CN106338086B - 顺序燃烧器及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明大体涉及用于燃气涡轮的顺序燃烧器。本发明另外涉及其运行方法。特别地，本发明涉及再热顺序或沿轴向分级燃烧系统的第二级和/或后续级。根据本发明，使用马赫数沿着流径的变化来控制静态温度变化，这进而影响自燃反应的进展，自燃反应最终使得燃烧开始。

Description

顺序燃烧器及其运行方法
技术领域
本发明大体涉及用于燃气涡轮的顺序燃烧器。本发明另外涉及其运行方法。
背景技术
参照图1，描绘了根据已知技术的顺序燃烧器的方案。燃烧器包括两个独特的区：喷燃器或者预混合区段(燃料和氧化剂在其中预混合)，以及其中发生燃烧的燃烧器腔室。进入到燃烧器中的入口氧化剂较热，在一些情况下，为1250K-1300K。在这些温度下，喷射到喷燃器中的燃料自燃。为了实现低排放，重要的是燃料和氧化剂在燃烧之间非常好地预混合。自燃延迟时间决定容许预混合的时间。
图2显示天然气的自燃延迟时间随温度改变。
在1250K-1300K的温度下，自燃延迟时间对于典型的天然气来说大约为1-2毫秒。后者会限制容许入口温度。1-2毫秒的混合时间是当在合理压降下运行时，目前的现有技术系统的能力，由于发动机性能和燃烧器系统管理考量，这存在极限。
要注意的是，如果入口温度升高，则燃气涡轮的CO下降特性得到改进，如图3中指示的那样。
因此，入口温度在不导致压降提高的情况下升高将是有利的。
在喷燃器的下游突然扩张到燃烧器腔室中。这种现有技术几何构造会产生再循环区，其目的是为了提供火焰稳定。理论上，在通过自燃发生燃烧时，不需要火焰稳定。但是，实际上，入口边界状况是有波动和变化的，使得自燃延迟时间可发生较大的波动。如果没有一些火焰稳定措施，则不可能使火焰保持在期望位置内。但是，使火焰稳定所必需的再循环区是非常浪费的。因此，为了限制压力损失，在燃烧之前速度必须保持较低，对应于大约0.1的马赫数。众所周知，马赫数被定义为气体流速度除以局部音速值。另外，然后燃烧过程由再循环区内的流体动态输送和围绕再循环区的剪切层控制。在现有技术系统中，这些时间标度是毫秒级的，尽管如此，化学过程小不止一个量级(CO氧化为大约0.1毫秒，而放热化学动力为大约0.01毫秒)。
要注意的是，如果流速较大，则燃烧器横截面可较小。这将允许有更紧凑的燃烧器，以及更容易将燃烧过程结合到喷嘴导叶中。另外，如果燃烧过程由于流体动态结构(诸如再循环区)而不稳定，并且因此速率受到流体动态过程的限制，则燃烧器驻留时间可显著地更短。这将允许燃烧器的紧凑性更高，从而对成本和系统管理产生好处，但也允许NOx排放减少，特别是在非常高的燃烧温度下。
用于航空发动机应用的再热(或在喷燃器之后)系统广泛地按上面描述的相同原理工作。燃料喷射到来自涡轮的排气中。典型地通过自燃发起燃烧，再循环区使燃烧稳定，再循环区典型地由V形槽产生。排气导管的长度必须足够长，以使火焰从这些再循环区传播出来，跨过导管的整个宽度。因此燃烧的速率受流体动态过程的限制。
要注意的是，如果允许燃烧按化学动力时间标度发展，则排气导管可缩短，从而允许减轻重量。
发明内容
本发明的目标是通过提供基本根据权利要求1所限定的顺序燃烧器来解决前面提到的技术问题。
此外，本发明的另一个目标是提供一种从属权利要求14中限定的用于运行顺序燃烧器的方法。
根据本发明的各方面，公开一种新的顺序燃烧器和通过控制自燃反应且使后续的放热反应稳定来运行顺序燃烧器的新颖方法。特别地，本发明涉及再热顺序燃烧系统或沿轴向分级燃烧系统的第二级和/或后续级。根据本发明，使用马赫数沿着流径的变化来控制静态温度变化，这进而影响自燃反应的进展，自燃反应最终使得燃烧开始。
