CN116379472A - 带有直列式喷射器的喷燃器组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有直列式喷射器的喷燃器组件，具体地，一种用于重型燃气涡轮发动机的喷燃器组件具有主喷燃器(15)，该主喷燃器(15)围绕喷燃器轴线(B)延伸并包括：旋流器(7)，其具有围绕喷燃器轴线(B)周向地分布的多个叶片(24)，其中，混合通道(25)限定在相邻叶片(24)的相应对之间；多个直列式喷射器(35)，其布置在相应的混合通道(25)的入口部段处并具有相应的直列式喷嘴(36)，该直列式喷嘴(36)构造成在流过相应的混合通道(25)的流体的相应的流动方向(F)上排放。

Description

带有直列式喷射器的喷燃器组件

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2021年12月30日提交的欧洲专利申请No.21218284.4的优先权，该申请的全部公开内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及带有直列式喷射器的喷燃器组件。

背景技术

如已经知道的，燃气涡轮发动机(尤其是如果在发电设备中使用)可被供以不同类型的燃料。特别地，已知不同性质和特性的燃料气体(天然气、合成气)或如柴油燃料的燃料油可被喷射到燃气涡轮中。最近，满足对减少污染物排放的要求的需要导致开发也接受氢气的燃气涡轮发动机。因此，燃气涡轮发动机配备有具有多个喷射器或喷燃器的喷燃器组件。专门设计用于输送燃料油的轴向喷枪喷射器沿着喷燃器轴线延伸。预混合或扩散型的轴向先导喷燃器(pilot burner,有时也称为导燃器)围绕喷枪喷射器延伸，并且通常依靠诸如天然气或合成气的燃料气体、燃料油或氢气运行。所谓的预混合对角喷燃器具有截头圆锥形形状，并且围绕相应的先导喷燃器布置。对角喷燃器可被供应燃料油、燃料气体或氢气中的任何。更具体地，预混合对角喷燃器具有多个旋流叶片，所述旋流叶片限定混合通道并引起流过其中的空气围绕喷燃器轴线的旋转。燃料供给通路径向地延伸穿过叶片，并且通过叶片的侧面(内弧面和/或外弧面)中的出口排放到混合通道中。由此实现了横流燃料喷射。虽然当供应气体时横流喷射是有益的，因为获得了空气和燃料的高效混合，但是当使用诸如氢气的高活性燃料时，可能会出现问题。事实上，与横流喷射特别地相关联的涡流的种类可导致低速区域和可能的再循环，这增加了驻焰或回火的风险。另外，横流喷射对动量通量比的变化敏感，动量通量比的变化也与具有不同韦伯指数的燃料相关联。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种允许克服或至少减少上述缺陷的喷燃器组件。

根据本发明，提供了一种用于重型燃气涡轮发动机的喷燃器组件，该喷燃器组件包括主喷燃器，该主喷燃器围绕喷燃器轴线延伸并且包括：

旋流器，其具有围绕喷燃器轴线周向地分布的多个叶片，其中，混合通道限定在相邻叶片的相应对之间；

多个直列式喷射器，其布置在相应的混合通道的入口部段处，并且具有构造成在流过相应的混合通道的流体的相应的流动方向上排放的相应的直列式喷嘴。

直列式喷射器构造成基本上在进入混合通道的空气的流动方向上输送燃料并且避免通常与横流喷射相关联并可导致低速区域的涡流。因此，当使用如氢气的高活性燃料时，流速不受干扰，驻焰或回火的风险降低。由于直列式喷射器位于混合通道的入口处，基本上其整个长度都可用于实现充分的混合，因此与横流流动喷射相关联的更大的混合效果是不必要的。

根据本发明的一个方面，直列式喷射器包括具有后缘的相应翼型柱，其中，直列式喷嘴在相应的后缘处排放。

因此，进入混合通道的空气流不受直列式喷射器的形状或燃料的输送的干扰。

根据本发明的一个方面，直列式喷嘴构造成在后缘处沿着相应的直列式喷射器的中弧线(camber line)的切线排放。

因此，输送的燃料流在方向上与进入混合通道的空气流一致，并且避免了可导致速度的下降的湍流。

根据本发明的一个方面，直列式喷射器的侧表面至少在后缘处形成凸出部(lobe,有时也称为叶形部)和/或设置有涡流发生器，该涡流发生器布置在相应的后缘的上游并构造成使流旋动。

