軸向旋流器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及軸向旋流器,其特別用于在燃氣渦輪中預混合氧化劑和燃料。旋流器包括具有流線型橫截面的一系列旋流導葉,其中,各個旋流導葉具有前緣、后緣,以及各自在所述前緣和后緣之間延伸的吸力側和壓力側。旋流導葉布置成圍繞旋流器軸線,其中,所述前緣基本沿徑向方向延伸。流槽形成于各個旋流導葉的吸力側和其最緊鄰的旋流導葉的壓力側之間。此外,至少一個旋流導葉在其后緣處的拱弧線的切線和旋流器軸線之間具有出流角,出流角隨著離旋流器軸線的徑向距離的增大而單調增大。本發(fā)明還涉及具有這種旋流器的噴燃器,以及運行所述噴燃器的方法。
【專利說明】軸向旋流器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及根據(jù)權利要求1的前序部分的軸向旋流器,其特別用于在燃氣渦輪中實現(xiàn)預混合目的,而且本發(fā)明進一步涉及用于燃燒室的、具有這種軸向旋流器的噴燃器。特別地,本發(fā)明涉及用于將至少一種氣體和/或液體引入到噴燃器中的軸向旋流器。此外,本發(fā)明涉及運行這種噴燃器的方法。
【背景技術】
[0002]旋流器在各種技術應用中被用作混合裝置。對旋流器的優(yōu)化旨在減少獲得規(guī)定程度均勻性的混合物所需的能量。在連續(xù)的流混合中,混合裝置上的壓降是所需能量的度量。另外,獲得規(guī)定程度的均勻性所需的時間和空間是用于評估混合裝置或混合元件的重要參數(shù)。旋流器典型地用于混合兩種或更多種連續(xù)的流體流。軸向旋流器最常用作燃氣渦輪燃燒器中的預混合器。
[0003]所謂的旋流數(shù)Sn刻畫軸向旋流器的旋流強度。旋流數(shù)被定義為方位動量的軸向通量和軸向動量的軸向通量乘以旋流器半徑的得數(shù)之間的比率。旋流數(shù)是由旋流器引起的環(huán)形流中的旋流的強度的表示。
[0004]對于傳統(tǒng)的軸向旋流器,所需再循環(huán)區(qū)僅在旋流數(shù)等于或大于大約0.4時形成。旋流數(shù)越大,壓降就越高,從而導致不利的損失能量。
[0005]在上游噴射燃料的傳統(tǒng)軸向旋流器典型地在燃料噴射位置處產生不利的尾流和再循環(huán)區(qū)域。
[0006]通過旋流器(所謂的旋流噴嘴)來噴射燃料的軸向旋流器需要良好的空氣-燃料混合旋流數(shù),旋流數(shù)非常高,以至于難以避免在燃料噴射位置和后緣處有尾流和流分離區(qū)域。
[0007]雙環(huán)形逆時針旋轉式軸向旋流器產生沿徑向改變的速度分布,這不利于燃燒過程,例如因為抗攏焰性差和燃燒動態(tài)差。
【發(fā)明內容】
[0008]本發(fā)明的目標是提供一種特別用于在燃氣渦輪中預混合氧化劑(例如空氣)和燃料的較有效的軸向旋流器,其具有改進的混合特性,即,關于旋流器上的給定氣體壓降產生提聞的混合均勻性和穩(wěn)定性。
[0009]提出一種在僅使用最小壓降時產生混合均勻性高的混合物的旋流器。另外,提出具有這種旋流器的噴燃器。提出這種噴燃器來例如提高燃氣渦輪發(fā)動機效率,提高燃料容量,以及簡化設計。
