用于产生能量、特别是电能的涡轮机、尤其是包括蓄热器的具有热力学循环的涡轮机的燃烧室的制作方法

本发明更具体地涉及具有用于从液态或气态燃料产生电能的蓄热器的微型涡轮机。

一般地，微型涡轮机被理解为是低功率涡轮机，通常低于200kw。

如在专利申请wo-202/039,611中更好描述的，具有蓄热器的涡轮机一般地包括带有至少一个压缩机的至少一个压缩级、燃烧室(或燃烧器)、带有至少一个膨胀涡轮的至少一个膨胀级、压缩机与燃烧器之间的换热装置(或蓄热器)，该热交换装置允许对由压缩机压缩的气体进行加热，并将带有较高温度的该气体送至燃烧器，该交换装置被来自涡轮机的热气体横过。

如在前述申请中所述的，燃烧器包括外部壳体，热压缩空气从布置在该壳体外的蓄热器和火管流经该外部壳体，在该外部壳体内发生燃烧。

该火管包括主要区域和稀释区域，该主要区域接纳总热压缩空气流的一部分，并且燃烧在其中发生，而在该稀释区域中发生来自主要区域的燃烧废气与来自设置在管上的稀释孔的热压缩气体的混合。

主要区域还包括穿孔扩散器，其允许热压缩空气和来自设置在扩散器上游的(液态或气态)燃料喷射系统的燃料通过。

一般地，相对于高功率飞行器燃气涡轮机或固定燃气式涡轮机，具有蓄热器的涡轮机具有较低的压缩比(在3至5巴的数量级的压力)以及在涡轮机入口处较低的温度。

这些运行特征的后果之一是在燃烧室中的整体充裕度(富集度)一般小于0.20，即，在燃料可燃性极限以下以下。

此外，在液态燃料的情形下存在燃料预蒸发的问题。

一般地，允许实现低排放的燃烧模式是稀薄预混燃烧。

然而，这种燃烧类型在火焰稳定性方面产生重大的问题。这些问题由蓄热器的动作加重，蓄热器通过增加火焰不稳定性的风险来提高在燃烧器处的空气温度。

此外，设计成本也代表了一种障碍。实际上，这类燃烧室特征在于火焰与壁之间强烈的相互作用，这要求在较大容积上选择昂贵的材料以及用于燃烧器壁的冷却系统，该燃烧器壁一般包括多个孔，意在产生火焰与壁之间的空气垫。该冷却系统涉及在制造工艺方面显著的附加成本以及实施复杂性。

所有这些缺点使得难以实现完全燃烧和满足氮氧化物(nox)、一氧化碳(co)、未燃碳氢物(hc)和颗粒(pm)方面的低排放要求。

为了改进上述涡轮机，申请人已提出了一种用于涡轮机的创新的燃烧室，如在专利申请fr-15/59,314中更好地描述的。

该燃烧室包括容纳火焰管、火焰稳定器、燃烧气体循环通道、混合管和燃料喷射装置的壳体，该火焰管带有用于热压缩空气通过的穿孔扩散器。

申请人仍进一步改进了上述专利申请的燃烧室，从而实现燃烧污染物的更多减少、在标准测量技术的情况下废气中没有烟灰颗粒、燃烧噪音减少以及在涡轮机入口处的温度梯度降低。

技术实现要素：

本发明因此涉及一种用于产生能量、尤其是电能的涡轮机、尤其是带有蓄热器的热力学循环涡轮机的燃烧室，该燃烧室包括容纳带有扩散壁的火焰管的壳体，该扩散壁包括穿孔空气扩散器和混合管的火焰稳定器，所述燃烧室还包括用于至少一种燃料的喷射装置，特征在于，该穿孔扩散器包括周向至少两排的孔洞。

扩散器可包括用于燃料通过的孔，并且孔洞的周向排可设置为与所述孔同心。

扩散器可包括一排孔洞，其开口小于另一排孔洞的开口。

扩散器可包括一排孔洞，该排孔洞的个数大于另一排孔洞的个数。

扩散器可包括呈闭合曲线形的孔洞。

扩散器可包括孔洞，其一排的两个相邻孔洞之间的角度间距是另一排的两个孔洞之间的角度间距的倍数或约数。

穿孔扩散器可借助臂承载混合管。

本发明也涉及一种用于产生能量、尤其是电能的涡轮机、尤其是带有蓄热器的热动力学循环涡轮机，包括带有至少一个气体压缩机的至少一个压缩级、热交换器、由至少一个箱供应有燃料的燃烧室、带有由轴连接到压缩机的至少一个膨胀涡轮的至少一个膨胀级、和能量产生装置，特征在于，该涡轮机包括如上文所限定的燃烧室。

本发明的其它特征和优点将从阅读参照附图以非限制性示例的方式给出的以下描述中变得明了，附图中：

-图1是示出带有根据本发明的燃烧室的、用于产生能量、尤其是电能的涡轮机的示意图，

-图2是示出根据本发明的燃烧室的轴向剖视图，

-图3是根据本发明的燃烧室的元件的立体图，以及

-图4是图3所示的燃烧室的元件沿着箭头a的侧视图。

图1中，所示涡轮机具体是微涡轮机10，其借助至少一种燃料运行，诸如例如柴油燃料类型的液态燃料或诸如天然气的气态燃料。

该涡轮机包括带有至少一个气体压缩机14的至少一个压缩级12、热交换器16(或蓄热器)、由至少一个箱20供应燃料的燃烧室18(或燃烧器)、至少一个膨胀级22，该膨胀级22包括由轴26连接到压缩机的至少一个膨胀涡轮24。该涡轮机也包括能量(在此是电能)产生装置，该能量产生装置包括发电机28，其有利地设置在压缩机与涡轮之间的轴26上。

