CN105402770A - 用于燃气涡轮的燃烧器的稀释气体或空气混合器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种连续燃烧器布置，其包括以流体流连接按顺序布置的第一焚烧器、第一燃烧室、用于将稀释空气掺合至在操作期间离开第一燃烧室的热气体的混合器布置、第二焚烧器，以及第二燃烧室。混合器(117)适于在第一燃烧室之间延伸的热气体流动路径中引导燃烧气体，其中第二焚烧器包括导管，其具有适于连接于第一燃烧室的上游端处的入口，以及适于连接于第二焚烧器的下游端处的出口。混合器包括从混合器的侧壁指向内的至少一组喷射管(114,115...)，用于掺合稀释空气来冷却离开第一燃烧室的热烟道气体。喷射管沿混合器的侧壁周向地分布，并且其中喷射管具有针对于混合器(117)的中心的圆锥形或准圆锥形形状。

Description

用于燃气涡轮的燃烧器的稀释气体或空气混合器
技术领域
本发明涉及具有连续燃烧的燃气涡轮的技术领域。具体而言，本发明涉及一种连续燃烧器布置，其具有用于将稀释气体或空气掺合到热气流中的器件。此外，本发明涉及一种用于操作燃气涡轮的方法，该燃气涡轮在连续燃烧器中具有用于将稀释气体或空气掺合到热气流中的器件。
因此，本发明涉及一种连续燃烧器布置，其包括按顺序布置在具有连续燃烧的燃气涡轮的热气体路径中的第一焚烧器、第一燃烧室、用于将稀释气体或空气掺合至在操作期间离开第一燃烧室的热气体的混合器、第二焚烧器，以及第二燃烧室。
混合器适于在第一燃烧室与第二焚烧器之间延伸的热气体流动路径中引导燃烧气体，该第二焚烧器包括导管，其具有适于连接于第一燃烧室的上游端处的入口，以及适于连接于第二焚烧器的下游端处的出口。
背景技术
例如，在文献EP0321809和EP0704657中公开了用于燃气涡轮的燃烧器的预混焚烧器。
具体而言，所述预混焚烧器可利用所有类型的液体和/或气态燃料操作。因此，有可能同时地或按顺序以不同燃料操作焚烧器或燃烧器。
EP0620362A1或DE10312971A1中示出了具有连续燃烧的燃气涡轮。
附加的相关技术水平在以下文献中公开。
EP0321809A1涉及一种焚烧器，其由两个中空圆锥形半壳构成，形成用于气态和液体燃料的切向空气入口槽口和进料通道，由此中空圆锥形半壳的中心轴线以相互偏移沿纵向方向延伸。位于半壳的相互偏移的中心轴线的连接线的中部的燃料喷嘴在由半壳形成的圆锥形内部空间内置于焚烧器头部处。
EP0704657A1描述了一种用于热发生器的焚烧器布置，其大致由如EP0321809A1中公开的用于燃烧空气流的涡旋发生器和用于将燃料喷射到所述空气流中的器件，以及所述涡旋发生器下游的混合区构成，该混合区用于在将燃料空气混合物引入到其中发生点火的燃烧室中之前均一地混合燃料和燃烧空气。
事实上，关于燃气涡轮发动机，需要相对于操作过程的灵活性。这隐含了燃气涡轮发动机通常在低于基本负载设计点的负载下操作，即，在较低的燃烧器入口和焚烧温度下。
同时，排放极限值和总体排放许可变得更严格，以使需要在较低排放值下操作，还在部分负载操作下并且在瞬变期间保持低排放。
现有技术的燃烧***设计成例如通过调整压缩机入口质量流或控制不同焚烧器、燃料级或燃烧器间的燃料分流来应对操作条件中的某一可变性。然而，这不足以满足新的要求。
为了进一步降低关于操作灵活性的排放，DE10312971A1中提出了一种连续燃烧。取决于操作条件，具体是第一燃烧室的热气体温度，可需要在它们进入第二焚烧器(也称为连续焚烧器)之前冷却热气体。该冷却可有利地允许燃料喷射和喷射燃料与第一燃烧器的热烟道气体在第二焚烧器中的预混。
常规冷却方法需要换热器，其导致主要热气流中的高压降，或者提出了从侧壁的冷却介质的喷射。为了从侧壁喷射冷却介质，需要高压降，其不利于利用此类燃烧器布置操作的燃气涡轮的效率，并且整个流动的受控冷却为困难的。
参照WO2014/063835A1，公开了连续燃烧器布置，其包括沿流体流动方向按顺序布置的第一焚烧器、第一燃烧室、用于将稀释气体掺合至在操作期间离开第一燃烧室的热气体的混合器、第二焚烧器，以及第二燃烧室。混合器适于在第一燃烧室与第二焚烧器之间延伸的热气体流动路径中引导燃烧气体，该第二焚烧器包括导管，其具有适于连接于第一燃烧室的上游端处的入口，以及适于连接于第二焚烧器的下游端处的出口。
混合器包括从混合器的侧壁指向内的多个喷射管，用于掺合稀释气体来冷却离开第一燃烧室的热烟道气体。
