CN102378878B - 旋流器、燃烧腔以及具有改善的涡流的燃气涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于混合燃料（25、26）和空气（6）的旋流器（2），燃烧腔以及燃气涡轮机，所述旋流器（2）包括位于所述旋流器（2）的中心轴线（12）径向周围的多个叶片（15）以及用于混合燃料（25、26）和空气（6）的多个混合槽。所述多个混合槽中的至少一个混合槽（16）由所述多个叶片（15）中两个相邻叶片的相对壁（17）限定并且包括布置在所述至少一个混合槽（16）上游区段的至少一个燃料注入口（21、22）。此外，所述至少一个混合槽（16）包括布置在所述至少一个混合槽（16）的下游区段的轴向旋流器（20）。

Description

旋流器、燃烧腔以及具有改善的涡流的燃气涡轮机

技术领域

本发明涉及一种旋流器，特别是燃气涡轮机的旋流器，以及对进一步降低诸如氧化氮（NO_x）的空气污染物的改进。

背景技术

在燃气涡轮机燃烧器中，燃料燃烧产生高温高压废气，该高温高压废气接着被供应到涡轮机级，在涡轮机级处，将动量传递给涡轮机叶片，由此使涡轮机转子转动，同时高温高压废气膨胀冷却。然后，涡轮机转子的机械能可以用于驱动产生电能的发电机或驱动机器。然而，燃烧燃料导致在废气中存在一些会污染环境的不期望的污染物。因此，花费很大精力使污染物尽可能低。其中一种污染物是氧化氮（NO_x）。氧化氮的形成率随燃烧火焰的温度指数增长。因此试图通过降低燃烧火焰的温度来尽可能减少氧化氮的形成。

可以实现降低燃烧火焰的温度的方法主要有两种。第一种是使用在空气中细密分布的小化学计量燃料，产生馏分小的燃料/空气混合物。馏分相对小的燃料导致燃烧火焰的温度低。第二种方法是在进行燃烧前提供完全混合的燃料和空气。混合得越充分，则燃料在燃烧区的分布越均匀并且燃料浓度显著高于平均的区域越少。这有助于防止因燃料/空气混合率达到局部最大值而导致的在燃烧区产生热点。当局部燃料/空气浓度高时，温度将在该局部区域升高，因而导致废气中的NO_x也增加。

因此，当今的燃气涡轮发动机使用在燃料/空气混合物燃烧之前以小化学计量预混合空气和燃料的方式。通常，通过将燃料注入燃烧室的涡流区中的空气流来实现预混合，所述燃烧室位于燃烧区的上游。涡流使得燃料和空气的混合发生在该混合物进入燃烧区之前。

GB 2334087 A论述了在“贫油燃烧”燃烧室的启动期间提高燃料空气比的具体问题。燃烧室包括旋流器，该旋流器具有限制流过燃烧室的液流的至少一个节流器。优选地，该节流器根据气流的压力在限制位置和非限制位置之间偏转或切换。这可以优化燃料/空气混合物。另一方面，节流器会形成气流不稳定或因可能发生逆流而停滞的死区。

根据美国专利US 6,192,669 Bl，已知布置多个燃烧器，所述多个燃烧器以下述方式有效地互相连接，使得涡流在确保火焰前缘的稳定性的通用燃烧腔中开始。这是有利的，因为这样可以在部分负荷情况下降低污染物（例如NO_x）的排放。

美国专利申请US 2006/0257807 Al公开一种具有旋流器的燃烧室。环形混合管道可以应用于径向式旋流器。优点在于没有会阻塞过量燃料的转角。

至于上述现有技术水平，本发明的目的是提供：旋流器，尤其是在燃气涡轮机燃烧腔中的旋流器；装配有这种旋流器的燃烧腔；以及具有多个这种燃烧腔的燃气涡轮机，从而通过提供均匀燃料/空气混合物，尤其是在燃气涡轮机的所有可能负荷情况下，改善涡轮机区域中的燃料和空气混合。

