CN1065947C - 具有改进的单级燃烧系统的燃气轮机 - Google Patents

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Abstract

一种燃气轮机具有确定单级燃烧室的环形壳体和外部燃料-空气预混器系统。压缩空气管道将总压缩空气流量的一部分引向预混合器，并将剩余部分引向燃烧室的稀释区。未稀释燃料空气比的剩余部分压缩空气实现环形壳体和涡轮壳体的对流冷却。预混合器包括有一喷管和一燃料喷嘴，喷管包括一围绕喷管进口和与喷管的进口分隔开的燃料喷嘴出口的带孔的匀流件和预混合引燃件。用气体燃料工作的压比约在5∶1至7∶1间并带有回热器特别有利。

Description

具有改进的单级燃烧系统的燃气轮机
本发明涉及燃气轮机，或其他可以产生低含量氧化氮和一氧化碳的热力装置。本发明尤其涉及一种包括带有燃烧燃料的燃烧系统的装置和方法的燃气轮机，通过在燃烧之前将燃料和空气完全预混合，最好将液体燃料全部蒸发而在发动机全部运行状态下对燃烧区域内的贫油燃烧期提供近似恒定不变的燃烧-空气比。该燃烧系统可以大大降低NOX和CO的含量。
虽然然气机装置例如发动机和燃气发生器，不产生排入地球大气中的氧化氮排放物的绝大部分，但减少这些排放物将减少其总量，在这方面，许多国家颁布了限制其排放量的法律。几乎象所有的化学反应一样，空气中的氮与氧的反应在高温情况下能迅速进行。一种限制NOX形成数量的方法就是限制反应温度。燃气轮机装置中所生成的NOX是在燃烧过程中产生的，该过程存在有整个循环的最高温度。因此，一种限制NOX生成数量的方法是限制燃烧温度。
为了限制燃烧温度，并因此而限制在单级燃烧室(即只具有一个引入燃料和空气的燃烧区)和多级燃烧室中产生的NOX，为此进行了各种努力。该多级燃烧室包括主控燃烧室，该主控燃烧室具有多个依次串联的，并且带有单独的燃烧和空气引入装置的燃烧区。美国专利US-A-4994149，US-4-427842和US-A-4255927公开了单独燃气轮机燃烧室，其中输送到环形燃烧室的燃烧区和稀释区的压缩空气流量可以控制，以降低燃气轮机排气中的NOX浓度。在上述的燃烧室中，分别进入其中的是基本上没有混合的燃料和空气，接着在该同一燃烧室中进行混合和燃烧。也可参看日本专利第55-45379号。美国专利US-A-5069029，US-A-4898001，US-A-4829764和US-A-4766721都公开了两级燃烧室。也可以参看德国实用新型(German Gebrauchsmuster)99215856．0。这里再一次表明：提供给每一级的燃料和空气至少部分是没有与在各自的燃烧区中产生的完全混合气相混合。
也试图采用单独的预混合燃烧室，以便向燃烧室提供一个预混合的燃料-空气流。在公开的申请57-41524中，公开了一种燃烧室系统，该系统似乎在引入分级燃料室之前，在一单独的混合燃烧室中，只对流入到多级罐形燃烧室的总燃料的一部分进行预混合。在美国专利US-A-5016443中，使用许多单独燃烧喷嘴向环形预混式燃烧室喷射燃料。可是，采用多级燃料喷嘴和燃料分配装置的上述结构的复杂性可能导致控制困难，以及高的原始成本。
因此，本发明的目的在于提供一种与燃气轮机的燃气发生器和发动机组件一起使用的燃烧室系统和装置，该装置在燃气轮机的燃气发生器或发动机组件的整个运行范围内，使NOX，CO，未燃物以及燃烧产生的排放量减少。
本发明的另一个目的在于提供一种装置，该装置比其他技术状况的环形燃烧室装置和系统简单得多，因此通过回避多级预混合器的相互匹配，可以简化运行，降低装置的原始成本并基本改进了燃烧-空气控制。本发明也有力地大大减下了热力梯度，从而减少了衬套破裂的条件。
本发明的再一目的在于提供一种预混合器装置，该装置特别适合于在燃烧系统中使用液体燃料。
本发明还有一个目的在于提供一种燃烧室系统和装置，其可以兼顾燃气轮机组件其他元件，尤其是燃气轮机罩的冷却需要。
根据本发明实施例和一般性描述，用于将来自各自源的液体燃料和压缩空气进行预混合并输入燃气轮机燃烧室中的装置包括有一喷管，该喷管具有一进口和一轴线。喷管与压缩空气源实行工作式连接，从而形成一个进入该喷管进口的压缩空气流通道。该装置也包括一个与燃料源工作式连接的燃料喷嘴，并具有一个处于这样的的位置的出口，即在该位置将燃料的细微喷雾输送到喷管的进口区域。喷嘴出口沿喷管轴线，在上游与喷管入口纵向地相隔开。该装置还包括有一个位于环烧喷管进口和燃料喷嘴出口的压缩空气通道中的带孔元件。
最好，各个孔的构成能给向内流经所述带孔元件的压缩空气提供流动方向，该带孔元件是从相对喷管轴的完全径向、混合径向和轴向所构成的组中选取。
最好在位于单个孔的顶端处，在带孔元件的内表面上具有凸缘，每个凸缘具有一个相对喷管轴线以一定角度分布的自由端。
再根据本发明实施例及一般性说明所述，用于与带有燃气轮机罩的燃气轮机的压缩空气源和燃料源一起运行的燃烧室系统包括：一构成燃烧室的壳体；与燃烧源工作式连接的预混合装置；压缩空气源和用于该燃料与部分压缩空气混合并将混合物输送到其中的壳体，及主要用于引导剩余的压缩空气部分，以便对壳体和燃气轮机罩的至少一部分进行对流冷却的管道装置。
最好是该管道装置与壳体流动地连接，以便将剩余空气部分输送到壳体作为稀释空气，然后冷却壳体部分和罩的壳体。
上述发明的技术考虑包括燃烧过程的动力力学。排气中的氧化氮的含量可通过以下公式表示： NOx = 3.2 * 10 - 6 * EXP ( 7.97 * 10 - 3 * T ) P
其中，T为火焰的K氏温度，NOX为燃烧区出来的氧化氮浓度，以NO2表示，按体积计为百万分之几，P为大气压。火焰温度既是完全预混合的混合物的燃料-空气比的函数又是燃烧室入口的空气和燃料温度的函数。经验表明，对于纯燃料如果火焰温度大于约2250°F(1556-1667°K)。利用公式可以看出，在稀释空气被引入以便进一步降低NOX之前，在一个大气压的情况下NOX值将处于0．8～2．0ppmv(体积的百万分比)之间。经验也表明，在这些温度下一氧化碳的值将低于20ppmv，并且在较高的压力下将更低。
通过调节流入预混合器的空气流，使之与燃料成比例，可以保持本发明燃烧室中的燃料-空气比不变。经验表明，只限制平均温度是不够的，因为当燃料按照液滴或扩散气体火焰燃烧时，燃烧是在接近化学单量比的情况下进行，局部温度非常高，因此产生过量的NOX。为产生最低可能的NOX，本发明所述的环形燃烧室在预混合室中，将彻底预混合全部的燃料和燃烧空气；该预混合室包括一个与燃烧室本身相分配的喷管，如果采用液体燃料，则将燃烧中用的燃料和空气预合之前，使该燃料蒸化。在一些燃气轮机的应用中不管功率大小，空气流量都几乎恒定不变(主要是单轴直接连接的发电机，其必须保持恒转速运行)，而一些燃气轮的空气流量随着功率的减少而减少(如自由涡轮和推进装置)。为了使这两种类型装置中保持燃料-空气比不变，常常需要提供一种连接到燃料阀门上的空气阀门，该阀门提供为了使燃料-空气比几乎不变所需的空气量。在这两种类型发动机中，阀门明显是不同的，但其原理相同。
