機(jī)構(gòu)出臺了要求減少氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)的量的許多法規(guī)。較低的燃燒排放通常可歸因于更有效的燃燒過程，具體關(guān)于燃料噴射器位置和混合效力。
[0003]早期的燃燒系統(tǒng)使用擴(kuò)散類型的噴嘴，其中燃料通過擴(kuò)散在火焰區(qū)附近與燃料噴嘴外的空氣混合。擴(kuò)散類型的噴嘴已知由于燃料和空氣在高溫下化學(xué)計(jì)量地焚燒來保持足夠的燃燒器穩(wěn)定性和低燃燒動力而產(chǎn)生高排放。
[0004]燃燒技術(shù)的增強(qiáng)在于利用預(yù)混，使得燃料和空氣在燃燒之前混合來形成均一的混合物，其在低于擴(kuò)散類型的火焰的溫度下焚燒，并且產(chǎn)生較低的NOx排放。燃料和空氣在燃燒之前一起預(yù)混允許了燃料和空氣形成更均一的混合物，其對于給定的燃燒器出口溫度，將在較低的峰值排放溫度下焚燒，導(dǎo)致較低的排放。美國專利申請US2004/0211186A1中公開了具有在多個(gè)負(fù)載條件下的降低的排放和改進(jìn)的火焰穩(wěn)定性的此類燃?xì)鉁u輪火焰層燃燒系統(tǒng)的實(shí)例。
[0005]盡管現(xiàn)有技術(shù)的燃燒器改進(jìn)了排放水平并且能夠在減小的負(fù)載設(shè)置下操作，但火焰層燃燒器的熱聲仍可導(dǎo)致不穩(wěn)定模式(如，脈動)，這可限制操作窗。此外，焚燒器的空氣動力可導(dǎo)致某些情況下的混合區(qū)中的火焰附著，引起逆燃和過熱的風(fēng)險(xiǎn)。此外，當(dāng)前的燃料分級策略可引起燃燒器襯套上的不對稱熱負(fù)載，這可導(dǎo)致蠕變問題。
[0006]最后，有助于克服脈動的手段(例如，主燃料供應(yīng)中的1/3-2/3組的分級)可導(dǎo)致不對稱的襯套熱加載，以及燃燒器出口溫度輪廓的不均勻。下文所述的本發(fā)明旨在將操作窗加寬超過當(dāng)前可用的范圍，而不犧牲低排放值。
[0007]意圖是一種系統(tǒng)，其可提供進(jìn)一步火焰穩(wěn)定性和低排放益處，同時(shí)還減小熱聲不穩(wěn)定性，這可擴(kuò)大當(dāng)前燃燒器設(shè)計(jì)可用的操作窗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的一個(gè)目的在于修改火焰層燃燒器來通過空氣動力和高級燃料分級手段來獲得改進(jìn)的熱聲特征、減少的逆燃、更好的火焰保持和增大的操作窗。
[0009]本發(fā)明的以上及其它目的通過用于燃?xì)鉁u輪的燃燒器襯套來實(shí)現(xiàn)，燃燒器襯套具有大致圓柱形狀并且包括第一區(qū)段和第二區(qū)段，其中第一區(qū)段相對于操作期間的熱氣流在第二區(qū)段的上游，其特征在于，第一區(qū)段為環(huán)形，并且包括圓形唇部區(qū)段和后區(qū)段，其中后區(qū)段的內(nèi)半徑(Rl)在操作期間的熱氣流的方向上沿襯套的中心線增大。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，后區(qū)段的半徑(Rl)沿燃燒襯套的中心線單調(diào)地增大。
[0010]根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，第一區(qū)段在軸向方向上的長度在襯套在軸向方向上的總長度的百分之20到百分之80的范圍中。
[0011]根據(jù)又一個(gè)實(shí)施例，后區(qū)段與燃燒襯套的外表面之間的角(α)在5到15度的范圍中。
[0012]根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，燃燒襯套的外表面的半徑大致恒定。
[0013]根據(jù)又一個(gè)實(shí)施例，第二部分的半徑(R2)沿襯套的中心線大致恒定。
[0014]根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，燃燒器襯套的第一區(qū)段為大致中空的。附加的容積可用于放置至少一個(gè)阻尼器(優(yōu)選亥姆霍茲阻尼器)和/或用于液體燃料噴射的器件。
