专利名称：针对用于增强的火焰稳定抗力的预混合器尾流和旋涡填充的系统和方法
技术领域：
本发明通常涉及燃气涡轮燃烧系统，并且更具体而言，涉及用于增加火焰稳定抗力(flame-holding resistance)并增强燃烧系统预混合器的燃料空气混合的技术。
背景技术：
天然气或燃料油的预混合燃烧在商业上已经被证实为用于陆基(land based)燃气涡轮的减少NOx排放的非常有效的方法。类似地，部分预混合通常应用于实现飞机发动机中的相似的排放降低。这种模式的燃烧引入了当这种预混合的空气-燃料流在期望的燃烧区域的上游点火时的过早燃烧或火焰稳定的风险。如果上游区域未设计成承受与燃烧相关的高温，那么，构件的过热和后续的硬件恶化可能发生。已知，增加燃料-氧化剂的预混合能力也将增加可能引起硬件损坏的潜在的燃烧动力学难题。一种已经用于增加燃料/空气预混合器的预混合能力的技术利用了一列空气通道。另一种技术利用了预混合叶片来提供旋流稳定化的预混合器。又一种已经用于增加燃料/空气预混合器的预混合能力的技术包括有坑的燃料注射孔，该燃料注射孔额外地增加了火焰稳定的抗力。这些已知的预混合器技术，尽管在混合能力或预混合器火焰稳定的抗力方面提供了进步，但是对进一步优化针对燃烧系统预混合器的混合能力和火焰稳定边界留下了改进的空间。一种现代的混合技术，采用了后缘(trailing edge)特征，用于信号和噪音降低这两者，例如来自飞机发动机的喷射噪音。这种后缘特征已经不作为用于增强燃烧系统预混合器内的燃料/空气预混合和预混合器火焰稳定的抗力的技术而被研究。鉴于前述内容，有利的是，提供一种空气/燃料预混合结构，该空气/燃料预混合结构保持或增加与所有类型的燃气涡轮燃烧器相关的已知的燃烧系统预混合器结构的空气/燃料混合能力，同时提供增加的火焰稳定的边界。空气/燃料预混合器结构应当有利地采用被动式技术(passive technique)来保持或增加空气/燃料混合能力，并增加火焰稳定的抗力，同时随意地减小预混合器内的动量不足的区域。
发明内容
简要地，根据一个实施例，提供了一种燃烧系统预混合器，以增加陆基燃烧系统中的火焰稳定的抗力。该预混合器包括一个或更多顺流旋涡发生器(stream vortex generator)，所述一个或更多顺流旋涡发生器配置成响应于穿过预混合器的空气，被动地使周围的高速空气改变方向而填充燃料喷嘴内的尾流和旋涡区域。根据另一实施例，一种增加燃烧系统预混合器内的火焰稳定的抗力的方法，包括 在预混合器的一个或更多部分上提供一个或更多顺流旋涡发生器；使空气穿过至少一个预混合器顺流旋涡发生器，使得穿过各顺流旋涡发生器的空气被动地改变方向而进入相应的燃料喷嘴的尾流和旋涡区域中。
根据又一实施例，一种燃烧系统预混合器，包括至少一个后缘区域，该后缘区域包括一个或更多注射孔并还包括一个或更多顺流旋涡发生器，其中，一个或更多顺流旋涡发生器配置成经由一个或更多注射孔而被动地使注入后缘区域中的周围的高速空气或燃料改变方向，使得改变方向的空气或燃料在产生于后缘区域的下游的其中至少一个尾流和旋涡区域之外混合。
当参照附图阅读下述详细的描述时，将变得更好地理解本发明的这些和其它的特征、方面以及优势，在附图中，相似的符号在图中始终代表相似的部分，其中图1是显示根据一个实施例的带有顺流旋涡发生器的燃烧系统预混合器的剖面透视图；图2是显示图1中描绘的预混合器的旋流器(SWirler)部分上的顺流旋涡发生器的透视图；图3是显示图1中描绘的预混合器的旋流器部分上的顺流旋涡发生器的另一透视图；图4是显示图1中描绘的预混合器的后缘部分上的顺流旋涡发生器的透视图；图5是显示图1中描绘的预混合器的后缘部分上的顺流旋涡发生器的更加详细的透视图；图6是显示图1中描绘的预混合器的后缘部分上的顺流旋涡发生器的剖面透视图；图7是显示根据一个实施例的、采用顺流旋涡发生器区域并适用于实施图1中描绘的预混合器的后缘部分的裂片状喷嘴的透视图；图8是显示设置在图1中描绘的预混合器的后缘部分附近的一对顺流旋涡发生器凹口的透视图；图9是显示适于实施其中一个或更多图1中描绘的预混合器的顺流旋涡发生器区域的另一顺流旋涡发生器几何形状的透视图；以及图10显示适于采用使用本文中描述的顺流旋涡发生器结构原理的预混合器实施例的燃气涡轮发动机的一个实施例。