[发明专利]带有气体喷射器的旋流器

说明书

技术领域

本发明涉及用在燃气涡轮发动机的燃烧器中的旋流器，更具体地涉及具有气体喷射器的旋流器，所述气体喷射器用于向这类燃烧器的燃烧间提供气体和燃料混合物。

背景技术

燃气涡轮发动机被用在包括发电、军用商用航空、管道运输以及海运在内的各种应用中。在以LPP模式工作的燃气涡轮发动机中，燃料和空气被提供给燃烧室，并在此混合后被火焰点燃，从而开始燃烧。除热效率、燃料和空气的适当混合之外，与燃气涡轮发动机的燃烧过程有关的主要问题与火焰稳定、脉动和噪声消除以及污染排放物的控制有关，特别是与氮氧化物(NO_x)、CO、UHC、烟和颗粒排放物有关。

工业燃气涡轮发动机在以LPP模式工作时，是通过添加比燃烧过程本身所需的空气更多的空气来降低火焰温度的。不发生反应的多余空气在燃烧过程中必须被加热，其结果是燃烧过程的火焰温度被降低(低于化学计量点(或称理论配比点))，从大约2300K降低到1800K，甚至更低。要求降低火焰温度是为了显著降低NO_x排放物。被证明是降低NO_x排放物最成功的方法是使燃烧过程贫油(lean)，从而使火焰的温度降低到低于使二价氮原子和氧原子(N₂和O₂)分离并重新结合成NO和NO₂的温度。旋流稳定燃烧流通常用在工业燃气涡轮发动机中，以便通过上面指出的通过在中心线周围产生逆流(旋流引起的回流区，Swirl Induced Recirculating Zone)，从而使逆流将热和自由基返回进入的未燃烧燃料和空气的混合物中使燃烧稳定。需要用之前发生反应的燃料和空气的热和自由基来开始(使燃料裂解，开始链锁分支过程)并维持新鲜的未反应燃料和空气混合物的稳定燃烧。燃气涡轮发动机中的稳定燃烧要求循环燃烧过程产生的燃烧产物运送回上游以开始燃烧过程。火焰前缘稳定在旋流引起的回流区的剪切层。在剪切层中，“空气/燃料混合物的局部湍流火焰速率”必须要高于“局部空气/燃料混合物速度”，从而使得火焰前缘/燃烧过程能够被稳定。

贫油预混燃烧不如扩散火焰燃烧稳定的内在原因如下：

1.将火焰温度从2300K降低到1700-1800K所需的空气量大约是化学计量燃烧所需空气量的两倍。这样总体的燃料/空气比(Φ)非常接近(0.5左右或者低于0.5；Φ≥0.5)或者近似于预混火焰出现贫油熄灭时的燃料/空气比。在这些条件下，火焰以周期方式局部熄灭，再重燃。

2.接近贫油熄灭极限时，贫油局部预混火焰的火焰速率对于当量比波动非常敏感。火焰速率的波动可以导致火焰前缘(旋流引起的回流区)的空间波动/运动。预混火焰较不稳定的易于移动的火焰前缘导致周期性的热释放率，这又会导致火焰运动、不稳定的流体动态过程以及热力学-声学不稳定性的发展。

3.当量比波动可能是将不稳定的热释放与不稳定的压力振动相联接的最常见耦连机理。

4.为了使燃烧充分贫油，为了能够显著降低NO_x排放，发动机中使用的几乎所有的空气都必须通过喷射器与燃料预混合。因此，燃烧器中的所有燃料流应是有反应可能的，并且要求开始燃烧的那个点是固定的。

5.当发生反应所需的热量是稳定性限制因子时，燃料/空气当量比的非常小的暂时波动(可能由燃料的振动引起，或者由通过燃烧器/喷射器的空气流动引起)可以使火焰局部熄灭、重燃。

6.预混火焰稳定性降低的又一非常重要的原因是燃料和空气混合的陡峭梯度会从燃烧过程中被消除。这使得预混流在温度足以产生反应的任何地方都是可燃烧的。当火焰可以更易于在多个位置出现时，会变得更加不稳定。使预混火焰稳定在固定位置的唯一方法基于未燃烧的预混燃料和空气与燃烧的热产物混合所产生的温度梯度(在温度太低时，不会出现火焰)。这使得热量的产生、辐射、扩散和对流所产生的热梯度成为使预混火焰稳定的一种方法。流体的辐射加热不会产生陡的梯度；因此，稳定性肯定是由热量产生、扩散以及对流到预反应区而造成的。扩散仅会在层流中产生陡峭的梯度，而不会在湍流中产生，仅使得对流和能量产生来产生火焰稳定所需的陡峭梯度，这实际上是热梯度和自由辐射梯度。热梯度和自由辐射梯度是通过在旋流引起的回流区中通过回流燃烧产物的相同机制产生、扩散和对流的。

7.在预混流以及扩散流中，引起分离的快速膨胀和旋流回流通常被用来在预反应的燃料和空气中产生热梯度和自由基。

发明内容

根据本发明的第一方面，本文提出了一种由权利要求1的特征所表征的燃烧器。