CN106461219A - 燃烧装置的燃烧器布置 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃气涡轮机燃烧装置(16)的燃烧装置(16)的燃烧器(30)的燃料喷枪(56)具有轴线(79)并且包括：限定燃料流动通道(70)的燃料喷枪主体(68)；以及附接至燃料喷枪主体(68)并与燃料流动通道(70)流体连通的液体燃料顶端(72)，液体燃料顶端(72)包括燃料出口(86)和具有围绕燃料出口(86)布置的出口(90)的空气通道(88)阵列，其中出口(90)布置在围绕燃料出口(86)的圆周的空白扇区(98)的外侧，空白扇区(98)由围绕轴线(79)的在30°至160°之间且包括30°和160°的角度限定。燃烧器(30)包括燃料喷枪(56)和点火器(58)，并且主气流通道(62)布置成将主气流(34A)的至少一部分引导经过燃料喷枪(56)，然后经过点火器(58)，空白扇区(98)具有中心线(100)并且中心线(100)与从轴线(50)起并且穿过燃料喷枪(56)的径向线(102)成+120°至‑120°之间的角度。操作燃烧器(30)的方法包括使燃料喷枪在起动状态与第二状态之间旋转的步骤。

Description

燃烧装置的燃烧器布置
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机的燃烧设备，并且特别涉及用于燃烧设备的燃烧器布置的液体燃料喷枪、燃烧器布置以及操作燃烧设备的方法。
背景技术
包括干式低排放燃烧装置系统的燃气涡轮机当使用液体燃料时在满载范围内点火和运行方面具有困难。通常，这是因为混合气流中的燃料放置和后续的燃料雾化造成的，特别在低负载下。理想地，燃料滴需要非常小，并且被注入到进入位于燃烧器布置附近的燃烧装置的预燃室的气流的适当的部分，以在正确的火焰位置燃烧。另外，燃料滴不应接触任何壁面，但同时燃料滴需要足够靠近点火器以使得点火器能够在起动时点燃气化的燃料。如果燃料滴接触表面，那么这能够导致积碳的累积或漆的形成，并且这能够改变气流特性或者甚至阻塞空气和/或燃料供给孔。
液体先导喷枪能够具有附加的空气助力以帮助液体燃料在一定范围的燃料流上雾化。该空气助力能够通过完全围绕燃料孔口或燃料成膜器(filmer)的多个空气出口来供给。该液体先导喷枪处于容易与液体燃料接触的区域，因此倾向于引起积碳。这些积碳阻塞了空气助力孔并且随后阻碍了燃料的成功雾化。先导燃料的差的雾化还导致了与起动时燃料的点火相关的问题。这是燃气涡轮机燃料喷射系统常见的故障，并且积聚碳是常见的问题。因此，液体先导喷枪被定期地更环，并且并认为是消耗件。这是不理想的，因为这种更换是昂贵的，导致燃气涡轮机例如被离线停止供给电力或动力，并且可能是非计划好的。
发明内容
本发明的一个目的是防止在部件上形成积碳。另一个目的是防止在燃烧装置的燃料喷枪上形成积碳。另一个目的是提高燃烧装置中的燃料的点火的可靠性。另一个目的是提高燃料滴在气流中的载送。另一个目的是提高燃烧装置中液体燃料的雾化。另一个目的是防止液体燃料接触燃烧装置内的表面。另一个目的是减少或防止由于更换或清洁遭受积碳的燃烧装置部件、特别是液体燃料喷枪而导致的发动机的计划好的或非计划好的停机维护。
为了这些和其他目的和优点，提供了一种用于燃气涡轮机燃烧装置的燃烧装置的燃烧器的燃料喷枪，该燃料喷枪具有轴线并且包括燃料喷枪主体和液体燃料顶端，燃料喷枪主体限定了燃料流动通道，液体燃料顶端附接至燃料喷枪主体并与燃料流动通道流体连通，液体燃料顶端包括燃料出口和具有围绕燃料出口布置的出口的空气通道阵列，其中出口布置在围绕燃料出口的圆周的空白扇区(blank sector)的外侧，该空白扇区由围绕轴线的在30°至160°之间、包括30°和160°的角度限定。
出口可以布置在由围绕轴线的在120°至160°之间的角度限定的空白扇区的外侧。
出口可以布置在由围绕轴线的近似140°的角度限定的空白扇区的外侧。
在一个示例中，具有绕燃料出口等距离间隔开的八个出口，并且三个周向相邻的出口被封闭以产生空白扇区。
在本发明的另一个方面，提供了一种用于燃气涡轮机燃烧装置的燃烧装置的燃烧器，该燃烧器包括具有表面和轴线的燃烧器主体、燃料喷枪、点火器以及一个或多个主气流通道，燃料喷枪至少部分地容纳在燃烧器主体内并且包括液体燃料顶端，液体燃料顶端具有燃料出口和空气通道阵列，空气通道具有围绕燃料出口布置的出口，其中出口布置在围绕燃料出口的圆周的空白扇区的外侧，该空白扇区由围绕轴线的达160°的角度限定，出口和燃料出口位于所述表面处或所述表面附近，点火器至少部分地容纳在燃烧器主体内并且具有端面，该端面位于所述表面处或所述表面附近，主气流通道布置成将主气流的至少一部分引导经过燃料喷枪，然后经过点火器，所述空白扇区具有中心线并且该中心线与来自所述轴线并且穿过燃料喷枪的径向线成+120°至-120°之间的角度。
