專利名稱：用于減少燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的排放的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是基于美國政府的支持在政府合同No.DE-FC02-00CH11063下完成的。美國政府對本發(fā)明具有一定的權(quán)利。
本發(fā)明大體上涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，更具體地涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的燃燒室。
背景技術(shù)：
微型渦輪是通常用于現(xiàn)場發(fā)電的小燃?xì)廨啓C(jī)。它們基于與噴氣式發(fā)動機(jī)相同的原理來工作，但可使用各種能買到的燃料，例如天然氣、柴油、生物柴油、汽油、煤油、丙烷、甲烷、沼氣、改良燃料、氣化產(chǎn)物等。微型渦輪具有可在與電網(wǎng)相連的模式、單機(jī)模式和雙態(tài)模式下工作的能力。與電網(wǎng)相連的模式通常允許裝置與電網(wǎng)并行地工作，提供了基荷調(diào)節(jié)和峰值調(diào)節(jié)。單機(jī)模式通常允許裝置完全與電網(wǎng)隔離而工作。在雙態(tài)模式中，裝置可在這兩種模式之間自動地切換。
微型渦輪通常用作辦公樓、零售店、小制造廠、家庭以及許多其它商業(yè)機(jī)構(gòu)的后備或輔助電源。這些機(jī)構(gòu)在傳統(tǒng)上通過配電線電網(wǎng)而由電力部門來供電。利用微型渦輪，這些機(jī)構(gòu)就可在其自身位置處發(fā)電，并避免僅僅依賴于傳統(tǒng)的電網(wǎng)和電站。與電力部門通過電網(wǎng)所提供的電能相比，微型渦輪還可以成本更低和/或更可靠地發(fā)電。
全球范圍的空氣污染已經(jīng)催生了更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)管制由燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的氮氧化物(NOX)、未燃烴(UHC)和一氧化碳(CO)的排放。具體地說，由于工作期間的燃燒火焰的高溫，在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)內(nèi)形成了氮氧化物。
傳統(tǒng)的微型渦輪通常包括壓縮機(jī)、回流換熱器、燃燒室和渦輪?？諝庠趬嚎s機(jī)中被壓縮，在回流換熱器中被加熱，在燃燒室中與燃料混合并燃燒，之后在渦輪中膨脹以產(chǎn)生可驅(qū)動渦輪的高壓熱燃?xì)狻ＭǔＳ霉艿缹u輪廢氣輸送穿過回流換熱器，以將熱量傳遞給進(jìn)入空氣，從而增加了燃燒腔中的空氣燃料混合物的能量。燃?xì)廨啓C(jī)通常采用兩種類型的燃燒室，例如管形燃燒室和環(huán)形燃燒室，就排放和可操作性而言，各燃燒室都具有一定的特性上的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
管形燃燒室通常包括有插入到過渡段中的圓柱狀管形襯套，以及多個位于襯套頂端處的燃料空氣預(yù)混器。雖然這種系統(tǒng)實(shí)用且易于裝配，然而現(xiàn)有技術(shù)的管形燃燒室在達(dá)到超低排放和最大可操作性要求方面具有若干固有的缺點(diǎn)。現(xiàn)有技術(shù)的管形燃燒室相對較長，并提供了較長的燃燒室滯留時間。在低負(fù)載和/或低溫的工作期間，因較長的燃燒室滯留時間而降低了CO和UHC的濃度。然而，在高負(fù)載和/或高溫的工作期間，雙原子氮開始與燃燒的中間產(chǎn)物(氧原子、OH等)發(fā)生反應(yīng)，NOX的排放隨時間而增加。因此，管形燃燒室的較長滯留時間導(dǎo)致了在高負(fù)載和/或高溫工作期間存在較高的NOX排放。與高負(fù)載和/或高溫下的工作相比，在較低壓力和類似的火焰溫度下，除非滯留時間增大，否則CO的濃度會顯著提高。這對微型渦輪的工作來說特別重要，因?yàn)槲⑿蜏u輪具有比重型機(jī)器低得多的壓力比(通常約為4.0)。結(jié)果，必須對燃燒室進(jìn)行改進(jìn)以便能應(yīng)用在同流換熱式微型渦輪上。
