CN101243287A - 具有混合段的预混燃烧器 - Google Patents

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Abstract

描述的是一个具有混合段(3)的预混燃烧器以用于一个热发生器以及一个用于使一个这种预混燃烧器运行的方法，其具有相互补充到一个旋流体上的部分锥体壳(5)，其(5)包围一个锥形扩张的旋流室(6)并相互限定切向的空气入口缝槽(7)，沿着其分布地设置了用于气态燃料的输送结构(8)，具有至少一个沿着中心贯穿旋流室(6)之燃烧器轴线(A)配置的燃料输送结构(11)以用于流体燃料以及具有一个在下游通过一个过渡件(2)连接到旋流体上的混合管(4)，本发明之特征在于：用于流体－或气态燃料的至少一个另外的燃料输送结构(13)被设置在该旋流体，过渡件(2)和/或混合管(4)的区域中。

Description

具有混合段的预混燃烧器
技术领域
本发明涉及具有混合段的预混燃烧器以用于一个发热器，最好是用于驱动一个燃气涡轮机设备的燃烧器，具有相互补充为一个旋流体的部分锥体壳，部分锥体壳包围一个锥形扩张的旋流室并且相互限定切向的空气入口缝槽，沿着空气入口缝槽分布地设置了用于气态燃料的输送结构，燃烧器还具有至少一个沿着在中心贯穿旋流室的燃烧器轴线配置的用于流体燃料的燃料输送结构以及具有一个在下游通过一个过渡件连接到旋流体上的混合管。
背景技术
所述类型的预混燃烧器多年以来被有效地应用于点燃驱动燃气涡轮机设备的燃烧室并且在其燃烧器特性方面相当大程度地成为成熟的部件。按照应用和希望的燃烧器功率可以采用所属类型的预混燃烧器，它们不仅在燃烧器功率而且在减少有害物排放方面都被最优化。
一个无有混合管的预混燃烧器，可从EP 0 321 809B1中获知，对其由于发展历史之原因应该简短地指明，其基本上由两个中空的，锥形的在流动方向上相互嵌套的分体件构成，它们之分别的纵对称轴线相对移位地延伸，因此分体之相邻的壁件在其纵向延伸长度上构成切向的缝槽用于燃烧空气流。一般地，在由这些分体件包围的旋流室中通过一个中央喷嘴喷入流体燃料，同时通过在切向空气入口缝槽的区域中于纵向延伸长度上设置的另外喷嘴则被喷入气态的燃料。
前面所称之预混燃烧器的燃烧器方案基于在锥形扩张的旋流室内产生一个闭合的涡旋流。但是该涡旋流由于在旋流室内于流动方向上增大的涡旋而变得不稳定并且过渡到一个在流动核心中具有回流区的环状涡旋流。这个在其中该涡旋流由于爆裂而形成所谓回吹流之同时过渡为一种具有回流区的环状涡旋流的位置则基本上通过锥角以及空气入口缝槽的缝槽宽度来决定，该锥角通过所述部分锥体壳来描述。原则上说，在为了缝槽宽度以及锥角的尺寸设置作出选择时由于该锥角最终决定了燃烧器的结构长度被设置了狭窄的界限，依此可以产生一个希望的流场，其导致形成一个涡旋流，它在形成一个空间上稳定回流区的同时于燃烧器入口区域中爆裂为一个环状涡旋流，其中燃料-空气混合物点燃形成一个空间上稳定的火焰。空气入口缝槽的减小将导致回流区之向上游(逆流)的移动，从而因此当然该燃料和空气的混合物则在时间和空间上提前地发生点燃。为了在另一方面使该回吹气流进一步向下游地定位，也就是说，获得一个较长的混合段或汽化距离，则在相对该旋流体的下游设置一个其为混合管形式的将涡旋流进一步导引的混合段，例如其在EP0704657B1中被详细描述的。在这个文件中，获知一个由四个部分锥体构成的旋流体，在其上向下游地连接一个应用于使燃料-空气混合物进一步充分混合的混合段。为了使从旋流体流出的涡旋流连续地转流到混合段中，在旋流体和混合段之间设置了沿流动方向上延伸的过渡通道，其应用于使旋流体中形成的涡旋流转流到这个在过渡通道下游后接的混合段中。
