CN103134080A - 具有对轮叶表面进行压缩机排气喷射的旋流器组件 - Google Patents

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CN103134080A CN2012104842531A CN201210484253A CN103134080A CN 103134080 A CN103134080 A CN 103134080A CN 2012104842531 A CN2012104842531 A CN 2012104842531A CN 201210484253 A CN201210484253 A CN 201210484253A CN 103134080 A CN103134080 A CN 103134080A
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Abstract

本发明公开一种用于燃气涡轮机燃烧室中的旋流器组件。所述旋流器组件包括：轮毂、防护罩，以及连接在所述轮毂与所述防护罩之间的多片轮叶。所述轮叶包括空气和燃料对所述轮叶形成撞击的高压侧，以及低压侧。空气回路设在所述多片轮叶中的每片轮叶中，用于从压缩机接收排气。所述空气回路中的每个空气回路包括空气进入所述轮叶的进气通道，以及所述轮叶的所述低压侧上的排气通道。

Description

具有对轮叶表面进行压缩机排气喷射的旋流器组件
技术领域
本发明涉及燃气涡轮机，确切地说，涉及燃气涡轮机燃烧室中的旋流器组件，所述旋流器组件包括旋流器轮叶中的空气回路，其用于将压缩机排气引导到旋流器轮叶的低压侧。
背景技术
在燃气涡轮机燃烧室中，来自压缩机的压缩空气与燃料在燃烧区的上游混合。旋流器组件包括周向隔开的轮叶，其用于使穿过所述轮叶的压缩空气流和燃料旋动并混合。
旋流器组件，也称为旋流喷嘴(swozzle)组件，可具有因轮叶转动区域的吸入侧上的流不足而受限的火焰稳定裕度。此减小的火焰稳定裕度以及局部富集的空气/燃料区域降低燃烧室的性能。
发明内容
在一项示例性实施例中，一种燃气涡轮机燃烧室中的旋流器组件包括：轮毂、防护罩，以及连接在所述轮毂与所述防护罩之间的多片轮叶。所述轮叶包括供空气和燃料撞击所述轮叶的高压侧，以及低压侧。空气回路设在所述多片轮叶中的每片轮叶中，用于从压缩机接收排气。所述空气回路中的每个空气回路包括空气进入所述轮叶的进气通道，以及所述轮叶的所述低压侧上的排气通道。
在另一项示例性实施例中，一种燃气涡轮机包括：压缩机，其逐渐压缩空气等工作流体；燃烧室，其将燃料喷射到压缩空气中，并点燃空气和燃料，以产生燃烧气体；以及涡轮机，其使用所述燃烧气体来做功。所述燃烧室包括旋流器组件，所述旋流器组件用于使所述空气和所述燃料旋动。所述旋流器组件包括轮毂、防护罩、连接在所述轮毂与所述防护罩之间的多片轮叶，以及所述多片轮叶中的每片轮叶中的空气回路。所述空气和燃料会在高压侧上撞击所述轮叶。所述多片轮叶中的每片轮叶中的所述空气回路从所述压缩机接收排气，其中所述空气回路中的每个空气回路包括空气进入所述轮叶的进气通道，以及所述轮叶的低压侧上的排气通道。
在又一项示例性实施例中，一种在旋流器组件中混合燃料和空气的方法包括以下步骤：在所述多片轮叶中的每片轮叶中设置空气回路，所述空气回路中的每个空气回路包括空气进入所述轮叶的进气通道，以及所述轮叶的低压侧上的排气通道；以及将气流从压缩机引导到空气进入所述轮叶的所述进气通道，并穿过所述轮叶的所述低压侧上的所述排气通道。
附图说明
图1为燃气涡轮机的简化示意图；
图2为燃气涡轮机中的燃料喷嘴的截面图；
图3图示防护罩移除后的旋流器组件；以及
图4为旋流器组件的透视图。
元件符号列表：
Figure BDA00002456776600021
Figure BDA00002456776600031
具体实施方式
图1所示为典型的燃气涡轮机10。如图所示，燃气涡轮机10通常包括位于前部的压缩机12、位于中部的一个或多个燃烧室14，以及位于尾部的涡轮机16。压缩机12和涡轮机16通常共用一个公用转子。压缩机12逐渐压缩空气等工作流体，并将压缩工作流体排到燃烧室14。燃烧室14将燃料喷射到压缩工作流体的流中，并点燃该混合物，以产生高温、高压且高速的燃烧气体。之后，燃烧气体离开燃烧室14并流向涡轮机16，在涡轮机中，燃烧气体膨胀以做功。
