CN101802365A - 驻涡燃烧腔 - Google Patents

Abstract

一种燃烧室，呈筒式构造，其燃烧与空气预混的燃料并传送热气体至涡轮。燃料与空气预混并以漩流运动传送至涡轮。该漩流式反应物混合物通过扩张的流道传送，混合物发生反应并形成中间回流区。无穿孔的驻涡腔靠近漩流式喷嘴设备设置，该驻涡腔提供第二反应区。新燃料/空气反应物与驻涡中的未燃烧产物进行交换，且驻涡腔里形成引燃火焰。既不向无穿孔的驻涡腔提供燃料，也不向其提供空气，但利用散热空气流对驻涡腔背面进行散热。散热空气然后被传送至燃烧腔，以便不会干涉燃烧室的重要火焰稳定特征。

Description

驻涡燃烧腔

技术领域

本发明涉及燃烧燃料的燃烧系统及燃烧方法。

背景技术

空气污染是利用空气来燃烧碳氢燃料的设备的一个关注点。在热电联产应用中用于发电和产生热废气的燃气涡轮，特别是微型涡轮，越来越受制于废气排放限制。这些涡轮有时候被称为工业燃气涡轮发电机(ITG)。这些废气排放限制是由例如加里福利亚空气资源委员会、得克萨斯州以及新泽西州等这样的政府规制机构以及其他政体强制规定的。这些限制可以管控氮氧化合物(NOx)、一氧化碳(CO)以及挥发性有机化合物(VOCs)的排放。燃气涡轮引擎制造商有义务开发出改进的燃烧方法以及设备构造以满足这些限制，而同时也要满足涡轮发动机在全功率和低功率情况下的涡轮运行性能要求。

用于ITG引擎的低排放燃烧室燃烧燃料和空气的预混混合物。在燃料和空气的混合物中，燃料和空气的化学计量配比通常是贫油配比以限制火焰温度和降低废气排放。“贫油”是指过量的空气与燃料进行预混，空气中的氧气只有部分在反应中被消耗。当燃料是由气态燃料组成时，例如天然气、沼气、通过气化或热解工艺得到的合成气或者其它碳氢气体混合物，气体燃料在燃烧之前与空气预混。这通常被称为“贫油预混”(lean premixed，LP)燃烧。当燃料是液态时，例如喷气燃料、柴油、煤油或其他液态燃料，燃料必须在燃烧之前被蒸发并混合。这种方法被称为贫油预混预蒸发(Lean，premixed，prevaporized，LPP)燃烧。

LP和LPP燃烧方法都能够进行低NOx、CO、VOCs排放的燃料燃烧。贫油燃料/空气混合物是在低气体温度下进行燃烧，从而避免了产生NOx的高温区。LP或LPP也通常设计成燃烧足够热并有足够的停留时间以将一氧化碳充分氧化成二氧化碳以及将未燃烧的碳氢物质和其他VOC充分氧化成水和二氧化碳。

典型的LP和LPP燃烧室只能对有限范围内的燃料/空气混合物进行低废气排放的燃烧燃料。混合物必须保持足够贫油特性以避免产生NOx。这种贫油混合物通常接近于贫油火焰熄灭极限，也称为贫油熄火(Lean blowout，LBO)极限。当燃气涡轮需要产生少于全功率的功率时(部分功率)，燃烧室通常接收较少的燃料，其降低燃料/空气比，从而引发LBO。燃气涡轮燃烧室有时包括第二燃料源(引燃燃料)，其注入燃烧室而不需要与空气预混。引燃燃料以“扩散”(“diffusion”)模式进行燃烧，其中火焰峰由燃油的扩散和空气(氧气)共同局部控制。扩散火焰是在更高的温度下燃烧，产生更多的NOx，但是其允许燃气涡轮在部分功率下运行。

