CN105157064A - 预混合的方法及执行该方法的喷燃器布置 - Google Patents
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Abstract
一种用于将空气(33)与气态燃料预混合用于在燃烧室(12)中焚烧的方法,该方法包括以下步骤:通过同轴的空气管(11)将空气流中的所述空气(33)沿着喷燃器轴线(13)引导到燃烧室(12)中,该燃烧室(12)布置在所述空气管(11)的端部处;通过使所述空气流穿过第一涡流装置(14)而将涡流施加在所述空气流上,该第一涡流装置(14)同心地布置在所述空气管(11)内,并且包括多个径向地定向的第一叶片(29);在所述第一涡流装置(14)处将气态燃料喷射到所述空气流中;以及使所述空气流中的所述空气与喷射的气态燃料在第一混合区域(15)中混合,该第一混合区域(15)刚好布置在所述第一涡流装置(29)之后。
Description
技术领域
本发明涉及尤其用于燃气涡轮的燃烧技术。其涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于使空气与气态燃料预混合用于在燃烧室中焚烧的方法。其进一步涉及用于执行此类方法的喷燃器布置。
背景技术
涡流式喷燃器是通过将足够强的涡流给予空气流而导致中心逆流区域(中心再循环区域CRZ,涡旋破坏机制)形成的装置,其可用于使燃气涡轮喷燃器中的火焰稳定。
以最佳的燃料-空气预混合和低压降为目标经常是挑战。
良好的燃料/空气预混合实际上必须在CRZ之前的混合区中实现,其中火焰是稳定的。这暗示该区中足够高的压力损失,即,使用具有高涡流数的涡流器,允许在涡旋破坏发生之前的燃料-空气混合区段中的高速切向剪切。
然而,高涡流数的流动在CRZ处产生了过大的剪切,具有仅在该区中的压力损失的显著增加。在图1中显示了来自具有0.7和0.56的涡流数的两个不同轴向涡流式喷燃器布置的大涡旋仿真的这些压力损失特征。图1(b)的喷燃器布置20包括空气管21,其沿着喷燃器轴线23延伸,并且在一个端部处通向燃烧室22中。同心地布置在空气管21内的中心圆柱形的非流线形体27限定了环形通道,用于空气和空气/燃料流至燃烧室22,导致中心再循环区域26。燃料在同心的涡流装置24处引入到空气流中,并且在随后的混合区段25中与空气混合。
高涡流数变体(图1(a)中的开放的正方形)的特征在于混合区段中接近2的无量纲压力损失Dp(根据混合区段中的体积流速以动压头给出的单位进行测量)。这可确保良好的燃料/空气预混合,但在CRZ处出的单位进行测量)。这可确保良好的燃料/空气预混合,但在CRZ处有相当大的且不必要的接近8的压力损失。
低涡流数变体(图1(a)中填充的三角形)相反地在混合区段中给予了接近0.7的压力损失,其对于燃料-空气预混合和CRZ周围可接受的接近5.5的压降不是有效的。
因而,良好的空气/燃料预混合以及在CRZ的开始处的低压力损失难以随单个涡流装置同时付诸实践。
文件US6,438,961B2公开了一种用于在重型工业燃气涡轮的燃烧系统中使用的喷燃器,其包括燃料/空气预混合器,其具有空气入口、燃料入口以及环形混合通道。燃料/空气预混合器将燃料和空气混合成均匀的混合物,用于喷射到燃烧器反应区域中。喷燃器还包括设置在燃料/空气预混合器的空气入口处的入口流调节器,用于控制进入空气的径向和周向分布。入口流调节器中的穿孔的图案设计成使得在涡流器入口环面处在径向方向和周向方向两者上产生一致的空气流分布。预混合器包括涡流喷嘴组件,其具有一系列优选翼型状的转动轮叶,其将涡流赋予经由入口流调节器进入的空气流。各个翼型件包含内部燃料流动通道,其经由燃料计量孔将天然气燃料引入到空气流中,该燃料计量孔穿过翼型状的转动轮叶的壁。通过以该方式喷射燃料,在整个预混合器中保持了空气动力完全的流场。通过经由两个分开的通道喷射燃料,可在径向方向上控制燃料/空气混合物强度分布,以获得当机器和燃烧器负载变化时用于控制排放物的最佳径向浓度曲线、贫油熄火以及燃烧驱动的动态压力活动。
文献US2009/056336A1公开了一种用于在工业燃气涡轮的燃烧系统中使用的喷燃器。喷燃器包括燃料/空气预混合器,其包括分流轮叶,其限定了第一径向内通道和第二径向外通道,第一通道和第二通道均具有空气流转动轮叶部分,其将涡流赋予穿过预混合器的燃烧空气。各个通道中的轮叶部分通常构造成在各个通道中赋予相同的涡流方向。可提供多个分流轮叶,以在预混合器中限定三个或更多个环形通道。
文献US2010/293956A公开了一种燃料喷嘴辅助轮叶,其包括轮叶可安装底座,该轮叶可安装底座包括燃料入口,其中轮叶可安装底座构造成安装于设置在燃料喷嘴的空气流路径中的主轮叶的表面。燃料喷嘴辅助轮叶还包括从轮叶可安装底座延伸的本体,其中本体包括燃料通道,其从燃料入口转向燃料出口,并且燃料出口具有燃料出口方向,其相对于穿过燃料入口的燃料入口方向是大体交叉的。
文献US7,137,258B2公开了一种喷燃器,其包括被多个外部喷嘴包围的中心喷嘴,中心喷嘴和外部喷嘴中的各个具有燃料通道和空气通道,其中涡流器包围燃料通道,并且具有在空气通道内径向地凸出的多个轮叶,各个轮叶具有以相对于喷嘴的纵轴线的涡流角布置的后缘,其中用于中心喷嘴中的涡流器的涡流角不同于用于多个外部喷嘴中的涡流器的涡流角。
