CN107269390A - 用于燃烧燃料的方法和燃烧设备 - Google Patents

Abstract

公开一种用于燃烧燃料的方法，包括提供氧化剂质量流，提供第一氧化剂部分质量流，使第一氧化剂部分质量流中的燃料燃烧从而提供燃烧产物的质量流，将燃烧产物的质量流提供给导管以及沿流向输送燃烧产物的质量流通过所述导管。方法还包括将第一补充流体的质量流排到所述导管中以及沿基本与流向对齐的排出方向排出第一补充流体的质量流，以便提供基本与燃烧产物流对齐的第一补充流体流。选择性地将第一补充流体提供为氧化剂和预混合燃料/氧化剂混合物之一。方法包括将另外的补充流体的至少一个另外的质量流进一步排到导管中，选择性地将另外的补充流体提供为氧化剂和预混合燃料/氧化剂混合物之一，以及排出基本与流向对齐的至少一个另外的质量流。

Description

用于燃烧燃料的方法和燃烧设备

技术领域

本公开涉及特别是用于在燃气涡轮发动机中燃烧燃料的方法。本公开进一步涉及特别适合执行该方法的燃烧设备。

背景技术

与单级燃烧系统相比，轴向分级燃烧具有提高降速能力的潜力，即，促进部分负载特性，并且减少高负载下的氮氧化物排放。在轴向分级燃烧中，总燃料的一部分在第一燃烧级中燃烧。产生燃烧产物然后引导到第二燃烧级，并且另外的燃料和空气或更一般而言氧化剂排到热的燃烧产物流中，并且实现第二级燃烧。分级燃烧的关键设计参数是流体在第一级和第二级中的驻留时间。另一个关键设计参数是氧化剂在两个级之间的分配。为了使降速能力大大增强到非常低的负载，必要的是能够在使负载斜升时打开第二燃烧级，并且在负载斜降时关闭第二燃烧级。为了与单级喷燃器相比实现减少的氮氧化物排放，而且同时实现充分的燃料燃尽，以便避免一氧化碳和未燃烧的烃或其它未完全燃尽的燃料残余物排放，第二燃烧器级必须在比第一级更热的情况下工作，而且第二级驻留时间必须至少在高负载下保持短。

US 8,112,216公开了一种用于燃烧燃气涡轮发动机中的燃料的方法和装置，其中，燃料在第一燃烧级中燃烧，而且另一种燃料在涡轮上游不远处喷射到因此产生的燃烧产物中。该另一种燃料与来自第一燃烧级的燃烧产物一起燃烧。

发明内容

本公开的目标是公开一种用于燃烧燃料的方法和用于执行该方法的燃烧设备。一方面，公开一种即使在非常低的燃烧负载下也展现良好的部分负载运行特性的方法和燃烧设备。低燃烧负载在这方面意味着在总当量比低的情况下执行方法和运行设备，即，整体上在非常稀薄状况下执行燃烧过程。良好的部分负载运行特性包括没有火焰熄灭趋势的稳定燃烧和供应的燃料完全燃尽两者，以便在部分负载下不排出大量不完全燃尽的燃料残余物，诸如例如一氧化碳和/或未燃烧的烃。同时需要限制在高负载下由于热而形成氮氧化物。另一方面，本公开的目标是公开一种方法，其中可省略对空气分配的控制，或更一般而言，对氧化剂分配的控制。从而，对方法和用于执行该方法的设备的控制可大大简化。

在又一方面，公开一种方法和燃烧设备，它们特别适合在燃气涡轮发动机的框架中使用。

这由权利要求1中描述的主题实现。

鉴于下面提供的公开，公开的主题的另外的效果和优点(不管是否明确提及)将变得明显。

因此公开一种用于燃烧燃料的方法，方法包括提供氧化剂质量流，提供所述氧化剂质量流的第一氧化剂部分质量流，以及使第一氧化剂部分质量流中的燃料燃烧从而提供燃烧产物的质量流。将燃烧产物的质量流提供给导管，并且沿流向输送通过所述导管。将第一补充流体的质量流排到所述导管中。方法进一步包括至少沿基本与流向对齐的排出方向排出第一补充流体的质量流，以便提供至少基本与燃烧产物流对齐的第一补充流体流，其中，选择性地将第一补充流体提供为氧化剂和预混合燃料/氧化剂混合物中的一个。燃烧产物通常包括燃烧的燃料成分和残余氧化剂。

第一氧化剂部分质量流中的燃料在某些情况下可按本领域中已知的稀薄预混合燃烧来燃烧。

由于补充流体沿至少基本与燃烧产物的质量流的流向对齐的排出方向排出，所以将补充流体提供为导管内的流体层。在流体层和燃烧产物的质量流之间的交接部处的剪切力最大程度地减小。从而至少大大避免了补充流体和燃烧产物之间的混合，从而仅由于补充流体和燃烧产物的质量流之间的交接部处的残余剪切力和扩散效应而发生混合。如果将补充流体提供为预混合燃料/氧化剂混合物，则燃料将在补充流体的氧化剂部分中燃烧。因而局部燃烧温度保持较高，从而确保有足够高的温度使燃料即使在低负载下也可完全燃尽。

