CN102159890A - 流体燃料燃烧器装置和制造燃烧器装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃烧设备的燃烧器装置(20)，用于燃烧流体介质、燃料和/或惰性物质，尤其燃料油和/或燃料气体，其中，为每一种燃料类型和/或惰性物质设至少一个介质输入装置(1、2、8、9、12、13、16)、一个空气输入装置(3、4)和一个设计为固定的涡流叶片(6、7)的空气与介质混合装置(6、7)，它们设计在一个互相连接的燃烧器金属外壳的壁内。至少一个介质输入装置(9、13、16)沿相应的分隔壁通过至少一个留空的，尤其绝热的间隙(33、43)，与燃烧器外壳与之毗邻的区域隔开，从而在留空的绝热间隙(33、43)区域内，减小燃烧器外壳相邻区域之间，尤其相邻介质输入装置(9、13、16)之间的热交换。此外，至少两个介质输入装置(9、13、16)设计为单个的模件(30、40、50)。

Description

流体燃料燃烧器装置和制造燃烧器装置的方法

技术领域

本发明涉及具有在各自独立权利要求前序部分中所述特征的一种燃烧流体介质的燃烧设备的燃烧器装置和一种制造燃烧器装置的方法。

背景技术

鉴于世界性降低燃烧设备，尤其燃气轮机有害物质排放量的努力，最近几年开发了一些燃烧器，它们有特别少的氮氧化物(NOx)排放量。在这方面非常关注的是，燃烧器不仅可以用一种燃料工作，而且尽可能可以用不同的燃料，例如油、天然气和/或煤气，按选择或联合工作，以提高供应安全性和工作灵活性。例如在EP0276696B1中介绍了这种燃烧器。

在针对所有可能的不同使用条件和动力燃料来设计燃烧器时，存在的一个疑难问题是，在运行时各种动力燃料具体所需要的流量各不相同，所以难以对于所有的动力燃料使用相同的输送系统和相同的喷口。因此在现有技术中已知，为液态和气态介质使用不同的输送系统。

但是，若应选择使用单位热值完全不同的气态燃料时，例如天然气和煤气，还产生另一个疑难问题。在使用这两种燃料时不同的相对容积比和在它们燃烧时不同的化学过程，需要修改或扩展已知的系统。

众所周知，为了在规定的运行状态下减少有害物质排放量，喷入附加的惰性物质，尤其水或水蒸气，由此降低燃烧温度并因而减小有害物质NOx排放量。此外由WO89/08803A1已知，例如在使用重油作为燃料时，还应在喷入物中搀和添加剂，以避免损坏下游的燃气轮机构件。

由DE-PS1240706还已知，对于航空发动机将燃料通过导流叶片中的孔均匀分布地喷入，以缩短下游燃烧室的结构长度。

由EP0276696B1已知一种用于煤气和油预混合工作的混合型燃烧器，尤其使用于燃气轮机装置。这种燃烧器由一个中央控制燃烧器系统组成，它可以用煤气和/或油作为所谓的扩散燃烧器或特殊的预混合燃烧器工作。附加地规定输入惰性物质的可能性。所述控制燃烧器系统被主燃烧器系统围绕，主燃烧器系统有一个输入空气的环形通道系统和处于其中的包括多个叶片的涡流叶片组，用于与煤气预混合工作。此外还在主燃烧器系统中，在涡流叶片组区域内，存在一些用于油的进口喷嘴，它们可以实施主空气流与油的预混合。

由DE3819898A1已知另一种燃气轮机的燃烧器，其中，涡流叶片有至少部分在叶身上有一些出口孔的空心叶片，它们与一个流体介质输送系统连接。

在这种燃烧器中，也可以如例如在EP0193838B1中说明的那样，规定添加一种惰性物质，优选地水或水蒸气。由此，如已提及的那样，在燃烧过程中进一步减少生成氮氧化物。

