[发明专利]燃气轮机的燃烧室及燃烧室的操作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃气轮机的燃烧室，并且还涉及对该燃气轮机的燃烧室进行操作的方法。特别地，本发明所涉及的燃气轮机可用于航空发动机等领域。

背景技术

随着技术的发展，对于当今的燃气轮机、尤其是航空燃气涡轮发动机来说，环形燃烧室布局结构已成为主流的设计形式。

图1中示出了一种带有环形燃烧室燃气轮机的纵截面图。作为示例，该燃气轮机为涡轮喷气发动机，包括燃烧室100、位于燃烧室100的上游的压气机200、位于燃烧室100的下游的涡轮400以及位于涡轮400的下游的尾喷管300。此处，所谓的“上游”和“下游”是以空气或燃气的流动方向为基准。

在燃烧室100的进口处设置有头部结构110，如图1所示，头部结构110为圆筒状，包括外部筒体130以及设置在外部筒体130中的燃烧室喷嘴120。除了燃烧室喷嘴120之外，该头部结构110还可附加地设置混合器、旋流器等装置，以实现对燃油和空气的混合以及使来流空气偏转以形成漩涡状流动结构的功能。较佳地，在头部结构上还可设置头部冷却装置。

此外，随着对NOx排放的标准日益严苛，传统的扩散燃烧方式也逐渐被贫油预混预蒸发（LPP）燃烧方式所取代。

在LPP燃烧方式中，燃油蒸汽与空气预先混合，以对燃油进行雾化，雾化后的燃油与空气充分混合，所得到的雾化燃油的油气当量比通常小于1。然后，在燃油被雾化之后，再进行燃油与空气的燃烧反应。这样，由于燃油被预先雾化，因此能够加快燃烧反应时间，并且能够控制燃烧温度，减少或避免局部高温的发生，从而降低NOx的生成量。

但是，LPP燃烧方式在降低NOx生成量的同时，也带来了燃烧不稳定的问题。具体来说，在上述环形燃烧室的运行过程中，无论工况如何，通常所有的头部结构都开启。在满负荷的工况条件下，所有头部结构都开启可以确保向燃烧室供应充足的燃油。但是，当负荷降低时，为燃气轮机所设置的控制系统会减少向燃烧室供应的总燃油流量。此时，由于燃烧室中仍保持所有头部结构开启的状态，因而分配到每个头部结构中的燃油流量也相应地降低，相应地，燃烧室喷嘴中的燃油压力随之降低。其结果是，喷嘴将无法充分地雾化燃油，从而在燃烧室中会存在较大的燃油液滴。此类较大的燃油液滴造成燃烧室中的局部富燃料状态。局部富燃料状态会导致燃烧不稳定现象的发生，诸如释热率脉动等，而这不利于燃烧效率的提高，会造成NOx排放量的增加。

进一步地，燃气轮机因负荷降低而减油门时，压气机中的转子因存在惯性，所以减速较慢，从而，进入燃气轮机的空气量也下降较慢。这样，会导致燃气轮机中的空气量相对过多，从而引起燃气轮机的燃烧室整体处于贫油状态。与此同时，在燃烧室燃烧不稳定的影响下，有可能会出现燃气轮机熄火的情形出现。这种情况对于航空发动机来说尤其严重，因为燃气轮机的熄火意味着空中停车，从而严重影响飞行安全。

发明内容

本发明是为了解决上述技术问题而作出的，其目的是提供一种燃气轮机的燃烧室，该燃烧室的结构允许在燃油供应量因燃气轮机的工况降低而减少的情况下保持燃烧室中各头部结构中的油气比、燃油供应压力等保持恒定，从而确保对燃油的雾化性能，保持燃烧稳定性。

本发明通过一种燃气轮机的燃烧室实现上述目的，该燃烧室为环形燃烧室，且沿着燃烧室的周向布置有多个头部结构，由燃油泵向燃烧室供应燃油，其中，燃烧室内的多个头部结构被分成至少两个头部结构组，每个头部结构组连接有一根燃油歧管，燃油歧管中的至少一根上安装有第一阀元件，并且，燃烧室还包括燃油控制系统，该燃油控制系统控制第一阀元件的打开和关闭，从而打开和关闭至少一组头部结构组。

进一步地，在燃油泵和燃油歧管之间连接有主燃油管，来自燃油泵的燃油经由主燃油管而分别流入各个燃油歧管。

较佳地，在燃油歧管中的每一根上分别设置第一阀元件。

较佳地，不同的头部结构组中的头部结构之间以交替顺序布置于燃烧室中。

较佳地，每根燃油歧管包括支管，各燃油歧管中支管的数量与相应的头部结构组中的头部结构的数量相对应。

通过具有上述结构的燃烧室，通过燃油控制系统来关闭至少一组头部结构组。这样，当来自燃油泵的燃油因燃气轮机的工作负荷降低而流量减少时，由于一部分头部结构被关闭，因此其余仍在工作的头部结构中的油气比、燃油压力等参数仍能保持基本恒定，从而确保头部结构中燃油的雾化性能保持不变。进而，可以抑制燃烧的不稳定。