CN109708143B - 旋流器组件 - Google Patents

Abstract

一种旋流器组件，包括：底板，在底板的中心处具有开口；多个叶片，布置在底板的表面的第一区域上，所述多个叶片沿着底板的圆周方向彼此间隔开；多个空气注入孔，布置在底板的表面的第二区域中，第二区域位于开口与底板的表面的第一区域之间。

Description

旋流器组件

本申请要求于2017年10月25日提交到韩国知识产权局的第10-2017-0139541号韩国专利申请的优先权，所述韩国专利申请的公开通过引用全部包含于此。

技术领域

与示例性实施例一致的设备涉及一种旋流器组件，更具体地讲，涉及一种能够提高混合燃料和空气的性能的燃气轮机燃烧室的旋流器组件。

背景技术

燃气轮机是通过使用具有高温和高压的燃烧气体来驱动涡轮的热力发动机，并且通常包括压缩机、燃烧室和涡轮。在燃气轮机中，首先，空气被压缩机压缩，第二，具有高压的压缩空气和从燃料系统供应的燃料在预燃室中预先混合以降低火焰温度，第三，燃料-空气混合物在主燃室中燃烧。如上产生的高温和高压的气体(即，燃烧的气体)被排放到涡轮以膨胀并使涡轮旋转。这里，为了有效并快速地使燃料燃烧，旋流器用于将燃料-空气混合物均匀地散布到主燃室中。

也就是说，旋流器使压缩的空气和燃料快速并均匀地彼此混合，以促进燃料-空气混合物的燃烧反应。当供应给火焰的燃料-空气混合物的混合的程度不均匀时，局部产生一部分较高温度，并且排放的氮氧化物(NOx)的量增加。因为NOx是空气污染的主要原因之一，所以全球已经实施对氮氧化物的排放的严格管制。

然而，在现有技术的旋流器组件中，燃料从旋流器的排放燃料-空气混合物的出口侧被注入而不是从旋流器的引入空气的入口侧被注入，因此，没有足够的时间来混合燃料和空气。也就是说，燃料-空气混合物没有被充分地混合，因此，排放的NOx的量增加。因此，在提高燃烧室的低污染性能方面存在限制。

发明内容

一个或多个示例性实施例包括一种能够提高混合燃料和空气的性能的燃气轮机燃烧室的旋流器组件。

另外的方面将在下面的描述中部分地阐述，并且通过该描述将部分地清楚，或者可通过本示例性实施例的实践来获知。

根据示例性实施例的一个方面，提供一种旋流器组件，包括：圆盘形的底板，在底板的中心处具有开口；多个叶片，布置在底板的表面的第一区域上，所述多个叶片沿着底板的圆周方向彼此间隔开；多个空气注入孔，布置在位于开口与底板的表面的第一区域之间的第二区域中。

所述旋流器组件还可包括：盖板，被布置为覆盖所述多个叶片，盖板面对底板。

所述多个叶片中的每个可被布置为相对于底板的径向方向倾斜。

所述多个空气注入孔可布置在所述多个叶片的邻近叶片之间。

所述多个叶片可包括：第一叶片和与第一叶片相邻的第二叶片，所述多个空气注入孔中的一组空气注入孔可布置在从第一叶片与第二叶片之间的区域延伸的区域中。

所述一组空气注入孔可布置在相对于底板的径向方向倾斜的方向上。

所述多个空气注入孔中的每个可相对于底板的厚度方向倾斜。

旋流器组件还可包括插入开口中以支撑底板的轴部。

轴部可包括沿底板的径向方向注入燃料的多个燃料注入喷嘴。

轴部可具有空心杆形状，并可包括：燃料供应管，嵌入在轴部的外壁中并沿着轴部的纵向方向延伸，并用于将燃料供应到所述多个燃料注入喷嘴中的每个。

所述旋流器组件还可包括：盖板，被布置为覆盖所述多个叶片，盖板面对底板，其中，所述多个燃料注入喷嘴位于比盖板更靠近底板的位置。

根据另一示例性实施例的一个方面，提供一种旋流器组件，包括：底板，在底板的中心处具有开口；多个叶片，布置在底板的表面的第一区域上，所述多个叶片沿着底板的圆周方向彼此间隔开；多个空气注入孔，布置在底板的表面的第二区域中，第二区域沿底板的径向方向位于开口与底板的表面的第一区域之间。

