专利名称：用于降低燃烧动态特性的方法和系统的制作方法
技术领域：
本文所7〉开的主题涉及燃气涡轮发动机，且更具体地涉及
用于降低燃烧动态特性的方法和系统。
背景技术：
燃气涡轮机传统上使用扩散焰燃烧室，这是因为其具有性 能可靠且稳定性合理的特点。然而，由于在燃烧期间伴随有高温，所 以这类燃烧室可产生水平高到无法接受的称为NOx的氮氧化物污染。 由于污染物排放法规日益严格，故工业发电厂商已经开始致力于低排 放技术，并且目前许多新型发电站在使用低排放的燃气涡轮发动机。 这些燃气涡轮机通过使用贫燃料预混(LPM)燃烧来实现低NOx排放。 在这些系统中，燃料(通常为天然气)在燃烧前与较高比例的空气混合。 存在于燃烧室中的过量空气，其热质吸收在燃烧期间产生的热，^v而 将温升限制在不形成热NOx的水平上。尽管已经证实贫燃料预混燃烧可显著降低NOx的排放量， 但LPM燃烧可遭受因在该工作范围的燃料流的贫燃料特性所引起的 燃烧不稳定性。该现象也称为燃烧动态特性。利用贫预混燃料，燃烧火焰在接近没有足够燃料来保持燃 烧的情况下燃烧，并且发生类似于闪烁火焰的现象，从而引起压力波 动。这些压力波动激发燃烧室的声学模态，引起大振幅的压力振荡。 产生的振荡向上游传播到燃料喷嘴中，并且引起整个燃料喷射器的振 荡压力的下降。这可导致将燃料振荡地输送到燃烧室中。当4^荡的燃 料-空气混合物在燃烧室中燃烧时，火焰面积发生波动，从而引起放热 振荡。潜在的自激式反馈环可取决于这些放热振荡和声波的相对定相而产生，从而引起振幅随时间增长的振荡。这些振荡通常以离散频率 发生，该离散频率与燃烧室的自然声学模态及其高次谐波相关。这种由燃烧引发的不稳定性对燃烧室的系统性能和工作寿 命具有不良影响。振荡及其引起的结构振动可对燃烧室壁产生侵蚀和 磨损，从而降低高周疲劳寿命并影响总体性能。因此，就存在对提供降低燃烧动态特性的方法和系统的需
求。还存在对同时降低燃料成分敏感度的需求。
发明内容
本发明的实施例可解决上述需求中的一些或全部。本发明根据本发明的一个示例性实施例，提供了一种用于燃气涡 轮发动机的燃烧室。该燃烧室至少包括第一预混器和第二预混器。各 预混器均可包括至少一个燃料喷射器、至少一个进气管，以及用于至 少部分地将来自 一个或多个进气管的空气与来自 一个或多个燃料喷 射器的燃料相混合的至少一个叶片组件。根据该示例性实施例，各叶 片组件均可包括多个燃料喷孔，至少一部分燃料和至少一部分空气可 穿过这些燃料喷孔。同样根据该示例性实施例，第一预混器的一个或 多个叶片组件可位于第一轴向位置处，而第二预混器的一个或多个叶 片组件可位于相对于第一轴向位置成轴向交错的第二轴向位置处。根据本发明的另 一个示例性实施例，提供了 一种用于在燃 烧室中燃烧燃料的方法。该示例性方法包括在第一预混器中混合燃 料和空气，该第一预混器包括至少一个燃料喷射器、至少一个进气管， 以及位于第一轴向位置处的至少一个叶片组件；以及在第二预混器中 混合燃料和空气，该第二预混器包括至少一个燃料喷射器、至少一个 进气管，以及位于相对于第一轴向位置成轴向交错的第二轴向位置处 的至少一个叶片组件。该示例性方法还包括将来自第一预混器和第 二预混器的混合的燃料和空气排到燃烧室中，以及在燃烧室中燃烧来自第 一预混器和第二预混器中的混合的燃料和空气的至少 一部分。根据又一个示例性实施例，提供了 一种燃气涡轮发动机。 该燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧室，以及与燃烧室相关联的至少 第一预混器和第二预混器。才艮据该示例性系统，各预混器均可包括至 少一个燃料喷射器、至少一个进气管，以及用于至少部分地将来自一 个或多个进气管的空气与来自 一个或多个燃料喷射器的燃料相混合 的至少一个叶片组件。同样根据该示例性系统，各叶片均可包括多个 燃料喷孔，至少一部分燃料和至少一部分空气可穿过该燃料喷孔。在 该示例性系统中，第一预混器的一个或多个叶片组件可在第一预混器 内位于第一轴向位置处，而第二预混器的一个或多个叶片组件可位于 在第二预混器内相对于第一轴向位置成轴向交错的第二轴向位置处。参照下列描述并结合下列附图，本发明的其它实施例和方 面将变得清楚。
就此已大体上描述了本发明的实施例，现在将参照附图， 其不必按比例绘制，并且在附图中图1为根据本发明一个实施例的示例性燃气涡轮发动机的 一部分的简图；图2为根据本发明一个实施例的示例性燃气涡轮发动机的 一部分的截面图；图3为根据本发明一个实施例的示例性燃气涡轮发动机的 一部分的截面图；图4为示出根据本发明一个实施例的示例性燃料燃烧过程 的流程图。
