CN105716116B - 喷射稀释空气的轴向分级混合器 - Google Patents

喷射稀释空气的轴向分级混合器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于操作结合燃气涡轮发动机或涡轮机械的燃烧装置而喷射稀释空气或稀释气体的轴向分级混合器装置的方法，其包括至少一个燃烧室、用于将空气或气体部分混合至离开燃烧室的热气流中的至少一个混合器装置。混合器装置适合于在燃烧室下游延伸的热气流路径中引导燃烧气体，其中混合器包括从混合器装置的侧壁向内指向的多个喷射器件，其用于混合空气部分，从而至少冷却离开燃烧室的热气流。在热气流中，在混合器装置的内部，在起作用的喷射器件的最后喷射位置和至少一个后续设置的稀释空气喷射部之间的间距在喷射位置之间没有节点的情况下对应于等于或接近传送波长的一半(λconv/2)的距离。

Description

喷射稀释空气的轴向分级混合器
技术领域
本发明涉及一种结合燃气涡轮发动机或涡轮机械的燃烧装置而喷射稀释空气或稀释气体的轴向分级混合器装置以及其操作方法。
背景技术
由于通过不稳定的再生源，例如风力或太阳能发电增加的原因，现有基于燃气涡轮发动机的发电厂越来越多地用于平衡功率需求和稳定电网。因而需要改善操作的灵活性。这意味着燃气涡轮时常在比基本负荷设计点更低的负荷下，即在更低的燃烧器入口温度和点火温度下进行操作。
同时，排放极限值和整个排放许可变得更为严格，所以需要在更低的排放值下操作，在部分负荷操作和在瞬变期间也保持低的排放，因为这些对累积排放限制也有价值。
现有技术状态的燃烧***被设计用于处理操作条件方面的某些差异性，例如通过调整压缩机入口质量流量或控制不同的喷燃器、燃料级或燃烧器之间的燃料分流。然而，这不足满足新的需求。
为了进一步减少排放和操作灵活性，在DE 10312971 A1中已经提出了顺序燃烧。依赖于操作条件，尤其第一燃烧室的热气温度，可能需要在热气体被允许进入第二喷燃器(也被称为顺序喷燃器)之前冷却热气体。这种冷却可能是有利的，容许喷射燃料以及喷射的燃料与第一燃烧器的热烟道气在第二喷燃器中的预混合。
传统的冷却方法要么需要热交换器结构，其导致主的热气流中的高的压力降，或者建议从侧壁喷射冷却介质。为了从侧壁喷射冷却介质，需要高的压力降，其对于以这种燃烧器装置进行操作的燃气涡轮的效率是有害的，并且控制整个流量的冷却是困难的。
参照WO 2014/063835 A1，顺序燃烧装置包括第一喷燃器、第一燃烧室、用于在操作期间使稀释气体混入到离开第一燃烧室的热气体中的混合器、第二喷燃器以及在流体流动连接中顺序设置的第二燃烧室。混合器适合于在第一燃烧室和第二喷燃器之间延伸的热气流路径中引导燃烧气体，热气流路径包括管道，其在上游端具有适合于连接到第一燃烧室上的入口以及在下游端适合于连接到第二喷燃器上的出口。混合器包括多个从用于混合稀释气体的混合器的侧壁向内指向的喷管，从而冷却离开第一燃烧室的热烟道气。
此外，参照WO2014/063835A1描述了一种用于操作带有至少一个压缩机、燃烧器装置的燃气涡轮的方法，燃烧器装置包括第一喷燃器、第一燃烧室、用于在操作期间使稀释气体混入到离开第一燃烧室的热气体中的混合器、第二喷燃器以及第二燃烧室，它们在流体流动连接中顺序设置。混合器适合于在第一燃烧室和第二喷燃器之间延伸的热气流路径中引导燃烧气体，热气流路径包括管道，其在上游端具有适合于连接到第一燃烧室上的入口以及在下游端适合于连接到第二喷燃器上的出口。混合器包括从管道的侧壁向内指向的多个喷管，用于混合稀释气体，从而冷却离开第一燃烧室和涡轮的热烟道气。稀释气体被混入到混合器的横截面的不同区域中，或者稀释气体通过喷孔和/或第二喷管和第一喷管进行喷射，从而将稀释气体引入到混合器的横截面的不同区域中。
此外，通过利用赫尔姆霍茨(Helmholtz)减振器实现的燃烧动力的衰减被所有公司广泛地用于燃气涡轮段的操作，并且已经提交了若干个发明公开。显现的技术状态聚焦于对环罐式燃烧器的减振应用。在罐式燃烧器周围采用赫尔姆霍茨减振器可参见以下文献：
US 2005/0166596 A1描述了一种贯流式谐振器，其在放置于燃烧器***的流动路径中具有最高声压幅的点位或其附近时，有效地抑制了声能的不稳定性，同时避免了当谐振器的一部分集成在具有超过大约0.10英寸厚度的***区域上时绕过***的质量气流的增加。谐振器的声能衰减性能可根据声导来表示，其被限定为穿过下游孔组的体积速度的同相分量除以谐振器的下游面上的压力振荡的幅度。高的声导值表示高的衰减性能。因此，谐振器的声导越高，那么在***中，例如燃气涡轮中需要的单独的谐振器越少，从而最大限度地减小了潜在危害性的燃烧振荡，或者阻碍发生这种燃烧振荡的可能性越大。
