CN110030582B - 用于燃气涡轮的再热喷燃器和包括再热喷燃器的燃气涡轮 - Google Patents

Abstract

一种用于燃气涡轮（1）的喷燃器（22），其包括：具有平行于主气流方向（M）的轴线（24）的气流通道（25）；包括至少一个流线体（28）的至少一个燃料喷射器（26），流线体沿正交于气流方向（M）的平面的第一横向方向（29）跨过气流通道（25）直线地延伸；其中流线体（28）包括具有转折点（34）和叶型的叶状形状的后缘（31），叶型沿与正交于气流方向（M）的平面中的第一横向方向（29）正交的第二横向方向（33）交替指向相反方向。其中叶状形状的后缘（31）是锥线叶状形状的后缘（31），其具有基本平行于第一横向方向（29）的顶点部分（35）和将转折点（34）连接至顶点部分（35）的两个侧边部分（36）。

Description

用于燃气涡轮的再热喷燃器和包括再热喷燃器的燃气涡轮

相关申请的交叉引用

此申请要求享有于2017年11月17日提交的申请号为2017140045的俄国专利申请的优先权，通过引用包括该俄国专利申请的公开内容。

技术领域

本发明涉及一种用于动力设备的燃气涡轮的再热喷燃器。特别地，本发明涉及用于燃气涡轮的再热喷燃器的燃料喷射器的后缘的形状。此外，本申请涉及一种燃气涡轮，其具有沿主气流串联的第一喷燃器或预混合喷燃器以及设有上文提到的燃料喷射器的第二喷燃器或再热喷燃器。

背景技术

如已知的那样，用于动力设备的燃气涡轮（在下文中仅为燃气涡轮）包括设有上游压缩机部分、燃烧器部分和下游涡轮部分的转子。用语下游和上游参考通过燃气涡轮的主气流的方向。特别地，压缩机包括供有空气的入口和压缩经过的空气的多个叶片。离开压缩机的压缩空气流到压室（即，封闭容积）中，且从那里流到燃烧器中。在燃烧器内部，压缩空气与至少一种燃料混合。燃料和压缩空气的混合物流到燃烧器内部的燃烧室中（在该处，此混合物燃烧）。所得到的热气体离开燃烧器，且在涡轮中膨胀，从而在转子上做功。

为了实现高效率，需要高的涡轮入口温度。然而，由于此高温，生成高的NOx排放。

为了减少这些排放且提高操作灵活性，现今已知执行连续燃烧循环的特定类型的燃气涡轮。

大体上，连续燃气涡轮包括串联的两个燃烧器，其中每个燃烧器设有相关的喷燃器和燃烧室。沿着主气流方向，上游燃烧器称为“预混合”燃烧器且由压缩空气供给。下游燃烧器称为“连续”或“再热”燃烧器且由离开第一燃烧室的热气体供给。根据第一类型的连续燃气涡轮，两个燃烧器通过称为高压涡轮的涡轮叶片级物理地分离。

沿着主气流，该第一类型的连续燃气涡轮包括压缩机、第一燃烧器、高压涡轮、第二燃烧器和低压涡轮。压缩机和两个涡轮可连接至共同的转子，该转子围绕轴线旋转且由同心壳包围。

现今已知未设有高压涡轮的第二类型的连续燃气涡轮，且其中预混合和再热燃烧器在共同的壳（特别是筒形壳）内部一个在另一个下游直接地布置。根据该类型的连续燃气涡轮，多个筒式燃烧器提供成布置为围绕涡轮轴线的环。每个筒式燃烧器设有过渡管道，其布置在第二燃烧室下游以用于使离开燃烧器的热气体朝涡轮（特别是朝涡轮的第一导叶）引导。

