专利名称：改进气流分布的低排放燃烧室的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃气轮机燃烧室，更具体地说，涉及提供改进燃烧稳定性及降低通 过燃烧系统产生压降的装置及方法。
背景技术：
在燃气轮机的燃烧系统中，燃料和压縮空气被混合在一起，点火产生热燃气体， 以驱动轮机产生推力，或驱动连接至用于产生电力的发电机的转轴。为能减少污染 水平，政府机构推出新规定，要求燃气轮机发动机减低排放水平，包括一氧化碳
(CO)和氧化氮(NOx)。依照这些新的排放要求，燃烧的普通类型是预混合燃烧，其 中燃料和压縮空气在引燃之前被混合在一起形成尽可能均质的混合物，然后燃烧 该混合物来产生低排放。燃烧之前预混合燃料及压缩空气在排放方面有其优点，也 有某些缺点，如燃烧不稳定，尤其是动态的燃烧过程。
为能在不使用催化剂情况下通过预混合燃烧达到尽可能低的排放量，则必须 向燃烧室提供贫燃混合物。然而，燃烧室中的燃料量越充足，火焰及燃烧过程就会 越稳定。因此,如果在空气定量情况下供给较小量的燃料可能会使贫燃混合物变得 更不稳定。因此，当贫燃混合物燃烧时，由于火焰不稳定有可能产生更大的压力脉 动。促成火焰不稳定的因素是空燃比，或者更进一步说，是与已知量的燃料混合的 空气量。进入燃烧室的空气量可能会改变，取决于空气如何被导向燃烧室入口。如 果气流不均衡，而且不能相对排除漩涡的话，进入燃烧室的空气量将会起波动，因 而改变空燃比，消极地影响燃烧稳定性。
例如一种现有技术的燃气轮机燃烧室，它使用预混合燃烧，其严重的气流漩涡 导致燃烧不稳定性以及较高的燃烧压降，图1为该燃烧室的截面图。燃气轮机燃烧 室10包括燃料喷射系统11,燃烧衬套12,转换管道13,第一外套筒14及第二外套 筒15。对于示于图1中的燃烧室，用于燃烧的空气(图中用箭头表示)通过设置在第 一外套筒14及第二外套筒15中的多个孔进入通常的环形通道16。在该现有技术
系统内，空气以不同的轴向位置以及不同的角度进入，包括通常地垂直于燃烧衬套
12的壁以及转换管道13的壁。因此，在通常的环形通道16中的气流会有一些漩涡, 或切向速度分量。就是该漩涡导致不均衡的气流分布到燃烧衬套12,并因在燃烧室 中引发空燃比波动而因此产生燃烧稳定性问题。为了尝试及非机械式减少漩涡，通 过调整通道16和第一外套筒14及第二外套筒15中的多个孔的尺寸，来得到通过 通常环形通道16产生的较大压降。通过燃烧室产生的额外压降会导致总体效率损 失，因较小的压力使整个燃烧过程及下游涡轮一起运作。
因此，有需要为燃气轮机提供这样一种燃烧系统，其燃烧室的几何结构能提供 一种方法显著减小切向速度，或减少漩涡，将空气导向燃烧入口，以此减少燃烧稳 定性问题，并减小通过燃烧室产生所需要的总压降。减小燃烧室压降将进而提高燃 烧室效率，提高下游轮机效率及降低运作成本。
发明内容
本发明提供一种增强燃烧稳定性及减小通过燃气轮机燃烧室产生的压降的燃 气轮机燃烧室的装置及方法。 一种燃气轮机燃烧室，包括导流套筒，燃烧衬套，至 少一个燃料喷嘴，以及固定到导流套筒上且径向地位于导流套筒和燃烧衬套之间 的多个叶片。这些叶片的作用是将气流大致轴向地机械式导入导流套筒和燃烧衬套 之间的区域，以致于可消除切向速度分量，藉此向燃烧室提供更均衡的气流并减小 压降量，单靠压降就可使气流变直。
本发明的目的是提供一种燃气轮机燃烧室，通过向燃烧室提供更均衡的气流 去改善燃烧稳定性。
本发明的另一目的是提供一种燃气轮机燃烧室，其通过向燃烧室提供比现有 技术更高压力的气流来减小通过燃烧室产生的压降。
根据这些及其他的目的(在下文中将会更明显)，现在参照附图对本发明加以详 细描述。
图1是依照现有技术的燃气轮机燃烧室的截面图。
图2是依照本发明优选实施例的燃气轮机燃烧室的截面图。
图3是依照本发明优选实施例的燃气轮机燃烧室一个部分的详细截面图。
图4是依照本发明优选实施例的燃气轮机燃烧室部分截面的端视图。
具体实施例方式
下面将参照图2至图4详细描述本发明的优选实施例。参见图2，图中以截面 方式示出一部分燃气轮机发动机20。在该优选实施例中，有多个燃气轮机燃烧室 21安装到燃气轮机发动机20上，图2中只示出其中一个燃气轮机燃烧室。燃烧室 21包括导流套筒22,该套筒具有第一端23,第二端24，以及贴近第二端24设置的 多个第一孔25。按照本优选实施例，多个第一孔25围绕导流套筒22以圆周排列 方式轴向间隔开，如图4所示，这些第一孔25每一个的直径较佳地最大为2.00英 寸。燃烧衬套26径向地设置在导流套筒22内，从而在燃烧衬套26和导流套筒22 之间形成第一通道27。至少一个燃料喷嘴28设置在燃烧衬套26前端，用于喷射燃 料与燃烧衬套26中的空气混合。本发明该优选实施例使用多个燃料喷嘴28，且每 个燃料喷嘴都固定到端盖29上，该端盖为每个燃料喷嘴28供应燃料。