特别地，在补充流体的质量流或补充流体的质量流中供应的氧化剂的质量流比与参与燃烧过程的总氧化剂质量流有关，也就是说，在补充流体的质量流或补充流体的质量流中供应的所有氧化剂质量流加上第一氧化剂部分质量流的总和不被主动控制，或者是恒定的。所述质量流比也称为“第二级空气分割”，或者更大体地说，“氧化剂分割”，这指的是当与总燃烧器氧化剂质量流有关时，沿轴向分级燃烧级中的第二燃烧级中排出的氧化剂的质量。也就是说，氧化剂不需要复杂的流体管理系统。要理解的是，氧化剂质量流大大超过燃料质量流，并且在燃气涡轮发动机中可轻易地在几百千克/秒的范围中。

另一方面，方法可包括将另外的补充流体的至少一个另外的质量流排到导管中，其中，选择性地将另外的补充流体提供为氧化剂和预混合燃料/氧化剂混合物中的一个，排出至少基本与流向对齐的至少一个另外的质量流，其中，相对于排出的第一补充流体的质量流沿侧向偏移且跨越导管的流横截面而排出至少一个另外的质量流，以便将补充流体的质量流提供为相应的补充流体的侧向层化层。“侧向”在这方面参照流体的流向。

要理解的是，被提供为补充流体或者在预混合燃料/氧化剂混合物中提供的氧化剂可特别地是氧化剂质量流的第二氧化剂部分质量流。但是，在可能的情况下，不要求对上面描述的燃烧过程提供整个氧化剂质量流。氧化剂可理解为包含适合在放热反应中与燃料反应从而释放热的试剂的任何流体。氧化剂在特定实施例中可为空气，并且更特别地可为由压缩机提供的压缩空气，以及甚至更特别地可为由燃气涡轮发动机的压缩机提供的压缩空气。方法在这方面可包括在压缩机(以及特别是燃气涡轮发动机的压缩机)中压缩氧化剂，特别地空气，以及将压缩流体提供为氧化剂质量流。在此情况下要理解的是，氧化剂质量流的部分流可绕过本文描述的燃烧过程，例如为了实现冷却目的等等。在其它情况下，氧化剂可为来自另一个燃烧过程的仍然富氧的或者更一般而言富含氧化剂的废气，或者包括该废气。要理解的是，不意于提供氧化剂的详尽列表。

方法在其它方面可包括在燃烧所描述的燃烧过程中提供的任何燃料之后，将来自燃烧过程的整个质量流提供给燃气涡轮发动机的膨胀涡轮。

在沿至少基本与燃烧产物流对齐且至少基本彼此对齐且此外相对于彼此沿侧向偏移的排出方向排出补充流体的质量流时，至少基本避免了流快速地互相混合，从而将各个补充流体流提供为层，并且将多个补充流体流提供为层化层。如将容易地认识到的那样，沿侧向偏移在这方面表示相对于排出方向沿侧向，使得补充流体的质量流在流横截面上彼此不交迭。

在另一方面，方法可包括排出另外的补充流体的至少两个另外的质量流，其中，相对于第一补充流体流有不同侧向偏移且跨越导管的流横截面而排出各个另外的质量流，以便将补充流体的质量流提供为相应的补充流体的侧向层化层。这隐含地陈述了补充流体的各个质量流彼此沿侧向偏移地排出，使得补充流体的两个质量流在流横截面上彼此不交迭。在更特别的实施例中，另外的补充流体的各个层设置成沿侧向邻近补充流体的至少一个其它层。

由于所有补充流体都沿至少基本与燃烧产物的质量流的流向对齐且进而彼此对齐的排出方向排出，所以将补充流体提供为导管内的流体层。在流体层本身之间和流体层和燃烧产物的质量流之间的交接部处的剪切力最大程度地减小。从而至少大大避免了补充流体的不同层化层之间和各个补充流体层和燃烧产物之间的混合。仅由于所述交接部处的残余剪切力和扩散效应而发生混合。如果将补充流体提供为预混合燃料/氧化剂混合物，则燃料将在补充流体的氧化剂部分中燃烧。从而局部燃烧温度保持较高，从而确保足够高的温度使燃料即使在低负载下也可完全燃尽，以便避免或至少大大减少来自燃烧过程的未完全燃尽的燃料残余物的污染物排放。

在某些实施例中，方法可包括在沿着流向的不同的位置处排出补充流体的各个质量流。这在燃料/氧化剂混合物排出时，允许影响燃料或反应剂分别在燃烧区中的驻留时间，这取决于燃烧装置在合适位置处排出燃料/氧化剂混合物或许多燃料/氧化剂混合物时的热负载。从而，可控制燃料的燃尽速率和热引起的氮氧化物形成量。

以下段落涉及控制所描述的方法中的燃料分配。取决于燃烧设备运行时所处的热负载，以及/或者燃气涡轮发动机运行时所处的负载来执行所述控制。

将理解的是，热负载在这方面要理解为对于质量流特定或燃烧量特定的热负载，一方面，可认为它是对于质量流或燃烧量特定的热释放速率，进而与总燃料/氧化剂比或整个燃烧过程的当量比相互关联。另一方面，如果将热负载理解为描述燃烧状况的参数，则在确定热负载时需要将所提供的氧化剂的温度考虑在内。例如当在燃气涡轮发动机中执行燃烧过程时，在不同的压缩机压力比、周围状况等等下可发现类似的总当量比。这些可在很大程度上影响氧化剂的温度。此外，热负载可与提供给燃烧设备的所有氧化剂质量流的总和有关，或者包括在执行所描述的方法之中。而且，特别地，如果在燃气涡轮发动机中执行方法，则所述总燃烧氧化剂质量流可取决于燃气涡轮发动机的负载，如果例如可变入口导叶位置改变的话。

