CN101313178A - 燃烧设备 - Google Patents

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Abstract

一种燃烧设备包括：用于混合燃料和氧化剂的装置；在其内发生燃料/氧化剂混合物燃烧的燃烧室；位于装置和燃烧室之间的前室；和用于向前室供应气体的用具，使得在前室的内表面上形成气体膜，从而防止燃烧室的燃烧火焰自己附着到该内表面而损坏前室，向前室的气体供应使得：在气体首先到达的前室内表面的地方，气体形成覆盖此内表面的大致连续的气体膜。

Description

燃烧设备
技术领域
本发明涉及一种燃烧设备。
更具体地，本发明涉及一种燃烧设备，该设备包括：用于混合燃料和氧化剂的装置；在其内发生燃料/氧化剂混合物燃烧的燃烧室；位于装置和燃烧室之间的前室(pre-chamber)；和用于向前室供应气体的用具，使得在前室的内表面上形成气体膜，从而防止燃烧室的燃烧火焰自己附着到该内表面而损坏前室。
背景技术
已经知道通过在前室的壁内形成孔，并经由这些孔向前室供应气体，从而在前室的内表面上获得气体膜。这具有的缺点在于，在气体首先到达的前室内表面的地方，气体为大量不连续气流的形式，从每个孔流出一股气流。因而，对于不连续气流之间的内表面的区域，不存在防止火焰附着内表面的防护。
发明内容
根据本发明，提供了一种燃烧设备，该设备包括：用于混合燃料和氧化剂的装置；在其内发生燃料/氧化剂混合物燃烧的燃烧室；位于装置和燃烧室之间的前室；和用于向前室供应气体的用具，使得在前室的内表面上形成气体膜，从而防止燃烧室的燃烧火焰自己附着到该内表面而损坏前室，向前室的气体供应使得：在气体首先到达的前室内表面的地方，气体形成覆盖该内表面的大致连续的气体膜。
在根据前述段落的设备中，优选的是用于供应气体的用具包括用于产生气体的旋流(swirling flow)的旋流器，该气体旋流流过前室的内表面进入燃烧室。
在根据前述段落的设备中，优选的是旋流器包括多个用于引导气体的凹槽，该凹槽设置成一圈并且大体地径向向内延伸。
在根据前述段落的设备中，优选的是旋流器包括环形底板和多个绕环形底板周向间隔设置的楔形件，以在相邻楔形件之间形成用于引导气体的凹槽，楔形件从环形底板的径向内边缘向后设置，从而限定出环形底板上的直接从径向内边缘径向向外的环形凸部。
优选的是根据前述段落的设备还包括固定到旋流器的环形封闭板，使得环形封闭板的一侧形成凹槽的壁，楔形件从环形封闭板的径向内边缘向后设置，从而限定出在环形封闭板上的直接从环形封闭板的径向内边缘径向向外的环形凸部。
在根据前述两个段落中任一段落的设备中，优选的是旋流器位于装置和前室之间，并且旋流器通过平滑的肩部与前室相接，该肩部在旋流器的环形底板上的环形凸部和前室的内表面之间形成。
在根据前述三个段落中除第三段落以外的任一段落的设备中，优选的是用于供应气体的用具位于装置和前室之间。
在根据前述七个段落中任一段落的设备中，装置包括用于产生燃料和氧化剂的涡旋混合物的旋流器，该混合物沿前室进入燃烧室。
在根据前述八个段落中任一段落的设备中，氧化剂可以是空气且气体可以是空气。
本发明还延伸到一种气体涡轮发动机，该气体涡轮发动机包括根据前述九个段落中任一段落的设备，其中来自发动机压缩机的压缩气体在装置和用于供应气体的用具之间分配，大多数气体供应到装置。
附图说明
现在将通过实例结合参考附图对本发明进行描述，其中：
图1为根据本发明的燃烧设备的分解透视图；
图2为图1中的燃烧设备的分解透视图，采取了与图1不同的透视角度，并且省略了设备的大部分燃烧室；
图3为图1中的设备的分解侧视图，其中省略了燃烧室；
图4为沿图3中的IV-IV线的视图；
图5为沿图3中的V-V线的视图；
图6为沿图3中的VI-VI线的截面图；
图7为图1中的设备的侧视图，该设备装配有省略的燃烧室；
图8为沿图7中的VIII-VIII线的截面图；
图9为沿图7中的IX-IX线的截面图；以及
图10为沿图1中的设备的长度的示意性截面图。
具体实施方式
参考附图，设备包括用于产生燃料和空气的涡旋混合物的第一旋流器1、在其内发生燃料/空气混合物燃烧的燃烧室3、用于产生空气旋流的第二旋流器5、隔开旋流器1和5的环形封闭板7、以及位于第二旋流器5和燃烧室3之间的前室9。
第一旋流器1包括环形底板11和多个楔形件13，该楔形件绕环形底板11周向间隔地设置，以在相邻楔形件13之间形成凹槽15。板11在每个凹槽15的径向外端部具有入口17，通过该入口向第一旋流器1供应燃料。每个楔形件13在其一侧19的径向外端部具有孔21，通过该孔也向第一旋流器1供应燃料。多个安装孔23穿过楔形件13和底板11延伸。楔形件13较薄的径向内端部25从环形底板11的径向内边缘27向后设置，从而限定出直接从边缘27径向向外的环形凸部29。
第二旋流器5形式类似于第一旋流器1，并且包括环形底板31和多个楔形件33，该楔形件绕环形底板31周向间隔地设置，以在相邻楔形件33之间形成凹槽35。底板31上的楔形件33的高度与第一旋流器1中的底板11上的楔形件13高度相比减小了许多。多个安装孔37穿过楔形件33和底板31延伸。楔形件33的较薄的径向内端部39从环形底板31的径向内边缘41向后设置，从而限定出直接从边缘41径向向外的环形凸部43。
