CN1142036A

CN1142036A - 带有两级燃烧的燃烧室

Info

Publication number: CN1142036A
Application number: CN96107375A
Authority: CN
Inventors: Y·P·邱
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Management AG
Priority date: 1995-03-24
Filing date: 1996-03-22
Publication date: 1997-02-05
Also published as: DE19510744A1; US5829967A; JPH08270948A; EP0733861A2

Abstract

一种具有两级燃烧的燃烧室具有一预混合型的主燃烧器(110)，在该燃烧器的预混合室(115)内经喷嘴喷入的燃料在点燃前与助燃空气强烈混合。主燃烧器为火焰稳定型结构，即不需要机械式火焰保持器。主燃烧器的助燃空气以切向流进入预混合室(115)。预燃烧室(61)的出口处设置有副燃烧器(15)，副燃烧器为非自动预混合器结构。

Description

带有两级燃烧的燃烧室

本发明涉及一种带有两级燃烧的燃烧室，其带有至少一个预混合型的主燃烧器，在该燃烧器的预混合室内经喷嘴喷入的燃料在点燃前与助燃空气进行强烈混合，并且带有至少一个副燃烧器，该副燃烧器设置在预燃烧室下游。

用尽可能大的过量的空气系数进行燃烧，一方面受火焰尚能燃烧的制约并且此外又受不生成过多的CO的制约-不仅可以减少NOx的有害物质量，而且除此之外还促使其它的诸如CO和未燃烧的碳氢化合物等有害物质保持在最低限度。此点使选用较大的过量空气系数成为可能，其中虽然开始时产生较大量的CO，但此CO接着又反应生成CO₂，以致使CO排放保持在最小程度。但另一方面又由于大量的过量空气，因而只生成少量的附加NO。鉴于在例如燃气蜗轮机的一个燃烧室内设置有较多的燃烧器，所以在进行负荷调整时总是仅用燃料驱动某些部件，以便在实际工作状态(起动、部分负荷、满负荷)时可以实现最佳的空气过量系数。

为了实现混合气在后面的燃烧室内可靠点燃及充分的燃烧，所以燃料必须与空气充分均匀混合。充分的混合还有于避免所谓的在燃烧室内的、将导致形成所不需要的NOx的“热点”。出于此考虑，越来越多地采用带有在主级中本说明书开始时所述方式的预混合燃烧器的两级燃烧室。

带有预混合燃烧器的单级燃烧室的不足之处在于，至少在工作状态只有部分燃烧器利用燃料工作或在各燃烧器的燃料量减少的工作状态时将接近火焰稳定性的极限值。实际上在典型的蜗轮条件下，当过量空气系数约为2时，由于过贫的混合气和由于产生低的火焰温度，因而已达到熄火极限。

此事实导致燃烧室运行方式较为复杂及其调整也相应昂贵。另外用小型扩散火焰支持燃烧器也可以扩展预混合燃烧器的工作范围。此控制火焰使燃烧保持为纯净的燃料或至少是未良好预混合的燃料，这就在一方面导致火焰稳定，但另一方面在扩散燃烧时会造成典型的很高的NOx排放。

不管是用燃油在很高的压力下工作，还是用含有大量氢的燃气工作，都会在预混合燃烧器内出现点火迟延时间过短，从而使保持火焰的燃烧器不再是所谓的低NOx燃烧器。

通常通过采用横向喷射混合器将燃料径向喷入通道中，实现将燃料混合入在预混合通道中流动的助燃空气流中。但燃料的动能非常微弱，以致于经约100个通道高度的距离后才能实现接近于均匀的混合。但也可以采用文丘里混合器。而且燃料通过格栅装置喷入也是已知的。最后也可以在特殊的旋流器之前喷入。

根据横向喷射或层流原理工作的装置，或者要求具有过长的混合段或者要求具有过高的喷射功能。在高压情况及低于化学计量混合比下进行混合时，将存在回火或甚至混合气自燃的危险。在预混合管中的流体分离和死区，管壁上的厚边界层或在流通截面上有时出现的极限速度都是导致管内自燃的原因或构成火焰由下游燃烧区返回到预混合管回火的路径。因此必须对预混合段的几何形式给予高度的重视。

由于燃料本身不具有足够实现必要的大量分布和均匀的混合的动能，故采用诸如横向喷射混合器等通常的手段实现上述燃料的喷入是困难的。

本发明试图克服所有这些缺点。其任务尤其在于，提出一种低排放的副燃烧。

此任务是通过下述方案实现的，主燃烧器是一个不带机械或火焰保持器的，但至少带有一助燃空气大致沿切向进入预混合室的进气装置的稳定火焰的预混合燃烧器，并且该副燃烧器是一个非自动的预混合燃烧器。