文献US7,578,130B1公开了用于燃烧动态特性减小的方法和系统。燃烧室可包括第一预混合器和第二预混合器。各个预混合器可包括至少一个燃料喷射器、至少一个空气入口导管,以及至少一个轮叶组,其用于将来自空气入口导管或多个空气入口导管的空气与来自燃料喷射器或多个燃料喷射器的燃料至少部分地混合。各个轮叶组可包括燃料的至少一部分和空气的至少一部分可穿过其的多个燃料孔口。第一预混合器的轮叶组或多个轮叶组可定位在第一轴向位置处,而第二预混合器的轮叶组或多个轮叶组可定位在相对于第一轴向位置轴向地交错的第二轴向位置处。
文献EP2685164A1公开了一种用于燃气涡轮喷燃器的轴向涡流器,其包括轮叶环,该轮叶环具有围绕涡流器轴线周向地分布的多个涡流器轮叶,所述涡流器轮叶中的各个包括后缘,以便在径向方向上实现出口流速曲线和/或燃料等同比的受控制分布,所述后缘是不连续的,其中后缘在预定的半径处具有不连续性。
通常仅一个涡流器用于涡旋破坏和混合。这不是最佳的,因为良好的燃料/空气预混合需要高涡流,但这在CRZ周围产生了太高的压降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种预混合方法和喷燃器布置,其避免了已知的方法和装置的缺点,并且:
-实现低压降,并且同时确保最佳的燃料/空气预混合;
-给予不同的排出流径向速度分布的可能性;
-使燃料喷射至火焰的对流延时扩展,用于控制热声学不稳定性;并且
-容许燃料分级。
该目的以及其它目的通过根据权利要求1的方法和根据权利要求15的喷燃器布置来实现。
根据本发明的用于使空气与气态燃料预混合用于在燃烧室中焚烧的方法包括以下步骤:
通过同轴的空气管将空气流中的所述空气沿着喷燃器轴线引导到燃烧室中,该燃烧室布置在所述空气管的端部处;
通过使所述空气流穿过第一涡流装置而将涡流施加在所述空气流上,该第一涡流装置同心地布置在所述空气管内,并且包括多个径向地定向的第一叶片;
在所述第一涡流装置处将气态燃料喷射到所述空气流中;以及
使所述空气流中的所述空气与喷射的气态燃料在第一混合区域中混合,该第一混合区域刚好布置在所述第一涡流装置之后。
其特征在于,其还包括以下步骤:
通过至少一个第二涡流装置发送离开所述第一混合区域的混合的燃料/空气流,该至少一个第二涡流装置同心地布置在所述空气管内,并且包括多个径向地定向的第二叶片,以减小混合的燃料/空气流的涡流;
在所述第二涡流装置处将气态燃料喷射到所述混合的燃料/空气流中;以及
使所述混合的燃料/空气流与喷射的气态燃料在第二混合区域中进一步混合,该第二混合区域刚好布置在所述第二涡流装置和所述燃烧室之间。
根据本发明方法的实施例,在所述第一涡流装置和第二涡流装置处借助于设在所述第一叶片和第二叶片的吸力侧和/或压力侧上的气体孔而喷射气态燃料。
特别地,所述气体孔布置成排,垂直于喷燃器轴线定向。
根据本发明方法的另一个实施例,所述第一涡流装置具有第一涡流数,所述第二涡流装置具有第二涡流数,并且所述第二涡流数小于所述第一涡流数。
根据本发明方法的又一个实施例,所述第一涡流装置和第二涡流装置中的各个具有6至10之间的一定数量的叶片。
根据本发明方法的另一个实施例,第一涡流装置和第二涡流装置的叶片的坐标系截面具有翼型的形状,以便减小压降。
特别地,第一涡流装置和第二涡流装置的叶片中的各个具有前缘和后缘,由此第二涡流装置的叶片的前缘在流入角方面与第一涡流装置的叶片的后缘的流出角对准。
当存在沿着喷燃器轴线串联布置的多于两个涡流装置时,后一涡流装置的叶片的前缘在流入角方面与前一涡流装置的叶片的后缘的流出角对准。
具体地说,所述涡流装置的所述翼型设计成产生空气/燃料流的某一出口流角α,由此所述出口流角α具有相对于喷燃器轴线的半径r的预确定的相关性α(r)。
更具体地说,tanα(r)=H.r+K,其中H和K是常数。
备选地,tanα(r)与1/r成比例。
备选地,tanα(r)=常数。
根据本发明方法的再一个实施例,空气通过具有内部空气管半径的圆柱形的同轴空气管,在所述同轴的空气管和具有外部非流线形体半径的同心的中心非流线形体之间的环形空间中引导,由此在所述外部非流线形体半径和所述内部空气管半径之间的比率为0.3至0.8之间。
根据本发明方法的另一个实施例,燃料经由所述叶片内的相应的腔借助于燃料分配系统供应至第一涡流装置和第二涡流装置的叶片,这允许控制至各个涡流装置、所述涡流装置内的各个叶片、以及叶片的所述吸力侧和压力侧中的各个的燃料供应,并且在所述燃烧室内的燃烧不稳定性借助于所述燃料分配系统经由在不同的涡流装置和/或不同的叶片侧之间的燃料分级而控制。
根据本发明方法的又一个实施例,所述第一涡流装置和第二涡流装置具有外部半径R,并且所述第一混合区域具有轴向长度L,并且所述比率L/R在0.5至4之间。
用于执行根据本发明的方法的本发明的喷燃器布置包括沿着喷燃器轴线延伸且在一个端部处通向燃烧室中的空气管、以离所述燃烧室的第一距离同心地布置在所述空气管内的第一同轴涡流装置,所述第一涡流装置包括多个径向地定向的第一叶片和用于将燃料喷射到经过所述第一涡流装置的空气流中的第一器件。
