渦流發生器,在燃燒器內避免火焰反沖的方法和燃燒器的制作方法

專利名稱：渦流發生器,在燃燒器內避免火焰反沖的方法和燃燒器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種包括一個中央燃料分配元件的渦流發生器，以及涉及一種包括至少一個渦流發生器的燃燒器。此外本發明還涉及一種在燃燒器內避免火焰反沖 (Falshback)的方法，燃燒器包括至少一個具有中央燃料分配元件的渦流發生器。
背景技術：
例如在DE102007004394A1、US2004/0055306A1 和在 US6082111 中介紹了具有中央 燃料分配元件的燃氣輪機燃燒器和圍繞燃料分配元件的渦流發生器。在US2004/0055306A1 和US6082111介紹的燃燒器中，渦流發生器總是從中央燃料分配元件，一直延伸到圍繞中 央燃料分配元件的構成燃燒用空氣的軸向流動通道邊界的壁。在這里，燃燒器分別包括多 個這種裝置。在這種燃燒器中，噴入流動通道的燃料的剖面設計為，僅將很少量的燃料供給 圍繞中央燃料分配元件的區域，所以在此區域內只形成非常貧油的混合物。由此應避免火 焰反沖。也就是說，在中央分配元件流出側形成的渦旋內形成一個低流速區。若現在將過多 的燃料噴入中央分配元件附近，則可能發生向此具有低流速的中央區供給過多的燃料，這 會導致火焰反沖，在高負荷的情況下，這與渦流發生器流出側有非常高的溫度相關。當然， 在中央燃料分配元件區域內非常貧油的混合物由于混合物品質降低而導致NOx排放增大， 然而這是為了避免火焰反沖不得不付出的代價。為了避免火焰反沖，在DE102007004394A1中建議，在中央燃料分配元件附近將渦 流葉片開槽，從而使渦流葉片沿軸向的尺寸在中央燃料分配元件附近比遠離分配元件的地 方短。因此渦流葉片沿周向的彎度在中央燃料分配元件附近設計得不如遠離中央分配元件 處的大。以此方式達到，流動通過流動通道的空氣在分配元件附近達到較小的渦旋，并因而 沿軸向比遠離分配元件處更迅速地流動。此外，在渦流葉片的面對分配元件的內棱邊處在 所述開槽的區域內可存在圓柱形壁，該圓柱形壁將有較小渦流形成的通道部分與有較大渦 流形成的通道部分隔開。

發明內容
與所引用的現有技術相比，本發明要解決的技術問題是創造一種有利的燃燒器。 此外本發明要解決的技術問題是提供一種在具有至少一個渦流發生器的燃燒器內有效避 免火焰反沖的方法。上述技術問題通過一種渦流發生器得以解決。按照本發明的渦流發生器包括中央燃料分配元件，圍繞中央燃料分配元件和構成 燃燒用空氣的軸向流動通道邊界的外壁，一些渦流葉片，它們沿徑向一直延伸到外壁以及 給于流動中的燃燒用空氣一個切向的流動分量，以及包括圍繞中央燃料分配元件和沿徑向 處于外壁內部的隔壁。該隔壁將流動通道分隔成沿徑向在內部的通道部分和沿徑向在外部 的通道部分。在這里，隔壁在渦流發生器的軸向可至少沿渦流葉片的軸向長度，但尤其也可 以超出其軸向長度地延伸。燃燒用空氣可以在不給于切向流動分量的情況下通過沿徑向在內部的通道部分，或可以在給于一個與沿徑向在外部的通道部分內的切向流動分量的方向相反的切向流動分量的情況下通過沿徑向在內部的通道部分。通過在內部的通道區域內完全避免切向分量，可以圍繞中央燃料分配元件造成一 種包裹此元件的高軸向流速的流動，它有助于可靠地避免火焰反沖。