所述一个或多个主气流通道可以相对于燃烧器轴线切向地成角度，以产生主气流的顺时针或逆时针旋流方向，空气通道可以相对于燃料喷枪轴线切向地成角度以产生先导气流的顺时针或逆时针旋流方向。
所述一个或多个主气流通道和空气通道可以都在相同的方向上切向地成角度以产生主气流的顺时针旋流方向和先导气流的顺时针旋流方向，或者可以产生主气流的逆时针旋流方向和先导气流的逆时针旋流方向，并且空白扇区的中心线与来自所述轴线并且穿过燃料喷枪的径向线成达60°的角度。
空白扇区的中心线可以与来自所述轴线并且穿过燃料喷枪的径向线成达20°的角度。
空白扇区的中心线可以与来自所述轴线并且穿过燃料喷枪的径向线成近似0°的角度。词语“近似0°”意在包括0°以及具有相同或类似技术效果的相对较小的非零角度。
所述一个或多个主气流通道和空气通道可以相对地切向倾斜以产生对向旋流的主气流和先导气流，并且空白扇区的中心线可以与来自所述轴线并且穿过燃料喷枪的径向线成0°至120°之间的角度。
点火器可以关于主气流的方向定位在燃料喷枪的下游。
在本发明的另一个方面，提供了一种操作用于燃气涡轮机燃烧装置的燃烧装置的燃烧器，该燃烧器包括具有表面和轴线的燃烧器主体、燃料喷枪、点火器以及一个或多个主气流通道，燃料喷枪至少部分地容纳在燃烧器主体内并且包括液体燃料顶端，液体燃料顶端具有燃料出口和空气通道阵列，空气通道具有围绕燃料出口布置的出口，其中出口布置在围绕燃料出口的圆周的空白扇区的外侧，该空白扇区由围绕轴线的达160°的角度限定，出口和燃料出口位于所述表面处或所述表面附近，点火器至少部分地容纳在燃烧器主体内并且具有端面，该端面位于所述表面处或所述表面附近，主气流通道布置成将主气流的至少一部分引导经过燃料喷枪，然后经过点火器，所述空白扇区具有中心线并且该中心线相对于来自所述轴线并且穿过燃料喷枪的径向线是倾斜的，燃烧器还包括布置成使燃料喷枪绕其轴线旋转的旋转机构，该方法包括使燃料喷枪在起动状态与第二状态之间旋转的步骤。
在起动状态下，空白扇区可以与所述径向线成+120°至-120°之间的角度，并且在第二状态下，空白扇区可以与所述径向线成+240°至0°之间的角度。
第二状态可以是包括弱熄火、部分负载或最大负载的组中的任一者。
在一个示例中，燃料出口是预成膜器，并且可以朝其端面扩散且能够产生燃料锥。在另一个示例中，燃料出口是孔口且能够产生燃料喷雾。在又一个示例中，燃料出口是多个孔口，并且每个孔口均能够产生燃料喷雾。
附图说明
本发明的另外的特征、属性和优点将从下面结合附图对实施方式的描述中变得清楚，在附图中：
图1以截面图示出了结合有本发明的涡轮发动机的一部分；
图2示出了涡轮发动机的燃烧装置单元的一部分的示意性透视图，并且详细示出了包括被主燃烧器围绕的先导燃烧器的根据本发明的燃烧器布置，其中先导燃烧器具有液体燃料喷枪和点火器；
图3示出了先导燃烧器的一部分的示意性透视和剖切视图，并且详细示出了根据本发明的液体燃料喷枪；
图4是沿着燃烧装置轴线并在燃烧器的表面上的视图，其中先导燃烧器基本上被根据本发明的主燃烧器围绕；
图5和图6示出了分别沿着如图4所示的路径A-A和B-B的主气流的截面图，并且图示了从液体燃料喷枪流出的燃料滴的相应的分布；
图7是已知的液体燃料喷枪的顶端并且大体沿着其轴线的视图，示出了围绕燃料出口对称地布置的出口阵列，所述出口阵列将先导气流引导为撞击在液体燃料膜上，剪切液体燃料膜并使其雾化；
图8是液体燃料喷枪的顶端的大体沿着其轴线的视图，示出了围绕燃料出口非对称地布置的出口阵列，能够看到不具有出口的空白扇区，出口的这种非对称布置与本发明相一致；
图9是燃烧器的表面并且沿着燃烧器的中心轴线的视图，并且示出了根据本发明的液体燃料喷枪相对于来自主燃烧器的主气流并且相对于燃烧器的中心轴线的定向；
图10是燃烧器的表面上的示意图，并且包括第一机构，该第一机构能够使液体燃料喷枪绕其自己的轴线旋转，使得空白扇区能够在燃烧装置的不同操作模式期间定向，并且与本发明相一致；
图11是穿过燃气涡轮发动机的截面的示意图，示出了安装在发动机周围的燃烧装置单元的燃烧器，并且包括第二机构，该第二机构能够使液体燃料喷枪绕其自己的轴线旋转，使得空白扇区能够在燃烧装置的不同操作模式期间定向，并且与本发明相一致。