其特征在于,至少一个第二涡流装置在所述第一涡流装置下游布置在所述空气管内,从而在所述第一涡流装置和第二涡流装置之间限定第一混合区段,由此所述第二涡流装置包括多个径向地定向的第二叶片和用于将燃料喷射到经过所述第二涡流装置的燃料/空气流中的第二器件。
本发明的喷燃器布置的实施例的特征在于,所述第二涡流装置布置在离所述燃烧室的第二距离处,从而限定了第二混合区段。
本发明的喷燃器布置的另一个实施例的特征在于,所述第一燃料喷射器件和第二燃料喷射器件包括设在所述第一叶片和第二叶片的吸力侧和/或压力侧上的多个气体孔。
具体地说,所述气体孔布置成排,垂直于喷燃器轴线定向。
本发明的喷燃器布置的又一个实施例的特征在于,所述第一涡流装置具有第一涡流数,所述第二涡流装置具有第二涡流数,并且所述第二涡流数小于所述第一涡流数。
本发明的喷燃器布置的另一个实施例的特征在于,所述第一涡流装置和第二涡流装置中的各个具有6至10之间的一定数量的叶片。
本发明的喷燃器布置的再一个实施例的特征在于,第一涡流装置和第二涡流装置的叶片的坐标系截面具有翼型的形状。
具体地说,第一涡流装置和第二涡流装置的叶片中的各个具有前缘和后缘,由此第二涡流装置的叶片的前缘在流入角方面与第一涡流装置的叶片的后缘的流出角对准。
当存在沿着喷燃器轴线串联布置的多于两个涡流装置时,后一涡流装置的叶片的前缘在流入角方面与前一涡流装置的叶片的后缘的流出角对准。
本发明的喷燃器布置的另一个实施例的特征在于,所述涡流装置的所述翼型件设计成产生空气/燃料流的某一出口流角α,由此所述出口流角α具有相对于喷燃器轴线的半径r的预确定的相关性α(r)。
具体地说,tanα(r)=H.r+K,其中H和K是常数。
备选地,tanα(r)与1/r成比例。
备选地,tanα(r)=常数。
本发明的喷燃器布置的另一个实施例的特征在于,空气管在形状上是圆柱形的,具有内部空气管半径,同心的中心非流线形体布置在所述空气管内,具有外部非流线形体半径,并且在所述外部非流线形体半径和所述内部空气管半径之间的比率在0.3至0.8之间。
本发明的喷燃器布置的又一个实施例的特征在于,燃料经由所述叶片内的相应的腔借助于燃料分配系统供应至第一涡流装置和第二涡流装置的叶片,这允许控制至各个涡流装置、所述涡流装置内的各个叶片,以及叶片的所述吸力侧和压力侧中的各个的燃料供应。
本发明的喷燃器布置的另一个实施例的特征在于,所述第一涡流装置和第二涡流装置具有外部半径R,并且所述第一混合区域具有轴向长度L,并且所述比率L/R在0.5至4之间。
附图说明
现在将借助于不同实施例并参照附图更仔细地说明本发明。
图1显示了已知的带一个涡流装置的喷燃器布置(b),以及用于两个带不同涡流数的不同涡流装置的沿着所述喷燃器布置的轴线的无量纲压降(a)的图表;
图2显示了根据本发明的实施例的喷燃器布置(b),其具有两个随后的不同涡流数的涡流装置,以及沿着所述喷燃器布置的轴线的得到的无量纲压降(a);
图3显示了可用于本发明中的具有多个径向翼型叶片的示例性涡流装置的构造的3维图;
图4显示了根据本发明的另一实施例的具有两个涡流装置的喷燃器布置的截面图,该两个涡流装置在它们的翼型叶片的压力侧和吸力侧处具有燃料喷射器件;
图5显示了在第一涡流装置和第二涡流装置的叶片之间的对准的更详细的示意图;以及
图6显示了具有相应的燃料分配系统的第一涡流装置和第二涡流装置的轴向视图(a和b),以及在各个翼型件内的燃料分配的示意图(c)。
部件列表
10,20喷燃器布置
11,21空气管
12,22燃烧室
13,23喷燃器轴线
14,24涡流装置
15,25混合区段
16涡流装置
17混合区段
18,27非流线形体
19,26中心再循环区域(CRZ)
28叶片(涡流装置)
29,30叶片(涡流装置)
29a气体孔(吸力侧)
29b气体孔(压力侧)
30a气体孔(吸力侧)
30b气体孔(压力侧)
31,32燃料分配环
31a,32a燃料供应管线
33空气
34,35燃料供应管线
V1-V4阀。
具体实施方式
本发明的基本构思涉及一系列两个轴向涡流喷燃器或装置一具有用于优化燃料/空气混合的高涡流的第一涡流装置,以及具有用于中心再循环区域(CRZ)处的低压降的低涡流的第二涡流装置。
因此,此处公开的本发明包括利用沿着喷燃器轴线顺序地布置的给定数量的两个或更多个轴向涡流装置实现的涡流/混合布置。燃料从涡流器叶片中获得的腔喷射。在两个顺序的涡流装置的情况下,压力损失特征在类似于图1和图2的图中显示。
图2的喷燃器布置10包括空气管11,其沿着喷燃器轴线13延伸并且在下游端部处通向燃烧室12中,其中中心再循环区域(CRZ)19在喷燃器的操作期间建立。中心、圆柱形且同轴的非流线形体18在空气管11内限定了环形通道,用于空气和空气/燃料朝燃烧室12流动。两个同心的涡流装置14和16串联地设在环形通道中,从而限定在两个涡流装置14,16之间的第一混合区段15,以及在第二涡流装置16和燃烧室12的入口之间的第二混合区段17。在两个涡流装置14和16处,气态燃料喷射到经过的空气流中。