[0010]以上和其它目標由特別用于在燃氣渦輪中預混合氧化劑和燃料的軸向旋流器實現(xiàn),軸向旋流器包括具有流線型橫截面的一系列或多個旋流導葉,各個旋流導葉具有前緣、后緣,以及吸力側和壓力側。吸力側和壓力側各自在所述前緣和所述后緣之間延伸。旋流導葉布置成圍繞旋流器軸線,其中,所述前緣基本沿徑向方向沿徑向向外延伸,以及其中,流槽形成于各個旋流導葉的吸力側和其最緊鄰的旋流導葉的壓力側之間。至少一個旋流導葉在其后緣處的拱弧線(camber line)的切線和旋流器軸線之間具有出流角,出流角隨著離旋流器軸線的徑向距離的增大而單調增大。
[0011 ] 優(yōu)選的是,所有旋流導葉都設有這種單調增大的出流角。
[0012]隨著離軸線的徑向距離的增大而增大的出流角導致隨著徑向距離的增大而增大的旋流。
[0013]所述出流角位于后緣處,并且可單調增大(即,它可在離旋流器軸線的距離的某個但不是全部范圍內是恒定的),或者可嚴格單調增大(即,它在整個范圍內增大;不存在其中出流角保持恒定的子范圍)。
[0014]通過旋流導葉的、平行于旋流器的旋流器軸線的剖面顯示了所述流線型橫截面。
[0015]根據(jù)優(yōu)選實施例,軸向旋流器的旋流導葉形成為使得出流角α對所述徑向距離R的依賴性的隱含地由以下函數(shù)給出:
tan [ σ 0?) ] = K.Rp + H,
其中β是指數(shù),其范圍為I到12,優(yōu)選為I至10,更優(yōu)選為3至8,并且特別是7。K和H是選定的常數(shù),使得
i)在最小徑向距離Rmin處的出流角a (Rmin)的范圍為O度至25度,優(yōu)選O度或5度至20度;以及
?)在最大徑向距離Rmax處的出流角a (Rmax)的范圍為30度至60度,優(yōu)選為30度至50度,更優(yōu)選為35度至45度。
[0016]最小徑向距離Rmin 是從旋流器軸線到旋流導葉內側或內部側表面的距離。最大徑向距離Rmax是從旋流器軸線到旋流導葉的外側或外部側表面的距離。如果旋流導葉設置在環(huán)形殼體中,因而Rmin是由殼體的內部限制壁描述的圓柱的半徑,而Rmax是由殼體的外部限制壁描述的圓柱的半徑。因而環(huán)帶沿徑向方向從Rmin延伸到Rmax。
[0017]因而實施例的特征在于出口流角或出流角,其正切函數(shù)(即,與所討論的角相切的雙曲線函數(shù))與/^成比例地沿徑向向外增大,R為半徑和β為指數(shù)。K是與#相乘的常數(shù),H是與妒相加的常數(shù)。特別優(yōu)選的是,值β =7,其中,旋流器具有旋流數(shù)Sn=0.4。H和K可為負的或正的。H可為零。
[0018]換句話說,K和H是選定的常數(shù),使得出流角α的最小值的范圍為O度至25度,優(yōu)選為O度或5度至20度,并且出流角α的最大值的范圍為30度至60度,優(yōu)選為30度至50度,更優(yōu)選為35度至45度。
[0019]后緣處的這種出流角允許在通過旋流器的氣體流中形成軸向速度的“剪切”徑向分布,以獲得值足夠高的參數(shù)β。至少在旋流導葉的下游一半處的增大的扭轉進一步支持這種剪切徑向分布的形成。
[0020]因此,上面描述的旋流器可具有接近在混合物中實現(xiàn)需要的混合質量時實現(xiàn)漩渦破碎所必需的最小值的非常低的旋流數(shù)(這里,旋流數(shù)Sn為大約0.4)。因此,在以較低的壓降運行時,較高的逆燃裕度、改進的火焰穩(wěn)定性以及較低的NOx排放是可行的。旋流器允許快速混合。這個概念會減輕第I級燃燒器或預混合燃燒器中的幾個眾所周知的問題。通過使用值足夠高的指數(shù)β (這會減小旋流數(shù)和增加速度剪切),以及借助于通過旋流導葉(一個或多個)的一側(優(yōu)選地通過兩側)噴射燃料,燃料-空氣混合可進一步改進。根據(jù)本發(fā)明的旋流器提供清潔的空氣動力性和增強的混合特性,這對于預混合燃燒是合乎需要的。