此外，WO2014/063835A1描述了一种用于操作燃气涡轮的方法，该燃气涡轮具有至少一个压缩机、燃烧器布置，其包括以流体流连接按顺序布置的第一焚烧器、第一燃烧室、用于将稀释气体掺合至在操作期间离开第一燃烧室的热气体的混合器、第二焚烧器，以及第二燃烧室。混合器适于在第一燃烧室与第二焚烧器之间延伸的热气体流动路径中引导燃烧气体，该第二焚烧器包括导管，其具有适于连接于第一燃烧室的上游端处的入口，以及适于连接于第二焚烧器的下游端处的出口。混合器包括从导管的侧壁指向内的多个喷射管，用于掺合稀释气体来冷却离开第一燃烧室的热烟道气体，以及涡轮。稀释气体掺合到混合器的截面的不同区域中，或者稀释气体通过喷射孔和/或第二喷射管和第一喷射管喷射，以便将稀释气体引入到混合器的截面的不同区域中。
此外，关于交叉流喷射***的根据WO2014/063835A1的解决方案还提供了较简单几何形状和较低成本的优点。然而，此类解决方案需要较长的混合长度，并且相对于与发动机负载变化相关联的第一燃烧器的热气体温度和稀释空气温度的变化更加敏感。
发明内容
根据第一方面，本发明涉及一种优选关于混合区段的冷却增强，该混合区段具有用于连续焚烧器的至少一个混合器布置，其优选主动地连接于CPSC(恒压连续燃烧器)。
连续焚烧器性能(NOx,CO,OTDF,FBM=逆燃裕度)对焚烧器入口温度分布及其平均温度非常敏感。为了匹配此类要求，第一级燃烧器用于生成热气体，其必须通过喷射冷却剂介质(即，稀释气体或空气)来冷却至较低温水平。此类混合过程对实现最佳的温度分布而言为关键的。但是，必须采用混合时间和混合长度的现有的强限制。此外，热声学特性(即，脉动)可由混合器较强地影响。
根据本发明的公开的连续燃烧器布置包括以流体流连接按顺序布置的第一焚烧器、第一燃烧室、用于将稀释空气掺合至在操作期间离开第一燃烧室的热气体的混合装置(即，混合器)、第二焚烧器，以及第二燃烧室，其中混合器适于在第一燃烧室与第二焚烧器之间延伸的热气体流动路径中引导燃烧气体，该第二焚烧器包括导管，其具有适于连接于第一燃烧室的上游端处的入口和适于连接于第二焚烧器的下游端处的出口。
基本上，CPSC构想由热气体发生器、具有一系列管的混合器、连续焚烧器和连续衬套构成。关于本发明的特征的混合器构想用于通过将稀释空气和冷却空气与来自第一燃烧器的热气流(HG)混合来产生适合的连续焚烧器入口轮廓。大体上，混合器壁和混合器喷管以对流冷却技术和/或泻流冷却技术和/或冲击冷却技术来冷却。
泻流冷却技术应用于混合器，因为不但需要混合器壁的良好冷却，而且同时还需要提供关于主热气流的冷却空气的混合，以输送用于再热燃烧的适合的入口热气体分布。
因此，本发明的聚焦的目标在于提供一种用于连续焚烧器燃烧器布置的混合器，其具有用于在第一燃烧室与第二焚烧器之间掺合稀释空气的混合区段。
稀释介质(优选稀释空气)在混合器的混合区段中掺合，以向第二焚烧器提供适当的入口流动状态。具体而言，热气体冷却至预定温度分布。
关于冷却和混合的混合器管(布置)的性能通过实施一系列的喷射管或其它类似构件来改进，例如，混合管，其沿径向安装并且由外仓室供有稀释空气。这些特征将基本上有助于避免提到的构件内的流动分离，并且改进周向混合质量。
因此，本发明的连续燃烧器布置包括以流体流连接按顺序布置的第一焚烧器、第一燃烧室、用于将稀释空气掺合至在操作期间离开第一燃烧室的热气体的混合器布置、第二焚烧器，以及第二燃烧室。混合器适于在第一燃烧室之间延伸的热气体流动路径中引导燃烧气体，其中第二焚烧器包括导管，其具有适于连接于第一燃烧室的上游端处的入口，以及适于连接于第二焚烧器的下游端处的出口。混合器包括从混合器的侧壁指向内的至少一组喷射管，用于掺合稀释空气来冷却离开第一燃烧室的热烟道气体。喷射管沿混合器的侧壁周向地分布，并且具有朝混合器的中心减小的圆锥形或准圆锥形形状。
此外，注射管的准圆锥形形状由多个连结的管构成，其具有沿它们的径向或准径向延伸独立减小的截面面积。接着，注射管布置成以规则或不规则间隔覆盖混合器的全部截面区域，其中稀释空气喷射到热气流中，并且喷射管包括沿它们的凸出深度的一定数量的喷射孔，其用于将稀释空气正交地或准正交地喷射到热气流中。此外，喷射管具有沿相应的凸出深度的均匀或非均匀的圆锥梯度。此外，喷射管可沿热气流方向倾斜。
混合器包括沿热气流方向的至少一排喷射管，其具有相等、类似或不同的凸出深度，其中混合器包括沿热气体流动方向的多排喷射管，其具有相同、类似或不同的凸出深度。
