再熱噴燃器布置的制作方法
【專利摘要】再熱噴燃器布置包括中心體、帶有截面區(qū)域的環(huán)形管道、沿中心體定位并主動(dòng)地連接至環(huán)形管道的截面區(qū)域的中間燃料噴射平面，其中中心體位于燃燒室的上游，其中再熱噴燃器布置的結(jié)構(gòu)由各種參數(shù)限定，并且再熱噴燃器布置的結(jié)構(gòu)由各種相關(guān)性限定。
【專利說明】再熱噴燃器布置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于燃?xì)鉁u輪中的預(yù)混用途的噴燃器(burner)。特定而言，其涉及用于再熱過程中的燃燒室的噴燃器。此外，其涉及這種噴燃器的操作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了實(shí)現(xiàn)高效率，在標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)鉁u輪中需要高渦輪入口溫度。結(jié)果，產(chǎn)生高NOx排放水平。這些排放可利用順序燃燒來減輕。主流經(jīng)過第一燃燒室(例如使用如在EP 1257809中或如在US 4932861中公開的一般類型的噴燃器，其也被稱為EV燃燒器，其中EV代表環(huán)境)，其中，燃料的一部分被燃燒。剩余的燃料被添加和燃燒(例如使用如在US 5431018或US 5626017中或在US 2002/0187448中公開的類型的噴燃器，其也被稱為SEV燃燒器，其中S代表二級(jí))。這兩種燃燒器包括預(yù)混噴燃器，因?yàn)榈蚇Ox排放需要燃料和氧化劑的高混合質(zhì)量。
[0003]由于第二燃燒器由第一燃燒器的排氣進(jìn)給(可能利用一些額外的冷卻空氣來冷卻)，因而操作條件允許燃料空氣混合物的自燃(自發(fā)點(diǎn)火)而無需將額外的能量供應(yīng)至該混合物。為了防止燃料空氣混合物在混合區(qū)中的點(diǎn)燃，其中的停留時(shí)間不得超過自動(dòng)點(diǎn)火延遲時(shí)間。該標(biāo)準(zhǔn)確保噴燃器內(nèi)的無火焰區(qū)。該標(biāo)準(zhǔn)在獲得燃料跨噴燃器出口區(qū)域的合適分布時(shí)帶來挑戰(zhàn)。
[0004]燃料和氧化劑在混合區(qū)出口處的隨后混合恰好足以允許低NOx排放(混合質(zhì)量)并避免閃回(停留時(shí)間)，這可由混合區(qū)中的燃料空氣混合物的自動(dòng)點(diǎn)火引起。
[0005]當(dāng)前設(shè)計(jì)由于噴燃器出口面積、流速和噴燃器中的噴射后停留時(shí)間而受限。這在實(shí)現(xiàn)周向混合時(shí)帶來困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本公開的一個(gè)目的是，在利用受限的噴燃器出口區(qū)域時(shí)減少或避免下游構(gòu)件(例如燃燒室和渦輪構(gòu)件)的設(shè)計(jì)中的限制。噴燃器出口區(qū)域是受限的，以確保噴燃器內(nèi)的足夠流速而避免到噴燃器中的閃回。然而，需要從燃料噴射位置到噴燃器出口的最小長(zhǎng)度以允許噴燃器內(nèi)的充分混合。
[0007]該目的通過提供向噴燃器提供噴射裝置而實(shí)現(xiàn)，噴燃器特別用于帶有第一和第二燃燒室的燃?xì)鉁u輪的二級(jí)燃燒室，噴射裝置用于將至少一種氣態(tài)燃料引入噴燃器中，其中，該噴燃器的噴射裝置具有布置在噴燃器中的至少一個(gè)本體或噴槍，并且其中，該本體具有至少一個(gè)噴嘴以用于將至少一種氣態(tài)燃料弓丨入噴燃器中。
[0008]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該至少一個(gè)本體可被配置為具有流線型截面輪廓的流線型體，并且關(guān)于縱向方向垂直地或傾斜于主要在噴燃器中的主流方向而延伸。該至少一個(gè)噴嘴可使其出口孔口在流線型體的后緣處或其中。根據(jù)本發(fā)明的本體具有兩個(gè)側(cè)表面(通常至少用于基本平行于主流方向并會(huì)聚的一個(gè)中心體，即，對(duì)于其它傾斜)，并且，至少一個(gè)渦流發(fā)生器位于至少一個(gè)側(cè)表面上的至少一個(gè)噴嘴的上游。[0009]用于二級(jí)燃燒室的這種噴燃器可為帶有順序燃燒的燃?xì)鉁u輪的一部分，其中，燃?xì)鉁u輪包括:壓縮機(jī)；帶有第一燃燒室和第一噴燃器的第一燃燒器，其從壓縮機(jī)接收壓縮空氣；帶有第二燃燒室和二級(jí)噴燃器(也稱為第二噴燃器)的第二燃燒器，其從第一燃燒器接收帶有預(yù)定的第二燃燒器入口溫度的熱氣體；以及渦輪，其從第二燃燒器接收熱氣體。渦輪可布置在第一與第二燃燒器之間。
[0010]本發(fā)明的一個(gè)方面是將根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)常規(guī)使用為單獨(dú)元件(在單獨(dú)的燃料噴射裝置上游的單獨(dú)的結(jié)構(gòu)化渦流發(fā)生器元件)的渦流發(fā)生器方面和燃料噴射裝置合并成單個(gè)組合的渦流發(fā)生和燃料噴射裝置。
