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CN105627368B - 用于燃气涡轮燃烧器的波瓣喷管 - Google Patents

用于燃气涡轮燃烧器的波瓣喷管 Download PDF

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CN105627368B CN201510804715.7A CN201510804715A CN105627368B CN 105627368 B CN105627368 B CN 105627368B CN 201510804715 A CN201510804715 A CN 201510804715A CN 105627368 B CN105627368 B CN 105627368B
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Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮燃烧器的波瓣喷管。燃气涡轮燃烧器的波瓣喷管包括N多个波瓣指状物，其中各个波瓣指状物构造成具有流线型横截面轮廓的流线型本体，本体具有两个侧向表面，其基本平行于热气流的方向，侧向表面在它们的上游侧处通过前缘连结且在它们的下游侧处连结而形成后缘，用于喷射混合有空气的气态和/或液态燃料的多个喷嘴沿着后缘分布，并且在喷嘴之间延伸的波瓣设置在所述后缘处，以改进混合品质和减少所述燃烧器中的压力损失。混合通过各个波瓣指状物的相对于所述流方向具有两个相反的定向中的一个的波瓣改进，所有波瓣指状物的波瓣跨越波瓣指状物遵从预先确定的定向型式，至少一对相邻波瓣指状物具有相同波瓣定向。

Description

用于燃气涡轮燃烧器的波瓣喷管
技术领域
本发明涉及燃气涡轮的技术。其涉及根据权利要求1的前序部分的用于燃气涡轮燃烧器的波瓣(lobe)喷管。
背景技术
为了实现高效率，在标准燃气涡轮中要求高的涡轮入口温度。因此，导致高NOx排放水平和高寿命周期成本。顺序燃烧循环可减轻这些问题，其中，压缩机所提供的压力比几乎是传统压缩机的两倍。主流经过第一燃烧室(例如使用US 4,932,861中公开的一般类型的喷燃器，也称为EV燃烧器，EV表示环境)，一部分燃料在其中燃烧。在高压涡轮级处膨胀之后，添加其余的燃料且燃烧(例如使用US 5,431,018或US 5,626,017或US 2002/0187448中公开的类型的喷燃器，也称为SEV燃烧器，S表示顺序)。这两种燃烧器都包含预混合喷燃器，因为低NOx排放要求燃料和氧化剂有高混合品质。
在图1中显示申请人的具有顺序燃烧的示例性燃气涡轮，它被称为GT26。
图1的燃气涡轮10包括转子11，转子11具有多个叶片，叶片围绕机器轴线20旋转，并且被壳体12包围。空气在空气入口13处吸入，并且被压缩机14压缩。压缩空气用来使第一(环形)燃烧器15中的第一燃料燃烧，从而产生热气。热气驱动第一高压(HP)涡轮16，然后在第二(环形，顺序)燃烧器17中再加热，驱动第二低压(LP)涡轮18，并且通过排气出口19离开燃气涡轮10。
