CN117120776A - 用于燃气涡轮机的燃烧室 - Google Patents

Abstract

一种用于燃气涡轮机的燃烧室(100)，该燃烧室(100)包括具有入口(104)的燃烧腔室(102)。燃烧腔室入口(104)由燃烧器(30)限定。燃烧器包括：引燃燃烧器部段(200)，该引燃燃烧器部段(200)以中心轴线(Y)为中心；旋流器部段(300)，该旋流器部段(300)包括从引燃燃烧器部段(200)径向向外延伸的静叶片(302)；以及主燃烧器部段(400)，该主燃烧器部段(400)从旋流器部段(300)径向向外延伸并且环绕旋流器部段(300)。

Description

用于燃气涡轮机的燃烧室

本公开涉及用于燃气涡轮机的燃烧室以及用于操作用于燃气涡轮机的燃烧室的方法。

背景技术

在这样的技术领域中，典型的目标是减少排放、特别是由燃烧腔室内部的高温引起的氮氧化物(NOx)的高排放。特别地，在燃烧室内部，燃料和气体(空气)的混合被认为是避免具有较高温度的区域并且由此减少总NOx排放的关键问题。

通常，燃烧室包括主燃烧腔室和位于主燃烧腔室的上游的预燃烧腔室。预燃烧腔室包括具有可以通过其提供空气和燃料的旋流器的旋流器部段。

引燃燃料通常由引燃燃烧器大致沿与燃烧室的中心轴线平行的方向进一步喷射。引燃燃料用于控制主燃料在其中燃烧的燃烧室火焰。

氢作为燃气涡轮机中用以产生电力的燃料越来越受欢迎。大多数可以燃烧高百分比的氢的燃气涡轮机系统是基于扩散的。由于预混合极少或者没有预混合，喷射后的燃料以较高的当量比燃烧，局部温度非常高，从而导致高的NOx排放。

当前采用天然气的燃烧系统中的大多数燃烧系统使用干式低排放(DLE)技术，其中，燃料和空气预混合以减少NOx排放。

期望具有可以以氢、天然气或者两者的混合物为燃料的系统。然而，构建使用天然气和氢两者的可操作成产生低NOx排放并且使预混合区域中发生燃烧(“逆燃”)的风险最小化的系统是具有挑战性的。

发明内容

本公开的目的可以是提供一种提供低氮氧化物(NOx)排放的燃烧腔室。

本公开的另一目的可以是提供一种在燃烧腔室内部的气体的混合物中具有期望的燃料分布的燃烧腔室。

本公开的另一目的可以是提供一种具有期望的火焰轮廓的燃烧腔室。

该目的通过根据独立权利要求的用于燃气涡轮机的燃烧室解决。从属权利要求描述了本公开的有利的改进和修改。

根据本公开，提供了一种如所附权利要求中阐述的设备。本公开的其他特征将从从属权利要求和随后的描述中变得明显。

因此，可以提供一种用于燃气涡轮机的燃烧室(100)，该燃烧室(100)沿着中心轴线(Y)延伸并且包括具有入口(104)的燃烧腔室(102)。燃烧器(30)设置在入口(104)中、设置为并且/或者限定入口(104)。燃烧腔室入口(104)(即燃烧器30)可以包括以中心轴线(Y)为中心的引燃燃烧器部段(200)，并且该引燃燃烧器部段限定了具有用于与燃料源流体连通的入口(204)的燃料输送导管(202)。

引燃燃烧器部段(200)还可以包括与燃料输送导管(202)流体连通的燃料喷射器(206)。燃烧器(30)还可以包括：旋流器部段(300)，旋流器部段(300)包括从引燃燃烧器部段(200)径向向外延伸的静叶片(302)；以及主燃烧器部段(400)，主燃烧器部段(400)从旋流器部段(300)径向向外延伸并且环绕旋流器部段(300)。

引燃燃烧器部段(200)与主燃烧器部段(400)间隔开，以限定在引燃燃烧器部段(200)与主燃烧器部段(400)之间延伸的环形旋流流动路径(320)，环形旋流流动路径(320)包括上游平面(722)和出口平面(726)。

主燃烧器部段(400)可以限定多个预混合流动通路(402)，预混合流动通路各自从位于主燃烧器部段(400)的入口面(406)上的预混合流动通路入口(404)延伸至位于主燃烧器部段(400)的出口面(410)上的预混合流动通路出口(408)。

主燃烧器部段(400)还可以包括燃料歧管(412)，预混合流动通路(402)中的每个预混合流动通路设置有与燃料歧管(412)流动连通的燃料喷射器(414)。燃料歧管(412)可以经由延伸穿过旋流器部段(300)的燃料流动通路(304)与引燃燃烧器部段(200)中的燃料输送导管(202)连通。

环形旋流流动路径(320)可以在上游平面(722)与出口平面(726)之间并且沿从上游平面(722)朝向出口平面(726)的方向发散。

环形旋流流动路径(320)可以具有中间路径线(728)，在出口平面(722)处，中间路径线(728)可以相对于燃烧室(100)的中心轴线Y具有角度θ。角度θ可以≥5°并且≤45°，优选地，角度θ可以在≥10°与≤25°之间。

燃烧室(100)可以包括出口面(410)，该出口面(410)面向下游或者朝向燃烧腔室(102)。出口面(410)包括限定为出口面(410)从出口平面(722)处的中间路径线(728)开始的径向向内区域的中央区域(730)。中央区域(730)具有半径R1，并且出口面(410)具有半径R2。半径R1可以在R2的25％与75％之间并且包括R2的25％和75％，优选地，R1可以在R2的40％与50％之间并且包括R2的40％和50％，并且优选地，R1可以是半径R2的50％。

出口平面(726)的横截面面积可以与环形旋流流动路径(320)的上游平面(722)的横截面面积相同或小于环形旋流流动路径(320)的上游平面(722)的横截面面积。优选地，出口平面(726)的横截面面积至多比上游平面(722)的横截面面积小10％并且包括10％。

