專利名稱：燃氣渦輪發(fā)動機燃燒器以及燃氣渦輪發(fā)動機燃燒器漩流區(qū)域內(nèi)混合燃料和空氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有空氣入口導(dǎo)管和位于所述空氣入口導(dǎo)管內(nèi)的 至少一個漩流器的燃氣渦輪發(fā)動機燃燒器。另外，本發(fā)明涉及一種在 燃氣渦輪發(fā)動機燃燒器的漩流區(qū)域內(nèi)混合燃料和空氣的方法。
背景技術(shù)：
在燃氣渦輪發(fā)動機燃燒器中，燃料燃燒以便產(chǎn)生熱的壓力排放氣 體，該氣體接著供應(yīng)到渦輪級，其中它們在膨脹和冷卻的同時將動能 傳遞到渦輪轉(zhuǎn)子。渦輪轉(zhuǎn)子的機械功率可接著用來驅(qū)動發(fā)生器，以便 產(chǎn)生電能，或者用來驅(qū)動機器。但是，燃燒燃料在排放氣體中導(dǎo)致多 種造成環(huán)境危害的不希望的污染物。因此，采取相當(dāng)大的努力來將保
持污染物。 一種污染物是一氧化氮(N0x)。形成一氧化氮的速度指數(shù) 地取決于燃燒火焰的溫度。因此試圖減小燃燒火焰上的溫度，以便盡 可能低地保持一 氧化氮的形成。
具有兩種主要方法來實現(xiàn)燃燒火焰的溫度降低。第一種方法是使 用貧化學(xué)計量學(xué)，例如具有低燃料比的燃料/空氣混合物。相對小比例 的燃料造成具有低溫度的燃燒火焰。第二種方法是在產(chǎn)生燃燒之前進 行燃料和空氣的完全混合?；旌显胶?，燃料在燃燒區(qū)域內(nèi)的分布越均
勻。這有助于在燃燒區(qū)域防止熱點，熱點是由于燃料/空氣混合比出現(xiàn) 局部最大值而造成的。
現(xiàn)代燃氣渦輪發(fā)動機因此使用在燃料/空氣混合物燃燒之前以貧 化學(xué)計量學(xué)預(yù)混合空氣和燃料的思想。通常預(yù)混合通過將燃料注射到 燃燒器位于燃燒區(qū)域上游的漩流區(qū)域內(nèi)的空氣流中實現(xiàn)。漩流造成燃 料和空氣在混合物進入燃燒區(qū)域之前混合。
US6513329B1披露了燃料和空氣在燃燒器的混合腔室內(nèi)預(yù)混合?；?br> 合腔室沿著燃燒器的縱向軸線延伸并至少部分圍繞該縱向軸線巻繞。 兩排燃料注射通道位于混合腔室軸線的外壁內(nèi)?；旌锨皇业某隹陂_口
通過平行于縱向燃燒器軸線延伸的細槽形成。通過此構(gòu)造，離開混合 腔室的燃料/空氣混合物除了具有相對于燃燒器軸線的軸向流動分量
之外，還具有徑向流動分量。
US2001/0052229A1描述一種具有均勻燃料/空氣預(yù)混合以使j氐朝一 放燃燒的燃燒器。燃燒器包括空氣入口導(dǎo)管和布置在空氣入口導(dǎo)管內(nèi) 的旋流器。旋流器包括具有主要和次要氣體通道的漩流器葉片和相應(yīng) 氣體入口開口。流過兩個氣體通道到入口開口的燃料被單獨控制，并
且可以從漩流細槽底部到其尖端控制徑向燃料/空氣濃度分布。次要氣 體入口開口位于主要氣體入口開口的下游。
相對于所述的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的在于提供一種特別是燃氣 渦輪發(fā)動機燃燒器的燃燒器，以及提供在特別是燃氣渦輪發(fā)動機燃燒 器的燃燒器的漩流區(qū)域內(nèi)混合燃料和空氣的方法，有利地提供均勻的 燃料/空氣混合物。
