CN102563700A - 包括具有涡流发生器的混合管元件的涡轮机 - Google Patents

包括具有涡流发生器的混合管元件的涡轮机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及包括具有涡流发生器的混合管元件的涡轮机，具体而言，涉及一种涡轮机，其包括压缩机部，可操作地连接到压缩机部上的燃烧器，安装到燃烧器上的端盖，以及可操作地连接到燃烧器上的喷射喷嘴组件。喷射喷嘴组件包括多个混合管元件。该多个混合管元件的每一个均包括导管，该导管具有第一流体入口、布置在该第一流体入口下游的第二流体入口、布置在该第一和第二流体入口下游的排放端以及布置在第一和第二流体入口之间的涡流发生器。涡流发生器构造并设置成在导管内产生多个涡流，从而将通过该多个混合管元件的每一个的第一和第二流体进行混合。

Description

包括具有涡流发生器的混合管元件的涡轮机
技术领域
本文公开的主题涉及涡轮机领域，且更具体地，涉及包括具有涡流发生器的混合管元件的涡轮机。
背景技术
通常，燃气涡轮发动机燃烧释放热能的燃料/空气混合物以形成高温气体流。高温气体流经由热气体通路被引导至涡轮部。涡轮部将来自高温气体流的热能转换成使轴旋转的机械能。涡轮部可用在各种应用中，诸如用于向泵或电力发电机提供动力。
在燃气涡轮机中，发动机效率随着燃烧气体流温度升高而升高。不幸的是，更高的气流温度产生更高水平的氮氧化物(NOx)，这是一种受联邦和州规章限制的排放物。因此，在高效范围内操作燃气涡轮部同时还确保NOx的输出保持低于授权水平之间存在谨慎的平衡作用。获得低NOx的一种方法是确保燃料和空气在燃烧之前的良好混合。
发明内容
根据本发明的一个方面，涡轮机包括压缩机部、可操作地连接至该压缩机部的燃烧器、安装在燃烧器上的端盖以及可操作地连接至燃烧器的喷射喷嘴组件。喷射喷嘴组件包括多个混合管元件。该多个混合管元件的每一个均包括导管，该导管具有第一流体入口、布置在该第一流体入口下游的第二流体入口、布置在该第一和第二流体入口下游的排放端以及布置在第一和第二流体入口之间的涡流发生器。涡流发生器构造并设置成在导管内产生多个涡流，从而将通过该多个混合管元件的每一个的第一和第二流体进行混合。
根据本发明的另一方面，混合管元件包括导管，该导管具有第一流体入口、布置在该第一流体入口下游的第二流体入口、布置在该第一和第二流体入口下游的排放端以及布置在第一和第二流体入口之间的涡流发生器。涡流发生器构造并设置成在导管内产生多个涡流，从而将通过该混合管元件的第一和第二流体进行混合。
根据本发明的又另一个方面，一种混合涡轮机喷射喷嘴组件中的第一和第二流体的方法包括使第一流体进入布置在该喷射喷嘴组件中的混合管元件的第一流体入口，将第二流体引入混合管元件的第二流体入口。第二流体入口布置在第一流体入口的下游。第一流体的一部分被引入布置在第一和第二流体入口之间的涡流发生器，在混合管元件中生成多个涡流以混合第一和第二流体。
由结合附图所做的以下描述，这些和其它优点及特征将变得更加明显。
附图说明
被认为是本发明的主题在本说明书所附的权利要求书中被特别指出并明确要求保护。由结合附图所做的以下详细描述，本发明的前述及其它特征和优点将变得明显，其中：
图1是根据一个示例性实施例包括设有涡流发生器的混合管元件的涡轮机的横截面示意图；
图2是根据一个示例性实施例包括多个喷射喷嘴组件的燃烧器的部分横截面视图；
图3是根据一个示例性实施例包括多个混合管元件的图2的喷射喷嘴组件的部分横截面视图；
图4是图3的多个混合管元件的其中一个中的第一流体入口、第二流体入口和涡流发生器的详细视图；
图5是图4的混合管元件的部分透视图，图示了根据示例性实施例的一个方面的第一流体入口和涡流发生器；
图6是图5中图示的涡流发生器所产生的双涡流的图形化表示；
图7是混合管元件的部分透视图，图示了根据示例性实施例的另一个方面的涡流发生器；
图8是混合管元件的部分透视图，图示了根据示例性实施例的又另一个方面的涡流发生器；
图9是混合管元件的平面视图，该混合管元件具有根据示例性实施例的再另一个方面的涡流发生器；
图10是图9的混合管元件的立面视图；以及
图11是具有根据示例性实施例的又再另一个方面的涡流发生器的混合管元件的平面视图。
详细描述通过参考附图的示例解释了本发明的实施例以及优点和特征。
零部件列表
2涡轮机
4压缩机部分
6涡轮部分
8燃烧器组件
10端盖
20，21，22喷射喷嘴组件
30燃烧室
33第一级(6)
40扩散器
43压缩机部排放气室
47燃烧器壳体
50燃烧器内部
54环形燃烧室冷却通道
59过渡件
64内壁(59)
65外壁(59)
66开口(65)
68环形通道
72引导腔
82外罩壳
84第一流体气室
86第二流体输送管
88入口(86)
90出口
92第二流体气室
95第二流体核芯
100布置成环形阵列的多个混合管元件
104谐振器
106冷却空气入口
108冷却空气气室
114端面
120，180，191，198混合管元件
130导管
132第一流体入口
134第二流体入口
137排放端
140流量限制部
144，170，184，193，194，195，220，222涡流发生器
146开口
147，148伸长的侧壁
149，150弯曲端壁
具体实施方式