具体实施方式
图1以截面图示出了大致围绕纵向轴线20布置的燃气涡轮发动机10的示例。燃气涡轮发动机10按照流动顺序包括入口12、压气机部分14、燃烧装置部分16和涡轮机部分18，这些部分通常沿流动顺序布置并且大体沿纵向或旋转轴线20的方向。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将涡轮机部分18驱动性地连接至压气机部分12。燃烧装置部分16包括燃烧装置单元16的环状阵列，图中仅仅示出了一个燃烧装置单元16。
在燃气涡轮发动机10的操作中，通过空气入口12摄入的空气24被压气机部分14压缩并被输送至燃烧装置部分或燃烧装置单元16。燃烧装置单元16包括燃烧器充气室26、预燃室29、由双壁筒27限定的燃烧室28以及固定至每个燃烧室28的至少一个燃烧器30。预燃室29、燃烧室28以及燃烧器30位于燃烧器充气室26的内部。经过压气机12的压缩空气31进入扩散器32并且从扩散器32排出到燃烧器充气室26中；从燃烧器充气室26开始，一部分空气进入燃烧器30中并与气态和/或液态燃料混合。空气/燃料混合物然后燃烧，并且产生的燃烧气体34或工作气体从燃烧室通过过渡管35被引导至涡轮机部分18。
涡轮机部分18包括附接至轴22的多个叶片承载转子盘36。在本示例中，两个盘36各自承载涡轮机叶片38的环状阵列。然而，叶片承载转子盘的数量可以不同，即，可以是仅一个盘或者是多于两个转子盘。此外，固定至燃气涡轮发动机10的定子42的导叶40设置在涡轮机叶片38之间。在燃烧室28的出口与前列的涡轮机叶片38之间设置有入口导叶44。
来自燃烧室28的燃烧气体34进入涡轮机部分18并且驱动涡轮机叶片38，涡轮机叶片38继而使轴22旋转以驱动压气机部分12。导叶40、44起到使燃烧气体或工作气体到涡轮机叶片38上的角度最优化的作用。压气机部分12包括轴向系列的导叶级46和转子叶片级48。
除非另有说明，词语“上游”和“下游”指的是经过发动机的气流和/或工作气流的流动方向。词语“向前”和“向后”指的是经过发动机的气体的大致流动。除非另有说明，词语“轴向”、“径向”和“周向”是参照发动机的旋转轴线20而言的。
图2是燃烧装置16的一部分的立体图，示出了燃烧器30、预燃室29以及燃烧室28的一部分。燃烧室28通过双壁筒27(在图1中示出)而形成为管状形状，其中双壁筒27具有燃烧装置轴线50并沿着燃烧装置轴线50延伸。燃烧装置16沿着燃烧装置轴线50延伸并且包括预燃室29和主燃烧室28，其中主燃烧室28绕燃烧装置轴线50沿周向方向61并且大致在预燃室空间29气流方向下游延伸。
燃烧器30包括先导燃烧器52和主燃烧器54。先导燃烧器52包括燃烧器主体53、液体燃料喷枪56和点火器58。主燃烧器54包括具有旋流器叶片60的环状阵列的旋流器装置55，旋流器叶片60之间限定有通道62。旋流器叶片60的该环状阵列大致围绕燃烧器轴线50布置，燃烧器轴线50在本示例中以常规的方式与燃烧装置轴线50重合。旋流器装置55包括主燃料喷射口，主燃料喷射口未示出但在本领域是公知的。主燃烧器54限定预燃室29的一部分。先导燃烧器52位于孔57中并且关于燃烧器/燃烧装置轴线50大致位于主燃烧器54的径向内侧。先导燃烧器52具有限定预燃室29的端壁的一部分的表面64。端壁进一步由主燃烧器54限定。
液体燃料喷枪56至少部分地容纳在限定于先导燃烧器52的燃烧器主体53中的第一孔66中。先导气流通道69形成在液体燃料喷枪56与第一孔66的壁之间。液体燃料喷枪56包括细长的燃料喷枪主体86以及液体燃料顶端72。细长的燃料喷枪主体86为大致圆筒形并且限定燃料流动通道70。液体燃料顶端72安装在细长的燃料喷枪主体86的一端并且位于表面64附近或表面64处。将参照图3更详细地描述液体燃料喷枪56。点火器58容纳在限定于先导燃烧器52的燃烧器主体53中的第二通道74中。点火器58的端部位于表面64附近或表面64处。点火器58是本领域公知的装置并且无需进一步描述。在其他燃烧装置16中，可以设置多于一个的液体燃料喷枪和/或多于一个的点火器。
