CN103542412B - 用于燃气涡轮的多锥体式预混合喷燃器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮的多锥体式预混合喷燃器(10)，其包括多个外壳(16a-d)，所述多个外壳(16a-d)围绕中心喷燃器轴线(11)布置并且是在下游方向上敞开的虚拟的轴向延伸公共锥体的部分，其中使所述部分垂直于所述喷燃器轴线(11)移置，使得在每一对相邻外壳(16a-d)之间限定有切向狭槽(17)。这样的喷燃器(10)的火焰峰通过提供具有在轴向方向上变化的锥角的虚拟公共锥体而稳定化。

Description

用于燃气涡轮的多锥体式预混合喷燃器

技术领域

本发明涉及燃气涡轮技术。本发明涉及用于燃气涡轮的多锥体式预混合喷燃器(burner)。

背景技术

在过去20多年中，具有短但有效的预混合区的喷燃器(所谓的EV喷燃器：环保的V形喷燃器)已经以非常低的NOx水平在本申请人的若干燃气涡轮中实现。除此之外，预混合技术的三种变型已经成功开发和部署在这些燃气涡轮发动机中：顺序EV喷燃器，这是一种允许将天然气和石油预混合到热排气流中以再热第一高压涡轮的排气的技术；MBtuEV喷燃器，该喷燃器用来以低NOx排放量在预混合火焰中燃烧合成气；以及高级EV喷燃器(AEV)，该喷燃器能够在燃烧之前预蒸发和预混合液体燃料并以非常低的NOx排放量燃烧液体燃料而不喷水。

文献EP0851172A2公开了一种示例性的双锥体式EV喷燃器，其用于以液体和/或气体燃料操作燃烧室，从而使此目的所需的燃烧空气通过切向进气管道导入喷燃器的内部空间。这种流的导向导致内部空间中的旋流，该旋流在喷燃器的出口处引起回流区。为了稳定在此处形成的火焰峰，在形成喷燃器的每个分体件处设有至少一个区域，在该区域内设有用于将补充空气喷入旋流中的入口开口。由于这种喷射，在分体件的内壁处形成薄膜，该薄膜防止火焰能够沿着分体件的内壁回火至喷燃器的内部空间中。

文献EP2423597A2示出了双锥喷燃器形式的另一种示例性EV喷燃器，该喷燃器具有布置成一个嵌套在另一个内部的两个部分锥体外壳(shell)，在这两个外壳之间形成进气管道，来自外部的燃烧空气通过该管道流入预混合喷燃器的圆锥形内部空间中。横向于燃烧空气的流动方向延伸的喷射口的孔的线性排布置在进气管道的外壁上，并且气体燃料通过这些孔喷入横向于它们流过的燃烧空气中。

文献DE19545310A1公开了由具有外锥形壳体和内锥形壳体的中空锥形组成的另一种预混合喷燃器。至少两个进气管道切向于内锥形壳体延伸并且沿直的锥形壳体线定位。所形成的部分外壳的部分锥体轴线位于相同的锥体轴线上。预混合喷燃器被分成包含进气管道的至少两个(例如四个)部分，以便使燃烧空气产生旋流。燃料喷嘴定位在锥体顶端以用于喷射液体燃料。

用于具有直锥体的现有EV和AEV喷燃器的主要设计参数为出口直径、狭槽宽度和锥角。这些参数选择成使得对于给定的通流能力和压力损耗来说在喷燃器出口附近发生涡旋破裂。约束为：旋流强度沿轴线线性增加，直到其达到喷燃器轴线附近的涡旋破裂的临界旋流强度。这意味着，利用这些参数来预设喷燃器长度和喷燃器包络(envelop)。

发明内容

本发明的目的是提供一种多锥体式预混合喷燃器，该喷燃器避免了已知的预混合喷燃器的缺点并且具有高的中心再循环泡的稳定性和因此减少的火焰峰轴向摆动。

本发明的另一个目的是提供一种预混合喷燃器，该喷燃器提供了在没有诸如长喷枪的钝体的情况下实现稳定燃烧的可能性。

这些和其它目的由根据本发明实施例的预混合喷燃器实现。

根据本发明的预混合喷燃器包括多个外壳，所述多个外壳围绕中心喷燃器轴线布置并且是在下游方向上敞开的虚拟的轴向延伸公共锥体的部分，其中使所述部分垂直于所述喷燃器轴线移置(displaced)，使得在每对相邻外壳之间限定有切向狭槽。

