專(zhuān)利名稱(chēng):燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器和燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒控制方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器,和一種燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒控制方法,所述燃燒器和燃燒控制方法被設(shè)計(jì)成能夠保證穩(wěn)定的燃燒和避免出現(xiàn)未燃燒的燃料的情況。
更特別地,當(dāng)在速度增加狀態(tài)或在低負(fù)荷狀態(tài)下供給到燃燒器的燃料量很小的操作期間,所述燃燒器和燃燒控制方法設(shè)計(jì)成提高火焰穩(wěn)定性能、并避免出現(xiàn)未燃燒的燃料的情況。
背景技術(shù):
在發(fā)電等中使用的燃?xì)廨啓C(jī)由作為主要部件的壓縮機(jī)、燃燒器、和渦輪機(jī)組成。燃?xì)廨啓C(jī)常常具有多個(gè)燃燒器,并將由壓縮機(jī)壓縮的空氣與供給到燃燒器的燃料混合,然后點(diǎn)燃在每一個(gè)燃燒器內(nèi)的混合物以產(chǎn)生高溫燃燒氣體。此高溫燃燒氣體供給到渦輪機(jī)以可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。
下面參照?qǐng)D10描述傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器的示例。
如圖10中所示,此燃?xì)廨啓C(jī)的多個(gè)燃燒器10環(huán)形布置在燃燒器外殼11內(nèi)(圖10中只示出了一個(gè)燃燒器)。燃燒器外殼11和燃?xì)廨啓C(jī)外殼12充滿(mǎn)壓縮空氣以形成外殼13。
已經(jīng)由壓縮機(jī)壓縮的空氣被引入到此外殼13中。引入的壓縮空氣通過(guò)設(shè)置在燃燒器10的上游部分的空氣進(jìn)口14進(jìn)入燃燒器10的內(nèi)部。在燃燒器10的內(nèi)管15的內(nèi)部,從燃料噴嘴16供給的燃料和壓縮空氣混合并被燃燒。通過(guò)燃燒產(chǎn)生的燃燒氣體流過(guò)大小頭接管(transition pipe)17,并朝向渦輪機(jī)室供給以旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子。
近年來(lái),環(huán)境限制愈加嚴(yán)格,并已經(jīng)做出了各種改進(jìn)以降低從燃?xì)廨啓C(jī)排出的廢氣中的NOx(氮氧化物)的濃度。所謂的濃-淡(rich-lean)燃燒過(guò)程被認(rèn)為是試圖減少NOx產(chǎn)生的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒技術(shù)。
利用濃-淡燃燒過(guò)程,在第一燃燒區(qū)域(在圖10中的示例中,內(nèi)管15的內(nèi)部空間的中間部分內(nèi)的區(qū)域)內(nèi)執(zhí)行在燃料濃狀態(tài)(即濃狀態(tài))下的燃燒,而在第二燃燒區(qū)域(在圖10中的示例中,內(nèi)管15的內(nèi)部空間的周邊邊緣部分內(nèi)的區(qū)域)內(nèi)執(zhí)行在燃料淡狀態(tài)(即淡狀態(tài))下的燃燒。在此情況下,在整個(gè)燃燒器內(nèi)的燃料-空氣比(總的燃料-空氣比是濃狀態(tài)和淡狀態(tài)的平均數(shù))被控制到與燃?xì)廨啓C(jī)的操作狀態(tài)(負(fù)荷)匹配的值。當(dāng)實(shí)施這種濃-淡燃燒時(shí),擴(kuò)散燃燒(完全缺少與空氣的預(yù)混合的燃燒)在濃燃燒區(qū)域發(fā)生,且完全的預(yù)混合燃燒在淡燃燒區(qū)域內(nèi)發(fā)生。
濃-淡燃燒過(guò)程的另一示例公開(kāi)在未經(jīng)審查的日本專(zhuān)利公開(kāi)No.1993-195822中。在此公開(kāi)中示出的技術(shù)以具有多個(gè)燃料噴嘴的燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器為基礎(chǔ)。燃料噴嘴分成多個(gè)組,且供給到每一個(gè)組的燃料的流速被單獨(dú)控制。在低負(fù)荷操作狀態(tài)中,燃料僅供給到一部分組中的燃料噴嘴。通過(guò)這種裝置,低NOx的預(yù)混合燃燒可以在直到通常低負(fù)荷范圍內(nèi)執(zhí)行。在低負(fù)荷狀態(tài)中未燃燒燃料的出現(xiàn)也被防止,且實(shí)現(xiàn)了火焰穩(wěn)定性能的提高。
如通常所知的,燃料-空氣比(當(dāng)量比(equivalence ratio))與產(chǎn)生的NOx的量之間的關(guān)系如圖11中所示。在大約為1的當(dāng)量比Φ時(shí),產(chǎn)生大量NOx,而在淡區(qū)域(Φ<1)或濃區(qū)域(Φ>1)內(nèi)產(chǎn)生的NOx的量很小。因?yàn)槿紵窃贜Ox的產(chǎn)生量很小的淡區(qū)域(Φ<1)內(nèi)和在NOx的產(chǎn)生量相似地很小的濃區(qū)域(Φ>1)內(nèi)執(zhí)行,所以根據(jù)濃-淡燃燒過(guò)程,產(chǎn)生的NOx的量可以在整體上降低。
未經(jīng)審查的日本專(zhuān)利公開(kāi)Nos.1996-261465、1999-14055、和1995-12340是相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)的其它示例。