如果利用静态温度的变化，则存在两个待注意的独特思想。可同时应用这些思想来利用它们两者的优点，或者可单独应用第一思想。
根据本发明的一方面，预混合区段内的燃料和氧化剂流加速，使得静态温度下降，从而减慢自燃反应。因而，CO下降可有利地扩大，而且可使下游燃烧器更紧凑。
根据本发明的优选实施例中，在高速预混合区段之后，流仍然进一步加速，然后沿着受良好控制的空气动力学设计路径减速。然后利用静态温度中产生的梯度来稳定/锚定自燃火焰。这代替了利用再循环区的已知方法。有利地，这允许对于压力损失而在较高的马赫数下进行燃烧，使得系统能够更紧凑(即，具有较小的横截面)，这提供冷却流需求和构件寿命的优点。另一个好处是燃烧可在较短的驻留时间之内完成。这会产生较低的NOx排放，特别是在高的燃烧温度下。火焰位于其中的区域中的正的静态温度梯度使得再热火焰相对于扰动来说更稳定，扰动可导致放热波动。因此顺序燃烧器更能够对抗热声振荡。燃烧器体积和横截面较小还使得能够更容易将燃烧器结合到喷嘴导叶中。这允许移除泄漏平面，以及降低成本和重量。
根据本发明的顺序燃烧器可布置在第一燃烧器的下游，但在涡轮级的上游，像在顺序燃烧器处于压力恒定的顺序燃烧(CPSC)系统之内的情况那样，如图4中显示的那样。
备选地，顺序燃烧器可置于涡轮级之间中。但是像在标准顺序燃烧器的情况下那样，利用本发明，多个顺序燃烧器可如图5中显示的那样置于若干涡轮级之间。
备选地，根据本发明的顺序燃烧器可置于涡轮级的出口处，置于排气导管中，以进行(燃烧后)应用，如在一些航空发动机系统中使用的那样。参照图6中描绘的方案。
根据本发明的一方面，提供一种用于燃气涡轮的顺序燃烧器，其包括预混合区段和布置在预混合区段的下游的燃烧室，预混合区段构造成接收和预混合氧化剂和燃料流，其中，预混合区段沿着一个或多个会聚导管布置。
根据本发明的优选方面，预混合区段包括布置在各个会聚导管下游的扩散器区段。
根据本发明的优选方面，会聚导管是形成于多个导叶之间的通道。
根据本发明的优选方面，各个导叶包括圆化前缘。
根据本发明的优选方面，圆化前缘具有曲率半径，该曲率半径是两个相邻的导叶之间的距离D的四分之一或更小。
根据本发明的优选方面，各个导叶具有会聚侧壁，会聚侧壁沿着导管具有导管收缩角α，其基本等于或小于30°。
根据本发明的优选方面，导管收缩角α基本等于20°。
根据本发明的优选方面，预混合区段包括混合装置，混合装置沿着相邻的导叶的相向的侧壁分布。
根据本发明的优选方面，预混合区段包括燃料喷射器。
根据本发明的优选方面，预混合区段包括翼型元件，翼型元件沿着会聚导管的第一部分定位在相邻的导叶之间，其中，翼型元件具有圆化前缘和后缘，以及其中，燃料喷射器设置在后缘的附近。
根据本发明的优选方面，燃烧器腔室包括由一个或多个发散导管形成的扩散器区段。
根据本发明的优选方面，发散导管是形成于多个导叶之间的通道，并且其中，各个发散导管布置在会聚导管的下游，会聚和发散导管由公共导叶形通道形成。
根据本发明的优选方面，发散导管具有扩张导叶角β，其等于9°或更大。
根据本发明的优选方面，扩张导叶角β基本等于15°。
根据本发明的另一方面，还提供一种用于运行燃气涡轮的顺序燃烧器的方法，顺序燃烧器包括预混合区段和布置在预混合区段的下游的燃烧室，预混合区段构造成接收和预混合氧化剂和燃料流且沿着一个或多个会聚导管布置，其中，氧化剂和燃料流被允许进入所述一个或多个会聚导管中，并且在其中加速到对应于基本等于0.5或更大的马赫数的速度。
