用于燃烧稳定性的辅助激光点火的制作方法_2

文档序号:9354855阅读:来源:国知局
入。进而,燃烧器面可以特别地位于预燃烧部分的端部分以内。
[0035]引燃(如果引燃器设备被安装)被用于控制在其中燃烧主燃料的主火焰。注入的引燃燃料生成通常在预燃烧部分以内的预定义的火焰形状。主燃料流经由旋流器相对于燃烧器的中心轴线在大致切线方向上被引导进入燃烧器。注入的主燃料流和引燃燃料流可以包括液体燃料或者气体燃料。主燃料和引燃燃料在被注入之后大致沿着主燃烧部分的中心轴线流进预燃烧部分。主燃料和引燃燃料还可以相对于中心轴线略微倾斜地流动。引燃燃料在预燃烧部分中被点燃以形成引燃火焰。引燃火焰点燃主燃料以用于形成主火焰。
[0036]氧化剂例如可以是空气或者压缩空气。被旋流器或者引燃器注入的燃料可以是气态的(即燃料气体)或者液态的(即液态燃料)。主燃料可以是贫燃的氧化剂/燃料混合物。引燃燃料可以是富燃的氧化剂/燃料混合物。可替代地,引燃器可以包括分开的燃料注入器和空气注入器,使得引燃燃料是纯燃料并且氧化剂被空气注入器单独地注入。
[0037]为了减少排放,主燃料包括非常贫燃的燃料/氧化剂混合物。因此,温度和氮氧化物(NOx)和/或一氧化碳(CO)可以被减少。然而,主燃料的贫燃的混合物导致主火焰不稳定并且可导致不期望的火焰动态,即压力波动。作为第一选项,主火焰根据本发明通过使用发光装置被稳定,该发光装置例如是被引导到主火焰中的激光。作为第二选项,引燃火焰被生成以便于稳定主火焰。两个选项还可以被结合或者被独立实施。引燃燃料可以混合有氧化剂,使得富燃的引燃燃料混合物被生成。这导致富燃(大多或所有氧在燃烧期间在引燃火焰中被消耗)。因此,引燃火焰是稳定的,使得如果主火焰被熄灭或者几乎熄灭,主火焰可以被稳定的引燃火焰重新点燃。因此,实现了在燃烧室中的稳定的燃烧过程。
[0038]引燃燃料的富燃的燃料空气混合物也导致燃烧室的更高的排放。因此,目的还在于减少富燃的引燃燃料空气混合物而不生成在燃烧室中不稳定的燃烧过程。因此,通过本发明,发光装置被布置到燃烧室并且尤其被布置到预燃烧部分。发光装置发射电磁辐射到燃烧室的内体积中,并且当现在集中在之前提及的第二选项时,具体而言发射到引燃火焰的区域中,使得发光装置向引燃火焰提供能量输入。如果引导到燃烧的初始阶段,那么来自激光的能量被施加到进入的空气,具体而言被施加到氧。空气的能量水平的该增大增加了在反应的早期阶部分中化学成分OH的产出,而通常在该区域中OH的产出是缺乏的。燃烧的速率被在燃烧的早期阶段中的OH产出标称地设定,因此通过在该方法中增加其产出,燃烧的速度可以被增大。这导致增大的稳定性。
[0039]发光装置可以被适配为发射至少一个发光辐射束。具体而言,发光装置可以是激光装置,其被适配为发射被引导到引燃和/或主火焰中以用于将能量施加到引燃和/或主火焰中的至少一个激光束或束的阵列。发光装置可以发射发光辐射束,特别是激光束,其中波长在大约300nm至大约1500nm之间。
[0040]因此,通过电磁辐射,能量被施加到引燃燃料空气混合物和引燃火焰中,使得燃料和氧气的反应性被增大,从而获得更稳定的引燃火焰。特别地,电磁辐射的能量被施加到引燃火焰的空气中的氮。氮激发空气中的氧并且因而增大氧的反应性。这增大了与燃料的反应性,从而获得更稳定的弓I燃火焰。而且,在燃料与氧之间的燃烧的速度也在预燃烧部分的燃烧的早期阶段中被增大。电磁辐射可以被聚焦在引燃火焰的区域中,使得氧以及特别是空气也被施加有能量,从而氧与燃料的反应性也被增大。相同的原理也可以被应用到主火焰,使得激光控制被用来稳定主火焰而不是引燃火焰。这可能形成基于测量到的燃烧参数增大或减小能量输入以提供更多或更少的所需的稳定以维持主火焰的稳定性的主动控制系统的部分。
[0041]具体而言,通过本发明的实施例的本方法,电磁辐射被聚焦在引燃火焰的区域中。因此,引燃燃料空气混合物的燃料部分(即引燃燃料/氧化剂混合物)可以被提供为较不富裕并因此更贫乏,因为即使利用较不富燃的引燃燃料混合物电磁辐射也保持稳定引燃火焰。因此,较不富燃的引燃燃料混合物导致排放减少而不会使得引燃火焰不稳定。
