CN103542429A - 用于燃气涡轮焚烧器的轴向旋流器 - Google Patents

Abstract

一种用于燃气涡轮焚烧器的轴向旋流器(14b)，其包括具有围绕旋流器轴线(11)周向地分布的多个旋流器叶片(19b)的叶片环，所述旋流器叶片(19b)中的每一个包括后缘(22)。为了实现出射流速曲线和/或燃料当量比沿径向方向的受控分布，所述后缘(22)为不连续的，其中，后缘(22)在预定半径处具有不连续部。

Description

用于燃气涡轮焚烧器的轴向旋流器

技术领域

本发明涉及燃气涡轮的技术。其涉及根据权利要求1的前序部分的用于燃气涡轮焚烧器的轴向旋流器。

背景技术

轴向环形旋流器通常用于形成涡流，从而导致用于使燃气涡轮燃烧器中的火焰稳定的中央逆流区域。

图1示出了典型的旋流器布置10。柱形空气管沿纵向轴线11引导进入的空气流18穿过包括具有多个旋流器叶片19的旋流器14的旋流器区段进入混合管16，其中，旋转的空气流与借助于燃料喷管13的端部处的燃料喷射器喷射的燃料混合。接着，空气-燃料混合物进入燃烧室17以在其中供给稳定的火焰。

不断增加的对常规燃料以及富氢燃料的污染减少的燃烧的需求将技术发展朝向限制极贫均质预混混合物的燃烧推动。实际燃烧器中的限制因素为，随着混合物均质性增加，燃烧过程的动态与燃烧器热声振荡的越来越强的耦合。

通过优化旋流器空气动力学和进入火焰的可燃混合物的未混合度的径向曲线，可改进火焰在声振荡的放大程度方面的稳定性。此外，通过利用由环形旋流器形成的逆流的稳定与紧跟在放置在环形旋流器中央的钝体之后的逆流的组合，可改进燃烧器的稳定性和可操作性。

然而，污染减少的燃烧不是对焚烧器的唯一需求。阻止火焰沿焚烧器壁闪回到焚烧器中是绝对要求，并且其中旋流器可显著地起作用的燃烧***的低压降对于燃气涡轮效率而言为重要的。

文献DE4406399A1公开了用于改进再热燃烧器中的燃料-空气混合的装置。该燃烧器的环形流动通道由柱形内壁和柱形外壁限定。两个壁通过均匀地分布在圆周处并充当导叶的许多流线型支承件连接。这些导叶的后缘以不连续部为特征，它们通过凹口分隔成两个发散部分。导叶的径向的外后半部具有欠压表面和超压表面的不中断廓形，而径向内后半部定向(direct)成关于该廓形偏离，即，超压表面的轮廓形成到欠压表面中的过渡。通过该措施，穿过环形通路的热气流被分成两个发散的部分流。由导叶的发散部分产生的旋涡使燃料与燃烧空气的混合物加速，并且附加地消除气流中的浓度差和温度差。

文献DE102007004394A1涉及用于燃气涡轮的预混焚烧器。在环形流动通道中，布置用于产生燃料-空气混合物的旋流器。旋流器装备有流线型导叶。在流动通道的内壁附近的内部分中，这些旋流器叶片的后缘具有在翼型件与内壁之间形成间隙的凹部。径向内后部分处的该不连续部支持能够增强预混的末端旋涡的产生。

文献EP2233836A1公开了旋流发生器，其具有包封中央燃料分配器并界定用于燃烧空气的轴向流动通道的外壁。旋流叶片沿径向方向延伸至外壁以向流动的燃烧空气提供切向流动分量。分离壁包封中央燃料分配器，并且径向地定位在外壁内以将流动通道分隔成径向内通道节段和径向外通道节段。径向内通道节段允许燃烧空气经过而不向燃烧空气提供切向流动分量。

文献US2009/056336A1涉及用于在工业燃气涡轮的燃烧***中使用的焚烧器。焚烧器包括燃料/空气预混器，其包括分流叶片，该分流叶片限定第一径向内通路和第二径向外通路，第一和第二通路均具有将旋流给予穿过预混器的燃烧空气的空气流转动叶片部分。每个通路中的叶片部分通常构造成在每个通路中给予相同的旋流方向。多个分流叶片可设置成在预混器中限定三个或更多个环形通路。

