CN101137869A - 用于使燃烧室运转的预混燃烧器 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于产生可点燃的燃料－空气混合物的预混燃烧器，该预混燃烧器具有涡流发生器，该涡流发生器设置了至少两个对穿流本体进行补充的燃烧器壳(B)，所述燃烧器壳分别具有构造为分锥形状的第一燃烧器壳区段(1)并且共同限定着在轴向上按锥形方式扩展的涡流室并且限制着所述沿轴向的锥体纵向伸展方向相互相切的进气缝隙(LS)。本发明的突出之处在于，所述相应地构造为分锥形状的第一燃烧器壳区段(1)齐平地用反向于第一燃烧器壳区段(1)弯曲的第二燃烧器壳区段(8)来补充，第三燃烧器壳区段(9)齐平地连接到所述第二燃烧器壳区段(8)上，所述第三燃烧器壳区段(9)具有与所述第二燃烧器壳区段(8)相切适应的曲率，并且所述第三燃烧器壳区段(9)在一侧相应地限制其中一条相切的进气缝隙(LS)并且设置用于所述燃烧用进气(L)的入流棱边(12)。

Description

用于使燃烧室运转的预混燃烧器

技术领域

本发明涉及一种用于产生可点燃的燃料-空气混合物的预混燃烧器，该预混燃烧器具有一个涡流发生器，该涡流发生器设置了至少两个对穿流本体进行补充的燃烧器壳，所述燃烧器壳分别具有一个构造为分锥形状的第一燃烧器壳区段并且共同限定一个在轴向按锥体形式扩展的涡流室并且限制着沿轴向的锥体纵向伸展方向彼此相切的进气缝隙，燃烧用进气通过所述进气缝隙进入所述涡流室中，在所述涡流室中形成轴向传播的涡流；此外，所述预混燃烧器还具有用于喷入燃料的机构，所述机构至少按区段沿着所述切向延伸的进气缝隙布置。

背景技术

上述类型的预混燃烧器从大量已公开的文献中得到公开，比如从EP0210462A1以及EP0321809B1中得到公开，这里仅列举几种预混燃烧器。这种类型的预混燃烧器以以下一般作用原理为基础，即在一个大多数构造为锥形的、设置至少两个以相应地相互重叠相组合的分锥壳的涡流发生器内部产生由燃料-空气混合物组成的涡流，该涡流在一个沿流动方向跟在所述预混燃烧器后面的燃烧室内部在形成空间上尽可能稳定的预混火焰的情况下被点燃。在这种情况下，所述预混火焰的空间位置由所述涡流的空气动力学特性所决定，所述涡流的旋流数目随着沿燃烧器轴线的传播的增加而增加，由此变得不稳定并且最后由于在燃烧器及燃烧室之间的不稳定的横截面过渡部分在形成回流区的情况下分解为环形的涡流，在所述回流区的沿流动方向处于前面的区域中形成预混火焰。

特别重要的是所形成的回流区的空气动力学稳定性，但是这种稳定性以极为敏感的方式依赖于所述涡流发生器的设计、形状和大小。如果比如没有成功地在空间上使所形成的回流区的沿流动方向处于最前面的正面得到稳定，那么在所述燃烧系统内部就会出现严重的热声学的振动或者说脉动，所述振动或者说脉动则严重影响整个燃烧以及热发生率。

考虑到这一事实，迄今所公开的并且投入使用的预混燃烧器系统限制在结构尺寸上，所述预混燃烧器系统的最大燃烧器直径在燃烧器出口处仅仅为180毫米。除此以外，所述的预混燃烧器具有一个较尖的也就是说很小的小于等于18°的锥角，使得所述燃烧器长度与朝向下游的燃烧器直径相比相当大，但是为安装及保养目的还完全可以操纵。

