CN109073223B - 用于在内燃机中混合燃料与空气的旋流器 - Google Patents

用于在内燃机中混合燃料与空气的旋流器 Download PDF

Info

Publication number
CN109073223B
CN109073223B CN201780025161.8A CN201780025161A CN109073223B CN 109073223 B CN109073223 B CN 109073223B CN 201780025161 A CN201780025161 A CN 201780025161A CN 109073223 B CN109073223 B CN 109073223B
Authority
CN
China
Prior art keywords
swirler
slot
blocking element
fuel
fuel injector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201780025161.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109073223A (zh
Inventor
T·道曼斯雷
J·希尔德
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of CN109073223A publication Critical patent/CN109073223A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109073223B publication Critical patent/CN109073223B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
    • F23R3/14—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex by using swirl vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F23C7/004—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion using vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07001—Air swirling vanes incorporating fuel injectors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)
  • Nozzles For Spraying Of Liquid Fuel (AREA)
  • Cyclones (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于在内燃机(10)中混合燃料与空气的旋流器(60)。旋流器(60)包括中心轴线(63)、包括上表面(62)的旋流器基部(61)、中心部(64)、多个主旋流器元件(65)及多个阻断元件(66)。主旋流器元件(65)和阻断元件(66)位于旋流器基部(61)的上表面(62)处，并且围绕中心部(64)被布置。主旋流器元件(65)形成多个旋流器槽(67)，旋流器槽(67)被配置为朝向中心部(64)引导流体。每个旋流器槽(67)包括槽入口(68)和槽出口(69)，其中相比于旋流器入口(68)，槽出口(69)位于距离中心轴线(63)更小的径向距离处。每个阻断元件(66)位于槽入口(68)处并且被配置为形成进入到旋流器槽(67)中的多个流通道(70、71)。