文献US2009/183511A1公开了用于燃气涡轮发动机的燃烧器的燃料喷嘴，其包括喷嘴入口、燃烧区和配置在喷嘴入口与燃烧区之间的旋流器。旋流器包括多个旋流器叶片，每个旋流器叶片能够在旋流器叶片的压力侧与吸入侧之间在穿过旋流器的流体流中形成压力差。旋流器还包括位于多个旋流器叶片中的至少一个旋流器叶片中的至少一个贯通空气流孔。至少一个贯通空气流孔能够利用压力侧与吸入侧之间的压力差来促进穿过至少一个空气流孔的流体流。还公开了用于操作燃烧器的方法。

文献US2012/125004A1教导了燃烧器预混器，其包括具有喇叭口形开口的焚烧器管，多个管状体伸缩地配置在焚烧器管内，以向限定在焚烧器管和多个管状体中的最外一个与在开口中周向地排列的多个旋流器叶片之间的预混通路传送可燃材料，多个旋流器叶片中的每一个包括沿径向尺寸从焚烧器管延伸至最外管状体的本体和从开口向上游突出的前缘。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于燃气涡轮焚烧器的轴向旋流器，其允许形成用于提高的燃烧稳定性的最佳出射流速曲线。

通过根据权利要求1的轴向旋流器达到该目的和其它目的。

本发明涉及一种用于燃气涡轮焚烧器的轴向旋流器，其包括具有围绕旋流器轴线周向地分布的多个旋流器叶片的叶片环，并且叶片沿径向方向在内半径与外半径之间延伸，所述旋流器叶片中的每一个包括后缘。

轴向旋流器的特征在于，为了实现出射流速曲线和/或燃料当量比沿径向方向的受控分布，所述后缘为不连续的，其中，后缘在预定半径处具有不连续部，其中，在叶片的内半径处，叶片在后缘处的弧线的切线与旋流器轴线之间的角度在0°至30°之间，该角度从该内半径线性地增大至预定半径处的在30°至60°之间的值，而该角度从该预定半径线性地减小至叶片的外半径处的在10°至40°之间的值。根据优选实施例，叶片的弧线的切线与旋流器轴线之间的角度在10°至28°之间，该角度从该内半径线性地增大至预定半径处的在35°至50°之间的值，而该角度从预定半径线性地减小至叶片的外半径处的在20°至40°之间的值。

根据本发明的另一个实施例，所述预定半径具有在外半径与内半径之差的20%至80%之间的值。

以该方式形成的不连续的后缘产生两种不同类型的下游流，每种下游流具有在旋流器的出口处的旋流中的预定的流速曲线。从叶片的内半径开始，后缘处的弧线与旋流轴线之间的角度()随着半径增大而增大，直至达到预定半径。该设计实现下游流中的射流状轴向速度分布。而且，叶片的外区域中的弧线与旋流轴线之间的减小的角度用于平整高于闪回值的轴向速度分布。

具体地，两种流类型的所述预定流速曲线不彼此混合，并且因此允许燃料当量比沿径向方向的受控分布。

根据本发明的另一个实施例，所述旋流器叶片设置有预定失速，用于在失速的旋流器叶片之后的流中产生增加的湍流。

根据本发明的又一个实施例，燃料喷射器件设置在叶片的后缘上。

根据本发明的又一个实施例，所述旋流器叶片具有吸入侧和压力侧，并且燃料喷射器件设置在吸入侧。

根据本发明的又一个实施例，所述旋流器叶片具有吸入侧和压力侧，并且燃料喷射器件设置在压力侧。

根据本发明的轴向旋流焚烧器允许通过使接近最大半径(即，外径)的轴向速度分布平坦而避免内半径处的轴向速度的过度减小。根据本发明，这通过旋流器达到，该旋流器的出射流角(即，弧线的切线与流动旋转轴线之间的角度)随着半径增大而线性地增大直到高达预定半径，并且接着作为1/R从该半径减小(这实现平坦的轴向速度分布)。

