专利名称：燃烧器的配置的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃气轮机用的燃烧器，包括相关的燃料燃烧嘴，或被称为燃料喷嘴或喷射器。它特别但并不仅仅涉及那些适宜在所谓“低排放燃烧模式”下操作的燃烧器，因为这些燃烧器能支撑预混合稀薄燃烧过程。
某些已知型式的燃烧器采用预混合稀薄燃烧的模式来减少污染物如氮氧化合物(“NOx”)、一氧化碳(“CO”)和未燃碳氢化合物(“UHC”)的排放，使燃烧温度保持在已知可减少产生污染物的某些限度之内。为了得到这样一个低排放的燃烧模式，在将燃料/空气混合物初始喷射到燃烧室的燃烧区带内之前预先使空气与燃料混合。术语稀薄燃烧意谓与燃料混合的空气量大于燃料完全燃烧时所需的空气量。
燃气轮机可在转速和载荷条件的广阔范围内运行，从初始的起动状态，通过各种转速/载荷的组合到最大值都可运行。当发动机的燃烧器在一预混合稀薄燃烧、低排放的燃烧模式下运转时，大家都知道在较低的功率范围内火焰很低达到稳定，这是因为燃烧过程是在空气/燃料混合物接近熄灭极限的条件下进行的。还有一个相关问题是燃烧过程很不均匀，导致温度和留在主燃区内的燃烧产物的组成都会发生不希望有的变化，以及在最接近燃烧过程的燃烧器壁内温度梯度的增加。这种不均匀的燃烧是由于燃料/空气混合物在燃烧室内建立的火焰前沿内点燃时，它本身还没有足够快地均匀化起来而引起的。
促进空气和燃料很好混合的一个大家都知道的方法是在将燃料喷入到空气流内之前、之中或之后使燃料和空气产生涡旋运动。公告的专利说明书EP 0378 505 B1公开了在一环形的燃烧室内如何使用设有相关空气涡旋器的燃料喷射器来使燃料和空气沿着或平行于燃烧室的轴向中心线而喷射。燃料喷射器被排列在燃烧器头部内的径向内外两个沿圆周方向延伸的层或排上，并且燃料是在燃烧室内离开喷射器的端头后才与涡旋的空气混合。与一排喷射器相关的空气涡旋器使空气沿一个旋转方向涡旋，而由另一排的空气涡旋器传给空气的涡旋沿相反的旋转方向涡旋。另外，在每一排内的燃料喷射器在角度上对准在另一排的喷射器之间的间隙，这样，从一个排内的喷射器排出的燃料和空气就会与从另一个排内的两个相邻的燃料喷射器排出物相互起作用。即在燃烧器前部或头部建立起一个增强的燃料/空气涡旋模型可用来使燃烧稳定。但这个先有技术发明的目的是在非预混合扩散控制燃烧过程中增加燃烧的强度，而对于旨在减少排放的预混合稀薄燃烧的燃烧过程，燃烧强度都须被控制在一定限度之内。
采用数个阶段来完成燃烧过程的方法可将稳定的预混合稀薄燃烧延伸到至少比较低的功率范围内，例如国际专利公报W0 92/07221号所示。该公报公开了一个在相继排列的燃烧室内发生的、具有一次、二次、如果需要还可有三次燃烧的接续而分阶段的燃烧过程，其中含有一次燃烧区的燃烧室将燃烧产物输送到第二阶段，该阶段的燃烧产物又继续往下输送。这种接续而分阶段的燃烧过程的缺点为燃烧器需有特别大的长度方能确保在每一阶段内合适地完成燃烧过程，然后才能继续将预混合的燃料和空气添加到燃烧产物中以便开始下一阶段的燃烧。
