专利名称：旋流器、燃烧腔以及改进混合的燃气涡轮的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种旋流器，尤其是燃气涡轮的旋流器，以及用于进一步降低诸如氮氧化物(NOx)的空气污染物的改进。
背景技术：
在燃气涡轮燃烧器中，燃料燃烧以产生高温高压废气，该高温高压废气接着被供应到涡轮级，在涡轮级，高温高压废气在膨胀和冷却的同时将动量传递给涡轮叶片，由此使涡轮转子转动。然后，涡轮转子的机械能可以用于驱动产生电能的发电机或驱动机器。然而，燃烧燃料导致在废气中存在一些会污染环境的不期望的污染物。因此，花费很大精力使污染物尽可能低。其中一种污染物是氮氧化物(N0X)。氮氧化物的形成率随燃烧火焰的温度指数增长。因此试图通过降低燃烧火焰的温度来尽可能减少氮氧化物的形成。可以实现降低燃烧火焰的温度的方法主要有两种。第一种是使用在空气中细密分布的小化学计量燃料，产生馏分小的燃料/空气混合物。馏分相对小的燃料导致燃烧火焰的温度低。第二种方法是在进行燃烧前提供完全混合的燃料和空气。混合得越充分，则燃料在燃烧区的分布越均勻并且燃料浓度显著高于平均的区域越少。这有助于防止因燃料/ 空气混合率达到局部最大值而导致的在燃烧区产生热点。当局部燃料/空气浓度高时，温度将在该局部区域升高，因而导致废气中的NOx也增加。因此，当今的燃气涡轮发动机使用在燃料/空气混合物燃烧之前以小化学计量预混合空气和燃料的方式。通常，通过将燃料注入燃烧室的涡流区中的空气流中来实现预混合，所述燃烧室位于燃烧区的上游。涡流使得燃料和空气的混合发生在该混合物进入燃烧区之前。即使由于空气和燃料的预混合而使混合通常良好，在以特定负载操作燃气涡轮时， 也会发生燃料和空气的混合不完美的情况。对于现有技术的上述发展水平，本发明的目的是提供一种旋流器，尤其是在燃气涡轮的燃烧腔中的旋流器，一种安装有这种旋流器的燃烧腔以及具有多个这种燃烧腔的燃气涡轮，从而通过提供均勻的燃料/空气混合物改进涡轮区域的燃料和空气混合，尤其是在燃气涡轮的所有可能负载下。
发明内容
此目的由独立权利要求实现。从属权利要求描述了本发明有利的发展和改进。根据本发明，提供了一种用于混合燃料和空气的旋流器，所述旋流器包括辐射状地位于旋流器的中心轴周围的多个叶片并且包括用于混合燃料和空气的多个混合槽。所述多个混合槽中的至少一个混合槽由所述多个叶片的两个相邻的叶片的相对壁界定并且包括至少一个燃料注入口以及进一步包括用于产生空气的涡旋的至少一个窝部。此外，本发明还针对包括这种旋流器的部件，尤其是燃气涡轮的燃烧腔。此外，本发明还针对包括至少一个这种燃烧腔的燃气涡轮。本发明的旋流器的优点在于所述窝部提供额外的湍流，和/或提高湍流强度，和/或提供涡流，和/或产生涡旋结构。结果是，燃料和空气混合物更加均勻。另一结果和优点是，降低NOx的排放。优选地，所述窝部可以布置为向各个混合槽提供混合槽单独湍流。所述旋流器优选为辐射式旋流器。在此情形中，混合槽可以与中心轴基本垂直。混合槽是空气槽，空气通过所述空气槽馈送并且主要的燃料加入所述空气槽中。燃料可以是液体的和/或气体的。根据本发明的窝部是只为产生湍流的部件。应该注意，在燃气涡流中，部件、用于冷却的孔、法兰等之间会有间隙，这些间隙都可以引起湍流。但是所提及的这些项目的主要目的不是产生湍流，因此不被看作根据本发明的窝部。关于壁所用的术语“相对”可不被认为是对壁的形状或方位的限制。相对壁可以是平坦的，也可以是弯曲的，或可为任意形状。此外，相对壁的形状可以完全相同，也可以不同。所述壁可以与旋流器的基板基本垂直，也可以具有不同方向。