虽然上面确定的附图阐述了备选实施例，但是正如在讨论中记录的，本发明的其它实施例也是可预期的。在所有情况下，该公开以代表而不是限制的方式呈现了所说明的本发明的实施例。落在本发明的原理的范围和要旨内的众多其它的修改和实施例能够由本领域的技术人员想出。部件列表
10燃烧系统预混合器
12顺流旋涡发生器
14顺流旋涡发生器
16旋流机构
18预混合器喷嘴
20预混合器叶片后缘
30裂片状喷嘴
32顺流旋涡发生器区域
40顺流旋涡发生器凹口结构
42后缘旋涡
44空气流
50顺流旋涡发生器几何形状
100燃气涡轮发动机系统
120燃气涡轮发动机
122压缩区段
124燃烧区段
126燃烧罐
127点火系统
128涡轮区段
130排放区段
具体实施例方式图1是显示根据一个实施例的带有多个顺流旋涡发生器12、14的燃烧系统预混合器10的剖面透视图。如本文中描述的，顺流旋涡发生器是指产生大量的顺流涡度的结构， 并且，在一些应用中，可以包括适当地配置的人字形结构，该人字形结构当与特定的喷嘴尺寸和几何形状相关时产生大量的顺流涡度。顺流旋涡发生器12位于旋流机构16的后缘上。顺流旋涡发生器14位于预混合器喷嘴18的后缘上。顺流旋涡发生器12、14运转，响应于流通预混合器10的空气，被动地使少量周围的高速空气改变方向而进入位于预混合器10内和/或预混合器10的下游的尾流和旋涡区域中，以减小湍流结构。这种经由应用至燃烧系统预混合器的顺流旋涡发生器结构而使周围的高速空气进入尾流和旋涡区域中的被动的改变方向，是由本发明者发现的，以增加针对燃烧系统预混合器10的火焰稳定抗力。另外，经由顺流旋涡发生器结构而使周围的高速空气进入尾流和旋涡区域中的被动的改变方向，被发现利用预混合器10来有利地增强了燃料/氧化剂混合。尾流和旋涡区域的更加详细的描述，在本文中参照图8进行了讨论，并且也由Knowles和Mddington的“用于飞行器推进应用的喷射混合增强的回顾”进行了描述。注意到，本文中描述的被动式混合技术也可以用于减小预混合器10内的动量不足的区域。虽然本文中描述了作为适当地配置成产生顺流旋涡的修改的人字形结构的一些实施例，但是人字形结构可以将它们自身表现为诸如本文中参照图8描绘的凹口，或者诸如本文中参照图9描绘的预混合器叶片后缘上的成形状的槽、锯齿状突起，或者诸如本文中参照图7描绘且也由HU、Sag0、KcAayashi的“通过使用立体镜颗粒成像速度测量技术对裂片状喷射混合流的研究”描述的人字形增强裂片的其它形式。虽然图1显示了带有添加顺流旋涡发生器的可能的位置的预混合器10，但是，使用本文中描述的原理，诸如预混合器内部的流路壁或外部的叶片壁的其它位置也是可能的。然后，取决于期望的应用和顺流旋涡发生器增强空气/燃料混合的程度，顺流旋涡发生器可以放置在预混合器10内的关键位置中。顺流旋涡发生器也可以用于调节空气/燃料