但是一个混合管的设置则强制地减小了回吹气流的尺寸，特别是因为流动的涡旋应被选择，从而流动不在混合管内爆裂。所以，在混合管的末端涡流过小，从而不能形成一个大的回吹气流。甚至为了扩大该回吹气流的尝试(其中混合管的内部型廓设置一个在流动方向上扩张开散的扩压器夹角)表明了，这类措施将导致火焰之向上游的移动。此外，还产生附加的沿着混合管之壁部附近的流动分离之问题，其对燃料-空气混合物的均匀混合将产生不利影响。
除了结构方面的燃烧器设计方案，燃料的供给也对旋流体内形成之涡旋流以及在旋流体下游可能空间上稳定形成之回吹气流的流动力学特性施加一个决定性的影响。因此，在一个典型的沿着燃烧器轴线于该锥形扩张的旋流室之锥尖位置上提供流体燃料情况下表现了一种沿燃烧器轴线形成的，富的燃料-空气混合物，特别是在较大结构形式的预混燃烧器时，因此所谓的向旋流室之区域中的逆燃(Flashback)危险提高了。这种逆燃将导致一方面必然被提高的NOX-排放，特别是由于未有完全均匀混合的燃料-空气混合物-份额被燃烧的结果。另一方面，逆燃现象首先是因此而危险的并且为此而应该被避免的，因为它们会导致对预混燃烧器结构之热力及机械的负荷并且这样的结果可能导致它的不可逆转的损坏。
另一个非常重要的环保技术方面涉及这种预混燃烧器的排放特性。在不同的文件中，例如在Combust.Sci.and Tech.1992，Vol.87，pp.329-362(燃烧-科学与技术1992，卷87，页329-362)，中公开了，在一个完全预混合的火焰情况下，回吹气流的尺寸虽然不会影响NOX-排放，但是可能强烈影响CO-，UHC-排放以及熄火边界，也就是说，回吹气流越大的话则CO-，UHC-排放以及熄火边界下降至越小。因此，采用较大构成的火焰稳定区或回吹气流就可以在预混合区域中覆盖一个更大的负荷范围，特别是由于火焰比在较小回吹气流的情况中要明显较低的温度下熄火。关于此的原因就是在流动场中于回吹气流和可燃性燃料-空气混合物以及火焰前缘稳定性之间的热交换。
前面的实施方案表明了，在一个燃气涡轮机设备的功率提高方面，一个功率改变只通过迄今公知预混燃烧器之结构尺寸的比例高大化则会导致许多问题并且因此不可避免地要求一种对迄今公知的锥形结构预混燃烧器而言地完全新颖的结构方案。在此提出消除上述弊病并且找出措施，以便能实现一个希望的燃气涡轮机设备之规格尺寸而且具有当前作业中安置的带有后接混合段的预混燃烧器并且这个也只有很小的对已有预混燃烧器系统之结构技术上的改变。
发明内容
作为本发明基础的任务是，对一个具有后接混合段的预混燃烧器进行改进，预混燃烧器用于一个热发生器、特别是用于点燃(Befeuerung)一个驱动燃气涡轮机设备的燃烧器，并具有相互补充为一个旋流体的部分锥体壳，其包围一个锥形扩张的旋流室并且相互限定切向的空气入口缝槽，沿着空气入口缝槽分布地设置了用于气态燃料的输送结构，预混燃烧器还具有至少一个沿着在中心贯穿旋流室的燃烧器轴线布置的燃料输送结构以用于流体燃料以及具有一个在下游通过一个过渡件连接到旋流体上的混合管，从而它能够即使应用在较大尺寸设置的需要较大燃烧器负荷的燃气涡轮机设备时也无需明显地改变该预混燃烧器的结构设计。特别是尽管这些使燃烧器功率最大化的措施还能让由燃烧器引起的有害物排放保持在尽可能小。此外当然地还总能确保一个按照本发明修改的预混燃烧器的运行可靠性并且尽管这些使燃烧器功率增大的措施还能使在功率强大的燃烧器系统中增大的关于逆燃事件的危险性最小化直至完全地排除。