首先参考图1，总体上以2示出了根据示范性实施例建造的涡轮机。涡轮机2包括经由公共的压缩机/涡轮轴(未示出)可操作地连接至涡轮部6的压缩机部4。压缩机部4也通过燃烧器组件8连接至涡轮部6。尽管显示仅有单个燃烧器组件，但应该懂得涡轮机2可包括布置成例如环管阵列的多个燃烧器组件。燃烧器组件8包括端盖10，该端盖10如以下更详尽地讨论的支承多个喷射喷嘴组件20-22。如以下将更详尽地讨论的，喷射喷嘴组件20-22将燃料/空气混合物输送到燃烧室30中。燃料空气混合物被燃烧以形成被输送到涡轮部6的第一级33的燃烧气体。
如图2中最佳所示，燃烧器组件8与压缩机部4以及涡轮部6成流动连通联接。压缩机部4包括流体地联接至压缩机部排放气室43的扩散器40。燃烧器组件8还包括燃烧器壳体47和燃烧器衬里50。如图所示，燃烧器衬里50定位成从燃烧器壳体47径向向内，以便限定燃烧室30。环形燃烧室冷却通道54限定在燃烧器壳体47和燃烧器衬里50之间。过渡件59将燃烧器组件8联接至涡轮部6。过渡件59向下游朝向涡轮部6的第一级33引导燃烧室30中产生的燃烧气体。为此，过渡件59包括内壁64和外壁65。外壁65包括通向限定在内壁64和外壁65之间的环形通道68的多个开口66。内壁64限定在燃烧室30和涡轮部6之间延伸的导引腔72。
在这点上应该理解的是呈现上述构造以便更完整地理解示例性实施例，其涉及喷射喷嘴组件20-22的特定结构。示例性实施例的喷射喷嘴组件20-22可结合到其中的涡轮机的特定形式可变化。由于每个喷射喷嘴组件20-22均相似地形成，以下将给出参考喷射喷嘴组件20的详细描述，且应理解喷射喷嘴组件21和22包括对应的结构。
如图3中所示，喷射喷嘴组件20包括限定第一流体气室84的外罩壳82。第二流体输送管86通过第一流体气室84。第二流体输送管86包括设置在端盖10处的入口88，其通过第二流体气室92延伸至出口90。出口90终止于围绕多个混合管道元件100的一部分延伸的第二流体核心或气室95。混合管道元件100布置成围绕出口90和谐振器104的环形阵列。谐振器104包括多个冷却流体入口，其中一个指示为106，其引导诸如提取空气的冷却流体通过混合管道元件100的中心区域。附加的冷却流体通过多个冷却开口，其中一个指示为110，进入冷却流体气室108，该冷却流体气室108围绕第二流体核心95和喷射喷嘴组件20的端面114之间的混合管道元件100延伸。
在这点上现在将参考图4，其图示了总体示出为120的多个混合管元件100的其中一个，且了解剩余的混合管元件100包括类似的结构。混合管元件120包括具有第一流体入口132、第二流体入口134和排放端137的导管130(图3)。第二流体入口134布置在第一流体入口132下游。排放端137布置在第一流体入口132和第二流体入口134下游。在所示的示例性实施例中，第一流体入口132设有流量限制部140。流量限制部140形成通过混合管元件120的期望流率。
如图5中最佳所示，混合管元件120包括涡流发生器144。根据所示的示例性实施例，涡流发生器144包括呈形成在第一流体入口132和第二流体入口134之间的伸长槽缝形态的开口146。更具体而言，涡流发生器144包括第一和第二相对的伸长侧壁147和148，它们由对应的第一和第二曲线端壁149和150连接。通过此布置，例如空气的第一流体进入第一流体气室84并被引向混合管元件120。诸如图6中示出为152的第一流体的第一部分作为轴向流进入第一流体入口132。第一流体的第二部分154通过涡流发生器144进入混合管元件120，如总体示出为154的大致垂直的流。垂直流154作用在轴向流152上，以形成位于第二流体入口134正下游的第一和第二流涡流156和157。第一和第二涡流大体填充混合管元件120的容积。以这种方式，一旦例如燃料的第二流体进入混合管元件120，则第一和第二流涡流156和157产生从排放端137进入燃烧室30的混合物。第一和第二流涡流156和157增强第一和第二流体的混合，以便促进更完整的燃烧。在这点上应该理解的是第一和第二流体例如燃料和空气以类似的方式在多个混合管元件100的每一个中混合。为了增强混合，在相邻混合管元件中产生的涡流彼此偏置，以避免产生可能使一个或更多混合管元件100缺乏垂直流的流型。还应该理解的是在混合管元件中产生的涡流的数量可以变化。
还应该理解的是涡流发生器的形状、数量和位置可根据示例性实施例而变化。例如，在图7中，其中相似的数字代表相应视图中对应的部件，涡流发生器170显示为包括大致成角度的轮廓。大致成角度的轮廓呈三角形或“三角翼”轮廓的形式。图8图示了具有设有涡流发生器184的第一端183的混合管元件180。涡流发生器184呈具有从第一端183延伸的开口端(未单独标示)的槽缝186的形式。孔口帽189插入第一端183以关闭涡流发生器184的开口端并为混合管元件180提供期望的流量限制。图9和10图示了具有多个涡流发生器193-195的混合管元件191，而图11图示了具有多个偏置或错列的涡流发生器220和222的混合管元件198。
在这点上应该理解的是示例性实施例描述了用于在混合管元件内产生双涡流以增强第一和第二流体的混合的系统。增强的混合导致更均匀的燃料/空气比，其又导致涡轮机的降低的排放。还应该理解的是，如以上指出，涡流发生器的类型、数量和位置以及布置可以变化。还应该理解的是混合管元件除了在涡轮机中使用之外，还可以用在需要增强的多种流体的混合的多种应用中。
尽管已仅联系有限数量的实施例详细描述了本发明，但应该容易懂得本发明不限于此类公开的实施例。相反，本发明可进行修改以结合迄今尚未描述但与本发明的精神和范围相称的多种变型、备选、替代或等价装置。此外，尽管已经描述了本发明的多个实施例，但应该懂得本发明的多个方面可仅包括所描述的实施例的其中一些。因此，本发明不应视为由前面的描述所限制，而是仅由所附权利要求书的范围限制。