所述旋流器组件还可包括：盖板，覆盖所述多个叶片，所述多个叶片设置在盖板与底板之间。

所述多个叶片中的每个可被布置为相对于底板的径向方向倾斜。

所述多个空气注入孔可布置在所述多个叶片的相邻叶片之间。

所述多个叶片可包括：第一叶片；第二叶片，与第一叶片相邻。所述多个空气注入孔中的一组空气注入孔可布置在第二区域的设置在第一叶片与第二叶片之间的部分中。

所述一组空气注入孔可相对于彼此布置在相对于底板的径向方向倾斜的方向上。

所述多个空气注入孔中的每个可相对于底板的厚度方向倾斜。

所述旋流器组件还可包括：轴部，通过开口插入以支撑底板。

轴部可包括：多个燃料注入喷嘴，被配置为沿底板的径向方向注入燃料。

轴部可具有空心杆形状，并可包括嵌入在轴部的外壁中的燃料供应管。燃料供应管可沿着轴部的纵向方向延伸，并且可被配置为将燃料供应到所述多个燃料注入喷嘴中的每个。

所述旋流器组件还可包括：盖板，覆盖所述多个叶片，盖板面对底板。所述多个燃料注入喷嘴可位于比盖板更靠近底板的位置。

根据示例性实施例的另一方面，提供一种旋流器组件，包括：底板，在底板的中心处具有开口；多个叶片，布置为沿着圆周方向，所述多个叶片沿底板的径向方向设置在底板上的外部区域；多个空气注入孔，布置在底板的内部区域中，内部区域沿底板的径向方向位于开口与底板的外部区域之间；轴，设置为通过开口并包括设置在轴的外表面上的多个燃料注入喷嘴。所述多个叶片可被配置为朝着所述多个空气注入孔和所述多个燃料注入喷嘴引导空气。

附图说明

通过以下结合附图对示例性实施例的描述，本公开的以上和/或其他方面将变得清楚和更容易理解，其中：

图1是根据示例性实施例的旋流器组件的示意性立体图；

图2是根据示例性实施例的旋流器组件的示意性剖视图；

图3是沿图2的线III-III'截取的剖视图；

图4是根据示例性实施例的旋流器组件的示意性剖视图；

图5是根据示例性实施例的旋流器组件的示意性剖视图。

具体实施方式

现在将详细参照示例性实施例，示例性实施例的示例在附图中示出，其中，相同的参考标号始终表示相同的元件。在这方面，示例性实施例可具有不同的形式，并且不应被解释为限于在此阐述的描述。因此，下面仅通过参照附图来描述示例性实施例，以解释本说明书的各个方面。如在此所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任意组合和所有组合。当诸如“……中的至少一个”的表述在一列元素之后时，修饰整列元素，而不修饰列中的单个元素。

由于本公开允许各种改变和大量示例性实施例，因此，特定的示例性实施例将在附图中示出并在书面描述中详细描述。然而，这不意图将本公开限制为特定的实践模式，并且将理解，不脱离精神和技术范围的所有的修改、等同物和/或替代物被包含在本公开中。在说明书中，当认为现有技术的特定详细解释可能不必要地模糊本公开的本质时，现有技术的特定详细解释被省略。

将理解，尽管在此使用术语“第一”和“第二”来描述各种元件，但是这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与其他元件区分开来。

将理解，当诸如层、膜、区域或基底的元件被称为“设置”在另一元件“上”时，它可被直接设置在另一元件上或者还可存在中间层。

x轴、y轴和z轴不限于直角坐标系的三个轴，并且可在更广泛的意义上解释。例如，x轴、y轴和z轴可彼此垂直，或者可表示彼此不垂直的不同方向。

在下文中，将参照附图详细描述示例性实施例。在附图中，相同的参考标号表示相同或相应的元件，它们的重复描述将被省略。在附图中，为了清楚，层和区域的厚度被放大。此外，在附图中，为了便于描述，层和区域的厚度被夸大。

