CN1130718A - 燃烧室 - Google Patents

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Abstract

在相应配置于流体流动机上游和下游的燃烧室的情况下，该燃烧室基本包括一进气管(5)和一下游预混合和燃烧区(5a)，在燃烧空气(4)流经涡流发生器(200)之后，燃料(11)被喷入来自在上游工作的流体流动机的燃烧空气(4)内。燃料(11)的喷射(7a，7b)是以不同的方向和数量喷入预混合和燃烧区(5a)的。来自混合物燃烧的热燃气形成一温度修正前沿(8)，其最低温度在流体学上相应于流体流动机的配置于下游受作用的叶片底部。

Description

燃烧室
本发明沙及一利设有涡流发生器和燃料喷枪的燃烧室，其燃料的喷射方向和数量跟涡流发生器保持操作上的联系，同时还涉及操作该燃烧室的方法。
就燃烧室，尤其是具有宽广负荷范围的环形燃烧室而言，不断提出如何在灼热燃气的高温下使正好配置于环形燃烧室下游的透平叶片的使用寿命能最长，同时保持低污染排放的问题。总的来说，可以认为，该透平叶片整体受均匀热燃气作用，而按自行着火方法运转的环形燃烧室，透平叶片忍受着较大的热负荷，因为，对于发生在透平上游的运转可靠的自行着火来说，温度是作为保持防止火焰熄灭的一个确定的安全范围用的，结果，这些叶片实际上作用着较普通燃烧室情况下更高的温度。这里，必须考虑沿叶片的径向延伸区具有不同的强度，出于这个理由，传统的叶片冷却受到了限制，叶片的某些部分应被冷却到较大的程度，而另一些部分到较小的程度，但时至今日，仍然不能满意地解决这些问题。承受高热负荷的叶片底部尤其不能直接影响流体流动机械的效率，因此低温可实际存在而无须担心效率损失，因为，在此情况下，可以认为热燃气的平均温度是导致热效率高的主要原因。显然，迄今还没有公开一种可行的方案，它能以不同的温度作用于叶片的特定部分而不牺牲效率，并以低污染排放，特别是低NOX排放。
因此，本发明的一个目的是在一开始提到的那种形式的燃烧室内的灼热燃气流中实现温度修正。
在环形燃烧室内的热燃气流中的温度修正可借助于在环形燃烧室圆周方向上工作的许多燃料喷抢来优选地获得。各燃料抢具有若干不同定向的喷咀，燃料经这些喷咀被输入到环形燃烧室的流体横断面内，藉此，燃料混合物首先获得扇形加浓。这种安排特别适于实现燃料混合物在扇形范围内的不同加浓，被喷射的燃料主要分配在扇形范围内，结果，便能通过燃料混合来影响温度分布。这样，实现了沿径向的温度修正，它代表了受作用的叶片的断面流量。
利用涡流发生器，在燃料加浓之前，实现燃烧空气的涡旋，该发生器配置于燃料喷抢的上游。这种配置的主要优点是各涡流发生器按照燃料喷射成扇形配置，并还能产生单独的效果。
本发明的另一主要优点是能沿径向逐一采用温度修正。燃料的输送以这样方式来优先控制，在给定的热燃气平均温度下，使叶片底部得到缓和。虽然，在叶片底部区内的热燃气的温度低于平均温度，然而这种损失能容易地将沿叶片轮廓其余的较大区获得的热燃气温度略微提高来补弥。如果在薄弱点区域内的热负荷基本上减小，则叶片的冷却能相应减弱，这被最终地反映在效率的改善上。
此外，在预定的透平进口温度和预定的材质数据的情况下，叶片的使用寿命延长了；因此，对于相同的使用寿命透平进口温度能相应地提交。这导致效率提高以及机器输出功率增加。
本发明的另一优点是借助于尤其在过渡负荷区内的特定温度修正可获得转子的良好过渡状况，这导致定子和旋转部件间的较小的间隙。
而且，不同的加浓导致较浓区域产生火焰稳定化的效果，这样，该区能容易地起到先导级的作用，藉此，可省去先导燃烧器和主燃烧器的组合选配。
本发明的另一意想不到的优点已由试验得到：用此法获得的温度修正具有吸声效应。
连同附图参照下列详细叙述，可迅速获得对本发明的目的及其许多伴随的优点更完整的理解，其中：
图1表示带温度修正的环形燃烧室；