DE4212810B4和源于它的EP0580683B1介绍了最接近本发明的现有技术。在这里的前提条件是，在燃烧低热值的燃料气体时，不需要采取任何特殊的降低有害物质排放量的措施，因为在燃烧这些气体时不产生很高的火焰温度，并因而实际上仅保持微量生成NOx。因此创造一种更加简单的输送系统就足以满足要求，但是此时必须注意，该系统不对其他系统产生不利的影响，以及在其他系统运行时也不降低运行安全性。因此重要的是，另一个环形通道在入流侧汇入用于不同燃料的出口喷嘴上方。以此方式，当燃烧器通过出口喷嘴供给不同类型的燃料时，易燃混合物不会进入所述另一个环形通道内。

然而，这些已知的建议，亦即将一个燃烧器变换为包括两个组合的气体级和一个油级，实际上不能实现，因为采用它们不能令人满意地满足强度准则。尤其是热负荷和热引起的应力负荷提出了如此高的要求，以致例如需要复杂的强制冷却。此外，燃烧器的外壳通常制成整体铸件，在这种情况下在有多个通道时要采用非常复杂的铸造工艺才能达到。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，实现一种燃烧器装置，它包括多个规定用于不同工作介质可彼此独立控制的介质输入系统，以及在这里，既可以达到结构上简单易行，而且可以达到降低热应力并由此延长燃烧器装置的使用寿命。

按本发明用于燃烧流体介质、燃料和/或惰性物质，尤其燃料油和/或燃料气体的燃烧设备的燃烧器装置，针对每一种燃料类型和/或惰性物质有至少一个介质输入装置、一个空气输入装置和一个设计为固定的涡流叶片的空气与介质混合装置，它们以一种已知的方式设计在一个互相连接的燃烧器金属外壳的壁内。

为解决本发明的所述技术问题，至少一个介质输入装置沿相应的分隔壁通过至少一个留空的，称为绝热的间隙，与燃烧器外壳与之毗邻的区域隔开，从而在留空的绝热间隙区域内，减小燃烧器外壳相邻区域之间，尤其相邻介质输入装置之间的热交换。通过如此减小热交换，显著降低在燃烧器装置壁内的热应力。

但由于难以在整体式的铸造外壳内制造这种绝热间隙，所以按本发明的一项特别优选的设计，至少两个介质输入装置设计为单个的彼此顺序排列的模件，它们通过一个至少在一侧的接触凸起的预定的横截面，借助接缝措施互相接合，其中，接触凸起至少局部围绕留空的绝热间隙。采用按本发明的模件结构，允许比较简单和便宜地生产按本发明的燃烧器装置。

用于拼合所述设计为单个的模件的介质输入装置的接缝措施，优选地采取熔焊、钎焊、螺钉连接/铆接或压配合。

所述至少一个接触凸起的预定的横截面，优选地是一个以这样的方式最小化的表面，即，使得沿所述横截面拼合的模件之间热交换最小，以及另一方面，使燃烧器装置各模件之间力的传递有一种为了持久运行足够高的强度。由此减小在模件结构的模件之间的金属热桥以及限制热传递。

此外特别有利的是，在至少一个涡流叶片中设至少一个附加的独立介质输入装置，用于输入流体介质，尤其一种燃料，尤其燃料气体。它优选地设计为具有相应出口喷嘴的第二附加输入通道的形式。