图1是根据示例性实施例的旋流器组件10的示意性立体图，图2是根据示例性实施例的旋流器组件10的示意性剖视图。

参照图1和图2，根据示例性实施例的旋流器组件10包括底板100、多个叶片110和布置在底板100的表面上的多个空气注入孔120。

底板100具有圆盘形状，并在它的中心处包括开口100OP(参见图3)，多个叶片110布置在底板100的平整表面上。也就是说，底板100支撑多个叶片110。这里，布置有多个叶片110的底板100的表面表示沿穿过底板100的中心O的方向延伸的表面，并且在图1和图2中，该表面被示为对应于X-Y平面。

多个叶片110布置在该表面的支撑多个叶片110的第一区域R1上。这里，第一区域R1表示该表面上的与开口100OP间隔开并朝着底板100的外边缘延伸的区域。也就是说，第一区域R1对应于该表面的沿旋流器组件10的径向方向或者底板100的径向方向的外部区域。因此，多个叶片110可被设置为比开口100OP更靠近底板100的外边缘。

多个叶片110在第一区域R1中被布置为沿着底板100的圆周方向彼此间隔开。多个叶片110中的每个可相对于底板100的径向方向倾斜。因此，当压缩空气被引入到多个叶片110之中的邻近叶片之间的空间中时，空气的旋流(swirl flow)可容易地产生。在下文中，为了便于描述，在邻近叶片之间引入的压缩空气的流将被称为第一空气流A1(图1)。第一空气流A1和燃料流F混合以产生燃料-空气混合物，并将产生的燃料-空气混合物供应到燃室。

多个叶片110具有从开口100OP朝着底板100的外部逐渐增加的横截面宽度。也就是说，多个叶片110具有沿着底板100的径向方向从底板100的内侧朝向底板100的外侧逐渐增加的横截面宽度。例如，在图2中，多个叶片110具有三角形横截面，但是示例性实施例不限于此。作为另一示例，多个叶片110的横截面可部分地具有弯曲轮廓截面，在这种情况下，多个叶片110中的每个可朝着底板100的中心O成螺旋形地布置。

如上所述，多个叶片110中的每个可沿径向方向朝向底板100的中心O简单地布置，但是为了通过增加涡流强度来增加燃料-空气混合物停留的时间段，多个叶片110中的每个可被布置为相对于旋流器组件10的径向方向倾斜。此外，多个叶片110可被配置为朝着多个空气注入孔和多个燃料注入喷嘴引导空气。

多个空气注入孔120布置在底板100的与图1中所示的X-Y平面对应的表面的第二区域R2中。这里，第二区域R2表示位于开口100OP与该表面中的第一区域R1之间的区域。因此，多个空气注入孔120可被布置为比底板100的外侧更靠近开口100OP。

多个空气注入孔120穿透底板100。这样，空气通过多个空气注入孔120从底板100的下表面朝着底板100的上表面被引入，然后，增大或补充上述的第一空气流A1的第二空气流A2被产生。这里，底板100的上表面表示布置有多个叶片110的表面，底板100的下表面表示与上表面相对的表面。穿透底板100引入的第二空气流A2与燃料流F碰撞并促进燃料的雾化。

多个空气注入孔120沿着底板100的圆周方向布置在从多个叶片110之中的邻近叶片之间的区域延伸的区域中。详细地讲，当假设多个叶片110之中的两个邻近叶片是第一叶片111和第二叶片112(参见图2)时，空气注入孔120沿着底板100的圆周方向布置在从第一叶片111与第二叶片112之间的区域延伸的区域中。更详细地讲，一组空气注入孔121和122沿着底板100的圆周方向布置在从第一叶片111与第二叶片112之间的区域延伸的第二区域R2中。作为示例，一组空气注入孔121和122可布置在作为第一叶片111与第二叶片112之间的区域的中心线的第一线L1上。第一线L1可沿相对于底板100的径向方向倾斜的方向延伸，因此，一组空气注入孔121和122也可布置在相对于底板100的径向方向倾斜的方向上。

