專利名稱：燃燒室的運(yùn)作方法及所用燃燒室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃燒室運(yùn)作方法，其中，使熱燃?xì)饬魅肴紵?，并在該燃燒室中，?jīng)由多根燃料噴管將燃料噴到熱燃?xì)庵?，以此引起自點(diǎn)燃。本發(fā)明還涉及實(shí)施上述方法用的燃燒室。
對(duì)于具有一個(gè)預(yù)混段和一個(gè)在流出方向上對(duì)后置燃燒室敞開的口的燃燒器構(gòu)型，屢屢提出的問題是，如何能以最簡(jiǎn)單的方式和方法使焰峰穩(wěn)定，而排放量又極低。關(guān)于這個(gè)問題，已知有許多不同的建議，但它們都不能令人滿意。迄今為人們所知的例外，是EP-A1-0321 809中公開的發(fā)明，它有關(guān)火焰穩(wěn)定性、效率及有害物質(zhì)排放的諸建議是一個(gè)質(zhì)的飛躍。
一種典型的、其中所述防回火技術(shù)不得采用的燃燒室，涉及按自點(diǎn)燃設(shè)計(jì)的燃燒室。在通常情況下，這涉及一根在很大程度上呈圓筒形的管子，或者涉及一個(gè)環(huán)形燃燒室，具有約850℃以上相當(dāng)高溫度的工作氣體流入其中，在此與噴入的燃料一起形成自點(diǎn)燃混合物。工作氣體變成熱燃?xì)獾臒崽幚?，僅在該管或該環(huán)形燃燒室中進(jìn)行。如果關(guān)系到一種在高壓渦輪機(jī)和低壓渦輪機(jī)之間工作的復(fù)燃燒室(Nachbrennkammer)，則由于空間位置方面的原因，已不可能安裝預(yù)混段或預(yù)混燃燒器，也不可能設(shè)置或安裝防回火輔助裝置，因此，迄今不得不放棄這種本身具有吸引力的燃燒技術(shù)。如果假設(shè)，設(shè)置一個(gè)環(huán)形燃燒室，作為裝在單一軸上的燃?xì)鉁u輪機(jī)組的復(fù)燃燒室，則因需盡可能縮短燃燒室長(zhǎng)度而產(chǎn)生一些節(jié)外生枝的問題，這些問題與火焰穩(wěn)定性相關(guān)。即使提出令人滿意的火焰穩(wěn)定化方案也照舊解決不了不同有毒物質(zhì)初始排放量的問題。臨界范圍處于自點(diǎn)燃行為和約1100℃溫度之間。在臨界范圍內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生與許多國(guó)家的立法不一致的高排放，尤其以CO和UHC的形式高排放。只有燃燒溫度高于1100℃時(shí)，才有可能優(yōu)好地充分燃燒，又使有害物質(zhì)排放減至最小程度。
本發(fā)明旨在彌補(bǔ)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處。正如其在權(quán)利要求書中所表征的那樣，本發(fā)明賴以為基礎(chǔ)的目的是，以本說明書開頭所述種類的一種方法和一種燃燒室，尤其是將CO及UHC的排放在介乎自點(diǎn)燃與約1100℃溫度之間的臨界范圍內(nèi)減至最小程度。
本發(fā)明建議，通過逐級(jí)起動(dòng)現(xiàn)有燃燒器來減少所述有害物質(zhì)的排放。為達(dá)到此目的，應(yīng)當(dāng)將燃燒器分成至少兩組。使各組連續(xù)依次從自點(diǎn)燃點(diǎn)開始，升到至少1100℃。