附图说明

现在将借助于不同实施例并参考附图更详细地说明本发明。

图1示出了穿过典型的轴向旋流器布置的纵向截面；

图2示出了具有带有平滑后缘的第一叶片形状的第一旋流器；

图3示出了具有带有不连续后缘的第二叶片形状的第二旋流器；

图4示出了具有平滑叶片后缘的轴向旋流器布置的主要几何形状；

图5示出了具有不连续叶片后缘的轴向旋流器布置的主要几何形状；

图6针对根据图4的旋流器几何形状示出了旋流器下游的速度分布；

图7针对根据图5的旋流器几何形状示出了旋流器下游的速度分布；

图8示出了具有用于增加湍流的受控失速的旋流器叶片类型。

图9示出了从旋流器叶片的后缘的等流线燃料喷射的原理；

图10示出了在旋流器叶片的吸入侧的燃料喷射；

图11示出了在旋流器叶片的压力侧的燃料喷射；以及

图12示出在实施例中根据本发明的旋流器叶片的出射流角的径向分布。

部件列表

10,10'  旋流器布置

11  轴线

12  空气管

13  喷管(中央)

14,14a,b  旋流器

15  燃料喷射器

16  混合管

17  燃烧室

18  空气流

19,19a,b  旋流器叶片

20  前缘

21,22  后缘

22a,b  后缘区段

23  流入

24  流出

25,26  流类型

27  不连续部(后缘)

28  湍流增加的区域

29  旋流器叶片

30  旋流器

31  后缘

32  燃料喷射端口

33a,b  旋流器叶片

34  前缘

35  后缘

36  吸入侧

37  压力侧

38,39  燃料喷射端口

40  燃料束

U  轴向速度分量

V  速度(无因次)

W  切向速度分量

R  半径

Rs  分流半径

d  燃料喷管的内径

D  燃料喷管的外径。

具体实施方式

旋流器设计参数(如例如叶片形状(例如平坦或弯曲的)、叶片排出口角度，长宽比(叶片高度与叶片弦长之比)，叶片数量)对下游逆流区域的特性的影响迄今为止主要通过实验进行研究。

目标是设计旋流器，该旋流器具有下游混合管，其具有高质量流量-压降特性，带有大的高湍流下游再循环区域。

与实验方法相反，本发明是逆过程的结果，其中，为了满足附加要求，旋流出射速度的规定理想径向分布限定为：

火焰稳定性和燃烧动态；

沿径向方向的受控的燃料当量比和混合物均质性；

闪回阻力；

径向分级(在旋流的内部分与外部分之间的当量比的受控变化)的可能性；

旋流器的低压降；

来自旋流器叶片翼型件的压力侧和/或吸入侧的气态燃料的喷射；

来自翼型件的后缘的高反应性富H2燃料的等流线喷射；

旋流器外径上的旋流器出射流场在进入混合管之前的零径向分量；

受控的失速区域，其附连于叶片用于形成用于改进燃烧稳定性的湍流条纹(striation)。

图2和图3示出了两个不同旋流器14a和14b的简图，两个不同旋流器14a和14b具有用于两个不同的规定出射流曲线的、它们的旋流器叶片19a、19b的不同形状：

图2的轴向旋流器14a包括具有前缘20和平滑的后缘21(即，不具有排出流场的径向分级)的旋流器叶片19a。这种旋流器的几何形状在图4中示出，其中，23表示流入，而24表示流出，d是燃料喷管13的外径，而D是空气管12(和分别地混合管)的内径。

旋流器出口(图4)处的流速的切向分量W和轴向分量U之间的关系已选择成使得轴向速度曲线为“平坦的”；这意味着轴向分量U关于旋流半径R理想地为恒定的(径向速度分量为零)。如前所述，叶片后缘21的线在该情况下为连续平滑的(未中断)。

设计用于理想平坦轴向速度曲线U的这种未分级旋流器的出射速度曲线在图6中示出，其中，虚曲线是理想W曲线，连续曲线是理想U曲线，并且空心和实心方形是相应测得的速度，它们全部取决于半径R。

