专利名称：燃烧器稀释分流系统的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及控制流入燃气涡轮发动机和其他热机的燃烧系统的空气流。本发明尤其涉及包括一个和燃烧器稀释分流管结合一起的单独阀的系统，用于选择性地控制燃烧空气和分流燃烧器主要部分的空气的相对比例。
背景技术：
工业型燃气涡轮发动机可能采用旨在将氧化氮排出物减至最小的燃烧器系统。于1996.01.09授予mowill的为“单级定常燃料/空气比予混合燃烧器”的美国专利No.5,481,866号公开了这种燃烧器系统，为充分了解这种燃烧器，本说明书将其作为参考文献加以引用。该‘866专利公开了一种具有一个外冷式无孔燃烧器内衬的燃烧器，它从一文杜里形予混合器接纳全部燃烧空气。未通过予混合器进入燃烧器的过剩空气被输入用于从外部冷却燃烧器内衬，最终通过稀释孔口再进入燃烧区下游的流道中。用一个空气阀直接控制供给该混合器的空气量，以便将一氧化二氮排放物在所有功率调整值下减至最小。该空气阀具有间接控制通向稀释孔口的空气量的作用。
当在′866专利中公开的该型燃烧器同一个具有较高压缩比的压气机的发动机结合使用时，问题便产生了。在发动机低功率调整时，用以控制流向予混合器的空气的阀通常是关闭的，这就迫使大部分压缩空气流过该稀释口。虽然发动机的功率减小了，但压气机在低功率或惰转时泵出的空气总量欲仍很大，结果使低功率时的稀释空气流大大增加。然而稀释孔口的大小尺寸仍须保证在低气流量和高功率时有充分的回流余量。于是，在功率低和稀释流量大的情况下，稀释孔口过分地限制了稀释气流，从而使燃烧室前后的压降超过要求的数值，造成发动机的效率损失。
解决此问题的方法向来是除了在控制通向予混合器的空气的阀外，加一个独立的装置，用以根据不同的功率调整改变稀释孔口的流通面积。此法缺点是此装置通常非常复杂，因而使燃烧器系统的总成本大大增加。
因此在一氧化二氮排放物少的燃烧器系统中需要一种简单化方法，以便将不用于燃烧的过剩空气再送回到燃烧区下游的流道中，从而避免由可变面积稀释孔口带来的复杂性和费用。
发明概述如上所述，本发明的目的在于提供一种燃烧器系统，在用将不用于燃烧的过剩空气返回到燃烧区下游的流道中的简化方法情况下使一氧化二氮的排放物减少，从而避免由可变面积稀释孔口带来的复杂性和费用。
本发明通过提供一种阀和一种低压降燃烧器分流管达到此目的。该阀同时控制供给予混合器的空气和进入大分流管的空气量。进入分流管的空气作为稀释空气又被导入主燃烧区下游的燃气流道。在低功率调整时，该阀将大部分空气导入分流管，实际上增加了通过固定面积稀释孔口的稀释流量。从而将燃烧器前后的压降控制在最佳值。
通过对本发明的一个优选实施例所作的下例详细说明结合附图一起阅读，可一目了然地明了本发明的上述和其他目的、特点及优点。
附图简述
图1表示一个低排放燃烧器的透视图，该燃烧器有两个本发明设想的那种稀释分流系统；图2为图1所示燃烧器的另一透视图；图3为沿图2A-A线的燃烧器和一个稀释分流系统的剖视图；图4为图3一部分的局部放大剖视图；图5为本发明设想的阀的透视图；图6为本发明设想的阀的局部切开透视图；图7为本发明设想的阀的另一局部切开透视图；图8为本发明设想的阀的第三局部切开透视图；
图9为图1燃烧器的横剖视图；图10为一部分燃烧器和稀释分流系统的透视图；图11为燃烧器稀释分流系统示意图。
优选实施例说明参照图1，本发明的分流系统整体以数字10表示。分流系统10包括一个和燃烧器分流管13相连的阀12。在该优选实施例中，采用2个分流系统10，它们分置于燃烧器的两侧，相距约180°。根据具体的发动机和用途，可以采用和此处不同数量和布置的分流系统。
参阅图2至图4，阀12有一圆筒形壳体14，该壳体限定一个入口16和两个出口18和20。入口16和一根进气管17连接，用以接纳来自燃烧器压力腔19的压缩空气。压力腔19由被燃烧器壁61限定的燃烧室60构成。出口18和予混合器管22连接，后者通至予混合器喷咀器64，将燃料-空气混合物向喷入燃烧室60。喷射器64有一个气吹燃料喷咀66，一个文杜里管70，一个予混合室68和一个点火器72。工作时，该气吹喷咀将燃料-空气混合物喷入予混合室68。在予混合室中，通过予混合管22补充加入另一股空气。为了尽可能减少一氧化二氮，离开文杜里管的燃料-空气混合物中燃料的含量应尽可能地少，这样在发动机起动时，点火器72将此稀混合物点燃，从而产生流入燃烧室60中的炽热燃气。出气口20和分流管24连接。阀12内有一个月牙形旋转阀芯26，用于选择性地控制送往予混合管22和分流管24的空气流量比例。