当然，该发电机可替代地通过轴连接到膨胀涡轮或压缩机，但该轴不是将涡轮与压缩机连接的那根轴。

压缩机14包括含氧新鲜空气入口30以及通向交换器16的压缩空气入口34的压缩空气出口32，在此，外部空气通常处于环境温度下。交换器16的热压缩空气出口36通向燃烧器18的热压缩空气进气口38。燃烧器的过热空气出口40连接到涡轮的入口42，该涡轮的出口44连接到另一交换器入口46。交换器16也包括被冷却气体出口48，其将气体送到任何排放和处理装置，诸如烟囱(未示出)。

参照图2，燃烧器18包括在此为圆柱形形状的外部壳体50，该外部壳体在其一端处由喷射器保持件壁52闭合，而在其另一端处由带有开口56的壁54闭合，该开口具有的直径比壳体50的直径更小。该燃烧器还包括在此也为基本圆柱形形状的火焰管58，该火焰管同轴地容纳在壳体中，具有比壳体更小、但与环形壁54的开口56的直径相同的直径。

该管包括由与喷射器保持件壁52相对并距其一段距离的扩散壁60闭合的端部和敞开的端部62，该敞开的端部延伸通过环形壁，同时密封地与该环形壁的内直径协配，从而形成该燃烧器的出口40。

该壳体在其周界上并且靠近环形壁54承载热压缩空气进气口38，该进气口用于将该空气馈送到设置在壳体与火焰管之间的空间，以及馈送到设置在喷射器保持件壁和扩散壁之间的空间。

如在图2中更好地示出的，喷射器保持件壁包括板64，用于喷射至少一种燃料的喷射装置66穿过该板安装，该喷射装置在此呈与火焰管同轴的喷射器的形式。该板由空气转向(偏转)壁68包围，该壁在此是半环状的，其凹面指向火焰管并且连接于壳体的周界。

火焰管包括周向各排的径向扩散孔隙70，其定位为距扩散壁60一段距离并且靠近壳体的环形壁，同时其有利地与进气口38相对地均匀分布。

火焰管也包括火焰稳定器72，其通过被容纳在设置在该扩散壁60中的孔隙74中而设置在扩散壁60上和管内侧。

燃烧器也包括用于燃料混合物的点火装置76举例来说，该装置可以是用于火花点火式内燃机的类型的火花塞，预热塞(glowplug)、点火电极等等。

现在额外参照图3和图4，其示出火焰稳定器72的示例实施例。

该稳定器包括呈平坦的圆形底板80的形式的穿孔空气扩散器78，期望将其容纳在扩散壁60的孔隙74中。

该底板包括中心轴线孔82和多个孔洞84，该孔82用于使来自喷射器64的燃料通过，而该多个孔洞84以与(钻)孔相同的轴向距离延伸穿过该底板的厚度。

如从这些图中可更佳地看到的，孔洞84分布在与孔82同心的多个周向排中。

在这些附图中所示的示例示出，这些孔洞以两个周向排c1和c2均匀地周向分布。

这些排中的一排c1孔洞，其更靠近底板的外边缘被称为外部排，包括孔洞84a，其开口比另一排c2孔洞的孔洞84b的开口更小。

更确切地，孔洞具有圆形的形状，并且外部排的孔洞84a具有的直径d1比另一排c2孔洞的孔洞84b的直径d2更小。

外部排c1的孔洞84a有利地个数比内部排c2的孔洞的个数多。在所示的示例中，孔洞84a是内部排的孔洞个数的两倍。

当然，孔洞84a、84b的形状不限于如图所示的圆形，其可以是具有闭合曲线的任何其它形状，诸如正方形、椭圆形、梯形、三角形等等。

类似的，两个相邻的孔洞之间的周向角度间距可以在整排上是恒定的或可变的。

最后，一排的两个相邻的孔洞之间的角度间距可以是另一排的两个孔洞之间的角度间距的倍数或约数。

因此，对于外部排，外部排的两个相邻的孔洞84a之间的角度间距α是内部排的两个相邻的孔洞之间的角度β的一半。

如果现在参照图3，则底板80沿轴向方向并与由轴向臂86所(保持)的壁相对，在此，三个臂设置为相互成120°，并且在它们的端部处承载有混合管88，该混合管具有的外直径比火焰管58的内直径更小。

混合管88也可由径向臂连接到火焰管58、而不是连接到底板。

在运行中，燃料(在此呈液态形式)通过喷射器64喷向穿孔底板80，从而流经中心孔82。来自进气口38的热压缩空气进入各壁之间的空间90，该空气然后由转向壁68转向。该空气然后流经底板的孔洞84a和84b，并且其被送到混合管88，在该混合管中发生液态燃料的蒸发，然后是燃烧。

各排孔洞的布局促进了围绕火焰保持件的再循环，且提供了相对高的空气流动速度。

此外，与火焰保持件管齐平的一排孔洞的位置允许循环流量增大。

因此，通过促进再循环且在具有足够空气速度的情况下：

-避免了在火焰保持件中火焰的稳定，其会导致扩散式射流火焰型结构，

-促进蒸发并且更一般地为促进混合的燃烧废气被再循环，且燃料滴在到达火焰之前蒸发，

-实现了相对预混的燃烧，即，没有富集区域，并且因此具有低污染物产生，

-燃烧室可在低平均富集度值下运行，例如在稳定性极限内0.35。