如可从图2(a)中的图表看到的,这些特征(涡流装置14中的高涡流;涡流装置16中的低涡流)允许从第一涡流装置14喷射的燃料的部分的非常良好的预混合,其中第二涡流装置16工作为去涡流装置,允许CRZ19周围的低压降。
该布置的第二重要优点是燃料至火焰的对流延时的扩展,其具有对燃烧动态特性的积极影响。
更详细地,各个涡流装置包括给定数量的径向延伸的叶片,其中以给定的半径的截面具有翼型形状。燃料从各个涡流器叶片的吸力侧和/或压力侧上钻取的孔喷射。该设计允许优化混合和压降,并且同时对燃料喷射和火焰之间的延时的控制给予灵活性。
因此,如图3中所示,本发明的基本构件是涡流装置24,其包括周向地布置在圆柱形非流线形体27周围的一系列径向叶片28,该叶片28设计成将涡旋构件赋予空气流,该空气流沿着喷燃器轴线23进入到提到的装置的空气管21中。装置可设计成以便以轴向速度和切向速度的任何可能径向分布为目标,例如满足总压力和径向动量的非粘性的守恒方程,以及出口流角α的特定的径向分布。本发明应用于任何功能,其描述了涡流器出口流角α的径向分布。
根据本发明的喷燃器布置10(见图4)包括至少两个在流动方向上顺序布置的涡流装置14和16,其中混合区段15在其间。第一涡流装置14以高涡流数为特征,而第二涡流装置16以低涡流数为特征。燃料喷射在空气流33中,从放置在涡流器叶片29和30的吸力侧和/或压力侧上的气体孔29a,b和30a,b流过两个涡流装置14和16。燃料经由腔分配,该腔在涡流器叶片29,30内获得,并且连接于围绕涡流装置而组织的外部燃料分配环(见图6)。
第一涡流装置14将高涡流赋予空气流,这有助于在放置于两个涡流装置14和16之间的混合区段15(轴向长度L)中获得良好的燃料/空气混合。相反,第二涡流装置16的主要范围是在涡旋破坏发生之前减小涡流数(去涡流功能)。第二涡流装置16还用于喷射燃料的一部分,以便具有燃料至火焰的延时的扩展,其在火焰动态特性方面是有帮助的。
涡流器的轴向速度和切向速度的可能径向分布从三种类型的叶片出口流角α(r)的径向分布获得:
A)其正切在径向方向上线性增大,即,使得tanα(r)=W/U=H.r+K,其中H和K是常数,并且W,U是切向速度和轴向速度;
B)其中tanα(r)=W/U=常数;并且
C)其中tanα(r)=W/U,其与1/r成比例(暗示不旋转的流,并且U=常数)。
这些分布的混合组合也是可能的,例如线性增加至中间半径,即分布A),和降低至其之上,即分布B)。
各个分布以涡流数为特征,该涡流数通过其本身的分布以及在叶片的最小半径(轮毂)和最大半径(末端)处的出口流角的值来确定。
图5显示了本发明的径向截面的更详细的示意图(仅显示一个叶片/涡流装置)。高涡流装置(叶片29)的前缘与主流轴对准。翼型件设计成以便产生出口流角α1=50°。第二涡流装置(叶片30)必须能够产生出口流角的减小。出于该原因,第二涡流装置设计为相对于第一涡流装置是逆涡流的。
为了避免流分离,第二涡流装置(叶片30)的拱弧线在前缘处与涡流器后缘处的第一涡流装置(叶片29)的拱弧线对准。该角度因此通过第二涡流装置的范围(extent)而减少α1-α2所给出的流旋转θ,其中α2是在涡旋破坏之前期望的出口流角。
本发明还包括燃料分配系统(图6),其特征在于一个外部燃料分配环31和32,其经由燃料供应管线31a,32a将燃料分配至涡流器叶片29,30内获得的腔。该燃料从叶片的吸力侧和/或压力侧上钻取的气体孔29a,b和30a,b喷射到空气流中(见图4)。燃料经由燃料供应管线34供应至涡流装置14和16可通过阀门V1和V2独立地控制(图6a和b)。
在本发明中还包含在吸力侧和压力侧之间进行燃料分级(将燃料独立供给至吸力侧和压力侧)的可能性。因此,燃料经由燃料供应管线35供应至叶片的吸力侧和压力侧的气体孔可通过阀门V3和V4独立地控制(图6c)。
总之,本发明涵盖喷燃器布置,其能够将涡流赋予空气流,并且喷射与空气流预混合的燃料。
详细地,存在以下特征:
·装置包括具有不同涡流数的最小2个且最大4个轴向涡流装置的顺序,用于最佳的压降、燃料空气预混合和燃烧动力特性;
·用于各个涡流装置的涡流器叶片的数量在6个至10个之间,以允许燃料空气预混合的控制和排出流的均匀化;
·在涡流装置的最小半径和最大半径之间的比率在0.25至0.5之间;
·各个单独的涡流装置的涡流数在0.3至0.8之间;
·叶片的坐标系截面在形状上类似于翼型件用于减小压降;
·在两个连续的涡流装置之间提供了燃料/空气混合区段,其具有轴向延伸L,具有0.5至4之间的比率L/R(其中,R为涡流装置的外半径)。
·存在可能的若干出口流角的分布,即,tanα(r)=W/U=H.r+K,tanα(r)=W/U=常数,并且tanα(r)=W/U与1/r成比例;
·各个涡流装置的叶片的前缘在流入角方面与上游涡流装置的后缘的流出角对准;
·燃料分配系统由外部环管给出,其能够经由腔将燃料供给至叶片。在吸力侧和压力侧之间和在若干涡流装置之间的燃料分级的可能性是有利的;
·方法可用于经由在不同级之间(压力侧-吸力侧,在不同的涡流装置之间)的燃料分级来控制燃烧不稳定性;
