專利名稱：沖擊冷卻型罐式燃燒器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及罐式燃燒器。具體而言，本發(fā)明涉及用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的、沖擊冷卻 型罐式燃燒器。
背景技術(shù)：
利用罐型燃燒器的燃?xì)鉁u輪燃燒系統(tǒng)通常易于出現(xiàn)氣流的分布不均。由這種不規(guī) 則性造成的問(wèn)題在低NOx系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中尤其引人關(guān)注。在燃燒器內(nèi)實(shí)現(xiàn)低水平的氮氧化物 與火焰溫度以及火焰溫度在反應(yīng)區(qū)前端部分中的變化密切相關(guān)。火焰溫度與反應(yīng)區(qū)內(nèi)的有 效燃空比相關(guān)，該有效燃空比取決于所采用的燃空比以及在火焰前鋒(flame front)之前 實(shí)現(xiàn)的(燃料和空氣的)混合程度。這些因素明顯受到燃料和相關(guān)空氣的局部施加以及混 合效率的影響。燃料的均勻施加通常處于設(shè)計(jì)良好的噴射系統(tǒng)的控制之下，但空氣流的局 部變化通常并非如此，除非給予特別考慮以校正分布不均。為實(shí)現(xiàn)全球某些地區(qū)的法規(guī)設(shè)定的氮氧化物的現(xiàn)有水平要求將有效燃空比的標(biāo) 準(zhǔn)偏差控制在10%的較低量級(jí)內(nèi)。這種燃燒系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本高，而且會(huì)明顯受到其構(gòu)型的 選擇是否正確的影響。燃?xì)廨啓C(jī)的制造者對(duì)構(gòu)型采用不同的方案，這些方案看上去直觀但 通常讓人感到開(kāi)發(fā)困難而且成本高。為了進(jìn)一步說(shuō)明這些事實(shí)，可對(duì)圖1(即公知的沖擊冷 卻型罐式燃燒器的示意圖)的構(gòu)型進(jìn)行有用的討論。如圖1中示意性地示出的，罐式燃燒器10包括殼體12和燃燒器內(nèi)襯套14，如本領(lǐng) 域技術(shù)人員可以理解的，該內(nèi)襯套限定出燃燒區(qū)16和稀釋區(qū)18。另外，現(xiàn)有技術(shù)的燃燒器 10包括套筒20，該套筒20具有用于引導(dǎo)冷卻空氣撞擊(朝向)襯套14的外表面的沖擊冷 卻孔22。燃燒器10構(gòu)造成在允許稀釋空氣通過(guò)稀釋端口 24進(jìn)入稀釋區(qū)18之前將稀釋空 氣用作冷卻空氣。用于燃燒的空氣沿著通道26直接流向旋流葉片28，在所述旋流葉片處用 于燃燒的空氣與燃料混合并被允許進(jìn)入燃燒區(qū)16以進(jìn)行燃燒。圖1還示出了再循環(huán)區(qū)或 模式32，該再循環(huán)區(qū)或模式通過(guò)旋流的空氣/燃料混合物以及罐式部件的幾何結(jié)構(gòu)建立， 用于使燃燒穩(wěn)定。圖1所示類型的構(gòu)型可用于沖擊冷卻優(yōu)于膜冷卻的簡(jiǎn)單的低NOx燃燒器中。一 般而言，在這些低火焰溫度燃燒器中使用膜冷卻會(huì)產(chǎn)生高量級(jí)的一氧化碳排放。對(duì)火焰筒 (襯套)的外部沖擊冷卻能夠降低這種高量級(jí)(的一氧化碳排放)。所示構(gòu)型中最引人關(guān) 注的(技術(shù))特征在于將沖擊空氣額外用于稀釋。