不過若在內部的通道 部分內產生一個反渦旋，亦即一種其定向與在外部的通道部分內的渦旋相反的渦旋，也能 有助于避免火焰反沖，因為由此正面地影響中央燃料分配元件的流出側渦流內的流動狀 況。在內部的通道部分內完全避免切向流動分量尤其可以這樣達到在此通道部分內 根本不存在渦流葉片。此時，為了向在沿徑向在外部的通道部分內存在的渦流葉片供給燃 料，燃料導管可以通過沿徑向在內部的通道部分，延伸到在沿徑向在外部的通道部分內的 渦流葉片。為避免在燃料導管上流動分離，燃料導管有利地有圓形或液滴狀橫截面。若渦流葉片處于沿徑向在內部的通道部分中，它們給于流動通過沿徑向在內部的 通道部分的燃燒用空氣一個切向的流動分量，此切向流動分量的定向與在沿徑向在外部的 通道部分中的切向流動分量相反，則處于沿徑向在外部的通道部分內的渦流葉片的燃料導 管，可以通過在沿徑向在內部的通道部分中的渦流葉片延伸，例如形式上為穿過渦流葉片 的孔。為了達到在內部的通道部分中特別均勻的燃料剖面，有利的是燃料出口處于在內 部的通道部分中的燃料導管內或渦流葉片內。它們尤其可以布置為，使它們將燃料基本上 垂直于在沿徑向在內部的通道部分內的燃燒用空氣的流動方向地噴入燃燒用空氣中。同 樣，在沿徑向在外部的通道部分中的渦流葉片內可以存在燃料出口，它們尤其可以布置為， 使它們將燃料基本上垂直于在沿徑向在外部的通道部分內的燃燒用空氣的流動方向地噴 入燃燒用空氣中。由此也可以在沿徑向在外部的通道部分內獲得均勻的燃料剖面。但是噴 入方向并不一定需要垂直于燃燒用空氣的流動方向。確切地說，噴入方向原則上可以自由 選擇。因而例如與垂直于燃燒用空氣流動方向的供入不同，或作為補充方式，燃料還可以垂 直于徑向、和/或與通過流動通道流動的燃燒用空氣的流動方向反向、和/或平行于流動通 道流動的燃燒用空氣的流動方向地輸入。也還可以按另一些并不是列舉的這些方向和一些 組合。這既適用于在內部的通道部分中的燃料輸入，也適用于在外部的通道部分中的燃料 輸入。為了進一步提高在中央燃料分配元件附近的軸向流速，隔壁可至少部分具有圓錐 的形狀，在這種情況下沿徑向在內部的通道部分的孔口橫截面沿燃燒用空氣的流動方向減 小。按本發明的渦流發生器的一項擴展設計，隔壁超出外壁流出側端部地伸出。此項 擴展設計既可以在隔壁設計為圓錐形時，也可以在隔壁設計為非圓錐形的情況下實現。若將渦流發生器設計為鑄件，則可以有利地實現本發明的渦流發生器比按照現有 技術的渦流發生器較為復雜的幾何形狀。若首先一次性地制成一個鑄模，則按照本發明設 計為鑄件的渦流發生器的生產成本，與按照現有技術的渦流發生器的生產成本相比沒有明 顯差別。本發明的燃燒器配備有至少一個按本發明的渦流發生器。由此，針對渦流發生器 所說明的優點，也可以在燃燒器中，尤其可以在燃氣輪機的燃燒器中實現。