如前面提到的那样，再热燃烧器包括再热喷燃器，该再热喷燃器设有单燃料或双燃料喷射器，其构造成在通过再热喷燃器的热气流中输送燃料（油燃料和气体燃料）。此外，再热燃烧器可设有混合装置，其可集成在再热喷燃器的燃料喷射器中。再热喷燃器（特别是再热喷燃器的壳）限定热气流通道，该热气流通道具有轴线且容纳燃料喷射器。喷燃器的轴线平行于热气流方向，使得在下文中可能无差别地参考喷燃器轴线或气流方向。此热气流通道的截面（即，正交于气流方向的区段）可为圆形、方形/矩形或环形的。对于圆形和方形/矩形的构造，燃料可通过喷枪（关于再热喷燃器轴线平行但偏置）供给到燃料喷射器。特别地，喷枪在此情况下至少部分地布置在气流通道外部。对于环形构造，燃料喷枪通常沿喷燃器轴线设置。

提到了上文描述的不同类型的燃气涡轮，因为本发明可应用在所有这些不同的燃气涡轮中。

现今已知向再热喷燃器提供双燃料喷射器，该双燃料喷射器包括至少一个流线体，其具有沿气流方向的前缘和后缘且沿第一横向方向跨过气流通道基本直线地延伸。该第一横向方向在正交于气流方向的平面中正交于气流方向。对于具有圆形或方形/矩形截面的热气体通道，再热喷燃器包括如上文限定且沿共同的第一横向方向彼此平行布置的多个双燃料喷射器。对于具有环形截面的热气体通道，再热喷燃器包括关于喷燃器轴线径向地布置的多个双燃料喷射器。在此情况下，第一横向方向对应于关于喷燃器轴线的径向方向。每个流线体的后缘设有多个燃料喷嘴。这些喷嘴可为双燃料喷嘴，此外带有用于输送运载空气的额外通道，或喷射器后缘可包括第一系列的液体燃料喷嘴和分离的第二系列的气体燃料喷嘴。这些喷嘴的轴线通常平行于喷燃器轴线。然而，特别是对于液体燃料喷嘴，喷嘴轴线可关于喷燃器轴线成角度，以便避免液体喷射的射流和喷燃器壳之间的相互作用。

已知向再热喷燃器提供混合装置，该混合装置构造成用于将喷射的燃料与经过的热气流混合。

为了将混合装置集成在燃料喷射器中，已知向流线体的后缘提供沿第一横向方向形成波浪的叶状形状。特别地，该叶状形状的顶点交替地指向第二横向方向的相反方向。该第二横向方向在正交于气流方向的平面中正交于第一横向方向。在环形构造中，该第二横向方向对应于以喷燃器轴线为中心的周向方向。相邻燃料喷射器的叶型可同相或异相。液体或油燃料喷嘴通常定位在叶状形状后缘的转折点处，而气体喷嘴沿叶状形状后缘的剩余部分定位。

现今已知向后缘提供圆形叶状形状或直线叶状形状。相对于仅允许生成流向涡流的圆形叶状形状，直线叶状形状生成更多剪切类型的喷射燃料流。然而，直线叶状形状涉及较高的压降，且此外具有由几何限制引起的对于多点喷射的设计约束。

现今需要改进再热喷燃器燃料喷射器的叶状后缘以便具有直线叶状形状和圆形叶状形状之间的中间解决方案。

发明内容

本发明的主要目标在于提供用于燃气涡轮的再热喷燃器的燃料喷射器的新的叶状形状后缘。

为了实现上文提到的目标，本发明提供用于燃气涡轮的喷燃器，特别是再热喷燃器，其中该喷燃器包括：

- 气流通道，其由喷燃器壳限定且具有平行于主气流方向的轴线；

- 至少一个燃料喷射器或双燃料喷射器，其中每个喷射器包括流线体，该流线体具有沿气流方向的前缘和后缘，且在正交于气流方向的平面中沿正交于气流方向的第一横向方向跨过气流通道直线地延伸。

上述流线体的后缘包括沿第一横向方向的叶状形状，其具有转折点和叶型的顶点，叶型的顶点沿第二横向方向交替地指向相反方向。该第二横向方向在正交于气流方向的平面中正交于第一横向方向。