[0011]通過這樣做，燃料與氧化空氣的混合以及渦流產(chǎn)生發(fā)生在非常接近的空間附近且非常高效，使得更快速的混合是可能的，并且混合區(qū)的長(zhǎng)度可減小。在一些情況下甚至可能的是，通過對(duì)氧化空氣路徑中的本體的對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)和定向而省略流調(diào)節(jié)元件(渦輪出口導(dǎo)葉)，因?yàn)樵摫倔w也可進(jìn)行流調(diào)節(jié)。這在沿噴射裝置沒有嚴(yán)重壓降的情況下都是可能的，使得該過程的整體效率可被維持。
[0012]至少一個(gè)這樣的噴射裝置位于一個(gè)噴燃器中，優(yōu)選地至少兩個(gè)這樣的噴射裝置位于一個(gè)噴燃器內(nèi)。通常，多個(gè)徑向延伸的噴射裝置布置在中心體周圍，例如10個(gè)、12個(gè)、14個(gè)或更多的這種噴射裝置位于一個(gè)噴燃器內(nèi)。
[0013]在第一系統(tǒng)中，燃料和空氣被預(yù)混合，并且使用仔細(xì)控制的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)來使傳播火焰穩(wěn)定。
[0014]在第二燃燒系統(tǒng)中，燃料被噴射到第一系統(tǒng)的排氣中并在燃燒發(fā)生之前混合。由于到該燃燒系統(tǒng)的入口溫度超出燃料的自動(dòng)點(diǎn)火溫度，因而燃燒在特性延遲時(shí)間之后發(fā)生。
[0015]因此，沒有對(duì)于復(fù)雜的氣動(dòng)火焰穩(wěn)定裝置的需要，因?yàn)榛鹧嬖谟闪魉俸吞匦宰詣?dòng)點(diǎn)火延遲時(shí)間給出的預(yù)定位置處將是自穩(wěn)定的。
[0016]由于第二燃燒器中的火焰由自動(dòng)點(diǎn)火引起，因而噴射后停留時(shí)間(即在點(diǎn)火平面下游的停留時(shí)間)和因此噴射后噴燃器體積是重要的功能特性。
[0017]雖然噴射后體積由入口條件設(shè)定，但是貫穿自動(dòng)點(diǎn)火過程，必須使噴燃器下游平面的長(zhǎng)度最大化以確保高質(zhì)量混合。由于該原因，與噴燃器平均流速相關(guān)聯(lián)的噴燃器出口區(qū)域在一般的再熱燃燒系統(tǒng)中是非常受限的設(shè)計(jì)參數(shù)，例如已知為GT24/GT26的現(xiàn)有順序燃燒的燃?xì)鉁u輪以及例如根據(jù)EP 0620362A1的，其中該文件形成本說明書的一體部分。
[0018]當(dāng)將噴燃器與燃燒室或其它下游構(gòu)件整合時(shí)，一些額外的設(shè)計(jì)要求可在噴燃器出口的選擇上設(shè)置約束。這些額外的要求可與基于自動(dòng)點(diǎn)火過程的必要噴燃器區(qū)域沖突。這可導(dǎo)致使困難設(shè)計(jì)妥協(xié)的必要。
[0019]如果要求燃燒系統(tǒng)配置在筒式噴燃器系統(tǒng)中，那么軸對(duì)稱的設(shè)計(jì)(例如圓柱形設(shè)計(jì))顯然是有吸引力的。然而，當(dāng)應(yīng)用徑向延伸噴射裝置的構(gòu)思時(shí)，這由于歸因于徑向延伸噴射裝置的增加分離的較大半徑處所需的增加周向混合而引入顯著的進(jìn)一步難題。
[0020]這實(shí)現(xiàn)起來有問題，并且與如之前考慮的徑向延伸噴射裝置的構(gòu)思不太一致。此外，噴燃器出口的外壁與燃燒室入口處的燃燒室壁之間的徑向臺(tái)階(其對(duì)于帶有不同自動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間燃料空氣混合物的火焰錨定而言是必需的)通常關(guān)于燃燒系統(tǒng)的整體尺寸成比例地增加。對(duì)于大型系統(tǒng)，離開噴燃器到燃燒室壁的流的再附著不發(fā)生在反應(yīng)區(qū)內(nèi)部，或者只在反應(yīng)區(qū)中的遠(yuǎn)遠(yuǎn)下游。這種遲再附著可導(dǎo)致不穩(wěn)定燃燒和不完全燃燒。
[0021]本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的再熱噴燃器構(gòu)思，其并入相對(duì)于噴燃器出口區(qū)域的大中心體。當(dāng)中心體的下游面的面積與包括中心體下游面的噴燃器出口面積的比值大于0.6時(shí)(優(yōu)選地大于0.8),中心體是大的。
[0022]該中心體始于噴射平面的上游，其中燃料被噴射到在中心體與外噴燃器壁之間的管道中，并且然后，中心體向下游繼續(xù)到噴燃器的出口。中心體位于第二燃燒室的上游并終止于第二燃燒室入口處。由噴燃器和隨后的第二燃燒室界定的流管道的截面從噴燃器出口到第二燃燒室入口以逐步方式增加。從外噴燃器壁到燃燒室入口的臺(tái)階是受限的，以確保離開噴燃器到第二燃燒室外壁的流的良好再附著。該臺(tái)階可以燃燒室入口的周長(zhǎng)與噴燃器出口的周長(zhǎng)的比值為特征。根據(jù)一實(shí)施例，噴燃器出口的周長(zhǎng)與燃燒室入口的周長(zhǎng)的比值在0.6至I的范圍內(nèi)。根據(jù)又一實(shí)施例，該比值在0.7至0.9的范圍內(nèi)。根據(jù)再一實(shí)施例，該比值在0.8至I的范圍內(nèi)。
[0023]中心體提供更好的混合(由于燃料噴射裝置的增加的長(zhǎng)度與高度比值)以及混合路徑，以用于與前面描述的設(shè)計(jì)的實(shí)施例等同的停留時(shí)間，并且與噴燃器和燃燒器區(qū)域相匹配。