图2表示环形燃烧室的局部视图，从该图中可清楚看到单个燃料喷枪的有效范围；
图3-13表示各种和涡流发生器有关的各种对向气流及燃料输送。
现在参照附图，其中相同的标号指示附图中相同或相应的部件，对于理解本发明不直接需要的所有构件已省略，工质的流动方向用箭头表示。在图中表示一环形燃烧室1，由轴线10清楚看出，基本上认为它是连续的环形或准环形圆柱体结构。该燃烧室可只包括单个圆柱体。此外，能方便地提供一种由许多沿透平下流圆周方向配置的轴向或准轴向或呈螺旋取向的单独的圆柱体组成的燃烧室。图1仅表示环形燃烧室1的主要部分，即涡旋结构，进行温度修正的燃料枪以及被作用的透平下游部分。主气流4总是燃烧室气流，其温度和成分可有相当大的变化。若一压气机在环形燃烧室1的下游工作，则主气流4包括构成燃烧空气的压缩空气；另一方面，若该环形燃烧室1跟一个在下游工作的第一燃烧室与第一透平组合，则该主气流包括仍然较热的废气，其废气温度导致被喷在那里的燃料自行着火。这样，燃烧空气4流入进气区5，进气区被设置在管道6内的圆周方向，管壁上带有许多涡流发生构件200，它们早已被称作涡流发生器，下面还要作详细说明。燃烧空气4藉涡发生器200以这样方式成涡流，在随后的预混合和燃烧区5a内，逆环流区不再出现在涡流发生器200的涡区。若干燃料喷枪3沿该预混合和燃烧区5a的圆周方向配置，所述喷枪3承担输送燃料11和辅助空气12的功能。工质11，12借助一主环(未示)被输送到各燃料喷枪3。由涡流发生器200单独产生的涡流以这样方式和扇形喷射燃料成操作上的联系，通过经各扇形体的燃料量的相应调节导致对来自涡流发生器的燃烧空气4的局部流量的加浓程度的改变，这种加浓在随后的燃烧期间产生了不同的温度分布。沿流量横截面温度修正8定性地图示在图中。从该图中能容易地看出，该温度修正的热燃气前沿经相应的导叶9作用于透平的转动叶片上。按照该温度修正8，叶片底部承受小的热负荷，而叶片的其余区域承受略高的温度，这样保持了对效率和输出功率有决定意义的平均热燃气温度。
如图2所示，在涡流发生器200区内，相对于每一燃料喷抢3构成一环形燃烧室1，藉此也能连接侧边的两涡流发生器200，若燃烧室由单个管壳组成，则这样的再细分是不需要的，因为此时管壳同时构成燃烧室。由此看来，就迎面来的气流来说，燃料喷枪3为涡流发生器200所包围。扇形燃料喷射7a、7b决定于配置在上游的涡流发生器200的位置，在此情况下，喷射最好被定向在涡流发生器200的各侧面之间，以确保温度修正，从而使所产生的涡流跟相应的燃料量形成良好的混合。按照温度修正的宗旨和环形燃烧室1的气流横断而内的各涡流发生器200的位置，燃料喷射7a、7b也可用许多喷嘴来进行，在径向延伸部内，该环形燃烧室可包括若干基本燃烧室，该组燃烧室中的一个被设计成为其余集中排列燃烧室的先导级。
在下面图3-13中将详细叙述涡流发生器的基本特点。
在图3、4和5中没有表示实际的进气区。然而，燃烧空气流4，下面也称量气流，用箭头表示，因此，气流的方向也是预定的。按照这些图，涡流发生器200，201，202主要包括3个三角面，气流自由流径这些三角面的周围。这3个面是一个顶面210和两个侧面211和213。在它们的纵向范围内，这些表面和流动方向成某一角度取向。涡流发生器200，210，202的侧壁，它们最好由直角三角形组成，以它们的纵向测最好气密地固定于早先讨论过的管壁6上。它们以这样方式定向，以其两窄侧围成一箭头角α，并构成一个面，该面连接一尖锐的连接棱216，并垂直于各管壁6，该两侧面和管壁齐平。围成箭头角α两侧而211，213在图3中的结构、尺寸和方位上是对称的，它们被布置在和管轴线同方向的对称轴线217的两侧。顶面210以极窄棱215跟侧面211，213一样顶靠在管壁6上，后者横交于气流流径的管道取向。其纵向棱212，214跟凸入流道内的侧面211，213的纵向棱齐平。顶面210和管壁6成安装有θ取向，其纵向棱212，214跟连接棱216一起交成一点218。涡流发生器200，201，202也可设有底面，它们以此底面以适当方式固定在管壁6上。然而，这种底面与所述构件的操作方式毫无关系。