这种保持火焰的预混合燃烧器例如可以是如EP-B1-0321809记载的和下述对附图1至3B说明的所谓的双锥型燃烧器。燃料，在此处是燃气，在沿切向伸展的入口缝中经喷嘴组喷入经压缩机输出的助燃空气中。通常喷嘴均匀地分布在整个缝口上。

本发明的优点存在于采用燃烧室贫/贫运行方式时，尤其存在于中和的NOx的副燃烧中。

由于燃烧器在采用贫混合气时仍具有工作能力，故在对燃烧室加载和卸载时都可以与过量空气系数范围相交，在此范围，迄今通常采用的预混合燃烧是不能工作的，而不必采用另外的手段避免火焰熄火，因而大大简化了调整。

为实现必要的均匀混合，气体和/或液体燃料经副燃烧器通道喷入助燃空气中，助燃空气流经涡流发生器，多个涡流发生器并列设置在流通通道的圆周上。

涡流发生器的特征在于，具有一个顶面和两个侧面，其中侧面与同一通道壁齐平并相互夹有一后掠角α并且其中顶面的纵向棱与向下游伸展的侧面的纵向棱齐平并与通道壁夹有后角θ。

采用这种用3维涡流发生器表述的新型静止混合器，可以在副燃烧器内，在同时微弱的压力损耗的情况下，实现短的混合段。采用不带再循环区的纵向涡流，在经完全的涡流旋转后已实现两股流动的粗混合，同时由于涡流和分子扩散过程，可经一段与少许通道高度相符的距离实现均匀混合。

这种混合方式尤其适用于燃料在稀释度较大的情况下，经相对微弱增压混合入助燃空气。尤其是在中、低热量的燃气时，对燃料微弱增压是有益的。此时混合所需的动能绝大部分是来自具有较高容积流的流体的流动能量，同时也来自助燃空气的流动能量。

这种涡流发生器的优点在于结构特别简单。制做这种由3个环流壁构成的件完全是没有问题的。可以采用不同的方式把顶面与两个侧面并合在一起。而且在采用可焊接材料的情况下，也可以通过简单的焊缝将涡流发生器件固定在平的或弯曲的通道壁上。从流体工程着眼，该器件在环流时只有微弱的压力损耗并产生无死区的涡流。最后，该涡流发生器件可以通过中空的内腔，采用不同方式并利用各种手段冷却。

设置时，两个侧面的连接棱的高度h与通道高度H的比例是如此选取的，即应使产生的涡流直接在涡流发生器的下游侧充满整个通道高度或充满设置有涡流发生器的通道部分的整个高度。

当对称相平行于通道轴伸展，并且两个侧面的连接棱构成涡流发生在下游侧的棱的同时，由于横切流通道伸展的顶面的棱是首先受通道流加载的棱，因此在涡流发生器上产生两个相同的，但方向相反的涡流。形成一中性流的流动图，在该图中两个涡流的旋转方向在连接棱的范围内上升。

本发明的其它优点，尤其结合涡流发生器的设置和燃料的喷入的其它优点，可参见从属权利要求。

在附图中对照一燃气蜗轮机的环形燃烧室对本发明的实施例做了示意表述。

图中示出：

图1燃烧室的局部纵示面；

图2A沿图1中2-2线的燃烧室的局部横示面；

图2B副燃烧器中的涡流发生器的变型结构的局部横剖面图；

图3A双锥形预混合燃烧器的出口范围内的横截面图；

图3B同一预混合燃烧器锥尖范围内的横截面；

图4涡流发生器的透视图；

图5涡流发生器的变型实施例；

图6图4涡流发生器的变型结构；

图7通道中的涡流发生器；

图8至14燃料输送的变型方案；

图15副燃烧器出口的透视局部视图；

图16带有燃料输入的副燃烧器入口的透视局部视图；

图16A副燃烧器入口处涡流的形成；

图17并列设置的涡流发生器的变型结构；

图18涡流发生器的另一变型实施例；

图19图17的并列设置的涡流发生器的变型结构；

图20沿燃烧室伸展的温度曲线；

图21主燃烧器的变型实施例。

在附图中仅示出了对理解本发明必要的器件。例如并未示出整个燃烧室及其与设备的配合。工作介质的流向用箭头示出。在不同附图中的相同器件分别用相同的附图标记标示。附图中略去了发明不必要的器件，例如机壳、固定装置管道、燃料储备装置、调整装置等。