授与本转让人的英国专利申请号GB 9519826.3公开了一种稀薄燃烧的燃烧器，其中主要预混合燃料燃烧嘴或喷射器有一环绕一中心先导燃料燃烧嘴或喷射器的环。该主预混合燃料-贫燃料/空气混合物被喷射到燃烧室内，作为初始的沿径向向内移动的涡旋流，与来自先导燃烧嘴的轴向强气流会合。这个强气流提高了主燃料一贫燃料/空气混合物在进入燃烧室时的均匀化，并有助于防止其过早的点燃。先导强气流的形状使它能形成一个被遮蔽的燃烧区域，该区域在发动机部分功率状态下支撑正在先导燃烧嘴下游的燃烧过程，并增加预混合稀薄燃烧过程的稳定性。这样安排可使所谓“平行分阶段”式“燃料分阶段”的燃料过程容易进行，其中一次和二次燃烧过程都在同一流动方向的轴向位置上发生，而燃料按照燃料流量对功率值的规范在先导烧嘴和主要燃烧嘴之间合适地分配。这样可同时得到一个在广阔的功率范围的低排放燃烧模式和较短的燃烧室。尽管如此，但由于预混合稀薄燃烧的主火焰和富含燃料的先导火焰必需靠近先导烧嘴，会导致先导燃烧嘴的露出端的温度过高，并且在发动机低功率时，富含燃料的先导火焰还会导致一定量的NOx的形成。
当然，实际的设计不可避免地将是这些互相矛盾的要求折衰的结果，但从上述当可知道，需要有较短燃烧器结构，它须使我们容易得在到广阔的功率范围内稳定的低排放燃烧，同时还能在适当地与燃烧器头部间隔开的主燃烧区域内得到均匀的燃烧过程。
按照本发明，燃气轮机用的燃烧器具有一个环形的燃烧室，在其径向上设有内外两个同心的壁，而在其上游端设有一个燃烧器头部的壁，多个设在燃烧器头部壁内的燃料喷射器；这些燃料喷射器互相间隔开地被排列在燃烧器头部壁的圆周上，成为径向在外的第一排喷射器和径向在内的第二排喷射器，这两排喷射器与燃烧器头部壁同心，而在第一排和第二排中的喷射器被这样设置，使在每一排中的每一个喷射器与另一排中两个喷射器之间的空档在角度上对准，而且每一个燃料喷射器都具有一个用来产生具有涡旋运动的燃料/空气混合物的装置；一个位在用来产生燃料/空气混合物的装置的下游的混合管；这些混合管经燃烧器头部壁通入燃烧室内，并各具有一段长度足够使燃料/空气混合物作为发散的涡旋气流在进入到燃烧室内之前至少有一部分得到均匀混合。
这些在第一和第二排喷射器中的混合管的纵轴线的走向分别与各自的第一和第二假想的圆锥形表面的生成母线重合，而这些圆锥形表面的母线在燃烧室的主燃烧区内相交，其时位在不同排内的喷射器在下游方向上相互斜交，致使从不同排喷出的燃料/空气混合物的发射的涡旋气流在燃烧室内以相互交叉方式相交，从而在来自不同排的气流之间造成强烈的混合作用并促使主燃烧区内的燃烧均匀。
上面所使用的名词“圆锥形表面”包括两个圆锥形表面中有一个而且只有一个圆锥形表面实际上为一圆筒形表面的情况，圆筒可看作顶点在无穷远的圆锥。
人们相信，交叉相交的涡流的强烈混合作用是由于气流外层的涡旋运动在互相作用时出现扰动的冲突而造成的。随着气流的向下游流动，扰动也很快地沿下游方向的横向传播，由此产生一个基本上均匀的燃料/空气混合物和具有所需均匀度的燃烧产物留在主燃烧区内。对于燃料/空气混合物的交叉气流之间的扰动的相互作用，目前认为最有效的做法是使每一排的相邻喷射器的涡旋运动的方向都相反。但本发明还包括可替代的第二和第三种安排，即从所有喷射器出来的气流的涡旋运动方向都相同，或者其中在同一排上的喷射器都相同，而在不同排上的喷射器都相反。目前，我们认为，第三种安排不能象第一种和第二种那样得到这种有效的混合，但在发动机点燃的阶段内可很好地使环形燃烧器能较好地点燃。对于固定式陆用燃气轮机，其中低排放性能可能要比良好的点燃特性优先考虑，这时第一和第二种安排较为有利，而对于车辆用的燃气轮机，特别是航空发动机，由于希望得到良好的点燃特性，第三种安排可能较优。
按照本发明设计的燃烧器在主燃烧区及其下游具有一个较为均匀的燃烧过程和温度，因此在其燃烧器壁，特别是在燃烧器头部的壁内经受不太陡的温度梯度。由于在壁部材料内的低应力，因此燃烧器壁可有较长的寿命。另外，如上所述，位在不同排的混合管相互斜向交叉，带来增强的混合作用，可减少主燃烧区的长度，因此能采用较短的燃烧室，从而在材料所占空间、重量和费用及冷却燃烧器壁所需的冷却空气量方面都可得到节约。