每个静叶片(302)可以具有前缘(303)和后缘(306)。可以由从静叶片前缘(303)沿着中心轴线(Y)到静叶片后缘(306)的方向限定下游方向(Y1)。可以由从静叶片后缘(306)沿着中心轴线(Y)到静叶片前缘(303)的方向限定上游方向(Y2)。

静叶片(302)可以围绕引燃燃烧器部段(200)的外周彼此间隔开，以限定氧化剂流动通路(308)，每个氧化剂流动通路(308)具有位于静叶片前缘(303)处的流动入口(310)和位于静叶片后缘(306)处的流动出口(312)。

引燃燃烧器部段(200)可以沿上游方向(Y2)远离静叶片前缘(303)轴向延伸，并且沿下游方向(Y1)远离静叶片后缘(306)轴向延伸。

引燃燃烧器部段(200)的燃料喷射器(206)位于静叶片后缘(306)的下游。

燃烧腔室102可以由出口面410限定在上游，使得燃料/空气喷射直接进入到“主”燃烧腔室102中。例如，主燃烧器部段400的出口面410限定(即，提供)燃烧腔室102的燃烧区的界限/边界的至少部分。通过这种布置，燃烧不会发生在主燃烧器部段400的出口面410的上游。

预混合流动通路入口(404)可以在主燃烧器部段(400)的入口面(406)上具有第一形状，并且预混合流动通路出口(408)可以在主燃烧器部段(400)的出口面(410)上具有第二形状。预混合流动通路(402)的横截面形状可以沿着预混合流动通路(402)的长度从第一形状变化成第二形状。

第一形状可以是选自包括方形、矩形、六边形的列表的多边形形状；并且第二形状可以是圆形。

预混合流动通路(402)可以分组为远离中心轴线(Y)径向延伸的排(420)，其中，歧管(412)的径向延伸通路(416)在排(420)之间延伸。

预混合流动通路入口(404)的横截面面积可以随着距中心轴线(Y)的距离增加而增加。

主燃烧器部段(400)的燃料歧管(412)还可以包括歧管增压室(422)，该歧管增压室(422)串联设置在旋流器部段(300)的燃料流动通路(304)与歧管(412)的径向延伸通路(416)中的每个径向延伸通路之间。

歧管增压室(422)可以由支柱(440)分成子增压室。

主燃烧器部段(400)还可以包括与主燃烧器部段(400)的出口面(410)邻近的冷却增压室(430)。

冷却增压室(430)可以具有位于主燃烧器部段(400)的外周上的入口(432)以及在主燃烧器部段(400)的出口面(410)上位于预混合流动通路出口(408)的排(420)之间的至少一个出口(434)。

一些预混合流动通路(402)中的燃料喷射器(414)可以设置成与主燃烧器部段(400)的入口面(406)相距第一距离X1；并且其他(例如其余的)预混合流动通路(402)中的燃料喷射器(414)设置成与主燃烧器部段(400)的入口面(406)相距比第一距离X1大的第二距离X2。

位于径向内侧预混合流动通路(402)和径向外侧预混合流动通路(402)中的燃料喷射器(414)可以设置成与主燃烧器部段(400)的入口面(406)相距第一距离X1。位于径向内侧预混合流动通路(402)与径向外侧预混合流动通路(402)之间的预混合流动通路(402)中的燃料喷射器(414)可以设置在距主燃烧器部段(400)的入口面(406)的第二距离X2处。

主燃烧器部段(400)的出口面(410)可以相对于中心轴线(Y)正交延伸。主燃烧器部段(400)的出口面(410)可以相对于中心轴线(Y)成角度延伸，使得径向外侧预混合流动通路出口(408)位于径向内侧预混合流动通路出口(408)的下游。

主燃烧器部段(400)可以沿下游方向(Y1)远离静叶片后缘(306)轴向延伸；引燃燃烧器部段(200)与主燃烧器部段(400)间隔开，以限定在引燃燃烧器部段(200)与主燃烧器部段(400)之间从静叶片后缘(306)延伸的环形旋流流动路径(320)。

环形旋流流动路径(320)的直径可以随着沿下游方向(Y1)距静叶片后缘(306)的距离增加而增加。

主燃烧器部段(400)与引燃燃烧器部段(200)之间的距离可以随着沿下游方向(Y1)距静叶片后缘(306)的距离增加而减小，使得环形旋流流动路径(320)的流动面积随着沿下游方向(Y1)距静叶片后缘(306)的距离增加而减小。

引燃燃烧器部段(200)可以限定氧化剂流动通路(208)，该氧化剂流动通路(208)可以从位于引燃燃烧器部段(200)的入口面(222)上的氧化剂流动通路入口(220)延伸至位于引燃燃烧器部段(200)的出口面(224)上的引燃燃烧器氧化剂流动通路出口(226)；入口面(222)位于出口面(224)的上游；并且出口面(224)位于引燃燃烧器部段(200)的燃料喷射器(206)的下游。

引燃燃烧器氧化剂流动通路出口(226)可以包括多个孔口(228)，多个孔口(228)通向引燃燃烧器部段(200)的出口面(224)；引燃燃烧器氧化剂流动增压室(230)可以位于氧化剂流动通路(208)与多个孔口(228)之间，并且可以与氧化剂流动通路(208)和多个孔口(228)流动连通。

第一流动导引帽(431)可以从主燃烧器部段(400)的径向外表面(432)沿上游方向(Y2)远离主燃烧器部段(400)的入口面(406)延伸；并且第二流动导引帽(435)可以从主燃烧器部段(400)的径向内表面(424)沿上游方向(Y2)远离主燃烧器部段(400)的入口面(406)延伸，以由此在第一流动导引帽(431)与第二流动导引帽(435)之间限定主燃烧器部段入口流动路径(436)；并且以由此在第二流动导引帽(435)与引燃燃烧器部段(200)的径向外表面(232)之间限定旋流器部段入口流动路径(336)。

