燃气涡轮发动机中的环形燃烧室以及其操作方法技术

本发明专利技术涉及机械和动力工程、运输和其他领域，尤其涉及喷气式涡轮发动机(GTE)和固定式燃气涡轮设备(GTP)中的低排放环形燃烧室(CC)的设计，该设计基于预先制备且燃烧贫燃料和空气的混合物的低排放燃烧器，并且采用有效的操作方法。本发明专利技术的概述如下：-环形CC的GTE包括具有多孔构件(PE)的双回路低排放燃烧器的两个同轴的环。燃烧器被安装在火焰管的前壁上。燃烧器的端部位于一个平面中。燃烧器的内通道仅供应有引燃燃料。燃料的扩散燃烧在备用火焰中进行。外通道供应有主燃料和来自压缩机后面的压缩空气。借助第一阶段的、空气横流中的主燃料的喷射供应和第二阶段的、通过PE多孔主体的微通道的得到的随后的贫FAM的传递，优质的贫燃料和空气的混合物(FAM)被预先制备。使用备用火焰保持贫FAM的动力燃烧；-内环的内燃烧器通道被聚集在内环形引燃燃料歧管中，而燃烧器的环形燃料接收器被聚集在内环形主燃料歧管中；-当燃烧器中的旋流方向从每个环中的一个燃烧器转换到另一个邻近的燃烧器时，使用轴向叶片旋流器将燃烧器中的旋流方向替换为反向，以形成覆盖两个燃烧器的周期性的成对旋流，两个燃烧器的其中之一与CC的外环相关，而另一个与CC的内环相关；-在启动模式和过渡模式中，当负载增加到接近空转功率时，主燃料和引燃燃料到内环形燃烧器的供应通过关闭内主燃料和引燃燃料歧管的上游的、主燃料和引燃燃料供应管路中的阀被断开，这允许两倍地减少在外环的燃烧器中的过量空气系数；-通过保持主燃料和引燃燃料的特定的总消耗量和特定的总过量空气系数，在使用被安装于主燃料和引燃燃料管路中的燃料调节器来供最小的氧化氮的排放的前提下，在所有燃烧器中的相关的引燃燃料消耗被减少，同时保持贫燃料和空气的混合物的燃烧稳定性。上述的和一些其他的提出的技术解决方案允许减少全压损失、提高环形CC的GTE操作的可靠性、使得贫FAM稳定燃烧的范围变宽并且提供了在径向和圆周方向上的温度场的更好的均匀性，同时减少氧化氮和氧化碳的排放，这提供了与CC和其原型的操作方法相比的、提出的环形CC的益处。权利要求包括两个独立权利要求和五个从属权利要求。描述包括五个附图。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃气涡轮发动机中的环形燃烧室以及其操作方法
本专利技术涉及一种主要被使用于喷气式燃气涡轮发动机和固定式燃气涡轮设备中的燃烧室，并且涉及其操作方法。
技术介绍
为了保证燃料和空气混合物的稳定的燃烧，在这种类型的燃烧器中使用(有时同时使用)钝头体或叶片旋流器。在环形燃烧室中，在分开的燃烧器中的单向旋流导致了同轴的环形旋流。典型的是在保持这些旋流时由于火焰管中的壁面摩擦而导致压力损失。这是这种环形旋流被视为派生的原因。除了压力损失，由于一部分派生的旋流不参与到燃烧中，因此减小了燃烧器的火焰强度和燃料和空气混合物的燃烧稳定性。应注意的是，如果所有燃烧器具有相同的旋流方向，则从通过来自外部源的燃料和空气混合物主动点火的燃烧器到被动燃烧器的火焰的传递将面临严重的挑战，因为在局部燃烧器旋流进行接触的位置处的流动速度有最大差。这种流动速度差可超过正常的火焰传播速度，并且在燃烧区域和燃烧室出口导致伴随着温度场恶化的熄火。如果环形燃烧室的一个环的燃烧器具有单向旋流，则产生两个同轴的派生环状旋流，该派生环状旋流在不同的圆周方向上旋转，具有比间隔的燃烧器的平均直径更大和更小的平均直径。如果环形燃烧室具有两个同轴的燃烧器环，则产生三个同轴的环形旋流。它们的圆周流动方向取决于燃烧器流的旋流方向。此外，与燃料和空气混合物的燃烧稳定性、减少氮氧化物(NOx)和氧化碳(CO)排放相关的问题必须同时解决，这在设计可靠的低排放燃烧室时是有挑战性的。燃烧室的操作方法在设计阶段起到重要的作用。在现有技术的燃烧室中，上述的挑战通常仅被部分地解决。这是需要新的非凡的技术解决方案的理由。在喷射式燃气涡轮发动机或固定式燃气涡轮设备中使用的现有技术的环形燃烧室[1](1997年的俄罗斯联邦专利第2094705号，分类号F23R3/18)具有两个燃烧器的环。使用特定的公式来选择双通道燃烧器(内燃料通道和外空气通道)的数量，使得燃烧过程变为类似于多重火焰。燃烧器被聚集为4个燃烧器的块体，其中每一环具有2个燃烧器。启动燃烧器的燃料通道被聚集为一个结合的起始歧管，而其他燃烧器的燃料通道聚集在主燃料歧管中。本专利技术的目的是减少NOx的排放。