CN105940264B - 燃烧装置 - Google Patents

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Abstract

一种燃烧器(30)，包括：先导燃烧器(58)、燃烧室以及旋流器(52)，其中旋流器(52)位于燃烧室的径向外侧并且适于在燃料/空气混合物上施加绕燃烧室的轴向中心线(86)的涡旋运动，先导燃烧器(58)包括先导燃烧器面(60)，先导燃烧器面(60)位于旋流器(52)的径向内侧并且形成燃烧室的轴向上游壁，先导燃烧器面(60)结合有先导燃料喷射器(64)和点火器(84)，先导燃料喷射器(64)和点火器(84)都定位成与轴向中心线(86)径向地偏离，其特征在于，在先导燃烧器面(60)内与轴向中心线(86)径向偏离地设置有凹部(90)。

Description

燃烧装置
技术领域
本发明涉及燃烧装置(combustor)以及包括这种燃烧装置的燃气涡轮发动机。
背景技术
一般的燃气涡轮发动机包括空气入口，空气入口之后是压缩机部分，进入的空气在压缩机部分中被压缩，以用于应用至燃气涡轮发动机的燃烧装置部分的一个或多个燃烧装置。燃料(可以是气态燃料或液体燃料)被引入到燃烧装置中并且与压缩空气的部分混合。由燃烧装置中的燃料/空气混合物的燃烧产生的热燃烧气体被引导至涡轮机部分，其中该涡轮机部分包括一组涡轮机轮叶以及一组涡轮机导向叶片。贴靠涡轮机轮叶流动的燃烧气体导致附接有涡轮机轮叶的燃气涡轮发动机的轴的旋转。由于压缩机部分的轮叶也附接至所述轴，所以由涡轮机部分产生的机械动力的一部分被用来使压缩机部分运行。
燃气涡轮发动机的燃烧装置通常至少包括燃烧器、旋流器(swirler)以及预燃室(combustion prechamber)，该预燃室适于与主燃烧室在下游流体连通。通常平面形的燃烧器表面在上游方向上对预燃室限界。
燃烧器的主要目的是将燃料和空气引入到预燃室中，而燃料与空气的充分的混合是获得具有良好的火焰稳定性和最小可能的NOX排放量的稳定而高效的燃烧所必需的。因此，燃烧装置的设计必须确保适当量的燃料被引入到燃烧装置内的正确位置，并且这些量的燃料与空气充分地混合，且发生充分的燃料蒸发。
可以设置旋流器以实现燃料与空气更好的混合。旋流器包括旋流器叶片，旋流器叶片布置成使得被引导经过位于旋流器叶片之间的旋流器缝的压缩空气将被迫发生绕预燃室的轴向中心线的涡旋运动。空气的涡旋运动增强了空气与燃料的混合。
为了减少燃气涡轮发动机产生的氮氧化物，使用了所谓的稀燃预混合燃烧装置，在该稀燃预混合燃烧装置中，在较高的运行范围内，燃料空气比被尽可能地减小。然而，当发动机负载减小时，这些稀燃料空气比在维持火焰稳定性方面是有问题的。已知的是将先导燃料系统结合到燃烧器中，该先导燃料系统将喷射补充量的(先导)燃料到预燃室中以局部地升高燃料空气比。
通常，在燃烧装置起动时也使用先导燃料系统。燃料从先导面朝向预燃室喷射并且被点火器点燃，其中点火器可以定位在先导燃烧器面内的某个位置。
例如在US 6,151,899 A1中公开了包括先导燃料系统的燃烧装置。该先导燃料系统包括用于将先导燃料喷射到预燃室中的喷嘴，该喷嘴在如下这样的位置和定向而布置在燃烧器面的中央凹部内，即：使得燃料基本切向地喷射到该凹部中，从而绕该凹部的周壁流动。为了起动，通过可以位于先导燃烧器面内的电火花点火器点燃燃料。