根据本发明的优选方面，燃烧室包括扩散器区段，扩散器区段包括形成于多个导叶之间的一个或多个发散导管，并且其中，各个发散导管布置在会聚导管的下游，会聚和发散导管由公共导叶形通道形成，其中，氧化剂和燃料流沿着一个或多个发散导管减速，并且在燃烧之前达到对应于大约0.3的马赫数的速度。
附图说明
在参照附图阅读本发明的优选实施例的以下非约束性描述之后本发明的目标、优点和其它特征将变得更加显而易见，提供描述仅仅是为了例证，在图中，可使用相似参考标号来指示相似元件，并且其中：
图1显示根据现有技术的燃烧器的布置；
图2是显示天然气的自燃延迟时间随温度变化的图表；
图3是显示CO排放随来自顺序燃烧器的燃烧后气体温度改变的图表，并且指示了喷燃器入口温度的影响；
图4-6描绘其中可布置根据本发明的顺序燃烧器的不同的示例性功能方案；
图7-9分别显示根据本发明的第一示例性实施例的顺序燃烧器的示意图、俯视图和透视图；
图10描绘显示静态温度随马赫数的升高而降低的图表；
图11-13分别显示根据本发明的第二示例性实施例的顺序燃烧器的示意图、俯视和透视图；
图14-19显示根据本发明的顺序燃烧器的不同细节。
现在将参照上面所引用的附图来详细描述优选和非限制性实施例。
具体实施方式
参照图7，显示了根据本发明的第一实施例的顺序燃烧器100的示意性侧部截面图。
特别地，顺序燃烧器100包括构造成接收和预混合氧化剂和燃料流的预混合区段或喷燃器101，以及布置在预混合区段101的下游的燃烧室102。如图中指示的那样，预混合区段沿着会聚导管105布置。
在这种情况下，燃烧室102是传统类型，并且氧化剂和燃料流在喷燃器之后经历第一扩散器区段108，然后突然膨胀到腔室102中。在燃烧室102中产生再循环区104，这有助于使火焰稳定，在图中用参考标号103指示火焰。
参照下面的图8和9，分别在侧面截面图和透视图中显示顺序燃烧器100，其中用箭头F指示氧化剂流(来自第一上游燃烧器，未显示)。顺序燃烧器100可包括多个会聚导管105，氧化剂和燃料进入到会聚导管105中，在那里，在一系列导叶106之间形成通道105。在预混合区段下游的是燃烧室102，这对于所有通道105来说是公共的，其包括再循环区104，再循环区104使火焰103稳定。
有利地，预混合区段101中的氧化剂和燃料流加速到对应于具有大约0.5或更大的值的马赫数的速度。这使静态温度降低，如下面的图10中的图表所显示的那样。
静态温度降低会延长自燃延迟时间(如上面提到的图2中显示的那样)。特别地，预混合区域的内部的温降可高达200 K，从而对点燃延迟时间产生十倍增长。但是，燃烧器的降速能力取决于喷燃器中的总温度，只要燃烧器中的马赫数充分减小。然后可利用总温度和静态温度之间的这个差来针对给定温度扩展燃烧器的降速特性，并且因此扩大喷燃器在其内运行的自燃延迟时间。
在预混合区段101中，在会聚通道105之后的氧化剂和燃料流传送通过最终扩散器区段108，然后膨胀到燃烧室102中。
现在参照接下来的图11，它描绘了根据本发明的第二优选实施例的顺序燃烧器200的侧截面示意图。在这个第二实施例中，预混合区段101与参照第一实施例所公开的是同一个：预混合区段中的氧化剂和燃料流通过会聚导管105加速，然后在进入到燃烧室202中之前经历扩散器108。
不同的是，在这种情况下，燃烧室202包括由发散导管202形成的扩散器区段。因此，在这个第二实施例中，在会聚的第一部分之后的预混合区段101之后，氧化剂和燃料流继续其沿着扩散器108的路径，然后，无缝地进入到发散导管202中，在那里产生火焰203。需要非常快速的流减速来提供必要的温度梯度来实现火焰稳定。作为非限制性示例性实施例，通过扩张导管有利地达到这种快速流发散，导管扩张的特征在于扩张角β，其等于9°或更大。优选地，扩张角大约相当于15°。另外，可使用分隔板(未显示)来进一步将扩散器角提高到45°。