因此，混合槽可以是平直的或弯曲的，由所述壁和基板界定的横截面可以是矩形或其它任意形状的，并且可以根据横截面的截取位置而不同。在优选实施例中，所述窝部(其中的一个或多个)可以布置在至少一个混合槽中， 优选在关于穿过混合槽的空气的流动方向的燃料注入口的上游。这使得经由燃料注入口注入的燃料可以被携带到由窝部产生的涡旋结构中，从而获得作为第一正面作用的经改善的与空气的预混合。作为第二正面作用，所述窝部提高空气流的湍流强度，这在空气穿过窝部时促进燃料和空气的混合。这还使得燃料和空气的混合质量更好。并且由于这两种作用， 将降低NOx的排放。额外地或替代性地，所述窝部(其中的一个或多个)可以布置在关于空气的流动方向的燃料注入口的下游。此外，对于以上选择，额外地或替代性地，所述窝部(其中的一个或多个)可以布置在燃料注入口和相对壁中的一个壁之间，优选地，所述窝部可以与燃料注入口成一直线，从而使得此虚拟的直线可以垂直于空气的流动方向。在另一优选实施例中，所述窝部可以布置在安装有多个叶片的旋流器的基板中的至少一个混合槽中。或者，所述窝部可以布置在所述相对壁中的一个或两个中。此外，混合槽可以被四个壁环绕，已描述的两个相邻壁的两个相对壁、已描述的基板以及可以是旋流器的一部分或燃烧腔的另一部件的一部分的又一顶板。窝部或多个窝部可以布置在这些壁中的任意一个上。在混合槽中存在多于一个窝部的情形中，所有种类的混合都可以，例如， 一些窝部在基板中和/或一些窝部在相对壁中的一个或两个中和/或一些窝部在顶板中。 窝部的位置可以关于给定的对称轴或对称点对称或不对称。具体在多个窝部的情形中，多个所述至少一个窝部可以均勻地布置在混合槽中 (在基板中或在壁中)，布置为直线或交错图案的至少一行和至少一列。窝部的形状(窝部的所形成的凹处的三维形状和/或在混合槽的表面上的窝部的轮廓(即窝部的边缘)的形状)可以是对称的。此外，如果混合槽中有若干窝部，则窝部的位置或形状可以是例如关于空气的主流动路径轴对称。作为优选实施例，所述窝部(即它的凹处)可以基本形成为凹入周围表面的主体中的半球形。作为另一优选实施例，窝部可以具有椭圆形(尤其是圆形)或任意多边形(尤其可能是三角形)形状的轮廓。特别地，所述轮廓可以是星形或矩形(尤其是正方形)形状。在另一优选实施例中，窝部或具体地窝部的轮廓可以与空气的流动方向(混合槽中特定位置的空气的局部流动方向或混合槽中的整体流动方向)垂直地延伸。例如，矩形窝部可以布置在混合槽中，使得两条较长的侧线垂直于穿过混合槽的空气的流动方向。较短的侧线将平行于空气的流动方向。在椭圆情形中，椭圆的最长直径(也称作椭圆的长轴)可以垂直于空气的流动方向。将相应地对齐具有不同延伸形状的窝部。这可以最大化与用于产生涡旋的空气流的相互作用，从而促进燃料与空气的混合。特别是在接近混合槽的空气入口的位置，空气的流动方向可以完全平行，从而若干窝部可以例如布置在弯曲的虚拟基线上或者窝部本身可以是弯曲的。这些窝部可以布置为与空气流的局部速度垂直地延伸。如上所述，在优选实施例中，窝部和燃料注入口可以布置为使得经由燃料注入口注入的燃料直接注入涡旋中。这可以改进空气和燃料的混合。以上说明的所有配置可以应用到用气体或液体燃料操作的燃烧腔，或者双燃料燃烧腔。因此，所述至少一个燃料注入口中的第一个可以布置为注入液体燃料和/或所述至少一个燃料注入口中的第二个可以布置为注入气体燃料。这些燃料注入口可以用做燃烧腔的主燃料供给。如果需要注入额外的引燃燃料，则旋流器或燃烧器头可以包括主燃料注入之外的多个辅助燃料注入口。从下文将描述的实施例的例子中本发明的上述方面和其它方面是显然的，并且参照实施例的例子说明本发明的上述方面和其它方面。