图3的轴向旋流器14b代表具有借助于不连续的后缘22的排出流场的径向分级的分级轴向旋流器，不连续的后缘22再分成不同方位的两个后缘区段22a和22b。这种旋流器的几何形状在图5中以旋流器布置10’示出，其中，25表示第一(内)流类型，而26表示第二(外)流类型，其中，分流半径Rs在不连续部27处分离两种流类型体系(regime)(以及后缘区段22a和22b)。

对于第一流类型25(其中，R＜Rs)，tanα=W/U~R导致随着R增大而近似恒定的W和减小的U。对于第二流类型26(其中，R＞Rs)，tanα=W/U~1/R导致随着R增大而减小的W和恒定的U(见图7)。

因此，在该情况下旋流器出口处的切向分量W和轴向分量U之间的关系已被选择成使得切向速度W在内区域中为“平坦的”(接着，U减小)，而相反的情况在外区域中发生(“平坦”轴向速度U和减小的切向速度W)。这要求叶片后缘22的不连续线。两个区段中的流的径向分量为V=0，这意味着，理想地，两种不同类型的流之间没有混合。

此外，叶片19a、19b可设计成具有受控的预定失速(见图8)，其中，由于失速，故在失速的旋流器叶片19之后并接近火焰前部的流中产生湍流增加的区域28。预定失速适用于具有和不具有不连续的后缘的叶片。

另一种改进旋流器性能的方式为从旋流器叶片的后缘的等流线燃料喷射，如图9所示。图9的旋流器30具有旋流器叶片29，其后缘设置有成排的燃料喷射端口32，燃料喷射端口32发射具有适当的束方向的燃料束40。后缘处的燃料喷射适用于在后缘处具有和不具有不连续部的叶片。

又一种改进性能的方式为在旋流器叶片的侧面的燃料喷射。根据图10，具有前缘34和不连续的后缘35以及在两个边缘34、35之间延伸的吸入侧36和压力侧37的旋流器叶片33a设置有布置在叶片的吸入侧36的一排燃料喷射端口38。

根据图11，具有前缘34和不连续的后缘35以及在两个边缘34、35之间延伸的吸入侧36和压力侧37的旋流器叶片33b设置有布置在叶片的压力侧37的一排燃料喷射端口39。

图12经由实例示出旋流器叶片19、29、33的后缘21、22、35处的弧线的切线与旋流器轴线11之间的角度α的径向分布。在其内半径(R_最小)处，出射流角具有α=26°的值。随着半径R增大，角度α线性地增大至预定半径Rs处的α=44°的最大值，其中，Rs=0.8R_最大。从旋流器叶片19、29、33的半径Rs到外半径R_最大，角度α线性地减小至叶片19、29、33的外半径处的α=38°的值。

根据本发明，存在使出射流速流场成形和分配燃料当量比、低压降和紧凑设计的高灵活性。

新旋流器设计的特性为：

轴向旋流器设计用于出射流速曲线和燃料当量比的受控分布；

由于出口处的旋流中的两种不同规定类型的流速曲线，故提供具有不连续的后缘的成形旋流器叶片；

分开两个级和流类型的分流半径可从环状部高度的20%变化至80%；

最小、中间和最大半径处的任何出射流角为可能的；

由于出口处的两种不同规定类型的流速曲线，故提供具有不连续后缘的成形旋流器叶片，该两种不同规定类型的流速曲线彼此不混合并且因此允许燃料当量比沿径向方向的受控分布；

旋流器叶片可成形有空气动力学最佳的叶片轮廓用于减小压力损失；

旋流器叶片可成形/设计有受控失速用于形成受控湍流；

燃料喷射端口可设置在叶片的吸入侧和/或压力侧；以及

可在叶片的后缘上提供等流线燃料喷射。

本发明允许形成最佳出射流速曲线用于提高的燃烧稳定性。

壁附近的高轴向流速度消除沿壁闪回的风险。

实现燃料当量比沿径向方向的径向分布的控制(燃料分级)。

Claims (11)