前室9是圆柱形状且具有内表面47。前室9与第二旋流器5整体形成。在此情况下，在前室9与第二旋流器5相接的位置，平滑的90°肩部49在前室9的内表面47和第二旋流器5的环形凸部43之间形成。
环形封闭板7包括多个安装孔45。
第一旋流器1、环形封闭板7和第二旋流器5(与整体形成的前室9一起)通过螺母和螺栓固定件利用旋流器1中的安装孔23、板7中的安装孔45和旋流器5中的安装孔37固定在一起。因而，板7的一侧形成第一旋流器1的每个凹槽15的壁，并且板7的另一侧形成第二旋流器5的每个凹槽35的壁。第一旋流器1的楔形件13与环形封闭板7的关系可从图8中看出。楔形件13的较薄的径向内端部25正好延伸至环形封闭板7的径向内边缘51。第二旋流器5的楔形件33与环形封闭板7的关系可从图9中看出。楔形件33的较薄的径向内端部39从环形封闭板7的径向内边缘51向后设置，从而限定出直接从边缘51径向向外的环形凸部53。
现在将描述燃烧设备的操作。
空气被供应到第一旋流器1的凹槽15的径向外端部，并且沿凹槽15大体径向地向内移动。燃料被供应到第一旋流器1的入口17和孔21，从而进入凹槽15并与沿凹槽15移动的空气混合。因而，第一旋流器1在环形区域内产生了燃料和空气的涡旋混合物，该环形区域直接从凹槽15的径向内端部径向向内，参见图8中的箭头55。该涡旋混合物沿设备轴向地移动，穿过环形封闭板7、第二旋流器5和前室9，到达燃烧室3，参见图10中的箭头57。
燃料/空气混合物的点燃通过点燃装置(未示出)实现，该点燃装置位于第一旋流器1的环形底板11的圆形开口内。在此情况下，燃烧设备包括置于如图1所示的设备左部的其他部件(未示出)，该部件具有占据环形底板11的圆形开口的面。点燃装置置于该面内。在由点燃装置点燃之后，燃烧是自持的(self-sustaining)。
空气还被供应到第二旋流器5的凹槽35的径向外端部，并且沿凹槽35大体径向地向内移动。因而，第二旋流器5在环形区域内产生了空气旋流，该环形区域直接从凹槽35的径向内端部径向向内，参见图4中的箭头59。该旋流在环形封闭板7的环形凸部53和第二旋流器5的环形凸部43之间打旋，经过环形凸部43和前室9的内表面47之间的90°肩部49，并沿前室9轴向地移动到燃烧室3，参见图10中的箭头61。
由第二旋流器5提供空气流的目的是在前室9的内表面47上提供空气膜，从而防止来自燃烧室3的燃烧火焰自己附着到内表面47而损坏前室9。通过第二旋流器5供应空气使得，在空气首先到达的内表面47的地方，也就是沿90°肩部49的位置，空气形成覆盖内表面47的连续空气膜。该连续特性是由于(i)环形凸部43的存在，该环形凸部43通过从第二旋流器5的边缘41向后设置楔形件33而形成；(ii)环形凸部53的存在，该环形凸部53通过从环形封闭板7的边缘51向后设置楔形件33而形成；以及(iii)第二旋流器5和前室9之间的90°肩部49的存在。
设计意图在于使来自第二旋流器5的空气流的速度，参见图10中的箭头61，尽可能地接近于来自第一旋流器1的燃料/空气混合物的速度，参见图10中的箭头57。以此方式，由于混合物流57导致的空气流61的扰动最小，从而使保护空气膜61的腐化最小化。
在上述设备中，空气保护膜设置在前室9的内表面上。应意识到此保护膜不必是空气，还可以是其它气体，例如二氧化碳。类似地，保护膜可以是气态燃料和空气的混合物，倘若所用的特定混合物(空气中的燃料的浓度)在存在于前室9中的条件下在前室9内表面的区域内不点燃。因而，可使用贫混合物(lean mix)，其中燃料的浓度在可发生点燃的浓度值之下，或可使用富混合物(rich mix)，其中燃料的浓度在可发生点燃的浓度值之上。事实上，在富混合物的情况下，燃料的浓度可以是100％，也就是没有空气存在。
在上述设备中，旋流器用于提供用来燃烧的燃料和空气的混合物。应意识到燃料/空气混合物可以由替代的装置提供，该装置能够提供足够均匀的燃料和空气混合物。
在上述设备中，旋流器用于供应空气来形成前室9的内表面上的保护膜。应意识到替代用具可用于此目的，倘若空气供应使得在空气首先到达的内表面的地方，空气形成覆盖该表面的大致连续的空气膜。
在上述设备中，第二旋流器5直接位于前室9之前。应意识到旋流器5可定位成部分地沿前室9的长度，使得仅关于旋流器5和燃烧室3之间的前室9剩余部分提供空气保护膜。此外，该设备可包括两个第二旋流器5，一个直接位于前室9之前，另一个定位成部分地沿前室9的长度。部分地沿前室9的长度定位的旋流器5于是提供保护空气以补充由直接位于前室9之前的旋流器5提供的保护空气。该补充空气将辅助保护旋流器5下游的前室9，该旋流器5定位成部分地沿前室的长度。
本发明在气体涡轮发动机中可得到特定应用。在上述设备的情况下，来自发动机的压缩机的压缩气体在第一旋流器1和第二旋流器5之间分配，大多数气体供应到第一旋流器1。
本发明在高速火焰的燃料燃烧中特别有用。当使用这样的燃料时，对于来自燃烧室的燃烧火焰，更大程度地倾向于反闪(flashback)回前室，并自己附着到前室的内表面。