在第一和第二假想交叉的圆锥形表面之间包括的角度今后将被称为“交叉角”，这个角度可在一个广角和一个窄角之间折中选定。广角会导致主燃烧区与燃烧器头部壁隔离得不好以致燃烧过程会过多地撞击在燃烧室的径向上内和/或外壁上。在另一方面，窄角虽然基本上可避免这种撞击，但由于减弱气流之间的相互混合作用，会削弱燃烧温度均匀的有利效果，并需要有一较长的燃烧室。在本发明的一个例子中，交叉角系在30°到50°之间(最好为40°)。但这个角度也可大于或小于这个范围，取决于燃烧室的外形和所需的尺寸。
按照本发明设计的燃烧器可用平行分阶段式燃烧分阶段的燃烧模式在预定的广阔功率范围内操作。这可用下列方式来达到在预定的广阔功率范围内的高功率部分操作时，每一单个喷射器的燃料/空气比率可这样确定，使它喷射的燃料/空气混合物支持稳定的稀薄燃烧。在这种情况下，只需将同等数量的燃料供给所有的喷射器便可支持低排放的燃烧模式；在预定的广阔功率范围内的低功率部分操作时(即当发动机功率将被“转上”到高功率操作或从高功率操作“转下”时)，至少有一排的多个喷射器(所说多个喷射器被等间距地排列在至少一排上，并且被散置在该排的其他喷射器之间)被供以比其他喷射器少的燃料量。这些燃料减少的喷射器，其单个的燃料/空气比率可被降低到能维持稳定燃烧的水平之下，而其他喷射器所得到的燃料量处在能支持稳定燃烧的水平。采用这种方法，具有较多燃料的喷射器支撑着燃烧室内的整个燃烧过程，即使所有喷射器的燃料/空气比率的平均值可能比稳定燃烧所需的比率低。
从燃料减少的喷射器产生的发散涡旋气流能冲淡从燃料较多的喷射器喷出而进入到主燃烧区的燃料/空气混合物。在现有技术的平行分阶段的环形燃烧器中常会发现这种冲淡会使在低功率下运转的燃烧过程急冷，导致过多CO和UHC的产生及不稳定的燃烧，因此，稀薄燃烧过程不得不在一个受限制的功率范围内使用。但在采用预先混合的稀薄燃烧的平行分阶段的燃烧过程时，本发明的燃烧器却是特别有利的，因为在主燃烧区内得到的快速混合使预先混合的稀薄燃烧运转能够延伸使用到比以前更低的功率而不会发生不稳定的燃烧和不希望的燃烧产物。
在预定的低功率的范围内操作这种平行分阶段的燃烧器时，如果总的稀薄燃烧过程很不稳定，也可方便地这样安排，即向某些燃烧喷射器供给较多的燃料，使它们局部产生的燃料/空气混合物所含燃料的程度高于低排放燃烧模式所用燃料的水平。采用这种方法，在主燃烧区内会发生局部的热火焰先导的燃烧过程，这样在零功率和低排放燃烧模式之间的过渡时期便可使总的燃烧过程稳定。
虽然按本发明的燃烧器对采用主要是预先混合的稀薄燃烧过程来运行的燃气轮机特别有利，但燃烧器构造的同一原理当然也能用于只用火焰扩散燃烧过程运行的其他发动机。在这种情况下，本发明能在低功率下被用来减少UHC和碳的产生及温度的不均匀性。
现在结合
本发明的示范性的实施例，在附图中图1A到1C为现有技术型式的燃烧器的两个实施例的概略的示意图；图2A到2C为本发明的燃烧器的两个实施例的概略的示意图；图3A与图2A相似，图示出各喷射器相互之间的交叉布置；图3B和3C是在图3A燃烧器结构中，几何尺寸缩小的概略示意图；图4是表示燃烧器内喷射器的各种布置的一张表，对这些布置进行计算机模拟，以便研究其对燃烧过程的效果；图5A和5B为用计算机制作的线框架模型，表示如图1A到1C中的现有技术燃烧器的相对燃烧性能；