发明内容

在一个实施例中，本发明提供了一种用于燃烧燃料和空气混合物的燃烧室。所述燃烧室包括漩流式喷嘴，用于接收空气流和燃料流。所述燃料和空气在所述漩流式喷嘴的影响下混合在一起。所述漩流式喷嘴使所述燃料/空气的混合物产生漩流。预燃烧腔与所述漩流式喷嘴流体相通，用于接收所述漩流式的燃料/空气混合物。所述预燃烧腔为朝向一条中轴线方向的圆柱形元件。所述预燃烧腔使所述漩流式的燃料/空气混合物产生沿所述中轴线向下游方向的轴向流，从而使燃料/空气混合物形成涡流。所述涡流具有沿所述中轴线的低压区。燃烧腔与所述预燃烧腔流体相通并位于所述预燃烧腔下游。所述燃烧腔的流道面积大于所述预燃烧腔的流道面积，从而允许所述涡流沿径向扩张并形成回流区，其中在此回流区，所述燃烧腔内的燃料/空气的燃烧产物沿所述中轴线被向上游拉回至所述预燃烧腔。驻涡腔从所述预燃烧腔径向向外设置。所述驻涡腔具有无穿孔的壁以形成一个腔体。所述驻涡腔将所述涡流外周界的燃料/空气接收于所述腔体内并将燃烧产物排放至所述涡流中。

在另一个实施例中，本发明提供了一种在燃气涡轮引擎中燃烧燃料和空气的方法。燃料和空气预混以形成相对均匀的混合物。将所述燃料/空气混合物以绕预燃烧腔的中轴线的旋流运动的方式注入所述预燃烧腔缸体，从而产生一个涡流，所述涡流具有位于所述中轴线上的低压区。将所述涡流沿轴向向下游的方向传送至燃烧腔缸体，所述燃烧腔缸体的流道面积大于所述预燃烧腔的流道面积。扩张所述涡流使之进入所述燃烧腔，其中所述燃料和空气发生化学反应以形成热的燃烧产物。所述扩张的结果是在所述中轴线上形成回流区，其中在这个回流区所述热的产物被向上游拉回至所述预燃烧腔。将所述涡流外周界的燃料/空气捕获于驻涡腔内，所述驻涡腔从所述燃烧腔上游的预燃烧腔径向向外设置，所述驻涡腔内的燃料/空气比值与所述燃烧腔内的燃料/空气比值大致相同。在所述驻涡腔内形成漩流，所述漩流式驻涡流绕所述预燃烧腔的中轴线旋转，其中所述驻涡腔内的燃料和空气发生化学反应以形成热的燃烧产物。沿所述回流区中的涡流的内周界和沿所述驻涡流中的涡流的外周界形成热燃烧产物的剪切流。

通过阅读以下的详细说明以及附图，本发明的其它方面将会变得更加明显。

附图简要说明

图1是一个回热双轴燃气涡轮引擎的示意图，其包括根据本发明实施例的燃烧室。

图2是一个回热单轴燃气涡轮引擎的示意图，其包括根据本发明实施例的燃烧室。

图3是一个简单循环单轴燃气涡轮引擎示意图，其包括根据本发明实施例的燃烧室。

图4是根据本发明实施例的回热器内的筒式或筒仓式燃烧室的示意图。

图5是根据本发明实施例的漩流式喷嘴、预燃烧腔和燃烧腔的示意图。

图6是根据本发明实施例的径向漩流式喷嘴的端视图。

图7是火焰速度与g-load关系的曲线图。

图8是根据本发明另一个实施例的驻涡腔的示意图。

图9是根据本发明实施例的驻涡腔的分解图。

图10是根据本发明另一个实施例的驻涡腔的截面视图。

具体实施方式

在详细描述本发明的实施例之前，应该理解的是，本发明不仅限于本申请中下文或附图中所描述的详细结构或元件排布。本发明可为其它方式实现的实施例。应当理解，下文中所使用的措辞及术语仅仅用作描述用途，不应作限定性解释。下文中所使用的“包括”、“包含”、“具有”等类似措辞意为包含其后所列出之事项、等同物及其它附加事项。除特别声明外，“安装”、“连接”、“支撑”、“耦合”等类似措辞应作广义解释，包含直接及间接的安装、连接、支撑、耦合。此外，“连接”及“配合”不限于物理的或机械的连接或耦合。

在此描述的本发明可用于在燃气涡轮中燃烧各种碳氢化合物燃料。燃烧过程包括一种燃烧LP和LPP燃料/空气(F/A)混合物的方法，使得更贫油的F/A混合物才导致LBO。这种方式能够在更广范围的引擎工作条件下，降低燃气涡轮的废气排放(NOx、CO、VOC)。