如果需要更大的混合速率，可将特征添加到直列式喷射器的后缘和/或侧表面。凸出部和涡流发生器可设计成在平均流动方向周围引起旋流，而不会引起流动的再循环或停滞。因此，当使用高活性燃料时，可在任何位置处保持足够的流速，以防止驻焰和回火。

根据本发明的一个方面，主喷燃器包括具有截头圆锥形外表面的内本体和具有截头圆锥形内表面的外本体，其中，在内本体的截头圆锥形外表面和外本体的截头圆锥形内表面之间限定环形空间，并且其中，叶片在环形空间中延伸，内本体优选地是整体的。

因此，喷燃器组件包括若干喷燃器，其允许依靠多种燃料(包括氢气)操作，并且还足够柔性以应对由市场和监管机构当前要求的大范围的操作条件。整体式内本体防止来自氢气充气室的任何泄漏，这种泄漏原本可能由于密封件的老化或固有缺陷而发生。

根据本发明的一个方面，喷燃器组件包括第一充气室，该第一充气室集成在内本体中并且流体地联接到直列式喷射器的直列式喷嘴。

根据本发明的一个方面，叶片设置有相应的第一横流喷嘴，该第一横流喷嘴构造成通过相应叶片的侧表面在横向于流动方向的第一横流方向上排放到相应叶片的混合通道中。

根据本发明的一个方面，喷燃器组件包括第二充气室，该第二充气室流体地联接到第一横流喷嘴并与直列式喷嘴流体地脱离，其中，第一充气室与第一横流喷嘴流体地脱离，第二充气室优选地集成在内本体中。

根据本发明的一个方面，喷燃器组件包括在内本体的截头圆锥形外表面中的第二横流喷嘴，该第二横流喷嘴构造成在横向于流动方向并且优选地不同于第一横流方向的第二横流方向上排放。

根据本发明的一个方面，喷燃器组件包括第三充气室，该第三充气室流体地联接到第二横流喷嘴并与直列式喷嘴流体地脱离，其中，第一充气室与第二横流喷嘴流体地脱离，第三充气室优选地集成在内本体中。

附加的横流喷嘴和充气室允许优化单独且脱离的输送路径，以用于供应除氢气之外的另外种类的燃料，诸如燃料气体和燃料油。

根据本发明的一个方面，直列式喷射器布置成在限定相应的混合通道的叶片的第一横流喷嘴的上游排放。

除了利用混合通道的整个长度之外，第一横流喷嘴上游的喷射排放具有输送的燃料流可帮助突破和穿过低速区域的优点。

根据本发明的一个方面，直列式喷射器优选地各自在相应的混合通道的中平面处从内本体延伸到环形空间中。

根据本发明的一个方面，喷燃器组件包括同轴地容纳在主喷燃器中的先导喷燃器和沿着喷燃器轴线延伸穿过先导喷燃器的喷枪喷射器。

根据本发明，还提供了一种燃气涡轮发动机，该燃气涡轮发动机包括配备有根据前述权利要求中任一项的多个喷燃器组件的燃烧器和流体地联接到直列式喷射器的氢气供应管线。

根据本发明的一个方面，燃气涡轮发动机包括各自流体地联接到先导喷燃器和喷枪喷射器中的至少一个的燃料油供应管线和燃料气体供应管线。

附图说明

现在将参照附图描述本发明，附图图示了本发明的一些非限制性实施例，其中：

-图1是燃气涡轮发动机的简化框图；

-图2是根据本发明的实施例的图1的燃气涡轮发动机的喷燃器组件的截面侧视图；

-图3是图2的放大详图；

-图4是图2的喷燃器组件的细节的透视图，为了清楚起见，零件被移除；

-图5是图2的喷燃器组件的另外的放大细节的透视图；

-图6是根据本发明的不同实施例的喷燃器组件的细节的前视图；

-图7是根据本发明的另一个实施例的喷燃器组件的细节的前视图；以及

-图8a、图8b、图9a和图9b是示出图1的燃气涡轮发动机中使用的数量的坐标图。

具体实施方式

参照图1，重型燃气涡轮发动机整体上由附图标记1指示，并且包括压缩机2、燃烧器3、涡轮5、燃料供应系统6和控制系统7。

压缩机2和涡轮5安装到同一个轴，该轴沿着主轴线A延伸。

在本文中描述的实施例中，燃烧器3具有环形的类型，并且围绕主轴线A布置在压缩机2和涡轮5之间。然而，这不必被认为是限制性的，因为本发明也可有利地与不同类型的燃烧室，特别是筒仓类型的燃烧室一起使用。燃烧器3包括围绕轴线A周向地分布的多个喷燃器组件10和环形燃烧室11(其一部分在图2中可见)。喷燃器组件10通过相应的喷燃器插入件12安装到燃烧器3的相应的喷燃器座。

