预混合的方法及执行该方法的喷燃器布置的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及尤其用于燃气涡轮的燃烧技术。其涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于使空气与气态燃料预混合用于在燃烧室中焚烧的方法。其进一步涉及用于执行此类方法的喷燃器布置。
【背景技术】
[0002]涡流式喷燃器是通过将足够强的涡流给予空气流而导致中心逆流区域(中心再循环区域CRZ，涡旋破坏机制)形成的装置，其可用于使燃气涡轮喷燃器中的火焰稳定。
[0003]以最佳的燃料-空气预混合和低压降为目标经常是挑战。
[0004]良好的燃料/空气预混合实际上必须在CRZ之前的混合区中实现，其中火焰是稳定的。这暗示该区中足够高的压力损失，即，使用具有高涡流数的涡流器，允许在涡旋破坏发生之前的燃料-空气混合区段中的高速切向剪切。
[0005]然而，高涡流数的流动在CRZ处产生了过大的剪切，具有仅在该区中的压力损失的显著增加。在图1中显示了来自具有0.7和0.56的涡流数的两个不同轴向涡流式喷燃器布置的大涡旋仿真的这些压力损失特征。图1(b)的喷燃器布置20包括空气管21，其沿着喷燃器轴线23延伸，并且在一个端部处通向燃烧室22中。同心地布置在空气管21内的中心圆柱形的非流线形体27限定了环形通道，用于空气和空气/燃料流至燃烧室22，导致中心再循环区域26。燃料在同心的涡流装置24处引入到空气流中，并且在随后的混合区段25中与空气混合。
[0006]高涡流数变体(图1 (a)中的开放的正方形)的特征在于混合区段中接近2的无量纲压力损失Dp (根据混合区段中的体积流速以动压头给出的单位进行测量)。这可确保良好的燃料/空气预混合，但在CRZ处出的单位进行测量)。这可确保良好的燃料/空气预混合，但在CRZ处有相当大的且不必要的接近8的压力损失。
[0007]低涡流数变体(图1 (a)中填充的三角形)相反地在混合区段中给予了接近0.7的压力损失，其对于燃料-空气预混合和CRZ周围可接受的接近5.5的压降不是有效的。
[0008]因而，良好的空气/燃料预混合以及在CRZ的开始处的低压力损失难以随单个涡流装置同时付诸实践。
[0009]文件US 6，438，961 B2公开了一种用于在重型工业燃气涡轮的燃烧系统中使用的喷燃器，其包括燃料/空气预混合器，其具有空气入口、燃料入口以及环形混合通道。燃料/空气预混合器将燃料和空气混合成均匀的混合物，用于喷射到燃烧器反应区域中。喷燃器还包括设置在燃料/空气预混合器的空气入口处的入口流调节器，用于控制进入空气的径向和周向分布。入口流调节器中的穿孔的图案设计成使得在涡流器入口环面处在径向方向和周向方向两者上产生一致的空气流分布。预混合器包括涡流喷嘴组件，其具有一系列优选翼型状的转动轮叶，其将涡流赋予经由入口流调节器进入的空气流。各个翼型件包含内部燃料流动通道，其经由燃料计量孔将天然气燃料引入到空气流中，该燃料计量孔穿过翼型状的转动轮叶的壁。通过以该方式喷射燃料，在整个预混合器中保持了空气动力完全的流场。通过经由两个分开的通道喷射燃料，可在径向方向上控制燃料/空气混合物强度分布，以获得当机器和燃烧器负载变化时用于控制排放物的最佳径向浓度曲线、贫油熄火以及燃烧驱动的动态压力活动。
[0010]文献US 2009/056336 Al公开了一种用于在工业燃气涡轮的燃烧系统中使用的喷燃器。喷燃器包括燃料/空气预混合器，其包括分流轮叶，其限定了第一径向内通道和第二径向外通道，第一通道和第二通道均具有空气流转动轮叶部分，其将涡流赋予穿过预混合器的燃烧空气。各个通道中的轮叶部分通常构造成在各个通道中赋予相同的涡流方向。可提供多个分流轮叶，以在预混合器中限定三个或更多个环形通道。
