CN103807879A - 轴向旋流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轴向旋流器，其特别用于在燃气涡轮中预混合氧化剂和燃料。旋流器包括具有流线型横截面的一系列旋流导叶，其中，各个旋流导叶具有前缘、后缘，以及各自在所述前缘和后缘之间延伸的吸力侧和压力侧。旋流导叶布置成围绕旋流器轴线，其中，所述前缘基本沿径向方向延伸。流槽形成于各个旋流导叶的吸力侧和其最紧邻的旋流导叶的压力侧之间。此外，至少一个旋流导叶在其后缘处的拱弧线的切线和旋流器轴线之间具有出流角，出流角随着离旋流器轴线的径向距离的增大而单调增大。本发明还涉及具有这种旋流器的喷燃器，以及运行所述喷燃器的方法。

Description

轴向旋流器
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的轴向旋流器，其特别用于在燃气涡轮中实现预混合目的，而且本发明进一步涉及用于燃烧室的、具有这种轴向旋流器的喷燃器。特别地，本发明涉及用于将至少一种气体和/或液体引入到喷燃器中的轴向旋流器。此外，本发明涉及运行这种喷燃器的方法。
背景技术
旋流器在各种技术应用中被用作混合装置。对旋流器的优化旨在减少获得规定程度均匀性的混合物所需的能量。在连续的流混合中，混合装置上的压降是所需能量的度量。另外，获得规定程度的均匀性所需的时间和空间是用于评估混合装置或混合元件的重要参数。旋流器典型地用于混合两种或更多种连续的流体流。轴向旋流器最常用作燃气涡轮燃烧器中的预混合器。
所谓的旋流数sn刻画轴向旋流器的旋流强度。旋流数被定义为方位动量的轴向通量和轴向动量的轴向通量乘以旋流器半径的得数之间的比率。旋流数是由旋流器引起的环形流中的旋流的强度的表示。
对于传统的轴向旋流器，所需再循环区仅在旋流数等于或大于大约0.4时形成。旋流数越大，压降就越高，从而导致不利的损失能量。
在上游喷射燃料的传统轴向旋流器典型地在燃料喷射位置处产生不利的尾流和再循环区域。
通过旋流器(所谓的旋流喷嘴)来喷射燃料的轴向旋流器需要良好的空气–燃料混合旋流数，旋流数非常高，以至于难以避免在燃料喷射位置和后缘处有尾流和流分离区域。
双环形逆时针旋转式轴向旋流器产生沿径向改变的速度分布，这不利于燃烧过程，例如因为抗拢焰性差和燃烧动态差。
发明内容
本发明的目标是提供一种特别用于在燃气涡轮中预混合氧化剂(例如空气)和燃料的较有效的轴向旋流器，其具有改进的混合特性，即，关于旋流器上的给定气体压降产生提高的混合均匀性和稳定性。
提出一种在仅使用最小压降时产生混合均匀性高的混合物的旋流器。另外，提出具有这种旋流器的喷燃器。提出这种喷燃器来例如提高燃气涡轮发动机效率，提高燃料容量，以及简化设计。
以上和其它目标由特别用于在燃气涡轮中预混合氧化剂和燃料的轴向旋流器实现，轴向旋流器包括具有流线型横截面的一系列或多个旋流导叶，各个旋流导叶具有前缘、后缘，以及吸力侧和压力侧。吸力侧和压力侧各自在所述前缘和所述后缘之间延伸。旋流导叶布置成围绕旋流器轴线，其中，所述前缘基本沿径向方向沿径向向外延伸，以及其中，流槽形成于各个旋流导叶的吸力侧和其最紧邻的旋流导叶的压力侧之间。至少一个旋流导叶在其后缘处的拱弧线(camber line)的切线和旋流器轴线之间具有出流角，出流角随着离旋流器轴线的径向距离的增大而单调增大。
优选的是，所有旋流导叶都设有这种单调增大的出流角。
随着离轴线的径向距离的增大而增大的出流角导致随着径向距离的增大而增大的旋流。
所述出流角位于后缘处，并且可单调增大(即，它可在离旋流器轴线的距离的某个但不是全部范围内是恒定的)，或者可严格单调增大(即，它在整个范围内增大；不存在其中出流角保持恒定的子范围)。