本发明的(多个)优点是:
其允许探索完全新的喷燃器构想,该喷燃器构想具有良好的燃料/空气预混合和低压降的潜能。在燃料和火焰之间的对流延时的扩展是用于减小火焰动态响应的幅度(火焰传递函数)的有希望的解决方案。
Claims (29)
1.一种用于将空气(33)与气态燃料预混合用于在燃烧室(12)中焚烧的方法,所述方法包括以下步骤:
通过同轴的空气管(11)将空气流中的所述空气(33)沿着喷燃器轴线(13)引导到燃烧室(12)中,所述燃烧室(12)布置在所述空气管(11)的端部处;
通过使所述空气流穿过第一涡流装置(14)而将涡流施加在所述空气流上,所述第一涡流装置(14)同心地布置在所述空气管(11)内,并且包括多个径向地定向的第一叶片(29);
在所述第一涡流装置(14)处将气态燃料喷射到所述空气流中;以及
使所述空气流中的所述空气与喷射的气态燃料在第一混合区域(15)中混合,所述第一混合区域(15)刚好布置在所述第一涡流装置(29)之后;
其特征在于,其还包括以下步骤:
通过至少一个第二涡流装置(16)发送离开所述第一混合区域(15)的混合的燃料/空气流,所述至少一个第二涡流装置(16)同心地布置在所述空气管(11)内,并且包括多个径向地定向的第二叶片(30),以减小所述混合的燃料/空气流的涡流;
在所述第二涡流装置(16)处将气态燃料喷射到所述混合的燃料/空气流中;以及
使所述混合的燃料/空气流与喷射的气态燃料在第二混合区域(17)中进一步混合,所述第二混合区域(17)刚好布置在所述第二涡流装置(30)和所述燃烧室(19)之间。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述气态燃料在所述第一涡流装置(14)和所述第二涡流装置(16)处借助于设在所述第一叶片(29)和所述第二叶片(30)的吸力侧和/或压力侧上的气体孔(29a,b;30a,b)喷射。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述气体孔(29a,b;30a,b)布置成排,垂直于所述喷燃器轴线(13)定向。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第一涡流装置(14)具有第一涡流数,所述第二涡流装置(16)具有第二涡流数,并且所述第二涡流数小于所述第一涡流数。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第一涡流装置(14)和所述第二涡流装置(16)中的各个具有6至10之间的一定数量的叶片(29,30)。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第一涡流装置(14)和所述第二涡流装置(16)的叶片(29,30)的坐标系截面具有翼型的形状,以便减小压降。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述第一涡流装置(14)和所述第二涡流装置(16)的叶片(29,30)中的各个具有前缘和后缘,由此所述第二涡流装置(16)的叶片(30)的前缘在流入角方面与所述第一涡流装置(14)的叶片(29)的后缘的流出角对准。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述涡流装置(14,16)的所述翼型设计成产生所述空气/燃料流的某一出口流角α,由此所述出口流角α具有相对于所述喷燃器轴线(13)的半径r的预确定的相关性α(r)。
9.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,tanα(r)=H.r+K,其中H和K是常数。
10.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,tanα(r)与1/r成比例。
11.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,tanα(r)=常数。
12.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述空气(33)通过具有内部空气管半径的圆柱形的同轴空气管(11),在所述同轴的空气管(11)和具有外部非流线形体半径的同心的中心非流线形体(18)之间的环形空间中引导,由此在所述外部非流线形体半径和所述内部空气管半径之间的比率为0.3至0.8之间。
13.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述燃料经由所述叶片(29,30)内的相应的腔,借助于燃料分配系统(34,35,V1-V4)供应至所述第一涡流装置(14)和所述第二涡流装置(16)的叶片(29,30),这允许控制至各个涡流装置(14,16)、所述涡流装置(14,16)内的各个叶片(29,30)、以及所述叶片(29,30)的所述吸力侧和压力侧中的各个的所述燃料供应,并且借助于所述燃料分配系统(34,35,V1-V4),经由在不同的涡流装置(14,16)和/或所述叶片(29,30)的不同侧之间的燃料分级控制所述燃烧室(12)内的燃烧不稳定性。