但是如果要对大尺寸的燃烧室进行点火，那么人们直到现在还使用所谓的多重燃烧器装置，所述多重燃烧器装置使用上述预混燃烧器。这种在结构上很复杂的多重燃烧器装置比如可从DE4223828A1或DE4412315A1中得知。但是人们希望减少为对大尺寸的燃烧室进行点火所需要的单个预混燃烧器的复杂性并且由此减少其数目，而在此不必忍受在燃烧过程中的质量损失。除此以外，出于在排放值的减少方面变得越来越严格的环境标准的原因，应该将以前使用的主要用于对大尺寸的圆仓燃烧室进行点火的扩散-单个燃烧器通过现代的符合环保要求的燃烧器系统取代。尤其考虑到要避免很高的改装费用及新采购费用，提供尽可能大尺寸的预混燃烧器以便比如能够继续保持所述大尺寸的仅仅具有一个唯一的预混燃烧器的圆仓燃烧室的运行，这样做还是值得追求的。

理论考虑以及试验均已表明，简单缩放比如从EP0321809B1中公开的双锥燃烧器不会达到目的，尤其如前文所提到的一样燃烧器长度要超比例地增加。另外，所述燃烧用进气为产生所期望的涡流通过进气缝隙流入涡流发生器中，考虑到所述沿燃烧器轴线切向延伸的进气缝隙的宽度同样要成比例地上升，因而不再能够以足够的质量保证燃料以及燃烧用进气的良好的充分混合。

在大多数使用的预混燃烧器中，所述为将进气转向或者说导入涡流发生器中而设置的、也称为燃烧器壳的分锥壳构造为薄壁的导向板，所述导向板具有半锥或更小的锥体扇形段的外壳表面形状，并且在径向上限制所述涡流室，其中所述燃烧器壳通过其空间布置将分别相互与燃烧器轴线相切定向的进气缝隙彼此包围。

在改进所述预混燃烧器的通流能力及有效功率的努力中，公开了具有两个以上的燃烧器壳的涡流发生器，所谓的多壳预混燃烧器，所述多壳预混燃烧器也可以保证更大的燃烧器直径。但是事实表明，在所述的多壳装置上没有调节出令人满意的充分混合结果，尤其出现空气动力学上的问题，这些问题应该最大可能地归因于局部在单个燃烧器壳的区域中形成的回流区。这一方面导致效率损失，但其中也隐藏着危险，如果可燃气体聚集在所述的回流区并且最终会点燃。

发明内容

本发明的任务是改进一种按权利要求前序部分所述特征的预混燃烧器，从而尽管扩大燃烧器尺寸但在迄今公开的预混燃烧器上得到优化的燃烧器性能几乎保持不变。因此要解决在具有多壳装置的预混燃烧器上出现的空气动力学上的问题，并且消除由此引起的缺点和危险。

在权利要求1中说明了本发明的任务的解决方案。对本发明的构思进行有利地改进的特征由从属权利要求的主题以及参照实施例的说明中获知。

按本发明，按照在空气动力学上不同于以往使用的仅仅通过描绘出一个分锥形状的燃烧器壳的方式或者更确切地说按照在空气动力学上对其进行扩展的方式来改进在径向上对涡流室进行限制的燃烧器壳，使得所述通过进气缝隙流入所述涡流室中的进气流在很大程度上没有损失地也就是说在没有形成任何边缘涡流的情况下在两个对所述进气缝隙进行限制的燃烧器壳之间导引。通过按解决方案构成的、通常构造为薄的改变进气流方向的导向板的燃烧器壳几何形状，使通过所述进气缝隙穿流的进气流沿着所述燃烧器壳的朝向所述进气流的表面在流入所述进气缝隙中时首先持续地加速并且逐渐转向，直到所述空气流离开所述燃烧器壳流向涡流室。