然而，在不需要通过单独的压缩空气阀门对燃料空气比作精确控制的应用中，如在自由涡轮和自由喷射推进中应用那样，本发明的某些方面也是非常有用的。在这些应用中，压缩空气的总的控制在一定程度上，依靠燃气发生器可靠性能测定对燃料流量的属性来实现的，这样，增加燃烧效率，导致预混合的燃料-空气切向进气的结构简化，和基本上将所有没能与燃料预混合的压缩空气流量部分用于对流冷却，这些显著的优点在这些应用中都可获得，在这些应用中压缩空气阀门(如果包括的话)可以预置为恒定开度，或完全去除该阀门。
在本发明中，只利用一个燃烧区，燃烧-空气比和火焰温度总是足够高的，使一氧化碳和碳氢化合物有效地燃烧。本发明通过消除燃烧级之间的过渡区，不仅可以产生氧化氮含低的排放物，也可以产生低含量的一氧化碳和未燃碳氢化合物的排放物。由于本发明员在一个燃烧区，因此不需要区分第一燃烧区和第二燃烧区(多级燃烧室)或冷却上述分开的燃烧区。也可以不需要使用主控火火焰和相关装置。而且，控制系统由于具有一非常精密的燃料的控制阀门，和在大多情况下具有一个对关注的精确度和泄漏更宽松的压缩空气控制阀门而大大地简化。进一步的简化在某些允许去除压缩空气控制阀门的应用中是可能的。
以下特别详细叙述的并示出的空气-燃料混合装置，在其出口具有几乎不变的燃料-空气重量比。当然，在喷管内的所有点有必要保持轴流速度超过湍流火焰速度，并防止由于燃料-空气混合系统中的再循环所引起的任意火舌回闪。如果这些要求满足，燃料-空气混合物离开预混合装置之前，燃烧不可能维持。
本发明的其他目的和优点在某种程度上从以下的说明中可得出，在某种程度上从说明书中可变得清楚化或者可从发明实践中掌握。本发明的目的和优点，可以通过在附属的权利要求中所详细指出的手段和结合而得到。
附在说明书中并成说明书一部分的附图示出本发明的最佳实施例，并和说明书一起解释说明本发明的原理。
图1A为采用本发明所述燃烧室系统的燃气轮机组件的剖面视图；
图1B为图1A中IB方向所示的图1A中的装置的端视图；
图2为具有图1A中的所示的另一燃烧室系统的燃气轮机组件的剖视图，图中AA方向示出涡轮顺时针方向转动时燃烧区的情况；
图3A-3C为图1A中所示的装置的最佳燃料-空气预混合器元件的实验方案的剖面详图；
图4为图3A-3C中所示的发动机燃料-空气预混合器的变型方案的剖面详图；
图5A和5B为采用本发明所述燃烧室系统的另一燃气轮组件的剖视图；
图6A-6C为用于本发明所述燃气轮机组件中的另一种预混合器结构的剖视图；
图7，8和9为采用本发明所述燃烧室系统的另外燃气轮组件的剖视图。
现参看附图中所示的本发明所述的最佳方案。
首先，参照图1A，其中示出一个本发明所述的燃烧室系统，并且一般用标号10标记。系统10与径向燃气轮机组件12一起组合使用对此作出描述。燃气轮机组件12包括有一个其内部安装有一绕轴线18转动的轴16的压力壳体。在轴16的一端安装有用于驱动安装在轴16另一相对端的离心压气机22的径向涡轮20。在图1A塑料的结构中，燃气轮机组件12的功率通过靠进离心压气机22通常以24表示的机械连轴器装置输出。然而，本发明所述的燃气室系统可以用于与例如自由动力涡轮(见图5A)，自由喷气推进装置(未示出)，或任意其他的本领域技术人员能直接体会到的具有一个或多个预混合器装置的燃气轮机系统变型方案相配合的燃气发生器中，但至少在它们最大可能范围内，也可以与轴流或轴流-经流混合式涡轮发动机中和燃气发生器组件中一起使用。
继续参照图1A，燃气轮机组件12通常按如下运行。空气按照箭头26所示方向进入到离心压气机22，然后离心加速使其速度增加，在扩压器28中增加空气静压。排出扩压器28的压缩空气被收集在一压力腔室30中。接着，来自压力室30的压缩空气通过以后将详细说明的燃烧室系统10的预混合器60装置，与来自燃料源32的燃料相混合，燃烧，产生热的排气，该排气经进口导向叶片34流入径向涡轮20，然后产生功率。从涡轮20排出的气体被引入到大气中或后面的发动机组件中。在自由动力涡轮方案中，排出涡轮20的废气被引入到自由动力涡轮中，以进一步产生功率。
根据本发明，燃烧室系统包括有一个确定一燃烧室的圆柱形壳体，该壳体具有一轴线和至少一个靠近一个轴向室的端部的进气孔。重要的是，在靠一个轴向室端的燃烧室的部分，包括有一个单级燃烧区。排气位于轴向室端部的相对端燃烧室部分靠进包括稀释区的，轴向室端部的相对端。壳体还具有以与稀释区相流动连通的稀释孔形式出现的孔装置。
继续参照图1A，如其中所示，燃烧室系统10包括有一个其形状通常为环形的环形燃烧室套筒壳体40。虽然在最佳方案中所示为环形壳体，但罐形的圆柱形壳体也可以使用。壳体40位于压力容器14中，并确定了基本上与燃气轮机组件轴18相一致的轴线42。除了进气口43之外，壳体40在轴线端部44封闭，但在轴线端46是打开的，以构成一环形排气孔48。排气孔48通过通道50经进口导向叶片34与径向涡轮20相流动连通。
继续参照图1A，由壳体所确定的环形室32，包括有两个一般为轴向的具有不同功能的区域。靠进轴线端44的区域54包括有一单级燃烧区，靠进壳体端部46的区域56包括有一稀释区。在壳体40上具有一组通往稀释区56的孔58a，58b。相对壳体轴线42，稀释孔58a为一系列位于壳体40外圆表面上的孔，而稀释孔58b为一系列位于壳体40内圆周表面上的孔。通常包括有稀释孔58a、58b的孔装置，用于将力自以下将详细说明的压缩空气管道装置的压缩空气引导入燃烧室52的稀释区56中。可是，稀释孔并不需要同时位于燃烧套筒的内、外壁面上。例如，如孔58b被采用而且其大小可以接受整个稀释流量，那么孔58a可以去除。
根据本发明，设置至少一个位于圆柱形壳体外侧的燃烧-空气预混合器，用于混合部分压缩空气和燃料，从而提供燃料-空气混合气并将该混合气通过进气口输送到燃烧区。燃料-空气预混合器包括用于接收压缩空气的装置，用于接收燃料的装置，和用于使所接收的压缩空气平滑流动并将该压缩空气与燃料相混合的燃烧室装置。如图1A所示，燃烧系统10还包括有通常由标号60标示的单个燃料-空气预混合器。预混合器60包括有用于接收来自以下将详细说明的管道装置的压缩空气的壳体组件62，和通过燃料管路66用于接收来自燃料源32的单个燃料喷嘴44。图1A中所示的燃料喷嘴是一种“空气喷射”型的燃料喷嘴，其对使用液体燃料特别有利，可以产生雾化并增大蒸化。然而，对气体燃料使用“空气喷射”型喷嘴，在进入到以下将说明的喷管元件之前，在燃料与空气的初始混合期是有利的。因此，本发明所述的燃烧系统不仅限于使用液体燃料或“空气喷射”型燃料喷嘴，气体燃料和其他类型的燃料喷嘴如涡旋型喷嘴也可以使用。