通过旋流导叶的、平行于旋流器的旋流器轴线的剖面显示了所述流线型横截面。
根据优选实施例，轴向旋流器的旋流导叶形成为使得出流角α对所述径向距离R的依赖性的隐含地由以下函数给出：
tan[α(R)] = K · R β  + H，
其中β是指数，其范围为1到12，优选为1至10，更优选为3至8，并且特别是7。K和H是选定的常数，使得
i) 在最小径向距离Rmin处的出流角α(Rmin)的范围为0度至25度，优选0度或5度至20度；以及
ii) 在最大径向距离Rmax处的出流角α(Rmax)的范围为30度至60度，优选为30度至50度，更优选为35度至45度。
最小径向距离Rmin是从旋流器轴线到旋流导叶内侧或内部侧表面的距离。最大径向距离Rmax是从旋流器轴线到旋流导叶的外侧或外部侧表面的距离。如果旋流导叶设置在环形壳体中，因而Rmin是由壳体的内部限制壁描述的圆柱的半径，而Rmax是由壳体的外部限制壁描述的圆柱的半径。因而环带沿径向方向从Rmin延伸到Rmax。
因而实施例的特征在于出口流角或出流角，其正切函数(即，与所讨论的角相切的双曲线函数)与R β 成比例地沿径向向外增大，R为半径和β为指数。K是与R β 相乘的常数，H是与R β 相加的常数。特别优选的是，值β=7，其中，旋流器具有旋流数sn=0.4。H和K可为负的或正的。H可为零。
换句话说，K和H是选定的常数，使得出流角α的最小值的范围为0度至25度，优选为0度或5度至20度，并且出流角α的最大值的范围为30度至60度，优选为30度至50度，更优选为35度至45度。
后缘处的这种出流角允许在通过旋流器的气体流中形成轴向速度的“剪切”径向分布，以获得值足够高的参数β。至少在旋流导叶的下游一半处的增大的扭转进一步支持这种剪切径向分布的形成。
因此，上面描述的旋流器可具有接近在混合物中实现需要的混合质量时实现漩涡破碎所必需的最小值的非常低的旋流数(这里，旋流数sn为大约0.4)。因此，在以较低的压降运行时，较高的逆燃裕度、改进的火焰稳定性以及较低的NOx排放是可行的。旋流器允许快速混合。这个概念会减轻第1级燃烧器或预混合燃烧器中的几个众所周知的问题。通过使用值足够高的指数β(这会减小旋流数和增加速度剪切)，以及借助于通过旋流导叶(一个或多个)的一侧(优选地通过两侧)喷射燃料，燃料–空气混合可进一步改进。根据本发明的旋流器提供清洁的空气动力性和增强的混合特性，这对于预混合燃烧是合乎需要的。
本文提出的旋流器允许在旋流导叶或叶片的两侧上(即，其压力侧和吸力侧)喷射燃料。这在几方面有助于实现最佳燃料–空气预混合：
· 以指数倍增大的出口流角会在轴向速度中产生剪切，这会增强湍流和混合。
· 两侧燃料喷射会在旋流器出口的整个横截面上填充燃料。
· β增大允许减小旋流数(参见图5)和压力损失(参见图6)。
在最小旋流数0.4附近最佳地选择参数β≈7(参见图6)以便实现漩涡破碎的情况下，建议的设计修改使得选择减小的旋流数的轴向旋流器，从而降低预混合器需要的压降。压降的节约可使得获得较高的效率，或者使其可用于其它有用的目的。
另外，轴向旋流器是有利的，因为：
· 它改进燃料与空气的预混合；
· 压降减小允许喷燃器设计更紧凑，整体速度更高，并且使抗逆燃性得到改进。
还关于整体混合器性能来控制轴向旋流器的长度和旋流角。较小的旋流角帮助降低旋流器的吸力侧/压力侧引起的流梯度。
对于固定的喷燃器压降值，目前的设计允许有更紧凑的大小，同时NOx排放得到改进。
具有由上面描述的tan公式给出的出流角或出口流角的轴向旋流器允许轴向速度有“剪切”径向分布，以获得值足够高的参数β。它还允许降低压降，以获得高的参数β值，而不损失燃料–空气预混合效率。
典型地，每个轴向旋流器使用4至20个导叶。在一个实施例中，每个旋流器使用5至15个导叶(例如7、8或10个导叶)。为了避免导叶的下游的流中的特征频率的激励引起不利的共振现象，具有奇数个导叶是优选的。
