CN102588966A - 驻涡燃烧器及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及驻涡燃烧器及其运行方法。一种驻涡燃烧器包括具有第一表面和第二表面的驻涡腔。多个流体混合器沿着驻涡腔的第一表面和第二表面沿周向设置。至少一个流体混合器包括接收第一流体流的第一开口端、在第一开口端附近的康达轮廓、用以将燃料流排到康达轮廓上面的燃料室，以及用于接收第一流体流和燃料流的混合物且将第一流体流和燃料流的混合物排到驻涡腔中的第二开口端。康达轮廓构造成使得燃料流能够附连至康达轮廓而形成燃料流的边界层，以及将进入的第一流体流输送至燃料流的边界层而形成第一流体流和燃料流的混合物。

Description

驻涡燃烧器及其运行方法
技术领域
本发明大致涉及燃烧器，并且具体而言，涉及在燃气轮机中的驻涡燃烧器。
背景技术
在传统的燃气轮机发动机中，从压缩机离开的压缩空气在燃烧器中与燃料混合。混合物在燃烧器中燃烧而产生高压、高温的气体流(称为燃烧后气体)。燃烧后气体在涡轮(高压涡轮)中膨胀，涡轮将与燃烧后气体相关联的热能转换成使涡轮轴旋转的机械能。燃烧后气体作为经膨胀的燃烧气体离开高压涡轮。
一些燃气轮机部署了再热燃烧器以利用在经膨胀的燃烧气体中的氧气含量。在添加额外的燃料后，经膨胀的燃烧气体再次在再热燃烧器中燃烧，并且经再燃烧的经膨胀的燃烧气体在第二涡轮(低压涡轮)中膨胀而产生额外的动力。
如果出现在燃烧器和再热燃烧器中的燃烧过程是不完全/低效的，则从燃烧器/再热燃烧器离开的热气将包含造成污染的成分，例如部分燃烧的碳氢化合物、氮氧化物等。这样的造成污染的成分在从高压涡轮(或低压涡轮，如果部署的话)离开后最后被排到大气中。因而燃烧过程必须是高效且完全的。
改进燃烧器效率的挑战之中包括燃料和空气的高效混合和所产生的火焰的稳定。解决这些挑战的一种手段是包括位于在燃烧器的壁上的驻涡腔。燃料从在腔内的某些固定的点处被喷入驻涡腔。进入燃烧器的空气的一部分(在再热燃烧器的情况下是经膨胀的燃烧气体)被转移向驻涡腔，如其名字所提示，驻涡腔困住空气的该部分而形成涡流。实现稳定高速的涡流是合乎需要的，这有助于空气与被喷入驻涡腔中的燃料的高效混合。但是，为了实现稳定的涡流，进入燃烧器的空气不得不被加速至高的速度，这导致燃气轮机效率降低。另外，从在腔内的固定点处喷射燃料通常在空气的涡流中产生富燃料的穴而不实现合乎需要的混合量。低效的混合和不稳定的涡流结果导致有不稳定的火焰，这又导致有低效的燃烧。
在燃烧器的驻涡腔中产生稳定的涡流以及实现燃料和空气的高效的混合是合乎需要的。
发明内容
根据本发明的一个示例性实施例，公开了一种驻涡燃烧器。该驻涡燃烧器包括具有第一表面和第二表面的驻涡腔。多个流体混合器沿着驻涡腔的第一表面和第二表面沿周向设置。至少一个流体混合器包括接收第一流体流的第一开口端、在第一开口端附近的康达(coanda)轮廓、将燃料流排到康达轮廓上面的燃料室，以及用于接收第一流体流和燃料流的混合物且将第一流体流和燃料流的混合物排到驻涡腔中的第二开口端。康达轮廓构造成使得燃料流能够附连至康达轮廓而形成燃料流的边界层，以及将进入的第一流体流输送至燃料流的边界层而形成第一流体流和燃料流的混合物。