燃烧室结构：

在图1中用50标示被包围的压力送风系统，该装置通常接纳由图中未示出的压缩机输送的助燃空气并将助燃空气馈送给环形燃烧室1。该燃烧室为两级结构并主要向一个预燃室61和一个位于下游侧的后燃烧室172构成，这两个燃烧室用燃烧室壁63、63′包围。

在预燃燃室61上安装有一个环形罩55，该预燃烧室位于燃烧室1的顶端并且其燃烧区被一块前侧护壁板54分隔开。在该罩内设置有一个燃烧器110，从而使燃烧器出口至少与前侧护壁板54近似齐平。主燃烧器110的纵轴51沿预燃烧室61的纵轴52伸展。在整个圆周上分布并列设置在圆环形前侧护壁板54上的这种燃烧器110有多个，在附图中示出的是30个(图2A、B)。助燃空气由压力送风系统50经在其外侧端开孔的罩壁流入罩的内部并对燃烧器送风。燃料经燃料喷管120送入燃烧器，该燃料喷管穿过压力送风系统和罩壁。

在预燃烧室61过渡到后燃烧室172的段上，有一定数量的副燃烧器150通至后燃烧室。这里同样涉及的边界预混合燃烧器。其纵轴153例如在与预燃烧室61的纵轴的夹角保持30°的情况下伸展。在本实施例中，主燃烧器110和副燃烧器150的穿流截面分别接处理的总容积流的大约一半来确定尺寸。

在副燃烧器150的通道154中气体和/或液体燃料喷入助燃空气中。助燃空气同样通过图中未示出的手段由压力送风系统50送入通道154中。助燃空气经涡流发生器9、9a传送，在两个通道段圆周上并列设置有多个涡流发生器。

在图中所示的主燃烧器110和副燃烧器150的环形配置中，副燃烧器150设置在径向外侧。通过这种径向阶梯式配置实现了坚固的燃烧室。

在副燃烧器150出口范围内的预燃烧器61的出口上，在预燃烧室的燃烧室壁63′上设置有产生涡流的槽161。预燃烧室61向后的燃烧室172的过渡段在副燃烧器150出口对面的燃烧室壁63上有一缩颈171。

选用的副燃烧器向后室172的进入口应使在预燃烧室61内混合气尚未充分燃烧。

如在下面加以说明的图2A和2B所示，在圆周上分别设置有相同数量的预燃烧器110和后燃烧器150，图中所示为30个。在图2A中，前两者的轴线在圆周方向上相互错位半个分度。在图2B中，主燃烧器110和副燃烧器150的轴线在同一半径上。显然所述数量和所示配置并不是非如此不可。

在后燃烧室172中，混合气完全燃烧。此后，热的烟气经过渡区ZT到达涡轮机入口173，在过渡区烟气被加速且通常与冷空气混合。

主燃烧器：

在图1、3A和3B示意示出的预混合燃烧器110中，正如在上面已提及的并例如在EP-B1-0321809记载的那样，分别涉及的是一个所谓的双锥形燃烧器。该燃烧器基本由两个中空的锥形的分体111、112构成，这两个分体在流动方向上相互环套在一起并同时封罩预混合室115。此时两个分体的中轴113、114相互错位。两个分体的相邻壁在其纵向伸展上构成助燃空气的切向开口119，助燃空气采用此方式进入燃烧器内部，即预混合室。在此处设置有用于液体燃料的第一个中心燃料喷嘴115。燃料成锐角喷入中空锥体中。所形成的锥形燃料轮廓被切向流入的助燃空气环包。在轴向上，燃料的浓度由于与助燃空气的混合持续减少。在实施例的情况下，燃烧器同样也可以用气体燃料工作。为此在切向和119范围内两个分体的壁上备有在纵向上分布的燃气流入孔117。因此在用燃气工作时在入口开口119的区内已开始形成与助燃空气的混合气。显而易见，采用此方式也可以用两种燃料进行混合。

在燃烧器110的出口118进行调整，以实现在加载的圆环状截面上尽可能均匀的燃料浓度。在燃烧器出口处形成定义的球罩形再循环区123，在再循环区的顶部点火。火焰本身由燃烧器前面的再循环区加以稳定，而不需要采用机械式火焰保持器。