Description

用于在内燃机中混合燃料与空气的旋流器
技术领域
本发明涉及一种用于在内燃机中混合燃料与空气的旋流器以及用于混合燃料与空气的方法。本发明还涉及一种燃烧器和燃气轮机。
背景技术
燃料安置和混合对于所有燃烧系统来说都至关重要。正确的燃料安置和正确的混合分布会改变诸如NOx、燃烧器壁温度、燃烧效率以及火焰的位置和稳定性的因素。径向旋流器燃烧系统需要将燃料安置在至少两个区域中；一个区域用于引燃火焰，一个区域用于主火焰。每个系统中应当具有被混合到系统中的准确量的空气，以提供准确的引燃/主分流，并且空气应当被混合得足够好，以在每个火焰中产生均匀的混合分数。
径向旋流器使用在旋流器槽的侧面以及在旋流器的基部中的用于气流的注射孔来混合燃料与空气。还存在朝向内部再循环区的二次燃料注射，以将引燃燃料引导至该区域。完全混合并非总能实现，尤其是在满负荷范围期间。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种具有改进的混合特性的有利的旋流器。
该目的通过如本文所描述的用于混合燃料与空气的旋流器、如本文所描述的燃烧器、如本文所描述的燃气轮机和如本文所描述的用于混合燃料与空气的方法来实现。如本文所描述的实施例限定本发明的进一步改进。
本发明的用于在内燃机中混合燃料与空气的旋流器包括中心轴线、包括上表面的旋流器基部、中心部、多个主旋流器构件或旋流器元件以及多个阻断构件或阻断元件。主旋流器元件和阻断元件位于旋流器基部的上表面处。主旋流器元件和阻断元件围绕中心部而被布置。主旋流器元件形成多个旋流器槽。旋流器槽被配置为朝向中心部引导流体，例如朝向中心轴线引导流体。每个旋流器槽包括槽入口和槽出口。相比于旋流器入口，槽出口被定位在距离中心轴线更小的径向距离处。每个阻断元件被定位在槽入口处并且被配置为形成或提供进入到旋流器槽中的多个流通道，优选为两个流通道。
本发明的构思是将进入到旋流器槽中的气流优选地分为两个流。这些流相遇的地方存在一个高紊流区域。注入到这一区域中的燃料将被充分混合，并且还将使得该燃料在遇到第二高紊流区之前在旋流器槽的全长继续混合，其中在该第二高紊流区处多个槽结合在一起。
旋流器基部可以是基部或基部构件或元件。旋流器基部和/或主旋流器元件和/或阻断元件可以是单独的构件或者可以被形成为一体。
槽入口的入口边缘有利地为圆形，以减小压降。在一个变型中，主旋流器元件和/或阻断元件可以包括具有圆形形状的前缘。
旋流器槽可以被配置为朝向中心轴线引导流体，特别地，至少一个槽包括具有中心线的出口，中心线可以与通过槽出口的主流方向相同。中心线垂直于旋流器的中心轴线延伸，并且包括与朝向槽出口中心的径向方向之间的角，该角在10°至70°之间，优选在40°至60°之间。
在优选变型中，至少一个阻断元件在垂直于中心轴线的平面中(即径向平面中)具有圆形或椭圆形或泪珠形状或方形形状或菱形形状的横截面。旋流器槽中的阻断物应当在流中诱发紊流，以改进燃料的混合。为了改进空气动力学特性、尤其是诱发紊流的特性，和/或为了降低制造成本，可以选择不同的形状。
阻断元件可以由几个部分组成，其中在分段之间具有孔或隔板，以进一步诱发紊流混合。燃料被优选注射到紧随阻断元件之后的紊流区域中以获得主要益处。
至少一个槽(优选每个槽)包括从旋流器基部的上表面沿轴向方向测量的高度hs，并且至少一个阻断元件(优选每个阻断元件)包括从旋流器基部的上表面沿轴向方向测量的高度h0。例如，阻断元件的高度h0等于或小于槽的高度hs(h0≤hs)。换言之，阻断元件不必具有旋流器槽的整个高度。可以认为主要益处是由于阻断元件具有槽的100％的高度所带来的，但是通过仅具有旋流器槽的部分高度的阻断元件可以获得附加益处。任意阻断物可以具有槽的整个高度或仅具有其部分高度，以在若干不同平面中诱发紊流。
在另一变型中，至少一个阻断元件将部分槽、尤其是槽的入口部分为具有第一横截面积的第一流通道部和具有第二横截面积的第二流通道部。第一横截面积和第二横截面积彼此相等或不同，相差最多10％。换言之，流通道中的一个流通道的横截面积比另一个流通道的横截面积最多小10％或最多大10％。这意味着通道的比率不必相等，而是可以被确定为给出最高紊流比。然而，将当通道的宽度相等时或彼此相差不超过10％时认为是最佳情况。
至少一个槽包括从槽入口到槽出口的槽长度。有利地，至少一个阻断元件(优选每个阻断元件)穿透到槽中的长度小于槽长度的70％，例如在10％至30％之间、优选为20％。在槽入口处中心定位的阻断元件不应穿透槽长度的70％以上，但是认为主要益处将会发生在穿透是从外向内穿透旋流器槽长度的20％的情况下。平衡在具有足够的长度以使气流已经在该方向上分解以及使流之间的结合变得猛烈之间。此外，燃料注射后的长度越长，旋流器槽内可能发生的混合就越多。阻断元件的长度也应足够长，以防止燃料/空气混合物沿任意通道回流并在燃烧室外燃烧。
旋流器有利地包括多个燃料注射器或用于燃料注射的装置。燃料注射器可以包括注射孔。在优选变型中，旋流器包括多个燃料注射器或用于燃料注射的装置。至少一个燃料注射器可以是气态燃料注射器和/或液体燃料注射器。
一般地，旋流器基部和/或至少一个主旋流器元件和/或至少一个阻断元件可以包括至少一个燃料注射器。旋流器可以包括至少一个主燃料注射器和/或至少一个引燃燃料注射器和/或至少一个二次主燃料注射器。至少一个主燃料注射器和/或至少一个引燃燃料注射器和/或至少一个二次主燃料注射器优选位于旋流器基部的上表面处或旋流器基部的上表面中、或位于主旋流器元件中的一个主旋流器元件的后缘处、或相对于槽中从槽入口到槽出口的流方向而位于阻断元件中的一个阻断元件的下游位置、或相对于槽中从槽入口到槽出口的流方向而位于阻断元件中的一个阻断元件的上游位置。
有利地，燃料注射器被定位为使得：燃料混合发生在阻断元件的下游，尤其使得燃料可以在下游直接注射到紊流区域中，或者燃料可以在上游被注射以使气流将燃料承载到紊流区域中。
此外，阻断元件可以包括至少一个侧表面和/或主旋流器元件可以包括至少一个侧表面。至少一个燃料注射器可以位于阻断元件的侧表面处，或者位于主旋流器元件的侧表面处。
例如，多个燃料注射器位于主旋流器元件中的一个主旋流器元件和/或阻断元件中的一个阻断元件的、从旋流器基部沿轴向方向测量的不同高度处。这些燃料注射器可以位于特定元件的侧表面处或后缘处。例如，多个燃料注射器位于槽高度的60％至90％之间的高度、或主旋流器元件高度的60％至90％之间的高度、或阻断元件高度的60％至90％之间的高度处。