燃料-空气预混合器60还包括有以喷管68形式的混合室装置，该喷管68具有位于燃料-空气预混合器壳体部件62内部的喷管入口70，和与进气口43相连接的喷管出口72。通常，喷管出口72的端部与进气口43相齐平，为了以下将说明的原因并不明伸入燃烧区54中。喷管68确定一流动轴线74，燃料喷嘴64位于使燃料喷雾基本上沿轴线74输入喷管进口70的位置。喷管68的流动横截面和尺寸的选择使燃料和压缩空气在喷管室中能进行强烈和完全地混合，并将所产生的的混合气沿着喷管轴线74按照如箭头76所示的方向引导到燃烧区54。喷管出口72的流通面积的选择，使混合气的最小流速(即怠速期间)应大于燃料-空气混合气的火焰传播速度。如图中78所标示的火焰稳定装置靠近喷管出口72，以增强燃烧区域54的燃烧稳定性。
已经发现可以不需要诸如78一样的火焰稳定装置，因为在喷管中的高度混合(和液位燃料蒸化)，总是趋向于在构成燃烧区域的低速环形室中提供稳定的和在喷管出口处的低速燃烧。在上述应用中，由于燃烧区54中不存在如火焰稳定器78一样的内部结构附件或如喷管出口72的预混合器60元件，因而促进了相对净化的燃烧区，即不将碎片或从连接部分分裂的分离物携带到下游，导致涡轮损坏或突然失效。因此，本发明所述燃烧到的特别净化简单的结构还是一种特殊显著优点和好处。
最好看图1B，混合喷管68的安装使其轴线74基本上与壳体轴线42相切，从而使进入的燃料-空气混合气在燃料区域54内，围绕轴线42涡动。已经发现利用在下面将更详细说明的优选预混合器结构，只通过采用一个由单一燃料喷嘴供给的单一燃料-空气预混合器就可使燃烧室52有足够的供给。然而，本发明期待有可能采用多个燃料-空气预混合器，特别是对于当从轴线42测量时，燃烧室52的径向“厚度”相对小于其外部半径的情况，更是如此。
根据本发明所述的实施例之一，燃烧系统包括一个安装在圆柱形套筒壳体上的点火器，其靠进喷管流动轴线的交叉处。继续参照图1B所示，点火器79靠近流动轴线74和壳体40的交叉处位置，并且在大多情况下只向燃烧区域54延伸很短距离。点火器79的理想位置是能截断从预混合器60散发生的燃料-空气混合气，以便开始燃烧。一旦起动，燃烧54中的涡动的热燃烧气体将自动点燃燃料-空气混合气，此时，(可以是电动的)点火器79正常地关闭。
进一步根据本发明，压缩空气管道装置内连接压气机出口和燃料-空气预混合器，用于将部分压缩空气输送到预混合器压缩空气接收装置，并将剩余的部分压缩空气输送到孔装置，以便向稀释区提供稀释空气并同时对套筒进行冷却。如该实施例所述并继续参照图1A所示，通常用标号80标出的压缩空气管道装置一般包括有，位于压力壳体14和壳体40之间的环形通道82。通道82在压缩空气接收压力室30和环状的压力室84之间延伸，并构成靠近涡轮排气部分的压力容器14的一部分。如前所述，燃料-空气预混器壳体组件62被连接用于连接来自压力室84的压缩空气，以便最后与喷管的进口70相连通。所示的压力室84具有一圆形横截面，但其他的形状，结构和配置是可能的，并且在本发明所考虑的范围内。
从图1A可以看出，通道82的构成使其中的压缩空气对壳体40进行冷却，特别是对直接围绕燃烧区54的壳体部分86进行冷却，在该燃烧区54可能产生最高的燃烧温度。壳体40的部分86的构成只适合于对流冷却，而不需薄膜冷却。也就是说在壳体40的部分84中，壳体具有将通道82中流动的压缩空气与燃烧区54中的燃料-空气混合气相密封隔开的作用。这种结构用于控制燃烧区54中的燃料-空气混合气相密封隔开的作用。这种结构用于控制燃烧区54中的混合气的燃料-空气比，并允许如所希望的贫油燃料-空气比的“单级燃烧室”那样运行。这样的运行可以产生低含量的NOX，未燃燃料和燃料的燃烧产物。如以下所述，本发明所述的燃料系统的特殊结构与其他技术状况的燃烧系统相比较，其NOX的含量非常低。
通道82基本上包围燃烧室52，以便提供对流冷却并向稀释孔58a和58b输送压缩空气。通道82也可以包括一个如图1A所示的用于输送压缩空气的通道82a，该压缩空气流用于冷却靠近涡轮20即涡轮罩的压力容器14部分。涡轮进口导向叶片34可以是薄膜冷却，并可以从通道82或82a中供给冷却气。而且压缩空气管道装置80也可以包括一个单独的通道88，当采用空气喷射型燃料喷嘴，特别是用液体燃料运行时，通道88用于内连接压缩容气接收加力室30和空气喷射型燃料喷嘴64。
根据图1A从上述说明中可以知道，压缩空气管道装置80的作用是将部分压缩空气引导到燃料-空气预混合器60，并基本上将剩余部分的压缩空气引导到稀释孔58a和58b。没有被引导到燃料-空气预混合器或稀释乳的压缩空气，即用于冷却进口导向叶片34的空气是非常少，无论如何不会扰动燃烧区中的燃料-空气比，仅仅较小地稀释进入到涡轮20之前的排气。
进一步根据本发明的一个方面内容，阀门装置位于压缩空气流动通道内，用以确定流入到预混合器的压缩空气流量。压缩空气阀门装置非常重要，其中压气机转速也就是压缩空气的容积流量在如图1A所述应用中，是基本上与燃料流量无关的。如该实施例所述并继续参照图1A所示，阀门90位于燃料-空气预混合器壳体组件62中，用于确定从压力室84到喷管进口70的压缩空气流量。阀门80是可连续调节的，并且一种适当的阀门90的结构将相大本发明的燃料-空气预混合器的一种最佳结构的说明在以下作详细讨论。当阀门开度变化时，预混合器两端的压力降也改变，从而导至流向稀释区的空气流量增加或减小。因此，空气流量的变化和分配都在燃烧室的外部发生适当的改变。
在图2所示的燃烧室系统110中，包括有另一种结构形式的压缩空气管道装置。相对图1A，1B所示实施例，具有相同或相似功能的元件具有相同的标号，但带“100”为基数。在图2中通常用180标示的压缩空气管道装置中，分配管道181设置于压缩空气接收压力室130和围绕壳体140的环形通常182之间，并且燃料-空气预混合器壳体组件162被直接连接到通道182的分配管道181的上游。阀门190位于燃料-空气预混拿器壳体组件162和分配管道181之间的结合部分，利用正面地将空气流量分为流入到燃料-空气预混器160的第一部分，和经分配管道部分181流到通道182的剩余部分。与图1A所示实施例相比较，在图1A中流入预混合器中的压缩空气部分首先基本上全部用于冷却构成燃烧室52的套筒壳体部分86的至少一部分，而在该图2中没有任何流到燃气-空气预混器160的压缩空气部分被用于冷却构成燃烧区152的壳体140的部分186。然而，图2所示实施例确定允许直接控制流入燃料-空气预混合器的压缩空气分量对流入到稀释孔158a和158b中的压缩空气分量之比。虽然在结构上可容易将各元件组装在一起，但原则上讲，如以后将详细说明的那样，燃料-空气预混合器中的阀可直接与燃料-空气预混合器制成一体，不过图1A中所示结构可能最佳的。