第一排的喷射管的凸出深度比第二排的凸出深度更接近混合器的中心，接着第二排的凸出深度比第三排的凸出深度离混合器的中心更近或更远，其中独立排的喷射管朝混合器的中心延伸，并且沿径向方向彼此相反地布置。
至少一个喷射管组沿混合器的侧壁周向地分布，并且具有关于正交于流过混合器的热气体的主流动方向的平面的交错设计，其中交错在喷射管的直径的0.1到3.5倍之间。
喷射管的外表面的至少一部分和/或混合器的侧壁的内表面的至少一部分涂覆有TBC，并且喷射管配备有布置在喷射管的内表面上的冷却肋条和/或销场。
最后，本发明涉及一种用于操作燃气涡轮的方法，该燃气涡轮包括至少一个压缩机、连续燃烧器布置，其包括沿流体流动方向按顺序布置的第一焚烧器、第一燃烧室、用于将稀释空气掺合至在操作期间离开第一燃烧室的热气体的混合器布置、第二焚烧器，以及第二燃烧室。混合器适于在第一燃烧室与第二焚烧器之间延伸的热气体流动路径中引导燃烧气体，该第二焚烧器包括导管，其具有适于连接于第一燃烧室的上游端处的入口，以及适于连接于第二焚烧器的下游端处的出口。混合器包括从混合器的侧壁指向内的至少一组喷射管，用于掺合稀释空气来冷却离开第一燃烧室的热烟道气体，其中喷射管沿混合器的侧壁周向地布置，并且其中喷射管具有朝混合器中心减小的圆锥形或准圆锥形形状。
根据又一个优选实施例，混合器布置包括多个喷射管，其从管的壁沿周向方向指向内，用于将稀释空气掺合至离开第一燃烧室的热烟道气体，并且冷却它们来提供用于第二燃烧器的适当的入口状态。
各个喷射管还配备有沿径向方向和周向方向的大量喷射孔，用于将稀释气体或空气喷射到提到的热气流中。
这些喷射管的直径、长度、几何设计和数量设计成将稀释空气掺合到热气流中，使得所需的局部质量流和温度下降以低压降实现。
典型地，喷射管允许以掺合之前的稀释空气压力的总压力的优选0.4%到2%的压降掺合稀释空气。在喷射管的入口处的低压降的情况下，掺合之前的稀释空气压力的总压力的优选0.2%到1%的压降可为足够的。为了减小管入口周围的入口压降，可使用截面为梯级的管、圆锥形或锥形管等。
可提供所述选择的喷射管的组合。此外，可提供具有喷射管的混合器布置，该喷射管具有相对于侧壁进入热气流中的不同凸出深度。
例如，热气流中的第一喷射管布置的凸出深度大于第二喷射管布置的侵入深度。分级还可集中随后的喷射管布置，其中比率适于操作条件。
此外，必须考虑的是，沿混合器的内壁沿周向分布的具有大截面的大量绝对圆柱形喷射管将妨碍热气体截面区域的大部分，并且从而产生高压降。例如，利用圆锥地减小的喷射管，阻塞区域可大致减小。
喷射管的锥角应当选择成使得喷射管内的稀释空气速度的速度保持恒定或准恒定，而不管喷射的该稀释空气的部分。
关于本发明的附加发现涉及以下方面：
高局部入口温度可导致高排放(特别是NOx、CO和未燃烃)和/或第二燃烧器中的逆燃裕度。逆燃裕度和NOx由由于高入口气体温度或高氧浓度引起的喷射燃料的减少的自燃时间引起，这引起过早点燃(导致逆燃裕度)或燃料空气混合时间缩短，导致在燃烧期间的局部热点，并且因此增加NOx排放。
低温区域可由于增加的自燃时间引起CO排放。这可减少CO到CO2的烧尽的时间，以及降低的局部火焰温度，其可进一步减慢CO到CO2的烧尽。最终，局部热点可导致混合器下游的某些部分的过热。
局部高氧浓度可具有与局部高温类似的效果，例如，减少混合时间的快速反应、高燃烧温度、增加的NOx排放和可能的逆燃裕度。理论上，局部低氧浓度可具有与局部低温类似的效果，例如，慢反应导致增加的CO和UHC(未燃烃)的排放，但实际上：低O2→较高燃料/空气比→较高T→较高反应速率。
高或低的局部入口速度可导致第二焚烧器和随后第二燃烧室中增加或减少的停留时间，这具有与不均一的自燃时间类似的消极效果，例如，第二焚烧器中的缩短的停留时间可导致不完全的混合和高NOx。第二燃烧器中的缩短的停留时间可导致不完全燃烧，导致增加的CO排放。第二焚烧器中的减小的流动速度导致过早点燃和逆燃。
此外，从空气动力观点的重要要求为热气体路径中的最小化的压力损失和稀释空气供应。两者可影响利用此类连续燃烧器布置操作的燃气涡轮的性能。
为了将剪切应力导引至流动同时穿过再热焚烧器的混合区，混合区的对应流动通道沿流动方向向不同截面区域提供了连续变化的形状和/或提供了非圆形的截面区域。
根据本发明的混合器布置包括偏转器或由嵌入器件调节排放稀释空气流的一部分(例如，使用喷射管内的流动分离构件)的另一器件。管可供应有稀释空气的独立部分。