现在请参考附图，对于气体涡轮和燃烧室内的元件，全文中相同的标号表示相同的元件。

图1示意性地描绘一个用于发电的回热燃气涡轮引擎10，其为双轴构造。引擎10包括压缩机12、回热器13、燃烧腔15、燃气发生器式燃气涡轮16、动力涡轮17、齿轮箱18和发电机19。引擎10与位于压缩机12上游的空气源20连通。空气被压缩并被引入回热器13。在回热器13内，被压缩的空气利用来自动力涡轮17的废气预热并被引入燃烧腔15。燃料22然后被加入燃烧腔15形成混合物以被燃烧(将详述如下)。

燃烧腔15内的燃烧产物被引入燃气发生器式燃气涡轮16。F/A比值被调整(即，调整燃料的流量)以使涡轮入口达到预设的温度或使发动机19产生预设的电力输出。燃气发生器式燃气涡轮16的涡轮入口温度可在1500华氏度(F)至2000F的实际范围内变化。热气体依序首先通过燃气发生器式燃气涡轮16，然后通过动力涡轮17。每个涡轮做工以分别将动力传递至压缩器12和发电机19，轴动力通过齿轮箱18被传递。动力涡轮17的热废气然后流过回热器13，在回热器13内，热量通过热对流和热传导的方式传递至进入燃烧腔15的空气。可选的热量收集装置24可被用于进一步收集废热以进行生产性商业用途。热量收集装置24可被用于供应热水、蒸汽或其它的加热流体至装置26，装置26可将这些热量用于广泛用途。

图2示意性地描绘了用于发电的回热燃气涡轮引擎10a。燃气涡轮引擎10a类似于图1，差别在于引擎10a仅使用单个涡轮。引擎10a包括压缩器12、回热器13、燃烧腔15、涡轮16、齿轮箱18和发电机19。引擎10a与位于压缩机12上游的空气源20连通。空气被压缩并被引入回热器13。在回热器13内，被压缩的空气被涡轮16的废气预热并被引入燃烧腔15。燃料22然后被加入燃烧腔15，形成混合物以被燃烧(将详述如下)。

燃烧腔15内的燃烧产物被引入燃气发生器式燃气涡轮16。F/A比值被调整(即，调整燃料的流量)以使涡轮16的涡轮入口达到预设的温度或使发动机19产生预设的电力输出。涡轮入口温度可在1500华氏度(F)至2000F的实际范围内变化。涡轮做工以将动力同时传递至压缩器12和发电机19，轴动力通过齿轮箱18被传递。涡轮16的热废气然后流过回热器13，其中在回热器13内，热量通过热对流和热传导的方式传递至进入燃烧腔15的空气。可选的热量收集装置24可被用于进一步收集废热以进行生产性商业用途。热量收集装置24可被用于供应热水、蒸汽或其它的加热流体至装置26，装置26可将这些热量用于广泛用途。

图3示意性地描绘了用于发电的简单循环燃气涡轮引擎10b。燃气涡轮引擎10b类似于图2，差别在于没有设置回热器。引擎10b包括压缩器12、燃烧腔15、涡轮16、齿轮箱18和发电机19。引擎10b与位于压缩机12上游的空气源20连通。空气被压缩并被引入燃烧腔15。燃料22然后被加入燃烧腔15，形成混合物以被燃烧(将详述如下)。

燃烧腔15内的燃烧产物被引入涡轮16。F/A比值被调整(即，调整燃料的流量)以使涡轮16的涡轮入口达到预设的温度或使发动机19产生预设的电力输出。涡轮入口温度可在1500华氏度(F)至2000F的实际范围内变化。涡轮16做工以将动力同时传递至压缩器12和发电机19，轴动力通过齿轮箱18被传递。涡轮16的热废气然后通往排气口，或者可以设置可选的热量收集装置24以进一步收集废热用于生产性商业用途。热量收集装置24可用于供应热水、蒸汽或其它的加热流体至装置26，装置26可将这些热量用于广泛用途。