本發(fā)明者發(fā)展在1700℃等級(jí)處于高壓力比(25或更高的壓力比)的燃?xì)廨啓C(jī)。在燃?xì)廨啓C(jī)具有這種高壓力比的情況下,流進(jìn)燃燒器內(nèi)的空氣的溫度很高(500-600℃),且從燃燒器供給到渦輪機(jī)內(nèi)的燃燒氣體的溫度達(dá)到1700℃。
在傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)的情況下,壓力比大約是20-21,且流進(jìn)燃燒器內(nèi)的空氣的溫度大約是450℃,從而從燃燒器供給到渦輪機(jī)內(nèi)的燃燒氣體的溫度大約是1500℃。
在燃?xì)廨啓C(jī)中,供給到燃燒器的燃料量根據(jù)負(fù)荷變化。即,如圖4(e)中所示,當(dāng)負(fù)荷增加時(shí),供給到燃燒器的燃料量增加。相反,在速度增加狀態(tài)(從燃?xì)廨啓C(jī)停止到速度增加到旋轉(zhuǎn)速度時(shí)的時(shí)間段期間)或在低負(fù)荷狀態(tài)供給到燃燒器的燃料量很小。
在1700℃等級(jí)并處于很高壓力比(25或更高的壓力比)的燃?xì)廨啓C(jī)的情況下,燃燒器的能力很高。由此,如果在速度增加狀態(tài)或低負(fù)荷狀態(tài)供給的燃料量降低,那么燃料氣體(燃料和空氣的混合物)的濃度太低,這意味著濃度過(guò)淡的狀態(tài)。如果燃料氣體濃度過(guò)淡,那么火焰保持性能會(huì)惡化,且會(huì)出現(xiàn)大量的未燃燒燃料,這引起燃燒效率的降低。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題特提出本發(fā)明。本發(fā)明的目的在于提供一種燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器和一種燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒控制方法,所述燃燒器和控制方法可以保證穩(wěn)定的燃燒并避免出現(xiàn)未燃燒的燃料的情況,即使在當(dāng)前開(kāi)發(fā)中的、處于高壓力比的燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi),所述燃燒器和控制方法也可以實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)效果。
本發(fā)明的第一方面是一種燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器,所述燃燒器包括連接在一起的內(nèi)管和過(guò)渡管(或者大小接頭管),其中內(nèi)部旋流器和外部旋流器布置在內(nèi)管內(nèi)以形成內(nèi)分區(qū)流體通道和外分區(qū)流體通道,所述內(nèi)部旋流器包括相對(duì)于內(nèi)管的中心軸線同心設(shè)置的圓柱形內(nèi)部旋流器環(huán)、和設(shè)置內(nèi)部旋流器環(huán)的外周表面上的多個(gè)內(nèi)部旋流器葉片的,所述外部旋流器包括設(shè)置在內(nèi)部旋流器葉片的外周側(cè)上并相對(duì)于內(nèi)部旋流器環(huán)同心設(shè)置的圓柱形外部旋流器環(huán)、和設(shè)置在外部旋流器環(huán)的外周表面上的多個(gè)外部旋流器葉片,內(nèi)分區(qū)流體通道由內(nèi)部旋流器環(huán)、外部旋流器環(huán)、和多個(gè)內(nèi)部旋流器葉片限定,所述外分區(qū)流體通道由外部旋流器環(huán)、內(nèi)管、和多個(gè)外部旋流器葉片限定,所述內(nèi)分區(qū)流體通道被分成由在圓周方向上順序布置的多個(gè)分區(qū)流體通道組成的第一組,和由在圓周方向上順序布置的多個(gè)分區(qū)流體通道組成的第二組,
用于將燃料噴射到內(nèi)分區(qū)流體通道內(nèi)的燃料噴射孔形成在內(nèi)部旋流器葉片中的每一個(gè)的葉片表面內(nèi),且用于將燃料噴射到外分區(qū)流體通道內(nèi)的燃料噴射孔形成在外部旋流器葉片中的每一個(gè)的葉片表面內(nèi),且所述燃燒器進(jìn)一步包括第一燃料供給裝置,所述第一燃料供給裝置用于將燃料供給到形成在內(nèi)部旋流器葉片內(nèi)的燃料噴射孔中的、面向第一組的內(nèi)分區(qū)流體通道的燃料噴射孔,第二燃料供給裝置,所述第二燃料供給裝置用于將燃料供給到形成在內(nèi)部旋流器葉片內(nèi)的燃料噴射孔中的、面向第二組的內(nèi)分區(qū)流體通道的燃料噴射孔,和第三燃料供給裝置,所述第三燃料供給裝置用于將燃料供給到形成在外部旋流器葉片內(nèi)的燃料噴射孔。
在根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器中,在所述內(nèi)環(huán)的后緣,用于抑制流體流出的阻塞部件可以設(shè)置在所述第一組的分區(qū)流體通道與所述第二組的分區(qū)流體通道之間的邊界部分內(nèi);對(duì)于形成在內(nèi)部旋流器葉片內(nèi)的燃料噴射孔,面向第一組的內(nèi)分區(qū)流體通道中的且鄰近第二組的分區(qū)流體通道的內(nèi)分區(qū)流體通道的燃料噴射孔,可以具有比其它的燃料噴射孔的孔直徑大的孔直徑;或者所述內(nèi)部旋流器葉片中的每一個(gè)的后緣可以是平坦的,且用于噴射燃料的燃料噴射孔可以形成在所述內(nèi)部旋流器葉片中的每一個(gè)的后緣內(nèi)。
