[发明专利]燃烧系统燃烧管

说明书

技术领域

本发明一般地涉及燃气涡轮机燃烧器的空气动力学性能，且更具体地，涉及具有带有改善的火焰稳定性和贫熄灭(lean blowout)余量的构造的预混合燃料喷嘴，其使得能够减少氮氧化物(NOx)和其他污染物的产生。

背景技术

图1显示了一种现有燃烧器中的燃料喷嘴布置。该典型系统包括围绕次级燃料喷嘴12布置成环形阵列的多个主燃料喷嘴10。主燃料喷嘴10通过文丘里管喉部区域14与次级喷嘴12隔开。

次级燃料喷嘴12用于维持引燃火焰，以便一旦文丘里管喉部区域14的上游的火焰熄灭，燃烧在文丘里管喉部区域14的下游继续。此引燃燃烧器的稳定性直接关系到燃烧器在能够在主和次级子系统之间分离燃料并达到低排放，同时不超过或不接近贫熄灭和动态变化阈值等方面的整体性能。

在图1中显示的现有构造结合了燃烧管，该燃烧管具有附接到圆柱状通路18上的轴向旋流器16。离开圆柱状通路18的涡旋流设计成与文丘里管喉部区域14的下游的轴向环形射流相互作用。此构造导致在调整燃料系统以适应超低NOx的挑战时贫熄灭和低频动态变化余量不足。

在燃烧稳定性方面，现有系统的缺点是在旋流器的下游形成的回流区域受限于圆柱状通路的边界，而且，根据CFD(计算流体力学)分析，该回流区域被文丘里管的环形射流挤压。内旋流器的下游处形成的该回流区域在稍微远离旋流器的非流线形体(次级燃料喷嘴的末端)处开始，并进一步向下游延伸，经过圆柱状通路进入衬里。当流离开圆柱形管18时，该流与从文丘里管喉部区域14出来的流相互作用。此相互作用影响回流区域的位置和形状，其是系统的燃烧稳定性和贫熄灭能力的主要贡献因素之一。

在美国专利出版物No.2005/0034457中公开了另一种现有的系统。此系统借助于向外展开的燃烧管来加速流，使得该向外展开的燃烧管形成对离开若干燃烧器形成的阵列的流的限制的内部部分。然而，可能更优选的是在流加速中结合文丘里管和向外展开的燃烧管两者，以影响流向并从而提供更有效的回流区域。

发明内容

在一个示例性实施例中，次级燃料喷嘴可放置在主燃料喷嘴的环形阵列之中，其中主燃料喷嘴通过文丘里管喉部区域与次级燃料喷嘴隔开。次级燃料喷嘴包括与燃料输送系统成流体连通的预混合通路，在预混合通路中设置在燃料输送系统的下游的旋流器，在旋流器的下游的圆锥形发散出口通路。

在另外一个示例性实施例中，燃烧器包括从燃料输送系统接收燃烧用燃料的燃烧管，以及安装在该燃烧管中的轴向旋流器。该燃烧管在旋流器的下游向外展开。

在又一个示例性实施例中，一种改善燃烧器中的燃烧稳定性的方法包括如下步骤：在从燃料输送系统接收燃烧用燃料的燃烧管中放置旋流器，以及设计在该旋流器的下游的燃烧管的一部分，以限定扩大燃烧的贫熄灭和低频动态变化余量的回流区域。

附图说明

图1是传统燃烧系统的内部横截面图；而

附图2是所描述的燃烧系统的内部横截面图。

部件列表

10主燃料喷嘴

12次级燃料喷嘴

14文丘里管喉部区域

16轴向旋流器

18圆柱状通路

110主燃料喷嘴

112次级燃料喷嘴

114文丘里管喉部区域

116轴向旋流器

120发散圆锥形通路

122预混合通路

124孔

126回流区域

具体实施方式

参照图2，所描述的构造结合了轴向旋流器116，其出口装配到发散圆锥形通路120的入口中。此结构使得涡旋流能够膨胀，导致空气动力学上稳定且独立的回流区域，且其边界遵循圆锥形通路120的发散轮廓而呈流线形。

在一个示例性应用中，图2中图示的燃烧系统是用于燃气涡轮发动机中的双级、双模式、低NOx燃烧系统的整体部分。类似传统系统，该图示的系统包括围绕次级燃料喷嘴112布置成环状阵列的多个主燃料喷嘴110。主燃料喷嘴110通过文丘里管喉部区域114与次级燃料喷嘴隔开。

次级燃料喷嘴112或燃烧管包括通过孔124或类似物与燃料输送系统成流体连通的预混合通路122。预混合通路122优选为大致圆柱状。旋流器116在预混合通路122中设置在燃料输送系统的下游。圆锥形发散出口通路120在旋流器116的下游。