发明内容

此目的由独立权利要求达到。从属权利要求描述本发明的有利的发展和改进。

根据本发明，提供一种用于混合燃料和空气的旋流器，所述旋流器包括位于旋流器的中心轴线径向周围的多个叶片并且包括用于混合燃料和空气的多个混合槽。所述多个混合槽中的至少一个混合槽由所述多个叶片中两个相邻叶片的相对壁限定。所述多个混合槽中的至少一个包括布置在所述至少一个混合槽上游区段的至少一个燃料注入口，而且包括布置在所述至少一个混合槽的下游区段的轴向旋流器。

此外，本发明还涉及包括这种旋流器的部件，尤其是燃气涡轮机的燃烧腔。此外，本发明还涉及包括至少一个这种燃烧腔的燃气涡轮机。

本发明的旋流器在于轴向旋流器提供额外的旋流器，从而燃料和空气混合物更加均匀。

有利地，可以设置多个旋流器扰流片，从而为多个混合槽中的至少一个提供混合槽单独转动气流。

具体地，多个叶片可以被配置为经混合的燃料和空气混合物在旋流器的中心轴线周围产生涡流。优选地，轴向旋流器在应用所述轴向旋流器的混合槽的横轴周围提供转动运动。结果，这种转动的燃料/空气混合物从每个混合槽进入旋流器的径向内部，在旋流器的轴周围的转动在所述旋流器中开始。因此，进行转动运动（由轴向旋流器产生）和在混合槽方向上侧向运动的若干燃料/空气流被旋流器进一步混合，使得整个转动运动沿旋流器的中心轴线进行。这改善了燃料和空气的混合。

混合槽是燃料和空气的通道。该通道的方向由两个相邻的相对壁的壁的取向限定。优选地，所述壁的取向（忽略位于混合槽中的轴向旋流器的作用）为燃料和空气将朝向旋流器或燃烧器的中心区域前进并且进入该中心区域，稍微偏离正中心，从而燃料和空气的整体运动将为围绕旋流器或燃烧器的中心轴线的螺旋状运动。优选地，旋流器的中心轴线与应用该旋流器的燃烧器的中心轴线相同。

仍然忽略位于混合槽中的轴向旋流器的作用，然而，此螺旋状运动的转动可以比混合流流动的平均速度低。由于混合流是旋转，在燃烧器的中心轴线周围给出更加正切的路径（这提高了在流动通道中相邻两个旋流器叶片之间的压力差），从而产生此现象。

在优选实施例中，轴向旋流器可以在两个相邻叶片的壁之间延伸。优选地，轴向旋流器延伸了混合槽（燃料和空气混合物在其中流动）的整个横截面，从而有利地，所有燃料和空气混合物都将穿过轴向旋流器。在替换实施例中，部分燃料和空气混合物可以绕过轴向旋流器。如果轴向旋流器未延伸混合槽的整个横截面，则会发生这种情况。

在另一优选实施例中，轴向旋流器可以布置成基本垂直于两个相邻叶片的壁。这会引起没有任何不均匀的湍流的更加对称的涡流。在替换结构中，轴向旋流器可以与两个相邻叶片的壁成非90度的角度。如果两个相邻叶片的壁不平行，则轴向旋流器可以被布置成基本垂直于混合槽中的主要流动方向。再次，在替换方案中，与混合槽中的主要流动方向所成的角度也可以非90度角。

在另一优选实施例中，轴向旋流器可以具有多个旋流器扰流片。该扰流片可以重定向燃料/空气流并且向穿过混合槽的燃料/空气流提供额外的转动运动的挡板。这会使得在混合槽的末端进行螺旋状运动。

在另一实施例中，轴向旋流器可以具有环绕多个旋流器扰流片的矩形实体框架。有利地，所述框架的形状与混合槽的横截面匹配。

在另一实施例中，多个旋流器扰流片可以具有椭圆形，尤其是圆形的外缘，所述多个旋流器扰流片经由此外缘连接到所述实体框架。

可以根据所述壁的已知布置和燃料注入口的位置优化旋流器扰流片的外观，以提供最佳混合。在一个实施例中，多个旋流器扰流片中的每个都可以具有直线导引缘。或者，多个旋流器扰流片中的每个都可以具有曲线导引缘。此外，多个旋流器扰流片中的每个可以具有平坦的或弯曲的表面。