圖1顯示了現(xiàn)有技術(shù)的管形燃燒室。管形燃燒室2包括機(jī)匣4、預(yù)混裝置6、空氣入口8、管形襯套10、燃燒腔12、可選的過渡段14以及噴嘴16。在現(xiàn)有技術(shù)的管形燃燒室2的工作期間，燃燒空氣沿著箭頭A的方向經(jīng)由入口8而進(jìn)入到機(jī)匣4中。之后燃燒空氣進(jìn)入到預(yù)混裝置6中，在這里與燃料混合。然后通過預(yù)混裝置6將燃料空氣混合物噴射到燃燒腔12中，在這里進(jìn)行燃燒。在燃料空氣混合物燃燒之后，其經(jīng)由過渡段14和噴嘴16排出。如所述，管形燃燒室的一個不利方面是其長度。燃燒產(chǎn)物從燃燒腔的上游端流過整個腔并進(jìn)入到過渡段中，最后經(jīng)由噴嘴而離開。這導(dǎo)致了燃燒室滯留時間較長，因此在高溫和/或高負(fù)載的工作期間導(dǎo)致了較高水平的NOX排放。然而，管形燃燒室在低溫和/或低負(fù)載的工作期間能夠很好地工作，這是因?yàn)檩^長的燃燒室滯留時間會使CO和UHC在這一較長期間內(nèi)燒掉(即更完全地氧化)，從而導(dǎo)致了較低水平的CO和UHC排放。另外，尤其對于微型渦輪的燃燒室而言，通常不需要過渡段，這是因?yàn)槿紵业某隹诳膳c渦殼入口對齊，并可通過使用密封件來減小任何泄漏。
環(huán)形燃燒室通常包括以環(huán)狀的形式直接定位在渦輪噴嘴上游的環(huán)中的多個預(yù)混器。環(huán)形燃燒室的長度較短，因此具有相對較短的燃燒室滯留時間。在高負(fù)載和/或高溫的工作期間，由于在較短的環(huán)形燃燒室中燃燒室滯留時間較短，因此NOX排放的水平較低。然而，在低負(fù)載和/或低溫的工作期間，由于環(huán)形燃燒室的燃燒室滯留時間較短，這不允許一氧化碳(CO)和未燃烴(UHC)完全地燃盡(即氧化)，因此CO和UHC的濃度很高。
圖2顯示了現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)形燃燒室50。如圖所示，典型的環(huán)形燃燒室50包括有形式為完全環(huán)形的單個火焰管，其包含在相應(yīng)的連續(xù)環(huán)形的內(nèi)燃燒室機(jī)匣52和外燃燒室機(jī)匣54中，沒有任何單獨(dú)的內(nèi)部管形燃燒室。這種結(jié)構(gòu)提供了最有效的燃料和空氣的混合，并且由于具有最優(yōu)化的燃燒器表面積而可對燃?xì)膺M(jìn)行最大程度的冷卻。由于其為環(huán)形的形狀，環(huán)形燃燒室不需要有過渡段，這使其比管形燃燒室更緊湊得多。如上所述，在用于低壓力比的燃?xì)廨啓C(jī)中時，環(huán)形燃燒室的一個不利方面是其長度較短。燃燒室滯留時間較短，因此在低溫和/或低負(fù)載的工作期間，存在有較高水平的CO和UHC排放。另外，環(huán)形燃燒室工作的另一個重要的不利方面是該燃燒系統(tǒng)具有多種聲學(xué)模式(橫向的和縱向的)，這尤其傾向于在貧預(yù)混焰的情況中被激發(fā)，并因此通常在高負(fù)載下導(dǎo)致了高振幅的壓力波動。然而，環(huán)形燃燒室在高溫或高負(fù)載的工作期間能夠很好地工作，這是因?yàn)檩^短的燃燒室滯留時間不會給NOX的排放帶來充足的生長時間，從而導(dǎo)致NOX排放的水平較低。而且，對于微型渦輪來說通常使用輻流式渦輪機(jī)，而環(huán)形燃燒室的幾何形狀上的布局最適合于軸流式渦輪機(jī)。
在微型渦輪發(fā)動機(jī)中，通常使用貧預(yù)混焰。在用于微型渦輪的管形燃燒室中，這是通過使用預(yù)混器來實(shí)現(xiàn)的，預(yù)混器可進(jìn)行用于產(chǎn)生預(yù)混火焰和擴(kuò)散火焰的雙重操作。后者通常在除了設(shè)計點(diǎn)(全速負(fù)載)之外的條件下使用，這時通常很難達(dá)到貧預(yù)混焰的穩(wěn)定性。在環(huán)形燃燒室中采用周向上均勻布置的預(yù)混器陣列。此外，為了獲得均勻性和良好的模式因數(shù)，所有的預(yù)混器均類似地工作。結(jié)果是，在任一種預(yù)混器的結(jié)構(gòu)中(如環(huán)形或管形)，在除了設(shè)計設(shè)定點(diǎn)之外的情況下都會產(chǎn)生較高的排放(例如在環(huán)形燃燒室中為CO和UHC的高排放，而在管形燃燒室的情況下為NOX的高排放)，而且在任一種預(yù)混器的結(jié)構(gòu)中都沒有在不同燃料比下獨(dú)立地操作預(yù)混器的靈活性。
因此，需要一種能在低溫和/或低負(fù)載的工作期間以及在高溫或高負(fù)載的工作期間都可減少排放(即在設(shè)計設(shè)定點(diǎn)下的排放以及在設(shè)計設(shè)定點(diǎn)之外的工作條件下的排放)的無噪式燃燒室。

發(fā)明內(nèi)容
本文公開了一種用于減少燃?xì)廨啓C(jī)排放的工藝和裝置。在一個實(shí)施例中，用于燃?xì)廨啓C(jī)的回流式燃燒室包括燃燒室機(jī)匣，其包括在其內(nèi)部限定了燃燒腔的狹長的圓柱形燃燒室襯套，以及位于襯套與機(jī)匣之間的回流流體通道；位于燃燒腔上游的旋流器和混合器組件，其中該組件包括環(huán)形地布置的旋流器和混合器，每個旋流器和混合器都包括中心體、連接在中心體上的內(nèi)旋流器、與內(nèi)旋流器相連的外旋流器以及護(hù)罩，該護(hù)罩包括在每個旋流器和混合器與燃燒腔之間延伸的環(huán)狀錐形壁；圓頂板，其包括有熱屏蔽，該熱屏蔽具有處于燃燒腔與旋流器和混合器組件之間的環(huán)形端部件；主燃料傳送系統(tǒng)，其包括與四個旋流器和混合器中的每一個均流體相通的燃料源，其中主燃料系統(tǒng)適于將燃料徑向地噴射到內(nèi)、外旋流器中；以及副燃料傳送系統(tǒng)，其包括由護(hù)罩的環(huán)狀錐形壁和外壁所限定的流體通道，其中該流體通道與燃料源流體相通，主、副燃料傳送系統(tǒng)可獨(dú)立地控制四個旋流器和混合器中的每一個。
