用於燃燒燃料的方法和燃燒設備與流程

2023-06-01 14:06:41

本公開涉及特別是用於在燃氣渦輪發動機中燃燒燃料的方法。本公開進一步涉及特別適合執行該方法的燃燒設備。

背景技術：

與單級燃燒系統相比，軸向分級燃燒具有提高降速能力的潛力，即，促進部分負載特性，並且減少高負載下的氮氧化物排放。在軸向分級燃燒中，總燃料的一部分在第一燃燒級中燃燒。產生燃燒產物然後引導到第二燃燒級，並且另外的燃料和空氣或更一般而言氧化劑排到熱的燃燒產物流中，並且實現第二級燃燒。分級燃燒的關鍵設計參數是流體在第一級和第二級中的駐留時間。另一個關鍵設計參數是氧化劑在兩個級之間的分配。為了使降速能力大大增強到非常低的負載，必要的是能夠在使負載斜升時打開第二燃燒級，並且在負載斜降時關閉第二燃燒級。為了與單級噴燃器相比實現減少的氮氧化物排放，而且同時實現充分的燃料燃盡，以便避免一氧化碳和未燃燒的烴或其它未完全燃盡的燃料殘餘物排放，第二燃燒器級必須在比第一級更熱的情況下工作，而且第二級駐留時間必須至少在高負載下保持短。

us8,112,216公開了一種用於燃燒燃氣渦輪發動機中的燃料的方法和裝置，其中，燃料在第一燃燒級中燃燒，而且另一種燃料在渦輪上遊不遠處噴射到因此產生的燃燒產物中。該另一種燃料與來自第一燃燒級的燃燒產物一起燃燒。

技術實現要素：

本公開的目標是公開一種用於燃燒燃料的方法和用於執行該方法的燃燒設備。一方面，公開一種即使在非常低的燃燒負載下也展現良好的部分負載運行特性的方法和燃燒設備。低燃燒負載在這方面意味著在總當量比低的情況下執行方法和運行設備，即，整體上在非常稀薄狀況下執行燃燒過程。良好的部分負載運行特性包括沒有火焰熄滅趨勢的穩定燃燒和供應的燃料完全燃盡兩者，以便在部分負載下不排出大量不完全燃盡的燃料殘餘物，諸如例如一氧化碳和/或未燃燒的烴。同時需要限制在高負載下由於熱而形成氮氧化物。另一方面，本公開的目標是公開一種方法，其中可省略對空氣分配的控制，或更一般而言，對氧化劑分配的控制。從而，對方法和用於執行該方法的設備的控制可大大簡化。

在又一方面，公開一種方法和燃燒設備，它們特別適合在燃氣渦輪發動機的框架中使用。

這由權利要求1中描述的主題實現。

鑑於下面提供的公開，公開的主題的另外的效果和優點(不管是否明確提及)將變得明顯。

因此公開一種用於燃燒燃料的方法，方法包括提供氧化劑質量流，提供所述氧化劑質量流的第一氧化劑部分質量流，以及使第一氧化劑部分質量流中的燃料燃燒從而提供燃燒產物的質量流。將燃燒產物的質量流提供給導管，並且沿流向輸送通過所述導管。將第一補充流體的質量流排到所述導管中。方法進一步包括至少沿基本與流向對齊的排出方向排出第一補充流體的質量流，以便提供至少基本與燃燒產物流對齊的第一補充流體流，其中，選擇性地將第一補充流體提供為氧化劑和預混合燃料/氧化劑混合物中的一個。燃燒產物通常包括燃燒的燃料成分和殘餘氧化劑。

第一氧化劑部分質量流中的燃料在某些情況下可按本領域中已知的稀薄預混合燃燒來燃燒。

由於補充流體沿至少基本與燃燒產物的質量流的流向對齊的排出方向排出，所以將補充流體提供為導管內的流體層。在流體層和燃燒產物的質量流之間的交接部處的剪切力最大程度地減小。從而至少大大避免了補充流體和燃燒產物之間的混合，從而僅由於補充流體和燃燒產物的質量流之間的交接部處的殘餘剪切力和擴散效應而發生混合。如果將補充流體提供為預混合燃料/氧化劑混合物，則燃料將在補充流體的氧化劑部分中燃燒。因而局部燃燒溫度保持較高，從而確保有足夠高的溫度使燃料即使在低負載下也可完全燃盡。