图3和图4清楚地表示此阀分配和分流气流的作用。如图4所示，当阀芯26在惰转位置上(虚线)时，大部分空气进入分流管24，只有极少部分进入予混合管22。反之，当功率最大(实线)时，大部分空气进入予混合管22，只有极少部分进入分流管24。图3表示当功率调到中间位置上时，阀板26使空气在予混合管和分流管之间平均分配。由图可知，月牙形旋转芯26提供了一条从入口16到两个出口18或20的通畅有效的空气流道，特别在惰转和功率最大的情况下。
参看图5至图8，阅12还有一块可换分流孔板30，装在出口20上。为了使燃烧器前后的压降保持恒定，同时保证流至予混合器中的空气量正确，喷射器64要求对供给予混合器管22和分流管24的空气比例进行控制或计划。为此，分流孔板30上的孔32的宽度是可变的。将孔32的形状设计好，便可控制分流孔口的流通面积和予混合器孔口的比例，从而控制供给各孔口的空气比例。图6～8表示旋转阀芯26在三种功率调整值时孔板30开启的角度变化。图6表示功率最大情况，此时孔板被盖住；图7表示功率为50％的情况，此时孔板大约开启一半；图8表示功率为零的情况，此时孔板完全开启，即无通往予混合器喷射器64的空气流。专业人员可以熟练地根据具体的发动机结构或安装或低功率状态所要求的压降变化选择孔板32的形状和尺寸。
参阅图9，压缩空气从压气机70进入燃烧器压力腔19。如前所述，此空气的一部分从压力腔19流过分流系统13。分流系统13还有一个从分流管24按纳空气的环状分流总管28。多根支管34自分流总管28伸出去将其和燃烧室60的稀释区36连接起来。阀12、分流管24、分流总管28和支管34一起提供了一条通畅的流道，从最小的压降将压缩空气直接从压气机的出口送到稀释区36，该区正好和涡轮72前方的稀释孔口40处于大致相同的位置。除了分流空气外，稀释孔口40也从压力腔19接受空气。
图11以示意图形式表示两个分流系统10的工作。当功率最大时，通向分流系统13的路是关闭的，从而迫使大部分空气流向予混合器喷射器64并经过燃烧室60。任何过剩的空气此时都间接地通过围绕稀释区36孔口40进入燃气流道。设计稀释孔口40的尺寸时，应保证当功率调整最大时能提供有效的气流，以便在燃烧器前后产生要求的压降。在此情况下，基本上无需分流。
当功率从最大值减小下来时，阀12转动从而关闭通向予混合器喷射器的孔口18。虽然发动机功率在惰转时大大减小，但压气机泵出的空气流总量并不减少，因此，在惰转功率时，过剩空气量，即不流向混合器喷射器的空气将极大地增加。如果没有分流系统13，则全部过剩空气将经过稀释孔口40，从而使燃烧器前后的压降超过预期的值。可是现在由于同时打开经过分流管的另一条路，该三通阀允许大量低功率下的过剩空气流到稀释区36，所以无需流经过分受限制的稀释孔口。确切地说，由于气流被分流，只有适当数量的空气流径稀薄化孔口40，而过剩空气的主体则流径分流系统。由于从使用分流孔板30，合理分配分流的空气，直至使空气通过孔口40，所以燃烧器压降得以在所有工作状态下保持不变，或者在低功率调整时，可按要求进行调节。
上述密封装置的各种变型和改型对本技术领域的专业人员均属简单明了，因而前面关于本发明优先实施例的详细说明应被视为示例性的，而不作为对本发明范围和精神的限制。
权利要求
1.一种燃气涡轮发动机，包括一个供给压缩空气的压气机；一个使炽热燃气膨胀的涡轮；一个配置在上述压气机和上述涡轮之间的燃烧器；上述燃烧器包括一个由燃烧器壁限定的燃烧室；一个定界上述燃烧器壁和从上述压气器接受压缩空气的压力腔；一个将燃料-空气混合物喷入上述燃烧室中的喷射器；一个点燃上述燃料-空气混合物从而生成上述炽热燃气的点火器；一个正好位于上述涡轮上游的稀释区，上述稀释区通过至少一个稀释孔口接受一部分压力腔系统中的空气，以及一个分流系统，用于控制上述压力腔内上述空气中的剩余部分流量到上述喷射器和上述稀释区的气流。
