CN102165262A

CN102165262A - 用于动态控制的阶式旋流器

Info

Publication number: CN102165262A
Application number: CN200980137770.8A
Authority: CN
Inventors: P.哈伯德
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2009-08-05
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2029-08-05
Also published as: US20110168801A1; RU2011116165A; US8678301B2; EP2326880A1; RU2498161C2; EP2169312A1; CN102165262B; EP2326880B1; WO2010034558A1

Abstract

本申请描述了一种用于将介质喷射到涡轮中的旋流设备（100）。该旋流设备（100）包括中心轴线（106）、在沿中心轴线（106）的轴向方向上的中心通道（107）和外周界（108）。旋流设备（100）还包括第一管道（101）和第二管道（102）。第一管道（101）和第二管道（102）适于将介质从外周界（108）周围区域引导至中心通道（107）。第一管道（101）包括第一基础区域，其限定了垂直于中心轴线（106）的第一平面。第二管道（102）包括第二基础区域，其限定了垂直于中心轴线（106）的第二平面。第一管道（101）包括沿轴向方向的第一深度（d₁），第二管道（102）包括沿轴向方向的第二深度（d₂）。第一深度（d₁）和第二深度（d₂）不同。

Description

用于动态控制的阶式旋流器

技术领域

本发明涉及用于燃气涡轮发动机的燃料喷射领域。特别地，本发明涉及用于将介质喷射到涡轮中的旋流设备。而且，本发明涉及将介质喷射到涡轮中的方法。

背景技术

为了向涡轮机提供更有效的燃气涡轮，可能需要在将燃气/燃料混合物喷射到涡轮的燃烧系统期间降低高水平的流体动力性。当涉及液体燃料时，燃烧系统产生高水平的燃烧动力学，例如燃料的压力变化、燃料空气混合物的流动方向和火焰动力学的变化，这可能在一段时间内造成磨损或部件失效。

在传统系统中，该问题通过两种方式得以解决。首先，在燃烧系统的火焰管中提供一系列小孔，以提供冷却火焰管壁与在各部件上提供空气膜之间的最好折衷，从而保护火焰管壁和各部件免于磨损。这种冷却空气障壁还可提供声阻尼。其次，主燃烧器与导燃器之间的燃料空气比可变化以降低动力学。

EP 0722065 A2公开了一种用于燃气或液体燃料涡轮的燃料喷射装置。该装置包括用于产生与燃料供给混合的至少一种空气流的装置，但是，其中的燃料供给被初始喷射到邻近空气流的至少一个区域中，但从该区域被遮蔽。因而，富有燃料的流体凹部形成在这些区域中。凹部至少以较低的动力调整确保火焰稳定性。区域由旋流器的壁限定。燃料通过喷嘴喷射，并且可在缸壳中提供用于辅助燃料供给的额外喷嘴。

EP 0957311 A2公开了一种燃气涡轮发动机燃烧室。燃气涡轮发动机的贫燃燃烧室具有径向流入预混合与预旋流燃烧器，其具有形成燃烧室的预燃烧腔的上游壁的中心燃烧器端面。圆形凹部形成在燃烧器端面中。该凹部包括至少一个导燃燃料喷射器，用于将导燃燃料切向引入到凹部。

EP 1 890 083 A1公开了一种用于燃气涡轮发动机的燃料喷射器。环状燃料喷射器包括内径和外径。而且，环状燃料喷射器包括布置在环的端面侧中的燃料槽，并且至少一个燃料喷射开口布置在环上并连接到燃料槽。

EP 1 867 925 A1 公开了一种燃烧器，特别是燃气涡轮燃烧器。燃烧器的旋流器包括至少一个空气进入口，位于空气入口下游的至少一个空气出口以及至少一个从所述至少一个空气进入口延伸到由旋流器空气通路壁限定的所述至少一个空气出口的旋流器空气通路。至少一个空气通路壁的下游部分因此共轭。

US 5,941,075公开了一种具有改进的空气/燃料均质化的燃料喷射系统。该系统适于将空气和燃料喷射到涡轮喷气发动机的燃烧腔中。外壳位于第一径向旋流器后，并形成由转换/转向壁限定的预混合腔，用于形成具有喉部的文氏管。外壳具有形成第二径向旋流器的多个第二空气通路，用于将空气引导到大致垂直于轴线A的平面中的文氏喉管前的预混合腔中。因而，第二通路和第三通路围绕外壳沿圆周方向交替。