副燃烧器：

依照本发明，副燃烧器150应是一个非自动的预混合燃烧器。这是指为副燃烧器的混合气燃烧应备有一个持续点火装置。在此情况时，此持续点火是通过预燃烧室61出口处的火焰实现的。在低的部分负荷工作方式时，仅主燃烧器用燃料工作。副燃烧器的主流则作为稀释空气加以利用。

涡流发生器：

在对混合装置在副燃烧器内的安装详述之前，首先对混合过程重要的涡流发生器加以说明。

在图4、5和6中未示出被用大箭头标示的主流流过的固有通道。依照这些图，涡流发生器基本由3个被自由环流的三角形面构成。这三个方面分别是顶面10和两个侧面11和13。这些面在其纵向延伸上以一定的角度向下游伸展。

涡流发生器的由直角三角形构成的两个侧壁的纵侧固定在通道壁21上，优选采用气密封固定。其定向应使在其窄侧上形成夹角为α的接合点。此接合点的结构为尖锐的连接棱16并垂直于与其侧面齐平的通道壁21。两个夹角为α的侧面的形状，尺寸和定向在图4中都是对称的并设置在对称轴17的两侧。此对称轴17与通道轴走向相同。

顶面10具有一个与流通通道横截面相交伸展的并非常窄的棱15，该棱15与侧壁11、13相同的通道壁21平齐。其纵向棱12、14与侧面伸入通流通道的纵向棱齐平。顶与与通道壁21所夹的后向角为θ并伸展。其纵向棱12、14与连接棱16共同构成尖端18。

当然，涡流发生器也可以备有一个底面，用此底面采用相应方式将涡流发生器固定在通道壁21上。但这种底面与器件的工作方式是无关的。

在图4中，两个侧面11、13的连接棱16构成涡流发生器的下游棱。顶面10横截流通通道伸展的棱15因此是首先由通道流加载的棱。

涡流发生器的工作方式如下：在对棱12和14进行环流时，主流变成一对方向相对的涡流。涡流轴在主流轴上。转速和涡流散开位置(涡流破碎散开)是由对后角θ和后掠角α的相应选择确定的。随着角度的增大，涡流强度或转速也会增高并且涡流散开位置将逆流向一直移至涡流发生器范围。视应用，这两个角θ和α可通过设计和加工本身预先确定。仅需要对器件的长度L及连接棱16的高度h进行适配调整(图7)即可。

在图5中示出一个在图4的涡流发生器的基础上的所谓的“半”涡流发生器9a。图中仅有两个侧面中的一个，即面11带有一后掠角α/2。另一侧面13正对着流动方向。与对称涡流发生器相反，在这里仅在标有箭头的一侧产生涡流。因此在此涡流发生器9a的下游没有涡流中和区，而是强制流动旋转。

与图4不同的是，在图6中涡流发生器9b的锐角连接棱16位于首先由通道流动加载的位置上。该器件被旋转180°。从图中可看出，两个方向相对的涡流改变了其旋转方向。

依照图7，涡流发生器9安装在一条通道154上。通道连接棱16的高度h与通道高H或配备涡流发生器的通道部分的高度的相互调整应使所产生的涡流在涡流发生器的直接下游达到的量度，足以充满整个通道高度H。这将导致在受载截面实现均匀的速度分布。另一影响选用比例h/H的标准是压降，该压降是在环流涡流发生器时产生的。显然，当比例h/H较大时，压力损耗系数也随之增大。

涡流发生器的配置：

依照图2A及其详图D2A的实施例中，在30个副燃烧器中的每一个的出口内备有4个“半”涡流发生器9a。其中，其未用箭头标示的壁13(图5)与径向的燃烧器-分界隔板155邻接。在圆环段内产生的流场用箭头标示。从图中可看出，总流径向向内，确切地说，从外部沿分界隔板155向内。

依照图2B及其详图D2B的实施例中，在30个副燃烧器中的每一个的出口范围备有两个涡流发生器9或者9b。副燃烧器无间隔地分布在相应圆环扇段范围上。当然，涡流发生器在其某壁段也可以沿圆周方向并列排列，从而可以留出分界隔板和侧壁间的中间空间。最终在这里产生涡流是问题的关键。

从细图D2B和图1中可以看出，设置有位于径向外侧的图4的涡流发生器9，因此其入口棱15首先被流动加载。位于径向内侧的涡流发生器9b与相反按图6定向，即连接棱16在这里首先被流动加载。所产生的在圆环段内的流场用箭头标示。从图中可以看出，总流同样径向向内，但并不是由外侧沿分界隔板155，而是在扇段中心流动。