本發(fā)明的第二方面是一種燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒控制方法,所述方法應(yīng)用到燃?xì)廨啓C(jī)的上述燃燒器,并包括以下步驟預(yù)設(shè)定速度增加狀態(tài),并根據(jù)負(fù)荷增加順序地預(yù)設(shè)定低負(fù)荷狀態(tài)、中間負(fù)荷狀態(tài)、高負(fù)荷狀態(tài)、和超高負(fù)荷狀態(tài);在速度增加狀態(tài)和低負(fù)荷狀態(tài)下通過(guò)面向第一組的內(nèi)分區(qū)流體通道的燃料噴射孔從第一燃料供給裝置噴射燃料,所述燃料的量引起淡狀態(tài)(lean state);在中間負(fù)荷狀態(tài)下通過(guò)面向第一組的內(nèi)分區(qū)流體通道的燃料噴射孔從第一燃料供給裝置噴射燃料,所述燃料的量引起淡狀態(tài),并且也在中間負(fù)荷狀態(tài)下通過(guò)面向第二組的內(nèi)分區(qū)流體通道的燃料噴射孔從第二燃料供給裝置噴射燃料,所述燃料的量引起淡狀態(tài);在高負(fù)荷狀態(tài)下通過(guò)面向第一組的內(nèi)分區(qū)流體通道的燃料噴射孔從第一燃料供給裝置噴射燃料,所述燃料的量引起淡狀態(tài),同時(shí)在高負(fù)荷狀態(tài)下通過(guò)面向第二組的內(nèi)分區(qū)流體通道的燃料噴射孔從第二燃料供給裝置噴射燃料,所述燃料的量引起淡狀態(tài),并且另外在高負(fù)荷狀態(tài)下通過(guò)面向外分區(qū)流體通道的燃料噴射孔從第三燃料供給裝置噴射燃料,所述燃料的量引起淡狀態(tài);和在超高負(fù)荷狀態(tài)下通過(guò)面向第一組的內(nèi)分區(qū)流體通道的燃料噴射孔從第一燃料供給裝置噴射燃料,所述燃料的量引起濃狀態(tài),同時(shí)在超高負(fù)荷狀態(tài)下通過(guò)面向第二組的內(nèi)分區(qū)流體通道的燃料噴射孔從第二燃料供給裝置噴射燃料,所述燃料的量引起濃狀態(tài),并且另外在超高負(fù)荷狀態(tài)下通過(guò)面向外分區(qū)流體通道的燃料噴射孔從第三燃料供給裝置噴射燃料,所述燃料的量引起淡狀態(tài)。
在本發(fā)明中,當(dāng)在速度增加狀態(tài)或低負(fù)荷狀態(tài)下供給到燃燒器的總量小時(shí),燃料僅從形成在內(nèi)部旋流器葉片內(nèi)的燃料噴射孔中的、面向第一組的分區(qū)流體通道的燃料噴射孔噴射。由此,在此限制區(qū)域中的燃料濃度不至于過(guò)低,而是高于可燃界限濃度。因此,即使在速度增加狀態(tài)或低負(fù)荷狀態(tài)下,也可以抑制未燃燒的燃料的情況,且可以提高火焰保持性能。
而且,用于抑制流體流出的阻塞部件設(shè)置在第一組的分區(qū)流體通道與第二組的分區(qū)流體通道之間的邊界部分內(nèi)。這樣,可以進(jìn)一步提高火焰保持性能,并可以減少在低負(fù)荷狀態(tài)下第一組與第二組之間的未燃燒的燃料的情況。
此外,對(duì)于形成在內(nèi)部旋流器葉片內(nèi)的燃料噴射孔,第一組的內(nèi)分區(qū)流體通道中、鄰近第二組的分區(qū)流體通道的面向內(nèi)分區(qū)流體通道的燃料噴射孔,具有比其它的燃料噴射孔的孔直徑大的孔直徑。如此,可以進(jìn)一步抑制在低負(fù)荷狀態(tài)下未燃燒的燃料的情況。
通過(guò)下文中給出的詳細(xì)描述和僅作為例圖并由此不是限制本發(fā)明而給出的附圖,本發(fā)明將會(huì)被更加充分地理解,其中圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的燃燒器的縱剖面視圖;圖2是顯示根據(jù)實(shí)施例1的燃燒器的主視圖;圖3是顯示實(shí)施例1中的燃料供給系統(tǒng)的示意圖;圖4(a)-4(e)是顯示實(shí)施例1中的燃料控制特性的特性圖;圖5(a)-5(b)是顯示實(shí)施例1中的壓力特性和溫度特性的特性圖;圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的燃燒器的主視圖;圖7是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例3的燃燒器的縱剖面視圖;圖8(a)和8(b)是顯示根據(jù)實(shí)施例3的燃燒器的燃料噴射特性的特性圖;圖9(a)和9(b)是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例4的燃燒器的主要部分的透視圖;圖10是顯示傳統(tǒng)燃燒器的結(jié)構(gòu)圖;和圖11是顯示當(dāng)量比與產(chǎn)生的NOx的量之間的關(guān)系的特性圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在基于下面的實(shí)施例詳細(xì)描述實(shí)施本發(fā)明的最佳模式。
實(shí)施例1下面參照作為縱剖視圖的圖1和作為主視圖的圖2,描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器100。根據(jù)此實(shí)施例1的燃燒器100應(yīng)用到新開(kāi)發(fā)的、1700℃等級(jí)的、處于很高壓力比(25或更高的壓力比)的燃?xì)廨啓C(jī)。
如圖1和2中所示,內(nèi)管110的后緣通過(guò)連接環(huán)120連接到過(guò)渡管130的前緣。
內(nèi)部旋流器140和外部旋渦式噴嘴150放置在內(nèi)管110內(nèi)。即,在內(nèi)周邊側(cè)上的內(nèi)部旋流器140和在外周邊側(cè)上的外部旋流器150圍繞內(nèi)管110的中心軸線同心設(shè)置。內(nèi)部旋流器140和外部旋流器150構(gòu)成雙旋流器200。