通过减少燃烧区域的长度和燃料和空气混合物在高温区域中的时间来实现该目的。燃烧室的缺点是在启动燃烧器和主燃烧器中的扩散燃料燃烧，其特征在于延长的前沿和燃料和空气混合物燃烧的最大可能温度以及大量的NOx的排放。在下文中描述这种燃烧室的操作方法。在启动期间以及在空转模式下操作动力单元之前，通过外环的引燃燃烧器供应燃料，引燃燃烧器为所有燃烧器的四分之一。在空转模式中，也通过外环和内环的其他引燃燃烧器供应燃料，操作这些引燃燃烧器直到动力装置处于额定模式。这种燃烧室的操作方法的主要缺点是，由于通过具有“冷”空气的、未供应燃料的大量引燃燃烧器所包围的少量引燃燃烧器供应燃料，因此在启动时和进入空转模式之后可能熄火且有显著的温度场畸变。这种燃烧室的缺点在燃烧室[2](2000年的俄罗斯联邦专利第2171432号，分类号F23R3/28)中被部分地克服，其中，火焰管头部具有最优数量的燃烧器，即，每100sm2的燃烧罐的剖面(中间)面积中三个。与燃烧室[1]相似，燃烧室[3](1997年的俄罗斯联邦专利第2083926号，分类号F23R3/16)使用多重火焰管头部，其特征为环形排列的主燃烧器和在中心具有叶片旋流器的备用燃烧器。通过将多重火焰管头部中的火焰打散成若干更小的火焰并且通过减少高温区域的长度和燃烧产物在高温区域中的时间来减少NOx排放。通过备用燃烧器来提供预先制备的、在火焰中不存在燃料和空气混合物的高温区域的动力燃烧。通过将借助于这种燃烧器的叶片的旋流和借助于内环形空间的主叶片的旋流朝向彼此导向来实现从备用燃烧器到主燃烧器的、燃料和空气混合物的可靠的热量传递。这是在邻近的流相接触的位置处速度差会是最小的且低于熄火速度值的原因。现有技术还包括具有一个环的燃烧器的环形燃烧室[4](1996年的美国专利第5490380号，分类号F02C7/26)，其中，所有的燃烧器中的旋流都具有一个方向。在这种燃烧室的实施方式中，如上述，出现两个同轴环形的派生旋流，这是不利的。著作[5](Nagashima,T.等人，(2005)来自东京大学的超微型燃气涡轮机发展的启示，微型燃气涡轮机(14-1至14-58页)，教学笔记RTO-EN-AVT-131，论文14，Neuilly-sur-Seine，法国RTO，可从http://www.rto.nato.int/abstracts.asp.获取)描述了具有8个微燃烧器的环形丙烷燃料燃烧室以及其热力学和生态学特性。径向旋流叶片的内直径是16毫米。使用具有扩散燃料燃烧的双通道燃烧器(燃料内通道和空气外通道)。为了使燃料和空气混合物燃烧稳定，使用空气流旋流。同时，为了创造燃烧区域中的有利的速度场和燃烧室出口的满意的温度场，相邻燃烧器中的流旋流交替地被改变为相反的方向(顺时针、逆时针)。这种燃烧室的每一环中的燃烧器的数量必须是偶数。在这种燃烧室中，不出现派生的环形旋流。反之，形成了周期性的成对旋流，产生交替地到燃烧室中心或者来自燃烧室中心的径向流，这导致了更高的燃料和空气混合物的燃烧稳定性和在燃烧室出口的径向方向上的均匀的温度场。在现有技术实施方式[6](1979年的欧洲专利第0378505号，分类号F23R3/14)中，环形燃烧室具有使用至少两个环的、在前壁上的多个共面燃烧器。一个环中的燃烧器具有相同方向的旋流、与相邻环的燃烧器的旋流方向相反。现有技术原型还包括具有共面端部的燃烧器的环形燃烧室[7](1996年的俄罗斯联邦专利第2062408号，分类号F23R3/14)。燃烧器形成了两个同轴的环。每个环的燃烧器都具有相同方向的旋流，然而其与邻近的环的燃烧器的旋流方向相反。因为这种旋流，三个同轴的环形旋流形成：两个派生旋流(外部和内部)以及一个过渡旋流。外部和内部的派生旋流方向与外环的燃烧器中的旋流方向一致。在这种燃烧室中的过渡环形旋流的旋流方向总是与派生环形旋流的旋流方向相反。通常，燃料和空气混合物在围绕外环均匀地且圆周地间隔的两个或三个燃烧器中被点燃，这阻碍了在该环的其他燃烧器中的燃料和空气混合物的点燃和在内环的燃烧器中的燃料和空气混合物的点燃。过渡旋流的形成部分地解决了与燃烧器之间的火焰传递相关的问题。火焰交替地从一个环的燃烧器被传递到另一环的邻近的燃烧器等等。通过所有燃烧器的六分之五的燃料量来供应引燃燃烧器。这种燃烧室的主要缺点包括：-归因于派生旋流的更高的压力损失；-由于引燃燃烧器有效地包围被引燃燃烧器并且数量为所有燃烧器的六分之五，因此为了保证燃烧器之间的火焰的可靠传递，不适当地沿燃烧室的壁并且在中心中产生密集的横流；-当引燃燃烧器被未供应燃料的被引燃燃烧器分开时，在环形燃烧室中的燃料传递的更低的可靠性；-更低的燃烧室燃烧强度和燃料燃烧效率，并且由于每两个燃烧器朝外或朝向每个环的中心交替的位移引起的前壁和环形燃烧室的容积的扩大而损失了部分燃料和空气混合物燃烧稳定性。