所述旋流器可以应用于采用液体和/或气体燃料进行操作的燃烧腔。在一个优选实施例中，至少一个燃料注入口可以布置成将液体燃料注入流过多个混合槽中的至少一个的空气流。在替换实施例中，至少一个燃料注入口可以布置成将气体燃料注入流过多个混合槽中的至少一个的空气流。

作为另一个选择，燃料注入口提供液体和气体燃料两者。燃料注入口可以布置在多个混合槽中的同一至少一个混合槽中，用于两种燃料。或者，多个混合槽可以交替地或以其它有利的顺序安装有用于液体和气体燃料的燃料注入口。

可以以多种方式布置燃料注入口。优选地，它们位于旋流器的基板中，每个燃料注入口基本位于各个混合槽的中间。或者，燃料注入口可以位于叶片的壁中。用于气体燃料的燃料注入口可以与用于液体燃料的燃料注入口分离。或者，它们可以同轴地布置。用于气体燃料的燃料注入口可以位于用于液体燃料的燃料注入口的上游。

考虑到它们的外观、取向和位置，优选地，以均匀并且基本对称的方式布置旋流器本身、叶片、混合槽、燃料注入口以及轴向旋流器，从而也形成对称和均匀的空气和燃料的混合流。

在另一实施例中，旋流器或燃烧器头可以包括用于提供辅助燃料（液体或气体）的至少一个其它燃料注入口，该至少一个其它燃料注入口布置在所述至少一个混合槽的比轴向旋流器更下游的下游区段。有利地，可以独立于所述至少一个燃料注入口（可为看做“主要燃料”）地控制所述辅助燃料。

附图说明

现将参照附图仅出于举例的目的来描述本发明的实施例，附图中：

图1示意性地示出了燃烧室的纵截面。

图2示意性地示出了现有技术的旋流器的透视图，

图3示意性地图示了根据本发明的旋流器的透视图，

图4图示出了旋流器通道中燃料和空气的分布，

图5示出了具有在旋流器通道中的轴向旋流器的部分旋流器的透视图，

图6示意性地示出了从燃烧腔的下游侧（如图1的箭头A-A所示）的顶视图，

图7示意性地示出了适用于图3的旋流器的轴向旋流器的第一模式，

图8示意性地示出了适用于图3的旋流器的轴向旋流器的第二模式。

附图中的图示是示意性的。应该注意，将使用相同的附图标记表示不同附图中相似或相同的元件。

具体实施方式

燃气涡轮发动机包括彼此相邻的压缩机部分、燃烧室部分和涡轮机部分，这在图中未示出。在燃气涡轮发动机的操作中，空气被压缩机部分压缩并输出到具有一个或多个燃烧室的燃烧器部分。

图1示出了燃烧室（尤其是燃气涡轮发动机（未示出）中的燃烧室）的纵截面。燃烧室沿流动方向包括：燃烧器头1、附着到燃烧器头1的旋流器2、被称作燃烧预腔室3的过渡部分和主燃烧腔4。主燃烧腔4的直径大于预腔室3的直径。主燃烧腔4经由包括圆顶板11的圆顶部分10与预腔室3连接。通常，过渡部分3可以实现为燃烧器朝向主燃烧腔4的一部分延长，实现为主燃烧腔4朝向燃烧器的一部分延长，或者实现为在所述燃烧器和主燃烧腔4之间的单独部分。燃烧器和燃烧腔组件关于纵向对称轴12基本上轴对称。

燃料供给5被设置为用于将将要与旋流器2中的流入空气6（尤其是来自压缩机（未示出）的压缩空气）混合的气体和/或液体燃料引入燃烧器。通过旋流器2，燃料和空气如稍后将要描述的那样混合。接着，得到的燃料/空气混合物7被导引向主燃烧区9，燃料/空气混合物7在主燃烧区9中燃烧产生高温高压废气8，高温高压废气8沿朝向燃气涡轮发动机（未示出）的涡轮机（未示出）的箭头所示方向流动。