采用涡流发生器这些不同的配置和在圆周方向主燃烧器错位设置的方案，就掌握了建立两个流动相遇时最佳配合条件的手段。

据此，涡流发生器主要用于两个流动的混合。以助燃空气形式的主流按箭头方向触击横向入口棱15或连接棱16。以气体和/或液体燃料形式的副流通常具有一个大大小于主流的流量，只要涉及的不是诸如高炉煤气的低热值燃料。副流在本实施例情况下在出口端的涡流发生器的逆流侧加入主流中。

鉴于依照图1在中心燃料喷管151的逆流侧已备有一涡流发生器的配置，故在此刻主流已卷入涡流中。在同一段内对径向外侧和径向内侧的“半”涡流发生器9a按阶梯排列，从而使涡流这时在扇段中心的相同的旋转方向面对某出口端配置。

显然，轴向阶梯排列的涡流发生器的数量及随之副燃烧器的长度与所需要的混合质量的程度有关。至少出口端的涡流发生器除混合任务外还要完成下述工作：

—对流动径向向内导向；

—像文丘里管那样对流动加速，以避免回火。

此结果是通过涡流发生器对流通截面的一定的栏堵作用实现的；

—在副燃烧器的下游的涡流散开对火焰的空气动力稳定是有益的。

副燃烧器的燃料供给：

依照图1在副燃烧器150中，燃料分别经一中心燃料喷管151喷入。图中示出燃料的横向喷入，其中燃料动量应是主流的约两倍。同样也可以备有下游方向的纵向喷入。此时，喷入动量约等于主流动量。

喷入的燃料受涡流拖曳并与主流混合。燃料经过涡流的螺旋过程并在涡流的下游均匀地分布在室内。这样就减少了对对面壁冲击的—在本说明书开始时提及的将燃料径向喷入一非旋转流时出现的一危险和所谓的“热点”的形成。

由于主要的混合过程是在涡流中进行的并且对副流的喷入动量非常不敏感，因而可以灵活地保持燃料的喷入并与其它极限条件适配。故在整个负荷范围可以保持相同的喷入动量。由于混合是由涡流发生器的几何形状决定的，而不是由机器的负荷，例如由燃气蜗轮机的功率决定的，因而即使在部分负荷条件下如此配置的燃烧器也能最佳地工作。通过燃料的点火延迟时间和涡流的混合时间的配合最佳地实现燃烧过程，这同时敢保证了最大限度的减少排放。

只要燃烧的是气体燃料，还可以采用其它途径实现燃料对通道154的供给。依照图，可以经燃气供给通道152将燃料直接在涡流发生器范围内输入。

图8至14示出副燃烧器中燃料输入助燃空气中的这类可能的方式。这些变型可以多种形式相互结合和与一集中燃料喷入结合使用。

依照图8，除涡流发生器下游侧的壁孔22a外，燃料还经壁孔22c喷入，该壁孔紧贴侧壁11、13并在其纵向延伸的相同壁21上，涡流发生器就设置在比壁上。燃料经壁孔22c的引入赋予所产生的涡流以附加的动量，延长了涡流的寿命。

依照图9和10，燃料一方面经开口22e或壁孔22f喷入，开口或壁孔紧贴顶面10的横切通流通道伸展的棱15的前面并且在设置涡流发生器的相同壁21的纵向延伸上。选用的壁孔22f或开口22e的几何形状应使燃料在一定的入射角的情况下喷入主流中并作为抵御热主流的保护屏蔽对其后面的涡流发生器环流。

在下述实施例中，副流首先经图中未示出的手段穿过通道壁21进入涡流发生器中空的内部。这样就实现了对涡流发生器内部冷却的可能。

依照图11，燃料经壁孔22g喷入，该壁孔位于顶面10内紧贴横切流通通道伸展的棱15的后面并在其纵向延伸。在这里对涡流发生器的外冷却要多于内冷却。喷出的副流环绕顶面10流动并形成抵御热主流的屏蔽保护层。

依照图12，燃料经壁孔22h喷入，该壁孔在顶面10内沿对称线17成阶梯配置。采用此变型方案通道壁可以受到特别良好的抵御热主流的保护，这是因为燃料首先在涡流的外圆上进入。

依照图13，燃料经壁孔22j喷入，壁孔位于顶面10的纵向棱12、14上。此方案保证了对涡流发生器的良好的冷却，这是因为燃料是在其极限位置喷出并完全吹洗了器件的内壁。副流在这里直接加入产生的涡流中，并导致产生定义的流速比。

