CN108954386B - 混合器及用于操作该混合器的方法 - Google Patents

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Abstract

混合器(7)包括壳体(15)、壳体(15)内的管(16)、用于将具有波动质量流的流体喷射到管(16)中的至少一个第一喷射器(17a)和第二喷射器(17b)。第一喷射器(17a)和第二喷射器(17b)有一定距离(D)，使得通过第一喷射器(17a)喷射的流体质量流在与通过第二喷射器(17b)喷射的流体质量流的反相中到达第二喷射器(17b)。第一喷射器(17a)和第二喷射器(17b)构造且布置成喷射具有大致相同波动幅度的质量流。

Description

混合器及用于操作该混合器的方法
优先权声明
本申请请求享有2017年5月24日提交的欧洲专利申请号17172854.6的优先权，其公开内容通过引用并入本文中。
技术领域
本发明涉及一种混合器及用于操作该混合器的方法。
具体而言，混合器是燃气涡轮的一部分，例如，发电站的燃气涡轮。
背景技术
图1示意性地示出了燃气涡轮的一种实例；燃气涡轮1具有压缩机2、第一燃烧室3、第二燃烧室4和涡轮5。高压涡轮可能设在第一燃烧室3与第二燃烧室4之间。在操作期间，空气在压缩机2处压缩且用于在第一燃烧室3中燃烧燃料；热气体(可能在高压涡轮中部分地膨胀)然后发送到第二燃烧室4中，在该处，喷射和燃烧另一燃料；在第二燃烧室4处生成的热气体然后在涡轮5中膨胀。
混合器7可设在第一燃烧室3与第二燃烧室4之间，以便以空气(或其它气体)稀释来自第一燃烧室3且引导到第二燃烧室4中的热气体。这允许第二燃烧室处的正确燃料喷射和与热气体的混合。
图2示意性地示出了包括第一燃烧室3和第二燃烧室4的燃气涡轮的区段。图2示出了第一燃烧室3的第一焚烧器3a，在该处，来自压缩机2的压缩空气与燃料混合，以及燃烧器3b，在该处，混合物燃烧生成热气体(标号20a指出火焰)。热气体经由过渡件3c引导到混合器7中，在该处，空气供应到热气体中来稀释该热气体。稀释的(和冷却的)热气体因此供应到第二燃烧室4的焚烧器4a中，在该处，另一燃料经由枪8喷射到热气体中且与其混合。在从喷射到第二焚烧器4a中的“延迟时间”之后，该混合物通过自动燃烧来在燃烧器4b中燃烧(标号20b表示火焰)。
第二焚烧器4a的入口处的温度可能波动，通常是由于来自混合器7且引导到第二焚烧器4a中的空气的质量流波动。
延迟时间尤其取决于第二焚烧器4a内的温度，使得第二焚烧器4a中的温度波动引起延迟时间的增加/缩短，且因此引起燃烧器4b中的火焰的轴向上游/下游振荡。
为了抵消火焰的这些轴向振荡，第二焚烧器4a中的温度必须保持恒定，且因此出自混合器7的流的温度必须保持恒定。
混合器7的出口处的流温度可能变化，因为混合器7内存在压力波动(例如，燃烧器3b和/或4b中的燃烧引起)；这些压力波动引起稀释空气波动质量流注射到混合器中。
为了保持稀释空气质量流大致恒定，多个喷射器可以这样一种方式设在混合器7的不同轴向位置处，使得通过上游喷射器供应的波动空气质量流补偿通过下游喷射器供应的波动空气质量流。换言之，空气以这样一种方式喷射，使得从上游喷射器喷射的稀释空气质量流在相对于穿过它们喷射的稀释空气的反相中到达下游喷射器(反之亦然)；这样，上游/下游质量流补偿彼此，且抵消了空气质量流波动。
然而，在混合器的不同轴向位置处喷射的空气的质量流波动幅度可能由于混合器内的声模(acoustic mode)而不同。声模是混合器的轴向轴线上的声压的最大波动幅度。声压由以下关系导出：Pi=Pm+Pa，其中Pi是混合器内侧的压力，Pm是混合器中的平均压力(即，操作标称压力)；Pa是作为平均压力附近的压力波动的声压。
在此方面，图3A示出了沿混合器连同轴向位置x的声模的一种实例；标号17a和17b表示喷射器，其分别喷射质量流Ma和质量流Mb。Aa和Ab表示喷射器轴向位置17a和17b处的声压波动的最大幅度。
图3B和3C分别示出了质量流Ma和Mb及其波动；质量流Ma和Mb沿混合器朝混合器出口传播；波动过程相对于平均流限定(其大体上不同，但也可为相同的)，且示为从混合器的入口移动到出口的波。