[0024]根據(jù)一實(shí)施例，中心體具有圓形截面，燃燒室入口具有圓形截面，并且噴燃器出口具有環(huán)形截面。在該實(shí)施例中，中心體可在流方向上在其端部處關(guān)于環(huán)形管道的外徑與隨后的第二燃燒室之間的截面區(qū)域呈現(xiàn)圓柱形或準(zhǔn)圓柱形的端部。中心體的表面關(guān)于環(huán)形管道的截面區(qū)域的全部、部分或中間錐形形貌也是可能的。
[0025]中心體可關(guān)于環(huán)形管道和燃燒室的截面區(qū)域被設(shè)計(jì)成帶有不同尺寸。
[0026]噴射平面包括至少一個(gè)噴射裝置，其被設(shè)置得徑向或準(zhǔn)徑向于中心體。用于將至少一種燃料引入噴燃器的環(huán)形管道中的噴射裝置具有至少一個(gè)流線型體，其布置在噴燃器的環(huán)形空間中，該噴燃器包括至少一個(gè)噴嘴以用于將該至少一種燃料引入噴燃器的環(huán)形管道中。
[0027]流線型體的輪廓可平行于主流方向。然而，也可使其至少在其縱向延伸的某部分上關(guān)于主流方向傾斜，其中，例如流線型體的輪廓可旋轉(zhuǎn)或扭曲，例如在縱向中點(diǎn)的兩側(cè)相對(duì)于縱向軸線在相反方向上，以便在主流上施加輕微的漩渦。
[0028]作為噴射裝置，可使用例如從EP 2496882已知的凹槽(flute)。這種凹槽具有至少一個(gè)本體，其布置在帶有至少一個(gè)噴嘴(用于將至少一種氣態(tài)或液體燃料引入噴燃器中)的噴燃器中，該至少一個(gè)本體被配置為流線型體，其具有流線型截面輪廓且其關(guān)于縱向方向垂直地或傾斜于主要在噴燃器中的主流方向而延伸，其中，本體具有基本平行于主流方向的兩個(gè)側(cè)表面。此外，這種凹槽包括至少一個(gè)噴嘴以用于將至少一種燃料引入噴燃器中。
[0029]還可使用波瓣?duì)?1bed)流線型體作為噴射裝置。每個(gè)波瓣?duì)盍骶€型體具有流線型截面輪廓，其關(guān)于縱向方向垂直地或傾斜于主要在噴燃器中的主流方向而延伸，其中，關(guān)于流線型體的中心平面，后緣設(shè)有在相反橫向方向上的至少兩個(gè)波瓣。此外，這種波瓣?duì)盍骶€型體包括至少一個(gè)噴嘴以用于將至少一種燃料引入噴燃器中。
[0030]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，形成波瓣的流線型體的橫向位移最多只在流線型體長(zhǎng)度的下游三分之二中，優(yōu)選地只在流線型體長(zhǎng)度的下游一半中。[0031]另外,還可使用例如從GB 2216999已知的噴嘴架(spraybar)作為噴射裝置。
[0032]插入的(多個(gè))渦流發(fā)生器還可設(shè)有冷卻元件，其中優(yōu)選地，這些冷卻元件是瀉流/膜冷卻孔，其設(shè)置在渦流發(fā)生器的表面中的至少一個(gè)中(也可為內(nèi)部冷卻，例如沖擊冷卻)。膜冷卻孔可供應(yīng)有來自載氣進(jìn)給(其也被用于燃料噴射以簡(jiǎn)化設(shè)置)的空氣。由于燃料的直列噴射，可使用較低壓力的載氣，即在10至35巴的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在16至25巴的范圍內(nèi)，所以相同的氣體供應(yīng)可用于燃料噴射和冷卻。
[0033]上面提到的用于將燃料引入環(huán)形管道中的噴嘴使其出口孔口在流線型體的后緣處或其中。流線型體具有兩個(gè)側(cè)表面。在上述噴嘴的上游，至少一個(gè)渦流發(fā)生器位于至少一個(gè)側(cè)表面上。
[0034]一般而言，渦流發(fā)生器如它們?cè)赨S 580360B1以及US 5423608B1中公開的那樣可被用于當(dāng)前情境中；這兩個(gè)文件的公開內(nèi)容被具體并入本公開中。
[0035]又一優(yōu)選實(shí)施例的特征在于，流線型體包括至少兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或更多噴嘴，其沿所述后緣布置在不同位置處(在之間帶有間距的一排中)，其中，至少一個(gè)渦流發(fā)生器位于這些噴嘴中每一個(gè)的上游。
[0036]可能在本體的相對(duì)側(cè)上具有兩個(gè)渦流發(fā)生器以用于一個(gè)噴嘴或用于一對(duì)噴嘴。
[0037]—般而言，在渦流發(fā)生器的情境中相對(duì)于噴嘴的“上游”意圖表示渦流發(fā)生器在噴嘴的位置處產(chǎn)生渦流。渦流發(fā)生器也可在面向噴嘴的上游，以便使渦流更接近燃料噴射位置。
[0038]優(yōu)選地，通往相鄰噴嘴(沿著排)的渦流發(fā)生器位于本體的相對(duì)側(cè)表面處。甚至更優(yōu)選地，兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或更多噴嘴沿所述后緣布置，并且渦流發(fā)生器交替地位于兩個(gè)側(cè)表面上。
[0039]一方面，可能使噴射燃料和/或載氣的至少一個(gè)噴嘴平行于主流方向。這允許具有更高反應(yīng)性條件，因?yàn)槿剂舷蛳掠屋斔偷梅浅Ｑ杆伲翌~外地允許使用低壓載氣。燃料射流可被冷載氣(或載運(yùn)空氣)包圍，其延遲自發(fā)著火，直到混合物已到達(dá)燃燒區(qū)。載氣還可與燃料一起被噴射，以增加燃料到燃燒空氣中的滲透以用于更好的分布和混合。
