轴向旋流器制造技术

本发明专利技术涉及轴向旋流器，其特别用于在燃气涡轮中预混合氧化剂和燃料。旋流器包括具有流线型横截面的一系列旋流导叶，其中，各个旋流导叶具有前缘、后缘，以及各自在所述前缘和后缘之间延伸的吸力侧和压力侧。旋流导叶布置成围绕旋流器轴线，其中，所述前缘基本沿径向方向延伸。流槽形成于各个旋流导叶的吸力侧和其最紧邻的旋流导叶的压力侧之间。此外，至少一个旋流导叶在其后缘处的拱弧线的切线和旋流器轴线之间具有出流角，出流角随着离旋流器轴线的径向距离的增大而单调增大。本发明专利技术还涉及具有这种旋流器的喷燃器，以及运行所述喷燃器的方法。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及轴向旋流器，其特别用于在燃气涡轮中预混合氧化剂和燃料。旋流器包括具有流线型横截面的一系列旋流导叶，其中，各个旋流导叶具有前缘、后缘，以及各自在所述前缘和后缘之间延伸的吸力侧和压力侧。旋流导叶布置成围绕旋流器轴线，其中，所述前缘基本沿径向方向延伸。流槽形成于各个旋流导叶的吸力侧和其最紧邻的旋流导叶的压力侧之间。此外，至少一个旋流导叶在其后缘处的拱弧线的切线和旋流器轴线之间具有出流角，出流角随着离旋流器轴线的径向距离的增大而单调增大。本专利技术还涉及具有这种旋流器的喷燃器，以及运行所述喷燃器的方法。【专利说明】轴向旋流器
本专利技术涉及根据权利要求1的前序部分的轴向旋流器，其特别用于在燃气涡轮中实现预混合目的，而且本专利技术进一步涉及用于燃烧室的、具有这种轴向旋流器的喷燃器。特别地，本专利技术涉及用于将至少一种气体和/或液体引入到喷燃器中的轴向旋流器。此外，本专利技术涉及运行这种喷燃器的方法。
技术介绍
旋流器在各种技术应用中被用作混合装置。对旋流器的优化旨在减少获得规定程度均匀性的混合物所需的能量。在连续的流混合中，混合装置上的压降是所需能量的度量。另外，获得规定程度的均匀性所需的时间和空间是用于评估混合装置或混合元件的重要参数。旋流器典型地用于混合两种或更多种连续的流体流。轴向旋流器最常用作燃气涡轮燃烧器中的预混合器。所谓的旋流数Sn刻画轴向旋流器的旋流强度。旋流数被定义为方位动量的轴向通量和轴向动量的轴向通量乘以旋流器半径的得数之间的比率。旋流数是由旋流器引起的环形流中的旋流的强度的表示。对于传统的轴向旋流器，所需再循环区仅在旋流数等于或大于大约0.4时形成。旋流数越大，压降就越高，从而导致不利的损失能量。在上游喷射燃料的传统轴向旋流器典型地在燃料喷射位置处产生不利的尾流和再循环区域。通过旋流器(所谓的旋流喷嘴)来喷射燃料的轴向旋流器需要良好的空气-燃料混合旋流数，旋流数非常高，以至于难以避免在燃料喷射位置和后缘处有尾流和流分离区域。双环形逆时针旋转式轴向旋流器产生沿径向改变的速度分布，这不利于燃烧过程，例如因为抗拢焰性差和燃烧动态差。
技术实现思路
本专利技术的目标是提供一种特别用于在燃气涡轮中预混合氧化剂(例如空气)和燃料的较有效的轴向旋流器，其具有改进的混合特性，即，关于旋流器上的给定气体压降产生提闻的混合均勻性和稳定性。提出一种在仅使用最小压降时产生混合均匀性高的混合物的旋流器。另外，提出具有这种旋流器的喷燃器。提出这种喷燃器来例如提高燃气涡轮发动机效率，提高燃料容量，以及简化设计。以上和其它目标由特别用于在燃气涡轮中预混合氧化剂和燃料的轴向旋流器实现，轴向旋流器包括具有流线型横截面的一系列或多个旋流导叶，各个旋流导叶具有前缘、后缘，以及吸力侧和压力侧。吸力侧和压力侧各自在所述前缘和所述后缘之间延伸。旋流导叶布置成围绕旋流器轴线，其中，所述前缘基本沿径向方向沿径向向外延伸，以及其中，流槽形成于各个旋流导叶的吸力侧和其最紧邻的旋流导叶的压力侧之间。至少一个旋流导叶在其后缘处的拱弧线(camber line)的切线和旋流器轴线之间具有出流角，出流角随着离旋流器轴线的径向距离的增大而单调增大。 优选的是，所有旋流导叶都设有这种单调增大的出流角。随着离轴线的径向距离的增大而增大的出流角导致随着径向距离的增大而增大的旋流。所述出流角位于后缘处，并且可单调增大(即，它可在离旋流器轴线的距离的某个但不是全部范围内是恒定的)，或者可严格单调增大(即，它在整个范围内增大；不存在其中出流角保持恒定的子范围)。通过旋流导叶的、平行于旋流器的旋流器轴线的剖面显示了所述流线型横截面。根据优选实施例，轴向旋流器的旋流导叶形成为使得出流角α对所述径向距离R的依赖性的隐含地由以下函数给出:tan = K.Rp + H, 其中β是指数，其范围为I到12，优选为I至10，更优选为3至8，并且特别是7。