CN1160150A - 燃烧室 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种环形燃烧室，它主要由一个主燃烧区、一个混合段和一个二次级组成，在混合段内固定有涡流发生器，它们用来形成涡旋。混合段和涡流发生器均制有通流孔，掺混空气经这些孔流入混合段内部，并在那里与主流混合。被掺入的掺混空气的量是可以改变的；它可以相对于主流具有超临界或亚临界送风率，其中，甚至在亚临界送风率的情况下，也至少能对通道壁和涡流发生器进行气膜冷却。若以超临界送风率为基础，则掺混空气侵入由涡流发生器引发的旋涡边缘区中，结果导致掺混空气与主流的迅速混合。

Description

燃烧室
本发明涉及一种主要由一个主燃烧区和一个沿流动方向设在后面的二次级组成的燃烧室。本发明还涉及一种此燃烧室的工作方法。
在燃气轮机的燃烧室中，通过相应的燃烧器流动并在混合区内准备好的热燃气流，通常在涡轮前通过掺混未经燃烧器流动的质量流而调整到适合涡轮的温度分布。这种掺混的质量一般通过空气进口的横截面尺寸和数量来控制。这些同时起掺混空气喷嘴作用的空气进口，一方面使流过它们的冷空气在热燃气流中有必要的侵入深度，并因而造成为快速掺混所需的一种宏观的紊流，与此同时在另一个方面使得沿燃烧室壁供入的冷空气足够均匀的分布。然而这两种效果是互相矛盾的，大尺寸的喷嘴导致更大的侵入深度，但与此同时恶化均匀分布，从而导致在热燃气流中有过热或过冷的条纹，所以限制了可达到的掺混均匀性，这种限制的结果是增加了有害物质的排放量，降低了效率。
本发明将消除上述缺点。本发明的目的是要对本文开始所述类型的燃烧室及其工作方法加以改进，以提高掺混质量和降低燃烧室的热负荷；与此同时，本发明还有一个目的是要保证尽可能减少有害物质排放量以及最大程度地提高效率。
为了改善掺混质量(这同时也能达到其他目的)，将上述两种效果彼此分开，使它们分别考虑其本身时都能达到最佳化。
为了在热燃气流中造成宏观的涡旋运动，采用涡流发生元件来达到(下文简称涡流发生器)，它们最好固定在一次区(主燃烧区)下游的混合段中燃烧室一个或几个壁上。这些涡流发生器用来在热燃气与其形式上为二次流的要掺入的掺混空气之间，产生所需强度的大范围混合运动，与传统的方法相比，它具有相对于掺混空气流独立的特性。
掺混空气现在通过在燃烧室壁上的许多小孔均匀地供入热燃气中，谋求达到一种超临界的送风率，与此同时它保证喷射冷却。为了所谋求的超临界送风率，掺混空气侵入由涡流发生器引发的涡旋边缘区，从而被涡旋从壁处带走，然后与热燃气迅速混合。由于涡流发生器直接受到热燃气的作用，所以由此可获得的充分的冷却是这类混合段必不可少的先决条件。
喷射冷却效果主要建立在掺混空气通过通孔时造成的内部对流冷却以及热燃气一侧上可能形成冷空气膜的基础之上。若掺混空气流的动量与热燃气流动量之比足够小，则在热燃气一侧上的流动边界层未被掺混空气刺破，并能以最佳方式形成冷空气膜。此送气比超过一个临界值时，掺混空气流侵入热燃气流而不再形成此冷空气膜。通过适当的设计，随着送风比增加但与此同时加强了壁内部的冷却效果，从而可将总的冷却效果大体保持不变。
在超临界范围内，掺混空气流侵入热燃气流的深度在涡流发生器附近可以保持得比较小，至少可以比在传统的空气进口的情况下为低的数量级，因为它只需要大到能使掺混空气进入涡旋，但并不要求掺混空气流本身提供必要的大范围紊流。因此不需大的直径，而掺混空气的供入却可大面积地进行。
所建议的混合段还可以适应燃气轮机不同的负荷状态。若将提供用于掺混的压力降设计为可变的，例如采用一个可调的预节流器，便也可控制要掺入的掺混空气流。在这种情况下若送风率从超临界范围转变为亚临界范围，则尽管掺混空气流发生了大的改变，仍可在一个大的负荷范围内保持喷射冷却的效果不变。以此方式，既可以大面积地向混合过程供入要掺混的空气并因而提高了总的混合质量，又可使混合段的壁与混合量无关的防止产生过高的温度。
这类可变的混合段既可用于传统的扩压和预混燃烧室中，也可用于分级燃烧的燃烧室设计方案中。