[0040]還可能的是，至少一個(gè)噴嘴關(guān)于主流方向以傾斜角度噴射燃料和/或載氣。因此，噴嘴可相對(duì)于主流方向以范圍從O至30°且包括O和30°的傾斜角度噴射燃料和/或載氣。高達(dá)60°的傾斜角度也是可能的?？墒褂萌剂系膬A斜角度來優(yōu)化混合并調(diào)整燃料在噴燃器中的停留時(shí)間。
[0041]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，至少兩個(gè)噴嘴位于每個(gè)渦流發(fā)生器的下游，以用于后緣處的燃料噴射。
[0042]在又一實(shí)施例中，至少一個(gè)流線型體具有流線型截面輪廓，并且其垂直于縱向或傾斜于主要在噴燃器的環(huán)形管道中的主流方向而延伸。所提到的用于將燃料弓I入環(huán)形管道中的噴嘴使其出口孔口在流線型體的前緣處或其中。
[0043]每個(gè)流線型體的前緣區(qū)域具有輪廓，該輪廓平行于主要在前緣位置處的主流方向而定向。從平坦前緣區(qū)域到偏斜的過渡通常是平滑的，表面曲率呈現(xiàn)帶有連續(xù)一階導(dǎo)數(shù)的函數(shù)。
[0044]又一優(yōu)選實(shí)施例的特征在于，噴射平面事先還包括至少一個(gè)噴射裝置，其被設(shè)置得徑向或準(zhǔn)徑向于中心體。流線型體在其下游端具有一些渦流發(fā)生器和/或波瓣，其關(guān)于一個(gè)或多個(gè)相鄰的流線型體布置成彼此同相或異相。在此情況下，燃料噴嘴或多個(gè)燃料噴嘴同心地布置在后緣處。在帶有波瓣?duì)盍骶€型體的布置中，噴嘴優(yōu)選地位于波瓣?duì)詈缶壟c中心平面相交的位置處。在帶有渦流發(fā)生器的布置中，噴嘴優(yōu)選地布置在渦流發(fā)生器的下游。關(guān)于燃料噴嘴，一種布置提出用于噴射液體燃料的第一噴嘴，其被用于噴射氣態(tài)燃料的第二噴嘴包圍，它們自身被用于噴射載氣的第三噴嘴包圍。
[0045]另外，可能提供一種布置，其中，用于燃料氣體噴射的第二噴嘴配置為一種狹縫狀噴嘴，其沿著至少一個(gè)沿后緣的波瓣延伸。形式為孔口的額外的第一噴嘴被布置在第二噴嘴中以用于液體燃料噴射。
[0046]在又一優(yōu)選實(shí)施例中，噴射裝置的高度(即波瓣的高度或渦流元件的高度)隨其徑向位置增加，使得所產(chǎn)生渦流的強(qiáng)度將沿著徑向延伸的噴射裝置的長(zhǎng)度增加，使得額外的周向混合朝向該徑向延伸噴射裝置的外端部提供。
[0047]以上指出的設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是:
1.對(duì)于預(yù)先限定的噴射后混合體積和長(zhǎng)度，可通過中心體直徑的合適選擇來實(shí)現(xiàn)任何噴燃器外徑。
[0048]2.可將噴燃器硬件設(shè)置為提供合適的尺寸以用于下游構(gòu)件，例如燃燒室或渦輪構(gòu)件。
[0049]3.相鄰的徑向延伸噴射裝置的徑向或準(zhǔn)徑向發(fā)散通過環(huán)形管道的小高度而最小化。這確保之前的凹槽經(jīng)驗(yàn)的適用性被維持。
[0050]4.相鄰的徑向延伸噴射裝置的小徑向發(fā)散使徑向延伸噴射裝置的外端部處(相對(duì)于中心體)對(duì)于增加周向混合的需求最小化。這確保良好的混合特性被維持。
[0051]另外，其它優(yōu)點(diǎn)可概述如下:
5.更高的噴燃器速度以適應(yīng)高度反應(yīng)性燃料。
[0052]6.對(duì)于利用現(xiàn)有設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的類似混合水平，較低的噴燃器壓降。
[0053]7.對(duì)于等同于現(xiàn)有設(shè)計(jì)的噴燃器壓降，第二燃燒室可在更高的入口溫度下操作。
[0054]8.利用較低壓力載氣移除或更換高壓載氣的可能性。
[0055]9.對(duì)于與現(xiàn)有噴燃器設(shè)計(jì)相比相同或更大的功率輸出，對(duì)相同的大量燃料-空氣混合物停留時(shí)間而言改進(jìn)的混合質(zhì)量和減少的NOx排放，這是由于增加的混合長(zhǎng)度與噴射器高度的比值。
[0056]關(guān)于執(zhí)行合理的燃料空氣混合，現(xiàn)有噴燃器系統(tǒng)的下列構(gòu)件是所關(guān)注的:
10.在第二燃燒室的入口處，必須調(diào)節(jié)主流以便確保獨(dú)立于上游干擾(例如由高壓渦輪級(jí)導(dǎo)致的)的均勻流入條件。
[0057]此外:
I1.燃料和燃燒空氣的帶有最小壓降的均勻混合是高效的現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪的設(shè)計(jì)的前提條件。需要均勻混合以避免火焰溫度中的局部最大值(其導(dǎo)致高NOx排放)。低壓降是有利的，因?yàn)槿紵髦械膲航抵苯酉魅跞細(xì)鉁u輪的功率和效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0058]下面參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，附圖是為了說明本發(fā)明所提出優(yōu)選實(shí)施例的目的，而非為了限制本發(fā)明的目的。[0059]在附圖中，
