CN104185762B - 用于将燃料与含氧气体流混合的混合布置 - Google Patents

用于将燃料与含氧气体流混合的混合布置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种混合布置，其用于尤其在具有顺序燃烧的燃气涡轮的第二燃烧器中将燃料(13,15)与沿轴向通道中的轴线(16)流动的含氧气体流混合。通过所述混合布置改善了混合并且减少了混合长度，所述混合布置包括具有至少一个喷射器环(11)的喷射器(10)，所述气体流在内侧和外侧经过所述至少一个喷射器环(11)。

Description

用于将燃料与含氧气体流混合的混合布置
技术领域
本发明涉及燃气涡轮技术。其参考根据权利要求1的前序部分的用于将燃料与含氧气体流混合的混合布置。
背景技术
具有顺序燃烧的燃气涡轮在本领域中是公知的。图4示出了具有顺序燃烧的燃气涡轮25的总体方案。图4的燃气涡轮包括压缩机26、第一燃烧器27、第一高压涡轮28、第二燃烧器29以及低压涡轮30。第二燃烧器29通过将燃料喷射入热气体流中而再加热第一涡轮28的排气。这例如通过根据图5的混合布置来进行，其中实际上延伸的燃料喷枪33被置于热气体通道31中，以沿轴线16将一种或多种燃料喷射入热气体32中。
这种燃气涡轮再加热系统(顺序燃烧)被证实擅长在GT24/GT26型大型工业燃气涡轮中在高燃烧温度下实现非常低的排放。
这种燃烧系统还满足许多严格的要求，诸如：低压降、低冷却空气消耗、长寿命、燃料适应性。
再加热燃烧系统所依赖的一个关键要素是在火焰前热气体与燃料之间的混合水平。
到目前为止所发展出的概念提供非常良好的混合水平与燃烧性能。
然而，它们依赖于在燃料喷射器与热气体路径之间的高动量通量比、复杂几何结构或者复合密封系统(例如参见文献US5,645,410、WO2011/037646A1、US5,351,474A、US6,192,688B1、WO2011/054757、WO2011/054766或EP2211109A1)。
在文献WO2011/054757和在文献WO2011/054766中所描述的多点喷射系统通过使用多点喷射方案，在由通过专门涡流发生器或瓣片(lobe)生成的流体动力结构支持下，以最小压降提供将燃料与热气体混合的有效途径。
发明内容
本发明的目的是提供用于顺序燃烧应用的混合布置，其导致改善的混合和更短的混合长度。
该目的和其它目的通过根据权利要求1的混合布置来实现。
一种混合布置，其用于尤其在具有顺序燃烧的燃气涡轮的第二燃烧器中将燃料与沿轴向通道中的轴线流动的含氧气体流混合，其特征在于，所述混合布置包括具有至少一个喷射器环的喷射器，所述气体流在内侧和外侧经过该至少一个喷射器环。
根据本发明的第一实施例，所述至少一个喷射器环关于所述轴线是圆形的。
根据本发明的第二实施例，所述至少一个喷射器环沿轴向方向具有气动轮廓。
特别地，所述至少一个喷射器环具有对称翼型的气动轮廓，其中，对称平面与所述轴线对齐。
根据本发明的另一实施例，所述至少一个喷射器环设计成喷射多个不同流体流。
特别地，所述至少一个喷射器环设计成喷射液体燃料尤其是油的流、空气流以及燃料气体流。
根据本发明的又一实施例，所述至少一个喷射器环具有周向分布的多个成列(inline)喷射喷嘴，并且其中，其喷射方向与所述轴线对齐。
根据本发明的另一实施例，所述至少一个喷射器环具有周向分布的多个喷射喷嘴，并且其中，其喷射方向关于所述气体流交叉流动定向。
优选地，涡流发生器设置在所述至少一个喷射器环上。
特别地，所述涡流发生器在所述至少一个喷射器环上周向分布，使得所述涡流发生器中的每一个对应于所述喷射喷嘴中的一个。
更具体地，所述涡流发生器交替布置在所述至少一个喷射器环的内侧和外侧上。
备选地，瓣叶设置在相邻的成列喷射喷嘴之间。
特别地，所述瓣叶交替延伸至所述至少一个喷射器环的内侧和外侧上。
根据本发明的又一实施例，多个喷射器环以多环构型设置。
具体地，喷射器环具有不同尺寸并且布置在相同平面中。
备选地，喷射器环具有不同尺寸并且布置在不同轴向位置处。
附图说明
现在，借助不同实施例并且参考附图而更详细地解释本发明。