由于对第二燃烧器17馈送第一燃烧器15的膨胀排气，所以操作状况允许燃料空气混合物自燃(自发着火)，而不必对混合物供应额外的能量。为了防止燃料空气混合物在混合区域中点燃，在其中的驻留时间必须不超过自燃延迟时间。这个标准确保喷燃器内部有无火焰区。这个标准对于燃料在喷燃器出口区域上实现合适分布提出了挑战。SEV喷燃器目前设计成仅用天然气和油工作。因此，相对于主流的动量通量来调节燃料的动量通量，以便使其渗透到旋涡中。燃料和氧化剂后来在混合区的出口处混合正好足以允许有低的NOx排放(混合品质)，以及避免逆燃(驻留时间)，逆燃可由燃料空气混合物在混合区中自燃导致。在当前的SEV燃料喷射装置(SEV燃料喷管)中使用的横向流喷射概念需要高压载体空气供应，这会降低动力装置的整体效率。
在现有技术中已经提出了用于加强辅助喷燃器中的燃料/空气混合的各种手段。
文献EP 2 522 912 A1涉及组合式调直器和混合器以及用于燃气涡轮的燃烧室的喷燃器，喷燃器包括这种混合装置。为了实现调直和混合的组合功能，至少两个流线型本体布置在包括混合器的侧壁的结构中。各个流线型本体的前缘区域具有轮廓，该轮廓定向成平行于在前缘位置处占优势的主流方向，以及其中，参照流线型本体的中心平面，后缘在相反的横向方向上设有至少两个波瓣。用两个相邻流线型本体形成波瓣的周期性偏转是异相的。该公开进一步涉及用于燃气涡轮的燃烧室的喷燃器，其包括这种调直器和混合器以及至少一个喷嘴，该喷嘴的出口孔口在流线型本体的后缘处或其中。另外，该公开涉及这种喷燃器的运行。
文献EP 2 725 301 A1涉及一种用于燃气涡轮的燃烧室的喷燃器，其具有混合和喷射装置，其中，混合和喷射装置包括限制壁，限制壁限定气体流通道和至少两个流线型本体，流线型本体各自沿第一横向方向延伸到气体流通道中。各个流线型本体具有两个侧向表面，侧向表面布置成基本平行于主流方向，侧向表面它们的上游侧处彼此连结而形成本体的前缘，并且在它们的下游侧处连结而形成本体的后缘。各个流线型本体具有垂直于第一横向方向的横截面，横截面的形状像流线型轮廓。所述流线型本体中的至少一个设有混合结构，而且至少一个燃料喷嘴位于其后缘处，以基本平行于主流方向将至少一种燃料引入到流通道中，其中，流线型本体中的至少两个沿着第一横向方向具有不同的长度，使得它们可用于筒式燃烧器。
文献EP 2 725 303 A2公开了一种再热喷燃器组件，其包括中心本体、具有横截面区域的环形管道、中间燃料喷射平面，中间燃料喷嘴平面沿着中心本体定位，并且主动地连接到环形管道的横截面区域，其中，中心本体位于燃烧室的上游，其中，再热喷燃器组件的结构由各种参数限定，而且再热喷燃器组件的结构由各种从属物限定。
虽然图1的示例性燃气涡轮10的第二燃烧器17为环形设计，但其它辅助燃烧器为矩形设计。
文献WO 2011/054766 A2公开了(尤其是在图6中)一种用于燃气涡轮的燃烧室的矩形设计的喷燃器，其具有用于将至少一种气态和/或液态燃料引入到喷燃器中的喷射装置，其中，喷射装置具有至少一个本体，本体布置在喷燃器中，至少一个喷嘴用于将至少一个燃料引入到喷燃器中，该至少一个本体构造成流线型本体，流线型本体具有流线型横截面轮廓，并且相对于在喷燃器中占优势的主流方向垂直地或者倾斜地沿纵向方向延伸，该至少一个喷嘴的出口孔口在流线型本体的后缘处或其中，以及其中，参照流线型本体的中心平面，后缘沿相反的横向方向设有至少两个波瓣。
发明内容
本发明的目标在于对喷燃器(优选矩形)提供一种波瓣喷管，其具有至少四个平行指状物，指状物具有单独的指状物的波瓣的优化定向。
此目标通过根据权利要求1的波瓣喷管来获得。
根据本发明的用于燃气涡轮燃烧器的波瓣喷管包括N多个(N≥4)波瓣指状物，其中各个所述波瓣指状物构造成具有流线型横截面轮廓的流线型本体，其中所述本体具有两个侧向表面，其基本平行于热气流的方向，其中所述侧向表面在它们的上游侧通过前缘连结且在它们的下游侧处连结而形成后缘，其中用于喷射混合有空气的气态和/或液态燃料的多个喷嘴沿着所述后缘分布，并且其中在所述喷嘴之间延伸的波瓣设置在所述后缘处，以改进混合品质和减少所述燃烧器中的压力损失。