根据本发明的主要方面，喷射器后缘的叶状形状是锥线叶状形状，其具有基本平行于第一横向方向的顶点部分和将转折点连接至顶点部分的侧边部分。

特别地，上述锥线叶状形状限定为由五个几何边界条件控制的周期二次方程；其中五个几何边界条件包括明确限定的两个点、由第一几何参数限定的两个点、由第二几何参数限定的一个。

优选地，第一几何参数限定为顶点部分沿第一横向方向的长度和两个转折点的距离的比率。该第一几何参数或斜率比包括于0.5和0.9之间且优选为0.588。

优选地，第二几何参数限定为比率b/B。给定通过转折点和顶点的第一线L；给定叶状形状在转折点处的第一切线T1，给定顶点的第二切线T2，给定垂直于第一线L且通过第一切线T1与第二切线T2之间的交点的第二线L2，b限定为在第二线L2上测量的叶状形状和第一线L之间的距离，且B限定为在第二线L2上测量的第一切线T1与第二切线T2之间的交点和第一线L之间的距离。

该第二几何参数或锥线参数包括于0.5和0.75之间，且优选为0.504。

有利地，本发明的叶状形状允许减小压降、增加燃料和热气体之间的混合且减轻逆燃风险的风险。

应理解的是，前面的大体描述和以下详细描述均是示例性的，且旨在提供如要求保护的发明的进一步说明。本发明的其他优点和特征将从以下描述、附图和权利要求显而易见。

认为是新颖的发明的特征在所附权利要求中详细阐述。

附图说明

在适当参考附图仔细阅读详细描述之后，本发明的另外的益处和优点将变得显而易见。

然而，本发明自身可结合附图参考本发明的以下详细描述（其描述本发明的示例性实施例）来最好地理解，在附图中：

- 图1是可设有根据本发明的喷燃器的用于动力设备的燃气涡轮的示意图；

- 图2是用于设有串联的预混合和再热喷燃器的用于动力设备的燃气涡轮的筒式燃烧器的示意图，其中此再热喷燃器可根据本发明来构造；

- 图3是图2的筒式燃烧器的再热喷燃器的示意图；

- 图4和图5是可根据本发明来构造的备选类型的再热喷燃器的示意图；

- 图6和图7是可根据本发明来构造的用于再热喷燃器的燃料喷射器的示意图；

- 图8是根据本发明的具有带有锥线叶状形状的后缘的燃料喷射器的示意图；

- 图9和图10是限定根据本发明的再热喷燃器燃料喷射器的后缘的锥线叶状形状的两个几何参数的示意图；

- 图11是图9的几何参数在根据本发明的再热喷燃器燃料喷射器的后缘的叶状形状上的影响的示意图；

- 图12是图10的几何参数在根据本发明的再热喷燃器燃料喷射器的后缘的叶状形状上的影响的示意图；

- 图13是图9和图10的几何参数在根据本发明的再热喷燃器燃料喷射器的后缘的叶状形状上的组合影响的示意图；

- 图14-图17分别是已知的叶状喷射器和新的叶状喷射器（构造成避免通过位于叶型转折点处的油喷嘴输送的油燃料对喷燃器壳的油冲击）之间的比较的示意性侧视图和轴向视图。

具体实施方式

与附图结合，本发明的技术内容和详细描述在下文中根据优选实施例（不用来限制其实施范围）描述。根据所附权利要求作出的任何等同的变型和修改全部由本发明所要求保护的权利要求覆盖。

现在将参考附图来详细描述本发明。

现在参考图1，图1是用于动力设备的燃气涡轮（其可设有根据本发明的喷燃器）的示意图。特别地，图1公开燃气涡轮1，其具有轴线9且包括压缩机2、燃烧器部分4和涡轮3。如已知的那样，环境空气10进入压缩机2，且压缩空气离开压缩机2且进入压室16（即，由外壳17限定的容积）中。压缩空气47从压室16进入燃烧器中，该燃烧器包括围绕轴线9环形地布置的多个筒式燃烧器4。用语环形、径向、轴向、内和外参考轴线9，而用语下游和上游参考气体主流。每个筒式燃烧器4至少包括第一喷燃器5，在该处压缩空气47与至少一种燃料混合。此混合物然后在燃烧室6中燃烧，且所得到的热气体15在过渡管道28（在下游连接至涡轮3）中流动。涡轮3包括由导叶托架14支承的多个导叶12（即，定子叶片）以及由转子8支承的多个叶片13（即，转子叶片）。在涡轮3中，热气体15膨胀从而在转子8上做功，且以排气11的形式离开涡轮3。