按本发明的装置允许通过所述附加的介质输入装置输入的流体介质可以独立控制。

所述至少一个留空的绝热间隙优选地充填空气混合物或气体混合物，以及可以与大气或燃烧器装置内腔连通。按另一种可选择的设计，所述间隙也可以抽成真空。

在按本发明的燃烧器装置中，至少介质输入装置基本上设计为环绕和/或环形地和/或旋转对称地围绕燃烧器装置的纵轴线。

另一方面本发明的技术问题通过一种制造按上述优选的设计之一的燃烧器装置的方法得以解决。

此技术问题尤其采取下列措施解决：

- 至少两个介质输入装置设计为单个的模件，以及

- 通过至少一个至少在一侧的接触凸起预定的横截面，借助接缝措施传力式互相接合，其中，接触凸起至少部分围绕留空的绝热间隙。

按本发明制造方法的另一项优选的设计，设计为单个的模件的介质输入装置的拼合，采用熔焊、钎焊、螺钉连接/铆接或压配合。

按方法的一项优选的设计，单个的模件优选地通过浇注法生产。

对于燃烧器装置的制造特别有利的是，单个的模件至少局部切削加工，尤其为了制成至少一个凸起和/或留空的绝热间隙。在这方面有利的是，切削加工法已高度发展和便宜。

最后，间隙的绝热效果还可以如下所述进一步优化，所述至少一个接触凸起预定的横截面，设计为一个以这样的方式最小化的表面，即，使拼合的模件之间沿所述横截面的热交换最小，以及另一方面，使燃烧器装置各模件之间力的传递达到一种为了持久运行足够高的强度。

附图说明

下面借助附图表示的实施例说明本发明。其中：

图1表示由EP0580683B1已知的燃烧器装置；

图2表示通过已知的燃烧器装置剖开示出的局部横截面图；

图3表示按本发明的涡流叶片原理图，它有两个组合在内可彼此独立控制的气体级；

图4表示按本发明的模件式燃烧器装置拼合前的局部横截面图；以及

图5表示按本发明的模件式燃烧器装置的局部横截面图。

具体实施方式

图1表示按现有技术的燃烧器装置20，它必要时与多个同类装置连接可以例如安装在燃气轮机装置的燃烧室内。

它由一个在里面的部分、控制燃烧器系统、一个与之同心的在外面的部分和主燃烧器系统组成。这两个系统适合于用气态和/或液态燃料按任意组合工作。控制燃烧器系统由一个中央输油装置1(介质G)和一个同心地围绕它的内部气体输入通道2(介质F)组成。控制燃烧器系统又被一个绕燃烧器轴线同心配置的内部空气输入通道3(介质E)围绕。

在所述通道内或通道处，可设一个适用的点火系统，对此已知有许多设计可能性，因此在这里省略对它们的说明。中央输油装置1在其端部有一个喷油嘴5，以及内部空气输入通道3在其端部区有一个涡流叶片组6。控制燃烧器系统1、2、3、5、6可以按一种已知的方式，亦即主要作为扩散燃烧器工作。它的任务是维护主燃烧器稳定燃烧，因为主燃烧器大多使用有不稳定趋势的贫混合物工作。

主燃烧器系统有一个同心于控制燃烧器系统布置并相对于它倾斜地通入的输送空气的外部环形通道系统4。此输送空气的环形通道系统4也设有涡流叶片组7。所述涡流叶片组7由空心叶片组成，它们在输送空气的环形通道系统4(介质A)的流动截面内有出口喷嘴11。出口喷嘴11由输入管道8和环形通道9通过孔10供给介质B。此外，燃烧器还有一个用于介质C的输入管道12，它汇入环形通道13中，环形通道13在涡流叶片组7区域内或其下方有用于介质C的出口喷嘴14。

图中还勾画出介质C的射束15。按本发明，燃烧器附加地有另一个用于介质D的煤气输入通道16。它就在具有出口喷嘴11的涡流叶片组7上面汇入外侧的输入空气的环形通道系统4，确切地说在其内侧，从而使两者基本上共同构成一个扩散燃烧器。在这里重要的是，在用介质B(例如天然气)工作时，这种介质不可能在边缘或在煤气输入通道16内再循环，这会降低运行可靠性。煤气输入通道16也应不干扰在其入口下方的流动，保持介质B和C良好的燃烧特性不变。若煤气输入通道16在介质B出口喷嘴11下方或介质C出口喷嘴14下方汇入，则将在这些地方造成横截面扩张和干扰边缘流动。