在燃气涡轮发动机的操作期间，更具体地是在发动机起动时，起动器马达通过曲柄开动发动机，使得压气机14和涡轮机16与轴22一起旋转。压气机14产生被输送至燃烧装置单元16中的一个或多个的压缩空气34的气流。压缩空气34的第一部分或大部分是主气流34A，主气流34A被强迫通过旋流器装置55的通道62，其中旋流器叶片60向压缩空气34施加如箭头所示的旋流。压缩空气31的第二部分或小部分是先导气流34B，先导气流34B被强迫通过先导气流通道69。先导气流34B也能够称为空气助力气流。液体燃料76被迫通过燃料流通道70并与先导气流34B和主气流34A混合以使液体燃料雾化。液体燃料雾化成非常小的燃料滴增大了表面面积，从而增强了后续的气化。
主气流34A大体绕燃烧装置轴线50旋流。旋流器叶片60向主气流34A施加切向分量，从而导致大部分主气流34具有周向流动方向。该周向流方面对于沿着燃烧装置轴线50从表面64或表面64附近朝向过渡管35(见图1)的空气和燃料混合物的大致方向而言是附加的。燃料和空气混合物经过预燃室29并且进入燃烧室28。主气流34A迫使先导气流34B和夹载的燃料靠近点火器58，点火器58然后点燃燃料/空气混合物。
为了起动发动机，当先导燃料被供给并点燃时，起动器马达使轴22、压气机14和涡轮机18旋转至预定的速度。一旦被点燃，燃烧装置的内部几何构型和气流样式便使先导火焰存在。当发动机变为自动力时，起动器马达便能够关闭。当发动机需求或负荷从起动开始增大时，燃料被供给至主燃料喷射口并与主气流34A混合。主火焰在燃烧室28中产生并位于先导火焰的径向向外处。
现在参照图3，其示出了先导燃烧器52的一部分并且详细示出了液体燃料喷枪56的示意性透视和剖切视图。液体燃料喷枪56包括细长的燃料喷枪主体86和液体燃料顶端72，燃料喷枪主体86和液体燃料顶端72是可以成一体的或分开的元件。液体燃料顶端72位于第一孔66的端部的窄部78处并且被窄部78捕获并与窄部78形成紧密配合。在燃料流动通道70的端部，液体燃料顶端72包括旋流板80，旋流板80限定具有入口和出口的燃料导管82阵列。燃料导管82(仅仅示出了其中一个)相对于液体燃料喷枪56的纵向或燃料喷枪轴线79倾斜。在旋流板80的下游的是燃料旋流室84，然后是燃料出口86，燃料出口86在本示例中是燃料成膜器。该燃料成膜器86是发散的(divergent)并且产生液体燃料锥。在其他示例中，燃料出口86可以是产生燃料喷雾的孔口，或者可以是多个孔口，其中每个孔口均产生燃料喷雾。
液体燃料顶端72形成先导气流导管88阵列，先导气流导管88具有与先导气流通道69连通的入口以及围绕燃料成膜器86的出口90。在本示例性实施方式中，先导气流导管88在周向方向上以及在相对于液体燃料喷枪56的纵向轴线79径向向内的方向上都是倾斜的或成角度的。在其它实施例中，先导气流导管88可以是轴向排列的，或者仅仅在周向方向上或者在相对于纵向轴线79径向向内的方向上是倾斜的。在本示例性实施方式中，具有8个先导气流导管88，但在其他实施方式中可以具有更多的或更少的导管。
在燃料流动通道70中流动的先导液体燃料进入燃料导管82的入口并且离开出口，向燃料旋流室84中的燃料施加旋流。旋流的燃料形成燃料成膜器86上的薄膜，这使燃料以相对较薄的锥状流出。先导气流34B冲击燃料锥并将燃料打碎成小滴。来自出口90的空气的旋流涡流使燃料与主气流34A一起雾化。
先导气流34B在发动机起动以及低动力需求下特别有用，此时先导气流34B与较高的动力需求相比具有相对较低的质量流，这是因为低质量流不太能够使液体燃料雾化。有利地，先导气流34B向先导燃料喷枪提供了冷却并且有助于防止燃料焦化和先导燃料喷枪上积碳。
图4是沿着燃烧装置轴线50并且在燃烧器30的表面64上的视图，其中先导燃烧器52基本上被主燃烧器54围绕。液体燃料喷枪56和点火器58示出为安装在先导燃烧器52的燃烧器主体53中。主燃烧器54的旋流器装置55围绕表面64并且通过通道62的环状阵列来引导主气流34B。旋流器叶片60和通道62的环状阵列布置成向主气流34A施加切向流分量，使得当来自每个通道62的气流部分合并时，这些气流部分形成基本上围绕燃烧器轴线50的涡流34C。在本实施方式中，涡流34C如图4所示基本上逆时针旋转；涡流34C也可以说是顺时针旋转，因为涡流34C沿从表面64到过渡管35的方向行进通过预燃室29，然后到达燃烧室28。
在本示例性实施方式中，涡流34C是单个涡流，但在其他示例中，先导燃烧器52和主燃烧器54的布置可以产生在同一个方向或不同的方向并且以不同的旋转速度旋转的多个涡流。