[0011]文献US 2010/293956 A公开了一种燃料喷嘴辅助轮叶，其包括轮叶可安装底座，该轮叶可安装底座包括燃料入口，其中轮叶可安装底座构造成安装于设置在燃料喷嘴的空气流路径中的主轮叶的表面。燃料喷嘴辅助轮叶还包括从轮叶可安装底座延伸的本体，其中本体包括燃料通道，其从燃料入口转向燃料出口，并且燃料出口具有燃料出口方向，其相对于穿过燃料入口的燃料入口方向是大体交叉的。
[0012]文献US 7，137，258 B2公开了一种喷燃器，其包括被多个外部喷嘴包围的中心喷嘴，中心喷嘴和外部喷嘴中的各个具有燃料通道和空气通道，其中涡流器包围燃料通道，并且具有在空气通道内径向地凸出的多个轮叶，各个轮叶具有以相对于喷嘴的纵轴线的涡流角布置的后缘，其中用于中心喷嘴中的涡流器的涡流角不同于用于多个外部喷嘴中的涡流器的涡流角。
[0013]文献US 7，578，130 BI公开了用于燃烧动态特性减小的方法和系统。燃烧室可包括第一预混合器和第二预混合器。各个预混合器可包括至少一个燃料喷射器、至少一个空气入口导管，以及至少一个轮叶组，其用于将来自空气入口导管或多个空气入口导管的空气与来自燃料喷射器或多个燃料喷射器的燃料至少部分地混合。各个轮叶组可包括燃料的至少一部分和空气的至少一部分可穿过其的多个燃料孔口。第一预混合器的轮叶组或多个轮叶组可定位在第一轴向位置处，而第二预混合器的轮叶组或多个轮叶组可定位在相对于第一轴向位置轴向地交错的第二轴向位置处。
[0014]文献EP 2 685 164 Al公开了一种用于燃气涡轮喷燃器的轴向涡流器，其包括轮叶环，该轮叶环具有围绕涡流器轴线周向地分布的多个涡流器轮叶，所述涡流器轮叶中的各个包括后缘，以便在径向方向上实现出口流速曲线和/或燃料等同比的受控制分布，所述后缘是不连续的，其中后缘在预定的半径处具有不连续性。
[0015]通常仅一个涡流器用于涡旋破坏和混合。这不是最佳的，因为良好的燃料/空气预混合需要高涡流，但这在CRZ周围产生了太高的压降。
【发明内容】
[0016]本发明的目的在于提供一种预混合方法和喷燃器布置，其避免了已知的方法和装置的缺点，并且:
[0017]-实现低压降，并且同时确保最佳的燃料/空气预混合；
[0018]-给予不同的排出流径向速度分布的可能性；
[0019]-使燃料喷射至火焰的对流延时扩展，用于控制热声学不稳定性；并且
[0020]-容许燃料分级。
[0021]该目的以及其它目的通过根据权利要求1的方法和根据权利要求15的喷燃器布置来实现。
[0022]根据本发明的用于使空气与气态燃料预混合用于在燃烧室中焚烧的方法包括以下步骤:
[0023]通过同轴的空气管将空气流中的所述空气沿着喷燃器轴线引导到燃烧室中，该燃烧室布置在所述空气管的端部处；
[0024]通过使所述空气流穿过第一涡流装置而将涡流施加在所述空气流上，该第一涡流装置同心地布置在所述空气管内，并且包括多个径向地定向的第一叶片；
[0025]在所述第一涡流装置处将气态燃料喷射到所述空气流中；以及
[0026]使所述空气流中的所述空气与喷射的气态燃料在第一混合区域中混合，该第一混合区域刚好布置在所述第一涡流装置之后。
[0027]其特征在于，其还包括以下步骤:
[0028]通过至少一个第二涡流装置发送离开所述第一混合区域的混合的燃料/空气流，该至少一个第二涡流装置同心地布置在所述空气管内，并且包括多个径向地定向的第二叶片，以减小混合的燃料/空气流的涡流；
[0029]在所述第二涡流装置处将气态燃料喷射到所述混合的燃料/空气流中；以及
[0030]使所述混合的燃料/空气流与喷射的气态燃料在第二混合区域中进一步混合，该第二混合区域刚好布置在所述第二涡流装置和所述燃烧室之间。
[0031]根据本发明方法的实施例，在所述第一涡流装置和第二涡流装置处借助于设在所述第一叶片和第二叶片的吸力侧和/或压力侧上的气体孔而喷射气态燃料。
[0032]特别地，所述气体孔布置成排，垂直于喷燃器轴线定向。
[0033]根据本发明方法的另一个实施例，所述第一涡流装置具有第一涡流数，所述第二涡流装置具有第二涡流数，并且所述第二涡流数小于所