零件清单
100-燃气涡轮发动机102-压缩枳j
104-燃烧室
106-涡轮
108-外部轴
110a-第一预混器
110b-第二预混器
112a-第 一预混器的进气管
112b-第二预混器的进气管
114a-第 一预混器的排气口
114b-第二预混器的排气口
116a-第 一预混器中涡漩的燃料-空气混合物
116b-第二预混器中涡漩的燃料-空气混合物
118a-第 一预混器中的燃料喷射器
118b-第二预混器中的燃料喷射器
120a-第 一预混器中的燃料空气混合物
120b-第二预混器中的燃料空气混合物
122a-第一叶片组件
122b-第二叶片组件
124a-第一预混器的燃料喷孔
124b-第二预混器的燃料喷孔
202a-第一预混器
202b-第二预混器
202c-第三预混器
204a-燃料喷孔
204b-燃料喷孔
204c-燃料喷孔
206a-第一叶片组件
206b-第二叶片组件206c-第三叶片组件
208a-扩散顶端
208b-扩散顶端
208c-扩散顶端
210a-中心体
210b-中心体
210c-中心体
212-火焰前缘
214a-压力振荡
214b-压力振荡
214c-压力振荡
216a-燃料浓度波
216b-燃料浓度波
216c-燃考+浓度波
302a-第一预混器
302b-第二预混器
302c-第三预混器
304c-第三预混器的燃料喷孔
306a-第一叶片组件
306b-第二叶片组件
306c-第三叶片组件
308a-扩散顶端
308b-扩散顶端
308c-扩散顶端
310a曙中心体
310b-中心体
310c冲心体
312-火焰前*彖314a-压力振荡
314b-压力振荡
314c-压力振荡
316a-燃申卜浓度波
316b-燃料浓度波
316c-燃料浓度波
400-在燃烧室104中燃烧燃料空气混合物的方法 402-方法400的步骤1 404-方法400的步骤2 406-方法400的步骤3 408-方法400的步骤具体实施例方式现在，将在下文中参照附图对本发明的示例性实施例进行 更为充分的描述，在附图中示出了一些但并非全部的实施例。实际上， 本发明可以许多不同的形式来实施，而不应当理解成仅限于本文所阐 述的实施例；相反而言，所提供的这些实施例是为了让本公开内容满 足适用的法定要求。相似的标号表示所有相似的元件。图1为根据本发明一个实施例的示例性燃气涡轮发动枳j 100的一部分的简图。燃气涡轮发动机100可包括低NOx燃烧室104。 发动机100还可包括压缩机102，其与低NOx燃烧室104和涡轮106 串行流动连通。涡轮106可通过轴108而联:4矣到压缩机102上。轴108 可延伸为用以通过涡轮106向外部负载(图中未示出)提供动力。在一 个实施例中，在燃气涡轮发动机100的典型工作期间，压缩机102可 压缩进入的气流，并引导气流穿过多个预混器110a和110b中的至少 一个而进入低NOx燃烧室104。在本发明的一个实施例中，发动机100包括第一预混器 110a和第二预混器110b;尽管在其它实施例中，可包括任意数量的预混器。预混器110a和110b中的每一个均可为管形，并且包括进气 管112a和112b，其分别位于上游端用于接收来自压縮机102的压缩 空气；以及排气管114a和114b,其分别位于相对的下游端，将涡'旋 的燃料-空气混合物116a和116b排到燃烧室104中。各预混器110a 和110b均可分别包括至少一个燃料喷射器118a和118b,用于将燃料 如合成气或天然气喷入预混器中。预混器110a和110b中的每一个还 均可包括至少 一个叶片组件，例如第 一叶片组件122a和第二叶片组件 122b，其包括围绕预混器110a和110b的轴线而周向设置的多个隔开 的叶片(图中未示出)。各叶片均可具有形成在其中的多个燃料喷孔 120a和120b。第一叶片组件122a和第二叶片组件122b向燃料-空气 混合物提供涡旋以产生凝流116a和116b，其然后进给到燃烧室104 以产生燃烧火焰。燃料喷孔120a和120b改善了预混器110a和110b 内来自燃料喷射器118a和118b的燃料的周向分布，并且促进了燃料 与空气的均匀混合。认识到的是，尽管本文所描述以及图1中所示出 的预混器仅为两个，但其它示例性实施例可包括任意数量的预混器。通常，燃料喷射器118a和118b可使用燃料储存器、管道、 阔以及泵来用于引导燃料分别穿过燃料喷孔120a和120b而进入预混 器110a和110b。