[发明专利]燃气涡轮发动机中的环形燃烧室以及其操作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种主要被使用于喷气式燃气涡轮发动机和固定式燃气涡轮设备中的燃烧室，并且涉及其操作方法。

背景技术

为了保证燃料和空气混合物的稳定的燃烧，在这种类型的燃烧器中使用(有时同时使用)钝头体或叶片旋流器。在环形燃烧室中，在分开的燃烧器中的单向旋流导致了同轴的环形旋流。典型的是在保持这些旋流时由于火焰管中的壁面摩擦而导致压力损失。这是这种环形旋流被视为派生的原因。除了压力损失，由于一部分派生的旋流不参与到燃烧中，因此减小了燃烧器的火焰强度和燃料和空气混合物的燃烧稳定性。

应注意的是，如果所有燃烧器具有相同的旋流方向，则从通过来自外部源的燃料和空气混合物主动点火的燃烧器到被动燃烧器的火焰的传递将面临严重的挑战，因为在局部燃烧器旋流进行接触的位置处的流动速度有最大差。这种流动速度差可超过正常的火焰传播速度，并且在燃烧区域和燃烧室出口导致伴随着温度场恶化的熄火。

如果环形燃烧室的一个环的燃烧器具有单向旋流，则产生两个同轴的派生环状旋流，该派生环状旋流在不同的圆周方向上旋转，具有比间隔的燃烧器的平均直径更大和更小的平均直径。如果环形燃烧室具有两个同轴的燃烧器环，则产生三个同轴的环形旋流。它们的圆周流动方向取决于燃烧器流的旋流方向。

此外，与燃料和空气混合物的燃烧稳定性、减少氮氧化物(NOx)和氧化碳(CO)排放相关的问题必须同时解决，这在设计可靠的低排放燃烧室时是有挑战性的。

燃烧室的操作方法在设计阶段起到重要的作用。

在现有技术的燃烧室中，上述的挑战通常仅被部分地解决。这是需要新的非凡的技术解决方案的理由。

在喷射式燃气涡轮发动机或固定式燃气涡轮设备中使用的现有技术的环形燃烧室[1](1997年的俄罗斯联邦专利第2094705号，分类号F23R3/18)具有两个燃烧器的环。使用特定的公式来选择双通道燃烧器(内燃料通道和外空气通道)的数量，使得燃烧过程变为类似于多重火焰。燃烧器被聚集为4个燃烧器的块体，其中每一环具有2个燃烧器。启动燃烧器的燃料通道被聚集为一个结合的起始歧管，而其他燃烧器的燃料通道聚集在主燃料歧管中。

本发明的目的是减少NOx的排放。

通过减少燃烧区域的长度和燃料和空气混合物在高温区域中的时间来实现该目的。

燃烧室的缺点是在启动燃烧器和主燃烧器中的扩散燃料燃烧，其特征在于延长的前沿和燃料和空气混合物燃烧的最大可能温度以及大量的NOx的排放。

在下文中描述这种燃烧室的操作方法。

在启动期间以及在空转模式下操作动力单元之前，通过外环的引燃燃烧器供应燃料，引燃燃烧器为所有燃烧器的四分之一。在空转模式中，也通过外环和内环的其他引燃燃烧器供应燃料，操作这些引燃燃烧器直到动力装置处于额定模式。

这种燃烧室的操作方法的主要缺点是，由于通过具有“冷”空气的、未供应燃料的大量引燃燃烧器所包围的少量引燃燃烧器供应燃料，因此在启动时和进入空转模式之后可能熄火且有显著的温度场畸变。

这种燃烧室的缺点在燃烧室[2](2000年的俄罗斯联邦专利第2171432号，分类号F23R3/28)中被部分地克服，其中，火焰管头部具有最优数量的燃烧器，即，每100sm²的燃烧罐的剖面(中间)面积中三个。

与燃烧室[1]相似，燃烧室[3](1997年的俄罗斯联邦专利第2083926号，分类号F23R3/16)使用多重火焰管头部，其特征为环形排列的主燃烧器和在中心具有叶片旋流器的备用燃烧器。通过将多重火焰管头部中的火焰打散成若干更小的火焰并且通过减少高温区域的长度和燃烧产物在高温区域中的时间来减少NOx排放。通过备用燃烧器来提供预先制备的、在火焰中不存在燃料和空气混合物的高温区域的动力燃烧。通过将借助于这种燃烧器的叶片的旋流和借助于内环形空间的主叶片的旋流朝向彼此导向来实现从备用燃烧器到主燃烧器的、燃料和空气混合物的可靠的热量传递。这是在邻近的流相接触的位置处速度差会是最小的且低于熄火速度值的原因。

现有技术还包括具有一个环的燃烧器的环形燃烧室[4](1996年的美国专利第5490380号，分类号F02C7/26)，其中，所有的燃烧器中的旋流都具有一个方向。在这种燃烧室的实施方式中，如上述，出现两个同轴环形的派生旋流，这是不利的。