用于这种原型环形燃烧室[7]的操作方法是，当启动燃烧室并且将其负载增加到40％至55％时，引燃燃烧器被使用于供应燃料。燃料消耗被保持在40本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃气涡轮发动机中的环形燃烧室，其包含多个燃烧器，使用至少两个同轴的环在燃烧室的前壁上的一个平面中将燃烧器间隔开，其特征在于，在每个环中安装相同的且偶数数量的低排放燃烧器；内环的燃烧器相对于外环的燃烧器被圆周地以半节距间隔设置；所有燃烧器都是双通道的，燃烧器的内通道设置为仅用于引燃燃料供应，而外通道供应有来自压缩机后面的压缩空气和具有贫FAM的主燃料；每个燃烧器的外通道都具有进口导向叶片，进口导向叶片具有在其壁中切开的孔，以将燃料供应到空气横流，叶片旋流器被安装在通道出口，并且具有梯度孔隙率的多孔构件被安装在进口导向叶片和叶片旋流器之间；当燃烧器中的旋流方向从每个环中的一个燃烧器转换到另一个邻近的燃烧器时，使用叶片旋流器将燃烧器中的旋流方向替换为反向，每个燃烧器还提供了环形燃料接收器，其位于进口导向叶片上方；内燃烧器环和外燃烧器环的内通道被分别地聚集在内引燃燃料歧管和外引燃燃料歧管中，而内环的燃烧器和外环的燃烧器的环形燃料接收器被分别地聚集在内主燃料歧管和外主燃料歧管中；并且引燃燃料管路和主燃料管路在进口各自具有燃料调节器，在供应燃料管路中，在内引燃燃料歧管和内主燃料歧管各自的进口的上游都安装了一个阀。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.12 RU 20141048331.一种燃气涡轮发动机中的环形燃烧室，其包含多个燃烧器，使用至少两个同轴的环在燃烧室的前壁上的一个平面中将燃烧器间隔开，其特征在于，在每个环中安装相同的且偶数数量的低排放燃烧器；内环的燃烧器相对于外环的燃烧器被圆周地以半节距间隔设置；所有燃烧器都是双通道的，燃烧器的内通道设置为仅用于引燃燃料供应，而外通道供应有来自压缩机后面的压缩空气和具有贫燃料和空气混合物的主燃料；每个燃烧器的外通道都具有进口导向叶片，进口导向叶片具有在其壁中切开的孔，以将燃料供应到空气横流，叶片旋流器被安装在通道出口，并且具有梯度孔隙率的多孔构件被安装在进口导向叶片和叶片旋流器之间；当燃烧器中的旋流方向从每个环中的一个燃烧器转换到另一个邻近的燃烧器时，使用叶片旋流器将燃烧器中的旋流方向替换为反向，每个燃烧器还提供了环形燃料接收器，其位于进口导向叶片上方；内燃烧器环和外燃烧器环的内通道被分别地聚集在内引燃燃料歧管和外引燃燃料歧管中，而内环的燃烧器和外环的燃烧器的环形燃料接收器被分别地聚集在内主燃料歧管和外主燃料歧管中；并且引燃燃料管路和主燃料管路在进口各自具有燃料调节器，在供应燃料管路中，在内引燃燃料歧管和内主燃料歧管各自的进口的上游都安装了一个阀。2.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，具有翼型叶片的轴向叶片涡轮旋流器被用作为叶片旋流器。3.根据权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，轴向叶片旋流器的叶片根据下列规律旋转：其中，R和RП分别是当前的半径和旋流叶片外围的半径；和分别是当前的旋流角度和旋流叶片外围的角度；n是具有在0＞n≥﹣1的范围中的值的指数。4.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，基于金属微米纱网的多孔构件被使用作为多孔构件。5.根据权利要求1或4所述的燃烧室，其特征在于，在燃烧室的额定操作模式中，通过选择所述多孔构件的表面积，多孔构件的多孔主体的微孔中的混合流平均速度被保持在40米/秒和60米/秒之间的范围中。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：伊万·伊万诺维奇·库特什，阿列克谢·伊万诺维奇·库特什，德米特里·伊万诺维奇·库特什，谢尔盖·费奥多罗维奇·日丹诺夫，谢尔盖·瓦西里耶维奇·库巴罗夫，
申请(专利权)人：俄罗斯天然气工业公开股份公司，
类型：发明
国别省市：俄罗斯;RU