CN1130741A - 多级燃烧的燃烧室 - Google Patents

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Abstract

在一种多级燃烧器运行方法中，其中上述燃烧器具有至少一个为预混合结构型式的预燃烧器(110)，在预混合腔内，通过喷嘴喷射出的燃料在点火前与预燃空气充分混合，并将二次燃烧空气导入位于预燃烧腔(61)下游的后燃烧腔(62)中。上述预燃烧器(110)是一种使火焰稳定的双锥形燃烧器，它不带机械火焰稳定器，它在下稳定边界上运行。使烟气在预燃烧腔(61)和后燃烧腔(62)之间加速。为了形成自燃混合物，将来自双层壁的燃烧室限界中的冷却空气和附加燃料输入离开预燃烧腔的烟气流中。

Description

多级燃烧的燃烧室
本发明涉及一种多级燃烧室的运行方法，上述燃烧室具有至少一个为预混合结构型式的预燃烧器，其中在预混合腔内，由喷嘴喷射出的燃料在点火前(vorgaengig der zündung)与预燃空气充分混合；还具有至少一个设置在预燃烧腔下游的后燃烧腔，在后燃烧腔中导入二次燃烧空气。本发明还涉及实施该方法的燃烧室。
DE-C23149581中公开了这种两级燃烧室及其运行方法。该文献中采用了具有中心燃料喷嘴的旋流杯作为预混合结构型式的预燃烧器。在该燃烧室中涉及到一种所谓的″浓/稀薄″两级燃烧室，其中在第一燃烧级中气体具有的燃料/空气当量比大于1，在第二燃烧级中气体具有的燃料/空气当量比小于1。该方法必须尽可能快地实现从浓到淡混合物的过渡，从而使混合物速度增加，并将二次燃烧空气喷入被加速的混合物中。加速的目的在于使混合物在燃料/空气当量比为1的区域内的维持时间尽可能短。因为在这种中间比例的条件下，NOx的形成速度最快。
现代的预混合结构型式的燃烧器还使第一燃烧器处于稀薄运行状态，这样由于大量空气和火焰温度较低更有利于形成NOx。在这种预混合燃烧技术中必须确保火焰稳定，尤其在部分负荷时不应出现熄火极限(Loschgrenze)。原则上，当这种预混合燃烧器处在一级运行状态时以及要求温度为1800K(约1530℃)时，预混合燃烧器约生成25-30ppm的NOx。
本发明的任务在于利用上述现代预混合燃烧器实现一种″稀薄/稀薄″方法，并提供实施上述方法的燃烧室，来用这种燃烧室可使排放出的NOx极少。
完成本发明任务的方案是：
上述预燃烧器是一种使火焰稳定的预混合燃烧器，它在下稳定极限上运行；使烟气在预燃腔和后燃烧腔之间加速；将来自双壁燃烧室限界中的冷却空气和附加燃料输入到离开预燃腔的烟气流中，以便形成自燃混合物。
实施上述方法的燃烧室包括一个设置在燃烧室前端的预混合结构型式的双锥燃烧器，一个与之相连的预燃烧腔，一个设置在预燃腔下游的烟气加速段，它与后燃烧腔相通，还包括设置在加速段范围内的双层壁燃烧室限界内的空气流入口，以及设置在后燃烧腔入口处的附加燃料喷射装置。
虽然在DE-A13707773中联系过程发热已经公开了一种两级方法和与之相应的燃烧室，该燃烧室用一个使火焰稳定的双锥燃烧器作为预燃烧器，在上述燃烧室中气体在预燃腔和后燃烧腔之间加速，并在第二级中加入空气混合。然而，正如在文中开始部分所描述的现有技术那样，预燃室在低于化学计量的空气数入＝0.7下工作。借此，此部分燃烧气体的温度可达1800-1900℃。在将空气加入加速的气流中的情况下，还涉及到所谓的骤冷空气(Quenchluft)，迅速地将其射入主流中，以避免空气-氮的氧化作用。
本发明的优点在于预混合燃烧器可在下熄火极限条件下工作，此时，首先只产生约9ppmNOx，自点火再燃烧过程可使气体达到所要求的高温1800k(约1530℃)，由于送入另外的空气，由于停留时间短，使这部分气体中NOx值小于6ppm。
附图中描绘了本发明用于联合燃气涡轮-燃烧室(VnGastwrbinen-Brennkammern)的两个实施例，其中：
图1为第一种两级燃烧室的局部纵剖图；
图2为第二种五级燃烧室的局部纵剖图；
图3A为通过双锥-结构型式的预混合燃烧器在其出口区域中的截面图；
图3B为通过同一预混合燃烧器在其锥尖区域的截面图。
为了理解本发明，先对主要部件进行描述，图中例如对完整的燃烧室及与之相应配置的设备、燃料供应、控制装置等等均未示出，图中的箭头表示工作介质的流动方向。
图1中，标号50代表一个包有外壳的风室(Plenum)，通常，该风室接收由未示出的压缩机送出的燃烧空气，并将上述空气送入例如为环状的燃烧室60。该燃烧室为两级，它主要包括预燃室61和设置在其下游的后燃烧室62，燃烧室壁63将上述两燃烧室包围。将整个燃烧空气的一部分a直接送入预燃烧室61，同时，使另外的部分b和c首先完成冷却功能。
预燃室61位于燃烧室60的前端部，其燃烧腔由前板54限定，环形圆罩55置于该预烧室上。在圆罩中设有一个燃烧器110，该燃烧器至少与前板54几乎相连。预燃烧器110的纵轴51与燃烧室60的纵轴52同轴。最好在圆周上设置多个这种燃烧器110，将它们彼此相邻地设置在环形前板54上。通过在外端部开有孔的圆罩壁燃烧空气a从风室50流入该圆罩的内部并冲入燃烧器。通过穿过圆罩壁和风室壁的燃料喷管120将燃料送入燃烧器。