图2表示通过已知的燃烧器装置20剖开示出的局部放大横截面图。此燃烧器装置是圆形的，所以人们可以将环形通道9和13想像为圆环形。

因此图1中的主燃烧器区域可以类似地实现。涡流叶片组7只有包括出口喷嘴11的输入通道，出口喷嘴11优选地规定用于喷入气态介质B。沿流动方向在它们的下方设一个出口喷嘴14，用于喷入优选地液态的介质C。沿圆环形的环形通道13设多个出口喷嘴14，从而可以实现介质C均匀地喷入同样圆环形的燃烧器腔内。

与图1所示相反，在此图中只有气体输入管道和油输入管道，由此可以清楚看出，如前言已说明的那样，要在燃烧器装置20整体的铸造外壳内设置一个附加的气体输送装置是一个技术难题。

图3表示按本发明的涡流叶片组7原理图，它包括两个集成的可彼此独立控制的气体级B和D。

按本发明，涡流叶片组7有两个相互独立的输入通道11和21。其中一个具有出口喷嘴11的输入通道可例如使用于喷入介质D，而第二个输入通道21通过出口喷嘴24喷入介质B。优选地，这两种通过涡流叶片组7输入通道喷入的介质是气态的，例如其中一种是天然气和另一种是煤气。在需要时同样可以通过这些出口喷嘴11和/或21喷入惰性物质，如水蒸气。

图4表示按本发明的燃烧器装置20横截面图，包括一个按本发明模件结构拼合前的主喷嘴组件60。

按图示的设计，模件结构的主喷嘴组件60有三级30、40和50。按另一些设计也可以按本发明的相同方式拼合不同的级数。

每一级30、40、50有倾斜的外边缘，它优选地成形为沿介质在燃烧器内的流动方向收缩的圆锥形。在此倾斜的外边缘内，沿圆周分别设多个出口喷嘴31、41和51。

例如，设在上游的两级30和40用作气体级，而设在下方或下游的级50用作油级。按一项优选的设计，这两个气体级30和40可以在固定的具有双重通道11、21的涡流叶片组7内分别供入一种不同的气体介质，或按另一项优选的设计，通过设置的另一些出口喷嘴在燃烧器的主燃烧室内分别供入一种不同的气体介质。

按本发明设计为单个的模件的级30、40和50可以比较容易制造。例如它们首先可以制成一个铸件，接着在重要的工作面进行切削加工。

按一项特别优选的设计，在模件级30、40和50之间各自分界面内，例如借助在浇注时留空或通过切削加工，分别制成凹槽33、43。在这里形成接触凸起32和42，它们优选地设在模件级内侧和外侧，以及构成一个设计为槽的间隙33和43。

每个设计为环形的级30、40、50包含至少一个接头34、44、54，相应的工作介质，气体、油或惰性物质经由它们输入。因此各种工作介质的输入可以彼此独立进行。

级30、40和50各有一个内腔35、45和55，它规定用于安装燃烧器装置20的其他组成部分。

在下一个步骤中将设计为模件的级30、40和50彼此叠置，以及在接触凸起32和42处传力式连接。

所述传力式连接可例如通过钎焊或熔焊实现，在这方面可动用多种成熟的工艺方法。此外，按另一项可选用的设计，取代不可拆式连接，如焊接，可以采用可拆式螺钉连接，以便能拆卸模件式燃烧器组件。

图5表示按本发明的燃烧器装置20横截面图，它包括一个图4中按本发明模件结构拼合后的主喷嘴组件60。

传力式拼合的模件级30、40和50有一个贯通的内腔，它由各模件级30、40和50的内腔35、45和55组成。内腔35、45和55例如用于安装如图1中所示的控制燃烧器1、2、3、5。

在已拼合的模件级内，凹槽33、34形成间隙，所述间隙将相邻模件相互绝热。因此在间隙内尤其还可以加入一种导热差的气体。也可以设想将间隙抽成真空，以抑制对流换热。

在按本发明的燃烧器装置工作时，可以例如在主喷嘴组件60的内部达到稳定的温度分布，其中模件30约为0℃，设在其后的模件40约为120℃，以及设在最接近火焰前缘的模件50约有240℃。

