[发明专利]燃烧装置

说明书

技术领域

本发明涉及燃烧装置(combustor)以及包括这种燃烧装置的燃气涡轮发动机。

背景技术

一般的燃气涡轮发动机包括空气入口，空气入口之后是压缩机部分，进入的空气在压缩机部分中被压缩，以用于应用至燃气涡轮发动机的燃烧装置部分的一个或多个燃烧装置。燃料(可以是气态燃料或液体燃料)被引入到燃烧装置中并且与压缩空气的部分混合。由燃烧装置中的燃料/空气混合物的燃烧产生的热燃烧气体被引导至涡轮机部分，其中该涡轮机部分包括一组涡轮机轮叶以及一组涡轮机导向叶片。贴靠涡轮机轮叶流动的燃烧气体导致附接有涡轮机轮叶的燃气涡轮发动机的轴的旋转。由于压缩机部分的轮叶也附接至所述轴，所以由涡轮机部分产生的机械动力的一部分被用来使压缩机部分运行。

燃气涡轮发动机的燃烧装置通常至少包括燃烧器、旋流器(swirler)以及预燃室(combustion prechamber)，该预燃室适于与主燃烧室在下游流体连通。通常平面形的燃烧器表面在上游方向上对预燃室限界。

燃烧器的主要目的是将燃料和空气引入到预燃室中，而燃料与空气的充分的混合是获得具有良好的火焰稳定性和最小可能的NO_X排放量的稳定而高效的燃烧所必需的。因此，燃烧装置的设计必须确保适当量的燃料被引入到燃烧装置内的正确位置，并且这些量的燃料与空气充分地混合，且发生充分的燃料蒸发。

可以设置旋流器以实现燃料与空气更好的混合。旋流器包括旋流器叶片，旋流器叶片布置成使得被引导经过位于旋流器叶片之间的旋流器缝的压缩空气将被迫发生绕预燃室的轴向中心线的涡旋运动。空气的涡旋运动增强了空气与燃料的混合。

为了减少燃气涡轮发动机产生的氮氧化物，使用了所谓的稀燃预混合燃烧装置，在该稀燃预混合燃烧装置中，在较高的运行范围内，燃料空气比被尽可能地减小。然而，当发动机负载减小时，这些稀燃料空气比在维持火焰稳定性方面是有问题的。已知的是将先导燃料系统结合到燃烧器中，该先导燃料系统将喷射补充量的(先导)燃料到预燃室中以局部地升高燃料空气比。

通常，在燃烧装置起动时也使用先导燃料系统。燃料从先导面朝向预燃室喷射并且被点火器点燃，其中点火器可以定位在先导燃烧器面内的某个位置。

例如在US 6,151,899 A1中公开了包括先导燃料系统的燃烧装置。该先导燃料系统包括用于将先导燃料喷射到预燃室中的喷嘴，该喷嘴在如下这样的位置和定向而布置在燃烧器面的中央凹部内，即：使得燃料基本切向地喷射到该凹部中，从而绕该凹部的周壁流动。为了起动，通过可以位于先导燃烧器面内的电火花点火器点燃燃料。

在US 6,532,726 B2中公开了一种对先导燃料喷射器的替代性定位。通过该专利中公开的燃烧装置，单个液体喷枪布置在燃烧器面上。通过该喷枪在预燃室的轴向方向上喷射液体先导燃料。通过同样定位在燃烧器面内的火花点火单元实现燃料/空气混合物的点火。

特别地，如果这种燃烧装置以液体燃料运行，则可能遇到较差的起动稳定性。情况之所以如此是因为点火要求在点火器附近存在具有正确的比例的足够量的燃料/空气混合物。已经证明，利用液体燃料实现这一点比利用气态燃料要更加困难，这是因为与气态燃料相比，液体燃料与空气的混合较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于燃气涡轮发动机的燃烧装置，即使是液体燃料的情况下也具有良好的起动可靠性。

该目的通过根据权利要求1的燃烧装置而实现。在权利要求8中要求保护包括这种燃烧装置的燃气涡轮发动机。本发明的其他特征和细节是其他权利要求的主题和/或从说明书和附图中显见。关于燃烧装置论述的特征和细节同样适用于燃气涡轮机发动机，反之，关于燃气涡轮机发动机论述的特征和细节也适用于燃烧装置。

根据本发明的燃烧装置包括燃烧器、燃烧室以及旋流器，该旋流器位于燃烧室的径向外侧并且适于在燃料/空气混合物上施加绕燃烧室的轴向中心线的涡旋运动；燃烧器面位于旋流器的径向内侧并且形成燃烧室的轴向上游壁，燃烧器面结合有先导燃料喷射器和点火器，先导燃料喷射器和点火器两者都定位成与所述轴向中心线径向地偏离，其中在燃烧器面内与所述轴向中心线径向偏离地设置有凹部。

燃烧室(其可以为轴流式燃烧室)可以包括(沿流动顺序)预燃室和主燃烧室，其中预燃室位于旋流器的径向内侧，主燃烧室可以具有与预燃室大的横截面面积。

先导燃料喷射器优选地适于沿平行于所述轴向中心线的方向(至少具有平行于所述轴向中心线的分量)将(先导)燃料喷射到燃烧室中。