特別地，在補充流體的質量流或補充流體的質量流中供應的氧化劑的質量流比與參與燃燒過程的總氧化劑質量流有關，也就是說，在補充流體的質量流或補充流體的質量流中供應的所有氧化劑質量流加上第一氧化劑部分質量流的總和不被主動控制，或者是恆定的。所述質量流比也稱為「第二級空氣分割」，或者更大體地說，「氧化劑分割」，這指的是當與總燃燒器氧化劑質量流有關時，沿軸向分級燃燒級中的第二燃燒級中排出的氧化劑的質量。也就是說，氧化劑不需要複雜的流體管理系統。要理解的是，氧化劑質量流大大超過燃料質量流，並且在燃氣渦輪發動機中可輕易地在幾百千克/秒的範圍中。

另一方面，方法可包括將另外的補充流體的至少一個另外的質量流排到導管中，其中，選擇性地將另外的補充流體提供為氧化劑和預混合燃料/氧化劑混合物中的一個，排出至少基本與流向對齊的至少一個另外的質量流，其中，相對於排出的第一補充流體的質量流沿側向偏移且跨越導管的流橫截面而排出至少一個另外的質量流，以便將補充流體的質量流提供為相應的補充流體的側向層化層。「側向」在這方面參照流體的流向。

要理解的是，被提供為補充流體或者在預混合燃料/氧化劑混合物中提供的氧化劑可特別地是氧化劑質量流的第二氧化劑部分質量流。但是，在可能的情況下，不要求對上面描述的燃燒過程提供整個氧化劑質量流。氧化劑可理解為包含適合在放熱反應中與燃料反應從而釋放熱的試劑的任何流體。氧化劑在特定實施例中可為空氣，並且更特別地可為由壓縮機提供的壓縮空氣，以及甚至更特別地可為由燃氣渦輪發動機的壓縮機提供的壓縮空氣。方法在這方面可包括在壓縮機(以及特別是燃氣渦輪發動機的壓縮機)中壓縮氧化劑，特別地空氣，以及將壓縮流體提供為氧化劑質量流。在此情況下要理解的是，氧化劑質量流的部分流可繞過本文描述的燃燒過程，例如為了實現冷卻目的等等。在其它情況下，氧化劑可為來自另一個燃燒過程的仍然富氧的或者更一般而言富含氧化劑的廢氣，或者包括該廢氣。要理解的是，不意於提供氧化劑的詳盡列表。

方法在其它方面可包括在燃燒所描述的燃燒過程中提供的任何燃料之後，將來自燃燒過程的整個質量流提供給燃氣渦輪發動機的膨脹渦輪。

在沿至少基本與燃燒產物流對齊且至少基本彼此對齊且此外相對於彼此沿側向偏移的排出方向排出補充流體的質量流時，至少基本避免了流快速地互相混合，從而將各個補充流體流提供為層，並且將多個補充流體流提供為層化層。如將容易地認識到的那樣，沿側向偏移在這方面表示相對於排出方向沿側向，使得補充流體的質量流在流橫截面上彼此不交迭。

在另一方面，方法可包括排出另外的補充流體的至少兩個另外的質量流，其中，相對於第一補充流體流有不同側向偏移且跨越導管的流橫截面而排出各個另外的質量流，以便將補充流體的質量流提供為相應的補充流體的側向層化層。這隱含地陳述了補充流體的各個質量流彼此沿側向偏移地排出，使得補充流體的兩個質量流在流橫截面上彼此不交迭。在更特別的實施例中，另外的補充流體的各個層設置成沿側向鄰近補充流體的至少一個其它層。

由於所有補充流體都沿至少基本與燃燒產物的質量流的流向對齊且進而彼此對齊的排出方向排出，所以將補充流體提供為導管內的流體層。在流體層本身之間和流體層和燃燒產物的質量流之間的交接部處的剪切力最大程度地減小。從而至少大大避免了補充流體的不同層化層之間和各個補充流體層和燃燒產物之間的混合。僅由於所述交接部處的殘餘剪切力和擴散效應而發生混合。如果將補充流體提供為預混合燃料/氧化劑混合物，則燃料將在補充流體的氧化劑部分中燃燒。從而局部燃燒溫度保持較高，從而確保足夠高的溫度使燃料即使在低負載下也可完全燃盡，以便避免或至少大大減少來自燃燒過程的未完全燃盡的燃料殘餘物的汙染物排放。

在某些實施例中，方法可包括在沿著流向的不同的位置處排出補充流體的各個質量流。這在燃料/氧化劑混合物排出時，允許影響燃料或反應劑分別在燃燒區中的駐留時間，這取決於燃燒裝置在合適位置處排出燃料/氧化劑混合物或許多燃料/氧化劑混合物時的熱負載。從而，可控制燃料的燃儘速率和熱引起的氮氧化物形成量。