但是，在除了要求低NOx以外、高出口溫 度也是一性能要求的系統(tǒng)中，旋流/反應(yīng)區(qū)空氣流占總空氣流的很大部分，因而冷卻和稀 釋空氣流受到限制。因此，使這些流動(dòng)相結(jié)合以使整體流動(dòng)條件得到優(yōu)化是相當(dāng)有利的。雖 然空氣動(dòng)力學(xué)看起來(lái)會(huì)是令人滿意的，但應(yīng)當(dāng)看到，旋流/反應(yīng)區(qū)空氣流受到任何分布不 均的影響，而所述分布不均可能是入流(即在空氣通道26內(nèi))所固有的。當(dāng)要求燃燒器具 有低的總壓力損失時(shí)，這種分布不均對(duì)旋流/反應(yīng)區(qū)的燃空比和NOx的影響被進(jìn)一步放大。

發(fā)明內(nèi)容
一種例如用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的罐式燃燒器包括基本上柱形的殼體，該殼體具 有內(nèi)部、軸線和封閉的軸向端部，該封閉的軸向端部包括用于將燃料引入所述殼體內(nèi)部的 裝置。該罐式燃燒器還包括基本上柱形的燃燒器襯套，該燃燒器襯套同軸地布置在所述殼 體內(nèi)并構(gòu)造成與所述殼體一起限定出燃燒空氣和稀釋空氣各自的徑向外通道以及燃燒區(qū) 和稀釋區(qū)各自的徑向內(nèi)體積。燃燒區(qū)布置成沿軸向鄰近所述封閉的殼體端部，而所述稀釋 區(qū)布置成沿軸向遠(yuǎn)離所述封閉的殼體端部。罐式燃燒器還包括沖擊冷卻套筒，所述沖擊冷 卻套筒同軸地布置在所述殼體與所述燃燒器襯套之間并且沿軸向自所述封閉的殼體端部 起、延伸燃燒區(qū)的主要長(zhǎng)度。所述套筒具有多個(gè)孔，所述孔被定尺寸和分布成引導(dǎo)燃燒空氣 撞擊(朝向)所述燃燒器襯套的限定出所述燃燒區(qū)的部分的徑向外表面以進(jìn)行沖擊冷卻。 基本上所有的所述燃燒空氣在被允許進(jìn)入所述燃燒區(qū)之前均流經(jīng)所述沖擊冷卻孔。結(jié)合在本說(shuō)明書中并構(gòu)成本說(shuō)明書的一部分的附圖示出了本發(fā)明的若干實(shí)施方 式，所述附圖連同說(shuō)明書用于解釋本發(fā)明的原理。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的用于燃?xì)廨啓C(jī)的沖擊冷卻型罐式燃燒器的示意性截面圖；以及圖2是根據(jù)本發(fā)明的用于燃?xì)廨啓C(jī)的沖擊冷卻型罐式燃燒器的示意性截面圖。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明，如本文所體現(xiàn)并概括地描述的，罐式燃燒器可包括基本上柱形的殼 體，所述殼體具有內(nèi)部、軸線和封閉的軸向端部。該封閉的軸向端部還可包括用于將燃料引導(dǎo) 至殼體內(nèi)部的裝置。如本文所體現(xiàn)的，并且參照?qǐng)D2，罐式燃燒器100包括外殼體112，該外殼 體具有內(nèi)部114、縱向軸線116以及封閉的軸向端部118。殼體112圍繞軸線116基本上呈柱 形形狀，但該殼體也可以根據(jù)特定應(yīng)用的需要而包括不同直徑的錐形和/或臺(tái)階部段。封閉端部或“頭”端部118包括用于將燃料導(dǎo)入殼體內(nèi)部114的裝置，該裝置總體 上用120標(biāo)示。在圖2的實(shí)施例中，燃料引入裝置包括多個(gè)短管122，每個(gè)短管具有出口孔 并且與燃料源124可操作地連接。圖2所示的燃料引入裝置120構(gòu)造成用于引入氣態(tài)燃料 (例如，天然氣)，但在其它應(yīng)用中可使用液體燃料、或者(同時(shí)使用)氣體燃料和液體燃料 二者。