图6A到6G为用计算机制作的线框架模型，表示如图2A到2C和3A中的本发明燃烧器的相对燃烧性能；及图7为当利用本发明来实行燃料分阶段的预混合的稀薄燃烧时喷射器供给燃料随发动机功率变化的图解。
图1A为一轴流式燃气轮机(未示出)的现有技术的燃烧器10的上游部的侧剖视图。燃烧器10具有一个环形燃烧室12，为方便起见将其表示为具有一纵向中心线L，燃烧室截面对称于该中心线。应该懂得该中心线在实际上只是一表示一个假想圆筒的切开表面，该圆筒有一个从发动机的中心量出的半径R，R是燃烧室环形空间的平均半径。燃烧室12具有沿径向分别位在内侧和外侧的同心的壁14和16及在其上游端的燃烧器头部壁18。图1A为沿图1B中剖面线A-A的视图，而图1B为在图1A中从箭头B的方向看去的燃烧器头部壁18的部分端视图。多个燃料喷射器19、20在其各自该组合件的下游端具有混合管，而其上游端没有被示出。燃料喷射器19、20沿圆周间隔地排列在燃烧器头部壁18上，并被设置成在径向外侧的第一排喷射器19和在径向内侧的第二排喷射器20，这两排喷射器与燃烧器头部壁同心。应该注意到喷射器19、20的纵向中心线L1、L2与燃烧室截面的纵向中心线平行。
第一和第二排的喷射器19、20被这样设置，使在其中一排上的喷射器在角度上与另一排上喷射器之间的空档对准。如图1B的虚线三角所示，相邻的喷射器被布置成两排，就任一排而言，任一在该排的喷射器都有在一个等腰三角形或与此近似的三角形的顶点上，而该三角形的底边由另一排的两个相邻的喷射器所形成。
在每一喷射器19、20的上游部(未示出)为燃料和空气的进口及一个促进燃料和空气涡合的液流涡旋装置(工业中所熟知。具有图示的喷射器19、20下游部的混合管经燃烧器头部壁18通向燃烧室12内，并具有一段足够的长度，使燃料/空气混合物成作为各自发散的涡旋气流22、23在进入到燃烧室之前至少有一部分被均匀混合。这样，在涡旋的燃料/空气混合物进入到燃烧室12内之前，混合过程就在混合管内进行，并且最好是在一个稀薄燃烧过程中，在混合物还没有在火焰前点燃之前，混合就已趋于完毕。如同图1A中发散的虚线所示，发散的涡旋气流22、23在燃烧室内膨胀并在燃烧器头部下游的位置25开始互相干扰，其方式将结合图5A和5B论述。
对混合和在燃烧室12内的燃烧过程有影响的一个因素为燃料/空气混合物在进入燃烧室内时的涡旋方向。如同箭头所示，图1B示出的情况为两排喷射器19、20都具有相同的涡旋方向，而在图1C中，一排喷射器19的涡旋方向与另一排相反。在这两排中，对同一排中的所有喷射器，涡旋方向都相同。注意在同一排中相反涡旋的燃料/空气流一般是要避免的，因为曾经发现，这样一种布置由于发射气流22、23的膨胀，会造成燃烧过程中在燃烧室12的内、外壁14、16上有过多的撞击，这是因为在这种情况下相邻气流的涡旋方向如果相反的话，会有相互增强的作用，特别是在它们互相接触的地方。
现在参阅图2A到2C，其中所示为本发明的布置。如同图1A和1B，图2A和2B分别为沿剖面线A-A的侧视图和从箭头B看去的端视图。其中燃烧器30与图1中的燃烧器10不同，因为燃烧室31的燃烧器头部壁32具有两个互相斜交的部分32A和32B。因此，在图2A所示的径向剖面上，头部壁的形状为形成顶角C的三角形的两条边。两排喷射器19′、20′具有与图1相同的构造，而两排喷射器被这样设置，使在不同排中的相邻喷射器组成一个上面所说的三角形的形状(见图2B和2C中的虚线)。但由于喷射器19′、20′分别从法线方向穿过头部壁32的相关壁部32A、32B，所以不同排内的混合管在下游方向斜交成一角度，因此其延伸的纵向中心线L1′、L2′在燃烧室31的主燃烧区内以交叉的方式互相交叉。这样，分别从不同喷射器排19′、20′出来的燃烧/空气混合物的发散的涡旋气流38、40也就以相同的交叉方式在燃烧室内具体交叉，从而在来自不同排的气流之间造成比图1中的布置更强的相互混合作用。这将提高呈主燃烧区内燃烧的均匀性。