作为另一个任务是提供使具有后接之混合段预混燃烧器运行的方法，预混燃烧器以用于热发生器、特别是用于点燃一个驱动燃气涡轮机设备的燃烧室，其尽管预混燃烧器的扩大仍能使火焰位置稳定，使CO-，UHC-和NOX-排放减小，使出现的燃烧室脉动减小并且使稳定区域扩大。此外，燃烧应完全。
作为本发明基础的任务的解决方案在权利要求1中给出。一个方法解决方案被描述在权利要求10中。对发明构思的有利的改进特征见从属权利要求的技术方案以及特别地可从参考具体实施例的说明。
按照解决方案，一个按照权利要求1的前序部分特征方案的具有后接的混合管形式的混合段的预混燃烧器被如此地构造，即，在旋流体的，过渡件的和/或混合管的区域中设置至少一个另外的燃料输送结构，其能实现，在径向上从外部相对在流动方向上于燃烧器内形成的涡旋流将燃料入送到该燃料-空气混合物中。借助这个措施，就能消除所述迄今出现的径向燃料梯度，该燃料梯度是由一个仅中央的沿燃烧器轴线指向的燃料送入引起以及通过与此相关在燃烧器轴线附近形成一个富燃料-空气混合物引起，该富燃料-空气混合物则随着离开燃烧器轴线的增大的径向间距而明显地贫化。该解决方案的另外燃料送入结构-其可由流体燃料构成-从这个径向上包围一个涡旋流形式的沿燃烧器轴线扩展的燃料-空气混合物的燃烧器壳体的区域中如此地来抵消所述径向的燃料梯度，方式是燃料浓度在径向上相对燃烧器轴线离开安置的流动区域中通过定量化的燃料送入被消除，直至形成一个希望的沿流动横截面的燃料部面。
为了获得一个在涡旋流内沿流动横截面关于燃烧器轴线尽可能轴向对称的或均匀的燃料分布，应设置至少两个最好是多个单独的在相应的燃烧器壳体区域中相对燃烧器轴线轴向对称的燃料输送位置，该燃烧器壳体区域可是旋流体，过渡件和/或混合管。燃料输送位置最好是被设置为流体燃料喷嘴，通过它可以在形成一个燃料喷雾的情况下输送流体燃料，其中毫无疑问也可能的是，输入其他的燃料。按照希望的燃料输送的喷入深度，应通过设置适当的喷嘴轮廓以选择雾化度。在一个最大的喷入深度情况下，该燃料喷嘴可被设置为单纯的孔喷嘴，通过它燃料以一个燃料射束的形式被喷入。
按照在沿燃烧器轴线的什么区域中设置所述另外的燃料输送结构，这个相对燃烧器轴线的夹角-以该夹角燃料沿径向从外边被喷入到涡旋流中-被选择在90°(也就是说燃料输入垂直于燃烧器轴线地实现)和一个更大夹角直至最大180°(也就是说燃料输入平行于燃烧器轴线地在涡旋流的流动方向上实现)之间。
作为优选，一种附加的燃料送入结构适合于在混合管的区域中，该混合管可以具有通过一个直中空圆筒形构成的内壁或一个扩压器结构形式构造轮廓的内壁。在后者的情况中适合于将该附加的燃料输送结构设置在沿混合管的最小流通横截面的位置上，也就是说，设置在通过流通横截面收缩导致的最大轴向流动速度的区域中。
另外试验可以证明的是，通过预混燃烧器结构配置即使在附加的燃料的送入结构位于涡旋发生器和混合管之间的过渡件区域中也能实现一个最佳化的沿流动方向的燃料剖面。在这种情况下，已经证明特别有利的是，使燃料送入通过垂直于燃烧器轴线指向的燃料喷嘴输入到沿轴向扩展的空气燃料混合物中。类似好的结果可以借助一种在涡旋发生器之区域中的燃料送入结构来实现，其中该附加的燃料送入结构则从这个切向上限定该旋流室的部分锥体壳之侧面上实现。