[0021]本文提出的旋流器允許在旋流導葉或葉片的兩側上(即,其壓力側和吸力側)噴射燃料。這在幾方面有助于實現(xiàn)最佳燃料-空氣預混合:
?以指數(shù)倍增大的出口流角會在軸向速度中產生剪切,這會增強湍流和混合。
[0022].兩側燃料噴射會在旋流器出口的整個橫截面上填充燃料。
[0023].β增大允許減小旋流數(shù)(參見圖5)和壓力損失(參見圖6)。
[0024]在最小旋流數(shù)0.4附近最佳地選擇參數(shù)β~7 (參見圖6)以便實現(xiàn)漩渦破碎的情況下,建議的設計修改使得選擇減小的旋流數(shù)的軸向旋流器,從而降低預混合器需要的壓降。壓降的節(jié)約可使得獲得較高的效率,或者使其可用于其它有用的目的。
[0025]另外,軸向旋流器是有利的,因為:
?它改進燃料與空氣的預混合;
?壓降減小允許噴燃器設計更緊湊,整體速度更高,并且使抗逆燃性得到改進。
[0026]還關于整體混合器性能來控制軸向旋流器的長度和旋流角。較小的旋流角幫助降低旋流器的吸力側/壓力側引起的流梯度。
[0027]對于固定的噴燃器壓降值,目前的設計允許有更緊湊的大小,同時NOx排放得到改進。
[0028]具有由上面描述的tan公式給出的出流角或出口流角的軸向旋流器允許軸向速度有“剪切”徑向分布,以獲得值足夠高的參數(shù)β。它還允許降低壓降,以獲得高的參數(shù)β值,而不損失燃料-空氣預混合效率。
[0029]典型地,每個軸向旋流器使用4至20個導葉。在一個實施例中,每個旋流器使用5至15個導葉(例如7、8或10個導葉)。為了避免導葉的下游的流中的特征頻率的激勵引起不利的共振現(xiàn)象,具有奇數(shù)個導葉是優(yōu)選的。
[0030]根據(jù)優(yōu)選實施例,旋流導葉的前緣是優(yōu)選沿徑向方向延伸的基本直的緣,并且/或者旋流導葉的拱弧線彎曲而形成C形或S形。
[0031]優(yōu)選的是,后緣是彎的或直的。優(yōu)選地,后緣相對于前緣扭轉或旋轉,優(yōu)選地使得后緣延伸成使得離旋流軸線的距離沿旋流導葉的壓力側所面向的方向逐漸增大。扭轉或旋轉的角可為O度至45度或50度,優(yōu)選為5度至35度,更優(yōu)選為10度至20度或25度。
[0032]優(yōu)選地,后緣的所述曲率相對于吸力側是凹的。
[0033]另外,優(yōu)選的是,旋流導葉圍繞旋流器軸線基本布置成圓。
[0034]優(yōu)選地,旋流器設有具有外部限制壁和內部限制壁的環(huán)形殼體,其中,旋流導葉沿著旋流器的軸線延伸,以及從內部限制壁延伸通過環(huán)帶到達外部限制壁。環(huán)形殼體的內管(即,內部限制壁)的橫截面形狀規(guī)定旋流導葉相對于彼此而如何布置。優(yōu)選地,內管具有圓的或圓形橫截面形狀。
[0035]根據(jù)一個實施例,殼體延伸成使得中心軸線與主流方向對齊。產生的旋流器具有入口區(qū)域和出口區(qū)域,入口區(qū)域和出口區(qū)域垂直于中心軸線,以形成軸向旋流器。
[0036]在又一個優(yōu)選實施例中,前緣和/或后緣在垂直于旋流器軸線的平面上沿徑向延伸。
[0037]優(yōu)選的是,旋流器的所有旋流導葉在形狀或結構上都相同。這最大程度地降低生產成本,并且簡化裝置的設計和組裝。