根据本发明的另一个示例性实施例，公开了一种运行驻涡燃烧器的方法。该方法包括将进入驻涡燃烧器的流体流分离成第一流体流和第二流体流。第二流体流的一部分被引导至在驻涡燃烧器中的驻涡腔的开口端。第一流体流被转移至沿着驻涡腔的第一表面和第二表面沿周向设置的多个流体混合器。燃料流被排到该多个流体混合器中的至少一个流体混合器的第一开口端附近的康达轮廓上面，以使得燃料流能够附连至康达轮廓而形成燃料流的边界层，以及将进入的第一流体流输送至燃料流的边界层而形成第一流体流和燃料流的混合物。在驻涡腔中的包括第一流体流和燃料流的混合物经由该至少一个流体混合器的第二开口端排出。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相同符号在图中表示相同部件，其中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的燃气轮机发动机。
图2示出了根据本发明的一个实施例的驻涡燃烧器。
图3示出了在根据图2的一个实施例的驻涡燃烧器中的驻涡腔和多个流体混合器。
图4示出了根据图2和图3的一个实施例的流体混合器。
图5示出了根据图4的一个实施例的流体混合器中的康达轮廓附近的燃料边界层的形成。
具体实施方式
如以下详细论述的那样，本发明的实施例提供了驻涡燃烧器及其运行方法。但是，本发明可以许多不同的形式体现，而不该被理解成限于在文中阐述的实施例；相反，这些实施例提供来使得公开将是彻底且完全的，并且将向本领域技术人员完整地传达本发明的范围。
图1示出了根据本发明的一个实施例的燃气轮机发动机10。图1示出了压缩机12、燃烧器14、第一涡轮16、再热燃烧器18和第二涡轮20。诸如大气空气的空气流22被供给到入压缩机12中，以压缩至期望的温度和压力。在压缩后，空气流22作为压缩空气流24离开压缩机12且在燃烧器14中与燃料流26混合。包括压缩空气流24和燃料流26的混合物在燃烧器14中被燃烧，从而导致有高温且高压的燃烧后气体28流。燃烧后气体28在第一涡轮16中膨胀以将与燃烧后气体28相关联的热能转换成机械能。燃烧后气体28作为经膨胀的燃烧气体30离开第一涡轮16。根据一个实施例，第一涡轮16通过轴32联接至压缩机12且驱动压缩机12。
经膨胀的燃烧气体30包括一定量的未利用的氧气(按质量为大约15％至大约20％)。因此，燃气轮机发动机10部署了再热燃烧器18和第二涡轮20来产生额外的动力，而不是将经膨胀的燃烧气体30释放进大气中。经膨胀的燃烧气体30与燃料流34在再热燃烧器18中混合，并且包括经膨胀的燃烧气体30和燃料流34的混合物在再热燃烧器18中燃烧。燃烧混合物作为流36离开再热燃烧器18，流36在第二涡轮20中膨胀。在一个实施例中，第二涡轮20通过轴38联接至第一涡轮16。
为了有高效和完全的燃烧，燃烧器14和再热燃烧器18包括驻涡腔，驻涡腔具有设置在驻涡腔的表面上的多个流体混合器。随后的附图参照燃烧器14更详细地示出了驻涡腔和该多个流体混合器。在某些其它的实施例中，类似的驻涡腔和该多个流体混合器也可部署在再热燃烧器18中。在一些实施中，燃烧器14和再热燃烧器18两者同时包括驻涡腔，驻涡腔具有设置在驻涡腔的表面上的多个流体混合器。
图2示出了包括驻涡腔40的燃烧器14的概略图。由于燃烧器14包括驻涡腔40，所以燃烧器14也可被称为驻涡燃烧器14。驻涡腔40包括第一表面42和第二表面44。燃烧器14进一步包括设置在第一表面42和第二表面44上的多个流体混合器46。将结合图3详细地示出该多个流体混合器46在第一表面42和第二表面44上的布置。根据示出的示例性实施例，驻涡腔40具有长方形截面。在其它的实施例中，驻涡腔40可具有其它的截面，例如半圆形截面。
在进入燃烧器14后，压缩空气流24(也可一般地称为“流体流”)被分离成第一流体流48和第二流体流50。在参照再热燃烧器18的另一个实施例中，经膨胀的燃烧气体30(也可一般地称为“流体流”)被分离成第一流体流48和第二流体流50。燃烧器14部署了分离装置52，例如瓣件，用于将压缩空气流24分离成第一流体流48和第二流体流50。根据一个实施例，分离装置52具有空气动力学轮廓且被铰接在燃烧器18的上游的位置51处。应该注意，在图2中所示出的分离装置52是示例性的，并且可部署其它分离装置来将经膨胀的燃烧气体24分离成第一流体流48和第二流体流50。