以下段落涉及控制所描述的方法中的燃料分配。取決於燃燒設備運行時所處的熱負載，以及/或者燃氣渦輪發動機運行時所處的負載來執行所述控制。

將理解的是，熱負載在這方面要理解為對於質量流特定或燃燒量特定的熱負載，一方面，可認為它是對於質量流或燃燒量特定的熱釋放速率，進而與總燃料/氧化劑比或整個燃燒過程的當量比相互關聯。另一方面，如果將熱負載理解為描述燃燒狀況的參數，則在確定熱負載時需要將所提供的氧化劑的溫度考慮在內。例如當在燃氣渦輪發動機中執行燃燒過程時，在不同的壓縮機壓力比、周圍狀況等等下可發現類似的總當量比。這些可在很大程度上影響氧化劑的溫度。此外，熱負載可與提供給燃燒設備的所有氧化劑質量流的總和有關，或者包括在執行所描述的方法之中。而且，特別地，如果在燃氣渦輪發動機中執行方法，則所述總燃燒氧化劑質量流可取決於燃氣渦輪發動機的負載，如果例如可變入口導葉位置改變的話。

從而要理解的是，在其中執行方法的燃燒設備的兆瓦級熱負載和燃氣渦輪發動機的兆瓦級功率輸出可能都不足以表現燃燒過程的狀況。從而知道使例如總當量比或燃氣渦輪功率輸出與另外的有影響的數據相關且從而形成描述例如燃燒設備的熱負載或燃氣渦輪發動機的負載狀態的負載參數，以便控制燃料分配，負載參數又指示內燃機的熱負載。本領域技術人員將能夠輕易地確定合適負載參數或一組合適負載參數來控制燃燒設備的運行。

當本文公開的方法在合適燃燒設備中執行，且燃燒設備以不同的熱負載運行時，方法可包括當燃燒器以熱負載參數的第一閾值運行或者在第一閾值以下運行時，將補充流體的各個質量流提供為氧化劑的質量流，而且當燃燒設備在熱負載參數的第一閾值以上運行時，將至少一個補充流體的質量流提供為預混合燃料/氧化劑質量流。

從而，如果燃燒設備以低熱負載運行，也就是說，總燃料/氧化劑當量比低，則燃料僅提供給第一氧化劑部分質量流且在第一燃燒級中燃燒。從而，當燃燒第一氧化劑部分質量流或第一燃燒級中的燃料時，可提供足夠的當量比。從而實現第一氧化劑部分質量流中的燃料的穩定且完全燃燒，從而實際上使得在燃燒產物的質量流中不存在一氧化碳和/或其它未完全燃盡的燃料殘餘物。在第一閾值負載以上，總燃料質量流的一部分轉移到至少一個補充流體。從而，可有效地限制由於第一氧化劑部分質量流中的燃料燃燒而使得熱引起氮氧化物形成。將補充流體中的燃料提供為預混合燃料/氧化劑混合物，並且特別地提供為低於化學計量的稀薄預混合燃料/氧化劑混合物。選擇閾值負載，使得來自第一氧化劑部分質量流中的燃料燃燒的燃燒產物的溫度足夠高，以允許預混合燃料/氧化劑混合物由於所述溫度而自燃，同時仍然使在第一氧化劑部分質量流中的燃料燃燒之後使得熱引起的氮氧化物形成量保持處於可接受的低水平。作為一個實例，一個所述溫度可為至少大約1800k。這個預混合燃料/氧化劑混合物因此在接觸兩個流之間的交接部處的燃燒產物時將同時點燃。要注意的是，燃料/氧化劑混合物排出，以便避免與其它流體快速混合，並且從而在空間上限制由燃料/氧化劑混合物提供的燃料燃燒。從而，預混合混合物的燃燒溫度保持足夠高，以確保預混合燃料完全燃盡，並且從而避免有未完全燃燒的殘餘物。由於預混合燃料/氧化劑混合物的燃燒，熱引起的氮氧化物形成量從另一方面來說較低。

同樣，當方法執行為燃燒燃氣渦輪發動機中的燃料時，方法可包括使燃氣渦輪發動機以燃氣渦輪發動機的不同負載運行，當燃氣渦輪發動機以燃氣渦輪發動機的第一負載運行或者在第一負載以下運行時，將補充流體的各個質量流提供為氧化劑的質量流，以及當燃氣渦輪發動機在燃氣渦輪發動機的第一負載以上運行時，將至少一個補充流體的質量流提供為預混合燃料/氧化劑質量流。好處將與上面那些類似。

