CN105258158B - 轴向旋流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在燃气涡轮中用于氧化剂与燃料的预混合的轴向旋流器。用于燃气涡轮喷燃器的轴向旋流器，包括具有流线型横截面的多个旋流静叶，其围绕旋流器轴线布置并且在径向方向上在内半径Rmin和外半径Rmax之间延伸。每个旋流静叶具有前缘、后缘、以及在它们之间延伸的吸力侧和压力侧，其中旋流静叶拱弧线在旋流静叶的后缘处的切线与旋流器轴线之间的出流角α是距旋流器轴线的径向距离R的第一函数，并且旋流静叶的最大拱弧的位置是距旋流器轴线的径向距离R的第二函数，其特征在于，对于至少一个旋流静叶来说，第一和第二函数各自沿着从Rmin至Rmax的所述径向距离包括相应的局部最大值和局部最小值。本发明涉及有此旋流器的喷燃器。

Description

轴向旋流器
技术领域
本发明涉及特别地用于燃气涡轮中的预混合目的的轴向旋流器，并且本发明还涉及带有这样的轴向旋流器的用于燃烧室的喷燃器。特别地，本发明涉及用于将至少一种气体和/或液体引入喷燃器中的轴向旋流器。
背景技术
旋流器在各种技术应用中被用作混合装置。旋流器的优化旨在减少获得混合物的规定程度的均匀性所需的能量。在连续的流混合中，混合装置上的压降是对所需能量的量度。此外，获得规定程度的均匀性所需的时间和空间是用于评价混合装置或混合元件的重要参数。旋流器通常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表征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与旋流器半径的乘积之间的比率。旋流数是由旋流器引起的环形流中的旋流的强度的表示。
旋流喷燃器是通过赋予空气流足够强的旋流而导致形成归因于涡旋破裂机制的中央逆流区域(CRZ)的装置，中央逆流区域可用于燃气涡轮燃烧器中的火焰稳定。
获得最佳的燃料空气预混合和低压降常常是对这种类型的装置的挑战。事实上，必须在火焰稳定的CRZ之前的混合区域中实现良好的燃料空气预混合。这意味着需要在该混合区域中具有足够高的压力损失，即，使用具有足够高的旋流数的旋流器，其赋予充分预混合燃料与空气所需的切向剪切。然而，高旋流数的流也在CRZ处导致强剪切，并且仅在该区域中具有过大且不必要的压力损失。
US 2012/0285173中已提出对轴向旋流喷燃器的标准设计的改进。此改进在于引入瓣片式(lobed)后缘，它能形成嵌入主涡旋的小规模的反转涡旋，并且能够促进燃料空气混合，而不显著影响主涡旋的旋流数。该解决方案的出发点在于将瓣片应用于非旋流装置(公开于EP 2 522 912中)，其允许在主旋流流的低旋流数下也实现改善的燃料空气混合，并且有益于在CRZ处的压力损失。
然而，这些现有的设计概念(标准旋流器和瓣片式旋流器)的使用带来一些风险和缺点。就瓣片式轴向旋流器而言，主要风险是由于沿着旋流器的弦过晚地发生的出口流角的变化导致后缘处的流分离。第二个缺点是由于在旋流器静叶中形成旋转的二次流结构，该结构随之携带燃料，使得很难控制和优化燃料空间分布(空间混合不均匀度)。此外，由瓣片式结构导致的沿后缘的强烈变形本身意味着较大的制造难度。
由于所有这些原因，需要一种新的旋流器，它能赋予减小的压降、稳健的回火特性和改善的NOx (由于较好的混合)，并且也使设计相对简单。
发明内容
本发明的目标是提供一种具有低压降的高度有效的旋流器。作为这样的旋流器的应用，公开了包括此类旋流器的喷燃器。
上述和其它目标通过用于燃气涡轮喷燃器的轴向旋流器来实现，该旋流器包括具有流线型横截面的多个旋流静叶，所述多个旋流静叶围绕旋流器轴线布置并且在径向方向上在内半径(Rmin)和外半径(Rmax)之间延伸。最小径向距离Rmin是从旋流器轴线到旋流静叶的内侧或内侧表面的距离。最大径向距离Rmax是从旋流器轴线到旋流静叶的外侧或外侧表面的距离。每个旋流静叶具有前缘、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。旋流静叶拱弧线在旋流静叶后缘处的切线和旋流器轴线之间的出流角(α)是距旋流器轴线的径向距离(R)的第一函数，并且旋流静叶的最大弯度的位置是距旋流器轴线的径向距离(R)的第二函数。至少对于一个旋流静叶来说，所述第一和第二函数各自沿着从Rmin至Rmax的所述径向距离包括相应的局部最大值和局部最小值。