这里，在第一叶片111的边缘和第二叶片112的边缘之中，邻近的边缘可彼此平行，作为邻近的边缘之间的中心线的第一线L1也可与邻近的边缘平行。因此，布置在第一线L1上的一组空气注入孔121和122也可与邻近的边缘平行布置。然而，第一线L1不限于上述示例，而是可以是第一叶片111的中心线与第二叶片112的中心线之间的中心线，或者可以是通过第一叶片111与第二叶片112之间的区域的各种类型的线。

此外，在图1和图2中，一组空气注入孔121和122包括两个空气注入孔，但是该组可根据设计意图而包括各种数量的空气注入孔。

轴部200通过底板100的开口100OP被插入。轴部200支撑底板100并引导在旋流器组件10中沿+Z方向产生的燃料-空气混合物的流。这里，由轴部200引导的燃料-空气混合物的流可沿着轴部200移动或者围绕轴部200打旋。如图1和图2中所示，当多个叶片110被布置为相对于底板100的径向方向倾斜时，由轴部200引导的流可以是围绕轴部200的旋流。

轴部200可设置为具有圆形(椭圆形)或多边形横截面的杆，在下文中，为了便于描述，将详细描述轴部200具有圆形横截面形状的情况。

轴部200包括多个燃料注入喷嘴210，多个燃料注入喷嘴210形成在轴部200的外壁200W中，以与底板100的布置有多个叶片110的表面相邻。详细地讲，多个燃料注入喷嘴210形成在轴部200的外壁200W的外表面中，并且可沿着作为穿过开口100OP的中心O的径向线的第二线L2布置。因此，多个燃料注入喷嘴210可沿底板100的径向方向注入燃料。

此外，轴部200包括将燃料供应到多个燃料注入喷嘴210中的每个的燃料供应管220。燃料供应管220被埋在轴部200的外壁200W中，稍后将参照图3至图5描述燃料供应管220的具体形状。

此外，图1示出轴部200是空心杆，但是示例性实施例不限于此。也就是说，轴部200可以是实心杆。当轴部200是实心杆时，燃料供应管220可设置为从轴部200的中心处的管径向延伸的管。

此外，设置在轴部200处的燃料注入喷嘴210的数量和燃料供应管220的数量可根据设计意图而变化。因此，燃料注入喷嘴210和燃料供应管220可设置为与如图1和图2中所示的多个空气注入孔120中的一些对应，或者分别与多个空气注入孔120对应。

盖板300可设置在底板100上。详细地讲，盖板300可面对底板100以覆盖多个叶片110的顶部。

此外，盖板300可在与轴部200相邻的位置处弯曲，以部分地包围轴部200。这样，压缩空气和燃料-空气混合物朝着燃室(未示出)流经盖板300与轴部200之间的空间。

在下文中，参照图3至图5，将更详细地描述将空气和燃料引入根据示例性实施例的旋流器组件10并形成燃料-空气混合物的处理。

图3是沿图2的线III-III'截取的剖视图，图4是根据另一示例性实施例的旋流器组件的示意性剖视图，图5是根据另一示例性实施例的旋流器组件的示意性剖视图。

参照图3以及图1和图2，多个叶片110沿Z方向布置在底板100与盖板300之间，由压缩机(未示出)压缩的空气被引入多个叶片110之间(并通过多个叶片110)以形成第一空气流A1。如上所述，通过底板100上的两个邻近/相邻叶片的第一空气流A1在与轴部200相邻的位置处弯曲或转向，此后，第一空气流A1沿大约+Z方向行进通过盖板300与轴部200之间的空间。

第一空气流A1和燃料流F混合以产生供应到燃烧室(未示出)的燃料-空气混合物，此时，为了使第一空气流A1和燃料流F均匀地混合，将使流混合所需的时间段必须增加。

因此，在示例性实施例中，燃料注入喷嘴210布置在底板100的引入第一空气流A1的侧部，以增加使第一空气流A1和燃料流F混合的混合长度ML。这里，混合长度ML表示在+Z方向上从上述燃料和空气流彼此接触的点到该流从旋流器组件被排放的点的长度。如上所述，可通过增加混合长度ML来获得用于使第一空气流A1和燃料流F混合的充足的时间段。

