CN100552301C - 燃气轮机引擎的稳定燃烧用导引燃烧器室 - Google Patents

燃气轮机引擎的稳定燃烧用导引燃烧器室 Download PDF

Info

Publication number
CN100552301C
CN100552301C CNB2004800323040A CN200480032304A CN100552301C CN 100552301 C CN100552301 C CN 100552301C CN B2004800323040 A CNB2004800323040 A CN B2004800323040A CN 200480032304 A CN200480032304 A CN 200480032304A CN 100552301 C CN100552301 C CN 100552301C
Authority
CN
China
Prior art keywords
burner
air
combustion
pilot combustor
outlet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CNB2004800323040A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1875223A (zh
Inventor
M·康韦尔
V·D·米洛萨夫列维奇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Industrial Turbomachinery
Siemens AG
Collins Engine Nozzles Inc
Original Assignee
Delavan Inc
Demag Delaval Industrial Turbomachinery Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Delavan Inc, Demag Delaval Industrial Turbomachinery Inc filed Critical Delavan Inc
Publication of CN1875223A publication Critical patent/CN1875223A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100552301C publication Critical patent/CN100552301C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34Feeding into different combustion zones
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34Feeding into different combustion zones
    • F23R3/343Pilot flames, i.e. fuel nozzles or injectors using only a very small proportion of the total fuel to insure continuous combustion
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pre-Mixing And Non-Premixing Gas Burner (AREA)
  • Gas Burners (AREA)

Abstract

燃气轮机引擎用的燃烧器,利用导引火火焰以协助维持并稳定燃烧过程。其包括燃烧器壳体、导引燃烧器室、快速冷却器及其它组件。燃烧器壳体包含于轴向相对的上游与下游端部。壳体具有至少一主要燃料入口信道、和至少一主要空气入口信道。这些信道分别供应燃料与空气至界定于壳体中的内室。导引燃烧器室沿燃烧器壳体的轴线设置,包含有接收高浓度的燃料与空气混合物的入口、在其内高浓度的燃料与空气混合物燃烧的燃烧室、用以自燃烧室排出燃烧产物的出口。快速冷却器沿中心轴线设置于燃烧器壳体的内室且位于导引燃烧器室的出口。快速冷却器包含空气入口和径向空气出口以将冷却空气导引向导引燃烧器室的出口,快速冷却由导引燃烧器室排出的燃烧产物。

