[发明专利]火焰稳定护张型中心体杯套

说明书

本发明涉及燃气轮机燃烧室，更具体地说涉及能减少氮氧化物(NO_x)排放的改进型燃气轮机燃烧室。

在致力于减少燃气轮机排气中的NO_x量的过程中，本发明的受让人提出了一种双级、两种方式的燃烧器，该燃烧器公开了美国专利号4292801中。在上述专利文献中还披露了如果设立两个燃烧室，在正常运行负荷的条件下，将上游初级燃烧室作为预混合室而在下游第二燃烧室中实际进行燃烧，与传统的单级、单个燃料喷嘴燃烧器相比，这种双级燃烧器可以大大减少NO_x的排放量。在这种运行条件下，初级室中没有火焰，经预混的燃料和空气在第二燃烧室中燃烧，因而减少了NO_x生成物。在此情况中，二级或中心喷嘴提供使燃烧室工作的火源。该专利文献中所公开的特殊结构包括若干布置成环形的初级喷嘴及一个中心二级喷嘴，每个初级喷嘴将燃料排入初级燃烧室中，而中心二极喷嘴将燃料排入第二燃烧室中。换句话说，第二级中心体，对从第一级流出的预混的燃料和空气起导流器的作用。后来，在美国专利号4982570(也已作普通转让)中又对有关方面作了改进，即：用一个扩散和预混组合喷嘴代替单个中心喷嘴，该喷嘴使流入中心扩散火焰的燃料从约占总燃料流量的20％减少到整个燃烧器的总燃料流量的2％左右。在上述改进中，导向器包括一个小型扩散式辅助导向器，经预混的燃料和空气都从第二级喷嘴送入中心体。

在预混燃烧期间最好从第二级导向器射出的火焰在所有时间内都是稳定的，因为火焰不稳定会产生强烈脉动(动态)的压力。由于火焰转移到推测的无火焰保持区，上述动态的压力会影响燃烧器的工作，如会产生回火，在所有运行条件下较稳定的预混合导向器则减小动态压力，并能改善燃烧器和燃气轮机的工作特性。

在上述美国专利4982570和4292801(此处综合考虑此两篇文献)中所示出的现有的中心体杯套通常包括圆筒形中心体杯套，杯套外径的周围有一个空气涡流器。在Us-PS4982570中的一个实施例中，中心体杯套朝第二级喷嘴下游外侧喷火苗，但是，在扩散预混喷嘴的下游，在中心体杯套壁的周围仍采用了一个涡流器。该外涡流器可使火焰集中，以便使火焰稳定，却挡住了由其它火焰保持装置射出的火焰，如果中心体结构设计得不适当，当将经预混合的燃料和空气送入中心体的第二级喷嘴工作时，在某些工作条件下动态压力可能出现强烈脉动。由于为了获得低排放水平必需要有向中心体(与更稳定的扩散导向器第二级喷嘴不同)供给预混燃料和空气的第二级喷嘴，本发明对中心体的改进则是形成更稳定的导向器火焰，而且是得到较低的动态压力的最好方法。

因此，本发明的主要任务是要改变通过中心体杯套的预混合燃料和空气的特性(速度和方向)以便调节火炮。正如在上述两项相似的专利中所描述的那样，在原来的结构中，杯套为圆筒形，使流过杯套的流体保持在涡流空气的外侧层旁边。

本发明的改进是将杯套直径扩大，使其为扩张形截面以省去外部空气涡流器。这就大大减少了外层空气并降低了流动速度(通过较大面积的等质量流)，同时便于在燃料和空气混合物沿径向散开，从而形成较大的回流区而使火焰更稳定。上述扩张形杯套还可用作安装火焰器的支撑架。因此，本发明的特色是在火焰周围没有旋涡流空气而能基本上使火焰保持稳定。在本发明的结构中，扩张型中心体杯套与向杯套提供旋涡流的燃料空气混合物的装置相连。混合物燃烧时火焰稳定在杯套中，火焰朝下游推进时，扩张型杯套可使火焰沿径向扩展，结果可形成较大的回流区，并使火焰稳定在紧靠杯套之处，该杯套起保存火焰的作用，因而提高了火焰的稳定性。同时不象以前那样采用空气涡流器，而是在中心体的内、外圆筒部分之间安装了一根冷却剂导管，分出一小部分空气流过中心体以便冷却中心体杯套的外表面。

因此，根据本发明的每一个实施例，中心体包括一对圆筒部分，对外面部分可以进行冷却或不进行冷却。与扩散和预混喷嘴排出端对接的涡流器与内圆筒部分连接，以便在工作期间向杯套提供旋流的燃料/空气混合物。在内涡流器的下游的内圆筒部分中有一个扩张形杯套部分。该扩张形杯套部分可以是一个直锥形结构、一个弯曲锥形表面，或者是二者的变型，或者为二者的组合。

中心体杯套可由流过冷却剂导管的空气的撞击和/或膜冷却空气来冷却，上述冷却剂导管沿径向位于内、外圆筒部分之间，尤其是位于中心体杯套和外圆筒部分之间。