现在将参照附图仅以举例方式描述本发明的实施例，附图中 图1示意性地示出燃烧室的纵切面，
图2示意性地示出现有技术的辐射式旋流器的透视图， 图3示意性地图示根据本发明的旋流器的透视图， 图4图示具有单个窝部的旋流器的单个混合槽， 图5示出在一个实施例中具有多个窝部的单个混合槽， 图6示意性地示出窝部所产生的涡旋， 图7示意性地示出窝部的不同的可能的轮廓，
图8示意性地示出在旋流器的混合槽的环绕壁和侧面之一上的多个窝部的位置， 图9示意性地示出与局部空气速度相关的若干窝部的位置和方向。附图中的图示是示意性的。应该注意，除另有说明外，将使用相同的附图标记来表示不同附图中相似或相同的元件。
具体实施例方式燃气涡轮发动机(未示出)包括被布置为彼此相邻的压缩机部分、燃烧室部分和涡轮部分。在燃气涡轮发动机的操作中，空气被压缩机部分压缩并输出到具有一个或多个燃烧室的燃烧器部分。图1示出燃烧室(尤其是燃气涡轮发动机(未示出)中的燃烧室)的纵切面。燃烧室沿流动方向包括包括燃烧器头1和附着到燃烧器头1的辐射式旋流器2的燃烧器，被称作燃烧预腔室3的过渡部分和主燃烧腔4。主燃烧腔4的直径大于预腔室3的直径。主燃烧腔4经由包括圆顶板11的圆顶部分10与预腔室3连接。通常，过渡部分3可以实现为燃烧器朝向主燃烧腔4的一部分延长，实现为主燃烧腔4朝向燃烧器的一部分延长，或者实现为在所述燃烧器和燃烧腔4之间的单独部分。燃烧器和燃烧腔组件关于纵向对称轴12基本上轴对称。燃料供给5被设置为用于将将要与旋流器2中的流入空气6 (尤其是来自压缩机 (未示出)的压缩空气)混合的气体和/或液体燃料引入燃烧器。通过旋流器2，燃料和空气如稍后将要描述的那样混合。接着，得到的燃料/空气混合物7被导引向主燃烧区9，燃料 /空气混合物7在主燃烧区9中燃烧产生高温高压废气8，高温高压废气8沿箭头所示的方向流向燃气涡轮发动机(未示出)的涡轮部分(未示出)的。图2示出了现有技术的旋流器的透视图。旋流器2 (辐射式旋流器)包括作为旋流器2的基板的具有中心开口 14的环形旋流器叶片支撑件13，所述中心开口 14为将组装为完整燃烧器的燃烧器头1的燃烧器面留出空间(燃烧器头1在图2中未示出)。例如，每个都具有不对称圆饼切片形状的六个旋流器叶片15放置在中心轴12周围并且被布置在旋流器叶片支撑件13上。旋流器叶片15的远离旋流器叶片支撑件13的主体可以固定到燃烧器头1(见图1)。通过作为旋流器叶片15的壁的相对侧表面17、通过旋流器叶片支撑件13 的表面以及通过燃烧器的固定有旋流器叶片15的表面(未示出)，界定和限定作为混合槽的旋流器通道16。压缩空气6从外部辐射状地流入这些朝向内部的旋流器通道16并且与通过燃料注入口(在图2中未示出)加入的燃料混合。旋流器通道16被布置为，穿过通道16的液体流向中心开口 14的径向外剖面。此外，旋流器通道16基本与中心开口 14的径向外剖面正切。此外，在本发明的此实施例中， 旋流器通道16中具体的一个旋流器通道的相对侧表面17基本是平的并且彼此平行。现在参照图3，基于图2所示的旋流器，描述本发明的旋流器。所给出的关于图2 的旋流器2的形状或部件的说明也可以适用于图3和其它附图。对于每个旋流器通道16，在图3中，示出了窝部20和例如用于液体燃料或气体燃料的燃料注入口 21。可以设置若干燃料注入器，主和/或辅助燃料注入器、液体和/或气体燃料注入器。所示的燃料注入口 21应该表示主燃料注入器。燃料注入口 21位于各个旋流器通道16的径向向外方向的末端，即位于流动空气6的上游端。燃料孔口可以相对于旋流器叶片支撑件13的表面平坦。或者，燃料孔口可以突出旋流器叶片支撑件13的表面(未示出)。