Description

燃气轮机引擎的稳定燃烧用导引燃烧器室
技术领域
本发明涉及燃气轮机用的燃烧器,尤其涉及适用于稳定引擎燃烧的燃烧器,更涉及利用导引燃烧器室(pilot combustor)提供燃烧产物(如热与自由基)以稳定主要稀薄预混燃烧的燃烧器。
背景技术
燃气轮机的应用有多方面,包括发电、军事与商业飞行、管线传输、及海洋运输等。在燃气轮机引擎中,将燃料与空气供给至燃烧室,并于此予以混合并以火焰点燃,从而开始燃烧。燃气轮机引擎中与燃烧过程有关的主要问题,除燃烧器的热效率与燃料与空气的适当混合外,就是火焰的稳定、脉冲与噪音的排除、及污染排放的控制,尤其是氮氧化物(NOX)。
为使起始反应发生,燃烧过程需将热加至燃料-空气混合物中。一旦反应开始,燃烧释放之热可用来起始反应本身而使燃烧成为自我维持的过程。然而,必须使用有些机构将从燃烧而来之热传送回上游至点火点。另一方式,在反应非自我维持时,则需从不同的来源,如加热触媒金属面、或不同的引火火焰以提供热和/或自由基。亦可使用这些方式的任意组合和其它方式来提供必要之热以起始燃烧。
在燃气轮机引擎中所使用的最普遍的自我维持燃烧过程乃利用旋流气流,该旋流气流再循环燃烧产物,而将通过之前经反应的燃料与空气所产生的热气体与自由基予以传回上游,以起始新的混合燃料与空气的燃烧。图1为现有技术的旋流稳定燃烧器并标示以元件符号100。一般而言,以旋流稳定的燃烧,中心主要再循环区为被传至上游以稳定燃烧的再循环的热气与自由基的首要来源。当燃烧过程变得非常稀薄时,因而,燃烧系释放少许之热,而传回上游的自由基与热量将不足以确保燃烧的起始与维持。稀薄燃烧产物的低温导致自由基的低均衡水准。肇因于稀薄燃烧的燃烧产物的低温亦导致,当被再循环的燃烧产物混以新鲜未反应预混的燃料与空气时,自由基的低产生率。在此情况,将使起始燃烧所需的诱发时间变得过长而火焰会熄灭,或变得不稳定与强度波动不定。
用以产生低NOX排放的稀薄预混燃烧系统的基本问题是,燃料-空气混合物必须足够稀薄以便使火焰温度足够地低以避免NOX产生,使得在许多操作情况下,燃烧可能无法产生足够之热以自我维持。因而必须利用热与自由基的辅助来源以维持燃烧。如使用于高温(接近化学计量燃烧)时的辅助导引器,虽将稳定稀薄主要火焰,但亦将产生可观的NOX排放。
仅由热起始的燃烧乃通过高温热解燃料以产生活跃的自由基以开始燃烧过程。一开始,燃料的消耗非常低且无可量测的温度上升。经由连锁反应机制,初始产生的自由基制造了以指数级数般增加的大量自由基。这些大量自由基最后大到足以消耗可观的燃料,而致快速点火(Wamatz)。自由基增加至足以点火的时间谓之“点火延迟时间”(Ignition-Delay Time)或”诱发时间”(Induction Time)。当初始温度增加时,自由基之生产率系以指数级数之速率增加而燃烧之初始诱发时间则减少。若初始温度低于自动点火温度,则无论经过任何期间点火都不会发生。自由基和热气体包含在为了起始燃烧而混以新鲜预混燃料-空气混合物的燃烧产物。这些先前产生的自由基能大量减少燃烧的诱发时间。若所传送的自由基之量够多,则快速燃烧将起始于低温,否则,没有传送的自由基则需较长的诱发时间。稳定燃烧在需使预混燃料与空气混以之前已燃烧燃料的热产物后,立刻快速起始燃烧。
鉴于以上所述现有技术的缺点,实需一种经改进的燃烧器,此燃烧器减少氮氧化物的排放亦同时维持稳定的燃烧过程。
发明内容
本发明涉及一种燃气轮机引擎用的燃烧器,其利用引火火焰以协助维持并稳定燃烧过程。本文所揭示的燃烧器的具体实施例包括燃烧器壳体、导引燃烧器室、快速冷却器以及其它元件。
燃烧器壳体包含于轴向相对的上游与下游端部。此外,该壳体具有至少一主要燃料入口通道、和至少一主要空气入口通道,这些通道乃建置成分别供应燃料与空气至界定于壳体中的内室。
导引燃烧器室沿燃烧器壳体的轴线而设置,且包含有用于接收高浓度的燃料与空气混合物的入口、在其内高浓度的燃料与空气混合物燃烧成燃烧产物的燃烧室、和用于自燃烧室排出燃烧产物的出口。
本发明的一特定具体实施例中,导引燃烧器室的出口具有环状截面并且环绕着快速冷却器。甚者,导引燃烧器室的出口可包括多个形成于其径向外表面的小孔,而用于导引第二冷却空气源至朝向导引燃烧器室排出的燃烧产物。
快速冷却器沿中心轴线而置于燃烧器壳体的内室内,且位于导引燃烧器室的出口。快速冷却器包含空气入口和多个径向空气出口以导引冷却空气朝向导引燃烧器室之出口及快速冷却由导引燃烧器室排出的燃烧产物。
所揭示的燃烧器的某些具体实施例包含火焰稳定器,其置于燃烧器壳体的内室内。火焰稳定器具有衔接燃烧器壳体的底座部、及沿轴向下游方向从该底座部延伸至内室内的长圆柱状钝体。最好是,火焰稳定器有轴向延伸的中央空气通道形成其中,此通道与快速冷却器入口相通并供其空气。
所揭示的燃烧器之一示范具体实施例可进一步包括毗邻燃烧器壳体下游端部的喷口装置。喷口装置界定内部再循环室与燃烧器出口。内部再循环室乃设成用以接收来自内室的预先燃烧的气体和用以于上游方向再循环部分的燃烧产物气体以辅助燃烧的稳定。