圖1示出再熱噴燃器布置，其并入相對(duì)于噴燃器出口直徑的大中心體；
圖2示出帶有限定參數(shù)的再熱噴燃器布置的結(jié)構(gòu)；
圖3以截面圖示出再熱噴燃器布置；
圖4示出再熱噴燃器布置的透視圖；
圖5以截面圖示出另一再熱噴燃器布置；
圖6以截面圖示出另一再熱噴燃器布置；
圖7a至圖7c示出針對(duì)流到波瓣?duì)盍骶€型體的后緣上的主流的視圖，以及 圖8a至圖Sb示出沿著流線型體的流狀況。
【具體實(shí)施方式】
[0060]圖1示出并入中心體101的再熱噴燃器布置100。所示中心體始于噴射平面102的上游，導(dǎo)致燃料103和載運(yùn)空氣104被噴射到環(huán)形管道105中，且然后中心體向下游繼續(xù)到噴燃器布置100的出口 106。中心體101主動(dòng)地連接至熱氣體的主流107。中心體101提供更好的混合并匹配噴燃器和燃燒器區(qū)域。關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的預(yù)混噴燃器，中心體101可設(shè)有燃料供應(yīng)管線(未示出)。中心體101在主流107的流動(dòng)方向上在其端部108關(guān)于環(huán)形管道105與隨后燃燒室之間的截面區(qū)域(參見圖2，項(xiàng)目109)呈現(xiàn)圓筒狀或準(zhǔn)圓筒狀的端部(也參見圖2)。根據(jù)需要，中心體的表面關(guān)于環(huán)形管道的截面區(qū)域的全部、部分或中間錐形形貌也是可能的。中心體101可關(guān)于相鄰元件(特別是關(guān)于環(huán)形管道和燃燒室的截面區(qū)域)被設(shè)計(jì)成帶有不同尺寸。
[0061]因此，圖1中提出的再熱噴燃器布置被示出為關(guān)于燃燒室109帶有減小的出口截面區(qū)域。在此情況下，中心體101位于噴燃器布置110的入口側(cè)的下游，并且燃料噴射平面102沿著中心體101的長(zhǎng)度位于中間并位于環(huán)形管道105的截面區(qū)域內(nèi)，這作為沿縱向方向延伸的流線型體而給出(參見圖4)。在流線型體所處的位置，或在該位置的下游，至少環(huán)形管道的外壁105在會(huì)聚部111中會(huì)聚并縮小至環(huán)形管道的減小截面區(qū)域。這限定了混合空間105，其在出口側(cè)108處終止，燃料和空氣的混合物在此進(jìn)入被壁112分隔的燃燒室或燃燒空間109。在這種會(huì)聚部分的下游，環(huán)形管道的截面區(qū)域也可逐步形成擴(kuò)散器的形狀。
[0062]關(guān)于噴射平面102，燃料103和燃燒空氣104的帶有最小壓降的均勻混合是高效的現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪的設(shè)計(jì)的前提條件。需要均勻混合以避免火焰溫度中的局部最大值(其導(dǎo)致高NOx排放)。低壓降是有利的，因?yàn)槿紵髦械膲航抵苯酉魅跞細(xì)鉁u輪的功率和效率。
[0063]圖2示出與中心體101和相鄰元件相關(guān)的帶有限定參數(shù)的再熱噴燃器布置的結(jié)構(gòu)。再熱噴燃器布置的結(jié)構(gòu)由下列參數(shù)限定:
dl=燃燒室109的外徑； d2=環(huán)形管道105的外徑； d3=中心體101的外徑； dh=環(huán)形管道105的液力直徑；
L=燃燒室109的位于環(huán)形管道105的端部處的頂部與流方向107上的噴射平面102的端部之間的中間長(zhǎng)度；
dN=環(huán)形管道105出口區(qū)域的當(dāng)量直徑；A=環(huán)形管道105的截面積；
P=環(huán)形管道105的周長(zhǎng)的長(zhǎng)度O *d2 + π *d3)。
[0064]以上指出的參數(shù)的結(jié)構(gòu)相關(guān)性被限定如下: d3/d2=sqrt[1-(dN/d2)'2]
dN~2=d2~2 - d3~2
dh=4A/P
dh=(d2~2 - d3~2)/(d2+d3)
dh < dN
L/dh > L/dN
d2/dl在0.6至I的范圍內(nèi)；
以改進(jìn)從環(huán)形管道(105)到燃燒室(109)的壁(112)的流的混合和再附著。
[0065]圖3以截面圖示出再熱噴燃器布置100。環(huán)形管道105內(nèi)的一些徑向布置的流線型體200分布在中心體101的周圍，作為流間隙的聯(lián)接橋。流線型體200具有縱向軸線201，其布置成垂直于噴射平面的縱向軸線且垂直于入口流方向107 (參見圖2)，其在該示例中平行于縱向軸線。為了確保良好的混合，通`過在流路中布置兩個(gè)或更多流線型體200而在流路的整個(gè)截面上引起帶有湍流耗散的流場(chǎng)。
