燃烧器、具有这种燃烧器的燃气轮机和燃料喷嘴的制作方法

本发明涉及一种燃烧器，所述燃烧器具有多个预混合室并且具有用于两种燃料的燃料喷嘴。此外，本发明涉及一种具有这种燃烧器的燃气轮机。本发明还涉及一种用于两种燃料的燃料喷嘴。

背景技术：

在燃气轮机中，典型地设有具有预混合室的燃烧器，在所述预混合室中尤其将气态的燃料与空气混合，以便随后燃烧所获得出的混合物。在此，燃料轮机的效率还有不期望的排放产物、尤其氮氧化物的形成明显与燃料和空气的混合相关。

尤其在借助天然气运行的燃气轮机中，天然气通常沿径向方向、即垂直于空气的流动方向喷入(所谓的横向射流法(Jet-in-Crossflow-Methode))。由此能够实现将天然气和空气适当地混合。

为了混合，还例如从DE 44 26 351 A1中已知所谓的涡流产生器。在那里公开一种燃烧室，所述燃烧室基本上由第一级和沿流动方向连接在下游的第二级构成。在此，第一级在顶部侧具有用于形成燃料/空气混合物的混合器并且在混合器的下游存在涡流产生器。所述涡流产生器尤其用于使热空气形成漩涡，所述热空气随后被引入到用于与燃料混合的预混合区，并且随后被引入到第二级的燃烧区中。

附加地，已知的是：借助多种燃料运行燃气轮机，例如借助天然气和氢气运行。在此，或者能够同时借助多种燃料运行或者仅借助燃料中的一种运行。由此尤其提高燃气轮机的灵活性，因为能够根据可用性来使用燃料。然而，由于不同的运行模式也产生对燃料轮机和其燃烧器的附加的要求。

然而，在应用或掺入氢时，存在相对于仅应用天然气提高的回火和自燃的风险。为了减低该风险可行的是：将少量反应性气体掺入氢，以形成含氢的燃烧气体，然而所述燃烧气体通常不利地具有比天然气更少的能量密度。由此，尤其需要：基于用于不同的燃料的不同的体积流适当地设计喷入装置。

为了进一步减小回火和自燃的风险已知的是：含氢的燃烧气体沿同轴方向、即沿空气的流动方向喷入。由此，尤其也降低空气方面的压力损失，所述压力损失在应用含氢的燃烧气体时由于更大的体积流而比在应用天然气时更大。

从EP 2 604 919 A1中例如已知用于两种燃料的燃料喷嘴，所述燃料喷嘴具有内管和包围内管的外管，所述内管具有用于第一燃料的径向定向的排出口而所述外管具有用于第二燃料的轴向定向的排出口。借助于这种喷嘴，例如可行的是：经由轴向的排出口将含氢的燃烧气体沿空气的流动方向喷入。为了改进燃烧气体与空气的混合，附加地设有所谓的波瓣混合器。于是，第二燃料、例如天然气经由径向的排出口喷入。在此不利的是：关于尤其天然气和空气的混合不存在其他的优化可能性。

技术实现要素：

本发明的目的是：提出一种改进的燃烧器，所述燃烧器尤其适合于借助多种燃料运行。此外，可改善燃烧器中的混合物形成。此外，应提出一种具有这种燃烧器的燃气轮机。附加地，应提出改进的、尤其适合于多种燃料的燃料喷嘴。

根据本发明，所述目的通过一种具有权利要求1的特征的燃烧器、一种具有权利要求10的特征的燃气轮机和一种具有权利要求11的特征的燃料喷嘴来实现。有利的设计方案、改进形式和变型形式是从属权利要求的主题。