此外，本發明提供一種避免在燃燒器內火焰反沖的方法，燃燒器包括至少一個渦 流發生器，它有中央燃料分配元件，和圍繞中央燃料分配元件的、構成燃燒用空氣的軸向流 動通道邊界的外壁。在沿徑向在外部的通道部分中，給于通過流動通道流動的燃燒用空氣 一個切向的流動分量。反之，通過流動通道流動的燃燒用空氣，在沿徑向在內部的通道部分 中沒有被給于切向流動分量，或給與一個與在沿徑向在外部的通道部分中的切向流動分量 反向的切向流動分量。采用本發明的方法可以獲得的在避免火焰反沖方面的優點，已經針對按照本發明的渦流發生器作了說明。為避免重復可以參見上述說明。若將燃料供給通過流動通道流動的燃燒用空氣，可以造成一種特別均勻的燃料剖 面。在這里尤其可以垂直于通過流動通道流動的燃燒用空氣的流動方向和/或垂直于徑向 地摻混。與之不同或作為上述方案的補充，摻混也可以基本上與通過流動通道流動的燃燒 用空氣的流動方向反向地和/或平行于通過流動通道流動的燃燒用空氣的流動方向地進 行。


由下面參見附圖對實施例的說明中，給出本發明的其他特征、特性及優點。圖1非常示意性地表示出燃氣輪機；圖2表示燃氣輪機燃燒器的透視圖；圖3表示圖2所示燃燒器的渦流發生器的透視圖；圖4表示圖3所示渦流發生器的局部剖視圖；圖5表示圖3所示渦流發生器沿其縱軸線的剖面；圖6表示渦流發生器另一種設計的局部剖視圖；以及圖7表示渦流發生器再另一種設計的局部剖視圖。
具體實施例方式下面借助非常示意性地表示出燃氣輪機剖視圖的圖1說明燃氣輪機的結構和功 能。燃氣輪機1包括壓氣機部件3、燃燒部件4和渦輪部件7，在本實施例中，燃燒部件包括 多個其中安裝燃燒器6的單管燃燒室5，但原則上也可以包括環形燃燒室。轉子9延伸通過 所有部件，以及在壓氣機部件3內帶有壓氣機葉片環11和在渦輪部件7內帶有渦輪葉片環 13。在相鄰的壓氣機葉片環11之間以及在相鄰的渦輪葉片環13之間，是由壓氣機導向葉 片15組成的葉片環，或由渦輪導向葉片17組成的葉片環，它們從燃氣輪機1的殼體19出 發沿徑向朝轉子9的方向延伸。在燃氣輪機1運行時，空氣通過空氣進口 21被吸入壓氣機部件3中。空氣在那里 被旋轉的壓氣機工作葉片11壓縮，并導向燃燒部件4的燃燒器6。在燃燒器6內空氣與氣 態或液態燃料混合，混合物在燃燒室5中燃燒。然后，處于高壓狀態的熱燃氣作為工質供給 渦輪部件7。在其通過渦輪部件的路徑中，燃氣將沖量傳遞給渦輪工作葉片13，與此同時燃 氣膨脹和冷卻。最后，經膨脹和冷卻的燃氣通過排氣管23離開渦輪部件7。傳遞的沖量導 致轉子旋轉運動，它驅動壓氣機和消耗器，例如發電用的發電機或工業作工機械。在這里， 渦輪導向葉片17的環用作導引工質的噴嘴，以優化向渦輪工作葉片13的沖量傳遞。
圖2表示燃燒部件4的燃燒器6的透視圖。作為主要構件，燃燒器6包括燃料分 配器27，從燃料分配器27出發延伸的8個燃料噴嘴29，以及8個設在燃料噴嘴29頂端區 的渦流發生器31。燃料分配器27和燃料噴嘴29共同構成燃燒器殼體，燃料導管通過該燃 燒器殼體向噴口延伸，噴口設在渦流發生器31內部，所以在圖2中看不到。燃燒器可以通 過一些接管(未示出)與燃料輸入管連接。燃燒器6可借助法蘭35使燃料噴嘴29面朝燃 燒室內部的方向地固定在單管燃燒室上。雖然圖2所示的燃燒器6具有8個燃料噴嘴29，但也可以為它配備不同數量的燃料噴嘴29。燃料噴嘴的數量可以大于或小于8，例如可以存在6個燃料噴嘴或12個燃料噴 嘴，它們分別具有自己的渦流發生器。此外，通常在燃燒器中心設一個燃料主噴嘴。由于視 圖的原因，在圖2中沒有表示此燃料主噴嘴。在燃燒過程中空氣從壓氣機通過渦流發生器31導引，在那里與燃料混合。接著， 空氣-燃料混合物在燃燒室5的燃燒區內燃燒，形成工質。圖3表示燃燒器6的渦流發生器的透視圖。