图2示出了现有技术的旋流器的透视图。旋流器2（径向式旋流器）包括具有中心开口14的环形旋流器叶片支撑件13或基板，所述中心开口14为将组装为完整燃烧器的燃烧器头1的燃烧器面留出空间（燃烧器头1在图2中未示出）。例如，每个都具有不对称圆饼切片形状或不对称奶酪块形状的六个旋流器叶片15放置在中心轴线12周围并且被布置在旋流器叶片支撑件13上。旋流器叶片15的远离旋流器叶片支撑件13的面可以固定到燃烧器头1（见图1）。通过作为旋流器叶片15的壁的相对侧表面17、通过旋流器叶片支撑件13的面向燃烧器头1的表面以及通过燃烧器的固定有旋流器叶片15的表面（未示出），界定和限定作为混合槽的旋流器通道16。压缩空气6从外部径向流入这些朝向内部的旋流器通道16并且与通过燃料注入口（未示出）加入的燃料混合。

旋流器通道16被布置成，穿过通道16的液体流向中心开口14的径向外剖面。此外，旋流器通道16基本与中心开口14的径向外剖面正切。在本发明的此实施例中，旋流器通道16中具体的一个旋流器通道的相对侧表面17基本是平的并且彼此平行。

现在参照图3，基于图2所示的旋流器，描述本发明的旋流器。所给出的关于图2的旋流器2的形状或部件的说明也可以适用于图3。

对于每个旋流器通道16，图3示出了轴向旋流器20、液体燃料注射器22和气体燃料注射器21。可以设置若干燃料注射器，主燃料注射器和副燃料注射器。在此情形中，示出的燃料注射器22、21应表示主注入器。气体燃料注射器21位于旋流器通道16的径向外端，即在流动空气6的上游。气孔可以与旋流器叶片支撑件13的表面平齐。挨着气体燃料注射器21，更下游处，可以设置具有从旋流器叶片支撑件13的表面突起的孔口的液体燃料注射器22。

在图3中靠近一个侧表面17的末端的更下游处，轴向旋流器20设置在每个旋流器通道16中。轴向旋流器20使流过旋流器通道16的液体转动的装置。因而，改善燃料和空气的混合，这也可以减少废气。

在图3中，轴向旋流器20垂直于侧表面17延伸了旋流器通道16的整个宽度。轴向旋流器20还具有与旋流器叶片15相同的高度。轴向旋流器20布置有由框架23固定的轴向涡流产生机构，所述轴向涡流产生机构包括多个扰流片24，每个扰流片都被设计为对富含燃料的空气流重定向，并使该初始侧向空气流沿旋流器通道16的方向转动或盘旋运动。

现在参照图4，示出了当不提供用于额外混合的轴向旋流器时，旋流器16中燃料和空气的分布。壁17（其中之一只用一条线示出）限定旋流器通道16。示出了旋流器叶片15中的一个，以及与旋流器通道16相邻的液体燃料注射器22和气体燃料注射器21。主空气6的方向由宽箭头示出，从旋流器通道16的上游端直接引入旋流器通道16。液体燃料26和气体燃料25的方向由弯箭头示出，液体燃料26和气体燃料25被空气6带到下游侧。

燃料25，26与空气6混合，产生由箭头40、41和42示出的示例性分布，其是在旋流器通道16中的剪切流。流41可具有想要的燃料空气比，其是关于火焰稳定性和排放的最佳条件。流40可以是富含空气的燃料/空气混合物，而流42可以是富含燃料的燃料/空气混合物，这两者都会在燃料/空气混合物稀薄的情况下导致火焰稳定性降低，或在非稀薄操作中造成较高的NO_x排放。