[0038]如果應用于噴燃器,則上面描述的旋流器會在低壓降下產生良好混合,但也會在后面的燃燒器中引起高再循環(huán)流。高再循環(huán)流使得燃燒更好更穩(wěn)定。典型地,火焰穩(wěn)定性在有再循環(huán)流的情況下提高,即,在燃燒室中有增加的再循環(huán)流量G的情況下,可避免或減少燃燒脈動,其中,G被定義為再循環(huán)流量與旋流流量的比。但是,為了實現(xiàn)高的相對再循環(huán)流量需要高的旋流數(shù)sn,其中,Sn被定義為旋流流量與通過噴燃器的總質量流量的比率。由于僅可利用壓降施加旋流流,所以應使旋流數(shù)Sn保持低,以獲得燃氣渦輪的最佳性能(即,功率和效率)。
[0039]包括上面描述的軸向旋流器的噴燃器的特征在于,旋流導葉中的至少一個構造成具有用于將至少一種燃料引入到噴燃器中的至少一個燃料噴嘴的噴射裝置。
[0040]噴燃器可包括一個旋流器或多個旋流器。具有一個旋流器的噴燃器典型地具有圓形橫截面。包括多個旋流器的噴燃器可具有任何橫截面,但它典型地為圓形或長方形。典型地,多個噴燃器布置成同軸地圍繞燃氣渦輪的軸線。噴燃器橫截面由限制壁限定,限制壁例如形成罐狀噴燃器。
[0041]在優(yōu)選實施例中,處于滿負載的噴燃器從至少一個(優(yōu)選所有)旋流導葉的吸力側或壓力側噴射出燃料。在部分負載下,燃料噴射可如下面描述的那樣進行分級。
[0042]在特別優(yōu)選的實施例中,在各個旋流器導葉的吸力側和壓力側上噴射燃料,即,同時從噴射旋流導葉的兩側噴射。這允許設計具有低的臨界旋流數(shù)和降低的壓降。來自壓力側的噴射被流推向最小半徑,即,被推向旋流軸線,從而填充環(huán)形殼體的環(huán)帶的徑向內側部分,而來自吸力側的噴射被沿徑向向外推,從而填充環(huán)帶的徑向外側部分。這是根據(jù)本發(fā)明的出流角的結果,并且可通過使后緣延伸成離軸線(即,沿徑向向外)有沿壓力側所面向的方向逐漸增大的距離,來加強該結果。用于此設計的臨界旋流數(shù)^可比填充徑向內側和外側區(qū)域的標準設計低得多。
[0043]優(yōu)選地,在所述一系 列或多個旋流導葉的沿周向相鄰的旋流導葉之間產生的各個流槽都具有在限定流槽的旋流導葉的前緣的下游(典型地沿著旋流導葉的上游三分之一或上游一半)延伸的進氣區(qū)域,以及在后緣的上游(典型地沿著旋流導葉的下游流三分之或下游一半)延伸的出氣區(qū)域,其中,燃料在進氣區(qū)域中,優(yōu)選在旋流導葉的(第一)上游三分之一中(即,在前緣附近)以及/或者優(yōu)選以交叉流噴射的方式噴射到流槽中。
[0044]根據(jù)一個實施例,多個燃料噴嘴分布在旋流導葉的沿著旋流軸線測得的長度的所述上游三分之一中,更優(yōu)選地僅分布在所述長度的上游四分之一中。
[0045]優(yōu)選的是,燃料由一系列燃料噴嘴噴射,例如4至12個,優(yōu)選6個噴嘴,噴嘴優(yōu)選地布置成沿著導葉表面或基本平行于前緣而沿徑向方向彼此相鄰,其中,燃料噴嘴為圓形的,以及/或者為基本平行于旋流導葉的前緣而延伸的伸長的槽形噴嘴,并且/或者包括用于噴射液態(tài)燃料的第一噴嘴,以及/或者用于噴射氣態(tài)燃料的第二噴嘴,以及用于噴射載體空氣的第三噴嘴,第三噴嘴包圍第一噴嘴和/或第二噴嘴。
[0046]然后載體空氣還用于冷卻燃料的目的,從而有效地避免逆燃問題。