其特征在于，各个波瓣指状物的波瓣相对于所述流方向可具有两个相反的定向中的一个，并且所有波瓣指状物的波瓣跨越波瓣指状物而遵从预先确定的定向型式，并且至少一对相邻波瓣指状物(22a-d)具有相同波瓣定向，从而得到分组的波瓣布置(…LL…或…RR…)，使得所述波瓣指状物下游的波瓣形产生的至少两个旋涡组合起来。
根据本发明的实施例，N=NR+NL，其中NR为具有第一波瓣定向的波瓣指状物的数量，而NL为具有与所述第一波瓣定向相反的第二波瓣定向的波瓣指状物的数量。优选， NR和NL两者为至少1。优选地，NR和NL相等或大致相等。
特别地，至少一对相邻波瓣指状物具有相同波瓣定向，从而得到分组的波瓣布置，这允许所述波瓣指状物下游的波瓣形状产生的一些旋涡组合成单个旋涡，并且从而增强混合。与离开波瓣指状物的各个旋涡相比，组合的单个旋涡可在垂直于主流方向的平面中具有更大横截面，从而增强跨越喷燃器的混合。
特别地，所述预先确定的定向型式为以下型式中的一个：
1. RR…RRLL…LL，
2. LL…LLRR…RR，
3. RR…RRLL…LLRR(…RRLL…LL)，
4. LL…LLRR…RR(LL…LLRR…RR)，
5. RRLL…LLRR(…RRLL)，
6. LLRR…RRLL(…RRLL)，
其中对于N为偶数，N/2=NR=NL，或对于N为奇数，N/2=NR+0.5=NL–0.5或N/2=NR-0.5=NL+0.5。
更具体而言，N=8，并且所述预先确定的定向型式为以下型式中的一个：
1. RRRRLLLL，
2. LLLLRRRR，
3. RRLLRRLL，
4. LLRRLLRR，
5. RRLLLLRR，
6. LLRRRRLL。
根据本发明的另一个实施例，N=4。
特别地，所述预先确定的定向型式为RRLL或LLRR。
特别地，所述预先确定的定向型式为RLLR或LRRL。
特别地，所述预先确定的定向型式为以下型式中的一个：
RRRL，RLLL，
LLLR，LRRR，
RRRR，LLLL。
根据本发明的另一个实施例，所述波瓣指状物布置在左侧壁和右侧壁之间，并且与所述侧壁相邻的两个波瓣指状物具有根据以下方案中的一个的预先确定的波瓣定向：
(左壁)R…L(右壁)，
(左壁)L…R(右壁)。
特别地，各个所述波瓣指状物具有偶数个喷嘴，并且与所述侧壁相邻的两个波瓣指状物具有根据方案(左壁)R…L(右壁)的预先确定的波瓣定向。
特别地，各个波瓣指状物具有波瓣指状物弦，其从前缘到后缘而使波瓣指状物对分，并且与在前缘处相比，两个所述波瓣指状物的波瓣指状物弦在后缘处彼此更靠近。
另一个实施例包括燃气涡轮，其包括上面描述的波瓣喷管。
例如，具有顺序燃烧的燃气涡轮(诸如GT26)的第二喷燃器可包括上面描述的波瓣喷管。波瓣喷管还可设置在具有顺序燃烧的燃气涡轮的第二喷燃器中，而第一和第二燃烧器之间没有高压涡轮。这种燃气涡轮结构例如显示在WO2012136787A1中。
附图说明
现在借助于不同的实施例且参照附图来更密切地阐述本发明。
图1为具有类型GT26的顺序燃烧的示例性燃气涡轮的透视图；
图2显示根据本发明的实施例的用于矩形设计的辅助燃烧器的波瓣喷管；以及
图3以与热气流方向逆向的视图显示根据图2的波瓣喷管的波瓣定向的四个不同的可能性。
部件列表：
10燃气涡轮(GT，例如GT26)
11转子
12壳体
13空气入口
14压缩机
15燃烧器(环形，例如EV)