从而要理解的是，在其中执行方法的燃烧设备的兆瓦级热负载和燃气涡轮发动机的兆瓦级功率输出可能都不足以表现燃烧过程的状况。从而知道使例如总当量比或燃气涡轮功率输出与另外的有影响的数据相关且从而形成描述例如燃烧设备的热负载或燃气涡轮发动机的负载状态的负载参数，以便控制燃料分配，负载参数又指示内燃机的热负载。本领域技术人员将能够轻易地确定合适负载参数或一组合适负载参数来控制燃烧设备的运行。

当本文公开的方法在合适燃烧设备中执行，且燃烧设备以不同的热负载运行时，方法可包括当燃烧器以热负载参数的第一阈值运行或者在第一阈值以下运行时，将补充流体的各个质量流提供为氧化剂的质量流，而且当燃烧设备在热负载参数的第一阈值以上运行时，将至少一个补充流体的质量流提供为预混合燃料/氧化剂质量流。

从而，如果燃烧设备以低热负载运行，也就是说，总燃料/氧化剂当量比低，则燃料仅提供给第一氧化剂部分质量流且在第一燃烧级中燃烧。从而，当燃烧第一氧化剂部分质量流或第一燃烧级中的燃料时，可提供足够的当量比。从而实现第一氧化剂部分质量流中的燃料的稳定且完全燃烧，从而实际上使得在燃烧产物的质量流中不存在一氧化碳和/或其它未完全燃尽的燃料残余物。在第一阈值负载以上，总燃料质量流的一部分转移到至少一个补充流体。从而，可有效地限制由于第一氧化剂部分质量流中的燃料燃烧而使得热引起氮氧化物形成。将补充流体中的燃料提供为预混合燃料/氧化剂混合物，并且特别地提供为低于化学计量的稀薄预混合燃料/氧化剂混合物。选择阈值负载，使得来自第一氧化剂部分质量流中的燃料燃烧的燃烧产物的温度足够高，以允许预混合燃料/氧化剂混合物由于所述温度而自燃，同时仍然使在第一氧化剂部分质量流中的燃料燃烧之后使得热引起的氮氧化物形成量保持处于可接受的低水平。作为一个实例，一个所述温度可为至少大约1800K。这个预混合燃料/氧化剂混合物因此在接触两个流之间的交接部处的燃烧产物时将同时点燃。要注意的是，燃料/氧化剂混合物排出，以便避免与其它流体快速混合，并且从而在空间上限制由燃料/氧化剂混合物提供的燃料燃烧。从而，预混合混合物的燃烧温度保持足够高，以确保预混合燃料完全燃尽，并且从而避免有未完全燃烧的残余物。由于预混合燃料/氧化剂混合物的燃烧，热引起的氮氧化物形成量从另一方面来说较低。

同样，当方法执行为燃烧燃气涡轮发动机中的燃料时，方法可包括使燃气涡轮发动机以燃气涡轮发动机的不同负载运行，当燃气涡轮发动机以燃气涡轮发动机的第一负载运行或者在第一负载以下运行时，将补充流体的各个质量流提供为氧化剂的质量流，以及当燃气涡轮发动机在燃气涡轮发动机的第一负载以上运行时，将至少一个补充流体的质量流提供为预混合燃料/氧化剂质量流。好处将与上面那些类似。

方法可根据另一方面包括当燃烧设备和/或燃气涡轮发动机以负载参数的相应的阈值运行或者在阈值以下运行时，将补充流体提供为氧化剂，以及当燃烧设备和/或燃气涡轮发动机以负载参数的相应的阈值运行或者在阈值以上运行时，将补充流体提供为预混合燃料/氧化剂混合物。要理解的是，如果补充流体的多个质量流排到燃烧产物的质量流中，则阈值负载对于各个补充流体质量流可为不同的。从而实现下者：被提供为预混合燃料/氧化剂混合物的补充流体的数量随着燃烧设备的热负载和/或气涡轮发动机的负载燃的增加而逐步增加，以及随着负载的减小而减小。改变被提供为燃料/氧化剂混合物的补充流体质量流的数量可用来使预混合燃料/氧化剂混合物的当量比保持在容许范围内，该容许范围允许实现所提到的低氮氧化物形成和燃料完全燃烧的效果。

相应的补充流体在燃烧产物流的越下游排出，可将负载参数的相应的阈值选择得越高。从而，随着负载增加，补充流体中的燃料燃烧产物流的越下游的位置排出，并且因此越接近在补充流体中提供的燃料在其中燃烧的第二燃烧区的下游端。进而，随着负载增加，反应剂在燃烧区中的驻留时间减少，从而支持具有低氮氧化物形成的燃烧。另一方面，随着负载减小，反应剂在燃烧区中的驻留时间增加，从而支持燃料完全烧尽。

将容易地理解，用于控制将补充流体的质量流提供为氧化剂(也就是说，其中未提供燃料的纯氧化剂)或者燃料/氧化剂混合物的控制负载参数的阈值可为不同的，以从氧化剂变成燃料/氧化剂混合物，而非反过来。特别地，与当负载斜升时，使氧化剂转变成燃料氧化剂相比，当负载斜降时，从燃料/氧化剂变成氧化剂可在更低的阈值下实现。这种控制滞后现象以众所周知的方式提高控制稳定性。