K和H是选定的常数，使得 i)在最小径向距离Rmin处的出流角a (Rmin)的范围为O度至25度，优选O度或5度至20度；以及 ?)在最大径向距离Rmax处的出流角a (Rmax)的范围为30度至60度，优选为30度至50度，更优选为35度至45度。最小径向距离Rmin 是从旋流器轴线到旋流导叶内侧或内部侧表面的距离。最大径向距离Rmax是从旋流器轴线到旋流导叶的外侧或外部侧表面的距离。如果旋流导叶设置在环形壳体中，因而Rmin是由壳体的内部限制壁描述的圆柱的半径，而Rmax是由壳体的外部限制壁描述的圆柱的半径。因而环带沿径向方向从Rmin延伸到Rmax。因而实施例的特征在于出口流角或出流角，其正切函数(即，与所讨论的角相切的双曲线函数)与/^成比例地沿径向向外增大，R为半径和β为指数。K是与#相乘的常数，H是与妒相加的常数。特别优选的是，值β =7，其中，旋流器具有旋流数Sn=0.4。H和K可为负的或正的。H可为零。换句话说，K和H是选定的常数，使得出流角α的最小值的范围为O度至25度，优选为O度或5度至20度，并且出流角α的最大值的范围为30度至60度，优选为30度至50度，更优选为35度至45度。后缘处的这种出流角允许在通过旋流器的气体流中形成轴向速度的“剪切”径向分布，以获得值足够高的参数β。至少在旋流导叶的下游一半处的增大的扭转进一步支持这种剪切径向分布的形成。因此，上面描述的旋流器可具有接近在混合物中实现需要的混合质量时实现漩涡破碎所必需的最小值的非常低的旋流数(这里，旋流数Sn为大约0.4)。因此，在以较低的压降运行时，较高的逆燃裕度、改进的火焰稳定性以及较低的NOx排放是可行的。旋流器允许快速混合。这个概念会减轻第I级燃烧器或预混合燃烧器中的几个众所周知的问题。通过使用值足够高的指数β (这会减小旋流数和增加速度剪切)，以及借助于通过旋流导叶(一个或多个)的一侧(优选地通过两侧)喷射燃料，燃料-空气混合可进一步改进。根据本专利技术的旋流器提供清洁的空气动力性和增强的混合特性，这对于预混合燃烧是合乎需要的。本文提出的旋流器允许在旋流导叶或叶片的两侧上(即，其压力侧和吸力侧)喷射燃料。这在几方面有助于实现最佳燃料-空气预混合: ?以指数倍增大的出口流角会在轴向速度中产生剪切，这会增强湍流和混合。.两侧燃料喷射会在旋流器出口的整个横截面上填充燃料。.β增大允许减小旋流数(参见图5)和压力损失(参见图6)。在最小旋流数0.4附近最佳地选择参数β~7 (参见图6)以便实现漩涡破碎的情况下，建议的设计修改使得选择减小的旋流数的轴向旋流器，从而降低预混合器需要的压降。压降的节约可使得获得较高的效率，或者使其可用于其它有用的目的。另外，轴向旋流器是有利的，因为: ?它改进燃料与空气的预混合； ?压降减小允许喷燃器设计更紧凑，整体速度更高，并且使抗逆燃性得到改进。还关于整体混合器性能来控制轴向旋流器的长度和旋流角。较小的旋流角帮助降低旋流器的吸力侧/压力侧引起的流梯度。对于固定的喷燃器压降值，目前的设计允许有更紧凑的大小，同时NOx排放得到改进。具有由上面描述的tan公式给出的出流角或出口流角的轴向旋流器允许轴向速度有“剪切”径向分布，以获得值足够高的参数β。它还允许降低压降，以获得高的参数β值，而不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种特别用于在燃气涡轮中预混合氧化剂和燃料的轴向旋流器(43)，包括具有流线型横截面的一系列旋流导叶(3)，各个旋流导叶(3)具有前缘(38)、后缘(39)，以及各自在所述前缘和后缘(38，39)之间延伸的吸力侧(31)和压力侧(32)，所述旋流导叶(3)布置成围绕旋流器轴线(47)，其中，所述前缘(38)从所述轴线(47)沿径向向外延伸，其中，流槽(33)形成于各个旋流导叶(3)的吸力侧(31)和其沿周向相邻的旋流导叶(3)的压力侧(32)之间，其特征在于，至少一个旋流导叶(3)在其后缘(39)处的拱弧线(36)的切线(37)和所述旋流器轴线(47)之间具有出流角(α)，所述出流角(α)随着离所述旋流器轴线(47)的径向距离(R)的增大而单调增大。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：F比亚吉奧里，MN波亚帕卡姆，R森尼，K斯耶德，
申请(专利权)人：阿尔斯通技术有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH