CN103574638A - 再热喷燃器和在再热喷燃器内混合燃料/载气流的方法 - Google Patents

再热喷燃器和在再热喷燃器内混合燃料/载气流的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种再热喷燃器，其包括用于热气流的流通道，该流通道带有沿着所述流通道布置的喷枪，该喷枪突出到流通道内以用于在垂直于通道纵向轴线的喷射平面上喷射燃料，其中，通道和喷枪在热气流方向上限定喷射平面上游的涡流发生区和喷射平面下游的混合区。混合区提供至少一个轴向区域，该轴向区域具有沿着其纵向轴线带有连续改变的形状的不同横截面，或者具有通过围绕纵向轴线连续旋转而改变沿着其纵向轴线的位置的非圆形横截面。

Description

再热喷燃器和在再热喷燃器内混合燃料/载气流的方法
技术领域
本发明涉及使用顺序燃烧的固定式燃气涡轮的领域。在顺序燃烧的情境下，再热喷燃器(reheat burner)的形状是至关重要的，其中，为了产生可自动点火的燃料/载气混合物，发生燃料与额外载气的混合。
背景技术
已知顺序燃烧燃气涡轮包括第一喷燃器，其中，将燃料喷射到待燃烧的压缩空气流内，生成在高压涡轮中部分膨胀的热气。
来自高压涡轮的仍富含氧气的热气然后被进给到再热喷燃器中，其通常被称作第二级燃烧，其中，另外的燃料在那里被喷射以在再热喷燃器下游的燃烧室中混合和燃烧；所生成的热气然后在低压涡轮中膨胀。
顺序燃烧燃气涡轮的再热喷燃器具有形状通常为正方形、四边形或梯形的管，封闭通常由四面体元件制成的静态涡流发生器，四面体元件连接到管上游区域中的壁且部分地延伸到管内。
在涡流发生器的下游，再热喷燃器具有由直管状元件制成的喷枪(lance)，直管状元件垂直于热气流方向放置且具备终端部，该终端部与热气流方向平行。终端部通常具有多于一个喷射燃料的喷嘴。
在操作期间，热气流通过增加其涡流而穿过湍流发生器，例如，涡流发生器、沟槽VG喷枪、沟槽凸角(lobe)喷枪；之后，燃料通过喷枪喷射，使得其与热气流混合。
当前，在喷枪下游，基本上通过减小喷燃器管的横截面来增强混合，这减小了喷燃器的有效直径与长度比。为了减小燃烧器压力损失，再次朝向混合区的端部增加横截面。例如，这种再热喷燃器公开于例如EP 2 420 730 A2中。在喷烧器管的下游端区域处的横截面增加受到流与混合区内的管壁的潜在分离限制。因此，存在可实现的混合品质与压力损失之间的冲突。
出于增加涡流的目的而沿着混合区提供大尺度和/或小尺度结构并非解决由于再循环区和因此在混合区内的火焰保持所造成的问题的手段。在由涡流发生器和/或喷枪形成的湍流在流动方向上在混合区内恒定减小的情况下，还加剧了该问题。因此，朝向混合区的端部，并不像其靠近喷射那样有效地发生混合。
而且，为了提高燃气涡轮效率和性能，应当提高循环通过再热喷燃器的热气的温度。这种温度提高导致错过所有参数间的微妙平衡，使得利用温度高于期望温度的热气操作的再热喷燃器可能具有闪回、NOx、CO排放、水消耗和压降问题。
为了部分地解决这些约束，提出了一种具有混合区的再热喷燃器，参见EP 2420730A2，混合区带有在热气流方向上发散侧壁的截面，其中发散侧壁沿热气流方向限定具有恒定半径的弯曲表面。
用于减轻所述问题的另一提议公开于EP 2420731A1中，其公开了一种再热喷燃器，该再热喷燃器提供沿着混合区带有恒定截面的高速区域。沿热气流方向在高速区下游为带有扩口截面的扩散区域边界。