US 2011/0220433 A1提供了以下方案：该目的的第一方面是燃烧器，其包括其中限定了燃烧区域的圆柱体和消音器，消音器包括声学部分，其具有与燃烧区域连通的消音器谐振空间。声学部分是沿着圆柱体提供的，从而在与圆柱体的轴向相交的方向上延伸。根据这个方面，因为具有消音器谐振空间的声学部分是沿着圆柱体提供，从而在与圆柱体轴向相交的方向或者周向方向上延伸的，所以声学部分被广泛设置在周向方向上，而没有聚集在周向方向上的圆柱体的特殊区域中。结果，防止声学部分朝着圆柱体的外圆周突出来，并且可减少燃烧器外部所需要的空间。因而，因为外壳可制成很小，所以组成外壳的壳体可制成很小。因为这可使例如燃气涡轮足以在地面上运输，所以其可能减少制造成本，包括运输成本。此外，如果声学部分朝着圆柱体的外圆周的突出被减少，那么燃烧器可以很容易地随消音器一起拔出。因而，可以改善燃烧器维护的简易性。上述方面还可包括由多孔板形成的声学衬套和盖部件，多孔板组成圆柱体并具有多个穿透厚度方向的通孔，盖部件设于多孔板的周围并离多孔板一定的距离，从而覆盖多孔板，声学衬套具有声学衬套谐振空间。这样做可以减弱可被声学衬套减弱的频率区域中的振荡，以及可被消音器减弱的频率区域中的振荡。因此，可以在很宽的频率区域中减弱燃烧振荡。在上面的配置中，优选在声学衬套的外周向侧上提供至少声学部分的一部分。
因此，直接来自压缩机稳压室的供给不会为顺序衬套冷却留下充足的空气。来自顺序衬套冷却的使用过的空气增加了吸入热气、在具有低压力降的区域中发生过热以及在热气和混合器空气稳压室之间耦合的风险。另一方案可能是在稀释空气上增加大压力降，但这释放了损害发动机性能的影响。
发明内容
本发明涉及一种结合燃气涡轮发动机或涡轮机械的燃烧装置而喷射稀释空气或稀释气体的轴向分级混合器装置，其包括至少一个燃烧室、用于使空气或气体部分混入到离开燃烧室的热气流中的至少一个混合器装置，其中混合器装置适合于在燃烧室下游延伸的热气流路径中引导燃烧气体，混合器包括从混合器装置的侧壁向内指向的多个喷射器件，用于混合空气部分，以冷却至少离开燃烧室的热气流。
本发明优选涉及燃气涡轮发动机，其包括单个燃烧器或顺序燃烧器装置。顺序燃烧装置包括第一喷燃器、第一燃烧室、用于在操作期间使稀释气体混入到离开第一燃烧室的热气体中的混合器、以及第二燃烧室，它们在流体流动连接中顺序设置。
混合器适合于在第一燃烧室和第二喷燃器之间延伸的热气流路径中引导燃烧气体，热气流路径包括管道，其在上游端具有适合于连接到第一燃烧室上的入口以及在下游端适合于连接到第二燃烧室上的出口。
另外，操作装置的构件涉及例如燃气涡轮发动机的罐式燃烧器。此外，操作装置还涉及可能进行燃烧的其它发动机。
作为一个示例，本发明涉及一种燃气涡轮发动机，其具有设置在旋转轮廓周围的若干个罐式燃烧器的型式。
罐式燃烧器是支持式圆柱形燃烧室。各个“罐式燃烧器”具有其自身的燃料喷射器、点火器、衬套和外壳。来自压缩机的初次空气被引导至各个单独的罐式燃烧器中，其在此处减速，与燃料混合，然后点火。二次空气也来自压缩机，其在此处输送到衬套外面(其内部是发生燃烧的地方)。二次空气然后通常通过衬套中的缝隙输送到燃烧区域中，以便通过薄膜冷却而冷却衬套。
此外，多个罐式燃烧器设置在发动机的中心轴线周围，并且其共同的排气被输送到涡轮。罐式燃烧器最广泛地用于早前的燃气涡轮发动机中，因为其设计和测试简单(人们可测试单个罐，而无须测试整个***)。罐式燃烧器容易维护，因为可能只需要除去单个罐，而非整个燃烧段。
所聚焦的燃气涡轮发动机包括压缩机、压缩机下游的若干个罐式燃烧器，其中罐式燃烧器的热气体被允许进入涡轮，其中罐式燃烧器基于罐式燃烧器架构进行操作。
另外，另一燃气涡轮发动机包括压缩机、压缩机下游的第一罐式燃烧器装置，其中第一罐式燃烧器装置的热气体被允许进入第一涡轮或第二罐式燃烧器装置，其中第二罐式燃烧器装置的热气体被允许进入第二涡轮或后续蒸汽循环，其中至少一个罐式燃烧器装置基于罐式燃烧器架构进行操作。
此外，至少一个罐式燃烧器包括一个或多个设置的预混合喷燃器或半预混合喷燃器。第一涡轮经过连接以接收来自第一罐式燃烧器装置的工作气体，第二罐式燃烧器装置经过连接以接收从第一涡轮排出的工作气体，并将工作气体传送给第二涡轮，其中第二罐式燃烧器装置包括环形管道，以及用于将燃料引入到第二罐式燃烧器装置中，以便自动点火燃烧的装置，环形管道形成了在流动方向上从第一涡轮的出口延伸至第二涡轮的入口的燃烧空间。
此外，本发明的装置的操作使用还优选涉及另一类型的燃烧器，即环罐式(cannular)燃烧器。类似于罐式燃烧器，环罐式燃烧器具有离散的燃烧区域，其包含在具有自身燃料喷射器的独立衬套中。不同于罐式燃烧器，所有燃烧区域共用公共环形(环带)外壳。
各个燃烧区域不再必须用作压力容器。燃烧区域还可通过容许某些空气周向流动的衬套孔或连接管或管道而彼此连通。来自环罐式燃烧器的出射流通常具有对于涡轮段更好的更均匀的温度分布。其还排除了各个室具有其自身点火器的需要。一旦在一个或两个罐式燃烧器中点着火，那么其可以很容易地传播并点燃其它燃烧器。
燃气涡轮发动机的燃烧器包括至少一个预混合喷燃器，这些应优选由根据文献EP0 321 809 A1和/或EP 0 704 657 A2所述的燃烧过程和目的来形成，其中这些文献形成了本说明书的组成部分。具体地说，所述预混合喷燃器可用所有类型的液体和/或气体燃料进行操作。因而，可能很容易在单个罐中提供不同的燃料。这还意味着预混合喷燃器还可同时以不同的燃料进行操作。