燃烧室可以是环型燃烧室或者罐型燃烧室。燃烧腔室可以具有筒形形状或者椭圆形形状。燃烧腔室可以包括主燃烧腔室。

有利地，相对于现有技术的示例，本公开的以上特征提供了氧化剂/燃料混合物在其进入燃烧腔室之前的改进的混合，从而降低了NOx排放，无论燃料是氢、天然气还是两者的混合物。

附图说明

现在将参照附图对本公开的示例进行描述，在附图中：

图1示出了包括根据本公开的燃烧室的燃气涡轮发动机的纵向截面图；

图2示出了根据本公开的用于燃气涡轮机的燃烧室的部分纵向截面；

图3示出了图2中所示出的燃烧室的部分纵向等距截面图；

图4示出了图2、图3中所示出的燃烧室燃烧器的一部分的放大视图；

图5示出了图2、图3和图4中所示出的流动通路的图示；

图6以不同的角度示出了图4的视图；

图7示出了图2、图3中所示出的燃烧室燃烧器的一部分的放大视图；

图8示出了图2、图3中所示出的燃烧室燃烧器的等距截面图；以及

图9、图10类似于图7的视图示出了燃烧室燃烧器的区域的另一示例。

具体实施方式

附图中呈现的细节仅作为说明。类似的或相同的元件在不同的附图中设置有相同的附图标记。

图1以截面图示出了燃气涡轮发动机10的示例。燃气涡轮发动机10按流动顺序包括入口12、压缩机部段14、燃烧室部段16和涡轮机部段18，它们总体上按流动顺序布置并且总体上绕纵向轴线或旋转轴线20并沿纵向轴线或旋转轴线20的方向布置。燃气涡轮发动机10还包括轴22，该轴22可绕旋转轴线20旋转并且纵向延伸穿过燃气涡轮发动机10。轴22将涡轮机部段18驱动地连接至压缩机部段14。

在燃气涡轮发动机10的操作中，通过空气入口12吸入的空气24由压缩机部段14压缩并且输送至燃烧部段(或燃烧器部段)16。

燃烧器部段16包括燃烧器增压室108和一个或更多个燃烧腔室102。燃烧器部段16还包括对每个燃烧腔室102限定入口104的至少一个燃烧器30。如下面所描述的，入口104的每个燃烧器包括引燃燃烧器部段200、旋流器部段300和主燃烧器部段400。穿过压缩机14的压缩空气进入扩散器32并且从扩散器32排放到燃烧器增压室108中，一部分空气从燃烧器增压室108进入引燃燃烧器部段200、旋流器部段300和主燃烧器部段400，并且与引燃燃烧器部段200和旋流器部段300中的气态或液态引燃燃料混合。然后，空气/燃料混合物燃烧，并且由燃烧产生的燃烧气体34或工作气体经由过渡管道17穿过燃烧腔室102被引导至涡轮机部段18。

空气/燃料混合物的主流通过燃料导管202进一步插入在引燃燃烧器部段200中，如在本文的以下部分中更详细描述的。主燃料在入口104处离开燃烧器30之后在与腔室102中的热气体混合时燃烧。

该示例性燃气涡轮发动机10具有环形燃烧室部段装置16，该环形燃烧室部段装置16由环形阵列的燃烧室罐19构成，燃烧室罐19各自具有燃烧器30和燃烧腔室102，过渡管道17具有与燃烧腔室102接合的大致圆形的入口和呈环形段的形式的出口。环形阵列的过渡管道出口形成用于将燃烧气体引导至涡轮机18的环形件。

涡轮机部段18包括附接至轴22的多个动叶片承载盘36。在本示例中，两个盘36各自承载环形阵列的涡轮机动叶片38。然而，动叶片承载盘的数目可以是不同的，即可以是仅一个盘或多于两个盘。另外，在各级环形阵列的涡轮机动叶片38之间设置有固定至燃气涡轮发动机10的定子42的导引静叶片40。在燃烧腔室28的出口与前面的涡轮机动叶片38之间设置有入口导引静叶片44，并且入口导引静叶片44将工作气体流转动到涡轮机动叶片38上。

来自燃烧腔室102的燃烧气体进入涡轮机部段18并且驱动涡轮机动叶片38，涡轮机动叶片38又使轴22旋转。导引静叶片40、44用于对涡轮机动叶片38上的燃烧气体或工作气体的角度进行优化。

涡轮机部段18驱动压缩机部段14。压缩机部段14包括轴向的一系列的静叶片级46和转子动叶片级48。转子动叶片级48包括对环形阵列的动叶片进行支承的转子盘。压缩机部段14还包括环绕转子级并且支承静叶片级48的壳50。导引静叶片级包括安装至壳50的环形阵列的径向延伸的静叶片。静叶片设置成在给定的发动机操作点处为动叶片提供处于最佳角度的气体流。导引静叶片级中的一些导引静叶片级具有可变的静叶片，其中，静叶片绕其自身纵向轴线的角度可以根据在不同发动机操作条件下可能出现的气流特性的角度进行调节。

壳50限定了压缩机14的通路56的径向外表面52。通路56的径向内表面54至少部分地由转子的转子鼓53限定，转子鼓53部分地由环形阵列的动叶片48限定。

参照以上示例性涡轮发动机对本公开进行描述，该涡轮发动机具有连接单个的多级压缩机和单个的一级或更多级涡轮机的单个轴或线轴。然而，应当理解的是，本公开同样适用于双轴或三轴发动机，并且本公开可以用于工业应用、航空应用或航海应用。