渦流發生器31具有一個中央燃料分 配元件37，它被外壁39圍繞，外壁39構成壓縮空氣的軸向流動通道。此外在流動通道41 內存在一個圍繞中央燃料分配元件37和沿徑向處于外壁39內部的隔壁42，該隔壁將流動 通道41分隔成沿徑向在內部的通道部分43和沿徑向在外部的通道部分45。渦流葉片47 從隔壁42出發，沿徑向通過沿徑向在外部的通道部分，一直延伸到外壁39。渦流葉片47給 于流動通過沿徑向在外部的通道部分45的壓縮空氣一個切向的流動分量，從而使空氣在 流過渦流發生器31后形成渦旋。在沿徑向在內部的通道部分43內不存在渦流葉片。取代渦流葉片，從中央燃料分 配元件37出發，燃料導管49沿徑向延伸到隔壁42。尤其由表示渦流發生器31的局部剖視 圖的圖4可以看出，燃料導管49有液滴狀橫截面，以避免在導管49的流出邊的流動分離。 但原則上也可以取代液滴狀橫截面，令導管49有圓形橫截面。燃料導管49配置為，使它們與沿徑向在外部的通道部分內的渦流葉片47對齊，從 而可以使燃料通道51沿直線方向從中央燃料分配元件37出發，通過燃料導管49 一直延伸 到渦流葉片47內。尤其在圖5中可以看到這些燃料通道51，圖5表示沿其縱軸線通過渦流 發生器31的剖視圖。借助燃料通道51將燃料供給渦流葉片47內的出口 53和在燃料導管 49內的出口 55。出口 53、55在這里布置為，使燃料基本上垂直于壓縮空氣的流動方向噴入 沿徑向在外部的通道部分45和沿徑向在內部的通道部分43內。所述渦流發生器的設計，導致不給于流動通過沿徑向在內部的通道部分43的壓 縮空氣渦旋。由此，使這些壓縮空氣沿軸向的流速高于通過沿徑向在外部的通道部分45流 動的壓縮空氣的流速，在沿徑向在外部的通道部分45內流動的壓縮空氣中，部分軸向流動 轉換為切向流動分量。基于沿徑向在內部的通道部分內，亦即在構成中央燃料分配元件37 邊界的區域內較高的軸向流速，可以避免在中央燃料分配元件37流出側形成有低軸向流 速的區域，從而又能導致避免火焰反沖。其結果是，與現有技術相比，允許將更多的燃料噴 入中央燃料分配元件37附近，從而降低燃燒時的NOx排放。隔壁42在沿徑向在外部的通道部分45內至少沿渦流葉片47的整個軸向長度延 伸，所以可以可靠地避免在沿徑向在內部的通道部分43內導入切向流動分量。此外按本實 施例，隔壁42沿軸向超過渦流葉片47的流入邊和流出邊地伸出，以避免通過沿徑向在內部的通道部分43流動的壓縮空氣，受沿徑向在外部的通道部分45內流動的渦旋空氣的影響。圖6表示渦流發生器31另一種設計方案。與第一種實施例中的渦流發生器相應的元件，在圖6中用與第一種實施例中相同的附圖標記表示并不再次說明，以免重復。第二種實施例的渦流發生器131與第一種實施例的渦流發生器31的差別僅在于 隔壁142。與第一種實施例不同，第二種實施例的隔壁142有圓錐形部段144，它導致沿徑 向在內部的通道部分43的朝渦流發生器131出口方向的孔口截面縮小。通過所述的圓錐 形部段144，與第一種實施例的渦流發生器31相比，提高了通過沿徑向在內部的通道部分 43流動的壓縮空氣的流動速度。因此，中央燃料分配元件37可以被一個軸向流速特別高的 空氣外層包圍，以及能特別可靠地避免形成低速區，并與此同時可以避免形成火焰反沖。雖然在本實施例中的隔壁142僅在流出側具有圓錐形部段144，但它也可以沿其 全部軸向長度設計為圓錐形。