其特征在于，所述虚拟公共锥体具有在轴向方向上变化的锥角。

根据本发明的一个实施例，虚拟公共锥体的锥角在下游方向上增加。

具体而言，虚拟公共锥体的锥角的变化通过围绕中心喷燃器轴线扭转所述公共锥体而产生。

更具体而言，扭转的公共锥体的表面区域通过围绕中心喷燃器轴线旋转子午线而产生，该子午线的一端相对于另一端围绕中心喷燃器轴线旋转预定的扭转角，并且外壳通过沿相应的子午线切割所述虚拟公共锥体而产生。

特别地，扭转角等于或大于30°。

具体而言，扭转角等于或大于60°。

根据本发明的另一个实施例，公共锥体被分成四个相同的部分或外壳。

根据本发明的又一个实施例，每个外壳配有沿相应的外壳的轴向定向边缘延伸的预混合气体通道，使得气体能从所述预混合气体通道通过气体喷射孔喷入通过相邻的狭槽进入外壳的布置的内部的空气流中。

具体而言，所述预混合气体通道均具有柱形形状。

附图说明

现在将借助于不同的实施例并参照附图更详细地说明本发明。

图1示出用于产生用于具有60°的扭转角的根据本发明的实施例的预混合喷燃器的虚拟锥体的基本几何元素；

图2示出由图1的元素产生的钟形虚拟锥体；

图3示出将图2的虚拟锥体分解成四个单独的外壳，这些外壳然后垂直于喷燃器轴线移置；

图4示出具有相应的喷燃器喷枪的根据图3的真实外壳的实际组合；

图5示出具有布置在每个外壳间狭槽处的预混合气体通道的图4的喷燃器构型；以及

图6以对照表的形式示出对于三种不同的扭转角(即0°(A)、30°(B)和60°(C))的喷燃器构型。

部件列表

10预混合喷燃器

11轴线

12喷燃器头部

13喷燃器出口

14扭转角

15虚拟锥体(扭转的、钟形的)

16a-d外壳(虚拟锥体的部分)

17狭槽

18喷燃器喷枪

19a-d预混合气体通道

20子午线。

具体实施方式

图5示出根据本发明的一个实施例的预混合喷燃器10的构型，其包括带有喷燃器喷枪18的沿中心喷燃器轴线11延伸的旋流器布置，喷燃器喷枪18在下游方向上紧接着四个具有锥形形状的外壳16a-d，外壳16a-d垂直于轴线11移置且相对于轴线11布置成90°旋转对称。在每一对相邻外壳之间设有狭槽17，空气能通过狭槽17进入外壳布置的内部。沿每个外壳的纵向边缘延伸的预混合气体通道19a-c将气体燃料通过一系列孔(未示出)喷射到进入狭槽17的空气流中，从而引发空气和燃料的预混合。

为了由于高度轴向的迎面流而改善空气流的入射角，本发明利用直的预混合气体通道19a-c，该气体通道不限定在喷燃器的子午面上，而是倾斜于喷燃器子午面。

通过使直的气体通道19a-d倾斜，EV式喷燃器外壳的所有表面线发生扭转，从而偏离初始的锥形形状而朝钟形形状变化。

参照图1-4，这种扭转可解释如下：为了产生外壳16a-d的形状，作业者从如图1所示的几何形状开始，其中喷燃器头部12(喷燃器的上游端)由第一圆表示，该第一圆具有较小的直径并且定向成垂直于喷燃器轴线11且与喷燃器轴线11同轴。喷燃器出口13(喷燃器的下游端)由第二圆表示，该第二圆具有较大的直径并且定向成垂直于喷燃器轴线11且与喷燃器轴线11同轴。现在将示例性的子午线20上游端相对于下游端围绕喷燃器轴线11扭转扭转角14。扭转角14在该示例中为60°。

现在，扭转的子午线20围绕喷燃器轴线11旋转，以产生虚拟锥体15，虚拟锥体15被扭转并且因此为钟形的(图2)。

然后将图2的虚拟锥体15分成四个单独的外壳16a-d，每个外壳垂直于喷燃器轴线被移置以便以90°的步进打开围绕喷燃器轴线11分布的四个狭槽17(图3)。

图4再次示出四个外壳16a-d，其此时具有一定厚度并且在距轴线11一定半径处被切断。另外，图4中示出了喷燃器的头部和喷燃器喷枪18的最后部分。

图5示出由四个外壳16a-d组成的喷燃器旋流器，其附连有四个柱形预混合气体通道19a-c。外壳16a-d和气体通道19a-c均在距喷燃器轴线11一定半径处被切断。气体通道19a-c沿倾斜的子午线定向，并且包含沿管道的许多气体喷射孔以实现气体和通过纵向狭槽17进入的空气的良好预混合。