图1-3描绘了可用于本发明各实施例的燃气涡轮元件构造。大量其它的引擎构造(多轴、多段压缩器和涡轮)也可以与本发明结合使用。例如，除了使用齿轮箱18和发电机19，也可以使用高速发电机来产生高频交流电信号，然后使用频率转换器将其转换为直流电信号。此直流电然后也可被转换回多种典型频率(例如，60赫兹或50赫兹)的交流电。本发明并不限于图1-3所示的燃气涡轮配置，其还包括其他依赖布雷顿循环(Brayton cycle)来产生电能和热废气的元件组合，其中这些热废气可用于热水产生装置、蒸汽产生装置、吸收式冷却器(absorption chiller)或其它热驱动装置。

图4描绘回热器50。回热器50可与1999年11月16日公告的美国专利第5,983,992号揭示的回热器类似。这件专利的全文以引用的方式结合在本专利中。回热器50包括多个堆叠的单元54，单元54的一端对进气歧管56开放，另一端对出气歧管58开放，并将压缩气体流从进气歧管56导引至出气歧管58。在单元54之间设有多条废气流路径，以在各单元54之间导引热废气流。单元54和废气流路径内设有鳍状物，以利于热量从热的废气传递至温度较低的压缩空气混合物。

继续参考图4，出气歧管58包括筒仓(silo)式或管状燃烧室52和漩流式喷嘴60。进入出气歧管58的空气流到燃烧室52外侧周围。然后，空气流过燃烧室52和漩流式喷嘴60的大量孔隙和槽而流入燃烧室52内，然后以箭头62表示的气流流出燃烧室52。燃烧室52内的整体空气流62可被视为界定了燃烧室52的朝向，其中气流62朝向下游方向，即，从左至右，这样漩流式喷嘴60位于燃烧室52的上游。

图5描绘了漩流式喷嘴60和一部分燃烧室52的横截面示意图。燃烧室52包括预燃烧腔64和位于预燃烧腔64下游的燃烧腔66。如图所示，预燃烧腔64的直径小于燃烧腔66的直径。出气歧管58的被压缩的空气向下游传送，依序通过漩流式喷嘴60进入燃烧室52的预燃烧腔64，然后进入燃烧腔66。空气通过漩流式喷嘴60的多个槽67进入预燃烧腔64。出气歧管58内的气压高于燃烧腔66内的气压，此压差提供了传送空气让其流过槽67的潜能。

图6描绘了本发明实施例的漩流式喷嘴60的端视图。空气被从漩流式喷嘴60的外侧驱动流过漩流槽67而进入预燃烧腔64，如箭头72(见图5)所示。漩流槽67的朝向设计成使得空气可以绕圆柱形预燃烧腔64的中线或中轴A以强旋流方式注入预燃烧腔64内。在所示的实施例中，预燃烧腔64和燃烧腔66是同轴的。漩流槽67的末端至少有一个槽壁与预燃烧腔壁70相切。气态或液态燃料可从该壁或从内设有孔的燃料注入筒或管73(见图5)在具有一个或多个孔隙的位置72被注入。通过从漩流槽67的入口注入燃料，在离开槽67之前，燃料和空气有足够的时间进行充分混合。这种F/A的均匀混合物降低了可能导致产生大量NOx的在燃烧腔66内的富油(fuel-rich)燃烧的可能性。在其他实施例中，燃料也可以在多个其他位置注入，以确保离开漩流槽67的F/A混合物均匀混合。

继续参考图6，电子点火器、火炬或其他点火装置74位于预燃烧腔64的中线A与槽67的出口定义的内径之间。点火装置74点燃离开槽67的预混F/A，但其不受到内回流区86的高温的影响(图5)。

如图5所示，预混F/A在漩流式喷嘴60的作用的影响下沿漩流式流体路径或方向被注入预燃烧腔64，如箭头80所示。可以提供其他的结构使F/A混合形成漩流并将此F/A混合物引入预燃烧腔64。例如，轴向漩流装置也可以使F/A混合物形成强漩流。同时具有径向和轴向速度分量的漩流装置也可以被使用。

继续参考图5，旋流式F/A混合物80被向下游传送、流经预燃烧腔64、离开预燃烧腔64并进入燃烧腔66。这种轴向运动与绕燃烧腔66的中轴线A的旋流运动结合，从而产生涡流，如箭头82所示。涡流82使位于中线A的涡流中心与预燃烧腔64的内周界之间产生压力差。涡流82的中线的压力低于涡流82的外缘的压力，这与飓风中心的压力较小的情形类似。