图3D示出了由质量流Ma和Mb的重叠引起的总质量流Mtot和其波动；如所示，由于质量流Mb的波动幅度大于质量流Ma的波动幅度，故质量流Ma和Mb的重叠不会导致波动消除，而是仅导致减弱波动。
发明内容
本发明的一个方面包括提供一种混合器及方法，通过其可改善喷射到混合器中的流体的质量流波动消除。
有利地，通过调整通过不同喷射器喷射的质量流的压降，可使波动幅度相当，使得通过不同喷射器喷射的质量流的重叠可导致质量流波动的较大减小或同样消除。
这些和其它方面通过提供根据所附权利要求的混合器和方法来达成。
附图说明
其它特征和优点从在附图中借助于非限制性实例示出的混合器和方法的优选但非限制性实施例的描述中将更清楚，在附图中：
图1和2示出了燃气涡轮及其部分；
图3A至3D示出了混合器中的声模(图3A)、通过不同喷射器喷射的质量流及其波动(图3B和3C)、喷射到混合器中的总质量流及其波动(图3D)；
图4和5示出了混合器的不同实施例；
图6A至6D示出了混合器中的声模(图6A)、通过不同喷射器喷射的质量流及其波动(图6B和6C)、喷射到混合器中的总质量流及其波动(图6D)。
参考标号
1 燃气涡轮
2 压缩机
3 第一燃烧室
3a 第一焚烧器
3b 燃烧器
3c 过渡件
4 第二燃烧室
4a 第二焚烧器
4b 燃烧器
5 涡轮
7 混合器
8 枪
9 涡轮
15 壳体
16 管
17a,17b 喷射器
19a,19b 仓室
20a,20b 入口
21a,21b 喷嘴
Aa,Ab 质量流波动的最大幅度
D 第一喷射器与第二喷射器之间的距离
G 热气体
20a,20b 火焰。
具体实施方式
参看附图，这些附图示出了混合器7。混合器7包括壳体15、壳体15内的管16、用于将流体(如，可能冷却的来自压缩机的压缩空气)喷射到管16中的第一喷射器17a和第二喷射器17b；流体由第一喷射器17a和第二喷射器17b以波动的质量流喷射。
如下文所述，第一喷射器17a和第二喷射器17b可设在管16的外周周围，且可在一个或多个点通向管。
第一喷射器17a和第二喷射器17b有一定距离D，使得通过第一喷射器17a喷射的流体质量流在与通过第二喷射器17b喷射的流体质量流的反相中到达第二喷射器17b。例如，当第一喷射器17a喷射大流体质量流时，大流体质量流沿轴向行进穿过管16，且在第二喷射器17b以小流体质量流喷射流体时到达第二喷射器17b。
有利地，第一喷射器17a和第二喷射器17b构造且布置成用于喷射具有大致相同的波动幅度的质量流(例如，瞬时质量流)。这允许了来自第一喷射器17a的质量流Ma和来自第二喷射器17b的质量流Mb的总和产生的质量流的质量流波动的较大减小或同样消除。
第一喷射器17a可包括具有至少一个入口20a和用于将流体喷射到管16中的至少一个喷嘴21a的仓室19a。例如，仓室19a可为环形，且可包围且连接到管16，入口20a可设在仓室19a的任何表面上，且入口21a可突出到管16中或不突出。
同样，第二喷射器17b可包括具有至少一个入口20b和用于将流体喷射到管16中的至少一个喷嘴21b的仓室19b。同样，仓室19b可为环形，且可包围且连接到管16，入口20b可设在仓室19b的任何表面上，且入口21b可突出到管16中或不突出。
喷射器还可由多个喷嘴限定，而不需如例如在图5中所示的连接到其的仓室。
在不同实施例中，第一和/或第二喷射器可具有任何所述结构。在下文中，涉及具有在第一喷射器17a和第二喷射器17b两者处的仓室的实施例。
第一喷射器17a的入口20a和第二喷射器的入口20b具有不同特征，以便引起从壳体15移入仓室19a,19b中的流体的不同压降。
例如，入口20a,20b的这些特征包括入口截面和/或入口表面粗糙度；其它手段是可能的。
此外，第一喷射器17a的喷嘴21a和第二喷射器17b的喷嘴21b可具有不同特征，以便引起从仓室19a,19b移入管16中的流体的不同压降。在喷射器17a或17b没有仓室的情况下，喷嘴21a或21b引起从壳体15移入管16中的流体的压降。
这些特征可包括喷嘴截面和/或喷嘴表面粗糙度；其它手段是可能的。
自然，所有组合是可能的，例如，以下实施例是可能的：