与现今实际上仅从燃烧器中央喷入燃料相比，即借助一个在涡旋发生器之区域中安置的燃料喷嘴-其被定位在涡旋发生器之最小的流通横截面中-，以按解决方案的措施，能使输送到燃烧器的燃料的质量流为优化燃烧器流场而适配。因此特别需要，在燃气涡轮机设备运行时使燃烧过程适配于燃气涡轮机设备的相应的负荷点，也就是说，该燃料输入相应地既可选择通过中央的沿燃烧器轴线定向的燃料喷嘴，又可选择通过径向上围绕燃烧器轴线在燃烧器壳体上设置的、另外的燃料输送，以便获得一个在整个流通横截面中尽可能均匀的燃料-空气混合物。通过这种至少两级的燃料输送结构-也就是说，这第一级对应于中央的燃料输送结构和第二级则对应于在径向上往内指向到该流场中的燃料输送结构-能实现一个和燃气涡轮机设备的相应的运行点或负荷点最佳适配的燃料的分布，这样导致微小的排放，较微小的脉动和与此相关地导致一个更大的燃烧器运行区域。
附图说明
下面参考附图借助实施例示范性地阐述本发明但并不限制本发明一般的构思。
图1是通过一个燃烧器配置方案的纵剖图，其具有一个锥形构造的预混燃烧器和连接的混合管，混合管具有一个在该混合管中相对燃烧器轴线以一个夹角α布置的另外流体燃料输送结构，
图2是与图1之实施例相比而言具有垂直于燃烧器轴线定向的流体燃料送入结构，也就是说，α＝90°，
图3是与图2之实施例相比而言具有集成在过渡件中的流体燃料输送结构，以及
图4是与图3相比而言具有集成在涡流产生器中的流体燃料输送结构。
具体实施方式
图1-4是通过一个燃烧器装置的纵剖图，其具有一个锥形构造的预混燃烧器1，其上向下游沿燃烧器轴线A连接一个过渡件2，过渡件本身向下游连接一个混合管3。未在图1-4中描述一个相对混合管3在下游要被设置的燃烧室，其应用于驱动一个燃气涡轮机设备。
在图1-4中分别示出的预混燃烧器1被构造为公知的双锥体燃烧器并且用两个部分锥体壳5限定一个锥形的沿燃烧器轴线A在流动方向(见箭头指示)上扩张的旋流室6。在该锥形扩张的旋流室6的最小内横截面区域中相对燃烧器轴线A轴向地设置一个中央流体燃料喷嘴11，通过该喷嘴形成一个相对燃烧器轴线A尽量对称的燃料喷雾12。通过相对旋流室6切向延伸的空气入口缝槽7(其被分别两个部分锥体壳5限定)，燃烧用空气L以一个围绕燃烧器轴线A指向的涡旋到达旋流室6中，其与气态燃料相混合，气态燃料由沿空气入口缝槽7纵向分布布置的燃料输送结构8排出。以此方式在旋流室6内形成的燃料-空气混合物-其燃料份额不仅由气态燃料而且由流体燃料组合构成-以涡旋流的形式通过一个过渡件2到达混合段3中，过渡件2设置了获得或支持流动涡旋的流动导向件9，混合段3在最简单的情况下被设置为中空圆筒形构成的混合管4。在所有的附图中，混合管4的描述出于简化绘图的原因示出了两个不同构造的半个面，其分别代表不同的混合管。在相应的上面的部分剖面半个中，混合管4具有一个画出轮廓的内壁，其被构造为一个扩压器的形式，并具有一个在流动方向上收敛的、一个最小的、以及一个扩大的流动横截面。与此相反，在纵剖图中表示的混合管4的下面半个则代表一个具有直圆筒形构成之内壁的混合管。为了进一步区分在这些图中表示的混合管的相应上面和下面的半个则将按照上面图描绘的混合管用A1，A2，A3或A4表示，而按照下面实施例变型方案的混合管则分别用B1，B2，B3或B4表示。