在本发明的实施例中，所使用的燃料可为受引导而 进入预混器110a和110b的气体燃料。在各种燃气涡轮发动机100中，例如低NOx发动机，在燃 烧室104中的燃烧火焰可取决于火焰动态特性而以不同的振荡频率进 行燃烧。如果这些放热振荡频率中的任何一种与燃烧室104的基本频 率或其任意的高次谐波相匹配，则燃烧室104中可发生高振幅的压力 振荡。这些压力振荡可从燃烧室104向上游传播进入各预混器110a 和110b。而这样的压力振荡传播也可在燃料喷孔附近引起振荡。振荡 可导致从燃料喷孔120a和120b排出的燃料质量流率的波动，从而在 燃料-空气混合物中引起波动干扰。然后，这种千扰可以燃料浓度波向 下游传播并进入火焰燃烧区域。如果由这些燃料浓度波所引起的放热振荡与存在于燃烧室104中的高振幅压力振荡同相，则可产生自激式 反馈环，从而引起燃烧动态特性。当出现燃烧动态特性时，系统遵守 瑞利判据，其中，当热量增加和压力振荡与时间成正相关时，净能将
加到空间点中的声场上。因此，压力振荡的振幅随时间增长，并且系 统可变得不稳定。然而，如果压力振荡与热振荡间存在180° (TT弧度) 的相位差并且发生了破坏性干涉，则破坏了瑞利判据，压力振荡将会 衰减且从而抑制了燃烧动态特性。在本发明的一个实施例中，瑞利判据可用于通过在燃烧室 104中的放热振荡与压力振荡之间产生破坏性干涉来使声场衰减。图2为才艮据本发明一个实施例的包括三个预混器的示例性 燃气涡轮发动4几IOO的一部分的截面图；尽管在其它实施例中可包括 任意数量的预混器。第一预混器、第二预混器，以及第三预混器在下 文中分别称为预混器A202a、预混器B202b，以及预混器C202c。各 预混器202a，202b和202c均可包括至少一个叶片组件。在示例性实施 例中，第一叶片组件、第二叶片组件以及第三叶片组件分别包含在预 混器202a,202b和202c内。第一叶片组件、第二叶片组件以及第三叶 片组件可分别称为叶片组件A 206a、叶片组件B 206b以及叶片组件C 206c。各叶片组件206a,206b和206c可包含一个或多个叶片，其中， 各叶片均可分别包含一个或多个燃;阡喷孔204a，204b和204c，用于将 燃料引入空气流中。在本发明的一个实施例中，预混器202a,202b和 202c还可分别包括-位于或接近各预混器202a,202b和202c的中心体 210a,210b和210c的远端部分处的扩散顶端208a，208b和208c。在本发明的一个示范性实施例中，参照图2中的预混器A 202a和预混器B 202b，燃气涡轮发动才凡100可包括叶片组件位置交错 的至少两个预混器。预混器A 202a的叶片组件A 206a可位于从火焰 前缘212向上游为距离Li的第一轴向位置处。同样而言，预混器B202b 的叶片组件B 206b可位于距火焰前缘212为第二轴向距离L2处。" 可等于或不等于L2。然而，在图2中所示出的示范性实施例中，L不等于L2, >火而导致叶片组件A 206a的第一轴向位置相对于叶片组 件B 206b的第二轴向位置成轴向交4晉。叶片组件206a和206b的这种 交错布置可至少部分地用来减弱燃烧室104中的燃烧动态特性。认识 到的是，在本发明的其它实施例中，其它叶片组件可类似地以一个或 多个彼此相距的相对距离而轴向交错。在燃烧室104中可作为燃烧室104的放热振荡与声频之间 耦合的结果而出现的高振幅压力振荡214a，从火焰前缘212向上游传 播，并在一定的时间延迟后到达预混器A 202a的燃料喷孔204a。该 第一时间延迟可表示为
<formula>formula see original document page 13</formula>
其中，c为声速，而v为在各预混器202a和202b中的气流的平 均速度。然后，在预混器A 202a的燃料喷孔204a处产生的第一燃料 浓度波(以下称为燃料浓度波216a)向下游传播，并在另一时间延迟后 到达火焰前缘212。该另一时间延迟可表示为
<formula>formula see original document page 13</formula>
因此，总的时间延迟可表示为
<formula>formula see original document page 13</formula>同样而言，向上游传播进入预混器B 202b的压力振荡214b 产生在总的时间延迟后到达火焰前缘212的第二燃料浓度波(以下称 为燃料浓度波216b)，该总时间延迟表示为