圖7用局部剖視圖表示出按照本發明的渦流發生器第三種實施例。如在第二種實 施例的渦流發生器中那樣，在第三種實施例的渦流發生中所有與第一種實施例沒有差別的 元件，采用與第一種實施例中相同的附圖標記以及不再次說明。第三種實施例的渦流發生器231與第一種實施例的渦流發生器的差別在于，在沿 徑向在內部的通道部分43中也存在渦流葉片149。然而與沿徑向在外部的通道部分45中 的渦流葉片47不同，葉片的吸氣側與壓力側互換，所以在沿徑向在內部的通道部分內的壓 縮空氣，通過壓氣機葉片159給于一個切向的分量，這一切向分量與在沿徑向在外部的通 道部分45內的壓縮空氣通過處于那里的渦流葉片47給于的切向分量相比，具有一個相對 于軸向流動方向相反的定向。采取這一措施也可以避免火焰反沖。與前兩種實施例中的燃 料導管49 一樣，在沿徑向在內部的通道部分43中的渦流葉片149也具有燃料通道51和燃 料出口 155，它們配置為，使它們將燃料基本上垂直于通過沿徑向在內部的通道部分43流 動的空氣的流向地噴入。盡管圖7中表示的第三種實施例的渦流發生器231具有圓柱形隔壁42，但按第三 種實施例的渦流發生器，如已參見第二種實施例說明的那樣，也可以設計具有至少部分圓 錐形的隔壁。在這些附圖表示的實施例中，隔壁都沒有超過各自外壁的流出側端部。但也可以 與附圖表示的不同，隔壁在流出側加長，從而使它超過外壁在流出側的端部伸出。這與隔壁 是否設計為圓錐形無關。當將渦流發生器制成鑄件時，可以有利地實現按所述實施例的渦流發生器比較復 雜的幾何形狀。
權利要求
一種渦流發生器(31、131、231)，其具有-中央燃料分配元件(37)，-圍繞所述中央燃料分配元件(37)、構成燃燒用空氣的軸向流動通道(41)邊界的外壁(39)，-渦流葉片(47)，這些渦流葉片沿徑向一直延伸到所述外壁(39)以及給于流動中的燃燒用空氣一個切向的流動分量，-圍繞中央燃料分配元件(37)和沿徑向處于外壁(39)內部的隔壁(42、142)，該隔壁將所述流動通道(41)分隔成沿徑向在內部的通道部分(43)和沿徑向在外部的通道部分(45)，其特征為所述燃燒用空氣可以在不給與切向流動分量的情況下通過沿徑向在內部的通道部分(43)，或可以在給與一個與沿徑向在外部的通道部分(45)內的切向流動分量的方向相反的切向流動分量的情況下通過沿徑向在內部的通道部分(43)。
2.按照權利要求1所述的渦流發生器(31、131、231)，其特征為，所述隔壁(42、142)在 軸向至少沿所述渦流葉片(47)的軸向長度地延伸。
3.按照權利要求1或權利要求2所述的渦流發生器(31、131)，其特征為，所述渦流葉 片(47)只處于沿徑向在外部的通道部分(45)內。
4.按照權利要求1至3之一所述的渦流發生器(31、131)，其特征為，燃料導管(49)通 過沿徑向在內部的通道部分(43)，延伸到在沿徑向在外部的通道部分(45)內的渦流葉片 (47)。
5.按照權利要求4所述的渦流發生器(31、131)，其特征為，所述燃料導管(49)具有圓 形或液滴狀橫截面。