对此提出：燃烧器包括多个预混合室，所述预混合室分别具有用于两种燃料的燃料喷嘴，其中燃料喷嘴具有沿流动方向延伸的燃料喷管，多个用于第一燃料的第一排出口引入到所述燃料喷管中，并且燃料喷管由外管包围，所述外管具有至少一个用于第二燃料的第二排出口，其中第一排出口径向地定向而第二排出口轴向地定向，其中在燃料喷管和预混合室的内侧之间形成流动横截面，并且其中多个涡流发生器设置在燃料喷管上，所述涡流发生器减小横向于流动方向取向的流动横截面，其中至少一个涡流发生器设置在第一排出口的上游和第二排出口的下游，并且预混合室具有横截面和端部，并且第一排出口距预混合室的端部的间距至少是预混合室的横截面的三倍大。特别地，预混合室具有空气流入通道，燃料喷嘴设置在所述空气流入通道中。有利地，空气沿流动方向流入，以与第一和/或第二燃料混合。

空气、第一燃料和第二燃料在下面通常称作为气体。但是应用原则上不局限于气态介质。此外，该应用不局限于下面提出的气体、即天然气、氢气和空气。

燃料喷管有利地用于喷入天然气，所述天然气借助于径向的排出口提供以进行混合。将径向在此理解为：燃料喷管沿流动方向延伸、即轴向延伸并且相对于所述燃料喷管径向地具有侧表面，在所述侧表面中例如引入适合的、例如圆的开口。由此尤其实现所谓的横向射流混合，其中燃料基本上垂直于空气流入。

排出口优选沿轴向方向在共同的位置上且沿燃料喷管的环周方向均匀地分布。然而作为替代方案，选择其他适当的布置。例如，将多个排出口沿轴向方向依次设置在多个位置上。

外管同样沿流动方向、即沿轴向方向延伸，所述外管包围燃料喷管。在此，外管沿轴向方向优选仅部分地包围燃料喷管，也就是说燃料喷管沿流动方向伸出。由此尤其可行的是：径向的排出口设置在燃料喷管的由外管覆盖的区域之外，由此尤其改善与空气的混合。然而作为替代方案，径向的排出口由外管覆盖或者存在不仅被覆盖的排出口，也存在不被覆盖的排出口。

外管优选用于将第二燃料，例如氢气或含氢的燃烧气体轴向地喷入。通过轴向的喷入尤其可行的是：将燃料借助于相对于天然气更大的体积流喷入。有利地，还能够降低或者完全避免空气侧的、如可能在径向地喷入时存在的压力损失。

为了改善气体中的两种气体或全部气体彼此的混合，设有至少一个涡流发生器，即所述涡流发生器设置在燃烧器中。借助于涡流发生器能够通过如下方式实现混合：气体中的至少一种气体的流动横截面沿流动方向在至少一个位置处减小。

例如，空气沿流动方向在第一位置处穿流第一面，所述第一面横向于、即基本上垂直于流动方向取向。在此，第一面对应于第一位置处的流动横截面。例如，现在，在第一位置下游的第二位置处设置有涡流发生器，所述涡流发生器用附加的阻挡面抵抗空气，由此由空气在第二位置处穿流的第二面比第一面更小。换言之：流动横截面在第二位置处比在第一位置处更小。例如，涡流发生器是关于流动方向成角度的面。在此，涡轮发生器适当地具有一定轮廓，优选具有至少一个棱边，以产生涡流。所述涡流发生器尤其用于将现在形成漩涡的气体与第二气体混合。适当地，由此改善第一和/或第二燃料与空气的混合和/或改善燃料彼此间的混合。因此整体上，通过设置涡流发生器在多燃料-燃料喷嘴的情况下，在运行中由于产生涡流而实现有效地混合气体，而与相应的运行方式无关，即与当前将何种气体用作为燃料无关。

在根据本发明的燃烧器中，至少一个涡流发生器安置在燃料喷管上。尤其在将涡流发生器用于借助于燃料喷管喷入的第一燃料产生涡流的情况下，有利地将涡流发生器匹配于所述燃料的要求。在更换第一燃料进而可能改变对与空气混合的要求时，由此尤其可行的是：通过更换燃料喷管同时也更换涡流发生器。