[0066]流線型體200上的渦流發(fā)生器202具有基本相同的周期性，但是同相或異相，即，位于各流線型體200的后緣處的渦流發(fā)生器的數(shù)量?jī)?yōu)選地相等，并且相鄰流線型體200上的渦流發(fā)生器優(yōu)選地布置成異相。特別地，相位偏離180°，即，兩個(gè)流線型體200的渦流發(fā)生器在縱向方向上的相同位置處與中心線相交，并且在縱向方向上的相同位置處，每個(gè)體的偏斜具有相同的絕對(duì)值但是沿相反方向。至少一個(gè)燃料噴嘴203沿著流線型體200的后緣204定位，和/或燃料噴嘴位于設(shè)置于流線型體200的后緣204處的渦流發(fā)生器的中心平面上，并且優(yōu)選地在各個(gè)相鄰渦流發(fā)生器202的平面中的每個(gè)位置處，定位在流線型體200的相對(duì)側(cè)表面處。
[0067]圖4示出再熱噴燃器布置的透視圖，該布置包括中心體101、在后緣上帶有渦流發(fā)生器202的多個(gè)流線型體(參見圖3)。
[0068]圖5以截面圖示出再熱噴燃器布置100。各流線型體300的前緣區(qū)域具有輪廓，該輪廓平行于主要在前緣位置的主流方向而定向，并且其中，關(guān)于流線型體300的中心平面302，前緣設(shè)有至少一個(gè)波瓣303或至少兩個(gè)互補(bǔ)的波瓣。波瓣303的表面曲率在相同方向上彼此協(xié)同地行進(jìn)。從形成波瓣303的兩個(gè)相鄰流線型體(300)的中心平面的橫向或準(zhǔn)橫向偏斜彼此對(duì)齊。
[0069]圖6以截面圖示出再熱噴燃器布置100。各流線型體400的前緣區(qū)域具有輪廓，該輪廓平行于主要在前緣位置的主流方向而定向，并且其中，關(guān)于流線型體400的中心平面403,前緣設(shè)有至少一個(gè)波瓣401、402或者處于相反橫向方向的至少兩個(gè)互補(bǔ)的波瓣404、405。從形成波瓣401、402的兩個(gè)相鄰流線型體400的中心平面的橫向偏斜是顛倒的，因?yàn)閺钠教骨熬墔^(qū)域到偏斜的過渡是平滑的，表面曲率呈現(xiàn)帶有連續(xù)一階導(dǎo)數(shù)的函數(shù)。
[0070]通過分別利用氮或蒸汽稀釋燃料空氣混合物，可減緩反應(yīng)。
[0071]在高反應(yīng)性燃料的情況下，第一級(jí)的降額可對(duì)第二噴燃器導(dǎo)致較不積極的進(jìn)氣條件。繼而可降低整體燃?xì)鉁u輪的效率。[0072]如果繼而主流速度增加，混合區(qū)的長(zhǎng)度可保持恒定。然而，那樣通常必然損害壓降。
[0073]通過實(shí)現(xiàn)燃料和氧化劑的更迅速混合，可減小混合區(qū)的長(zhǎng)度，同時(shí)維持主流速度。
[0074]因此，本發(fā)明的主要目標(biāo)是發(fā)展改進(jìn)的噴燃器配置，其中解決了后兩點(diǎn)，但它也可與上面三點(diǎn)結(jié)合。
[0075]為了允許對(duì)于高反應(yīng)性燃料的能力，噴射器被設(shè)計(jì)為同時(shí)執(zhí)行流調(diào)節(jié)(至少部分地)、噴射以及混合。
[0076]結(jié)果，噴射器可節(jié)省噴燃器壓力損失，其目前在沿著流路的各種裝置中被利用。如果流調(diào)節(jié)裝置、渦流發(fā)生器和噴射器的組合被所提出的發(fā)明替換，則可增加主流的速度以便實(shí)現(xiàn)燃料空氣混合物在混合區(qū)中的短停留時(shí)間。
[0077]在圖6中所示的示例中，波瓣高度是徑向位置的函數(shù)。在該示例中，波瓣高度H從環(huán)形流管道的內(nèi)徑處的小波瓣高度Hi增加至噴燃器的環(huán)形流管道的外徑處的較大波瓣高度Ho。因此，渦流和圓形混合隨著增加的直徑而增加。在該示例中，流線型體的厚度也是徑向位置的函數(shù)。在該示例中，流線型體的厚度從環(huán)形流管道的內(nèi)徑處的小厚度Ti增加至噴燃器的環(huán)形流管道的外徑處的較大流線型體厚度To。
[0078]圖7a、7b、7c示出針對(duì)流到根據(jù)本發(fā)明的帶有不同噴嘴布置的波瓣?duì)盍骶€型體400的后緣上的主流的視圖。
[0079]圖7a示出一種布置，其中，用于噴射液體燃料的第一噴嘴451被用于噴射氣態(tài)燃料的第二噴嘴452包圍，它們自身被用于噴射載運(yùn)空氣的第三噴嘴453包圍。噴嘴451、452、453在后緣處同心地布置。每個(gè)噴嘴布置位于波瓣?duì)詈缶壟c中心平面相交的位置處(參見圖8，項(xiàng)目135)。
[0080]此外，在圖7a中指出從中心平面到波瓣在下游端處的頂點(diǎn)的波瓣高度H以及流線型體的厚度T。
[0081]圖7b示出一種布置，其中，用于燃料氣體噴射的第二噴嘴452配置為狹縫狀噴嘴，其沿波瓣的各頂點(diǎn)部分的后緣延伸。此外，用于液體燃料噴射的第一噴嘴451布置在波瓣?duì)詈缶壟c中心平面相交的每個(gè)位置處。第一噴嘴451和第二噴嘴452都被用于噴射載運(yùn)空氣的第三噴嘴453包圍。
[0082]圖7c示出一種布置，其中，用于燃料氣體噴射的第二噴嘴452配置為一個(gè)狹縫狀噴嘴，其沿著至少一個(gè)沿后緣的波瓣延伸。形式為孔口的額外的第一噴嘴451被布置在第二噴嘴452中，以用于液體燃料噴射。
[0083]參照?qǐng)D8描述波瓣?duì)罨旌蠘?gòu)思。圖8a示出沿著流線型體的流狀況。其中心平面135布置得基本平行于空氣流的流動(dòng)方向114，其具有直的前緣138和波瓣?duì)畹暮缶?39。在這樣的情形下，位于前緣處的氣流114發(fā)展上視圖中利用箭頭114示意性示出的流輪廓。