发明内容

本发明的目的可以是提供一种用于涡轮的抗燃料喷射系统。

为了实现上述目的，根据各独立权利要求，提供一种用于将介质喷射到涡轮中的旋流设备和一种将介质喷射到涡轮中的方法。

根据本发明的第一示例性实施例，描述了一种用于将介质喷射到涡轮中的旋流设备。该旋流设备包括中心轴线、在沿着该中心轴线的轴向方向上的中心通道以及外周界。该旋流设备进一步包括第一管道和第二管道。第一管道和第二管道适于将所述介质从所述外周界周围的区域引导至中心通道。第一管道包括沿轴向方向的第一深度，并且第二管道包括沿轴向方向的第二深度。第一深度和第二深度因而不同。

根据另一示例性实施例，提供了一种将介质喷射到涡轮中的方法。介质通过第一管道和第二管道从围绕外周界的区域引导至旋流设备的中心通道。提供第一管道沿旋流设备的轴向方向的第一深度并提供第二管道沿旋流设备的轴向方向的第二深度。第一深度和第二深度被不同地提供。

旋流设备可包括具有圆形、椭圆形或多边形形状的板状元件，并可此外包括围绕中心轴线用于将介质引导穿过其中的通路或钻孔。中心轴线可类似于旋流设备的对称轴线。

第一和第二管道可通过在旋流设备的面表面（face surface）中铣出的凹槽提供。管道还可通过附接到旋流设备的旋流叶片提供。旋流叶片在一个示例性实施例中可改变或可调节，从而第一和第二管道的宽度或深度可改变或调节。

第一和第二管道的第一深度和第二深度相对于沿着中心轴线的轴向方向限定。换言之，第一管道的基本区域和第二管道的基本区域限定了第一平面和第二平面。第一管道的基本区域的第一平面和第二管道的基本区域的第二平面垂直于中心轴线提供。因而，第一管道的基本区域的第一平面与中心轴线的交点不同于第二管道的基本区域的第二平面与中心轴线的交点，即第一管道的管道深度和第二管道的深度不同，从而，例如流过第一和第二管道的介质相对于旋流设备的中心轴线在不同高度处离开管道而进入到中心通道。

在传统系统中，可以通过使用均包括类似和固定尺寸的管道或通路设法产生空气和燃料的混合物的匀质耗尽。采用要求主张的本发明，第一管道和第二管道的深度可不同，这将具有改变每一个管道之间并且因而中心通道内的介质排尽的作用。这还可改变产生更小火焰面积的燃烧特性，这此外可在更低噪声水平下燃烧。减少的燃烧动力学带来改进的部件寿命。

因为流过第一管道的介质相对于流过第二管道的介质可在不同高度处离开第一管道而进入到通路，因而流过第一管道和第二管道的介质的流动模式是非匀质的，并因而可提供旋流设备的流动模式中的，特别是中心通道的流动模式中的紊流。旋流设备的中心通道中流动模式的这种所需紊流产生缓解燃烧系统中的压力波动的作用，旋流设备可布置到该燃烧系统。在传统系统中，可以尝试将流动模式保持为均质。通过提供均质的流动模式，可能存在的风险为，将会满足介质的压力波动的共振频率，使得压力波动可急剧增大，这可能导致磨损或部件失效。通过本发明，从管道流到中心通道中的介质的流动模式是非均质的。因而，通过介质的非均质流动模式，由于减小了提供燃烧系统中，特别是旋流设备的中心通道中的压力波动的共振频率的风险，可防止压力波动的增大。

第一管道和第二管道可围绕中心通道的内表面提供。此外，第一管道的基本区域和第二管道的基本区域可以是恒定的或平面，即，为了提供流动模式中的紊流，第一管道和第二管道的基本区域可以不需要任何台阶。流动模式中的紊流将通过第一管道的第一深度和第二管道的第二深度而被提供，使得流过第一管道和第二管道的介质相对于中心轴线在不同高度处离开中心通道的区域，并因而提供非均质的流动模式，即流动模式中的紊流。

术语“介质”可描述液态或气态的流体。介质还可提供液体流体和气体流体的混合物。液体流体例如可以是可燃流体或燃料，例如煤油、汽油或柴油。气体流体例如可包括含氢或含氧流体，例如空气或氧气。液体流体和气体流体的混合物例如可以是空气燃料混合物。