燃料供应系统6构造成向燃烧器3供应不同类型的燃料，包括燃料油、燃料气体(诸如天然气或合成气)和高活性燃料(即具有高氢含量的燃料，并且为了简单起见，在下文中简单地标识为氢气)。为此目的，提供了燃料油供应管线6a、燃料气体供应管线6b和氢气管线6c。至少燃料气体供应管线6b和氢气供应管线6c可例如通过互连管线和控制阀(参见例如控制阀6d，图2)相互连接，由此控制系统7能够根据设计偏好和情况供应纯燃料气体或氢气或它们的混合物。燃料气体和氢气的比例也可被控制。

控制系统7限定针对燃气涡轮发动机1的负载设定点，并且操作发动机致动器(燃烧器3的可定向入口导向静叶和燃料供应系统6的燃料阀)以向燃烧器3供应空气和燃料流，从而满足负载设定点。

图2和图3详细地示出了喷燃器组件10中的一个和燃烧室11的一部分。喷燃器组件10沿着轴线B延伸，并且包括外围主喷燃器15、中央先导喷燃器16和喷枪喷射器17，所有这些都围绕喷燃器轴线B同轴地布置。更准确地说，先导喷燃器16同轴地容纳在主喷燃器15中，并且喷枪喷射器17沿着喷燃器轴线B延伸穿过先导喷燃器16。

在一个实施例中，至少主喷燃器15以及可能还有先导喷燃器16和喷枪喷射器17可接收所有可用类型的燃料，即燃料油、燃料气体和氢气。然而，在其它实施例中，主喷燃器15可仅接收燃料气体和氢气，并且先导喷燃器16和喷枪喷射器17可仅接收燃料油和/或燃料气体。

主喷燃器15具有预混合类型，布置在先导喷燃器16周围并固定到相应的喷燃器插入件12。更详细地说，主喷燃器15延伸穿过喷燃器插入件12的中心开口12a，使得主喷燃器15的出口在燃烧室11内。

主喷燃器15围绕先导喷燃器4布置，并且设置有涡流或湍流发生装置，其称为对角线旋流器，并且由附图标记20指示。对角旋流器20围绕喷燃器轴线B延伸，并且径向地限定在主喷燃器15的内本体21和外本体22之间。内本体21具有截头圆锥形外表面21a，并且在一个实施例中是整体式本体，例如通过诸如SLM(选择性激光熔化)的增材制造过程制造。外本体22是轴向中空的，并且包括截头圆锥形壁22a以及在一个实施例中通过连结部分22c连接到截头圆锥形壁22a的圆柱形壁22b。截头圆锥形壁22a同轴地容纳内本体21，使得在外本体22的截头圆锥形壁22a的截头圆锥形内表面22d和内本体21的截头圆锥形外表面21a之间限定形成用于供给空气-燃料混合物的通路的基本上环形的空间23。

另外如图3和图4中所图示，对角旋流器20包括多个叶片24，所述多个叶片24围绕喷燃器轴线B在内本体21和外本体22之间的环形空间23中延伸。成对的相邻叶片24限定相应的混合通道25，并且构造成引起流过混合通道25的流体围绕喷燃器轴线B的旋转。混合通道25的入口限定在外本体22的截头圆锥形壁22a的较大底部处，并且允许从压缩机2引入空气流。叶片24还设置有第一横流喷嘴27，该第一横流喷嘴27构造成在第一横流方向CF1上排放燃料气体和/或燃料油，该第一横流方向CF1横向于流过混合通道25的流体的流动方向F。为此，充气室28形成在内本体22中并在一侧上流体地联接到燃料油供应管线6a和燃料气体供应管线6b中的一者或两者，并且通过内置通道(未示出)流体地联接到第一横流喷嘴27。第二横流喷嘴30形成在内本体21的截头圆锥形外表面21a中，并且构造成在第二横流方向CF2上排放燃料气体和/或燃料油，该第二横流方向CF2横向于流动方向F并且不同于第一横流方向CF1。例如，第一横流方向CF1可为周向方向，并且第二横流方向CF2可位于垂直于第一横流方向CF1的平面中。

