轴向旋流器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及特别地用于燃气涡轮中的预混合目的的轴向旋流器，并且本发明还涉及带有这样的轴向旋流器的用于燃烧室的喷燃器。特别地，本发明涉及用于将至少一种气体和/或液体引入喷燃器中的轴向旋流器。
【背景技术】
[0002]旋流器在各种技术应用中被用作混合装置。旋流器的优化旨在减少获得混合物的规定程度的均匀性所需的能量。在连续的流混合中，混合装置上的压降是对所需能量的量度。此外，获得规定程度的均匀性所需的时间和空间是用于评价混合装置或混合元件的重要参数。旋流器通常用于混合两种或更多种连续的流体流。轴向旋流器最常用作燃气涡轮燃烧器中的预混合器。所谓的旋流数\表征轴向旋流器的旋流强度。旋流数被定义为方位动量的轴向通量和轴向动量的轴向通量与旋流器半径的乘积之间的比率。旋流数是由旋流器引起的环形流中的旋流的强度的表示。
[0003]旋流喷燃器是通过赋予空气流足够强的旋流而导致形成归因于涡旋破裂机制的中央逆流区域(CRZ)的装置，中央逆流区域可用于燃气涡轮燃烧器中的火焰稳定。
[0004]获得最佳的燃料空气预混合和低压降常常是对这种类型的装置的挑战。事实上，必须在火焰稳定的CRZ之前的混合区域中实现良好的燃料空气预混合。这意味着需要在该混合区域中具有足够高的压力损失，即，使用具有足够高的旋流数的旋流器，其赋予充分预混合燃料与空气所需的切向剪切。然而，高旋流数的流也在CRZ处导致强剪切，并且仅在该区域中具有过大且不必要的压力损失。
[0005]US 2012/0285173中已提出对轴向旋流喷燃器的标准设计的改进。此改进在于引入瓣片式(1bed)后缘，它能形成嵌入主涡旋的小规模的反转涡旋，并且能够促进燃料空气混合，而不显著影响主涡旋的旋流数。该解决方案的出发点在于将瓣片应用于非旋流装置(公开于EP 2 522 912中)，其允许在主旋流流的低旋流数下也实现改善的燃料空气混合，并且有益于在CRZ处的压力损失。
[0006]然而，这些现有的设计概念(标准旋流器和瓣片式旋流器)的使用带来一些风险和缺点。就瓣片式轴向旋流器而言，主要风险是由于沿着旋流器的弦过晚地发生的出口流角的变化导致后缘处的流分离。第二个缺点是由于在旋流器静叶中形成旋转的二次流结构，该结构随之携带燃料，使得很难控制和优化燃料空间分布(空间混合不均匀度)。此外，由瓣片式结构导致的沿后缘的强烈变形本身意味着较大的制造难度。
[0007]由于所有这些原因，需要一种新的旋流器，它能赋予减小的压降、稳健的回火特性和改善的NOx (由于较好的混合)，并且也使设计相对简单。
【发明内容】
[0008]本发明的目标是提供一种具有低压降的高度有效的旋流器。作为这样的旋流器的应用，公开了包括此类旋流器的喷燃器。
[0009]上述和其它目标通过用于燃气涡轮喷燃器的轴向旋流器来实现，该旋流器包括具有流线型横截面的多个旋流静叶，所述多个旋流静叶围绕旋流器轴线布置并且在径向方向上在内半径(R_)和外半径(Rniax)之间延伸。最小径向距离1?_是从旋流器轴线到旋流静叶的内侧或内侧表面的距离。最大径向距离Rniax是从旋流器轴线到旋流静叶的外侧或外侧表面的距离。每个旋流静叶具有前缘、后缘、以及各自在所述前缘和后缘之间延伸的吸力侧和压力侧。旋流静叶拱弧线在旋流静叶后缘处的切线和旋流器轴线之间的出流角(α)是距旋流器轴线的径向距离(R)的第一函数，并且旋流静叶的最大弯度的位置是距旋流器轴线的径向距离(R)的第二函数。至少对于一个旋流静叶来说，所述第一和第二函数各自沿着从R_s R_的所述径向距离包括相应的局部最大值和局部最小值。
[0010]根据一个实施例，距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第一函数和/或距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第二函数为周期函数。距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第一函数和/或距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第二函数的周期为从I至100mm，优选地在20_60mm的范围内。
[0011]根据一个实施例，距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第一函数和/或距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第二函数为正弦函数。
[0012]根据另一个实施例，距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第一函数和/或距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第二函数为三角函数或矩形函数。
[0013]根据一个实施例，距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第一函数和/或距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第二函数为相同类型的函数。例如，它们都可以是正弦函数。