外壳环绕每个燃烧室14，以容纳来自压缩机12的压缩工作流体。喷嘴布置在端盖中，例如，外部喷嘴径向布置在中心喷嘴的周围。来自压缩机12的压缩工作流体在外壳和内衬之间流到外部喷嘴和中心喷嘴，所述喷嘴将燃料与压缩工作流体混合，且混合物从外部喷嘴和中心喷嘴流入上游室和下游室，在所述上游室和所述下游室中进行燃烧。
图2为燃气涡轮机中的燃料喷嘴的截面图。喷嘴组件根据功能分成四个区域，包括入流调节器1、空气旋流器组件(称为旋流喷嘴组件)2、环形燃料空气混合通道3，以及中心扩散火焰燃料喷嘴组件4。
空气从高压集气室6进入燃烧器，所述高压集气室环绕整个组件，除了排气端之外，所述排气端进入燃烧室反应区5。用于燃烧的大部分空气经由入流调节器(IFC)1进入预混合器。IFC包括环形流道15，所述环形流道的内径由实心的圆柱形内壁13界定，外径由带穿孔的圆柱形外壁12界定，且上游端由带穿孔的端盖11界定。处于流道15中心的是一个或多个环形转动轮叶14。预混合器空气经由端盖和圆柱形外壁中的穿孔进入IFCl。
带穿孔的壁11、12执行以下功能：对系统进行反向加压，且周向围绕IFC环状通路15均匀分配流，而转动轮叶14与带穿孔的壁一起工作，以在IFC环状通路15中适当地径向分配进气。
为了消除位于旋流喷嘴2的入口处的防护罩壁202附近的低速区域，可在IFC与旋流喷嘴之间使用钟口形过渡件26。
燃烧空气排出IFC 1后，进入旋流喷嘴组件2。所述旋流喷嘴组件包括轮毂201和防护罩202，所述防护罩通过一系列翼型形转动轮叶23连接，所述轮叶使穿过预混合器的燃烧空气旋动(见图3和图4)。在排出环形通道3之后，燃料/空气混合物进入燃烧室反应区5，在燃烧室反应区5中进行燃烧。
图3和图4图示根据优选实施例的旋流器组件2。如图所示，旋流器组件2包括轮毂201、防护罩202，以及连接在所述轮毂与所述防护罩之间的多片轮叶23。空气和燃料在轮叶23的侧231上撞击轮叶，该侧231为高压侧。相对侧232为低压侧。
在一些现有的旋流器组件设计中，轮叶23包括盖形进料通道233以及防护罩202中的对应开口234。压缩机排气通过旋流器组件的轮叶23和轮毂201供给到盖形进料通道233，然后通过喷嘴头排出，以对喷嘴头进行冷却。
空气回路设在多片轮叶23中的每片轮叶中。空气回路从压缩机接收排气。所述空气回路中的每个空气回路包括空气进入所述轮叶的进气通道，以及所述轮叶的低压侧上的排气通道。在一项实施例中，空气回路的进气通道由盖形进料通道233构成。排出通道包括轮叶的低压侧232中的孔235，所述孔延伸到盖形进料通道233中。在此实施例中，盖形进料通道233中的压缩机排气的一部分通过排出通道235转移到轮叶23的低压侧。
在一项替代实施例中，穿过轮叶23的专用通道236用于空气回路，通道236与盖形进料通道233分开。在此实施例中，排气通道包括轮叶23的低压侧上的孔235。此实施例中的孔235延伸到专用通道236中，所述专用通道供压缩机排气穿过。在此实施例中，对应的孔237设在防护罩202中。
优选地，直接从压缩机接收压缩机排气。旋流器轮叶低压喷射空气可源自压缩机排气，或者源自备用的压力进料源。可在沿着压缩机排气路径到供给燃烧室头端的环形部分的任意点处获得压缩机排气进料(compressor discharge feed)。直接从压缩机出口获得的压缩机排气将处于较高的压力(与燃烧室头端的压力相比)，这可能有利于旋流器轮叶低压喷射，因为在轮叶的吸入流不足的区域上产生较大压差。备用的压力进料也可用来进一步增强轮叶吸入侧喷射的流量差/压差。
旋流器组件2使处于高压的清洁压缩机排气能够沿着旋流喷嘴轮叶的压力侧或吸入侧进行喷射，以局部改进燃料混合。沿着轮叶边缘喷射压缩机排气可将所需的空气添加到旋流喷嘴轮叶的低流量区域，从而通过减少局部富集的燃料袋来提高火焰稳定裕度，改进燃料混合，并且改进操作性和火焰稳定性。喷射空气可由压缩机排气供应，所述压缩机排气邻近压缩机出口(可得最高压力)，或者沿着压缩机进料回路直到通向燃烧室头端(压差最低)的环形进料装置(annular feed)。也可从处于进一步升高的压力和/或较低温度的辅助压缩机得到备用的气压进料。空气喷射可在轮叶吸入侧和/或轮叶压力侧上进行，且所述空气喷射包括上游空气幕，以覆盖轮叶表面，其中高压和/或低温空气用来进一步促进燃料混合并消除压力不足。
尽管已结合当前被视为最实际且优选的实施例对本发明进行了描述，但应了解，本发明并不限于所揭示的实施例，相反，本发明旨在涵盖属于所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (19)