第一流体流48被转移至位于第一表面42和第二表面44上的流体混合器46。流体混合器46联接至燃料库54，燃料库54将燃料作为燃料流26供应给流体混合器46。控制单元56控制从燃料库54至流体混合器46的燃料供应。根据一个实施例，控制单元56基于在驻涡燃烧器14上的负载来控制对流体混合器46的燃料供应。第一流体流48和燃料流26在流体混合器46中混合，并且混合物作为流58排到驻涡腔40中。应该注意，流体混合器46构造成彻底地混合第一流体流48和燃料流26，以及以高于第一流体流48进入流体混合器46的速度的速度将流58排进驻涡腔40中。第一流体流48和燃料流26的混合的详细情况在随后的附图中论述。根据示出的实施例，第一表面42和第二表面44彼此相对定位。从设置在表面42上的流体混合器46排出的流58与从设置在表面44上的流体混合器46排出的流58形成涡流62。
压缩空气流24的第二流体流50被引导向主室60。第二流体流50的部分64通过开口端66进入驻涡腔40。第二流体流50的部分64进一步扩大由流58在驻涡腔40内形成的涡流62。
图3示出了根据图2的一个实施例的驻涡腔40的透视图。图3示出了设置在第一表面42和第二表面44上的多个流体混合器46。根据一个实施例，第一表面42具有内端64和外端66。类似地，第二表面44具有内端68和外端70。根据一个实施例，一个或多个流体混合器46沿着第一表面42的内端64沿周向设置，并且一个或多个流体混合器46沿着第二表面44的外端70沿周向设置。要注意，在图3中示出的设置在第一表面42和第二表面44上的流体混合器46的数量仅是示例性的。附图进一步示出了进入流体混合器46的第一流体流48。
图4示出了根据图1-图3的一个实施例的流体混合器46。流体混合器46包括第一部分72、第二部分74、第一半圆形部分76和第二半圆形部分(未显示)。第二半圆形部分与第一半圆形部分76相对定位。第一部分72通过第一半圆形76和第二半圆形部分联接至第二部分74。流体混合器46进一步包括具有由第一部分72、第二部分74、第一半圆形部分76和第二半圆形部分包围的扩张轮廓80的扩散部分78。扩散部分78的扩张轮廓80从第一开口端81扩张至第二开口端83。流体混合器46进一步包括联接至第一部分72的燃料入口82，以便燃料流26从流体库54(图2)进入流体混合器46。燃料室84沿着第一部分72、第二部分74、第一半圆形部分76和第二半圆形部分延伸且临时存储来自燃料入口82的燃料流26。在第一开口端的附近，第一部分72、第二部分74、第一半圆形部分76和第二半圆形部分中的各个均具有多个槽86和康达轮廓88。
流体混合器46经由第一开口端81接收第一流体流48。燃料室84经由多个槽86将燃料流26排到康达轮廓88上面，其中，康达轮廓88构造成使得燃料流26能够附连至康达轮廓88而形成燃料流26的边界层，以及将进入的第一流体流48输送至燃料流26的边界层而形成第一流体流48和燃料流26的混合物。根据一个实施例，流体混合器46构造成允许第一流体流48和燃料流26基于“康达效应”混合。如在文中所使用的，用语“康达效应”是指流体流使其本身附连至附近表面且保持附连的趋势，即使是在表面弯曲离开流体运动的最初方向时。将结合图5来进一步论述康达效应。
流体混合器46的扩散部分72将第一流体流48和燃料流26的混合物引导至第二开口端83。第一流体流48和燃料流26的混合物离开第二开口端83且被排到驻涡腔40中，如结合图2示出和论述的那样。