根據(jù)另一實(shí)施例，用于燃?xì)廨啓C(jī)的回流式燃燒室包括燃燒室機(jī)匣，其包括在其內(nèi)部限定了燃燒腔的狹長的圓柱形燃燒室襯套，以及位于襯套與機(jī)匣之間的回流流體通道，其中燃燒室襯套包括多個圍繞著主燃燒區(qū)域的開口，以及多個圍繞著燃燒腔的摻混區(qū)域而徑向地布置在襯套內(nèi)的開口；位于燃燒腔上游的旋流器和混合器組件；以及處于燃燒腔與旋流器和混合器組件之間的圓頂板，其包括有熱屏蔽，該熱屏蔽具有環(huán)形端部件，其中圓頂板還包括多個用于在燃?xì)廨啓C(jī)的工作期間提供沖擊在熱屏蔽的背側(cè)上的氣流的流體開口，其中，所述多個圍繞著主燃燒區(qū)域而徑向地布置在襯套內(nèi)的開口提供了流體流，該流體流在燃?xì)廨啓C(jī)的工作期間沖擊在熱屏蔽的背側(cè)上。
在采用包括有多個旋流器和混合器組件的管形燃燒室的燃?xì)廨啓C(jī)中，用于減少NOX排放的工藝包括為所述多個旋流器和混合器組件中的至少一個組件而單獨(dú)地操作主燃料傳送系統(tǒng)，其中主燃料傳送系統(tǒng)將燃料噴射到所述至少一個旋流器和混合器組件的旋流器中，以便在不同于其它旋流器和混合器組件的燃料空氣當(dāng)量比下工作；以及為所述多個旋流器和混合器組件中的每一個組件而操作副燃料傳送系統(tǒng)，其中副燃料傳送系統(tǒng)經(jīng)由設(shè)在護(hù)罩中的開口而將燃料噴射到燃燒腔中，該護(hù)罩圍繞著所述多個旋流器和混合器組件中的每一個組件。
下面將通過下述詳細(xì)介紹和附圖來示例性地說明上述及其它的特征。


現(xiàn)在來看附圖，其中采用相同的標(biāo)號來表示相似的零件圖1是現(xiàn)有技術(shù)的管形燃燒室的截面?zhèn)纫晥D；圖2是現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)形燃燒室的截面?zhèn)纫晥D；圖3是同流換熱式微型渦輪的透視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的回流式管形燃燒室的截面圖；圖5是燃燒室襯套的側(cè)視圖；圖6是圓頂板和熱屏蔽組件的透視圖；圖7是用于管形燃燒室的旋流器和預(yù)混器組件的平面圖；圖8是單個旋流器和混合器的平面圖；圖9是單個旋流器和混合器的截面圖；圖10是顯示了副燃料傳送系統(tǒng)和用于冷卻熱屏蔽的空氣沖擊通道的放大的截面圖；和圖11用圖表顯示了在圖3所示微型渦輪的全速且滿載的情況下燃燒室襯套上的CO和NOX的排放。
圖中各標(biāo)號的含義如下2管形燃燒室；4機(jī)匣；6預(yù)混裝置；8空氣入口；10管形襯套；12燃燒腔；14過渡段；16噴嘴；50環(huán)形燃燒室；52內(nèi)機(jī)匣；54外機(jī)匣；100同流換熱式微型渦輪組件；102燃燒室組件；104渦輪渦殼；106壓縮機(jī)機(jī)殼；108發(fā)生器；110同流換熱器；112外機(jī)匣；114機(jī)匣部分；116機(jī)匣部分；118機(jī)匣部分；120端蓋；122燃燒室襯套；124燃燒腔；126上游端；128下游端；130過渡段；131呼拉密封件；132流體通道；134圓頂板；135環(huán)狀布置的開口；136熱屏蔽；137通孔；138點(diǎn)火器；139機(jī)匣開口；140旋流器和混合器組件；141襯套開口；142“沖擊”襯套開口；143凸緣；144摻混孔；146肋；148襯套凸緣；150凹槽；152交叉管開口；154旋流器和混合器；156旋流器和混合器；158旋流器和混合器；160旋流器和混合器；162板；164燃料噴嘴；166燃料噴嘴；168燃料噴嘴；170燃料噴嘴；172通孔；174預(yù)混合器杯體；176中心體；178內(nèi)旋流器；180外旋流器；182護(hù)罩；184對稱軸線；186上游側(cè)；188下游側(cè)；190內(nèi)旋流器前緣；192外旋流器后緣；194距離；196中心體前緣；198外旋流器前緣；200外葉片；202內(nèi)葉片；204輪轂；206流體通道；208錐形壁；210高壓室；212燃料噴嘴；213流體通道；214流體通道；216套圈；218套圈固定器；220圓頂板的“沖擊”開口；222中心體的主體部分；224燃料噴射開口。
具體實(shí)施例方式