<formula>formula see original document page 13</formula>
该时间延迟表现为由燃料浓度波216a和216b所引起的放热振荡 的相位变化。该相位变化至少部分地分别取决于参数和L2,其由 叶片组件206a和206b的轴向交错所引起。因此，可选择1^与L2之间的轴向间距，由此使得在预混器A 202a中产生的燃料浓度波216a 和在预混器B 202b中产生的燃料浓度波216b可在其之间具有大约 180° (tt弧度)的相位差。可想象到的是，这可导致各种燃料源相互抵 消，以便从预混器202a和202b维持恒定的燃料浓度。然而，通过实验已发现，在一些实施例中，叶片组件206a 和206b之间的轴向间距并非可任意地设定。该选择可限于可接受的 值域内，这取决于两个考虑因素预混器202a和202b中的逆燃性能
和排放性能。与L2之间的轴向间距可选择为以便可分别使预混器
202a和202b中的燃料浓度波216a和216b的驻留时间长不足以引起 自动点火温度且由此导致逆燃。此外，燃料-空气混合物的适当混合取 决于凝流动态特性，而漩流动态特性又耳又决于叶片组件206a和206b 与火焰前缘212之间的距离。燃料和空气之间的不充分混合可在燃烧 室104中导致不理想的排放性能。因此，所示出的实施例可根据所使 用的燃料的工作条件和性质，借助破坏性干涉而至少部分地减弱燃料 浓度波216a和216b。根据本发明的另一个示范性实施例，参照图2中的预混器 A 202a和预混器C 202c,示例性燃气涡^^发动4几100可包括至少两个 预混器，其通过使扩散顶端位置交^l晉而减弱燃烧动态特性，同时又改 善燃料灵活性。在该示例性实施例中，预混器A 202a的扩散顶端208a 可设置在距火焰前缘212为轴向距离处，而预混器C 202c的扩散 顶端208c可设置在距火焰前缘212为轴向距离02处，使得不等于 D2。因此，扩散顶端208a和208c的位置可相对于彼此成轴向交错。 扩散顶端可形成为平圆盘或其它表面，以用于提供声反射。在示例性 实施例中，扩散顶端还可具有燃料喷孔(图中未示出)，用于在低工作 负载条件期间保持火焰。此外，如图2所示，在一个示例性实施例中， 预混器A 202a的叶片组件A 206a和预混器C 202c的叶片组件C 206c 可在同一平面中轴向对齐一位于距火焰前缘212为轴向距离Li处。然 而，如上文所述，在其它示例性实施例中，叶片组件的位置还可为相对于彼此成轴向交错，例如，由叶片组件A 206a和叶片组件B 206b 的相对轴向位置所示。轴向交错的扩散顶端分别引起与来自扩散顶端208a和208c 的压力振荡214a和214c的反射相关的时间延迟，以在反射的压力振 荡中产生相位差，该反射的压力振荡于是经受与燃烧室104中的压力 振荡214a和214c的干涉。此外，才艮据该示例性实施例,分别在预混 器202a和202c中产生的燃料浓度波216a和216c可彼此部分地减弱， 同时产生具有相位差的放热振荡，该;改热振荡经受与燃烧室104中的 压力振荡214a和214b的千涉。然而，在一些实施例中，交错的扩散 顶端208a和208c可影响流体的旋流动态特性，由此对扩散顶端之间 的相对间距进行选择，以提供对燃料-空气混合物的可接受混合。在本发明的又一个实施例中，参照图2中的预混器B 202b 和预混器C202c，燃气涡l仑发动机IOO可包括至少两个预混器，以通 过使叶片组件位置和扩散顶端位置交错来减弱燃烧室104中的燃烧动 态特性。预混器B 202b的叶片组件B 206b可位于距火焰前缘212为 距离L2的第一轴向位置处，而预混器C 202c的叶片組件C 206c可位 于距火焰前缘212为距离b的第二轴向位置处，使得不等于L2。 在该示例性实施例中，叶片组件204b和204c相对于彼此成轴向交错。 与前述实施例相似，预混器B 202b的扩散顶端208b可定位在距火焰 前缘212为轴向距离处，而预混器C 202c的扩散顶端208c可定位 在距火焰前缘212为轴向距离D2处，使得Di不等于D2。因此，扩散 顶端208b和208c也相对于^1此成轴向交^"。在具有交4普的叶片组件 和扩散顶端的该实施例中，控制燃烧室104中的压力振荡214b和214c 与燃料浓度波216b和216c之间的相对定相的参数为叶片组件与扩散 顶端之间的相对交错距离。在本发明的另一个示例性实施例中，参照图2中的预混器 A 202a和预混器B 202b,燃气涡轮发动机100可包括至少两个预混器， 其具有交错的叶片组件位置和交错的燃料喷孔位置。