內(nèi)部旋流器140的旋流器環(huán)141是圓柱形狀,且相對(duì)于內(nèi)管110的中心軸線同心設(shè)置。很多(在本實(shí)施例中是16個(gè))旋流器葉片142設(shè)置在圓柱形旋流器環(huán)141的外周表面上。旋流器葉片142沿旋流器環(huán)141的外周表面的圓周方向布置在等距間隔開(kāi)的位置,且被安裝成在旋流器環(huán)141的軸向方向上延伸的同時(shí)是彎曲的。旋流器葉片142使流過(guò)內(nèi)管110內(nèi)部(在圖1中從左側(cè)流到右側(cè))的壓縮空氣旋轉(zhuǎn)以將壓縮空氣轉(zhuǎn)變成渦旋空氣流A11。
外部旋流器150的旋流器環(huán)151是圓柱形狀,并設(shè)置在旋流器葉片142的外周邊側(cè)上,且相對(duì)于旋流器環(huán)141同心設(shè)置。很多(在本實(shí)施例中是24個(gè))旋流器葉片152設(shè)置在圓柱形旋流器環(huán)151的外周表面上。旋流器葉片152沿旋流器環(huán)151的外周表面的圓周方向布置在等距間隔開(kāi)的位置,且被安裝成在旋流器環(huán)151的軸向方向上延伸的同時(shí)是彎曲的。旋流器葉片152使流過(guò)內(nèi)管110內(nèi)部(在圖1中從左側(cè)流到右側(cè))的壓縮空氣旋轉(zhuǎn)以將壓縮空氣轉(zhuǎn)變成渦旋空氣流A12。
外部旋流器150的旋流器環(huán)151,通過(guò)在圓周方向上布置在隔開(kāi)的位置的多個(gè)連接部件160,連接并固定到內(nèi)管110的內(nèi)周表面上。內(nèi)部旋流器140的旋流器環(huán)141,通過(guò)在圓周方向上布置在隔開(kāi)的位置的多個(gè)連接部件161,連接并固定到旋流器環(huán)151的內(nèi)周表面上。
因?yàn)樯鲜鰳?gòu)造,流體通道R1形成在位于內(nèi)部的旋流器環(huán)141的外周表面與位于外部的旋流器環(huán)151的內(nèi)周表面之間。同時(shí),流體通道R2形成在位于外部的旋流器環(huán)151的外周表面與內(nèi)管110的內(nèi)周表面之間。
壓縮空氣A通過(guò)空氣流入管162供給到內(nèi)管110的內(nèi)部空間。壓縮空氣A從圖1中的左側(cè)朝向右側(cè)流動(dòng)(從空氣流入管162的放置位置朝向過(guò)渡管130流動(dòng)),然后在內(nèi)管110內(nèi)以如此方式流動(dòng),即被分成流過(guò)流體通道R1的壓縮空氣A1和流過(guò)流體通道R2的壓縮空氣A2。
流過(guò)流體通道R1的壓縮空氣A1被旋流器葉片142旋轉(zhuǎn),從而轉(zhuǎn)變成渦旋空氣流A11,并從內(nèi)部旋流器140的后緣吹出。
流過(guò)流體通道R2的壓縮空氣A2被旋流器葉片152旋轉(zhuǎn),從而轉(zhuǎn)變成渦旋空氣流A12,并從外部旋流器150的后緣吹出。
形成在內(nèi)部旋流器環(huán)141的外周表面與外部旋流器環(huán)151的內(nèi)周表面之間的流體通道R1被沿著圓周方向在多個(gè)位置處的旋流器葉片142分割。由此被分割開(kāi)的單獨(dú)的流體通道被表示為分區(qū)流體通道R1-1至R1-8和R1-9至R1-16。
在本實(shí)施例中,在圓周方向上順序布置的分區(qū)流體通道R1-1至R1-8被稱(chēng)為第一組的分區(qū)流體通道,而在圓周方向上順序布置的分區(qū)流體通道R1-9至R1-16被稱(chēng)為第二組的分區(qū)流體通道。
這些流體通道也可以分成由在圓周方向上順序布置的分區(qū)流體通道組成的3組或更多組。
形成在外部旋流器環(huán)151的外周表面與內(nèi)管110的內(nèi)周表面之間的流體通道R2被沿著圓周方向在多個(gè)位置處的旋流器葉片152分割。由此被分割開(kāi)的單獨(dú)的流體通道被表示為分區(qū)流體通道R2-1至R2-24。
對(duì)于內(nèi)部旋流器140的旋流器環(huán)141上的各葉片的葉片表面(葉片腹側(cè)表面和葉片背側(cè)表面),面向第一組的分區(qū)流體通道R1-1至R1-8的那些葉片表面具有形成在其內(nèi)的噴射燃料的第一組的燃料噴射孔171(見(jiàn)圖1)。燃料噴射孔171將燃料噴向(或吹向)流過(guò)第一組的分區(qū)流體通道R1-1至R1-8的渦旋空氣流A11。
對(duì)于內(nèi)部旋流器140的旋流器環(huán)141上的各葉片的葉片表面(葉片的腹側(cè)表面和葉片背側(cè)表面),面向第二組的分區(qū)流體通道R1-9至R1-16的葉片表面具有形成在其內(nèi)的噴射燃料的第二組的燃料噴射孔172(見(jiàn)圖1)。燃料噴射孔172將燃料噴向(或吹向)流過(guò)第二組的分區(qū)流體通道R1-9至R1-16的渦旋空氣流A11。
而且,對(duì)于外部旋流器150的旋流器環(huán)151上的各葉片的葉片表面(葉片的腹側(cè)表面和葉片背側(cè)表面),面向分區(qū)流體通道R2-1至R2-24的葉片表面具有形成在其內(nèi)的噴射燃料的第三組的燃料噴射孔173(見(jiàn)圖1)。燃料噴射孔173將燃料噴向(或吹向)流過(guò)分區(qū)流體通道R2-1至R2-24的渦旋空氣流A12。
第一組的燃料噴射孔171通過(guò)燃料供給管道L1供給有燃料。第二組的燃料噴射孔172通過(guò)燃料供給管道L2供給有燃料。第三組的燃料噴射孔173通過(guò)燃料供給管道L3供給有燃料。