在图14中，是经壁孔22d喷入的，壁孔在侧面11和1 3内一方面在纵向棱12和14范围并且另一方面在连接棱16范围。此变型就其作用方式类似于图8中的孔22a和图13中的孔22j的作用方式。

图15示出副燃烧器和预燃烧室重合在一起时的局部透视图。图中在副燃烧器的出口范围内备有的涡流发生器与图2A所示的涡流发生器相符。图中所示的设置在径向内侧的“半”涡流发生器9a的连接棱16首先被流体触及，连接棱在这里位于与扇段分界隔板155的同一径向上；设置在径向外侧的“半”涡流发生器9a的沿圆周向伸展的棱15首先被流体触及。

如上所述，在副燃烧器150的入口范围内的预燃烧室61的出口处，在预燃烧室的燃烧室壁63′上备有产生涡流的槽161，其结构与迄今所述的涡流发生器类似。与这些涡流发生器的区别在于，在这里两个侧面和顶面并不构成有形的尖端。如图1所示，通过此阶梯槽预燃烧室的径向外侧流径向向外旋转并与来自副燃烧器的径向向内流动的混合气相撞。

为了对这部分径向向外偏转的分流进行补偿，在预燃烧室61向后燃烧室62的过渡段的槽161对面的燃烧室63上有一个缩颈171，以便面积比例不致造成不利的影响。

图16示出副燃烧器入口的局部透视图，其中在第一段内也设置有图5所示的“半”涡流发生器9a，当然此配置不同于在副燃烧器出口的配置。各燃烧器分别备有一个通向涡流发生器燃油的中心燃料喷管151及燃气输入套管156。图16A为图16的细节视图，图中示出在径向伸展的扇段一分界隔板155两侧形成的涡流；由于在圆周方向并列设置的“半”涡流发生器的棱15和棱16交替地首先被空气加载，因而产生逆时针方向的方向相同的总涡流。

混合区：

副燃烧器中的涡流发生器的设计应使在下游绝大部分区域避免出现再循环区。这样就使燃料颗粒在热区停留时间很短，这将非常有利于将NOx的形成减少到最低限度。但涡流发生器的设计也可以与上述情况相同并且在通道的厚度上成阶梯配置，从而在副燃烧器的出口产生一定义的回流区170，该回流区采用空气动力方式对火焰起着稳定作用，即不需要机械式火焰保持器。

混合气在涡流状态下离开副燃烧器150并且进入来自预燃烧室61的火焰中。这时由于两个涡流的碰撞，因而在最短的路段上实现充分的混合和涡流再次散开，该涡流散开导致产生上述已提及的回流区170。

强烈混合促使在通流截面上实现良好的温度分布，并因此降低了出现热声学不稳性的可能。涡流发生器仅仅由于其存在，起着防止热声学振荡的阻尼措施的作用。

采用上述燃烧器，通过对各模件实施燃料的分级供给，即可很简便地实现燃烧室的部分负荷工作。仅在其主燃烧器用预混合火焰工作地，副燃烧器的主流作为稀释空气加以采用。该剧烈旋转的主流在副燃烧器出口处非常迅速地与主级输出的热燃气混合。因此在下流侧实现均匀的温度分布。在对燃烧器加载时，燃料被逐步地喷入副燃烧器并且在点火前与助燃空气强烈混合。故该副燃烧器始终以预混合方式工作；它们由主燃烧器点火并稳定。

该燃烧器-空气动力装置，由两个径向分级的涡流发生器构成。径向向外的涡流与涡流发生器9的数量与几何形状有关。径向内侧的由双锥形燃烧器输出的涡流结构可以通过一定的双锥形燃烧器的几何形状参数的适配调整加以影响。可以通过对流通面的相应调整任意进行主燃烧器和副燃烧器间的流量分配，其中必须对压力损耗加以考虑。由于涡流发生器具有的压力损耗相对较小，故流过副燃烧器的流速大于主燃烧器的。出于对回火的考虑，在副燃烧器出口的流速大一些将产生有利的作用。