下面借助于附图表示本发明的实施例并作进一步的说明。所有对于直接理解本发明不需要的构件均舍去。介质的流动方向用箭头表示。同样的构件在不同的附图中采用相同的符号表示。
其中：
图1有一次区、混合段和二次级的燃烧室，该燃烧室设计为环形燃烧室；
图2通过Ⅱ-Ⅱ剖切面的视图，其中，涡流发生器固定在燃烧室内、外壁上；
图3固定在内壁上的涡流发生器结构；
图4涡流发生器的透视图；
图5涡流发生器的一种实施方案；
图6按图5的涡流发生器的结构方案；
图7在混合段中的涡流发生器；
图8-14通过涡流发生器供入混合空气的变型；以及
图15各侧均打有孔的涡流发生器。
由图1中表示的轴线15可以得知，图中所涉及的燃烧室是一种环形燃烧室100，它基本上具有连续环形圆筒或准环形的圆筒形状。此外，这种燃烧室也可以由一些轴向、准轴向或螺旋形排列的各自封闭的多个燃烧腔组成。这种燃烧室也可由单管燃烧室组成。除此之外，这种燃烧室可以是燃气轮机唯一的燃烧级，或可以是一种顺序点火的燃气轮机一个燃烧级。按图1的环形燃烧室100沿入流方向包括一个主燃烧区1，与之相接的是混合段2，在混合段2后面工作的是二次级3，它最好设计为一个涡轮的入流口。燃烧器以及燃料供入和一次空气的供入都基本上位于主燃烧区1的开始处，在此图1中用箭头13象征性表示。主燃烧区1用一个隔开间距的同心管11包围；在此间距中沿逆流动方向流过一股冷空气12，它保证主燃烧区1的对流冷却。这一股空气在通过这里后例如可流过燃烧器。来自主燃烧区1的热燃气4流入混合段2；混合段2的内壁6和外壁5上配备有一系列涡流发生器200，它们沿上述壁的周向可以按不同的方式排列。后面还要详细介绍涡流发生器200的各种形状、工作方式和排列。在涡流发生器200的所在区内，混合段2被一个腔10包围，腔10中经调节机构9流入掺混空气8，然后掺混空气在那里经内壁6和外壁5上不同的孔以及通过涡流发生器200分配，以便紧接着流入混合段2。所提及的这些孔可例如在图8、10、12、14和15中看出；对这些图在后面还要进一步说明。掺混空气8的量比较大，例如高达总质量流量的50％或更多。在这样的掺混空气量的情况下，在混合段2中的送风率是超临界的，因此沿壁5、6不能形成冷空气膜。显然，在通过调节机构9使掺混空气8强烈节流时，可以掺入的空气8显著减少，于是热燃气流4的量增大。一旦此掺混空气量8达到亚临界送风率，便始终沿壁5、6形成冷空气膜，从而始终能保证充分的壁冷却。但是，按规定目的是要力图达到超临界送风率，因为这样掺混空气8可以穿入在该处所设涡流发生器200引发的涡旋的边缘区。这些涡旋把流入的掺混空气8从壁5、6处带走，从而使它们与经燃烧室100流入的热燃气4迅速混合。此外，在涡流发生器200各侧的孔(参见后面的图15)足以冷却面朝热燃气4的涡流发生器200。超临界的送风率还保证在涡流发生器200所在区内掺混空气8侵入热燃气4的深度可以保持得比较小。此侵入深度只要大到使掺混空气8虽然能侵入由涡流发生器200引发的涡旋中去，但并不需要流入的掺混空气8造成大范围的紊流。因此，这些孔没有大的横截面或直径，在这种情况下，掺混空气8可以大面积地引入混合段2内。显然，掺混空气8引入混合段2可根据设备的负荷来调整。涡流发生器200的垂直连接边(是图4-7中位置216)同时构成了从混合段2向二次级3的过渡，在这里造成了混合区2的断面收缩，其结果是导致在二次级3起始处横截面14的直接突变14。根据设备的负荷状态改变质量流量4、8的分配，在掺混空气8穿过壁时造成的冷却效果，或单独通过孔内的热传导或结合冷空气膜来达到。前一种情况涉及的是一种具有高质量流量和高预压力的超临界情况，第二种情况涉及的是具有低质量流量和低预压力的亚临界情况。因此，如此设计的混合配置，从掺混空气流8可根据负荷强烈变化这一点看，其意图在于不使材料过热，尤其是不使涡流发生器200和壁5、6发生过热。所以，有关于进气孔几何尺寸的设计准则是在相当大的范围内与掺混空气流8只有微弱关系的冷却效果。按这样的思路设计出来的混合段2，既可以用于分级燃烧，也可以用于这里所涉及的燃烧器，其中，尽管负荷改变了，仍能以不变的燃料-空气比工作。