除非另有说明，否则术语上游和下游是指气流和/或工作气体流动通过发动机的流动方向。当没有不同的指定时，术语轴向、径向和周向是参照发动机的旋转轴线20做出的。

图2、图3示出了适于在图1的燃气涡轮机中使用的用于燃气涡轮机的燃烧室100。燃烧室100沿着中心轴线Y延伸，并且包括具有入口104的燃烧腔室102。还提供了燃烧室壳体106，该燃烧室壳体106界定(即环绕)燃烧腔室102并且与燃烧腔室102间隔开以在燃烧室壳体106与燃烧腔室102之间限定燃烧器增压室108，在使用中，氧化剂气体(例如空气)在燃烧器增压室108中如由图2、图3中的箭头所指示的流动。燃烧腔室102本身和壳体106可以是常规的，并且因此不进行更详细地描述。

燃烧腔室入口104由燃烧器30限定(即包括燃烧器30)，燃烧器30包括引燃燃烧器部段200、旋流器部段300和主燃烧器部段400。引燃燃烧器部段200、旋流器部段300和主燃烧器部段400是同心和/或同轴的，并且各自以中心轴线Y为中心。

引燃燃烧器部段200以中心轴线Y为中心。引燃燃烧器部段200限定具有入口204的燃料输送导管202，入口204用于与燃料源、例如用于发动机的包括氢、天然气或两者的混合物的燃料供应流体连通。引燃燃烧器部段200还包括与燃料输送导管202流体连通的燃料喷射器206。

旋流器部段300包括从引燃燃烧器部段200径向向外延伸的静叶片302。

每个静叶片302具有前缘303和后缘306。在本公开的设备的上下文中并且如图2中所图示的，由从静叶片前缘303沿着中心轴线Y到静叶片后缘306的方向限定下游方向Y1，并且由从静叶片后缘306沿着中心轴线Y到静叶片前缘303的方向限定上游方向Y2。

静叶片302围绕引燃燃烧器部段200的外周彼此间隔开，以限定氧化剂流动通路308。每个氧化剂流动通路308具有位于静叶片前缘303处的流动入口310和位于静叶片后缘306处的流动出口312。静叶片302构造(即，定尺寸、定角度、成形和/或间隔开)成向穿过旋流器部段300的流体(例如空气)施加旋流。因此，离开流动出口312的流将(在某种程度上)被诱导成具有围绕中心轴线Y的周向分量。

如图2、图3中所图示的，主燃烧器部段400可以沿下游方向Y1远离静叶片后缘306轴向延伸。引燃燃烧器部段200与主燃烧器部段400间隔开，以限定在引燃燃烧器部段200与主燃烧器部段400之间从静叶片后缘306延伸的环形旋流流动路径320。

环形旋流流动路径320的直径随着沿下游方向Y1距静叶片后缘306的距离增加而增加。因此，例如如图6中所示出的，主燃烧器400在其内周上的壁厚随着沿下游方向Y1距静叶片后缘306的距离增加而减小。因此，引燃燃烧器部段200的外表面的直径随着沿下游方向Y1距静叶片后缘306的距离增加而增加，并且主燃烧器部段400的内周随着沿下游方向Y1距静叶片后缘306的距离增加而增加。换句话说，引燃燃烧器部段200的外表面和主燃烧器部段400的内周随着沿下游方向Y1距静叶片后缘306的距离增加而径向向外张开。这种布置允许通过沿着环形流动路径320、尤其是朝向主燃烧器部段400的出口面410的区域并且在该区域处行进的流来冷却主燃烧器。

主燃烧器部段400与引燃燃烧器部段200之间的距离随着沿下游方向Y1距静叶片后缘306的距离增加而减小，使得环形旋流流动路径320的流动面积随着沿下游方向Y1距静叶片后缘306的距离增加而减小。这降低了沿着旋流流动路径320经过的流体的压力，从而持续地加速流动，并且因此加速流动路径320的出口处的速度，并且因此降低了逆燃到流动路径320中的风险。

引燃燃烧器部段200沿上游方向Y2远离静叶片前缘303轴向延伸，并且沿下游方向Y1远离静叶片后缘306轴向延伸。

引燃燃烧器部段200的燃料喷射器206位于静叶片后缘306的下游，位于引燃燃烧器部段200的外表面上，位于环形旋流流动路径320中。因此，离开流动出口312的流将经过引燃燃烧器部段200的燃料喷射器206的出口，从而导致离开喷射器的燃料与空气混合。引燃燃烧器部段200的多个燃料喷射器206可以围绕引燃燃烧器部段200的圆周设置，燃料喷射器206各自可操作成将燃料喷射到离开流动通路出口312的湍流中。

处于该位置的燃料喷射器206减少了在进入燃烧腔室102(即燃烧区)之前用于预混合的时间，并且因此在燃烧腔室102中(即在燃烧区中)将存在与其他燃料/空气混合物的穴相比将具有更高的燃料:空气比率的燃料/空气混合物的穴。因此，这些穴将“富燃”，这在发动机启动、加速和低负载涡轮机负载操作期间提供了稳定的引燃火焰。

主燃烧器部段400从旋流器部段300径向向外延伸，并且环绕(即界定)旋流器部段300。

如图2、图3、图4、图5、图7、图9和图10中所示出的，主燃烧器部段400限定多个预混合流动通路402，预混合流动通路402各自从位于主燃烧器部段400的入口面406上的预混合流动通路入口404延伸至位于主燃烧器部段400的出口面410上的预混合流动通路出口408。

因此，如图2、图3中所示出的，燃烧腔室102(以及因此燃烧区)可以由主燃烧器部段400的出口面410限定在上游。因此，燃料/空气被直接喷射到燃烧腔室102中。因此，主燃烧器部段400的出口面410限定(即提供)燃烧腔室102的燃烧区的界限/边界的至少部分。通过这种布置，燃烧不会发生在主燃烧器部段400的出口面410的上游，并且仅发生在主燃烧器部段400的出口面410的下游。

