CN101095012A - 预混合式烧嘴 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种用于发热器的预混合式烧嘴，它具有组成旋流器的分锥壳(5)，这些分锥壳包围一个锥形扩展的涡流空间(6)，并且限制相互切向的进空气缝(7)，以及具有用于气态和/或液态的燃料的输送装置(7)，其中，至少一个输送装置沿着进空气缝(7)设置在分锥壳(5)上，并且至少另一个输送装置沿着一个在中间穿过涡流空间(6)的烧嘴轴线(A)设置。本发明的特征在于，至少n个分锥壳(5)包围涡流空间(6)，这些分锥壳限制n个进空气缝(7)，其中，n≥3；n个进空气缝(7)分别具有至少一个最大的进口宽度(10)，这个缝宽度等于或者大于那个缝宽度(10)，即一个具有相同尺寸和设计，并且具有m≤2的分度盘(5)和m个进空气缝(7)的那种类型的预混合式烧嘴(1)所具有的缝宽度。

Description

预混合式烧嘴

技术领域

本发明涉及一种用于发热器的预混合式烧嘴，它具有组成旋流器的分锥壳，这些分锥壳包围一个锥形扩展的涡流空间，并且相互限定切向的进空气缝，以及具有用于气态和/或液态的燃料的输送装置，其中至少一个输送装置沿着进空气缝设置在分锥壳上，并且至少另一输送装置沿着一个在中间穿过涡流空间的烧嘴轴线设置。

背景技术

这种类型的预混合式烧嘴多年来成功地应用于驱动燃气轮机的燃烧室的点火中，并且在它们的烧嘴特性方面它们已是相当成熟的部件。按其用途和所希望的烧嘴功率这些类型的预混合式烧嘴都是可用的，它们无论是在烧嘴功率方面还是在减少有害物质的排放方面都是最佳的。

从EP 0 321 809 B1得知这样一种类型的预混合式烧嘴，它主要由两个空心的圆锥形的且沿流动方向彼此套在一起的分体构成。它们的相应纵向对称轴线彼此错开，这样，分体的相邻的壁在它们的纵向延伸上形成用于燃烧用空气流的切向缝隙。优选地通过一个中央喷嘴将液态燃烧喷射到由分体包围的涡流空间中，而通过在纵向延伸上在切向进空气缝区域中设置的另一些喷嘴将气态燃料喷入。

上述预混合式烧嘴的烧嘴方案是以在圆锥形扩展的涡流空间的内部产生一种封闭的旋流为基础。然而，由于在涡流空间内部沿流动方向的旋转的增加旋流变得不稳定，并且在流动核心中过渡为一种具有回流区的环形的旋流。通过开裂旋流过渡到具有回流区的环形旋流的地点主要是由通过分锥壳形成的锥角以及进空气缝的缝隙宽度决定的。原则上讲在选择缝隙宽度的尺寸以及在选择锥角的尺寸时—最终是通过它确定烧嘴的结构长度的—设置的界线是小的，这样就出现了所希望的流场。该流场导致形成旋流，并且该旋流在烧嘴汇入区域中在形成一个在空间上稳定的回流区的情况下开裂成一个环形的旋流。在该回流区中在形成空间稳定的火焰的情况下点燃材一空气混合物。原则上讲进空气缝的减小会导致回流区向上游位移，然而这样燃材和空气混合物在时间上和空间上会提早点火。

另一方面为了将形成的回流区进一步地向下游定位，也就是为了得到一个更长的预混合或者汽化段，在旋流器的下游设置一个混合管形式的进一步引导旋流的混合段，例如在EP 0 704 657 B1中所详细叙述的那样。从该文献中得知一个由四个分锥体构成的旋流器。在下游一个用于燃料—空气混合物的进一步均匀混合的混合段和该旋流器连接。

为了将从旋流器流出的旋流连续地输送到混合段中在旋流器和混合段之间设置沿流动方向延伸的过渡通道，这些过渡通道用于将在旋流器中形成的旋流输送到在下游连接在过渡通道后面的混合段中。