根据优选实施例，旋流导叶的前缘是优选沿径向方向延伸的基本直的缘，并且/或者旋流导叶的拱弧线弯曲而形成C形或S形。
优选的是，后缘是弯的或直的。优选地，后缘相对于前缘扭转或旋转，优选地使得后缘延伸成使得离旋流轴线的距离沿旋流导叶的压力侧所面向的方向逐渐增大。扭转或旋转的角可为0度至45度或50度，优选为5度至35度，更优选为10度至20度或25度。
优选地，后缘的所述曲率相对于吸力侧是凹的。
另外，优选的是，旋流导叶围绕旋流器轴线基本布置成圆。
优选地，旋流器设有具有外部限制壁和内部限制壁的环形壳体，其中，旋流导叶沿着旋流器的轴线延伸，以及从内部限制壁延伸通过环带到达外部限制壁。环形壳体的内管(即，内部限制壁)的横截面形状规定旋流导叶相对于彼此而如何布置。优选地，内管具有圆的或圆形横截面形状。
根据一个实施例，壳体延伸成使得中心轴线与主流方向对齐。产生的旋流器具有入口区域和出口区域，入口区域和出口区域垂直于中心轴线，以形成轴向旋流器。
在又一个优选实施例中，前缘和/或后缘在垂直于旋流器轴线的平面上沿径向延伸。
优选的是，旋流器的所有旋流导叶在形状或结构上都相同。这最大程度地降低生产成本，并且简化装置的设计和组装。
如果应用于喷燃器，则上面描述的旋流器会在低压降下产生良好混合，但也会在后面的燃烧器中引起高再循环流。高再循环流使得燃烧更好更稳定。典型地，火焰稳定性在有再循环流的情况下提高，即，在燃烧室中有增加的再循环流量rr的情况下，可避免或减少燃烧脉动，其中，rr被定义为再循环流量与旋流流量的比。但是，为了实现高的相对再循环流量rr，需要高的旋流数sn，其中，sn被定义为旋流流量与通过喷燃器的总质量流量的比率。由于仅可利用压降施加旋流流，所以应使旋流数sn保持低，以获得燃气涡轮的最佳性能(即，功率和效率)。
包括上面描述的轴向旋流器的喷燃器的特征在于，旋流导叶中的至少一个构造成具有用于将至少一种燃料引入到喷燃器中的至少一个燃料喷嘴的喷射装置。
喷燃器可包括一个旋流器或多个旋流器。具有一个旋流器的喷燃器典型地具有圆形横截面。包括多个旋流器的喷燃器可具有任何横截面，但它典型地为圆形或长方形。典型地，多个喷燃器布置成同轴地围绕燃气涡轮的轴线。喷燃器横截面由限制壁限定，限制壁例如形成罐状喷燃器。
在优选实施例中，处于满负载的喷燃器从至少一个(优选所有)旋流导叶的吸力侧或压力侧喷射出燃料。在部分负载下，燃料喷射可如下面描述的那样进行分级。
在特别优选的实施例中，在各个旋流器导叶的吸力侧和压力侧上喷射燃料，即，同时从喷射旋流导叶的两侧喷射。这允许设计具有低的临界旋流数和降低的压降。来自压力侧的喷射被流推向最小半径，即，被推向旋流轴线，从而填充环形壳体的环带的径向内侧部分，而来自吸力侧的喷射被沿径向向外推，从而填充环带的径向外侧部分。这是根据本发明的出流角的结果，并且可通过使后缘延伸成离轴线(即，沿径向向外)有沿压力侧所面向的方向逐渐增大的距离，来加强该结果。用于此设计的临界旋流数sn可比填充径向内侧和外侧区域的标准设计低得多。
优选地，在所述一系列或多个旋流导叶的沿周向相邻的旋流导叶之间产生的各个流槽都具有在限定流槽的旋流导叶的前缘的下游(典型地沿着旋流导叶的上游三分之一或上游一半)延伸的进气区域，以及在后缘的上游(典型地沿着旋流导叶的下游流三分之或下游一半)延伸的出气区域，其中，燃料在进气区域中，优选在旋流导叶的(第一)上游三分之一中(即，在前缘附近)以及/或者优选以交叉流喷射的方式喷射到流槽中。
根据一个实施例，多个燃料喷嘴分布在旋流导叶的沿着旋流轴线测得的长度的所述上游三分之一中，更优选地仅分布在所述长度的上游四分之一中。