根据一个实施例，距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第一函数和/或距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第二函数为周期函数。距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第一函数和/或距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第二函数的周期为从1至100mm，优选地在20-60mm的范围内。
根据一个实施例，距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第一函数和/或距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第二函数为正弦函数。
根据另一个实施例，距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第一函数和/或距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第二函数为三角函数或矩形函数。
根据一个实施例，距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第一函数和/或距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第二函数为相同类型的函数。例如，它们都可以是正弦函数。
根据又一个实施例，距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第一函数和距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第二函数沿着从Rmin至Rmax的径向距离为基本上同相的。
根据一个实施例，距旋流器轴线的径向距离(R)的第一周期函数由以下函数给出：
α0+ Rbα*sin(2πNR)
其中，α0为固定角度，α*为最大角度偏差，b和N为有理数。
根据另一个实施例，所有旋流静叶都同样地形成和/或所有旋流静叶都围绕旋流器轴线布置成圆。
根据又一个实施例，两个相邻静叶的距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第一函数是同相的或者异相互逆的。
如果应用到喷燃器，上述旋流器导致在低压降下良好的混合，但也导致在随后的燃烧器中的高再循环流量。
包括上述轴向旋流器的喷燃器的特征在于：旋流静叶中的至少一个被构造为喷射装置，其带有用于将至少一种燃料引入喷燃器的至少一个燃料喷嘴。
喷燃器可包括一个旋流器或多个旋流器。带有一个旋流器的喷燃器通常具有圆形横截面。包括多个旋流器的喷燃器可具有任何横截面，但通常为圆形的或矩形的。通常，多个喷燃器围绕燃气涡轮的轴线同轴地布置。喷燃器横截面由限制壁限定，该限制壁例如形成管形喷燃器。
在一个实施例中，满负载的喷燃器从至少一个(优选地所有)旋流静叶的吸力侧或压力侧喷射燃料。
在特别优选的实施例中，燃料被同时喷射在每个旋流器静叶的吸力侧和压力侧上(即，从喷射的旋流静叶的两侧)。
优选地，上述轴向旋流器和/或喷燃器在环形燃烧器、管形燃烧器或单个或再热发动机中使用。
本发明的另外的实施例在从属权利要求中提出。
附图说明
下面参照附图描述本发明的优选实施例，附图是为了示出本发明的优选实施例，而不是为了限制本发明。在附图中：
图1示出了带有旋流静叶的常规旋流器的示意透视图，旋流静叶具有后缘，后缘具有常规的出流角α(R) =常数；
图2示出了基于NACA4翼型件的旋流器叶片的横截面；
