CN108375082A - 用于燃气涡轮机燃烧器的波瓣状喷射器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮机燃烧器的波瓣状喷射器，具体而言，涉及一种用于燃气涡轮机的烧嘴或混合器的波瓣状喷射器指状物，其包括前缘(23)，波瓣状后缘(24)，限定翼型件横截面并且在后缘(24)中会聚的第一和第二波状表面(40a,40b)，位于后缘(24)处用于在烧嘴或混合器中喷射油或燃料或载体空气的多个喷嘴(27)，以及从波瓣(28)的吸力侧突出的多个涡流发生器(42)，它们被第一和第二波状表面(40a,40b)限定并且定位成远离喷嘴(27)，以减少流分离和/或影响分离气泡的位置。

Description

用于燃气涡轮机燃烧器的波瓣状喷射器

优先权要求

此申请要求2017年1月31日提交的欧洲专利申请No. 17154085.9的优先权，该专利申请的公开通过引用被结合。

技术领域

本发明涉及燃气涡轮机技术。其涉及根据权利要求1的前序部分用于燃气涡轮机燃烧器的波瓣状喷射器。

背景技术

为了实现高效率，在标准的燃气涡轮机中要求高涡轮入口温度。结果是，出现了高NOx排放水平和高寿命周期成本。这些问题可以通过连续燃烧循环来缓解，其中压缩机输送常规压缩机的压力比的大约两倍的压力比。主流穿过第一燃烧室(例如，使用如US 4,932,861中所公开的通常类型的烧嘴(burner)，也称作EV燃烧器，其中EV代表环保的)，一部分燃料在其中被燃烧。剩余的燃料在高压涡轮级处膨胀之后被添加并燃烧(例如，使用如US 5,431,018或US 5,626,017或US 2002/0187448中所公开类型的烧嘴，也称作SEV燃烧器或烧嘴，其中S代表连续的)。两种燃烧器都包含预混烧嘴，因为低NOx排放要求燃料和氧化剂的高混合质量。

图1中示出了具有连续燃烧的申请人的一个示例性燃气涡轮机。

图1的燃气涡轮机10包括转子11，转子11具有围绕机器轴线20旋转并被壳体12包围的多个叶片。空气在空气入口13处获取并且由压缩机14压缩。受压缩的空气被用来在第一(环形)燃烧器15中燃烧第一燃料，从而产生热气体。热气体驱动第一、高压(HP)涡轮16，然后在第二(环形、连续的)燃烧器17中被再加热，驱动第二、低压(LP)涡轮18且通过排放气体出口19离开燃气涡轮机10。

由于第二燃烧器17用第一燃烧器15的膨胀排放气体供给，操作条件允许燃料空气混合物的自发火(自燃)而不需要向混合物供应附加的能量。为了防止燃料空气混合物在混合区中的点火，其中的驻留时间一定不能超过自发火延迟时间。此标准确保了烧嘴内的无焰区。此标准对于跨越烧嘴出口区域获得燃料的适当分配提出了挑战。SEV烧嘴当前设计成用于仅以天然气和油操作。因此，燃料的动量通量相对于主流的动量通量进行调整，以便渗入涡流。燃料和氧化剂在混合区的出口处的连续混合正好足以允许低NOx排放(混合质量)并避免反闪(flashback)(驻留时间)，这可由燃料空气混合物在混合区中的自发火而导致。

已知在烧嘴和/或混合器中提供具有喷嘴的波瓣状指状物来喷射油/燃料和载体空气。在波瓣状指状物的喷嘴的出口处可能出现的一种现象是气体和油/燃料的混合物与指状物的分离。与流分离相关的不利之处是：弱压力梯度；与没有分离的情况相比在离喷嘴更大距离处生成的混合涡流；分离生成沿着流产生压力损失的气泡；并且分离区域在再热燃烧中是潜在的火焰保持器，而这增加了反闪风险。

通常，避免分离的条件是使得导致相对差的混合。例如，已知减小波瓣状喷射器的渗入角(见图6)。但这会导致压力梯度的降低以及不良混合。

发明内容

本发明因此基于以下目的，即提供能够避免上述分离并且同时提供增强混合的波瓣状喷射器。

这是通过用于燃气涡轮机的烧嘴或混合器的波瓣状喷射器指状物实现的，其包括前缘、波瓣状后缘、限定翼型件横截面并在后缘处会聚的第一和第二波状表面、位于后缘处用于在烧嘴或混合器中喷射油或燃料或载体空气的多个喷嘴、以及从波瓣的吸气侧突出的多个涡流发生器，涡流发生器由第一和第二波状表面限定并且定位成远离喷嘴以减少流分离和/或影响分离气泡的位置。