在图3A和3B示意地绘出的预混合燃烧器110中都涉及了一个所谓的双锥燃烧器，该燃烧器就象例如本文开头部分所描述的EP-B1-0321809文献中所披露的那样，它大体包括两个中空的锥形分体111和112，它们沿流动方向相互依次连接。同时，两个分体的各自中心轴线113，114彼此错开。两分体的相邻壁在其纵向延伸中形成切向缝隙119，以便燃烧空气按这种方式流入燃烧器内部。在燃烧器内部设有用于流体燃料的第一燃料喷嘴116，燃料以一个喷射角喷入中空锥体。这样形成的锥形燃料型面被切向流入的燃烧空气包围。由于与燃烧空气混合，燃料浓度沿轴向逐渐降低。当然，该燃烧器例如也可用气态燃料进行工作。此外，在切向缝隙119的范围内在两个分体的壁上沿纵向最好还设置气体输入口117。用气体燃料进行工作时，在入口缝隙119的区段内就已经开始形成燃烧空气的混合物。显然，以这种方式也可实现两类燃料混合运行。
在燃烧器110的燃烧器出口118处，由于进气的环形截面(beaufschagten Kreisringfrmigen Querschnitt)可使燃料浓度尽可能均匀。在燃烧器出口处形成一个确定的帽状复回流区122，在该区的前端实现点火。火焰本身通过复回流区被稳定在燃烧器的前方，而不必采用机械火焰稳定器。
在本实施例中，供预混合燃烧器运行的燃烧空气约为总量的56％，而且接近下熄火边界，也就是说，应将相应的燃料量调节成使燃烧腔61中的温度为1640K(约1370℃)，NOx的含量为9ppm。
按照图1，预燃腔61和后燃烧腔62的过渡段为缩窄状，其作用是形成工作介质加速区70。借此，可建立合适的温度/速度场，以便在燃料喷管下游形成稳定的自点火区。
在后燃烧腔62的入口处设置了这种燃料喷管121。在环形燃烧室的情况下，在圆周上可分布有多个这种喷管，附加燃料(均匀分布于流通截面上)由这些喷管喷入主流中。
在这个燃料单孔(Brennstoffeindüsung)的上游将其余的44％的空气以适当的方式混合于燃烧过程中。在这种情况下，首先将提到的这部分空气用于冷却燃烧室壁。上述燃烧室壁不仅在预燃腔61的区段而且在后燃烧腔62的区段都是双层壁。内壁63a在预定的空气输入平面内设有输入口64。与主流混合的空气量由两部分流组成，一部分为预燃烧腔的冷却空气b，它约占总量的16％，另一部分为后燃烧腔的冷却空气c，它约占总量的28％。
应该想到，这个过程具有压力损失，例如由于壁冷却引起的空气的压力损失约为4％，由于燃烧气体和冷却空气的混合引起的压力损失约为2％。
将冷却空气加入预燃腔的燃烧气体中之后的混合温度约为980℃，因此，处于后燃烧腔62的进口处的燃料/空气混合物可以自点火。此时，应选择附加燃料量使得后燃烧腔62的终端温度能达到1700k(约1430℃)。在预燃烧时所形成的9ppm的NOx含量通过稀释可减少到6ppm以下。
不言而喻，后燃烧腔62的轴向延伸尺寸应确定为能在该腔内进行完全燃烧。
图2示出了一个五级燃烧室，其工作方式如下：
将燃料经燃料喷管120导入预燃烧器110，使之与约为燃料空气a的10％进行燃烧。此时，将经喷管120导入的燃料量控制为使燃烧腔A中的温度达1640k(约1370℃)，其NOx含量为9ppm。使混合物加速；将其余的8％的空气(此情况下为壁-冷却空气，以及经燃料喷管121将相应量的燃料导入平面b，使燃烧腔B中温度达1500k(约1230℃)。将另外的14％的空气以及经燃料喷管130将相应量的燃料导入平面c，使燃烧腔C中温度同样达到1500k(约1230℃)。将另外的26％的空气以及经燃料喷管131将相应量的燃料导入平面d，使燃烧腔D中温度也达到1500k(约1230℃)。将剩下的42％的空气以及通过燃料喷管132将剩余的燃料导入平面e，使燃烧腔E的终端温度达到所要求的1700k(约1430℃)。通过逐步降低由预燃烧所产生的NOx完全可以使燃烧腔E中的NOx含量仅为3ppm。
因此，根据要求达到的NOx含量值并考虑到容许的压力损失以及燃烧室长度之间的函数关系就可以确定最佳燃烧级数。
部件编号
50    风室
51预燃烧器纵轴        64    入口
52燃烧室纵轴          70    加速段
54预燃烧室前板        74    前板
55    圆罩            75    圆罩
60    燃烧室          110   双锥燃烧器
61，A预燃烧室         111   分体62，B，C，D，E后燃烧室    112   分体
63    燃烧室壁        113   中轴
63a   燃烧室内壁      114   中轴
116     燃料喷嘴
117     气流入口
118     燃烧器出口
119     切向缝隙120，121，130，131，132 燃料喷管
122        回流帽a，b，c，d，e  空气输入