Claims (10)

1、一种燃烧设备，其包括：用于混合燃料和氧化剂的装置；在其内发生所述燃料/氧化剂混合物燃烧的燃烧室；位于所述装置和所述燃烧室之间的前室；和用于向所述前室供应气体的用具，使得在所述前室的内表面上形成气体膜，从而防止所述燃烧室的燃烧火焰自己附着到该内表面而损坏所述前室，向所述前室的气体供应使得：在所述气体首先到达的所述前室内表面的地方，该气体形成覆盖该内表面的大致连续的气体膜。
2、如权利要求1所述的设备，其中用于供应气体的所述用具包括用于产生所述气体的旋流的旋流器，该气体旋流流过所述前室的内表面进入所述燃烧室。
3、如权利要求2所述的设备，其中所述旋流器包括多个用于引导所述气体的凹槽，所述凹槽设置成一圈并且大体地径向向内延伸。
4、如权利要求3所述的设备，其中所述旋流器包括环形底板和多个绕所述环形底板周向间隔设置的楔形件，以在相邻楔形件之间形成用于引导所述气体的所述凹槽，所述楔形件从所述环形底板的径向内边缘向后设置，从而限定出所述环形底板上的直接从所述径向内边缘径向向外的环形凸部。
5、如权利要求4所述的设备，还包括固定到所述旋流器的环形封闭板，使得所述环形封闭板的一侧形成所述凹槽的壁，所述楔形件从所述环形封闭板的径向内边缘向后设置，从而限定出在所述环形封闭板上的直接从所述环形封闭板的径向内边缘径向向外的环形凸部。
6、如权利要求4或5所述的设备，其中所述旋流器位于所述装置和所述前室之间，并且所述旋流器通过平滑的肩部与所述前室相接，所述肩部在所述旋流器的环形底板上的环形凸部和所述前室的内表面之间形成。
7、如权利要求1至3中任一项所述的设备，其中用于供应气体的所述用具位于所述装置和所述前室之间。
8、如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述装置包括用于产生燃料和氧化剂的涡旋混合物的旋流器，所述混合物沿所述前室进入到所述燃烧室。
9、如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述氧化剂是空气且所述气体是空气。
10、一种气体涡轮发动机，所述气体涡轮发动机包括如前述权利要求中任一项所述的设备，其中来自发动机压缩机的压缩气体在所述装置和用于供应气体的所述用具之间分配，大多数所述气体供应到所述装置。
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