CN101044355A - 燃气轮机用的燃烧器 - Google Patents

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Abstract

一种预混合燃烧器，例如用于燃气轮机，具有一个锥形的旋涡发生器(1)和一个在流动方向上根随其后的圆柱形混合段(2)，该预混合燃烧器具有高压雾化喷嘴(10)，该喷嘴具有一个或多个燃料输入通道。高压雾化喷嘴(10)具有至少两个排出通道，液体燃料通过这些排出通道喷入旋涡发生器(1)，这些通道相对于喷嘴纵轴线偏心布置并且这样构成，使得燃料的喷射锥(11)相对于旋涡发生器(1)的纵轴线(5)以一个角度(β)定向，该角度小于旋涡发生器(1)的半锥角(α)。排出通道尤其具有带有锥形收缩部的内部几何结构。

Description

燃气轮机用的燃烧器
本发明涉及燃气轮机用的预混合燃烧器，尤其涉及用于在具有锥形旋涡发生器和随后的圆柱形混合段的预混合燃烧器中使液体燃料雾化的喷嘴。
背景技术
具有锥形旋涡发生器和个随后的圆柱形混合段的预混合燃烧器例如由EP 918191公知。用作预混合段的旋涡发生器具有相互嵌套的锥形部分体，这些锥形部分体的纵轴线彼此错开。压缩的燃烧空气通过锥形部分体的壁之间的切向入流通道到达旋涡发生器的混合室中。燃料通过一个或多个喷嘴或通过燃料管道沿切向空气入流通道进入混合室并在那里与空气混合。空气与燃料的进一步预混合在随后的混合段中进行，其方式是借助无损耗的流体引导产生高的混合品质。此外混合段满足该功能：避免火焰从混合段所通入的燃烧室回火。
这种类型的另一预混合燃烧器被公开在DE 103 55 930中。在那里混合段的出口区域构造有波纹，这些波纹产生轴向涡旋并由此影响出口区域中的紊流和流体稳定性。燃料轴向地通过喷嘴进入锥形旋涡发生器，其中喷嘴孔位于预混合燃烧器的纵轴线上。
DE 197 30 617公开了一种用于燃烧技术的具有两个同轴管和一个混合室的两级压力雾化喷嘴，在混合室中导入两个输入通道。喷嘴排出孔位于喷嘴管的轴线上并具有与输入通道直径成给定比例的直径。
由DE 44 40 558公开了一种具有锥形旋涡发生器的预混合燃烧器。燃料通过具有非位于喷嘴纵轴线上的孔的喷嘴喷入。所产生的喷射锥与喷嘴纵轴线之间的角度尤其大于旋涡发生器的锥形部分的展开角。所述燃料喷嘴特定构成得用于无圆柱形混合段的预混合燃烧器。
EP 899 508公开了一种具有旋涡发生器的预混合燃烧器，该旋涡发生器具有如开始部分所述的圆柱形构成的混合段，尤其公开了具有喷嘴管104的燃料喷嘴，每个喷嘴产生一个相对于燃料喷嘴中心轴线具有喷射角度的燃料射束，该喷射角等于旋涡发生器的圆锥的展开角。
EP 902233公开了一种用于具有旋涡发生器的燃气轮机燃烧器的组合式压力雾化喷嘴，它的喷嘴体具有两个分开的输入通道，其中的每个排出孔导入一个燃烧器混合室中。喷嘴体具有两个不同的喷嘴，即一个径向外部的具有偏心布置的排出孔的多孔喷嘴和一个具有中心布置的排出孔的位于纵轴线上的中心喷嘴。偏心布置的排出孔这样定位，使得喷射锥跟随旋涡发生器的锥形壳定向。该喷嘴在满负荷时借助偏心定位的排出孔工作。在部分负荷时该喷嘴转换到中心排出孔上，以避免燃料油滴喷在旋涡发生器的壁上。
DE 19536837公开了一种用于喷射燃料的装置，在喷射装置或喷嘴内部具有涡旋室。轴向延伸的空气输入通道5和平行于喷嘴纵轴线延伸的燃料通道2导入该涡旋室1，在该室中空气与燃料在第一阶段已在喷嘴内部混合。涡旋室在流动方向上具有锥形收缩部，空气-燃料混合物流过该收缩部并最后通过位于喷嘴纵轴线上的排出孔到达燃烧器混合室。喷嘴中的唯一排出孔布置在喷嘴纵轴线上。
发明内容