如作为穿过燃烧器30的截面图的图8的视图中所示出的，主燃烧器部段400还包括(即限定)燃料歧管412，预混合流动通路402中的每个预混合流动通路设置有与燃料歧管412流动连通的燃料喷射器414。

燃料歧管412经由延伸穿过旋流器部段300的燃料流动通路304与引燃燃烧器部段200中的燃料输送导管202连通。

预混合流动通路入口404在主燃烧器部段400的入口面406上具有第一形状，并且预混合流动通路出口408在主燃烧器部段400的出口面410上具有第二形状。预混合流动通路402的横截面形状沿着预混合流动通路402的长度从第一形状变化成第二形状。

尽管具有倒圆拐角，但是第一形状可以是选自包括方形、矩形、六边形的列表的多边形形状，并且第二形状可以是圆形。

沿着预混合流动通路402的长度的形状变化将产生湍流以用于更好地混合燃料和空气，这将产生较低的NOx形成。逐渐过渡至圆形形状将降低逆燃的风险。

圆形出口408是优选的，因为其形成具有燃烧所期望的流动模式的流动射流。然而，在入口404处具有多边形形状意味着可以针对入口面406上可用的空间量来优化入口尺寸，因为多边形并且尤其是方形和矩形入口可以布置有燃烧器面406阻碍氧化剂流动的最小面积。

每个预混合流动通路入口404的横截面面积可以沿着其从入口面406到出口面410的长度减小。每个预混合流动通路入口404的横截面面积可以沿着其从入口面406到出口面410的长度减小不超过30％。每个预混合流动通路入口404的横截面面积可以沿着其从入口面406到出口面410的长度减小至少5％但不超过20％。这种面积上的轻微减小增强了预混合。面积上的减小还增加了射流离开出口408的流动速度。这促进射流的形成，这对于减少逆燃、尤其是对于包含大量的氢的燃料是重要的。

这种布置还产生了较少的预混合流动通路402之间的燃料:空气比率的变化。因此，这也将减少预混合流动通路402之间的当量比的变化。当量比定义为实际燃料:空气比率与化学计量燃料:空气比率的比率。

如图4、图5、图6、图8、图9和图10中所图示的，预混合流动通路402可以分组为远离中心轴线Y径向延伸的排420，其中，歧管412的径向延伸通路416在排420之间延伸。图8中的示例示出了位于每个径向延伸的排中的三个预混合流动通路402。图4、图5中的示例示出了位于每个径向延伸的排中的六个预混合流动通路402。在其他示例中，可以存在预混合流动通路402的单个环。在其他示例中，在每个径向延伸的排420中可以存在两个或更多个预混合流动通路402。

如图5、图8中所图示的，预混合流动通路入口404的横截面面积随着距中心轴线Y的距离增加而增加。如图5中所最佳图示的，预混合流动通路入口404的横截面形状可以随着距中心轴线Y的距离增加而变化，例如在排420的径向内侧部段处为方形，随着沿径向外侧方向距中心轴线Y的距离增加而变换成矩形。

如图8中所示出的，主燃烧器部段400的燃料歧管412还可以包括歧管增压室422，该歧管增压室422串联设置在旋流器部段300的流动通路304与歧管412的径向延伸通路416中的每个径向延伸通路之间。

歧管增压室422由支柱440分成子增压室。这可以设置成通过将燃料分成四个至六个不同的区而在周向方向上对燃料进行分级。静叶片的数目需要相应地改变。例如，对于四个区，可以使用八个静叶片，使得每90度角容纳两个静叶片并且管的扇区包括90度。

如图6中所图示的，主燃烧器部段400还可以包括与主燃烧器部段400的出口面410邻近的冷却增压室430。冷却增压室430可以具有位于主燃烧器部段400的外周上的入口432以及在主燃烧器部段400的出口面410上位于预混合流动通路出口408的排420之间的至少一个出口434。可以设置多个入口432、增压室430和出口434，例如在每对预混合流动通路402的排420之间设置一个入口、增压室和出口。

如图7中所图示的，一些预混合流动通路402中的燃料喷射器414可以设置成与主燃烧器部段400的入口面406相距第一距离X1，并且一些预混合流动通路402中的燃料喷射器414可以设置成与主燃烧器部段400的入口面406相距第二距离X2，第二距离X2大于第一距离X1。

在未示出的一个示例中，位于径向内侧预混合流动通路402和径向外侧预混合流动通路402中的燃料喷射器414设置成与主燃烧器部段400的入口面406相距第一距离X1，并且位于径向内侧预混合流动通路402与径向外侧预混合流动通路402之间的预混合流动通路402中的燃料喷射器414设置在距主燃烧器部段400的入口面406的第二距离X2处。

X1可以在预混合流动通路402长度的5％至30％的范围内，并且X2可以在预混合流动通路402长度的15％至50％的范围内。

在燃料喷射器414的位置在预混合流动通路402中的一些预混合流动通路中不同的示例中，预混合的量也将变化。因此，燃料喷射器414更靠近入口面406的地方将比燃料喷射器更靠近出口面410的地方存在更多的预混合。这可以改进燃烧动力学，因为在主燃烧器400的出口处将存在燃料:空气比率的梯度。

图7示出了环形旋流流动路径320的示例的细节。环形旋流流动路径320在上游平面722与出口平面726之间并且沿从上游平面722和出口平面726的方向或者沿相对于流动通过出口平面726的下游方向发散。出口平面722可以由出口面410限定。环形旋流流动路径320具有中间路径线728。在出口平面722处，中间路径线728相对于燃烧室100的中心轴线Y具有角度θ。线Y’被示出并且平行于中心轴线Y。角度θ可以≥5°并且≤45°。优选的角度θ可以介于≥10°与≤25°之间。发散的环形旋流流动路径320导致燃料/空气混合物形成紧绕中心轴线Y定位的再循环区域。再循环区域增加了对燃料空气混合物的完全燃烧进行增强的停留时间。