已知在混合区的下游端，在混合区与燃烧室之间，截面中的台阶具有火焰保持器的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种再热喷燃器，其包括用于热气流的流通道，该流通道带有沿着所述流通道布置的喷枪，该喷枪突出到流通道内以用于在垂直于通道纵向轴线的喷射平面上喷射燃料，其中，通道和喷枪在热气流方向上限定喷射平面上游的湍流发生区和喷射平面下游的混合区，并且，在混合区的下游端与燃烧器之间的热气通道截面中的台阶被认为是火焰保持器，其使得能够在更高温度下操作且同时实现NOx、CO排放的减少并减轻压降问题和闪回风险。为了实现这些目标，另一目的是提高第二燃烧的火焰温度且增强燃料/载气流的混合程度。
由权利要求1的特征总和实现该目的。权利要求13的主题为用于创造性地在再热喷燃器内混合燃料和载气流的方法。本发明可由在附属权利要求中以及在下文特别参考优选实施例的描述中公开的特征有利地更改。
为了实现气体混合物(在下文中仅称作流)穿过再热喷燃器的混合区的增强混合，创造性地提出了在经过混合区时向流引入额外的剪切应力，由此，沿着混合区形成大尺度流结构和增强的湍流。这改进了混合性能，其导致火焰内更均匀的温度分布和因此减小的CO和NOx排放以及在到布置于再热喷燃器下游的涡轮级的入口处的减小的总体温度分布系数。
为了在穿过再热喷燃器的混合区时将剪切应力引导至流内，混合区的对应流通道提供了在流动方向上带有连续改变的形状的不同横截面，和/或提供了通过围绕流通道的纵向轴线连续旋转而改变在流动方向上的位置的非圆形横截面。
首先提出的形成穿过混合区的流通道的建设性行为是使流通道的横截面形状沿着其纵向轴线平滑地改变。改变横截面的形状并不意味着仅仅扩大或减小给定横截面形状例如以仅仅沿着流通道的纵向轴线缩放圆形横截面，而是意味着创造性地连续改变几何形状。例如，混合区在上游区中具有正方形的横截面，其将沿着混合区的延伸部在流动方向上转变为圆形的横截面。当然，发明构思的范围涵盖了所有可设想到的横截面形状，其可沿着整个轴向延伸部或者至少在混合区的至少一个受限轴向区域中平滑地更改为彼此。
用于将额外剪切应力引至被引导通过混合区的流的另一创造性行为是沿着混合区提供流通道，其带有至少一个通过围绕纵向轴线连续旋转而改变沿着其纵向轴线的位置的非圆形横截面的轴向区域。由此，混合区的给定横截面形状沿着混合区的轴向坐标保持不变，同时其围绕纵向轴线旋转。当在流动方向移动经过混合区时，可在顺时针方向或逆时针方向上实现旋转。
如之前提到的，使横截面改形或者沿着混合区旋转给定横截面形状的行为各可优选地沿着混合区的整个延伸部施加，但是也可仅在沿着混合区的有限轴向区域中施加。
另一优选实施例提供了两个创造性地提出的行为的组合，使得混合区被细分为直接或间接地连接的至少两个轴向的第一和第二区域。在间接轴向组合的情况下，例如沿着其轴向延伸部具有恒定横截面的额外中间区连接至少两个轴向区域。在第一轴向区域中，对应的流通道具有沿着其纵向轴线带有连续改变的形状的不同横截面。在第二轴向区域，流通道提供了通过围绕纵向轴线连续旋转而改变沿着其纵向轴线的位置的非圆形横截面形状。这反过来同样适用。