优选的是，燃料由一系列燃料喷嘴喷射，例如4至12个，优选6个喷嘴，喷嘴优选地布置成沿着导叶表面或基本平行于前缘而沿径向方向彼此相邻，其中，燃料喷嘴为圆形的，以及/或者为基本平行于旋流导叶的前缘而延伸的伸长的槽形喷嘴，并且/或者包括用于喷射液态燃料的第一喷嘴，以及/或者用于喷射气态燃料的第二喷嘴，以及用于喷射载体空气的第三喷嘴，第三喷嘴包围第一喷嘴和/或第二喷嘴。
然后载体空气还用于冷却燃料的目的，从而有效地避免逆燃问题。
根据优选实施例，旋流导叶设有冷却元件，以通过轴向旋流器引入冷却空气，特别为了避免逆燃。优选地，通过冷却介质沿着导叶本体的侧壁进行的内部循环(即，通过对导叶提供双壁结构)，以及/或者通过优选地位于前缘或后缘附近的薄膜冷却孔，来提供这些冷却元件，以及其中，最优选地，对冷却元件供应来自载体气体供应的空气，载体气体供应也用于喷射燃料。多个单独的出口孔或多个喷嘴可布置成彼此相邻，以引入冷却空气。可通过一部分或所有旋流导叶的吸力侧和/或压力侧来引入冷却空气。
喷燃器可用来混合燃料–空气，以及混合燃料或气体与在封闭式或半封闭式燃气涡轮中使用的任何种类的气体或者第一燃烧级的燃烧气体。
喷燃器可用于包括一个压缩机、一个燃烧器和一个涡轮的燃气涡轮，以及用于具有一个或多个压缩机、至少两个燃烧器和至少两个涡轮的燃气涡轮。例如可将它们用作具有一个燃烧器的燃气涡轮中的预混合喷燃器，或者也可在用于具有顺序燃烧的燃气涡轮(其具有第一和第二燃烧室)的二次燃烧室的再热式燃烧器中使用它们，喷射装置用于将至少一种气态和/或液态燃料引入到喷燃器中。
除了包括旋流器的改进的喷燃器之外，用于运行这种喷燃器的方法是本发明的目标。取决于燃气涡轮的运行条件和负载点，通过喷燃器喷射的燃料流量在广大的范围中变化。其中流量同等地分配到所有喷燃器喷嘴且通过各个喷嘴的流量与总流量成比例的简单运行可在单独的喷嘴处引起不合需要的小流速，从而损害进入到空气流中的燃料的喷射质量和穿透深度。
优选的是，燃料喷射在阈值燃料流量以下进行分级，例如如果涡轮以部分负载工作，使得在一个实施例中，仅在吸力侧或压力侧上喷射燃料，以及/或者仅通过旋流导叶的每隔一个或每隔两个燃料喷嘴喷射燃料，以及/或者仅通过喷燃器的每隔一个或每隔两个导叶的燃料喷嘴喷射燃料。
另外，提议将两种方法结合起来减少燃料喷射：提议的是，对于低燃料质量流量，通过导叶的每隔一个或每隔两个燃料喷嘴喷射燃料，以及仅通过喷燃器的每隔一个或每隔两个导叶的燃料喷嘴喷射燃料。在增加的质量流量下，用于喷射燃料的导叶的数量可增加，然后每个导叶的用于喷射燃料的喷嘴的数量可增加。
吸力侧和压力侧和/或不同喷嘴之间的分级允许进一步优化预混合和对燃烧动态的控制。燃料分级允许控制排放和脉动。
在另一个实施例中，可通过吸力侧和通过压力侧和/或通过旋流导叶的不同的喷嘴，来喷射不同的燃料。
根据运行方法的一个实施例，根据总喷射燃料流量来确定通过其中喷射燃料的燃料喷射喷嘴的数量，以便确保工作的喷嘴中有最小流量。
备选地，在增加的质量流量下，每个导叶的用于喷射燃料的喷嘴数量可增加，然后用于喷射燃料的导叶的数量可增加。例如可基于对应的阈值燃料流量来确定喷嘴的启动和禁用。
典型地，至少喷嘴基本垂直于主流方向(交叉流喷射)而喷射燃料(液体或气体)和/或载体气体。但是，至少一个喷嘴也可以一倾角喷射燃料和/或载体气体。
优选地，导叶延伸跨过喷燃器的相对的壁之间的整个流横截面。优选地，燃料喷嘴分布在旋流导叶的整个宽度上(即，从内部限制壁到外部限制壁)。
关于喷嘴，至少一个狭缝形出口孔可布置在后缘处。裂口形或伸长的槽形喷嘴典型地布置成沿着导叶的后缘延伸。
喷嘴可包括用于不同的燃料类型和载体空气的多个出口孔。在一个实施例中，用于喷射液态燃料或气体燃料的第一喷嘴和用于喷射载体空气的第二喷嘴布置在后缘处，第二喷嘴包围第一喷嘴。