5混合比，以及/或者提供用于尾流填充的机构，以充分地消除燃料喷嘴中的可能导致硬件损坏的回火(flastiback)和火焰稳定的可能性。根据一个方面，预混合器10可以从例如但不限于压缩机排出风室或外部的衬套环(liner annulus)的源接收空气。在本文中更加详细地描述的独特情况下，预混合器叶片后缘20和/或内叶片壁和外叶片壁中的顺流旋涡发生器形通道12被动地使流通并流过顺流旋涡发生器结构12的周围的高速空气改变方向而进入位于预混合器10内的尾流和旋涡区域中，以增加空气/燃料混合和/或火焰稳定抗力。在本文中更加详细地描述的独特情况下，预混合器喷嘴18后缘和/或内喷嘴壁和/或外喷嘴壁中的顺流旋涡发生器形通道 14被动地使流通并流过顺流旋涡发生器结构14的周围的高速空气改变方向而进入位于预混合器喷嘴18的下游的尾流和旋涡区域中，以进一步增加空气/燃料混合和/或火焰稳定抗力。根据另一方面，燃烧系统预混合器10包括至少一个后缘区域20，该后缘区域20包括例如在图1中描绘的一个或更多注射孔。一个或更多顺流旋涡发生器12配置成被动地使经由一个或更多注射孔而注入后缘区域20中的周围的高速空气或燃料改变方向，使得注入的空气或燃料改变方向而进入在后缘区域20的下游产生的至少其中一个尾流和旋涡区域中。图2和图3显示旋流机构16后缘的人字形件12的更加详细的图。图4、图5以及图6显示预混合器喷嘴18后缘的顺流旋涡发生器14的更加详细的图。图7是显示采用顺流旋涡发生器区域32并适用于实施图1中描绘的预混合器10 的后缘部分的裂片状喷嘴30的一个实施例的透视图。图9是显示适于实施其中一个或更多图1中描绘的预混合器10的顺流旋涡发生器区域的另一顺流旋涡发生器几何形状50的透视图。图8是显示设置在图1中描绘的预混合器喷嘴18的后缘部分附近的一对顺流旋涡发生器凹口结构40的透视图。图8显示由顺流旋涡发生器凹口 40产生的后缘旋涡42 的形成。这些作为结果的旋涡42可以用于增强与相应的空气流44相关的尾流填充。这些作为结果的旋涡42可以进一步用于增强相应的燃料和氧化剂之间的混合。由于将顺流旋涡发生器引入预混合器10结构中具有降低燃烧动力学的潜力，因而一个可能源于这种顺流旋涡发生器结构的使用的附加的益处涉及噪音和振动降低。本文中描述的燃烧系统预混合器实施例，其作用是，通过使得预混合过程能够更加抵抗火焰稳定并在预混合器内同时保持或增强空气/燃料混合，从而解决了燃气涡轮燃烧系统中的预混合的难题。更具体而言，这些实施例引入了添加至干式低NOx(DLN)类型的燃料预混合器的顺流旋涡发生器结构，以被动地填充和/或充分地消除喷嘴内的尾流，因而降低或消除可能为硬件损坏的根源的火焰稳定和回火的潜在的根源。本发明者还发现， 顺流旋涡发生器结构作为用于实现增强的混合的成功的装置，以降低燃气涡轮排放，尤其是NOx排放，这是因为增加了燃烧系统预混合器内的预混合的水平。通过由于通常与预混合的燃料和氧化剂相关的标准方法的修改，将顺流旋涡发生器结构应用于燃烧系统预混合器，从而也可以降低燃烧器中的燃烧动力。图10显示适于采用预混合器实施例的燃气涡轮发动机120的一个实施例，该预混合器实施例使用本文中描述的顺流旋涡发生器结构原理。应当懂得，本文中参照附图描述的实施例和原理，应用于所有类型的燃气涡轮燃烧器，而不仅仅是陆基燃气涡轮燃烧器。在其它系统中，涡轮系统100可以具有燃气涡轮发动机120。燃气涡轮发动机120包括压缩区段122、燃烧区段124以及联接至压缩区段122的涡轮区段128，该燃烧区段IM包括多个燃烧罐1 和相应的点火系统127。排放区段130通路排出来自燃气涡轮发动机120的气体。通常，压缩区段122将进入的空气压缩至燃烧区段124，该燃烧区段IM将压缩的空气与燃料混合，并燃烧该混合物而产生高压、高速的气体。涡轮区段1 从流自燃烧区段 124的高压、高速的气体提取能量。本文中仅讨论了燃气涡轮系统100的对说明预混合器的顺流旋涡发生器结构的使用有用的那些方面，以增强清晰并保持简洁。压缩区段122可以包括能够压缩空气的任何装置。该压缩的空气可以被引导至燃烧区段124的进入端口。燃烧区段IM可以包括多个燃料注射器，该多个燃料注射器配置成将压缩的空气与燃料混合，并将该混合物传递至燃烧区段124的一个或更多燃烧罐126。 传递至各燃烧罐126的燃料可以包括诸如柴油或天然气的任何液态或气态的燃料。传递至任意燃烧罐126的燃料可能经历燃烧而形成燃烧副产物的高压混合物。来自燃烧区段IM 的作为结果的高温和高压的混合物可以被引导至涡轮区段128。然后，燃烧气体可以在通过排放区段130而被排出至大气之前离开涡轮区段128。虽然本文中仅说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域的技术人员将想到很多的修改和改变。因此，将懂得，所附的权利要求意图覆盖落在本发明的真正要旨内的所有这种修改和改变。