16高压(HT)涡轮
17燃烧器(环形，例如辅助，例如SEV)
18低压(LP)涡轮
19排气出口
20机器轴线
21波瓣喷管
22指状物
22a-d指状物
23前缘
24后缘
25上部板
26下部板
27喷嘴
28波瓣
29液态燃料供应
30空气稳压室
31气体稳压室
32 (热气流的)方向。
具体实施方式
根据本发明，分组的或交替的相邻波瓣指状物是具有局部组合旋涡(分组的)或不具有局部组合旋涡(交替)的原因；因而其限定燃料、冷却空气和热气的大规模混合水平。布置基于喷燃器尺寸和波瓣指状物的可能数量限定。对于当前矩形顺序喷燃器，四个指状物布置是恰当的。但是，布置将不限于四个指状物布置。
在再加热喷燃器内，三个波瓣指状物的布置的特性不同于具有四个指状物或更多个的布置。对于这种布置，分组的波瓣允许旋涡彼此组合(两个或更多个旋涡可组合成单个旋涡)且从而产生大规模结构，这会增强混合且因而有益于NOx、CO和总温度分布因素(OTDF)。
根据本发明的示例的波瓣喷管显示在图2中。优选与矩形喷燃器一起使用的图2的波瓣喷管21包括四个分离指状物22a-d，其在上部板25和下部板26之间平行延伸。各个指状物22构造成具有流线型横截面轮廓(如翼型件)的流线型本体。本体具有两个侧向表面，其基本平行于具有流方向32的轴向热气流，轴向热气流在上部板和下部板25，26之间传送通过喷管。侧向表面在它们的上游侧处通过前缘23连结，并且在它们的下游侧处连结而形成后缘24。
用于喷射混合有空气的气态和/或液态燃料的多个喷嘴27沿着后缘24分布。所述指状物22中的各个具有用于供应空气的空气稳压室30、用于供应气态燃料的气体稳压室31和液态燃料供应29。在所述本体的后缘区域中提供用于改进混合品质和减小所述辅助燃烧器中的压力损失的器件，其呈在后缘24处在喷嘴27之间延伸的波瓣28的形式。
各种指状物22的波瓣28在燃料/空气混合物的下游流中产生旋涡，其中，不同的指状物22的旋涡流彼此相互作用。这个相互作用能够提高混合作用，此相互作用取决于在各个指状物中的波瓣28的定向。
如在图2中显示的波瓣喷管21处可看到的那样，不同的指状物22a-d的波瓣28可具有两个不同的定向。在这种情况下，左边两个指状物22a和22b的波瓣28具有相同定向，该定向与右边两个指状物22c和22d的波瓣28的定向相反。指状物22a和22b的波瓣定向被称为R(右)，而指状物22c和22d的波瓣定向被称为L(左)。
假设存在数量N≥4个波瓣指状物(在图2中显示的情况下，N=4)。NR是具有波瓣定向R的波瓣指状物的数量(NR<N)，即，指状物具有当从下游方向看时，指向右方的后缘波瓣。NL是具有波瓣定向L的波瓣指状物的数量(NL=N-NR)，即，指状物具有当从下游方向看时，指向左方的后缘波瓣。
因而，存在两个相反类型的方向或定向(R和L)。两个相邻指状物的波瓣具有相同后缘方向或定向的情况被称为“分组的波瓣布置”(…LL…或…RR…)，而两个相邻指状物的波瓣具有相反的后缘方向或定向的情况则被称为“交替的波瓣布置”(…LR…或…RL…)。
本发明的目标是这些分组的波瓣布置和交替的波瓣布置，其中相邻波瓣应具有相同或相反的方向。
这包括所有波瓣具有同类定向(NL= N或NR=N)，或者它们任意混合(NL+NR=N，其中NL>0且NR>0)。
对于具有N≥4个波瓣指状物22的波瓣喷管，情形如下：
关于分组的波瓣布置，由波瓣形产生的顺流方向的旋涡具有相同的方向，在恰当地设计或调节波瓣的形状和两个波瓣指状物之间的距离的情况下，观察到它们组合成较大的旋涡。