可見，本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于，可通過連續(xù)升到亞臨界區(qū)，使所述以有害物質(zhì)，尤其CO及UHC排放值(UHC＝不飽和烴)高為特征的負(fù)載范圍得以大大彌補(bǔ)。得以使用的燃燒器組在開始階段中，平均起來被供以較大量的燃料；從而各燃燒器都能較穩(wěn)定地運(yùn)作。如果所有燃燒器組相繼達(dá)到約1100℃的溫度級(jí)，則使它們接著從該溫度級(jí)起同時(shí)升到所需的運(yùn)作溫度。
本發(fā)明所提目的的有利而相宜的進(jìn)一步發(fā)展，在其它從屬權(quán)利要求中已予表明。
下面根據(jù)附圖來詳細(xì)闡明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。所有對(duì)直接理解本發(fā)明并非必需的元部件均子省略。同一元部件在不同附圖中均標(biāo)以同一標(biāo)號(hào)。介質(zhì)流動(dòng)方向以箭號(hào)標(biāo)明。
附圖中，

圖1示出一種設(shè)計(jì)成環(huán)形燃燒室的自點(diǎn)燃燃燒室；圖2示出自點(diǎn)燃燃燒室中分級(jí)起動(dòng)階段示意圖；和圖3示出自點(diǎn)燃燃燒室起動(dòng)階段中，不分級(jí)運(yùn)作方式與分級(jí)運(yùn)作方式之間有害物質(zhì)排放值的定性檢測(cè)。
正如從軸線16出發(fā)來看那樣，圖1示出一個(gè)環(huán)形燃燒室1，其形狀基本為連續(xù)環(huán)形圓筒或準(zhǔn)環(huán)形圓筒。除此之外，這種燃燒室也可由許多軸向、準(zhǔn)軸向或螺旋形布列的且單獨(dú)封閉的燃燒室組成。這樣的環(huán)形燃燒室，主要適宜作自點(diǎn)燃式燃燒室來運(yùn)作，并沿流動(dòng)方向安置在兩個(gè)裝在同一根軸上的渦輪機(jī)之間。如果一個(gè)這樣的環(huán)形燃燒室1以自點(diǎn)燃方式運(yùn)作，則逆向起作用的渦輪機(jī)2僅設(shè)計(jì)成使熱燃?xì)?部分減壓，從而流離該渦輪機(jī)2的排氣4仍以相當(dāng)高的溫度流入環(huán)形燃燒室1的流入?yún)^(qū)5。此流入?yún)^(qū)5裝備有一排渦流發(fā)生元件100(以下僅稱為渦流發(fā)生器)，它裝在通道壁6的內(nèi)側(cè)切線方向上。渦流發(fā)生器100以下述方式使排氣4旋轉(zhuǎn)在后續(xù)的預(yù)混段7中，不在所述渦流發(fā)生器100的慣性運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生再循環(huán)區(qū)。在構(gòu)成文丘里式通道的預(yù)混段7的切線方向上安置有多個(gè)燃料噴管8，燃料9及載體空氣10流入其中。這些燃料噴管8下面將詳細(xì)討論。上述介質(zhì)例如可以經(jīng)由一根未示出的環(huán)形管道輸向各燃料噴管8。由渦流發(fā)生器100產(chǎn)生的旋流對(duì)引入的燃料9進(jìn)行大容積分配，必要時(shí)也對(duì)所混入的載體空氣10進(jìn)行大容積分配。該旋流還進(jìn)一步將由燃燒空氣和燃料組成的混合物均質(zhì)化。經(jīng)由燃料噴管8噴入排氣4的燃料9引起自點(diǎn)燃，只要該排氣4具有能引起取決于燃料的自點(diǎn)燃的那種特定溫度。如果環(huán)形燃燒室1以氣態(tài)燃料來運(yùn)作，則排氣4的溫度須起碼在850℃左右才能引起自點(diǎn)燃。如上已評(píng)價(jià)的那樣，在這樣一種燃燒的情況下，本來就存在著回火的危險(xiǎn)該問題是如下解決的，一方面使預(yù)混區(qū)7構(gòu)成文丘里式通道，另一方面將燃料9的噴入安排在預(yù)混區(qū)7內(nèi)收縮最大的部位進(jìn)行。