燃料流26在第一压力处从燃料室84排到康达轮廓88上面，并且第一开口端81在第二压力处接收第一流体流48。在一个实施例中，第一压力高于第二压力。燃料流26的高压排出使第一流体流48加速，并且因而流58在高于进入流体混合器46的第一流体流48的速度的速度处排到驻涡腔40中。应当注意，流58以高速排到驻涡腔40中导致涡流62(图2)的稳定性增加。
参照图2和图4两者，在流体混合器46使用高压燃料排出以便增加燃料空气混合和流58进入驻涡腔40的速度的过程是指流体混合器46的“激励”。使用控制单元56，可选择性地激励一个或多个流体混合器，这取决于燃烧器14的负载要求。
图5是在根据图4的一个实施例的流体混合器46(在图4中示出)的康达轮廓88附近的燃料边界层的形成的图示。在示出的实施例中，燃料流26附连至康达轮廓88且保持附连，即便是当康达轮廓88的表面弯曲离开最初燃料流方向时。更具体地，由于燃料流26加速以平衡动量传递，在流上存在压力差，这使燃料流26转移成更接近康达轮廓88的表面。在燃料流26在康达轮廓88上运动时，会在燃料流26和康达轮廓88之间出现一定量的表面摩擦。表面摩擦引起的对流的阻力会使燃料流26向康达轮廓88转移，从而导致燃料流26粘附在康达轮廓88上。另外，由康达效应形成的燃料流26的边界层94输送第一流体流48来与边界层94形成剪切层96，以促进第一流体流48与燃料流26的混合。此外，由边界层94与第一流体流48的分离和混合形成的剪切层96导致有均匀的混合物。
参照序列号为No.11/273,212的美国申请，更详细地阐述了关于康达装置的更多的细节，该申请通过引用而结合在本文中。
参照图1-图5，使用高压燃料流导致有进入驻涡腔的高速燃料空气混合物。高速燃料空气混合物导致有稳定的涡流以及导致稳定所产生的火焰。
尽管仅在文中示出且描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和改变。因而，应该理解，所附权利要求意图覆盖落在本发明的真实精神内的所有这样的修改和改变。

Claims (21)

1.一种驻涡燃烧器，包括：
包括第一表面和第二表面的驻涡腔；
沿着所述驻涡腔的所述第一表面和所述第二表面沿周向设置的多个流体混合器，其中，至少一个流体混合器包括：
接收第一流体流的第一开口端；
在所述第一开口端附近的康达轮廓；
用以将燃料流排到所述康达轮廓上面的燃料室，其中，所述康达轮廓构造成使得所述燃料流能够附连至所述康达轮廓而形成所述燃料流的边界层，以及将进入的所述第一流体流输送至所述燃料流的所述边界层而形成所述第一流体流和所述燃料流的混合物；以及
第二开口端，其用于接收所述第一流体流和所述燃料流的所述混合物且将所述第一流体流和所述燃料流的所述混合物排到所述驻涡腔中。
2.根据权利要求1所述的驻涡燃烧器，其特征在于，所述驻涡燃烧器进一步包括设置在所述驻涡燃烧器的上游位置处的分离装置，以将进入所述驻涡燃烧器的流体流分离成所述第一流体流和第二流体流，所述第二流体流的一部分被引导至所述驻涡腔。
3.根据权利要求2所述的驻涡燃烧器，其特征在于，所述第一流体流和所述燃料流的所述混合物和所述第二流的所述部分在所述驻涡腔内形成涡流。
4.根据权利要求2所述的驻涡燃烧器，其特征在于，所述流体流包括空气。
5.根据权利要求2所述的驻涡燃烧器，其特征在于，所述流体流包括经膨胀的燃烧气体。
6.根据权利要求1所述的驻涡燃烧器，其特征在于，所述第一流体流在所述燃料流的所述边界层内形成剪切层，以使得能够混合所述燃料流和所述第一流体流。