为了给提到的现有技术状态引入一种革新的新颖的贡献，本发明的基本思想涉及将用于顺序喷燃器的入口温度降低至可接受的值，来自第一级的热空气与较冷的稀释空气或稀释气体(后文中被称为稀释空气)进行混合。这对于实现所需要的强烈依赖于温度的自动点火延迟时间是必须的。跨稀释空气喷射的可用压力降是有限的，并且必须满足整个燃烧器压力降所规定的要求。
因此，在燃烧室中由于火焰噪声或现有的热声不稳定性而产生压力波动的情况下，这种空气喷射可能进行调制，导致下游喷燃器有临时波动的入口温度。这则极强地调制了自动点火延迟时间，导致火焰位置波动，这可能使现有的燃烧动力波动增强至不能接收的高的幅度。由于这种耦合机制的发生，从混合器至顺序喷燃器的传送(convective)波长必须接近实际距离(或距离必须是其多倍)，这是针对CPSC的情形。
本发明的基本思想是轴向扩散稀释空气的喷射，使其跨越传送波长的限定部分。抵消一种个别的脉动频率的最基本的方案是在两个不同的位置喷射稀释空气，所述位置分开传送波长的一半，使得它们均匀分开。在这个简单的示例中，假定声波长度比传送波长大得多，而且在两个喷射位置之间没有节点(声波的节点，也被称为零交叉)。在附着于这个IDF的幻灯片中显示了在用于CPSC的实践中如何能够实现提出的概念。内部CPSC***的典型配置实际上在于来自第一燃烧级的热气体通过喷射稀释空气和冷却空气而被冷却至最佳的顺序喷燃器入口温度，冷却空气还确保不会超过各种部件的金属温度界限。
此外，本发明想要解决的技术问题涉及获得用于喷射稀释空气的正确位置，必须考虑若干个参数，例如平均流速和分布、稀释空气射流的穿透性、至顺序喷燃器火焰的距离、振荡频率、声学模式形状、以及必须解决的临界声学模式的数量。
最佳消除波动的稀释空气的轴向间距可能需要接近SB燃料喷射部的位置。为了获得均匀的温度分布，稀释空气不得不具有通过槽而非壁射流进行喷射。这容许喷孔直径降低(整个喷射面积保持相同)，这则提供了小规模混合。这导致更短的混合长度，并容许空气喷射定位成更靠近SB燃料喷射部。
具体地说，稀释空气的喷射按照等于或接近传送波长的一半(λconv/2)的距离轴向分级：主流部分将在两个后续级中暴露于最大和最小压力下喷射的稀释空气中，因而平衡了波动(见图7)。
此外，在热气流中，在起作用的喷管或喷槽(flute)或喷孔的最后喷射位置以及混合器装置内部的后续稀释空气喷射器之间的间距一方面对应于等于一半传送波长的距离，并且另一方面依赖于燃气涡轮的操作，而对应于接近一半传送波长的距离。
因此，如果从喷射位置A至位置B的传送行程时间是一半传送波长，那么时间t0的减少的混合器质量流量消除了从时间t1的增加的质量流量。这只有在两个喷射位置之间没有声学模式形状的节点时才可实现。
由于解决了低频，没有节点是更可能的；但存在可能形成至少一个节点的可能性。因此：
如果在喷射位置之间没有节点，那么你必须将它们分开一半波长或是其奇整数倍(即，1/2, 3/2,… (2n+1)/2)。
如果在喷射位置之间存在一个节点，那么该原理也可行，但你必须将它们分开全波长或其整数倍(即，1,2,3,…)。
后续设置的稀释空气喷射部通过相同或不同结构化的喷射器件(管、槽、孔)来实现，其中在直接附属的喷射器件之间或相对于下一喷射器件的间距根据波长进行选择。因此，本发明还包括例如混合器或混合器装置具有4个喷射器件并且器件1/3和2/4或1/4和2/3根据波长而间隔开的情形。
因而，由此得出以下结论：
当前CPSC壁射流混合器导致所应用的喷射设计原则有较大的空间和时间变化。
具有恰当间距的轴向分级混合器可补偿时间和空间的波动。
对于给定的脉动频率，分级距离应选择为一半传送波长。
对于给定的脉动频率，在两个后续的稀释空气喷射部之间的分级距离选择为一半传送波长，由此对于多个频率，使用不止二个级。
对于多个频率，必须使用不止两个级。
另外，本发明涉及以下优选的备选实施例和/或方法：
附加稀释空气喷射器设置在混合器装置的出口，由此这个喷射器可至少部分地额外用作燃料喷射器，并且燃料喷射可被一定数量的从相对应的稳压室流出的稀释空气混合或冷却。
从稳压室流出的稀释空气沿着环状地设置在混合器装置的热气流周围的连接管道流动。
喷射器件(管、槽)从热气流的内部衬套向内指向并且在热气流的周向方向上设置有规则或不规则的隔壁；并且提到的喷射器件具有圆柱形、圆锥形或类似圆锥的形状。
混合器装置沿着热气流包括多排喷射，其中根据燃气涡轮发动机或涡轮机械的操作，喷射器件具有相等、相似或不同的突出深度。
混合器的喷射器件在单个喷射排或多个喷射排内部具有相等、相似或不同的横截面，其中至少单排喷射器件(管或槽)延伸至混合器的中心，并且彼此相反地设置在径向方向上；而且其中至少一个喷射器件(管或槽)相对于热气流是倾斜的。
至少一个喷管或槽沿着其突出深度具有许多喷孔，其用于将稀释空气正交或准正交地喷射到热气流中。
此外，本发明涉及一种用于操作结合燃气涡轮发动机或涡轮机械的燃烧装置而喷射稀释空气或稀释气体的轴向分级混合器装置的方法，其包括至少一个燃烧室、用于将空气或气体部分混合至离开燃烧室的热气流中的至少一个混合器装置。混合器装置适合于在燃烧室下游延伸的热气流路径中引导燃烧气体，其中混合器包括从混合器装置的侧壁向内指向的多个喷射器件，其用于混合空气部分，从而至少冷却离开燃烧室的热气流。在热气流中，在起作用的喷射器件的最后喷射位置和混合器装置内部的至少一个后续设置的稀释空气喷射器之间的间距对应于等于或接近一半传送波长的距离。