该问题可通过在旋流器通道16中应用轴向旋流器20得以克服，如图3和图5所示。这样，空气6、液体燃料26和气体燃料25都穿过轴向旋流器20并被重定向和混合。

图6示意性地示出了从燃烧腔的下游侧（如图1的箭头A-A所示）的顶视图。示出了旋流器2以及燃烧器头1的燃烧器面53。对于一个具体的旋流器通道16，示出了进入旋流器通道16的空气6将流过旋流器通道16（由附图标记为6的两个较小箭头示出）并且液体燃料26和气体燃料25将注入旋流器通道16。所有这些流局部混合然后流向下游并且通过位于旋流器通道16中的轴向旋流器20进一步混合。更加均匀的空气/燃料混合物43离开单个旋流器通道16并将进入旋流器2的中心区域。最终，所有这些通过的单个空气/燃料混合物43将形成由环绕旋流器2的中心轴线的箭头44所示的涡流。

在图6中可见的其它部件是在燃烧器面53区域的点火器50、用于液体燃料的第一辅助燃料注射器51和用于气体燃料的第二辅助燃料注射器52。根据权利要求，燃料注射器51和52两者都将被认为是“其它燃料注入口”或“额外的燃料注入口”。

辅助燃料注射器可以选择性地出现在本发明的所有实施例中。用于液体燃料的第一辅助燃料注射器51是阀门形式的。虽然图中仅示出了一个第一辅助燃料注射器51，但是可以设置多个第一辅助燃料注射器51，优选设置在靠近燃烧器中心的位置。第二辅助燃料注射器52以环状示出，从而辅气体可以在旋流器通道16的末端圆周地注入。应该注意，燃料注射器可以采用其它形式和位置。并且在本发明的所有实施例中，燃烧器被限制为仅采用液体燃料或仅采用气体燃料。

优选地，用于液体燃料的第一辅助燃料注射器51和用于气体燃料的第二辅助燃料注射器52位于轴向旋流器20的下游。在燃气涡轮机操作期间，燃料（气体或液体）通过两个阶段被引入：经由液体燃料注射器22和/或气体燃料注射器21的主注入，获得高度预混合和低NO_x排放；以及经由用于液体燃料的第一辅助燃料注射器51和/或用于气体燃料的第二辅助燃料注射器52的辅注入。当负荷要求降低时，为了确保火焰稳定性，可以容易地增加辅注入，其中低负荷不能确保火焰的稳定性。用于液体燃料的第一辅助燃料注射器51和/或用于气体燃料的第二辅助燃料注射器52被布置成，使得当辅助燃料部分增加时，所述燃料偏向燃烧室的轴（如图1所示的轴12）。这避免低负荷时燃烧不稳定的问题。

在低预混合燃烧的操作模式（可以选择该模式来降低NO_x）中，辅助燃料注射即使在全负荷时也有利于稳定火焰，然而经由辅助燃料注射器51和52注入的燃料的百分比与总共的燃料注入相比对于全负荷来说很小，例如5%。

利用辅助燃料注射，可以避免剧烈的燃烧动态，否则会因在可燃性极限附近的燃烧而导致剧烈的燃烧动态。

在图7和图8中，示意性地示出了从图5的箭头6所示的方向观看的轴向旋流器20的示例性外形。 

在图7中，轴向旋流器20具有矩形框架23以及有管状的圆形周缘30的中心结构，所述中心结构包括多个扰流片24，从所述扰流片24只能看到导引缘33和部分导引表面。扰流片24倾斜并彼此重叠，从而形成空气和燃料的预混合流（由图6中的附图标记6、25和26示出）可以通过的通道，所述空气和燃料的预混合流使扰流片24转动。

在实例中，扰流片24固定在周缘30和内环32之间的特定位置。图中的周缘30和内环32的大小可以仅被看做是举例。

图8示出了图7的实施例的替换实施例，在其中，如果从上游侧观看，则外缘31是矩形的。还可以被看做为缺少的侧面面对着上游侧和下游侧的长方体。扰流片24将延伸到外缘31之上。除此之外，它们与图7的扰流片24基本相同。

可用若干方法构造轴向旋流器20。除了图7和图8的两个例子之外，还可以进行若干改进。例如，导引缘33可以不是直线的而是曲线的。导引缘33可以是圆形或尖的。扰流片24的表面可以是平坦的或弯曲的。在不同的实施例中内环32和外部框架23的尺寸和外形可以不同。可以充分利用这些可能性，从而克服旋流器通道16中的剪切流并且更好地进行混合。由此，在贫油操作中也可以获得更稳定的火焰，并因而降低NO_x排放。