方法可根據另一方面包括當燃燒設備和/或燃氣渦輪發動機以負載參數的相應的閾值運行或者在閾值以下運行時，將補充流體提供為氧化劑，以及當燃燒設備和/或燃氣渦輪發動機以負載參數的相應的閾值運行或者在閾值以上運行時，將補充流體提供為預混合燃料/氧化劑混合物。要理解的是，如果補充流體的多個質量流排到燃燒產物的質量流中，則閾值負載對於各個補充流體質量流可為不同的。從而實現下者：被提供為預混合燃料/氧化劑混合物的補充流體的數量隨著燃燒設備的熱負載和/或氣渦輪發動機的負載燃的增加而逐步增加，以及隨著負載的減小而減小。改變被提供為燃料/氧化劑混合物的補充流體質量流的數量可用來使預混合燃料/氧化劑混合物的當量比保持在容許範圍內，該容許範圍允許實現所提到的低氮氧化物形成和燃料完全燃燒的效果。

相應的補充流體在燃燒產物流的越下遊排出，可將負載參數的相應的閾值選擇得越高。從而，隨著負載增加，補充流體中的燃料燃燒產物流的越下遊的位置排出，並且因此越接近在補充流體中提供的燃料在其中燃燒的第二燃燒區的下遊端。進而，隨著負載增加，反應劑在燃燒區中的駐留時間減少，從而支持具有低氮氧化物形成的燃燒。另一方面，隨著負載減小，反應劑在燃燒區中的駐留時間增加，從而支持燃料完全燒盡。

將容易地理解，用於控制將補充流體的質量流提供為氧化劑(也就是說，其中未提供燃料的純氧化劑)或者燃料/氧化劑混合物的控制負載參數的閾值可為不同的，以從氧化劑變成燃料/氧化劑混合物，而非反過來。特別地，與當負載斜升時，使氧化劑轉變成燃料氧化劑相比，當負載斜降時，從燃料/氧化劑變成氧化劑可在更低的閾值下實現。這種控制滯後現象以眾所周知的方式提高控制穩定性。

在某些實施例中，將參與方法或相應地提供給燃燒設備的總燃燒氧化劑質量流(即，第一氧化劑部分質量流加上補充流體的所有質量流中提供的所有氧化劑質量流的總和)的40%至60%，在具體示例中，至少大約50%，提供為第一氧化劑部分質量流。在具體實例中，可在燃燒產物的流向上的三個不同的排出位置處提供補充流體流。流向上的位置對燃料和燃料殘餘在燃燒區中的駐留時間有影響。補充流體在越下遊排出，駐留時間越短。在更具體的實施例中，20%至30%的總燃燒氧化劑質量流可在第一最上遊排位置處排出，在更具體的實施例中，可為至少大約25%。隨之排出的燃料的燃燒駐留時間可為例如7微秒。10%至20%的總燃燒氧化劑質量流可在布置在第一排出位置下遊的第二中間排出位置處排出，在更具體的實施例中，可為至少大約15%。隨之排出的燃料的駐留時間可為例如5微秒。5%至15%的總燃燒氧化劑質量流可在第三最下遊排出位置處排出，在更具體的實施例中，可為至少大約10%。隨之排出的燃料的駐留時間可為例如3微秒。

在某些實施例中，補充流體在較接近導管的壁的地方，在更下遊排出。可提供在更下遊排出的補充流體流，以包圍在更上遊排出的流。在上面提供的示例中，可提供在流向上的第一排出位置處排出的補充流體作為中心排出流。中心第一排出流可被在流向上的第二位置處排出的第二排出流包圍。第二排出流進而可被在第三最下遊位置處排出的第三排流包圍。

可按比例分配第一氧化劑部分質量流中的在第一燃燒級中燃燒的燃料，使得在將燃料添加到補充流體的任何質量流之前，燃燒產物的溫度達到至少大約1800k，以確保在補充流體中提供的燃料自發地自燃。當在補充流體中提供燃料時，可控制第一氧化劑部分質量流中的在第一級中燃燒的燃料質量流，以便使相應的燃燒產物的溫度保持至少大致恆定在所述1800k。要理解的是，作為方法的產物的最終熱氣體流的溫度超過第一級燃燒產物的所述溫度。