在图17中推荐一种环形燃烧器，在该环形燃烧器中对上述径向分级的涡流发生器做了精确的定义。径向内侧的大规模涡流与径向外侧的涡流旋转方向相反。为实现此点，围绕双锥形燃烧器101分组设置一定数量的按照图5的涡流发生器9a，这里指的是所谓的“半”涡流发生器。在该发生器中，涡流发生器9a的两个侧面中仅有一个备有后掠角α/2。另一侧面是直面并对准燃烧器轴。与对称涡流发生器相反，这里仅在箭头标示侧产生一个涡流。因此在涡流发生器的下游侧没有涡流中和场，而是迫使该流动旋转。由于所有在圆周方向均匀分布的涡流发生器的定向相同，故原来非旋转的主流在涡流发生器下游侧产生如图17所示的一个在圆周上同向的旋转。

图18和图19分别是涡流发生器9c实施变型的顶视图及圆环形通道配置的前视图。夹有后掠角α的两个侧面11和13具有不同的长度。这意味着，顶面10的对流通通道倾斜伸展棱15a紧贴在与侧壁相同的通道壁上。涡流发生器在其宽度上当然具有不同的后角θ。这种变型的作用在于，可以产生不同强度的涡流。例如可用此作用于附着在主流上的旋转。或者通过不同的涡流在涡流发生器下游侧迫使原来无旋转的主流旋转。

这种配置非常适用于作为独立、坚固的燃烧器单元。例如在一环形燃烧室内采用多个这样的单元时，可以用强加给主流的旋转，改进例如在部分负荷时燃烧器配置的横向点火特性。

作用方式：

图20为说明沿燃烧器-延伸长度温度变化的曲线图。在本图中(与图1同)用173标示第一涡轮机-导向叶片组。

下述在曲线上方注释和在图1中同样标示的区是：

115 主燃烧器110中的预混合范围

61 预燃烧室

SMF 副燃烧器150中的第一预混合区和燃料喷入

S2M 副燃烧器150中第二预混合区

M 混合区

BO 后燃烧室62中的燃尽区

ZT 向蜗轮机进口173的过渡区

其它的标记是：

EI 主燃烧器外点火的位置

SI 混合区M中的自动点火位置

T_F 火焰温度

T_T 蜗轮机进口温度

T_SI 自动点火温度

T_IN 燃料/空气混合气温度

其它的标记是：

δT_1c 由于燃烧的温度升高

δT_1m 由于混合的温度降低

δT_2m 由于混合的温度升高

δT_2c 由于燃烧的温度升高

新的措施的效果如下：在预燃烧期间，由于总容积流对半地分配给主燃烧器和副燃烧器，因而由于温度升高δT_1c将产生氮气。该半容积流直至与来自副燃烧器的混合气的混合时在预燃烧室61仅有很短暂的停留，就NOx的生成而言这是十分有利的。

在来自预燃烧室61的热烟气与来自副燃烧器的燃料/空气混合气的混合期间，混合温度不得降低到低于自动点火温度T_SI。

在自动点火后，总容积流的温度升高δT_2c幅度很小，并且直至在BO区的完全燃尽时期过短，因而不是以产生起着关键作用的NOx。

综上所述可以看出，采用该贫化/贫化方案时，与传统的单级预混合燃烧相比，平分的容积流仅在缩短的时间内承受火焰高温的作用。

等同方案：

本发明原则上并不限定在对所示双锥形主燃烧器的应用。确切地说，本发明适用于各种燃烧室区，在该燃烧区内通过处于主导地位的空气速度场实现火焰稳定。对此的另一实施例是在图21中所示的燃烧器。在图21中所有与在图1-3B的燃烧器中功能相同的器件用相同的标记标示。虽然结构不同，此点尤其适用于在这里的成圆柱形伸展的切向进口119。在该燃烧器中通过一设置在中心的直圆锥形的嵌件130形成流过预混合室115朝燃烧器出口方向逐部增大的面，其中锥尖位于前侧护壁板平面范围内。显然，此锥形的外壳面也可以是弯曲的。另外，这也适用于在图1-3B所示燃烧器的局部面111、112的伸展。