图2是图1中剖切面Ⅱ-Ⅱ处的剖面图，表示了涡流发生器200的一种结构，无论在外壁5上还是在内壁6上均固定有涡流发生器200。它们沿周向彼此邻接，其中，热燃气4经空腔流过，空腔是由涡流发生器200彼此相对的尖端之间的径向间距和由自由绕流面之间的空隙构成的。在图中可见之曲线代表被涡流发生器200所引发的涡旋。
图3与图2基本一致，只是这里仅在内壁6上固定有涡流发生器200。
在图4、5和6中没有表示真正的混合段2。但在图中用箭头表示了热燃气4的流动，箭头还预先规定了流动方向。按照这些图，涡流发生器200、201、202基本上由三个自由绕流三角形而组成。其中包括一个顶面210和两个侧面211和213。在这些面的纵向它们按规定的角度沿流动方向延伸。涡流发生器200、201、202的侧面(它们最好由直角三角形构成)以其纵侧边至少固定在已提及的通道壁6上，最好是气密地固定。它们被定向为在它们的窄侧包含了一个后掠角α，形成一种冲击面。这一冲击面设计为尖锐的连接边216并直立在各通道壁5、6上，侧面与通道壁5、6贴接。这两个夹有后掠角α的侧面211、213，在图4中的形状、大小和方向都是对称的，它们设置在对称轴线217的两侧，对称轴线217与通道轴线的方向相同。
顶面210通过一个横向于流动通道延伸并设计得很窄的边215，如同侧面211、213那样贴靠在同一个通道壁6上。顶面210的纵向边212、214与侧面211、213伸入流动通道中的纵向边取齐并接合。顶面210与通道壁6成一个迎角θ地延伸，它的纵边212、214与连接边216一起构成了尖端218。当然，涡流发生器200、201、202也可以设一个底面，涡流发生器200、201、202可以以适当的方式通过底面固定在通道壁6上。然而，这种底面与构件的工作方式毫无关系。
涡流发生器200、201、202的工作方式如下：当绕过边缘212和214流动时，主气流转变为一对反向旋涡，如图中示意表示的那样。这一对旋涡的轴线位于主流轴线中。旋涡数和旋涡分离的地点(后者如果是所谋求的)，可通过适当选择迎角θ和后掠角α来确定。若这两个角加大，则旋涡强度或旋涡数量均增大，而旋涡分离的地点向上游移动，直至移入涡流发生器200、201、202本身所在区内。取决于使用情况，这两个角θ和α通过结构条件和过程本身预先确定。这些涡流发生器只是还须要适配的长度和高度，正如后面借助于图7还要详细阐明的那样。
在图4中，两个侧面211、213的连接边216构成涡流发生器200在下游一侧的边缘。因此顶面210横向于流动通道延伸的边215，是受通道内气流首先冲击的边缘。
图5中表示的是以图4所示的涡流发生器为基础的所谓“半涡流发生器”。在这里所表示的涡流发生器201中，只设有两个侧面中之一个，这一个侧面具有后掠角α/2。另一个侧面是直的并对准流动方向。与对称的涡流发生器不同，只是在有后掠的一侧产生旋涡，如图中示意表示的那样。因此，在涡流发生器的下游不存在涡旋中性区，相反，在气流中被迫成为全部涡流。
图6与图4相比在这一方面的区别在于，在这里的涡流发生器202的连接锐边216所处的位置，是在受通道内气流首先冲击的地方。因此，构件旋转了180°。如图中所表示的那样，这两个反向的旋涡改变了它们的旋转方向。
图7表示了一个装在混合段2中的涡流发生器200的基本几何尺寸。通常，人们这样来协调连接边216的高度h与通道高度H(或装有涡流发生器的通道段高度)之间的关系，即，应使紧挨着涡流发生器200的下游处所造成的涡旋，就已经达到充满通道全部高度H的程度。这样可导致受冲击的横截面中有均匀的速度分布。采用的另一个会影响到要选择的这两个高度之比h/H的准则，是在气流绕涡流发生器200流动时产生的压力降。可以理解，比值h/H越大，压力损失系数就越大。