除了烧嘴的结构设计之外液态燃料的供给也对在旋流器内形成的旋流以及在旋流器的下游尽可能空间稳定地形成的回流区的流体力学特性有决定性的影响。这样，特别是在结构较大的预混合式的烧嘴中，在典型的沿着烧嘴的轴线的液态燃料供给时在锥形地扩展的涡流空间的圆锥的尖端部位出现一种沿烧嘴轴线形成的富的燃料—空气混合气，这样一来，所谓的逆燃到涡流空间的区域中去的危险增大。这种类型的逆燃一方面必然导致提高NOx的排放，特别是由此是不完全均匀混合的燃燃—空气混合比例燃烧。另一方面逆燃的出现之所以危险和必须避免是因为它会导致热载荷以及机械载荷，其结果可能导致预混合式烧嘴的结构不可逆转的损坏。

通过上述分别和所希望的烧嘴的情况最佳匹配的烧嘴设计就明白了为了形成更大的并且功率更强的烧嘴仅通过对整个预混合式的烧嘴部件的尺寸标定是不能自动地保持所希望的烧嘴特性的。例如一个燃气轮机的质量流不能用单个的燃气轮机的部件的几何标定因子成线性地标定，而是在很大程度上成平方的比例关系，也就是说，若通过燃气轮机设备的尺寸匹配功率要翻一倍，则必须给燃烧过程提供四倍这么多的空气供使用。其结果是必须为尺寸和功率因数不同的单个的燃气轮机设计和制造完全新的烧嘴，并且特别是完全新的预混合式烧嘴，并且这些烧嘴还必须以合适的方式和所希望的最佳化的烧嘴特性相适配。这得付出高的成本。这是必须避免的。特别是在大功率的燃气轮机设备中为了按照燃气轮机功率在烧嘴功率以及有害物质排放方面达到最佳烧嘴特性，围绕一个燃烧室环形布局地设置许多单个的烧嘴。此外很显然，各围绕一个燃烧室设置一列特别是两列和多列烧嘴装置需要很大的结构体积。

上面的说明表明，就具有现在已公开的装置的燃气轮机设备的功率提高而言功率的变化必然要求对直到现在已公开的锥形设计的预混合式烧嘴进行全新的设计。在此必须予以帮助和寻找措施，以便使得对也具有当前正在运行中的预混合式烧嘴的燃气轮机设备的所希望的标定成为可能，并且其对现有的预混合式烧嘴系统仅作小的结构技术方面的改动就能办到。

发明内容

本发明的任务是对一种用于一种发热器，特别是一种用于驱动燃气轮机设备的燃烧室的点火的预混合式烧嘴进行改进，它具有组成一个旋流器的分锥壳，这些分锥壳包围一个锥形扩展的涡流空间，并且相互限制切向的进空气缝，预混合式烧嘴还具有用于气态和/或液态燃料的输送装置，其中，至少一个输送装置沿着进空气缝设置在分锥壳上，并且至少另一个输送装置沿着在中间穿过该涡流空间的烧嘴轴线设置，它也可在要求有更大烧嘴载荷的更大尺寸的燃气轮机设备中应用，并且不必对该预混合式烧嘴的结构设计作明显的改动。

特别是虽然具有使烧嘴功率最大化的措施还必须使通过该烧嘴所引起的有害物质的排放尽可能地小。另一值得期待的方面是这类预混合式烧嘴的结构尺寸，它应尽可能紧凑和小。此外，当然还必须始终保证根据本发明改进的预混合式烧嘴的运行可靠性，并且尽管有了提高烧嘴功率的措施还必须使在功率大的烧嘴系统中关于逆燃事件的增大的危险最小化，直至完全排除。

在权利要求1中给出了作为本发明基本的任务的解决方案。特别是参考实施例本发明的构思中的改进的特征见从属权利要求以及说明书。

本发明的基本构思是提高本身已公开的且和相应的烧嘴功率最佳匹配的预混合式烧嘴的吸收能力(schluckvermgen)，并且在这种情况下不改变用于确定预混合式烧嘴的结构尺寸的几何尺寸，如预混合式烧嘴的长度和直径。

根据本发明按照权利要求1的前序部分特征所述的预混合式烧嘴的特征在于，至少n个分锥壳包围涡流空间，这些分锥壳限制n个进空气缝，其中n≥3。N个进空气缝分别具有至少一个最大的缝宽度，该缝宽度等于或者大于下述缝宽度，具有m≤2个分锥壳和m个进空气缝的相同的尺寸，也就是烧嘴直径和烧嘴长度的那种类型的预混合式烧嘴所具有的缝宽度。