1.一种用于燃气涡轮机燃烧室中的旋流器组件，所述旋流器组件包括：
轮毂；
防护罩；
连接在所述轮毂与所述防护罩之间的多片轮叶，所述轮叶包括空气和燃料对所述轮叶形成撞击的高压侧，以及低压侧；以及
所述多片轮叶中的每片轮叶中的空气回路，其用于从压缩机接收排气，所述空气回路中的每个空气回路包括空气进入所述轮叶的进气通道，以及所述轮叶的所述低压侧上的排气通道。
2.根据权利要求1所述的旋流器组件，其中所述进气通道包括盖形进料通道，其用于将压缩机排气朝向喷嘴头而引导到所述轮毂中，且其中所述压缩机排气的一部分通过所述排出通道转移到所述轮叶的所述低压侧。
3.根据权利要求2所述的旋流器组件，进一步包括所述防护罩中的盖形进料口。
4.根据权利要求1所述的旋流器组件，进一步包括盖形进料通道，其用于将所述压缩机排气朝向喷嘴头而引导到所述轮毂中，其中所述进气通道与所述盖形进料通道分开。
5.根据权利要求1所述的旋流器组件，其中所述排气通道包括穿过所述轮叶的所述低压侧的多个孔。
6.根据权利要求1所述的旋流器组件，其中所述进气通道直接从所述压缩机接收所述空气。
7.根据权利要求1所述的旋流器组件，其中经由所述轮叶的一侧中的开口进入所述进气通道。
8.一种燃气涡轮机，包括：
压缩机，其逐渐压缩工作流体，所述工作流体包括空气；
燃烧室，其将燃料喷射到所述压缩空气中，并点燃所述空气和燃料，以产生燃烧气体；以及
涡轮机，其使用所述燃烧气体来做功，
其中所述燃烧室包括使所述空气和所述燃料旋动的旋流器组件，所述旋流器组件包括轮毂、防护罩、连接在所述轮毂与所述防护罩之间的多片轮叶，以及所述多片轮叶中的每片轮叶中的空气回路，所述轮叶包括工作流体空气和燃料对所述轮叶形成撞击的高压侧，以及低压侧，所述多片轮叶中的每片轮叶中的所述空气回路从所述压缩机接收排气，其中所述空气回路中的每个空气回路包括空气进入所述轮叶的进气通道，以及所述轮叶的所述低压侧上的排气通道。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮机，其中所述进气通道包括盖形进料通道，其用于将压缩机排气朝向喷嘴头而引导到所述轮毂中，且其中所述压缩机排气的一部分通过所述排出通道而转移到所述轮叶的所述低压侧。
10.根据权利要求9所述的燃气涡轮机，进一步包括所述防护罩中的盖形进料口。
11.根据权利要求8所述的燃气涡轮机，进一步包括盖形进料通道，其用于将所述压缩机排气朝向喷嘴头而引导到所述轮毂中，其中所述进气通道与所述盖形进料通道分开。
12.根据权利要求8所述的燃气涡轮机，其中所述排气通道包括穿过所述轮叶的所述低压侧的多个孔。
13.根据权利要求8所述的燃气涡轮机，其中所述进气通道直接从所述压缩机接收所述空气。
14.根据权利要求8所述的燃气涡轮机，其中经由所述轮叶的一侧中的开口进入所述进气通道。
15.一种在旋流器组件中混合燃料和空气的方法，所述旋流器组件包括轮毂、防护罩，以及连接在所述轮毂与所述防护罩之间的多片轮叶，所述轮叶包括空气和燃料对所述轮叶形成撞击的高压侧，以及低压侧，所述方法包括：
在所述多片轮叶中的每片轮叶中设置空气回路，所述空气回路中的每个空气回路包括空气进入所述轮叶的所述进气通道，以及所述轮叶的所述低压侧上的排气通道；以及
将气流从压缩机引导到空气进入所述轮叶的所述进气通道，并穿过所述轮叶的所述低压侧上的所述排气通道。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述进气通道包括盖形进料通道，其用于将压缩机排气朝向喷嘴头而引导到所述轮毂中，且其中实施引导步骤的方式为，通过所述排出通道将所述压缩机排气的一部分转移到所述轮叶的所述低压侧。
17.根据权利要求15所述的方法，其中实施设置步骤的方式为，使所述排气通道设有穿过所述轮叶的所述低压侧的多个孔。
18.根据权利要求15所述方法，其中实施引导步骤的方式为，将所述气流直接从所述压缩机引导到所述进气通道。
19.根据权利要求15所述的方法，其中实施所述设置步骤的方式为，在所述轮叶的一侧中设有开口。
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