液体燃料喷枪56和点火器58的位置布置成使得旋流或旋转的主气流34A在液体燃料喷枪56上方或周围经过，然后到达点火器58。由于主气流围绕轴线50形成涡流34C，所以液体燃料喷枪56和点火器58定位在距离轴线50近似相同的径向距离处。因此，当燃料喷枪56将液体燃料喷射或喷洒到预燃室29中时，主气流34C夹载燃料并将燃料朝向点火器58输送，在点火器58处能够发生点火。
涡流34C在其质量流内具有很多不同的流速。在本示例中，涡流的用箭头34Cs表示的一部分正在以比涡流的用箭头34Cf表示的一部分低的速度行进。主气流部分34Cs相对于轴线50位于主气流部分34Cf的径向内侧。主气流部分34Cs处于与先导燃料喷枪56的径向内部近似相同的径向位置处，并且主气流部分34Cf处于与先导燃料喷枪56的径向外部近似相同的径向位置处。
图5和图6分别示出了沿着如图4所示的路径A-A和B-B的主气流的截面图以及燃料滴的分布。在图4中，流动路径B-B位于燃料喷枪56和点火器58的径向外侧，而流动路径A-A位于与燃料喷枪56和点火器58的至少一部分近似相同的半径处。
在图6中，燃料喷枪56和点火器58为了参照的目的用虚线示出。如图所示，离开每个通道62的主气流的每个部分均直接跨表面64流动短距离，然后离开表面64并沿着轴线50行进离开表面64，同时主气流的另一部分从周向相邻的通道62加入进来。因此，能够看到，夹载在主气流长流动路径B-B的该部分中的任何燃料滴92都快速地抬离表面64并且因此离开点火器58。
在图5中，主气流34A经过燃料喷枪56上方并继续朝点火器58行进。围绕燃料喷枪56的燃料成膜器86的出口90将先导气流34B引导为撞击在离开燃料成膜器86的燃料锥上并将燃料膜破碎成小滴92。用94示意性示出的来自出口90的先导空气的旋流涡流在燃料与主气流34A混合时使燃料雾化。先导空气94的旋流涡流有效地形成了液体缓冲器(buffer)并使得在其下风侧或下游侧形成再循环区域或低压区域96。该再循环区域或低压区域96将主气流34A吸向燃料喷枪56与点火器58之间的表面64。燃料滴92的一部分也被吸向表面64并且因此靠近点火器58，使得燃料/空气混合物的良好的点火是可能的。
现在参照图7，为燃料喷枪56的顶端72并且大致沿着其轴线79的视图，其中出口90阵列引导具有切向分量的先导气流34B。当来自每个出口90的先导气流34B的各部分融合时，它们合并成先导涡流94。先导涡流94如图7所示沿大致逆时针方向旋转；该涡流94也可以说是沿顺时针方向旋转，因为其沿从顶端72的表面朝过渡管35的方向行进通过预燃室29，然后到达燃烧室28。在一个示例中，具有绕燃料喷嘴的轴线79并且绕燃料成膜器86对称布置的8个出口90。出口的这种布置至少在一开始产生对称的先导涡流94。
然而，在使用中已经发现，出口90变得被落在燃料喷枪56的表面上的液体燃料形成的积碳堵塞。这种堵塞减少了先导气流34B的量，这继而减小了先导气流34B剪切和破坏燃料膜的有效性。结果，燃料/空气混合物的点燃变得更加困难和不可预测。因此，已经先导涡流94的对称性导致特定的气流特性，该特定的气流特性导致液体燃料与燃料喷枪的表面接触并且然后形成堵塞出口90的积碳。
图8是燃料喷枪56的顶端72并且大体沿着其轴线79的视图，其中出口90阵列引导具有切向分量的先导气流34B。在本示例中，出口90中的3个出口被完全封闭在空白扇区98中。空白扇区98由围绕燃料喷枪的轴线79的角度θ限定。在本示例中，角度θ为近似140°，而对于其他示例，角度θ可以在30°至160°之间并且包括30°和160°。60°至160°之间的角度更为有利，并且产生容易被主气流破坏的非对称燃料/空气涡流94。基本上，针对空白扇区98的这些角度涉及被封闭的至少一个、多的话达三个出口。然而，应当理解的是，燃料喷枪的任何其他设计都可以结合比本示例性实施方式所示的8个多或少的出口90。词语“封闭”可以意指存在的出口90例如通过焊接或嵌件被密封，或者通过在新的燃料喷枪的制造期间不形成其中一些通道88和出口99而被密封。中心线100在图8中示出，并且是空白扇区98的中心线或二等分线，以限定燃料喷枪56和空白扇区98相对于燃烧装置室轴线50的定向。
这种布置产生了非对称的先导气流34B输送并且因此产生了非对称的先导涡流94。该非对称的先导涡流94具有保持燃料喷枪56没有落在其表面上的液体燃料并且没有后续的碳沉积物的效果，这是通过在先导燃料喷枪周围产生将先导燃料喷枪56与燃料滴92隔离的气流流型(regime)来实现的。这具有下述优点：先导气流出口90在使用期间不堵塞，并且因此维持了燃料喷雾和雾化的品质。结果，起动时的点火也得到了改善。此外，先导气流和“空气助力”是非对称的增大了局部湍流并且改善了对燃料滴92的剪切，有助于燃料滴92雾化并将燃料滴92推离出口90，因而防止了由于液体燃料与喷射器表面接触而导致任何积碳。