由于預(yù)混區(qū)7中的變窄處，渦流因軸向速度的提高而減弱，從而回火的危險(xiǎn)因渦流火焰速度的降低而減至最小程度。另一方面，由于源自渦流發(fā)生器100的旋流的切向分量未減小，故而還保障了燃料9的大容積分配。在保持得相當(dāng)短的預(yù)混區(qū)7之后，連接著一個(gè)燃燒區(qū)11。這兩個(gè)區(qū)段之間的過渡部位由徑向截面躍變12構(gòu)成，該截面躍變首先形成燃燒區(qū)11的流通斷面。在截面躍變12的平面上，還對(duì)焰峰進(jìn)行了調(diào)整。為防止火焰進(jìn)入預(yù)混區(qū)7內(nèi)發(fā)生回火，必須使焰峰保持穩(wěn)定。為此目的，將渦流發(fā)生器100設(shè)計(jì)得，使預(yù)混區(qū)7中還未發(fā)生再循環(huán)(Rezirkulation)；只有在驟然橫截面擴(kuò)大后才希望旋流綻開。旋流有助于截面躍變12之后的流動(dòng)迅速重新建立，從而由于盡可能完全地充分利用燃燒區(qū)11的容積，而能以短的構(gòu)筑長(zhǎng)度來達(dá)到高度充分燃燒的目的。在此截面躍變12之內(nèi)部，運(yùn)作過程中形成一個(gè)流動(dòng)邊緣區(qū)，其中由于在此處起主導(dǎo)作用的負(fù)壓而產(chǎn)生渦流分散，然后導(dǎo)致焰峰穩(wěn)定化。在燃燒區(qū)11中處理排氣4以形成熱燃?xì)?4，接著進(jìn)汽沖擊另一個(gè)在下游方工作的渦輪機(jī)14。排氣15可接著用來推動(dòng)蒸汽循環(huán)，而且在后一種所述情況下，該裝置就成為一個(gè)聯(lián)合裝置。
圖2示出的示意圖中，可清楚看到在起動(dòng)階段過程中，燃燒器的分級(jí)運(yùn)作方式。橫座標(biāo)17表示并列安置的燃燒器的工作進(jìn)程，而縱座標(biāo)18表示起動(dòng)階段過程中首次運(yùn)轉(zhuǎn)的溫度級(jí)。該分級(jí)運(yùn)作方式在于，燃燒器(即圖1中的燃料噴管)在起動(dòng)階段被連續(xù)供以燃料。在第1級(jí)19中，燃燒噴管8a、8c等開始工作，并先達(dá)到約1100℃。接著，在兩級(jí)運(yùn)作方式中，其余的燃料噴管8b、8d等也同樣再達(dá)到約1100℃的所述溫度級(jí)。一旦所有燃燒器都達(dá)到這個(gè)新的溫度級(jí)20，就使它們共同(也即同時(shí))升到所需用的運(yùn)作溫度級(jí)21。由于分級(jí)開始工作的燃燒器各以大量燃料運(yùn)行，所以，如上所述，故可更加順利地越過排放值高的區(qū)域。借此，燃燒器可以首先更加穩(wěn)定地運(yùn)行。但是，這種運(yùn)作方式也有附帶的優(yōu)點(diǎn)特別可以顯著降低介乎1000℃及1100℃之間的臨界范圍中CO及UHC的排放。這種在起動(dòng)階段期間的分級(jí)運(yùn)作方式，并不局限于兩組燃燒器。
圖3示出不分級(jí)運(yùn)作方式與分級(jí)運(yùn)作方式之間有害物質(zhì)排放的定性對(duì)比情況。圖中，橫座標(biāo)22表示負(fù)載區(qū)，并將混合物發(fā)生自點(diǎn)燃的溫度級(jí)作為零，也即，在我們所提及的情況下，此溫度級(jí)至少約為850℃左右。縱座標(biāo)23表示有害物質(zhì)排放程度。曲線24表明，采用常規(guī)不分級(jí)運(yùn)作方式時(shí)，有害物質(zhì)排放的曲線。峰值表示在約1000℃至約1100℃的溫度區(qū)間內(nèi)，CO及UHC的發(fā)生量。而分級(jí)運(yùn)作方式不同如曲線25所示。圖中見到的是一條雙駝峰曲線，它相應(yīng)于燃燒器分成兩組的分級(jí)運(yùn)作方式。采用分級(jí)運(yùn)作方式，排放值可達(dá)到比常規(guī)運(yùn)作方式小一半以上的數(shù)量級(jí)。