[0015]除燃燒器襯套外，本申請還涉及包括上文所述的襯套和由燃燒襯套界定的燃燒區(qū)的燃燒器。在第一實(shí)施例中，燃燒器包括大致圓柱形的流動套筒，其中燃燒襯套至少部分位于流動套筒內(nèi)，從而形成流動套筒與燃燒襯套之間的第一通路;位于流動套筒前方并且至少部分地包圍燃燒襯套的第一區(qū)段的圓頂，圓頂具有大致圓形頭端，從而形成燃燒襯套的第一區(qū)段的圓形唇部區(qū)段與圓頂之間的轉(zhuǎn)向通路；以及包括用于供應(yīng)導(dǎo)向燃料的器件和第一旋流裝置的至少一個(gè)導(dǎo)向通道。轉(zhuǎn)向通路例如可具有像半環(huán)帶的截面形。轉(zhuǎn)向通路從第一通路延伸到燃燒區(qū)中，并且將圍繞燃燒襯套的第一區(qū)段的上游端離開第一通路的冷卻空氣引導(dǎo)到燃燒器的燃燒區(qū)中。
[0016]根據(jù)燃燒器的另一個(gè)實(shí)施例，第一通路和/或轉(zhuǎn)向通路包括燃料噴射器件和第二旋流裝置。作為優(yōu)選，第一旋流裝置和/或第二旋流裝置為軸向或徑向旋流器。
[0017]本申請還提供了包括上文所述的燃燒器的燃?xì)鉁u輪。
[0018]此外，本申請還提供了一種用于操作燃?xì)鉁u輪燃燒器的方法。該方法包括:將第一空氣流供應(yīng)到導(dǎo)向通道中；將第一燃料流供應(yīng)到導(dǎo)向通道中來與第一空氣流混合，并且將所得的第一混合物給送到燃燒區(qū)中用于提供導(dǎo)向火焰;將第二空氣流供應(yīng)到第一通路中；將第二燃料流供應(yīng)到第一通路或第二通路中來與第二空氣流混合，并且將所得的第二混合物給送到燃燒區(qū)中用于提供主火焰;其中第一混合物和第二混合物沿襯套的內(nèi)壁引導(dǎo)，并且形成在燃燒區(qū)的中心的中心再循環(huán)區(qū)。
[0019]本發(fā)明的附加優(yōu)點(diǎn)和特征將部分地在以下描述中闡述，并且在查看下文時(shí)將部分地對于本領(lǐng)域技術(shù)人員變得顯而易見，或者可通過實(shí)踐本發(fā)明來學(xué)習(xí)?，F(xiàn)在將具體參照附圖來描述本發(fā)明。
【附圖說明】
[0020]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在下文中參照附圖來描述，該附圖用于示出本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例的目的，并且不用于限制本發(fā)明的目的。在附圖中，
圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的燃?xì)鉁u輪燃燒系統(tǒng)的截面視圖。
[0021]圖2示出了示意性地指示再循環(huán)區(qū)的現(xiàn)有技術(shù)的燃?xì)鉁u輪燃燒系統(tǒng)的截面視圖。
[0022]圖3a示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的燃燒襯套的截面視圖。
[0023]圖3b示出了根據(jù)本發(fā)明的備選實(shí)施例的燃燒襯套的截面視圖。
[0024]圖3c示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)備選實(shí)施例的燃燒襯套的截面視圖。
[0025]圖3d示出了根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)備選實(shí)施例的燃燒襯套的截面視圖。
[0026]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的燃燒器的截面視圖。
[0027]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的備選實(shí)施例的燃燒器的截面視圖。
[0028]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的燃燒器的截面視圖。
[0029]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例的燃燒器的截面視圖。
[0030]部件列表 100燃燒器 102流動套筒 104燃燒襯套
106燃料噴射噴嘴 108外殼 110徑向混合器 112蓋
114燃料噴射噴嘴 210中心再循環(huán)區(qū) 220外再循環(huán)區(qū) 300燃燒襯套
310燃燒襯套300的第一區(qū)段
320燃燒襯套300的第二區(qū)段
330310的圓形唇部區(qū)段
340310的后區(qū)段
350燃燒襯套300的中心線
360襯套300的外表面
370亥姆霍茲阻尼器
372370的冷卻通道