现在参照接下来的图12和13，分别在侧面截面图和透视图中显示了顺序燃烧器200，其中用箭头F指示氧化剂流(第一上游燃烧器，未显示)。类似于第一实施例，顺序燃烧器200可包括多个发散通道，它们形成于按顺序布置的一系列导叶206之间。在这种情况下，其中发生燃烧的发散通道202定位在会聚通道105和发散通道108的下游，在那里氧化剂加速且与燃料预混合。因此，会聚和发散通道105、108和202在这种情况下形成于公共导叶形通道中。这样，氧化剂和燃料流行进跨过顺序燃烧器200，从而经历典型的会聚-发散导管。在图13的透视图中最佳地看到导叶206，而且特别是它们的形状允许形成这样的会聚-发散通道。
其中发生燃烧的发散通道202的有利作用集中在火焰稳定区上。如上面描述的那样，在这个区之前，流加速到典型地等于或大于0.5的马赫数。然后氧化剂和燃料流减速，这导致静态温度随着下游距离的增加而降低。在燃料和氧化剂混合在其中完成的区域中发生初始加速，初始加速导致静态温度降低，静态温度降低会减慢自燃反应。减速(发散)区段中的静态温度随后降低会再次触发自燃反应，自燃反应又导致燃烧开始。为了限制压力损失，燃烧之前的马赫数为大约0.3。
在本发明内，不需要再循环区。相反，通过沿着流径的正温度梯度(马赫数从其最大值减小所导致的)使火焰的位置稳定。在这些情况下，虽然火焰位置仍然将随着入口边界状况变化而移动，但该移动受到温度梯度的约束。另外，根据本发明的顺序燃烧器具有相对于扰动自稳定的运行模式。例如，如果入口边界状况有扰动，使得自燃延迟时间增加，则火焰将趋向于向下游移动。但那使火焰移动到马赫数较低且因而温度较高区域中，这相反地会缩短点燃延迟时间。
这会抵销扰动的影响。反之亦然。如果边界状况有扰动，使得自燃延迟时间缩短，则火焰趋向于向上游移动。
但是这会使火焰朝较高的马赫数且因此较低的温度移动，并且因此趋向于相反地增加自燃延迟时间，并且使火焰向下游移动。
因此，扰动的冲击始终被抵销。
考虑到缺乏再循环区，压降系数可减小，而且可允许燃烧之前有较高的马赫数，大约为0.3，同时仍然将压力损失限制在可接受的水平。这允许减小燃烧器的横截面。
在目前的现有技术燃烧器中，依赖再循环区来稳定/锚定燃烧意味着燃烧过程的速率受到流体动态混合的限制，因为通过从再循环区到主流的质量/热交换来实现锚定/稳定。这要求设置燃烧系统的大小，使得驻留时间为几毫秒。在目前的情况下，燃烧不受混合过程的限制，并且可以化学动力反应所提供的速率工作。在CO燃尽率必须为非常低的水平的情况下，所需驻留时间比目前的现有技术低一个量级。在可允许来自燃气涡轮的CO排放增加的情况下，所需驻留时间比目前的现有技术多两个量级。
燃烧器的横截面较小是因为速度较高的流内有燃烧且长度无对应的增加所允许的，而且由于燃烧过程所需的驻留时间短，燃烧器的横截面较小会产生较紧凑的燃烧器。这具有成本、空气流管理和维护方面的好处，并且使得达到机械完整性的目标更容易。移除对于支持再循环区而言必要的前面板或其它非流线型结构可提供进一步简化，材料(例如构成前面板的金属涂层和隔热涂层)和使其温度保持为可接受的水平而言必要的冷却流相关地减少。
燃烧后气体中所需的驻留时间短的额外好处是限制氮氧化物(NOx)的形成速率，特别是在高温下。
因此这允许燃气涡轮的燃烧温度升高，而NOx不对应地增加。
在本发明内，火焰稳定依赖于控制静态温度变化，因为控制流速(马赫数变化)使得燃烧可在专门的燃烧器中以及在涡轮导叶中进行：如本文描述的那样设置导叶的形状可提供容许结合多个级的所需流加速/减速。