在某些实施例中，将参与方法或相应地提供给燃烧设备的总燃烧氧化剂质量流(即，第一氧化剂部分质量流加上补充流体的所有质量流中提供的所有氧化剂质量流的总和)的40%至60%，在具体示例中，至少大约50%，提供为第一氧化剂部分质量流。在具体实例中，可在燃烧产物的流向上的三个不同的排出位置处提供补充流体流。流向上的位置对燃料和燃料残余在燃烧区中的驻留时间有影响。补充流体在越下游排出，驻留时间越短。在更具体的实施例中，20%至30%的总燃烧氧化剂质量流可在第一最上游排位置处排出，在更具体的实施例中，可为至少大约25%。随之排出的燃料的燃烧驻留时间可为例如7微秒。10%至20%的总燃烧氧化剂质量流可在布置在第一排出位置下游的第二中间排出位置处排出，在更具体的实施例中，可为至少大约15%。随之排出的燃料的驻留时间可为例如5微秒。5%至15%的总燃烧氧化剂质量流可在第三最下游排出位置处排出，在更具体的实施例中，可为至少大约10%。随之排出的燃料的驻留时间可为例如3微秒。

在某些实施例中，补充流体在较接近导管的壁的地方，在更下游排出。可提供在更下游排出的补充流体流，以包围在更上游排出的流。在上面提供的示例中，可提供在流向上的第一排出位置处排出的补充流体作为中心排出流。中心第一排出流可被在流向上的第二位置处排出的第二排出流包围。第二排出流进而可被在第三最下游位置处排出的第三排流包围。

可按比例分配第一氧化剂部分质量流中的在第一燃烧级中燃烧的燃料，使得在将燃料添加到补充流体的任何质量流之前，燃烧产物的温度达到至少大约1800K，以确保在补充流体中提供的燃料自发地自燃。当在补充流体中提供燃料时，可控制第一氧化剂部分质量流中的在第一级中燃烧的燃料质量流，以便使相应的燃烧产物的温度保持至少大致恒定在所述1800K。要理解的是，作为方法的产物的最终热气体流的温度超过第一级燃烧产物的所述温度。

另一方面，公开一种特别适合执行上面描述的方法的燃烧设备。燃烧设备包括第一燃烧级或区，以及提供为接收来自第一燃烧级的燃烧产物的导管。提供燃料/氧化剂预混合装置。燃料/氧化剂预混合装置在其排出端处与导管中提供的排出设备处于流体连通，其中，排出设备布置和构造成将接收自燃料/氧化剂预混合装置的流体排到导管中的燃烧产物流中，并且使其至少基本与燃烧产物流的流向对齐。要理解的是，可提供不止一个排出燃料/氧化剂预混合装置，它们各自与至少一个排出设备处于流体连通。各个排出设备与一个预混合装置处于流体连通，以便仅排出接收自一个预混合装置的流体。当燃料提供给预混合装置时，由相应的排出设备排出的流体是燃料/氧化剂混合物。如果燃料未提供给预混合装置，则在相应的排出设备处排出的流体仅仅是氧化剂。要进一步理解的是，尤其是在提供了排出设备的区域及其下游，形成第二燃烧级或燃烧区。

在某些实施例中，燃烧设备可包括至少一个另外的燃料/氧化剂预混合装置，其中，另外的燃料/氧化剂预混合装置在其排出端处与导管中提供的另外的排出设备处于流体连通。另外的排出设备布置和构造成将接收自另外的燃料/氧化剂预混合装置的流体排到导管中的燃烧产物流中，并且使其基本与燃烧产物流的流向对齐。各个排出设备设置和构造成排出相对于从互相排设备中排出的流体在导管的通流横截面上沿侧向偏移的相应的流体，使得特别地提供来自排出设备的排出流，而在导管的通流横截面上无交迭。与不同的燃料/氧化剂预混合装置处于流体连通的排出设备在更具体的实施例中可设置在导管中，在导管的通流方向上相互偏移。

进一步公开一种燃气涡轮发动机，它包括上面描述的至少一个燃烧设备。在某些方面，可在膨胀涡轮入口的附近和上游提供至少一个流体排出装置。

要理解的是，上面公开的特征和实施例可彼此结合。将进一步认识到，在本公开和声明的主题的范围内可想象得到另外的实施例，它们对于本领域技术人员来说是明显和显而易见的。

附图说明

现在通过附图中显示的示例性实施例来更详细地解释本公开的主题。附图显示

图1是燃烧设备的图示，它示出了上面公开的方法在低负载下执行；

图2是燃烧设备的图示，它示出了上面公开的方法在低中间负载下执行；

图3是燃烧设备的图示，它示出了上面公开的方法在高中间负载下执行；

图4是燃烧设备的图示，它示出了上面公开的方法在高负载下执行；以及

图5是定性地显示参与燃烧的不同流体的燃料/氧化剂比的示例性过程的曲线图。

在理解的是，附图是示意性的，而且为了方便理解和描绘，可能已经省略了不需要用来实现指导目的的细节。要进一步理解的是，仅仅显示了挑选出来的示例性实施例，但未显示的实施例仍然可在本文公开和/或声明的主题的范围内。