更上游处，在图3中靠近侧表面17中的一个的径向外部末端，窝部20位于每个旋流器通道16中燃料注入口 21的上游。窝部20是向流过旋流器通道16的空气提供湍流 (尤其是涡旋)的构造。燃料被注入该涡旋中。从而改善燃料和空气的混合，这也可以减少废气。在图3中，窝部20具有圆形轮廓并且位于各个旋流器通道16的对称轴上。窝部20具有特定深度的凹处并且没有延伸超过旋流器通道16的表面的突起。在此实施例的变型中，窝部20的轮廓可以突起。图4A示出单个旋流器通道16和单个旋流器叶片15，所述单个旋流器叶片15用它的侧表面17构成旋流器通道16的一部分。未示出旋流器通道16的第二壁。主空气流 6由箭头表示。另一箭头示出经由燃料注入口 21注入的燃料22。再次，窝部20形成有圆形轮廓。窝部20进入旋流器叶片支撑件13的部分是半球形的，如图4B所示，图4B示出沿线A-A截取的旋流器叶片支撑件13的纵切面。图5示出此实施例的改进。布置与图4的布置相对应，但是示出了多个窝部。除了在旋流器叶片支撑件13中的一个窝部20之外，另一窝部20'位于旋流器叶片支撑件13 中燃料注入口 21的更下游处，该窝部20'将提供更大的湍流。位于旋流器叶片15的侧表面17中的额外的窝部20'‘和20'‘‘可以增强湍流。未示出，在同样未示出的旋流器通道16的相对壁上可以有位于对称位置的相同数量的窝部。图6A示出以小角度俯视旋流器通道16的视图。再次，窝部20与图4A的窝部20 相似，示出了燃料注入口 21、空气流6和注入的燃料22。额外地，图6A和6B简要可视化了由流过窝部20的空气6产生的涡旋23。如图6A可见，涡旋23可以与旋流器叶片支撑件 13的表面平行地伸展，从而施加湍流直到湍流作用在旋流器通道16的整个宽度上，但是也可以在远离旋流器叶片支撑件13的表面的方向上额外地延伸，直到湍流作用在旋流器通道16的整个高度上，如图6B可见，图6B是沿图6A所示线B-B截取的旋流器通道16的截面图。因此，涡旋将大体形成为半个圆锥形状，以窝部20作为涡旋中心。现在参照图7，示出不同轮廓的窝部。如从具有窝部的表面俯视所示的，窝部的形状由轮廓示出。在图7中，示出了矩形窝部30，以及三角形窝部31、星形窝部32(例如具有五个形成为锐角的顶端和五个圆锥末端(即具有常规的五角星形状，也被称作凹十边形)) 以及圆形窝部33。此外，也可以形成其它形状并且优选地可以基于空气流、旋流器通道16 的形状、窝部的数量、位置和方向。特别地，星形的轮廓可以是五角星形状，也可以是不同的形状，如六角星、九角星、七角星等。也可以形成为其它不同的形状，如五边形、六边形、九边形等。轮廓的形状也由窝部的凹陷形状界定。该凹陷可以是在窝部的底部具有平滑表面的棱柱形状。或者，所述窝部可以平滑地延伸入表面中，最深点在窝部的中心，如图4B所示。此外，可以进行各种变换。在图8中，示出了多个窝部40的两种具体布置。根据图8A，窝部40可以布置为等距的行和列并且在一行或一排中的所有窝部40都成一直线。作为选择，图8B示出窝部40 成行和成列的布置，但是窝部40交错排列为每个第二行与前一行之间都具有特定的偏移。 在图8B中，第三行窝部40再次具有与第一行相同的位置，但是这可以被看作更常规的布置的特定实施例，在更常规的布置中，每行都有偏移，因此，行数“η”等于行数“ 1 ”。此外，需要注意，可以结合或以各种方式改变单个窝部或多个窝部的以上对称或不对称的布置。根据图9，窝部可以与旋流器通道16中的局部空气流垂直地放置。这将参照位于旋流器通道16中的旋流器叶片支撑件13的表面中的在表面上具有矩形轮廓的窝部。需要注意，所示的原理也可以应用于其它轮廓形状的窝部，应用到旋流器通道16中的其它位置，以及应用于不同数量的窝部。在图9Α和9Β中，三个窝部20Α或20Β在燃料注入口 21的上游处延伸至旋流器通道16的宽度。附图标记6Α或6Β表示进入旋流器通道16的空气。