在另一个实施例中，用于喷射液态燃料的第一喷嘴、用于喷射气态燃料的第二喷嘴和用于喷射载体空气的第三喷嘴布置在后缘处，第二喷嘴包围第一喷嘴，第三喷嘴包围第一喷嘴和第二喷嘴。
此外，优选的是，燃料是优选地选自由天然气燃料、富氢燃料和氢燃料组成的组的高反应性燃料，。
此外，本发明涉及使用上面限定的喷燃器来在高反应性条件下进行燃烧，优选在喷燃器入口温度高的情况下进行燃烧，以及/或者燃烧卡路里值为5000–20000 kJ/kg，优选为7000–17000 kJ/kg，更优选为10000–15000 kJ/kg的MBtu燃料，最优选地，这种燃料包括氢气。
优选地，在环形燃烧器、罐式燃烧器或单发动机或再热式发动机中使用上面描述的轴向旋流器和/或喷燃器。
在从属权利要求中记录了本发明的另外的实施例。
附图说明
在下面参照附图来描述本发明的优选实施例，附图是为了示出本发明的目前优选的实施例，而不是为了限制它们。在图中，
图1显示传统旋流器的示意性透视图，传统旋流器具有旋流导叶，旋流导叶具有后缘，后缘具有传统的出流角α(R)=常数； 
图2显示出流角α对离轴向旋流器的旋流器轴线的距离R的两个示例性依赖性α(R)，其对应于以下函数：
tan[α(R)] = K · R  β  +H；
图3显示根据本发明的具有相应的R–依赖性的两个示例性旋流叶片或导叶，其中，根据图2，指数β=1和β=10，并且有函数tan[α(R)] = K · R  β  +H；
图4显示布置成β=1的轴向旋流器构造的旋流导叶的示意性透视图，其中，(a)显示引起高旋流(高旋流数sn)的旋流导叶构造，而(b)显示引起低旋流(低旋流数sn)的旋流导叶构造；
图5显示旋流器上的无量纲压力损失，其根据实验和CFD计算而随旋流器的旋流数缩放；
图6显示旋流数sn对指数β的依赖性，其由以下函数给出：tan[α(R)] = K · R  β  +H，其中，最小出流角α(Rmin)=20度，而最大出流角α(Rmax)=50度；以及
图7在(a)中显示具有喷燃器且每个喷燃器包括一个旋流器的环形燃烧器的示例，以及在(b)中显示具有喷燃器且每个喷燃器包括五个旋流器的环形燃烧器的示例。
部件列表
1 喷燃器
3 旋流导叶
31 3的吸力侧
32 3的压力侧
33 流槽
34 进气区域
35 出气区域
36 3的拱弧线
37 36的切线
38 3的前缘
39 3的后缘
43轴向旋流器
47 旋流器轴线，43的纵向轴线
47' 平行于47的线
48 入口流方向
44 限制壁
44' 内部限制壁
44" 外部限制壁
45 入口区域
46 出口区域
50 燃料喷嘴
55 出口流方向
α 出流角
β 指数
H、K 常数
R 3至47的径向距离
α(R) α的R依赖性
Rmin最小R
Ri Rmin和Rmax之间的R值
Rmax最大R
α(Rmin) 最小α
α(Rmax) 最大α
rr再循环速率
sn旋流数。
具体实施方式
图1显示传统旋流器43的示意性透视图。旋流器43包括具有内部限制壁44'、外部限制壁44"、入口区域45和出口区域46的环形壳体。导叶3布置在内部限制壁44'和外部限制壁44"之间。旋流导叶3设有出流角，出流角不依赖于离旋流轴线47的距离R，而是在整个环带中保持恒定。各个导叶3的前缘区域具有定向成平行于入口流方向48的轮廓。在显示的示例中，进入流与旋流器43的纵向轴线47同轴。导叶3的轮廓相对于主流方向48转向，以在流上施加旋流，以及产生出口流方向55，出口流方向55相对于入口流方向48成角度。主流与环形旋流器同轴。出口流围绕旋流器43的轴线47旋转。本发明通过对旋流导叶3提供随距离R改变的出流角，来改进旋流导叶3。
图2显示出流角或出口流角α对离旋流器轴线47的径向距离R的依赖性的两个示例，其中，依赖性隐含地由函数定义：