配備有截流閥和流量控制閥的流量控制部分181置入燃料供給管道L1內(nèi)。配備有截流閥和流量控制閥的流量控制部分182置入燃料供給管道L2內(nèi)。配備有截流閥和流量控制閥的流量控制部分182置入燃料供給管道L3內(nèi)。
流量控制部分181、182、183的打開(kāi)和關(guān)閉以及打開(kāi)調(diào)節(jié)通過(guò)控制裝置(沒(méi)有示出)執(zhí)行。
圖3示意地示出了燃料供給系統(tǒng)。在圖3中,標(biāo)號(hào)184表示燃料源,且燃料從燃料源184壓力供給。
接下來(lái)將解釋具有上述特征的燃燒器100的燃燒控制方法。
首先描述與燃燒控制方法有關(guān)的特性圖。
在本實(shí)施例的各種特性中,低負(fù)荷指0%-大約20%的負(fù)荷,中間負(fù)荷指大約20%-大約50%的負(fù)荷,高負(fù)荷指大約50%-大約80%的負(fù)荷,且超高負(fù)荷指大約80%-大約100%的負(fù)荷。
圖4(a)是顯示配備有燃燒器100的燃?xì)廨啓C(jī)的旋轉(zhuǎn)速度與配備有燃燒器100的燃?xì)廨啓C(jī)上的負(fù)荷之間的關(guān)系的特性圖表。在本實(shí)施例中燃?xì)廨啓C(jī)3600的額定旋轉(zhuǎn)速度是3600rpm。
圖4(b)是顯示負(fù)荷與通過(guò)燃燒器100的燃料供給管道L1供給并通過(guò)第一組的燃料噴射孔171噴射的燃料量之間的關(guān)系的特性圖表。
圖4(c)是顯示負(fù)荷與通過(guò)燃燒器100的燃料供給管道L2供給并通過(guò)第二組的燃料噴射孔172噴射的燃料量之間的關(guān)系的特性圖表。
圖4(d)是顯示負(fù)荷與通過(guò)燃燒器100的燃料供給管道L3供給并通過(guò)第三組的燃料噴射孔173噴射的燃料量之間的關(guān)系的特性圖表。
圖4(e)是顯示負(fù)荷與通過(guò)燃料供給管道L1、L2和L3供給到燃燒器100的燃料總量之間的關(guān)系的特性圖表。如圖4(e)中所示,燃料總量隨負(fù)荷增加而線性增加。圖4(e)中所示的燃料總量是圖4(b)-4(d)中示出的第一組至第三組的燃料量的總和。
圖5(a)是顯示負(fù)荷與設(shè)置有燃燒器100的燃?xì)廨啓C(jī)的外殼內(nèi)部的壓力之間的關(guān)系的特性圖表。渦輪機(jī)的外殼內(nèi)部的壓力幾乎隨負(fù)荷增加而線性增加。
圖5(b)是顯示負(fù)荷與燃燒器的出口溫度之間的關(guān)系的特性圖表。當(dāng)負(fù)荷為大約80%時(shí),從燃燒器100排出的燃燒氣體的溫度是1500℃。當(dāng)負(fù)荷是100%時(shí),從燃燒器100排出的燃燒氣體的溫度是1700℃。
接下來(lái)描述從速度增加狀態(tài)到超高負(fù)荷狀態(tài)的范圍的各狀態(tài)的燃燒控制方法。
如圖4(a)-4(e)中所示,在從速度增加狀態(tài)到低負(fù)荷狀態(tài)的時(shí)間段期間,通過(guò)在流量控制部分181內(nèi)進(jìn)行流量調(diào)節(jié),與負(fù)荷相匹配的燃料通過(guò)燃料供給管道L1被供給到第一組的燃料噴射孔171,且此燃料通過(guò)第一組的燃料噴射孔171噴射。
此時(shí),流量控制部分182和183關(guān)閉以限制通過(guò)第二組和第三組的燃料噴射孔172和173噴射燃料。
由此,燃料僅被噴射進(jìn)入已經(jīng)通過(guò)第一組的分區(qū)流體通道R1-1至R1-8的渦旋空氣流A11。結(jié)果,已經(jīng)通過(guò)第一組的分區(qū)流體通道R1-1至R1-8的渦旋空氣流A11和噴射的燃料混合形成燃料氣體,然后燃料氣體被燃燒。
通過(guò)混合已經(jīng)通過(guò)第一組的分區(qū)流體通道R1-1至R1-8的渦旋空氣流A11和噴射的燃料形成的燃料氣體是淡的,但是在濃度上高于可燃界限濃度(或“著火界限濃度”)。附帶地,可燃界限濃度(或“著火界限濃度”)指在其之下燃燒(或點(diǎn)燃)就不可能的限制濃度(淡濃度)。
如上所述,在速度增加狀態(tài)和低負(fù)荷狀態(tài)中,噴射的燃料總量很小,但是此燃料僅噴射入已經(jīng)通過(guò)第一組的分區(qū)流體通道R1-1至R1-8的渦旋空氣流A11。由此,所得到的燃料氣體是淡的,但是具有高于可燃界限濃度的濃度。結(jié)果,可以保證火焰保持性能,且未燃燒燃料的出現(xiàn)顯著降低。
即使在其中供給到燃燒器100的燃料總量很小的速度增加狀態(tài)和低負(fù)荷狀態(tài)中,通過(guò)這樣將燃料被噴射的區(qū)域限制到內(nèi)部流體通道R1的一部分(即分區(qū)流體通道R1-1至R1-8),也變得可以保證火焰保持性能并抑制出現(xiàn)未燃燒的燃料的情況。這是本實(shí)施例的技術(shù)要點(diǎn)中的一個(gè)。
假定在速度增加狀態(tài)和低負(fù)荷狀態(tài)中,燃料被噴射到內(nèi)部流體通道R1中的所有分區(qū)流體通道(即,不僅第一組的分區(qū)流體通道R1-1至R1-8,而且第二組的分區(qū)流體通道R1-9至R1-16)。在此情況下,最后得到的燃料氣體的濃度低于可燃界限濃度。結(jié)果,可能發(fā)生振蕩燃燒,或可能產(chǎn)生未燃燒燃料。
在中間負(fù)荷狀態(tài)中,在流量控制部分181和流量控制部分182內(nèi)進(jìn)行流量調(diào)整,藉此與負(fù)荷匹配的燃料通過(guò)燃料供給管道L1和燃料供給管道L2供給到第一組的燃料噴射孔171和第二組的燃料噴射孔172,且此燃料噴射通過(guò)第一組的燃料噴射孔171和第二組的燃料噴射孔172。
此時(shí),流量控制部分183關(guān)閉以限制通過(guò)第三組的燃料噴射孔173噴射燃料。