人们相信，在来自所有喷射器的气流涡旋方向都相同的条件下，如图2B所示，扰动的混合作用可以得到十分满意的结果。但对于环形燃烧器的周围点燃的特性(即在发动机起动时燃烧传播到燃烧器周围的所有角度位置上的转速率和效率)，如果在同一排内的喷射器的涡旋运动方向都相同，但与另一排的喷射器相反，如图2C所示，这样可能更好。
图1A和2A示出的情况为燃烧室截面的中心线L与它们所在的燃气轮机(未示出)的中心线平行。但在许多情况下，特别是在工业或发电用的发动机，它们的燃烧室常被布置在一条与发动机的纵向中心线成向内倾斜的角的中心线上。这个情况在图3A中示中，其中燃烧器30′在结构上与图2A所示的燃烧器30基本相同，只是朝向发动机的中心线向下倾侧，使燃烧室截面的中心线L与发动机的中心线成一角度D。在所示的特殊情况下，倾侧角D可被选定为等于喷射器19′、20′的延伸的纵向轴线式中心线L1′和L2′与燃烧室截面的中心线L所成的夹角。这将使喷射器20′的中心线L2′与发动机的中心线平行，并使喷射器19′的中心线L1′与发动机的中心线形成一个交叉的夹角E(＝2D)。我们认为角E应约在30°到50°之间，最好约为40°。
用几何学的术语来说，第一和第二排喷射器上的混合管，其纵向轴线L1′和L2′的取向与各自的第一和第二假想的圆锥形表面的生成母线重合。在图3所示的特殊情况下，其中一个假想表面成为圆筒形面，而在图2A中，两个面都是真正的圆锥形面，其中一个圆锥形表面在下游的方向上收敛，而另一个则在下游发散。在图2A和3A中，中心线L1′和L2′所处的表面沿着一条构成一个圆的线相交，在燃烧室的截面上成为点I被示出。圆I沿着环形燃烧室在其一次燃烧区内延伸。这种形式使位在不同排的混合管可互相斜交。
图3B和3C图示出对图3A的上述几何学上的考虑，在图3B中，表面42为长方形，并且是相应圆筒的一端的展开形式，该圆筒是对称地环绕其先前的纵向轴线44而形成的，虚线4b代表原来的圆筒形表面的生成母线。用图3A来说，纵向轴线44代表发动机的纵向中心线，生成母线4b代表延伸的喷射器中心线L2′。表面42代表中心线L2′所在假想圆筒形的展开表面。
与此类似，在图3C中，表面50为梯形，并且是圆锥底部的展开形式，该圆锥是对称地环绕其早先的纵向轴线而形成的，虚线54代表原来的圆锥形表面的生成母线。拿图3A中的话来说，纵向轴线52代表发动机的中心线，生成母线54代表延伸的喷射器的中心线L1′，表面50代表中心线L1′所在假想圆锥形的展开表面。
图2A和3A中，头壁部32A和32B相等，但对燃烧室截面的中心线L以相反的方向倾斜，喷射器的中心线L1′、L2′和从它们产生的燃料/空气气流也是如此。因此由两个燃烧器头壁部32A、32B相会而形成的夹角C被燃烧室中心线L平分，并为相交角E或2D的补角。在某些情况下，喷射器及/或头壁部可以略为不同地倾斜，使图3A中的角度E和E-D互不相同而不是都相同。例如这样一种布置可用来改正在燃烧区中燃烧过程对燃烧室壁的特定部过分撞击的趋向。
读者应该知道，图3A所示的两排喷射器也可象图2A到2C那样被涡旋和反涡旋。