图1根据本发明的实施例，以轴向视图示出了圆形喷射器，其设计成喷射液体燃料、保护空气和燃料气体；
图2示出了图1的喷射器环的截面，其类似于对称气动轮廓；
图3在一个附图3中示出了本发明关于成列和交叉流动布置以及相关涡流发生器和瓣叶的不同实施例(a)、(b)、(c)。
图4示出了具有顺序燃烧的燃气涡轮的简化方案；以及
图5示出了根据现有技术用于再加热系统的混合布置。
具体实施方式
在本发明中提出了一种系统，在该系统中一种新颖的燃料喷射器提供极佳的燃料/空气混合而无需高动量通量比，且适于柱形喷燃器(burner)。这种构型可非常适合于环形燃烧系统(如在GT24/GT26燃气涡轮中)以及罐燃烧器构型。
本发明还依赖于利用专门涡流发生器或瓣叶的多点喷射，该专门涡流发生器或瓣叶以轴对称方式构造，适于柱形喷燃器且允许更均匀的燃料分布。
与在文献EP2211109中描述的系统相比，这种构型的主要优点在于，由于如在WO2011/054757和WO2011/054766中的燃料喷射器的牢固的成列构件，这种构型不依赖动量通量比。
为了改善燃料与空气的混合，提出了如下混合器：
图1以本发明的第一实施例示出了单个“环”混合器的总体布置。
“环”系统的基本原理是，圆形喷射器10，其包括喷射器环11，其能喷射三种不同的流体流：液体燃料13(例如油)、燃料气体(15)和在其间的保护空气14(类似于众所周知的GT24/GT26燃气涡轮的SEV喷枪，如例如在EP0620362A1中描述的)。三种流体借助于流体供应布置12中的同心管道布置而供给到喷射器环11。
沿轴向方向(轴线16)，喷射器环11将具有气动轮廓，类似于对称翼型(图2)，其中设计类似于在文献WO2011/054757和WO2011/054766中描述的设计，其允许喷枪内侧的低压降和有效对流冷却。图2示出了这种构型的示意图，表明气动轮廓与主热气体流动方向17对齐。
这种喷射器环18的三个实施例以简化方案在图3中考虑和示出(在三个实施例的每一个中，相应喷射喷嘴和涡流发生器构型沿环的整个周向延伸，而在图3中，为简化起见，仅示出示例性截面)。
在第一实施例(图3(a))中，在喷射器环18a的内侧和外侧的涡流发生器(VG)20a、b与成列喷射联接：喷射喷嘴19与主热气体流(轴线16)对齐。通过专门的VG20a和20b产生竖直结构从而帮助分布燃料来增强混合。成列喷射的优点是更便宜的可制造性，动量通量比对性能的更低影响、更高的逆燃余量/燃料适应性。
在第二实施例(图3(b))中，涡流发生器22a和22b与倾斜喷射联接：喷射器喷嘴21a、21b以交叉流动布置倾斜，以便燃料可更好地渗透入由VG22a、22b所产生的类似于先前实施例的竖直结构中。这可提供更好的混合用于更低的NOx排放。
第三实施例(图3(b))涉及瓣叶24a、24b，其借助于喷射喷嘴23与成列喷射结合：瓣叶结构产生优化燃料与空气混合所必需的速度场。瓣叶可以以更小的压降实现类似的混合水平。它们从WO2011/054757和WO2011/054766中得到，并且包括在那些专利申请中所描述的所有变型。
对于大的圆形轮廓，也可想象多环掺混器(blender)(例如，在相同平面(垂直于轴线16)处具有不同尺寸(半径等)的若干喷射器环或者在沿轴线16的不同轴向位置处具有不同尺寸的若干环)。
对于大的柱形喷燃器或罐，设想多环构型，例如，在相同轴向平面处具有不同尺寸的若干环或者在不同轴向位置处具有不同尺寸的若干环。
本发明的优点是：
更好的混合=>释放更少的排放；
更短的混合长度=>紧凑设计；
燃料喷射的轴向分段成为可能=>防止由于不同的时间延迟而导致的燃烧动态；
适于柱形喷燃器或罐；
通过添加喷嘴或环，能容易地适应不同的喷燃器或罐的尺寸。
附图标记
10,18圆形喷射器
11喷射器环
12流体供应布置
13液体燃料
14保护空气
15燃料气体
16轴线
17主流动方向(轴向)
18a-c喷射器环
19,23成列喷射喷嘴
20a,b涡流发生器
21a,b交叉流动喷射喷嘴
22a,b涡流发生器
24a,b瓣叶
25燃气涡轮(具有顺序燃烧)
26压缩机
27,29燃烧器
28,30涡轮
31热气体通道
32热气体
33燃料喷枪。