根据另一示例性实施例，第一管道和第二管道适于将介质切向引导至中心通道的内表面。因而，介质可切向，即平行于通路的内表面喷射，从而可提供围绕中心轴线的介质漩涡。因而，可提供更好的火焰特性和压力波的进一步缓解。此外，可改进混合物，例如液体流体和气体流体的混合物。

根据另一示例性实施例，第一管道和第二管道中的至少一个包括气体喷射部。气体喷射部适于将气体介质从外周界周围区域喷射到中心通道。气体喷射部可位于外周界处，从而空气或其他气体介质可被提供到第一和第二管道。此外，气体喷射部可包括位于第一和第二管道的侧壁或基本区域中的喷射孔，其中气体流体可被喷射穿过其中。喷嘴可插入到气体喷射部，特别是孔，使得所需的高压力气体流体可被喷射到第一和第二管道。

根据另一示例性实施例，第一管道包括用于喷射液体介质的液体喷射部。液体喷射部位于气体喷射部与中心通道之间。气体喷射部还可位于第一管道的基本区域或侧壁中。液体喷射部可沿介质的流动方向位于气体喷射部之后，即，在气体喷射部与旋流设备的内表面之间。因而，通过气体喷射部已被喷射的气体流体可与液体燃料混合，从而，例如具有良好和均质混合的空气燃料比可提供给中心通道。喷嘴可附接到液体喷射部的孔，从而，液体流体可以预定压力和方向而被喷射。

根据另一示例性实施例，旋流设备进一步包括至少另一第一管道，其中该另一第一管道包括不同于第一管道的第一深度的另一第一深度。利用该示例性实施例，不仅第一管道的第一深度和第二管道的第二深度可变化或可不同，而且，多个第一管道与另一第一管道之间的第一深度和另一第一深度也可变化，从而可增大旋流器的流动模式中的紊流，因而可改进对压力波动的缓解作用。

根据另一示例性实施例，旋流设备包括至少另一第二管道，其中该另一第二管道包括不同于第二管道的第二深度的另一第二深度。因而，第二管道或另一第二管道可包括不同深度，从而可增大旋流器的流动模式中的紊流。

根据另一示例性实施例，第一管道和第二管道沿圆周方向交替位于旋流设备周围。因而，可以交替地使第二管道紧邻第一管道。因而，空气/燃料比和从第一管道和第二管道流出而进入到中心通道中的气态流体可被混合。另外，为了提供中心通道的不同流动模式，例如，两个第一管道可邻近彼此并位于一个第二管道之间。此外，两个第二管道可邻近彼此并也可位于一个第一管道之间。

根据另一示例性实施例，第一管道和第二管道中至少一个的宽度被适配成是恒定的。因而，流通过第一管道和第二管道的介质的压力可由于恒定宽度而在第一管道和/第二管道中保持恒定。

根据另一示例性实施例，第一管道和第二管道中至少一个的宽度适于沿从围绕外周界的区域到中心通道的方向增大。因而，流过第一管道和/或第二管道的介质的压力和速度可通过减小或降低沿到中心通道的方向的宽度而被增大。因此，可提供中心通道中的所需流动模式。

根据另一示例性实施例，旋流设备进一步包括控制单元。该控制单元适于控制第一管道和第二管道中至少一个中的介质体积和压力。该控制单元例如可控制介质体积和通过液体喷射部或气体喷射部喷射的介质压力。此外，该控制单元可控制第一管道和第二管道的宽度和深度。例如，在一个示例性实施例中，第一管道和第二管道可由旋流叶片形成，该旋流叶片可调节地放置到旋流设备。因而，通过移动旋流叶片，可提供第一和第二管道的所需宽度和/或所需深度。因而，该控制单元可调节旋流设备中的，特别是中心通道中的介质的所需流动模式。

应指出，已参照不同主题描述了本发明的各实施例。特别地，一些实施例已参照设备类型权利要求进行描述，而其他实施例已参照方法类型权利要求进行描述。然而，本领域技术人员根据以上并根据以下描述应获悉，除非另有说明，除了属于一种类型主题的各特征的任一组合之外，另外，与不同主题有关的各特征之间的任一组合，特别是设备类型权利要求的各特征与方法类型权利要求的各特征之间的任一组合，被视为通过本申请而公开。