6.按照權利要求1所述的渦流發生器(231)，其特征為，所述渦流葉片(149)處于沿徑 向在內部的通道部分(43)中，所述渦流葉片給于通過沿徑向在內部的通道部分(43)流動 的燃燒用空氣一個切向的流動分量，此切向流動分量的定向與在沿徑向在外部的通道部分 (45)中的切向流動分量相反，以及燃料導管(51)通過在沿徑向在內部的通道部分(43)中 的渦流葉片(149)延伸到在沿徑向在外部的通道部分(45)中的渦流葉片(47)。
7.按照權利要求4至6之一所述的渦流發生器(31、131、231)，其特征為，燃料出口 (55,155)處于所述在內部的通道部分(43)中的燃料導管(49)內或渦流葉片(149)內。
8.按照權利要求1至7之一所述的渦流發生器(31、131、231)，其特征為，燃料出口 (53)處于在沿徑向在外部的通道部分中的渦流葉片(47)內。
9.按照權利要求1至8之一所述的渦流發生器(131)，其特征為，所述隔壁(142)至少 部分為圓錐形(144)，在這種情況下沿徑向在內部的通道部分(43)的孔口橫截面沿燃燒用 空氣的流動方向減小。
10.按照權利要求1至9之一所述的渦流發生器(31、131、231)，其特征為，所述隔壁超 出所述外壁(39)的流出側端部地伸出。
11.按照權利要求1至10之一所述的渦流發生器(31、131、231)，其特征在于其設計為 鑄件。
12.—種具有至少一個按照權利要求1至11之一所述渦流發生器(31、131、231)的燃燒器。
13.一種在燃燒器(6)內避免火焰反沖的方法，所述燃燒器包括至少一個渦流發生器 (31、131、231)，該渦流發生器具有中央燃料分配元件(37)，和圍繞該中央燃料分配元件的、 構成燃燒用空氣的軸向流動通道(41)邊界的外壁(39)，在所述外壁內，在沿徑向在外部的 通道部分(45)中，給于流動通過所述流動通道(41)的燃燒用空氣一個切向的流動分量，其 特征為流動通過所述流動通道(41)的燃燒用空氣，在沿徑向在內部的通道部分(43)中沒 有被給于切向流動分量，或給于一個與在沿徑向在外部的通道部分(45)中的切向流動分 量反向的切向流動分量。
14.按照權利要求13所述的方法，其特征為，將燃料供給所述流動通過流動通道(41) 的燃燒用空氣。
15.按照權利要求14所述的方法，其特征為，將燃料垂直于所述流動通過流動通道的 燃燒用空氣的流動方向地和/或垂直于徑向地和/或與流動通過流動通道的燃燒用空氣的 流動方向反向地和/或平行于流動通過流動通道的燃燒用空氣的流動方向地供給所述流 動通過流動通道(41)的燃燒用空氣。
全文摘要
本發明涉及一種渦流發生器(31、131、231)，其具有中央燃料分配元件(37)，圍繞中央燃料分配元件的、構成燃燒用空氣的軸向流動通道(41)邊界的外壁(39)，渦流葉片(47)，這些渦流葉片沿徑向一直延伸到外壁以及給于流動的燃燒用空氣一個切向的流動分量，圍繞中央燃料分配元件和沿徑向處于外壁內部的隔壁(42、142)，它將流動通道分隔成沿徑向在內部的通道部分(43)和沿徑向在外部的通道部分(45)。燃燒用空氣可以在不給與切向流動分量的情況下通過沿徑向在內部的通道部分，或可以在給與一個與沿徑向在外部的通道部分內的切向流動分量的方向相反的切向流動分量的情況下通過沿徑向在內部的通道部分。
文檔編號F23D14/70GK101846320SQ201010151559
公開日2010年9月29日 申請日期2010年3月23日 優先權日2009年3月23日
發明者邁克爾·胡思 申請人:西門子公司