此目的通過如權(quán)利要求1所述的燃燒器和如權(quán)利要求5所述的方 法來實現(xiàn)。從屬權(quán)利要求描述本發(fā)明的有利變型。
本發(fā)明的燃燒器包括空氣入口導(dǎo)管和布置在所述空氣入口導(dǎo)管內(nèi)
的至少一個漩流器。漩流器具有至少一個空氣入口開口、相對于空氣
經(jīng)過空氣入口導(dǎo)管的流動方向定位在空氣入口開口下游的至少一個空 氣出口開口以及從至少一個空氣入口開口延伸到至少一個空氣出口開
口的至少一個漩流器空氣通道。漩流器通過由空氣入口導(dǎo)管的壁和/或 炎流器葉片形成的漩流器空氣通道壁限定。另外，本發(fā)明燃燒器包括 燃料注射系統(tǒng)和空氣注射系統(tǒng)?？煽傮w適用于注射氣態(tài)或液態(tài)燃料的 燃料注射系統(tǒng)包括例如噴嘴的燃料注射開口，噴嘴配置在至少一個漩 流器空氣通道壁內(nèi)，以便將燃料注射到漩流器空氣通道?？諝庾⑸湎?統(tǒng)包括例如噴嘴的空氣注射開口 ，噴嘴配置在至少一個漩流器空氣通 道壁內(nèi)并定位在燃料注射開口的下游，以便將空氣注射到漩流器空氣 通道內(nèi)'
旋流器空氣通道內(nèi)的空氣注射孔用來在流動介質(zhì)中產(chǎn)生另外的漩 流，繼而有助于增加燃料和空氣在漩流器空氣通道內(nèi)混合的速度。因 此，可以在漩流器空氣通道的截面上獲得注射燃料的更好分布。另外， 增加了燃料/空氣混合物在截面區(qū)域上的均勻性。
在本發(fā)明燃燒器的特別實現(xiàn)過程中，空氣通道壁至少部分通過漩 流器葉片形成，并且空氣注射開口配置在漩流器葉片內(nèi).在用于燃氣 渦輪發(fā)動機的燃燒器中，燃料注射開口通常配置在漩流器葉片內(nèi)，將
空氣注射開口配置在漩流器葉片內(nèi)，使得空氣在燃料注射的或多或少 的相同方向上注射，特別是垂直于流過空氣通道的空氣的流動方向。 但是，通常不同的燃料注射方向和空氣注射方向也是可以的。
在本發(fā)明燃燒器的另一變型中，空氣注射系統(tǒng)包括用于每個漩流 器空氣通道的多個空氣注射開口 ，這些開口在至少一個漩流器空氣通 道壁上分布。通過將空氣注射開口在至少一個漩流器空氣開口壁上分 布，使得燃料和空氣的混合最佳。如果空氣注射系統(tǒng)包括用于控制去 往分布空氣入口開口的空氣配置的控制機構(gòu)，可以將空氣注射適用于 不同的燃燒器情況。這可以在燃燒器的寬范圍情況下對于燃料配置進 行零活控制。與現(xiàn)有的燃燒器系統(tǒng)相比，燃燒系統(tǒng)因此可以例如在設(shè) 計之外的情況下更加容易地適應(yīng)空氣密度和流速的變化。此外，通過 改變用來引入漩流的注射孔的組合，燃料空氣混合物可例如朝著漩流 器空氣通道的上游端或朝著下游端移動。
本發(fā)明的燃氣渦輪發(fā)動機包括本發(fā)明的燃燒器。本發(fā)明的燃燒器 有助于減小燃氣渦輪發(fā)動機中的一氧化氮的比例。
在特別是燃氣渦輪發(fā)動機燃燒器的燃燒器的漩流區(qū)域內(nèi)混合燃料 和空氣的創(chuàng)新方法中，燃料被注射到流過漩流器空氣通道的空氣流中。 另外的空氣(即添加在流過漩流器空氣通道的空氣流內(nèi)的空氣)在將 燃料注射到流過旋流器空氣通道的燃料/空氣混合物流的位置下游處注射。
通過將另外的空氣注射到流過的介質(zhì)中，可以形成另外的漩流， 有助于改善空氣和燃料混合以及混合的一致性。這繼而減小熱點的形 成，這些熱點是一氧化氮形成的主要區(qū)域。因此，熱點數(shù)量和溫度的 減小使得來自于燃燒器的一氧化氮排放減小。