再者,所揭示的燃烧器可包括沿燃烧器壳体中心轴而设置的点火器,用以于燃烧器壳体的内室的主要再循环区前滞点点燃主要稀薄燃烧。
本发明还涉及一种用于燃气轮机燃烧器室的燃烧器,其包括界定主要内燃烧室的燃烧器壳体、在壳体内用以制造热与自由基的装置、和将热与自由基供给至主要内燃烧室前用以快速冷却热与自由基的机构。最好是,已快速冷却之热与自由基沿燃烧器壳体的轴线被供至主要内燃烧室。
燃烧器壳体具有于轴向相对的上游与下游端部、并且具有至少一主要燃料入口通道、和至少一主要空气入口通道,这些通道乃建置成分别供应燃料与空气至界定于壳体中的内部主要燃烧室。
制造热与自由基之装置乃置于燃烧器壳体内并供应热与自由基至壳体的主要内燃烧室。此制造热与自由基的装置可为沿燃烧器壳体之轴线设置的导引燃烧器室。最好是,此导引燃烧器室包括至少有一用以接收高浓度的燃料与空气混合物的入口、在其内高浓度的燃料与空气混合物燃烧成热与自由基的燃烧室、和用以自燃烧室排出热与自由基的出口。
在热与自由基进入主要内燃烧室前立即快速冷却热与自由基的机构亦置于燃烧器壳体内。用于快速冷却所排出之热与自由基的手段包括沿中央轴线设置在燃烧器壳体的内室内的快速冷却器。最好是,快速冷却器位于导引燃烧器室的出口且包含空气入口和用以将冷却空气导引朝向导引燃烧器室的出口的多个径向空气出口而快速冷却从导引燃烧器室排出的燃烧产物。
所揭示的燃烧器的具体实施例更可包括置于燃烧器壳体的内室内的火焰稳定器。该火焰稳定器包含衔接燃烧器壳体的底座部、及沿轴向下游方向从底座部延伸至主要内燃烧室内的长圆柱状钝体。最好是,火焰稳定器具有轴向延伸的中央空气通道形成其中,此通道与快速冷却器入口相通并供应空气至该入口。
所揭示的燃烧器亦可包括毗邻燃烧器壳体下游端部之喷口装置。喷口装置界定内部再循环室与燃烧器出口。内部再循环室乃设成用以接收来自内部主要燃烧室的预燃烧的气体、和用以于上游方向再循环部分的该燃烧产物以辅助燃烧之稳定。
附图说明
为使熟知本申请的本领域技术人员能立即体会如何制造与使用本申请,可参照下列附图:
图1为现有技术的燃烧器的截面图,该燃烧器试图产生自我维持的燃烧过程而再循环燃烧产物;
图2为本发明的旋流稳定燃烧器的截面透视图,该燃烧器包含引火燃烧器以协助维持并稳定燃烧过程;及
图3为图2的燃烧器的截面图,其说明燃烧器内的旋流流动、主要再循环区前滞点的锚定、和在中心钝体火焰稳定器旁的火焰前缘;
由对较佳具体实施例的详细描述,将使具本领域技术人员能更明白应用本发明的燃烧器的所有特点。
【元件符号简单说明】
100    旋流稳定燃烧器
200    燃烧器                    202    导引火焰
204    壳体                      206    快速冷却器
210    导引燃烧器室              212    上游端部,前滞点
214    下游端部,主要再循环区    216    燃料入口通道
218    空气入口通道              219    内室
222    快速冷却通道              240    燃烧室
242    快速冷却段                244    内壁
260    燃料与空气混合物入口      261    火焰稳定器
262    燃烧室
264    燃烧产物出口              266    空气入口
268    空气出口                  281    出口
具体实施方式
以下参照图2及图3说明本发明的燃烧器(标示以元件符号200)的示范具体实施例。燃烧器200利用引火火焰202以协助维持并稳定燃烧过程。燃烧器200包括燃烧器壳体204、导引器(pilot)或导引燃烧器室210、快速冷却器206以及其它元件。燃烧器壳体204具有于轴向相对的上游端部212与下游端部214。此外,壳体204有多个主要燃料入口通道216、和多个空气入口通道218,这些通道乃建置成分别供应燃料与空气至界定于壳体204中的内室219。
导引燃烧器室210沿燃烧器壳体204的轴线X-X而设置,并且具有用以接收高浓度的燃料与空气混合物的入口260、在其内高浓度的燃料与空气混合物燃烧成燃烧产物的燃烧室262、和用以自燃烧室排出燃烧产物的出口264。快速冷却器206沿中心轴线X-X而置于燃烧器壳体的内室219内且位于导引燃烧器室的出口264。快速冷却器206具有空气入口266和多个径向空气出口268以将冷却空气导引朝向导引燃烧器室210的快速冷却段222,而快速冷却由导引燃烧器室排出的燃烧产物。
燃烧器200包括低NOX排放的导引燃烧器室210。此导引燃烧器室210“产生”的自由基与热被导引至前滞点212而进入主要再循环区214的剪力层。燃烧器200利用高浓度燃烧的导引燃烧器室210以便:
提供稳定高温热源而无高NOX的排放,
提供大量的自由基(在高温的高浓度燃烧产生非常多的自由基),及
提供最广可及之稳定极限。
高浓度燃烧的产物必须于混以稀薄预混主要燃料与空气前加以快速冷却以避免高温燃烧而致NOX的排放。由于含氧量低,高浓度燃烧产生夹带高含量一氧化碳(CO)和未燃尽的碳氢化合物的低NOX排放。高浓度导引燃烧器室210产生的未燃尽碳氢化合物及CO会于“主要”预混燃料的稀薄部分预混燃烧中烧尽。
高浓度→快速冷却→稀薄(Rich Quench Lean;RQL)燃烧系统欲通过高浓度燃烧以产生低NOX排放。当燃烧过程中燃料的供应或消耗多于可与之反应的空气时,该燃烧过程被称为高浓度(rich)。高浓度燃烧导致低NOX排放的原因乃因可资利用的氧会倾向与燃料的氢和碳反应,而非氮。高浓度燃烧亦非常令人满意,因其非常稳定且易点燃。一般而言,高浓度燃烧的可燃极限(flammability limits)比稀薄时还广,且与稀薄燃烧更稀薄时比较,当浓度更高时火焰温度不会降那么快。高浓度燃烧亦产生高功率之通量密度(flux density),因与空气的质量流率(mass flow rate)比较,有大量能量被释放出来。高浓度燃烧的主要缺点为:1)并非所有燃料能完全地反应,导致热效率降低,及2)排出高浓度的未燃尽碳氢化合物与一氧化碳。对于未燃烧碳氢化合物与一氧化碳的排放较无关紧要且每单位重量的高功率比率有高度需求的许多应用而言,高浓度燃烧的稳定性和高功率密度使得高浓度燃烧为可接受的。通常,工业发电并无单独使用高浓度燃烧之趋势,因显著较低的排放规模系于稀薄操作时达成。
Rich Quench Lean的概念是,通过燃烧高浓度的燃料-空气混合物以获致高浓度燃烧的稳定性且不致有过量的NOX形成,然后转变成稀薄燃烧以完成燃烧过程之一种方法。因氧的不足,NOX排放并不在高浓度燃烧中产生,且因温度低,NOX排放并不在稀薄燃烧中形成。对稀薄燃烧而言温度是低的,因多余的空气无法反应也不产生热,但必需由会反应之燃料与空气来加热。与成功的Rich-Quench-Lean燃烧有关的主要关键是快速冷却过程。从高浓度至稀薄的转换中,混合物必需历化学计量的理想混合物的阶段,在此阶段,火焰温度达到最大且会产生NOX。因为有高温及先前的高浓度燃烧结果导致大量存在的自由基,这些在化学计量条件下的反应非常地迅速。若快速冷却过程无法非常快地发生,在快速冷却过程中发生的高温燃烧将导致大规模NOX的排放。
再请参考图2和图3,RQL燃烧器室或导引燃烧器室210是利用为引火注射器(pilot injector),其置于经旋流稳定的稀薄部分预混燃烧器室(lean partially premixed combustor)200中心线X-X上之。RQL燃烧器室/导引燃烧器室210是将补充的高浓度自由基与热直接供应至前滞点212和剪力层,此剪力层为稀薄预混流体与主要再循环区214的热气混合处。在本发明中,位于RQL燃烧器室/导引燃烧器室210出口281的中央钝体火焰稳定器261是用以稳定主要再循环区214的前滞点212的位置,其能协助稳定及致能(enable)主要预混燃料和空气的持续燃烧。在本发明中,火焰稳定器261亦用以供应快速冷却空气至RQL导引燃烧器室210的快速冷却段242。从快速冷却段242的对面内壁244,可供以更多快速冷却空气以加强冷却过程。图2对这些特点作以最佳描述。在RQL导引燃烧器室210中心的火焰稳定器261是使RQL导引燃烧器室210的出口281成为环状通道。如此造成快速冷却段242的RQL导引流通道狭小但有大表面积,而使快速冷却更有效率。大表面积使得许多喷出的空气可用于快速冷却过程。RQL快速冷却通道222的狭小间隙局限了快速冷却喷出物必须穿透的距离。快速冷却过程须维持小规模及高流速以限制混合物于化学计量条件时的时间周期。在快速冷却过程的混合必须迅速且彻底;从快速冷却段242排出的一连串高浓度或化学计量混合物会导致火焰的局部高温。
因自高浓度燃烧涌现的高浓度自由基在RQL导引燃烧器室210的出口281的快速冷却过程必须迅速。当在快速冷却过程中与来自空气里额外的氧气混合时,大量的自由基使残余未燃烧的碳氢化合物的反应起始的感应时间非常地快。当以空气为快速冷却的介质时,快速冷却的尺寸规模与紊流规模(dimensional scale and turbulence scale)必须为小。此使得在需高体积流率(volumetric flow rates)的大型燃气轮机中以Rich-Quench-Lean燃烧为主要的燃烧型态有其困难。
从RQL系统涌现,而使大规模快速冷却有困难的非常大量的自由基亦使RQL成为用于稀薄预混燃烧的理想导引燃烧器室。在RQL导引燃烧器室中排出的高浓度自由基将支持非常稀薄的主要旋流稳定燃烧(main swirl stabilized combustion)中的迅速和稳定的燃烧,若非如此,则该主要非常稀薄的主要旋流稳定燃烧将令太稀薄及处于太低的温度以致无法稳定。这种非常稀薄地操作而不致使引擎熄火的能力,对于引擎起动与处理引擎负载快速变化而不致使引擎超速而言,为非常有用的特性。
