CN101644436A - 具有坑状燃料喷射部位的燃气涡轮机预混合器 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃气涡轮机燃烧器的预混合器，包括：涡旋式喷嘴(12)，其包含多个通过预混合器将涡旋速度传递给空气流的转向叶片(14)；至少一个燃料喷射部位(16)，其使燃料与预混合器中的空气流混合。该燃料喷射部位在坑状孔(32)中终止。该坑状孔提高了混合效率且增加了逆燃/火焰稳定阻力。

Description

具有坑状燃料喷射部位的燃气涡轮机预混合器
技术领域
本发明一般地涉及燃气涡轮机中的混合效率以及提高的逆燃/火焰稳定阻力，尤其是涉及用于燃气涡轮机燃烧器的包括坑状燃料喷射部位的预混合器。
背景技术
在现有的用于燃气涡轮机燃烧器的预混合器中，燃料喷射流从燃料柱或旋流叶片流出并使人想起横流中的喷射流。燃料喷射流通常具有与它们相关联的相对较大的伴流区。燃料喷射流经由湍流状旋涡流得以在预混合器通道内混合，并通过燃料的演化喷入相连的旋涡结构。这种混合的大部分发生在喷射部位的下游。
预混合器效率是重要的设计问题，因为NOx的排放直接依赖于混合度的水平。
发明内容
在示例性实施例中，用于燃气涡轮机燃烧器的预混合器包括：涡旋式喷嘴，其包括多个影响通过预混合器的空气流速度特征的直的或转向叶片；以及至少一个燃料喷射部位，其使燃料能够在预混合器中与空气流混合。该燃料喷射部位终止于坑状孔中。
在另一个示例性实施例中，提供了一种用于提高燃气涡轮机燃烧器中的逆燃和火焰稳定阻力的方法，该方法包括在预混合器中的燃料喷射部位的空气流端形成至少一个坑状孔的步骤。
在另一个示例性实施例中，用于燃气涡轮机燃烧器的预混合器包括：涡旋式喷嘴，其包括多个影响通过预混合器的空气流速度特征的直的或转向叶片；多个燃料喷射部位，其使燃料能够在预混合器中与空气流混合；以及坑状孔，其在至少一个所述转向叶片表面上的至少一个所述燃料喷射部位的末端形成。
附图说明
图1是用于燃气涡轮机燃烧器的预混合器的透视图；
图2是终止在坑状孔中的燃料喷射部位的横断面视图；以及
图3图示了使用坑状孔与传统的直孔相比较的混合特征。
部件列表：
10燃气涡轮机预混合器      14直的或转向叶片
11轮毂                    16燃料喷射部位
12涡旋式喷嘴              30柱形燃料孔
13叶冠                    32坑状孔
具体实施方式
图1是燃气涡轮机预混合器10的透视图。典型的预混合器10具有涡旋式喷嘴12，该涡旋式喷嘴12开始于轮毂11且在叶冠13终止，涡旋式喷嘴12包含一组直的或转向叶片14，该叶片14可对通过预混合器10的空气流增加涡旋速度。涡旋运动增强了混合并提供了燃烧器内下游的火焰稳定。燃料喷射部位16也典型地在转向叶片14中形成，具有传统地位于预混合器轮毂径向之内的燃料输送通道，还包括在转向叶片的孔穴。
已然发现，燃料喷射部位终止端处的坑状孔用来提高局部和整体混合效应。图2是燃料喷射部位的横断面视图，该燃料喷射部位包括终止于在邻近通过预混合器10的空气流的表面中形成的坑状孔32的柱形燃料孔30。坑状孔可通过任何多数的可接受的制造过程(包括，例如任何形式的标准或激光钻孔、电火花加工(EDM)、铸造等等)结合到燃烧器预混合器中。
根据本发明内容，用语“坑状孔”指的是比燃料孔30大的任何开口或孔，燃料通过燃料孔30被注入到空气流中。坑状孔32能够以形状和取向的任何组合形式形成，且坑的大小和深度也可以变化。此外该用语意指包括可用来代替或与离散坑结合的二维坑或沟设计。坑或沟32的深度优选地在0.5D至1.5D范围内，这里D是孔30的直径(也就是，内部喉部直径、非表面占地面积直径)。坑的有效平均直径优选地在1.5D至3D范围内。有效的平均直径是对于实际面积的等效圆形直径，与该区域外形无关。在沟的结构中，沟宽度优选地在1D至3D范围内。在这种沟结构下，如果孔30的轴线是沿沟的纵向方向取向的，那么1D的宽度是可能的。
坑或沟32相对于孔30的布置应该优选地满足：孔的下游边缘和坑边缘之间的距离是在0至1D范围内。在本文中，“下游”是按照燃料喷射流喷射的方向来定义的。在沟的结构中，如果孔30是沿沟长度取向的，那么这个范围是不合理的，或趋于无穷大。然而该配置是有利的，尤其是易于制造。当孔30的轴线取向成横向于沟的纵向方向时，优选地应用0至1D范围。