涡流发生器200、201、202主要并最好使用在那些涉及到有两种流动要互相混合的地方。作为主流4的热燃气沿箭头方向冲击横向的边缘215，或冲击连接边216。掺混空气8(参见图1)所具有的量可达主流4的50％或50％以上。在本例中，掺混空气流8在涡流发生器的上游和下游以及从涡流发生器本身引入主流4中，由图1中可特别清楚地看到这些情况。
在图2和3所示的实例中，涡流发生器被安置成互相邻接；当然，这些涡流发生器也可以沿混合段2的圆周互相隔开距离地分布。在选择涡流发生器的几何尺寸、数量和结构布置时，最终起决定性作用的是必须要产生涡旋。
图8-15表示了其他一些涡流发生器，它们在用于使掺混空气流入主流中去的通流孔或口方面的配置不同。根据选择，这些通孔也可以用来将其他的或别的介质，例如燃料引入混合段。
图10表示了位于涡流发生器下游的通道壁孔220，以及其他的壁孔221，它们紧挨在侧面211、213旁并沿侧面211、213的纵向延伸地设在此涡流发生器所固定的同一个通道壁6上。通过壁孔221引入的掺混空气流给予所产生的涡旋一个附加的冲击和冷却作用，其结果是可以延长涡流发生器的使用寿命。
在图9、10中掺混空气流经由缝222或壁孔223喷入，这两种装置均直接位于横向于流动通道延伸的顶面210的边缘215前面，并在设有涡流发生器的同一个通道壁6上沿其纵向延伸。壁孔223或缝222的几何尺寸应选为，使掺混空气(也许是另一种介质)按规定的喷入角掺入主流4，并通过绕此涡流发生器流动，作为保护气膜将位于后面的涡流发生器与热的主流4基本隔开。
在下面要介绍的一些实例中，如由图1可见到的那样，掺混空气流被引入涡流发生器空心的内部。因此，无需提供其他的设施，便可获得所谋求的相对于主流4的混合效果以及对涡流发生器本身极为重要的冷却可能性。
当然，掺混空气流的引入也可以借助于已经介绍的可能的送风装置(图8-10)的一种组合形式，以及借助于按后面要介绍的图11-15中所示的其他可能形式来进行。为保护能在一定程度上一目了然，在各图8-14中用箭头表示的通流孔只是定性的表示，据此毫无问题地可以在涡流发生器所涉及的或所有的面全部设有互相隔开间距的通流孔，如由图15中可见的那样。
在图11中掺混空气流经孔224喷入，这些孔224安排在顶面210上，其中，掺混空气流的入流方向横向于流动通道或边缘215。在这里涡流发生器的冷却在外部进行的程度比在内部的大。在亚临界送风率的情况下，流出的掺混空气流在绕顶面210流动时，扩展成一个使顶面210与热主流4隔离的保护层；否则，在超临界送风率的情况下，形成如对图1所阐明的混合效果。
在图12中掺混空气流经孔225喷入，这些孔225至少沿对称线217成梯队地设在顶面210内。按照这一方案通道壁6面对于热的主流4可得到特别有效的保护，因为掺混空气流首先在旋涡的外圆周处引入。
在图13中掺混空气流经孔226喷入，这些孔至少在顶面210的纵向边缘212、214处。这一方案保证充分地冷却涡流发生器，因为掺混空气流在它的极端处流出并因而围绕构件的整个内壁吹过。在这里，掺混空气流直接进入正在发展的涡旋中，在超临界送风率的情况下，这可以导致主流内的确定混合。
在图14中掺混空气流的喷入经由孔227实现，它们设在侧面211和213中，一方面在纵向边缘212和214的区域内，另一方面在连接边216的区域内。这一方案的效果与图8(孔211)和图13(孔226)的效果相似。
              符号表1主燃烧区(一次区)2混合段、通道3二次级4热燃气、主流5燃烧室外壁、通道壁6燃烧室内壁、通道壁7流体机械加载用的热燃气8掺混空气、掺混空气流、二次流9调节机构10分配腔11同心管12冷空气13燃烧器、燃料供入装置14轴线100燃烧室200、201、202涡流发生器210顶面211、213侧面212、214纵向边215横向边216连接边217对称轴线218尖端220-227将掺混空气喷入主流中的通流口或孔L，h涡流发生器尺寸H通道高度α后掠角θ迎角

Claims (15)