tan[α(R)] = K · R  β  +H。
虚线表示指数值β=1，实线表示指数值β=10。Rnorm被定义为Rnorm[无量纲]=R[单位为米]/Rmax[单位为米]；用离旋流器轴线47的距离R值的最大值Rmax对Rnorm进行归一化，因此它是无量纲的。
对于β=1：K具有大约1.5的值。H具有大约–0.33的值。
对于β=10：K具有大约0.8的值。H具有大约0.36的值。
图3显示旋流器叶片3的都满足上面提到的图2的函数的两个实施例，其中，β=1(图3(a))，以及β=10(图3(b))。
图3中显示的旋流器导叶3从前缘38延伸到后缘39。各个导叶3的前缘区域具有定向成基本平行于进入流的轮廓。进入流与旋流器43的纵向轴线47同轴。导叶3的轮廓相对于主流方向48转向，即，沿下游方向转向，流线型轮廓扭转和弯曲，诸如以形成形状平缓的吸力侧31和压力侧32。这个形状在流上施加旋流，并且产生相对于入口流方向48成角度的出口流方向。主流与环形旋流器同轴。出口流围绕旋流器43的轴线47旋转。
在根据图3的导叶的实施例中，两个边缘38、39各自是基本直的，并且各自布置在垂直于轴线47的平面上。在图3中，后缘39相对于前缘38沿竖向移位(离开图层，即，后缘39位于前缘38上面)。如图3中描绘的那样，后缘38还水平地移位(到图层的右边)。此外，后缘39相对于前缘38顺时针旋转大约20度。
吸力侧31(在图3中，面向左边)和压力侧32(在图3中，面向右边)从前缘38向下游延伸到后缘39。侧31和32的表面进展是平缓的。吸力侧31在轴线47的方向上为基本凹形，而压力侧32在轴线47的方向上为基本凸形。在朝向前缘38的方向上，根据图3(a)的导叶3的吸力侧31是基本平的或略微凹形，并且根据图3(b)的导叶3的吸力侧31为凹形，而根据图3(a)的导叶3的压力侧32为基本平的或略微凸形，并且根据图3(b)的导叶3的压力侧32为基本凸形。后缘39是基本直的且旋转，即，它延伸成具有沿压力侧32所面向的方向不断增大的R。出流角α随着增大的距离R而增大。
图3中的导叶3使压力侧32上的气体流被推向最小半径Rmin，从而填充环带的内部部分，而吸力侧31上的气体流被沿径向向外推向最大半径Rmax，从而填充环带的外部部分。
在图3(a)的后缘39处，显示了三个位置，即，径向距离R的三个值，即最小值Rmin、中间值Ri和最大值Rmax。
在所有三个位置处，平行于旋流轴线47的线47'被表示为点画线。此外，由导叶3的表面31、32之间的中心表面和横截面平面的切口提供的拱弧线36(参见图3中的虚线)在位置R min、R i、R max处被表示为实线。对应的α值被表示为α(R min)、α(R i)、α(R max)。显然，α随着R的增大而增大。
图4在各个子图(a)和(b)中显示布置在轴向旋流器43中的旋流导叶3的示意性透视图。未显示围绕旋流器轴线47的环形壳体，环形壳体具有限制壁44、44''、入口45和出口46。壳体的内部限制壁44'由虚圆表示。在图4中，出流角α的R–依赖性遵从上面提到的tan函数，其中β=1。显示了八个旋流导叶3。在旋流导叶3之间，即，在一个导叶3的凸压力侧32和沿周向相邻的导叶3的凹吸力侧31之间，形成流槽33，流槽33在前缘38附近的上游三分之一中具有进气区域34，以及在后缘39附近的下游三分之一中具有出气区域35。各个旋流导叶3具有直的前缘38和弯曲后缘39。后缘39相对于吸力侧31外凸地弯曲。这种弯曲后缘允许在不将最大拱弧的位置移动地太接近极端位置(前缘和后缘)的情况下，即，在离前缘30%的距离和离后缘20%的距离内，实现期望的径向分配α(R)。
在图4(a)中，显示高旋流构造，即，旋流数sn为0.7的旋流器，而在图4(b)中，显示旋流较低的旋流器，即，旋流数小于图4(a)中的实施例(sn为大约0.5至0.6)。换句话说，图4(a)的实施例的导叶3比图4(b)的实施例的导叶3扭转更多。
