[发明专利]燃气轮机引擎的稳定燃烧用导引燃烧器室

说明书

本发明是中国专利申请号为200480032304.0，发明名称为“燃气轮机引擎的稳定燃烧用导引燃烧器室”，国际申请日为2004年9月3日的进入中国的PCT专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及燃气轮机用的燃烧器，尤其涉及适用于稳定引擎燃烧的燃烧器，更涉及利用导引燃烧器室(pilot combustor)提供燃烧产物(如热与自由基)以稳定主要稀薄预混燃烧的燃烧器。

背景技术

燃气轮机的应用有多方面，包括发电、军事与商业飞行、管线传输、及海洋运输等。在燃气轮机引擎中，将燃料与空气供给至燃烧室，并于此予以混合并以火焰点燃，从而开始燃烧。燃气轮机引擎中与燃烧过程有关的主要问题，除燃烧器的热效率与燃料与空气的适当混合外，就是火焰的稳定、脉冲与噪音的排除、及污染排放的控制，尤其是氮氧化物(NO_X)。

为使起始反应发生，燃烧过程需将热加至燃料-空气混合物中。一旦反应开始，燃烧释放之热可用来起始反应本身而使燃烧成为自我维持的过程。然而，必须使用有些机构将从燃烧而来之热传送回上游至点火点。另一方式，在反应非自我维持时，则需从不同的来源，如加热触媒金属面、或不同的引火火焰以提供热和/或自由基。亦可使用这些方式的任意组合和其它方式来提供必要之热以起始燃烧。

在燃气轮机引擎中所使用的最普遍的自我维持燃烧过程乃利用旋流气流，该旋流气流再循环燃烧产物，而将通过之前经反应的燃料与空气所产生的热气体与自由基予以传回上游，以起始新的混合燃料与空气的燃烧。图1为现有技术的旋流稳定燃烧器并标示以元件符号100。一般而言，以旋流稳定的燃烧，中心主要再循环区为被传至上游以稳定燃烧的再循环的热气与自由基的首要来源。当燃烧过程变得非常稀薄时，因而，燃烧系释放少许之热，而传回上游的自由基与热量将不足以确保燃烧的起始与维持。稀薄燃烧产物的低温导致自由基的低均衡水准。肇因于稀薄燃烧的燃烧产物的低温亦导致，当被再循环的燃烧产物混以新鲜未反应预混的燃料与空气时，自由基的低产生率。在此情况，将使起始燃烧所需的诱发时间变得过长而火焰会熄灭，或变得不稳定与强度波动不定。

用以产生低NO_X排放的稀薄预混燃烧系统的基本问题是，燃料-空气混合物必须足够稀薄以便使火焰温度足够地低以避免NO_X产生，使得在许多操作情况下，燃烧可能无法产生足够之热以自我维持。因而必须利用热与自由基的辅助来源以维持燃烧。如使用于高温(接近化学计量燃烧)时的辅助导引器，虽将稳定稀薄主要火焰，但亦将产生可观的NO_X排放。

仅由热起始的燃烧乃通过高温热解燃料以产生活跃的自由基以开始燃烧过程。一开始，燃料的消耗非常低且无可量测的温度上升。经由连锁反应机制，初始产生的自由基制造了以指数级数般增加的大量自由基。这些大量自由基最后大到足以消耗可观的燃料，而致快速点火(Wamatz)。自由基增加至足以点火的时间谓之“点火延迟时间”(Ignition-Delay Time)或“诱发时间”(Induction Time)。当初始温度增加时，自由基之生产率系以指数级数之速率增加而燃烧之初始诱发时间则减少。若初始温度低于自动点火温度，则无论经过任何期间点火都不会发生。自由基和热气体包含在为了起始燃烧而混以新鲜预混燃料-空气混合物的燃烧产物。这些先前产生的自由基能大量减少燃烧的诱发时间。若所传送的自由基之量够多，则快速燃烧将起始于低温，否则，没有传送的自由基则需较长的诱发时间。稳定燃烧在需使预混燃料与空气混以之前已燃烧燃料的热产物后，立刻快速起始燃烧。

鉴于以上所述现有技术的缺点，实需一种经改进的燃烧器，此燃烧器减少氮氧化物的排放亦同时维持稳定的燃烧过程。

发明内容

本发明涉及一种燃气轮机引擎用的燃烧器，其利用引火火焰以协助维持并稳定燃烧过程。本文所揭示的燃烧器的具体实施例包括燃烧器壳体、导引燃烧器室、快速冷却器以及其它元件。

燃烧器壳体包含于轴向相对的上游与下游端部。此外，该壳体具有至少一主要燃料入口通道、和至少一主要空气入口通道，这些通道乃建置成分别供应燃料与空气至界定于壳体中的内室。

导引燃烧器室沿燃烧器壳体的轴线而设置，且包含有用于接收高浓度的燃料与空气混合物的入口、在其内高浓度的燃料与空气混合物燃烧成燃烧产物的燃烧室、和用于自燃烧室排出燃烧产物的出口。