一般地，燃料注射器可以是孔或槽，或者可以具有任意注射形状。
例如，气态燃料可以从阻断元件的后缘被注射(参见图2中的位置1)。注射器的数目可以是1个或多个，但3个是最佳的，注射器可以处于朝向槽的上方的2/3处。如果内部馈送管可以被放置为避开气体馈送管，液体也可以从该后缘被注射(参见图2中的位置6)。
用于注射器或馈送的另一个位置可以以交错的注射器和馈送的方式位于中心阻断元件的一侧上，例如，对于4个馈送而言，每侧各2个馈送，但处于距离槽的基部的不同高度处，例如，一侧上的馈送分别位于槽的基部的高度的70％和90％处，另一侧上的馈送分别位于槽的基部的高度的60％和80％处(见图2中的位置2)。
燃料也可以从通道的外部馈送到槽中(参见图2中的位置3)。主液体还应当被定位在阻断物的楔形尖端处(图2中的位置5或6)。引燃燃料可以在旋流器的基部处以低穿透而朝向内径被注射、或完全从旋流器半径范围的内部被注射。
引燃燃料注射器或二次主燃料注射器或馈送可以被定位在主旋流器元件或构件的后缘上的不同高度处，以进一步增强混合特性(参见图2中的位置4)。引燃燃料可以朝向该边缘的基部被注射，并且主燃料可以朝向顶部被注射。液体注射器也可以被安置在这些位置中的一个位置中(参见图2中的位置7)。良好的液体引燃位置可以是从槽的与旋流器尖端的端部对齐的基部，与基部呈90°角(见图2中的位置5)。朝中心成角度注射或从旋流器突出部分的端部径向向内的成角度注射也是有益的。
本发明的用于内燃机的燃烧器包括如前所述的至少一个旋流器。本发明的燃气轮机包括如前所述的至少一个旋流器，和/或如前所述的至少一个燃烧器。燃烧器和燃气轮机具有与前述旋流器相同的特性和优点。
本发明的用于在内燃机中(例如燃烧器或燃气轮机中)用于混合燃料与空气的方法包括以下步骤：将空气注射到如前所述的旋流器的槽入口中，并且通过涡流器的至少一个燃料注射器来将燃料注射到气流中、尤其是注射至紊流气流中。该方法具有与前述旋流器相同的特性和优点。
例如，燃料可以相对于槽中从槽入口到槽出口的流方向而在至少一个阻断元件的下游或上游被注射。有利地，燃料被注射以使得：燃料混合发生在阻断元件的下游。燃料可以在下游被直接注射到紊流区域中，或者燃料可以在上游被注射以使气流将燃料承载到紊流区域中。换言之，通过将燃料注射到紊流区域中或注射到由阻断物产生的紊流的上游，燃料被注射以混合阻断元件下游的燃料和空气，从而使气流将燃料承载到该区域中。
一般地，本发明具有以下优点：旋流器槽中的附加阻断元件诱发紊流且有助于混合，尤其是以不同形状混合来增加燃料注射点处的紊流混合。
此外，提供了新颖的燃料注射位置，从而改善混合结果。
附图说明
通过参考下面结合附图对本发明实施例的描述，本发明的上述属性及其它特征和优势及其实现方式将变得更加明显，并且将更好地理解本发明本身。实施例不限制由所附权利要求确定的本发明的范围。所有描述的特征作为单独的特征或彼此任意组合是有利的。
图1以截面图示意性地示出涡轮发动机的一部分。
图2以透视图示意性地示出本发明的旋流器的示例。
图3以俯视图示意性地示出图2中的旋流器。
图4以另一透视图示意性地示出图2中旋流器。
图5以进一步的透视图示意性地示出图2中的旋流器。
图6以透视图示意性地示出本发明的旋流器的变型，其具有不同形状的阻断元件的示例。
图7以透视图示意性地示出图6中的旋流器的变型，其具有高度低于槽高度的阻断元件。
图8以轴向图示意性地示出旋流器的扇形区域，其详细示出阻断元件相对于旋流器槽的位置。
图9是从周向且径向向内观察的阻断元件中的一个阻断元件的透视图，图中尤其示出暴露于流向旋流器的气流的空气动力凸缘。
图10是在阻断元件后缘上并且径向向外观察的透视图，图中尤其示出后缘的任一侧的表面上的燃料出口的位置。
图11是在阻断元件上并且大体沿周向观察的侧视图，图中示出旋流器的空气动力凸缘和顶板。
具体实施方式
图1以截面图示出燃气涡轮发动机10的示例。燃气涡轮发动机10按流动顺序包括入口12、压气机部14、燃烧器部16及涡轮部18，这些构件大致按流动顺序被布置并且大体围绕并且沿纵向轴线或旋转轴线20的方向布置。燃气涡轮发动机10进一步包括轴22，轴22可以围绕旋转轴线20旋转并且纵向延伸穿过燃气涡轮发动机10。轴22将涡轮部18驱动地连接至压气机部14。
燃气涡轮发动机10在运行时，通过进气口12吸入的空气24由压气机部14压缩并输送至燃烧部或燃烧器部16。燃烧器部16包括燃烧器增压部26、一个或多个燃烧室28及固定至每个燃烧室28的至少一个燃烧器30。燃烧室28和燃烧器30位于燃烧器增压部26的内部。穿过压气机14的压缩空气进入散流器32并从散流器32排出到燃烧器增压部26中，部分空气从燃烧器增压部26进入燃烧器30并与气态燃料或液体燃料混合。空气/燃料混合物继而燃烧，并且来自燃烧的燃烧气体34或工作气体经由过渡管17通过燃烧室28而被引导至涡轮部18。
该示例性燃气涡轮发动机10具有管状燃烧装置部布置16，其由燃烧器罐19的环状阵列构成，每个燃烧器罐19具有燃烧器30和燃烧室28，过渡管17具有与燃烧室28交界的大体圆形入口以及环形段形式的出口。过渡管出口的环形阵列形成用于将燃烧气体引导至涡轮18的环。
涡轮部18包括附接至轴22的多个动叶承载盘36。在该示例中，两个盘36分别承载涡轮动叶38的环形阵列。然而，动叶承载盘的数目可以不同，即，可以仅有一个盘，也可以多于两个盘。此外，被固定至燃气涡轮发动机10的定子42的导流静叶40被设置在涡轮动叶38的环形阵列的级之间。导流静叶44被设置在燃烧室28的出口与前涡轮动叶38入口之间，并且导流静叶44将工作气体流转向到涡轮动叶38上。
来自燃烧室28的燃烧气体进入涡轮部18并驱动涡轮动叶38，涡轮动叶38转而使轴22旋转。导流静叶40、44用于优化燃烧气体或工作气体在涡轮动叶38上的角度。
涡轮部18驱动压气机部14。压气机部14包括轴向串联的静叶级46和转子动叶级48。转子动叶级48包括支撑动叶环形阵列的转子盘。压气机部14还包括壳体50，壳体50包围转子级并支撑静叶级48。导流静叶级包括径向延伸静叶的环形阵列，径向延伸静叶被安装至壳体50。静叶被设置为在给定发动机运行点以最优角度向动叶提供气流。一些导流静叶级具有可变静叶，在可变静叶中，静叶围绕其自身纵向轴线的角度可以根据在不同发动机运行条件下可能出现的气流特征来调节。
壳体50限定压气机14的通路56的径向外表面52。通路56的径向内表面54至少部分由转子的转子鼓53限定，转子鼓53部分由动叶48的环形阵列限定。