在US 6,532,726 B2中公开了一种对先导燃料喷射器的替代性定位。通过该专利中公开的燃烧装置，单个液体喷枪布置在燃烧器面上。通过该喷枪在预燃室的轴向方向上喷射液体先导燃料。通过同样定位在燃烧器面内的火花点火单元实现燃料/空气混合物的点火。
特别地，如果这种燃烧装置以液体燃料运行，则可能遇到较差的起动稳定性。情况之所以如此是因为点火要求在点火器附近存在具有正确的比例的足够量的燃料/空气混合物。已经证明，利用液体燃料实现这一点比利用气态燃料要更加困难，这是因为与气态燃料相比，液体燃料与空气的混合较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于燃气涡轮发动机的燃烧装置，即使是液体燃料的情况下也具有良好的起动可靠性。
该目的通过根据权利要求1的燃烧装置而实现。在权利要求8中要求保护包括这种燃烧装置的燃气涡轮发动机。本发明的其他特征和细节是其他权利要求的主题和/或从说明书和附图中显见。关于燃烧装置论述的特征和细节同样适用于燃气涡轮机发动机，反之，关于燃气涡轮机发动机论述的特征和细节也适用于燃烧装置。
根据本发明的燃烧装置包括燃烧器、燃烧室以及旋流器，该旋流器位于燃烧室的径向外侧并且适于在燃料/空气混合物上施加绕燃烧室的轴向中心线的涡旋运动；燃烧器面位于旋流器的径向内侧并且形成燃烧室的轴向上游壁，燃烧器面结合有先导燃料喷射器和点火器，先导燃料喷射器和点火器两者都定位成与所述轴向中心线径向地偏离，其中在燃烧器面内与所述轴向中心线径向偏离地设置有凹部。
燃烧室(其可以为轴流式燃烧室)可以包括(沿流动顺序)预燃室和主燃烧室，其中预燃室位于旋流器的径向内侧，主燃烧室可以具有与预燃室大的横截面面积。
先导燃料喷射器优选地适于沿平行于所述轴向中心线的方向(至少具有平行于所述轴向中心线的分量)将(先导)燃料喷射到燃烧室中。
通常，燃料/空气混合物的涡旋流不仅具有周向分量，而且还具有在远离燃烧器面的方向上的轴向分量，其中点火器(可以是火花点火器)集成在该燃烧器面内，因而导致了燃烧装置的起动可靠性较差。可以具有圆形形状的凹部产生了局部空气动力学效应，该局部空气动力学效应将燃料/空气混合物流朝向点火器拖拽并且因此提高了起动可靠性，这是因为足够量的燃料/空气混合物将被拖拽到点火器中。
优选地，所述凹部相对于旋流器施加在空气或燃料/气体混合物上的绕轴向中心线的涡旋运动(这可能要求具有结合在旋流器内的空气喷嘴和/或主燃料喷嘴)的旋转方向位于先导燃料喷射器与点火器之间。施加这种涡旋运动可以通过旋流器实现，该旋流器包括以圆形配置布置的多个旋流器叶片并且所述多个旋流器叶片之间形成旋流器缝，而旋流器缝具有相对于由旋流器叶片的径向外端限定的圆的弦向方位。
如果先导燃料喷射器与点火器之间的角度距离在145°至225°之间、优选地在165°至195°之间、特别是大约180°，则将燃料/空气混合物流引导至点火器中可能是特别有意义的。
如果凹部(的中心)一方面与点火器(的中心)和/或另一方面与先导燃料喷射器(的中心喷射轴线)距燃烧室的轴向中心线同样的径向距离，则可以进一步增强燃料/空气混合物向点火器的引导。
另外，先导燃料喷射器与所述凹部之间的角度距离可以小于所述凹部与点火器之间的角度距离。
在根据本发明的燃烧装置的一个优选实施方式中，燃烧器面为平面形，因此不包括可能干扰燃料/空气混合物的涡旋运动的任何高台部。如果先导燃料喷射器和点火器(完全)位于燃烧器面内的孔中，这能够实现。