另一方面，公開一種特別適合執行上面描述的方法的燃燒設備。燃燒設備包括第一燃燒級或區，以及提供為接收來自第一燃燒級的燃燒產物的導管。提供燃料/氧化劑預混合裝置。燃料/氧化劑預混合裝置在其排出端處與導管中提供的排出設備處於流體連通，其中，排出設備布置和構造成將接收自燃料/氧化劑預混合裝置的流體排到導管中的燃燒產物流中，並且使其至少基本與燃燒產物流的流向對齊。要理解的是，可提供不止一個排出燃料/氧化劑預混合裝置，它們各自與至少一個排出設備處於流體連通。各個排出設備與一個預混合裝置處於流體連通，以便僅排出接收自一個預混合裝置的流體。當燃料提供給預混合裝置時，由相應的排出設備排出的流體是燃料/氧化劑混合物。如果燃料未提供給預混合裝置，則在相應的排出設備處排出的流體僅僅是氧化劑。要進一步理解的是，尤其是在提供了排出設備的區域及其下遊，形成第二燃燒級或燃燒區。

在某些實施例中，燃燒設備可包括至少一個另外的燃料/氧化劑預混合裝置，其中，另外的燃料/氧化劑預混合裝置在其排出端處與導管中提供的另外的排出設備處於流體連通。另外的排出設備布置和構造成將接收自另外的燃料/氧化劑預混合裝置的流體排到導管中的燃燒產物流中，並且使其基本與燃燒產物流的流向對齊。各個排出設備設置和構造成排出相對於從互相排設備中排出的流體在導管的通流橫截面上沿側向偏移的相應的流體，使得特別地提供來自排出設備的排出流，而在導管的通流橫截面上無交迭。與不同的燃料/氧化劑預混合裝置處於流體連通的排出設備在更具體的實施例中可設置在導管中，在導管的通流方向上相互偏移。

進一步公開一種燃氣渦輪發動機，它包括上面描述的至少一個燃燒設備。在某些方面，可在膨脹渦輪入口的附近和上遊提供至少一個流體排出裝置。

要理解的是，上面公開的特徵和實施例可彼此結合。將進一步認識到，在本公開和聲明的主題的範圍內可想像得到另外的實施例，它們對於本領域技術人員來說是明顯和顯而易見的。

附圖說明

現在通過附圖中顯示的示例性實施例來更詳細地解釋本公開的主題。附圖顯示

圖1是燃燒設備的圖示，它示出了上面公開的方法在低負載下執行；

圖2是燃燒設備的圖示，它示出了上面公開的方法在低中間負載下執行；

圖3是燃燒設備的圖示，它示出了上面公開的方法在高中間負載下執行；

圖4是燃燒設備的圖示，它示出了上面公開的方法在高負載下執行；以及

圖5是定性地顯示參與燃燒的不同流體的燃料/氧化劑比的示例性過程的曲線圖。

在理解的是，附圖是示意性的，而且為了方便理解和描繪，可能已經省略了不需要用來實現指導目的的細節。要進一步理解的是，僅僅顯示了挑選出來的示例性實施例，但未顯示的實施例仍然可在本文公開和/或聲明的主題的範圍內。