在该实施例中，如前文所述，预混器A 202a的叶片组件206a可定位在距火焰前缘212 为轴向距离Li处，而预混器B 202b的叶片组件206b可定位在距火焰 前缘212为轴向距离L2处，使得Li不等于L2。因此，叶片组件206a 和206b的位置相对于彼此成轴向交错。此外，在该示例性实施例中， 预混器A 202a的燃料喷孔204a和预混器B 202b的燃料喷孔204b可 相对于彼此成轴向交错。轴向交错的燃料喷孔204a和204b可至少部 分地由轴向交错的叶片组件206a和206b造成，燃料喷孔204a和204b 形成在该叶片组件206a和206b中。然而，在其它实施例中，交错的 燃料喷孔可通过将在一个叶片组件中的燃料喷孔的相对位置相比与 在另 一个叶片组件中的燃料喷孔的相对位置进4亍错开而形成。因此，可表示叶片组件、扩散顶端和/或燃料喷孔的相对位 置的参数I^,L2,D!和D2，其可相应地选择来减弱燃烧室104中的燃烧 动态特性。参数数目的增加提供了操作灵活性，容许对燃烧动态特性 的产生进行控制，提高了使用种类更宽的燃料类型的灵活性，并且改 善了发动机的排放性能。图3为根据本发明一个实施例的示例性燃气涡轮发动机 100的一部分的截面图，其中，燃气涡轮发动才几100包括三个预混器， 其具有轴向交错的叶片组件和/或扩散顶端，以及轴向对齐的燃料喷 孑L。在该示例性实施例中，发动机IOO包括第一预混器、第二预混器， 以及第三预混器，这在下文中称为预混器D302a、预混器E302b，以 及预混器F 302c;尽管在其它实施例中可包括任意数量的预混器。预 混器302a，302b和302c可分别包括燃料喷孔304a,304b和304c;第 一叶片组件306a、第二叶片组件306b,以及第三叶片组件306c，其 在下文中称为叶片组件D 306a、叶片组件E 306b,以及叶片组件F 306c;以及位于中心体310a,310b和310c中的扩散顶端308a,308b和 308c。燃料喷射器(图中未示出)与燃料喷孔304a,304b和304c连通， 并且定位成以便首先将燃料引入到气流中，且之后通过燃料喷射器下 游的叶片組件306a，306b和306c而施加涡漩。燃料喷射器和叶片組件306a,306b和306c的这种定位提供对燃料与空气间的混合进行改善， 这是由叶片组件306a,306b和306c雾化并涡漩该流体而形成的剪切效 应所引起的。在图3所示的示例性实施例中，参照预混器E 302b和预混 器F 302c，将预混器302b和302c的燃料喷孔304b和304c轴向对齐， 定位在距火焰前缘312为大致相同的距离处，由此使得叶片组件306b 和306c的引出位置或后缘相对于彼此成轴向交错。如该示例性实施例 所示，燃料喷孔304b可定位在距火焰前缘312为轴向距离Li处，而 叶片组件E 306b的引出位置可定位在距火焰前缘312为距离02的第 一轴向位置处。在该实例中，预混器F 302c的燃料喷孔304c还可定 位在距火焰前缘312为轴向距离L^处，而叶片组件F 306c的引出位 置可定位在距火焰前缘312为距离D3的第二轴向位置处，使得D2不 等于D3。如本文所用，用语"引出位置"可表示叶片组件的叶片后缘， 或叶片组件上位于最下游的部分。因此，在该示例性实施例中，叶片 组件E 306b的引出位置的轴向位置相对于叶片组件F 306c的引出位 置的轴向位置成轴向交4晉，同时燃料喷孔304b和305c成轴向对齐。 这可在一个具有成不同比例的叶片組件的实施例中实现，由此4吏得相 应的燃料喷孔可在同一轴向位置处对齐，而叶片组件的引出位置可位 于不同的轴向位置处。例如，如图3中所示，各叶片组件306a,306b 和306c均成不同的比例，从而容许将燃料喷孔对齐，而将叶片组件的 引出位置定位在交错的位置处。同样参照预混器E 302b和预混器F 302c，在燃烧室104中 形成的高振幅压力振荡314b从火焰前缘312向上游传播，并且在一 定的时间滞差之后到达预混器E 302b的燃料喷孔304b。该时间滞差 可表示为压力振荡314b在一定的时间滞差后还到达叶片组件E306b。在这种情况下的时间滞差可表示为
<formula>formula see original document page 18</formula>