本文所公開的是一種用于在發(fā)動機(jī)負(fù)荷的全部工作范圍內(nèi)和在環(huán)境條件下減少廢氣排放如CO、NOX及UHC的排放的燃?xì)廨啓C(jī)裝置和工藝。這種燃?xì)廨啓C(jī)裝置通常包括具有預(yù)混器陣列的回流式管形燃燒室，其中預(yù)混器的陣列可相互間獨(dú)立地起作用。通過以預(yù)定的陣列模式單獨(dú)地操作預(yù)混器的陣列，便可在設(shè)計點(diǎn)處有利地使用貧預(yù)混焰來控制燃料的當(dāng)量比，由此控制火焰溫度，從而降低在設(shè)計點(diǎn)之外的條件下的有毒廢氣的排放。而且，出于與預(yù)混器陣列的單獨(dú)操作有關(guān)的額外自由度的原因，即將在本文中介紹的預(yù)混器陣列的單獨(dú)使用可提高燃?xì)廨啓C(jī)的動力。
現(xiàn)參見圖3，其中顯示了同流換熱式微型渦輪100的透視圖。微型渦輪100大體上包括回流式管形燃燒室組件102、渦輪渦殼104、壓縮機(jī)機(jī)殼106、發(fā)生器108和同流換熱器110。
在工作中，被高度壓縮的空氣傳遞到燃燒室組件102中，與燃料混合并被點(diǎn)燃。燃料可以是任何類型的燃料，例如液態(tài)、氣態(tài)、低BTU的燃料等。之后燃?xì)庠跍u輪渦殼104中膨脹，以便在渦殼內(nèi)驅(qū)動渦輪，然后通過導(dǎo)管排放到同流換熱器110中。由膨脹的高壓燃?xì)馑?qū)動的渦輪旋轉(zhuǎn)可以通過發(fā)生器108而以本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的方式轉(zhuǎn)換成電能。
圖4顯示了圖3所示燃燒室組件102的截面。燃燒室組件102與壓縮裝置(未示出)協(xié)同工作，以便驅(qū)動與燃燒室組件102(未示出)流體相通的燃?xì)廨啓C(jī)(例如容納在圖3所示的渦輪渦殼104中)。燃燒室組件102包括圓柱形的外燃燒室機(jī)匣112，其具有一個或多個用于為燃燒室組件102提供流體的入口。機(jī)匣112最好由多個機(jī)匣部分114，116，118構(gòu)成，它們可通過螺栓接合或其它的方式連接在一起。如將要討論的那樣，可通過多個機(jī)匣部分的使用來緊密地固定住設(shè)置在燃燒室機(jī)匣112中的各個部件的凸緣。在燃燒室機(jī)匣112的遠(yuǎn)離渦輪渦殼104的一端優(yōu)選通過螺栓連接了端蓋120(在這里也稱為擴(kuò)壓蓋)。這樣，如以下將詳細(xì)描述的那樣，在渦輪100的工作期間會在燃燒室組件102中產(chǎn)生回流(即逆流)。
在外燃燒室機(jī)匣112中設(shè)有圓柱形的燃燒室襯套122，在其中限定了一個圓柱形的燃燒腔124，即管形燃燒室。圖5顯示了燃燒室襯套122的側(cè)視圖。燃燒室襯套122通常包括可產(chǎn)生燃燒火焰的主內(nèi)部區(qū)域，以及位于該主內(nèi)部區(qū)域下游的摻混區(qū)域。在襯套122中的通常形成了主區(qū)域的部分中徑向地設(shè)置了多個開口142，而摻混孔144徑向地圍繞著燃燒室襯套122，從而大致限定了摻混區(qū)域。如以下將詳細(xì)描述的那樣，在工作期間，開口142可有利地為熱屏蔽136提供沖擊空氣。在下游處，摻混孔144提供了多條摻混射流，以便降低平均溫度并減少襯套122的壁附近的熱點(diǎn)，因此可在燃燒室襯套122的出口平面上獲得可接受的燃燒模式因數(shù)。環(huán)繞著襯套122的多個肋146形成了用于熱傳遞并加固襯套的湍流器。燃燒室襯套122還包括凸緣148，其用于將襯套122對接式地固定在機(jī)匣112的環(huán)形槽150中(見圖4)。燃燒室襯套122還可包括輔助開口152，其用于點(diǎn)火器、點(diǎn)火器的交叉火管等。
如圖4所示，燃燒腔124具有上游端126和下游端128。燃燒產(chǎn)物流離開燃燒腔124的下游端128，進(jìn)入到過渡段130或渦殼中，該過渡段或渦殼通過密封件131而疊置于燃燒室襯套122的端部上，該密封件131也稱為呼啦密封件(hula seal)，其固定地連接在燃燒室襯套122的一端上。過渡段130用于使燃燒室襯套122的圓形截面經(jīng)由噴嘴(未示出)而過渡到渦輪入口(未示出)的扇形部分中，從而允許燃燒產(chǎn)物流進(jìn)入到渦輪中，使得渦輪能夠利用燃燒產(chǎn)物的能量來驅(qū)動渦輪。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，燃燒室襯套122的長度必須足夠長，以便在燃燒產(chǎn)物離開襯套而進(jìn)入過渡段130之前允許CO在低負(fù)載或低溫工作中充分地燃盡。箭頭132所示的流體通道由燃燒室襯套122和機(jī)匣112之間的空間來限定。流體通道132允許流體如空氣在渦輪100的工作期間反向流動。
