CN104696988A - 燃气轮机的燃烧室及燃烧室的操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃气轮机的燃烧室及燃烧室的操作方法。其中，本发明的燃烧室为环形燃烧室，沿着该燃烧室的周向布置有多个头部结构，由燃油泵向燃烧室供应燃油，其中，所述多个头部结构被分成至少两个头部结构组，与每个头部结构组相对应地分别设置一根燃油歧管，在这些燃油歧管中的至少一根上安装有阀元件。通过燃油控制系统来控制所述第一阀元件的打开和关闭，从而打开和关闭至少一组所述头部结构组。通过上述燃烧室结构，能保持各头部结构中的油气比、燃油供应压力等保持恒定，从而确保对燃油的雾化性能，保持燃烧稳定性。

Description

燃气轮机的燃烧室及燃烧室的操作方法

技术领域

本发明涉及一种用于燃气轮机的燃烧室，并且还涉及对该燃气轮机的燃烧室进行操作的方法。特别地，本发明所涉及的燃气轮机可用于航空发动机等领域。

背景技术

随着技术的发展，对于当今的燃气轮机、尤其是航空燃气涡轮发动机来说，环形燃烧室布局结构已成为主流的设计形式。

图1中示出了一种带有环形燃烧室燃气轮机的纵截面图。作为示例，该燃气轮机为涡轮喷气发动机，包括燃烧室100、位于燃烧室100的上游的压气机200、位于燃烧室100的下游的涡轮400以及位于涡轮400的下游的尾喷管300。此处，所谓的“上游”和“下游”是以空气或燃气的流动方向为基准。

在燃烧室100的进口处设置有头部结构110，如图1所示，头部结构110为圆筒状，包括外部筒体130以及设置在外部筒体130中的燃烧室喷嘴120。除了燃烧室喷嘴120之外，该头部结构110还可附加地设置混合器、旋流器等装置，以实现对燃油和空气的混合以及使来流空气偏转以形成漩涡状流动结构的功能。较佳地，在头部结构上还可设置头部冷却装置。

此外，随着对NOx排放的标准日益严苛，传统的扩散燃烧方式也逐渐被贫油预混预蒸发（LPP）燃烧方式所取代。

在LPP燃烧方式中，燃油蒸汽与空气预先混合，以对燃油进行雾化，雾化后的燃油与空气充分混合，所得到的雾化燃油的油气当量比通常小于1。然后，在燃油被雾化之后，再进行燃油与空气的燃烧反应。这样，由于燃油被预先雾化，因此能够加快燃烧反应时间，并且能够控制燃烧温度，减少或避免局部高温的发生，从而降低NOx的生成量。

但是，LPP燃烧方式在降低NOx生成量的同时，也带来了燃烧不稳定的问题。具体来说，在上述环形燃烧室的运行过程中，无论工况如何，通常所有的头部结构都开启。在满负荷的工况条件下，所有头部结构都开启可以确保向燃烧室供应充足的燃油。但是，当负荷降低时，为燃气轮机所设置的控制系统会减少向燃烧室供应的总燃油流量。此时，由于燃烧室中仍保持所有头部结构开启的状态，因而分配到每个头部结构中的燃油流量也相应地降低，相应地，燃烧室喷嘴中的燃油压力随之降低。其结果是，喷嘴将无法充分地雾化燃油，从而在燃烧室中会存在较大的燃油液滴。此类较大的燃油液滴造成燃烧室中的局部富燃料状态。局部富燃料状态会导致燃烧不稳定现象的发生，诸如释热率脉动等，而这不利于燃烧效率的提高，会造成NOx排放量的增加。

进一步地，燃气轮机因负荷降低而减油门时，压气机中的转子因存在惯性，所以减速较慢，从而，进入燃气轮机的空气量也下降较慢。这样，会导致燃气轮机中的空气量相对过多，从而引起燃气轮机的燃烧室整体处于贫油状态。与此同时，在燃烧室燃烧不稳定的影响下，有可能会出现燃气轮机熄火的情形出现。这种情况对于航空发动机来说尤其严重，因为燃气轮机的熄火意味着空中停车，从而严重影响飞行安全。