在旋流稳定燃烧中,燃烧过程乃通过将来自之前已燃烧的燃料与空气的热与自由基朝向火焰前缘传回上游,以起始与稳定。若燃烧过程非常稀薄,如于稀薄的部分预混燃烧系统的情形,燃烧温度系低而导致非常低的自由基的均衡水准。将此问题复杂化的是,在高引擎压力下由燃烧过程产生的自由基系快速地松弛至对应于燃烧产物温度的均衡水准。此乃因自由基松弛至均衡水准的速率随压力的增加而指数般地增加,同时另一方面自由基的均衡水准随温度的下降而指数般地下降。可资用以起始燃烧的自由基的水准愈高,燃烧过程将愈趋迅速与稳定。在现代燃气轮机进行操作的高压力下,若相较于自由基被传送回下游所需的“运输”时间,也就是从主要再循环区剪力层中产生自由基之处,朝向火焰前缘与主要再循环区的前滞点,自由基的松弛时间(relaxation time)可能是短的。结果,在主要再循环区内的再循环流已将自由基朝向火焰前缘予以传回时(于此火焰前缘自由基于前滞点与“新”进来的预混稀薄的燃料和空气混合物混合且起始燃烧),自由基可能已达如此低的均衡水准以致稳定燃烧无法被起始。
在本发明,RQL引火燃烧室乃维持小尺寸且大部分燃料的燃烧发生于稀薄预混的主要燃烧器室240,而非RQL导引燃烧器室210。之所以能维持小的RQL引火燃烧室,是因自由基释放于接近主要再循环区214的前滞点212。此乃大致上供应额外之热与自由基至旋流稳定燃烧的最有效率位置。因由RQL导引燃烧器室210产生的自由基与热可有效率地利用,是故其尺寸可小且快速冷却亦可有效。
燃烧器200利用自由基的高而非均衡的水准以稳定主要稀薄燃烧。因RQL快速冷却的出口位于再循环流的前滞点212,介于快速冷却与自由基的利用间的时间非常短,故无法容许自由基松弛至低均衡水准。火焰稳定器261系维持前滞点212于导引燃烧器室210的快速冷却段242或快速冷却器的出口处以确保从快速冷却至自由基与预混燃料和空气混合时的距离及时间愈短和愈直接愈好。此对于本有严重热声波不稳定性的高压燃气轮机引擎非常有助益。为使功率对重量比能最大化,航空用的燃气轮机引擎乃具高压大比值。本发明对这些航空引擎、亦操作于高压力的航空衍生性工业引擎、及高压工业引擎的助益最大。
本发明亦容许主要燃烧的点火在主要再循环区214的前滞点212发生。大部分燃气轮机引擎必须利用外部再循环区(参见图1)做为以火花或火炬点火器(torch ignitor)来点燃引擎的场所。点火只能在稳定燃烧也发生时才发生,否则火焰将在点火后随即熄灭。一般而言,内部或主要再循环区214在稳定火焰比较成功,因经再循环的气体是被传回至一个点区域而非被传回主要预混流体外的环状区域。来自再循环燃烧产物之热乃聚集于主要再循环区212的前滞点212之一小区域。燃烧亦从此前滞点以圆锥形状往外扩展,如图3所示。此种往下游方向的圆锥状扩展容许于上游产生之热与自由基得以支持于下游的燃烧,该下游的燃烧使火焰前缘随着其往下游移动时变宽。图2所示的中心钝体火焰稳定器261,与图1所示无中心钝体火焰稳定器的旋流稳定燃烧相比较,显示火焰稳定器261如何使火焰本质上较圆锥状而较少半圆球状。较圆锥状的火焰前缘可使一点状热源得以有效地起始整个流场的燃烧。此热与自由基的来源可以是经再循环的热燃烧产物、RQL导引燃烧器室210、或二者的组合。
在点火器置于外部再循环区时,为使火焰温度的热度足以维持此区的稳定燃烧,进入此区的燃料/空气混合物必须常设为高浓度。然后常在主要预混的燃料与气流达足够的浓度、热及自由基足够(此发生于较高燃料流率)之前,火焰不能传播至主要再循环区。当火焰在点火后无法立即从外部再循环区传播至内部再循环区时,它必须在引擎速度开始增加后在较高压力时传播出。此种仅在燃烧器室压力开始上升后才会有从外部再循环区导引器而来的主要火焰起始的移转导致自由基较快速地松弛至低均衡水准,此乃不受欢迎的不利于主要再循环区前滞点的火焰点火的特性。直至导引器足以提升整体温度(bulktemperature)至被传送至主要再循环区的自由基的均衡水准和于预混的主要燃料与气流混合物之额外自由基的产生足以点燃主要再循环区时,主要再循环的点火才可发生。在使火焰从外部传播至主要再循环区的过程中,从未点燃的主要预混燃料与空气混合物里会有可观数量的燃料离开引擎而没有燃烧。假如于同引擎中的某一燃烧器的火焰移转至主要再循环区比其它燃烧器还早,将会产生问题,因为燃烧所有燃料,故有稳定的火焰在其内的燃烧器燃烧得比较热。此燃烧器对燃烧器温度的差异会毁损引擎设备。本发明以RQL导引燃烧器室210直接点燃主要再循环区,而避免这些问题。RQL导引燃烧器室210的容易点燃乃因一旦点燃,在RQL导引燃烧器室210内的混合物可为高浓度而非使整个引擎均为高浓度。
本领域技术人员将能立即领会本发明可应用于任何形式的燃烧器室或燃烧器,例如固态燃料燃烧器或火炉。