本发明的以上限定的各方面和进一步方面根据待在下文中进行描述的实施例的各示例是明显的。将参照实施例的各示例更详细描述本发明，但本发明并不限于实施例的各示例。

附图说明

在下文中将参照实施例的各示例更详细描述本发明，但本发明并不限于实施例的各示例。

图1图示根据本发明示例性实施例的旋流设备的顶视图；以及

图2图示图1的示例性实施例的透视图。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。应指出，在不同附图中，相似或相同元件提供有相同的附图标记或仅在第一位数字不同于相应附图标记的附图标记。

图1显示用于将介质喷射到涡轮中的旋流设备100。旋流设备100包括中心轴线106，在沿着中心轴线106的轴向方向上的中心通道107以及外周界108。旋流设备100进一步包括第一管道101和第二管道102。第一管道101和第二管道102适于将来自外周界108周围区域的介质引导至中心通道107。第一管道101包括沿轴向方向的第一深度d₁，第二管道102包括沿轴向方向的第二深度d₂。第一深度d₁和第二深度d₂不同。

此外，图1显示旋流设备100包括圆形形状，其中旋流设备100例如由圆形板状材料制成。在旋转设备100的中心提供中心轴线106，即对称轴线。旋流设备100此外包括位于中心轴线106周围的中心通道107。通过中心通道107，流过第一管道101和第二管道102的喷射介质可被运送到主燃烧器腔或导燃器腔进行燃烧。旋流设备100此外包括外周界108，介质可从围绕该外周界108的区域被提供到第一管道101和第二管道102。

在图1的示例性实施例中，第一管道101和第二管道102包括气体喷射部105。气体喷射部可将气体介质提供到第一和第二管道。气体喷射部106可从外周界108周围区域供应气体介质，或可将气体介质供应通过第一管道101或第二管道102的基本区域中的孔。

第一管道此外可提供液体喷射部104。如在图1中可见，液体喷射部104可在中心通道107的内表面109与外周界108之间位于第一管道101中。通过液体喷射部104，诸如燃料的液体介质可沿到中心通道107的方向喷射。

如从图1可见，第一和第二管道101、102可沿切向方向将介质流引导至中心通道107的内表面109。为此原因，喷射到中心通道107的介质包括围绕内表面109的漩涡流，从而可提供旋流器的更好流动模式。

此外，如从图1可见，第一管道101和第二管道102可通过旋流叶片103构建。旋流叶片103可附接到旋流设备100并因此限定了第一管道101和第二管道102以及另一第一管道110和另一第二管道120的特定宽度w和特定深度d₁、d₂、d₁₀或d₂₀。

此外，如从图1可见，第一管道101和第二管道102紧邻彼此定位，即，第一管道101和第二管道102围绕旋流设备100的周界交替定位。

此外，如从图1可见，一些管道被标记为另一第一管道110和另一第二管道120。另一第一管道110和另一第二管道120可提供与第一管道101和第二管道102类似的特性。另一第一管道110和另一第二管道120可在第一深度d₁和第二深度d₂上变化，即，另一第一管道110包括可不同于第一管道101的第一深度d₁的另一第一深度d₁₀。另一第二管道120的另一第二深度d₂₀可不同于第二管道102的第二深度d₂。

图2图示旋流设备100的透视图，其中第一深度d₁、d₁₀和第二深度d₂、d₂₀的差异被显示。旋流设备100的中心轴线106的方向被显示为沿竖直方向。此外，旋流叶片103被显示为构建第一管道101、另一第一管道110、第二管道102和另一第二管道120。第一管道101、110和第二管道102、120可从外周界108形成到旋流设备100的内表面109。如图2中所示，第一管道101、110包括液体喷射部104和气体喷射部105。第一管道和第二管道中的每一个包括宽度w，该宽度w在图2所示的示例性实施例中可以恒定。

此外，图2图示第一管道101、110和第二管道102、120的不同深度。如从图2可见，第一深度d₁、d₁₀可不同于第二深度d₂、d₂₀。这可通过比较第一管道110、101和第二管道102、120的基础区域（ground area）更清楚得到，该基础区域如图2所示包括不同高度。换言之，第一管道101、110的基础区域限定了垂直于中心轴线106的水平平面。第一管道的基础区域的竖直面的交点构成沿中心轴线106的轴向方向测量第一深度的d₁、d₁₀的起始点。第一深度可被测量到第一管道101的上端。类似地，第二深度d₂、d₂₀可被限定。第二管道102、120可包括限定了垂直于中心轴线106的第二水平平面的基础区域。从第二平面与中心轴线106的交点，第二深度d₂、d₂₀可被测量到第二管道102、120的上端。