附圖標(biāo)號(hào)一覽表1環(huán)形燃燒室2渦輪機(jī)3熱燃?xì)?排氣5流入?yún)^(qū)，流入?yún)^(qū)通道6流入?yún)^(qū)通道壁7預(yù)混區(qū)8燃料噴管(8a-8d等)9燃料10載體空氣11燃燒區(qū)12截面躍變13熱燃?xì)?4渦輪機(jī)15排氣16主軸軸線17橫座標(biāo)18縱座標(biāo)19第一級(jí)20新共同級(jí)21運(yùn)作溫度級(jí)22橫座標(biāo)23縱座標(biāo)24有害物質(zhì)排放曲線(常規(guī)運(yùn)行)25有害物質(zhì)排放曲線(分級(jí)運(yùn)行)100渦流發(fā)生器
權(quán)利要求
1.燃燒室的運(yùn)作方法，其中，使熱燃?xì)饬魅肴紵?，并在該燃燒室中，?jīng)由多根燃料噴管將燃料噴到熱燃?xì)庵?，以此引起自點(diǎn)燃，其特征在于，將燃料噴管(8)至少分成兩組；在熱燃?xì)饬鞅３植蛔兊那闆r下，依次向各組噴管(8a、8c、……；8b、8d、……)供給燃料(9)，并且使各組噴管都先達(dá)到1100℃范圍的溫度級(jí)；接著，從此溫度級(jí)起，使所有燃料噴管(8)同時(shí)升到所需的運(yùn)作溫度。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，以燃料(9)和以載體空氣(10)使燃料噴管(8)運(yùn)作。
3.實(shí)施權(quán)利要求1所述方法用的燃燒室，該燃燒室主要由流入?yún)^(qū)和燃燒區(qū)組成，這兩個(gè)區(qū)彼此連接，其特征在于，流入?yún)^(qū)(5)設(shè)有多個(gè)渦流發(fā)生器(100)，這些渦流發(fā)生器中，有好些并列設(shè)置于穿流通道的圓周上；預(yù)混區(qū)(7)連接流入?yún)^(qū)(5)的下游，在該預(yù)混區(qū)中，氣態(tài)及/或液態(tài)的燃料(9)可經(jīng)由一些切線方向設(shè)置的燃料噴管(8)，以副流形式噴入氣態(tài)主流(4)中；在預(yù)混區(qū)(7)和燃燒區(qū)(11)之間有截面躍變(12)，此截面躍變決定了燃燒區(qū)(11)的初始流動(dòng)斷面。
4.權(quán)利要求3所述的燃燒室，其特征在于，預(yù)混區(qū)(7)是文丘里式通道。
全文摘要
在熱燃?xì)饬魅氲娜紵疫\(yùn)作方法中，使燃料(9)經(jīng)由多根燃料噴管(8)噴入熱燃?xì)庵?，并在其中自點(diǎn)燃。燃料噴管(8)本身又至少分成兩組，且在熱燃?xì)饬鞅３植蛔兊那闆r下，依次，也即接續(xù)地，向各組燃料噴管供給燃料(9)，并且使各組噴管都先達(dá)到1100℃上下的溫度級(jí)。接著，從此溫度級(jí)起，使所有燃料噴管(8)同時(shí)升到所需的運(yùn)作溫度。
文檔編號(hào)F23C5/08GK1116697SQ95106318
公開日1996年2月14日 申請(qǐng)日期1995年5月18日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月19日
發(fā)明者R·阿爾特豪斯 申請(qǐng)人:Abb管理有限公司