现在参照图14，从不同的角度描绘会聚通道105的两个透视图。会聚通道105形成于相邻的导叶之间，其中示出了相向的侧壁60和70。会聚导管105，以及更一般地顺序燃烧器的预混合区段与第一和第二实施例相同，所以以下描述也适用。
沿着会聚通道105，在侧壁60和70上提供燃料喷射器30和混合装置20。混合装置优选呈突出元件的形式，其充当扰流发生器，以便促进氧化剂和燃料混合。在图14的示例中，在混合装置20的下游的侧壁60和70上提供燃料喷射器30。
作为接下来的图15中示出的备选方案，预混合区段包括中心沿着会聚导管105定位且在相邻的导叶之间的翼型元件10。翼型元件10在形状上设置成使得在空气动力上与进入氧化剂流相互作用，并且提供流调节，而且在实践中，将通道105分成两个单独的顶部和底部会聚通道。为此，翼型元件10包括圆化前缘和后缘，后缘相对于混合装置20到达导管中的下游区域。在这种情况下，在翼型元件10的后缘附近提供燃料喷射器30。
参照接下来的图16，会聚通道105的示意性侧面截面图显示了优选几何构造。
特别地，各个导叶具有圆化前缘40，其中，其曲率半径R优选等于在两个相邻的导叶的轴线之间测得的距离D的四分之一。半径R也可更小。
对于翼型元件的圆化前缘(图中未显示)可选择相同的几何构造比例。
此外，相向的侧壁60、70形成会聚通道105，相向的侧壁60、70提供沿着导管的收缩角α，收缩角α具有大约30°的最大值和基本等于20°的优选值。
接下来的图17示出混合装置20的优选几何构造。混合装置20包括三角翼漩涡发生器，分别在燃烧器的截面图和俯视图中，三角翼漩涡发生器具有构建角γ和ω，其等于15°或更大，而且决不超过30°。另外，混合装置20提供高度H，高度H优选等于两个相邻的导叶之间的距离D的四分之一，而且不超过所述距离的三分之一。混合装置20的数量大体根据预混合区段几何构造布置，在各个导叶侧壁60、70上优选不超过十五个装置。
还可将额外的混合装置分配到翼型元件上，如接下来的图18中描绘的那样。这样的额外混合装置可为上面公开的三角翼装置，或者呈波瓣61的形状，其中穿透角α优选地包括在范围10°-22°之内，而且节距λ和高度H之间的比范围0.4–2.5之内，并且优选接近1。
图17中介绍的混合装置20基本是三角形。但是，混合装置也可为不规则形状，如示出的那样，作为图19中的非限制性示例。
还可在其中发生燃烧的扩散器区段的壁上实现扰动加强装置。这些装置可采取相反的三角翼、扰流器、肋或使用较高压力的压缩机空气的流喷射器的形式。
虽然已经结合仅有限数量的实施例来详细描述了本发明，但应当容易地理解的是，本发明不局限于这样的公开的实施例。而是可修改本发明，以结合此前未描述但与本发明的精神和范围相当的任何数量的变型、更改、替换或等效布置。另外，虽然已经描述了本发明的多种实施例，但要理解的是，本发明的各方面可包括所描述的仅一些实施例。因此，本发明不应视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (15)

1.一种用于燃气涡轮的顺序燃烧器(100，200)，包括预混合区段(101)和布置在所述预混合区段(101)的下游的燃烧室，所述预混合区段(101)构造成接收和预混合氧化剂和燃料流，所述顺序燃烧器(100，200)的特征在于，
所述预混合区段(101)沿着一个或多个会聚导管(105)布置，所述氧化剂和燃料流在所述一个或多个会聚导管(105)中被加速到对应于等于0.5或更大的马赫数的速度；