[0084]后緣139處的波瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)142使前緣138逐步向下游發(fā)展成帶有進(jìn)入第一方向130的波瓣的波浪形狀,其橫向于中心平面135,利用標(biāo)號(hào)128標(biāo)識(shí)沿第一方向130延伸的波瓣。如在圖8a中的向下方向那樣，利用標(biāo)號(hào)129標(biāo)識(shí)延伸到第二橫向方向131中的波瓣。波瓣在兩個(gè)方向中交替，并且不論波瓣或者說形成后緣的線/平面在哪里與中心平面相交，都存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)127。
[0085]如可從圖8a中所示的箭頭看到的，在上表面上的通道狀結(jié)構(gòu)中流動(dòng)的空氣流以及下表面上的通道中的空氣流摻合并開始在后緣139的下游產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致如利用標(biāo)號(hào)141表示的強(qiáng)烈混合。這些渦流141對(duì)于燃料/空氣的噴射而言是有用的，如下面將進(jìn)一步論述的。
[0086]波瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)142由以下參數(shù)限定:
一周期λ給出在垂直于主流方向114的方向上的波瓣的一個(gè)周期的寬度；
一高度h是如圖8b中所限定的相鄰波瓣的相鄰頂點(diǎn)之間的垂直于主流方向14的方向(沿方向130和131)上的距離；
一第一波瓣角α 1(也稱為高度角)，其限定到波瓣128的第一方向中的位移，以及第二波瓣角α2(也稱為高度角)，其限定波瓣129在方向131上的位移。通常，α I等于α 2。
【權(quán)利要求】
1.一種再熱噴燃器布置，包括帶有截面區(qū)域的管道、布置在所述管道中的中心體、沿所述中心體定位的中間燃料噴射平面，其中，所述中心體位于第二燃燒室的上游并終止于第二燃燒室入口處，并且其中，由所述噴燃器和隨后的第二燃燒室界定的流管道的截面從噴燃器出口到所述第二燃燒室入口以逐步方式增加，其特征在于，所述噴燃器出口的周長(zhǎng)與所述燃燒室入口的周長(zhǎng)的比值在0.6至I的范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的再熱噴燃器布置，其特征在于，中心體具有圓形截面，所述燃燒室入口具有圓形截面，并且所述噴燃器出口具有環(huán)形截面，其中，所述再熱噴燃器布置的結(jié)構(gòu)由以下參數(shù)限定: dl=所述燃燒室(109)的外徑； d2=所述環(huán)形管道(105)的外徑； d3=所述中心體(101)的外徑； dh=所述環(huán)形管道(105)的液力直徑； L=所述燃燒室(109)的位于所述環(huán)形管道(105)的端部處的頂部與流方向(107)上的所述噴射平面(102)的端部之間的中間長(zhǎng)度； dN=所述環(huán)形管道(105)出口區(qū)域的當(dāng)量直徑； A=所述環(huán)形管道(105)的截面積； P=環(huán)形管道的周長(zhǎng)的長(zhǎng)度(105)； 并且，所述再熱噴燃器布置的結(jié)構(gòu)由以下相關(guān)性限定:
d3/d2=sqrt[1-(dN/d2)'2]
dN~2=d2~2 - d3~2
dh=4A/P
dh=(d2_d3)
dh < dN
L/dh > L/dN d2/dl在0.6至I的范圍內(nèi)； 以改進(jìn)從所述環(huán)形管道(105)到所述燃燒室(109)的壁(112)的流的混合和再附著。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的再熱噴燃器布置，其特征在于至少兩個(gè)流線型體，其被布置在所述流噴射平面中，每個(gè)具有流線型截面輪廓，其關(guān)于縱向方向垂直地或傾斜于主要在所述流噴射平面中的主流方向而延伸，其中，每個(gè)流線型體的前緣區(qū)域具有輪廓，該輪廓平行于主要在前緣位置的主流方向而定向，并且其中，關(guān)于所述流線型體的中心平面，所述后緣設(shè)有至少兩個(gè)波瓣，其在相同方向上和/或在相反的橫向方向上彼此協(xié)同地行進(jìn)，并且其中，從平坦前緣區(qū)域到偏斜的過渡是平滑的，表面曲率呈現(xiàn)帶有連續(xù)一階導(dǎo)數(shù)的函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的再熱噴燃器布置，其特征在于至少兩個(gè)流線型體，其被布置在所述流噴射平面中，每個(gè)具有流線型截面輪廓，其關(guān)于縱向方向垂直地或傾斜于主要在所述流噴射平面中的主流方向而延伸，其中，每個(gè)流線型體的前緣區(qū)域具有輪廓，該輪廓平行于主要在前緣位置的主流方向而定向，并且其中，關(guān)于所述流線型體的中心平面，所述后緣設(shè)有至少一個(gè)渦流發(fā)生器，優(yōu)選地至少兩個(gè)渦流發(fā)生器，其中，所述渦流發(fā)生器具有基本相同的周期性，其中，位于各流線型體的后緣處的渦流發(fā)生器的數(shù)量?jī)?yōu)選地相等，并且其中，相鄰流線型體上的所述渦流發(fā)生器布置為同相或異相。