为了支持先导燃料与进入燃烧器的(来自旋流器)的空气或燃料/空气混合物的混合，先导燃料喷射器可以适于产生先导燃料的锥形喷射和/或先导燃料喷射器可以包括(用于先导燃料的)燃料管和压缩空气管。先导燃料因此可以与同样位于先导燃料喷射器内的压缩空气混合，这有助于使燃料雾化并且因而带来燃料与空气更好的混合。
根据本发明的燃气涡轮发动机的特征在于(至少一个)根据本发明的燃烧装置。除了燃烧装置之外，该燃气涡轮发动机还可以包括空气入口、压缩机部分、涡轮机部分以及排气出口。通过空气入口进入燃气涡轮发动机的空气(或者至少是氧气)可以在压缩机部分中被压缩，然后被引导至一个或多个燃烧装置。压缩气体可以与燃料混合并且燃料/空气混合物在一个或多个燃烧装置内燃烧。热燃烧气体然后可以在涡轮机部分内膨胀，从而产生燃气涡轮发动机的轴上的机械动力。燃烧气体然后可以通过排气出口从燃气涡轮发动机排出。
附图说明
现在将参照附图更详细地论述根据本发明的燃气涡轮发动机的特定实施方式。附图示出了：
图1：燃气涡轮发动机的纵截面视图；
图2：燃气涡轮发动机的燃烧装置的总体结构；
图3：燃气涡轮发动机的燃烧器的组件的详细立体图；
图4：由燃烧装置的先导燃料喷射器喷射到预燃室中的先导燃料流的示意图；以及
图5：撞击燃烧装置的先导燃烧器面的先导燃料的液滴的分布的示意图。
具体实施方式
术语“上游”和“下游”是指空气和/或燃烧气体经过燃气涡轮发动机的流动方向，除非另有说明。术语“向前”和“向后”是指气体经过燃气涡轮发动机的大体流动。术语“轴向”、“径向”和“周向”是参照燃气涡轮发动机的旋转轴线20定义的，除非另有说明。
图1以截面图示出了根据本发明的燃气涡轮发动机10的示例。燃气涡轮发动机10沿流动顺序包括空气入口12、压缩机部分14、燃烧装置部分16和涡轮机部分18，空气入口12、压缩机部分14、燃烧装置部分16和涡轮机部分18大体沿流动顺序并且沿着旋转轴线20(也是燃气涡轮发动机10的纵向轴线)的方向布置。燃气涡轮发动机10还包括轴22，轴22能够绕旋转轴线20旋转并且纵向地延伸穿过燃气涡轮发动机10。轴22驱动性地将涡轮机部分18连接至压缩机部分14。
在燃气涡轮发动机10运行时，通过空气入口12吸入的空气24在压缩机部分14内被压缩并且被输送至燃烧室部分16。
压缩机部分14包括引导叶片级46和转子轮叶级48的轴向系列。
燃烧装置部分16包括燃烧器室26、由双壁罐27限定的一个或多个主燃烧室28、以及固定至每个主燃烧室28的至少一个燃烧器30。主燃烧室28和燃烧器30位于燃烧器室26内。
经过压缩机部分14的压缩空气进入扩散器32并且从扩散器32排出到燃烧器室26，一部分空气从燃烧器室26进入燃烧器30并在燃烧器30中与气态燃料或液体燃料混合。燃料/空气混合物然后发生燃烧并且燃烧气体34通过过渡管35通向涡轮机部分18。
涡轮机部分18包括附接至轴22的多个轮叶承载盘36。在本实施方式中，两个盘36各自承载环形阵列的涡轮机轮叶38。然而，轮叶承载盘36的数量可以不同于此，即仅一个盘36或者多于两个盘36。
此外，在涡轮机轮叶38之间设置有导向叶片40，导向叶片40固定至燃气涡轮机10的定子42。在主燃烧室28与涡轮机前轮叶38之间设置有入口导向叶片44。
来自主燃烧室28的燃烧气体进入涡轮机部分18并且驱动涡轮机轮叶38，涡轮机轮叶38继而驱动轴22旋转。导向叶片40、44起到优化燃烧气体在涡轮机轮叶38上的角度的作用。