燃烧腔66的流道横截面积大于预燃烧腔64的流道面积(即，燃烧腔66的内径大于预燃烧腔64的内径)。当轴向前进的涡流82进入燃烧腔66，流道面积的增加造成涡流82的径向向外扩张并使其轴向和旋转或漩流运动减速，如箭头84所示。涡流84的扩张降低了在涡流84的外缘与其中心之间的压力差。因此，预燃烧腔64的中心线上的压力小于燃烧腔66的中心线上的压力。这样就形成了一个内回流区，如箭头86所示。该内回流区86将一部分燃气从燃烧腔66向上游方向拉回至预燃烧腔64，即，从右向左。这个过程在此被称为“涡流破裂”结构，其稳定了燃烧腔66内的火焰。

从预燃烧腔64向燃烧腔66传送的F/A混合物进行化学反应形成燃烧火焰。燃烧产物比注入预燃烧腔64内的反应物(即，流体80的预混F/A)温度要高。内回流区86因此由热的燃烧产物构成。内回流区86的流体在方向上与未燃烧F/A混合物涡流82相对，这样在两者之间形成内剪切层(inner shearlayer)。热的气体产物和燃烧基团(radical)，如OH-、O-和CH+等不稳定带电微粒，与未燃烧F/A涡流82进行交换。回流流体86的作用是作为涡流82的连续点火源。化学基团也增强了未燃烧混合物涡流82的活性。相比涡流82中没有来自回流流体86中的基团而言，这种活性使涡流82中的F/A混合物的燃烧能够在更低的F/A比值情况下才熄灭。

继续参考图5，燃烧室52还包括设置在预燃烧腔64内的驻涡腔90。驻涡腔90是一个位于预燃烧腔64径向外围的环形槽或腔。驻涡90的内半径对预燃烧腔64是敞开的。驻涡腔90的外周边和外侧边是由无穿孔的内衬或壁94界定的。

由于涡流82中的F/A混合物从漩流式喷嘴60向下游以漩流运动方式通过预燃烧腔64，位于预燃烧腔64外周边的F/A混合物会被捕获(trapped)在驻涡腔90内。涡流82的轴向速度分量促使在驻涡腔90内形成单独的、环向运动的涡流92。驻涡腔90内的F/A流92同时进行如图5所示的旋转运动以及绕预燃烧腔64中线A的漩流运动。

燃烧化学反应在驻涡腔90内是由于F/A混合物92的自动点火而发生。自动点火是F/A混合物在高于其自动引燃温度下的点火。自动点火的条件包括保持F/A混合物于规定温度以上且持续一段规定的时间(点火延迟时间)。一旦点火，由于驻涡流92绕预燃烧腔64的中线A持续旋转，燃烧将在驻涡腔90内持续进行。燃气92在驻涡腔90内的驻留时间相信会长于完全燃烧所需要的时间。被点燃的驻涡流92作为用于给涡流82点火的引燃火焰。作为另一种选择，或者与之前介绍的方式结合，燃烧化学反应在驻涡腔90内是由于点火器64的火焰通过涡流82进入驻涡腔90的这种火焰传递而发生。

就驻涡腔90内的燃烧而言，驻涡腔90内的化学反应可因高g加载(g-loading)而具有更高的反应速率。观察到的F/A混合物的火焰速度随着F/A混合物的离心力或“g加载”的增加而增加。增加峰值出现在大约3500g加载的情况下，高于此值火焰速度就开始降低。图7显示了g加载与火焰速度之间的关系。驻涡腔90利用涡流82造成的强漩流来增加驻涡腔90内的火焰速度。g加载是从下列方程式计算得到的：

$g=\frac{{V_{\tan }}^2}{g_c{r}_{\mathrm{trap}}}$

其中V_tan表示气体绕预燃烧腔中线A旋转的速度，r_trap表示驻涡腔90的内缘的半径，g_c表示重力加速度。

火焰速度是化学反应释放热量的稳定性的内在衡量标准。由高g加载造成的驻涡腔90内更高的火焰速度让燃烧反应更快地完成，而且也使得F/A混合物驻涡流92得以在更贫油(更低的F/A比值)的条件下保持点燃状态。