Claims (18)

1.一种混合布置，其用于将燃料(13,15)与沿轴向通道(31)中的轴线(16)流动的含氧气体流(32)混合，其特征在于，所述混合布置包括具有至少一个喷射器环(11；18a-c)的喷射器(10,18)，所述气体流(32)在内侧和外侧经过所述至少一个喷射器环(11；18a-c)。
2.根据权利要求1所述的混合布置，其特征在于，所述至少一个喷射器环(11；18a-c)关于所述轴线(16)是圆形的。
3.根据权利要求1所述的混合布置，其特征在于，所述至少一个喷射器环(11；18a-c)沿轴向方向具有气动轮廓。
4.根据权利要求3所述的混合布置，其特征在于，所述至少一个喷射器环(11；18a-c)具有对称翼型的气动轮廓，其中，对称平面与所述轴线(16)对齐。
5.根据权利要求1所述的混合布置，其特征在于，所述至少一个喷射器环(11；18a-c)设计成喷射多种不同的流体流。
6.根据权利要求5所述的混合布置，其特征在于，所述至少一个喷射器环(11；18a-c)设计成同时喷射液体燃料(13)流、空气流(14)以及燃料气体流(15)。
7.根据权利要求1所述的混合布置，其特征在于，所述至少一个喷射器环(18a,18c)具有周向分布的多个成列喷射喷嘴(19,23)，并且其中，其喷射方向与所述轴线(16)对齐。
8.根据权利要求1所述的混合布置，其特征在于，所述至少一个喷射器环(18b)具有周向分布的多个喷射喷嘴(21a,b)，并且其中，其喷射方向关于所述气体流(32)交叉流动定向。
9.根据权利要求7所述的混合布置，其特征在于，涡流发生器(20a,b；22a,b)设置在所述至少一个喷射器环(18a,b)上。
10.根据权利要求9所述的混合布置，其特征在于，所述涡流发生器(20a,b；22a,b)在所述至少一个喷射器环(18a,b)上周向分布，使得所述涡流发生器(20a,b；22a,b)中的每一个对应于所述喷射喷嘴(19；21a,b；23)中的一个。
11.根据权利要求10所述的混合布置，其特征在于，所述涡流发生器(20a,b；22a,b)交替布置在所述至少一个喷射器环(18a,b)的内侧和外侧上。
12.根据权利要求7所述的混合布置，其特征在于，瓣叶(24a,b)设置在相邻的成列喷射喷嘴(23)之间。
13.根据权利要求12所述的混合布置，其特征在于，所述瓣叶(24a,b)交替延伸至所述至少一个喷射器环的内侧和外侧。
14.根据权利要求1至13中的一项所述的混合布置，其特征在于，多个喷射器环(11；18a-c)以多环构型设置。
15.根据权利要求14所述的混合布置，其特征在于，所述喷射器环具有不同尺寸并且布置在相同平面中。
16.根据权利要求14所述的混合布置，其特征在于，所述喷射器环具有不同尺寸并且布置在不同轴向位置处。
17.根据权利要求1所述的混合布置，其特征在于，所述轴向通道(31)在具有顺序燃烧的燃气涡轮(25)的第二燃烧器(29)中。
18.根据权利要求6所述的混合布置，其特征在于，所述液体燃料(13)是油。
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