在至少兩個不同位置處將空氣注射到流過漩流器空氣通道的介質(zhì) 中提供另外的自由度，可用來提供燃料和空氣的最佳混合以及混合物 的最佳一致性。
如果將另外的空氣配置在至少兩個不同位置根據(jù)一個或多個燃燒 器狀態(tài)來進行，可以將另外空氣的注射按照所述一個或多個燃燒器狀 態(tài)來調(diào)節(jié)。例如在本發(fā)明方法用于燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒器時，該配 置可根據(jù)燃氣渦輪發(fā)動機的載荷情況來進行。
本發(fā)明燃燒器特別適用于實施本發(fā)明的方法。


結(jié)合附圖，本發(fā)明的其它特征、性能和優(yōu)點從本發(fā)明的實施例的 以下描述中得以清楚。
圖l表示穿過本發(fā)明燃燒器和燃燒腔室組件的截面； 圖2表示圖1所示漩流器的透視圖3表示在空氣的流動方向上穿過用于本發(fā)明燃燒器的第一實施 例的漩流器的空氣通道的截面；
圖4a以垂直于流動方向的截面示意表示燃料在流過用于現(xiàn)有才支術(shù) 的旋流器的空氣通道的空氣中的分布；
圖4b示意表示用于本發(fā)明燃燒器的按照圖4a的燃料分布；
圖5以在空氣流動方向上穿過漩流器的空氣通道的截面表示本發(fā) 明燃燒器的第二實施例。
具體實施例方式
圖1表示穿過用于燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒器和燃燒腔室組件的縱 向截面。具有用于混合空氣和燃料的漩流器的燃燒器頭部1附接到燃 燒腔室的上游端，燃燒腔室以流動順序包括燃燒預(yù)先腔室3和燃燒主 要腔室4。燃燒器和燃燒腔室組件表示成圍繞縱向?qū)ΨQ軸線S轉(zhuǎn)動對稱。 燃料導(dǎo)管5設(shè)置成將氣態(tài)或液態(tài)燃料引導(dǎo)到燃燒器，以便與漩流器2 內(nèi)的流入空氣混合。燃料空氣混合物7接著朝著主要燃燒區(qū)域9引導(dǎo)， 其中混合物被燃燒，以形成在箭頭所示的方向8上流到燃氣渦輪發(fā)動 機(未示出)的渦輪的熱壓力排放氣體。
漩流器2在圖2中詳細表示。它包括承載六個漩流器葉片12的漩 流器葉片支承件IO。漩流器葉片12可固定在燃燒器頭部l上，其側(cè)部 與漩流器葉片支承件IO相對。
在相鄰漩流器葉片12之間形成各自在空氣入口開口 16和空氣出 口開口 18之間延伸的空氣通道14?？諝馔ǖ?4通過相鄰凝流器葉片 12的相對端面20、 22、通過表示成去往燃燒器頭部1的漩流器葉片支 承件的表面24以及固定漩流器葉片12的漩流器頭部1的表面限定。 端面20、 22、旋流器葉片支承件10以及燃燒器頭部1的表面形成限定 空氣通道14的空氣通道壁。
在端面20內(nèi)，具有燃料注射開口 26和空氣注射開口 28。在燃燒 器的操作過程中，空氣經(jīng)由空氣入口開口 16被吸入漩流器通道14。在
空氣通道14內(nèi)，燃料通過燃料注射開口 26的使用而被注射到流動空 氣內(nèi)。另外，空氣通過空氣注射開口 28在燃料注射開口 26的下游注 射到流動燃料/空氣混合物中。燃料/空氣混合物接著經(jīng)由空氣出口開 口 18離開空氣通道14并流過漩流器葉片支承件10的中央開口 30進 入預(yù)先腔室2(見圖1)。從預(yù)先腔室3，它流入主要腔室4的燃燒區(qū)域 9,在其中燃燒。