涡流发生器200，210，202的操作方式如下：当气流在棱212和214周圆流动时，主气流便转换成一对反向的涡流，如图中简略所示。该涡流轴线处于主气流轴线上。这些涡流分离的涡流数和位置，假如有的话，通过相应选择安装角θ和箭头用α来决定。该涡流强度和涡流数随这些角度的增加而增加，涡流分离的位置出现在上游，刚好进入涡流发生器200，201，202本身的区域内。取决于应用，这两角度θ和α由设计工况及工作过程本身所预定。这些涡流发生器仅需在长度和高度方面被选用，下面参照图6将详细叙述。
在图3中两侧面211，213的连接棱216构成涡流发生器200的下游棱。横交于流体流经的管道取向的顶面的棱215因而是被管道流量首先作用的棱。
图4表示一种在图3的涡流发生器的基础上所谓的“半涡流发生器”。在所示的涡流发生器201中，两侧面中的仅一个规定有箭头角α/2。另一侧面是直的，并按流向取向。跟对称的涡流发生器相反，在有箭头的一侧，仅有一个涡流产生，如图中用符号表示。因此，在涡流发生器下游，没有中性涡旋区；相反，在气流上施加一涡流。
图5不同于图3在于涡流发生器202的尖锐的连接棱216首先被管道气流所作用。因此，该构件被转了180°。从图像中明显看出，该两反向的涡旋已改变了它们的旋转方向。
图6表示安装于管道5中的涡流发生器200的基本几何图形。通常，连接棱216的高H与管道高度或管道部件高度H相配合，相对于该涡流发生器，该管道部件高度被这样规定，使已产生的涡旋达到涡流发生器200刚好下游的尺寸，令管道的全高H为涡流所充满。这导致在所作用的横断面内有均匀的速度分布。另一个能对欲选的两高度比h/H产生影响的指标是当该流体流经涡流发生器200周围时出现的压力降。可以理解，h/H值较大时，压力损失因子也增加。
涡流发生器200，201，202主要用于两股流体相互混合有问题的场合，主气流4，例如热燃气，顺箭头方向中击横向棱215或连接棱216。呈气体和/或液体燃料形式的二次流，若需要用一份辅助空气补充(参见图1)，具有较主气流甚小的质量流。在本申请案中，这二次流在涡流发生器下游被导入主气流中，从图1中可很明显看出。
在图1所示的例子中，涡流发生器200沿管腔5周围以某一间隔距离分布。这些涡流发生器也能沿圆周方向顺次在管壁上不留间隙地连接。所要产生的涡旋对于涡流发生器的目数和配置是其有决定性意义的。
图7-13表示燃料输入主气流4的其它各种可能的形式。这些可以相互结合，而其中的一种方法是跟中心燃料喷射结合，如图1所示。
在图7中，除了经处于涡流发生器下游的管壁孔220喷射燃料外，也可经正好处于涡流发生器配置于其上的同一管壁6的纵向范围内的侧面211，213旁边的壁孔221喷射。经管壁孔221的燃料输送提供了产生额外中击的一些涡流，这还长了涡流发生器的寿命。
在图8和9中，经槽222或壁孔223喷射燃料，两种结构安置在顶面210的棱215的正前方，它们横交于流体流经的管道取向，并处于在其上配置涡流发生器的同一管壁6内的纵向范围内。壁孔223或槽222的几何图形按这样方式选择，使燃料以某一喷射角输入主气流4中，并作为一种保护膜，将配置于后的涡流发生器跟流过该涡流发生器周围的灼热主气流在很大程度上隔离。
在下述例子中，二次流(参照上面)首先经导向装置(未示)流过管壁6被导入各涡流发生器的中空内部。这样的涡流发生器提供了一内冷装置，而无须提供其它的手段。
在图10中，燃料经壁孔224喷射，这些壁孔被配置于顶面210的内部，在棱15的正后方，并沿着棱15，横交于流体流经的管道取向。这里，涡流发生器的冷却是从外部而非内部进行的。流出的二次流，在流经顶面210周围时，形成一保护层，将顶面和灼热主气流4隔离。