与充气室28分离和隔离的充气室32形成在内本体21中，并且在一侧上流体地联接到燃料油供应管线6a和燃料气体供应管线6b中的一者或两者，并且流体地联接到第二横流喷嘴30。

还参照图3和图4，主喷燃器15还包括多个直列式喷射器35，其布置在相应的混合通道25的入口部段处并且具有相应的直列式喷嘴36，该直列式喷嘴36构造成在流过相应的混合通道25的流体的相应的流动方向F上排放。如本文中所理解的，“在流过相应的混合通道25的流体的相应的流动方向F上”意味着：在喷嘴36处，由直列式喷射器35输送的燃料具有平行于流体的速度的速度的分量，该速度的分量大于垂直于流体的速度的速度的任何分量。直列式喷嘴36的位置在第一横流喷嘴27的上游，并且可在相应的混合通道25的入口部分的上游或内部。换句话说，直列式喷射器35布置成在限定相应的混合通道25的叶片24的第一横流喷嘴27的上游排放。

直列式喷射器35包括相应的翼型柱35a，该翼型柱35a具有前缘35b和后缘35c，并且从内本体21向环形空间(23)内垂直地延伸到环形空间23中。在一个实施例中，直列式喷射器35各自位于相应的混合通道25的中平面处。然而，在未图示的其它实施例中，直列式喷射器35可稍微移位和/或朝向限定相应的混合通道25的叶片24的吸力侧定向。

直列式喷嘴36布置在相应的直列式喷射器35的后缘35c处，并通过其排放。环形氢气充气室40集成在内本体21中，并且在一侧上至少流体地联接到氢气管线6c，并且优选地流体地联接到燃料气体供应管线6b，并且在另一侧上流体地联接到直列式喷射器35的直列式喷嘴36，使得氢气或氢气和燃料气体的混合物可供应到主喷燃器15。更准确地说，室41从每个直列式喷射器35的基部部分纵向地延伸到尖端部分(图4)，并且通过内本体21中的通路联接到氢气充气室40。供给通路42从室41延伸到相应的喷嘴36。在一个实施例中，在直列式喷射器35的后缘35c处的流动方向F与在后缘35c处的相应的直列式喷射器的中弧线C的切线对齐(图5)。在一些操作条件下，诸如在启动瞬变期间，氢气充气室40还可接收燃料气体或燃料气体和氢气的混合物。燃料气体和氢气的比率可根据设计偏好由控制系统7控制。

充气室28和充气室32与直列式喷嘴36流体地脱离；同样，氢气充气室40与第一横流喷嘴27和第二横流喷嘴30流体地脱离。因此，防止氢气朝向第一横流喷嘴27和第二横流喷嘴30泄漏。充气室28、32、40在相应的不同的角向位置处具有相应的燃料入口。在图2中，仅示出了氢气充气室40的燃料入口40a。

在一个实施例中，直列式喷射器的后缘35c是直的。然而，为了增加混合速率，在另一个实施例(图6)中，直列式喷射器35的侧表面至少在后缘35c处形成凸出部35d。在又一个实施例(图7)中，直列式喷射器35的侧表面设置有涡流发生器35e，该涡流发生器35e布置在相应的后缘35c(这里是直的)的上游，并且构造成使流旋动。

向燃烧器3的燃料供应由控制系统7控制。例如，在一个实施例中，燃料供应被控制以引起从燃料气体或燃料油供应(虚线)到氢气供应(实线)的阶跃转换，或者反之亦然，分别如图8a和图8b中所示。在另一个实施例中，氢气供应逐渐地增加(例如，根据斜坡)，而其它活性燃料、燃料气体或燃料油相应地减少(图9a)，或者反之亦然，氢气供应减少，而其它待活化燃料、燃料气体或燃料油相应地增加(图9b)。

最后显而易见的是，在不脱离所附权利要求书的保护范围的情况下，可对所描述和图示的喷燃器组件进行改变和变化。

例如，充气室可具有任何合适的构造和布置，由此氢充气室与另一个充气室分离和脱离。

Claims (15)

1.一种用于重型燃气涡轮发动机的喷燃器组件，包括主喷燃器(15)，所述主喷燃器(15)围绕喷燃器轴线(B)延伸并且包括：

旋流器(7)，其具有围绕所述喷燃器轴线(B)周向地分布的多个叶片(24)，其中，混合通道(25)限定在相邻叶片(24)的相应对之间；

多个直列式喷射器(35)，其布置在相应的混合通道(25)的入口部段处，并且具有构造成在流过所述相应的混合通道(25)的流体的相应的流动方向(F)上排放的相应的直列式喷嘴(36)。