发散的环形旋流流动路径320与环形旋流流动路径320不发散的情况相比产生了出口面410的中央区域730。增加的出口面410的中央区域730提供了更大的火焰保持表面，并且由此改进了火焰稳定性。中央区域730具有半径R1，并且出口面具有半径R2。R1优选地是R2的50％，但是可以在R2的25％与75％之间，并且包括R2的25％和75％。优选地，R1可以在R2的40％与50％之间，并且包括R2的40％和50％。因此，中央区域730与出口面410的相对尺寸或半径提供了适合尺寸的中央区域，以允许火焰保持特性。该旋流的一部分在面410的下游与来自主燃烧器部段400的燃料和空气混合。流动路径320中的燃料空气混合物强度可以通过改变燃料流量容易地控制，并且这允许控制燃烧区以减少排放，并且特别地使燃气涡轮机负载范围内的氮氧化物以及一氧化碳最少化。

出口平面726的横截面面积与上游平面722的横截面面积相同。因此，当在图7中观察时，环形旋流流动路径320的径向尺寸在上游平面722与上游平面722之间并且沿从上游平面722和上游平面722的方向减小。在一个示例中，出口平面726的横截面面积至多比上游平面722的横截面面积小10％并且包括10％。因此，行进通过环形旋流流动路径320的燃料和空气混合物由于环形旋流流动路径320的横截面面积减小而加速。因此，当使用高反应性燃料、比如包含≥5％氢或高碳氢化合物的燃料时，环形旋流流动路径320的减小的横截面面积提供了对潜在逆燃的抗性。

如图2、图3中所图示的，主燃烧器部段400的出口面410可以相对于中心轴线Y正交延伸。在图9、图10的替代性示例中，主燃烧器部段400的出口面410相对于燃烧室100的中心轴线Y以A度角延伸，使得径向外侧预混合流动通路出口408位于径向内侧预混合流动通路出口408的下游。

因此，在一些示例中并且如图2、图3中所图示的，角度A可以相对于燃烧室轴线Y为90度。在其他示例中，例如如图9、图10中所示出的，角度A可以相对于燃烧室轴线Y为小于90度但大于或等于60度。例如，角度A可以相对于燃烧室轴线Y为约60度。在角度A在此范围(即小于90度并且至少为60度)内的情况下，这可以促进离开燃烧器30的引燃部段200和主部段400的气体的更高或更低的相互作用。在来自引燃部段200的更浓混合物和/或燃烧热产物与来自主部段400的流混合的示例中，可以产生更高/更大的火焰稳定性以及/或者增强的主部段400的吹出极限。换句话说，图9、图10的示例与相关技术的示例相比可以减少排放和/或改进燃烧动力学。

如图2、图3中所示出的，引燃燃烧器部段200限定了氧化剂流动通路208，该氧化剂流动通路208从位于引燃燃烧器部段200的入口面222上的氧化剂流动通路入口220延伸至位于引燃燃烧器部段200的出口面224上的引燃燃烧器氧化剂流动通路出口226。入口面222位于出口面224的上游。出口面224位于引燃燃烧器部段200的燃料喷射器206的下游。出口面224可以相对于中心轴线Y正交延伸。

引燃燃烧器氧化剂流动通路出口226可以包括通向引燃燃烧器部段200的出口面224的多个孔口228。在氧化剂流动通路208与多个孔口228之间可以定位有引燃燃烧器氧化剂流动增压室230，并且该引燃燃烧器氧化剂流动增压室230可以与氧化剂流动通路208和多个孔口228流动连通。

第一流动导引帽431可以从主燃烧器部段400的径向外表面432沿上游方向Y2远离主燃烧器部段400的入口面406延伸。第二流动导引帽435可以从主燃烧器部段400的径向内表面424沿上游方向Y2远离主燃烧器部段400的入口面406延伸，以由此在第一流动导引帽431与第二流动导引帽435之间限定主燃烧器部段入口流动路径436，并且以由此在第二流动导引帽435与引燃燃烧器部段200的径向外表面232之间限定旋流器部段入口流动路径336。如图2、图3、图6、图7中所示出的，第二流动导引帽4345可以在上游方向Y2上远离主燃烧器部段400的入口面406沿径向方向张开，以形成用于将流引导到静叶片302上的漏斗型布置。

流动导引帽431、435的组合将导致进入每个预混合流动通路402的空气分布更均匀，使得离开主燃烧器400的流的燃料:空气比率具有均匀且可预测的模式。

本公开的设备与相关技术的装置相比提供了具有较大火焰保持器面的中央旋流稳定引燃器，将改进在启动、加速和处于较低负载期间的涡轮机操作。旋流稳定引燃器还将使发动机能够响应变化的负载需求。

主燃烧器部段400、旋流器部段300和引燃燃烧器200的嵌套(即同心)布置在操作中提供了沿径向方向具有多个剪切区的分布式火焰。这种构型提供了氧化剂/燃料混合物在其进入燃烧腔室之前的改进的混合，因此降低了局部的峰值温度，并且从而降低了NOx排放，无论燃料是氢、天然气还是两者的混合物。

嵌套(即同心)布置还确保大部分燃烧邻近于燃烧室100的入口104发生，并且因此在天然气构成燃料的成分的情况下，相对于相关技术的示例减少了产生的一氧化碳的体积。

在操作期间，限定入口104的燃烧器30将由燃烧事件加热。通过预混合流动通路402的流将从燃烧器吸取热，并且由于穿过预混合流动通路402的所有燃料和空气将被加热至类似的程度，因此由加热引起的燃料/空气混合物的燃烧特性将大致均匀。

在操作期间，与传统的旋流稳定燃烧器相比，利用引燃燃烧器200和主燃烧器400的这种布置，来自燃烧的热释放将在正交于Y轴线(即从Y轴线径向向外)的方向上更均匀。因此，涡轮机的入口处的温度分布与相关技术的燃烧器相比将更均匀，这导致涡轮机部段的寿命增加。