380液體燃料噴射器件
400燃燒器
401燃燒區(qū)
402非流線體
405中心再循環(huán)區(qū)
410流動套筒
420第一通路
425圓頂
430425的頭端
440轉(zhuǎn)向通路
450燃料噴射器件
455導(dǎo)向通道
460導(dǎo)向燃料
470第二空氣流
480第一空氣流
490第二旋流裝置
495第一旋流裝置 710徑向分級器件 711外主旋流器 712內(nèi)主旋流器 721主燃料噴射 Rl 340的內(nèi)半徑 R2 320的內(nèi)半徑 α 340與360之間的角。
【具體實(shí)施方式】
[0031]圖1中示出了用于現(xiàn)有技術(shù)的燃?xì)鉁u輪的預(yù)混火焰層燃燒器100的實(shí)例。燃燒系統(tǒng)100包括容納燃燒襯套104的流動套筒102。燃燒襯套104具有沿燃燒器100的中心線定半徑。燃料噴射器106裝固于外殼108，其中外殼108封裝徑向混合器110。蓋112和導(dǎo)向噴嘴組件114裝固于外殼108的前部。燃燒器100為逆流預(yù)混燃燒器的類型。
[0032]圖2示出操作期間的火焰層燃燒器100的中部的截面。燃料經(jīng)由燃料噴射噴嘴106(主燃料)和114(導(dǎo)向燃料)提供至燃燒器100。空氣分別與導(dǎo)向燃料和主燃料混合。徑向混合器110將旋流空氣提供至燃料空氣混合物來改進(jìn)火焰穩(wěn)定性?；旌掀?10的使用通過在燃燒器100內(nèi)形成逆流來穩(wěn)定燃燒過程。逆流將自由基和熱返回至未焚燒的空氣燃料混合物的上游。以該方式，兩個(gè)單獨(dú)的再循環(huán)區(qū)，中心再循環(huán)區(qū)210和外再循環(huán)區(qū)220，如圖2中所示產(chǎn)生?；鹧娼柚趯?dǎo)向燃料在點(diǎn)火和部分負(fù)載條件下錨定在中心再循環(huán)區(qū)210中。在較高負(fù)載下，火焰通過增大主燃料供應(yīng)而傳遞至外再循環(huán)區(qū)220。
[0033]使用兩個(gè)競爭的再循環(huán)區(qū)(中心210和外220)可導(dǎo)致不穩(wěn)定問題，尤其是在導(dǎo)向和主兩者都以等同比率相當(dāng)時(shí)。從導(dǎo)向穩(wěn)定火焰到主穩(wěn)定火焰的過渡需要仔細(xì)限定的程序來避免高脈動。
[0034]為了克服上述問題，提出了根據(jù)本發(fā)明的燃燒襯套設(shè)計(jì)。圖3a示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的燃?xì)鉁u輪的燃燒襯套300的截面視圖。燃燒器襯套300具有大致圓柱形狀，并且包括第一區(qū)段310和第二區(qū)段320，其中第一區(qū)段相對于操作期間的熱氣流在第二區(qū)段上游。第一區(qū)段310為環(huán)形，并且包括圓形唇部區(qū)段330和后區(qū)段340。后區(qū)段340的內(nèi)半徑(Rl)在操作期間在熱氣流的方向上沿襯套300的中心線350增大。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，后區(qū)段340的半徑(Rl)沿襯套300的中心線350單調(diào)地增大。例如，這意味著后區(qū)段340可具有帶恒定半徑(Rl)的至少一個(gè)平區(qū)域。
[0035]第一區(qū)段310在軸向方向上的長度相對于襯套300在軸向方向上的總長度可變化。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第一區(qū)段310的長度在襯套300的總長度的百分之20到百分之80的范圍中。如圖3a中所示，燃燒襯套300的外表面360與后區(qū)段340之間存在角(α)。角(α)可變化。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，角(α)在5到15度的范圍中。
[0036]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，燃燒襯套300的外表面360的半徑沿襯套300的中心線350大致恒定。這意味著區(qū)段310和區(qū)段320的外半徑大致相等。在根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，第二區(qū)段320的半徑(R2)沿襯套300的中心線350大致恒定。此外，半徑(Rl)和半徑(