当如图1、2和3那样设置在燃烧室内时，为了评定各种不同的喷射器的涡旋形态的效果，曾利用美国Fluent公司供售的专利的计算机程序FLUENT版本4.32进行一系列的计算机模拟，该模拟将结合图4到6予以说明。
图4为一表格。第一栏内的单项列出的是计算机生成的供研究的燃烧器形态的模型编号。第二栏图解地示出从两排喷射器各有一对相邻的喷射器共为四个喷射器的小组中喷射到燃烧室内的燃料/空气混合物气流的涡旋方向。栏头为“几何关系”的第三栏指出在该具体模型中的喷射器是“水平的”即取向相互平行如图1所示，还是“成角度的”即相互相向斜交如图2和3所示。第四栏涉及图5A到6G中与模型编号对应的那一幅图。这些图中的每一幅图都有一个线框架模型，该模型形成环形燃烧室的一个小区段，在两排中各含有两个相邻的喷射器。每一线框架模型含有在燃烧室的长度上等距离间隔的五个平面P1到P5上的燃烧气体温度的等温曲线图。燃烧室的整个长度都用框架示出，从在上游端的喷射器和头部壁到在其下游端的过渡部和燃烧喷嘴。
应该注意的是，对于每一个模型，在图4第二栏每一项右下方的喷射器都用一个涂黑且比其他圆圈小的圆圈来代表，这表示该喷射器在发动机运行时没有燃料供给，只有空气供给。因为我们假定，在低功率的情况下，在至少有一排喷射器内，每两个或四个喷射器将有一个喷射器不被供给任何燃料。这时从不供燃料的喷射器上发出的较冷的空气流将会在其他喷射器发出的燃料/空气混合物所产生的燃烧气体中造成冷斑。我们这样做可使计算机模型更切合实际，因为它能代表在采用预先混合的稀薄燃烧的平行分阶段或燃料分阶段的燃烧过程时的“最坏情况”。但由于在炽热的燃烧气体和冷空气流之间的混合的速率和完全程度的提高，本发明有助于防止或减少燃烧过程的急冷，因此能减少不需要的排放。
参阅图5A模型1，可以看到燃烧器和喷射器的涡旋形态与图1A和1B中所示的类似，只是每一排喷射器中的每一个喷射器都是左手的(逆时针的)涡旋，而不是图1B所示的右手的(顺时针的)涡旋。对于图5B模型2，喷射器的涡旋形态都是右手的，只是右下方的那个喷射器具有左手的涡旋。
图6A的模型3示出一个具有斜交喷射器的燃烧器，其涡旋形态与模型1相同，即与图2A和2B所示类似，只是每一个喷射器都是左手涡旋，而不是图2B所示的右手涡旋。图6B的模型4重复模型2的涡旋形态，只是这次喷射器是斜交。在模型5中，除了顶排左边的喷射器以外，涡旋都是左手的。而在模型6中，同一排内相邻的喷射器具有相反的涡旋。模型7为一与模型6类似的布置，只是顶排喷射器的涡旋方向已被倒转。在模型8中，顶排喷射器都是右手涡旋，而底排喷射器都是左手涡旋。最后，模型9所示为所有喷射器除了右上喷射器以外都是左手涡旋，这样就代表一个相邻喷射器具有相反涡旋的外部喷射器排。
比较图5A和5B，可以看到图5A的布置可在燃烧器的下游端达到最均匀的温度分布，其时两排喷射器都具有相同的涡旋方向。
比较图6A到6G，显然可见就燃烧喷嘴出口平面P5上的燃烧气体的温度分布的均匀性而言，图6A和6D都可得到最佳的效果，但就平面P2上的温度分布而言，在这两个图中，图6D看起来在燃烧过程的较早阶段就将燃料气体混合得较为彻底，即具有较大的混合速率。如果我们现在拿图6A和6D与图5A和5B相比，将可得到就燃烧喷嘴出口平面P5上的燃烧气体的温度分布的均匀性以及混合的速率两者而言，斜交喷射器都可得到最佳的效果。
上述结果指出按照本发明的设有斜交喷射器的燃烧器能使燃烧产物在主燃烧区内较快混合，因此能将低排放、稳定预混合的稀薄燃烧的、平行分阶段燃烧过程延伸到比以前低的功率。另外，这种燃烧器能在燃烧喷嘴出口处使燃烧产物的温度更为均匀，这样就可减轻下游涡旋构件的负担。上述结果还指出就混合的速率而言，这种燃烧器的最佳涡旋形态当为在每一排内相邻喷射器的涡旋运动方向都相反。