燃燒室組件102還包括設(shè)在燃燒室襯套122的上游端126處并與之相鄰的圓頂板134。圖6顯示了圓頂板134的更詳細(xì)的透視圖。如圖所示，圓頂板134自身在形狀上大致是平的和圓形的。圓頂板134包括位于外凸緣143上的通孔137，其用于在燃燒室組件102的裝配期間將圓頂板134固定在燃燒室襯套122的凸緣148上。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，圓頂板134包括如這里所顯示并介紹的四個環(huán)狀布置的開口135，每個開口在數(shù)量上都對應(yīng)于在燃燒室組件102中所采用的旋流器和混合器組件。然而應(yīng)當(dāng)注意的是，本說明書并不意味著局限于這四個環(huán)狀布置的開口，其取決于在燃燒室組件102中使用的旋流器和混合器組件的數(shù)量。最好采用多于兩個的旋流器和混合器組件，其中最大的數(shù)量受到空間約束和成本的限制。另外，如在下文中所詳細(xì)介紹的那樣，圓頂板134包括多條允許燃料和/或空氣從中穿過的流體通道220。該流體通道220相對于環(huán)狀布置的開口135來說要小一些。熱屏蔽136與圓頂板134的其中一個主平面形成一體，或者固定地連接到其上。熱屏蔽136優(yōu)選為杯形，并具有與圓頂板中的各個環(huán)狀布置的開口135固定地相連的桿部。再回來看圖4，之后將熱屏蔽136定位在面向燃燒腔124的下游，而將旋流器和預(yù)混器組件140的環(huán)形陣列布置在上游。熱屏蔽136包括環(huán)形的端部件，其將燃燒室襯套122與在內(nèi)部的主燃燒區(qū)域中燃燒的火焰隔開。
點(diǎn)火器138經(jīng)由開口139，141而延伸穿過燃燒室機(jī)匣112和襯套122，并設(shè)置在熱屏蔽136的下游。圓頂板的開口220和燃燒室襯套的開口142協(xié)同操作，使得在工作期間流經(jīng)這些開口142，220的氣流可以基本上垂直于熱屏蔽136的角度而直接沖擊在熱屏蔽136的背側(cè)上，然后與來自燃燒腔124中的火焰下游的流體流混合，從而為降低當(dāng)量比提供了輔助手段。
如圖7更清楚地顯示，旋流器和預(yù)混器組件140包括四個環(huán)狀布置的旋流器和混合器組件154，156，158，160，它們圍繞著板162的中心軸線等距地徑向布置。雖然圖中顯示了采用四個環(huán)狀布置的旋流器和混合器組件，然而也可使用其它的環(huán)狀旋流器和混合器組件的布置，以提供所需的燃燒模式。各個環(huán)狀的旋流器和混合器組件都各自包括一個燃料噴嘴164，166，168，170，它們可被單獨(dú)地操作以調(diào)節(jié)燃料/空氣混合物中的燃料量，從而為在諸如全速、滿載、低負(fù)載、低速、停機(jī)等不同工作條件下降低NOX的整體排放而提供了一種手段。通過噴嘴164，166，168和170的燃料傳送形成了主燃料傳送系統(tǒng)。另外，由于燃燒室組件102采用管形燃燒室襯套，因此可減少CO和UHC的排放，這是因?yàn)橄鄬Νh(huán)形燃燒室而言，在燃燒腔124中的滯留時間較長。板162還包括通孔172，其用于將旋流器和預(yù)混器組件140固定在機(jī)匣112上。
圖8和9顯示了單個旋流器和預(yù)混器組件(例如154或156或158或160)的截面圖和平面圖。各組件都包括預(yù)混器杯體174，其允許燃料和空氣在其中均勻地混合，并將燃料/空氣混合物引導(dǎo)至燃燒腔124中。各預(yù)混器杯體174都包括中心體176、內(nèi)旋流器178、外旋流器180，以及從上游側(cè)186延伸到下游側(cè)188的對稱軸線184。在旋流器和混合器組件的下游設(shè)有護(hù)罩182，即收斂的混合管道。燃料噴嘴164與包圍了外旋流器180的壁中的開口224流體相通。這樣，如將在下文中將詳細(xì)描述的那樣，可以同時徑向地和與外旋流器180基本上垂直地噴射燃料。
各內(nèi)旋流器178在中心體176的徑向外側(cè)固定在中心體176上，其中內(nèi)旋流器包括前緣190和后緣192。可采用包括滑動配合、點(diǎn)焊、環(huán)氧樹脂粘合等在內(nèi)的任何方式來進(jìn)行固定。各外旋流器180從內(nèi)旋流器178的徑向外側(cè)固定在內(nèi)旋流器178上。外旋流器180連接成使得內(nèi)旋流器的前緣190處于外旋流器180的前緣198的上游且離其為一定距離194的位置處。此外，當(dāng)與外旋流器180相連時，中心體176定位成使得中心體的前緣196大致與內(nèi)旋流器前緣190共面，并且處于外旋流器前緣198的上游且離其為一定距離194的位置處。如圖所示，中心體176的最前端部分最好為錐形。