其中，c为声速，而v为在各预混器302b和302c中的平均流率。 压力振荡314b和314c与各预混器302b和302c中的燃料喷孔304b 和304c以及叶片组件306b和306c相互作用，从而引起之后向下游传 播并在另 一时间滞差后到达火焰前缘312的第一燃料浓度波和第二燃 料浓度波(以下分别称为燃料浓度波316b和316c)。与从燃料喷孔304b 到达火焰前缘312相关的时间滞差可表示为
，
而与从叶片组件E 304b到达火焰前缘312相关的时间滞差可表示为
<formula>formula see original document page 18</formula>
因此，在该实施例中，与预混器E302b中的燃料浓度波316相关的总 时间滞差可表示为
<formula>formula see original document page 18</formula>同样而言，在该实施例中，与预混器F 302c中的燃料浓度 波316c相关的时间滞差可表示为
<formula>formula see original document page 18</formula>
该时间滞差反映了由燃料浓度波316b和316c所引起的放热振荡 的相位变化，燃料浓度波316b和316c分别可至少部分地受到参数 Li,D2和D3的影响。因此，在一个实例中，通过适当地选#^巨离LhD2 和D3,可使形成在预混器302b和302c中的燃料浓度波316b和316c 在其间具有大约180° (7T弧度)的相位差。相位差容许在燃料喷孔304b和304c以及叶片组件306b和306c中产生的燃料浓度波316b和316c 至少部分地相互"l氐消，以抑制燃烧动态特性。在同才羊由图3所示的另一个实施例中，参照预混器D 302a 和预混器E 302b，示例性发动机可包括根据本发明实施例的扩散顶端 成轴向交^l晉的预混器。在该实例中，预混器D 302a的扩散顶端308a 可相对于预混器E 302b的扩散顶端308b成轴向交错。扩散顶端308a 可定位在距火焰前缘312为轴向距离乙2处，而扩散顶端308b可定位 在距火焰前缘312为轴向距离L3处，使得L2不等于L3。如上文所述， 燃料喷孔304a和304b可轴向对齐，定位在距火焰前缘312为轴向距 离处。在该实例中，叶片组件306a和306b相对于彼此成轴向交错， 叶片组件D 306a定位在距火焰前缘312为距离的第 一轴向位置处， 而叶片组件E 306b定位在距火焰前缘312为距离D2的第二轴向位置 处。然而，认识到的是，在其它示例性实施例中，可使燃料喷孔中的 一个或多个交错，如参照图2所描述的那样，可使叶片组件中的一个 或多个对齐，或可使扩散顶端中的一个或多个对齐，例如扩散顶端 308b和308c。与反射相关的时间延迟在反射压力振荡中产生相位差，反 射压力振荡可与燃烧室104中的压力振荡314a和314b相干涉。此外， 可在预混器302a和302b中产生第 一燃料浓度波316a和第二燃料浓度 波316b，其也可与燃烧室104中的压力振荡314a和314b相干涉。因 此，包括轴向交错的叶片组件和轴向交错的扩散顶端二者的实施例， 例如通过预混器302a和302b所示出的那样，提供了对参数I^L2,L3,Di 和D2的多种选择，这可至少部分地减弱燃烧室104中的燃烧动态特 性，并且数学分析与上文所述的相似。可用的可调参数的选择从三个 参数(LhDhD2)(例如，对于包括轴向交错的叶片组件和轴向交错的扩 散顶端的实施例)增加到五个参数(Li,L2，L3,Di，D2)(例如在包括轴向交 错的叶片组件和扩散顶端的实施例中)提高了发动机的燃料灵活性，同 时又提供了改善的发动机排放性能。
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认识到的是，在本发明的其它实施例中，如本文所述的轴
向交错构件的不同组合可用来减弱发动机的燃烧动态特性。此外，在 其它示例性实施例中，扩散顶端可具有一个或多个燃料喷孔(未示出)， 用于在低工作负载条件期间保持火焰，例如当燃料-空气混合物相当贫 乏时或者当使用了高氢燃料如合成气体时。形成在扩散顶端中的燃料 喷孔可选的内含物可进一步有助于减弱燃烧室的燃烧动态特性。图4示出了本发明的实施例可运行的示例性方法。所提供 的流程图400示出了根据本发明一个实施例的用于在燃烧器中燃烧燃 料的示例性方法。该示例性方法始于方框402。在方框402处，燃料和空气可 在第一预混器中混合。预混器包括至少一个燃料喷嘴、至少一个进气 管，以及至少一个叶片组件。叶片组件定位在第一预混器内位于第一 轴向位置处。可通过形成在其中的一个或多个叶片组件中的燃料喷孔 而将燃料泵送到气流中。