离开漩流槽67的未燃烧的F/A流80汹涌地扩散到形成于驻涡流92与预燃烧腔涡流82之间的剪切层。空气和空气中的新燃料反应物透过驻涡流92与预燃烧腔涡流82之间的剪切层进行交换。燃烧产物和化学基团也离开驻涡腔90并与涡流82混合。

需要注意的是，涡流82与驻涡流92之间的密度梯度也引起从涡流82到驻涡流92的新F/A的交换。涡流82中的未燃烧的、温度较低的F/A混合物的密度大于驻涡流92中温度较高的F/A混合物的密度。预燃烧腔64内的漩流运动形成一个不稳定的流体流型，其中较高密度的气体在驻涡腔90内的较低密度流体的内部作漩流运动。这种密度差促进了涡流82与驻涡流92之间的气体交换。

如图5所示，未燃烧的F/A流82在其内半径与高温内回流流体或区86交界，并在其外半径与第二高温驻涡流或区92交界。这两个边界或区同时用于点燃未燃烧的F/A流82，使得未燃烧的F/A被两个点火源点燃，并从两个剪切层注入化学基团以进一步增加F/A流82的活性。因此，与传统的仅使用涡流破坏结构来建立内回流区的预混燃烧室相比，这种燃烧方法可以延迟火焰熄灭。

继续参考图5和图8，驻涡腔90由无穿孔的壁94形成。燃料和空气都不注入到驻涡腔90。而进入驻涡腔90的燃料和空气流是由燃烧室52中预混F/A提供的，即由来自预燃烧腔64的涡流82提供的。注入燃料、空气或F/A混合物至驻涡腔90将与驻涡腔90内形成的漩流式、旋转流型相干涉，因而降低g加载以及驻涡腔90内的停留时间。注入燃料、空气或F/A混合物至驻涡腔90将根据引擎是否正运行于全功率或低功率而使驻涡腔90内的F/A组成发生变化。驻涡腔90内可能会因注入到驻涡腔90的空气的净化效应(Purging Effect)而造成火焰熄灭，因而减少化学基团与涡流82的交换以及预燃烧腔涡流82的点火。

向驻涡腔90仅注入空气将会降低驻涡腔90内的F/A比并导致贫油熄火。向驻涡腔90仅注入燃料会提高驻涡腔90内的F/A比，造成驻涡腔90的过热并产生大量NOx。在驻涡腔90内产生更多的热量将必须使用额外的高成本燃料注入管道以及散热措施。直接向驻涡腔90同时注入燃料和空气会形成扩散火焰，这可能造成会产生大量NOx的局部富油燃烧区。因为驻涡腔90内的燃料和空气是仅通过预燃烧腔64中的预混燃料和空气流提供的，驻涡腔90内的F/A比值与燃烧腔66内的F/A比值是相同的，并避免了NOx的产生。

驻涡腔90内的燃烧将导致热量被传递至燃烧室衬壁，包括驻涡腔壁94。因此设置一个散热系统将壁温度维持在可接受的水平以达成元件长寿命的功效。

为了对发生燃烧反应的驻涡腔90周围的内衬或壁94进行散热，可对内衬94进行被动背面(backside)对流散热。图8和图9描绘了根据本发明实施例的驻涡腔90的构造。外衬96藕接在预燃烧腔64的上游端的凸缘98与预燃烧腔64的下游端之间。在所示的实施例中，外衬96包括第一和第二部分96a、96b，这两部分利用锁固件(图未示)和间隔体99藕接在一起且藕接至凸缘98。外衬96与内衬94分隔开，于其间形成间隙100。

冷却空气从回热器出气歧管58在U部位进入间隙100，在内衬94与外衬96之间的间隙100内流经内衬94的外侧或背面的一段距离，然后排入涡流82下游的燃烧腔66。在图8所示的实施例中，空气经由孔、槽和开口依序从U流到V、W、X以及Y。外衬96具有传送空气射流(气流Z)到内衬94的背面的孔隙。这些射流也对内衬94进行散热。气流U和Z的空气在内衬94和外衬96之间的间隙100内传送，然后随气流Y排入主燃烧腔66。

