[发明专利]燃烧器衬套

说明书

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及用于改进燃烧性能的燃烧器衬套。

背景技术

为了减少来自气体供能的涡轮的污染排放量，政府机构出台了要求减少氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)的量的许多法规。较低的燃烧排放通常可归因于更有效的燃烧过程，具体关于燃料喷射器位置和混合效力。

早期的燃烧系统使用扩散类型的喷嘴，其中燃料通过扩散在火焰区附近与燃料喷嘴外的空气混合。扩散类型的喷嘴已知由于燃料和空气在高温下化学计量地焚烧来保持足够的燃烧器稳定性和低燃烧动力而产生高排放。

燃烧技术的增强在于利用预混，使得燃料和空气在燃烧之前混合来形成均一的混合物，其在低于扩散类型的火焰的温度下焚烧，并且产生较低的NOx排放。燃料和空气在燃烧之前一起预混允许了燃料和空气形成更均一的混合物，其对于给定的燃烧器出口温度，将在较低的峰值排放温度下焚烧，导致较低的排放。美国专利申请US2004/0211186A1中公开了具有在多个负载条件下的降低的排放和改进的火焰稳定性的此类燃气涡轮火焰层燃烧系统的实例。

尽管现有技术的燃烧器改进了排放水平并且能够在减小的负载设置下操作，但火焰层燃烧器的热声仍可导致不稳定模式(如，脉动)，这可限制操作窗。此外，焚烧器的空气动力可导致某些情况下的混合区中的火焰附着，引起逆燃和过热的风险。此外，当前的燃料分级策略可引起燃烧器衬套上的不对称热负载，这可导致蠕变问题。

最后，有助于克服脉动的手段(例如，主燃料供应中的1/3-2/3组的分级)可导致不对称的衬套热加载，以及燃烧器出口温度轮廓的不均匀。下文所述的本发明旨在将操作窗加宽超过当前可用的范围，而不牺牲低排放值。

意图是一种系统，其可提供进一步火焰稳定性和低排放益处，同时还减小热声不稳定性，这可扩大当前燃烧器设计可用的操作窗。

发明内容

本发明的一个目的在于修改火焰层燃烧器来通过空气动力和高级燃料分级手段来获得改进的热声特征、减少的逆燃、更好的火焰保持和增大的操作窗。

本发明的以上及其它目的通过用于燃气涡轮的燃烧器衬套来实现，燃烧器衬套具有大致圆柱形状并且包括第一区段和第二区段，其中第一区段相对于操作期间的热气流在第二区段的上游，其特征在于，第一区段为环形，并且包括圆形唇部区段和后区段，其中后区段的内半径(R1)在操作期间的热气流的方向上沿衬套的中心线增大。根据一个实施例，后区段的半径(R1)沿燃烧衬套的中心线单调地增大。

根据另一个实施例，第一区段在轴向方向上的长度在衬套在轴向方向上的总长度的百分之20到百分之80的范围中。

根据又一个实施例，后区段与燃烧衬套的外表面之间的角(α)在5到15度的范围中。

根据另一个实施例，燃烧衬套的外表面的半径大致恒定。

根据又一个实施例，第二部分的半径(R2)沿衬套的中心线大致恒定。

根据另一个实施例，燃烧器衬套的第一区段为大致中空的。附加的容积可用于放置至少一个阻尼器(优选亥姆霍兹阻尼器)和/或用于液体燃料喷射的器件。

除燃烧器衬套外，本申请还涉及包括上文所述的衬套和由燃烧衬套界定的燃烧区的燃烧器。在第一实施例中，燃烧器包括大致圆柱形的流动套筒，其中燃烧衬套至少部分位于流动套筒内，从而形成流动套筒与燃烧衬套之间的第一通路；位于流动套筒前方并且至少部分地包围燃烧衬套的第一区段的圆顶，圆顶具有大致圆形头端，从而形成燃烧衬套的第一区段的圆形唇部区段与圆顶之间的转向通路；以及包括用于供应导向燃料的器件和第一旋流装置的至少一个导向通道。转向通路例如可具有像半环带的截面形。转向通路从第一通路延伸到燃烧区中，并且将围绕燃烧衬套的第一区段的上游端离开第一通路的冷却空气引导到燃烧器的燃烧区中。

根据燃烧器的另一个实施例，第一通路和/或转向通路包括燃料喷射器件和第二旋流装置。作为优选，第一旋流装置和/或第二旋流装置为轴向或径向旋流器。

本申请还提供了包括上文所述的燃烧器的燃气涡轮。

此外，本申请还提供了一种用于操作燃气涡轮燃烧器的方法。该方法包括：将第一空气流供应到导向通道中；将第一燃料流供应到导向通道中来与第一空气流混合，并且将所得的第一混合物给送到燃烧区中用于提供导向火焰；将第二空气流供应到第一通路中；将第二燃料流供应到第一通路或第二通路中来与第二空气流混合，并且将所得的第二混合物给送到燃烧区中用于提供主火焰；其中第一混合物和第二混合物沿衬套的内壁引导，并且形成在燃烧区的中心的中心再循环区。