一般而言，在某些應(yīng)用中，液體燃料可能需要霧化型噴射器，例如“氣力(air blast)” 式噴嘴(未示出)，例如本領(lǐng)域所公知的霧化型噴射器。在燃燒器100的頭端部118處還設(shè)置有多個(gè)旋流葉片126，這些葉片126用于向被 允許進(jìn)入殼體內(nèi)部114的燃燒空氣施加旋流。葉片126構(gòu)造成提供多個(gè)用于燃燒空氣的分 離通路。目前優(yōu)選在葉片126的上游設(shè)置同樣多個(gè)短管122并使它們定向成將燃料導(dǎo)入各 自的通路的入口，以促進(jìn)混合和低NOx的燃燒。短管122還可用來(lái)計(jì)量進(jìn)入燃燒區(qū)140的 燃料。進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，如文中所體現(xiàn)并概括地描述的，罐式燃燒器可包括基本上柱 形的燃燒器襯套，該襯套同軸地設(shè)置在殼體內(nèi)并且構(gòu)造成與殼體共同限定出燃燒空氣和稀 釋空氣各自的徑向外通道。燃燒器襯套還可構(gòu)造成分別限定出用于燃燒區(qū)和稀釋區(qū)的徑向 內(nèi)體積。燃燒區(qū)可布置成沿軸向鄰近封閉的殼體端部，而稀釋區(qū)可布置成沿軸向遠(yuǎn)離封閉
4的殼體端部。如本文所體現(xiàn)的，仍參照?qǐng)D2，燃燒器100包括布置在殼體112內(nèi)、基本上與軸線 116同心的燃燒器襯套130。襯套130可定尺寸并構(gòu)造成分別限定出用于燃燒空氣的外通 道132和用于稀釋空氣的通道134。在圖2的實(shí)施例中，用于稀釋空氣的通道134包括多個(gè) 圍繞襯套130的周緣分布的稀釋端口 136。襯套130還在殼體內(nèi)部114限定出沿軸向鄰近封閉端部118的燃燒區(qū)140，在該 燃燒區(qū)內(nèi)，旋流的燃燒空氣與燃料的混合物進(jìn)行燃燒以產(chǎn)生熱燃燒氣體。結(jié)合封閉端部 118——包括旋流葉片126——的構(gòu)型，襯套130以本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的方式構(gòu)造成在 燃燒區(qū)140中的區(qū)域或模式144內(nèi)提供穩(wěn)定的再循環(huán)。襯套130還在殼體內(nèi)部114限定出 稀釋區(qū)142，在該稀釋區(qū)內(nèi)，燃燒氣體與從通道134經(jīng)稀釋端口 136 (進(jìn)入)的稀釋空氣相混 合，以降低燃燒氣體的溫度，所述燃燒氣體例如用于在渦輪(未示出)內(nèi)的膨脹做功。仍進(jìn)一步按照本發(fā)明，如本文所體現(xiàn)并概括地描述的，罐式燃燒器還可包括沖擊 冷卻套筒，該套筒同軸地布置在殼體與燃燒器襯套之間并沿軸向自封閉的殼體端部起、延 伸燃燒區(qū)的基本長(zhǎng)度。沖擊冷卻套筒可具有多個(gè)孔，這些孔定尺寸并分布成引導(dǎo)燃燒空氣 撞擊(朝向)限定出燃燒區(qū)的燃燒器襯套部分的徑向外表面以進(jìn)行沖擊冷卻。如本文所體現(xiàn)的，仍參照?qǐng)D2，沖擊冷卻套筒150被示出同軸地布置在殼體112與 襯套130之間。沖擊冷卻筒套150沿軸向自鄰近封閉端部118的位置起、延伸至接近稀釋 端口 136但相對(duì)于燃燒氣體的軸向流動(dòng)位于稀釋端口 136上游的位置處。