现在参照图9A，假设进入旋流器通道16的空气6A在旋流器通道16的整个宽度将是层流和平行的。这由空气6A的平行箭头表示。窝部20A将被布置为矩形的较长边将与在各个窝部20A的区域中流动的空气6A垂直。由于事实上空气6A是平行的，因此将以相同的方式布置全部窝部20A，即窝部20A被布置为垂直于旋流器通道16的叶片(未示出)的壁，从而矩形的较长边垂直于所示的空气流6A。根据图9A，窝部20A也被成行布置，但是不成行布置的其它布置方式也可以。这可以使窝部20A与空气流6A最大限度地相互作用，产生更强的涡旋。因此，由于经由燃料注入口 21注入的燃料直接进入所产生的涡旋中，可以促进空气6A和燃料的混合。
特别地，靠近旋流器通道16的空气入口的位置，空气的流动方向可能会不平行。 在图9B中这由空气(现在表示空气为6B)的箭头表示。根据图9B，在旋流器通道16的上游部分进入的空气6B不平行地流动。特别地，在旋流器通道16中心的空气将继续沿旋流器通道16的中心线流动(如先前在图9中那样)，但是偏离中心线的空气将沿中心线稍微朝向旋流器通道16的中心地流动。在图9B中这由空气6B的三个箭头表示，这三个箭头都在理论上指向旋流器通道16更下游的中心线上的虚拟点。根据图9B，窝部20B位于虚拟的圆弧上，上述虚拟点作为该圆的圆心。如上，窝部 20B在旋流器通道16的表面上具有矩形轮廓。窝部20B的方向为矩形的较长线与所述圆弧正切。换言之，矩形的较长线垂直于出现在各个窝部20B的位置处的空气6B的局部空气流。如上，这可以使窝部20B与空气流6B最大限度地相互作用，产生更强的涡旋。因此，可以促进燃料(经由燃料注入口 21直接注入所产生的涡旋中的燃料)和空气6A的混合。然而，图9B示出布置在弯曲的虚拟基线上的多个窝部，此外，每个窝部的轮廓本身可以是弯曲的以遵循基线(未示出)。例如，之后，每个单个窝部可被看做短弧或替代完全矩形的变形的矩形。在附图中未示出，燃烧器可以设置有主燃料和辅燃料。根据附图的燃料注入口 21 可以被看做主燃料注射器。作为辅助燃料注入口的辅燃料注射器可以选择性地存在本发明的所有实施例中。液体燃料的辅燃料注射器可以是在燃烧器头的中部的阀门形式。可以存在单个或多个辅燃料注射器。第二辅燃料注射器可以用于气体燃料，优选为环形形状，从而辅助气体可以在旋流器替代16的末端沿圆周注入。需要注意，燃料注射器的其它形状和位置也是可以的。并且如在本发明的所有实施例中，燃烧器可以限制为只使用液体燃料或只使用气体燃料。或者，燃烧器可以安装有可使用液体和气体两者的燃料注射器。优选地，辅燃料注射器位于旋流器通道16的下游。在燃气涡轮的操作期间，燃料 (气体或液体)在两个阶段被引入经由燃料注入口 21的主注入，这导致高度的预混合和因而降低的NOx排放物，以及经由辅燃料注入器的辅注入。当负荷需求降低时，为了保证火焰稳定性(在负荷较低时无法保证)，可以稳定地增加辅注入。辅燃料注射器被布置为当辅燃料部分增加时，燃料朝向燃烧室的轴(图1所示的轴12)偏转。这避免了低负荷时燃烧不稳定的问题。在可选择来降低NOx的贫预混合燃烧的操作模式中，辅燃料注入还可以在较高负荷或全负荷时有利地稳定火焰，然而，与全部的燃料注入相比，对于全负荷，经由辅燃料注射器注入的燃料的百分比较小，例如5%。辅燃料注入可以避免剧烈的燃烧动态，否则由于在可燃性极限附近的燃烧会导致产生剧烈的燃烧动态。总而言之，本发明和全部实施例都可以产生改进的空气/燃料混合物，从而即使在贫操作中也可以获得更稳定的火焰，并且也降低NOx排放物。