[0042]进而,因为电磁辐射可以被聚焦在引燃火焰中,能量输入可以被集中到引燃火焰,使得能量输入的无效率的扩散被减少。因此,通过将电磁辐射聚焦到引燃火焰,发光装置本身的能量结合也可以被减小。
[0043]总之,以上所述的发光装置的使用导致在燃烧室以内稳定的燃烧过程并具有减少的排放,其中用于发光装置的能量消耗也被减少。因此提供了具有减少的排放的非常有效的燃烧系统。
[0044]根据本发明进一步的示例性实施例,燃烧室包括透明部分,其中发光装置被布置在燃烧室以外,使得发光装置的电磁辐射能够通过该透明部分被发射到内体积中,特别是被发射到引燃火焰中。因此,透明部分以这样的方式被形成:电磁辐射的波长可穿过透明部分而几乎不减小电磁辐射的能量。如果发光装置被安装到内体积以外,由于内体积中的热环境导致的损耗和污染可以被避免。因此,发光装置的寿命以及服务间隔被减少。
[0045]根据进一步的示例性实施例,发光装置被安装到预燃烧部分。特别地,发光装置可以被布置为使得电磁辐射能够通过端部分被发射到内体积中,但不排他地被限制为燃烧器的端部分。引燃火焰通常从端部分沿着下游方向并且特别地沿着中心轴线延伸。引燃燃料可以相对于中心轴线平行或倾斜地流动。因此,如果电磁辐射通过端部分被发射到内体积中,电磁辐射几乎排他地通过引燃火焰,使得电磁辐射的能量能够非常有效率地被施加到引燃火焰中。特别地,发光装置可以被安装到引燃器设备,或者经由其它适当的器件被安装到引燃器设备。
[0046]根据进一步的示例性实施例,发光装置包括光纤和被耦合到该光纤的光纤出口组件。该光纤出口组件被安装到燃烧室,使得例如为激光束的发光辐射束能够从光纤出口组件被发射到内体积中。
[0047]光纤出口组件可以将离开光纤的光转换成被聚焦到引燃火焰中的电磁辐射束。发光装置的光纤出口组件可以被安装到引燃器设备。光纤连接光纤出口组件与诸如发光源之类的发光源,其可以被布置为与燃烧室间隔开。
[0048]因此,在示例性实施例中,发光装置进一步包括例如为激光源的发光源,其被布置为与燃烧室间隔开,其中发光源被适配用于发射例如为激光束的电磁辐射到光纤中。因此,如果发光源被布置为与燃烧室间隔开,包括灵敏的技术装备的发光源并不被暴露于燃烧室中的燃烧过程的热温度。因此,发光装置的寿命以及特别是发光源的寿命可以被增加。
[0049]根据进一步的示例性实施例,发光装置包括多个激光发射器以用于发射多个电磁辐射束。
[0050]根据进一步的示例性实施例,发光装置包括控制单元以用于控制电磁辐射的至少一个参数。该参数可以是电磁辐射的强度、电磁辐射的聚焦、多个电磁辐射束的图样和/或(例如,脉冲的)电磁辐射束的时变。电磁辐射可以被连续地或者脉冲地发射。
[0051]因此,通过控制设备,电磁辐射的能量输入可以被非常有效率地控制。例如,在燃气涡轮机的最大功率下,主燃料和引燃燃料的巨大量被注入到燃烧室中以用于生成最大的功率。在工作条件下,主火焰非常稳定,使得需要较少由发光装置的能量输入以用于稳定主火焰。因此,电磁辐射的例如强度、焦距或时变性可以被控制设备简单地控制。因此,发光装置和总燃烧系统可以被非常节能以及非常有效率地操作。
[0052]根据进一步的示例性实施例,发光装置包括光学成像设备。该光学成像设备以下面的方式被布置:电磁辐射包括将发射的光聚焦在内体积以内的主火焰和/或引燃火焰的聚焦部分。因此,例如在引燃火焰和发光源之间的区域中,电磁辐射挡在引燃火焰处时可以被较少地聚焦并且处于更分散的状况,电磁辐射被光学成像设备聚焦,使得在感兴趣的点处即在引燃火焰处的能量输入被增大。因此,通过使用光学成像设备,电磁辐射可以被更有效率地引导到引燃火焰。相同的配置还可以被用于主火焰。因此,光学成像设备例如可以包括一个或多个透镜。
[0053]通过本发明,与传统方法相比较,引燃燃料混合物可以被提供为
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