此外，在根据本发明的燃烧器中，至少一个涡流发生器设置在径向的排出口的上游和轴向的排出口的下游。由此，尤其能够实现使空气和/或第二燃料产生涡流，而涡流发生器没有直接影响第一燃料的流动。在此，将直接影响理解为：由通过所述涡流发生器影响的气体流向相关的涡流发生器。

最后，根据本发明的燃烧器的预混合室具有横截面和端部，其中鉴于燃料和空气的良好混匀，第一排出口距预混合室的端部的间距至少是预混合室的横截面的三倍大。由此确保：燃料和空气能够混合的路段的长度是足够大。

在一个优选的设计方案中，燃料喷管和外管同心地设置。特别地，燃料喷管和外管基本上圆柱形地构成并且具有共同的纵轴线。在此，外管优选构成为具有横向于纵轴线的环形轮廓的管。适当地，纵轴线沿流动方向延伸。特别地，第二燃料和空气分别沿流动方向流动。换言之：轴向地流入或喷入空气和第二燃料。相反，优选径向地喷入第一燃料。

在一个适当的实施方式中，至少一个涡流发生器构成为是楔形的。在此，将楔形理解为：涡流发生器具有如下面，所述面倾斜于轴向方向并且尤其倾斜于流动方向延伸。例如，该面构成为是矩形的。作为替代方案，该面三角形地构成，其中三角形的一边横向于流动方向伸展。两个其余的边沿流动方向或与流动方向相反地会聚成三角形的尖部。特别地，将楔形也理解为四面体形状。

代替楔形的设计方案，其他的几何形状也是适合的。涡流发生器也可能地作为实心体或由不同的面元件组合或者也多件式地构成。在此重要的是：可借助于涡流发生器调节沿流动方向的流动横截面，尤其以便在流向涡流发生器的气体的流动走向中产生涡流。在此，将可调节尤其理解为：涡流载体的精确的构成和定向在其制造和安装时被确定。

在一个有利的设计方案中，至少一个涡流发生器安置在外管上。在此，涡流发生器或者从外侧安置在外管上，尤其用于使适当地沿着那里流动的空气产生涡流，或者从内侧安置在外管中，以使优选沿着那里流动的第二燃料产生涡流。

在另一有利的设计方案中，预混合室包括内壁，在所述内壁上安置有至少一个涡流发生器。由此尤其能够得到与燃料喷嘴基本上无关的涡流产生。

在另一有利的设计方案中，至少一个涡流发生器设置在径向的排出口下游。换言之：至少一个涡流发生器设置在所有的排出口下游，由此所述涡流发生器尤其影响所有流入的气体，即尤其产生涡流。

关于涡流发生器的定位的所有上述设计方案或其中多个设计方案在另一有利的设计方案中进行组合。由此，尤其也将相应提出的优点组合。例如，至少一个涡流发生器设置在轴向的排出口的下游和径向的排出口的上游以及设置在燃料喷管上。替代地或附加地，例如将多个涡流发生器沿轴向方向设置在燃料喷管上的不同的位置处。

此外可行的是：将多个涡流发生器有利地沿轴向方向依次地或错开地设置成组，例如设置成排；或者将多个涡流发生器在一个平面中，即尤其(例如沿环周方向)彼此并排地以及依次地设置。也可行的是：多个涡流发生器有利地具有不同的几何形状和/或尺寸。

优选地，多个涡流发生器沿轴向方向在大致相同的位置处且沿着关于纵轴线的环周方向设置。例如，多个涡流发生器设置在外管的环周上，使得全部沿环周方向位于相邻的涡流发生器之间的间距同样大。