Claims (7)

1.一种燃气轮机燃烧器室用的燃烧器,包括:
a)燃烧器壳体,具有轴向相对的上游与下游端部,该壳体具有至少一个主要燃料入口信道和至少一个主要空气入口信道,这些信道适用于分别供应燃料与空气至界定在该壳体中的内室;
b)导引燃烧器室,其沿该燃烧器壳体的轴线而设置,并且具有用以接收高浓度燃料与空气混合物的入口、在其内该高浓度燃料与空气混合物燃烧成燃烧产物的燃烧室、和用以从该燃烧室排出该燃烧产物的出口;以及
c)快速冷却器,沿中心轴线设置在该燃烧器壳体的内室内且位于该导引燃烧器室的出口,该快速冷却器具有空气入口和多个径向空气出口,所述径向空气出口将冷却空气朝向该导引燃烧器室的出口导引并快速冷却从该导引燃烧器室排出的该燃烧产物。
2.如权利要求1所述的燃烧器,还包括火焰稳定器,其置于该燃烧器壳体的内室内,该火焰稳定器包含与该燃烧器壳体接合的底座部及沿轴向下游方向从该底座部延伸至该内室内的长圆柱状钝体。
3.如权利要求2所述的燃烧器,其中,该火焰稳定器具有形成在其中且轴向延伸的中央空气信道,该中央空气信道与该快速冷却器入口相通并供应空气至该快速冷却器入口。
4.如权利要求1所述的燃烧器,还包括喷口装置,毗邻于该燃烧器壳体的下游端部设置,该喷口装置界定出内部再循环室与燃烧器出口,该内部再循环室适于接收来自该内室燃烧的预燃气体并用于沿上游方向再循环部分的该燃烧产物,以辅助稳定燃烧。
5.如权利要求1所述的燃烧器,还包括点火器,其沿该燃烧器壳体中心轴设置,并适于在该燃烧器壳体的内室内在主要再循环区的前滞点点燃以稀薄燃烧为主的燃烧。
6.如权利要求1所述的燃烧器,其中,该导引燃烧器室的出口具有环状截面且环绕着该快速冷却器。
7.如权利要求1所述的燃烧器,其中,该导引燃烧器室的出口具有多个形成于其径向外表面的开口,用以引导来自第二冷却空气源所提供的额外冷却空气朝向从该导引燃烧器室排出的燃烧产物。
CNB2004800323040A 2003-09-05 2004-09-03 燃气轮机引擎的稳定燃烧用导引燃烧器室 Expired - Fee Related CN100552301C (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US50051803P 2003-09-05 2003-09-05
US60/500,518 2003-09-05