由此与以往的燃烧器壳相反，所述燃烧器壳几何形状具有不同造型的、在侧面对所述进气缝隙进行限制的表面区域，通过所述表面区域所述径向流入进气缝隙中的空气流在很大程度上无阻力地并且在没有形成靠近表面的流动边缘涡流的情况下转向进入所述涡流室中，以形成在轴向上朝燃烧器传播的涡流。通过这种方式，可以避免任何在以往公开的具有多壳装置的预混燃烧器上形成的回流区，除此以外在所述回流区中可能形成气体堆积，所述气体堆积会在自发的爆燃中导致损坏所述预混燃烧器结构并且尤其导致损坏所述燃烧器壳。

因此相应地按解决方案构成的燃烧器壳具有三个不同造型的、彼此连接成一体的燃烧器壳区段，其中相应地构造为分锥形状的第一燃烧器壳区段齐平地用一个反向于第一燃烧器壳区段弯曲的第二燃烧器壳区段来补充，第三燃烧器壳区段齐平地连接到所述第二燃烧器壳区段上，该第三燃烧器壳区段具有与所述第二燃烧器壳区段相切适应的曲率。所述第三燃烧器壳区段在此在一侧相应地限制其中一条相切的进气缝隙并且设置一条用于所述燃烧用进气的入流棱边。

优选可以在铸造过程的框架中或者在变形过程或材料侵蚀过程中制造一种如此构成的燃烧器壳。为简化其它的说明，在参照以下附图的情况下请参照实施例的描述。

附图说明

下面在不限制总的发明构思的情况下借助于实施例参照附图对本发明进行示范性说明。其中：

图1是按解决方案构成的燃烧器壳的示意透视图，

图2是构成四分之一椭圆形的燃烧器壳区域的部分区域的详细视图，所述燃烧器壳区域具有相邻的以切线方式扩展的构造为三角形的燃烧器壳区域，

图3是按解决方案构成的燃烧器壳的三维图，

图4是按解决方案构成的燃烧器壳的沿纵向于燃烧器壳的伸展方向的示意图，

图5是具有多壳装置的涡流发生器的三维图。

具体实施方式

图1示出了一个按解决方案构成的燃烧器壳的示意图，该燃烧器壳具有一个可通过一个分锥的外壳形状来描绘的第一燃烧器壳区段1。为方便说明所述第一燃烧器壳区段1的几何结构，作为辅助结构示出了一个锥体的部分扇形段2，所述第一燃烧器壳区段1协调地沿该部分扇形段2的锥形的外壳表面3抵靠着。在此应该注意到，所述第一燃烧器壳区段1相当于那种以往使用的燃烧器壳的形状，其中在按图1的实施例中构造较长的侧棱边4相应于所述燃烧器壳的流出棱边，并且所述燃烧器壳区段1的通过线条5表示的前棱边相应于以往普通的燃烧器壳的入流棱边。就象此外参照图5所示的涡流发生器的三维图可得知的一样，为将所述在图1中示出的燃烧器壳固定在相应的预混燃烧器部件上，将该燃烧器壳沿其构造为弓形的上面的侧棱边6及其下面的侧棱边7进行固定。

在所述到现在为止使用的、具有通过所述第一燃烧器壳区段1预先给定的形状的燃烧器壳的按解决方案的改进方案中，所述按解决方案的燃烧器壳具有另外两个燃烧器壳区段8、9，这两个燃烧器壳区段8、9无缝地并且一体地连接到所述构造为分锥形状的第一燃烧器壳区段1的通过线条5表示的线状的端部区域上。所述直接连接到第一燃烧器壳区段1上的第二燃烧器壳区段8具有一个曲率，该曲率反向于所述构造为分锥形状的第一燃烧器壳区段1的曲率定向。从按图1的实施例的图解中可以得知，所述第一燃烧器壳区段1相对于图纸平面凸出弯曲并且所述第二及第三燃烧器壳区段8、9相对于图纸平面凹入弯曲。在此，所述第二燃烧器壳区段具有四分之一椭圆形的曲率。为说明所述第二燃烧器壳区段8的凹入的曲率，在图1中画出一个棱柱形的本体10，该本体10的朝向所述第二燃烧器壳区段8的表面相应于一个四分之一椭圆形的曲率。仅仅为具有更好的条理起见，应该再次指出，不仅在图1中示出的部分扇形本体2而且所述构造为棱柱形的本体10仅仅是辅助本体，所述辅助本体用于更好地说明所述燃烧器壳的几何形状。