Claims (3)

1.多级燃烧室的运行方法，上述燃烧室包括至少一个为预混合结构型式的预燃烧器(110)，其中，在预混合腔内，由喷嘴喷射出的燃料在点火前与预燃空气充分混合；还具有至少一个设置在预燃烧腔(61，A)下游的后燃烧腔(62，B，C，D，E)在后燃烧腔中导入二次燃烧空气，其特征在于：
上述预燃烧器(110)是一种使火焰稳定的预混合燃烧器，它在下稳定极限上运行；
使烟气在预燃烧腔(61，A)和后燃烧腔(62，B，C，D，E)之间加速；
将来自双壁燃烧室限界中的冷却空气和附加燃料输入到离开预燃烧腔的烟气流中，以便形成自燃混合物。
2.实施如权利要求1所述方法的燃烧室，其特征在于在燃烧室的前端设置一个预混合燃烧器(110)，并有一个与之相连的预燃烧腔(61，A)；在预燃烧腔下游设置了烟气加速段(70)，它与后燃烧腔(62，B，C，D，E)相通；在加速段(70)的范围内的双层壁燃烧室限界内设置流入口(64)；以及在至少一个后燃烧腔(62，B，C，D，E)的入口处设置附加燃料喷射装置。
3.如权利要求2所述的燃烧室，其特征在于上述预混合燃烧器是一个不带机械火焰稳定器的双锥形燃烧器(110)。
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