现在参考图2，其为可在图2的燃气涡轮中应用的筒式燃烧器的示意图。特别地，图2公开了筒式燃烧器4，该筒式燃烧器4容纳在外壳17的相关的入口孔中，从而限定压室16，其中压缩空气由压缩机2输送。筒式燃烧器4具有轴线24，且包括沿气流M串联的第一燃烧器或预混合燃烧器18以及第二燃烧器或再热燃烧器19。特别地，第一燃烧器18包括第一或预混合喷燃器20以及第一燃烧室21。再热燃烧器19包括再热喷燃器22和第二燃烧室23。喷燃器轴线24平行于气流方向M，且再热喷燃器22的壳限定用于气流的通道25（在图3-图5中公开）。再热喷燃器包括多个燃料喷射器26，特别是双燃料和运载空气的喷射器，其跨过通道25布置以用于在经过的热气体中喷射燃料。根据图2的实施例，燃料由燃料喷枪27供给至燃料喷射器26，该燃料喷枪27轴向地延伸通过第一燃烧室21直到再热喷燃器22。在第二燃烧室23下游，筒式燃烧器4包括用于将热气流引导到涡轮3的过渡管道28。

现在参考图3，图3是图2的筒式燃烧器的再热喷燃器的示意图。特别地，图3示出再热喷燃器22沿正交于轴线24且正交于热气流方向的平面的下游视图。由于沿轴线布置的喷枪27的存在，再热通道25限定为环形通道（即，具有正交于筒轴线24的环形截面），且燃料喷射器26关于筒轴线沿方向29径向地布置。图3的燃料喷射器26的叶状形状和方向29将在图6和图7的以下描述中详细描述。

现在参考图4和图5，图4和图5是可根据本发明来构造的备选类型的再热喷燃器的示意图。根据图4的实施例，再热喷燃器包括具有方形/矩形截面的通道25，且燃料喷射器沿第一横向方向29平行布置。根据图5的实施例，再热喷燃器包括具有圆形截面的通道25，且同样在此实施例中，燃料喷射器在正交于热气体方向的平面中沿横向方向29平行布置。在图4-图5的这些实施例中，燃料由在喷燃器壳外部经过的喷枪供给至燃料喷射器。

现在参考图6和图7，图6和图7是可根据本发明来构造的用于再热喷燃器的叶状燃料喷射器的示意图。燃料喷射器包括流线体28，该流线体28具有沿主流方向M的前缘30和后缘31。流线体28跨过再热通道25的整个截面沿正交于气流方向的第一横向方向29从第一点直线地延伸到相对的点。流线体28的后缘31具有沿横向方向29的叶状形状。叶型的顶点32交替地指向正交于第一横向方向29的第二横向方向33的相反方向。相邻燃料喷射器的叶型可同相或异相，且叶状形状的转折点34优选地沿喷射器的中心平面定位。叶型从前缘30逐渐延伸到后缘31。叶状后缘31（特别是至少在转折点34处）设有多个燃料喷嘴或双燃料喷嘴和/或空气喷嘴。

在双燃料喷射器的情况下，液体或油喷嘴定位在转折点34处，且多个气体喷嘴定位在叶状边缘的剩余部分处。

现在参考图8，图8是根据本发明的具有带有锥线叶状形状的后缘的燃料喷射器的示意图。根据本发明，叶状形状限定为锥线叶状形状，其可认为是在叶状圆形形状和叶状直线形状之间的中间物。实际上，如发明的概要中报道的那样，在正交于喷燃器轴线的截面中，所要求保护的锥线叶状形状包括基本平行于第一横向方向29的顶点部分35（即，包括顶点部分35的中点或顶点32的部分）和将转折点34连接至顶点部分35的两个侧边部分36。