然后，燃料可由第一叶片组件进行涡旋，以 促进燃料与空气间的均勻混合。方框402之后为方框404,其中，可在第二预混器中以与参 照方框402进行描述的方式大致相似的方式将燃料和空气进行混合。 第二预混器也可包括至少一个燃料喷嘴、至少一个进气管，以及至少 一个叶片組件。叶片组件定位在第二轴向位置处，使得在第一预混器 中的叶片组件的第 一轴向位置和在第二预混器中的叶片组件的第二 轴向位置相对于彼此成轴向交错。在各预混器中的各叶片组件均可包括多个叶片。各叶片均 可形成为具有引出位置，或后缘。在示例性实施例中，各叶片组件的 引出位置可以是在各轴向位置对齐处。在示例性实施例中，在各叶片 组件中的燃料喷孔可轴向对齐；尽管在其它实施例中，如参照图2和 图3而更为全面描述的那样，各叶片组件中的燃料喷孔可相对于;f皮此 成轴向交错。各预混器均还可包括扩散顶端。在示例性实施例中，在各叶片组件中的扩散顶端可相对于彼此成轴向对齐；尽管在其它示例性
实施例中，如参照图2和图3而更为全面描述的那样，各叶片组件中
的扩散顶端可相对于彼此成轴向交错。方框404之后为方框406,其中，燃料-空气混合物可从第 一预混器和第二预混器二者排到燃烧室内用于燃烧。方框406之后为方框408，其中，燃烧燃烧室中的燃料-空 气混合物。例如，如上文中参照图2和图3所描述的那样，至少在第 一预混器和第二预混器内的叶片组件的轴向交错减弱了燃烧动态特 性。例如，在燃烧期间，混合的燃料和空气的至少一部分引起放热振 荡，其向上游传播到第一预混器和第二预混器。然后，产生了在笫一 预混器中的第一燃料浓度波和在第二预混器中的第二燃料浓度波，其 向下游传播到火焰燃烧区域。由于交错的叶片组件、扩散顶端、燃料 喷孔，或它们的任意组合，故第二燃料浓度波可与第一燃料浓度波不 同相，从而减弱了燃烧动态特性。例如，在各种燃烧系统中，由于使用贫燃料-空气混合物来 降低NOx排放，故可出现燃烧动态特性。这些不稳定性可部分地取决 于燃烧火焰的火焰动态特性，火焰动态特性继而又受制于所使用的燃 料的性质。因此，用以降低燃烧动态特性的方法及系统可构造成用以 适应使用不同种类的燃料，例如合成气、天然气等。用以降低燃烧动 态特性的叶片组件的轴向交错、且优选为交错的扩散顶端可针对所用 燃料的性质进行调节。例如，如上文参照图3进行描述的那样，不同 的参数如叶片组件交错、燃料喷孔交错和/或扩散顶端交错，可选择来 相应地抑制燃烧动态特性，同时还提供在发动机的燃料灵活性方面的 提高以及可操作性的增强。可构思出本文所阐述的示例性描述的 一些修改和其它实施 例，其具有存在于上文的描述和相关附图中的教导内容的好处。因此， 将认识到的是，本发明可以许多形式予以实施，而不应限于上述示例 性实施例。因此，应当理解的是，本发明并不限于所公开的具体实施例，并且旨在将这些修改和其它实施例包括在所附权利要求的范围 内。尽管文中使用了特定的用语，但其仅在一般性和描述性的意义上 使用而并非用来进行限制。
权利要求
1.一种用于燃气涡轮发动机(100)的燃烧室(104)，包括第一预混器(202a)和第二预混器(202b)，各预混器均包括至少一个燃料喷射器(118)、至少一个进气管(112)，以及用于至少部分地将来自所述至少一个进气管(112)的空气与来自所述至少一个燃料喷射器(118)的燃料相混合的至少一个叶片组件(206a和206b)；其中，所述叶片组件(206a和206b)中的各个叶片组件均包括所述燃料的至少一部分和所述空气的至少一部分穿过其的多个燃料喷孔(204a和204b)；其中，所述第一预混器(202a)的至少一个叶片组件(206a)定位在第一轴向位置处，以及所述第二预混器(202b)的至少一个叶片组件(206b)定位在相对于所述第一轴向位置成轴向交错的第二轴向位置处。
2. 根据权利要求1所述的燃烧室(104)，其特征在于，所述至少一 个叶片組件(206a和206b)包括多个叶片，其中，各叶片均包括引出位 置，且其中，所述第一预混器(202a)的所述至少一个叶片组件(206a) 的引出位置定位在所述第一轴向位置处，以及所述第二预混器(202b) 的所述至少一个叶片组件(206b)的引出位置定位在所述第二轴向位置 处。
3. 根据权利要求1所述的燃烧室(104)，其特征在于，所述第一预 混器(202a)的所述至少 一个叶片组件(206a)的多个燃料喷孔(204a)与所 述第二预混器(202b)的所述至少一个叶片组件(206b)的多个燃料喷孔 (204b)轴向地对齐。