本发明结合上述具有单个轴或线轴的示例性涡轮发动机描述，该单个轴或线轴连接单个多级压气机及单个一级或多级涡轮。然而，应当理解的是，本发明同样适用于两轴发动机或三轴发动机，并且可以用于工业、航空或海洋应用。
除非另有说明，否则术语“上游”和“下游”是指流经发动机的气流和/或工作气体的流方向。术语“朝前”和“朝后”是指流经发动机的总体气体流。术语“轴向”、“径向”和“周向”是相对于发动机的旋转轴线20而言。
图2以透视图示意性地示出本发明的旋流器60的示例。图3以俯视图示意性地示出图2中的旋流器。图4以另一透视图示意性地示出图2中的旋流器。图5以进一步透视图示意性地示出图2中的旋流器。
用于混合燃料与空气的旋流器60包括中心轴线63、包括上表面62的旋流器基部61、中心部64、多个主旋流器构件或旋流器元件65以及多个阻断构件或阻断元件66。主旋流器元件65和阻断元件66位于旋流器基部61的上表面62处。主旋流器元件65和阻断元件66围绕中心部64而被布置。主旋流器元件65形成多个旋流器槽67。旋流器槽67被配置为朝向中心部64(例如朝向中心轴线63)引导流体。每个旋流器槽67包括槽入口68和槽出口69。相比于旋流器入口68，槽出口69位于距离中心轴线63更小的径向距离处。每个阻断元件66位于槽入口68处并且被配置为形成或提供进入到旋流器槽67中的多个流通道、优选两个流通道70和71。
每个主旋流器元件65包括前缘72和后缘73。主旋流器元件65在旋流器槽67处的入口边缘74优选为圆形，以减小压降。
图2中的阻断元件66在径向平面中具有泪珠形状。每个阻断元件66包括前缘75和后缘76。
旋流器槽67可以被配置为朝向中心轴线63引导流体。特别地，至少一个槽67包括具有中心线77的出口69，中心线77可以与通过槽出口69的主流方向79相同。中心线77垂直于旋流器60的中心轴线63延伸，并且包括与朝向槽出口69的中心的径向方向78的角α，角α在10°至70°之间，例如在40°至60°之间。
阻断元件66将槽67的一部分(尤其是槽67的入口部68)分为具有第一横截面积的第一流通道部70和具有第二横截面积的第二流通道部71。第一横截面积和第二横截面积可以彼此相等或不同，相差最多10％。
至少一个槽包括从槽入口68到槽出口69的槽长度。有利地，每个阻断元件66穿透到槽67中小于槽长度的70％的长度、例如10％至30％之间、优选20％的长度。
旋流器有利地包括多个燃料注射器或用于燃料注射的装置。燃料注射器可以包括注射孔或槽、或者可以具有任意其它注射形状。在优选变型中，旋流器包括多个燃料注射器或用于燃料注射的装置。至少一个燃料注射器可以是气态燃料注射器和/或液体燃料注射器。
图2示出不同位置的燃料注射器的示例。在位置1至7处示出的燃料注射器可以单独存在或以各种组合或全部存在，如图2所示。
一般地，旋流器基部和/或至少一个主旋流器元件65和/或至少一个阻断元件66可以包括至少一个燃料注射器1-7。旋流器60可以包括至少一个主燃料注射器和/或至少一个引燃燃料注射器和/或至少一个二次主燃料注射器。至少一个主燃料注射器和/或至少一个引燃燃料注射器和/或至少一个二次主燃料注射器优选位于旋流器基部61的上表面62处或旋流器基部的上表面中、或位于主旋流器元件65中的一个主旋流器元件65的后缘73处、或相对于槽67中的流方向79而位于阻断元件66中的一个阻断元件66的下游位置、或相对于槽67中的流方向79而位于阻断元件66中的一个阻断元件66的上游位置。
此外，阻断元件66可以包括至少一个侧表面80和/或主旋流器元件65可以包括至少一个侧表面81。至少一个燃料注射器可以位于阻断元件66的侧表面80处(参见位置2)或主旋流器元件65的侧表面81处。
阻断元件66的侧面80上的位置2处的注射器或馈送例如可以具有交错的注射器位置或馈送，例如，对于4个馈送而言，每侧各2个馈送，但处于距离旋流器基部61的上表面62的不同高度处，例如，一侧80上的馈送分别位于距离旋流器基部61的上表面62的高度的70％和90％，另一侧80上的馈送分别位于距离旋流器基部61的上表面62的高度的60％和80％。
燃料也可以从通道的外部(例如在位置3处)而被馈送到槽67中。
优选地，气态燃料可以通过在位置1处的一个或多个注射器从阻断元件66的后缘76被注射。注射孔的数目可以是一个或多个，但认为3个为最佳，注射孔可以处于朝向槽的上方的2/3处，换言之，处于槽高度hs的2/3高度处。液体燃料也可以从该后缘76被注射，例如，液体燃料可以通过在位置6处的注射器而被注射，尤其是在内部馈送管可以被放置为避开气体馈送管的情况下。
主液体燃料也可以被定位在阻断元件66在位置5或位置6处的楔形尖端处。引燃燃料可以在旋流器60的基部61处以低穿透而朝向内径被注射、或完全从旋流器半径范围的内部被注射。
引燃馈送或二次主馈送可以被定位在从主旋流器元件65的后缘73上的上表面62沿轴向方向测量的不同高度处，如位置4处。这进一步增强了混合特性。引燃燃料注射器优选地被定位在该边缘的较低高度(朝向基部)处，并且主燃料注射器优选地被定位在较高高度(朝向顶部)处。液体注射器也可以被安置在这些位置中的一个位置处，例如在位置7处。良好的液体引燃位置将是从槽的与旋流器尖端的端部对齐的基部，与基部呈90度角(下图中的位置8)。朝中心成角度注射或从旋流器突出部分的端部径向向内成角度注射也是有益的。
在旋流器入口68处中心定位的阻断元件66不应穿过槽67长度的70％以上，但是如果穿透是从外向内穿透旋流器槽67长度的的20％，则认为会产生主要益处。平衡在具有足够的长度以使气流已经在该方向上分解以及使流之间的结合变得猛烈之间。此外，燃料注射后的长度越长，旋流器槽内可能发生的混合就越多。位于槽67内的中心定位的阻断元件66的长度也应足够长，以防止燃料/空气混合物沿任意通道回流并在燃烧室外燃烧。
图6以透视图示意性地示出本发明的旋流器的变型，其具有不同形状的阻断元件的示例。一般地，阻断元件可以具有不同形状，尤其是在径向平面中的横截面中可以具有不同形状。图6示出一个旋流器60中不同形状的阻断元件的示例。旋流器60一般可以包括这些形状中的仅一个形状的阻断元件，或者包括不同形状的阻断元件的任意组合。在图6中，阻断元件82具有方形形状，阻断元件85具有菱形形状，阻断元件83具有圆形形状，阻断元件84具有椭圆形形状，并且阻断元件66具有泪珠形形状。
阻断物可以由几个部分组成，在各分段之间具有孔或隔板，以进一步诱发紊流混合。燃料应被注射到紧随阻断物之后的紊流区域，以获得主要益处。