非对称先导气流34B的输送和非对称先导涡流94保持足够强以有效地形成液体缓冲器94并使得在其下风侧或下游侧形成再循环区域96或低压区域96。因此，再循环区域96或低压区域96仍然将主气流34A吸向燃料喷枪56与点火器58之间的表面64。燃料滴92的一部分也被吸向表面64并且因此靠近点火器58，使得燃料/空气混合物的良好的点燃同样是可能的。
已经发现，非对称的先导涡流94能够防止或基本上防止液滴92接触燃料喷枪56的表面，而无论空白扇区98的中心线100的定向如何。然而，如前所述，如果中心线100的定向与涡流34C相比或者相对于燃烧装置室轴线50处于特定的定向，则仅仅对主气流中的燃料滴92向点火器58的输送具有显著的优点。
来自空气通道88的空气立即撞击在从燃料出口86流出的液体燃料上，也就是说，在燃料出口86与空气通道88之间没有其他的空气通道或出口。因此，燃料/空气涡流94可以仅仅通过来自燃料出口的燃料和来自空气通道的空气产生。因此，是来自燃料出口的燃料与来自空气通道的空气的组合产生了非对称的先导涡流94。
现在参照图9，为燃烧器30的表面64并且沿着轴线50的视图，径向线102从轴线50起并且穿过燃料喷枪56的轴线78。燃料喷枪56和点火器58连同从主气流通道62流出的主气流箭头34A一起示出。如前所述，涡流的用箭头34Cf表示的一部分正在以大体比涡流的用箭头34Cs表示的一部分高的速度行进。相对较慢的流基本上位于相对较快速度的空气的径向内侧。
如前所述的燃料喷枪56至少部分地容纳在燃烧器30的燃烧器主体53内，并且出口90和燃料成膜器86位于表面64处或表面64附近。在本示例中，出口90和燃料成膜器86位于燃烧器主体53中的表面64的下方。点火器58也至少部分地容纳在燃烧器主体53内并且具有刚好位于表面64的下方的端面59，但是端面59可以位于表面64处或表面64附近。
燃烧器30还包括气体喷射口122阵列，气体喷射口122大体形成在燃烧器30的径向外部中并且形成在如图2所示的周向唇部124的下方。这些气体喷射口122能够供给先导气体-燃料，这是本领域公知的。
术语“顺时针”和“逆时针”是关于如图9所示的燃烧器30的表面64上的视角而言的。
在本示例性实施方式中，空白扇区98的中心线100相对于从燃烧装置室轴线50延伸至燃料喷枪轴线78的径向线102成近似0°的角度。另外，主气流通道相对于燃烧器轴线50切向地成角度，以产生主气流34A的逆时针旋流方向，并且空气通道88相对于燃料喷枪轴线79切向地成角度，以产生先导气流34B的逆时针旋流方向。然而，在该第一实施方式中，提供本发明的至少一些期望优点的角度的范围是+60°至-60°之间、包括+60°和-60°。最有利的角度范围是+20°至-20°之间、包括+20°和-20°。
在第二实施方式中，主气流通道相对于燃烧器轴线50切向地成角度，以产生主气流34A的逆时针旋流方向，并且空气通道88相对于燃料喷枪轴线79切向地成角度，以产生先导气流34B的顺时针旋流方向。在该第二实施方式中，提供本发明的至少一些期望优点的角度的范围是+120°至0°之间、包括+120°和0°。
在第三实施方式中，主气流通道相对于燃烧器轴线50切向地成角度，以产生主气流34A的顺时针旋流方向，并且空气通道88相对于燃料喷枪轴线79切向地成角度，以产生先导气流34B的逆时针旋流方向。在该第三实施方式中，提供本发明的至少一些期望优点的角度的范围是0°至-120°之间、包括0°和-120°。
因此，总之，空白扇区98的中心线100能够与从轴线50起并且穿过燃料喷枪56的径向线102成+120°至-120°之间的角度。在所有的实施方式中，点火器58都关于主气流34A的顺时针或逆时针方向定位在燃料喷枪56的下游。
燃料喷枪56的上述定位是有利的，因为出口90保持没有积碳，因此保持了燃料膜的良好雾化和良好的起动点火。在点火期间重要的是燃料冲洗点火器58以确保可靠的点火。然而，在其他发动机状态期间、例如在弱熄火(weak extinction)、部分负载或最大负载期间，空白扇区98的其他定向甚至更为有利。在正常的发动机运行期间，在点火或起动以上的发动机转速或功率下，理想的是避免燃料接触或冲洗点火器58，因为这可能形成积碳。因此，在点火时，关于图5描述的状态是理想的，在该状态下燃料滴冲洗或者非常靠近喷射器；并且在正常发动机运行期间，关于图6描述的状态是理想的，在该状态下燃料滴基本上被载送离开点火器。