[0047]根據(jù)優(yōu)選實施例,旋流導葉設有冷卻元件,以通過軸向旋流器引入冷卻空氣,特別為了避免逆燃。優(yōu)選地,通過冷卻介質沿著導葉本體的側壁進行的內部循環(huán)(即,通過對導葉提供雙壁結構),以及/或者通過優(yōu)選地位于前緣或后緣附近的薄膜冷卻孔,來提供這些冷卻元件,以及其中,最優(yōu)選地,對冷卻元件供應來自載體氣體供應的空氣,載體氣體供應也用于噴射燃料。多個單獨的出口孔或多個噴嘴可布置成彼此相鄰,以引入冷卻空氣??赏ㄟ^一部分或所有旋流導葉的吸力側和/或壓力側來引入冷卻空氣。
[0048]噴燃器可用來混合燃料-空氣,以及混合燃料或氣體與在封閉式或半封閉式燃氣渦輪中使用的任何種類的氣體或者第一燃燒級的燃燒氣體。
[0049]噴燃器可用于包括一個壓縮機、一個燃燒器和一個渦輪的燃氣渦輪,以及用于具有一個或多個壓縮機、至少兩個燃燒器和至少兩個渦輪的燃氣渦輪。例如可將它們用作具有一個燃燒器的燃氣渦輪中的預混合噴燃器,或者也可在用于具有順序燃燒的燃氣渦輪(其具有第一和第二燃燒室)的二次燃燒室的再熱式燃燒器中使用它們,噴射裝置用于將至少一種氣態(tài)和/或液態(tài)燃料引入到噴燃器中。
[0050]除了包括旋流器的改進的噴燃器之外,用于運行這種噴燃器的方法是本發(fā)明的目標。取決于燃氣渦輪的運行條件和負載點,通過噴燃器噴射的燃料流量在廣大的范圍中變化。其中流量同等地分配到所有噴燃器噴嘴且通過各個噴嘴的流量與總流量成比例的簡單運行可在單獨的噴嘴處引起不合需要的小流速,從而損害進入到空氣流中的燃料的噴射質量和穿透深度。
[0051]優(yōu)選的是,燃料噴射在閾值燃料流量以下進行分級,例如如果渦輪以部分負載工作,使得在一個實施例中,僅在吸力側或壓力側上噴射燃料,以及/或者僅通過旋流導葉的每隔一個或每隔兩個燃料噴嘴噴射燃料,以及/或者僅通過噴燃器的每隔一個或每隔兩個導葉的燃料噴嘴噴射燃料。
[0052]另外,提議將兩種方法結合起來減少燃料噴射:提議的是,對于低燃料質量流量,通過導葉的每隔一個或每隔兩個燃料噴嘴噴射燃料,以及僅通過噴燃器的每隔一個或每隔兩個導葉的燃料噴嘴噴射燃料。在增加的質量流量下,用于噴射燃料的導葉的數(shù)量可增加,然后每個導葉的用于噴射燃料的噴嘴的數(shù)量可增加。
[0053]吸力側和壓力側和/或不同噴嘴之間的分級允許進一步優(yōu)化預混合和對燃燒動態(tài)的控制。燃料分級允許控制排放和脈動。
[0054]在另一個實施例中,可通過吸力側和通過壓力側和/或通過旋流導葉的不同的噴嘴,來噴射不同的燃料。
[0055]根據(jù)運行方法的一個實施例,根據(jù)總噴射燃料流量來確定通過其中噴射燃料的燃料噴射噴嘴的數(shù)量,以便確保工作的噴嘴中有最小流量。
[0056]備選地,在增加的質量流量下,每個導葉的用于噴射燃料的噴嘴數(shù)量可增加,然后用于噴射燃料的導葉的數(shù)量可增加。例如可基于對應的閾值燃料流量來確定噴嘴的啟動和
[0057]典型地,至少噴嘴基本垂直于主流方向(交叉流噴射)而噴射燃料(液體或氣體)和/或載體氣體。但是,至少一個噴嘴也可以一傾角噴射燃料和/或載體氣體。
[0058]優(yōu)選地,導葉延伸跨過噴燃器的相對的壁之間的整個流橫截面。優(yōu)選地,燃料噴嘴分布在旋流導葉的整個寬度上(即,從內部限制壁到外部限制壁)。
[0059]關于噴嘴,至少一個狹縫形出口孔可布置在后緣處。裂口形或伸長的槽形噴嘴典型地布置成沿著導葉的后緣延伸。
[0060]噴嘴可包括用于不同的燃料類型和載體空氣的多個出口孔。在一個實施例中,用于噴射液態(tài)燃料或氣體燃料的第一噴嘴和用于噴射載體空氣的第二噴嘴布置在后緣處,第二噴嘴包圍第一噴嘴。