14.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第一涡流装置(14)和所述第二涡流装置(16)具有外部半径R,并且所述第一混合区域(15)具有轴向长度L,并且所述比率L/R在0.5至4之间。
15.一种用于执行根据权利要求1所述的方法的喷燃器布置,其包括沿着喷燃器轴线(13)延伸且在一个端部处通入燃烧室(12)中的空气管(11),以离所述燃烧室(12)的第一距离同心地布置在所述空气管(11)内的第一同轴涡流装置(14),所述第一涡流装置(14)包括多个径向地定向的第一叶片(29)以及用于将燃料喷射到经过所述第一涡流装置(14)的空气流中的第一器件(29a,b),其特征在于,至少一个第二涡流装置(16)在所述第一涡流装置(14)下游布置在所述空气管(11)内,从而在所述第一涡流装置(14)和所述第二涡流装置(16)之间限定第一混合区段(15),由此所述第二涡流装置(16)包括多个径向地定向的第二叶片(30)以及用于将燃料喷射到经过所述第二涡流装置(16)的燃料/空气流中的第二器件(30a,b)。
16.根据权利要求15所述的喷燃器布置,其特征在于,所述第二涡流装置(16)布置在离所述燃烧室(12)的第二距离处,从而限定了第二混合区段(17)。
17.根据权利要求15所述的喷燃器布置,其特征在于,所述第一燃料喷射器件和所述第二燃料喷射器件包括设于所述第一叶片(29)和所述第二叶片(30)的吸力侧和/或压力侧上的多个气体孔(29a,b;30a,b)。
18.根据权利要求17所述的喷燃器布置,其特征在于,所述气体孔(29a,b;30a,b)布置成排,垂直于所述喷燃器轴线(13)定向。
19.根据权利要求15所述的喷燃器布置,其特征在于,所述第一涡流装置(14)具有第一涡流数,所述第二涡流装置(16)具有第二涡流数,并且所述第二涡流数小于所述第一涡流数。
20.根据权利要求15所述的喷燃器布置,其特征在于,所述第一涡流装置(14)和所述第二涡流装置(16)中的各个具有6至10之间的一定数量的叶片(29,30)。
21.根据权利要求15所述的喷燃器布置,其特征在于,所述第一涡流装置(14)和所述第二涡流装置(16)的叶片(29,30)的坐标系截面具有翼型的形状。
22.根据权利要求21所述的喷燃器布置,其特征在于,所述第一涡流装置(14)和所述第二涡流装置(16)的叶片(29,30)中的各个具有前缘和后缘,由此所述第二涡流装置(16)的叶片(30)的前缘在流入角方面与所述第一涡流装置(14)的叶片(29)的后缘的流出角对准。
23.根据权利要求21所述的喷燃器布置,其特征在于,所述涡流装置(14,16)的所述翼型设计成产生所述空气/燃料流的某一出口流角α,由此所述出口流角α具有相对于所述喷燃器轴线(13)的半径r的预确定的相关性α(r)。
24.根据权利要求23所述的喷燃器布置,其特征在于,tanα(r)=H.r+K,其中H和K是常数。
25.根据权利要求23所述的喷燃器布置,其特征在于,tanα(r)与1/r成比例。
26.根据权利要求23所述的喷燃器布置,其特征在于,tanα(r)=常数。
27.根据权利要求15所述的喷燃器布置,其特征在于,所述空气管(11)在形状上是圆柱形的,具有内部空气管半径,同心的中心非流线形体(18)布置在所述空气管(11)内,具有外部非流线形体半径,并且在所述外部非流线形体半径和所述内部空气管半径之间的比率在0.3至0.8之间。
28.根据权利要求17所述的喷燃器布置,其特征在于,所述燃料经由所述叶片(29,30)内的相应的腔借助于燃料分配系统(34,35,V1-V4)供应至所述第一涡流装置(14)和所述第二涡流装置(16)的叶片(29,30),这允许控制至各个涡流装置(14,16)、所述涡流装置(14,16)内的各个叶片(29,30)、以及所述叶片(29,30)的所述吸力侧和所述压力侧中的各个的所述燃料供应。
29.根据权利要求23所述的喷燃器布置,其特征在于,所述第一涡流装置(14)和所述第二涡流装置(16)具有外部半径R,并且所述第一混合区域(15)具有轴向长度L,并且所述比率L/R在0.5至4之间。
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106958813A (zh) * | 2017-03-20 | 2017-07-18 | 中国科学院工程热物理研究所 | 一种旋流器叶片、喷嘴、喷嘴阵列及燃烧器 |
CN108397238A (zh) * | 2018-01-23 | 2018-08-14 | 中国科学院工程热物理研究所 | 一种弹用涡喷发动机快速起动结构 |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3098514A1 (en) * | 2015-05-29 | 2016-11-30 | Siemens Aktiengesellschaft | Combustor arrangement |