由此,燃料被噴射入已經(jīng)流過(guò)第一組的和第二組的分區(qū)流體通道R1-1至R1-8和分區(qū)流體通道R1-9至R1-16的渦旋空氣流A11。結(jié)果,已經(jīng)流過(guò)分區(qū)流體通道R1-1至R1-8和分區(qū)流體通道R1-9至R1-16的渦旋空氣流A11與噴射的燃料混合以形成燃料氣體,然后燃料氣體被燃燒。
通過(guò)混合已經(jīng)流過(guò)分區(qū)流體通道R1-1至R1-8和分區(qū)流體通道R1-9至R1-16的渦旋空氣流A11和噴射的燃料形成的燃料氣體是淡的,但是在濃度上高于可燃界限濃度(或“著火界限濃度”)。由此,可以進(jìn)行良好的燃燒。
在高負(fù)荷狀態(tài)中,在流量控制部分181、流量控制部分182、并進(jìn)而在流量控制部分183內(nèi)進(jìn)行流量調(diào)整,藉此與負(fù)荷匹配的燃料通過(guò)三個(gè)燃料供給管道L1-L3供給到第一組的燃料噴射孔171、第二組的燃料噴射孔172和另外第三組的燃料噴射孔173,且此燃料通過(guò)第一至第三組的燃料噴射孔171、172和173噴射。
由此,燃料不僅噴射到已經(jīng)流過(guò)第一組和第二組的分區(qū)流體通道R1-1至R1-8和分區(qū)流體通道R1-9至R1-16的渦旋空氣流A11內(nèi),而且噴射到已經(jīng)流過(guò)第三組的分區(qū)流體通道R2-1至R2-24的渦旋空氣流A12內(nèi)。結(jié)果,已經(jīng)通過(guò)分區(qū)流體通道R1-1至R1-8、R1-9至R1-16和R2-1至R2-24的渦旋空氣流A11、A12,和噴射的燃料混合以形成燃料氣體,然后燃料氣體被燃燒。
通過(guò)混合已經(jīng)通過(guò)分區(qū)流體通道R1-1至R1-8、R1-9至R1-16和R2-1至R2-24的渦旋空氣流A11、A12,和噴射的燃料而形成的燃料氣體是淡的,但是在濃度上高于可燃界限濃度(或“點(diǎn)燃極限濃度”)。由此,可以執(zhí)行滿(mǎn)意的燃燒。
如圖5(a)、5(b)中所示,在超高負(fù)荷狀態(tài),外殼內(nèi)的壓力很高,且燃燒器的出口溫度超過(guò)1500℃。在此超高負(fù)荷狀態(tài),在流量控制部分181、流量控制部分182、并進(jìn)而在流量控制部分183內(nèi)進(jìn)行流量調(diào)整,藉此與負(fù)荷匹配的燃料通過(guò)三個(gè)燃料供給管道L1-L3供給到第一組的燃料噴射孔171、第二組的燃料噴射孔172和另外第三組的燃料噴射孔173,且此燃料通過(guò)第一至第三組的燃料噴射孔171、172和173噴射。
由此,燃料不僅噴射到已經(jīng)流過(guò)第一組和第二組的分區(qū)流體通道R1-1至R1-8和分區(qū)流體通道R1-9至R1-16的渦旋空氣流A11內(nèi),而且噴射到已經(jīng)流過(guò)第三組的分區(qū)流體通道R2-1至R2-24的渦旋空氣流A12內(nèi)。結(jié)果,已經(jīng)通過(guò)分區(qū)流體通道R1-1至R1-8、R1-9至R1-16和R2-1至R2-24的渦旋空氣流A11、A12,和噴射的燃料混合以形成燃料氣體,然后燃料氣體被燃燒。
而且,通過(guò)流量控制部分181-183做出流量調(diào)整,藉此噴射的燃料量被調(diào)整成從在內(nèi)周邊側(cè)上的分區(qū)流體通道R1-1至R1-8、R1-9至R1-16排出燃料氣體表現(xiàn)為濃度高,而從在外周邊側(cè)上的分區(qū)流體通道R2-1至R2-24排出的燃料氣體表現(xiàn)為淡的。
結(jié)果,在內(nèi)周邊側(cè)(中間側(cè))上發(fā)生濃燃燒,而在外周邊側(cè)上發(fā)生淡燃燒,這意味著可以執(zhí)行濃-淡燃燒。因此,可以保證火焰穩(wěn)定性能,且實(shí)現(xiàn)NOx的減少。
實(shí)施例2下面參照作為主視圖的圖6描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器100A。
在實(shí)施例2的燃燒器100A中,用于降低分區(qū)流體通道R1-8和分區(qū)流體通道R1-16的流動(dòng)面積的阻塞部件H設(shè)置在分區(qū)流體通道R1-8和R1-16的后緣。
換言之,在內(nèi)管110的后緣,用于抑制流體流出的阻塞部件H設(shè)置在第一組的分區(qū)流體通道R1-1至R1-8與第二組的分區(qū)流體通道R1-9至R1-16之間的邊界部分處。
由此,從第一組的分區(qū)流體通道R1-1至R1-7排出的渦旋空氣流A11和從第二組的分區(qū)流體通道R1-9至R1-15排出的渦旋空氣流A12,因?yàn)樽枞考﨟的存在沒(méi)有在內(nèi)管110的后緣附近混合,而是當(dāng)它們與內(nèi)管110的后端離開(kāi)一定距離時(shí)才混合。
其它部分和燃燒控制方法的特征與實(shí)施例1中的相應(yīng)部分和燃燒控制方法相同。
根據(jù)此實(shí)施例2,在速度增加狀態(tài)和低負(fù)荷狀態(tài),從第一組的分區(qū)流體通道R1-1至R1-7排出的燃料氣體,和從第二組的分區(qū)流體通道R1-9至R1-15排出的渦旋空氣流,因?yàn)榇嬖谧枞考﨟而沒(méi)有在內(nèi)管110的后端附近混合。由此,從第一組的分區(qū)流體通道R1-1至R1-7排出的燃料氣體沒(méi)有被從第二組的分區(qū)流體通道R1-9至R1-15排出的渦旋空氣流稀釋?zhuān)强梢栽诘扔诨蚋哂诳扇冀缦逎舛鹊臐舛缺蝗紵?br>
因此,可以更加有效地避免出現(xiàn)未燃燒的燃料的情況。