各种喷射管还可供应有稀释空气的相等、类似或不同的质量流。
偏转器与仓室壁之间的容积(VD)可用于安装阻尼器。
混合器布置优选布置有环形流动区段，而环形流动区段的高度为环形流动区段的环形壁的直径与环形流动区段的内壁的直径之间的差。
偏转器相对于其径向高度的大小取决于连接导管的流动截面。
根据混合器布置的另一个实施例，喷射管包括壁，其优选沿喷射管的整个纵向方向布置，该壁定位在管的截面的中心外侧或准外侧。该布置可结合单个喷射管或连同上文所述的偏转引导件提供。
根据又一个实施例，连续燃烧器布置包括具有多个连续设置的具有至少一个偏转器的喷射管的混合器布置，根据级原理，该至少一个偏转器设置在喷射管中间或在沿稀释空气流的最后的喷射管的下游，其中对于各个偏转器，对应的喷射管布置在上游，用于掺合稀释空气来冷却离开第一燃烧室的热烟道气体。
利用连续布置，各组的喷射管优选沿混合器布置的侧壁沿周向分布布置，其中第一组喷射管具有到热气流路径中的第一凸出深度，并且第二组喷射管具有相同或减小的凸出深度；这也适用于以下喷射管组。
在此类实施例中，但非排他地，可提供，偏转器或偏转引导件由单个凸缘状本体构成，该单个凸缘状本体沿混合器布置的周向方向布置。
对于正交于侧壁布置的喷射管，延伸到热气体路径中的喷射管的长度等于凸出深度。
此外，上文提到的壁可偏心布置，或者可补充有附加的器件，使得位于稀释空气流下游的形成空间保持与沿喷射管的空气流分离。
根据连续燃烧器布置的一个实施例，导管壁至少部分地泻流冷却。由于掺合稀释空气，故混合器中的热气体的平均温度在喷射管下游降低。典型地，期望降低的冷却要求和较少扩散冷却。然而，由于局部增大的湍流，故喷射管下游的侧壁上的热负载可增大。
因此，第一泻流冷却区域位于第一喷射管下游，并且位于一排随后的喷射管上游，其中每单位面积的泻流冷却孔的数量可增加。
在最后的喷射管下游，优选连同偏转引导件，热气体温度可减小至不需要泻流冷却的水平，由此可应用其它冷却方法。
根据另一个实施例，第一泻流冷却区域具有梯形形状，其中其基部正交于热气体的主流动方向，并且其中梯形第一区域的下游基部比梯形第一区域的上游基部更长。
在又一个实施例中，泻流冷却孔具有范围从0.5到1.2mm的直径。此外，相邻泻流冷却孔之间的距离在第一区域中范围从3到10mm，并且在第二区域中范围从6到20mm。
根据混合器布置的一个实施例，当提供此类布置时，第一喷射管布置在具有或没有偏转引导件的另外的喷射管上游。
此类布置允许将稀释空气喷射至混合器布置的不同区域，而具有由不同设计的喷射管喷射的稀释空气之间的最小干扰，例如，结合单个管，或具有偏转引导件的管，或具有壁以分开稀释空气流的管，或具有壁以防止流动分离的管。
此外，当布置包括带对应的偏转引导件的一定数量的喷射管时，第一组喷射管可布置在第二组喷射管下游。关于其中较短的喷射管在较长喷射管上游的布置，由短喷射管喷射的稀释空气减小相对于随后较长喷射管的热负载。
根据混合器布置的一个实施例，结合偏转引导件的第一组喷射管的直径大于第二组喷射管的直径。此外，第二组喷射管的直径可大于第三组喷射管的直径。
如果喷射管具有带不同功能的壁，则也可提供相同设计。
关于另一个实施例，混合器布置内的第一喷射管沿混合器的侧壁沿周向分布布置在相对于流过混合器的热气体的主流动方向正交或倾斜的平面中；这也应用于随后的组的喷射管。
此类实施例可连同偏转引导件提供，该偏转引导件构成沿混合器的周向方向布置的单个凸缘状本体。
混合器布置的(多个)喷射管和偏转引导件(如果可用)暴露于离开第一燃烧室的热气体。(多个)喷射管和偏转引导件由流过它们的稀释空气固有地冷却。然而，为了延长(多个)喷射管和偏转引导件的寿命，可应用用以减少它们的热暴露的附加措施。
因此，根据混合器布置的一个实施例，(多个)喷射管和偏转引导件的外表面的至少一部分可涂覆有TBC。此外，混合器的侧壁的内表面的至少一部分可涂覆有TBC，以降低壁的冷却要求，并且从而避免冷却离开混合器的热气流的外周区域。
在一个实施例中，(多个)管和偏转引导件内侧的热传递系数增大。对于增大的热传递，冷却肋条和/或销场可布置在(多个)喷射管和偏转引导件的内表面上。
在又一个实施例中，结合偏转引导件的喷射管关于热气体的流动方向以小于90°的角倾斜，使得离开管的稀释空气具有在喷射位置处的沿热气流的方向的流动分量。
喷射管可成角倾斜，使得离开管的稀释空气的轴向分量等于喷射位置处的热气流的轴向流动速度的＋/-50%或在其内。