喷燃器外壳16a-d的钟形形状在喷燃器的上游部分具有比在喷燃器的下游部分更小的锥角。这是重要的创新特征，因为它允许改变沿喷燃器轴线11的喷燃器旋流数：较小的锥角导致在喷燃器上游部分中较低的旋流数，而下游较大的锥角在这里产生较高的旋流数。

这具有以下后果：

具有直锥体的现有EV和AEV喷燃器的主要设计参数为出口直径、狭槽宽度和锥角。这些参数选择成使得对于给定的通流能力和压力损耗来说在喷燃器出口附近发生涡旋破裂。约束为：旋流强度沿轴线线性增加，直到其达到喷燃器轴线附近的涡旋破裂的临界旋流强度。这意味着，利用这些参数来预设喷燃器长度和喷燃器包络。

相比之下，本实际发明具有沿轴线稳定增加的旋流强度梯度。这意味着：相比具有直锥体的EV和AEV喷燃器，以更强的旋流强度梯度实现用于涡旋破裂的临界旋流强度，这意味着由于更强的空气动力学保持力而更好地固定轴向涡旋破裂位置。相比于具有直锥体的现有设计，对于给定的通流能力和压力损耗来说，利用该设计还可实现更短的喷燃器布局。

此外，在没有诸如长喷枪的钝体的情况下实现稳定燃烧的可能性允许紧接在喷燃器头部的上游处喷射干性油，并且因此使燃料油有足够的时间沿喷燃器轴线蒸发，直到其进入中心再循环区并在那里被点燃。

图1至图5的示例示出了虚拟锥体的扭转角为60°的外壳构型。然而，可使用其它扭转角。图6以对照表的形式示出了对于三种不同的扭转角(即0°(A)、30°(B)和60°(C))的喷燃器构型及其变型。容易看出，随着扭转角14的增加，虚拟锥体15的钟形形状变得越来越明显。

Claims (7)

1.一种用于燃气涡轮的多锥体式预混合喷燃器(10)，其包括多个外壳(16a-d)，所述多个外壳(16a-d)围绕中心喷燃器轴线(11)布置并且是在下游方向上敞开的轴向延伸的虚拟公共锥体(15)的部分，其中使所述部分垂直于所述中心喷燃器轴线(11)移置，使得在每一对相邻外壳(16a-d)之间限定有切向狭槽(17)，其特征在于，所述虚拟公共锥体(15)具有在轴向方向上变化的锥角；所述虚拟公共锥体(15)的锥角在下游方向上增加；所述虚拟公共锥体(15)的锥角的变化通过围绕所述中心喷燃器轴线(11)扭转所述虚拟公共锥体(15)而产生。

2.根据权利要求1所述的预混合喷燃器，其特征在于，扭转的虚拟公共锥体(15)的表面区域通过围绕所述中心喷燃器轴线(11)旋转子午线(20)而产生，所述子午线(20)的一端相对于另一端围绕所述中心喷燃器轴线(11)旋转预定的扭转角(14)，并且所述外壳(16a-d)通过沿相应的子午线(20)切割所述虚拟公共锥体(15)而产生。

3.根据权利要求2所述的预混合喷燃器，其特征在于，所述扭转角(14)等于或大于30°。

4.根据权利要求3所述的预混合喷燃器，其特征在于，所述扭转角(14)等于或大于60°。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的预混合喷燃器，其特征在于，所述虚拟公共锥体(15)被分成四个相等的部分或外壳(16a-d)。

6.根据权利要求1至4中的一项所述的预混合喷燃器，其特征在于，所述外壳(16a-d)中的每一个配有沿相应的外壳的轴向定向边缘延伸的预混合气体通道(19a-d)，使得气体能从所述预混合气体通道(19a-d)通过气体喷射孔喷入通过相邻的切向狭槽(17)进入外壳(16a-d)的布置的内部的空气流中。

7.根据权利要求6所述的预混合喷燃器，其特征在于，所述预混合气体通道(19a-d)均具有柱形形状。