4. 根据权利要求1所述的燃烧室(104),其特征在于，所述第一预 混器(202a)的所述至少一个叶片组件(206a)的多个燃料喷孔(204a)相对 于所述第二预混器(202b)的所述至少一个叶片组件(206b)的多个燃料 喷孔(204b)沿轴向交错。
5. 根据权利要求1所述的燃烧室(104),其特征在于，所述笫一预混器(202a)和所述第二预混器(202b)分别还包括位于所述至少一个叶 片组件(206a和206b)下游的扩散顶端(208a和208b),其中，所述第一 预混器(202a)的扩散顶端(208a)与所述第二预混器(202b)的扩散顶端 (208a)沿轴向对齐。
6. 根据权利要求1所述的燃烧室(104)，其特征在于，所述第一预 混器(202a)和所述第二预混器(202b)分别还包括位于所述至少一个叶 片组件(206a和206b)下游的扩散顶端(208a),其中，所述第一预混器 (202a)的扩散顶端(208a)相对于所述第二预混器(202b)的扩散顶端沿轴 向交错。
7. 根据权利要求1所述的燃烧室(104),其特征在于，所述第一轴 向位置与所述第二轴向位置之间的相对间距选择成用以降J氐在所述 燃烧室(l 04)中产生的燃烧动态特性。
8. —种用于在燃烧室(104)中燃烧燃料的方法(400),包括在第 一预混器(202a)中混合燃料和空气(402)，所述第 一预混器 (202a)包括至少一个燃料喷射器(118a)、至少一个进气管(112a),以及 位于第 一轴向位置处的至少 一个叶片组件(206a);在第二预混器(202b)中混合燃料和空气(404)，所述第二预混器 (202b)包括至少一个燃料喷射器(118b)、至少一个进气管(112b),以及 位于相对于所述第一轴向位置成轴向交错的第二轴向位置处的至少 一个叶片组件(206b);将所述混合的燃料和空气从所述第 一预混器(202a)和所述第二预 混器P(^b)排到燃烧室(104)(406);以及在所述燃烧室(104)中燃烧来自所述第一预混器(202a)和所述第二 预混器(202b)的所述混合的燃料和空气的至少一部分(408)。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述至少一个叶片 组件(206a和206b)包括多个叶片，各叶片均包括引出位置，且其中， 所述第一预混器(202a)的所述至少一个叶片组件(206a和206b)的引出 位置定位在所述第一轴向位置处，以及所述第二预混器(202b)的所述至少 一个叶片组件(206a和206b)的51出位置定位在所述第二轴向位置 处。
10. —种燃气涡轮发动机(IOO),包括压缩机(102);燃烧室(104);与所述燃烧室(104)相关联的至少第 一预混器(202a)和第二预混器 (202b),各预混器(202a和202b)均包括至少一个燃料喷射器(118)、至 少一个进气管(l 12)，以及用于至少部分地将来自所述至少一个进气管 (U2)的空气与来自所述至少一个燃料喷射器(118)的燃料相混合的至 少一个叶片组件(206a和206b);其中，多个叶片中的各叶片均包括所述燃料的至少一部分和所述 空气的至少一部分穿过其的多个燃料喷孔(204a和204b);其中，所述第 一预混器(202a)的至少 一个叶片组件(206a)定位在所 述第一预混器(202a)内的第一轴向位置处，以及所述第二预混器(202b) 的至少一个叶片组件(206b)定位在所述第二预混器(202b)内相对于所 述第一轴向位置成轴向交错的第二轴向位置处。
全文摘要
本发明提供了用于降低燃烧动态特性的方法和系统。根据一个示例性实施例，燃烧室可包括第一预混器和第二预混器。各预混器均可包括至少一个燃料喷射器、至少一个进气管，以及用于至少部分地将来自一个或多个进气管的空气与来自一个或多个燃料喷射器的燃料相混合的至少一个叶片组件。各叶片组件均可包括至少一部分燃料和至少一部分空气可穿过其的多个燃料喷孔。第一预混器的一个或多个叶片组件可位于第一轴向位置处，而第二预混器的一个或多个叶片组件可位于相对于第一轴向位置成轴向交错的第二轴向位置处。
文档编号F02C3/14GK101586812SQ20091012777
公开日2009年11月25日 申请日期2009年3月20日 优先权日2008年5月20日
发明者B·瓦拉塔拉延, B·莱西, E·伊尔梅斯, G·O·克雷默, J·J·莱恩奇, K·K·辛格, S·克罗瑟斯, S·斯里尼瓦桑, 金冠佑 申请人:通用电气公司