进一步根据本发明，燃料管道装置相互连接燃料供应和预混合器燃料接收装置，该燃料管道装置与预混合器燃料接收装置一起构成流至预混合器的全部燃料的流道。燃料阀门装置位于燃料流动通道内，用于确定其中的燃料流量。如本实施例所述并参照图1A所示，燃料管路66与带有燃料喷嘴64的燃料源32相连。如以上所述，燃料阀门92位于燃料喷嘴64正上游的管道66中，其作为一种“空气喷射”型燃料喷嘴予以说明，该喷嘴特别适用于液体燃料。
再进一步根据本发明，燃烧室系统包括有与压缩空气阀门装置和燃料阀门装置工作式相连接的控制器装置，其主要用于控制流入到预混合器的各自压缩空气流量和燃料流量，其主要用于控制流入到预混合器的各自压缩空气流量和燃料流量，以便获得经入口进入到燃烧区的具有预定贫油燃料-空气比的混合气。如该实施例所述及图1A所示，可以是机械式或电动(例如微处理机)控制器94与压缩空气阀门90相连接，主要用于控制直接流入到喷管进口70的压缩空气的流量。当采用“空气喷射”型喷嘴时，虽然流入到燃料-空气预混合器60的总压缩空气的一小部分(一般为5％或更少)可以流过管道88，剩余的95％的空气流量经阀门90控制，以实现对全部燃料-空气比的足够控制。而且，对于采用气体燃料的情况，如在以下所述的例子中采用天然气的情况。管道88被去除，结果输送到燃料-空气预混合器中的所有压缩空气流量将由压缩容气流量阀门控制。
还按图1A所示，控制器94与燃料阀门92实行工作式连接，以便计量输入到燃料喷嘴64的燃料流量。本领域的熟炼人员很清楚，控制器94可以对流入到燃料-空气预混合器60的燃料流量和压缩空气流量进行控制，以便在整个然气轮机组件的运行范围内获得单一的预定燃料-空气比的混合气，所以可燃混合气的质量流量作为负荷的函数而变化。或者，作为替换，控制器94是这样的结构，即它提供按预选顺序的燃料-空气比的混合气作为负荷的函数。根据本公开的及一般的技术知识，本领域中的熟练人员有能力选择并采用适合于特殊用途的适当控制器。
参照图1A和图1B，在运行中，来自压缩空气接收装置30的压缩空气，经过位于壳体40外表面上的通道／包络物82流动，用于冷却壳体40，尤其是用于冷却围绕燃烧区54的部分86。在通道82中流动的压缩空气部分被接纳入压力室84中，然后经由控制器94控制的压缩空气阀门90的控制，通过位于燃料-空气预混合器壳体组件62和84之间的连接部分，该压缩空气流入燃料-空气预混合器60。在喷管68中，该压缩空气部分与来自燃料喷嘴64的燃料相混合，如果采用“空气喷射”型喷嘴，该压缩空气部分可能与少量的另外的压缩空气相混合，并经进口孔43沿喷管轴线74喷射，并进入燃烧室52的燃烧区54。
如图1B所示，通过使喷管轴线74与壳体轴线42相切安装，在燃烧54中产生涡旋流动和燃烧。喷管轴线74的取向选择应相对涡轮的转动方向提供一特定角度方向(顺时针或逆时针)，以便提供某些进口导向叶片的气动卸载。在图1A和图1B所示的结构中，在燃烧区54中顺时针旋转燃烧的燃料-空气混合气，如图2中AA方向所示，并且涡轮也是顺时针方向转动。区域54中的燃料-空气混合物燃烧之后，热的燃气进入稀释区56，在热的燃气穿过通道50经进口导向叶片34进进入到涡轮20用于产生膨胀功之前，在稀释区56中来自稀释孔58a和58b的稀释空气将降低热燃气的平均温度。
本发明所述的燃烧系统10通过在燃烧室外部在燃料-空气预混合器中燃料和空气，(如果采用液体燃料还包括完全蒸化该燃料)与控制输送到燃烧室中的混合气的燃料-空气比一起，获得的燃烧控制，如以前所述，允许大大地降低了NOX，未燃燃料和燃烧产物的含量。此外，利用基本上是全部的压缩空气流量燃烧燃料或稀释涡轮上游的排气，可以明显地降低燃烧室的尖峰温度，结果与一般的燃烧室设计相比较，使燃烧室套筒的寿命延长。
如前所述，本发明所述的最佳燃料-空气预混合器包括有，一压缩空气接收装置；一个具有一个以空气流动平滑方式与压缩空气接收装置工作式连接的进口的喷管；一个包括一喷嘴的燃料接收装置，该喷嘴出口位于使燃料喷雾基本上沿喷管的轴线输送到该喷管的入口的佧，及用于确定输送到喷管进口的压缩空气流量的与压缩空气接收装置相关连的阀门装置。如该实施所述并参照图3A所示，燃料-空气预混合器260包括有以壳体组件262形式的空气接收装置。具有与图1A和图1B前述实施例相同或相似功能的元件，用相同的标号标示但带有一基数“200”。壳体组件262依次包括壳体300，和用于将壳体300安装在燃气轮机组件212的压力容易214上的壳体支承302。壳体支承302是中空的，除了支撑壳体300和其中所包括的元件外，其作用是将力自压力室284中的压缩空气引入壳体300中。在图3A所示的方案中，冷却罩元件303位于燃烧室套筒壳体240和压力容器214之间，以便至少在构成燃烧区254的边界的壳体240的部分286附近形成流动通道282。冷却罩元件303与压力容器214一起，确定了用于接收压缩空气部分的压力室284，该部分压缩空气最终经壳体支承302输送到壳体300。
继续参照图3A，燃料-空气预混合器壳体300分别通过分配器板308分为上游腔304和下游腔306。孔310位于分配器板308内，蝶形阀门板290安装成可以在孔310中转动。在图3A实施例中，位于孔310中的阀门板290的定位通过控制臂(见图3B)进行控制，以便提供一所选择的阻尼开度和压力降。在图3B和图3C中所示的阀门板290的定位时，在阀门板290垂直于分配器平板308的情况阻尼最小，相当于图3C中所示的角度较准板314的“零”位置。控制杆312的位置与指示器314上的任一“9”的位置相对应时，经过孔310流动的压缩空气部分的阻尼和压力降最大。本领域中的熟练技术人员可以体会到，阻尼度和因此对上游腔304和下游腔306之间的压缩空气流量的控制，随着在“零”和“9”位置之间的控制杆312的角度定位的变化而变化，因此控制压缩空气流量使燃料-空气预混合器260平衡，现对此予以详细说明。
分配器板308包括有附加的孔316，喷管268的进口270位于其中。喷管进口270构成便于安装到分配器板308中，使得在分配器板308的上平面与喷管进口270内表面之间，存在有光滑过渡。喷管268延伸通过上游壳体腔304，壳体支承302，经过压力容器214和燃烧室套筒303，并在进口孔243处与壳体240相连接。如以上相对图1A实施例所述，与喷管268中通常与燃料-空气混合物流动方向一致的喷管轴线274的定位，使得相对环形燃烧室壳体240的轴线(未示出)具有一基本切向进气的方向。