权利要求
1.一种燃烧系统预混合器(10)，包括一个或更多顺流旋涡发生器(1 、(14)，所述一个或更多顺流旋涡发生器(1幻、(14)配置成响应于穿过所述预混合器(10)的空气，被动地使周围的高速空气改变方向而进入位于燃烧系统燃料喷嘴内的其中至少一个尾流和旋涡区域中。
2 根据权利要求1所述的燃烧系统预混合器(10)，其特征在于，至少一个顺流旋涡发生器(12)位于旋流机构(16)的后缘00)上。
3.根据权利要求1所述的燃烧系统预混合器(10)，其特征在于，至少一个顺流旋涡发生器(14)位于预混合器排放喷嘴(18)的后缘、内壁或外壁上。
4.根据权利要求1所述的燃烧系统预混合器(10)，其特征在于，至少一个顺流旋涡发生器(12)、(14)与空气通道的内壁或外壁相关。
5.根据权利要求1所述的燃烧系统预混合器(10)，其特征在于，至少一个顺流旋涡发生器(12)、(14)作为凹口结构而配置。
6.根据权利要求1所述的燃烧系统预混合器(10)，其特征在于，至少一个顺流旋涡发生器(1 、(14)作为成形状的槽、锯齿状突起或者成形状的裂片而配置在预混合器叶片后缘(20)上。
7.根据权利要求1所述的燃烧系统预混合器(10)，其特征在于，至少一个顺流旋涡发生器(1幻、(14)配置成响应于穿过所述预混合器(10)的空气而产生旋涡，使得所述旋涡被动地填充与穿过所述预混合器(10)的所述空气相关的尾流区域，并且，进而使得火焰稳定抗力在所述预混合器(10)内增加。
8.根据权利要求1所述的燃烧系统预混合器(10)，其特征在于，至少一个顺流旋涡发生器(1幻、(14)配置成响应于穿过所述预混合器(10)的空气而产生旋涡，使得所述旋涡被动地填充与穿过所述预混合器(10)的所述空气相关的尾流区域，并且，进而使得回火抗力在所述预混合器(10)内增加。
9.一种燃烧系统预混合器(10)，包括一个或更多注射孔和至少一个后缘区域(20)，所述后缘区域00)包括一个或更多顺流旋涡发生器(1 、(14)，其中，所述一 个或更多顺流旋涡发生器(1 、(14)配置成经由所述一个或更多注射孔而被动地使注入所述后缘区域 (20)中的周围的高速空气或燃料改变方向，使得所述改变方向的空气或燃料在产生于所述后缘区域00)的下游的其中至少一个尾流和旋涡区域之外混合。
10.根据权利要求9所述的燃烧系统预混合器(10)，其特征在于，至少一个注射孔与流通所述后缘区域00)的空气实质上是不对齐的。
全文摘要
本发明涉及针对用于增强的火焰稳定抗力的预混合器尾流和旋涡填充的系统和方法，具体而言，燃烧系统预混合器(10)包括一个或更多顺流旋涡发生器(12)、(14)，该一个或更多顺流旋涡发生器(12)、(14)配置成响应于穿过预混合器(10)的空气，被动地使周围的高速空气改变方向而进入位于燃烧系统燃料喷嘴内的其中至少一个尾流和旋涡区域中。顺流旋涡发生器(12)、(14)运转而减小湍流结构，从而改进了空气/燃料混合，并增强了预混合器(10)内的火焰稳定和回火的抗力。
文档编号F23D14/62GK102486311SQ20111040311
公开日2012年6月6日 申请日期2011年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者A·M·埃尔卡迪, C·L·范德沃尔特, K·拉马克里什南 申请人:通用电气公司