部件列表

1燃燒設備

11第一燃燒級

12噴燃器

13火焰

14導管

15火焰

16火焰

17火焰

101第一氧化劑部分質量流

102燃料的質量流

103燃燒產物、燃燒產物的質量流

104補充流體、補充流體的質量流

105補充流體、補充流體的質量流

106補充流體、補充流體的質量流

107廢氣質量流

114補充流體層

115補充流體層

116補充流體層

far燃料/空氣比、燃料/氧化劑比

far11第一燃燒級的燃料/空氣比、燃料/氧化劑比

far104補充流體104的燃料/空氣比、燃料/氧化劑比

far105補充流體105的燃料/空氣比、燃料/氧化劑比

far106補充流體106的燃料/空氣比、燃料/氧化劑比

p燃氣渦輪發動機的負載參數、相對負載。

具體實施方式

執行本公開的教導的示例性模式

通過在圖1至4中顯示的示例來詳細地標明上面公開的用於燃燒燃料的方法和適合執行該方法的示例性燃燒設備。燃燒設備1大體包括第一燃燒級11。一般噴燃器12設置成與第一燃燒級11處於流體連通且在第一燃燒級11的上遊。噴燃器12可為任何本領域技術人員已知的類型，諸如(但不限於)任何類型的擴散噴燃器或預混合噴燃器，例如(但不限於)ep321809、ep780629、wo93/17279或ep945677中公開的。從而噴燃器12的圖示要理解為象徵性的，並且大體來說，可應用適合接收氧化劑和燃料和準備可燃燃料/其氧化劑流的任何裝置。提供氧化劑質量流。所述氧化劑的第一部分質量流101，例如來自燃氣渦輪發動機的壓縮機的壓縮空氣，提供給噴燃器12。另外，燃料102的質量流提供給噴燃器12。可燃燃料/氧化劑流燃燒，如火焰13示出的那樣。產生燃燒產物的質量流103，並且它沿大體由在燃燒設備1內部的下遊的103處的箭頭指示的流向流動且由導管14接收。在導管14內，補充流體的質量流104、105和106排到導管14中。補充流體的質量流的排出一方面在燃燒產物103的質量流的流向上實現沿軸向分級。補充流體質量流104在補充流體質量流105的上遊排出，補充流體質量流105又在補充流體質量流106的上遊排出。另外，補充流體的質量流以沿側向分級的方式實現排出，即，橫向於燃燒產物103流的方向分級，或者跨越導管14的流橫截面分級。也就是說，關於燃燒產物流，使補充流體的各個質量流相對於補充流體的其它質量流沿側向偏移，並且在補充流體的另一個質量流附近。在顯示的示例性實施例中，補充流體104的質量流在燃燒產物流的最上遊和導管14中的最深處或者最接近導管14的中心處排出，而補充流體106的質量流則在燃燒產物流的最下遊和最接近導管14的壁的地方排出。補充流體105的質量流在它們之間沿流向排出且橫向於該流向排出。為了在導管14的內部區域中排出補充流體的質量流104和105，例如可提供合適的管道系統作為排出設備。補充流體的質量流106可通過例如管道系統排出，或者通過孔口排出，例如導管14的壁中提供的沿周向布置的狹槽。可想像得到用於在導管14中的合適位置處排出補充流體的質量流的其它設備。大體上，可發現能夠排出導管內的補充流體的質量流的具有下面闡述的排出特性的任何設備都是合適的。但是，排出設備必須能夠經受住燃燒產物103流的溫度。另外，沿排出方向排出的補充流體的質量流至少基本與燃燒產物流對齊且定向在燃燒產物流的下遊。此外，沿至少基本彼此對齊且平行的方向提供排出的補充流體的質量流。從而，至少大大避免補充流體質量流之間或補充流體的質量流之間有快速的相互混合，而且它將僅在相應的排出設備的下遊較遠處發生。從而，形成補充流體的層化層114、115和116。下遊導管14廢氣質量流107從導管14排出。不言而喻，質量流107是提供給導管14的所有質量流的總和，即，燃燒產物的質量流103加上補充流體的所有質量流104、105和106的總和。另外，廢氣質量流107還可包括冷卻劑。廢氣質量流107例如可導引到燃氣渦輪發動機的膨脹渦輪，或者其中需要熱流體流的另一個裝置。

如上面提到的那樣，燃燒設備1包括具有至少一個噴燃器12的第一燃燒級11，以及接收來自第一燃燒級11的燃燒產物流的導管14。注意，可提供多個(至少兩個)噴燃器和/或第一燃燒級，以對導管提供燃燒產物103的共同質量流。同樣，由單個噴燃器提供或者由第一燃燒級或第一燃燒級中的許多(即，至少兩個)噴燃器共同提供的燃燒產物質量流可分配給許多(即，至少兩個)導管14，其中補充流體排到導管內部的燃燒產物流中。例如，第一燃燒區可由燃氣渦輪發動機的傳統燃燒室提供。可在燃氣渦輪發動機的膨脹渦輪的上遊提供配備有適合將補充流體排到燃燒產物流中的器件的環形導管或環形分配導管。在導管中提供用於排出補充流體的質量流104、105和106的排出設備，其中，「在導管中」在這方面還可表示在導管壁處提供，以便將流體排到導管中。如注意到的那樣，排出設備的具體結構在本公開的框架內是無關緊要的，只要它們適合像本文公開的方法所要求的那樣排出補充流體的質量流即可。雖然為了簡單和清楚地描繪，未用參考標號指示排出設備，但由於對從其中排出的流104、105和106的描繪，它們的位置是非常清楚的。提供排出設備，它在導管14內的預期流向上相互偏移，並且它們布置成相互沿側向偏移，也就是說，在導管的通流橫截面中，或者，另一方面，提供排出設備來以相互沿側向偏移的方式排出補充流體的質量流。考慮到以下描述將變得明顯的是：燃料/氧化劑預混合裝置將補充流體的各個質量流提供給排出設備，使得可選擇性地將各個補充流體提供為氧化劑或預混合燃料/氧化劑混合物。各個燃料/氧化劑預混合裝置在其下遊端處與至少一個排出設備處於流體連通。特別地，各個排出設備與僅僅一個燃料/氧化劑預混合裝置處於流體連通。