现在结合图7说明按照本发明的燃烧器在用来实现燃料分阶段的预混合的稀薄燃烧时如何随着喷射器所需燃料的变化来运行。应该知道图7并不按比例，只是用来作定性说明。
图7示出燃烧器运行经过的三个发动机功率范围，即低、中和高三种功率。下面考虑燃料渐减的情况，当我们逐渐减少供给燃烧器的燃料量时，从发动机得到的功率就被减少。在整个高功率范围内，燃烧器都按低排放的燃烧模式运行，这时所有的喷射器都按一定的燃料/空气比率(这个比率在这里被定为100％)供给燃料，使它们全都支持稳定的稀薄燃烧。当功率从点1降至点2时，低排放燃烧模式能够通过将相等数量的燃料供给所有的喷射器来得以支持。
当功率被逐渐减少而通过中功率范围时，发放给燃烧器的燃料总量也逐渐被减少。但从点2到点3，最好在每一组四个喷射器中将三个喷射器的燃料/空气比率维持在100％不动，这样来维持稳定的燃烧，而将供给另一个喷射器的燃料逐渐减低，致使该喷射器的燃料/空气比率急剧下降，从中功率范围的顶点2降到该范围的底点5。在底5流向该喷射器的燃料被有效地中止，致使燃料/空气比率等于或接近零。虽然当功率被减少时，该燃料减少的喷射器的燃料/空气比率和所有喷射器的平均燃料/空气比率都已大大下降到低排放燃料模式的稳定极限之下，但在整个中功率的范围内，整个燃烧过程的稳定性仍可坚定地保持着，这是因为稳定的燃烧过程是从用较高的燃料/空气比率运行的四个喷射器中的三个喷射器得来的，是这三个喷射器支持着燃料减少的喷射器的燃烧过程，从而阻止了不稳定性的发展。
平行分阶段的燃烧器在操作经过低功率范围时，仍然支持着燃烧过程的四个喷射器中的三个，由于其燃料供应随着功率的减少而减少，因此其燃料/空气比率也沿着线3-6被减少。在3-6线上的点X代表这些喷射器所支持的稀薄燃烧过程将要变为不稳定的点。为了解决这个问题，至少有几个燃料喷射器要被这样供给燃料，使它们局部产生的燃料/空气混合物所含的燃料比低排放燃烧模式所用的还要高，但所有自动供以燃料的喷射器的平均燃料/空气比率仍保持在3-6线上。采用这种方法，在主燃烧区内就会发生局部的，由热火焰先导的燃烧过程，从而可使在零功率和真正低排放燃烧模式之间的过渡期内的总的燃烧过程稳定。
应该注意的是由于采用本发明而造成的在燃烧过程中混合速率和完善性的改进能使低排放的燃烧过程在一较广阔的功率范围内得到支持。在现有技术的两排喷射器的布置中，人们知道是利用每一组六个喷射器中拉掉一个来达到稳定的低排放的燃料分阶段燃烧，而本发明是利用每组四个喷射器中的一个来达到相同的结果，因此能在低排放模式变成不稳定之前获得更多的燃料和功率“调低”。
权利要求
1.一种燃气轮机用的燃烧器，具有一个环形燃烧室，在其径向上设有内外两个同心的壁，而在其上游端设有一个燃烧器头部的壁，及多个设在燃烧器头部壁内的燃料喷射器，这些燃料喷射器互相间隔地被排列在燃烧器头部壁的圆周上，成为径向在外的第一排喷射器和径向在内的第二排喷射器，这两排喷射器与燃烧器头部壁同心，而在第一排和第二排中的喷射器被这样设置使在每一排中的每一个喷射器都与另一排中两个喷射器之间的空档在角度上对准，而且每一个燃料喷射器都具有一个用来产生具有涡旋运动的燃料/空气混合物的装置；一个位在用来产生燃料/空气混合物的装置的下游的混合管，这些混合管经燃烧器头部壁通入燃烧室内，并各具有一段长度，足以使燃料/空气混合物作为发散涡旋气流进入到燃烧室内之前至少部分均匀，这些在第一和第二排喷射器中的混合管的纵向轴线的走向分别与各自的第一和第二假想圆锥形表面的生成母线一致，而这些圆锥形表面在燃烧室内的主燃烧区内相交，其时位于不同排内的混合管沿下游方向相互斜交，致使来自不同排的燃料/空气混合物的发散涡旋气流在燃烧室内以交叉的方式相交，从而在来自不同排的气流之间产生强烈的混合作用，从而提高主燃烧区内的燃烧均匀性。