特别地，具有更高数目的燃料喷射点和增加的预混合的分布式燃料-空气布置提供了低NOx排放。

本公开的设备的构型还提供了更高的逆燃抗性，而不需要在预混合流动通路402中进行任何限制，这从而允许更高的质量流量通过预混合流动通路402。

本公开的构型还是有利的，因为其易于通过在保持类似的结构的情况下改变预混合流动通路402的数目和燃烧器部段的直径来缩放。

请注意与本申请相关的本说明书同时提交或先于本说明书提交的所有论文和文献，并且这些论文和文献与本说明书一起公开供公众查阅，并且所有这些论文和文献的内容通过参引并入本文中。

本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中所公开的所有特征以及/或者因此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合进行组合，除了至少一些这样的特征和/或步骤相互排斥的组合之外。

本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中所公开的每个特征可以由用于相同、等同或类似目的的替代性特征替代，除非另有明确说明。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅是通用系列的等同或类似特征的一个示例。

本发明不限于前述实施方式的细节。本发明延伸至本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中所公开的特征中的任何新颖的一个特征或任何新颖的组合，或者延伸至因此公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖的一个步骤或任何新颖的组合。

Claims (21)

1.一种用于燃气涡轮机的燃烧室(100)，所述燃烧室(100)沿着中心轴线(Y)延伸并且包括具有入口(104)的燃烧腔室(102)；所述燃烧腔室入口(104)由燃烧器(30)限定，所述燃烧器(30)包括：

引燃燃烧器部段(200)，所述引燃燃烧器部段(200)以所述中心轴线(Y)为中心，并且所述引燃燃烧器部段(200)限定具有用于与燃料源流体连通的入口(204)的燃料输送导管(202)以及与所述燃料输送导管(202)流体连通的燃料喷射器(206)；

旋流器部段(300)，所述旋流器部段(300)包括从所述引燃燃烧器部段(200)径向向外延伸的静叶片(302)；

主燃烧器部段(400)，所述主燃烧器部段(400)从所述旋流器部段(300)径向向外延伸并且环绕所述旋流器部段(300)；

所述引燃燃烧器部段(200)与所述主燃烧器部段(400)间隔开，以限定在所述引燃燃烧器部段(200)与所述主燃烧器部段(400)之间延伸的环形旋流流动路径(320)，所述环形旋流流动路径(320)包括上游平面(722)和出口平面(726)，

所述主燃烧器部段(400)限定多个预混合流动通路(402)，所述预混合流动通路(402)各自从位于所述主燃烧器部段(400)的入口面(406)上的预混合流动通路入口(404)延伸至位于所述主燃烧器部段(400)的出口面(410)上的预混合流动通路出口(408)；

所述主燃烧器部段(400)还包括燃料歧管(412)，所述预混合流动通路(402)中的每个预混合流动通路设置有与所述燃料歧管(412)流动连通的燃料喷射器(414)；

所述燃料歧管(412)经由延伸穿过所述旋流器部段(300)的燃料流动通路(304)与所述引燃燃烧器部段(200)中的所述燃料输送导管(202)流动连通。

2.根据权利要求1所述的燃烧室(100)，其中，

所述环形旋流流动路径(320)在所述上游平面(722)与所述出口平面(726)之间并且沿从所述上游平面(722)朝向所述出口平面(726)的方向发散。

3.根据权利要求2所述的燃烧室(100)，其中，

所述环形旋流流动路径(320)具有中间路径线(728)，

在所述出口平面(722)处，所述中间路径线(728)相对于所述燃烧室(100)的所述中心轴线Y具有角度θ，

所述角度θ≥5°并且≤45°，优选地，所述角度θ在≥10°与≤25°之间。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的燃烧室(100)，其中，

所述燃烧室(100)包括出口面(410)，所述出口面(410)面向下游或者朝向所述燃烧腔室(102)，

所述出口面(410)包括中央区域(730)，所述中央区域(730)限定为所述出口面(410)从所述出口平面(722)处的所述中间路径线(728)开始的径向向内区域，

所述中央区域(730)具有半径R1，并且所述出口面(410)具有半径R2，

所述半径R1在R2的25％与75％之间并且包括R2的25％和75％，优选地，R1在R2的40％与50％之间并且包括R2的40％和50％，并且优选地，R1是所述半径R2的50％。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的燃烧室(100)，其中，

所述出口平面(726)的横截面面积与所述环形旋流流动路径(320)的所述上游平面(722)的横截面面积相同或小于所述环形旋流流动路径(320)的所述上游平面(722)的横截面面积，优选地，所述出口平面(726)的横截面面积至多比所述上游平面(722)的横截面面积小10％并且包括10％。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的燃烧室(100)，其中，每个静叶片(302)具有前缘(303)和后缘(306)；

由从所述静叶片前缘(303)沿着所述中心轴线(Y)到所述静叶片后缘(306)的方向限定下游方向(Y1)；并且由从所述静叶片后缘(306)沿着所述中心轴线(Y)到所述静叶片前缘(303)的方向限定上游方向(Y2)；

所述静叶片(302)围绕所述引燃燃烧器部段(200)的外周彼此间隔开，以限定氧化剂流动通路(308)，每个氧化剂流动通路(308)具有位于所述静叶片前缘(303)处的流动入口(310)和位于所述静叶片后缘(306)处的流动出口(312)；

所述引燃燃烧器部段(200)沿所述上游方向(Y2)远离所述静叶片前缘(303)轴向延伸，并且沿所述下游方向(Y1)远离所述静叶片后缘(306)轴向延伸；并且

所述引燃燃烧器部段(200)的燃料喷射器(206)位于所述静叶片后缘(306)的下游。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的燃烧室(100)，其中，所述预混合流动通路入口(404)在所述主燃烧器部段(400)的入口面(406)上具有第一形状，并且所述预混合流动通路出口(408)在所述主燃烧器部段(400)的出口面(410)上具有第二形状；并且所述预混合流动通路(402)的横截面形状沿着所述预混合流动通路(402)的长度从所述第一形状变化成所述第二形状。