另外，该方法特征在于，相对于热气流的内部衬套而言，从相应的稳压室流出的稀释空气部分地用作泻流和/或对流和/或冲击冷却空气，其中稀释空气优选源自至少一个压缩机，或来自顺序衬套冷却，或顺序喷燃器稳压室，或直接来自pk2稳压室，或来自燃气涡轮发动机或涡轮机械的第一级冷却通道。这些选择项的多种组合也是可能的。
就重要性而言，混合器实现了减振器的功能，其针对燃气涡轮发动机或涡轮机械的所有操作条件都作为减振器进行操作。
附图说明
下面将借助于附图更详细地描述本公开、其性质以及其优点。参照附图：
图1显示了一种利用顺序燃烧的通用燃气涡轮发动机，其具有用于混合稀释空气或稀释气体的混合器装置；
图2显示了根据现有技术状态的稀释空气混合器；
图3显示了燃气涡轮发动机的混合器装置，其包括稀释空气的各种引进模式；
图3a显示了燃气涡轮发动机的混合器装置，其包括两种顺序设置的稀释空气引进模式；
图4显示了穿过图3的平面IV-IV的截面图；
图4a显示了根据图4的混合器的横截面的上面部分；
图5显示了穿过图3的平面V-V的截面图；
图5a显示了位于与传送波长相结合的混合器的末端的顺序设置的稀释空气喷射器；
图6在时域中显示了针对端平面(MET)的一种时延混合器的喷射分布；
图6a显示了关于根据图6的权重因子的曲线图；
图6b显示了有关用于根据图6的目标频率的改善配置的形状的曲线图；
图7显示了关于稀释空气级定位的曲线图。
具体实施方式
图1显示了通用燃气涡轮发动机100，其具有根据本公开的顺序燃烧器装置104。其包括压缩机103、燃烧器装置104和涡轮105。燃烧器装置104包括第一喷燃器112、第一燃烧室101和混合器装置115，混合器装置115用于在操作期间将稀释空气混合到离开第一燃烧室101的热气体109中。在混合器装置115的下游，燃烧器装置104还包括第二喷燃器113和第二燃烧室102。第一喷燃器112、第一燃烧室101、混合器115、第二喷燃器113和第二燃烧室102在流体流动连接方面是按顺序设置的。燃料可通过第一燃料喷射123引进到第一喷燃器112中，与压缩机103中所压缩的压缩空气进行混合，并在第一燃烧室101中进行燃烧。稀释空气是在后续的混合器装置115中进行混合的。附加燃料可通过第二燃料喷射124引进到第二喷燃器中，与离开混合器装置115的热气体109进行混合，并且在第二燃烧室102中进行燃烧。离开第二燃烧室102的热气体109在后续涡轮105中进行膨胀，执行做功。涡轮105和压缩机103设置在轴106上。离开涡轮105的排气107的剩余热量可进一步用于产生蒸汽的余热蒸汽发生器或锅炉(未显示)中。在所示的示例中，这里压缩机排气作为稀释空气进行混合。通常，压缩机排气是压缩的环境空气108。对于具有烟道气循环(未显示)的燃气涡轮，压缩机排气是环境空气和再循环的烟道气的混合物。通常，燃气涡轮***包括发电机(未显示)，其联接在燃气涡轮100的轴106上。
图2显示了根据现有技术状态的稀释空气混合器115。在这个示例中，来自压缩机稳压室的压缩气体沿着燃烧器衬套在用作稀释空气110的稳压室的连接管道111中进行引导。稀释空气110从连接管道111通过具有各种长度La-c的喷管114a-c而喷射到混合器中。连接管道111具有带高度H的横截面。在稳压室111和燃烧室113之间压力降的(P稳压室–P燃烧室(ch))对应于穿过稀释空气管114a-c的压力降，其对于所有稀释空气管都是相同的。燃烧室中的稀释空气的穿透通过压力降和管长(突出深度)来驱动。
稀释空气混合器115可设置有环形横截面。对于环形稀释空气混合器，高度H是在环形流截面的外壁和环形流截面的内壁的直径之间的差异。对于具有圆柱形横截面(罐状混合器装置)的稀释空气混合器，高度H是横截面的直径。各种顺序设置的喷管114a-c的高度La-c经过选择，从而确保喷射的稀释空气110与离开第一燃烧室的热气体109获得良好混合。
图3显示了稀释空气混合器，其包括相对于设置在周向方向上的喷射器件的各种结构(见图4,4a)。
因而混合器包括多个从混合器装置的侧壁向内指向的喷管210或槽220或孔(未显示)，用于混合空气部分，以便至少冷却离开燃烧室的热气流。
基本上，一种类型的喷射器件的集成是在整个周向方向上完成的，即，基于管(方案1)或基于槽(方案2)，如图3或图4a中所示。
通常从热气流300的内部衬套201向内指向的喷射器件在热气流的周向方向上设置有规则或不规则的隔壁；由此喷射器件具有圆柱形形状、圆锥形形状或类似圆锥的形状。
另外，混合器装置可包括沿着热气流的多排喷管或槽，其具有相等、相似或不同的突出深度(见图6)。此外，混合器装置的喷管或喷槽具有相等、相似或不同的横截面。
单排的喷管或喷槽可延伸至混合器的中心，并可彼此相反地设置在径向方向上。或者，至少一个喷管或喷槽相对于热气流300是倾斜的。
优选的备选方案包括一个实施例，其中至少一个喷管或槽沿着其突出深度具有许多喷孔221，其用于将稀释空气正交或准正交地喷射到热气流中。