因此，根据本发明的操作燃烧器30的方法包括使燃料喷枪在起动状态与第二状态之间旋转的步骤。第二状态可以是诸如弱熄火、部分负载或最大负载之类的状态中的任一者。特别地，弱熄火是如下状态：如果燃料供给进一步减小则能够熄灭火焰，并且与火焰稳定性相关。对于具有较低的弱熄火的相同燃料/空气比，火焰不太可能熄灭。
往回参照图8及其描述，空白扇区98具有相对于径向线102成角度或定向的中心线100；在发动机起动状态下，空白扇区98与径向线102成+120°至-120°之间的角度，而在第二状态下，液体燃料喷枪56绕其自己的轴线79旋转，使得空白扇区98与径向线102成+240°至-360°之间的角度。因此，在一个示例中，在起动时，中心线102与径向线102成近似0°的角度，而在高功率状态下，液体燃料喷枪56旋转近似-120°，如图8所示。
为了使燃料喷枪56旋转，提供了旋转机构，并且参照图10和图11描述了两个示例。
图10是燃烧器30的表面上的示意图，并且包括第一机构104，该第一机构104能够使液体燃料喷枪绕其自己的轴线79旋转，使得空白扇区98能够在燃烧装置和/或发动机的不同操作模式期间定向至不同的位置。第一机构104包括具有驱动杆108的致动器106，驱动杆108通过连杆110连接至燃料喷枪56。燃料喷枪56可以通过适当的轴承安装至燃烧器30。第一机构104能够使燃料喷枪在图中用虚线示意性示出的第一定向112和第二定向114之间旋转。每个燃烧器30均配备有第一机构104，并且每个第一机构104均连接至电子控制器116。电子控制器116根据发动机或燃烧装置状态设定致动器106的旋转位置。电子控制器116可以是主发动机控制器或独立的装置。在本示例中，可以根据每个燃烧装置单元所需求的输出或状态来独立地定向每个液体燃料喷枪56。
图11是穿过燃气涡轮发动机10的截面的示意图，示出了安装在发动机周围的燃烧装置单元16的燃烧器30阵列，并且包括第二机构120，该第二机构120能够使液体燃料喷枪56绕其自己的轴线旋转，使得空白扇区能够在燃烧装置的不同操作模式期间定向至不同的位置。在本示例中，类似的部件被给定相同的附图标记，并且以基本类似的方式操作，并且将不再描述。在本示例中，第二机构120包括致动环118，致动器108连接至致动环118，并且每个液体燃料喷枪56驱动性地连接至致动环118以绕其自己的轴线旋转。在本示例中，所有的液体燃料喷枪56都根据燃烧系统所需求的输出或状态同时地旋转。
应当注意，液体燃料顶端72附接至燃料喷枪主体68，使得在使用中时，液体燃料顶端72与燃料喷枪主体68刚性地连接并且不能够相对于彼此移动。然而，液体燃料顶端72可以从燃料喷枪主体68拆卸以便维修或更换。这种可拆卸的附接可以通过协作的螺纹或卡口式配合而实现。另外，液体燃料顶端72和燃料喷枪主体68可以焊接在一起或者例如通过铸造而制成一体。

Claims (15)

1.一种用于燃气涡轮机的燃烧装置(16)的燃烧器(30)的燃料喷枪(56)，所述燃料喷枪(56)具有轴线(79)并且包括：
燃料喷枪主体(68)，所述燃料喷枪主体(68)限定燃料流动通道(70)；以及
液体燃料顶端(72)，所述液体燃料顶端(72)附接至所述燃料喷枪主体(68)，所述液体燃料顶端(72)包括燃料出口(86)和具有围绕所述燃料出口(86)布置的出口(90)的空气通道(88)阵列，
其中所述出口(90)布置在围绕所述燃料出口(86)的圆周的空白扇区(98)的外侧，所述空白扇区(98)由围绕所述轴线(79)的在30°至160°之间并且包括30°和160°的角度限定，
来自所述出口(90)的空气直接撞击在从所述燃料出口(86)流出的燃料上并且产生燃料和空气的非对称先导涡流(94)。
2.根据权利要求1所述的燃料喷枪(56)，其中，所述出口(90)布置在由围绕所述轴线(79)的在120°至160°之间的角度限定的所述空白扇区(98)的外侧。
3.根据权利要求1所述的燃料喷枪(56)，其中，所述出口(90)布置在由围绕所述轴线(79)的近似140°的角度限定的所述空白扇区(98)的外侧。
4.根据权利要求1所述的燃料喷枪(56)，其中，具有绕所述燃料出口(86)等距离间隔开的八个出口(90)，并且周向相邻的出口(90)中的一个到三个被封闭以产生所述空白扇区(98)。