套筒150包括多 個(gè)沖擊冷卻孔152，這些冷卻孔圍繞套筒150周向地分布并構(gòu)造和定向成引導(dǎo)來(lái)自通道132 的燃燒空氣撞擊(朝向)燃燒區(qū)140附近的襯套130的外表面。明顯地，在圖2所示的實(shí)施例中，基本上所有——也就是說(shuō)除可能的不可避免的泄 漏之外的所有——最終被允許進(jìn)入燃燒區(qū)140的燃燒空氣都首先經(jīng)過(guò)沖擊套筒150的孔 152以提供冷卻。對(duì)于低NOx構(gòu)型，燃燒空氣可包括供應(yīng)至罐式燃燒器的總空氣(燃燒空氣 加稀釋空氣)的約45%到55%。由于穿越/貫穿套筒150的壓降，能在旋流葉片120的緊 上游使圍繞通道132a周緣的流速差大大減小，從而提供了用于貧、低NOx操作的、改善的、 更均勻的流動(dòng)分布。還可優(yōu)選地利用少量沖擊冷卻空氣對(duì)燃燒器的頭端部和/或燃燒器襯套的鄰近 部分的局部熱部位進(jìn)行膜冷卻。如圖2中示意性地示出的，可在封閉端部118內(nèi)設(shè)置一個(gè) 或多個(gè)膜冷卻狹縫160，向這些狹縫供應(yīng)已穿過(guò)沖擊冷卻孔152、但通常仍具有一定的冷卻 能力的燃燒空氣。在圖2的實(shí)施例中，用于膜冷卻的空氣(約8%的燃燒空氣)最終被允許 進(jìn)入燃燒區(qū)140，從而可用于同燃料一起進(jìn)行燃燒。此外，由于用于膜冷卻的空氣量相對(duì)較 少以及能夠在罐式燃燒器100內(nèi)建立基本上穩(wěn)定的再循環(huán)模式144，所以少量膜冷卻的使 用將不會(huì)顯著影響再循環(huán)模式144或顯著增加一氧化碳(CO)的生成?；蛘呖蓛?yōu)選的是，沖擊冷卻套筒150在沖擊冷卻孔152附近的形狀可為沿軸向漸 縮的，以獲得一截錐形狀，該截錐形狀具有朝向封閉(頭)端部118 (在圖2中以虛線示出) 漸增的直徑。在任一情況下，套筒端部154都構(gòu)造成在燃燒空氣已穿過(guò)沖擊冷卻孔152之 后、相對(duì)于稀釋空氣通道密封燃燒/沖擊冷卻空氣。由于上述罐式燃燒器的特征，除之前所論述的使通向旋流葉片的空氣流更均勻的 優(yōu)點(diǎn)外，罐式燃燒器還可在旋流葉片內(nèi)提供更均勻的預(yù)混合，從而針對(duì)給定的NOx要求提供更高的有效燃空比。并且，上述罐式燃燒器在提供更穩(wěn)定的再循環(huán)模式方面可提供更大 的穩(wěn)定燃燒裕度，還可使傳遞到渦輪的燃燒產(chǎn)物內(nèi)的溫度偏差(“離散度”)最小化。最后， 以上公開(kāi)的罐式燃燒器還可以使冷卻空氣需求最大化并提供最小的襯套壁金屬溫度。
對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，可在不脫離本文所包含的教導(dǎo)的情況下，對(duì)公 開(kāi)的沖擊冷卻型罐式燃燒器進(jìn)行各種改進(jìn)和變更。盡管通過(guò)對(duì)本說(shuō)明書的考慮和對(duì)所公開(kāi) 的設(shè)備的實(shí)施，實(shí)施例對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將顯而易見(jiàn)，但說(shuō)明書和示例僅認(rèn)為是示例 性的，本發(fā)明的真實(shí)范圍由以下權(quán)利要求和它們的等效方案指出。
權(quán)利要求