作为所述四分之一椭圆形式的第二燃烧器壳区段8的在图1中示出的造型的替代方案，也可以设想比如根据四分之一扇形或者根据类似于四分之一椭圆形或四分之一圆形弯曲的形状来改动所述第二燃烧器壳区段的曲率和形状。

此外，第三燃烧器壳区段齐平地连接到所述第二燃烧器壳区段8的虚拟延伸的限制线11上，该第三燃烧器壳区段设置了与所述第二燃烧器壳区段相切适应的曲率。所述第三燃烧器壳区段9基本上具有一个构造为三角形的、具有前面的限制棱边12的基本形状，所述限制棱边12同时也用作所述按解决方案构成的燃烧器壳的入流棱边。

由此在图1中示出的燃烧器壳基本上是一个构造为纯锥形的燃烧器壳区段的组合，构造为弯曲的表面本体，该表面本体具有一个四分之一椭圆形的表面形状及一个与该四分之一椭圆形相切的、通过所述第三燃烧器壳区段9示出的延长段。

因为所述第一燃烧器壳区段的曲率特性反向于相应的第二及第三燃烧器壳区段中的每个区段而定向，所以沿着所述虚拟地穿过复杂成形的燃烧器壳延伸的线条5进行所述燃烧器壳表面的曲率特性的连续的也就是说无过渡的更换，从而所有沿线条5布置的全部位置是相应的转折点，并且所述线条5由此可以理解为转折点连线。

另外，所述在图1中示出的燃烧器壳通常由一种耐热的扁钢制成并且优选沿其整个表面伸展具有在很大程度上恒定的厚度，该燃烧器壳在径向上包围着预混燃烧器的按锥形方式延伸的涡流室的一部分。所述朝向在图1中示出的燃烧器壳的观察者的表面由此背向所述涡流室。正好在这个背向所述涡流室的表面上，应该设置一条未在图1中示出的燃料管路，该燃料管路用于通过相应地沿所述转折点连线5设置的穿通口13输送燃料。在图2中示出了所述沿转折点连线5彼此保持间距地布置的穿通口13的与此有关的详细示意图，图2示出所述按解决方案构成的燃烧器壳的一个上面的部分。

在所述燃烧器壳的最上面的侧棱边的曲率走向上，可以看出相应的燃烧器壳区段1、8和9的曲率特性。沿着所述如上文提到的理解为转折点连线的线条5，所述第一燃烧器壳区段1的凹入的曲率转换为所述第二燃烧器壳区段8的构造为凸出的曲率并且转换为以相同的曲率连接到所述第二燃烧器壳区段8上的第三燃烧器壳区段9的曲率。所述第三燃烧器壳区段9在所述燃烧器壳的上面的端部上以一个锐角连接到所述所述第二燃烧器壳区段8上，并且基本上在过渡线条11的位置上在切线延长线上放大所述第二燃烧器壳区段8的曲率。同样可从在图2中的详细图中看出穿过所述燃烧器壳的开口13，所述开口13沿所述转折点连线5进行布置，通过这些开口喷入气状燃料。

在图3中示出了上文所述的燃烧器壳的从某个视角看的三维视图，该视图示出所述燃烧器壳的朝向所述涡流室的表面。可以清楚地看出沿所述转折点连线5布置了所述开口13，燃料喷嘴穿过所述开口13，所述燃料喷嘴与背向所述涡流室地安装在燃烧器壳上的燃料管路14相连接。从图4中可以看出示出所述燃烧器壳的俯视图的示意图，此外与图3一起参照该图4。