2.按权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于所述分流系统包括一个从上述压力腔延伸的第一管道；一个跟所述第一管道和所述喷射器成流体连通的第二管道；一个跟所述第一管道和所述稀薄化区成流体连通的第三管道；以及一个配置于所述第一、第二和第三管道之间的阀，用于将该空气流从所述压力腔引导到所述予混合器喷咀和所述稀薄化区。
3.按权利要求2所述的燃气涡轮机，其特征在于所述阀包括一个壳体，其上有同所述第一管道连接的第一孔口；一个同所述第二管道连接的第二孔口和同所述第三管道连接的第三孔口；以及一个安装在所述壳体上的旋转阀芯。
4.按权利要求3所述的燃气涡轮机，其特征在于所述阀芯是月牙形的。
5.按权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其特征在于所述阀包括一块装在第三孔口上的可换孔板。
6.按权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其特征在于还包括一个环形分流总管，同所述第三管道和多根从上述分流总管延伸至所述稀薄区的管子成流体连通。
7.按权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于上述喷射器是一个予混合器喷射器。
8.按权利要求7所述的燃气涡轮机，其特征在于所述予混合器喷射器包括一个气吹燃料喷咀、一个文杜里管和一个予混合室。
9.一个前后压降可控的燃烧系统，包括一个由燃烧器壁限定且带有一个入口和一个出口的燃烧室；一个围绕所述燃烧器壁外周配置的且接受压缩空气的压力腔；一个同所述压力腔成流体连通的喷射器和一个燃料源空气燃料在所述喷射器内混合，所述混合物通过所述入口被喷入所述燃烧室；一个点火器，用于点燃所述燃料-空气混合物，以形成炽热燃气；一个正好位于所述出口上游的稀释区，所述稀释区通过至少一个在所述燃烧器壁上的稀释孔接受所述压力腔中的部分空气；以及一个可调分流装置，用于将从所述增压力腔流往所述喷射器的部分空气转移到所述稀释区，从而可改变被转移的空气量，以得到燃烧器前后所需的压降。
10.按权利要求9所述的燃烧系统，其特征在于所述分流装置包括一个配置于所述压力腔、所述喷射器和所述稀释区之间的阀。
11.按权利要求10所述的的燃烧系统，其特征在于所述阀有一个月牙形的阀芯。
12.按权利要求10所述的燃烧系统，其特征在于所述分流装置还包括一个在所述压力腔和所述阀之间的延伸的第一管道；一个在所述阀和所述喷射器之间延伸的第二管道；一个自所述阀延伸到所述稀薄化区的第三管道；
13.按权利要求12所述的燃烧系统，其特征在于还有一块配置在所述阀和所述第三管道之间的孔板。
14.按权利要求12所述的燃烧系统，其特征在于还有一个环形分流总管，同所述第三管道和多根从所述分流总管延伸至所述稀薄化区的管子成流体连通。
15.一种在发动机功率级变化时控制燃气涡轮发动机中位于压气机和涡轮之间的燃烧器前后压降的方法，包括下述步骤使所述发动机在第一功率级上运行；将来自所述压气机的压缩空气收集在压力腔中；使所述空气的第一部分通过所述燃烧器壁上的稀释孔口送入所述涡轮上游的稀释区中；将所述空气的第二部分送往喷射器；在所述喷射器中，使所述第二部分空气和燃料混合，并点燃该混合物，以便在所述稀薄化区上游的燃烧器内生成炽热燃气；将所述第二部分空气的一部分转移到所述喷射器周围，并进入靠近稀释区的燃烧器；控制所述转移部分的量，从而在所述燃烧前后获得要求的第一压降。
16.按权利要求15所述的方法，其特征在于还包括下述步骤使所述发动机在第二功率级上运行，以及调节所述被转移部分的量，从而在所述燃烧器前后获得要求的第二压降。
17.按在权利要求16所述的方法，其特征在于所述要求的第二压降等于所述要求的第一压降。
全文摘要
本发明提供一种阀和一个低压降燃烧器分流系统。该阀同时控制供给预混合器的空气和进入大分流管的空气量。进入分流管的空气作为稀释空气又被导入燃烧区下游的燃气流道。在低功率整时,该阀将大部分空气导入分流管,使其实际上分流固定面积稀释孔口,从而将燃烧器前后的压力降控制在最佳值。
文档编号F23L3/00GK1244909SQ97181423
公开日2000年2月16日 申请日期1997年11月25日 优先权日1996年11月26日
发明者J·勒内茨, K·劳伦斯 申请人:联合讯号公司