此外,在阻塞部件H后端的附近,空氣的流動(dòng)速度很低以致空氣旋轉(zhuǎn)。由此,下面的效果顯現(xiàn)出來(lái)在此位置保持火焰,并且導(dǎo)致提高的火焰保持性能。
另外,位于分區(qū)流體通道R1-1與分區(qū)流體通道R1-16之間的旋流器葉片142的葉片厚度,和位于分區(qū)流體通道R1-8與分區(qū)流體通道R1-9之間的旋流器葉片142的葉片厚度可以被增加,藉此加厚的旋流器葉片142可以允許起阻塞部件的作用。
實(shí)施例3下面將參照作為縱剖面圖的圖7描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例3的燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器100B。此實(shí)施例3具有與實(shí)施例1中基本結(jié)構(gòu)相同的基本結(jié)構(gòu),并使用與實(shí)施例1中的燃燒控制方法相同的燃燒控制方法。
在實(shí)施例3中,對(duì)于第一組的燃料噴射孔171,面向分區(qū)流體通道R1-1和分區(qū)流體通道R1-8的燃料噴射孔171具有更大的孔直徑。即,面向在第一組的分區(qū)流體通道R1-1至R1-8中的、鄰近第二組的分區(qū)流體通道R1-9至R1-16的分區(qū)流體通道R1-1和R1-8的燃料噴射孔171具有更大的孔直徑。
因此,在第一組中,從分區(qū)流體通道R1-1至R1-8離開(kāi)的燃料氣體的濃度高于從分區(qū)流體通道R1-2至R1-7離開(kāi)的燃料氣體的濃度。
結(jié)果,即使已經(jīng)從分區(qū)流體通道R1-1和分區(qū)流體通道R1-8排出的相對(duì)高濃度的燃料氣體,和已經(jīng)從第二組的分區(qū)流體通道R1-9至R1-16排出的渦旋空氣流在速度增加狀態(tài)或低負(fù)荷狀態(tài)下混合,所述如此混合的燃料氣體也可以維持在等于或高于可燃界限濃度的濃度。由此,可以執(zhí)行滿(mǎn)意的燃燒,且沒(méi)有未燃燒燃料的出現(xiàn)。
圖8(a)中的用實(shí)線表示的特性,代表實(shí)施例3中相對(duì)于圓周方向在第一組的分區(qū)流體通道R1-1至R1-8與第二組的分區(qū)流體通道R1-9至R1-16之間的邊界位置處,和相對(duì)于空氣的流動(dòng)方向直接在內(nèi)管110下面的位置(即,上游位置α)處的燃料氣體濃度。圖中陰影線的面積代表出現(xiàn)的未燃燒燃料的量。
圖8(a)中的用虛線表示的特性,代表實(shí)施例3中相對(duì)于圓周方向在第一組的分區(qū)流體通道R1-1至R1-8與第二組的分區(qū)流體通道R1-9至R1-16之間的邊界位置處,和相對(duì)于空氣的流動(dòng)方向從內(nèi)管110離開(kāi)的位置(即,下游位置β)處的燃料氣體濃度。圖中陰影線的面積代表出現(xiàn)的未燃燒燃料的量。
附帶地,圖8(b)顯示了在所有燃料噴射孔171的孔直徑都相等的情況下的相似的特性。
圖8(a)和圖8(b)之間的比較顯示,在實(shí)施例3中可以更加有效地降低出現(xiàn)的未充分燃燒的燃料的量。
實(shí)施例4在上述實(shí)施例1-實(shí)施例3中,如圖9(a)中所示,內(nèi)部旋流器140的旋流器葉片142具有葉片厚度朝向呈現(xiàn)出漸尖形狀的后緣部分逐漸減小的形狀,盡管這并沒(méi)有得到清楚地描述。在實(shí)施例4中,如圖9(b)中所示,內(nèi)部旋流器140的旋流器葉片142具有平的后緣。
此外,用于僅在速度增加狀態(tài)和低負(fù)荷狀態(tài)下噴射燃料的燃料噴射孔171a設(shè)置在旋流器葉片142a的平坦的后緣處。燃料噴射孔171a通過(guò)燃料供給管道L1供給有燃料。
在實(shí)施例4中,在速度增加狀態(tài)和低負(fù)荷狀態(tài)下通過(guò)燃料噴射孔171a噴射燃料。此以高濃度噴射的燃料被燃燒以形成接近燃燒器100后緣的噴射火焰。由此,可以更加有效地抑制在速度增加狀態(tài)和低負(fù)荷狀態(tài)下由于燃料淡引起的不令人滿(mǎn)意的火焰穩(wěn)定或未燃燒燃料的增加。
而且,旋流器葉片142a的后緣部分是平坦的。由此,直接在此后緣部分的下游區(qū)域變成低流速區(qū)域,從而產(chǎn)生提高用于噴射火焰的火焰保持性能的效果。
本發(fā)明由此得到描述,明顯的是,本發(fā)明可以各種方式改變。這些改變不認(rèn)為是偏離了本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍,且對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言顯而易見(jiàn)的所有這些修改將包括在權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器,所述燃燒器包括連接在一起的內(nèi)管和過(guò)渡管,其中內(nèi)部旋流器和外部旋流器布置在內(nèi)管內(nèi)以形成內(nèi)分區(qū)流體通道和外分區(qū)流體通道,所述內(nèi)部旋流器包括相對(duì)于內(nèi)管的中心軸線同心設(shè)置的圓柱形內(nèi)部旋流器環(huán)、和設(shè)置在內(nèi)部旋流器環(huán)的外周表面上的多個(gè)內(nèi)部旋流器葉片,所述外部旋流器包括設(shè)置在內(nèi)部旋流器葉片的外周側(cè)上并相對(duì)于內(nèi)部旋流器環(huán)同心設(shè)置的圓柱形外部旋流器環(huán)、和設(shè)置在外部旋流器環(huán)的外周表面上的多個(gè)外部旋流器葉片,內(nèi)分區(qū)流體通道由內(nèi)部旋流器環(huán)、外部旋流器環(huán)、和