[发明专利]旋流器、燃烧装置组件以及具有改善燃料/空气混合的燃气涡轮

说明书

提出了一种旋流器，用于产生旋流燃料/空气混合物。该旋流器具有静叶，围绕旋流器的中心轴线径向地延伸并且被定位在环形基座上。旋流器具有混合通道，用于混合燃料和空气。至少一条混合通道由两个相邻静叶的相对壁限定。相对壁中的至少一个壁包括：主侧注入开口，用于将燃料流束喷射到混合通道中；以及副侧注入开口，与主侧注入开口对应并且用于将燃料射流喷射到混合通道中。副侧注入开口位于壁上，使得在混合通道内，来自副侧注入开口的射流在来自主侧注入开口的流束中产生湍流。湍流增加了燃料和空气的混合。

技术领域

本技术总体上涉及一种旋流器，特别是燃气涡轮的旋流器，以及用于进一步减少诸如氮氧化物(NOx)之类的空气污染物的改进。

背景技术

在燃气涡轮发动机中，燃烧或烧掉燃烧装置的燃料以产生热加压排气，这些排气然后被供给到涡轮级，在该涡轮级中，排气在膨胀和冷却的同时将动量传递到涡轮动叶，从而在涡轮转子上施加旋转运动。然后，涡轮转子的机械动力可以用于驱动发电机产生电力或者用于驱动机器。在目前的燃气涡轮发动机的燃烧装置(例如，干式低排放(DLE)燃烧装置)中的燃烧是通过使用在燃烧装置的不同位置处和在不同运行阶段供给的引燃燃料和主燃料来启动和维持的。然而，燃烧燃料会在排气中产生若干种不期望的污染物，这些污染物对环境有害。因此，通常期望保持污染物(例如，氮氧化物(NOx)、一氧化碳等)尽可能少。

存在两种主要措施可以实现降低燃烧火焰的温度。第一种措施是使用燃料在空气中精细分布的贫燃化学计量法(lean stoichiometry)，生成具有低燃料比率的燃料/空气混合物。相对小比率的燃料带来具有低温度的燃烧火焰。第二种措施是在燃烧发生之前提供燃料和空气的彻底混合。混合越好，燃料在燃烧区中的分布越均匀，并且燃料浓度显著高于平均值的区域越少。这有助于防止燃烧区中的热点，这些热点可能由燃料/空气混合比的局部最大值而引起。在高局部燃料/空气浓度的情况下，以燃料富集的容器(pockets)的形式，在该局部区域中温度上升，因此，排放物(例如，排气中的NOx)的量增加。

因此，现代燃气涡轮发动机可以使用在该燃料/空气混合物燃烧之前以贫燃化学计量法预混合空气和燃料的概念。预混合可以通过将燃料(例如，主气体燃料)注入到燃烧装置的旋流区中的空气流束中来进行，该旋流区位于燃烧区的上游。在燃料/空气混合物进入燃烧区之前，旋流导致燃料和空气的混合。即使由于空气和燃料的预混合而通常预期良好的混合，然而在燃气涡轮的运行中(特别是在特定负载下)，也可能发生燃料和空气的混合并非为期望的最佳情况。被喷射到进入空气流束中并且旨在产生旋流燃料/空气混合物的燃料可能沿着空气流束或多或少地以流线型方式流动，因此不能实现适当的混合。

EP 2161502(A1)公开了一种燃烧器，具有预混合空气管道，该预混合空气管道沿着燃烧器轴线延伸，其中燃烧空气被通过该管道供应。旋流设备(例如，旋流静叶)被布置在管道中。该设备经由包括入口开口的入口级将高卡燃料(例如，天然气)注入到管道中。旋流设备包括另一入口级，该入口级包括入口开口(即，钻孔)，该入口开口用于注入低卡燃料(例如，合成气)。分配器开口(即，分配器钻孔)形成有梯形表面区域，其中该表面区域包括两侧的圆角。

DE 102009038845涉及一种旋流叶片，包括第一气体喷嘴组和其他附加的第二气体喷嘴组。所述喷嘴由第一分配管供给，喷嘴由第二分配管供给，分配管被集成在旋流叶片中，该旋流叶片被实施为在第一分配管和第二分配管之间分开的两个半叶片。该发明还涉及一种燃烧器和燃气涡轮。

WO 2007131818(A1)公开了一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器的旋流器，该旋流器包括：被布置在圆中的多个静叶；流动槽，被限定在圆中的相邻静叶之间，每个流动槽具有入口端和出口端，在使用旋流器中，沿着每个流动槽从其入口端到其出口端行进的空气和燃料流使得旋流器提供旋流空气和燃料混合物，至少一个静叶被配置为生成流动蜗旋，该流动蜗旋从邻近流动槽的出口端的静叶的边缘延伸到旋流混合物内，从而改善旋流混合物中空气和燃料的混合。

发明内容