在图4(a)中显示燃料喷嘴50，其布置在各个导叶3的压力侧32上。一个导叶3的六个燃料喷嘴50布置成基本直线或直线，基本平行于或平行于前缘38，布置在导叶3的上游三分之一中，即，在进气区域34中。
在图4(b)中，燃料喷嘴50如上面描述的那样布置在压力侧32上，另外，吸力侧31设有喷嘴50。吸力侧31上的燃料喷嘴50也布置在进气区域34中，使得吸力侧31上的一个燃料喷嘴50与相同导叶3的压力侧32上的一个喷嘴50相对。
通过在两侧31、32上的燃料喷嘴50喷射燃料会使混合质量更高，因为从压力侧32喷射出的燃料被流推向最小半径Rmin，从而填充环带的内部部分，而从吸力侧31喷射出的燃料被沿径向向外推向Rmax，从而填充环带的外部部分。当从一侧燃料喷射变成两侧燃料喷射时，燃料–空气混合物在用旋流器43预混合之后的未混合性降低大约10个数量级。
未混合性表示在湍流中在分子水平下的燃料/空气预混合的度量。该定义使得对于完全分子预混合条件，未混合性为零(U=0) ，而对于分子隔离条件，未混合性为一(U=1)。
图5显示(无量纲)压降Dp*，其根据实验和CFD计算随旋流数sn而变化。清楚地显示，对于较小旋流数sn，压降Dp*降低。
图6显示在α(Rmin)=20度和α(Rmax)=50度的情况下，旋流数sn对参数β的依赖性。显然，可选择大约7的β值，以达到大约0.4的最小旋流数，以实现漩涡破碎。即，对于β≈7，在sn≈0.4的情况下实现漩涡破碎 。
可通过以下来获得旋流数： 
旋流器的半径为R，半径处的速度的轴向分量为U，并且速度的切向分量为W。
图7在(a)和(b)中从下游端显示具有喷燃器1的环形燃烧器的示例，喷燃器1包括根据本发明的具有带有出流角α的旋流导叶3的旋流器43。喷燃器1围绕燃气涡轮的中心轴线等距地分布在圆上，并且将燃料和气体的可燃混合物排到环形燃烧器中。在图7(a)中显示的示例中，各个喷燃器1包括一个旋流器43。示意性地表示导叶3。在图7(b)中显示的示例中，示意性地将多个旋流器43以圆形型式布置在各个喷燃器1中。
图7(a)和(b)的喷燃器也可与多个罐式燃烧器结合起来使用，而非在一个环形燃烧器中使用。

Claims (15)

1. 一种特别用于在燃气涡轮中预混合氧化剂和燃料的轴向旋流器(43)，包括具有流线型横截面的一系列旋流导叶(3)，各个旋流导叶(3)具有前缘(38)、后缘(39)，以及各自在所述前缘和后缘(38，39)之间延伸的吸力侧(31)和压力侧(32)，所述旋流导叶(3)布置成围绕旋流器轴线(47)，其中，所述前缘(38)从所述轴线(47)沿径向向外延伸，其中，流槽(33)形成于各个旋流导叶(3)的吸力侧(31)和其沿周向相邻的旋流导叶(3)的压力侧(32)之间，其特征在于，至少一个旋流导叶(3)在其后缘(39)处的拱弧线(36)的切线(37)和所述旋流器轴线(47)之间具有出流角(α)，所述出流角(α)随着离所述旋流器轴线(47)的径向距离(R)的增大而单调增大。
2. 根据权利要求1所述的轴向旋流器(43)，其特征在于，所述出流角(α)对所述径向距离(R)的依赖性隐含地由以下函数给出：
tan[α(R)] = K · R β  + H，
其中β的范围为1至10，优选地为3至8，特别是大约或正好为7，并且K和H是选定的常数，使得最小径向距离(Rmin)处的出流角(α(Rmin))的范围为0度至20度，而最大径向距离(Rmax)处的出流角(α(Rmax))的范围为30度至50度。
3. 根据权利要求1或2所述的轴向旋流器(43)，其特征在于，所述旋流导叶(3)的前缘(38)是优选沿径向方向延伸的基本直的缘，并且/或者所述旋流导叶(3)的拱弧线(36)弯曲而形成C形或S形。