由本发明的背景技术出发，提出了这样的任务：对于开始部分所述类型的具有锥形旋涡发生器和随后的通入燃烧室中的圆柱形混合段的预混合燃烧器以及用于沿旋涡发生器锥形部分的用于空气入流的孔口，提供一种合适的高压雾化喷嘴。尤其是考虑到所述现有技术这样改进该喷嘴：
-达到雾化的液体燃料这样的细液滴尺寸分配，它在燃烧室中发生燃烧之前细液滴可完全汽化，
-保证燃料液滴在预混合燃烧器的混合室中足够的进入深度，
-通过前两个特性达到有害物质、尤其是NOx的低排放，
-尽可能没有液滴到达预混合燃烧器的壁上。
根据本发明，对于上述预混合燃烧器，提出一种高压雾化喷嘴，它具有一个或多个用于将液体燃料输入到喷嘴的内室中的燃料通道，其中，在满负荷时液体燃料处于大于50巴的压力下。该高压雾化喷嘴具有至少两个排出通道和排出孔，液体燃料通过它们由喷嘴中的唯一内室排出到旋涡发生器的混合室中，其中，排出通道相对于喷嘴纵轴线偏心布置，使得排出的喷射锥跟随各个锥形壳。根据本发明，喷嘴的排出通道和排出孔这样布置和构成，以致由排出孔排出的喷射锥具有纵轴线，这些纵轴线相对于旋涡发生器和混合段的纵轴线成一个角度延伸，该角度小于旋涡发生器的半锥角。
排出孔根据本发明布置在所述角度范围中带来的优点是，燃料滴不会到达预混合燃烧器的壁上并且可避免燃料液滴在旋涡发生器的壁上焦化。此外可达到，燃料喷射锥以一个剪切角与流入旋涡发生器的锥形部分之间的空气相遇，该角度足够小，以致雾化的燃料流保持高速度并由此到达进入预混合燃烧器和进入燃烧室中的大的进入深度。相反，喷射锥相对于旋涡发生器纵轴线过大的定向角度会导致雾化的燃料过早遇到空气流并通过空气流向旋涡发生器中心偏转。排出孔相对于预混合燃烧器纵轴线以所述角度定向与燃料的高压共同导致：在首次雾化后在喷嘴出口处实现二次雾化，即极高度的雾化，并且由此产生很小的液滴尺寸和快速的汽化。这些雾化特征导致燃料与压缩空气在预混合燃烧器的锥形部分中直接混合并导致在混合段终端与压缩的燃烧空气良好均匀混合。这些特征总体导致有害物质的低排放值。
在本发明的一个优选实施例中，排出通道这样定向，以致所产生的各个喷射锥的纵轴线相对于旋涡发生器纵轴线以一个角度延伸，该角度小于锥形壳的半锥角且大于10°。在一个特别的实施例中该角度在10°至18°的范围中。
该角度的最小值使得燃料喷射锥不会过近地到达旋涡发生器的中心。即如果雾化的燃料过近地达到中心，则对于预混合燃烧器得到较高的有害物质排放值。
在另一优选实施例中，喷嘴在其内部具有一个用于燃料的输入通道，该输入通道导入喷嘴的唯一内室中。该内室通过至少两个排出通道与旋涡发生器的内室相连接。该喷嘴的所述至少两个排出通道最好相对于喷嘴轴线设置在相对于喷嘴纵轴线的径向外半部中。这使得燃料较少到达旋涡发生器的中心。合乎目的地，这些孔相对于喷嘴的纵向或中心轴线对称地定位，以致总体形成一个轴向对称的空心喷射锥。各个喷射锥又定向在一个小于旋涡发生器的锥角的角度内。
在本发明的另一优选实施例中，高压雾化喷嘴、尤其它的排出通道具有特殊的内部几何特特征，该内部几何特特征有利于所希望的喷射锥稳定性和进入深度。为此，该喷嘴具有从其内室穿过喷嘴壁导入旋涡发生器内室中的排出通道，其中，这些排出通道在流动方向上具有一个圆柱形的第一段、一个锥形构成的收缩部和最后的一个圆柱形的第二段。在此，收缩部相对于排出通道纵轴线具有预给定的角度。该锥形收缩部的半角最好小于45°。排出通道的纵轴线相对于喷嘴纵轴线各以一个角度延伸，该角度小于旋涡发生器的锥形部分的半锥角。排出通道的该内部几何结构带来避免紊流及空穴效应的优点。
根据本发明的高压雾化喷嘴与现有技术、例如EP 9022333的区别在于，该喷嘴总体非常简单地构成。它的内室仅由唯一一个内室组成，这导致喷嘴出口上的紊流降低并且喷射锥更稳定。它仅具有一组排出孔，通过这组排出孔可对于所有不同的工况和负荷喷射液体燃料。但为此这些排出孔具有特殊的、根据本发明的内部几何结构及相对于预混合燃烧器纵轴线的定向。