现在参考图9和图10，图9和图10是允许在几何上限定根据本发明的锥线叶状形状的两个几何参数的示意图。图9中公开的第一参数称为“斜率比”或SL，且它通过叶状形状的波长λ的一半（即，两个转折点34的距离）和顶点部分32沿第一横向方向29的长度A的比率来限定。参数SL包括从0（其中叶状形状是三角形形状且顶点部分32沿第一横向方向29的长度A为0）到1（其中叶状形状是直线形状且顶点部分32沿第一横向方向29的长度A等于两个转折点34的距离）。图10中公开的第二参数称为“锥线参数”或K，且它由比率b/B限定。给定通过转折点34和顶点32的第一线L；给定叶状形状在转折点34处的第一切线T1，给定顶点32的第二切线T2，给定垂直于第一线L且通过第一切线T1与第二切线T2之间的交点的第二线L2，b限定为在第二线L2上测量的叶状形状和第一线L之间的距离，且B限定为在第二线L2上测量的第一切线T1与第二切线T2之间的交点和第一线L之间的距离。参数K描述侧边部分36关于第二横向方向33的倾斜度。参数K也包括从0到1。

通过使用上文描述的两个参数，本发明的锥线叶状形状可限定为由5个几何边界条件控制的周期二次方程。这5个几何边界条件包括明确限定的两个点（即，转折点）、由SL参数限定的两个点和由K参数限定的1个点。

现在参考图11，图11是几何参数SL在具有等于0.6的K参数的叶状形状上的影响的示意图。

现在参考图12，图12是几何参数K在具有等于0.7的SL参数的叶状形状上的影响的示意图。

现在参考图13，图13是几何参数SL和K在根据本发明的叶状形状上的组合影响的示意图。

在恒定的K的情况下，通过增加SL，尖锐转角出现在叶型的顶点上。在恒定的SL的情况下，通过增加SL，叶状形状变为三角形形状。通过增加SL和K，形状从弯曲的叶型变到直线叶型。

如前面描述的那样，在双燃料喷射器的情况下，液体或油喷嘴定位在转折点34处，而多个气体喷嘴沿叶状边缘的剩余部分定位。已知向液体或油喷嘴提供关于喷燃器轴线成角度或倾斜的喷嘴轴线以便避免液体喷射的射流之间的相互作用以及液体喷射的射流和喷燃器壳之间的相互作用。然而，也由于这些倾斜的液体或油喷嘴，可发生对喷燃器壳的油冲击。

现在参考图14-图17，图14-图17分别是用于再热喷燃器的新的叶状喷射器和已知的叶状喷射器之间的比较的示意性侧视图和轴向视图。这种新的叶状喷射器构造成避免通过位于转折点处的油喷嘴输送的油燃料对喷燃器壳的油冲击。

图14和图16公开了已知的叶状喷射器26，该叶状喷射器26具有两个油喷嘴（分别是关于喷燃器轴线24的外油喷嘴和内油喷嘴），其位于喷射器后缘31中的两个转折点34处。由于叶状形状从前缘30逐渐延伸到后缘31，从转折点34处的油喷嘴开始，可能限定从后缘31延伸到前缘30的叶状转折线37。在两个油喷嘴（即，外油喷嘴和内油喷嘴）的情况下，叶状喷射器26包括外叶状转折线和内叶状转折线37。根据图14和图16的现有技术实践，外叶状转折线和内叶状转折线37均平行于喷燃器轴线24。在此实施例中，为了避免燃料油对喷燃器壳的油冲击，必须向油喷嘴提供关于叶状转折线37倾斜的喷嘴轴线。特别地，喷嘴轴线朝喷燃器轴线24倾斜。令人遗憾的是，这种成角度的构造昂贵且牵涉在喷嘴寿命上的负面效果。