然后使所述氧化剂和燃料流沿着扩散器区段减速，并且在燃烧之前达到对应于0.3的马赫数的速度。
2.根据权利要求1所述的顺序燃烧器(100，200)，其特征在于，所述一个或多个会聚导管(105)是形成于多个导叶(106，206)之间的通道。
3.根据权利要求2所述的顺序燃烧器(100，200)，其特征在于，各个导叶(106，206)包括圆化前缘(40)。
4.根据权利要求3所述的顺序燃烧器(100，200)，其特征在于，所述圆化前缘(40)具有曲率半径，所述曲率半径是两个相邻的导叶之间的距离D的四分之一或更小。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的顺序燃烧器(100，200)，其特征在于，各个导叶(106，206)具有会聚侧壁，所述会聚侧壁沿着所述导管(105)具有等于30°或更小的导管收缩角α。
6.根据权利要求5所述的顺序燃烧器(100，200)，其特征在于，所述导管收缩角α等于20°。
7.根据权利要求2至4中的任一项所述的顺序燃烧器(100，200)，其特征在于，所述预混合区段包括混合装置(20)，其沿着相邻的导叶(106，206)的相向的侧壁(60，70)而分布。
8.根据权利要求2至4中的任一项所述的顺序燃烧器(100，200)，其特征在于，所述预混合区段(101)包括燃料喷射器(30)。
9.根据权利要求8所述的顺序燃烧器(100，200)，其特征在于，所述预混合区段(101)包括沿着所述会聚导管(105)定位在相邻的导叶(106，206)之间的翼型元件(10)，所述翼型元件(10)具有圆化前缘和后缘，所述燃料喷射器(30)设置在所述后缘的附近。
10.根据权利要求2至4中的任一项所述的顺序燃烧器，其特征在于，所述燃烧器腔室包括由一个或多个发散导管(202)形成的扩散器区段。
11.根据权利要求10所述的顺序燃烧器，其特征在于，所述一个或多个发散导管(202)是形成于所述多个导叶之间的通道，并且其中，各个发散导管(202)布置在会聚导管(105)的下游，所述会聚导管和所述发散导管由公共导叶形通道形成。
12.根据权利要求10所述的顺序燃烧器，其特征在于，所述发散导管(202)具有扩张导叶角β，所述扩张导叶角β等于9°或更大。
13.根据权利要求2至4中的任一项所述的顺序燃烧器，其特征在于，所述预混合区段(101)包括扩散器区段(108)，各个扩散器区段(108)布置在各个会聚导管(105)的下游。
14.一种用于运行燃气涡轮的顺序燃烧器(100，200)的方法，所述顺序燃烧器包括预混合区段(101)和布置在所述预混合区段(101)的下游的燃烧室，所述预混合区段(101)构造成接收和预混合氧化剂和燃料流，并且沿着一个或多个会聚导管(105)布置，其中，所述氧化剂和燃料流被允许进入所述一个或多个会聚导管(105)内，并且在其中加速到对应于等于0.5或更大的马赫数的速度，然后使所述氧化剂和燃料流沿着扩散器区段减速，并且在燃烧之前达到对应于0.3的马赫数的速度。
15.根据权利要求14所述的用于运行燃气涡轮的顺序燃烧器的方法，其特征在于，所述燃烧室包括由一个或多个发散导管(202)形成的扩散器区段，所述一个或多个发散导管(202)形成于多个导叶之间，并且其中，各个发散导管(202)布置在会聚导管(105)的下游，所述会聚和发散导管由公共导叶形通道形成，其中，所述氧化剂和燃料流沿着所述一个或多个发散导管(202)减速，并且在燃烧之前达到对应于0.3的马赫数的速度。
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