Claims (14)

1.一种用于燃烧设备的燃烧器装置(20)，用于燃烧流体介质、燃料和/或惰性物质，尤其燃料油和/或燃料气体，其中，为每一种燃料类型和/或惰性物质设至少一个介质输入装置(1、2、8、9、12、13、16)、一个空气输入装置(3、4)和一个设计为固定的涡流叶片(6、7)的空气与介质混合装置(6、7)，它们设计在一个互相连接的燃烧器金属外壳的壁内，其特征为：所述至少一个介质输入装置(9、13、16)沿相应的分隔壁通过至少一个留空的间隙(33、43)，与燃烧器外壳的与之毗邻的区域隔开，从而在留空的间隙(33、43)区域内，减小燃烧器外壳相邻区域之间，尤其相邻介质输入装置(9、13、16)之间的热交换。

2.按照权利要求1所述的燃烧器装置(20)，其特征为，至少两个介质输入装置(9、13、16)设计为单个的彼此顺序排列的模件(30、40、50)，它们通过一个至少在一侧的接触凸起(32、42)预定的横截面，借助接缝措施互相接合，其中，接触凸起(32、42)至少局部围绕留空的间隙(33、43)。

3.按照权利要求2所述的燃烧器装置，其特征为，用于拼合所述设计为单个的模件(30、40、50)的介质输入装置(9、13、16)的接缝措施，采取熔焊、钎焊、螺钉连接/铆接或压配合。

4.按照前列诸权利要求2至3之一所述的燃烧器装置，其特征为，所述至少一个接触凸起(32、42)的预定的横截面，是一个以这样的方式最小化的表面，即，使得沿所述横截面拼合的模件(30、40、50)之间热交换最小，以及另一方面，使燃烧器装置各模件之间力的传递有一种为了持久运行足够高的强度。

5.按照前列诸权利要求之一所述的燃烧器装置(20)，其特征为，在至少一个涡流叶片(7)中设至少一个附加的独立介质输入装置(21)，用于输入流体介质，尤其一种燃料，尤其燃料气体。

6.按照权利要求5所述的燃烧器装置，其特征为，通过所述附加的介质输入装置(21)输入的流体介质独立控制。

7.按照前列诸权利要求之一所述的燃烧器装置，其特征为，将所述至少一个留空的间隙(33、43)充填空气混合物或气体混合物。

8.按照权利要求7所述的燃烧器装置，其特征为，将所述至少一个留空的间隙(33、43)抽成真空。

9.按照前列诸权利要求之一所述的燃烧器装置，其特征为，至少介质输入装置(1、2、8、9、12、13、16)设计为围绕燃烧器装置(20)的纵轴线回转式和/或环形的和/或旋转对称的。

10.一种制造按照前列诸权利要求之一所述燃烧器装置的方法，其特征为：

-至少两个介质输入装置(9、13、16)设计为单个的模件(30、40、50)，以及

-通过至少一个至少在一侧的接触凸起(32、42)预定的横截面，借助接缝措施传力式互相接合，其中，接触凸起(32、42)至少部分围绕留空的间隙(33、43)。

11.按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，设计为单个的模件(30、40、50)的介质输入装置(9、13、16)的拼合，采用熔焊、钎焊、螺钉连接/铆接或压配合。

12.按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，所述单个的模件(30、40、50)通过浇注法生产。

13.按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，所述单个的模件(30、40、50)至少局部切削加工，尤其为了制成至少一个凸起(32、42)和/或留空的间隙(33、43)。

14.按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，所述至少一个接触凸起(32、42)的预定的横截面，设计为一个以这样的方式最小化的表面，即，使拼合的模件(30、40、50)之间沿所述横截面的热交换最小，以及另一方面，使燃烧器装置各模件之间力的传递达到一种为了持久运行足够高的强度。

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