1. 一种用于燃气涡轮焚烧器的轴向旋流器(14b)，其包括具有多个旋流器叶片(19，19b，33a，33b)的叶片环，所述多个旋流器叶片围绕旋流器轴线(11)周向地分布并且在内半径(R_最小)与外半径(R_最大)之间沿径向方向延伸，所述旋流器叶片(19，19b，33a，33b)中的每一个包括后缘(22，35)，其特征在于，为了实现出射流速曲线和/或燃料当量比沿径向方向的受控分布，所述后缘(22，35)为不连续的，其中，所述后缘(22，35)在预定半径(Rs)处具有不连续部(27)，其中，在所述内半径(R_最小)处，出射流角(α)，即所述叶片(19，19b，33a，33b)的弧线的切线与所述旋流器轴线之间的角度，在0°至30°之间，所述出射流角(α)从所述内半径(R_最小)增大至所述预定半径(Rs)处的在30°至60°之间的值，而所述角(α)从该预定半径(Rs)减小至所述外半径(R_最大)处的在10°至40°之间的值。

2. 根据权利要求1所述的轴向旋流器，其特征在于，在所述内半径(R_最小)处，所述出射流角(α)在10°至28°之间，所述出射流角(α)从所述内半径(R_最小)增大至所述预定半径(Rs)处的在35°至50°之间的值，而所述角(α)从该预定半径(Rs)减小至所述外半径(R_最大)处的在20°至40°之间的值。

3. 根据权利要求1所述的轴向旋流器，其特征在于，在所述内半径(R_最小)处，所述出射流角(α)在24°至28°之间，所述出射流角(α)从所述内半径(R_最小)增大至所述预定半径(Rs)处的在42°至46°之间的值，而所述角(α)从该预定半径(Rs)减小至所述外半径(R_最大)处的在36°至38°之间的值。

4. 根据权利要求1至3中的一项所述的轴向旋流器，其特征在于，所述出射流角(α)在所述内半径(R_最小)与所述预定半径(Rs)之间线性地增大，而所述出射流角(α)从所述预定半径(Rs)到所述叶片(19，29，33)的外半径(R_最大)线性地减小。

5. 根据权利要求1至4中的一项所述的轴向旋流器，其特征在于，所述预定半径(Rs)具有在所述外半径(R_最大)与所述内半径(R_最小)之差的20%至80%之间的值。

6. 根据权利要求1至5中的一项所述的轴向旋流器，其特征在于，所述不连续的后缘(22，35)由于两种不同规定类型的流(25，26)而形成，每种流具有在所述旋流器(14b)的出口处的旋流中的预定流速曲线，其中，所述后缘(22，35)在所述内半径(d/2)与所述预定半径(Rs)之间的第一内区段产生射流状轴向速度分布，而所述后缘(22，35)在所述预定半径(Rs)与所述外半径(R_最大)之间的第二外区段用于平整高于闪回值的所述轴向速度分布。

7. 根据权利要求6所述的轴向旋流器，其特征在于，所述两种流类型(25，26)的所述预定流速曲线不彼此混合，并且因此允许燃料当量比沿径向方向的受控分布。

8. 根据权利要求1至7中的一项所述的轴向旋流器，其特征在于，所述旋流器叶片(19)设置有预定失速，用于在所述失速的旋流器叶片(19)之后的流中产生增加的湍流。

9. 根据权利要求1至8中的一项所述的轴向旋流器，其特征在于，燃料喷射器件(32)设置在所述叶片(19，19b，33a，33b)的后缘(31)上。

10. 根据权利要求1至8中的一项所述的轴向旋流器，其特征在于，所述旋流器叶片(19，19b，33a，33b)具有吸入侧(36)和压力侧(37)，并且燃料喷射器件(38)设置在所述吸入侧(36)。

11. 根据权利要求1至8和10中的一项所述的轴向旋流器，其特征在于，所述旋流器叶片(19，19b，33a，33b)具有吸入侧(36)和压力侧(37)，并且燃料喷射器件(39)设置在所述压力侧(37)。

Images