关于交替的波瓣布置，在后缘处的顺流方向的旋涡具有不同的方向；因此它们不组合。
因而，组合的顺流方向的旋涡使得沿横向具有大规模混合是可行的，而交替布置中的未组合旋涡仅将形成小规模混合。
此外，为了避免流变得不对称，优选的是具有NR≈NL(优选NR=NL)。
大体上，优选的组合看起来是这样：
1. RR…RRLL…LL，
2. LL…LLRR…RR，
3. RR…RRLL…LLRR(…RRLL…LL)
4. LL…LLRR…RR(LL…LLRR…RR)
5. RRLL…LLRR(…RRLL)
6. LLRR…RRLL(…RRLL)
其中对于N为偶数，N/2=NR=NL，或对于N为奇数，N/2= NR+0.5=NL–0.5或N/2=NR-0.5=NL+0.5。
作为上面描述的布置对于N=8的示例，可使用以下布置：
1. RRRRLLLL
2. LLLLRRRR
3. RRLLRRLL
4. LLRRLLRR
5. RRLLLLRR
6. LLRRRRLL。
不那么优选的是，特别是在具有侧壁的喷燃器中，具有相同类型的所有波瓣的布置或完全不对称的布置：
RR…RR，(都为相同类型)
LL…LL，(都为相同类型)
RLRRLLLRL(不对称情况的示例)。
对于具有N=4个波瓣指状物22的波瓣喷管的特定情况，情况如下：
对于N=4情况，波瓣定向的优选变型为：
RRLL(参见图2和图3(a))，
LLRR(参见图3(b))。
这些变型确保旋涡组合成较大结构，并且给出流对称性。基于此，RRLL变型当前对于在燃气涡轮中实现是优选的。
旋涡的有限但仍然有用的组合针对以下方案给出，同时仍然保持流对称性。这种组合如下：
RLLR，
LRRL。
不那么优选的是其中相同类型的三个波瓣指状物(或四个指状物)并排的变型，其中具有一个(或没有)交替的波瓣指状物：
RRRL，RLLL，
LLLR，LRRR，
RRRR，LLLL。
这些变型将不对称性引入流中且因此不那么优选。
以下给出没有旋涡组合的混合区：
RLRL(参见图3(d))，
LRLR(参见图3(c))。
甚至更不优选的是其中两个中间波瓣指状物中的仅一个不同于其它三个指状物的变型，因为没有给出对称性，并且对于流的一半，旋涡不可恰当地组合：
RRLR，
RLRR，
LLRL，
LRLL。
当波瓣指状物22a-d布置在侧壁之间，存在两个类型的侧指状物定向，使用面向左侧壁和右侧壁的第一排波瓣后缘作为示例：
(左壁)R…L(右壁)
(左壁)L…R(右壁)
对于每个波瓣指状物具有偶数个喷射器喷嘴的情况，在混合性能方面，第一个方案R…L为优选的。
优选地，两个或更多个波瓣指状物布置成使得它们的后缘比它们的前缘更靠近在一起(例如在图2中)。优选地，具有相同定向(LL，RR)的两个或更多波瓣指状物布置成使得它们的后缘比它们的前缘更靠近在一起。各个波瓣指状物具有从其前缘伸展到其后缘的弦。这个弦通常将基本平行于热气流，并且通常将使波瓣指状物的横截面对分。优选当提供四个波瓣指状物时，波瓣喷管可使所有波瓣指状物处于这个构造。当后缘比前缘更靠近在一起时，旋涡容易在波瓣指状物后缘处移动向彼此，这表示旋涡更容易组合在一起。
显示在图2中的示例在顺序燃烧涡轮中的辅助燃烧器中。在一些情况(诸如单燃烧器涡轮)下，本发明可结合在第一级燃烧器中。在提供三个或更多个燃烧器的情况下，本发明可结合在第三或更后的级中。

Claims (14)