例如，喷射管的数量可选择成使得两组中的相邻喷射管的离开开口之间的距离类似。在该背景下类似可意味着关于具有较大渗透深度的组的离开开口之间的距离对应于相对于具有较小穿透深度的组的距离的一到三倍。离开开口之间的距离可随喷射管的离开直径进一步增大。
此外，用于操作此类燃气涡轮的方法为本发明的主题。稀释空气可以以如下方式掺合至混合器中的热气体，使得其导致持续的冷却过程。根据一个实施例，稀释空气经由各种喷射管掺合到混合器的不同区域中。
在一个实施例中，第一组的喷射管布置成允许稀释空气朝热气体流动路径的中心区域。
泻流冷却可用于冷却燃烧器壁和/或混合区段的侧壁。
在稀释空气喷射的下游，稀释空气与热气体之间的混合可由流动路径的收缩来加强。
关于连续燃烧，燃烧器的组合可设置如下：
第一燃烧室和第二燃烧室可以以筒-筒燃烧器构架布置，即，第一燃烧室和第二燃烧室设计为筒形燃烧室。
第一燃烧室和第二燃烧室可以以筒环形燃烧器构架布置，即，第一燃烧室布置为环形燃烧室，并且第二燃烧室布置为筒形燃烧室。
第一燃烧室和第二燃烧室可以以环筒形燃烧器构架布置，即，第一燃烧室布置为筒形燃烧室，并且第二燃烧室布置为环形燃烧室。
第一燃烧室和第二燃烧室可以以环-环燃烧器构架布置，即，第一燃烧室和第二燃烧室为环形燃烧室。
因此，混合器的混合质量为关键的，因为第二燃烧室的焚烧器***需要预先规定的入口温度和入口速度分布。
本发明的主要优点如下：
1.需要较少混合时间和混合长度的更有效的混合，即，良好混合和性能，较短混合器布置。
2.更稳定的混合器离开轮廓，即，较少热声学问题(脉动)。
3.均匀喷射速度，即，具有低压降的更好混合，即，更好性能。
4.通过变化的管直径的斯特劳哈尔(Strouhal)不稳定性的消除，即，更稳定燃烧(较少脉动，对BC变化较不敏感)。
附图说明
本公开、其性质以及其优点应当在下文中借助于附图来更详细描述。参照附图：
图1示出了具有用于掺合稀释空气的混合器布置的使用连续燃烧的一般燃气涡轮；
图2示出了具有第一喷射管和第二喷射管的混合器布置；
图3示出了具有沿热气流的方向倾斜的第一喷射管和第二喷射管的混合器的壁区段；
图4示出了具有交错的第一喷射管和第二喷射管的混合器侧壁的区段；
图5示出了包括沿周向安装且沿径向延伸的一系列喷射管的混合器的截面；
图6示出了混合器的又一个截面；
图7示出了具有与彼此交错的多排圆锥形喷射管的混合器的纵截面；
图8a示出了圆锥形喷射管；
图8b示出了焊接在一起来模拟圆锥形形状的多个喷射管的布置；
图9a示出了具有开口端的圆锥形喷射管；
图9b示出了焊接在一起来模拟圆锥形形状的具有开口端的多个喷射管的布置；
图10示出了具有相对于热气体喷射的减缓的喷射管的喷射孔；
图11示出了具有相对于热气体喷射的减缓和具有对流冷却的前缘的喷射管的喷射孔。
部件列表
100燃气涡轮
101第一燃烧室
102第二燃烧室
103压缩机
104连续燃烧器布置
105涡轮
106轴
107排出气体
108压缩空气
109燃烧产物，热气流
110稀释介质，即，气体或空气
111连接导管
112第一焚烧器
113第二焚烧器
114圆锥形喷射管(长)
114a圆锥形连接管(短)
114b由多个不同管构成的喷射管
115第二排圆锥形喷射管
115a倾斜的喷射管
115b倾斜的喷射管
116剩余流动截面
117混合器
118稀释空气孔口
119喷射管的侧壁
120喷射孔
A,A’正交于热气流方向f的平面，f自由距离
L第一喷射管的长度
D第一喷射管的直径
d第二喷射管的直径
H热气体流动路径的高度或等同直径s交错
s交错
Vhot热气体速度
Vd稀释气体或空气速度
Vd,ax稀释气体或空气的轴向速度
Vd,n正交于热气流的稀释气体或空气的速度
Vmix热气流和稀释气体或空气的混合物的速度。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的具有连续燃烧器布置104的燃气涡轮100。其包括压缩机103、燃烧器布置104和涡轮105。燃烧器布置104包括第一焚烧器112、第一燃烧室101，以及混合器布置117，其用于将稀释空气110掺合至在操作期间离开第一燃烧室101的热气体。
在混合器117下游，燃烧器布置104还包括第二焚烧器113和第二燃烧室102。第一焚烧器112、第一燃烧室101、混合器117、第二焚烧器113和第二燃烧室102沿流体流方向随后布置。燃料可经由第一燃料喷射123引入到第一焚烧器112中，与在压缩机103中压缩的压缩空气混合，并且在第一燃烧室101中燃烧。