[0061]在另一個實施例中,用于噴射液態(tài)燃料的第一噴嘴、用于噴射氣態(tài)燃料的第二噴嘴和用于噴射載體空氣的第三噴嘴布置在后緣處,第二噴嘴包圍第一噴嘴,第三噴嘴包圍第一噴嘴和第二噴嘴。
[0062]此外,優(yōu)選的是,燃料是優(yōu)選地選自由天然氣燃料、富氫燃料和氫燃料組成的組的高反應性燃料,。
[0063]此外,本發(fā)明涉及使用上面限定的噴燃器來在高反應性條件下進行燃燒,優(yōu)選在噴燃器入口溫度高的情況下進行燃燒,以及/或者燃燒卡路里值為5000 - 20000 kj/kg,優(yōu)選為7000 - 17000 kj/kg,更優(yōu)選為10000 - 15000 kj/kg的MBtu燃料,最優(yōu)選地,這種燃料
包括氫氣。
[0064]優(yōu)選地,在環(huán)形燃燒器、罐式燃燒器或單發(fā)動機或再熱式發(fā)動機中使用上面描述的軸向旋流器和/或噴 燃器。
[0065]在從屬權利要求中記錄了本發(fā)明的另外的實施例。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0066]在下面參照附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例,附圖是為了示出本發(fā)明的目前優(yōu)選的實施例,而不是為了限制它們。在圖中,
圖1顯示傳統(tǒng)旋流器的示意性透視圖,傳統(tǒng)旋流器具有旋流導葉,旋流導葉具有后緣,后緣具有傳統(tǒng)的出流角a (R) =常數(shù);
圖2顯示出流角α對離軸向旋流器的旋流器軸線的距離R的兩個示例性依賴性a (R),其對應于以下函數(shù):
tan [ σ (7?) ] =K^Rp +Η.,
圖3顯示根據(jù)本發(fā)明的具有相應的R -依賴性的兩個示例性旋流葉片或導葉,其中,根據(jù)圖2,指數(shù)β=1和β=10,并且有函數(shù)tan[α(R)]=K-Rp +H'
圖4顯示布置成β=1的軸向旋流器構造的旋流導葉的示意性透視圖,其中,(a)顯示引起高旋流(高旋流數(shù)sn)的旋流導葉構造,而(b)顯示引起低旋流(低旋流數(shù)sn)的旋流導葉構造;
圖5顯示旋流器上的無量綱壓力損失,其根據(jù)實驗和CFD計算而隨旋流器的旋流數(shù)縮
放;
圖6顯示旋流數(shù)Sn對指數(shù)β的依賴性,其由以下函數(shù)給出:tan[0.0?)] =K-Rp +Η,其中,最小出流角a (Rmin) =20度,而最大出流角a (Rmax)=50度;以及
圖7在(a)中顯示具有噴燃器且每個噴燃器包括一個旋流器的環(huán)形燃燒器的示例,以及在(b)中顯示具有噴燃器且每個噴燃器包括五個旋流器的環(huán)形燃燒器的示例。
[0067]部件列表 I噴燃器
3旋流導葉
313的吸力側
323的壓力側 33流槽 34進氣區(qū)域 35出氣區(qū)域
363的拱弧線
3736的切線
383的前緣
393的后緣 43軸向旋流器
47旋流器軸線,43的縱向軸線
47’平行于47的線
48入口流方向
44限制壁
44’內部限制壁
44"外部限制壁
45入口區(qū)域
46出口區(qū)域
50燃料噴嘴
55出口流方向
α出流角
β指數(shù)
H、K常數(shù)
R 3至47的徑向距離 a (R) α的R依賴性
Rmin最小R