带有具有仓室19a的第一喷射器17a和仅具有喷嘴的第二喷射器17b(即，第二喷射器17b没有仓室19b)的混合器，反之亦然；喷嘴21a和21b可具有相同或不同的特征；
带有两者都具有仓室19a,19b的第一喷射器17a和第二喷射器17b的混合器；到仓室中的入口具有不同特征；喷嘴21a和21b可具有相同或不同的特征；
带有具有不同特征的第一喷嘴21a和第二喷嘴21b的混合器；第一喷射器17a和第二喷射器17b可具有仓室19a,19b或没有，或第一喷射器17a或第二喷射器17b中仅一个可设有仓室；入口20a和20b(如果提供)可具有相同或不同的特征。
混合器的操作从描述和示出的内容清楚，且大致是以下。
来自第一燃烧室3的热气体G进入管16，且穿过其，然后排放到第二燃烧室4中。
第一喷射器17a将流体(可能冷却的例如来自压缩机2的压缩空气)喷射到管16中，以稀释和冷却热气体；流体以波动的质量流Ma喷射到管16中。在喷射之后，质量流(同时与热气体混合)行进穿过管16，且到达(完全或部分混合至热气体)第二喷射器17b(图6B)。
同样，第二喷射器17b将流体(压缩空气)喷射到管16中来稀释和冷却热气体；流体以波动质量流Mb(图6C)喷射到管16中。
质量流Ma在与质量流Mb的反相中到达第二喷射器17b。
流体(压缩空气)从壳体15内传递到第一喷射器的仓室19a和第二喷射器的仓室19b。在穿过入口20a和20b时，流体经历不同压降，使得仓室19a和19b内的压力不同，且通过喷射器17a和17b喷射的流且具体其流波动幅度不同。
此外，喷嘴21a和21b可引起穿过它们的流体的压降，以引起或促成引起不同质量流的喷射和因此穿过第一喷射器17a和第二喷射器17b的不同流波动幅度。
如图6D中所示，使质量流Ma和Mb的流波动幅度大致相等；此外，由于流波动在反相中，故其重叠引起波动消除。
本发明还涉及一种用于操作混合器7的方法。
该方法包括通过第一喷射器17a和第二喷射器17b喷射具有大致相同的波动幅度的质量流(例如，瞬时质量流)。
根据该方法：
可提供第一喷射器17a的仓室19a和第二喷射器17b的仓室19b内的不同压力。例如，通过穿过第一喷射器17a的入口20a和第二喷射器17b的入口20b，容纳在壳体15中的流体可进入第一喷射器17a的仓室19a和第二喷射器17b的仓室19b，且在穿过第一喷射器17a的入口20a和第二喷射器17b的入口20b时，流体经历不同压降，和/或
第一喷射器17a的仓室19a和第二喷射器17b的仓室19b中容纳的流体通过穿过第一喷射器17a的喷嘴21a和第二喷射器21b的喷嘴21b进入管16，且在穿过第一喷射器17a的喷嘴21a和第二喷射器17b的喷嘴21b时，流体经历不同压降。
仓室19a,19b内且/或穿过喷嘴21a,21b的不同压降引起流体以相对于由声模施加的幅度不同波动幅度的喷射；因此，处于反相中且带有大致相同幅度的波动在其重叠之后消除。
自然，混合器可具有两个以上的沿轴向间隔开的喷射器，其有一定距离，以便减小或消除不同的频率。例如，混合器可具有第一喷射器、第二喷射器和第三喷射器，第一喷射器和第三喷射器协作来消除在一频率下的波动，且第二喷射器和第三喷射器协作来消除在另一频率下的波动。在另一实例中，混合器可具有四个喷射器，其中第一喷射器和第二喷射器消除一个频率，且第三喷射器和第四喷射器消除另一频率。自然地，具有任何数目的喷射器的其它实例是可能的。
自然地，所述特征可独立于彼此提供。例如，各个所附权利要求的特征可独立于其它实施例的特征来应用。
实际上，使用的材料和大小可根据要求和现有技术水平按期望选择。

Claims (13)

1.一种混合器(7)，包括壳体(15)、所述壳体(15)内的管(16)、用于将具有波动质量流的流体喷射到穿过所述管(16)的热气体(G)中的至少第一喷射器(17a)和第二喷射器(17b)，其中所述第一喷射器(17a)和所述第二喷射器(17b)有一定距离(D)，使得通过所述第一喷射器(17a)喷射的所述流体质量流在与通过所述第二喷射器(17b)喷射的所述流体质量流的反相中到达所述第二喷射器(17b)，其特征在于，所述第一喷射器(17a)和所述第二喷射器(17b)构造且布置成用于喷射具有大致相同波动幅度的质量流。