內(nèi)旋流器178和外旋流器180最好分別構(gòu)造成使得各旋流器中的流體可以相互間反向地旋轉(zhuǎn)。輪轂204將各內(nèi)旋流器178與各外旋流器180分開。如圖8更清楚地顯示，旋流器178和180通常分別具有外渦流葉片200和內(nèi)渦流葉片202，各葉片相對于穿過旋流器和混合器組件中心的縱向軸線184形成為處于約40°到約60°范圍內(nèi)的角度。在內(nèi)旋流器178中流動的空氣質(zhì)量與在外旋流器180中流動的空氣質(zhì)量之比通常是約1∶3。這種空氣質(zhì)量比可在旋流器178，180的下游處的護(hù)罩182中產(chǎn)生有效的燃料和空氣混合(由于上面所提到的反向渦流的原因)，并具有用于在燃燒室內(nèi)保持充分的火焰穩(wěn)定性的足夠的滯留渦流(對應(yīng)于外旋流器具有更大的空氣質(zhì)量部分)。
中心體176可以是直的圓柱形部分，或者是從上游端到下游端的表面覆蓋范圍基本上均勻的部件。中心體176優(yōu)選設(shè)置成與組件的對稱軸線184同軸。如上所述，出于氣流的目的，中心體的前緣優(yōu)選為錐形。在一個實(shí)施例中，中心體176鑄造在預(yù)混器杯體174中，其尺寸加工成使其緊鄰于護(hù)罩182的下游端之前終止。為了具備雙燃料能力，中心體176還可容納有液態(tài)燃料傳送系統(tǒng)，其在此處未示出。
護(hù)罩182優(yōu)選包括環(huán)狀的錐形壁208，如圖所示，其從護(hù)罩182的最前部到圓頂板134均勻地變窄，以提高護(hù)罩182內(nèi)的流動速度。由于護(hù)罩182是收斂的，因此護(hù)罩182中的燃料/空氣混合物的流動被加速，這有助于減少積聚在護(hù)罩182中的邊界層，因而減小了逆燃阻塞。護(hù)罩182還包括圍繞著護(hù)罩徑向地設(shè)置的燃料高壓室210。在護(hù)罩182中形成了多條從高壓室210延伸到燃燒腔124中的流體通道206。在這種特殊的構(gòu)造中，各旋流器和混合器組件優(yōu)選包括八個這種流體通道。燃料高壓室210和從中延伸出來的流體通道206與副燃料噴嘴216流體相通，從而形成了副燃料系統(tǒng)。
圖10顯示了燃燒室組件102的一部分的放大截面，以便更清楚地顯示出副燃料傳送系統(tǒng)以及分別位于圓頂板134和襯套122上的開口142，220，這些開口用于使空氣沖擊在熱屏蔽136的背側(cè)上。另外，圖10顯示了夾在形成于圓頂板134中的凹槽內(nèi)的L形套圈216。優(yōu)選用套圈固定器218來保持套圈216以允許其運(yùn)動。套圈216在圓頂板134和限定了護(hù)罩182的外壁之間的運(yùn)動允許這些部件之間的相對運(yùn)動，同時形成了可調(diào)節(jié)的流體通道214，該通道與流體通道132流體相通。這樣，流體如穿過流體通道132的空氣可以通過由套圈216的運(yùn)動所控制的通道而流入燃燒區(qū)域。
燃料岐管系統(tǒng)(未示出)通過燃料噴嘴(即本文所介紹的主系統(tǒng)的燃料噴嘴164，166，168和170以及副系統(tǒng)的燃料噴嘴212，214，216和218)而與主、輔燃料傳送系統(tǒng)流體相通。如上所述，主燃料傳送系統(tǒng)基本上垂直于外旋流器180來傳送燃料。副燃料傳送系統(tǒng)借助于形成于護(hù)罩182中的高壓室210和流體通道206來傳送燃料。逆向空氣主要通過流體通道132而流經(jīng)燃燒室組件102。第二空氣通過流體通道214流動。優(yōu)選能夠單獨(dú)地控制主、副燃料傳送系統(tǒng)。作為選擇，可以單獨(dú)地控制用于各種旋流器和混合器組件的主、副燃料傳送系統(tǒng)的一部分。這樣，所有或一部分旋流器和混合器組件可以在不同的當(dāng)量比下操作，從而可單獨(dú)地獲得不同的火焰溫度。結(jié)果，可以控制包括全速和滿載條件在內(nèi)的不同負(fù)荷下的排放。
岐管系統(tǒng)通常包括多條燃料導(dǎo)管，其在燃料源(未示出)和所述各個燃料噴嘴之間延伸。例如，燃料噴嘴164等與外旋流器180相通，從而形成了主燃料傳送系統(tǒng)的一部分。主燃料傳送系統(tǒng)經(jīng)由側(cè)壁開口224而將燃料徑向地噴射到外旋流器180中。護(hù)罩182具有副燃料傳送系統(tǒng)，其以擴(kuò)散焰的方式經(jīng)由多個開口142來傳送燃料(并由套圈216來調(diào)整)。燃料噴嘴216與岐管相通，以將燃料噴射到由護(hù)罩182限定的流體通道206中。主、副燃料傳送系統(tǒng)可以變化，以使組合燃料流對應(yīng)于固定火焰溫度所需的當(dāng)量比。最好，各旋流器和預(yù)混器組件(154，156，158，160)可以在不同的當(dāng)量比下工作，以產(chǎn)生符合燃燒室規(guī)定的排放，并獲得工作穩(wěn)定性且較低的燃燒動力。通過點(diǎn)火器138在燃燒室中進(jìn)行點(diǎn)火。如果在特定燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)上需要有多個燃燒腔，那么可以本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的普通方式來使用交叉火管。
