CN102112810A - 用于使燃料和空气混合的旋流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于混合燃料和空气的旋流器（1），包括布置在参考圆直径上的多个叶片（2），该多个叶片（2）与设置在所述叶片（2）的第一纵向端面（3）上的第一壁和设置在所述叶片（2）的相对的第二纵向端面（4）上的第二壁（6）一起形成流动通道。在该布置中，所述第一壁（5）中的至少一个喷射口（8）和所述第二壁（6）中的至少一个另外的喷射口通向流动通道（7）。所述旋流器的壁中的至少两个互相相对的喷射口的布置有利于所述流动通道（7）中的燃料的均匀分布，并因而确保所述空气与所述燃料的均匀混合。这导致燃料/空气混合物在燃烧器中的均匀且低NOx的燃烧。

Description

用于使燃料和空气混合的旋流器
技术领域
本发明涉及一种用于使燃料和空气混合的旋流器，该旋流器包括被布置在参考圆直径上的多个叶片，该多个叶片与设置在叶片的第一纵向端面上的第一壁和设置在叶片的相对第二纵向端面上的第二壁一起形成流动通道，第一壁具有通向流动通道的至少一个喷射口，流动通道以如下方式形成，即使得当空气从高压侧通过流动通道流到低压侧时与燃料混合。本发明还涉及一种燃烧器，特别是用于燃气涡轮机的燃烧器，该燃烧器具有如权利要求1所述的旋流器，本发明也涉及一种具有所述类型燃烧器的燃气涡轮机。
背景技术
环境保护是目前日益重要的关注点，不仅在政治方面而且在经济方面均为如此。许多政府已制定通过了与操作化石燃料燃烧系统有关的限制性环境条例。而且，对于运作环境友好的装置或者转变其现有系统的公司存在众多有利税率。
减少NOx排放物是化石燃料燃烧中起重要作用的一个因素。由于NOx排放物在1800度以上的燃烧温度时明显增多，因此所有减少措施的目的是将燃烧温度保持在该温度以下。基本上已知两种措施来实现该目的。在第一种措施的情况下，燃烧按亚化学计量燃烧，即，燃烧在过量空气的情况下发生。在此情况下，增大的空气质量确保热在燃烧室的反应区中被吸收，并由此将燃烧室中的温度限制到仅产生少量NOx的温度。
第二种NOx减少措施是将燃料和空气进行很好的混合，混合物然后喷射到燃烧室。空气/燃料混合物在燃烧之前掺合的越好，则在燃烧室中形成其中发生增大的燃料分馏的区域（热区）的可能性越低。该区域否则会导致燃烧室中局部温度增大，并因而导致NOx排放物的增多。
为了实现燃料和空气的良好混合，至今已使用根据权利要求1的前言所述的旋流器。这种类型的旋流器例如在EP1867925 A1中公开。该旋流器包括被布置在参考圆直径上的多个叶片，该多个叶片与设置在叶片的第一纵向端面上的第一壁和设置在叶片的相对的第二纵向端面上的第二壁一起形成流动通道。空气从位于外部的高压侧通过旋流器流到内部的低压侧。燃料通过两个壁之一中的以及叶片中的喷射口供应到流动通道。在该过程中，喷射的燃料与流过流动通道的空气混合，由此产生随后进入到燃烧室的燃料/空气混合物。
发明内容
本发明的目的在于实现空气/燃料混合物的进一步改进的混合。本发明的目的还在于提供一种燃烧器和一种具有这种燃料器的且具有低NOx排放物的燃气涡轮机。
该目的通过独立权利要求1的特征得以实现。
可单独使用或彼此组合使用的有利实施例和发展是从属权利要求的主题。