这里，燃料供应管220可连接到燃料注入喷嘴210，以便将燃料供应到燃料注入喷嘴210。作为示例，燃料供应管220被埋在轴部200的外壁200W中，燃料供应管220在轴部200的纵向方向上延伸以到达燃料注入喷嘴210。燃料供应管220连接到额外的燃料存储器(未示出)以将存储在燃料存储器中的燃料运送到燃料注入喷嘴210，燃料可通过燃料注入喷嘴210的具有高注入力的相对窄的出口注入。

此外，为了提高第一空气流A1和燃料流F的混合性能，需要使燃料雾化。这里，促进燃料雾化的方法之一是使燃料与空气碰撞以使燃料雾化。

此外，因为燃料注入喷嘴210位于与底板100相邻而不是与盖板300相邻的位置，所以燃料流F在第一空气流A1弯曲或转向的弯曲区域B处与第一空气流A1碰撞。这里，因为第一空气流A1在弯曲区域B处弯曲或转向，所以与燃料流F碰撞的力减小，因此，燃料的雾化效果也降低。

因此，根据本公开的示例性实施例，空气注入孔120被设置为穿透底板100，因此，通过空气注入孔120引入的第二空气流A2与燃料流F碰撞。这样，仅使用第一空气流A1无法充分执行的燃料雾化处理可由第二空气流A2触发。

在图3中所示的示例性实施例中，空气注入孔120可沿与底板100的厚度方向(+Z方向)平行的方向穿透底板100。这样，第二空气流A2通过底板100所花费的时间可被减小，第二空气流A2可快速地到达燃料流F。

接下来，图4中所示的示例性实施例可具有除了空气注入孔120穿透底板100的方向之外与图3中所示的先前实施例相同或相似的结构。

参照图4，空气注入孔120可沿相对于底板100的厚度方向(+Z方向)倾斜的方向穿透底板100。这样，第二空气流A2的湍流特性被加强，因此，第二空气流A2与燃料流F之间的混合强度可被进一步提高。

详细地讲，布置在轴部200的相对侧的空气注入孔120可彼此平行地穿透底板100。因此，位于轴部200的+X方向的空气注入孔120相对于X轴沿与燃料流F相同的方向注入空气，位于轴部200的-X方向的空气注入孔120相对于X轴沿与燃料流F相反的方向注入空气。也就是说，从沿底板100的径向方向彼此面对的空气注入孔120注入的第二空气流A2可在相同的方向上。

接下来，图5中所示的实施例除了空气注入孔120相对于底板100的厚度方向(+Z方向)倾斜之外与图4中所示的先前实施例相同或相似。也就是说，该示例性实施例与图3中所示的先前实施例及其修改的示例不同之处在于：空气注入孔120穿透底板100以相对于底板100的厚度方向(+Z方向)倾斜，并且该示例性实施例与图4中所示的先前实施例及其修改的示例不同之处在于：每个第二空气流A2沿与底板100上的燃料流F相似的方向行进。

参照图5，与图4中所示的实施例及其修改的示例类似，空气注入孔120可穿透底板100以相对于底板100的厚度方向(+Z方向)倾斜。因此，如上所述，第二空气流A2的湍流特性被加强，因此，第二空气流A2与燃料流F之间的混合强度可被进一步提高。

详细地讲，布置在轴部200的相对侧的空气注入孔120可基于Z轴彼此对称地穿透底板100。因此，位于轴部200的+X方向和-X方向上的空气注入孔120可相对于X轴沿与燃料流F的方向相同的方向注入空气。也就是说，从沿底板100的径向方向彼此面对的空气注入孔120注入的第二空气流A2可彼此相对。

此外，在图2中所示的一组空气注入孔120中，每个空气注入孔120的倾斜方向可彼此不同地形成。

如上所述，根据本公开的实施例，燃料和空气的混合时间可被增加，并且燃料的雾化可被促进，因此，氮氧化物的产生可被减少，燃烧室的低污染性能可被提高。

根据本公开的实施例，燃料和空气的混合时间可被增加。

此外，燃料的雾化可被触发并加强。

此外，因为氮氧化物的产生被减少，所以燃烧室的低污染性能可被提高。

然而，本公开的范围不限于上述效果。

应理解，在此描述的示例性实施例应仅在描述意义上被考虑而不是为了限制的目的。每个实施例内的特征或方面的描述通常应被认为可用于其他实施例中的其他相似特征或方面。

尽管已经参照附图描述了一个或多个示例性实施例，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (11)