导流套筒22的另一特征是多个叶片(vanes)30,这些叶片固定到导流套筒22上 接近多个第一孔25处。这些叶片30朝向燃烧衬套26径向向内延伸到第一通道27 内。叶片30的数量最好与第一孔25的数量相等，如图4所示。此外，这些叶片沿 着导流套筒22轴向地定向，以使它们每一个都能在空气通过多个第一孔25进入第 一通道27时有效地消除切向速度分量，或漩涡。因此，这些叶片30的作用是大致 轴向地将空气导向导流套筒的第一端23。图4清楚地示出，这些叶片30最好是围 绕导流套筒22沿圆周等距离隔开。此外，每个叶片30具有轴向长度L(见图3)，第 一壁31和第二壁32(见图4),藉此形成叶片厚度T,第一壁31和第二壁32各自的 一边相对导流套筒22终止。调整这些叶片的尺寸能有效消除进入第一通道27的气 流中的漩涡。因此，轴向长度L及厚度T将会随个别燃烧室设计及气流特征而有所 变化。为防止第一通道27中额外的压力损耗，叶片边缘最好呈圆形。此外，需要特 别注意，为了使气流的漩涡减到的最小，最好使这些叶片朝向燃烧衬套26延伸，但 需保留一定距离，以使叶片边缘在任何情况下都不会接触到燃烧衬套26。这些叶片 30与燃烧衬套26偶然接触可能导致这些叶片30和燃烧衬套26都有磨损及应力。 本优选实施例中，叶片边缘与燃烧衬套26之间的径向距离最多为0.350英寸，确保 在任何操作情况下保持有最低限度的间隙。
除了上述的装置外，本发明还涉及一种减小通过燃气轮机燃烧室产生的压降 的方法，该方法结合了本发明的燃烧装置。 一种减小通过燃气轮机燃烧室产生的压 降的方法包括以下步骤提供燃气轮机燃烧室21,该燃烧室包括导流套筒22,其具 有第一端23，第二端24,以及贴近第二端24设置的多个第一孔25。燃烧室21还
包括径向地设置在导流套筒22中的燃烧衬套26，由此在导流套筒22和燃烧衬套 26之间形成第一通道27,以及至少一个用于喷射燃料与燃烧衬套中的空气混合的 燃料喷嘴28。此外，燃烧室21包括多个叶片30,这些叶片固定到导流套筒22上接 近多个第一孔25处，并朝向燃烧衬套26径向向内延伸到第一通道27内。接着，将 压縮气流导向通过多个第一孔25,进入第一通道27以及所述多个叶片30之间。这 些叶片30使气流变直，从而有效地消除来自压縮气流的切向速度分量，然后以更 均衡模式将气流大致轴向地导向导流套筒第一端23。这样，所述多个第一孔25及 多个叶片30机械地使通过的气流变直，从而减小自导流套筒第二端24至导流套筒 第一端23通过燃烧室产生的压降。通过导流套筒22和第一通道27产生的较低压 降致使高压空气供给燃烧室。因此提高了燃烧效率，使得轮机的工效更高。
本发明以目前所知为优选实施例的方式作出描述，应该理解，本发明并不限于 所透露的实施例，正好相反，本发明有意在权利要求的范围内覆盖不同的变型及等 同方案。
权利要求
1.一种具有增强燃烧稳定性的燃气轮机燃烧室，所述燃烧室包括导流套筒，所述导流套筒具有第一端，第二端，以及贴近所述第二端设置的多个第一孔；燃烧衬套，所述燃烧衬套径向地设置在所述导流套筒内，由此在所述燃烧衬套和所述导流套筒之间形成第一通道；至少一个燃料喷嘴，用于喷射燃料以与所述燃烧衬套中的空气混合；以及多个叶片，所述叶片固定到所述导流套筒上接近所述多个第一孔处，且所述叶片朝向所述燃烧衬套径向向内延伸到所述第一通道内，使得所述多个叶片有效地消除通过所述多个第一孔进入所述第一通道的空气的切向速度分量，以将所述空气大致轴向地导向所述导流套筒第一端。
2. 如权利要求l所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述多个叶片围绕所述 导流套筒沿圆周等距离隔开。
3. 如权利要求1所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述多个叶片具有轴向 长度，第一壁和第二壁，由此形成叶片厚度，所述第一壁和第二壁的一边相对所述 导流套筒终止。
4. 如权利要求3所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述叶片的边缘是圆形的。
5. 如权利要求3所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述叶片边缘与所述燃 烧衬套保持隔开一径向距离。
6. 如权利要求5所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述径向距离达0.350 英寸。