尤其可行的是：通过将多个、尤其不同的涡流发生器适当地组合有利地影响不同气体的成对的涡流产生。例如，在外管上安置多个涡流发生器，以使空气产生涡流并且改善与其下游的轴向喷入的氢气的混合。为了还优化天然气与空气的涡流产生，例如附加地将涡流发生器安置在径向的排出口的下游。

在一个有利的改进形式中，外管具有端部区域，所述端部区域构成为波瓣混合器并且包括多个叶片。所述叶片尤其沿流动方向延伸并且作为径向构成的折叠部。由此横向于纵轴线得到尤其星形的横截面(或也得到星形的轮廓)。在此，沿环周方向在各两个叶片之间构成间隙，通过所述叶片尤其在下游有利地增大空气的流动横截面。

叶片沿径向方向分别具有顶点，所述顶点基本上沿轴向方向延伸。这就是说，尤其沿流动方向在顶点和纵轴线之间的径向间距基本上是恒定的。特别地，外管具有外表面并且叶片的顶点基本上与外表面对齐。在此可行的是：沿轴向方向设有小的斜面或斜坡。

第二燃料与空气的混合有利地通过如下方式实现：所述空气跟随沿流动方向的流动，所述流动在端部区域的端部处中断。特别地，端部区域在端部处的星形的横截面具有相对于外管延长的(且相应星形的)轮廓线。由此，有利地将与外管的环周相比更大的棱边提供用于中断流动。

在一个适当的改进形式中，将端部区域旋转或扭转，使得叶片进而还有顶点螺线形地围绕纵轴线伸展。由此可行的是：沿着叶片流动的空气附加地形成漩涡进而实现改善的混合。

在另一适当的改进形式中，多个叶片附加地构成为涡流发生器。对此，所述叶片尤其成形为，使得所述叶片的顶点构成为沿轴向方向倾斜伸展的面。换言之：叶片的顶点距纵轴线的间距沿流动方向变化。优选地，该间距沿流动方向持续地增大。由此尤其实现具有一个棱边的成角度的面，使得借助于所述面能够实现根据涡流发生器类型来产生涡流。

在一个有利的改进形式中，将至少一个涡流发生器设置在两个叶片之间的间隙中。在此，此处提出的间隙对应于在两个沿外管的环周方向相邻的叶片之间的上文已经提到的间隙。特别地，通过该布置可行的是：产生具有相对大的侧面的涡流发生器，即与例如设置在环形的管上的没有波瓣混合器的涡流发生器不同。由此，能够有利地影响涡流的产生。

适当地，上面提出的涡流发生器与用于喷入第二燃料的上述设计中的一个设计的组合实现所参与的气体的改善的混合。有利地，在同时喷入第一和第二燃料(例如天然气和氢气)时以及在单独运行，这就是说喷入仅一种燃料(例如天然气或氢气)时相应地改善混合。

优选地，燃气轮机包括具有一个或多个上述特征的燃烧器，由此得到上面相应提出的优点。这种燃气轮机还尤其是更加有效的并且有利地具有更少的有害物质排放。

适当地，用于两种燃料的燃料喷嘴具有沿流动方向延伸的燃料喷管。多个用于第一燃料的第一排出口引入到所述燃料喷管中。在此，燃料喷管由外管包围，所述外管具有至少一个用于第二燃料的第二排出口，其中第一排出口径向地定向而第二排出口轴向地定向，其中多个涡流发生器设置在燃料喷管上。至少一个涡流发生器设置在第一排出口的上游和第二排出口的下游。

附图说明

下面，根据附图详细阐述本发明的实施例。其中示出：

图1示出具有用于两种燃料的燃料喷嘴和多个安置在燃料喷嘴上的涡流发生器的燃烧器的侧视图，

图2示出具有替代的燃料喷嘴和预混合室的根据图1的燃烧器，在所述预混合室上在内壁处安置有多个涡流发生器，

图3至17示出根据图1的燃料喷嘴的其他实施例，其中燃料喷嘴在图3、6、9、12和15中分别以侧视图示出，在图4、7、10、13和16中分别以正视图示出，以及在图5、8、11、14和17中分别以立体图示出，以及