當根據上面提到的本文公開的方法運行燃燒設備1時，燃料102的質量流供應給噴燃器12，並且在第一燃燒區11中與第一氧化劑部分質量流101一起燃燒。特別是在燃燒設備的低熱負載下，也就是說，在提供給燃燒設備1的較低的總燃料質量流下，提供補充流體的所有質量流104、105和106僅僅作為氧化劑，而不添加燃料。因此，提供給燃燒設備1的所有燃料在第一燃燒區11中燃燒，而且在第一氧化劑部分質量流101中燃燒。第一氧化劑部分質量流101可表示提供給燃燒設備1的50%或者大約50%的總氧化劑質量流。由於在這種情況下僅僅第一氧化劑部分質量流101參與實際燃燒過程，所以實際燃燒的當量比在較低的總燃料質量流下已經較高。從而，已經在低的部分負載狀況下實現穩定燃燒。燃燒溫度已經在低的部分負載狀況下達到燃料良好且完全燃盡的水平，從而使得實現不完全燃燒產物的排放低，諸如例如一氧化碳和未燃盡的烴。

將認識到，負載在這方面可理解為對質量流專有的熱負載，一方面，可認為它是對質量流專有的熱釋放速率，它與燃燒設備的總燃料/氧化劑比或當量比相互關聯。另一方面，如果將熱負載理解為描述燃燒狀況的參數，則在確定熱負載時必須考慮到所提供的氧化劑的溫度。在這方面可基於合適負載參數來對燃燒設備執行控制，考慮最相關的影響變量。例如當燃燒設備在燃氣渦輪發動機中運行時，可在不同的壓縮機壓力比下發現類似的總當量比，並且從而還可取決於燃氣渦輪發動機的負載參數來控制下面標明的運行模式。為了便於下面的描述，將在一般意義上參照「負載」。本領域技術人員將容易地能夠確定用於控制燃燒設備的運行的合適負載參數或一組合適負載參數。

隨著負載升高，同時燃料僅僅作為燃料質量流102供應給噴燃器12，而提供補充流體的質量流104、105和106作為純氧化劑，其中沒有燃料，並且從而燃料僅在第一燃燒區11中燃燒，火焰13和燃燒產物103的質量流的溫度會升高。這可使得熱引起的氮氧化物形成量大大增加，以及使得燃燒設備的汙染物排放大大增加。從而，在某些閾值負載以上，對補充流體的質量流104添加燃料。從而提供補充流體的質量流104作為預混合燃料/氧化劑混合物。在這方面參照圖2。包含在質量流104中的氧化劑質量流可佔提供給燃燒設備的總氧化劑質量流的大約25%或者至少大約25%。作為預混合燃料氧化劑質量流提供的補充流體的質量流104將在接觸到來自第一燃燒級的熱燃燒氣體之後自燃且在火焰15中燃燒，以及/或者在火焰15的下遊燃燒。特別地，當提供稀薄預混合燃料/氧化劑混合物時，熱引起的氮氧化物形成量相當低。由於來自第一燃燒級11的已經熱的燃燒產物103的原因，預混合燃料/氧化劑混合物將在關於預混合當量比的大範圍內可靠地燃燒。補充流體的質量流104在最上遊導管14處排出，並且從而燃料或相應地燃料殘餘物在導管14中的駐留時間足夠高，以允許其中提供的燃料完全燃盡。可控制燃料質量流102，以使第一燃燒級11中的當量比至少保持基本恆定。在另一個實施例中，可控制燃料質量流102，以使第一級燃燒產物的溫度至少保持基本恆定，例如保持在1800k的範圍中，或者保持至少大約1800k。這個溫度水平確保任何燃料/氧化劑預混合流的可靠自燃物排到第一級燃燒產物流103中，同時第一燃燒級中的熱引起的氮氧化物形成量仍然保持處於可接受的水平。

提供為補充流體的質量流104的燃料/氧化劑混合物越多，就將產生越多氮氧化物。從而，由於負載參數超過另一個閾值水平，所以還將提供補充流體的質量流105作為稀薄預混合燃料/氧化劑混合物。包含在補充流體質量流105中的氧化劑質量流可佔提供給燃燒設備的總氧化劑質量流的大約15%或至少大約15%。補充流體的質量流105排到導管14中，以便在由質量流104形成的流體層114附近形成流體層115。如圖3中示出的那樣，提供為補充流體質量流105的燃料/氧化劑混合物自燃，並且其中包含的燃料在火焰16中燃燒，並且在火焰16的下遊燃燒。如果合適的負載參數仍然超過另一個閾值，則還提供補充流體的質量流106作為預混合燃料氧化劑混合物。包含在補充流體質量流106中的氧化劑質量流可佔提供給燃燒設備的總氧化劑質量流的大約10%或至少大約10%。如圖4中示出的那樣，提供為補充流體質量流106的燃料/氧化劑混合物自燃，並且其中包含的燃料在火焰17中燃燒，並且在火焰17的下遊燃燒。