5.一种用于燃气涡轮机的燃烧装置(16)的燃烧器(30)，所述燃烧器(30)包括：具有表面(64)和轴线(50)的主体(53)、燃料喷枪(56)、点火器(58)以及一个或多个主气流通道(62)，
根据权利要求1至4中任一项所述的燃料喷枪(56)，其中，所述出口(90)和所述燃料出口(86)位于所述表面(64)处或所述表面(64)附近，
所述点火器(58)至少部分地容纳在所述主体(53)内并且具有端面(59)，所述端面(59)位于所述表面(64)处或所述表面(64)附近，
所述主气流通道(62)布置成将主气流(34A)的至少一部分引导经过所述燃料喷枪(56)，并且然后经过所述点火器(58)，
所述空白扇区(98)具有中心线(100)并且所述中心线(100)与从所述轴线(50)起并且穿过所述燃料喷枪(56)的径向线(102)成+120°至-120°之间的角度。
6.根据权利要求5所述的燃烧器(30)，其中，
所述一个或多个主气流通道(62)相对于所述燃烧器轴线(50)切向地成角度，以产生所述主气流(34A)的顺时针或逆时针旋流方向，
所述空气通道(88)相对于燃料喷枪轴线(79)切向地成角度以产生所述先导气流(34B)的顺时针或逆时针旋流方向。
7.根据权利要求6所述的燃烧器(30)，其中，
所述一个或多个主气流通道(62)和所述空气通道(88)都在相同的方向上切向地成角度，以产生所述主气流(34A)的顺时针旋流方向和所述先导气流(34B)的顺时针旋流方向，或者产生所述主气流(34A)的逆时针旋流方向和所述先导气流(34B)的逆时针旋流方向，
所述空白扇区(98)的所述中心线(100)与从所述轴线(50)起并且穿过所述燃料喷枪(56)的所述径向线(102)成达60°的角度。
8.根据权利要求7所述的燃烧器(30)，其中，
所述空白扇区(98)的所述中心线(100)与从所述轴线(50)起并且穿过所述燃料喷枪(56)的所述径向线(102)成达20°的角度。
9.根据权利要求7所述的燃烧器(30)，其中，
所述空白扇区(98)的所述中心线(100)与从所述轴线(50)起并且穿过所述燃料喷枪(56)的所述径向线(102)成近似0°的角度。
10.根据权利要求6所述的燃烧器(30)，其中，
所述一个或多个主气流通道(62)和所述空气通道(88)相对地切向地成角度以产生对向旋流的主气流(34A)和先导气流(34B)，
所述空白扇区(98)的所述中心线(100)与从所述轴线(50)起并且穿过所述燃料喷枪(56)的所述径向线(102)成0°至120°之间的角度。
11.根据权利要求6至8中任一项所述的燃烧器(30)，其中，所述点火器(58)关于所述主气流(34A)的方向定位在所述燃料喷枪(56)的下游。
12.一种操作用于燃气涡轮机的燃烧装置(16)的燃烧器(30)的方法，所述燃烧器(30)包括：具有表面(64)和轴线(50)的主体(53)、燃料喷枪(56)、点火器(58)以及一个或多个主气流通道(62)，
根据权利要求1至4中任一项所述的燃料喷枪(56)，其中，所述出口(90)和所述燃料出口(86)位于所述表面(64)处或所述表面(64)附近，
所述点火器(58)至少部分地容纳在所述主体(53)内并且具有端面(59)，所述端面(59)位于所述表面(64)处或所述表面(64)附近，
所述主气流通道(62)布置成将主气流(34A)的至少一部分引导经过所述燃料喷枪(56)，并且然后经过所述点火器(58)，
所述空白扇区(98)具有中心线(100)并且所述中心线(100)与从所述轴线(79)起并且穿过所述燃料喷枪(56)的径向线(102)成角度，
所述燃烧器(30)还包括布置成使所述燃料喷枪绕其轴线(79)旋转的旋转机构，
所述方法包括使所述燃料喷枪在起动状态与第二状态之间旋转的步骤。
13.根据权利要求12所述的操作燃烧器(30)的方法，其中，
在所述起动状态下，所述空白扇区(98)与所述径向线(102)成+120°至-120°之间的角度，并且
在所述第二状态下，所述空白扇区(98)与所述径向线(102)成+240°至0°之间的角度。
14.根据权利要求12或13所述的操作燃烧器(30)的方法，其中，所述第二状态是包括弱熄火、部分负载或最大负载的组中的任一者。
15.根据权利要求1至14中任一项中的适当的权利要求所述的燃料喷枪(56)、燃烧器(30)或方法，其中，所述燃料出口(86)是燃料预成膜器、孔口或多个孔口中的任一者。
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