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2009100055130A Division CN101539305B (zh) 2003-09-05 2004-09-03 燃气轮机引擎的稳定燃烧用导引燃烧器室

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1875223A CN1875223A (zh) 2006-12-06
CN100552301C true CN100552301C (zh) 2009-10-21

Family

ID=34375244

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2004800323040A Expired - Fee Related CN100552301C (zh) 2003-09-05 2004-09-03 燃气轮机引擎的稳定燃烧用导引燃烧器室
CN2009100055130A Expired - Fee Related CN101539305B (zh) 2003-09-05 2004-09-03 燃气轮机引擎的稳定燃烧用导引燃烧器室

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2009100055130A Expired - Fee Related CN101539305B (zh) 2003-09-05 2004-09-03 燃气轮机引擎的稳定燃烧用导引燃烧器室

Country Status (9)

Country Link
US (1) US7621132B2 (zh)
EP (1) EP1660818A2 (zh)
JP (1) JP4916311B2 (zh)
KR (1) KR20070003756A (zh)
CN (2) CN100552301C (zh)
BR (1) BRPI0413784A (zh)
CA (1) CA2537926C (zh)
RU (1) RU2406936C2 (zh)
WO (1) WO2005028960A2 (zh)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101178195B1 (ko) * 2003-09-05 2012-08-30 지멘스 악티엔게젤샤프트 가스 터빈 엔진에서의 연소 안정화 장치
EP1950494A1 (de) * 2007-01-29 2008-07-30 Siemens Aktiengesellschaft Brennkammer für eine Gasturbine
EP2107310A1 (en) * 2008-04-01 2009-10-07 Siemens Aktiengesellschaft Burner
EP2107312A1 (en) * 2008-04-01 2009-10-07 Siemens Aktiengesellschaft Pilot combustor in a burner
AT10353U3 (de) * 2008-07-24 2009-08-15 Avl List Gmbh Prüfanordnung und prüfsystem für turbolader
US20100192582A1 (en) * 2009-02-04 2010-08-05 Robert Bland Combustor nozzle
EP2434222B1 (en) * 2010-09-24 2019-02-27 Ansaldo Energia IP UK Limited Method for operating a combustion chamber
US8950189B2 (en) 2011-06-28 2015-02-10 United Technologies Corporation Gas turbine engine staged fuel injection using adjacent bluff body and swirler fuel injectors
FR2982010B1 (fr) * 2011-10-26 2013-11-08 Snecma Chambre de combustion annulaire dans une turbomachine
JP6012407B2 (ja) 2012-10-31 2016-10-25 三菱日立パワーシステムズ株式会社 ガスタービン燃焼器及びガスタービン
FR3039254B1 (fr) * 2015-07-24 2021-10-08 Snecma Chambre de combustion comportant des dispositifs d'injection additionnels debouchant directement dans les zones de recirculation de coin, turbomachine la comprenant, et procede d'alimentation en carburant de celle-ci
EP3367001B1 (en) * 2017-02-28 2020-12-23 Ansaldo Energia Switzerland AG Second-stage combustor for a sequential combustor of a gas turbine
US11175045B2 (en) * 2018-01-04 2021-11-16 General Electric Company Fuel nozzle for gas turbine engine combustor
US10815893B2 (en) * 2018-01-04 2020-10-27 Woodward, Inc. Combustor assembly with primary and auxiliary injector fuel control
CN108800205B (zh) * 2018-04-24 2020-04-24 南京航空航天大学 一种旋流加力/冲压燃烧室

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3792581A (en) * 1970-12-22 1974-02-19 Nissan Motor System and method used in a gas turbine engine for minimizing nitrogen oxide emission
US3872664A (en) * 1973-10-15 1975-03-25 United Aircraft Corp Swirl combustor with vortex burning and mixing