图3示出了标准轴向旋流器的Ω/L的分布，其中，αMIN = 20o，αMAX = 50o；
图4示出了对应于L = 1.4、Ω=45o的八叶片标准轴向旋流器的示意透视图；
图5示出了对应于图3和图4的标准旋流器的出口流角的径向分布；
图6示出了瓣片式轴向旋流器的Ω/L的分布；
图7示出了标准和瓣片式旋流器的出口流角的径向分布，表中给出了三个半径值的出口流角；
图8示出了根据现有技术的瓣片式旋流器的示意透视图；
图9示出了根据本发明的实施例的轴向旋流器的Ω/L的分布；
图10示出了根据本发明的实施例的轴向旋流器的示意透视图；
图11示出了在三个不同的半径值以及a)标准、b)瓣片式和c)根据本发明的旋流器的出口流角下的后缘；
图12示出了对于三个不同的径向部段来说在a)标准、b)瓣片式和c)根据本发明的旋流器这三种类型的旋流器的情况中的完整翼型件；
图13示出了对于根据本发明的旋流器来说用于增加沿着直线保持后缘所需的半径的最大拱弧位置的非单调变化；
图14示出了根据本发明的实施例的：a)带有每个喷燃器包括一个旋流器的喷燃器的环形燃烧器的示例以及b)带有每个喷燃器包括五个旋流器的喷燃器的环形燃烧器的示例；
图15示出了从根据本发明的一个实施例的旋流器叶片的a)吸力侧和b)压力侧的燃料喷射。
具体实施方式
图1示出了常规旋流器43的示意透视图。旋流器43包括环形外壳，环形外壳具有内部限制壁44'、外部限制壁44"、入口区域45和出口区域46。静叶3布置在内部限制壁44'和外部限制壁44"之间。旋流静叶3具有这样的出流角：其不依赖于距旋流轴线47的距离R，但在整个环面上是恒定的。每个静叶3的前缘区域具有定向成平行于入口流方向48的轮廓。静叶在内半径(Rmin)和外半径(Rmax)之间在径向方向上延伸。在所示示例中，入流与旋流器43的纵向轴线47同轴。静叶3的轮廓从入口流方向48转向，以将旋流施加到流，并且导致出口流方向55，其具有相对于入口流方向48的角度。主流与环形旋流器同轴。出口流绕旋流器43的轴线47旋转。
为了更好理解和了解本发明的实施例，首先将解释现有技术的标准和瓣片式轴向旋流器的设计。
标准轴向旋流器的设计
我们引用一类旋流器，其出口流角(α)的正切在径向方向上从在最小半径Rmin处的最小值αMIN线性增加至在最大半径RMAX处的最大值αMAX。半径用其最大值归一化，从而RMAX=1：
Tan[α（R)] = K1 R + K2；其中，基于αMIN和αMAX而获得K1、K2。
旋流器叶片3由在半径R处的横截面表征，半径R由拱弧线和叶片厚度的给定分布限定，例如，如由如图2所示NACA型翼型件给定的。旋流静叶3具有前缘25、后缘24、以及各自在所述前缘和后缘(25, 24)之间延伸的吸力侧22和压力侧23。获得旋流器叶片，要求到在后缘处的翼型件拱弧线和旋流器轴线的切线的径向分布等于目标出口流角分布α(R)。
附加的条件由与旋流器轴线对齐的到在前缘处的拱弧线的切线给出。这两个条件确定了在Ω/L(在圆柱形坐标系中从前缘到后缘的方位角降Ω 与旋流器叶片轴向延伸L之间的比率)的分布与在任何给定半径R处的最大拱弧的位置C之间的一一对应关系。
图3从半径R和最大拱弧的位置C的角度示出了对于具有αMIN=20o、αMAX=50o的旋流器来说该比率的分布。从R=Rmin到R= Rmax的任何路径表示标称地传递目标出口流分布的旋流器叶片。获得例如具有L =常数= 1.4和Ω=45°的旋流器，其采用几乎恒定且等于0.4的径向分布，如由黑线所给定的。
该旋流器在图4上示出，而作为无量纲半径R的函数的出口流角在图5中示出。
瓣片式旋流器的设计
轴向瓣片式旋流器通常通过将出口流角中的周期性偏差叠加到表征标准轴向旋流器的主要一个来获得。对应于此设计的旋流器图在图6中示出。
这里使用的偏差由下式给出：
Δα（R） = Rbα*Sin（2 π NlobesR）
其中，α*为最大角度偏差，Nlobes为瓣片的数目，并且其中，引入与Rb的线性相关性以调节从最小半径到最大半径的最大偏差。考虑了在0.3和3之间的b的值。
