燃烧器衬套的制作方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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】
[0008]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。
[0009]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(Rl)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(Rl)沿燃烧衬套的中心线单调地增大。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]根据另一个实施例，燃烧衬套的外表面的半径大致恒定。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]本申请还提供了包括上文所述的燃烧器的燃气涡轮。
[0018]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。
[0019]本发明的附加优点和特征将部分地在以下描述中阐述，并且在查看下文时将部分地对于本领域技术人员变得显而易见，或者可通过实践本发明来学习。现在将具体参照附图来描述本发明。
【附图说明】
[0020]本发明的优选实施例在下文中参照附图来描述，该附图用于示出本发明的当前优选实施例的目的，并且不用于限制本发明的目的。在附图中，
图1示出了现有技术的燃气涡轮燃烧系统的截面视图。
[0021]图2示出了示意性地指示再循环区的现有技术的燃气涡轮燃烧系统的截面视图。
[0022]图3a示出了根据本发明的实施例的燃烧衬套的截面视图。
[0023]图3b示出了根据本发明的备选实施例的燃烧衬套的截面视图。
[0024]图3c示出了根据本发明的另一个备选实施例的燃烧衬套的截面视图。
[0025]图3d示出了根据本发明的又一个备选实施例的燃烧衬套的截面视图。
[0026]图4示出了根据本发明的实施例的燃烧器的截面视图。
[0027]图5示出了根据本发明的备选实施例的燃烧器的截面视图。
[0028]图6示出了根据本发明的另一个实施例的燃烧器的截面视图。
[0029]图7示出了根据本发明的又一个实施例的燃烧器的截面视图。
[0030]部件列表 100燃烧器 102流动套筒 104燃烧衬套
106燃料喷射喷嘴 108外壳 110径向混合器 112盖
114燃料喷射喷嘴 210中心再循环区 220外再循环区 300燃烧衬套
310燃烧衬套300的第一区段
320燃烧衬套300的第二区段
330310的圆形唇部区段
340310的后区段
350燃烧衬套300的中心线
360衬套300的外表面
370亥姆霍兹阻尼器
372370的冷却通道
380液体燃料喷射器件
400燃烧器
401燃烧区
402非流线体
405中心再循环区
410流动套筒
420第一通路
425圆顶
430425的头端
440转向通路
450燃料喷射器件
455导向通道
460导向燃料
470第二空气流
480第一空气流
490第二旋流装置
495第一旋流装置 710径向分级器件 711外主旋流器 712内主旋流器 721主燃料喷射 Rl 340的内半径 R2 320的内半径 α 340与360之间的角。
【具体实施方式】
[0031]图1中示出了用于现有技术的燃气涡轮的预混火焰层燃烧器100的实例。燃烧系统100包括容纳燃烧衬套104的流动套筒102。燃烧衬套104具有沿燃烧器100的中心线定半径。燃料喷射器106装固于外壳108，其中外壳108封装径向混合器110。盖112和导向喷嘴组件114装固于外壳108的前部。燃烧器100为逆流预混燃烧器的类型。
[0032]图2示出操作期间的火焰层燃烧器100的中部的截面。燃料经由燃料喷射喷嘴106(主燃料)和114(导向燃料)提供至燃烧器100。空气分别与导向燃料和主燃料混合。径向混合器110将旋流空气提供至燃料空气混合物来改进火焰稳定性。混合器110的使用通过在燃烧器100内形成逆流来稳定燃烧过程。逆流将自由基和热返回至未焚烧的空气燃料混合物的上游。以该方式，两个单独的再循环区，中心再循环区210和外再循环区220，如图2中所示产生。火焰借助于导向燃料在点火和部分负载条件下锚定在中心再循环区210中。在较高负载下，火焰通过增大主燃料供应而传递至外再循环区220。
[0033]使用两个竞争的再循环区(中心210和外220)可导致不稳定问题，尤其是在导向和主两者都以等同比率相当时。从导向稳定火焰到主稳定火焰的过渡需要仔细限定的程序来避免高脉动。
[0034]为了克服上述问题，提出了根据本发明的燃烧衬套设计。图3a示出了根据本发明的实施例的燃气涡轮的燃烧衬套300的截面视图。燃烧器衬套300具有大致圆柱形状，并且包括第一区段310和第二区段320，其中第一区段相对于操作期间的热气流在第二区段上游。第一区段310为环形，并且包括圆形唇部区段330和后区段340。后区段340的内半径(Rl)在操作期间在热气流的方向上沿衬套300的中心线350增大。在本发明的一个实施例中，后区段340的半径(Rl)沿衬套300的中心线350单调地增大。例如，这意味着后区段340可具有带恒定半径(Rl)的至少一个平区域。
[0035]第一区段310在轴向方向上的长度相对于衬套300在轴向方向上的总长度可变化。在一个优选实施例中，第一区段310的长度在衬套300的总长度的百分之20到百分之80的范围中。如图3a中所示，燃烧衬套300的外表面360与后区段340之间存在角(α)。角(α)可变化。在一个优选实施例中，角(α)在5到15度的范围中。
[0036]在本发明的一个优选实施例中，燃烧衬套300的外表面360的半径沿衬套300的中心线350大致恒定。这意味着区段310和区段320的外半径大致相等。在根据本发明的另一个实施例中，第二区段320的半径(R2)沿衬套300的中心线350大致恒定。此外，半径(Rl)和半径(