7.根据权利要求1所述的驻涡燃烧器，其特征在于，所述燃料室构造成在第一压力处将所述燃料流排到所述康达轮廓上面，并且所述第一开口端在第二压力处接收所述第一流体流，所述第一压力高于所述第二压力。
8.根据权利要求1所述的驻涡燃烧器，其特征在于，所述康达轮廓通过康达效应来使通过所述燃料室供应的所述燃料流转移向所述康达轮廓。
9.根据权利要求1所述的驻涡燃烧器，其特征在于，所述至少一个流体混合器进一步包括具有用于将所述第一流体流和所述燃料流的所述混合物引导至所述第二开口端的扩张轮廓的扩散部分。
10.根据权利要求1所述的驻涡燃烧器，其特征在于，所述驻涡腔具有长方形截面。
11.根据权利要求1所述的驻涡燃烧器，其特征在于，所述第一表面包括内端和外端，所述至少一个流体混合器设置在所述第一表面的所述内端上。
12.根据权利要求1所述的驻涡燃烧器，其特征在于，所述第二表面包括内端和外端，所述至少一个流体混合器设置在所述第二表面的所述外端上。
13.根据权利要求1所述的驻涡燃烧器，其特征在于，所述驻涡燃烧器进一步包括构造成控制对所述至少一个流体混合器的所述燃料室的燃料供应的控制单元。
14.根据权利要求13所述的驻涡燃烧器，其特征在于，所述控制单元构造成基于在所述驻涡燃烧器上的负载来控制对所述燃料室的所述燃料供应。
15.根据权利要求1所述的驻涡燃烧器，其特征在于，所述第二表面与所述第一表面相对定位。
16.一种用于运行驻涡燃烧器的方法，所述方法包括：
将进入所述驻涡燃烧器的流体流分离成第一流体流和第二流体流；
将所述第二流体流的一部分引导至所述驻涡燃烧器中的驻涡腔的开口端；
使所述第一流体流转移至沿着所述驻涡腔的第一表面和第二表面沿周向设置的多个流体混合器；
将燃料流排到所述多个流体混合器中的至少一个流体混合器的第一开口端附近的康达轮廓上面，以使得所述燃料流能够附连至所述康达轮廓而形成所述燃料流的边界层，以及将进入的所述第一流体流输送至所述燃料流的所述边界层而形成所述第一流体流和所述燃料流的混合物；
通过所述至少一个流体混合器的第二开口端来将包括所述第一流体流和所述燃料流的所述混合物排到所述驻涡腔中。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，将包括所述第一流体流和所述燃料流的所述混合物排到所述驻涡腔中包括：
在所述第一表面的内端附近将包括所述第一流体流和所述燃料流的所述混合物排到所述驻涡腔中。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，将包括所述第一流体流和所述燃料流的所述混合物排到所述驻涡腔中包括：
在所述第二表面的外端附近将包括所述第一流体流和所述燃料流的所述混合物排到所述驻涡腔中。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括通过所述至少一个流体混合器的第二开口端以这样的方式将包括所述第一流体流和所述燃料流的所述混合物排到所述驻涡腔中：所述第二流体流的所述部分和包括所述第一流体流和所述燃料流的所述混合物在所述驻涡腔内形成涡流。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
在第一压力处将所述燃料流排到所述康达轮廓上面，在第二压力处使所述第一流体流转移至多个流体混合器，所述第一压力高于所述第二压力。
21.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：通过康达效应来使被排到所述康达轮廓上面的燃料流转移向所述康达轮廓。
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