稀释空气110(见图2)引入到随后的混合器117中。附加燃料可经由第二燃料喷射124引入到第二焚烧器中，与离开混合器117的热气体混合，并且在第二燃烧室102中燃烧。离开第二燃烧室102的热气体在随后的涡轮105中膨胀，执行功。涡轮105和压缩机103布置在轴106上。
离开涡轮105的排出气体107的剩余热可进一步用于余热回收蒸汽发生器或锅炉(未示出)中，用于蒸汽生成。
在所示的实例中，压缩机排气作为稀释气体110掺合。典型地，压缩机排气为压缩的环境空气。对于具有烟道气体再循环(未示出)的燃气涡轮，压缩机排气为环境空气和再循环烟道气体的混合物。
典型地，燃气涡轮***包括发电机(未示出)，其联接于燃气涡轮100的轴106。
混合器117的不同示例性实施在WO2014/063835A1的图2a到2d中示为图1a到1d的放大区段，其中提到的附图形成本说明书的组成部分。
图2示出了具有包括第一喷射管114的混合器的第一实例，第一喷射管114布置在第二喷射管115的上游。这里示出了具有长度L的两个喷射管组。
在该实例中，来自压缩机仓室的压缩气体沿连接导管111内的燃烧器衬套引导为稀释空气110。稀释空气110从连接导管111经由第一喷射管114和第二喷射管115喷射到混合器中。混合器117具有带高度H的截面。混合器可布置有环形截面。对于环形混合器，高度H由环形流动区段的外壁的直径和环形流动区段的内壁的直径之间的差引起。对于具有圆柱形截面的混合器，高度H为截面的直径。第一喷射管114和第二喷射管115的长度L以如下方式限定成使得确保喷射的稀释空气110与离开第一燃烧室101的热气体的良好混合。
图2示出了包括到喷射管114,115中的稀释空气孔口118的混合器117。使用稀释空气孔口118可减小混合器117中的热气流的压降。例如，如果高度H小到足以允许具有通过具有长度L和稀释空气孔口喷射118的第一喷射管114的稀释空气110的掺合的良好混合，则其可使用。
为了减小热气流中的压力损失，混合器布置有在其中掺合稀释空气的混合器的区域中的扩散侧壁116。由于扩散的侧壁116，故混合器的截面可根据扩散器增大。
这增大了截面，并且导致和减小流动速度，以及由第一喷射管114和第二喷射管115引起的压降的减小。此外，这些措施减小了由将稀释空气110喷射到热气流109中引起的压降。
又一个实施例在于将稀释空气110从压缩机仓室(在压缩机103下游)直接地供应至第一喷射管114和第二喷射管115。第一喷射管114和第二喷射管115延伸到压缩机仓室中，并且因此具有较高压力和较低温度(没有由于在用作稀释气体之前燃烧器的冷却引起的温度获取)的稀释空气110可用(见WO2014/063835的图2d)。
图3示出了具有倾斜的第一喷射管115a和第二喷射管115b的混合器117的壁区段。第一喷射管115a和第二喷射管115b沿热气流的方向倾斜，用于减小第一喷射管115a和第二喷射管115b的压降。作为优选，倾斜具有角，使得离开管的稀释空气具有在喷射位置处沿热气流的方向的轴向流动分量vd,ax，其等于热气体109的流动速度v。
稀释空气110以稀释空气速度vd离开喷射管114,115。这具有关于稀释空气的轴向速度的沿热气流的方向的分量vd,ax，以及正交于热气流的流动分量vd,n，其具有正交于热气流的稀释空气的速度。正交于热气流的稀释空气的速度vd便于稀释空气渗透到热气流中，并且与热气流混合。
根据图3的实例，热障涂层(TBC)119施加于喷射管114,115的上游侧，以降低它们的温度。TBC涂层可例如施加在上游半部的区段上，或围绕整个喷射管114,115施加。此外，冷却孔120施加在下游侧上。除冷却喷射管壁之外，从这些喷射孔120排出的冷却空气喷射到喷射管114,115的尾流中，并且从而减小了热气流中的压降。
图4示出了具有带直径D的交错的第一喷射管114和第二喷射管115的混合器117的侧壁116的断面区段的俯视图。第一喷射管布置在正交于热气体的流动方向的平面A或平面A'中。
第一喷射管以交错s来交错，即，平面A沿流动方向关于平面A'以距离s布置。由于交错，故两个相邻第一喷射管114之间的自由距离f相比于并未交错的两个相邻喷射管之间的自由距离f增大。
