专利名称：燃烧系统燃烧管的制作方法
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。
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
具体实施例方式参照图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。该向外展开的出口通路120允许涡旋空气沿径向方向膨胀，并形成更靠近旋流器 116的非流线形体且至少部分地处于向外展开部分120的空间内的回流区域126 (以虚线表 示)。所提议变型的CFD模拟表明在旋流器116的下游形成的回流区域126附在非流线形 体上，且不延伸超过向外展开部分120。从文丘里管喉部区域114出去的流不影响在旋流器 116的下游形成的回流区域126。次级燃料喷嘴112在火焰稳定性方面变成了独立的系统。就是说，其具有独立于 文丘里管喉部区域114的下游的变动空气动力的自己的回流区域126。
所描述的系统改善了结合安装在燃烧管中的轴向旋流器的燃烧器的燃烧稳定性， 该燃烧管具有位于旋流器的下游的向外展开部分。该向外展开部分设计成用来使在旋流器 的下游形成的回流区域成形，并使该回流区域限于旋流器的非流线形体附近，且处在该向 外展开部分的空间内。该设计扩大了贫熄灭和低频动态变化余量，这又通过燃料分离调整 允许NOx排放的进一步减少。尽管已经联系当前认为是最实用和优选的实施例对本发明进行了描述，但应该了 解的是本发明不限于所公开的实施例，相反，本发明意图覆盖包括在所附权利要求的精神 和范围内的各种变型和等价装置。
权利要求
一种可放置在主燃料喷嘴(110)的环形阵列中的次级燃料喷嘴(112)，所述主燃料喷嘴通过文丘里管喉部区域(114)与所述次级燃料喷嘴隔开，所述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(122)；在所述预混合通路中设置在所述燃料输送系统的下游的旋流器(116)；和在所述旋流器的下游的圆锥形发散出口通路(120)。
2.根据权利要求1所述的次级燃料喷嘴，其特征在于，所述圆锥形发散出口通路(120) 被尺寸设置成且成形成在所述文丘里管喉部区域(114)的最小宽度前终止。
3.根据权利要求1所述的次级燃料喷嘴，其特征在于，所述预混合通路(122)为大体上 圆柱状。
4.根据权利要求1所述的次级燃料喷嘴，其特征在于，所述圆锥形发散出口通路(120) 相对于所述文丘里管喉部区域(114)放置，并且被尺寸设置成且成形成使得回流区域 (126)至少部分地形成在由所述圆锥形发散出口通路限定的空间内。
5.一种燃烧器，包括从燃料输送系统接收燃烧用燃料的燃烧管(120，122，126)；以及 安装在所述燃烧管中的轴向旋流器(116)， 其中，所述燃烧管在所述旋流器的下游向外展开。
6.根据权利要求5所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧管为大体上圆柱状。
7.根据权利要求5所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧管的向外展开部分被尺寸设 置成且成形成使得回流区域(126)至少部分地形成在由所述燃烧管的所述向外展开部分 限定的空间内。
8.一种改善燃烧器中的燃烧稳定性的方法，所述方法包括将旋流器(116)放置在从燃料输送系统接收燃烧用燃料的燃烧管(120，122，126)中；以及设计在所述旋流器的下游的所述燃烧管的一部分，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(126)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述设计步骤包括为限定圆锥形发散出 口通路(120)而使在所述旋流器(116)的下游的所述燃烧管的部分向外展开。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述回流区域(126)至少部分地形成在 由所述燃烧管的该向外展开部分限定的空间内。
全文摘要
本发明涉及燃烧系统燃烧管，具体而言，燃烧器包括从燃料输送系统接收燃烧用燃料的燃烧管。轴向旋流器(116)安装在燃烧管(120，122，126)中。燃烧管在该旋流器的下游向外展开。该结构提供改善的燃烧稳定性，同时扩大贫熄灭和低频动态变化余量，这又用来进一步减少NOx排放。
文档编号F23D14/26GK101893240SQ20101011884
公开日2010年11月24日 申请日期2010年2月3日 优先权日2009年2月3日
发明者D·W·西蒙斯, L·茨维德努克, S·A·梅什科夫, V·米特罗法诺夫 申请人:通用电气公司