至少一个槽(优选每个槽)包括从旋流器基部的上表面沿轴向方向测量的高度hs，并且至少一个阻断元件(优选每个阻断元件)包括从旋流器基部的上表面沿轴向方向测量的高度h0。例如，阻断元件的高度h0等于或小于槽的高度hs(h0≤hs)。换言之，阻断元件不必具有旋流器槽的整个高度。可以认为主要益处是由于阻断元件具有槽100％的高度所带来的，但是通过仅具有旋流器槽的部分高度的阻断元件可以获得附加益处。任意阻断物可以具有槽的整个高度或仅具有其部分高度，以在若干不同平面中诱发紊流。
图7以透视图示意性地示出图6中的旋流器60的变型，图7中的旋流器60具有高度h0低于槽高度hs的阻断元件66、82、83、84、85。任意阻断物可以具有槽的整个高度hs或仅具有其部分高度，以在几个不同平面中诱发紊流。
现在结合图8至图11来介绍本发明的旋流器的优选实施例。
图8以轴向图示出旋流器60的扇形区域以及本发明旋流器的一个具体实施例。为了清楚起见，顶板(图9、10和11中的108)已经被移除。如前所述，旋流器60包括中心轴线63、包括上表面62的旋流器基部(板)61。主旋流器元件65的环形阵列从基板61沿轴向方向延伸到顶板108。主旋流器元件65、基板61和顶板108限定旋流器槽67。多个阻断元件66、84周向地位于主旋流器元件65之间。
每个阻断元件66、84具有前缘75和后缘76，后缘76位于前缘75的径向内侧。主旋流器元件65和阻断元件66位于旋流器基部61的上表面62上，并且围绕中心部64被布置。
旋流器槽67具有中心线100，并且被配置为朝向中心部64引导流体79。流体是来自燃气轮机压气机部的压缩空气。每个旋流器槽67包括槽入口68、或者更确切地说是槽入口平面、以及槽出口69、或者更精确地是槽出口平面，槽入口68被形成在半径Ri(从轴线63)处。相比于旋流器入口68，槽出口69位于距离中心轴线63更小的径向距离处或者位于旋流器入口68的径向内侧。
重要的是，每个阻断元件66被定位为与槽入口68中的一个槽入口68相交，也就是说，槽入口平面68P穿过阻断元件66或与阻断元件66相交。阻断元件66及其紧邻或面向的主旋流器元件形成多个流通道、并且尤其是两个流通道70、71，并且流通道继而将流体馈送到旋流器槽67中。
值得注意的是，阻断元件66、84的后缘76从径向外侧被定位到或被插入到旋流器槽64中最远达0.2Ri的距离。至少一个燃料注射器1(即燃料注射器1的出口116、116A、116B)被形成在阻断元件66、84中，并且距离后缘76最远达0.2Ri。换言之，燃料出口116、116A、116B位于入口平面68P的径向内侧。燃料出口116、116A、116B可以位于阻断元件的表面的位于入口平面68P径向内侧的任意部分上。
阻断元件66、84和燃料出口116、116A、116B的特定布置确保在旋流器槽之前或旋流器槽的径向外侧不进行燃料和空气的预混并避免燃烧气体的回火。此外，将阻断元件插入到旋流器槽中使得旋流器槽的流动面积减小，从而使流体或空气在通道71、70中的速度高于在后缘76的径向内侧的速度。这进一步减少或消除了燃烧气体的回火。
旋流器槽67被限定在相对的主旋流器65的压力表面81P与吸力表面81S之间，并且具有宽度W。阻断元件66、84的后缘76从中心线100的偏移距离为0.05W。优选地，偏移朝向吸力表面81S。这是有利的，因为进入旋流器槽的流体的压力分布或梯度并不相等。后缘76的偏移有助于更有利地分配压力，从而回火不会经由通道71或70中的任一个而发生。
阻断元件66、84具有以翼型形状的横截面，并且具有从前缘75延伸到后缘76的弦线104。弦线104与中心线100成5°至25°之间、优选10°至20°之间、并且优选约15°的角度β。在这种配置中，尤其是在角度β是朝向主旋流器元件65的吸力表面81S的情况下，阻断元件有助于使流体流79转向到旋流器槽67中，从而减少空气动力损失。
旋流器60还包括顶板108，该顶板108大体为环的形式，并且被定位为抵靠主旋流器元件65与旋流器基部61的轴向相对端。顶板108抵靠阻断元件66、84与基板端的轴向相对端面114的至少一部分110。因此，顶板108进一步限定旋流器槽67。阻断元件66、84的轴向相对端面114的一部分110可以具有与阻断元件插入到旋流器槽中的插入范围相同的径向范围(0.2Ri)。因此，顶板的径向外周具有与主旋流器元件的前缘72相同的半径，但并非在所有示例中均需如此。
因此，如图9中可以看到的，阻断元件66、84的端面114的剩余部分112从顶板108径向向外延伸。流体流79冲击该表面，并且有利地，该表面具有平滑轮廓来为流体79提供空气动力表面。这种空气动力轮廓有助于使气流79流畅并减少损耗，同时提供稳定气流以用于从出口116、116A、116B进行良好的燃料注射。
如图11所示，前缘75具有高度HLE，并且后缘76具有高度HTE。前缘HLE小于后缘高度HTE，并且在表面114的剩余部分112上存在从由顶板108覆盖的部分110的平滑过渡。在气流穿过旋流器槽时，随着气流从轴向方向向大体径向方向转向，肩部被成角度以与气流79相遇。
为了强调阻断元件66、84的翼型形状，在垂直于中心轴线63的平面中，该形状是对称的泪珠84(图8)或弯曲的泪珠66(图2-5)。横截面形状具有相比于后缘76而更靠近前缘75的最大厚度Tmax，并且该形状大体从最大厚度Tmax向前缘75逐渐变细。
现在转向燃料注射构造。每个阻断元件66、84具有分别面向主旋流器元件65的吸力表面81S和压力表面81P的第一表面80A和第二表面80B。其中存在至少一个燃料注射器1，燃料注射器1具有分别在第一表面80A和第二表面80B中的每个表面中的出口116A、116B。
尤其是在图8至图11示出的优选实施例中，存在多个燃料注射器1，燃料注射器1具有在第一表面80A和第二表面80B中的每个表面中的至少一个出口116A、116B。燃料注射器1在第一表面80A中的出口116A从燃料注射器1在第二表面80B中的出口116B轴向偏移。燃料注射器1在第二表面80B上的出口116B被定位为关于后缘76的中间高度对称。这里，燃料注射器1在第一表面80A上的出口116A位于燃料注射器1在第二表面80B上的出口116B的大致中间节距处。对于所示出的示例性实施例，第一表面80A和第二表面80B中的每个表面上存在燃料注射器1的三个出口116A、116B。在这些构造中，燃料在旋流器槽67的轴向高度上或者/并且优选地在流体流内分布更均匀，从而使燃料在燃烧室内的正确位置中燃烧。