部件列表

1燃烧设备

11第一燃烧级

12喷燃器

13火焰

14导管

15火焰

16火焰

17火焰

101第一氧化剂部分质量流

102燃料的质量流

103燃烧产物、燃烧产物的质量流

104补充流体、补充流体的质量流

105补充流体、补充流体的质量流

106补充流体、补充流体的质量流

107废气质量流

114补充流体层

115补充流体层

116补充流体层

FAR燃料/空气比、燃料/氧化剂比

FAR₁₁第一燃烧级的燃料/空气比、燃料/氧化剂比

FAR₁₀₄补充流体104的燃料/空气比、燃料/氧化剂比

FAR₁₀₅补充流体105的燃料/空气比、燃料/氧化剂比

FAR₁₀₆补充流体106的燃料/空气比、燃料/氧化剂比

P燃气涡轮发动机的负载参数、相对负载。

具体实施方式

执行本公开的教导的示例性模式

通过在图1至4中显示的示例来详细地标明上面公开的用于燃烧燃料的方法和适合执行该方法的示例性燃烧设备。燃烧设备1大体包括第一燃烧级11。一般喷燃器12设置成与第一燃烧级11处于流体连通且在第一燃烧级11的上游。喷燃器12可为任何本领域技术人员已知的类型，诸如(但不限于)任何类型的扩散喷燃器或预混合喷燃器，例如(但不限于)EP321809、EP780629、WO93/17279或EP945677中公开的。从而喷燃器12的图示要理解为象征性的，并且大体来说，可应用适合接收氧化剂和燃料和准备可燃燃料/其氧化剂流的任何装置。提供氧化剂质量流。所述氧化剂的第一部分质量流101，例如来自燃气涡轮发动机的压缩机的压缩空气，提供给喷燃器12。另外，燃料102的质量流提供给喷燃器12。可燃燃料/氧化剂流燃烧，如火焰13示出的那样。产生燃烧产物的质量流103，并且它沿大体由在燃烧设备1内部的下游的103处的箭头指示的流向流动且由导管14接收。在导管14内，补充流体的质量流104、105和106排到导管14中。补充流体的质量流的排出一方面在燃烧产物103的质量流的流向上实现沿轴向分级。补充流体质量流104在补充流体质量流105的上游排出，补充流体质量流105又在补充流体质量流106的上游排出。另外，补充流体的质量流以沿侧向分级的方式实现排出，即，横向于燃烧产物103流的方向分级，或者跨越导管14的流横截面分级。也就是说，关于燃烧产物流，使补充流体的各个质量流相对于补充流体的其它质量流沿侧向偏移，并且在补充流体的另一个质量流附近。在显示的示例性实施例中，补充流体104的质量流在燃烧产物流的最上游和导管14中的最深处或者最接近导管14的中心处排出，而补充流体106的质量流则在燃烧产物流的最下游和最接近导管14的壁的地方排出。补充流体105的质量流在它们之间沿流向排出且横向于该流向排出。为了在导管14的内部区域中排出补充流体的质量流104和105，例如可提供合适的管道系统作为排出设备。补充流体的质量流106可通过例如管道系统排出，或者通过孔口排出，例如导管14的壁中提供的沿周向布置的狭槽。可想象得到用于在导管14中的合适位置处排出补充流体的质量流的其它设备。大体上，可发现能够排出导管内的补充流体的质量流的具有下面阐述的排出特性的任何设备都是合适的。但是，排出设备必须能够经受住燃烧产物103流的温度。另外，沿排出方向排出的补充流体的质量流至少基本与燃烧产物流对齐且定向在燃烧产物流的下游。此外，沿至少基本彼此对齐且平行的方向提供排出的补充流体的质量流。从而，至少大大避免补充流体质量流之间或补充流体的质量流之间有快速的相互混合，而且它将仅在相应的排出设备的下游较远处发生。从而，形成补充流体的层化层114、115和116。下游导管14废气质量流107从导管14排出。不言而喻，质量流107是提供给导管14的所有质量流的总和，即，燃烧产物的质量流103加上补充流体的所有质量流104、105和106的总和。另外，废气质量流107还可包括冷却剂。废气质量流107例如可导引到燃气涡轮发动机的膨胀涡轮，或者其中需要热流体流的另一个装置。

如上面提到的那样，燃烧设备1包括具有至少一个喷燃器12的第一燃烧级11，以及接收来自第一燃烧级11的燃烧产物流的导管14。注意，可提供多个(至少两个)喷燃器和/或第一燃烧级，以对导管提供燃烧产物103的共同质量流。同样，由单个喷燃器提供或者由第一燃烧级或第一燃烧级中的许多(即，至少两个)喷燃器共同提供的燃烧产物质量流可分配给许多(即，至少两个)导管14，其中补充流体排到导管内部的燃烧产物流中。例如，第一燃烧区可由燃气涡轮发动机的传统燃烧室提供。可在燃气涡轮发动机的膨胀涡轮的上游提供配备有适合将补充流体排到燃烧产物流中的器件的环形导管或环形分配导管。在导管中提供用于排出补充流体的质量流104、105和106的排出设备，其中，“在导管中”在这方面还可表示在导管壁处提供，以便将流体排到导管中。如注意到的那样，排出设备的具体结构在本公开的框架内是无关紧要的，只要它们适合像本文公开的方法所要求的那样排出补充流体的质量流即可。虽然为了简单和清楚地描绘，未用参考标号指示排出设备，但由于对从其中排出的流104、105和106的描绘，它们的位置是非常清楚的。提供排出设备，它在导管14内的预期流向上相互偏移，并且它们布置成相互沿侧向偏移，也就是说，在导管的通流横截面中，或者，另一方面，提供排出设备来以相互沿侧向偏移的方式排出补充流体的质量流。考虑到以下描述将变得明显的是：燃料/氧化剂预混合装置将补充流体的各个质量流提供给排出设备，使得可选择性地将各个补充流体提供为氧化剂或预混合燃料/氧化剂混合物。各个燃料/氧化剂预混合装置在其下游端处与至少一个排出设备处于流体连通。特别地，各个排出设备与仅仅一个燃料/氧化剂预混合装置处于流体连通。