继续参照图3A所示，燃烧喷嘴264安装有带有燃料喷嘴出口318的下游腔306内，用于沿喷管轴线274将燃料喷雾喷射到喷管进口270。燃料喷嘴264是涡旋喷雾型，其利用孔320和涡旋叶片322引导一部分压缩空气，以便在燃料雾体经出口318喷出之前使经燃料孔324进入的燃料涡动。在图3A中也可以看出，带孔的平滑流动元件326位于下游腔306中，并围绕燃料喷嘴出口318和喷管进口270，从而避免了喷管中速度不均和分离，否则在喷管中将出现“火焰自锁”。虽然采用带孔元件产生小的压力降，但发现带孔元件326可以增大来自下游腔306经燃料喷嘴264进入喷管入口270的压缩气流的稳定性，在喷管进口270的凸缘部分没有任何分离。
图4所示为图3A-3C所述燃料-空气预混合器的一种可期望大批量生产的改型，其通常用标号360标号。相对图1变换图1B所示实施例具有相同或相似功能的元件，用相同实现标记但具“300”基数。燃料-空气预混合器360包括带有进口370的喷管368，其进口370延伸到稍微高于分配器板408的表面。燃料喷嘴轴线418也延伸到喷管进口370中的一段距离。技术熟炼人员可认识到，与喷管368(以及图3A-3C所示改型中的喷嘴264和喷管268)相结合，燃料喷嘴364的最佳特性根据不同应用可能变化；并且燃料喷嘴出口418的位置，沿喷管进口370附近的喷管轴线374可以调节，以便确定最佳位置。然而，可以预料，带孔大屏蔽元件426也能对图4所示实施提供流动稳定性。最后，与图3A所示结构相比，图4所示实施例在燃料-空气预混合器的结构上，包括有预期的改进，例如采用了整体的钟形壳体400。
如上所述，与上述讨论的图1A和2所示实施例比较本本发明的一些方面可以优先应用于如与自由动力涡轮或自由喷射推进装置相结合使用的燃气轮相的燃气发生器组件，该燃气发生器组件不需要使用压缩空气流量阀门和相关的控制器功能。图5A示意地示出了本发明所述的上述发动机系统之结构，其通常用标号500标示。发动机500包括有燃气轮燃气发生器组件512，该组件512包括将在以下详细说明的燃烧系统510和自由动力涡轮组件513。自由涡轮组件513包括有以-轴流涡轮形式加以描述的自动涡轮513A，但是根据应用需要，自由涡轮513A可以是纯经流式和轴流-经流混合式的。与图1A所示的动力从与轴16相连接的的传动装置24中输出的发动机系统实施例相比较，动力经与自由涡轮轴513B相关联的齿轮传动装置，从图3A所示实施例的发动机系统500中输出。虽然所示的自由动动力涡轮513的转动轴513C与燃气发生器组件的轴线518共轴，但为了满足整个系统500的要求，该轴513C中以安装成一定角度。
在以后的说明中，与图1A实施例相同的元件将标示相同的标号但带有“500”前缀。
根据本发明所述的燃气轮机的燃气发生器组件512，在压力壳体514的内部包括有一机械独立的转子，即安装在轴516上转动的离心压气机522和径向涡轮520。因此，虽然在燃气流循环中燃气发生器512与自由涡轮组件513相互连接。但轴516可以独立于自由涡轮组件513B转动。组件512也包括有带有燃烧室套筒壳体540的燃烧室系统510，该壳体540位于压力壳体514的内部并沿喷管轴线574通过进口孔543接收来自外部预混合器560的混合空气-燃料。喷管轴线574的方向与环形燃烧室套筒壳体540的轴线542相切，如相对上述图1A所述实施例讨论的一样，从而提供有效的涡旋燃烧，并且还使进口导向叶片534部分卸载。见图5B。
图5B也描述了点火器579的现有最佳位置，即在靠进喷管轴线574的交叉点的套筒壳体540上。实验表明，点火器可能位于相对更冷的环境中，即在预混合器，喷管中，因此延长了点火器寿命，并且在套筒壳体540中减少渗透量。由于环形室中的燃料-空气混合物的速度较低，因此图5B中所述的位置也可以保证熄火。
在图5A和图5B所示实施例中，壳体套筒540和压力壳514相配合构成来自压气机压力室530的压缩空气流的通道。在该发动机实施例中，还包括有一环形冷却罩5683，其位于壳体套筒540和靠近压力壳体514的圆周部分之间，并径向地将两者分开。从这些图中可以看出，虽然冷却罩与压力壳体514相配合构成环形压力室584，以便收集引导到预混合器560中用于与燃料混合的那部分压缩空气流，但冷却罩583与壳体套筒540相配合构成对流冷却由套筒540确定的燃烧室的通道582部分。象图1A中所示实施例一样，在图5A所示实施例中，来自压气机出口的那部分压缩空气在进行对流冷却之后离开该通道，然后被引入到预混合器用于与燃料相混合，但是图5A中所示实施例与图1A中所示环形压力室84相比较，其结构比较紧凑。而且，对于靠近相对热的套筒壳体540的压力壳体514部分，冷却罩583提供了热辐射屏蔽，因此可以使用便宜的材料并增加压力壳体的使用寿命。
通道582中的其余压缩空气流经过稀释孔558b流动。不存在相应于图1A中孔58a那样的稀释孔，但稀释孔558b包括两个单独的圆周孔装置558b1和558b2。分配器559和孔558b1和558b2，使流经孔558b2的稀释空气首先经通道582a流入涡轮罩557。技术熟练人员有能力进行所要求的尺寸分析，使稀释空气充分分配以实现所希望的涡轮罩的冷却。如前所述，去除薄膜冷却以控制燃烧区554中的全部燃料-空气比，这是本发明的一个非常重要的好处和优点。
由于上述原因，如果采用了“空气喷射”型液体燃料喷嘴，图5A示出了(虚线)从压气机出口压力室530至预混合器560的管道588。虽然为了清楚起见在图5A中所示的贯穿压气机压力室出口轴向倾斜，但对管道588的进口是相切的并位于压气机出口的轴向平面，以便截获全部气动压力。熟练的技术人员能够设计出本说明所述的适当的进口结构。
除了少量的压缩空气可以增大空气喷射型液体燃料喷嘴的效率，或进一步改进燃气的燃料-空气混合，并且可能用于进口导向叶片冷却以外，所有的压缩空气在其用于与燃料混合或稀释之前，被用于至少对流冷却套筒壳体540部分。这一结构优化了压缩空气存量地对流冷却能力。虽然没有示出，本发明也希望包括有一相应于图2所示实施例的燃气发生器变型方案；其中用于与燃料混合的压缩空气流量部分，不首先用于对流冷却。上述系统的简化结构能够胜过冷却能力的降低，因此是一些应用所希望的。