在第一特定的和优选的实施例中，排出通道由管组成，这些管由喷嘴内室穿过喷嘴壁并超过喷嘴的表面延伸。在第一变型方案中这些管具有一个长度，以致这些管仅突出于喷嘴表面，但短于喷嘴前端。在另一变型方案中这些管超过前端延伸。
在第二特定的实施例中，排出通道用所述圆柱形段和锥形收缩部从喷嘴内室穿过壁，其中排出孔位于喷嘴外表面上。在该实施例中喷嘴前端的外壁锥形构成。
排出通道的内部几何结构、尤其是给定角度在到旋涡发生器中的排出孔前面变窄使得喷射锥中的紊流降低以及喷射锥的展开角度变小。这使得可实现具有均匀速度断面图的喷射锥。最后，喷射锥中提高的流动稳定性使得可改善燃料在预混合燃烧器中的位置并由此改善燃烧条件。
在另一实施例中，排出通道的第二圆柱形段各具有一个长度，该长度最大为排出孔直径的五倍。这样的长度直径比有利于改善流动断面和流动稳定性。在一个特定实施例中排出孔具有0.5-1.5mm的直径。
在本发明的另一优选实施例中，与喷嘴的排出通道的所述内部几何结构相关，喷嘴前端的外壁被修圆，最好在横截面上为椭圆形。修圆形的形状在空气入流方面带来进一步的优点，其方式是空气流可均匀地跟随喷嘴外壁的该形状并在喷嘴后面相应形成小的涡流或复环流。这提高了空气与燃料混合的均匀性，使得NOx排放值降低。
喷嘴后面减小的复环流最终也影响圆柱形混合段端部上的涡旋并导致燃烧室中火焰空气动力学方面的稳定。这种稳定使得燃烧器在工作参数方面可有较大自由度。
在本发明的一个方案中，预混合燃烧器在沿流动方向跟在旋涡发生器后面的混合段的圆柱形壁中具有另外的用于压缩空气进入的孔。
在另一变型方案中，预混合燃烧器具有另外的空气进入通道，这些空气进入通道直接沿高压雾化喷嘴延伸并在那里将空气导入旋涡发生器的混合室中。通过这些措施使复环流区在混合段后面才形成，这导致火焰进一步稳定。
根据本发明的高压雾化喷嘴不仅适于应用在具有后面跟随混合段的旋涡发生器的预混合燃烧器中，而且也适合用于仅具有旋涡发生器、不具有混合段的预混合燃烧器。在这种类型的应用中，该高压雾化喷嘴这样布置，以致其前端一直达到旋涡发生器长度的一半或超过一半。
附图说明
附图表示：
图1具有锥形旋涡发生器和跟随在后面的混合段的预混合燃烧器的纵剖面，
图2预燃烧器和喷嘴前端根据图1中II-II的一个剖面，
图3a本发明喷嘴的一个优选实施例的纵剖面，
图3b图3a中喷嘴的内部几何结构的局部视图，
图3c图3a的结构的变型，
图4高压雾化喷嘴及其内部几何结构的另一实施例的纵剖面，
图5喷嘴在具有锥形旋涡发生器、没有随后的混合段的预混合燃烧器中的应用。
具体实施方式
图1表示一个例如用于燃气轮机的预混合燃烧器。它具有一个锥形的旋涡发生器1和一个随后的圆柱形的混合段2，该混合段通入燃烧室3。在该例中旋涡发生器1由四个相互嵌套的锥形部分4a，4b，4c，4d组成，在图1中可看到它们中的锥形部分4b及4d。这些锥形部分的各自纵轴线分别相互错开以及相对于旋涡发生器的纵轴线5错开，如由图2中可看到的。锥形部分4b-4d各相对于旋涡发生器1的纵轴线5成一个角度α延伸。它们彼此沿其纵向边缘相互各构成中间空隙6，这些中间空隙用于带入压缩的燃烧空气，燃烧空气的流动走向用箭头7表示。在旋涡发生器1的出口处设有板件8，用于构成到混合段2中的过渡通道。高压雾化喷嘴10为了将液体燃料带入旋涡发生器1中安置在锥形旋涡发生器的开始部分中。该高压雾化喷嘴按照后面的附图3a-c及图4这样构成，使得达到所产生的喷射锥11相对于旋涡发生器的纵轴线5以一个角度β定向，其中该角度β小于角度α或旋涡发生器锥形部分的半锥角。通过喷射锥11的该定向可避免燃料油滴湿润锥形旋涡发生器的壁和避免壁焦化。在图1中，在圆柱形混合段2的外壁中设有另外的孔，用于将空气输入到混合段中。这使得火焰稳定并可避免火焰回火。