通过将这样的波动或多或少逐渐地从标准轴向旋流器的最大拱弧的位置开始沿着翼型件(有时突然地)引入来实现这样的旋流器的设计。这样的设计概念导致具有周期性瓣片式后缘的旋流器，如图8对于具有b=1和α= 10o的情况所示。图7中示出了瓣片式旋流器的作为无量纲半径R的函数的出口流角。
根据本发明的旋流器的设计
在针对瓣片式轴向旋流器的前文中给出的设计标准暗示了后缘的方位角降Ω的周期性波动。此处提出的根据本发明的实施例的设计在于通过用最大拱弧的位置C中的波动补偿来避免后缘的这种波动。
提供直的后缘的最大拱弧的位置C的必要分布从图9的旋流器图示出。这是Ω/L =32o的粗虚线(图9)，其暗示了最大拱弧的位置C中的周期性波动，反向平衡后缘的瓣片形状。通过选择此最大拱弧线分布而获得的轴向旋流器在图10中示出。该旋流器显示了直的后缘，并且具有与瓣片式轴向旋流器相同的排放流特性。
为了进行更清楚的解释，在图11中示出了对于a)标准、b)瓣片式和c)根据本发明的旋流器来说在三个不同的径向位置处的翼型件。该图示出了在标准旋流器和根据本发明的旋流器的情况中的后缘的单调方位位移(如在直后缘的情况中所预期的)和在瓣片式旋流器的情况中的非单调位移。然而，角度α的偏差仅在标准旋流器的情况中是单调的，如目标分布所要求那样。
图12示出了在三个不同的径向位置处的整个翼型件。该图显示，最大拱弧的位置在标准旋流器和瓣片式旋流器的情况中是大约恒定的且等于0.4，而在根据本发明的旋流器的情况中非单调地移动。根据本发明的轴向旋流器的该特性在图11中详细示出。
上述实施例示出了以下示例：其中，旋流静叶拱弧线27在旋流静叶的后缘24处的切线26与旋流器轴线47之间的出流角α是距旋流器轴线47的径向距离R的正弦函数，并且旋流静叶的最大拱弧的位置C 21也是距旋流器轴线47的径向距离R的正弦函数。这类函数(正弦)不是限制性的。本发明涵盖其中对于至少一个旋流静叶3来说所述第一和第二函数各自沿着从Rmin到Rmax的所述径向距离包括相应的局部最大值和局部最小值的任何情况。局部最大值和局部最小值大体上定义如下：
局部最大值的定义：当且仅当存在包含x0的某个区间I，使得对于I中的所有x来说，f(x0)>= f(x)时，函数f(x)在x0处具有局部最大值。
局部最小值的定义：当且仅当存在包含x0的某个区间I，使得对于I中的所有x来说，f(x0) <= f(x)时，函数f(x)在x0处具有局部最小值。
在局部最大值或最小值处函数的一阶导数为零。
旋流静叶拱弧线27在旋流静叶的后缘24处的切线26与旋流器轴线47之间的出流角α及作为距旋流器轴线47的径向距离R的函数的旋流静叶的最大拱弧的位置C 21的组合的其它非限制性示例在从属权利要求中提出。
包括上述轴向旋流器的喷燃器的特征在于：旋流静叶中的至少一个被构造为喷射装置，其带有用于将至少一种燃料引入喷燃器的至少一个燃料喷嘴。
喷燃器可包括一个旋流器或多个旋流器。带有一个旋流器的喷燃器通常具有圆形横截面。包括多个旋流器的喷燃器可具有任何横截面，但通常为圆形的或矩形的。通常，多个喷燃器围绕燃气涡轮的轴线同轴地布置。喷燃器横截面由限制壁限定，该限制壁例如形成管形喷燃器。
在一个实施例中，满负载的喷燃器从至少一个(优选地所有)旋流静叶的吸力侧或压力侧喷射燃料。
在特别优选的实施例中，燃料被同时喷射在每个旋流器静叶的吸力侧和压力侧上(即，从喷射的旋流静叶的两侧)。
图14示出了根据本发明的实施例的：a)带有每个喷燃器包括一个旋流器的喷燃器的环形燃烧器的示例以及b)带有每个喷燃器包括五个旋流器的喷燃器的环形燃烧器的示例。
图15示出了从根据本发明的一个实施例的旋流器叶片的吸力侧和压力侧的燃料喷射。
附图标记列表
1喷燃器
3旋流静叶
22旋流静叶的吸力侧
23旋流静叶的压力侧
27拱弧线
26拱弧线的切线
25旋流静叶的前缘
24旋流静叶的后缘
43轴向旋流器
47旋流器的纵向轴线
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
51, 52燃料喷嘴
α出流角
β指数
C在任何给定半径R处的最大拱弧的位置