CN107143881B (zh) * | 2017-05-16 | 2020-02-14 | 西北工业大学 | 一种用于燃气轮机低污染燃烧室的多点直接喷射头结构 |
CN107143880B (zh) * | 2017-05-16 | 2020-02-14 | 西北工业大学 | 一种用于燃气轮机低污染燃烧室的贫油多点直接喷射头 |
CN116648555A (zh) * | 2021-02-19 | 2023-08-25 | 三菱重工业株式会社 | 预混合燃烧炉、燃料喷射装置及燃气涡轮机 |
CN115183276A (zh) * | 2022-07-25 | 2022-10-14 | 清航空天(北京)科技有限公司 | 一种燃料供给组件、发动机燃烧室结构及发动机 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0936406A2 (en) * | 1998-02-10 | 1999-08-18 | General Electric Company | Burner with uniform fuel/air premixing for low emissions combustion |
US6141967A (en) * | 1998-01-09 | 2000-11-07 | General Electric Company | Air fuel mixer for gas turbine combustor |
JP2005180799A (ja) * | 2003-12-19 | 2005-07-07 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 予混合燃料ノズル、燃焼器及びそれを用いたガスタービン |
US20070089426A1 (en) * | 2005-10-20 | 2007-04-26 | General Electric Company | Cumbustor with staged fuel premixer |
CN103471136A (zh) * | 2012-06-06 | 2013-12-25 | 通用电气公司 | 具有燃料预混器的燃烧器组件 |
Family Cites Families (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4271675A (en) * | 1977-10-21 | 1981-06-09 | Rolls-Royce Limited | Combustion apparatus for gas turbine engines |
US5943866A (en) * | 1994-10-03 | 1999-08-31 | General Electric Company | Dynamically uncoupled low NOx combustor having multiple premixers with axial staging |
DE69919764T2 (de) * | 1998-02-09 | 2005-09-01 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Brennkammer |
JP2002039533A (ja) * | 2000-07-21 | 2002-02-06 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 燃焼器、ガスタービン及びジェットエンジン |
US7137258B2 (en) | 2004-06-03 | 2006-11-21 | General Electric Company | Swirler configurations for combustor nozzles and related method |
JP2006300448A (ja) * | 2005-04-22 | 2006-11-02 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | ガスタービンの燃焼器 |
JP4418442B2 (ja) * | 2006-03-30 | 2010-02-17 | 三菱重工業株式会社 | ガスタービンの燃焼器及び燃焼制御方法 |
US20090056336A1 (en) | 2007-08-28 | 2009-03-05 | General Electric Company | Gas turbine premixer with radially staged flow passages and method for mixing air and gas in a gas turbine |
US7578130B1 (en) | 2008-05-20 | 2009-08-25 | General Electric Company | Methods and systems for combustion dynamics reduction |