在又一实施例中，混合区的流通道沿着其整个轴向延伸部提供圆形横截面，全部具有相同的几何形状，其围绕纵向轴线连续旋转但其中至少一些大小不同。例如，在混合区上游端的横截面在相对于纵向轴线的第一方位具有三角形横截面。混合区的流通道的下游端也具有三角形的横截面形状，然而其在流动方向上沿顺指针方向围绕纵向轴线旋转例如约90°。另外，与混合区上游端的横截面相比，在混合区下游端的三角形横截面大小减小。因此，在混合区的上游端与下游端之间的流通道的中间部分使两个不同方位和大小的横截面平滑地转变为彼此。
本发明的所有实施例提供了在径向上封闭混合区的流通道，该流通道具有内通道壁，该内通道壁为平滑的而没有延伸超出内壁的任何局部突起以避免闪回的风险。通过使横截面改形或者通过旋转横截面而实现的再热喷燃器的混合区内的流通道的创造性更改导致离开再热喷燃器的热气混合区更大扩展，这改进了进入流通道下游的再热喷燃器后方的涡轮级内的入口速度分布。
混合区内的横截面的平滑的改形进一步优选地与流动方向上横截面的减小相关联，以便避免了流与内通道壁的分离，这将导致火焰锚固在混合区内的风险。
而且，横截面朝向混合区端部的开放(其意味着在混合区的下游端区域的横截面在流动方向变得更大)支持实现在再热喷燃器的延伸部上的最小压力损失。
附图说明
随后将结合附图基于示例性实施例更详细地说明本发明。在附图中：
图1示意性地示出穿过再热喷燃器的纵截面；
图2a、图2b、图2c为再热喷燃器的外形或混合区的透视图；
图3a至图3g为混合区的横截面的可能的改形变型；以及
图4为横截面沿着具有正方形截面形状的混合区的旋转。
附图标记：
1 流通道
2  热气流
3  喷枪
4  燃料
5  喷射平面
6  纵向轴线
7  涡流发生区
8  涡流发生器
9  混合区
10 燃烧器
11 截面中的台阶
12 火焰、燃烧区
CSAS第一 在混合区的上游端处的横截面形状
CSAS中间 在混合区的中间段处的横截面形状
CSAS最末 在混合区的下游端处的横截面形状。
具体实施方式
图1示意性地示出再热喷燃器的纵截面，该再热喷燃器包括用于热气流2的流通道1，其带有沿着所述流通道1布置的喷枪3，该喷枪3突出到流通道2内以用于在垂直于通道纵向轴线6的喷射平面5上喷射燃料4，例如燃料气体和/或燃油和载气。沟槽VG或凸角样式是优选的。
流通道1和喷枪3限定涡流发生区7，其在喷射平面5的上游。在涡流发生区7内，涡流发生器8布置在流通道1的内壁处，以将旋流引入到进入再热喷燃器的热气流2内。在喷射平面5的流动方向(参见图1中的箭头2)下游，连接有混合区9，到热气流内的喷射燃料4沿着该混合区9应当尽可能完全地混合。为了增强混合过程，在混合区9的区域中的流通道2的内壁形状被创造性地更改。在流通道1的截面中，台阶11在混合区9与燃烧器10之间布置在混合区9的下游端。台阶11为用于火焰12(燃烧区12)的火焰保持器。根据本发明，存在混合区9的改形，混合区9意指在燃料喷射4与火焰12之间的热气通道1的部分。
以第一创造性方式，混合区9内的流通道1具有沿着其纵向轴线6带有连续改变的形状的不同横截面。为了更好地理解该创造性行为，图1示出在处于或靠近喷射平面5的混合区9的流入口处的圆形横截面形状CSAS第一。当到达在混合区9的下游端具有任意横截面形状的横截面形状CSAS最末时，圆形形状沿着整个混合区8向下游平滑地改变。
由于混合区的横截面的平滑改形，向经过混合区的流2引入额外的剪切应力，这形成大尺度流结构且增强混合区内的湍流。这改进了混合性能，其导致在混合区9下游由自动点火形成的火焰(未示出)内更均匀的温度分布。