4. 根据权利要求1至3中的任一项所述的轴向旋流器(43)，其特征在于，所述旋流导叶(3)的后缘(39)是弯的或直的，以及相对于所述前缘(38)旋转，优选地使得所述后缘(39)延伸成沿所述旋流导叶(3)的压力侧(32)所面向的方向具有逐渐增大的径向距离(R)。
5. 根据权利要求1至4中的任一项所述的轴向旋流器(43)，其特征在于，所述前缘(38)和/或所述后缘(39)在垂直于所述旋流器轴线(47)的平面上从所述旋流器轴线(47)沿径向向外延伸。
6. 根据权利要求1至5中的任一项所述的轴向旋流器(43)，其特征在于，所述一系列旋流导叶(3)的所有部件形成为相同的，以及/或者所述旋流导叶(3)围绕所述旋流器轴线(47)布置成圆。
7. 一种用于燃气涡轮的燃烧室的喷燃器(1)，包括根据权利要求1至6中的任一项所述的轴向旋流器(43)，其特征在于，所述旋流导叶(3)中的至少一个构造成具有用于将至少一种燃料引入到所述喷燃器(1)中的至少一个燃料喷嘴(50)的喷射装置。
8. 根据权利要求7所述的喷燃器(1)，其特征在于，在至少一个旋流导叶(3)的吸力侧(31)和/或压力侧(32)上喷射燃料。
9. 根据权利要求7至8中的任一项所述的喷燃器(1)，其特征在于，各个流槽(33)具有在限定流槽(33)的旋流导叶(3)的前缘(38)的下游延伸的进气区域(34)，以及在所述后缘(39)的上游延伸的出气区域(35)，其中，所述燃料在所述进气区域(35)中，优选在所述旋流导叶(3)的上游三分之一中以及/或者优选以交叉流喷射方式喷射到所述流槽(33)中。
10. 根据权利要求7至9中的任一项所述的喷燃器(1)，其特征在于，所述燃料由优选布置成沿径向方向彼此相邻的燃料喷嘴(50)喷射，其中，所述燃料喷嘴(50)是基本平行于所述旋流导叶(3)的前缘(38)而延伸的圆形喷嘴和/或伸长的槽形喷嘴，并且/或者包括用于喷射液态燃料的第一喷嘴，以及/或者用于喷射气态燃料的第二喷嘴，以及用于喷射载体空气的第三喷嘴，所述第三喷嘴包围所述第一喷嘴和/或所述第二喷嘴。
11. 根据权利要求7至10中的任一项所述的喷燃器(1)，其特征在于，冷却空气通过所述轴向旋流器(43)而引入，以便避免逆燃，其中，至少一个旋流导叶(3)设有冷却元件，其中，优选地，这些冷却元件由冷却介质沿着所述旋流导叶(3)的侧壁进行的内部循环提供，以及/或者由优选地位于所述后缘(39)附近的薄膜冷却孔提供，以及其中，最优选地，对所述冷却元件供应来自载体气体供应的空气，所述载体气体供应也用于燃料喷射。
12. 一种用于运行根据权利要求7至11中的任一项所述的喷燃器(1)的方法，其特征在于，根据总喷射燃料流量来确定通过其中喷射燃料的燃料喷嘴(50)的数量。
13. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，燃料喷射在阈值燃料流量以下进行分级，使得仅在所述吸力侧(31)或所述压力侧(32)上喷射燃料，以及/或者仅通过旋流导叶(3)的每隔一个或每隔两个燃料喷嘴喷射燃料以及/或者仅通过所述喷燃器(1)的每隔一个或每隔两个旋流导叶(3)的燃料喷嘴喷射燃料。
14. 根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述燃料是优选地选自天然气燃料、富氢燃料和氢燃料组成的组的高反应性燃料。
15. 根据权利要求1至6中的任一项所述的轴向旋流器(43)或根据权利要求7至11中的任一项所述的喷燃器(1)在环形燃烧器、罐式燃烧器或单发动机或再热式发动机中的用途。
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