1.燃烧室，它主要由一个主燃烧区(1)、一个沿流动方向设在后面的二次级(3)组成，其中，用于燃烧的这两个级在工作上互相连系，其特征为：在主燃烧区和二次级之间，居中设有混合段(2)；混合段配备有涡流发生器(200、201、202)；混合段和涡流发生器具有通流孔(220、221、223；225、226、227)，经由这些孔可将掺混空气(8)喷入主流(4)中。
2.按照权利要求1所述的燃烧室，其特征为：一个涡流发生器(200)有三个自由绕流面，它们沿流动方向延伸，其中一个构成顶面(210)，而另外两个构成侧面(211、213)；侧面(211、213)与通道(2)的同一个壁段贴接并互相形成一个后掠角(α)；顶面(210)以一个横向于流动通道(2)延伸的边缘(215)，如侧面(211、213)那样贴靠在通道(2)的同一个壁段(5、6)上；顶面(210)的纵向边缘(212、214)与伸入通道(2)中的侧面(211、213)的纵向边齐平地接合，并与通道(2)的壁段(5)成一个迎角(θ)地延伸。
3.按照权利要求2所述的燃烧室，其特征为：涡流发生器(200)的这两个构成后掠角(α)的侧面(211、213)相对于对称轴线(217)对称地设置。
4.按照权利要求2所述的燃烧室，其特征为：这两个构成后掠角(α、α/2)的侧面(211、213)在它们之间相交成一个连接边(216)，它与顶面(210)的纵向边缘(212、214)一起形成了一个尖端(218)；连接边(216)处于通道(2)的径向线上。
5.按照权利要求4所述的燃烧室，其特征为：顶面(210)的连接边(216)和/或纵向边(212、214)设计成至少接近锐边。
6.按照权利要求1、2、3、4所述的燃烧室，其特征为：涡流发生器(200)的对称轴线(217)平行于通道轴线延伸；两个侧面(211、213)的连接边(216)构成涡流发生器(200)的下游边缘；顶面(210)横向于流动通道(2)延伸的边缘(215)是首先受主流(4)冲击的边缘。
7.按照权利要求1和4所述的燃烧室，其特征为：连接边(216)构成了混合段(2)与二次级(3)之间的过渡。
8.按照权利要求1至7之一所述的燃烧室，其特征为：涡流发生器(220、201、202)沿所有的面(210、211、213)和沿连接边(216)全都有通流孔(225、226、227)。
9.按照权利要求1所述的燃烧室，其特征为：涡流发生器(200)的高度(h)与通道(2)高度(H)之比选择为，使所产生的旋涡在紧挨着涡流发生器(200)的下游处充满通道(2)的整个高度(H)和充满装有涡流发生器(200)的通道段的整个高度(H)。
10.按照权利要求1所述的燃烧室，其特征为：燃烧室是一种环形燃烧室。
11.按照权利要求1所述的燃烧室，其特征为：涡流发生器(200、201、202)下游一侧的区段设计为文氏管式的；另一种燃料可喷入文氏管段收缩最大的区域内。
12.按照权利要求1所述的燃烧室，其特征为：涡流发生器(200、201、202)至少固定在混合段(2)的一个通道壁(5、6)上。
13.按照权利要求1所述的燃烧室，其特征为：主燃烧区(1)设在流体机械的下游，而二次级(3)设在流体机械的上游。
14.按照权利要求13所述的燃烧室，其特征为：在二次级(3)下游的流体机械是一台涡轮机。
15.按照权利要求1所述燃烧室的工作方法，该燃烧室主要由一个主燃烧区和一个沿流动方向设在后面的二次级组成，其中，这两个燃烧级在工作上互相连系，其特征为：掺混空气(8)喷入处于主燃烧(1)和二次级(3)之间的混合段(2)中的主流(4)内；掺混空气(8)相对于主流(4)的量，在超临界送风率的情况下，只是侵入由涡流发生器(200、201、202)所造成的旋涡中；而在亚临界送风率的情况下，至少沿混合段(2)形成气膜冷却。
CNB961077638A 1995-06-02 1996-05-31 燃烧室 Expired - Fee Related CN1244766C (zh)

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