当然也可以与所示和所述的两级燃烧有所不同，采用两级以上的燃烧。燃烧级数量和燃料及空气对多个级的分配，仅取决于所需的燃烧室的效率。

附图标记对照表

1 燃烧室

9、9a、9b、9c 涡流发生器

10 顶面

11 侧面

12 纵向棱

13 侧面

14 纵向棱

15、15a 10的横向伸展棱

16 连接棱

17 对称线

18 尖端

21 通道壁

22a-j 壁孔

θ 后角

α、α/2 后掠角

h 16的高度

H 通道高度

L 涡流发生器的长度

50 力送风系统

51 主燃烧器纵轴

52 预燃烧室纵轴54 预燃烧室前侧护壁板55 罩61 预燃烧室62、63′ 燃烧室壁110 主燃烧器111 分体112 分体113 中心轴114 中心轴115 预混合室116 燃料喷嘴117 燃气入口孔118 燃烧器出口119 切向开口120 燃料喷管123 流泡罩130 锥形嵌件(图2)150 副燃烧器151 燃料喷管152 副燃烧器的供气通道153 副燃烧器的纵轴154 通道155 径向分界隔板156 副燃烧器的供气套管161 槽170 流区171 缩颈172 后燃烧室173 第一蜗轮机导向叶片组SMF 预混合区和燃料喷入S2F 第二预混合区M 混合区BO 燃尽区ZT 向蜗轮机入口的过渡区EI 外点火位置SI 自动点火位置T_F 火焰温度T_T 蜗轮机入口温度T_SI 自动点火温度T_IN 燃料/空气混合温度δT_1c 由于燃烧的温度升高δT_1m 由于混合的温度降低δT_2m 由于混合的温度升高δT_2c 由于燃烧的温度升高

Claims

1.具有两级燃烧的燃烧室，其带有至少一个预混合型的主燃烧器(110)，在该燃烧器的预混合室(115)内经喷嘴(117)喷入的燃料在点燃前与助燃空气进行强烈混合，并且带有至少一个副燃烧器(15)，副燃烧器设置在预燃烧室(61)的出口侧，其特征在于：

—主燃烧器(110)是一个不带机械式火焰保持器的稳定火焰的预混合燃烧器，其助燃空气至少近似切向地流入预混合室(115)，

—副燃烧器(150)是一个非自动的预混合燃烧器。

2.依照权利要求1的燃烧室，其特征在于：主燃烧器(110)按照双锥形原理采用两个中空的基本锥形的在流动方向上套接一起的分体(111、112)工作，其中轴(113、114)相互错位，其中两个分体的相邻的壁在其纵向延伸上构成助燃空气的切向开口(119)，并且其中在切向开口范围中在两个分体壁上备有纵向分布的燃气入口孔(117)。

3.依照权利要求1的燃烧室，其特征在于：作为副流的气体和/或液体燃料喷入气体主流中，并且主流流经涡流发生器(9、9a、 9b、9c)，多个涡流发生器并列设置在流通通道(154)的圆周上。

4.依照权利要求3的燃烧室，其特征在于：

—涡流发生器(9、9a、9b、9c)具有3个由自由环流环绕的面，这3个面在流向上延伸并且分别构成顶面(10)和其它的两个侧面(11、13)，

—两个侧面(11、13)与通道同一壁段齐平并相互夹有后掠角(α、ah)，

—顶面(10)的横切流通通道(154)伸展的棱(15)安装在与侧面(11、13)相同的壁段上。

—顶面的纵向棱(12、14)与侧面伸向流通通道的纵向棱齐平并以与壁板(21)所夹的后角(θ)伸展。

5.依照权利要求4的燃烧室，其特征在于：涡流发生器(9、9c)的夹有后掠角(α)的两个侧面(11、13)以对称轴(17)为准对称设置。

6.依照权利要求4的燃烧室，其特征在于：选用的涡流发生器高度(h)与通道高度(H)的比例应使所产生的涡流在涡流发生器(9)的直接下游侧充满通道整个高度或充满配备有涡流发生器的局部通道的整个高度。

7.依照权利要求3的燃烧室，其特征在于：副流经在通道(154)中心设置的燃料喷管(151)采用纵向喷入或横向喷入的方法输入。

8.依照权利要求3的燃烧室，其特征在于：在副燃烧器(15)通道(154)内纵向上两面并列设置涡流发生器(9、9a、9b、9c)。

9.依照权利要求1的燃烧室，其特征在于：副燃烧器(15)的纵轴(153)与预燃烧室(61)的纵轴(52)成锐角伸展。

10.依照权利要求1的燃烧室，其特征在于：在环形配置多个主燃烧器(110)和副燃烧器(150)时副燃烧器(150)位于径向外侧，最好至少接近与主燃烧器(110)的同一平面上。

11.依照权利要求10的燃烧室，其特征在于：在副燃烧器(150)出口范围内的预燃烧室(61)出口上，在预燃烧室的燃烧室壁(63′)上备有产生涡流的槽(161)。

12.依照权利要求11的燃烧室，其特征在于：由预燃烧室(61)向后燃烧室(62)的过渡段在位于副燃烧器(150)出口对面的燃烧室壁(63)上备有一个缩颈(171)。