用于燃烧稳定性的辅助激光点火的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于燃气涡轮机的燃烧系统和用于控制用于燃气涡轮机的燃烧系统的方法。
【背景技术】
[0002]在用于燃气涡轮机的燃烧室中，一个目的是减少排放，诸如氮氧化物NOx和/或一氧化碳CO。在燃烧室内部的温度导致高CO和NOx排放。
[0003]为了减少排放，所谓的干式低排放(DLE)燃烧系统被使用，其通常具有在扩散火焰模式下燃烧的辅助燃料流。辅助燃料流可以生成所谓的引燃火焰。这稳定了燃烧室中的主火焰。为了减少排放，引燃火焰必须被限制。
[0004]此外，一个目的是降低燃烧室中的温度，以便于减少NOx排放。这些较低的温度可以通过在主火焰中燃烧贫燃的燃料空气混合物来实现。贫燃的燃料空气混合物包括比用来完全燃烧所有的燃料所需更多的空气。贫燃的燃料空气混合物因此包括较低的火焰温度。然而，贫燃火焰可能非常不稳定并且当量比(燃料/空气混合物与被称为化学计量混合的用于在燃烧中完全使用所有氧和所有的燃料所需的燃料/空气混合的比率)中仅小的变化就可导致熄火。
[0005]干式低排放燃烧系统包括主火焰，在该主火焰处燃烧非常贫燃的燃料混合物。在正常情况下，这将导致易受动力学影响的不稳定的火焰。因此DLE系统使用引燃火焰。引燃火焰包括富燃的或更富燃的燃料混合物，其中富燃的或更富燃的引燃火焰比贫燃主火焰更稳定并且从这个热的稳定引燃火焰产生的热量和自由基稳定主火焰。然而，引燃火焰局部热，因此导致高NOx排放。
[0006]为了稳定燃烧室中的主火焰，进一步的能量源可以被使用以稳定主火焰。
[0007]US 2006/0016169 A公开了一种涡喷推进系统。一种激光器系统，包括:激光器阵列，用于向燃烧室的燃烧部提供电磁辐射，使得燃烧过程被加强。
[0008]US 4，035，131公开了一种燃烧室，其包括控制装置，用于通过使用遍及整个燃料/氧化剂混合物被吸收的紫外线辐射来控制燃料/氧化剂混合物中的自保持的燃烧的点火。
[0009]US 4，556，020公开了一种用于刺激特别是内燃机中的贫燃的混合物的燃烧的布置。光子能量源通过施加紫外光源被供给到火焰。
[0010]US 2011/0214409 Al公开了一种包括燃烧室的燃烧涡轮机。每个燃烧室设置有用于点火燃料/空气混合物的点火设备。该点火设备可以包括激光器点火系统。
[0011]US 5，640，841公开了一种针对低NOx燃烧涡轮机的等离子炬点火。等离子加热的燃料被喷射，以用于精确控制点火在燃烧筐中的贫燃的混合物，同时通过消除传统的涡轮机燃烧器的引燃火焰所需的空气而最小化NOx生成。
[0012]US 4，052，139公开了一种用于改进反应的能量产率的装置。电磁辐射模拟电抗的分子，诸如在燃烧室中的燃料/氧混合物。
[0013]US 4，230，448公开了一种油燃烧器，其包括具有微波能量源的燃烧室。微波能量源被连接到燃料供应管线以加热燃料并且在燃烧室中的燃烧区域中的燃料喷雾的喷嘴处施加电场。
【发明内容】
[0014]本发明的一个目的可以是提供具有稳定的火焰特性的燃烧室。
[0015]该目的由根据独立权利要求的用于燃气涡轮机的燃烧系统和用于控制用于燃气涡轮机的燃烧系统的方法解决。
[0016]根据本发明的第一方面，呈现了用于燃气涡轮机的燃烧系统。燃烧系统包括燃烧室、旋流器设备、可选的引燃器设备和发光装置。
[0017]燃烧室具有端部分和从该端部分沿着燃烧室的中心轴线延伸的预燃烧部分。
[0018]旋流器设备被安装到预燃烧部分，其中主燃料能够由或通过旋流器注入到预燃烧部分的内部体积中，使得使用主燃料的主火焰能够在内体积以内产生。