具体地说，稀释空气的喷射110按照等于传送波长的一半(λconv/2)的距离轴向分级：在关于喷射器件和第二或后续稀释空气喷射器230的喷射位置的两个后续级中，主流部分将在最大和最小压力下暴露于喷射的稀释空气下，因而平衡了波动。这最后提到的稀释空气喷射器230包括若干个稀释空气孔233(指后续设置的稀释空气喷射器，参见图5a下的描述)。
此外，如果从喷射位置A至位置B的传送行程时间是一半传送波长，那么时间t0的减少的混合器质量流量消除了从时间t1的增加的质量流量。这只有在两个喷射位置之间没有声学模式形状的节点时才可实现。由于解决了低频，没有节点是更可能的；但存在可能形成至少一个节点的可能性。因此：如果在喷射位置之间没有节点，那么必须将它们分开一半波长或是奇整数倍(即，1/2,3/2，…(2n+1)/2)。如果在喷射位置之间存在一个节点，那么该原理也可行，但必须将它们分开全波长或其整数倍(即，1,2,3，…)。
后续设置的稀释空气喷射部通过相同或不同结构化的喷射器件(管、槽、孔)来实现，其中在直接附属的喷射器件之间或相对于下一喷射器件的间距根据波长进行选择。
因而，提出的混合器装置可作为减振器进行操作，减少在热气道和混合器空气稳压室之间的热声耦合。
图3显示了燃气涡轮发动机的另一混合器装置400，其包括两种在轴向方向上顺序设置的稀释空气引进模式；
同样从图3a中可看出用于操作结合燃气涡轮发动机或涡轮机械的燃烧装置而喷射稀释空气或稀释气体的轴向分级混合器装置的方法，其包括至少一个燃烧室、用于将空气或气体部分混合至离开燃烧室的热气流中的至少一个混合器装置。所示的混合器装置适合于在燃烧室下游延伸的热气流路径中引导燃烧气体，其中混合器包括从混合器装置的侧壁向内指向的多个喷射器件，其用于混合空气部分，从而至少冷却离开燃烧室的热气流。对于给定的脉动频率，在至少后续设置的稀释空气喷射部之间的分级距离选择为一半传送波长，由此对于多个频率可能使用不止两个级。所示设置的稀释空气喷射部是后续设置的，并且通过相同或不同结构化的喷射器件，即管、槽、孔来实现，其中在直接附属的喷射器件之间或相对于下一喷射器件的间距根据波长进行选择。
图4显示了穿过图3的平面IV-IV的截面图；详细设计可从图4a中看出。
图4a显示了本发明的优选实施例的基线，其中一系列喷管是径向安装的，并且通过至少一个稳压室稀释空气110获得供给(见图2，事物111)，其中各种管的配置、几何形状和喷射性能在混合器200的周向方向上是彼此不同的。各种喷管210a-c用于使流动的稀释空气110a喷射到热气流109中(见图3)，并根据方案1(见图3)设置在混合器的上半部分，这与根据图2的设计大致相对应。相反，喷槽224,225根据方案2(见图3)设置在混合器200的底下部分，沿径向定向至混合器的中心：一方面存在若干个长的喷槽224和中间设置的短的喷射槽225。长的和短的喷槽都沿径向朝向混合器200的中心，其中长的喷槽224几乎延伸至提到的混合器的中心。喷槽224,225在混合器的周向方向上的设置是均匀提供的，其中非均匀分布也是可能的。各个喷槽224,225还装备了大量喷孔223，并用于将流动的稀释空气喷射到热气流109中(见图3)。这种混合器200的关键特征反映了这种喷孔223沿着相应的喷槽224,225的径向扩展方向的良好分布，所以稀释空气110获得预分布，并因此需要短得多的混合时间和长度。总之，特征为圆锥形或其它几何形状的喷槽被设置用于覆盖整个横截面面积，其中稀释空气按照与页面正交的方式喷射到热气流中。相同的因素应用于喷管210a-c。
图5显示了穿过图3的平面V-V的截面图；关于稀释空气喷射器的详细设计可参见图5a，其设置在结合传送波长的混合器的末端。
图5a显示了第二稀释空气喷射器230，其设计可采用网格结构231的形式，并且可单侧流动地充以稀释空气233。
这种喷射速率可能依赖于结合热气流300的热力学数据以及通常结合燃烧过程的合成波长(见图3)。
此外，在结合通过第二稀释空气喷射器230喷射稀释空气233的条件下，还可能通过所述空气喷射器喷射燃料232。
关于这种情况，这种双功能喷射器在任何情况下均设置在结合目标波长的混合器装置200的有效范围的末端，由此喷射的燃料232可与从任何空气稳压室流出的一定数量的提及的稀释空气233进行混合或冷却。
图6显示了具有不同、相同或相似质量(m1, m2, m3, m4)的稀释空气喷射的时延分布，其中相应的喷射位置的长度L1，L2相对于MET区域是不同的。
图6a显示了参照根据图6的权重因子的曲线图；并且图6b显示了参照用于改善配置的形状的曲线图，其用于达成根据图6的目标频率。根据图6a和6b的曲线图所展现的技术内容和意义对于本领域中的技术人员而言是清晰明显的，所以进一步的阐述不会增加价值，并因此它们是不必要的。
相同的考虑也将应用于图7，其显示了关于稀释空气级定位的曲线图。从这个曲线图看出稀释空气喷射部是按照等于一半传送波长的距离而进行轴向分级的。主流部分将在两个后续级中暴露于最大和最小压力下喷射的稀释空气中，因而平衡了波动(见图7)。