图18至23分别示出涡流发生器的一个实施例的立体图。

具体实施方式

图1和2分别示出燃烧器2的、尤其用于燃气轮机4的燃烧器的示意图。在此，燃烧器2包括预混合室6，沿流动方向S在所述预混合室下游连接有燃烧室8。在此处示出的实施例中，在运行中将两种燃料以及空气喷入到预混合室6中。为了喷入燃料使用燃料喷嘴10，所述燃料喷嘴沿流动方向S延伸。空气经由包围燃料喷嘴10的空气进入通道12沿流动方向S流入。

燃料喷嘴10包括燃料喷管14和包围所述燃料喷管的外管16，其中燃料喷管14沿流动方向S且相对于外管16突出。燃料喷管14和外管16在此处示出的实施方式中基本上构成为是圆柱形的，即所述燃料喷管和外管横向于流动方向S具有圆形的或环形的横截面。特别地，燃料喷管14和外管16同心地设置，并且相应地具有共同的纵轴线L，所述纵轴线沿流动方向S伸展。

燃料喷管14具有多个径向的排出口18。所述排出口在此处示出的实施例中构成为是圆环形的并且沿轴向方向，也就是说沿流动方向S，设置在共同的位置处。在此，排出口18沿环周方向U并且尤其均匀地分布。径向的排出口18尤其用于喷入第一燃料、例如天然气。

外管16具有比燃料喷管14更大的直径，由此沿轴向方向实现尤其环形的轴向的排出口20。借助于所述排出口将第二燃料喷入到预混合室6中。也就是说，第二燃料尤其也绕流燃料喷管14。

在图1中在燃料喷管14上固定有多个涡流发生器22。在此，所述涡流发生器设置在轴向的排出口20下游和径向的排出口18的上游。涡流发生器22在此处示出的实施例中构成为是四面体形状的(对此尤其也参见图20)。

图1还示出：预混合室6具有横截面50和端部52，并且第一排出口18距预混合室6的端部52的间距至少是预混合室6的横截面50的三倍大。

在根据图2的一个替代的或补充的设计方案中，根据图1的涡流发生器22固定在预混合室6的内壁上。在此，涡流发生器22设置在径向的排出口下游的一定位置处。

在两个图1和2中示出的实施例中，涡流发生器22分别具有关于流动方向S成角度的面24，所述面在此是三角形的并且与流动方向S相反地沿着纵轴线L逐渐变细。该布置也称作为向前定向。在一个替代的、在此未示出的实施方式中，相反地，涡流发生器22向后定向，即旋转180°，使得面24沿流动方向S沿着纵轴线L逐渐变细。

在此，通过面24尤其形成各两个棱边26，在运行中在所述棱边处尤其产生涡流。此外，尤其通过预混合室6和设置在其中的元件以及横向于流动方向S限定流动横截面Q，所述流动横截面由涡流发生器S沿流动方向S改变。例如，在图1中，通过预混合室6和燃料喷管14在第一位置P1处限定流动横截面Q。流动横截面Q在该第一位置P1处尤其比在第二位置P2处更大，在所述第二位置处在此处示出的实施例中设置有涡流发生器22。有利地，可行的是：通过适当地构成涡流发生器22调节流动横截面Q，进而尤其适当地影响气体的混合。

图3至17示意地示出燃料喷嘴14的其他实施例。在此，图3、6、9、12和15分别示出燃料喷嘴14的侧视图，并且针对每种气体示出通过箭头表明的流入方向28、30、32。在此，第一燃料沿流入方向28径向地流入并且第二燃料以及空气沿流入方向30、32轴向地流入。通过轴向的流入在预混合室6中尤其预设总的流动方向S，第一燃料也以距径向的排出口18足够的间距基本上遵循所述流动方向。