2.根据权利要求1所述的喷燃器组件，其中，所述直列式喷射器(35)包括具有后缘(35b)的相应的翼型柱(35a)，其中，所述直列式喷嘴(36)在所述相应的后缘(35b)处排放。

3.根据权利要求2所述的喷燃器组件，其中，所述直列式喷嘴(36)构造成在所述后缘(35b)处沿着所述相应的直列式喷射器(35)的中弧线(C)的切线排放。

4.根据权利要求2或3所述的喷燃器组件，其中，所述直列式喷射器(35)的侧表面至少在所述后缘(35b)处形成凸出部(35d)和/或设置有涡流发生器(35e)，所述涡流发生器(35e)布置在所述相应的后缘(35b)的上游并构造成使所述流旋动。

5.根据前述权利要求中任一项所述的喷燃器组件，其中，所述主喷燃器(15)包括具有截头圆锥形外表面(21a)的内本体(21)和具有截头圆锥形内表面(22d)的外本体(22)，其中，在所述内本体(21)的所述截头圆锥形外表面(21a)和所述外本体(22)的所述截头圆锥形内表面(22d)之间限定环形空间(23)，并且其中，所述叶片(24)在所述环形空间(23)中延伸，所述内本体(21)优选地为整体的。

6.根据权利要求5所述的喷燃器组件，包括第一充气室(40)，所述第一充气室(40)集成在所述内本体中并且流体地联接到所述直列式喷射器(35)的所述直列式喷嘴(36)。

7.根据权利要求6所述的喷燃器组件，其中，所述叶片(24)设置有相应的第一横流喷嘴(27)，所述第一横流喷嘴(27)构造成通过所述相应叶片(24)的侧表面在横向于所述流动方向(F)的第一横流方向(CF1)上排放到所述相应叶片(24)的所述混合通道(25)中。

8.根据权利要求7所述的喷燃器组件，包括第二充气室(28)，所述第二充气室(28)流体地联接到所述第一横流喷嘴(27)并与所述直列式喷嘴(36)流体地脱离，其中，所述第一充气室(40)与所述第一横流喷嘴(27)流体地脱离，所述第二充气室(28)优选地集成在所述内本体(21)中。

9.根据权利要求7或8所述的喷燃器组件，包括在所述内本体(21)的所述截头圆锥形外表面(21a)中的第二横流喷嘴(30)，所述第二横流喷嘴(30)构造成在第二横流方向(CF2)上排放，所述第二横流方向(CF2)横向于所述流动方向(F)并且优选地不同于所述第一横流方向(CF1)。

10.根据从属于权利要求8的权利要求9所述的喷燃器组件，包括第三充气室(32)，所述第三充气室(32)流体地联接到所述第二横流喷嘴(30)并与所述直列式喷嘴(36)流体地脱离，其中，所述第一充气室(40)与所述第二横流喷嘴(30)流体地脱离，所述第三充气室(32)优选地集成在所述内本体(21)中。

11.根据权利要求5至10中任一项所述的喷燃器组件，其中，所述直列式喷射器(35)优选地各自在所述相应的混合通道(25)的中平面处从所述内本体(21)延伸到所述环形空间(23)中。

12.根据前述权利要求中任一项所述的喷燃器组件，其中，所述直列式喷射器(35)布置成在限定所述相应的混合通道(25)的所述叶片(24)的所述第一横流喷嘴(27)的上游排放。

13.根据前述权利要求中任一项所述的喷燃器组件，包括同轴地容纳在所述主喷燃器(15)中的先导喷燃器(21)和沿着所述喷燃器轴线(B)延伸穿过所述先导喷燃器(21)的喷枪喷射器(22)。

14.一种燃气涡轮发动机，包括配备有多个根据前述权利要求中任一项所述的喷燃器组件(10)的燃烧器和流体地联接到所述直列式喷射器(35)的氢气供应管线(6c)。

15.根据从属于权利要求13的权利要求14所述的燃气涡轮发动机，包括各自流体地联接到所述先导喷燃器(21)和所述喷枪喷射器(17)中的至少一个的燃料油供应管线(6a)和燃料气体供应管线(6b)。

Images