[发明专利]带有截留涡流空腔的气体涡轮发动机燃烧室筒

说明书

本申请是于2003年4月11日提交的专利申请(申请号为03110597.1，发明名称“带有截留涡流空腔的气体涡轮发动机燃烧室筒”)的分案申请。

技术领域

本发明涉及气体涡轮发动机燃烧室，并更具体地涉及带有预混合器的环筒燃烧室。

背景技术

工业气体涡轮发动机包括一用于压缩空气的压气机，该压缩空气与燃料混合，并在燃烧室中点燃以便产生燃烧气体。该燃烧气体流入汲取能量的涡轮中以便驱动轴从而为所述压气机提供动力并产生输出功率例如为发电机提供动力。产生电功率的气体涡轮发动机一般在很长期间内运行，并且来自燃烧气体的排放物所关心的问题并且要遵从规定的限制。为此，为低排放物操作并特别为低NOx操作设计燃烧室。一种典型的低NOx燃烧室包括多个围绕发动机周围在周向相互连接的筒形燃烧室。每个燃烧室筒具有多个连接到上游端的预混合器。已经设计出贫燃预混合的低NOx燃烧室以产生低的排放物，但是在燃烧室腔中容易受到燃烧不稳定的影响。

在温度超过约3000℉度时双原子氮迅速分离并与氧结合产生不可接受的高水平NOx排放物。通常用于减少峰值温度并因此减少NOx排放物的方法是在燃烧室中喷水或蒸汽。然而，水/蒸汽的喷射是成本相当高的技术并可导致不希望的抑制一氧化碳(CO)完全燃烧反应的负效应。另外水/蒸汽的喷射方法还不能达到许多地区要求的极低的污染排放水平。贫燃预混合燃烧是非常有吸引力的降低峰值火焰温度并相应地减少NOx排放物水平的方法。在贫燃预混合燃烧中，燃料和空气在预混合区域中预先混合，然后该燃料空气混合物喷射到它在其中燃烧的燃烧室腔中。由于该预混合形成的贫燃理想配比，实现了较低的火焰温度和NOx排放水平。几种典型的低NOx排放的燃烧室通常采用贫燃预混合燃烧以用于气体涡轮发动机，该发动机包括环筒形和环形燃烧室。

环筒燃烧室一般包括圆筒形的管型衬套并插入到转接构件中，同时多个燃料空气预混合器定位在该衬套的前端部上。环形燃烧室也应用在许多燃气涡轮应用中并包括多个预混合器，该混合器在呈环形方式的涡轮喷嘴的上游直接定位在环件中。环形燃烧器具有在径向上通过内和外衬套限界的环形横截面燃烧室腔，同时筒形燃烧器具有在径向上通过单独衬套限界的圆形横截面燃烧室腔。

工业气体涡轮发动机一般包括为低排放物操作并特别为低NOx操作设计的燃烧室。低NOx燃烧室通常是多个围绕发动机圆周在周向上相互连接的燃烧室筒，同时每个燃烧室筒具有多个连接到其上游端的预混合器。每个预混合器一般包括圆筒形导管，该导管中共轴线地布置从导管入口延伸到导管出口的管状中央本体，在出口处其连接到较大拱顶上，该拱顶在其中限定该燃烧室筒的上游端以及燃烧室腔。

具有多个沿周向间隔布置的叶片的旋流器布置在导管入口处以便将由发动机压气机接收的压缩空气形成旋涡流。在旋流器的下游布置了适当的燃料喷射器，它们通常以沿周向间隔布置的燃料辐管的排列为形式，每个辐管具有多个在径向上间隔布置的燃料喷射孔，该喷射孔按传统方式接收例如气体甲烷的燃料以通过该中央本体排放到位于燃烧室拱顶上游的预混合器导管中。

该燃料喷射器轴向布置在燃烧室腔的上游使得燃料和空气有充足的时间相混合和预先汽化。依此方式，预先混合和预先汽化的燃料和空气混合物有助于在燃烧室腔中更充分地燃烧以便减少排放污染物。燃烧室腔一般不穿孔使得到达了预混合器的空气量最大并因此产生更低量的NOx排放物并因此能够满足规定的排放污染物标准。

预混合的低NOx燃烧室更容易受到燃烧空腔中燃烧不稳定的影响，这将导致燃料和空气混合物发生变化，于是降低了燃烧室减少排放物的效率。这样，具有预混合器的贫燃低NOx排放的燃烧室受到燃烧不稳定性的影响，而燃烧不稳定则对预先混合燃烧装置的操作性能的施加严格限制。因此本技术领域在存在一种为采用预混合的燃烧室提供燃烧稳定性的需要。

发明内容

气体涡轮发动机燃烧室筒组件包括位于具有预混合器上游端的预混合器下游的燃烧室筒，预混合器下游端和位于其间的预混合器流路。多个沿周向间置的涡流叶片横过位于上游和下游端之间的预混合器流路布置。多个主燃料喷射器用于将燃料喷射到预混合器流路中。燃烧室筒具有由环形燃烧室衬套所环绕的燃烧室腔，该衬套布置成与该预混合器供应流动连通。环形截留双涡流空腔布置在该燃烧室衬套的上游端并限定在环形后壁和环形前壁以及在其间形成的圆形径向外壁之间。在该空腔的径向内端开口的空腔与该轴向外壁间隔开并在后壁和前壁之间延伸。空气喷射第一孔通过该前壁布置而空气喷射第二孔通过后壁布置。该空气喷射第一和第二孔沿径向上间隔布置而燃料喷射孔通过该前和后壁的至少之一布置。