如之前讨论的，因为内衬94是不穿孔的，在任何地方都不会允许背面散热空气(即，气流U、V、W、X、Y、Z)进入或干涉驻涡腔90内的反应物流92。而且需要指出的是，气流Y是从预燃烧腔64的下游的位置进入燃烧腔66的，以便不会对内回流区86进行散热或以其他方式干涉火焰稳定流特征(例如涡流82)。

燃烧室设计领域的普通技术人员可以使用其它背面散热方法对内衬94进行散热。例如，突起或肋片可设置在内衬94上以增强散热对流。另外或在可选择的其它方式中，可在内衬94的热(内)表面涂上等离子喷涂热障涂层，比如部分稳定氧化锆。

在所示的实施例中，气流U中的空气是回热空气，其可具有1100F的温度。虽然这算是高温，但驻涡腔90内的温度可能超过大约2400F。在其它实施例中，散热空气流U可以是来自其他气源，包括，例如压缩机排放气体。

在所示的实施例中，驻涡腔90设置有呈环体101形式的径向滑动特征。环体101具有槽和/或空隙，以允许散热气流V通过该槽和/或空隙而流向气流W。外衬部96a、96b利用锁固件一起固定装配至凸缘98，锁固件例如是螺丝，其穿过间隔体99。内衬94与环体101通过焊接或粘结方式在它们的内径处藕接，但内衬94不藕接至凸缘98。当穿过外衬部96a、96b的锁固件向凸缘98挤压内衬94/环体101的组合时，凸缘98和环体101之间的内表面没有相互连接，而只是利用夹持力将两者夹持在一起。这种构造使得，当驻涡腔90在燃烧时被加热后，可允许内衬94/环体101的组合在径向上膨胀，而不会造成热应力。这种方式可减少驻涡腔90的元件(包括内衬94)的蠕动变形和疲劳断裂。而且，如果内衬94和环体101是永久固定在一起的，这个组合可轻易拆除并更换，因为这个组合只是被夹持定位。

图10描绘了根据本发明另一个实施例的驻涡腔190。驻涡腔190基本上在形式上和功能上与驻涡腔90类似，除了壁194的内轮廓近似为方形或矩形，而不是如图8所示的半圆形。

除了单筒燃烧室(single can combustor)，环管式燃烧室结构常被使用。在环管式燃烧室结构中，多个单燃烧筒设在环形燃烧室衬里的上游。转换设备用于将燃烧气体从各个筒传送至燃烧室的环形部。燃烧室的环形部然后将热的气体传送至涡轮，通常是利用涡轮喷嘴或涡轮导向叶片(turbine vane)传送至涡轮。在此公开的本发明可应用于环管式燃烧室，其应用于燃料和空气被注入且流体稳定的上游部分。

通过拓宽燃料/空气比值范围，让燃烧室不产生大量NOX以及不会熄灭(LBO)，本发明解决了LP和LPP燃烧(预混燃烧)的问题。这允许燃气涡轮可在更广泛的功率范围内运行，而不需要使用扩散引燃特征。这种贫油燃烧方法结合使用强漩流燃料/空气混合物和驻涡腔以增加火焰稳定性。两个火焰稳定特征(中间回流区、驻涡燃烧)增强了LP系统的稳定性。

因此，作为诸多方面之一，本发明提供了一种在燃气涡轮引擎中稳定地燃烧贫油燃料和空气混合物的方法和装置，其中该燃气涡轮引擎是用于动力产生设备，包括微型涡轮。本发明的各种特征和优点体现在前述的权利要求中。

Claims (21)

1.一种用于燃烧燃料和空气混合物的燃烧室，包括：

漩流式喷嘴，用于接收空气流和燃料流，所述燃料和空气在所述漩流式喷嘴的影响下混合在一起，所述漩流式喷嘴使所述燃料/空气的混合物产生漩流；

预燃烧腔，与所述漩流式喷嘴流体相通，用于接收所述漩流式的燃料/空气混合物，所述预燃烧腔为朝向一条中轴线方向的圆柱形元件，所述预燃烧腔使所述漩流式的燃料/空气混合物产生沿所述中轴线向下游方向的轴向流，从而使燃料/空气混合物形成涡流，所述涡流具有沿所述中轴线的低压区；