图15和图17公开了叶状喷射器26，其具有两个油喷嘴，分别是关于喷燃器轴线24的外喷嘴和内喷嘴。同样对于此叶状喷射器26，可能如前面描述的那样限定内叶状转折线和外叶状转折线37。特别地，至少在后缘31处，这些叶状转折线37不平行于喷燃器轴线24，而是朝喷燃器轴线24倾斜。由于这种成角度的构造，也可在图17的轴向视图中至少部分地看到叶状转折线37。如图15中公开的那样，在后缘31下游，每条叶状转折线37的虚拟线性延长线（prosecution）形成关于喷燃器轴线24的角度α、β。优选地，外叶状转折线37的角度α大于内叶状转折线37的角度β，因为由外喷嘴喷射的油具有对喷燃器壳冲击的较高风险。图15和图17的解决方案允许在转折点34处实现具有与相关的叶状转折线37对准的喷嘴轴线的油喷嘴。因此，根据此解决方案，喷嘴易于实现，确保较高的寿命，且同时适合于避免对喷燃器壳的油冲击。当然，图15和图17的油喷嘴还可设有关于相关的倾斜叶状转折线37倾斜的轴线。此解决方案进一步改进避免对喷燃器壳的油冲击的效果。带有倾斜叶状转折线37的解决方案可在本发明的锥线叶状形状喷射器中和普通的圆形叶状形状喷射器中应用。

虽然本发明已关于如上文提到的其优选实施例进行说明，应理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可作出许多其他可能的修改和变型。因此，可构想出的是，所附的一项权利要求或多项权利要求将覆盖落入本发明的真实范围内的此类修改和变型。

Claims (6)

1.一种用于动力设备的燃气涡轮；所述燃气涡轮具有轴线且沿气流方向包括：

- 用于压缩环境空气的压缩机部分，

- 用于将压缩物与至少一种燃料混合和燃烧的燃烧器，

- 至少一个涡轮，其用于使离开所述燃烧器的燃烧的热气流膨胀且在转子上做功；

其中所述燃烧器包括多个筒式燃烧器，每个筒式燃烧器均串联地容纳上游喷燃器和下游喷燃器；

所述下游喷燃器包括：

- 气流通道，其具有平行于主气流方向的轴线；

- 至少一个燃料喷射器，其包括至少一个流线体，所述流线体沿正交于所述气流方向的平面的第一横向方向跨过所述气流通道直线地延伸；

其中所述流线体包括叶状形状的后缘，所述叶状形状的后缘具有叶型的顶点和沿所述喷射器的中心平面沿所述第一横向方向定位的转折点，所述叶型的顶点沿与正交于所述气流方向的平面中的第一横向方向正交的第二横向方向交替地指向相反方向；

其中所述叶状形状的后缘 在所述转折点处设有多个燃料喷嘴；

其特征在于，每个叶型包括基本平行于所述第一横向方向的顶点部分和将所述转折点连接至所述顶点部分的两个侧边部分；

其中所述叶状形状的后缘在几何上限定为通过两个转折点且由五个几何边界条件控制的形状；其中所述五个几何边界条件包括明确限定的为转折点的两个点、由第一几何参数限定的两个点、由第二几何参数限定的一个点；

其中所述第一几何参数限定为两个转折点的距离和所述顶点部分沿所述第一横向方向的长度之间的比率；

其中所述第二几何参数限定为由比率b/B限定；给定通过转折点和所述顶点的第一线；给定所述叶状形状在所述转折点处的第一切线，给定所述顶点的第二切线，给定垂直于所述第一线且通过所述第一切线与所述第二切线之间的交点的第二线，b限定为在所述第二线上测量的所述叶状形状和所述第一线之间的距离，且B限定为在所述第二线上测量的所述第一切线与所述第二切线之间的交点和所述第一线之间的距离；

其中所述第一几何参数包括于0.5和0.9之间；

其中所述第二几何参数包括于0.5和0.75之间。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮，其特征在于，所述第一几何参数为0.588。

3.根据权利要求2所述的燃气涡轮，其特征在于，所述第二几何参数为0.504。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的燃气涡轮，其特征在于，所述气流通道包括圆形截面。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的燃气涡轮，其特征在于，所述气流通道包括方形或矩形截面。

6.根据权利要求1至3中的任一项所述的燃气涡轮，其特征在于，所述气流通道包括环形截面。

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