当根据上面提到的本文公开的方法运行燃烧设备1时，燃料102的质量流供应给喷燃器12，并且在第一燃烧区11中与第一氧化剂部分质量流101一起燃烧。特别是在燃烧设备的低热负载下，也就是说，在提供给燃烧设备1的较低的总燃料质量流下，提供补充流体的所有质量流104、105和106仅仅作为氧化剂，而不添加燃料。因此，提供给燃烧设备1的所有燃料在第一燃烧区11中燃烧，而且在第一氧化剂部分质量流101中燃烧。第一氧化剂部分质量流101可表示提供给燃烧设备1的50%或者大约50%的总氧化剂质量流。由于在这种情况下仅仅第一氧化剂部分质量流101参与实际燃烧过程，所以实际燃烧的当量比在较低的总燃料质量流下已经较高。从而，已经在低的部分负载状况下实现稳定燃烧。燃烧温度已经在低的部分负载状况下达到燃料良好且完全燃尽的水平，从而使得实现不完全燃烧产物的排放低，诸如例如一氧化碳和未燃尽的烃。

将认识到，负载在这方面可理解为对质量流专有的热负载，一方面，可认为它是对质量流专有的热释放速率，它与燃烧设备的总燃料/氧化剂比或当量比相互关联。另一方面，如果将热负载理解为描述燃烧状况的参数，则在确定热负载时必须考虑到所提供的氧化剂的温度。在这方面可基于合适负载参数来对燃烧设备执行控制，考虑最相关的影响变量。例如当燃烧设备在燃气涡轮发动机中运行时，可在不同的压缩机压力比下发现类似的总当量比，并且从而还可取决于燃气涡轮发动机的负载参数来控制下面标明的运行模式。为了便于下面的描述，将在一般意义上参照“负载”。本领域技术人员将容易地能够确定用于控制燃烧设备的运行的合适负载参数或一组合适负载参数。

随着负载升高，同时燃料仅仅作为燃料质量流102供应给喷燃器12，而提供补充流体的质量流104、105和106作为纯氧化剂，其中没有燃料，并且从而燃料仅在第一燃烧区11中燃烧，火焰13和燃烧产物103的质量流的温度会升高。这可使得热引起的氮氧化物形成量大大增加，以及使得燃烧设备的污染物排放大大增加。从而，在某些阈值负载以上，对补充流体的质量流104添加燃料。从而提供补充流体的质量流104作为预混合燃料/氧化剂混合物。在这方面参照图2。包含在质量流104中的氧化剂质量流可占提供给燃烧设备的总氧化剂质量流的大约25%或者至少大约25%。作为预混合燃料氧化剂质量流提供的补充流体的质量流104将在接触到来自第一燃烧级的热燃烧气体之后自燃且在火焰15中燃烧，以及/或者在火焰15的下游燃烧。特别地，当提供稀薄预混合燃料/氧化剂混合物时，热引起的氮氧化物形成量相当低。由于来自第一燃烧级11的已经热的燃烧产物103的原因，预混合燃料/氧化剂混合物将在关于预混合当量比的大范围内可靠地燃烧。补充流体的质量流104在最上游导管14处排出，并且从而燃料或相应地燃料残余物在导管14中的驻留时间足够高，以允许其中提供的燃料完全燃尽。可控制燃料质量流102，以使第一燃烧级11中的当量比至少保持基本恒定。在另一个实施例中，可控制燃料质量流102，以使第一级燃烧产物的温度至少保持基本恒定，例如保持在1800K的范围中，或者保持至少大约1800K。这个温度水平确保任何燃料/氧化剂预混合流的可靠自燃物排到第一级燃烧产物流103中，同时第一燃烧级中的热引起的氮氧化物形成量仍然保持处于可接受的水平。

提供为补充流体的质量流104的燃料/氧化剂混合物越多，就将产生越多氮氧化物。从而，由于负载参数超过另一个阈值水平，所以还将提供补充流体的质量流105作为稀薄预混合燃料/氧化剂混合物。包含在补充流体质量流105中的氧化剂质量流可占提供给燃烧设备的总氧化剂质量流的大约15%或至少大约15%。补充流体的质量流105排到导管14中，以便在由质量流104形成的流体层114附近形成流体层115。如图3中示出的那样，提供为补充流体质量流105的燃料/氧化剂混合物自燃，并且其中包含的燃料在火焰16中燃烧，并且在火焰16的下游燃烧。如果合适的负载参数仍然超过另一个阈值，则还提供补充流体的质量流106作为预混合燃料氧化剂混合物。包含在补充流体质量流106中的氧化剂质量流可占提供给燃烧设备的总氧化剂质量流的大约10%或至少大约10%。如图4中示出的那样，提供为补充流体质量流106的燃料/氧化剂混合物自燃，并且其中包含的燃料在火焰17中燃烧，并且在火焰17的下游燃烧。