因而，这里所示的实施例的优点涉及将顺序喷燃器的入口温度降低至可接受的值的过程，来自第一级的热空气与较冷的稀释空气进行混合。这对于实现所需要的强烈依赖于温度的自动点火延迟时间是必须的。跨喷射稀释空气的可用压力降是有限的，并且必须满足整个燃烧器压力降所规定的要求。因此，在燃烧室中由于火焰噪声或现有的热声不稳定性而产生压力波动的情况下，这种空气喷射可能进行调制，导致下游喷燃器有临时波动的入口温度。这则极强地调制了自动点火延迟时间，导致火焰位置波动，这可能使现有的燃烧动力波动增强至不能接收的高的幅度。由于这种耦合机制的发生，从混合器至顺序喷燃器的传送波长必须接近实际距离(或距离必须是其多倍)，这是针对CPSC的情形。
需要强调的是，提到的混合器的混合品质是至关重要的，因为关于顺序燃烧的第二燃烧室的喷燃器***需要规定的气流的入口温度和入口速度分布。
另外，所有解释的优点并不仅仅局限于规定的实施例，这些方法或组合还可在没有脱离本公开的范围内用于其它备选方案或单独使用。其它可能性是可随意想到的，例如使提到的燃气涡轮发动机的单独的喷燃器或喷燃器组失效。此外，在混合到相对应的混合器中之前，稀释空气或通常稀释介质可在空气冷却的冷却器中进行再冷却。此外，可保留喷射器件或喷孔，即例如可将短的第二喷管或喷槽设置在长的第一喷管或喷槽的上游。此外，可能存在额外的管或槽类型，其具有分别与横截面组合的其它长度和直径。
参考标号列表
100燃气涡轮
101第一燃烧室
102第二燃烧室
103压缩机
104燃烧器装置
105涡轮
106轴
107排气
108压缩空气
109参照现有技术状态的热气流
110稀释空气流
111连接管道
112第一喷燃器，燃烧室
113第二喷燃器，燃烧室
114a参照现有技术状态的喷管
114b参照现有技术状态的喷管
114c参照现有技术状态的喷管
115参照现有技术状态的混合器装置
123第一燃料喷射部
124第二燃料喷射部
200混合器
201内部衬套
210a上边定位的喷管
210b喷管
210c喷管
220喷槽
221喷孔
223喷孔
224长的喷槽
225短的喷槽
230第二稀释空气喷射器
231网格结构
232燃料喷孔
233稀释空气喷孔
300热气流
400混合器装置
La-c各种喷管的高度
H环形稀释空气稳压室的高度

Claims (44)

1.一种用于操作结合燃气涡轮发动机的燃烧装置而喷射稀释空气的轴向分级混合器装置的方法，其包括至少一个燃烧室、用于将空气或气体部分混合到离开所述燃烧室的热气流中的至少一个混合器装置，其中所述混合器装置适合于在所述燃烧室下游延伸的热气流路径中引导燃烧气体，其中所述混合器装置包括从所述混合器装置的侧壁向内指向的多个喷射器件，用于混合空气部分，以便至少冷却离开所述燃烧室的热气流，其特征在于，在所述混合器装置内部，在所述热气流(300)中，将在起作用的喷射器件的最后喷射位置和至少一个后续设置的稀释空气喷射部之间的间距在喷射位置之间没有声波节点的条件下对应于等于或接近传送波长的一半(λconv/2)，或其奇整数倍，即1/2; 3/2; …(2n+1)/2的距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，后续设置的稀释空气喷射部通过相同或不同结构的喷射器件，即管、槽、孔来实现，其中在直接附属的喷射器件之间或相对于下一喷射器件的间距根据波长进行选择。
3.根据权利要求1至2的其中一项权利要求所述的方法，其特征在于，补充地使用稀释空气喷射器来将燃料喷射到热气流(300)中。
4.根据权利要求1至2的其中一项权利要求所述的方法，其特征在于，相对于所述热气流(300)的内部衬套而言，将从相应的稳压室流出的稀释空气(110)部分地用作泻流和/或对流和/或冲击冷却空气。
5.根据权利要求1至2的其中一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述稀释空气源自所述燃气涡轮发动机的至少一个压缩机。
6.一种用于操作结合燃气涡轮发动机的燃烧装置而喷射稀释空气的轴向分级混合器装置的方法，其包括至少一个燃烧室、用于将空气或气体部分混合到离开所述燃烧室的热气流中的至少一个混合器装置，其中所述混合器装置适合于在所述燃烧室下游延伸的热气流路径中引导燃烧气体，其中所述混合器装置包括从所述混合器装置的侧壁向内指向的多个喷射器件，用于混合空气部分，以便至少冷却离开所述燃烧室的热气流，其特征在于，在所述混合器装置内部，在所述热气流(300)中，将在起作用的喷射器件的最后喷射位置和至少一个后续设置的稀释空气喷射部之间的间距在喷射位置之间存在声波节点的条件下对应于等于整个传送波长或其整数倍的距离。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，后续设置的稀释空气喷射部通过相同或不同结构的喷射器件，即管、槽、孔来实现，其中在直接附属的喷射器件之间或相对于下一喷射器件的间距根据波长进行选择。
8.根据权利要求6至7的其中一项权利要求所述的方法，其特征在于，补充地使用稀释空气喷射器来将燃料喷射到热气流(300)中。
9.根据权利要求6至7的其中一项权利要求所述的方法，其特征在于，相对于所述热气流(300)的内部衬套而言，将从相应的稳压室流出的稀释空气(110)部分地用作泻流和/或对流和/或冲击冷却空气。