第二喷射管115在第一喷射管114下游布置有相同交错s，具有第一喷射管114与第二喷射管115之间的距离a。在所示实例中，第二喷射管115的直径d等于第一喷射管114的直径D。
图5示出了本发明的优选实施例，其中一系列喷射管114,114a沿径向安装，并且由另一个仓室供有稀释空气110。在图中，由第一燃烧器生成的热气流流过沿径向设置的长喷射管114，并且流过设置在中间的短喷射管114a。
长喷射管和短喷射管两者沿径向朝混合器117的中心导引，其中长喷射管114延伸到混合器的中心附近。喷射管114,114a沿混合器的周向方向的设置均匀地提供，其中非均匀的分布也是可能的。喷射管114,114a还配备有用于将流动的稀释空气110a喷射到热气流109中的大量喷射孔120。该混合器117的关键特征反映了此类喷射孔120沿喷射管114,114a的相应径向延伸的良好分布，以使稀释空气110预先分配，并且因此需要更短的混合时间和长度。总之，特征为圆锥形或其它几何形状的喷射管布置成覆盖整个截面区域，其中稀释空气正交或准正交地喷射到热气流中。
图6示出了本发明的又一个优选实施例的基线，其中一系列喷射管114沿径向安装，并且由另一个仓室供有稀释空气110。在图中，由第一燃烧器生成的热气流流过沿径向设置的长喷射管114，其具有一致的长度。因此，如所示，喷射管114方向沿径向朝混合器117的中心，并且它们在附近延伸，直到混合器的中心。沿混合器的周向方向的喷射管114的设置均匀地提供，其中非均匀的分布也是可能的。喷射管114也配备有用于将稀释空气110a喷射到热气流109中的大量喷射孔120。该混合器117的关键特征反映了此类喷射孔120沿喷射管114的相应径向延伸的良好分布，以使稀释空气110预先分配，并且因此需要更短的混合时间和长度。总之，特征为圆锥形或其它几何形状的喷射管布置成覆盖整个截面区域，其中稀释空气正交或准正交地喷射到热气流中。所有喷射管可拥有相同的长度。
图7示出了沿热气流(入口109、混合器出口109a)设置的更多排喷射管114。所示的喷射管大致延伸到混合器117的中心，并且沿径向方向彼此相反地布置。
图8a示出了单个圆锥形喷射管114，而图8b示出了由焊接在一起以模拟圆锥形形状的多个管构成的另一个喷射管114b。假定将喷射大量稀释空气110，则永久的圆锥形喷射管将明显地妨碍热气流的大部分穿过截面区域，产生了高压降，具有对于燃气涡轮发动机的许多缺点。同时，喷射管中的速度将在喷射稀释空气的同时减小。
出于该原因，在本发明的本实施例中，圆锥形或准圆锥形喷射管114,114b被认为解决了两个问题。利用圆锥形或准圆锥形喷射管，阻塞区域可大致减少。沿相应的喷射管的纵向方向的圆锥度或截面等级应当选择成使得喷射管内的稀释空气速度在最小变化内保持恒定或准恒定。总之，在替换永久圆锥形喷射管(见图8a)的另一个实施例中，提出了具有它们的截面面积的离散变化的喷射管(见图8b)，目的在于更容易且廉价的制造。
图9a和9b示出了与图8a和8b中所示的相同喷射管114,114b，其中唯一差别在于它们拥有在端部处的孔口，稀释空气110b的一部分从其流入热气流中。
图10和11示出了涉及稀释空气的喷射孔的两个不同解决方案。尽管根据图10的喷射管114具有关于喷射孔120的整体覆盖，但根据图11的喷射管仅部分地配备有喷射孔。对应的解决方案涉及相对于热气体喷射的目标减缓。

Claims (16)

1.连续燃烧器布置(104)，其包括以流体流连接按顺序布置的第一焚烧器(112)、第一燃烧室(101)、用于将稀释气体或空气(110)掺合至在操作期间离开所述第一燃烧室(101)的热气体的混合器布置(117)、第二焚烧器(113)，以及第二燃烧室(102)，其中所述混合器(117)适于在所述第一燃烧室(101)与所述第二焚烧器(113)之间延伸的热气体流动路径(109)中引导燃烧气体，所述第二焚烧器(113)包括导管，其具有适于连接于所述第一燃烧室(101)的上游端处的入口，以及适于连接于所述第二焚烧器(113)的下游端处的出口，其中所述混合器(117)包括从所述混合器(117)的侧壁(119)指向内的至少一组喷射管(114,115,...)，用于掺合所述稀释气体或空气(110)来冷却离开所述第一燃烧室(101)的热烟道气体，其中所述喷射管(114,115,...)沿所述混合器(117)的侧壁(119)周向地布置，并且其中所述喷射管(114,115...)具有朝所述混合器(117)的中心减小的圆锥形或准圆锥形形状。