Claims (19)

1.一种用于在内燃机(10)中混合燃料与空气的旋流器(60)，其中所述旋流器(60)包括一个中心轴线(63)、包括上表面(62)的一个旋流器基部(61)、一个中心部(64)、多个主旋流器元件(65)及多个阻断元件(66、84)；
其中每个阻断元件(66、84)具有一个前缘(75)和一个后缘(76)，所述后缘(76)位于所述前缘(75)的径向内侧；
其中所述主旋流器元件(65)和所述阻断元件(66、84)位于所述旋流器基部(61)的所述上表面(62)处，并且围绕所述中心部(64)而被布置；
其中所述主旋流器元件(65)形成多个旋流器槽(67)，所述旋流器槽(67)具有一条中心线(100)并且被配置用于朝向所述中心部(64)引导流体(79)，每个旋流器槽(67)包括一个槽出口(69)和形成在半径Ri处的一个槽入口(68)，其中相比于所述槽入口(68)，所述槽出口(69)位于距离所述中心轴线(63)更小的径向距离处；
其中每个阻断元件(66、84)被定位为与一个槽入口(68)相交并且每个阻断元件(66、84)和紧邻的主旋流器元件形成两个流通道(70、71)，并且所述流通道继而将所述流体(79)馈送到所述旋流器槽(67)中；
其中所述阻断元件(66、84)的所述后缘(76)从径向外侧被定位到或被插入到所述旋流器槽(67)中最远达0.2Ri的距离(102)，并且
其中至少一个燃料注射器(1)被形成在所述阻断元件(66、84)中，并且距离所述后缘(76)最远达0.2Ri。
2.根据权利要求1所述的旋流器(60)，
其中所述旋流器槽(67)被限定在相对的多个主旋流器元件(65)的一个压力表面(81P)与一个吸力表面(81S)之间，所述旋流器槽(67)具有宽度W，
其中所述阻断元件(66、84)的所述后缘(76)从所述中心线(100)偏移0.05W的距离。
3.根据权利要求2所述的旋流器(60)，其中所述偏移朝向所述吸力表面(81S)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的旋流器(60)，
其中所述阻断元件(66、84)具有一条弦线(104)，所述弦线(104)从所述前缘(75)延伸到所述后缘(76)，
其中所述弦线(104)与所述中心线(100)成角度β，所述角度β在5°至25°之间。
5.根据权利要求4所述的旋流器(60)，其中所述角度β在10°至20°之间。
6.根据权利要求4所述的旋流器(60)，其中所述角度β约为15°。
7.根据权利要求1-3、5和6中任一项所述的旋流器(60)，
其中所述旋流器(60)还包括一个顶板(108)，所述顶板(108)大体为环的形式，并且被定位为抵靠所述主旋流器元件(65)的与所述旋流器基部(61)的轴向相对端以及所述阻断元件(66、84)的轴向相对端面(114)的至少一部分(110)，所述顶板(108)进一步限定所述旋流器槽(67)。
8.根据权利要求7所述的旋流器(60)，
其中所述阻断元件(66、84)的端面(114)的剩余部分(112)从所述顶板(108)径向向外延伸，所述端面(114)的所述剩余部分(112)具有平滑轮廓，来为所述流体(79)提供一个空气动力表面。
9.根据权利要求1-3、5、6和8中任一项所述的旋流器(60)，
其中所述前缘(75)具有高度HLE，并且所述后缘(76)具有高度HTE，其中HLE小于HTE。
10.根据权利要求1-3、5、6和8中任一项所述的旋流器(60)，
其中至少一个阻断元件(66、84)在垂直于所述中心轴线(63)的平面的横截面中具有对称泪珠(84)的形状或弯曲泪珠(66)的形状，并且所述形状具有相比于所述后缘(76)而更靠近所述前缘(75)的最大厚度Tmax，并且所述形状大体从所述最大厚度Tmax向所述前缘(75)逐渐变细。
11.根据权利要求1-3、5、6和8中任一项所述的旋流器(60)，
其中每个阻断元件(66、84)具有分别面向所述主旋流器元件(65)的一个吸力表面(81S)和一个压力表面(81P)的一个第一表面(80A)和一个第二表面(80B)，
其中存在至少一个燃料注射器(1)，所述燃料注射器(1)具有在所述第一表面(80A)和所述第二表面(80B)中的每个表面中的出口。
12.根据权利要求11所述的旋流器(60)，
其中存在多个燃料注射器(1)，所述燃料注射器(1)具有在所述第一表面(80A)和所述第二表面(80B)中的每个表面中的至少一个出口。
13.根据权利要求11所述的旋流器(60)，
其中燃料注射器(1)在所述第一表面(80A)中的所述出口从燃料注射器(1)在所述第二表面(80B)中的所述出口轴向偏移。
14.根据权利要求11所述的旋流器(60)，
其中燃料注射器(1)在所述第二表面(80B)上的所述出口被定位为关于所述后缘(76)的中间高度对称。
15.根据权利要求14所述的旋流器(60)，
其中燃料注射器(1)在所述第一表面(80A)上的所述出口位于燃料注射器(1)在所述第二表面(80B)上的所述出口的中间节距处。
16.根据权利要求11所述的旋流器(60)，
其中在所述第一表面(80A)和所述第二表面(80B)中的每个表面上存在燃料注射器(1)的三个出口。
17.一种用于内燃机(10)的燃烧器(30)，包括根据前述任一项权利要求所述的至少一个旋流器(60)。
18.一种内燃机(10)，包括根据前述任一项权利要求所述的至少一个旋流器(60)和/或根据前述任一项权利要求所述的至少一个燃烧器(30)。
19.一种用于混合燃料与空气以用于内燃机(10)的方法，包括以下步骤：
-将空气注射到根据权利要求1-16中任一项所述的旋流器(60)的槽入口(68)中，
-通过所述旋流器(60)的至少一个燃料注射器(1)来将燃料注射到空气流中。
CN201780025161.8A 2016-04-22 2017-04-21 用于在内燃机中混合燃料与空气的旋流器 Active CN109073223B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16166716.7A EP3236157A1 (en) 2016-04-22 2016-04-22 Swirler for mixing fuel with air in a combustion engine
EP16166716.7 2016-04-22
PCT/EP2017/059565 WO2017182658A1 (en) 2016-04-22 2017-04-21 Swirler for mixing fuel with air in a combustion engine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109073223A CN109073223A (zh) 2018-12-21
CN109073223B true CN109073223B (zh) 2021-01-29