这些和其他目的由根据从属权利要求的喷射器指状物实现。

附图说明

为了更好地理解本发明，将参考附图进一步公开后者，附图中示出了：

图1是具有连续燃烧的一个示例性燃气涡轮机的透视图；

图2示出了用于矩形设计的第二燃烧器的波瓣状喷射单元；

图3示出了根据本发明的第一实施例的喷射器指状物的后缘截面的放大视图；

图4示出了本发明的一个替代实施例；且

图5a, 5b, 5c示出了根据图3和4的指示应用的涡流发生器的相应放大草图；且

图6示出了喷射器指状物的翼型件横截面的草图，以限定渗入角。

具体实施方式

根据本发明成组的或者交替相邻的波瓣状指状物是有(成组的)或没有(交替的)局部组合涡流的原因；因而其限定燃料、冷却空气和热气体的大规模混合水平。该布置基于烧嘴尺寸以及波瓣状指状物的可能数量限定。对于当前的矩形连续烧嘴，四指状物布置是合适的。然而，布置将不限于四指状物布置。

在再热烧嘴内三个波瓣状指状物的布置与具有四个指状物或更多指状物的布置相比不同地运转。对于这样的布置成组的波瓣允许涡流彼此组合(两个或更多涡流组合成单个涡流)并因此产生大型结构，这增强了混合并且因此对于NOx，CO以及整体温度分布系数(OTDF)是有益的。

根据本发明的波瓣状指状物也可以用在燃气涡轮机的混合器和/或烧嘴中。例如，烧嘴可为环形或者矩形的，并且相关的燃烧器可为环状燃烧器或者罐状燃烧器。

图2中示出了根据本发明的一个示例的波瓣状喷射器单元。图2的波瓣喷枪21(其优选地与矩形烧嘴一起使用)包括四个分离的指状物22a-d，它们在上板25和下板26之间平行地延伸。每个指状物22都构造成流线形主体，其具有流线形的横截面轮廓(像翼型件)。该主体具有基本上平行于具有流入方向32的轴向热气体流的两个侧表面，该流入方向32在上板25和下板26之间穿过喷枪。侧表面在它们的上游侧通过前缘23连接并且在它们的下游侧连接而形成后缘24。

沿着后缘24分布了用于喷射与空气混合的气体和/或液体燃料的多个喷嘴27。每个所述指状物22都具有用于空气源的空气气室30，用于气体燃料源的气体气室31，以及液体燃料源29。用于改善所述第二燃烧器中的混合质量并减小压力损耗的器件被设置在所述主体的后缘区域中，呈在后缘24处在喷嘴27之间延伸的波瓣28的形式。

不同指状物22的波瓣28在燃料/空气混合物的下游流方向上生成涡流，从而不同指状物22的涡流相互作用。能够增强混合效果的此相互作用取决于每个指状物中波瓣28的指向。

如图2中所示在波瓣喷枪21处可见，不同指状物22a-d的波瓣28可具有两个不同的指向。在这种情况下，左边两个指状物22a和22b的波瓣28具有相同的指向，其与右边两个指状物22c和22d的波瓣28的指向相反。指状物22a和22b的波瓣指向被称作R(用于右侧)，而指状物22c和22d的波瓣指向被称作L(用于左侧)。

特别地，图2在右底部角落中示出了由于在两个喷嘴27的出口处的波瓣造成的涡流的旋转方向。每个涡流都由指状物22的两个波状表面40a和40b之间的压差导致，这些表面沿着喷嘴27所处的波状后缘24会聚并连接。特别是，表面40限定了指状物22的翼型横截面。

为了防止流分离或者限制流分离效果，特别是气泡，在相对高混合的条件下，指状物22包括多个涡流发生器，特别是微涡流发生器，它们从波状表面40a，40b突出，以便以被动的方式控制波瓣28区域中的流。

图3-4分别描绘了波瓣28的放大的吸力或凹形侧。在图3中，涡流发生器42设置成阵列并且大致彼此平行且大致平行于横向方向D，该横向方向D垂直于连接两个相邻喷嘴27的轴线的直线。通过沿着方向L引导流，大致防止了分离。特别地，方向D平行于方向32。另外，根据一个优选实施例，沿着流方向的位置为使得涡流发生器42拦住包含两个相邻喷嘴27的轴线的平面。这样一个平面的痕迹是连接喷嘴27的轴线的图3的直垂直线。备选地，涡流发生器42位于这样的平面和后缘24之间，如图3中所示。这样的位置提供了与流改善的相互作用，以便减少分离。

在图4中，涡流发生器42相对于方向D倾斜，使得涡流发生器42的后缘43靠近相应的喷嘴27，且涡流发生器42的前缘44远离相应的喷嘴27。图4的涡流发生器沿着流入方向32扩散。根据图4的布局，没有防止分离，但是气泡被强制处于对于再热燃烧具有低影响或者无影响的位置。特别是，图4的涡流发生器42在波瓣28与相关喷嘴27的会聚处在区域A1中控制相关喷嘴27周围的流。在这种区域中，边界层流被加速以防止分离。另外，图4的涡流发生器42将分离(如果有的话)定位在波瓣28的横向末梢区域A2中，该横向末梢区域A2远离，特别是最远离喷嘴27。以这种方式，在喷嘴27的区域中可能分离的影响(如果有的话)很小。优选地，图4的涡流发生器的位置与在上一段中描述的相同。特别是，图4示出了拦住包含两个相邻喷嘴的轴线的平面的涡流发生器42的一个示例。