一種罐式燃燒器，包括基本上柱形的殼體，該殼體具有內(nèi)部、軸線和封閉的軸向端部，所述封閉的軸向端部包括用于將燃料引入所述殼體內(nèi)部的裝置；基本上柱形的燃燒器襯套，所述燃燒器襯套同軸地布置在所述殼體內(nèi)并構(gòu)造成與所述殼體一起限定出燃燒空氣和稀釋空氣各自的徑向外通道，以及燃燒區(qū)和稀釋區(qū)各自的徑向內(nèi)體積，所述燃燒區(qū)布置成沿軸向鄰近所述封閉的殼體端部，而所述稀釋區(qū)布置成沿軸向遠(yuǎn)離所述封閉的殼體端部；以及沖擊冷卻套筒，所述沖擊冷卻套筒同軸地布置在所述殼體與所述燃燒器襯套之間并且沿軸向自所述封閉的殼體端部起、延伸燃燒區(qū)的基本長(zhǎng)度，所述套筒具有多個(gè)孔，所述孔被定尺寸和分布成引導(dǎo)燃燒空氣撞擊所述燃燒器襯套的限定出所述燃燒區(qū)的部分的徑向外表面以進(jìn)行沖擊冷卻，其中，所述燃燒器襯套和所述封閉的軸向端部構(gòu)造成，使得基本上所有的所述燃燒空氣在被允許進(jìn)入所述燃燒區(qū)之前均流經(jīng)所述沖擊冷卻孔。
2.如權(quán)利要求1所述的罐式燃燒器，其特征在于，所述燃燒空氣中的一部分在已穿過(guò) 所述沖擊冷卻孔之后被進(jìn)一步用于對(duì)緊鄰所述封閉的殼體端部的襯套進(jìn)行膜冷卻。
3.如權(quán)利要求2所述的罐式燃燒器，其特征在于，小于或等于約8%的所述燃燒空氣被 用于膜冷卻。
4.如權(quán)利要求1所述的罐式燃燒器，其特征在于，所述稀釋空氣通道包括多個(gè)在所述 燃燒器襯套中的、用于允許稀釋空氣進(jìn)入所述稀釋區(qū)的稀釋端口 ；所述沖擊冷卻套筒在一 位于所述封閉的殼體端部與所述稀釋端口之間的軸向位置處終止于所述襯套。
5.如權(quán)利要求1所述的罐式燃燒器，其特征在于，所述沖擊冷卻套筒構(gòu)造成在燃燒空 氣已穿過(guò)所述沖擊冷卻孔之后相對(duì)于所述稀釋空氣通道密封所述燃燒空氣。
6.如權(quán)利要求1所述的罐式燃燒器，其特征在于，所述沖擊冷卻套筒的形狀基本是柱形。
7.如權(quán)利要求1所述的罐式燃燒器，其特征在于，所述沖擊冷卻套筒的形狀是截錐形， 其中較大的直徑布置成沿軸向鄰近所述封閉的殼體端部。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種罐式燃燒器，其包括基本上為柱形的殼體，該殼體具有內(nèi)部、軸線和封閉的軸向端部。封閉的軸向端部包括用于將燃料引入所述殼體內(nèi)部中的裝置?；旧现蔚娜紵饕r套同軸地布置在所述殼體內(nèi)并構(gòu)造成與所述殼體一起限定出燃燒空氣和稀釋空氣各自的徑向外通道，以及燃燒區(qū)和稀釋區(qū)各自的徑向內(nèi)體積。燃燒區(qū)布置成沿軸向鄰近所述封閉的殼體端部，而所述稀釋區(qū)布置成沿軸向遠(yuǎn)離所述封閉的殼體端部。罐式燃燒器還包括沖擊冷卻套筒，所述沖擊冷卻套筒同軸地布置在所述殼體與所述燃燒器襯套之間并且沿軸向自所述封閉的殼體端部起、延伸燃燒區(qū)的基本長(zhǎng)度。所述套筒具有多個(gè)孔，所述孔被定尺寸和分布成引導(dǎo)燃燒空氣撞擊所述燃燒器襯套的限定出所述燃燒區(qū)的部分的徑向外表面以進(jìn)行沖擊冷卻?；旧纤械乃鋈紵諝庠诒辉试S進(jìn)入所述燃燒區(qū)之前均流經(jīng)所述沖擊冷卻孔。燃燒空氣中的一小部分可被用于對(duì)緊鄰封閉的殼體端部的襯套進(jìn)行膜冷卻。
文檔編號(hào)F23R3/54GK101918764SQ200880124440
公開(kāi)日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2008年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月13日
發(fā)明者E·R·諾爾斯特 申請(qǐng)人:歐普拉技術(shù)有限公司