在图11中，燃料经壁孔225喷射，壁孔沿对称线217在顶面210内排列成梯列。利用这种变型特别有效地保护了管壁6，免受灼热主气流4损害，因为燃料首先在涡流的外周被导入的。
在图12中，燃料经壁孔226喷射，壁孔沿顶面210的纵向棱212，214设置。这种方案保证了涡流发生器有效地冷却，因为燃料在其末端流出，因而完全流过该构件的内壁周围。该二次流被直接输入正在产生的涡流中，这导致了确定的流动关系。
在图13中，燃料经壁孔227喷射，壁孔配置于侧面211和213中，一方面，在纵向棱212和214的区域内，另一方面，在连接棱216的区域内。这种为型具有相同于图7(孔211)和图12(孔226)的作用。
显然，按照上述教导，本发明的变型可有许多变化和修改。因此应该理解，除了按这里详细叙述的之外，本发明可在所属权利要求书的范围内被实施。

Claims (10)

1.一种燃烧室，它基本上包括一进气管(5)和一下游预混合和燃烧区(5a)，燃烧室(1)在所有情况下被配置于流体流量机的下游和上游，其中涡流发生器(200，201，202)被配置于进气管(5)内，燃料(11)可在涡流发生器(200，201，202)的流出侧经至少一个燃烧喷枪喷入燃烧空气(4)内，燃料(11)的喷射方向(7a，7h)和数量跟涡流发生器(200，201，202)保持操作联系。
2.按权利要求1所述的燃烧室，其特征在于燃烧室(1)是一种环形燃烧室。
3.按权利要求1所述的燃烧室，其特征在于涡流发生器(200)具有气流在其周围自由流动的3个表面，它们沿流动方向延伸，其中的一个构成顶面(210)，而其它2个构成侧面(211，213)，侧面(211，213)跟进气管(5)的同一壁部齐平，并相互合成箭头角(α)，顶面(210)以横交于进气管(5)取向的棱(215)像，如侧面(211，213)一样，靠在管壁6的相同壁部上，顶而(210)的纵方棱(212，214)和侧面(211，213)的纵向棱齐平，后者凸入进气管(5)内，并和进气管(5)的壁部成安装角(θ)取向。
4.按权利要求3所述的燃烧室，其特征在于涡流发生器(200)的合成箭头角(α)的侧面(211，213)沿对称轴线(217)对称布置。
5.按权利要求3所述的燃烧室，其特征在于合成箭头角(α，α/2)的两侧面(211，213)相交形成一连接棱(216)，该连接棱跟顶面(210)的两纵向棱(212，214)一起形成点(218)，连接棱(216)处在圆形进气管(5)的径向线上。
6.按权利要求5所述的燃烧室连接棱(216)和/或顶面(210)的纵向棱(212，214)被设计成多少是尖锐的。
7.按权利要求1或3或5所述的燃烧室，其特征在于涡流发生器(200)的对称轴(217)平行于管道轴线取向，两侧而(211，213)的连接棱构成涡发生器(200)的下游棱，顶面(210)的棱(215)横交于气流流经的管道(5)取向、首先受主气流(4)作用的棱。
8.按权利要求1所述的燃烧室，其特征在于涡流发生器(200)的高度(h)跟进气管的高度(H)之比是这样选择的，使所产生的涡流充满恰好处于涡流发生器(200)下游的管道部分的整个高度。
9.一种操作按权利要求1所述的燃烧室的方法，该燃烧室基本包括一进气管(5)和一下游预混合和燃烧区(5a)，燃烧室(1)在所有情况下被配置于流体流量机的下游和上游，其中来自在上游工作的流体流量机的燃烧空气(4)借助于涡流发生器(200)被导向，该燃烧空气在各涡流发生器的出口侧跟燃料(11)混合，燃料(11)的喷射(7a，7b)以不同的方向和数量进入预混和燃烧区(5a)是以这样方式进行的，来自混合物燃烧的灼热燃气形成一温度修正前沿(8)，其最小温度，在流体学上相应于配置于下游的流体流量机(2)的被作用的叶片底部。
10.按权利要求9所述的方法，其特征在于燃料(11)由辅助空气(12)助燃。
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