如图2示意性地所示，燃气涡轮发动机10的燃烧器30包括燃烧器部分50、旋流器52以及连接至主燃烧室28的预燃室54。燃烧器部分50包括主燃烧器56和先导燃烧器58。旋流器52布置在预燃室54(的上游部分)的径向外侧。先导燃烧器58的先导燃烧器面60形成预燃室54的轴向上游壁。主气态燃料可以通过主燃烧器56的气态燃料供给管62被引入至旋流器52中。主液体燃料可以通过液体燃料供给管68被引入至旋流器52中，而液体先导燃料可以通过先导燃烧器58的先导燃料供给管66的先导燃料喷射器64(喷枪)进入预燃室54。
液体主燃料流与液体先导燃料流被连接至公共燃料供给管72的燃料分隔阀70分开。气态燃料流可以通过与气态燃料供给管62流体连通的一组气态燃料喷嘴74进入旋流器52。主液体燃料可以通过与液体燃料供给管68流体连通的主液体燃料喷嘴76进入旋流器52。任一个燃料然后在与压缩空气混合的同时沿着旋流器叶片80被引导。产生的燃料/空气混合物在预燃室54内燃烧，同时产生火焰88，火焰88大致居中地存在于预燃室54内并且稳定在先导燃烧器面60上。火焰88进入主燃烧室28中。
图3示出了当从燃烧器30的预燃室54观察时、包括燃烧器部分50、旋流器52和适配器板78的组件的立体图。适配器板78用来将燃烧装置30附接至燃烧器室26。旋流器52附接至适配器板78，其中旋流器52包括以圆形配置布置的多个旋流器叶片80。旋流器叶片80具有三角形形状。在成对的相邻旋流器叶片80之间形成有旋流器缝82，旋流器缝82具有相对于由旋流器叶片80的径向外表面限定的圆的弦向(chordal)方位。主液体燃料喷嘴76集成在主燃烧器56中，并且主液体燃料喷嘴76位于每第二对旋流器叶片80之间。所有的主液体燃料喷嘴76都与图3中未示出但与图2示意性地示出的液体燃料供给管68类似的液体燃料供给管68流体连通。
另外，气体燃料喷嘴74集成在主燃烧器56中，位于每一对旋流器叶片80之间。所有的气体燃料喷嘴74都与图2示意性地示出的气体燃料供给管62流体连通。
主液体燃料或气态燃料可以通过主液体燃料喷嘴76或气态燃料喷嘴74喷射到预燃室54中。燃料将与压缩空气混合，并且产生的燃料/空气混合物通过旋流器52被迫进行绕轴向中心线86的涡旋运动。
燃烧器部分50的先导燃烧器58定位在旋流器52的径向内侧，在图3中仅仅能够看到先导燃烧器58的先导燃烧器面60。先导燃烧喷射器64定位在先导燃烧器面60的第一孔内。先导燃烧喷射器64与先导燃料供给管66流体连通，如图2示意性地所示。点火器84例如火花点火器定位在先导燃烧器面60的第二孔内。容纳先导燃烧喷射器64和点火器84的这两个孔都定位成与预燃室54的轴向中心线86径向地偏离且距轴向中心线86为大约相同的径向距离。这些距离被选择为将先导燃烧喷射器64和点火器84定位在火焰88在先导燃烧器面60上驻留的区域的径向外侧。这两个孔之间的角度距离为大约180°，即，这两个孔关于预燃室54的轴向中心线86大约彼此相对。(各个孔的)圆形凹部90以与两个孔大约相同的距离与轴向中心线86径向地偏离。凹部90因此在绕预燃室54的轴向中心线86的周向方向上定位在先导燃烧喷射器64与点火器84之间，而凹部90与先导燃烧喷射器64之间的角度距离小于凹部90与点火器84之间的角度距离。