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4205524A (en) * 1974-03-29 1980-06-03 Phillips Petroleum Company Methods of operating combustors
US3937008A (en) * 1974-12-18 1976-02-10 United Technologies Corporation Low emission combustion chamber
JPS57124621A (en) * 1981-01-26 1982-08-03 Agency Of Ind Science & Technol Combustion method for gas turbine and apparatus therefor
US4698963A (en) * 1981-04-22 1987-10-13 The United States Of America As Represented By The Department Of Energy Low NOx combustor
JP2783638B2 (ja) * 1990-03-19 1998-08-06 財団法人電力中央研究所 ガスタービン燃焼装置
JP2965639B2 (ja) * 1990-08-14 1999-10-18 株式会社東芝 ガスタービン燃焼器
US5220795A (en) * 1991-04-16 1993-06-22 General Electric Company Method and apparatus for injecting dilution air
US5131334A (en) * 1991-10-31 1992-07-21 Monro Richard J Flame stabilizer for solid fuel burner
US5365865A (en) * 1991-10-31 1994-11-22 Monro Richard J Flame stabilizer for solid fuel burner
JP3342920B2 (ja) * 1993-06-25 2002-11-11 財団法人電力中央研究所 ガスタービン燃焼器
US5415114A (en) * 1993-10-27 1995-05-16 Rjc Corporation Internal air and/or fuel staged controller
US5477685A (en) * 1993-11-12 1995-12-26 The Regents Of The University Of California Lean burn injector for gas turbine combustor
JP2904701B2 (ja) * 1993-12-15 1999-06-14 株式会社日立製作所 ガスタービン及びガスタービンの燃焼装置
US5452574A (en) * 1994-01-14 1995-09-26 Solar Turbines Incorporated Gas turbine engine catalytic and primary combustor arrangement having selective air flow control
CZ217496A3 (en) * 1994-01-24 1997-02-12 Siemens Ag Process of combustion fuel in compressed air
AU5662296A (en) * 1995-03-24 1996-10-16 Ultimate Power Engineering Group, Inc. High vanadium content fuel combustor and system
US5622489A (en) * 1995-04-13 1997-04-22 Monro; Richard J. Fuel atomizer and apparatus and method for reducing NOx
JP3619626B2 (ja) * 1996-11-29 2005-02-09 株式会社東芝 ガスタービン燃焼器の運転方法
DE19728375A1 (de) * 1997-07-03 1999-01-07 Bmw Rolls Royce Gmbh Betriebsverfahren für eine axial gestufte Brennkammer einer Fluggasturbine
US5996351A (en) * 1997-07-07 1999-12-07 General Electric Company Rapid-quench axially staged combustor
US6007326A (en) * 1997-08-04 1999-12-28 Praxair Technology, Inc. Low NOx combustion process
US6098407A (en) * 1998-06-08 2000-08-08 United Technologies Corporation Premixing fuel injector with improved secondary fuel-air injection
JP2001254946A (ja) * 2000-03-14 2001-09-21 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ガスタービン燃焼器
DE10051221A1 (de) * 2000-10-16 2002-07-11 Alstom Switzerland Ltd Brenner mit gestufter Brennstoff-Eindüsung
US6688534B2 (en) 2001-03-07 2004-02-10 Delavan Inc Air assist fuel nozzle
DE10112864A1 (de) * 2001-03-16 2002-09-19 Alstom Switzerland Ltd Verfahren zum Zünden einer thermischen Turbomaschine
US6539724B2 (en) 2001-03-30 2003-04-01 Delavan Inc Airblast fuel atomization system
US6539721B2 (en) * 2001-07-10 2003-04-01 Pratt & Whitney Canada Corp. Gas-liquid premixer

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3792581A (en) * 1970-12-22 1974-02-19 Nissan Motor System and method used in a gas turbine engine for minimizing nitrogen oxide emission
US3872664A (en) * 1973-10-15 1975-03-25 United Aircraft Corp Swirl combustor with vortex burning and mixing

Also Published As

Publication number Publication date
CA2537926C (en) 2011-01-11
US7621132B2 (en) 2009-11-24
EP1660818A2 (en) 2006-05-31
JP2007504430A (ja) 2007-03-01
US20070175219A1 (en) 2007-08-02
CA2537926A1 (en) 2005-03-31
CN101539305B (zh) 2011-07-06
RU2006110988A (ru) 2007-10-10
CN101539305A (zh) 2009-09-23
KR20070003756A (ko) 2007-01-05
RU2406936C2 (ru) 2010-12-20
WO2005028960A3 (en) 2005-06-16
WO2005028960A2 (en) 2005-03-31
BRPI0413784A (pt) 2006-11-07
JP4916311B2 (ja) 2012-04-11
CN1875223A (zh) 2006-12-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4928481A (en) Staged low NOx premix gas turbine combustor
US5127221A (en) Transpiration cooled throat section for low nox combustor and related process
US8863524B2 (en) Burner
CN100552301C (zh) 燃气轮机引擎的稳定燃烧用导引燃烧器室
US8033112B2 (en) Swirler with gas injectors
US6826913B2 (en) Airflow modulation technique for low emissions combustors
US8850820B2 (en) Burner
US20110113787A1 (en) Pilot combustor in a burner
US8561409B2 (en) Quarls in a burner
EP1620679B1 (en) Non-catalytic combustor for reducing nox emissions
CN101629719A (zh) 用于轴向分级的低排放燃烧器的附壁型喷射系统
US20110033806A1 (en) Fuel Staging in a Burner
RU2455570C1 (ru) Способ увеличения размера горелки и изменяемая по размеру огнеупорная амбразура в горелке
GB2098720A (en) Stationary gas turbine combustor arrangements

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT

Free format text: FORMER OWNER: DELAVAN INC.

Effective date: 20140801

Free format text: FORMER OWNER: SIEMENS INDUSTRIAL TURBINE MACHINERY COMPANY

Effective date: 20140801

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
C56 Change in the name or address of the patentee
CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: Iowa

Patentee after: Delavan Inc.

Patentee after: SIEMENS industrial Turbomachinery

Address before: Iowa

Patentee before: Delavan Inc.

Patentee before: Demag Delaval Ind Turbomachine

TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20140801

Address after: Munich, Germany

Patentee after: SIEMENS AG

Address before: Iowa

Patentee before: Delavan Inc.

Patentee before: SIEMENS industrial Turbomachinery

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20091021

Termination date: 20150903

EXPY Termination of patent right or utility model