[0014]根据又一个实施例，距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第一函数和距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第二函数沿着从1?_至1?_的径向距离为基本上同相的。
[0015]根据一个实施例，距旋流器轴线的径向距离(R)的第一周期函数由以下函数给出:
α。+ Rb a *sin (2 n NR)
其中，α。为固定角度，α *为最大角度偏差，b和N为有理数。
[0016]根据另一个实施例，所有旋流静叶都同样地形成和/或所有旋流静叶都围绕旋流器轴线布置成圆。
[0017]根据又一个实施例，两个相邻静叶的距旋流器轴线的径向距离(R)的所述第一函数是同相的或者异相互逆的。
[0018]如果应用到喷燃器，上述旋流器导致在低压降下良好的混合，但也导致在随后的燃烧器中的高再循环流量。
[0019]包括上述轴向旋流器的喷燃器的特征在于:旋流静叶中的至少一个被构造为喷射装置，其带有用于将至少一种燃料引入喷燃器的至少一个燃料喷嘴。
[0020]喷燃器可包括一个旋流器或多个旋流器。带有一个旋流器的喷燃器通常具有圆形横截面。包括多个旋流器的喷燃器可具有任何横截面，但通常为圆形的或矩形的。通常，多个喷燃器围绕燃气涡轮的轴线同轴地布置。喷燃器横截面由限制壁限定，该限制壁例如形成管形喷燃器。
[0021]在一个实施例中，满负载的喷燃器从至少一个(优选地所有)旋流静叶的吸力侧或压力侧喷射燃料。
[0022]在特别优选的实施例中，燃料被同时喷射在每个旋流器静叶的吸力侧和压力侧上(SP，从喷射的旋流静叶的两侧)。
[0023]优选地，上述轴向旋流器和/或喷燃器在环形燃烧器、管形燃烧器或单个或再热发动机中使用。
[0024]本发明的另外的实施例在从属权利要求中提出。
【附图说明】
[0025]下面参照附图描述本发明的优选实施例，附图是为了示出本发明的优选实施例，而不是为了限制本发明。在附图中:
图1示出了带有旋流静叶的常规旋流器的示意透视图，旋流静叶具有后缘，后缘具有常规的出流角a (R)=常数；
图2示出了基于NACA4翼型件的旋流器叶片的横截面；
图3示出了标准轴向旋流器的Ω/L的分布，其中，αΜΙΝ = 20°，Qmax = 50°;
图4示出了对应于L = 1.4、Ω =45°的八叶片标准轴向旋流器的示意透视图；
图5示出了对应于图3和图4的标准旋流器的出口流角的径向分布；
图6示出了瓣片式轴向旋流器的Ω/L的分布；
图7示出了标准和瓣片式旋流器的出口流角的径向分布，表中给出了三个半径值的出口流角；
图8示出了根据现有技术的瓣片式旋流器的示意透视图；
图9示出了根据本发明的实施例的轴向旋流器的Ω/L的分布；
图10示出了根据本发明的实施例的轴向旋流器的示意透视图；
图11示出了在三个不同的半径值以及a)标准、b)瓣片式和c)根据本发明的旋流器的出口流角下的后缘；
图12示出了对于三个不同的径向部段来说在a)标准、b)瓣片式和c)根据本发明的旋流器这三种类型的旋流器的情况中的完整翼型件；
图13示出了对于根据本发明的旋流器来说用于增加沿着直线保持后缘所需的半径的最大拱弧位置的非单调变化；
图14示出了根据本发明的实施例的:a)带有每个喷燃器包括一个旋流器的喷燃器的环形燃烧器的示例以及b)带有每个喷燃器包括五个旋流器的喷燃器的环形燃烧器的示例；
图15示出了从根据本发明的一个实施例的旋流器叶片的a)吸力侧和b)压力侧的燃料喷射。
【具体实施方式】
[0026]图1示出了常规旋流器43的示意透视图。旋流器43包括环形外壳，环形外壳具有内部限制壁44’、外部限制壁44〃、入口区域45和出口区域46。静叶3布置在内部限制壁44’和外部限制壁44〃之间。旋流静叶3具有这样的出流角:其不依赖于距旋流轴线47的距离R，但在整个环面上是恒定的。每个静叶3的前缘区域具有定向成平行于入口流方向48的轮廓。静叶在内半径(R_)和外半径(Rniax)之间在径向方向上延伸。在所示示例中，入流与旋流器43的纵向轴线47同轴。静叶3的轮廓从主流方向48转向，以将旋流施加到流，并且导致出口流方向55，其具有相对于入口流方向48的角度。主流与环形旋流器同轴。出口流绕旋流器43的轴线47旋转。
[0027]为了更好理解和了解本发明的实施例，首先将解释现有技术的标准和瓣片式轴向旋流器的设计。
[0028]标准轴向旋流器的设计
我们引用一类旋流器，其出口流角(α)的正切在径向方向上从在最小半径1?_处的最小值α ΜΙΝ线性增加至在最大半径Rmax处的最大值a mxo半径用其最大值归一化，从而Rmax=1:
Tan [a (R)] = K1 R + K2;其中，K n K2 来自 α 訓和 α Μχο
[0029]旋流器叶片3由在半径R处的横截面表征，半径R由拱弧线和叶片厚度的给定分布限定，例如，如由如图2所示NACA型翼型件给定的。旋流静叶3具有前缘25、后缘24、以及各自在所述前缘和后缘(25，24)之间延伸的吸力侧22和压力侧23。获得旋流器叶片，要求到在后缘处的翼型件拱弧线和旋流器轴线的切线的径向分布等于目标出口流角分布a (R) ο
[0030]附加的条件由与旋流器轴线对齐的到在前缘处的拱弧线的切线给出。这两个条件确定了在Ω/L(在圆柱形坐标系中从前缘到后缘的方位角降Ω与旋流器叶片轴向延伸L之间的比率)的分布与在任何给定半径R处的最大拱弧的位置C之间的一一对应关系。
[0031]