8.根据权利要求7所述的燃烧室(100)，其中，所述第一形状是选自包括方形、矩形、六边形的列表的多边形形状；并且所述第二形状是圆形。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的燃烧室(100)，其中，所述预混合流动通路(402)分组为远离所述中心轴线(Y)径向延伸的排(420)，其中所述歧管(412)的径向延伸通路(416)在所述排(420)之间延伸。

10.根据权利要求9所述的燃烧室(100)，其中，所述预混合流动通路入口(404)的横截面面积随着距所述中心轴线(Y)的距离增加而增加。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的燃烧室(100)，其中，所述主燃烧器部段(400)的所述燃料歧管(412)还包括歧管增压室(422)，所述歧管增压室(422)串联设置在所述旋流器部段(300)的流动通路(304)与所述歧管(412)的所述径向延伸通路(416)中的每个径向延伸通路之间。

12.根据权利要求9至11所述的燃烧室(100)，其中，所述主燃烧器部段(400)还包括与所述主燃烧器部段(400)的出口面(410)邻近的冷却增压室(430)；所述冷却增压室(430)具有位于所述主燃烧器部段(400)的外周上的入口(432)以及在所述主燃烧器部段(400)的出口面(410)上位于所述预混合流动通路出口(408)的所述排(420)之间的至少一个出口(434)。

13.根据权利要求9至12中的任一项所述的燃烧室(100)，其中，一些预混合流动通路(402)中的所述燃料喷射器(414)设置成与所述主燃烧器部段(400)的入口面(406)相距第一距离X1；并且

其他预混合流动通路(402)中的所述燃料喷射器(414)设置成与所述主燃烧器部段(400)的入口面(406)相距比所述第一距离X1大的第二距离X2。

14.根据权利要求12至13中的任一项所述的燃烧室(100)，其中，位于径向内侧预混合流动通路(402)和径向外侧预混合流动通路(402)中的所述燃料喷射器(414)设置成与所述主燃烧器部段(400)的入口面(406)相距第一距离X1；并且

位于所述径向内侧预混合流动通路(402)与所述径向外侧预混合流动通路(402)之间的所述预混合流动通路(402)中的所述燃料喷射器(414)设置在距所述主燃烧器部段(400)的入口面(406)的第二距离X2处。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的燃烧室(100)，其中，所述主燃烧器部段(400)的出口面(410)相对于所述中心轴线(Y)正交延伸；或者

所述主燃烧器部段(400)的出口面(410)相对于所述中心轴线(Y)成角度延伸，使得径向外侧预混合流动通路出口(408)位于径向内侧预混合流动通路出口(408)的下游。

16.根据权利要求2至11中的任一项所述的燃烧室(100)，其中，所述主燃烧器部段(400)沿所述下游方向(Y1)远离所述静叶片后缘(306)轴向延伸；

所述引燃燃烧器部段(200)与所述主燃烧器部段(400)间隔开，以限定在所述引燃燃烧器部段(200)与所述主燃烧器部段(400)之间从所述静叶片后缘(306)延伸的环形旋流流动路径(320)。

17.根据权利要求1至16中的任一项所述的燃烧室(100)，其中，所述环形旋流流动路径(320)的直径随着沿所述下游方向(Y1)距所述静叶片后缘(306)的距离增加而增加。

18.根据权利要求1至17中的任一项所述的燃烧室(100)，其中，所述主燃烧器部段(400)与所述引燃燃烧器部段(200)之间的距离随着沿所述下游方向(Y1)距所述静叶片后缘(306)的距离增加而减小，使得所述环形旋流流动路径(320)的流动面积随着沿所述下游方向(Y1)距所述静叶片后缘(306)的距离增加而减小。

19.根据权利要求1至18中的任一项所述的燃烧室(100)，其中，所述引燃燃烧器部段(200)限定氧化剂流动通路(208)，所述氧化剂流动通路从位于所述引燃燃烧器部段(200)的入口面(222)上的氧化剂流动通路入口(220)延伸至位于所述引燃燃烧器部段(200)的出口面(224)上的引燃燃烧器氧化剂流动通路出口(226)；所述入口面(222)位于所述出口面(224)的上游；并且所述出口面(224)位于所述引燃燃烧器部段(200)的燃料喷射器(206)的下游。

20.根据权利要求19所述的燃烧室(100)，其中，所述引燃燃烧器氧化剂流动通路出口(226)包括多个孔口(228)，所述多个孔口(228)通向所述引燃燃烧器部段(200)的出口面(224)；在所述氧化剂流动通路(208)与所述多个孔口(228)之间定位有引燃燃烧器氧化剂流动增压室(230)，并且所述引燃燃烧器氧化剂流动增压室(230)与所述氧化剂流动通路(208)和所述多个孔口(228)流动连通。

21.根据从属于权利要求6的权利要求6至20中的任一项所述的燃烧室(100)，其中，第一流动导引帽(431)从所述主燃烧器部段(400)的径向外表面(432)沿所述上游方向(Y2)远离所述主燃烧器部段(400)的入口面(406)延伸，并且

第二流动导引帽(435)从所述主燃烧器部段(400)的径向内表面(424)沿所述上游方向(Y2)远离所述主燃烧器部段(400)的入口面(406)延伸；

以由此在所述第一流动导引帽(431)与所述第二流动导引帽(435)之间限定主燃烧器部段入口流动路径(436)；并且

以由此在所述第二流动导引帽(435)与所述引燃燃烧器部段(200)的径向外表面(232)之间限定旋流器部段入口流动路径(336)。