本发明的用于使燃料和空气混合的旋流器，包括被布置在参考圆直径上的多个叶片，该多个叶片与设置在所述叶片的第一纵向端面上的第一壁和设置在所述叶片的相对的第二纵向端面上的第二壁一起形成流动通道，所述第一壁具有通向相应的所述流动通道的至少一个喷射口，所述流动通道以如下方式形成，即使得所述空气在从高压侧通过所述流动通道流到低压侧时与所述燃料混合，其特征在于，所述燃料能够通过所述第二壁中的至少一个另外的喷射口被额外喷射到所述流动通道。由于所述第二壁中的额外的喷射口，实现了所述燃料在整个流动横截面上被更为均匀地喷射到所述流动通道。这即使在较短的流动路径的情况下也导致燃料/空气混合物的明显改进的混合。由于更好的混合，实现了在燃料/空气混合物的燃烧期间在燃烧室中所形成NOx的明显减少。
本发明的有利实施例所提供的是，在各个情况下彼此相对的喷射口被布置成相对于彼此轴向对准。通过这种方式能够实现，喷射到所述流动通道中的燃料喷流彼此碰撞，因而产生燃料/空气混合物的进一步改进。
本发明的另外的有利实施例所提供的是，额外的喷射口被设置在所述叶片中。这确保燃料/空气混合物在所述流动通道中的混合的进一步改进，并确保燃料/空气混合物的燃烧期间在所述燃烧室中额外的NOx减少。
优选地，所述第一壁中的所述喷射口被连接到至少一个第一环形通道，并且所述第二壁中的所述喷射口被连接到至少一个第二环形通道，燃料可通过所述第一和第二环形通道被供应到所述喷射口。该环形通道确保待喷射到各个喷射喷嘴的燃料的均匀分布。通过这种方式，在所有喷射口上实现均匀喷射，由此确保所述燃料在所述流动通道中的均质分布，并由此确保燃料/空气混合物在所述流动通道中的良好掺合。而且，由于不需要单独的供应管线通到所述喷射口，因而与实现旋流器有关的设计工作显著减少。紧凑设计还减少组装费用以及生产成本。
在此情况下，所述旋流器的所述第一和/或第二壁特别有利地分别是所述第一和第二环形通道的一部分。一方面，这可节省材料，另一方面，减少潜在泄露点的数量，因而提高操作可靠性。
所述旋流器另外的有利实施例所提供的是，所述第一和/或第二环形通道被具体实施为分离部件。环形通道的分离实施例提供的优点在于，环形通道能够更容易地适应不同的操作参数。
本发明还涉及一种燃烧器，特别是用于燃气涡轮机的燃烧器，其包括如权利要求1所述的旋流器。使用所述类型的用于燃烧器的旋流器由于低的燃烧室温度而实现低NOx的燃烧。
使用旋流器在燃气涡轮机的燃烧器的情况下特别有利，这是由于，在燃气涡轮机中，通常存在非常高的燃烧温度，并且因而出现增多的NOx排放物。
本发明还涉及一种通过根据本发明的旋流器使空气和燃料混合的方法，所述方法包括步骤：通过外部入口将空气供应到所述流动通道中；通过设置在所述第一壁中和所述第二壁中的喷射口供应燃料；将所述燃料分布到所述流动通道的横截面上；在所述流动通道中使所述燃料和所述空气混合；通过内部出口从所述流动通道排出燃料/空气混合物；通过旋流器出口将所述燃料/空气混合物供应到燃烧器的燃烧室。
由于所述燃料通过所述第一壁中和所述第二壁中的喷射口供应，所述方法实现燃料在所述流动通道的整个横截面上更为均质的分布。燃料的均质分布实现燃料和空气的更好混合，并因而确保低NOx的燃烧。
根据本发明的所述方法的有利实施例所提供的是，在通过所述第一壁中和所述第二壁中的所述喷射口供应所述燃料的同时，燃料通过所述叶片中的喷射口被供应到所述流动通道。
由于燃料通过所述叶片中的喷射口同时供应，在所述流动通道的横截面上实现燃料更为均质的分布。在此情况下，所述燃料能够从单侧通过一个叶片或从两侧通过两个叶片喷射到所述流动通道。
附图说明
以下参照示意图说明本发明的示例性实施例和进一步的优点。
图1显示根据本发明的旋流器上的透视俯视图。 
图2显示根据图1的本发明的旋流器的局部视图。
图3显示通过根据图1的本发明的旋流器的局部截面。
图4显示根据本发明的燃烧器的视图，该燃烧器具有根据图1的旋流器。
具体实施方式
在各个情况下，附图均是极为简化的示意图，其中仅显示对于描述本发明而言必须的重要部件。相同或功能上相同的部件在所有附图中以相同的附图标记标示。