Ri Rmin和Rmax之間的R值 Rmax最大R a (Rmin)最小 α α (Rmax)最大 α rr再循環(huán)速率 sn旋流數(shù)。
【具體實施方式】
[0068]圖1顯示傳統(tǒng)旋流器43的示意性透視圖。旋流器43包括具有內部限制壁44’、夕卜部限制壁44"、入口區(qū)域45和出口區(qū)域46的環(huán)形殼體。導葉3布置在內部限制壁44’和外部限制壁44"之間。旋流導葉3設有出流角,出流角不依賴于離旋流軸線47的距離R,而是在整個環(huán)帶中保持恒定。各個導葉3的前緣區(qū)域具有定向成平行于入口流方向48的輪廓。在顯示的示例中,進入流與旋流器43的縱向軸線47同軸。導葉3的輪廓相對于主流方向48轉向,以在流上施加旋流,以及產生出口流方向55,出口流方向55相對于入口流方向48成角度。主流與環(huán)形旋流器同軸。出口流圍繞旋流器43的軸線47旋轉。本發(fā)明通過對旋流導葉3提供隨距離R改變的出流角,來改進旋流導葉3。
[0069]圖2顯示出流角或出口流角α對離旋流器軸線47的徑向距離R的依賴性的兩個示例,其中,依賴性隱含地由函數(shù)定義:
【權利要求】
1.一種特別用于在燃氣渦輪中預混合氧化劑和燃料的軸向旋流器(43),包括具有流線型橫截面的一系列旋流導葉(3),各個旋流導葉(3)具有前緣(38)、后緣(39),以及各自在所述前緣和后緣(38,39)之間延伸的吸力側(31)和壓力側(32),所述旋流導葉(3)布置成圍繞旋流器軸線(47),其中,所述前緣(38)從所述軸線(47)沿徑向向外延伸,其中,流槽(33)形成于各個旋流導葉(3)的吸力側(31)和其沿周向相鄰的旋流導葉(3)的壓力側(32)之間,其特征在于,至少一個旋流導葉(3)在其后緣(39)處的拱弧線(36)的切線(37)和所述旋流器軸線(47)之間具有出流角(α),所述出流角(α)隨著離所述旋流器軸線(47)的徑向距離(R)的增大而單調增大。
2.根據(jù)權利要求1所述的軸向旋流器(43),其特征在于,所述出流角(α)對所述徑向距離(R)的依賴性隱含地由以下函數(shù)給出: tan [σ ⑵]=K.Rp + H, 其中β的范圍為I至10,優(yōu)選地為3至8,特別是大約或正好為7,并且K和H是選定的常數(shù),使得最小徑向距離(Rmin)處的出流角U (Rmin))的范圍為O度至20度,而最大徑向距離(Rmax)處的出流角U (Rmax))的范圍為30度至50度。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的軸向旋流器(43),其特征在于,所述旋流導葉(3)的前緣(38)是優(yōu)選沿徑向方向延伸的基本直的緣,并且/或者所述旋流導葉(3)的拱弧線(36)彎曲而形成C形或S形。
4.根據(jù)權利要求1至3中的任一項所述的軸向旋流器(43),其特征在于,所述旋流導葉(3)的后緣(39)是彎的或直的,以及相對于所述前緣(38)旋轉,優(yōu)選地使得所述后緣(39)延伸成沿所述旋流導葉(3)的壓力側(32)所面向的方向具有逐漸增大的徑向距離(R)。`
5.根據(jù)權利要求1至4中的任一項所述的軸向旋流器(43),其特征在于,所述前緣(38)和/或所述后緣(39)在垂直于所述旋流器軸線(47)的平面上從所述旋流器軸線(47)沿徑向向外延伸。
6.根據(jù)權利要求1至5中的任一項所述的軸向旋流器(43),其特征在于,所述一系列旋流導葉(3)的所有部件形成為相同的,以及/或者所述旋流導葉(3)圍繞所述旋流器軸線(47)布置成圓。