Claims (9)

1.一种涡轮机(2)，包括：
压缩机部(4)；
可操作地连接到所述压缩机部(4)上的燃烧器(8，30，47，50)；
安装到所述燃烧器(8，30，47，50)上的端盖(10)；以及
可操作地连接到所述燃烧器(8，30，47，50)上的喷射喷嘴组件(20，21，22)，所述喷射喷嘴组件(20，21，22)包括多个混合管元件(100)，所述多个混合管元件(100)的每一个均包括导管(130)，所述导管(130)具有第一流体入口(132)，布置在所述第一流体入口(132)下游的第二流体入口(134)，布置在所述第一流体入口(132)和第二流体入口(134)下游的排放端(137)，以及布置在所述第一流体入口(132)和第二流体入口(134)之间的涡流发生器(144，170，184，193，194，195，220，222)，所述涡流发生器(144，170，184，193，194，195，220，222)构造并设置成在所述导管(130)内产生多个涡流，以使通过所述多个混合管元件(100)的每一个的第一流体和第二流体(132，134)混合。
2.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述第一流体入口(132)包括流量限制部(140)。
3.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述涡流发生器(144，170，184，193，194，195，220，222)包括形成在所述导管(130)中的至少一个开口(146)。
4.根据权利要求3所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述至少一个开口(146)是伸长的槽缝(186)。
5.根据权利要求4所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述伸长的槽缝(186)包括曲线部分(149，150)。
6.根据权利要求3所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述至少一个开口(146)包括成角度开口(146)。
7.根据权利要求6所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述成角度开口(146)是三角形开口(146)。
8.根据权利要求3所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述至少一个开口(146)包括多个开口(146)。
9.根据权利要求3所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述多个混合管元件(100)的其中一个上的所述至少一个开口(146)与所述多个混合管元件(100)的其它混合管元件的邻近混合管元件上的所述至少一个开口(146)偏置。
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