发明内容

本发明是为了解决上述技术问题而作出的，其目的是提供一种燃气轮机的燃烧室，该燃烧室的结构允许在燃油供应量因燃气轮机的工况降低而减少的情况下保持燃烧室中各头部结构中的油气比、燃油供应压力等保持恒定，从而确保对燃油的雾化性能，保持燃烧稳定性。

本发明通过一种燃气轮机的燃烧室实现上述目的，该燃烧室为环形燃烧室，且沿着燃烧室的周向布置有多个头部结构，由燃油泵向燃烧室供应燃油，其中，燃烧室内的多个头部结构被分成至少两个头部结构组，每个头部结构组连接有一根燃油歧管，燃油歧管中的至少一根上安装有第一阀元件，并且，燃烧室还包括燃油控制系统，该燃油控制系统控制第一阀元件的打开和关闭，从而打开和关闭至少一组头部结构组。

进一步地，在燃油泵和燃油歧管之间连接有主燃油管，来自燃油泵的燃油经由主燃油管而分别流入各个燃油歧管。

较佳地，在燃油歧管中的每一根上分别设置第一阀元件。

较佳地，不同的头部结构组中的头部结构之间以交替顺序布置于燃烧室中。

较佳地，每根燃油歧管包括支管，各燃油歧管中支管的数量与相应的头部结构组中的头部结构的数量相对应。

通过具有上述结构的燃烧室，通过燃油控制系统来关闭至少一组头部结构组。这样，当来自燃油泵的燃油因燃气轮机的工作负荷降低而流量减少时，由于一部分头部结构被关闭，因此其余仍在工作的头部结构中的油气比、燃油压力等参数仍能保持基本恒定，从而确保头部结构中燃油的雾化性能保持不变。进而，可以抑制燃烧的不稳定。

而且，由于本发明的燃烧室结构允许通过关闭一部分头部结构来保持其它头部结构中的油气比、燃油压力等参数，因此无需为保持各头部结构中的压力等参数而设置复杂的调节机构，且操作简单。

本发明还提供一种操作具有上述结构的燃烧室的方法，该方法包括：当燃气轮机处于满负荷工作的情况下，燃油控制系统控制所有的第一阀元件打开，向所有的头部结构组供应燃油；以及，当需要降低燃气轮机的工作负荷时，燃油控制系统控制燃油泵，以减少向燃烧室的供油量，燃油控制系统还控制第一阀元件，以切断至少一根燃油歧管，由此关闭至少一组头部结构组。

附加地，上述方法还包括，当出现熄火的情况时，燃油控制系统控制燃油泵，以增加向燃烧室的供油量，燃油控制系统还控制阀元件以切断至少一根燃油歧管，由此关闭至少一组头部结构组。

较佳地，燃油歧管中的至少一根分叉成若干支管，支管的数量与相应的头部结构组中的头部结构的数量相对应，在支管中的至少一根上设置有第二阀元件，在此情形中，上述方法还包括：当需要降低燃气轮机的工作负荷时，燃油控制系统控制第二阀元件，以关闭仍在继续工作的头部结构组中的至少一个头部结构。

附图说明

图1示出了一种示例性燃气轮机的纵截面图。

图2示出了本发明的燃气轮机燃烧室的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合图2对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当了解，附图所示的仅仅是本发明的较佳实施例，其并不构成对本发明的范围的限制。本领域的技术人员可以在附图所示的实施例的基础上对本发明进行各种显而易见的修改、变型、等效替换，这些都落在本发明的保护范围之内。

<燃烧室的结构>

图2中示意性地示出了本发明的燃气轮机燃烧室的结构。该燃烧室100为环形燃烧室的形式。沿着燃烧室100的周向布置有多个头部结构110，例如图2中所示的十六个头部结构。每个头部结构中可包括预燃级喷嘴和主燃级喷嘴，并且还可附加地包括旋流器等其它结构。