在所述第三和第二燃烧器壳区段9、8的区域中，沿流动方向使通过流动箭头以符号形式示出的、在径向上到达所述燃烧器壳的入流棱边12的空气流L进行加速，并且此外通过构造为分锥形状的第一燃烧器壳区段1接连地转向，直到所述气流L通过所述燃烧器壳区段1离开所述燃烧器壳流向燃烧室或者说涡流室。在所述转折点连线5的区域中出现的最大流动速度的区域中，通过所述开口13向所述空气流L中添加气状燃料，由此已在这个流动区域中使燃料和空气有效地充分混合。

所述按解决方案的燃烧器壳几何形状由此避免在所述空气流的内部沿所述燃烧器壳的朝向所述空气流L的表面的任何回流区。

此外，如此设计所述燃烧器壳几何形状，从而可以在不用专用工具比如不用特殊的压模工具的情况下制造所述燃烧器壳。因此，所述燃烧器壳几何形状可以始终通过一系列直线来描绘，所述直线为轴向定向或者说沿所述燃烧器壳的纵向伸展方向定向，由此可以借助于CNC-弯曲机来制造所述燃烧器壳。

在图5中示出了一个预混燃烧器的三维图，该预混燃烧器设置八个对一个内置的涡流室进行径向限制的燃烧器壳B，所述燃烧器壳B以上述方式单个成形。相应地两个彼此相邻布置的燃烧器壳B围成一条进气缝隙LS，空气流可以通过所述进气缝隙LS流入到所述涡流室中。显而易见，所述预混燃烧器的通流能力通过设置八条单个的进气缝隙LS而比在所谓的双锥燃烧器的情况下大得多，在双锥燃烧器中只有两个分锥壳限制所述涡流室。所述单个燃烧器壳B一方面以其上面的限制棱边与一个构造为圆柱形的布置在中央的保持结构15固定地相连接，通过所述保持结构15可在轴向方向上使用用于轴向燃料供给的机构。另一方面，所述燃烧器壳B沿其下面的限制棱边与一个成件件16相连接，通过所述成形件16所述在涡流发生器内部形成的涡流转移到未进一步示出的混合管中或者直接转移到未进一步示出的燃烧室中以进一步充分混合或者说点燃。通过所述按照沿流动方向相应地被第二和第三燃烧器壳区段遮盖的方式布置在所述燃烧器壳上的燃料管路14，将气状燃料通过线性布置的开口13输送到所述进气缝隙LS的区域中以形成燃料-空气混合物。

附图标记列表

1       第一燃烧器壳区段

2       锥体扇形段

3       外壳表面

4       流出棱边

5       线条，转折点连线

6、7    第一燃烧器壳区段的上面的及下面的侧棱边

8       第二燃烧器壳区段

9       第三燃烧器壳区段

10      具有四分之一椭圆形表面的棱柱形辅助本体

11      分界线

12      入流棱边

13      开口

14      燃料管路

15      支撑结构

16      成形件

B       燃烧器壳

L       空气流

LS      进气缝隙

Claims (14)

1.用于产生可点燃的燃料-空气混合物的预混燃烧器，该预混燃烧器具有涡流发生器，该涡流发生器设置了至少两个对穿流本体进行补充的燃烧器壳(B)，所述燃烧器壳分别具有构造为分锥形状的第一燃烧器壳区段(1)并且共同限定轴向按锥形方式扩展的涡流室并且限制着沿轴向的锥体纵向伸展方向彼此相切的进气缝隙(LS)，燃烧用进气(L)通过所述进气缝隙(LS)进入所述涡流室中，在所述涡流室中形成轴向传播的涡流；此外，所述预混燃烧器还具有用于喷入燃料的机构，所述机构至少按区段沿着所述切向延伸的进气缝隙(LS)布置，其特征在于，