如图2中所示，第一管道和第二管道包括不同深度。即，第一深度d₁、d₁₀和第二深度d₂、d₂₀可不同于彼此。因而，从外周界108流入到中心通道107的介质相对于中心轴线106在不同高度处离开管道。因此，形成旋流设备100的流动模式中的湍流，其对整个燃烧系统中的压力波动具有缓解作用。

不同深度d₁、d₁₀、d₂、d₂₀可通过基础板（ground plate）提供，该基础板的材料具有不同厚度，例如由狭槽或凹槽形成的不同厚度，例如，如图2所示。

应指出，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，“一”或“一个”并不排除多个。而且，结合不同实施例描述的各元件可进行组合。还应指出，权利要求中的附图标记不应被理解成限制权利要求的范围。

Claims

1. 一种用于将介质喷射到涡轮中的旋流设备，

其中，所述旋流设备（100）包括中心轴线（106）、在沿着所述中心轴线（106）的轴向方向上的中心通道（107）以及外周界（108），其中所述旋流设备（100）进一步包括：

第一管道（101）和第二管道（102）；

其中，所述第一管道（101）和所述第二管道（102）适于将所述介质从所述外周界（108）周围的区域引导至所述中心通道（107）；

其中，所述第一管道（101）包括第一基础区域，该第一基础区域限定了垂直于所述中心轴线（106）的第一平面；

其中，所述第二管道（102）包括第二基础区域，该第二基础区域限定了垂直于所述中心轴线（106）的第二平面；

其中，所述第一管道（101）包括沿所述轴向方向的第一深度（d₁），所述第二管道（102）包括沿所述轴向方向的第二深度（d₂）；

其中，所述第一深度（d₁）和所述第二深度（d₂）不同。

2. 根据权利要求1所述的旋流设备，

其中所述第一管道（101）和所述第二管道（101）中的至少一个适于将介质切向引导至所述中心通道（107）的内表面（109）。

3. 根据权利要求1或2所述的旋流设备，

其中所述第一管道（101）和所述第二管道（102）中的至少一个包括气体喷射部（105）；

其中所述气体喷射部（105）适于将气体介质从所述外周界（108）周围的区域喷射到所述中心通道（107）。

4. 根据权利要求1至3中任一项所述的旋流设备，

其中所述第一管道（101）包括用于喷射液体介质的液体喷射部（104）;

其中所述液体喷射部（104）位于所述气体喷射部（105）与所述中心通道（107）之间。

5. 根据权利要求1至4中任一项所述的旋流设备，进一步包括：

至少另一第一管道（110）；

其中所述另一第一管道（110）包括不同于所述第一管道（101）的所述第一深度（d₁）的另一第一深度（d₁₀）。

6. 根据权利要求1至5中任一项所述的旋流设备，进一步包括：

至少另一第二管道（120）；

其中所述另一第二管道（120）包括不同于所述第二管道（102）的所述第二深度（d₂）的另一第二深度（d₂₀）。

7. 根据权利要求1至6中任一项所述的旋流设备，

其中所述第一管道（101）和所述第二管道（102）沿圆周方向交替位于所述旋流设备（100）周围。

8. 根据权利要求1至7中任一项所述的旋流设备，

其中所述第一管道（101）和所述第二管道（102）中至少一个的宽度（w）被适配成是恒定的。

9. 根据权利要求1至8中任一项所述的旋流设备，

其中所述第一管道（101）和所述第二管道（102）中至少一个的宽度（w）被适配成沿从所述外周界（108）周围的所述区域到所述中心通道（107）的方向增大。

10. 根据权利要求1至9中任一项所述的旋流设备，进一步包括：

适于控制所述第一管道（101）和所述第二管道（102）中至少一个中的介质体积和压力的控制单元（109）。

11. 一种将介质喷射到涡轮中的方法，其中所述方法包括：

将介质从外周界（108）周围区域引导至旋流设备（100）的中心通道（107），该旋流设备（100）根据前述权利要求中任一项布置。