2.根据权利要求1所述的连续燃烧器布置，其特征在于，所述喷射管的准圆锥形形状由多个连结的管构成，所述多个连结的管具有沿它们的径向或准径向长度减小的截面面积。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的连续燃烧器布置，其特征在于，所述喷射管(114,115...)布置成以规则或不规则间隔覆盖所述混合器(117)的整个截面区域，其中稀释气体或空气(110)喷射到所述热气流(109)中。
4.根据权利要求1至权利要求3中的一项所述的连续燃烧器布置，其特征在于，所述喷射管(114,115...)包括沿它们的凸出深度的一定数量的喷射孔(120)，其用于将稀释气体或空气(110a)正交地或准正交地喷射到所述热气流(109)中。
5.根据权利要求1至权利要求4中的一项所述的连续燃烧器布置，其特征在于，所述喷射管(114a,114b)在它们的端部处拥有孔口，所述稀释气体或空气(110b)的一部分从所述孔口逸出到热气流中。
6.根据权利要求1至权利要求5中的一项所述的连续燃烧器布置，其特征在于，所述混合器(117)包括沿所述热气流的方向的具有相等、类似或不同凸出深度的至少一排喷射管(114,115...)。
7.根据权利要求1至权利要求6中的一项所述的连续燃烧器布置，其特征在于，所述混合器(117)包括沿所述热气流的方向的具有相等、类似或不同的凸出深度的多排喷射管(114,115...)。
8.根据权利要求1至权利要求7中的一项所述的连续燃烧器布置，其特征在于，所述喷射管(114,115...)具有沿相应凸出深度的均匀或非均匀的圆锥梯度。
9.根据权利要求1至权利要求8中的一项所述的连续燃烧器布置，其特征在于，第一排的所述喷射管(114,115...)的凸出深度比第二排的凸出深度更接近所述混合器(117)的中心，所述第二排的凸出深度比第三排的凸出深度更接近或更远离所述混合器(117)的中心。
10.根据权利要求1至权利要求9中的一项所述的连续燃烧器布置，其特征在于，单排的喷射管朝所述混合器(117)的中心延伸，并且沿径向方向与彼此相反地布置。
11.根据权利要求1至权利要求10中的一项所述的连续燃烧器布置，其特征在于，所述喷射管(115a,115b)沿所述热气流的方向倾斜。
12.根据权利要求1至权利要求11中的一项所述的连续燃烧器布置，其特征在于，所述侧壁(119)由泻流冷却至少部分地冷却。
13.根据权利要求1至权利要求12中的一项所述的连续燃烧器布置，其特征在于，至少一个喷射管组(114,115)沿所述混合器(117)的侧壁(119)周向地分布，并且具有关于与流过所述混合器(117)的热气体的主流动方向正交的平面的交错设计，其中所述交错在所述喷射管的直径的0.1到3.5倍之间。
14.根据权利要求1至权利要求13中的一项所述的连续燃烧器布置，其特征在于，所述喷射管(114,115...)的外表面的至少一部分和/或所述混合器(117)的侧壁(119)的内表面的至少一部分涂覆有TBC。
15.根据权利要求1至权利要求14中的一项所述的连续燃烧器布置，其特征在于，一定数量的冷却肋条和/或冷却销布置在所述喷射管(114,115...)的内表面上。
16.用于操作燃气涡轮(100)的方法，所述燃气涡轮(100)包括至少一个压缩机(103)、连续燃烧器布置(104)，其包括以流体流连接按顺序布置的第一焚烧器(112)、第一燃烧室(101)、用于将稀释气体或空气(110)掺合至离开所述第一燃烧室(101)的热气体的混合器布置(117)、第二焚烧器(113)，以及第二燃烧室(102)，其中所述混合器(117)适于在所述第一燃烧室(101)与所述第二焚烧器(113)之间延伸的热气体流动路径(109)中引导燃烧气体，所述第二焚烧器(113)包括导管，其具有适于连接于所述第一燃烧室(101)的上游端处的入口，以及适于连接于所述第二焚烧器(113)的下游端处的出口，其中所述混合器(117)包括从所述混合器(117)的侧壁(119)沿径向指向内的至少一组喷射管(114,115…)，用于掺合所述稀释气体或空气(110)来冷却离开所述第一燃烧室(101)的热烟道气体，其中所述喷射管沿所述混合器(117)的侧壁(119)周向地布置，并且其中所述喷射管具有朝所述混合器(117)的中心减小的圆锥形或准圆锥形形状。
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