图1显示根据本发明的旋流器1上的透视俯视图。旋流器1包括多个叶片2，该多个叶片2彼此分隔开并布置在参考圆直径上。每个叶片2具有第一纵向端面3和第二纵向端面4。叶片2被设置成其第一纵向端面3位于第一壁5上，该第一壁5被优选地具体实施为圆形盘。叶片2被设置成其第二纵向端面4位于第二壁6上，该第二壁6也被优选地具体实施为圆形。第二壁6在图1中未显示，从而能够更好地图示叶片2和喷射口8的布置。在各个情况下，两个相邻叶片2与第一壁5和第二壁6一起形成流动通道7。在各个情况下，喷射口8设置在流动通道7的区域中的第一壁5和第二壁6中，燃料可通过该喷射口8被喷射到流动通道7。除了所述喷射孔8之外，另外的喷射口被优选设置在叶片2中。由于喷射口8布置在第一壁5和第二壁6以及在叶片2中，在流动通道7的整个横截面上实现特别均质的喷射。这产生燃料与从外部通过旋流器1流到内部的空气的非常良好的混合。
图2显示根据图1的彼此相邻的两个叶片2上的俯视图。如已经描述的，叶片2彼此分隔开使得在两个叶片2以及第一壁5和第二壁6（未显示）之间形成流动通道7。空气从外部供应到旋流器1。空气的流入流由附图标记12象征地表示。空气通过入口13进入到流动通道7。与此同时，燃料通过设置在流动通道7内的喷射口8喷射到流动通道7。将喷射口8布置在第一壁5和第二壁6中以及优选地布置在两个叶片2中至少一个叶片中导致在流动通道7的整个横截面上产生特别均质的燃料喷射。流动通道7中的湍气流使燃料与空气均匀地混合。燃料/空气混合物在出口14处离开流动通道7，随后流过旋流器出口15，燃料/空气混合物从旋流器出口15被供应到燃烧室（未显示）。空气与燃料的良好混合在燃烧室中形成非常均质的燃烧。由于均质的燃烧，在燃烧室中不会形成其中出现增大的燃料分数所在的区域（热区）。这否则会导致燃烧温度的局部升高，且带来增多的NOx排放物的后果。燃料/空气混合物的均质掺合因而确保燃烧器的环境友好和低排放操作。
图3显示通过根据图2的彼此相邻布置的两个叶片2的纵向截面。第一壁5中的喷射口8通过第一环形通道9互连，第二壁6中的喷射口8通过第二环形通道10互连。燃料可通过环形通道9、10被供应到喷射口。环形通道9和10优选地具体实施成使得环形通道的壁分别同时形成旋流器1的第一壁5和第二壁6。这导致了旋流器1的特别简单的设计。因而可省去将环形通道额外安装在第一和第二壁5、6上，由此去除该区域中泄露的风险。第一壁5中的喷射口8和第二壁6中的相对的喷射口8的设置方式使得彼此轴向对准。当燃料流被排出时，两个喷射喷流彼此碰撞，导致燃料特别精细和均质的分布。
明显地，还可设想喷射口8的不同的、非对准的布置。而且，可在第一壁5和/或第二壁6中包含在彼此之后或彼此相邻的多个喷射口8。
第一环形通道9和第二环形通道10优选通过管线16液压地互连。通过液压连接所实现的是，第一环形通道9和第二环形通道10中的燃料压力基本相同。结果，在各个喷射口8处实现均匀的喷射速度。这在流动通道7的横截面上带来均匀的燃料分布。
另一优选实施例所提供的是，第一和第二环形通道具有分离的歧管供给。通过这种方式，根据需要可以通过一个或两个环形通道将燃料喷射到流动通道。
第一和/或第二环形通道9、10被优选地具体实施为与旋流器1整体地成为单一件。单一件的实施例减少了管线接口的数量，由此降低了在旋流器1处的泄露风险也提高了部件的可靠性。明显地，还可以将第一和/或第二环形通道9、10具体实施成分离部件。这具有的优点在于环形通道可更好地适应不同的操作条件。