图2以横截面II-II表示具有锥形部分4a-d和中心安置在旋涡发生器纵轴线上的高压雾化喷嘴10的旋涡发生器1。箭头7表示向旋涡发生器内室中的空气入流。在喷嘴10上表示出偏离燃料喷嘴10的纵轴线的位置12a-d，燃料在这些位置上排出。在所示的例中表示出四个孔位置，但其中例如也可以为两个或任意多的位置。这些排出孔这样定位，使得排出的喷射锥被定向得跟随各个锥形部分4a-d。为此这些排出孔分别布置在辅助线13a-d上，这些辅助线相对于锥形壳4a-d的端部部分的切线成直角延伸。排出孔这样定位以及喷射锥使得喷射锥被进入的空气流7卷带，以致喷射出的燃料在预混合燃烧器中达到大的进入深度。另一方面，喷射锥以其它方式定位将导致与所示出的定向相比喷射锥更早地被空气流卷带并更早导入预混合燃烧器的中心，这将导致较高的废气排放值。
图3a表示根据本发明的优选的高压雾化喷嘴，它具有外部的修圆的前端31和内室32，该内室具有向着前端锥形成型的内壁33。两个或更多个管34由内室32穿过喷嘴壁导入旋涡发生器的内室，其中，管34的纵轴线38相对于喷嘴和旋涡发生器的纵轴线5以角度β延伸。在第一变型方案中，管34延伸在一个长度上，以致这些管超过喷嘴的前端伸出。这些管的端部部分的外壁最好整成圆形。
图3b表示第二变型方案，其中两个或更多个管34′仅略微超过喷嘴10的外壁延伸，以致它们进入旋涡发生器中短比喷嘴前端本身。
在这两个变型方案中喷嘴前端均修圆。通过入口通道直接沿喷嘴进入的空气流通过这种类型的喷嘴前端在该区域和在喷嘴后面受到积极影响。尤其是在喷嘴区域中和在喷嘴后面空气复环流减少，由此改善了燃料与空气的预混合并降低NOx排放值。
图3c详细表示喷嘴管34的内部几何结构。该喷嘴管在开始部分中具有离开喷嘴内室的第一圆柱形段35。在流动方向上接着是一个锥形构成的、收缩的过渡段36，其收缩部的壁相对于管的纵轴线38的半锥角δ小于45°，该过渡段通入具有较小直径的较窄的第二圆柱形段37。第二圆柱形段37的长度最好最大为排出孔直径的五倍。
燃料雾化喷嘴10的根据图4的另一实施形式具有一个内室20，该内室在流动方向上朝向喷嘴端部锥形构成。从内室20的锥形构成的、逐渐变前端的端壁21导出两个或更多个排出通道22，它们各具有一个第一圆柱形段23、一个在流动方向上紧接其后的锥形收缩部24和一个较窄的第二圆柱形段25，后者最后通向排出孔26。箭头表示液体燃料的流动方向。排出通道27的纵轴线等同于所产生的喷射锥的纵轴线，它们相对于喷嘴和旋涡发生器的纵轴线5以一个角度β延伸。排出孔26尤其设置在喷嘴的径向外半部中。这些排出孔最好具有0.5-1.5mm的直径。在所示实施例中喷嘴前端28在外部锥形构成。
图5表示本发明高压雾化喷嘴在具有锥形旋涡发生器的预混合燃烧器中的应用，其中在旋涡发生器后未跟随混合段，而是旋涡发生器直接通入燃烧室。尤其是，在该预混合燃烧器中雾化喷嘴一直延伸到旋涡发生器内室长度的一半或更远。在这里，该喷嘴具有根据图3a-c和4的排出通道中的一种。

Claims (16)

1.预混合燃烧器，具有一个由锥形壳(4a-4d)组成的具有半锥角(α)的旋涡发生器(1)和一个在流动方向上跟随在旋涡发生器(1)后面的混合段(2)，该混合段通入燃烧室的内室(3)中，并具有用于将压缩的燃烧空气输入旋涡发生器(1)中的通道(6)，还具有一个用于使液体燃料雾化的高压喷嘴(10)，该喷嘴具有至少一个用于将燃料输入高压喷嘴(10)的内室(20，32)中的燃料通道，其中，高压喷嘴(10)具有至少两个排出通道(22，34，34′)，这些排出通道从高压喷嘴(10)的内室(20，32)引向旋涡发生器(1)的内室并且相对于喷嘴(10)的纵轴线(5)偏心布置并这样定向，使得由排出通道(22，34，34′)排出的喷射锥(11)定向得跟随各个锥形壳，其特征在于：排出通道(22，34，34′)这样构成，使得排出的喷射锥(11)各具有一个纵轴线，这些纵轴线相对于旋涡发生器的纵轴线(5)以一个角度(β)延伸，该角度小于旋涡发生器(1)的半锥角(α)。