圖3表示漩流器葉片12的端面20。流動空氣通過箭頭32表示。 經(jīng)由燃料注射開口 26注射的燃料34接著和流入空氣32—起注射。漩 流器的幾何形狀相對于燃燒器的中央對稱軸線S在流動燃料/空氣混合 物上形成徑向速度分量。這可以在垂直于空氣的流動方向的方向上分 布注射燃料。這種燃料分布36在圖4A中示意表示，圖4A表示在圖2 中通過A-A表示的穿過空氣通道14的截面。
在本發(fā)明的燃燒器中，另外的空氣38經(jīng)由空腔注射開口 28注射， 在流動燃料/空氣混合物中造成另外的漩流。與沒有另外的漩流相比， 由于這種另外的漩流，通過燃料注射開口 26注射的燃料將進一步遷徙 經(jīng)過空腔通道14。通過經(jīng)由空腔注射開口 28注射的另外的空氣38產(chǎn) 生的燃料分布40在圖4B中示意表示，圖4B是按照圖4A的截面穿過 空氣通道14的截面。通過相對于燃料注射開口 26定位空腔注射開口 28，可以設(shè)定燃料和空氣在漩流器空氣通道14的長度上的速度。
圖5表示用于本發(fā)明燃燒器的漩流器的第二實施例的端面120。漩 流器本身不同于圖2所示的漩流器2之處只在于端面120的結(jié)構(gòu)。與 第一實施例的端面20相比，除了空氣注射開口 20之外，更多空氣注 射開口 130、 132位于燃料注射開口 26的進一步下游。通過另外的空 氣注射開口 130、 132，通過注射另外的空氣產(chǎn)生的漩流程度可進一步 增加。此外，可以通過設(shè)定去往不同空氣注射開口的空氣配置來控制 注射空氣的分布。這可以通過為不同空氣注射開口 28、 130、 132供應(yīng) 空氣的單獨空氣導(dǎo)管來實現(xiàn)。具有可變閥開口的閥可設(shè)置在可單獨控 制的單獨空氣導(dǎo)管中。通過設(shè)定閥開口，通過不同空氣注射開口注射 的空氣量可以被設(shè)定。作為選擇，單獨空氣導(dǎo)管內(nèi)的空氣壓力可被控 制，以便控制經(jīng)由不同空氣注射開口的空氣量。
在第二實施例中，在不同發(fā)動機載荷情況下使用所有或部分的空 氣注射開口 28、 130、 132可以在發(fā)動機的寬范圍情況下對燃料配置提
供靈活控制。與現(xiàn)有技術(shù)燃燒器相比，這使得燃燒系統(tǒng)更容易地適應(yīng)
設(shè)計之外情況下出現(xiàn)的空氣密度和流速的變化。例如，在低載荷情況
下，其中空氣密度低，在現(xiàn)有技術(shù)燃燒器中穿透漩流器空氣通道"的
燃料將受到限制。通過使用空氣注射開口，該穿透增加。為了在低載
荷情況下增加穿透，與其中空氣密度高的高載荷情況相比，需要通過
注射另外空氣產(chǎn)生較高程度的漩流。對于高空氣密度來說，可以通過
較少的漩流實現(xiàn)相同程度的燃料穿透。
雖然當(dāng)前實施例的旋流器具有六個漩流器葉片和六個漩流器空氣
通道，本發(fā)明可采用不同數(shù)量的漩流器葉片和漩流器空氣通道的漩流 器。
另外，燃料注射開口和/或空氣注射開口不需要位于端面內(nèi)。它們
可通常另外或作為選擇地位于限定漩流器空氣通道的端面22內(nèi)和/或 漩流器葉片支承件表面內(nèi)和/或燃燒器頭部的表面內(nèi)。
流過空氣注射開口的空氣將不非常高，只要提供足夠的流動以促 進下游尾流從而使得燃料與空氣混合即可。
權(quán)利要求