在工作中，壓縮空氣通過逆流或同流而被朝向端蓋120引導(dǎo)，在端蓋處壓縮空氣分成通過預(yù)混器154，156，158，160的燃燒空氣，經(jīng)過開口146和142的圓頂板13和熱屏蔽136上的沖擊空氣，以及經(jīng)過開口144的摻混空氣。圓頂板和熱屏蔽的沖擊空氣以基本上垂直于氣流的角度沖擊在熱屏蔽136的背側(cè)上，并在下游與燃?xì)膺M(jìn)一步混合。燃?xì)夥謩e經(jīng)由內(nèi)旋流器178和外旋流器180而與預(yù)混燃料預(yù)混合，并且被傳遞到火焰前端。護(hù)罩182具有副燃料回路，其以擴(kuò)散焰的方式通過護(hù)罩頂部處的多個開口來傳送副油道燃料。這兩個燃料傳送系統(tǒng)最好能獨(dú)立地操作和控制。對于固定的火焰溫度來說，可以單獨(dú)地操作各旋流器和預(yù)混器組件，從而使組合燃料流對應(yīng)于所需的當(dāng)量比。這樣，各旋流器和混合器組件(圖中顯示為四個)可以在不同的當(dāng)量比下操作，以產(chǎn)生符合燃燒室規(guī)定的排放，并獲得工作穩(wěn)定性且較低的燃燒動力。為了傳熱的目的，將剩余空氣(摻混空氣)朝向開口144引導(dǎo)，以減少通常在高溫下產(chǎn)生的NOX的排放。
由于提供給燃燒室組件102的燃料/空氣混合物含有比完全地燃燒燃料所需的更多的空氣，而且空氣在燃燒之前與燃料混合，因此這種燃燒室是貧預(yù)混式燃燒室。因此，該燃燒室的燃料/空氣混合物的當(dāng)量比優(yōu)選小于1。
下面將提供一些例子來說明本發(fā)明的一些實(shí)施例。它們并不意味著在任何方面限制了本發(fā)明。
示例1在本例中，對圖3所示渦輪的排放進(jìn)行監(jiān)測，該渦輪采用了根據(jù)本發(fā)明的管形燃燒室。在微型渦輪的全速且滿載(FSFL)的工作期間，監(jiān)測燃燒室襯套上的不同點(diǎn)處的排放。如圖11所示，在整個燃燒室襯套上，NOX的排放小于約百萬分之三(3ppm)。雖然管形燃燒室中的滯留時間比環(huán)形燃燒室中的更長一些，但是在管形燃燒室中采用的單獨(dú)操作的預(yù)混器提供了NOX排放最少且動壓力波動最小的穩(wěn)定工藝。在FSFL條件下，燃燒室襯套上的一氧化碳的平均濃度小于約10ppm。在低負(fù)荷和/或低溫的工作期間，由于火焰結(jié)構(gòu)緊湊且燃燒室滯留時間較長，因此一氧化碳(CO)和未燃烴的濃度有望達(dá)到最小。
雖然已經(jīng)參考示范性實(shí)施例介紹了本發(fā)明，然而本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明范圍的前提下，可以對其進(jìn)行各種修改并對其部件進(jìn)行等效替換。另外，在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍的前提下，可進(jìn)行多種修改來使特定的情況和材料適應(yīng)于本發(fā)明的內(nèi)容。因此，本發(fā)明并不限于被認(rèn)為是執(zhí)行本發(fā)明的最佳方式的所公開的特定實(shí)施例，而是本發(fā)明將包括屬于所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于燃?xì)廨啓C(jī)的回流式燃燒室(102)，包括圓柱形的燃燒室機(jī)匣(112)，其包括設(shè)于一端處的端蓋(120)以及與燃?xì)廨啓C(jī)流體相通的敞開端；設(shè)在所述機(jī)匣(112)中的圓柱形的燃燒室襯套(122)，在其內(nèi)部限定了燃燒腔(124)，在其外部限定了位于所述機(jī)匣(122)與所述襯套(112)之間的回流流體通道(132)；處于所述燃燒腔(124)上游的旋流器和混合器組件(140)，其中所述組件(140)包括環(huán)狀布置的旋流器和混合器，各個所述環(huán)狀布置的旋流器和混合器都包括中心體(176)、連接在所述中心體(176)上的內(nèi)旋流器(178)、與所述內(nèi)旋流器(178)相連的外旋流器(180)以及護(hù)罩(182)，所述護(hù)罩(182)包括在各個所述旋流器和混合器與所述燃燒腔(124)之間延伸的環(huán)狀錐形壁(208)；圓頂板(134)，其處于所述燃燒腔(124)與所述旋流器和混合器組件(140)之間；主燃料傳送系統(tǒng)，其包括與四個旋流器和混合器中的每一個均流體相通的燃料源，其中所述主燃料系統(tǒng)適于將燃料徑向地噴射到所述外旋流器(180)中；和副燃料傳送系統(tǒng)，其包括處于所述護(hù)罩(182)的環(huán)狀錐形壁(208)中的流體通道(206)，其中所述流體通道(206)與所述燃料源流體相通，對于每一個所述旋流器和混合器來說都可以單獨(dú)地控制所述主、副燃料傳送系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回流式燃燒室(102)，其特征在于，所述圓頂板(134)還包括與之相連的熱屏蔽(136)，其中所述熱屏蔽(136)包括環(huán)狀的端部件。