图4显示通过燃烧器11的纵向截面，该燃烧器11特别适合于燃气涡轮机。燃烧器11具有位于燃烧室17上游的本发明的旋流器1。根据本发明的旋流器1特别有利地适合于燃气涡轮机的燃烧器，这是由于在燃气涡轮机的情况下，燃烧温度非常高，并且燃烧室中的温度经常超过2000度。在这些温度时产生较高的NOx排放物。所述排放物可通过均质的燃料/空气混合物的均匀燃烧而被显著减少。
总之，可说明的是，通过将喷射口8布置在流动通道7的第一壁5和相对的第二壁6中，在流动通道7的流动横截面上可实现燃料的特别精细且均质的分布。这导致燃料与空气的特别均匀的混合。燃料/空气混合物的所述均匀混合有利于燃烧器的燃烧室中的均匀燃烧，并因而导致均匀且低的燃烧温度。NOx排放物通过这种方式得到有效地降低。

Claims (13)

1. 一种用于使燃料和空气混合的旋流器（1），包括被布置在参考圆直径上的多个叶片（2），所述多个叶片（2）与设置在所述叶片（2）的第一纵向端面（3）上的第一壁（5）和设置在所述叶片（2）相对的第二纵向端面（4）上的第二壁（6）一起形成流动通道（7），所述第一壁（5）具有通向相应的流动通道（7）的至少一个喷射口（8），所述流动通道以如下方式形成，即使得所述空气在从高压侧通过所述流动通道（7）流到低压侧时与所述燃料混合，
其特征在于，
所述燃料能够通过所述第二壁（6）中的至少一个另外的喷射口（8）被额外喷射到所述流动通道（7）。
2. 如权利要求1所述的旋流器（1），其特征在于，
相对的喷射口（8）在任何情况下被布置成彼此轴向对准。
3. 如权利要求1或2所述的旋流器（1），其特征在于，
额外的喷射口（8）被设置在所述叶片（2）中。
4. 如前述权利要求中任一项所述的旋流器（1），其特征在于，
所述第一壁（5）中的所述喷射口（8）被连接到至少一个第一环形通道（9），并且所述第二壁（6）中的所述喷射口（8）被连接到至少一个第二环形通道（10），燃料能够通过所述第一和第二环形通道供应到所述喷射口（8）。
5. 如权利要求4所述的旋流器（1），其特征在于，
所述第一环形通道（9）和所述第二环形通道（10）液压地互连。
6. 如权利要求4所述的旋流器（1），其特征在于，
所述第一环形通道和所述第二环形通道具有分离的歧管供给。
7. 如权利要求4至6所述的旋流器（1），其特征在于，
所述第一和/或所述第二环形通道（9，10）被具体实施为与所述旋流器（1）整体地成为单一件。
8. 如权利要求7所述的旋流器（1），其特征在于，
所述第一和/或所述第二壁（5，6）分别是所述第一和第二环形通道（9，10）的一部分。
9. 如权利要求1至5中任一项所述的旋流器（1），其特征在于，
所述第一和/或所述第二环形通道（9，10）被具体实施为分离部件。
10. 一种燃烧器，特别是用于燃气涡轮机的燃烧器，包括前述权利要求中任一项所述的旋流器（1）。
11. 一种具有权利要求9所述燃烧器的燃气涡轮机。
12. 一种利用权利要求1至9中任一项所述的旋流器（1）使空气和燃料混合的方法，包括以下步骤：
通过外部入口（13）将空气供应到所述流动通道（7）中；
通过设置在所述第一壁（5）中和所述第二壁（6）中的喷射口供应燃料；
将所述燃料分布到所述流动通道（7）的横截面上；
在所述流动通道（7）中使所述燃料和所述空气混合；
通过内部出口（14）从所述流动通道（7）排出燃料/空气混合物；
通过旋流器出口（15）将所述燃料/空气混合物供应到燃烧器的燃烧室。
13. 如权利要求12所述的使空气和燃料混合的方法，其特征在于，
在通过所述第一壁（5）中和所述第二壁（6）中的所述喷射口供应所述燃料的同时，通过所述叶片（2）中的喷射口（8）将燃料供应到所述流动通道。
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