取决于波瓣状指状物22周围的流条件，涡流发生器42在相应的波瓣28的吸力侧上可具有另外的位置。

图5a示出了涡流发生器42的优选二维实施例，其具有鳍状或大致三角形形状，具有沿着表面40a或40b的长度L，接近或者与后缘43重合的高度H，以及宽度W，优选是恒定的宽度。图5b示出了涡流发生器42的备选和三维的实施例，其具有四面体的形状。图5c示出了通过用对称平面将图5b的四面体的形状对半分而获得的进一步三维实施例。在图5的实施例中，涡流发生器42的后半部分TP具有大于前半部分LP的最大高度的最大高度。涡流发生器42的前部和后部相对于流动方向(由图5b的箭头示出)限定。特别是，图5的实施例示出了由相关后缘43限定的涡流发生器42的最大高度。

数字仿真以及实验已经显示对于涡流发生器42的形状优选的尺寸范围是：长度5-10mm且高度小于4 mm。对于二维和三维涡流发生器42(例如图5a)，最大宽度是1-2mm。对于流入入射角等于或小于5°：图4因而不是按比例的。参考图5b的涡流发生器，入射角相对于中间平面测量。

涡流发生器42可应用于任何波瓣状指状物22。优选地，为了改善混合，波瓣28的形状为使得满足以下关系，参考图3：

其中：

H1是下波瓣的底点和上波瓣的顶点之间的高度(参考图6)；

L1是波瓣28的长度；而

T1 是指状物22的前主体的厚度。

另外，在一些实例中，不可能提供具有用来提供冷却膜的孔的波瓣，即，在大约0.5mm或更小范围内的孔。

应该理解的是以上公开的特征和实施例可以彼此组合。还将理解的是在本公开以及要求保护的主题的范围内能够设想进一步的实施例，它们对于本领域技术人员而言是显而易见的。

Claims (12)

1. 一种用于燃气涡轮机的烧嘴或混合器的波瓣状喷射器指状物，其包括前缘(23)，波瓣状后缘(24)，限定翼型件横截面并且在所述后缘(24)中会聚的第一和第二波状表面(40a, 40b)，以及位于所述后缘(24)处用于在所述烧嘴或混合器中喷射油或燃料或载体空气的多个喷嘴(27)，其特征在于，包括从波瓣(28)的吸力侧突出的多个涡流发生器(42)，所述多个涡流发生器(42)被所述第一和第二波状表面(40a,40b)限定，并且定位成远离所述喷嘴(27)，以减少流分离和/或影响分离气泡的位置。

2.根据权利要求1所述的波瓣状喷射指状物，其特征在于，所述涡流发生器(42)大致彼此平行并且平行于方向(D)，所述方向(D)大致垂直于连接两个相邻喷嘴(27)的轴线的直线。

3.根据权利要求1所述的波瓣状喷射指状物，其特征在于，所述涡流发生器(42)相对于方向(D)倾斜，所述方向(D)大致垂直于连接两个相邻喷嘴(27)的轴线的直线。

4.根据权利要求3所述的波瓣状喷射指状物，其特征在于，所述涡流发生器(42)朝向所述后缘(24)扩散，以便将分离区域(A2)定位成靠近所述波瓣(28)的横向末梢，并且使邻近所述喷嘴(27)的区域(A1)中的边界层流加速。

5.根据权利要求3到4的任一项所述的波瓣状喷射指状物，其特征在于，所述涡流发生器(42)相对于流入方向(32)具有小于或等于5°的入射角。

6.根据任一前述权利要求所述的波瓣状喷射指状物，其特征在于，所述涡流发生器(42)的后半部分(TP)具有第一最大高度，所述第一最大高度大于所述涡流发生器(42)的前半部分(LP)的第二最大高度。

7.根据任一前述权利要求所述的波瓣状喷射指状物，其特征在于，所述涡流发生器(42)具有三角形或者鳍状形状或者四面体的形状或者半四面体的形状。

8.根据权利要求7所述的波瓣状喷射器指状物，其特征在于，所述涡流发生器(42)具有小于或等于4mm的高度(H)和/或在5和10mm之间的长度(L)和/或在1和2mm之间的宽度(W)。

9.根据任一前述权利要求所述的波瓣状喷射器指状物，其特征在于，所述波瓣状后缘(24)的渗入角大于40°。

10. 根据任一前述权利要求所述的波瓣状喷射器指状物，其特征在于，在表面(40a,40b)上不提供在大约0.5 mm或更小范围内的孔以向所述吸力侧提供冷却薄膜。

11.一种燃气涡轮机的烧嘴，包括根据任一前述权利要求所述的多个波瓣状喷射指状物(22)。

12.一种燃气涡轮机的混合器，包括根据任一前述权利要求所述的多个波瓣状喷射指状物(22)。