在考虑提供给燃烧设备的总氧化剂质量流时，自然地，这还考虑到参与产生提供给燃烧设备的燃烧产物质量流的氧化剂部分质量流。

在选择性地将燃料提供给相应的预混合装置或不提供给相应的预混合装置时，可选择性地提供补充流体的质量流104、105和106中的各个作为纯氧化剂或预混合燃料/氧化剂混合物。可想象得到，在补充流体的各个质量流中提供的预混合燃料质量流的相互比是恒定的，如果提供所述补充流体作为燃料/氧化剂混合物的话。这使得能够对燃烧设备提供仅一个预混合燃料控制阀，而且对于单独的预混合装置，仅需要提供关闭阀。

如通过关于图1至4的以上说明而变得明显的那样，在越下游对导管14提供额外的燃料，用于启动燃料供应的负载阈值就越高。导管14中的温度沿下游流向升高。进而，预混合燃料或从中产生的燃烧产物的驻留时间越短，用于启动燃料供应的阈值负载值就越高。换句话说，燃烧温度越高，驻留时间就越短。一方面，这使得燃料能够完全燃尽，然后产生的废气质量流107在导管14的下游端处排出，而在另一方面，热引起的氮氧化物形成量受到限制。

从而公开的层化轴向分级燃烧的方法提供在较大负载范围内具有低污染物排放的燃烧过程，而且进一步展现优良的部分负载运行特性，并且因此提供良好的降速比。

虽然用在下游方向上的加宽的横截面显示导管14，以便适应升高的质量流和温度，但可想象得到这样的实施例：其中导管设有恒定流横截面，从而使得以加速流执行方法。

图5显示示例性燃料/氧化剂，或者在具体示例中，不同的燃料/氧化剂流燃料/空气比FAR与燃气涡轮发动机的相对负载P的定性过程。未按比例显示纵轴，即竖轴，因为仅示出不同燃烧级的燃料/空气定量的相对变化。如变得明显的那样，在低负载下，燃料仅供应给第一燃烧级11。在某些阈值负载下，燃料提供给补充流体的质量流104，同时第一燃烧级的燃料/空气比FAR₁₁逐渐减小，并且在该负载下进一步保持恒定。在这方面，在第一燃烧级11中的第一氧化剂部分质量流中燃烧的燃料提供基本负载，而在控制提供给补充流体流104、105和106的燃料的质量流时实现在超过大约10%的负载下的负载控制。补充流体质量流104、105和106中的燃料/空气比FAR₁₀₄、FAR₁₀₅和FAR₁₀₆增大到产生的氮氧化物开始变得不能接受的值。在较高的负载下，燃料因此提供给补充流体的连续质量流。在大约10%的相对负载下，当对质量流补充流体105添加增加的燃料质量流时，补充流体104的质量流的燃料空气比FAR₁₀₄增大到大约20%的相对负载。燃料/空气比FAR₁₀₄逐渐减小，并且/或者在较高的负载下保持恒定。补充流体105的质量流的燃料/空气比FAR₁₀₅增大到某个水平。为了进一步增加负载，对补充流体106的质量流提供燃料，并且相应的燃料/空气比FAR₁₀₆增大到燃气涡轮发动机额定功率。在大约80%的相对负载和100%的相对负载之间，燃料/空气比FAR₁₀₆大致是恒定的。这是因为燃气涡轮发动机有开度可变的入口导叶，这会导致空气质量流增加。从而，虽然燃料质量流增加，但燃料/空气比在这个负载范围中保持大致恒定，或者实际上经历略微减小，因为压缩机压力比增加，并且因此燃烧空气的温度升高，这允许燃烧较少燃料而达到某个燃烧温度。定性地说，在不同的合适负载参数时将进行相似观察。可容易地理解的是，这些观察可轻易地推广到燃料/氧化剂比，而非更具体的燃料/空气比。

虽然已经通过示例性实施例来公开了本主题，但要理解的是，这些决不意于限制声明的发明的范围。将理解的是，权利要求覆盖本文未明确显示或公开的实施例，而且不偏离在执行本公开的教导的示例性模式中公开的那些的实施例仍然由权利要求覆盖。

Claims (15)

1.一种用于燃烧燃料的方法，所述方法包括：

提供氧化剂质量流，

提供第一氧化剂部分质量流(101)，

燃烧所述第一氧化剂部分质量流中的燃料(102)，从而提供燃烧产物的质量流(103)，

将所述燃烧产物的质量流提供给导管(14)，以及

沿流向输送所述燃烧产物的质量流通过所述导管，

将第一补充流体的质量流(104)排到所述导管中，

其特征在于，所述方法包括沿与所述流向基本对齐的排出方向排出所述第一补充流体的质量流，以便提供与所述燃烧产物流(103)基本对齐的所述第一补充流体流(104)，其中，选择性地将所述第一补充流体提供为氧化剂和预混合燃料/氧化剂混合物中的一个。