2.根据权利要求1的预混合燃烧器，其特征在于：喷射锥(11)的纵轴线(26，37)与旋涡发生器(1)的纵轴线(5)之间的角度(β)小于旋涡发生器(1)的半锥角(α)并大于10°。
3.根据权利要求1的预混合燃烧器，其特征在于：喷射锥(11)的纵轴线(26，37)与旋涡发生器(1)的纵轴线(5)之间的角度(β)在10°至18°的范围中。
4.根据权利要求1的预混合燃烧器，其特征在于：用于使燃料雾化的一个或多个排出孔(24，25，34，34′)相对于高压喷嘴(10)的纵轴线(5)设置在高压喷嘴(10)的径向外半部中并且相对于高压喷嘴(10)的纵轴线旋转对称地布置。
5.根据以上权利要求中一项的预混合燃烧器，其特征在于：排出通道(22，34，34′)在液体燃料的流动方向上具有一个第一圆柱形段(23，35)、一个锥形收缩部(24，36)和一个第二圆柱形段(25，37)。
6.根据权利要求5的预混合燃烧器，其特征在于：排出通道具有管(34)，这些管伸出于高压喷嘴(10)的前端之外。
7.根据权利要求5的预混合燃烧器，其特征在于：排出通道具有管(34′)，这些管伸出于高压喷嘴(10)的外表面之外，其中，高压喷嘴(10)的前端比管(34′)进入旋涡发生器(1)中更远。
8.根据权利要求5的预混合燃烧器，其特征在于：锥形收缩部(36)在该锥形构成的段(36)的壁与所述排出通道(34，34′)的纵轴线(38)之间的半角(δ)小于45°。
9.根据权利要求5的预混合燃烧器，其特征在于：第二圆柱形段(25)各引向高压喷嘴(10)的外表面上的一个排出孔(26)。
10.根据权利要求5的预混合燃烧器，其特征在于：锥形收缩部(24)具有在30°至45°范围中的半锥角。
11.根据权利要求6至10中一项的预混合燃烧器，其特征在于：高压喷嘴(10)的前端修圆地构成。
12.根据权利要求6至10中一项的预混合燃烧器，其特征在于：高压喷嘴(10)的前端锥形构成。
13.根据权利要求5至10中一项的预混合燃烧器，其特征在于：第二圆柱形段(25，37)的长度最大分别为排出孔直径的五倍。
14.根据权利要求1至13中一项的预混合燃烧器，其特征在于：排出通道的排出孔(25)具有0.5至1.5mm范围中的直径。
15.根据以上权利要求中一项的预混合燃烧器，其特征在于：预混合燃烧器在圆柱形混合段(2)的外壁中具有用于压缩空气进入的孔(14)。
16.预混合燃烧器，具有一个由锥形壳组成的旋涡发生器，该旋涡发生器通入燃烧室的内室中，并具有将压缩的燃烧空气输入旋涡发生器中的通道，和具有一个用于使液体燃料雾化的高压喷嘴(10)，该高压喷嘴具有一个或多个用于将燃料输入高压喷嘴(10)的内室(20，32)中的燃料通道并且该高压喷嘴(10)具有至少两个用于使燃料雾化的排出通道(22，34，34′)，这些排出通道由高压喷嘴(10)的内室(20，32)引向旋涡发生器的内室并且相对于喷嘴(10)纵轴线偏心布置，其特征在于：排出通道(22，34，34′)这样构成，使得由这些排出通道排出的喷射锥(11)具有纵轴线(5)，该纵轴线相对于预混合燃烧器的纵轴线成一个角度(β)地延伸，该角度小于旋涡发生器的半锥角(α)，排出通道(22，34，34′)在液体燃料的流动方向上具有一个第一圆柱形段(23，35)、一个锥形收缩部(24，36)和一个第二圆柱形段(25，37)，高压喷嘴(10)的前端达到旋涡发生器的内室长度的一半或超过其一半。
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