在图1的实施例中，在混合管4的区域中设置一个另外的燃料输送结构13，通过燃料输送结构一种燃料FB，例如油以一个相对燃烧器轴线A的夹角α被送入。在一个按照上面部分剖图A1表示的混合管结构方案情况中，在混合管内壁上的燃料输送结构13通入在最小流动横截面的区域中。为了在燃料输送结构13的区域中获得一个围绕燃烧器轴线A尽可能对称的燃料分布，在混合管4内部应集成至少两个最好是多个相互分开布置的燃料输送结构13。单个燃料输送结构13的出口最好是置于一个共同横截面中，横截面垂直相交于燃烧器轴线A。一般地，燃料输送管13通常通过传统孔喷嘴(Lochdüsen)通在混合管4的内壁上，但是也可以为了最佳化地燃料提供以产生一种很细雾化的燃料喷雾而具有合适宜的喷嘴出口型廓。同样地可以想到设置一个通用地在混合管4的内壁上环绕的缝隙喷嘴，通过它燃料可以围绕燃烧器轴线A环状均匀分布地被送入到混合段的空间中。在下面图示B1中的实施例则设置具有一个直中空圆筒形构造的内壁的混合管4，沿着内壁同样以一个夹角α使燃料被排入到混合管4的内部。在实施例情况B1中，可以应用及转用对于情况A1所描述的燃料输送结构13之变型实施例和设置方案。
在图2的实施例中，在混合管4的区域中的燃料输送结构13分别垂直于燃烧器轴线A。在图2中A2的实施例情况中，燃料输送结构13同样通入在最小流动横截面之区域中。在B2的情况中，原则上说是燃料输送结构13沿混合管实现在什么位置无关紧要，但是出于使输入的燃料FB的尽可能完全的充分混合和形成一均匀的燃料-空气混合物的原因，有利的是在一个尽可能中间的或相对混合管中央向上游的轴向位置。
在图3的实施例中，燃料输送结构13在过渡件2的区域中。除了理论上可能的以一个相对燃烧器轴线A大于90°的夹角α的燃料输入以外，已经证明特别有利的是，在该区域中燃料输送结构分别垂直于燃烧器轴线A，也就是说，α＝90°，特别是对这类燃料输送结构可确保过渡件2内该输入的燃料之最大的滞留时间和与此相关的完全的充分混合。
最后图4的实施例规定该燃料输送结构在预混燃烧器1的区域中。依此燃料输送结构13被集成在预混燃烧器1的部分锥体壳5中直接在过渡件2的上游。
原则上说可能的是，将该另外的燃料输送结构13如在图1-4中具体描述的不同的配置方案相互组合。但是在这些另外燃料输送结构的所有的组合设置方案和变型方案中应该注意的是，在符合流动横截面内尽可能的均匀地形成燃料分布的条件下使所述燃料输入到形成在燃烧器结构内部的涡旋流的边缘附近区域中，以便尽可能地避免一个发生在沿涡旋流的流动横截面上的发生的燃料梯度。
-借助本发明的另外的燃料输送结构的措施可以实现下面的优点：
-可以稳定在燃烧器内形成的火焰位置。
-可以实现微小的关于CO-，UHC-以及NOX-有害物排放的排放。
-它产生微小的燃烧室脉动，也就是说，该燃烧器结构可以几乎无振动地运行的稳定区域可以被明显地扩大。
-通过涡旋流内均匀的燃料分布确保了燃烧器内燃料的完全燃烧。
-原则上说本发明措施能实现一个更大的运行区域，特别是在更大结构形式的燃烧器情况下能实现燃料的一个更加优化的分布。
-本发明措施可导致一个用于燃料运行的雾化预压或喷入预压的减小并且可实现燃料-空气混合物一个改善的预混合。
附图标记列表
1-预混燃烧器，2-过渡件，3-混合段，4-混合管5-部分锥体壳，6-旋流室，7-空气入口缝槽，8-燃料输送管道，9-流动导向件，10-n.n.11-中央燃料喷嘴，12-燃料喷雾，13-燃料输送结构，A-燃烧器轴线，L-燃烧用空气。

Claims (13)

1.用于热发生器的具有混合段(3)的预混燃烧器，具有相互补充形成旋流体的部分锥体壳(5)，部分锥体壳(5)包围锥形扩张的旋流室(6)并相互限定相切的空气入口缝槽(7)，沿着其分布地设置了用于一种燃料的输送结构(8)，预混燃烧器还具有至少一个沿着在中心贯穿旋流室(6)的燃烧器轴线(A)布置的燃料输送结构(11)以用于另外的燃料以及具有在下游通过过渡件(2)连接到旋流体上的混合管(4)，其特征在于：
