[發明專利]燃燒器中的燃道

無效

• 申請號: 200980111259.0
• 申請日: 2009-03-26
• 公開（公告）號: CN101981378A
• 公開（公告）日: 2011-02-23
• 發明（設計）人: V·米洛薩夫萊維克
• 申請（專利權）人: 西門子公司
• 主分類號: F23R3/28
• 分類號: F23R3/28;F23R3/34
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 薛峰

技術領域

本發明涉及優選用在燃氣渦輪發動機中的燃燒器的燃道(quarl)，更具體地涉及適于使發動機燃燒穩定的燃燒器中的燃道，而且進一步涉及用導引燃燒室(pilot?combustor)來提供燃燒產物以使主貧油預混燃燒穩定的燃燒器。

背景技術

燃氣渦輪發動機被用在包括發電、軍用商用航空、管道運輸以及海運在內的各種應用中。在以LPP模式工作的燃氣渦輪發動機中，燃料和空氣被提供給燃燒室，并在此混合后被火焰點燃，從而開始燃燒。除熱效率、燃料和空氣的適當混合之外，與燃氣渦輪發動機的燃燒過程有關的主要問題與火焰穩定、脈動和噪聲消除以及污染排放物的控制有關，特別是與氮氧化物(NO_x)、CO、UHC、煙和顆粒排放物有關。

工業燃氣渦輪發動機在以LPP模式工作時，是通過添加比燃燒過程本身所需的空氣更多的空氣來降低火焰溫度的。不發生反應的多余空氣在燃燒過程中必須被加熱，其結果是燃燒過程的火焰溫度被降低(低于化學計量點(或稱理論配比點))，從大約2300K降低到1800K，甚至更低。要求降低火焰溫度是為了顯著降低NO_x排放物。被證明是降低NO_x排放物最成功的方法是使燃燒過程貧油(lean)，從而使火焰的溫度降低到低于使二價氮原子和氧原子(N₂和O₂)分離并重新結合成NO和NO₂的溫度。旋流穩定燃燒流通常用在工業燃氣渦輪發動機中，以便通過上面指出的通過在中心線周圍產生逆流(旋流引起的回流區，Swirl?InducedRecirculating?Zone)，從而使逆流將熱和自由基返回進入的未燃燒燃料和空氣的混合物中使燃燒穩定。需要用之前發生反應的燃料和空氣的熱和自由基來開始(使燃料裂解，開始鏈鎖分支過程)并維持新鮮的未反應燃料和空氣混合物的穩定燃燒。燃氣渦輪發動機中的穩定燃燒要求循環燃燒過程產生的燃燒產物運送回上游以開始燃燒過程。火焰前緣穩定在旋流引起的回流區的剪切層。在剪切層中，“空氣/燃料混合物的局部湍流火焰速率”必須要高于“局部空氣/燃料混合物速度”，從而使得火焰前緣/燃燒過程能夠被穩定。

貧油預混燃燒不如擴散火焰燃燒穩定的內在原因如下：

1.將火焰溫度從2300K降低到1700-1800K所需的空氣量大約是化學計量燃燒所需空氣量的兩倍。這樣總體的燃料/空氣比(Φ)非常接近(0.5左右或者低于0.5；Φ≥0.5)或者近似于預混火焰出現貧油熄滅時的燃料/空氣比。在這些條件下，火焰以周期方式局部熄滅，再重燃。

2.接近貧油熄滅極限時，貧油局部預混火焰的火焰速率對于當量比波動非常敏感。火焰速率的波動可以導致火焰前緣(旋流引起的回流區)的空間波動/運動。預混火焰較不穩定的易于移動的火焰前緣導致周期性的熱釋放率，這又會導致火焰運動、不穩定的流體動態過程以及熱力學-聲學不穩定性的發展。

3.當量比波動可能是將不穩定的熱釋放與不穩定的壓力振動相聯接的最常見耦連機理。

4.為了使燃燒充分貧油，為了能夠顯著降低NO_x排放，發動機中使用的幾乎所有的空氣都必須通過噴射器與燃料預混合。因此，燃燒器中的所有燃料流應是有反應可能的，并且要求開始燃燒的那個點是固定的。

5.當發生反應所需的熱量是穩定性限制因子時，燃料/空氣當量比的非常小的暫時波動(可能由燃料的振動引起，或者由通過燃燒器/噴射器的空氣流動引起)可以使火焰局部熄滅、重燃。

6.預混火焰穩定性降低的又一非常重要的原因是燃料和空氣混合的陡峭梯度會從燃燒過程中被消除。這使得預混流在溫度足以產生反應的任何地方都是可燃燒的。當火焰可以更易于在多個位置出現時，會變得更加不穩定。使預混火焰穩定在固定位置的唯一方法基于未燃燒的預混燃料和空氣與燃燒的熱產物混合所產生的溫度梯度(在溫度太低時，不會出現火焰)。這使得熱量的產生、輻射、擴散和對流所產生的熱梯度成為使預混火焰穩定的一種方法。流體的輻射加熱不會產生陡的梯度；因此，穩定性肯定是由熱量產生、擴散以及對流到預反應區而造成的。擴散僅會在層流中產生陡峭的梯度，而不會在湍流中產生，僅使得對流和能量產生來產生火焰穩定所需的陡峭梯度，這實際上是熱梯度和自由輻射梯度。熱梯度和自由輻射梯度是通過在旋流引起的回流區中通過回流燃燒產物的相同機制產生、擴散和對流的。

7.在預混流以及擴散流中，引起分離的快速膨脹和旋流回流通常被用來在預反應的燃料和空氣中產生熱梯度和自由基。

本發明的一個目標是提出一種提高燃燒器燃燒過程穩定性的燃道。

發明內容