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的回流式燃燒室(102)，其特征在于，所述圓頂板(134)還包括多個流體開口(220)，其可在所述燃?xì)廨啓C(jī)的工作期間提供沖擊在所述熱屏蔽(136)的背側(cè)上的氣流。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的回流式燃燒室(102)，其特征在于，所述圓柱形的燃燒室襯套(122)包括圍繞著主燃燒區(qū)域的多個開口(142)，其可在所述燃?xì)廨啓C(jī)的工作期間提供沖擊在所述熱屏蔽(136)的背側(cè)上的氣流。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的回流式燃燒室(102)，其特征在于，所述內(nèi)旋流器(178)和外旋流器(180)中的每一個均相互間逆向地旋轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的回流式燃燒室(102)，其特征在于，所述護(hù)罩(182)包括與燃料噴嘴(212)流體相通的高壓室(210)，以便從所述燃料源中引入燃料，所述高壓室(210)與位于所述護(hù)罩(182)的環(huán)狀錐形壁(208)中的所述流體通道(206)流體相通。
7.一種用于在采用了管形燃燒室(102)的燃?xì)廨啓C(jī)中減少NOX排放的工藝，所述管形燃燒室(102)包括多個旋流器和混合器組件(140)，所述工藝包括為所述多個旋流器和混合器組件(140)中的至少一個組件而單獨(dú)地操作主燃料傳送系統(tǒng)，其中所述主燃料傳送系統(tǒng)將燃料噴射到所述至少一個旋流器和混合器組件(140)的旋流器(180)中，以便在不同于其它旋流器和混合器組件(140)的燃料空氣當(dāng)量比下工作；和為所述多個旋流器和混合器組件(140)中的每一個組件而操作副燃料傳送系統(tǒng)，其中所述副燃料傳送系統(tǒng)經(jīng)由設(shè)在護(hù)罩(182)中的開口(206)而將燃料噴射到燃燒腔(124)中，所述護(hù)罩圍繞著所述多個旋流器和混合器組件(140)中的每一個組件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的工藝，其特征在于，操作所述主燃料傳送系統(tǒng)包括將燃料以基本上垂直于流體流動的角度來將燃料噴射到所述多個旋流器和混合器組件(140)中，所述流體的流動穿過所述多個旋流器和混合器組件(140)中的每一個旋流器(180)。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的工藝，其特征在于，所述工藝還包括使空氣以基本上垂直于熱屏蔽(136)的角度而流過形成于圓頂板(134)和燃燒室襯套(122)中的開口(142，220)，其中所述圓頂板(134)與所述多個旋流器和混合器組件(140)相連，并且所述熱屏蔽(136)包括與所述圓頂板(134)相連的環(huán)形端部件。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的工藝，其特征在于，所述至少一個旋流器和混合器組件(140)中的每一個組件在不同的火焰溫度下工作。
全文摘要
一種低排放的渦輪，其包括回流式管形燃燒室(102)，該燃燒室通常包括主、副燃料傳送系統(tǒng)，它們可被單獨(dú)地控制以在設(shè)計設(shè)定點(diǎn)和設(shè)計設(shè)定點(diǎn)之外的條件下產(chǎn)生較低的一氧化碳、未燃烴和氮氧化物的排放。該回流式管形燃燒室(102)通常包括位于燃燒室內(nèi)的旋流器和混合器組件(140)，其中每一個旋流器和混合器組件(140)都包括環(huán)狀布置的旋流器和混合器陣列，其包括可單獨(dú)地控制的主、副燃料傳送系統(tǒng)。本文還公開了一種管形燃燒室(102)，其包括可對熱屏蔽(136)的背側(cè)形成垂直沖擊的流體通道(142，220)。本文還公開了一種用于操作管形燃燒室的工藝。
文檔編號F23R3/28GK1601181SQ200410058978
公開日2005年3月30日 申請日期2004年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月22日
發(fā)明者A·科利巴巴－埃武勒特, M·J·鮑曼, S·R·桑德爾森, A·J·迪安 申請人:通用電氣公司