本发明中，设置在燃烧室中的多个头部结构被分成两组以上的头部结构。

以图2中所示的燃烧室为例，其中的头部结构被分成四组，即第一头部结构组1、第二头部结构组2、第三头部结构组3和第四头部结构组4。这四个头部结构组中的各个头部结构可互相交替地顺序沿燃烧室100的周向布置。例如，如图2所示，沿顺时针方向，所布置的头部结构依次分别属于第一头部结构组1、第二头部结构组2、第三头部结构组3和第四头部结构组4，然后，在属于第四头部结构组4的头部结构之后，所布置的又是属于第一头部结构组1的头部结构。由此，循环交替地布置属于不同头部结构组的头部结构。当然，这些头部结构也可按照其它交替顺序或交替形式来布置。

下面，描述燃烧室100的燃油供应管路。

如图2所示，经燃烧室喷嘴送入燃烧室100中的燃油由燃油泵10来供应。在燃油泵10上设置有主燃油管17，该主燃油管17分叉成四根燃油歧管11、12、13和14，分别与各头部结构组1、2、3和4相对应。

此外，在燃油歧管11、12、13和14中的至少一根上设置有阀元件。例如，在图2所示的实施方式中，在燃油歧管11、12、13和14上分别设置有阀元件21、22、23和24。在主燃油管17上可设置燃油控制系统9，该燃油控制系统9与总燃油管17相连接。燃油控制系统9可用来控制燃油泵10的运行，也可用来控制各燃料歧管上的阀元件21、22、23和24的开闭。

如图2中进一步地所示的，在阀元件的下游，燃油歧管可被分成若干支管31、32、33和34，各燃油歧管中支管的数量可与相应的头部结构组中的头部结构数量相对应。例如，支管的数量可以等于头部结构的数量，或者支管的数量为头部结构数量的倍数，等等。由此，可分别向各个头部结构供应燃油。

进一步地，在燃油歧管的支管31、32、33和34上也可选择性地设置阀元件（未示出），从而可对头部结构组中的各个头部结构单独进行控制。

如前所述，本领域技术人员可对上述图2所示的实施方式进行修改。例如，图2所示的燃烧室100中布置有十六个头部结构，且这些头部结构被均分成四组。然而，可以设想，在燃烧室100中也可布置其它数量的头部结构，如两个以上的任何数目，且这些头部结构可被分成两个以上任意数量的头部结构组，各个头部结构组中所包括的头部结构的数量可以是相同的，也可相互不同。

在图2中所示的燃烧室中，不同头部结构组中的头部结构相交替地布置，但是，可以理解，不同的头部结构组中的头部结构之间也可采取其它布置关系，如同一头部结构组中的头部结构相邻地设置。

在图2中，燃油控制系统9设置在主燃油管17上。当然，燃油控制系统也可以其它方式设置，如作为与燃烧室的燃油供应管路相分离的装置设置，且该燃油控制系统可以与燃油泵10以及燃油歧管上的阀元件21、22、23和24机械地、电气地或以其它方式相连，以控制这些部件。

图2所示的燃烧室结构中设置有一个燃油泵10，用来向所有的燃油歧管输送燃油。不过，也可设想设置多个燃油泵，分别向各个燃油歧管输送燃油。

<燃烧室的操作>

下面将对本发明的燃烧室的操作原理进行详细描述。在此，还是以图2所示的燃烧室结构为例来进行描述。

当燃气轮机处于满负荷工作的情况下，例如在飞机起飞（燃气轮机作为航空发动机的情形）时，大量高压空气从燃烧室100上游的压气机流入燃烧室100中，此时，阀元件21、22、23和24全部开启，燃油泵10工作，燃油经主燃油管17进入各燃油歧管11、12、13和14，从而所有头部结构110工作。此时，通过燃油控制系统9的控制，使各路歧管中的燃油流量基本相同，从而使雾化后的燃油均匀地分布在燃烧室中。在此状态下，燃烧室满负荷工作。

当燃气轮机的工作负荷需要降低时，燃油控制系统9控制燃油泵10，以减少向主燃油管17供应的燃油流量。与此同时，燃油控制系统9还控制燃油歧管上的阀元件，例如关闭一个阀元件，从而切断与该阀元件相对应的燃油歧管。此时，被切断的燃油歧管所对应的那个头部结构组停止工作，而剩下的三组头部结构组仍继续工作。由此，燃油泵10所供应的燃油被分配到仍在工作的头部结构组中。