如图5A所示，为了与预混器560中的燃料直接混合，空气经环形压力室584从通道582中引出。图5A用虚线表示的压缩空气阀门590说明是任选的。在运行期间，它可用于细调燃料-空气比，为了便于运行它可预设一开度，或为了下述原因它可以整体去除。在发动机系统510中，压气机522转速即压缩空气流量在整个运行范围内，基本上正比于燃料流量。因此，对预定的贫油值的燃料-空气比的总控制可以自动实现。由此，用于控制燃料从燃料源532经燃料阀门592流动燃料喷嘴564的控制器594的功能，类似于对动力需要产生反应的一般节流的功能。
在发动机系统510所需的预期运行范围内，所有的燃料-空气混合物被预混器560引入到燃烧区554之同时，辅助燃料供给系统(如图5B中所示的系统596)所以为在起动和怠速状态时提供较富的混合物。系统596包括有从燃料源532(见图5A)供给燃油的常用的燃料雾化喷嘴597，并且辅助燃料流量可以通过阀门598内控制器594进行控制。在该公开实施例中，雾化喷嘴597处于能穿透靠进喷管出口572的套筒壳体540的位置，并径向安装。然而，喷嘴597可以相对喷管568(未示出)沿反切向方向放置，以保证与经喷管568进入的燃料-空气混合物混合。当然，雾化喷嘴597的其它位置结构和定位取向都是可能的，并都认为是落在本发明的一般性提示之内。
图6A-6C所示为用于燃气轮机组件的燃烧室系统中预混合器的另一种替换结构。图6A所示为适用于发动机系统510的“无阀门”设计，其通常用标号660a标示。预混合器包括有壳体662a，具有圆周涡旋叶片665a的燃料喷嘴663a及其取向是使喷管轴线674a与燃烧室的轴线(未示出)相切的喷管668a。如解释上述涉及图3A中带阀的实施例中相应元件的理由一样，带孔的流动平滑元件667a围绕喷嘴664a和喷管668a的入口。预混合器660a另外包括有加热装置，如围绕喷管668a的喉管668a的入口。预混合器660a另外包括有加热装置，如围绕喷管668a的喉部面程并通过电线671a与电源(没示出)工作式连接的电阻加热器套669a。在起动和使用液体燃料期间，油膜容易集中在喷管的内表面上。加热器套669a将增大这些油膜的蒸化，从而加速预混合器中的燃料与空气全部混合。在运行期间，来自压力完684a流经喷管668a的外表面的那部分压缩空气的温度，可以为蒸化液体油膜提供足够的热量，或可以防止形成整体的液体油膜，因此省去连续起动加热套669a的需要。
图6B和6C所示为预混合器的结构，该结构在没有增加喷管长度的情况下，使预混合器中的混合增强，其对使用液体燃料有利。如图6B和6C所示，喷嘴出口可以沿喷管轴线方向与喷管进口分开，直到流动平滑元件的整个轴线长度范围。这种方案允许个别的液体燃料颗粒有较大的可能性与进入的空气混合并蒸化。
重要的是，图6B和图6C中所示的上述结构允许流动平滑元件还具有减小液体燃料颗粒对喷管的内表面冲击的功能，此时在喷管中的液体燃料颗粒可能结合成不希望有的燃料流，并在喷管中可能引起火焰自锁。典型的燃料喷嘴例如雾化喷嘴和“空气喷射”喷嘴便可以到达喷管内表面的燃料滴产生径向向外的分速度。在图6B和6C实施例中，单个孔使燃烧空气流产生径向向内的速度分量，该燃烧空气总是趋于抵消从喷嘴发散出的燃料颗粒的径向向外的移动。当在喷管横截面流通面积下保持好的流动分布时，如图6C中流线675c所示，燃烧空气的径向向内流动的作用使燃料滴逐步转动到主要轴向方向。由于空气对燃料颗粒的剪切作用，还表现出的好处是，燃烧室和液体燃料颗粒之间的径向相反流动增强混合。
流动平滑元件的形状和单个孔的结构(横截面形状，尺寸，取向，分布等)两者可以增大预混合器的能力，以促进比较完全蒸化并减少液体燃料流。由于上述理由，至少一些孔，特别是燃料喷嘴出口的下游的那些孔其结构应产生径向的，或径向和轴向混合型的燃烧空气流。现在最佳的是，孔的结构不产生相对空气流的切向速度(旋转)分量。由上述旋动空气流对燃料颗粒产生的离心力可以加强对燃料滴的冲击和流动。然而，如果燃料喷嘴的型式使燃料滴产生一涡旋喷雾图形，则孔的结构应是能引入相反方向的涡旋的。在这种特殊情况下，相对燃料喷雾的涡旋方向相反方向的涡旋(如燃料为顺时针方向，则为逆时针方向，反之亦然)可以促进混合和蒸化。
继续参照附图，图6B所示为具有“空气喷射”型燃料喷嘴663b，喷管668b，和平滑元件667b的预混合器660b。通常，元件667b为具有径向定向取向的圆孔673b的正圆圆柱体。图6B所示具体实施例中，孔673b的直径典型为0．5至3mm，并且以一固定间距排列，使元件676b至少具有足够的机械完整性。但正如本领域熟练技术人员从本发明公开的内容可清楚知道的一样，孔的尺寸和分布的其他组合，可以根据特殊应用而确定。其他类型的燃料喷嘴也可以用于代替“空气喷射”型喷嘴663b，以便产生更小的尺寸的油滴。如图6B所示，喷嘴出口667b与喷管入口670b沿喷管轴线674b相分离，以允许进入的空气在该轴线方向转动燃料滴，并增强混合和蒸化。
图6C所示预混合器660c也可以具有一“空气喷射”型燃料喷嘴(喷嘴663c)，其出口667c与喷管668c的进口670c沿喷管轴线674c相分离。图6C中所示流动平滑元件670c为带孔的圆顶形，其较小直径的端部683c构成围绕燃料喷嘴出口677c的环形流动通道685c。该环形通道685c允许一部分燃烧空气绕过流动平滑元件667c，并形成一个通常在轴向流过喷嘴出口677c的环形空气幕。
单独的孔673c通常为弯月形并具有沿径向内弯的方向。流动平滑元件667C包括有凸缘元件681c，其位于靠进单独的孔的顶部边缘内表面上并与喷管轴线成约45°角。任何到达流动滑元件内表面的燃料滴很容易流出凸缘681c，并在到达喷管人口之前由空气流经该通孔带走。
在图6B和6C所示的预混合器方实施例，各点火器687b，687c与喷管668c，668c相连。具体参照图C，点火器687c安装在壳体662c中，并穿过喉部下游的喷管668c的壁面。虽然喷管668c中的平均速度可以防止火焰自锁，但点火器687c的结构使型面基本与喷管内部壁面相齐平，以使尽可能少的产生涡旋点火之后，燃料-空气输送到燃烧室，在其中产生稳定的火焰自锁。
图6B和图6C中所示预混合器实施例包括有一压缩空气阀门，并可以优先应用于图1A、7和8所示的燃气轮组件中。由于上述相对图6A预混器实施例作出解释的原因，图6B和6C所示的预混合器的结构，也可以用于如图5A所示的预设阀门开度和或没有阀门(按无“阀门”设计)的组件中。而且虽然没有表示出，但类似于图6A中所示元件669a一样的喷管加热元件可以被用于图6B和6C所示结构中，以促进蒸化。