凹部90具有对预燃室54内的燃料/空气混合物的涡旋流的局部空气动力学效应。由于凹部90产生的相对低压，由先导燃烧喷射器64喷射到预燃室54中的先导燃料的极小的液滴沿先导燃烧器面60的方向被吸入。这与先导燃烧喷射器64、点火器84和凹部90联合起来导致了相对大量的先导燃料的液滴在点火器84的区域中撞击先导燃烧器面60并且因此带来了对燃烧器30而言良好的起动条件。图4和图5示出了局部空气动力学效应和所实现的撞击先导燃烧器面60的先导燃料的液滴的有利的分布。尽管在图5中。先导燃烧器面60的围绕先导燃烧喷射器64和凹部90的部分暴露于仅仅少量的先导燃料，但包括结合了点火器84的孔在内的其他先导燃烧器面60的大部分暴露于大得多的量的先导燃料。

Claims (10)

1.一种燃烧器(30)，包括：先导燃烧器(58)、燃烧室以及旋流器(52)，其中所述旋流器(52)位于所述燃烧室的径向外侧并且适于在燃料/空气混合物上施加绕所述燃烧室的轴向中心线(86)的涡旋运动，所述先导燃烧器(58)包括先导燃烧器面(60)，所述先导燃烧器面(60)位于所述旋流器(52)的径向内侧并且形成所述燃烧室的轴向上游壁，所述先导燃烧器面(60)结合有先导燃料喷射器(64)和点火器(84)，所述先导燃料喷射器(64)和所述点火器(84)都定位成与所述轴向中心线(86)径向地偏离，
其特征在于，在所述先导燃烧器面(60)内与所述轴向中心线(86)径向偏离地设置有凹部(90)。
2.根据权利要求1所述的燃烧器(30)，其特征在于，所述凹部(90)相对于由所述旋流器(52)施加在燃料/气体混合物上的绕所述轴向中心线(86)的涡旋运动的旋转方向位于所述先导燃料喷射器(64)与所述点火器(84)之间。
3.根据权利要求1所述的燃烧器(30)，其特征在于，所述先导燃料喷射器(64)与所述点火器(84)之间相对于所述轴向中心线(86)形成的角度在145°至225°之间。
4.根据权利要求3所述的燃烧器(30)，其特征在于，所述先导燃料喷射器(64)与所述点火器(84)之间相对于所述轴向中心线(86)形成的角度在165°至195°之间。
5.根据权利要求4所述的燃烧器(30)，其特征在于，所述先导燃料喷射器(64)与所述点火器(84)之间相对于所述轴向中心线(86)形成的角度为180°。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的燃烧器(30)，其特征在于，所述凹部(90)与所述点火器(84)距所述轴向中心线(86)同样的径向距离；和/或
所述凹部(90)与所述先导燃料喷射器(64)距所述轴向中心线(86)同样的径向距离。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的燃烧器(30)，其特征在于，所述先导燃料喷射器(64)与所述凹部(90)之间相对于所述轴向中心线(86)形成的角度小于所述凹部(90)与所述点火器(84)之间相对于所述轴向中心线(86)形成的角度。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的燃烧器(30)，其特征在于，所述先导燃烧器面(60)为平面形，所述先导燃料喷射器(64)和所述点火器(84)位于所述先导燃烧器面(60)的孔中。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的燃烧器(30)，其特征在于，所述凹部(90)具有圆形形状。
10.一种燃气涡轮发动机(10)，包括根据权利要求1-9中任一项所述的燃烧器(30)。
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