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的再熱噴燃器布置，其特征在于，所述流線型體的前緣區(qū)域具有氣動(dòng)輪廓，其在所述流線型體的上游半部中從相對(duì)于噴射平面的所述縱向軸線的傾斜定向轉(zhuǎn)到平行于噴射平面的所述縱向軸線的定向。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的再熱噴燃器布置，其特征在于，兩個(gè)流線型體的中心平面之間的距離是所述波瓣的高度(h)的至少1.2倍，優(yōu)選地是所述波瓣的高度(h)的至少1.5倍。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的再熱噴燃器布置，其特征在于，所述噴射平面具有沿所述縱向軸線延伸的矩形或梯形的截面，其被4個(gè)限制壁限定，所述至少兩個(gè)流線型體從一個(gè)限制壁延伸到相對(duì)的限制壁。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的再熱噴燃器布置，其特征在于，所述噴射平面具有沿所述縱向軸線延伸的環(huán)形截面，其帶有彼此同心的內(nèi)限制壁和外限制壁，并且所述至少兩個(gè)流線型體從所述內(nèi)限制壁延伸到所述外限制壁。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的再熱噴燃器布置，其特征在于，所述流線型體中的至少一個(gè)配置為帶有至少一個(gè)噴嘴以用于將至少一種燃料引入所述噴燃器中的噴射裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的再熱噴燃器布置，其特征在于，至少一個(gè)燃料噴嘴位于所述流線型體中的至少一個(gè)的所述后緣處。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的再熱噴燃器布置，其特征在于，位于所述流線型體中的至少一個(gè)的所述后緣處的至少兩個(gè)燃料噴嘴基本位于各頂點(diǎn)處，或者燃料噴嘴沿所述后緣在每個(gè)第二頂點(diǎn)處定位，和/或其中，燃料噴嘴基本定位在所述流線型體的中心平面上，其中，燃料噴嘴優(yōu)選地位于所述波瓣?duì)詈缶壟c所述中心平面相交的各位置處。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至`11中任一項(xiàng)所述的再熱噴燃器布置，其特征在于，混合區(qū)位于所述流線型體的下游，并且其中，在所述流線型體處和/或其下游，與所述流線型體上游的流截面相比，所述混合區(qū)的截面減小，其中，優(yōu)選地該減小至少為10%、更優(yōu)選地至少20%、甚至更優(yōu)選地至少30%。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任一項(xiàng)所述的再熱噴燃器布置，其特征在于，所述體設(shè)有冷卻元件，其中優(yōu)選地，這些冷卻元件由沿所述體的側(cè)壁的冷卻介質(zhì)的內(nèi)部循環(huán)和/或由優(yōu)選地位于所述后緣附近的膜冷卻孔給出，并且其中最優(yōu)選地，所述冷卻元件進(jìn)給有來自也用于所述燃料噴射的載氣進(jìn)給的空氣。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13中任一項(xiàng)所述的再熱噴燃器布置，其特征在于，所述燃料噴嘴是圓形的和/或是沿所述流線型體的后緣延伸的長(zhǎng)形狹槽噴嘴，和/或包括用于噴射液體的第一噴嘴和/或用于噴射氣態(tài)燃料的第二噴嘴以及用于噴射載運(yùn)空氣的第三噴嘴，所述第三噴嘴包圍所述第一和/或所述第二噴嘴。
15.根據(jù)權(quán)利要求10至14中任一項(xiàng)所述的再熱噴燃器布置，其特征在于，所述混合元件的高度是徑向位置的函數(shù)。
16.一種用于操作帶有順序燃燒的燃?xì)鉁u輪的方法，其中，所述燃?xì)鉁u輪包括:壓縮機(jī)；帶有第一燃燒室和第一噴燃器的第一燃燒器，其從所述壓縮機(jī)接收壓縮空氣；帶有第二燃燒室和第二噴燃器的第二燃燒器，其從所述第一燃燒器接收帶有預(yù)定的第二燃燒器入口溫度的熱氣體；以及渦輪，其從所述第二燃燒器接收熱氣體，其中，所述第二噴燃器包括帶有截面區(qū)域的管道、布置在所述管道中的中心體、沿所述中心體定位并連接至所述環(huán)形管道的中間燃料噴射平面，其中，所述中心體位于第二燃燒室的上游并終止于燃燒室入口處，其特征在于，燃料在所述噴射平面中噴射，所述燃料與從所述第一燃燒器接收的熱氣體混合，并且在于，離開所述第二噴燃器的熱氣體燃料混合物的流速由于流路面積的增加而降低，其中，由所述噴燃器和隨后的第二燃燒室界定的流管道的截面從噴燃器出口到所述第二燃燒室入口以逐步方式增加，并且其中，所述噴燃器出口的周長(zhǎng)與所述燃燒室的周長(zhǎng)的比值在0.6至I的范圍內(nèi) 。
【文檔編號(hào)】F23R3/28GK103776060SQ201310509318
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月25日
【發(fā)明者】J.P.伍德, A.西亞尼, A.特尤爾, D.A.彭內(nèi)爾, E.弗雷塔格 申請(qǐng)人:阿爾斯通技術(shù)有限公司