Ω在圆柱形坐标系中从前缘到后缘的方位角降
L旋流器叶片轴向延伸
R径向距离
α(R)α的R相关性
Rmin最小R
Rmax最大R
α(Rmin)最小α
α(Rmax)最大α
sn旋流数。

Claims (14)

1.一种用于燃气涡轮喷燃器的轴向旋流器(43)，包括具有流线型横截面的多个旋流静叶(3)，所述多个旋流静叶(3)围绕旋流器轴线(47)布置并且在径向方向上在内半径(Rmin)和外半径(Rmax)之间延伸，每个旋流静叶(3)具有前缘(25)、后缘(24)、以及各自在所述前缘和后缘(25,24)之间延伸的吸力侧(22)和压力侧(23)，其中，旋流静叶拱弧线(27)在旋流静叶的后缘(24)处的切线(26)与所述旋流器轴线(47)之间的出流角(α)是距所述旋流器轴线(47)的径向距离(R)的第一函数，并且所述旋流静叶的最大拱弧的位置(21)是距所述旋流器轴线(47)的径向距离(R)的第二函数，
其特征在于，每个旋流静叶(3)的后缘(24)是直的，且对于至少一个旋流静叶(3)来说，所述第一和第二函数都是非单调的，且各自沿着从Rmin到Rmax的所述径向距离包括相应的局部最大值和局部最小值。
2.根据权利要求1所述的轴向旋流器(43)，其特征在于，距所述旋流器轴线(47)的径向距离(R)的所述第一函数和/或距所述旋流器轴线(47)的径向距离(R)的第二函数为周期性函数。
3.根据权利要求1所述的轴向旋流器(43)，其特征在于，距所述旋流器轴线(47)的径向距离(R)的所述第一函数和/或距所述旋流器轴线(47)的径向距离(R)的所述第二函数的周期是从1至100mm。
4.根据权利要求3所述的轴向旋流器(43)，其特征在于，距所述旋流器轴线(47)的径向距离(R)的所述第一函数和/或距所述旋流器轴线(47)的径向距离(R)的所述第二函数的周期在20-60mm的范围内。
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，距所述旋流器轴线(47)的径向距离(R)的所述第一函数和/或距所述旋流器轴线(47)的径向距离(R)的第二函数为正弦函数。
6.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，距所述旋流器轴线(47)的径向距离(R)的所述第一函数和距所述旋流器轴线(47)的径向距离(R)的所述第二函数从Rmin到Rmax是同相的。
7.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，距所述旋流器轴线的径向距离(R)的所述第一周期函数由以下函数给出：
α0 + Rbα*sin(2πNR)
其中，α0为固定角度，α*为最大角度偏差，b和N为有理数。
8.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，所有所述旋流静叶(3)都同样地形成和/或所述旋流静叶(3)围绕所述旋流器轴线(47)布置成圆。
9.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，距两个相邻的静叶(3)的所述旋流器轴线(47)的径向距离(R)的所述第一函数为同相的或者异相互逆的。
10.一种用于燃气涡轮的燃烧室的喷燃器(1)，其特征在于，所述喷燃器包括根据权利要求1至9中的任一项所述的轴向旋流器(43)。
11.根据权利要求10所述的喷燃器(1)，还包括燃料喷射装置。
12.根据权利要求11所述的喷燃器(1)，其特征在于，所述旋流静叶(3)中的至少一个被构造为带有至少一个燃料喷嘴(51, 52)的喷射装置，以用于将至少一种燃料引入所述喷燃器(1)中。
13.根据权利要求11或12所述的喷燃器(1)，其特征在于，燃料被喷射在至少一个旋流静叶(3)的吸力侧(22)上。
14.根据权利要求11或12所述的喷燃器(1)，其特征在于，燃料被喷射在至少一个旋流静叶(3)的压力侧(23)上。
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