这样，即使所供应的总的燃油量下降，但供应到仍在工作的头部结构中的燃油流量仍可保持基本恒定，从而各个头部结构处的油气比、供油压力等参数也保持相对恒定，由此确保头部结构处对燃油的雾化性能保持不变。由此可以看到，通过本发明，可以保持燃油的雾化性能，由此保证燃烧室中的燃烧工况均匀，抑制燃烧不稳定。

进一步地，当燃气轮机的工作负荷需要进一步降低时，燃油控制系统9将控制燃油泵10进一步减少供油量，同时继续关闭仍在工作的头部结构组中的至少一组，以确保剩余的头部结构组中各头部结构中的油气比、流量和压力保持恒定。

在出现熄火的情形中，燃油控制系统9可以控制燃油泵10，以加大主燃油管17中的燃油流量，与此同时，以上述方式关闭至少一组头部结构组，由此加大继续工作的头部结构中的油气比、供油压力等参数，从而能够尽快地重新点火。

可选地，在燃油歧管11、12、13和14各自的支管31、32、33和34上也设置有阀元件的情形中，燃油控制系统9可以控制这些支管上的阀元件的开闭，从而个别地控制头部结构组中各个头部结构的开闭。例如，在已经关闭一组头部结构组的情形中，可以进一步地将仍在工作的头部结构组中的个别头部结构关闭；或者，可以关闭数个不同的头部结构组中的个别头部结构。由此，可以获得更加精确的控制效果。

Claims (8)

1.一种燃气轮机的燃烧室，所述燃烧室为环形燃烧室，沿着所述燃烧室的周向布置有多个头部结构，由燃油泵向所述燃烧室供应燃油，其特征在于，所述多个头部结构被分成至少两个头部结构组，每个所述头部结构组连接有一根燃油歧管，所述燃油歧管中的至少一根上安装有第一阀元件，所述燃烧室还包括燃油控制系统，所述燃油控制系统控制所述第一阀元件的打开和关闭，从而打开和关闭至少一组所述头部结构组。

2.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，在所述燃油泵和所述燃油歧管之间连接有主燃油管，来自所述燃油泵的燃油经所述主燃油管而分别流入各个所述燃油歧管。

3.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，在所述燃油歧管中的每一根上分别设置所述第一阀元件。

4.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，不同的所述头部结构组中的所述头部结构之间以交替顺序布置于所述燃烧室中。

5.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，每根所述燃油歧管包括支管，各所述燃油歧管中所述支管的数量与相应的所述头部结构组中的所述头部结构的数量相对应。

6.一种操作燃烧室的方法，其特征在于，所述燃烧室是如权利要求1所述的燃烧室，所述方法包括：

当所述燃气轮机处于满负荷工作的情况下，所述燃油控制系统控制所有的所述第一阀元件打开，向所有的所述头部结构组供应燃油；以及

当需要降低燃气轮机的工作负荷时，所述燃油控制系统控制所述燃油泵，以减少向所述燃烧室的供油量，所述燃油控制系统还控制所述第一阀元件，以切断至少一根所述燃油歧管，由此关闭至少一组所述头部结构组。

7.如权利要求6所述的操作燃烧室的方法，其特征在于，当出现熄火的情况时，所述燃油控制系统控制所述燃油泵，以增加向所述燃烧室的供油量，所述燃油控制系统还控制所述阀元件以切断至少一根所述燃油歧管，由此关闭至少一组所述头部结构组。

8.如权利要求6所述的操作燃烧室的方法，其特征在于，所述燃油歧管中的至少一根分叉成若干支管，所述支管的数量与相应的所述头部结构组中的所述头部结构的数量相对应，在所述支管中的至少一根上设置有第二阀元件，其中，所述方法还包括：

当需要降低燃气轮机的工作负荷时，所述燃油控制系统控制所述第二阀元件，以关闭仍在继续工作的所述头部结构组中的至少一个所述头部结构。