通过根据本发明的提高进空气缝的数量n可在基本不改动的情况下保持烧嘴的紧凑设计，(进空气缝的数量分别受分锥壳的相应数量n的限制)同时避开通过在烧嘴中心的中心液态燃料的喷射提高燃料分布的问题，特别是以相同的程度提高流过预混合式烧嘴的气流速度，预混合式烧嘴的空气流量也以这种程度提高，并且因此也以同样程度提高其吸收能力。这也是虽然烧嘴的功率更高了但是逆燃的危险却大大地降低了的原因。然而另一方面所谓的烧嘴额定速度的提高会导致同时损害在烧嘴的下游的空间稳定的回流区的形成以及与此相联系的火焰的稳定。为了相应地考虑火焰的稳定性，必须相应地降低从预混合式烧嘴中出来的所形成的燃料—空气混合物的流动速度。在涡流发生器的下游连接有混合管的预混合式烧嘴中将混合管的内部轮廓沿流动方向设计成扩散器，也就是说在一个优选的实施形式中该混合管的内轮廓以一种相对于流动轴线合适规定的圆锥角α扩展。

没有连接在后面的混合管的预混合式烧嘴中进空气缝数量的增多会导致回流气泡向烧嘴出口移动。因此也改善了预混合，并且也产生了低的排放值。

附图说明

下面不局制本发明的一般构思地借助实施例，并且参考附图对本发明进行示范性的说明。这些附图是：

图1：烧嘴装置的纵向截面图，它具有一个锥形设计、且带有连接的混合管的预混合式烧嘴，它的上半段横截面和现有技术相同，它的下半段横截面和根据方案的实施形式相同。

图2：本身已公开的旋涡发生器的横截面图(现有技术)。

图3：根据本方案设计的旋涡发生器的横截面图。

具体实施方式

图1示出了一个烧嘴装置的纵向截面图。该装置主要具有三个部件：一个锥形设计的预混合式烧嘴1、一个过渡件2以及一个混合段3。所述混合段以一个管形的混合部件4的形式设计。图1的纵截面图的上半段是已公开的预混合式烧嘴装置，涡流发生器1的涡流空间被n＝4个分锥壳5包围，这些分锥壳总共限制n＝4个进空气缝7。图2示出了如此公开的涡流发生器1的横截面图。从该图中可以清楚地看出四个包围着一个内涡流空间6的分锥壳5。四个进空气缝7规定了预混合式烧嘴的外直径Da，以及规定涡流空间6的尺寸的内直径Di。此外，从横截面图图2中也可以看出分锥壳关于它们的分锥壳中心点彼此在空间上的错位，这些中心点分别用十字表示。通过各进空气缝7无论是空气L-分别用大箭头表示-还是优选的通过设置在分锥壳5的来流边缘上的相应的输送管道8输送的气态燃料B到达涡流发生器1的内部。在涡流发生器1的内部形成一股涡流，这股涡流轴向地沿着烧嘴轴线A(参见图1)向下游扩展。

沿流动方向在预混合式烧嘴1中后置的过渡件2用于将在涡流发生器1中形成的涡流尽可能无损失地引导到在下游连接的混合段3中。为此在过渡件2中设置过渡通道9。这些通道为对流动作相应的引导而设置。在混合段3的内部在一个具有直到现在恒定的流动直径D_M的管形的混合部件4中燃料空气混合物进行充分的混合，并且在从混合管4出来后在一个未示出的燃烧室内形成一个在空间上稳定的回流区地对混合物进行点火。

此外在保持结构尺寸不变的情况下，也就是特别地保持预混合式烧嘴1的长度不变，也保持预混合式烧嘴的外直径Da以及内直径Di不变的情况下为了根据方案加大预混合式烧嘴的吸收能力，根据横截面图图3该新式预混合式烧嘴代替n＝4个分锥壳设置n＝6个分锥壳5，这些分锥壳分别包围n＝6个进空气缝7。这些进空气缝7具有和图2的标准预混合式烧嘴中相同的最大缝隙宽度10。因此很明显，通过进空气缝7空气可到达涡流空间6内部的总表面要比到目前为止已公开的预混合式烧嘴的情况，例如图2中的实施形式要大得多。在图3中的根据本方案形成的预混合式烧嘴中的分锥壳5根据分锥壳的中间点又是中间地彼此错形设置，其中，根据图3这些中间点以十字形式表示在截面图的内部。