2.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，包括将另外的补充流体的至少一个另外的质量流(105，106)排到所述导管中，其中，选择性地将所述另外的补充流体提供为氧化剂和预混合燃料/氧化剂混合物中的一个，

排出与所述流向基本对齐的所述至少一个另外的质量流(105，106)，

其中，所述至少一个另外的质量流(105，106)相对于排出的第一补充流体的质量流(104)沿侧向偏移且跨越所述导管的流横截面而排出，以便将补充流体的质量流提供为相应的补充流体的侧向层化层(114，115，116)。

3.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，包括排出另外的补充流体的至少两个另外的质量流(105，106)，其中，各个另外的质量流相对于所述第一补充流体流有不同侧向偏移且跨越所述导管的流横截面而排出，以便将所述补充流体的质量流提供为相应的补充流体的侧向层化层(114，115，116)。

4.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，包括使另外的补充流体的各个层(114，115，116)沿侧向邻近补充流体的至少一个其它层。

5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，主张排出另外的补充流体的至少一个另外的质量流，其特征在于，包括在沿着所述流向的不同位置处排出补充流体的各个质量流(104，105，106)。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法在燃烧设备(1)中执行，所述方法的特征在于，包括

使所述燃烧设备在不同的热负载下运行，

当所述燃烧设备以热负载参数的第一阈值运行或者在热负载参数的第一阈值以下运行时，将补充流体的各个质量流(104，105，106)提供为氧化剂的质量流，以及

当所述燃烧设备在所述热负载参数的第一阈值以上运行时，将至少一个补充流体的质量流提供为预混合燃料/氧化剂质量流。

7.根据权利要求1所述的关于在燃烧设备中执行方法的方法，其特征在于，包括当所述燃烧设备以负载参数的相应的阈值运行或者在相应的阈值以下运行时，将补充流体提供为氧化剂，以及当所述燃烧设备在所述负载参数的相应的阈值以上运行时，将所述补充流体提供为预混合燃料/氧化剂混合物，使得被提供为预混合燃料/氧化剂混合物的补充流体的数量随着所述燃烧设备运行时所处的热负载的增加而逐步增加，并且随着所述设备运行时所处的热负载的减小而减小。

8. 根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，包括相应的补充流体在所述燃烧产物流的越下游排出，则将所述负载参数的相应的阈值选择得越高。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法执行为燃气涡轮发动机中的燃料的燃烧，所述方法的特征在于，包括

使所述燃气涡轮发动机在所述燃气涡轮发动机的不同负载下运行，

当所述燃气涡轮发动机以所述燃气涡轮发动机的负载参数的第一阈值运行或者在第一阈值以下运行时，将补充流体的各个质量流提供为氧化剂的质量流，以及

当所述燃气涡轮发动机在所述燃气涡轮发动机的负载参数的第一阈值以上运行时，将至少一个补充流体的质量流提供为预混合燃料/氧化剂质量流。

10.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，包括当所述燃气涡轮发动机以所述燃气涡轮发动机的负载参数的相应的阈值运行或者在相应的阈值以下运行时，将补充流体(104，105，106)提供为氧化剂，以及当所述燃气涡轮发动机在所述燃气涡轮发动机的负载参数的相应的阈值以上运行时，将所述补充流体提供为预混合燃料/氧化剂混合物，使得被提供为预混合燃料/氧化剂混合物的补充流体的数量随着所述燃气涡轮发动机的负载的增加而逐步增加，并且随着所述燃气涡轮发动机的负载的减小而减小。

11.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，包括相应的补充流体在所述燃烧产物流的越下游排出，则将所述燃气涡轮发动机的负载参数的相应的阈值选择得越高。

12.一种燃烧设备(1)，所述燃烧设备包括第一燃烧级(11)和为了接收来自所述第一燃烧级的燃烧产物(103)而提供的导管(14)，提供了燃料/氧化剂预混合装置，其特征在于，所述燃料/氧化剂预混合装置在其排出端处与所述导管中提供的排出设备处于流体连通，其中，所述排出设备布置和构造成将接收自所述燃料/氧化剂预混合装置的流体(104，105，106)排到所述导管中的燃烧产物流中，并且使之基本与所述燃烧产物流的流向对齐。

13.根据前述权利要求所述的燃烧设备，其特征在于，包括至少一个另外的燃料/氧化剂预混合装置，其中所述另外的燃料/氧化剂预混合装置在其排出端处与所述导管(14)中提供的另外的排出设备处于流体连通，其中，所述另外的排出设备布置和构造成将接收自所述另外的燃料/氧化剂预混合装置的流体(104，105，106)排到所述导管中的燃烧产物流(103)中，并且使之基本与所述燃烧产物流的流向对齐，其中，另外的各个排出设备设置和构造成在所述导管(14)的通流横截面中相对于从各个其它排出设备中排出的流体沿侧向偏移地排出相应的流体(104，105，106)，特别地使得来自所述排出设备的排出流设置成在所述导管的通流横截面中不交迭。

14.根据前述权利要求所述的燃烧设备，其特征在于，与不同的燃料/氧化剂预混合装置处于流体连通的排出设备设置在所述导管中，在所述导管的通流方向上相互偏移。

15.一种燃气涡轮发动机，包括涉及燃烧设备的前述权利要求中的任一项所述的至少一个燃烧设备，其特征在于，所述至少一个流体排出装置设置在膨胀涡轮入口的附近和上游。