燃烧腔，与所述预燃烧腔流体相通并位于所述预燃烧腔下游，所述燃烧腔的流道面积大于所述预燃烧腔的流道面积，从而允许所述涡流沿径向扩张并形成回流区，其中在此回流区，所述燃烧腔内的燃料/空气的燃烧产物沿所述中轴线被向上游拉回至所述预燃烧腔；以及

驻涡腔，从所述预燃烧腔径向向外设置，所述驻涡腔具有无穿孔的壁以形成一个腔体，所述驻涡腔将所述涡流外周界的燃料/空气接收于所述腔体内并将燃烧产物排放至所述涡流中。

2.如据权利要求1所述的燃烧室，进一步包括位于驻涡腔内的旋转的、漩流式燃料和空气驻涡流。

3.如权利要求2所述的燃烧室，其中所述涡流的密度大于所述驻涡流的密度。

4.如权利要求2所述的燃烧室，其中所述驻涡流的温度高于所述涡流的温度。

5.如权利要求2所述的燃烧室，其中所述涡流在其内周界与所述回流流体交界，并在其外周界与所述驻涡流交界。

6.如权利要求2所述的燃烧室，其中所述驻涡流是自动点火的驻涡流。

7.如权利要求1所述的燃烧室，其中所述驻涡腔具有呈半圆形的内轮廓。

8.如权利要求1所述的燃烧室，其中所述驻涡腔具有呈矩形的内轮廓。

9.如权利要求1所述的燃烧室，进一步包括用于对驻涡腔散热的散热机构。

10.如权利要求9所述的燃烧室，其中所述驻涡腔包括形成所述腔体的内衬、与所述内衬隔开的外衬以及位于所述内衬与外衬之间的流道。

11.如权利要求10所述的燃烧室，其中所述流道与回热空气源或压缩器排气源流体相通。

12.如权利要求10所述的燃烧室，其中所述流道在所述预燃烧腔的下游向所述燃烧腔排放流体。

13.一种在燃气涡轮引擎中燃烧燃料和空气的方法，所述方法包括：

预混燃料和空气以形成相对均匀的混合物；

将所述燃料/空气混合物以绕预燃烧腔的中轴线的旋流运动的方式注入所述预燃烧腔缸体，从而产生一个涡流，所述涡流具有位于所述中轴线上的低压区；

将所述涡流沿轴向向下游的方向传送至燃烧腔缸体，所述燃烧腔缸体的流道面积大于所述预燃烧腔的流道面积；

扩张所述涡流使之进入所述燃烧腔，其中所述燃料和空气发生化学反应以形成热的燃烧产物；

所述扩张的结果是在所述中轴线上形成回流区，其中在这个回流区所述热的产物被向上游拉回至所述预燃烧腔；

将所述涡流外周界的燃料/空气捕获于驻涡腔内，所述驻涡腔从所述燃烧腔上游的预燃烧腔径向向外设置，所述驻涡腔内的燃料/空气比值与所述燃烧腔内的燃料/空气比值大致相同；

在所述驻涡腔内形成漩流，所述漩流式驻涡流绕所述预燃烧腔的中轴线旋转，其中所述驻涡腔内的燃料和空气发生化学反应以形成热的燃烧产物；以及

沿所述回流区中的涡流的内周界和沿所述驻涡流中的涡流的外周界形成热燃烧产物的剪切流。

14.如权利要求13所述的方法，进一步包括使所述涡流中的燃料和空气的密度高于所述驻涡流中的物质的密度的步骤。

15.如权利要求13所述的方法，进一步包括所述涡流中的较高密度燃料和空气与所述驻涡流的较低密度燃烧产物进行交换的步骤。

16.如权利要求13所述的方法，进一步包括所述驻涡流自动点火的步骤。

17.如权利要求16所述的方法，进一步包括利用所述驻涡流为所述涡流点火。

18.如权利要求13所述的方法，进一步包括对所述驻涡腔进行散热。

19.如权利要求18所述的方法，其中对所述驻涡腔散热进一步包括让散热空气沿所述驻涡腔的外表面流动。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述散热空气是回热空气或压缩器排放空气。

21.如权利要求19所述的方法，进一步包括在所述预燃烧腔的下游排放所述散热空气至所述燃烧腔内的步骤。

Images