1.一種特別是燃氣渦輪燃燒器的燃燒器，包括至少一個漩流器，漩流器具有至少一個空氣入口開口、定位在空氣入口開口下游的至少一個空氣出口開口以及從至少一個空氣入口開口延伸到至少一個空氣出口開口的至少一個漩流器空氣通道，該漩流器空氣通道通過漩流器空氣通道壁限定；燃料注射系統(tǒng)，包括配置在至少一個漩流器空氣通道壁內(nèi)以便將燃料注射到漩流器空氣通道的燃料注射開口；以及空氣注射系統(tǒng)，包括配置在至少一個漩流器空氣通道壁內(nèi)并定位在燃料注射開口的下游以便將空氣注射到漩流器空氣通道內(nèi)的空氣注射開口。
2. 如權(quán)利要求l所述的燃燒器，其特征在于，空氣通道壁(20、 120) 至少部分通過漩流器葉片(12)的表面形成，并且空氣注射開口 (28、 130、 132)配置在旋流器葉片內(nèi)。
3. 如權(quán)利要求2所述的燃燒器，其特征在于，空氣注射系統(tǒng)包括用 于每個漩流器空氣通道(14)的多個空氣注射開口 (28、 130、 132)，注 射開口在漩流器空氣通道(14)的至少一個漩流器空氣通道壁(20、 120) 之上分布。
4. 如權(quán)利要求3所述的燃燒器，其特征在于，空氣注射系統(tǒng)包括用 于控制去往分布空氣入口開口 (28、 130、 132)的空氣配置的控制機構(gòu)。
5. —種在特別是燃氣渦輪燃燒器的燃燒器的漩流區(qū)域內(nèi)混合燃料和 空氣的方法，其中燃料被注射到流過旋流器空氣通道(14)的空氣流中， 并且另外的空氣在注射燃料下游注射到流過漩流器空氣通道(14)的空 氣/燃料混合物流中。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，另外的空氣在漩流器空 氣通道(14)的至少兩個不同注射位置處注射。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，去往至少兩個注射位置 的另外的空氣的分布根據(jù)一個或多個燃燒器情況來進行。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，該方法在燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒器內(nèi)實施，并且該分布根據(jù)燃氣渦輪發(fā)動機的載荷情況來進行。
全文摘要
一種特別是燃氣渦輪燃燒器的燃燒器包括至少一個漩流器(2)，漩流器(2)具有至少一個空氣入口開口(16)、定位在空氣入口開口(16)下游的至少一個空氣出口開口(18)以及從至少一個空氣入口開口(16)延伸到至少一個空氣出口開口(18)的至少一個漩流器空氣通道(14)，漩流器空氣通道通過漩流器空氣通道壁(20、22、120)限定；燃料注射系統(tǒng)，包括配置在至少一個漩流器空氣通道壁(20、120)內(nèi)以便將燃料注射到漩流器空氣通道(14)的燃料注射開口(26)；以及空氣注射系統(tǒng)，包括配置在至少一個漩流器空氣通道壁內(nèi)并定位在燃料注射開口(26)的下游以便將空氣注射到漩流器空氣通道內(nèi)的空氣注射開口。
文檔編號F23R3/14GK101375101SQ200680052830
公開日2009年2月25日 申請日期2006年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月15日
發(fā)明者N·威爾布厄姆 申請人:西門子公司