注意到，坑32的形状可从圆形到线形沟变化，且所有的相邻孔30之间的变化，优选地相邻孔30之间的距离不多于3D。如果孔相邻间距多于3D，那么坑外形可在有效平均直径范围的限制下从圆形到椭圆形、正方形、长方形等变化。沟的外形可从线形到锯齿或周期性边缘配置进行变化，优选地也具有仍然按照推荐值的宽度范围。
燃料通过柱形燃料孔30注入通过任何多数的坑状孔32，这里该数量以及坑状孔形状和取向的组合是变化的，目的是为了在不牺牲火焰稳定余地或压力降的情况下获得增长的混合速率。相对于空气流的燃料喷射方向也可以变化。通过使用坑状孔以预混合，极大地提高燃料的横向扩展(混合)。更短的混合距离致使更短的燃烧长度，从而减少停留时间。结果，坑状孔充当用于减少NOx排放的设备。坑状孔也允许了将燃料放置在邻近预混合器表面处，这提供了邻近预混合器表面处的浓混合物。浓混合物提供了增强的逆燃/火焰稳定阻力。
坑状燃料孔32可形成在转向叶片14的表面上或形成在预混合器内的任何燃料喷射部位上(见图1)，包括相连轮毂11或叶片叶冠13。通过坑状燃料孔，燃料喷射流在主流喷射之前允许膨胀至表面凹地中。该膨胀，联合燃料流和表面凹地唇缘的相互作用，引起增强的混合，导致更低的NOx排放，这是现代燃气涡轮机燃烧器的主要设计目的之一。
图3示出了通过直孔进入空气流的燃料喷射部位与包括坑状孔的燃料喷射部位之间的比较。如图3所示，坑状孔降低了射流穿透和伴流效应，这导致逆燃/火焰稳定阻力增长。坑状孔也有助于减少总的燃料供应压力或压力比，从而帮助缓解燃烧动力。从图3能清楚看到的是，坑状孔提供了燃料在预混合室内的增加的横向扩展，这导致更短的混合距离和停留时间。对于增强的混合，就坑状孔所进行的测试表明喷射(燃料)的横向扩展是没有坑的两到三倍。
坑状燃料孔也可形成为可轻易拆卸及安装的特征，其可以在整个燃烧器设计中应用，以及还可以基于按需、当在现有的燃烧器中出现火焰形成问题时而使用。
通过形成坑状孔为燃料部位的一部分，可获得燃料与空气流的更快速和完全的混合。该结构也减少横流(穿透和伴流)效应中的喷射流而仍保持高水平的混合度以及因此保持高水平的预混合器效率。通过减少横流效应中的喷射流，可在邻近预混合器(转向叶片)表面处保持浓混合物。也减少了喷射器下游侧的再回流区域。邻近壁的更浓混合物和低速区域的减少倾向于增加逆燃/火焰稳定阻力。
虽然本发明已经结合当前被认为是更实践的和优选的实施例进行了描述，应该理解的是，本发明不限于所公开的实施例，相反地，本发明意图覆盖不同的修改和包括在附加权利要求精神和范围内的等效布置。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮机燃烧器的预混合器，所述预混合器包括：
涡旋式喷嘴(12)，其包含多个直的或转向叶片(14)，其影响通过所述预混合器的空气流的速度特征；以及
至少一个燃料喷射部位(16)，其使燃料能与空气流在预混合器中混合；其中所述至少一个燃料喷射部位终止于坑状孔(32)中。
2.如权利要求1所述的预混合器，其特征在于，所述至少一个燃料喷射部位(16)置于所述转向叶片(14)中的一个转向叶片上。
3.如权利要求1所述的预混合器，进一步包括多个终止于相应坑状孔(32)中的燃料喷射部位(16)。
4.如权利要求3所述的预混合器，其特征在于，燃料喷射部位(16)的数量确定成用于获得增强的混合速率。
5.如权利要求3所述的预混合器，其特征在于，燃料喷射部位(16)的数量和坑状孔(32)的形状和取向的组合确定成用于获得增强的混合速率。
6.如权利要求3所述的预混合器，其特征在于，燃料喷射部位(16)的数量和坑状孔(32)的大小和深度确定成用于获得增强的混合速率。
7.如权利要求1所述的预混合器，其特征在于，燃料喷射方向相对于空气流方向变化以获得增强的混合速率。
8.一种用于提高燃气涡轮机燃烧器中逆燃和火焰稳定阻力的方法，该方法包括：在预混合器中的燃料喷射部位(16)的空气流端形成至少一个坑状孔(32)。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述至少一个坑状孔(32)通过标准钻孔、激光钻孔和电火花加工(EDM)中的一种形成。
10.一种用于燃气涡轮机燃烧器的预混合器，该预混合器包括：
涡旋式喷嘴(12)，其包含多个直的或转向叶片(14)，其影响通过所述预混合器的空气流的速度特征；
多个燃料喷射部位(16)，其使燃料能与空气流在预混合器中混合；以及
坑状孔(32)，其在至少一个所述转向叶片的表面上的至少一个所述燃料喷射部位的末端形成。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20100210