Claims (18)

1.一种用于混合燃料（25、26）和空气（6）的旋流器（2），包括：

多个叶片（15），位于所述旋流器（2）的中心轴线（12）径向周围；

多个混合槽，用于混合燃料（25、26）和空气（6），

所述多个混合槽中的至少一个混合槽（16）由所述多个叶片（15）中两个相邻叶片的相对壁（17）限定，并且包括布置在所述至少一个混合槽（16）上游区段的至少一个燃料注入口（21、22）以及包括轴向旋流器（20）。

2.根据权利要求1所述的旋流器（2），其中，所述轴向旋流器（20）在所述两个相邻叶片的壁（17）之间延伸并且被布置在所述至少一个混合槽（16）的下游区段。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的旋流器（2），其中，所述轴向旋流器（20）被布置成基本垂直于所述两个相邻叶片的壁（17）。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的旋流器（2），其中，所述轴向旋流器（20）具有多个旋流器扰流片（24）。

5.根据权利要求4所述的旋流器（2），其中，所述轴向旋流器（20）具有围绕所述多个旋流器扰流片（24）的矩形实体框架（23）。

6.根据权利要求5所述的旋流器（2），其中，具有椭圆形外缘（30）的所述多个旋流器扰流片（24）经由该外缘（30）连接到实体框架（23）。

7.根据权利要求5所述的旋流器（2），其中，具有圆形外缘（30）的所述多个旋流器扰流片（24）经由该外缘（30）连接到实体框架（23）。

8.根据权利要求5所述的旋流器（2），其中，具有矩形外缘（31）的所述多个旋流器扰流片（24）经由该外缘（31）连接到实体框架（23）。

9.根据权利要求5所述的旋流器（2），其中，具有正方形外缘（31）的所述多个旋流器扰流片（24）经由该外缘（31）连接到实体框架（23）。

10.根据权利要求4所述的旋流器（2），其中，所述多个旋流器扰流片（24）被布置成，为所述至少一个混合槽（16）提供混合槽单独转动气流（43）。

11.根据权利要求4所述的旋流器（2），其中，所述多个旋流器扰流片（24）中的每个都具有直线导引缘（33）。

12.根据权利要求4所述的旋流器（2），其中，所述多个旋流器扰流片（24）中的每个都具有曲线导引缘。

13.根据权利要求1至2中任一项所述的旋流器（2），其中，

所述至少一个燃料注入口（21、22）中的第一个被布置成将液体燃料（26）注入到流过所述至少一个混合槽（16）或流过所述多个混合槽中任一混合槽的空气（6）流中，和/或

所述至少一个燃料注入口（21、22）中的第二个被布置成将气体燃料（25）注入到流过至少一个混合槽（16）中同一混合槽或流过所述多个混合槽中任一混合槽的空气（6）流中。

14.根据权利要求1至2中任一项所述的旋流器（2），其中，所述旋流器（2）包括布置在所述至少一个混合槽（16）的比所述轴向旋流器（20）更下游的下游区段处的至少一个其它燃料注入口（51、52）。

15.根据权利要求14所述的旋流器（2），其中，所述其它燃料注入口（51、52）被配置为提供辅助燃料，使得能够独立于所述至少一个燃料注入口（21、22）地控制所述辅助燃料。

16.一种燃烧腔，包括根据权利要求1至15之一所述的旋流器（2）。

17.根据权利要求16所述的燃烧腔，进一步包括燃烧器头（1），所述燃烧器头（1）包括至少一个额外的燃料注入口（51、52），所述至少一个额外的燃料注入口（51、52）布置在用于混合燃料（25、26）和空气（6）的所述多个混合槽的下游。

18.一种燃气涡轮机，包括至少一个燃烧腔，所述至少一个燃烧腔包括根据权利要求1至15之一所述的旋流器（2）。