Family

ID=55862559

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780025161.8A Active CN109073223B (zh) 2016-04-22 2017-04-21 用于在内燃机中混合燃料与空气的旋流器

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10876731B2 (zh)
EP (2) EP3236157A1 (zh)
JP (1) JP6732941B2 (zh)
CN (1) CN109073223B (zh)
CA (1) CA3018441C (zh)
RU (1) RU2716951C1 (zh)
WO (1) WO2017182658A1 (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3564585A1 (en) * 2018-05-04 2019-11-06 Siemens Aktiengesellschaft Swirler arrangement of a burner
US10837643B2 (en) * 2018-08-06 2020-11-17 General Electric Company Mixer assembly for a combustor
EA039073B1 (ru) * 2020-09-07 2021-11-30 Некоммерческое Акционерное Общество "Алматинский Университет Энергетики И Связи Имени Гумарбека Даукеева" Двухъярусная горелка
EP4206535A1 (en) * 2021-12-30 2023-07-05 Ansaldo Energia Switzerland AG Burner assembly with in-line injectors
KR102661146B1 (ko) 2022-06-29 2024-04-29 두산에너빌리티 주식회사 중공노즐 및 그 중공노즐을 포함하는 연소기 및 그 연소기를 포함하는 가스터빈
CN115388428B (zh) * 2022-07-29 2023-06-16 北京航空航天大学 改善径向温度分布的主燃级旋流器、燃烧室喷嘴及燃烧室