图7示意性地示出另一种发动机实施例，其可以优先采用本发明燃烧室，即一种如在发明人以前的美国专利US-A-5081832中塑料的燃气轮机系统，其公开内容在此一起作参考。在图7所示实施例中，发动机系统700包括有高压转子711，和机械上独立的的低压子子709。低压转子709包括有，通过轴702由低压涡轮703驱动的低压压气机701。排出低压压气机701的压缩空气流入扩压器704，然后流入高压压气机722，以便进一步压缩。作为高压转子711的元件，高压压气机722，经轴716由高压涡轮270驱动。从高压涡轮720中排出的燃气在扩压器705中被扩压，然后在低压涡轮703中膨胀。由于在美国专利US-A5081832中更详细说明的原因，发动机系统700通常与高压转子711的轴716相连接的传动装置72输出净动力。低压转子709原则上用于向高压转子711供给预压缩的空气，并可能地驱动发动机的保证系统(如润滑)。
如图7所示，发动机系统700包括有燃烧室系统710，其用于通过燃料与来自高压压气机722的那部分压缩空气燃烧，向高压涡轮720提供热的燃气。重要的是，燃烧室系统710利用外部预混合器760，该混合器760包括有燃料喷嘴764(其可以是用于接收经具有用虚线表示的切向进口的管道788，直接来自压气机722的压缩空气的“空气喷射”型)，和切向地向由套筒壳体740所确定的环形燃烧区754供给充分预混合的燃料-空气的喷管768。冷却罩783和套筒壳体740相配合以形成对流冷却通道782部分，而冷却罩783与压力壳体714的圆周接近部分相配合而构成用于将部分压缩空气引入预混合器760的环形压力室784。利用类似于图5A所示的外形和结构，其余的压缩空气流量被用于附加的对流冷却和最后的稀释。
然而，图7中所示的发动机系统结构，在产生动力期间高压转子轴的转速基本恒定不变。象图1A所示实施例的燃气发生器组件512的形式改变的燃料流量。结果，燃烧系统710专门包括有与预混合器760为一整体，并由控制器794控制的压缩空气阀门790，控制器794也控制燃烧阀门792，以达到一预定贫油燃料-空气比。很清楚，虽然没有表示出，图7所示实施例可包括有其他实施例中涉及的特征，这些特征包括：安装有点火器的套筒，辅助的燃料喷雾系统，分级的稀释孔等。
图8所示为本发明所述的燃气轮机组件的另一种燃烧室系统。类似图1A，5A和7中所示的燃烧室系统，燃烧室系统810包括有一具有一单级燃烧区854和一稀释区856的环形燃烧室壳体840，稀释区856接近涡轮进口喷嘴850直接直接上游的稀释孔858b。系统810也包括有一外部预混合器860，其中来自压力室空间884的预定部分的压缩空气，围绕壳体840，利用喷管868与燃料相混合，并经过进口孔843从喷管868流入燃烧区854。如图1A，5A和7所示实施例，在被引导用于进一步冷却燃烧室壳体之后，剩余的那部分压缩空气也基本经稀释孔(如图8中孔858b)流入稀释区。
在图1A，5A和7所示结构中，剩余的那部分流量在稀释孔附近被分为，一部分流至实现涡轮罩冷却(如经过图1A中的通道82a)，另一部分直接流入稀释孔(如沿图1A中的通道82)。根据比较，系统810中的全部的剩余那部分的压缩空气，在经孔858b进入稀释区之前，基本上流经通道882a用于冷却涡轮罩857。根据与例如图5所示实施例的壳体540的容积相比较，壳体840的燃烧容积增大了。这样，剩余的那部分压缩空气既冷却了燃烧室套筒，也冷却了径向涡轮罩，于是罩冷却功能与燃烧室系统提供的一般功能相结合在一起。图8所示结构不复杂，因此比较便宜，并对在涡轮罩857和涡轮820之间的间隙提供足够的控制。
图9示出在此之前所述的本发明所述的特别好的实施例。图9中所示的燃气轮机910包括有一环形单级燃烧室952，该燃烧室952具有一燃烧区954和一稀释区956，并且包括一相关的外部安装的用于向燃烧区954供给预混合的燃料／空气混合物的预混器960。图9中所示燃气轮机910也包括有一压气机装置，在本实施例中该装置的单一级离心压气机922，其用于经过管道982和988将压缩空气的主要部分供给到预混合器欧洲经过通道982a用作燃烧室对流冷却之后，剩余的压缩空气部分经孔958b基本上被输送到燃烧室的稀释区956。预混合器960包括有喷管968和一位于分配器板908内的空气阀门(未示出)，分配器板908通过执行机构912可以活动，并用于基本上确定第一压缩空气流量部分。预混合器960也包括有带孔的屏蔽型流动平滑元件926，其围绕喷管进口970，和“空气喷射”型的燃料喷嘴964。管道988只输送少量的压缩空气(约5％)用于“空气喷射”喷嘴964的运行。图9中所示的燃气轮机还包括有单级径向向内流动的涡轮920，其用于膨胀从燃烧室952接收的热的燃气，并经输出装置924作功。
重要的是，对于图9所示实施例，单级离心压气机922的结构是使其以约为5∶1和7∶1的压比运行，从燃料源932供给的燃料为天然气。一般，为了提高热效率而采用较高的压比，压比约为14∶1是少有的。然而，当使用天然气燃料时，结合外部预混合器960的结构，在上述所引用的压比范围内的适当压比是允许运行的，而不需附加的装置将天然气压缩至超过典型的市售装置的压力水平。这些特征减少了为了提供气体燃料高压燃烧装置的其他方面的重大消耗和能量损失，因此使整个动力生产系统的成本下降。
在上述范围的压比对有效的单级径向向内流动的涡轮也是理想的。特别是，在约5∶1至7∶1之间的压比运行范围内，允许只采用一个单一的径向向内流动的涡轮级就可使燃气基本上完全膨胀。结果，简单地“外伸”结构可以用于将径向涡轮920和离心压气机922安装到轴916的端部，轴916可以用于将径向涡轮920和离心压气机922安装到轴916的端部，轴916可旋转支承在发动机冷件中的轴承上，因此增加可靠性和更大地降低了制造成本。
最后，根据图9所示实施例并由于是上述适中压比的直接结果，可以采用回热器，利用从排出涡轮的膨胀的燃气传出的热量对压缩空气流量进行预热。在图9中，示意性地示出回热器905工作式地连接在歧管907和涡轮排气扩压器911之间，而歧管907与压力室940和通道982相连接。环形密封913将压力室930与通道982分隔。熟练技术人员将清楚，来自压力室930的压缩空气回热器905中加热并返回到通道982中。其结果是使发动机的热效率增加到约40％，这对大批量生产是重要的，特别是在燃料成本较高或用户为了各种加工目的而不需利用来自简单的低成本发动机排气热量时，更是如此。虽然图9中所示实施例对使用气体燃料如天燃气进行了特别说明，但是本技术领域中的熟练人员从上述说明中将明白，该发动机可以使用液体燃料，例如采用适当的燃料喷嘴等，因此本发明所述的燃气轮机表现出多功能性。由于具有特殊结构预混合器的独特的超低排放量的燃烧室，本发明所述发动机可以使用液体和气体燃料，在整个功率范围内在含O215％的情况下，保持排放量低于10ppmv。