US20100293956A1 (en) | 2009-05-21 | 2010-11-25 | General Electric Company | Turbine fuel nozzle having premixer with auxiliary vane |
US8307660B2 (en) * | 2011-04-11 | 2012-11-13 | General Electric Company | Combustor nozzle and method for supplying fuel to a combustor |
US8850821B2 (en) * | 2011-10-07 | 2014-10-07 | General Electric Company | System for fuel injection in a fuel nozzle |
CN103134078B (zh) * | 2011-11-25 | 2015-03-25 | 中国科学院工程热物理研究所 | 一种阵列驻涡燃料-空气预混器 |
US20130167541A1 (en) * | 2012-01-03 | 2013-07-04 | Mahesh Bathina | Air-Fuel Premixer for Gas Turbine Combustor with Variable Swirler |
RU2570989C2 (ru) | 2012-07-10 | 2015-12-20 | Альстом Текнолоджи Лтд | Осевой завихритель для камеры сгорания газовой турбины |
-
2014
- 2014-04-17 EP EP14165191.9A patent/EP2933560B1/en active Active
-
2015
- 2015-04-14 US US14/685,945 patent/US9810432B2/en active Active
- 2015-04-17 CN CN201510398604.0A patent/CN105157064B/zh active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6141967A (en) * | 1998-01-09 | 2000-11-07 | General Electric Company | Air fuel mixer for gas turbine combustor |
EP0936406A2 (en) * | 1998-02-10 | 1999-08-18 | General Electric Company | Burner with uniform fuel/air premixing for low emissions combustion |
JP2005180799A (ja) * | 2003-12-19 | 2005-07-07 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 予混合燃料ノズル、燃焼器及びそれを用いたガスタービン |
US20070089426A1 (en) * | 2005-10-20 | 2007-04-26 | General Electric Company | Cumbustor with staged fuel premixer |
CN103471136A (zh) * | 2012-06-06 | 2013-12-25 | 通用电气公司 | 具有燃料预混器的燃烧器组件 |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106958813A (zh) * | 2017-03-20 | 2017-07-18 | 中国科学院工程热物理研究所 | 一种旋流器叶片、喷嘴、喷嘴阵列及燃烧器 |
CN106958813B (zh) * | 2017-03-20 | 2019-09-24 | 中国科学院工程热物理研究所 | 一种旋流器叶片、喷嘴、喷嘴阵列及燃烧器 |
CN108397238A (zh) * | 2018-01-23 | 2018-08-14 | 中国科学院工程热物理研究所 | 一种弹用涡喷发动机快速起动结构 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20150300646A1 (en) | 2015-10-22 |
EP2933560B1 (en) | 2017-12-06 |
CN105157064B (zh) | 2019-09-20 |
US9810432B2 (en) | 2017-11-07 |
EP2933560A1 (en) | 2015-10-21 |
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