[0019]燃烧系统可选地包括引燃器设备。本发明可使得引燃器设备与现有技术的方案相比变得多余。另一方面，在其它配置中可能有利的是附加地在燃烧系统中具有引燃器设备。引燃器设备(如果存在)被安装到燃烧室的端部分，从而引燃燃料能够由或通过引燃器设备注入到预燃烧部分的内部体积中，使得使用引燃燃料的引燃火焰能够在内体积以内产生，以用于稳定主火焰。
[0020]在本申请的意义上的“可选的”是指“可选的引燃器”可能存在及工作，它可能存在但不工作，或者它甚至可能不存在或者不被安装因而显然也不能工作。
[0021 ] 发光装置被适配用于将电磁辐射发射到内体积中，其中发光装置被布置到燃烧室，使得向引燃火焰和/或主火焰的能量输入能够由电磁辐射生成，以用于稳定引燃火焰和/或主火焰。
[0022]更精确的是，当能量输入仅被导向主火焰时，那么该配置可以有利地稳定主火焰。在该情况下，引燃燃料可能甚至不被要求生成稳定的主火焰。当能量输入仅被导向引燃火焰时，那么该配置可以有利地稳定引燃火焰。稳定的引燃火焰还可随后改进主火焰的稳定。在第三配置中，当能量输入被导向弓I燃火焰和主火焰时，两个火焰还可以被直接稳定。
[0023]根据本发明的进一步的方面，呈现了控制用于燃气涡轮机的燃烧系统的方法。根据该方法，主燃料被旋流器注入到燃烧室的预燃烧部分的内体积中。旋流器设备被安装到从燃烧室的端部分沿着燃烧室的中心轴线延伸的预燃烧部分。
[0024]主燃料被点燃，使得主火焰被生成并在内体积以内燃烧。
[0025]引燃燃料(如果引燃器设备存在)由或通过引燃器设备被注入到预燃烧部分的内体积中，其中引燃器设备被安装到燃烧室的端部分。引燃燃料被点燃，使得引燃火焰被生成并在内体积以内燃烧。
[0026]通过从发光装置发射电磁辐射到内体积中从而生成向引燃火焰的能量输入，引燃火焰被稳定。
[0027]如已经指出的，该设计的进一步的实施例是稳定功能可以被导向主火焰。因而，激光被用来向主火焰提供能量输入。
[0028]燃烧室可以是环型的或者罐型的燃烧器。燃烧室可以是管状的并且可以具有圆柱形或椭圆形的截面。燃烧室包括主燃烧部分和预燃烧部分，旋流器设备被安装到预燃烧部分。沿着燃烧燃气在燃烧室的内体积以内的流动方向(该流动方向通常与中心轴线平行，或者在某些设计中流动方向倾斜于中心轴线)，预燃烧部分被定位在相对于主燃烧部分的上游。主火焰从预燃烧部分延伸到位于主燃烧部分的下游。引燃火焰(如果引燃器设备被安装)通常在预燃烧部分中燃烧并且可仅使得短的部分延伸到主燃烧部分中。引燃火焰被用来稳定主火焰。
[0029]燃烧室的中心轴线可以是燃烧室的并且特别是预燃烧部分的对称线。在另一个设计中，燃烧室的中心轴线可以与燃气涡轮机的中心线重合。在旋流器部分处，旋流器被安装到预燃烧部分并且围绕预燃烧部分中心轴线。
[0030]端部分是预燃烧部分的上游端部分并且形成燃烧室的上游端部分。特别地，端部分可以包括法线，其具有相对于预燃烧部分的中心轴线的平行分量。端部分可以被定义为引燃燃料进入(预)燃烧室处的部分。端部分可以例如由锥形燃烧室的尖端或者例如由圆柱形燃烧室的上游端形成。
[0031]端部分还可以是(预)燃烧室的端面并且形成燃烧室的上游端部分。
[0032]旋流器设备包括槽，由氧化剂/燃料混合物组成的主燃料通过该槽能够被多个旋流器流注入到预燃烧部分中。旋流器设备特别地可以是绕中心轴线围绕的径向旋流器。
[0033]流过旋流器的槽的主燃料的氧化剂/燃料混合物在相应的流以内进入到预燃烧部分中时通常相对于中心轴线被切线地引导。进而，氧化剂/燃料混合物在预燃烧室以内被引导，使得一个分量平行于预燃烧部分以内的中心轴线的轴线方向，直到氧化剂/燃料混合物进入燃烧室的主燃烧部分。主燃料的氧化剂/燃料混合物生成主火焰。
[0034]包括燃烧器面的引燃器设备可以被附接到接近旋流器设备的端部分。引燃器设备的引燃燃料注入器可以被布置到引燃器面以用于将引燃燃料注入到预燃烧部分中。引燃燃料通常沿着预燃烧室的中心轴线的轴向方向被注