10.根据权利要求6至7的其中一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述稀释空气源自所述燃气涡轮发动机的至少一个压缩机。
11.一种用于操作结合燃气涡轮发动机的燃烧装置而喷射稀释空气的轴向分级混合器装置的方法，其包括至少一个燃烧室、用于使空气或气体部分混入到离开所述燃烧室的热气流中的至少一个混合器装置，其中所述混合器装置适合于在所述燃烧室下游延伸的热气流路径中引导燃烧气体，其中所述混合器装置包括从所述混合器装置的侧壁向内指向的多个喷射器件，用于混合空气部分，以便至少冷却离开所述燃烧室的热气流，其特征在于，对于给定的脉动频率，将在两个或多个后续设置的稀释空气喷射部之间的分级距离选择为传送波长的一半，由此对于多个频率，至少使用两个级。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，后续设置的稀释空气喷射部通过相同或不同结构的喷射器件，即管、槽、孔来实现，其中在直接附属的喷射器件之间或相对于下一喷射器件的间距根据波长进行选择。
13.根据权利要求11至12的其中一项权利要求所述的方法，其特征在于，补充地使用稀释空气喷射器(230)来将燃料喷射到热气流(300)中。
14.根据权利要求11至12的其中一项权利要求所述的方法，其特征在于，相对于所述热气流(300)的内部衬套而言，将从相应的稳压室流出的稀释空气(110)部分地用作泻流和/或对流和/或冲击冷却空气。
15.根据权利要求11至12的其中一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述稀释空气源自所述燃气涡轮发动机的至少一个压缩机。
16.一种结合燃气涡轮发动机的燃烧装置而喷射稀释空气的轴向分级混合器装置，其包括至少一个燃烧室、用于使空气或气体部分混入到离开所述燃烧室的热气流中的至少一个混合器装置，其中所述混合器装置适合于在所述燃烧室下游延伸的热气流路径中引导燃烧气体，其中所述混合器装置包括从所述混合器装置的侧壁向内指向的多个喷射器件，用于混合空气部分，以冷却至少离开所述燃烧室的热气流，
其特征在于，在所述混合器装置内部，在所述热气流中，在起作用的喷射器件的最后喷射位置和至少一个后续设置的稀释空气喷射部之间的间距在喷射位置之间没有声波节点的条件下对应于等于传送波长的一半(λconv/2)，或其奇整数倍，即1/2; 3/2;… (2n+1)/2的距离。
17.根据权利要求16所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，后续设置的稀释空气喷射部通过相同或不同结构的喷射器件来实现，其中在直接附属的喷射器件之间或相对于下一喷射器件的间距根据波长进行选择。
18.根据权利要求16-17的其中一项权利要求所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，所述喷射器件由从所述热气流(300)的内部衬套向内指向的管或槽组成，并且在所述热气流的周向方向上设置有规则或不规则的隔壁。
19.根据权利要求16-17的其中一项权利要求所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，所述喷射器件由内置于所述混合器衬套中的孔组成。
20.根据权利要求16-17的其中一项权利要求所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，在喷射位置的整个周向方向上实现了一种喷射器件的集成。
21.根据权利要求16-17的其中一项权利要求所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，一定数量的燃料由稀释空气喷射器来喷射，或者喷射到稀释空气喷射器的下游。
22.根据权利要求16-17的其中一项权利要求所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，稀释空气喷射器设置在所述混合器装置的有效分级距离的末端处。
23.根据权利要求16-17的其中一项权利要求所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，从稳压室流出的稀释空气(110)沿着连接管道(111)流动，所述连接管道(111)环形地设置在所述混合器装置的热气流(300)周围。
24.根据权利要求18所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，管或槽具有圆柱形或圆锥形的形状。
25.根据权利要求16-17的其中一项权利要求所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，所述混合器装置包括沿着所述热气流(300)的多个喷射排，其具有相等、相似或不同的突出深度(La-c)。
26.根据权利要求18所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，所述混合器的喷管或喷槽具有相等、相似或不同的横截面。