至少一个另外的燃料输送结构(13)被设置在该旋流体的区域中、过渡件(2)的区域中和/或混合管(4)的区域中。
2.按权利要求1的预混燃烧器，其特征在于：
该另外的燃料输送结构(13)以夹角α实现，其中90°≤α≤180°，α描述了一个交角，以这个交角被输入到旋流室(6)中的、到过渡件(2)的区域中的和/或混合管(4)的区域中的燃料与燃烧器轴线(A)相交。
3.按权利要求1或2的预混燃烧器，其特征在于：
该另外的燃料输送结构(13)设置至少两个燃料喷嘴，通过其燃料在形成燃料喷雾的情况下可以被排出。
4.按权利要求3的预混燃烧器，其特征在于：
所述至少两个燃料喷嘴关于燃烧器轴线(A)轴对称地布置。
5.按权利要求3或4的预混燃烧器，其特征在于：
所述至少两个燃料喷嘴位于垂直相交于燃烧器轴线(A)的横截面中。
6.按权利要求1-5之一的预混燃烧器，其特征在于：
在旋流体的区域中设置的燃料用燃料输送结构(13)设置至少两个关于燃烧器轴线(A)对称布置的燃料喷嘴，其在过渡件(2)附近分别集成在部分锥体壳(5)中或部分锥体壳(5)上。
7.按权利要求1-6之一的预混燃烧器，其特征在于：
在过渡件(2)的区域中设置的燃料用的燃料输送结构(13)设置至少两个的关于燃烧器轴线(A)对称配置的燃料喷嘴，其被设置在相对过渡件(2)的轴向长度的中央或相对这个位置的上游。
8.按权利要求1-7之一的预混燃烧器，其特征在于：
在混合管(4)的区域中设置的燃料用的燃料输送结构(13)设置至少两个关于燃烧器轴线(A)对称布置的燃料喷嘴，其被设置在相对混合管(4)的轴向长度的中央或相对这个位置的上游。
9.按权利要求8的预混燃烧器，其特征在于：
所述混合管(4)具有沿轴向延伸的扩压器形式构造的内壁型廓，该内壁型廓具有一个在流动方向上收敛的、最小的以及扩张的流通横截面，并且所述至少两个燃料喷嘴设置在最小流通横截面的区域中。
10.用于使具有混合段(2)的预混燃烧器运行的方法，该预混燃烧器用于热发生器，该预混燃烧器具有相互补充形成旋流体的部分锥体壳(5)，该部分锥体壳(5)包围锥形扩张的旋流室(6)并相互限定相切的空气入口缝槽(7)，通过空气入口缝槽空气进入并且沿着缝槽气态燃料输入到旋流室(6)中并形成涡旋流形式构成的燃料-空气混合物，预混燃烧器还具有至少一个沿着在中心贯穿旋流室(6)的燃烧器轴线(A)布置的燃料输送结构(11)，借助它使流体燃料轴向地输入到旋流室(6)中，该流体燃料与在下游通过过渡件(2)连接到旋流室(6)上的混合管(4)内的涡旋流共同地混合为均匀的燃料-空气混合物，其特征在于：
在该旋流体的区域中，在过渡件(2)的区域中和/或在混合管(4)的区域中实现至少一个另外的燃料输送(13)，以便使燃料以液体燃料射束的形式或燃料喷雾的形式或气态喷入的形式以相对燃烧器轴线(A)为α的角地输入，其中90°≤α≤180°。
11.按权利要求10的方法，其特征在于：
使燃料输送(13)关于燃烧器轴线(A)对称地实现。
12.按权利要求10或11的方法，其特征在于：
使燃料输送(13)通过至少两个位于一个共同的垂直相交于燃烧器轴线(A)的横截面中的燃料输送位置(13)实现。
13.按权利要求10-12之一的方法，其中该热发生器是用于驱动燃气涡轮机设备的燃烧室，其特征在于：
使燃料输送(13)根据燃气涡轮机设备的负载点以定量方式实现。
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