所述相应地构造为分锥形状的第一燃烧器壳区段(1)齐平地用反向于第一燃烧器壳区段(1)弯曲的第二燃烧器壳区段(8)来补充，第三燃烧器壳区段(9)齐平地连接到所述第二燃烧器壳区段(8)上，所述第三燃烧器壳区段(9)具有与所述第二燃烧器壳区段(8)相切适应的曲率，并且所述第三燃烧器壳区段(9)在一侧相应地限制其中一条相切的进气缝隙(LS)并且设有用于所述燃烧用进气(L)的入流棱边(12)。

2.按权利要求1所述的预混燃烧器，其特征在于，所述第三燃烧器壳区段(9)基本上构造为三角形的，并且以一个锐角在所述第一燃烧器壳区段(1)的最小分锥圆周的区域中紧靠所述第二燃烧器壳区段(8)。

3.按权利要求3所述的预混燃烧器，其特征在于，所述第三燃烧器壳区段(9)具有最长的三角形边，该边与所述第二燃烧器壳区段(8)连接成一体，

所述第三燃烧器壳区段(9)具有最短的三角形边，该边齐平地紧靠着成形件(16)，所述成形件在所述涡流发生器的下游端部区域处包围着所有燃烧器壳(B)，并且

设置了第三三角形边，该边形成所述入流棱边(12)。

4.按权利要求1到3中任一项所述的预混燃烧器，其特征在于，所述构造为分锥形状的第一燃烧器壳区段(1)的由所述分锥形状确定的曲率持续地也就是说无过渡地合并入所述第二燃烧器壳区段(8)的曲率，并且曲率转换的所有位置描绘了一线条，即所谓的转折点连线(5)。

5.按权利要求4所述的预混燃烧器，其特征在于，沿所述转折点连线(5)设置用于燃料供给的机构(14)。

6.按权利要求1到5中任一项所述的预混燃烧器，其特征在于，所述燃烧器壳由一种单层或多层表面材料制成。

7.按权利要求6所述的预混燃烧器，其特征在于，所述表面材料由金属材料优选由钢制成，该材料可以在弯曲成形过程中进行加工。

8.按权利要求1到7中任一项所述的预混燃烧器，其特征在于，所述第二(8)和第三燃烧器壳区段(9)形成朝向所述进气缝隙(LS)的凸出弯曲的表面，所述表面合并入朝向所述涡流室的构造为凹入的表面，该表面由所述第一燃烧器壳区段(1)形成。

9.按权利要求8所述的预混燃烧器，其特征在于，选择所述表面的形状和曲率，使得涌到所述燃烧器壳(B)上的来自燃烧用进气的气流(L)没有出现涡流式流体分离。

10.按权利要求1到9中任一项所述的预混燃烧器，其特征在于，在设置n个将所述涡流室包围的燃烧器壳(B)时所述相应的第一燃烧器壳区段相当于完整的锥体壳的n分之一。

11.按权利要求1到10中任一项所述的装置，其特征在于，所述第二燃烧器壳区段(8)齐平地紧靠着所述第一燃烧器壳区段(1)的切向延伸的母线(5)，并且所述第三燃烧器壳区段(9)紧靠着切向延伸的边缘轮廓(11)。

12.按权利要求1到11中任一项所述的装置，其特征在于，所述第二燃烧器壳区段(8)具有一种曲率以及一种形状，所述曲率及形状可通过四分之一椭圆扇形段来描绘。

13.按权利要求1到11中任一项所述的装置，其特征在于，所述第二燃烧器壳区段(8)具有一种曲率以及一种形状，所述曲率及形状可通过四分之一扇形来描绘。

14.按权利要求1到13中任一项所述的装置，其特征在于，所有三个彼此联接成一体的燃烧器壳区段(1、8、9)的形状可通过一系列沿所述燃烧器壳的纵向方向延伸的直线来描绘。

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