2.根据权利要求1所述的混合器(7)，其特征在于，所述第一喷射器(17a)包括具有至少一个入口(20a)的仓室(19a)和用于将所述流体喷射到所述管(16)中的至少一个喷嘴(21a)。
3.根据权利要求1或2所述的混合器(7)，其特征在于，所述第二喷射器(17b)包括具有至少一个入口(20b)和用于将所述流体喷射到所述管(16)中的至少一个喷嘴(21b)的仓室(19b)。
4.根据权利要求2所述的混合器(7)，其特征在于，所述第一喷射器(17a)的入口(20a)和所述第二喷射器(17b)的入口(20b)具有不同特征，以便引起从所述壳体(15)移入所述第一喷射器(17a)的仓室(19a)和所述第二喷射器(17b)的仓室(19b)的流体的不同压降。
5.根据权利要求4所述的混合器(7)，其特征在于，所述第一喷射器(17a)的入口(20a)和/或所述第二喷射器(17b)的入口(20b)的特征包括入口截面。
6.根据权利要求4或5所述的混合器(7)，其特征在于，所述第一喷射器(17a)的入口(20a)和/或所述第二喷射器(17b)的入口(20b)的特征包括入口表面粗糙度。
7.根据权利要求1或2所述的混合器(7)，其特征在于，所述第一喷射器(17a)的喷嘴(21a)和所述第二喷射器(17b)的喷嘴(21b)具有不同特征，以便引起从所述第一喷射器(17a)和/或所述第二喷射器(17b)的仓室(19a,19b)移入所述管(16)的所述流体的不同压降。
8.根据权利要求7所述的混合器(7)，其特征在于，所述第一喷射器(17a)的喷嘴(21a)和/或所述第二喷射器(17b)的喷嘴(21b )的特征包括喷嘴截面。
9.根据权利要求7所述的混合器(7)，其特征在于，所述第一喷射器(17a)的喷嘴(21a)和/或所述第二喷射器(17b)的喷嘴(21b)的特征包括喷嘴表面粗糙度。
10.一种用于操作混合器(7)的方法，所述混合器(7)包括壳体(15)、所述壳体(15)内的管(16)、用于将具有波动的质量流的流体喷射到穿过所述管(16)的热气体(G)中的至少第一喷射器(17a)和第二喷射器(17b)，其中所述第一喷射器(17a)和所述第二喷射器(17b)有一定距离(D)，使得通过所述第一喷射器(17a )喷射的所述质量流在与通过所述第二喷射器(17b)喷射的所述流体质量流的反相中到达所述第二喷射器(17b)，其特征在于，通过所述第一喷射器(17a)和所述第二喷射器(17b)喷射具有大致相同的波动幅度的质量流。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一喷射器(17a)和所述第二喷射器(17b)各包括：具有至少一个入口(20a,20b)和用于将所述流体喷射到所述管(16)中的至少一个喷嘴(21a,21b)的仓室(19a,19b)，以及通过提供所述第一喷射器(17a)的仓室(19a)和所述第二喷射器(17b)的仓室(19b)内的不同压力。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，容纳在所述壳体(15)中的流体通过穿过所述第一喷射器(17a)的入口(20a)和所述第二喷射器(17b )的入口(20b)进入所述第一喷射器(17a)的仓室(19a)和所述第二喷射器(17b)的仓室(19b)，以及在穿过所述第一喷射器(17a)的入口(20a)和所述第二喷射器(17b)的入口(20b)时，所述流体经历不同压降。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，容纳在所述第一喷射器(17a)的仓室(19a)和所述第二喷射器(17b)的仓室(19b)中的流体通过穿过所述第一喷射器(17a)的喷嘴(21a)和所述第二喷射器(17b)的喷嘴(21b)进入所述管(16)，以及在穿过所述第一喷射器(17a)的喷嘴(21a)和所述第二喷射器(17b)的喷嘴(21b)时，所述流体经历不同压降。
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