还利用具有沿着混合区的纵向轴线旋转的给定横截面形状的混合区实现向流2内引入额外剪切应力的相同效果。这种行为在图2a中示出。图2a示出粗略示出的再热喷燃器的外部，沿着其涡流发生区7具有矩形截面。在混合区9的流入口处的横截面形状CSAS第一在相对于再热喷燃器布置的纵向轴线6的直立位置为矩形。混合区7的流通道的横截面形状沿着其整个延伸部保持矩形，但截面形状的方位围绕纵向轴线6旋转例如90°。因此，在混合区9下游端的横截面形状CSAS最末具有与混合区9上游端的横截面CSAS第一相关的横向方位。
图2b示出沿着其涡流发生区7具有圆形截面的再热喷燃器的外部。在混合区9的流入口处的横截面形状CSAS第一为圆形。混合区7的流通道的横截面形状在流2的方向上从正方形平滑地变为圆形，圆形为优选样式。因此，在混合区9的下游端处的横截面形状CSAS最末具有圆形形状，并且另外，面积大小与CSAS第一的表面大小相比进一步减小。
图2c示出沿着其涡流发生区7具有圆形截面的再热喷燃器。在混合区9的流入口处的横截面形状CSAS第一为圆形。混合区7的流通道的横截面形状在流2的方向上从圆形平滑地变成正方形。因此，在混合区9的第一轴向区域9”的下游端处的横截面形状CSAS中间具有正方形状，并且另外，面积大小与CSAS第一的表面大小相比进一步减小。在立即连接中，第二轴向区域9’靠近第一轴向区域(9”)，其具有通过围绕纵向轴线(6)连续旋转而改变沿着其纵向轴线(6)的位置的恒定的正方形横截面形状。在所示情况下，最末横截面形状CSAS最末相对于中间横截面形状CSAS中间围绕纵向轴线(6)旋转45°。
图3a至图3g示出了带有第一截面形状CSAS第一和最末截面形状CSAS最末的不同组合的混合区的流通道设计的(未限制的)可能变型。图3中的每个草图为沿着纵向轴线6的示意轴向视图。
此处，所有这些被改形而不是旋转。当然，旋转在此也可为一个选项。
图3a至图3g所示的实施例示出了混合区的横截面形状的改形。图3c示出了从圆形横截面形状CSAS第一到正方形横截面形状CSAS最末的转变。图3e示出了从三角形横截面形状CSAS第一到圆形横截面形状CSAS最末的转变，并且图3g示出了在另一任意自由横截面形状中的任意自由横截面形状。
图4所示的图示将阐明给定截面形状沿着混合区9旋转的原理，示出了始于第一横截面形状CSAS第一且转变为最末横截面形状CSAS最末的许多旋转正方形横截面的顺序。在CSAS第一与CSAS最末之间的所有横截面为沿着混合区9的中间横截面。

Claims (13)

1. 一种再热喷燃器，包括用于热气流(2)的流通道(1)，其带有沿着所述流通道(1)布置的喷枪(3)，所述喷枪(3)突出到所述流通道(1)内以用于在垂直于通道纵向轴线(6)的喷射平面(5)上喷射燃料(4)，其中，所述流通道(1)和喷枪(3)在所述热气流(2)方向上限定所述喷射平面(5)上游的涡流发生区(7)和所述喷射平面(5)下游的混合区(9)，并且，在所述混合区(9)的下游端，在所述流通道(1)的截面中在所述混合区(9)与所述上游布置的燃烧器之间存在台阶(11)，其特征在于，所述混合区(9)提供至少一个轴向区域，所述轴向区域：
a)具有沿其纵向轴线(6)带有连续改变的形状的不同横截面；或者，
b)具有通过围绕所述纵向轴线(6)连续旋转而改变沿着其纵向轴线(6)的位置的非圆形横截面。
2. 根据权利要求1所述的再热喷燃器，其特征在于，所述至少一个轴向区域在整个所述混合区(9)上在一个相关件中延伸。