多個(gè)內(nèi)部旋流器葉片限定,所述外分區(qū)流體通道由外部旋流器環(huán)、內(nèi)管、和多個(gè)外部旋流器葉片限定,所述內(nèi)分區(qū)流體通道被分成由在圓周方向上順序布置的多個(gè)分區(qū)流體通道組成的第一組,和由在圓周方向上順序布置的多個(gè)分區(qū)流體通道組成的第二組,用于將燃料噴射到內(nèi)分區(qū)流體通道內(nèi)的燃料噴射孔形成在內(nèi)部旋流器葉片中的每一個(gè)的葉片表面內(nèi),且用于將燃料噴射到外分區(qū)流體通道內(nèi)的燃料噴射孔形成在外部旋流器葉片中的每一個(gè)的葉片表面內(nèi),且所述燃燒器進(jìn)一步包括第一燃料供給裝置,所述第一燃料供給裝置用于將燃料供給到形成在內(nèi)部旋流器葉片內(nèi)的燃料噴射孔中的、面向第一組的內(nèi)分區(qū)流體通道的燃料噴射孔,第二燃料供給裝置,所述第二燃料供給裝置用于將燃料供給到形成在內(nèi)部旋流器葉片內(nèi)的燃料噴射孔中的、面向第二組的內(nèi)分區(qū)流體通道的燃料噴射孔,和第三燃料供給裝置,所述第三燃料供給裝置用于將燃料供給到形成在外部旋流器葉片內(nèi)的燃料噴射孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器,其中在所述內(nèi)環(huán)的后緣,用于抑制流體流出的阻塞部件設(shè)置在所述第一組的分區(qū)流體通道與所述第二組的分區(qū)流體通道之間的邊界部分內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器,其中對(duì)于形成在內(nèi)部旋流器葉片內(nèi)的燃料噴射孔,面對(duì)第一組的內(nèi)分區(qū)流體通道中的且鄰近第二組的分區(qū)流體通道的內(nèi)分區(qū)流體通道的燃料噴射孔,具有比其它的燃料噴射孔的孔直徑大的孔直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器,其中所述內(nèi)部旋流器葉片中的每一個(gè)的后緣是平坦的,且用于噴射燃料的燃料噴射孔形成在所述內(nèi)部旋流器葉片中的每一個(gè)的后緣內(nèi)。
5.一種燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒控制方法,所述方法應(yīng)用到根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器,并包括以下步驟預(yù)設(shè)定速度增加狀態(tài),并根據(jù)負(fù)荷增加順序地預(yù)設(shè)定低負(fù)荷狀態(tài)、中間負(fù)荷狀態(tài)、高負(fù)荷狀態(tài)、和超高負(fù)荷狀態(tài);在速度增加狀態(tài)和低負(fù)荷狀態(tài)下,通過(guò)面向第一組的內(nèi)分區(qū)流體通道的燃料噴射孔從第一燃料供給裝置噴射產(chǎn)生淡狀態(tài)的量的燃料;在中間負(fù)荷狀態(tài)下通過(guò)面向第一組的內(nèi)分區(qū)流體通道的燃料噴射孔從第一燃料供給裝置噴射產(chǎn)生淡狀態(tài)的量的燃料,并且也在中間負(fù)荷狀態(tài)下通過(guò)面向第二組的內(nèi)分區(qū)流體通道的燃料噴射孔從第二燃料供給裝置噴射產(chǎn)生淡狀態(tài)的量的燃料;在高負(fù)荷狀態(tài)下通過(guò)面向第一組的內(nèi)分區(qū)流體通道的燃料噴射孔從第一燃料供給裝置噴射產(chǎn)生淡狀態(tài)的量的燃料,同時(shí)在高負(fù)荷狀態(tài)下通過(guò)面向第二組的內(nèi)分區(qū)流體通道的燃料噴射孔從第二燃料供給裝置噴射產(chǎn)生淡狀態(tài)的量的燃料,并且另外在高負(fù)荷狀態(tài)下通過(guò)面向外分區(qū)流體通道的燃料噴射孔從第三燃料供給裝置噴射產(chǎn)生淡狀態(tài)的量的燃料;和在超高負(fù)荷狀態(tài)下通過(guò)面向第一組的內(nèi)分區(qū)流體通道的燃料噴射孔從第一燃料供給裝置噴射產(chǎn)生濃狀態(tài)的量的燃料濃,同時(shí)在超高負(fù)荷狀態(tài)下通過(guò)面向第二組的內(nèi)分區(qū)流體通道的燃料噴射孔從第二燃料供給裝置噴射產(chǎn)生濃狀態(tài)的量的燃料濃,并且另外在超高負(fù)荷狀態(tài)下通過(guò)面向外分區(qū)流體通道的燃料噴射孔從第三燃料供給裝置噴射產(chǎn)生淡狀態(tài)的量的燃料。
全文摘要
在一種燃燒器中,第一組的分區(qū)流體通道和第二組的分區(qū)流體通道存在于內(nèi)周邊側(cè)上,且分區(qū)流體通道也存在于外周邊側(cè)上,且渦旋空氣流從分區(qū)流體通道噴出。當(dāng)在速度增加狀態(tài)或在低負(fù)荷狀態(tài)下供給到燃燒器的燃料總量很小時(shí),燃料僅噴射到第一組的分區(qū)流體通道內(nèi)。因?yàn)槿剂蠂娚鋮^(qū)域限于內(nèi)部周邊側(cè)上的位置,特別是特定的位置,所以包括燃料和空氣的混合物的燃料氣體是淡的,但是即使當(dāng)燃料總量很小時(shí)也高于可燃界限濃度。
文檔編號(hào)F23R3/02GK101046297SQ20061015678
公開(kāi)日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2006年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月30日
發(fā)明者齊藤圭司郎, 谷村聰, 湯淺厚志, 齋藤敏彥 申請(qǐng)人:三菱重工業(yè)株式會(huì)社