图4、7、10、13和16分别示出相应的燃料喷管14的正视图，图5、8、11、14和17分别示出相应的燃料喷管14的立体图。

燃料喷嘴10的在图3至5中示出的实施方式包括多个向前取向的、四面体形状的涡流发生器22，所述涡流发生器在燃料喷管14上安置在轴向的排出口20的下游和径向的排出口18的上游。在此，涡流发生器22分别具有高度H，所述高度在此选择为，使得涡流发生器22沿径向方向比外管16延伸得更远。这尤其清楚地在图4中示出。由此尤其可行的是：涡流发生器22直接地由空气入流并且使空气产生涡流。

图6至8示出燃料喷嘴10与安置在外管16上的涡流发生器22。所述燃料喷嘴和涡流发生器在此向前取向并且由围绕外管16流入的空气入流。燃料喷管14相反不具有涡流发生器22。

图9至11示出燃料喷嘴10，所述燃料喷嘴具有构成为波瓣混合器的端部区域34。对此，在端部区域34中成形有多个、在此六个叶片36。所述叶片形成星形的横截面，例如这从图10中可见。图10还示出叶片36沿径向方向基本上不超出外管16。

叶片36分别具有沿轴向方向延伸的顶点38，并且在环周方向U上通过间隙40尤其均匀地间隔开。在外管16的端部42上，叶片36形成在此星形的轮廓44，通过所述轮廓尤其也实现多个排出通道46。因此，轴向的排出口20在此处示出的实施例中包括六个排出通道46。

如图10和11示出，安置在燃料喷管14下游的涡流发生器22沿流动方向S跟随排出通道46中的一个排出通道，或者相对于该排出通道错开地设置。在此存在的四个涡流发生器22中的例如两个涡流发生器22A设置在排出通道46的虚拟的延长部中，而两个涡流发生器22B设置在间隙40的虚拟的延长部中。通过尤其这样构成的混合的布置可行的是：相应的涡流发生器22或者首要用于使流过间隙40的空气产生涡流或者首要用于使流过排出通道46的第二燃料产生涡流。

图12至14示出一个实施例，其中燃料喷嘴10的外管16在端部区域34中具有多个叶片、在此四个叶片36，所述叶片同时构成为涡流发生器22。叶片36的相应的顶点38构成为成角度的面24，并且具有两个基本上对基本上三角形的面24限界的棱边26。所述叶片在下游远离纵轴线L地延伸。端部区域34具有用于第二燃料的、数量对应于涡流发生器22的数量的排出通道46。

此外，在所示出的实施例中，径向的排出口18基本上直接地设置在外管16的下游。在此，相应的径向的排出口18或者设置在间隙40的虚拟的延长部中或者设置在排出通道46的虚拟的延长部中。

具有外管16的端部区域34中的叶片36还有涡流发生器22的一个替代的实施方式在图15至17中示出。在此，各一个涡流发生器22设置在两个相邻的叶片36之间的间隙40中。涡流发生器22在此处示出的实施例中构成为直至外管16的端部42，这就是说尤其涡流发生器22沿径向方向与外管16的端部42对齐。与在图12至14中示出的涡流发生器相反，在图15至17中示出的涡流发生器22在端侧没有排出通道46。

图18至23分别示出涡流发生器22的一个实施例。在此，实际的实施方案不局限于在此示出的实施例。

图18和19分别示出关于流动方向S成角度的、三角形的或矩形的面24。图20和21示出类似构成的涡流发生器22，然而所述涡流发生器在此构成为实心体并且具有相应的侧面48。相反，在图22和23中示出的涡流发生器22分别包括两个、尤其单独制成的侧面48，所述侧面关于流动方向S成角度。在图18至23中，涡流发生器22关于流动方向S分别向前取向。然而作为替代方案，涡流发生器22向后取向，也就是说关于流动方向S旋转180°(于是，图18至23中的显示出流动方向S的箭头指向相反方向)。