7.一種用于燃氣渦輪的燃燒室的噴燃器(I),包括根據(jù)權利要求1至6中的任一項所述的軸向旋流器(43),其特征在于,所述旋流導葉(3)中的至少一個構造成具有用于將至少一種燃料引入到所述噴燃器(I)中的至少一個燃料噴嘴(50)的噴射裝置。
8.根據(jù)權利要求7所述的噴燃器(I),其特征在于,在至少一個旋流導葉(3)的吸力側(31)和/或壓力側(32)上噴射燃料。
9.根據(jù)權利要求7至8中的任一項所述的噴燃器(I),其特征在于,各個流槽(33)具有在限定流槽(33)的旋流導葉(3)的前緣(38)的下游延伸的進氣區(qū)域(34),以及在所述后緣(39)的上游延伸的出氣區(qū)域(35),其中,所述燃料在所述進氣區(qū)域(35)中,優(yōu)選在所述旋流導葉(3)的上游三分之一中以及/或者優(yōu)選以交叉流噴射方式噴射到所述流槽(33)中。
10.根據(jù)權利要求7至9中的任一項所述的噴燃器(I),其特征在于,所述燃料由優(yōu)選布置成沿徑向方向彼此相鄰的燃料噴嘴(50)噴射,其中,所述燃料噴嘴(50)是基本平行于所述旋流導葉(3)的前緣(38)而延伸的圓形噴嘴和/或伸長的槽形噴嘴,并且/或者包括用于噴射液態(tài)燃料的第一噴嘴,以及/或者用于噴射氣態(tài)燃料的第二噴嘴,以及用于噴射載體空氣的第三噴嘴,所述第三噴嘴包圍所述第一噴嘴和/或所述第二噴嘴。
11.根據(jù)權利要求7至10中的任一項所述的噴燃器(I),其特征在于,冷卻空氣通過所述軸向旋流器(43)而引入,以便避免逆燃,其中,至少一個旋流導葉(3)設有冷卻元件,其中,優(yōu)選地,這些冷卻元件由冷卻介質沿著所述旋流導葉(3)的側壁進行的內部循環(huán)提供,以及/或者由優(yōu)選地位于所述后緣(39)附近的薄膜冷卻孔提供,以及其中,最優(yōu)選地,對所述冷卻元件供應來自載體氣體供應的空氣,所述載體氣體供應也用于燃料噴射。
12.一種用于運行根據(jù)權利要求7至11中的任一項所述的噴燃器(I)的方法,其特征在于,根據(jù)總噴射燃料流量來確定通過其中噴射燃料的燃料噴嘴(50)的數(shù)量。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法,其特征在于,燃料噴射在閾值燃料流量以下進行分級,使得僅在所述吸力側(31)或所述壓力側(32)上噴射燃料,以及/或者僅通過旋流導葉(3)的每隔一個或每隔兩個燃料噴嘴噴射燃料以及/或者僅通過所述噴燃器(I)的每隔一個或每隔兩個旋流導葉(3)的燃料噴嘴噴射燃料。
14.根據(jù)權利要求12或13所述的方法,其特征在于,所述燃料是優(yōu)選地選自天然氣燃料、富氫燃料和氫燃料組成的組的高反應性燃料。
15.根據(jù)權利要求1至6中的任一項所述的軸向旋流器(43)或根據(jù)權利要求7至11中的任一項所述的噴燃 器(I)在環(huán)形燃燒器、罐式燃燒器或單發(fā)動機或再熱式發(fā)動機中的用途。
【文檔編號】F23R3/38GK103807879SQ201310543081
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月6日 優(yōu)先權日:2012年11月6日
【發(fā)明者】F.比亞吉奧里, M.N.波亞帕卡姆, R.森尼, K.斯耶德 申請人:阿爾斯通技術有限公司