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1384908A (zh) * 1999-10-29 2002-12-11 西门子公司 燃烧器
CN102062412A (zh) * 2009-11-18 2011-05-18 西门子公司 旋流器叶片、旋流器和燃烧器组件
CN103807879A (zh) * 2012-11-06 2014-05-21 阿尔斯通技术有限公司 轴向旋流器
CN104764044A (zh) * 2008-08-05 2015-07-08 西门子公司 用于使燃料和空气混合的旋流器

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3077939B2 (ja) 1990-10-23 2000-08-21 ロールス−ロイス・ピーエルシー ガスタービン燃焼室及びその操作方法
US5394688A (en) 1993-10-27 1995-03-07 Westinghouse Electric Corporation Gas turbine combustor swirl vane arrangement
DE4411622A1 (de) 1994-04-02 1995-10-05 Abb Management Ag Vormischbrenner
JPH09119641A (ja) 1995-06-05 1997-05-06 Allison Engine Co Inc ガスタービンエンジン用低窒素酸化物希薄予混合モジュール
US5927076A (en) * 1996-10-22 1999-07-27 Westinghouse Electric Corporation Multiple venturi ultra-low nox combustor
GB9818160D0 (en) 1998-08-21 1998-10-14 Rolls Royce Plc A combustion chamber
US6655145B2 (en) * 2001-12-20 2003-12-02 Solar Turbings Inc Fuel nozzle for a gas turbine engine
GB2435508B (en) * 2006-02-22 2011-08-03 Siemens Ag A swirler for use in a burner of a gas turbine engine
GB2437977A (en) * 2006-05-12 2007-11-14 Siemens Ag A swirler for use in a burner of a gas turbine engine
EP1867925A1 (en) * 2006-06-12 2007-12-19 Siemens Aktiengesellschaft Burner
EP1985924A1 (en) * 2007-04-23 2008-10-29 Siemens Aktiengesellschaft Swirler
EP2107301B1 (en) * 2008-04-01 2016-01-06 Siemens Aktiengesellschaft Gas injection in a burner
DE102009054669A1 (de) 2009-12-15 2011-06-16 Man Diesel & Turbo Se Brenner für eine Turbine

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1384908A (zh) * 1999-10-29 2002-12-11 西门子公司 燃烧器
CN104764044A (zh) * 2008-08-05 2015-07-08 西门子公司 用于使燃料和空气混合的旋流器
CN102062412A (zh) * 2009-11-18 2011-05-18 西门子公司 旋流器叶片、旋流器和燃烧器组件
CN103807879A (zh) * 2012-11-06 2014-05-21 阿尔斯通技术有限公司 轴向旋流器

Also Published As

Publication number Publication date
CN109073223A (zh) 2018-12-21
WO2017182658A1 (en) 2017-10-26
EP3446039A1 (en) 2019-02-27
US10876731B2 (en) 2020-12-29
EP3236157A1 (en) 2017-10-25
JP6732941B2 (ja) 2020-07-29
CA3018441C (en) 2021-05-11
JP2019516058A (ja) 2019-06-13
EP3446039B1 (en) 2021-12-29
RU2716951C1 (ru) 2020-03-17
CA3018441A1 (en) 2017-10-26
US20190086090A1 (en) 2019-03-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109073223B (zh) 用于在内燃机中混合燃料与空气的旋流器
RU2570989C2 (ru) Осевой завихритель для камеры сгорания газовой турбины
KR101586214B1 (ko) 축류식 선회기
US20170089582A1 (en) Fuel injector for a gas turbine engine combustion chamber
US11815269B2 (en) Fuel-air mixing assembly in a turbine engine
KR101939495B1 (ko) 압축기 및 이를 포함하는 가스 터빈
CN115218213B (zh) 燃烧器旋流轮叶设备
CN115218212B (zh) 燃烧器旋流轮叶设备
CN116412415A (zh) 发动机燃料喷嘴和旋流器
US11592182B1 (en) Swirler ferrule plate having pressure drop purge passages
KR102587366B1 (ko) 부유식 1차 베인 선회기
US11143201B2 (en) Impeller tip cavity
WO2019230165A1 (ja) 液体燃料噴射器
CN108869041B (zh) 用于燃气轮机的前端转向勺状件
CN115789702A (zh) 具有结合开放区域的轮叶的燃烧器旋流器
US12072103B2 (en) Turbine engine fuel premixer
EP3184898A1 (en) Combustor for a gas turbine
US12092324B2 (en) Flare cone for a mixer assembly of a gas turbine combustor
US11566789B1 (en) Ferrule for fuel-air mixer assembly
US20230266002A1 (en) Coupling a fuel nozzle purge flow directly to a swirler
US20240271529A1 (en) Radial turbine impeller
US20240151396A1 (en) Fuel-air mixing assembly in a turbine engine
US8752388B2 (en) Gas-turbine premix burner
KR20240097369A (ko) 노즐 어셈블리, 연소기 및 이를 포함하는 가스터빈
CN116293792A (zh) 燃料喷嘴和旋流器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20220908

Address after: Munich, Germany

Patentee after: Siemens Energy International

Address before: Munich, Germany

Patentee before: SIEMENS AG