[发明专利]轴向旋流器

说明书

技术领域

本发明涉及根据权利要求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，而且本发明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，本发明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，本发明涉及运行这种喷燃器的方法。

背景技术

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s_n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。

发明内容

本发明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高的混合均匀性和稳定性。

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[α(R)] = K · R^β + H，

其中β是指数，其范围为1到12，优选为1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R_min处的出流角α(R_min)的范围为0度至25度，优选0度或5度至20度；以及

ii) 在最大径向距离R_max处的出流角α(R_max)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R_min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R_max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R_min是由壳体的内部限制壁描述的圆柱的半径，而R_max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R_min延伸到R_max。