7. 如权利要求l所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述多个第一孔围绕所 述导流套筒以圆周排列方式轴向隔开。
8. 如权利要求7所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述多个叶片的数量等 于每个所述圆周排列中的所述多个第一孔的数量。
9. 如权利要求7所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述多个第一孔的直径 达2.00英寸。
10. —种减小通过燃气轮机燃烧室产生的压降的方法，所述方法包括以下 步骤提供燃气轮机燃烧室，所述燃烧室包括导流套筒，所述导流套筒具有第一端, 第二端，以及贴近所述第二端设置的多个第一孔；燃烧衬套，所述燃烧衬套径向地 设置在所述导流套筒中，由此在两者之间形成第一通道；至少一个燃料喷嘴，用于 喷射燃料以与所述燃烧衬套中的空气混合；以及多个叶片，所述叶片固定到所述导 流套筒上接近所述多个第一孔处并朝向所述燃烧衬套径向向内延伸到所述第一通 道内；使压縮气流导向通过所述多个第一 L,进入所述第一通道以及所述多个叶片 之间；通过所述多个叶片使所述压縮气流变直，以有效地消除来自所述压縮气流的 切向速度分量，然后使所述压縮气流大致轴向地导向所述导流套筒第一端；其中， 通过所述多个叶片机械地使所述压縮气流变直，减小自所述导流套筒第二端至所 述导流套筒第一端通过所述燃烧室产生的压降。
11. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述多个叶片围绕所述导流 套筒沿圆周等距离隔开。
12. 如权利要求IO所述的方法，其特征在于，所述叶片具有轴向长度，第一 壁和第二壁，由此形成叶片厚度，所述第一壁和第二壁的一边相对所述导流套筒终 止。
13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述叶片边缘是圆形的。
14. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述叶片边缘与所述燃烧衬 套保持隔开一径向距离。
15. 如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述径向距离达0.350英寸。
16. —种具有更均衡的圆周气流分布的燃气轮机燃烧室，所述燃烧室包括 导流套筒，所述导流套筒具有第一端，第二端，以及贴近所述第二端设置的多个第一孔；燃烧衬套，所述燃烧衬套径向地设置在所述导流套筒内，由此在所述燃烧衬套 和所述导流套筒之间形成第一通道；至少一个燃料喷嘴，用于喷射燃料以与所述燃烧衬套中的空气混合；以及 多个叶片，所述叶片固定到所述导流套筒上接近所述多个第一孔处，并朝向所 述燃烧衬套径向向内延伸到所述第一通道内，与所述燃烧衬套保持一径向距离，使 得所述多个叶片有效地消除通过所述多个第一孔进入所述第一通道的空气的切向 速度分量，由此将所述空气大致轴向地导向所述导流套筒第一端，以向所述燃烧室 沿圆周提供更均衡的气流模式。
17. 如权利要求16所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述多个叶片围 绕所述导流套筒沿圆周等距离隔开。
18. 如权利要求17所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述叶片具有轴向长度，第一壁和第二壁，由此形成叶片厚度，所述第一壁和第二壁的一边相对所 述导流套筒终止。
19. 如权利要求18所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述叶片的边缘 是圆形的。
20. 如权利要求16所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述径向距离达 0.350英寸。
全文摘要
本发明公开了一种提供增强燃烧稳定性和减小通过燃气轮机燃烧室产生的压降的燃气轮机燃烧室的装置及方法。多个叶片固定到导流套筒上并径向地位于该导流套筒和燃烧衬套之间。这些叶片的作用是将气流大致轴向地导入导流套筒和燃烧衬套之间的区域，以致于可消除切向速度分量，藉此向燃烧室提供更均衡的气流并减小压降量，单靠压降就可使气流变直。
文档编号F02C1/00GK101351633SQ200680050137
公开日2009年1月21日 申请日期2006年10月19日 优先权日2005年10月28日
发明者V·C·马特灵, 肖振华 申请人:动力体系制造有限公司