在考慮提供給燃燒設備的總氧化劑質量流時，自然地，這還考慮到參與產生提供給燃燒設備的燃燒產物質量流的氧化劑部分質量流。

在選擇性地將燃料提供給相應的預混合裝置或不提供給相應的預混合裝置時，可選擇性地提供補充流體的質量流104、105和106中的各個作為純氧化劑或預混合燃料/氧化劑混合物。可想像得到，在補充流體的各個質量流中提供的預混合燃料質量流的相互比是恆定的，如果提供所述補充流體作為燃料/氧化劑混合物的話。這使得能夠對燃燒設備提供僅一個預混合燃料控制閥，而且對於單獨的預混合裝置，僅需要提供關閉閥。

如通過關於圖1至4的以上說明而變得明顯的那樣，在越下遊對導管14提供額外的燃料，用於啟動燃料供應的負載閾值就越高。導管14中的溫度沿下遊流向升高。進而，預混合燃料或從中產生的燃燒產物的駐留時間越短，用於啟動燃料供應的閾值負載值就越高。換句話說，燃燒溫度越高，駐留時間就越短。一方面，這使得燃料能夠完全燃盡，然後產生的廢氣質量流107在導管14的下遊端處排出，而在另一方面，熱引起的氮氧化物形成量受到限制。

從而公開的層化軸向分級燃燒的方法提供在較大負載範圍內具有低汙染物排放的燃燒過程，而且進一步展現優良的部分負載運行特性，並且因此提供良好的降速比。

雖然用在下遊方向上的加寬的橫截面顯示導管14，以便適應升高的質量流和溫度，但可想像得到這樣的實施例：其中導管設有恆定流橫截面，從而使得以加速流執行方法。

圖5顯示示例性燃料/氧化劑，或者在具體示例中，不同的燃料/氧化劑流燃料/空氣比far與燃氣渦輪發動機的相對負載p的定性過程。未按比例顯示縱軸，即豎軸，因為僅示出不同燃燒級的燃料/空氣定量的相對變化。如變得明顯的那樣，在低負載下，燃料僅供應給第一燃燒級11。在某些閾值負載下，燃料提供給補充流體的質量流104，同時第一燃燒級的燃料/空氣比far11逐漸減小，並且在該負載下進一步保持恆定。在這方面，在第一燃燒級11中的第一氧化劑部分質量流中燃燒的燃料提供基本負載，而在控制提供給補充流體流104、105和106的燃料的質量流時實現在超過大約10%的負載下的負載控制。補充流體質量流104、105和106中的燃料/空氣比far104、far105和far106增大到產生的氮氧化物開始變得不能接受的值。在較高的負載下，燃料因此提供給補充流體的連續質量流。在大約10%的相對負載下，當對質量流補充流體105添加增加的燃料質量流時，補充流體104的質量流的燃料空氣比far104增大到大約20%的相對負載。燃料/空氣比far104逐漸減小，並且/或者在較高的負載下保持恆定。補充流體105的質量流的燃料/空氣比far105增大到某個水平。為了進一步增加負載，對補充流體106的質量流提供燃料，並且相應的燃料/空氣比far106增大到燃氣渦輪發動機額定功率。在大約80%的相對負載和100%的相對負載之間，燃料/空氣比far106大致是恆定的。這是因為燃氣渦輪發動機有開度可變的入口導葉，這會導致空氣品質流增加。從而，雖然燃料質量流增加，但燃料/空氣比在這個負載範圍中保持大致恆定，或者實際上經歷略微減小，因為壓縮機壓力比增加，並且因此燃燒空氣的溫度升高，這允許燃燒較少燃料而達到某個燃燒溫度。定性地說，在不同的合適負載參數時將進行相似觀察。可容易地理解的是，這些觀察可輕易地推廣到燃料/氧化劑比，而非更具體的燃料/空氣比。

雖然已經通過示例性實施例來公開了本主題，但要理解的是，這些決不意於限制聲明的發明的範圍。將理解的是，權利要求覆蓋本文未明確顯示或公開的實施例，而且不偏離在執行本公開的教導的示例性模式中公開的那些的實施例仍然由權利要求覆蓋。