27.根据权利要求18所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，单个排的喷管或喷槽延伸至所述混合器的中心，并且彼此相反地设置在径向方向上。
28.根据权利要求18所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，至少一个喷管或喷槽相对于所述热气流(300)是倾斜的。
29.根据权利要求18所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，至少一个喷管或喷槽沿着其突出深度具有若干个喷孔(221,233)，其用于将流动的稀释空气(110)正交或准正交地喷射到所述热气流(300)中。
30.一种结合燃气涡轮发动机的燃烧装置而喷射稀释空气的轴向分级混合器装置，其包括至少一个燃烧室、用于将空气或气体部分混合到离开所述燃烧室的热气流中的至少一个混合器装置，其中所述混合器装置适合于在所述燃烧室下游延伸的气体流动路径中引导燃烧气体，其中所述混合器装置包括从所述混合器装置的侧壁向内指向的多个喷射器件，用于混合空气部分，以便至少冷却离开所述燃烧室的热气流，其特征在于，在所述混合器装置内部，在热气流(300)中，在起作用的喷射器件的最后喷射位置和至少一个后续设置的稀释空气喷射部之间的间距在喷射位置之间存在声波节点的条件下对应于等于整个传送波长或其整数倍的距离。
31.根据权利要求30所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，后续设置的稀释空气喷射部通过相同或不同结构的喷射器件来实现，其中在直接附属的喷射器件之间或相对于下一喷射器件的间距根据波长进行选择。
32.根据权利要求30-31的其中一项权利要求所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，所述喷射器件由从所述热气流(300)的内部衬套向内指向的管或槽组成，并且在所述热气流的周向方向上设置有规则或不规则的隔壁。
33.根据权利要求30-31的其中一项权利要求所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，所述喷射器件由内置于所述混合器衬套中的孔组成。
34.根据权利要求30-31的其中一项权利要求所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，在喷射位置的整个周向方向上实现了一种喷射器件的集成。
35.根据权利要求30-31的其中一项权利要求所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，一定数量的燃料(232)由稀释空气喷射器来喷射，或者喷射到稀释空气喷射器的下游。
36.根据权利要求30-31的其中一项权利要求所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，所述稀释空气喷射部设置在所述混合器装置的有效分级距离的末端处。
37.根据权利要求30-31的其中一项权利要求所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，从稳压室流出的稀释空气(110)沿着连接管道(111)流动，所述连接管道(111)环形地设置在所述混合器装置的热气流(300)周围。
38.根据权利要求32所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，管或槽具有圆柱形或圆锥形的形状。
39.根据权利要求30-31的其中一项权利要求所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，所述混合器装置包括沿着所述热气流(300)的多个喷射排，其具有相等、相似或不同的突出深度(La-c)。
40.根据权利要求32所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，所述混合器的喷管或喷槽具有相等、相似或不同的横截面。
41.根据权利要求32所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，单个排的喷管或喷槽延伸至所述混合器的中心，并且彼此相反地设置在径向方向上。
42.根据权利要求32所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，至少一个喷管或喷槽相对于所述热气流(300)是倾斜的。
43.根据权利要求32所述的轴向分级混合器装置，其特征在于，至少一个喷管或喷槽沿着其突出深度具有若干个喷孔(221,233)，其用于将流动的稀释空气(110)正交或准正交地喷射到所述热气流(300)中。
44.根据权利要求16至43的其中一项权利要求所述的混合器装置用作减振器。
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