通过预混合式烧嘴的吸收能力的放大，烧嘴的额定速度，也就是在涡流发生器的内部形成燃料空气混合物向烧嘴的轴线A轴向流动的流动速度也同时增加。为了不使燃烧室内部的在空间上稳定形成的回流区的火焰稳定性受到损害，根据图1的下侧部分截面图实施例设置了一个管形的混合部件4。该混合部件4设置一个沿流动方向以α角度扩张的流动截面轮廓，并且因此起着扩散器的作用，因此降低了流动的轴向速度。

和限制或者包围涡流空间6的分锥壳的数量相同地也以相同的数量在过渡件2中设置过渡通道，也就是用于将旋流引入到混合段3的6个过渡通道。

前面所述的实例是一种后面连接着混合段的预混合式烧嘴，一种也被申请人称之为先进环保旋涡烧嘴(AEV-Brenner-AdvancedEnvironmentel Vortex-Brenner)。根据本发明的构思是在保持烧嘴几何形状不变的情况下通过增加进空气缝的数量来提高烧嘴的功率，然而本发明的构思不仅是可用在具有后置的混合段的预混合式烧嘴中，而更重要的是本发明构思也可用在没有后置的混合段预混合式烧嘴上。由申请人称之为环保旋涡烧嘴(EV-Brenner)的预混合式烧嘴以本身已公开的方式设计为双锥壳烧嘴，也就是涡流发生器的涡流空间仅通过两个分锥壳包围，这些分锥壳仅限制两个进空气缝。而如果采用三个或者更多的用以限制涡流空间的分锥壳，其中，单个的进空气缝的宽度至少具有直到现在已公开的进空气缝的宽度，从而在这种情况中也提高了这种类型的EV—预混合式烧嘴的吸收能力，而在其中并不改动有关长度和直径的烧嘴的尺寸。

附图标记表

1预混合式烧嘴

2过渡件

3混合段

4混合管

5分锥壳

6涡流空间

7进空气缝

8燃料输送管道

9过渡通道

10进空气缝的缝宽度

Claims (4)

1.用于发热器的预混合式烧嘴，其具有组成旋流器的分锥壳(5)，这些分锥壳包围锥形扩展的涡流空间(6)，并且相互限制切向的进空气缝(7)，预混合式烧嘴还具有用于气态和/或液态燃料的输送装置(7)，其中，至少一个输送装置沿着进空气缝(7)设置在分锥壳(5)上，并且至少另一输送装置沿着在中间穿过涡流空间(6)的烧嘴轴线(A)设置，其特征在于，至少n个分锥壳(5)包围涡流空间(6)，这些分锥壳限制n个进空气缝(7)，其中，n≥3；n个进空气缝(7)分别具有至少一个最大的缝宽度(10)，这个缝宽度等于或者大于下述缝宽度(10)，即具有相同尺寸和设计、且具有m≤2个分锥壳(5)和m个进空气缝(7)的那种类型的预混合式烧嘴(1)所具有的缝宽度。

2.按照权利要求1所述的预混合式烧嘴，其特征在于，设置n≥5个分锥壳(5)；在涡流发生器的下游设置管形的混合部件(4)形式的混合段(3)；在涡流发生器和混合段(3)之间设置具有n个过渡通道(9)的过渡件(2)，以便将在涡流发生器中形成的气流引导到在下游连接在过渡通道(9)后面的混合段(3)的通流截面中。

3.按照权利要求2所述的预混合式烧嘴，其特征在于，管形的混合部件(10)沿通流方向至少成段地形成扩压器。

4.按照权利要求3所述的预混合式烧嘴，其特征在于，混合部件(4)与过渡件(2)直接相连地具有其通流截面保持不变的第一流动区域；在下游具有沿流动方向以α角度锥形地扩展的通流截面的第二流动区域连接在第一流动区域上。

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