3. 根据权利要求1所述的再热喷燃器，其特征在于，所述混合区(9)提供至少两个轴向区域(9’, 9”)，其带有：
a)第一轴向区域(9’)，其具有沿着其纵向轴线(6)带有连续改变的形状的所述不同横截面，以及
b)第二轴向区域(9”)，其具有通过围绕所述纵向轴线(6)连续旋转而改变沿着其纵向轴线(6)的位置的所述非圆形横截面。
4. 根据权利要求3所述的再热喷燃器，其特征在于，所述第一和第二轴向区域(9’, 9”)在轴向上直接或间接地相关。
5. 根据权利要求1至4中的一项所述的再热喷燃器，其特征在于，具有沿着其纵向轴线(6)带有连续改变的形状的所述不同横截面的所述轴向区域提供了不能仅通过缩放而一致的不同横截面。
6. 根据权利要求1至5中的一项所述的再热喷燃器，其特征在于，通过围绕所述纵向轴线(6)连续旋转而改变沿着所述纵向轴线的位置的所述非圆形横截面在形状上是恒定的。
7. 根据权利要求1至6中的一项所述的再热喷燃器，其特征在于，通过围绕所述纵向轴线(6)连续旋转而改变沿其纵向轴线的位置的所述非圆形横截面中的至少两个大小不同。
8. 根据权利要求1至7中的一项所述的再热喷燃器，其特征在于，所述混合区(9)提供具有沿着其纵向轴线(6)改变的横截面的至少一个轴向区域，其以下列方式之一始于第一横截面形状CSAS第一且止于最末横截面形状CSAS最末在流动方向上改变形状和/或位置：
a) CSAS第一：矩形，
CSAS最末：矩形且围绕所述纵向轴线旋转0°<α<180°；
b) CSAS第一：圆形，
CSAS最末：矩形；
c) CSAS第一：矩形，
CSAS最末：圆形；
d) CSAS第一：正方形；
CSAS最末：正方形且围绕所述纵向轴线旋转0°<α<180°；
e) CSAS第一：椭圆形，
CSAS最末：椭圆形且围绕所述纵向轴线旋转0°<α<180°；
f) CSAS第一：圆形，
CSAS最末：椭圆形。
9. 根据权利要求1至8中的一项所述的再热喷燃器，其特征在于，所述混合区的上游端的横截面大于所述混合区的下游端的横截面。
10. 根据权利要求1至9中的一项所述的再热喷燃器，其特征在于，所述混合区在所述下游端区域提供在流动方向上变大的横截面。
11. 根据权利要求1至10中的一项所述的再热喷燃器，其特征在于，所述流通道(1)利用内通道壁环绕所述混合区(9)，所述内通道壁为平滑的，没有延伸超出所述内壁表面的任何突起。
12. 一种使用顺序燃烧的固定式燃气涡轮，具有再热燃烧器，所述再热燃烧器配备根据权利要求1至11中的一项所述的再热喷燃器。
13. 一种用于在再热喷燃器内混合燃料与载气流的方法，其中，所述载气流进入所述再热喷燃器，且在燃料(4)被喷射到所述载气流内之前由所述再热喷燃器内的涡流发生器(8)旋流，并且通过将燃料(4)喷射到所述旋流的载气流内而产生燃料/载气混合物流，所述方法包括以下步骤：
- 使所述燃料/载气混合物流沿着流通道(1)向下游传播到所述燃料喷射；
- 通过使所述燃料/载气流(2)穿过所述流通道(1)的混合区而将剪切应力引入到所述燃料/载气流，所述混合区具有在流动方向上带有连续改变的形状的不同横截面，或者具有通过围绕所述流通道的纵向轴线(6)连续旋转而改变在流动方向上的位置的非圆形横截面。
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