为了评定本发明所述环形燃烧室系统的性能，一种具有如图3A至3C所示燃料-空气预混合器的环形燃烧室在大气条件下，利用外部空气源气体燃料(天燃气)进行实验。表1为实验中使用的装置的主要尺寸数值。
表1
Figure 9510918800261
实验是在以下相同的空载的满载的流动状况下进行。虽然一种控制器元件可以使用，但是为了达到预定的燃料-空气比而对流率的调节，是通过人工调节压缩空气阀门290和燃料阀门(没示出)而不是通过控制器进行。表2给出实验的燃料和空气的流率和其它重要参数，以及所测出的NOX值和近似的CO排放物含量。
表2
空载 满载
天气的BTU(热)额室值(焦耳／公斤) 38.02 38.0
燃料流率(克／秒) 22.45 3.12
总空气流率(克／秒) 183 160
燃料-空气比 0.033 0.033
压缩空气的进口温度(℃) 376 430
总压力损失(百分率) 5 3
总空气系数 2.3 2.3
图形系数(百分率) 11 8
NOX(百万分之在15％O2时) 5 3
上面表示出了NOX的排放物相当低，甚至如果在高压运行期间标定，其NOx的排放物仍然足够低于，采用预混合器的现有技术燃气轮机组件燃烧室所考虑的典型状态的数值。见G．Leonarol等人著的“航空改型燃气轮机DLE燃烧系统的发展”、“柴油机和燃气轮机世界”，1993年5月22-24页。
根据上述详细描述的环形燃烧室和燃料-空气预混合器装置，和本发明上述装置的运行方法，技术熟练人员清楚，在不脱离本发明现有的精神情况下可以作出各种改型。因此，本发明并不意味着只限于上述的具体实施例。相反，本发明的范围是由附加的权利要求及其等效物确定。

Claims (20)

1．一种高效率，低排放量的燃气轮机，其包括有：
单级燃烧室；一预混合器其包括有一喷管，一与燃料源相连接的燃料喷嘴和一个空气阀门，该预混合器安装在燃烧室的外面，用于向所述燃烧室输送混合的燃料-空气混合物；单级压气机装置，其压比为约5∶1至7∶1，并通过管道装置工作式连接，用于将作为燃烧空气的第一部分压缩空气流输送到所述预混合器，并将剩余的压缩空气基本上输送到所述燃烧室作为稀释空气；单级径向向内流动的涡轮，其工作式连接，用于接收来自燃烧室的燃气并将其基本完全膨胀，以便产生功。
2．根据权利要求1所述燃气轮机，其特征是所述的单级压气机装置和所述的单级径向向内流动的涡轮，通过利用一伸出结构一起安装在一共同轴上，该轴支承在位于发动机的冷件内的轴承上。
3．根据权利要求1所述燃气机，其特征是包括有一工作式连接的回热器，其利用来自径向涡轮的热的膨胀燃气加热来自压气机装置的压缩空气，以便提高热效率。
4．根据权利要求1所述燃气轮机，其特征是燃料的气体燃料和天然气。
5．根据权利要求1所述燃气轮机，其特征是预混合器还包括有一喷管，其包括有一进口和出口，该喷管进口工作式连接到压缩空气源，以构成一伸入到该喷管进口的压缩空气流动通道，该进口的直接上游的该流动通道的部分包括一进口区；围绕所述喷管进口区域的带孔元件包括所述喷管进口和燃料喷嘴出口，其中燃料喷嘴具有一个出口，该出口设置于向所述喷管进口区域输送燃料的位置，所述喷嘴出口沿该喷管轴线与所述喷管进口相隔开。
6．根据权利要求5所述燃气轮机，其特征是燃料为液体并以喷雾形式从燃料喷嘴喷出，其中带孔元件的单孔的结构是使其向通过该带孔元件向内流动的压缩空气，相对所述喷管轴线提供一径向和轴向的混合方向。
7．根据权利要求6所述燃气轮机，其特征是单个的孔的横截面基本上是半圆形，在位于单独通孔至少一个的顶部边缘外，在所述带孔元件的内表面上，设有一凸缘，该凸缘具有一个相对所述喷管轴线成一定角度设置的自由端部。
8．根据权利要求5所述燃气轮机，其特征是所述带孔元件为一圆顶形，其具有一围绕所述喷嘴出口并轴向地与其分离地变窄的端部，以便形成一条用于引导部分压缩空气流绕过该通孔的环形通道。
9．根据权利要求5所述燃气轮机，其特征是燃料为液体燃料，该发动机包括有一发动机起动时用于加热喷管的加热元件。
10．根据权利要求1所述燃气轮机，其特征是还包括有一位于预混合器内的点火器。
11．根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征是预混合器具有一燃料-空气混合物的流动轴线，所说燃烧室包括一壳体，所述发动机还包括一位于所述流动轴线延长线交点附近的壳体上的点火器。
12．根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征是所述燃料喷嘴为一种“空气喷射”型燃料喷嘴，所述管道装置包括有一直接连接所述压气机装置和燃料喷嘴的单独管道。
13．一种高效率，低的NOx未燃烧燃料，燃烧产物的燃气轮机运行方法，该燃气轮机具有燃料流量供应装置，一具有确定燃烧区和稀释区的壳体的燃烧室，一单级空气压气机装置，一单级径向涡轮，和连接涡轮和空气压气机装置的轴装置，其运行步骤为：
在压比约为5∶1至7∶1之间运行压气机装置；利用预混合器均匀地将全部的燃料流与从壳体向外流出的第一部分压缩空气相混合，并将所得到的燃料-空气混合物输送到燃烧区；基本上使剩余部分的压缩空气进入到稀释区；根据所希望的动力，控制燃料和第一部分压缩空气的流量，从而在燃气轮机的运行范围内，使燃料-空气比和火焰温度基本保持恒定不变。
14．根据权利要求13所述的燃气轮机的运行方法，其特征是燃烧室具有套筒，涡轮具有罩，其运行步骤还包括：在作为稀释空气进气之前，利用剩余部分的压缩空气冷却燃烧室套筒和涡轮罩。
15．根据权利要求13所述的燃气轮机的运行方法，其特征是所述的第一部分压缩空气，直接由包括有空气阀门的装置控制。
16．根据权利要求13所述的燃气轮机的运行方法，其特征是包括：在回热器中，利用从所述径向涡轮排出的热的膨胀燃气预热来自压气机装置的压缩空气的步骤。
17．根据权利要求13所述的燃气轮机的运行方法，其特征是预混合器包括一喷管和一燃料喷嘴，其中均匀地混合步骤包括：从位于沿喷管的轴线与喷管进口隔开的位置处的燃料喷嘴，向该喷管进口雾化液体燃料的步骤。
18．根据权利要求17所述的燃气轮机的运行方法，其特征是喷管具有一内表面，其运行步骤还包括：相对喷管轴线径向和轴向地引导第一部分压缩空气，以便使液体燃料喷雾从喷管的内表面偏离。
19．根据权利要求13所述的燃气轮机的运行方法，其步骤还包括：在燃气轮机起动时在预混合器中点燃燃料-空气混合物，然后点燃的混合物进入燃烧区，在其中进行稳定燃烧。
20．根据权利要求13所述的燃气轮机的运行方法，其特征是涡轮包括有一罩，压缩空气流量的剩余部分在进入稀释区之前，用于冷却涡轮。
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