1.一种用于燃气涡轮燃烧器的波瓣喷管(21)，包括N多个波瓣指状物(22a-d)，其中，N≥4，其中各个所述波瓣指状物(22a-d)构造成具有流线型横截面轮廓的流线型本体，其中所述本体具有两个侧向表面，其基本平行于热气流的方向(32)，其中所述侧向表面在它们的上游侧处通过前缘(23)连结且在它们的下游侧处连结而形成后缘(24)，其中用于喷射混合有空气的气态和/或液态燃料的多个喷嘴(27)沿着所述后缘(24)分布，并且其中在所述喷嘴(27)之间延伸的波瓣(28)设置在所述后缘(24)处，以改进混合品质和减少所述燃烧器中的压力损失，其特征在于，各个波瓣指状物(22a-d)的所有波瓣(28)相对于所述流方向(32)都具有第一波瓣定向(R)，或者相对于所述流方向(32)都具有与所述第一波瓣定向相反的第二波瓣定向(L)，并且所有波瓣指状物(22a-d)的波瓣(28)跨越所述波瓣指状物(22a-d)而遵从预先确定的定向型式，并且至少一对相邻波瓣指状物(22a-d)具有相同波瓣定向，从而得到分组的波瓣布置(…LL…或…RR…)，使得所述波瓣指状物(22a-d)下游的波瓣形状产生的至少两个旋涡组合起来。
2.根据权利要求1所述的波瓣喷管，其特征在于，N=NR+NL，其中NR为具有第一波瓣定向(R)的波瓣指状物的数量，而NL为具有与所述第一波瓣定向相反的第二波瓣定向(L)的波瓣指状物的数量。
3.根据权利要求2所述的波瓣喷管，其特征在于，NR和NL两者为至少1。
4.根据权利要求3所述的波瓣喷管，其特征在于，NR和NL大致相等或相等。
5.根据权利要求1所述的波瓣喷管，其特征在于，所述预先确定的定向型式为以下型式中的一个：
RR…RRLL…LL，
LL…LLRR…RR，
RR…RRLL…LLRR(…RRLL…LL)，
LL…LLRR…RR(LL…LLRR…RR)，
RRLL…LLRR(…RRLL)，
LLRR…RRLL(…RRLL)，
其中，对于N为偶数，N/2=NR=NL，或对于N为奇数，N/2=NR+0.5=NL–0.5或N/2=NR-0.5=NL+0.5。
6.根据权利要求5所述的波瓣喷管，其特征在于，N=8，并且所述预先确定的定向型式为以下型式中的一个：
RRRRLLLL，
LLLLRRRR，
RRLLRRLL，
LLRRLLRR，
RRLLLLRR，
LLRRRRLL。
7.根据权利要求1所述的波瓣喷管，其特征在于，N=4。
8.根据权利要求7所述的波瓣喷管，其特征在于，所述预先确定的定向型式为RRLL或LLRR。
9.根据权利要求7所述的波瓣喷管，其特征在于，所述预先确定的定向型式为RLLR或LRRL。
10.根据权利要求7所述的波瓣喷管，其特征在于，所述预先确定的定向型式为以下型式中的一个：
RRRL，RLLL，
LLLR，LRRR，
RRRR，LLLL。
11.根据权利要求1所述的波瓣喷管，其特征在于，所述波瓣指状物(22a-d)布置在左侧壁和右侧壁之间，并且与所述侧壁相邻的两个波瓣指状物具有根据以下方案中的一个的预先确定的波瓣定向：
(左壁)R…L(右壁)，
(左壁)L…R(右壁)。
12.根据权利要求11所述的波瓣喷管，其特征在于，各个所述波瓣指状物(22a-d)具有偶数个喷嘴(27)，而与所述侧壁相邻的两个波瓣指状物具有根据方案(左壁)R…L(右壁)的预先确定的波瓣定向。
13.根据权利要求1所述的波瓣喷管，其特征在于，各个波瓣指状物(22a-d)具有波瓣指状物弦，其从所述前缘到所述后缘而使所述波瓣指状物对分，并且与在所述前缘(24)处相比，两个所述波瓣指状物(22a-d)的波瓣指状物弦在所述后缘(23)处靠得更近。
14.一种燃气涡轮，包括根据任何前述权利要求所述的波瓣喷管(21)。
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