2.按照权利要求1的燃烧器，其特征为，来自所有喷射器的气流的涡旋运动方向都相同。
3.按照权利要求1的燃烧器，其特征为，同一排的喷射器的气流的涡旋运动方向都相同，而不同排的喷射器的气流涡旋方向都相反。
4.按照权利要求1的燃烧器，其特征为，每一排的相邻喷射器的涡旋运动的方向都相反。
5.按照以上权利要求中任一项的燃烧器，其特征为，在第一和第二相交圆锥形表面之间的夹角可这样选择，一方面要防止主燃烧区与燃烧器头部壁隔离得不好以致燃烧过程会过多地撞击在燃烧室的径向内和/或外壁上，而在另一方面要防止由于过分削弱气流之间的相互混合作用而需过分延长主燃烧区。
6.按照以上权利要求中任一项的燃烧器，其特征为，在第一和第二相交圆锥形表面之间的夹角在30°和50°之间。
7.按照以上权利要求中任一项的燃烧器，其特征为，在第一和第二相交圆锥形表面之间的夹角为40°。
8.一种操作按照以上权利要求中任一项的燃烧器的方法，该燃烧器适宜用来支持稀薄燃烧的平行分阶段的燃烧过程，该方法包括通过将燃料分别供给各喷射器使它们在主燃烧区内产生燃料-贫燃料/空气混合物，在预定的广阔的功率范围内按低排放燃烧模式操作燃烧器；通过将基本相等的燃料按基本恒定的燃料/空气比率供给所有的喷射器在预定的广阔功率范围内的预定的高功率部分操作该燃烧器；及通过对至少一排喷射器中的多个喷射器按逐渐减少的燃料/空气比率供给比其他喷射器逐渐减少的燃料量，在预定的广阔功率范围内的预定的中等功率部分操作该燃烧室；在所说至少一排喷射器中的多个喷射器等间距地成一圈布置在所说至少一排喷射器上，并散置在所说排的其他喷射器之间，而其余的喷射器维持着所说基本恒定的燃料/空气比率，使供给燃料较多的喷射器按低排放燃烧模式支持着燃烧器内的整个燃烧过程。
9.按照权利要求8的操作燃烧器的方法，其特征为，所说多个喷射器包括每组四个相邻的喷射器中的一个喷射器。
全文摘要
一种燃气轮机用的燃烧器(30)具有一个环形的燃烧室(31),其上有径向内外两排燃料喷射器(19’,20)同心地设置在燃烧器头部壁(32)上。在每一排中的每一个喷射器都与另一排中两个喷射器之间的空隙在角度上对准。每一个燃料喷射器都具有一个用来产生具有涡旋运动的燃料/空气混合物的装置和一个外在所说装置下游的混合管。每一混合管经燃烧器头部壁(32)通入燃烧室(31)内,并各具有一段长度足以使燃料/空气混合物作为发散的涡旋气流(38、40)在进入到燃烧室内之前至少有一部分得到均匀混合。两排混合管的纵向轴线(L1’、L2’)的走向分别与各自的第一和第二假想圆锥形表面的生成母线重合。这两圆锥形表面在燃烧室的主燃烧区内相交,构成夹角(20),致使处在不同排内的喷射器下游方向上相互斜交,而从其内产生的燃料/空气混合物的发散涡旋气流(38、40)在燃烧室内以相互交叉方式相交,这样就可在来自不同排的气流之间造成强烈的混合作用,并促使主燃烧区内的燃烧均匀而且快速。
文档编号F23R3/00GK1242830SQ9718122
公开日2000年1月26日 申请日期1997年11月10日 优先权日1996年11月8日
发明者P·塞尼尔, S·梅德霍夫 申请人:欧洲燃气轮机有限公司