1.一种旋流器组件，包括：

底板，在底板的中心处具有开口；

多个叶片，布置在底板的表面的第一区域上，所述多个叶片沿着底板的圆周方向彼此间隔开；

多个空气注入孔，布置在底板的表面的第二区域中，并且布置在所述多个叶片中的彼此相邻的叶片之间，第二区域位于开口与底板的表面的第一区域之间，

盖板，覆盖所述多个叶片，使得所述多个叶片设置在所述盖板与所述底板之间；以及

轴部，通过所述开口插入以支撑所述底板，

其中，所述多个空气注入孔形成为朝向与所述轴部的纵向平行的第一方向，

其中，所述轴部包括：多个燃料注入喷嘴，形成为朝向与所述第一方向垂直的第二方向，

其中，所述盖板在接近于所述轴部的位置弯曲而围绕所述轴部，使得来自所述空气注入孔的空气和来自所述燃料注入喷嘴的燃料的混合物流经所述盖板与所述轴部之间的空间。

2.根据权利要求1所述的旋流器组件，其中，所述多个叶片中的每个被布置为相对于底板的径向方向倾斜。

3.根据权利要求1所述的旋流器组件，其中，所述多个空气注入孔布置在所述多个叶片的相邻叶片之间。

4.根据权利要求1所述的旋流器组件，其中，所述多个叶片包括：

第一叶片；

第二叶片，与第一叶片相邻，

其中，所述多个空气注入孔中的一组空气注入孔布置在第二区域的从设置在第一叶片与第二叶片之间的部分延伸的部分中。

5.根据权利要求4所述的旋流器组件，其中，所述一组空气注入孔布置在相对于底板的径向方向倾斜的方向上。

6.根据权利要求1所述的旋流器组件，其中，所述多个空气注入孔中的每个相对于底板的厚度方向倾斜。

7.根据权利要求1所述的旋流器组件，其中，所述多个燃料注入喷嘴被配置为沿底板的径向方向注入燃料。

8.根据权利要求7所述的旋流器组件，其中，轴部具有空心杆形状，并包括嵌入在轴部的外壁中的燃料供应管，燃料供应管沿着轴部的纵向方向延伸并被配置为将燃料供应到所述多个燃料注入喷嘴中的每个。

9.根据权利要求7所述的旋流器组件，其中，所述盖板面对底板，

其中，所述多个燃料注入喷嘴位于比盖板更靠近底板的位置。

10.一种旋流器组件，包括：

底板，在底板的中心处具有开口；

多个叶片，沿着底板的圆周方向布置，所述多个叶片沿底板的径向方向设置在底板上的外部区域；

多个空气注入孔，布置在底板的内部区域中，并且布置在所述多个叶片中的彼此相邻的叶片之间，内部区域沿底板的径向方向位于开口与底板的外部区域之间；

轴，设置为通过开口并包括设置在轴的外表面上的多个燃料注入喷嘴；以及

盖板，覆盖所述多个叶片，使得所述多个叶片设置在盖板与底板之间，

其中，所述多个叶片被配置为朝着所述多个空气注入孔和所述多个燃料注入喷嘴引导空气，

其中，所述多个空气注入孔形成为朝向与所述轴的纵向平行的第一方向，

其中，所述多个燃料注入喷嘴形成为朝向与所述第一方向垂直的第二方向，

其中，所述盖板在接近于所述轴的位置弯曲而围绕所述轴，使得所述空气和来自所述燃料注入喷嘴的燃料的混合物流经所述盖板与所述轴之间的空间。

11.根据权利要求10所述的旋流器组件，其中，所述多个叶片包括：

第一叶片；

第二叶片，与第一叶片相邻，

其中，所述多个空气注入孔中的一组空气注入孔布置在内部区域的从设置在第一叶片与第二叶片之间的部分延伸的部分中。

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