权利要求
1.用于混合燃料(22)和空气(6 )的旋流器(2 )，包括 多个叶片(15)，辐射状地位于所述旋流器(2)的中心轴(12)周围； 多个混合槽，用于混合燃料(22 )和空气(6、6A、6B )，所述多个混合槽中的至少一个混合槽(16)由所述多个叶片(15)中的两个相邻叶片的相对壁(17)界定，并且所述至少一个混合槽(16)包括至少一个燃料注入口(21)以及包括用于产生空气(6、6A、6B)的涡旋(23)的至少一个窝部(20、20A、20B)。
2.根据前述权利要求之一所述的旋流器(2)，其特征在于， 所述窝部(20、2(^、2( )布置在所述至少一个混合槽(16)中 关于空气(6、6A、6B)流动方向处于所述燃料注入口(21)的上游，或 关于空气(6、6A、6B)流动方向处于所述燃料注入口(21)的下游，或 处于所述燃料注入口(21)和所述相对壁(17)中的一个壁之间，所述窝部(20、20A、 20B)与所述燃料注入口(21)成一直线，从而使得该直线与空气(6、6A、6B)的流动方向垂直。
3.根据前述权利要求之一所述的旋流器(2)，其特征在于， 所述窝部(20、2(^、2( )布置在所述至少一个混合槽(16)中 布置在所述旋流器(2)的基板(13)中，或 布置在所述相对壁(17)之一中。
4.根据前述权利要求之一所述的旋流器(2)，其特征在于， 所述窝部(20、20A、20B)大体上成形为半球形。
5.根据前述权利要求之一所述的旋流器(2)，其特征在于， 所述窝部(20、20A、20B)具有以下形式的轮廓 椭圆形，尤其是圆形(33)，或 多边形，尤其是三角形(31)，或 星形(32)，或 矩形(30)，尤其是正方形。
6.根据前述权利要求之一所述的旋流器(2)，其特征在于，所述窝部(20A、20B)与空气(6A、6B)的流动方向相垂直地延伸。
7.根据前述权利要求之一所述的旋流器(2)，其特征在于，多个所述至少一个窝部 (20,40 ；20A ；20B)布置为直线或交错图案的至少一行和至少一列。
8.根据前述权利要求之一所述的旋流器(2)，其特征在于，所述窝部(20、20A、20B)和所述燃料注入口(21)布置为使得经由所述燃料注入口(21)注入的燃料(22)被注入涡旋 (23)中。
9.根据前述权利要求之一所述的旋流器(2)，其特征在于，所述至少一个燃料注入口 (21)中的第一个布置为用于注入液体燃料，和/或所述至少一个燃料注入口(21)中的第二个布置为用于注入气体燃料。
10.根据前述权利要求之一所述的旋流器(2)，其特征在于，所述旋流器(2)包括多个辅助燃料注入口。
11.一种燃烧腔，包括权利要求1至10之一所述的旋流器(2)。
12.一种燃气涡轮，包括至少一个燃烧腔，所述至少一个燃烧腔包括权利要求1至10之一所述的旋流器(2)。
全文摘要
本发明涉及一种用于混合燃料(22)和空气(6)的旋流器(2)，燃烧腔以及燃气涡流，所述旋流器(2)包括多个叶片(15)，辐射状地位于所述旋流器(2)的中心轴(12)周围；以及多个混合槽，用于混合燃料(22)和空气(6)。所述多个混合槽中的至少一个混合槽(16)由所述多个叶片(15)的两个相邻的叶片的相对壁(17)界定，并且所述至少一个混合槽(16)包括至少一个燃料注入口(21)以及包括用于产生空气(6、6A、6B)的涡旋(23)的至少一个窝部(20)。
文档编号F23C7/00GK102414513SQ200980159118
公开日2012年4月11日 申请日期2009年5月5日 优先权日2009年5月5日
发明者林锦基 申请人:西门子公司