CN102165258A - 燃料喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料喷嘴，包括喷管(2)和喷嘴出口(10)，其中，喷管(2)与燃料输入管连接，用于将燃料输入喷管(2)内，此时，燃料从喷嘴出口(10)喷入基本上环形围绕燃料喷嘴的空气流(8)中，以及，一直延伸到喷嘴出口(10)的第一喷管段(4)设计为花朵状(6)，确切地说，设计为能实施将燃料基本上同轴地喷入空气流(8)内。

Description

燃料喷嘴

技术领域

本发明涉及一种燃料喷嘴，包括喷管和喷嘴出口，其中，喷管与燃料输入管连接，用于将燃料输入喷管内，此时，燃料从喷嘴出口喷入基本上环形围绕燃料喷嘴的空气流中，以及一个一直延伸到喷嘴出口的第一喷管段设计为花朵状，确切地说，设计为能实施将燃料基本上同轴地喷入空气流内，在这里，喷嘴出口有一个设计为圆锥形封闭的花柱头(Blütennarbe)。

背景技术

天然气价格上升使得有必要进一步开发替代燃料。这例如是低热量的可燃气体，下面也称合成气。原则上可以由固体、液态和气态原始材料进行合成气的制造。对于用固体原料生产合成气，尤其可列举煤的气化、生物物质气化和焦炭气化。

鉴于对氮氧化物排放量日益严格的要求，在燃烧低热量可燃气体的情况下，预混燃烧装置也具有越来越重要的意义。

预混燃烧器典型地包括一个预混区，空气和燃料在其中混合，然后将混合物引入燃烧室。混合物在燃烧室燃烧，在此过程中产生处于高压状态的燃气。这种燃气被进一步导向涡轮机。与预混燃烧器的运行相结合，尤为重要的是保持低的氮氧化物排放和避免火焰反冲。

合成气预混燃烧器的特征在于，在其中使用合成气作为燃料。与传统的涡轮机燃料，亦即基本上由碳氢化合物组成的天然气和石油相比，合成气的可燃成分主要是一氧化碳和氢。取决于气化方法和整个设备的设计方案，合成气的热值比天然气大约小5至10倍。

由于热值低，所以必须在燃烧室内引入大体积流量的可燃气体。其结果是，为了燃烧低热量的燃料，例如合成气，需要比在传统高热量可燃气体的情况下有大得多的喷入截面。然而为了达到低的NOx值，必要的合成气可以按预混工作模式燃烧。

除了合成气的化学计量的燃烧温度外，在火焰前缘合成气与燃烧用空气之间的混合物质量，对于避免温度峰值并因而对于将高温氮氧化物的生成减小到最低程度是重要的影响参数。燃烧用空气与合成气在空间的良好混合，由于所需合成气大的体积流量和混合区比较大的空间尺寸，所以特别困难。另一方面，出于环境保护和针对有害物排放相应的法律指令的原因，要有尽可能少的氮氧化物排出量，已经对燃烧器，尤其对电站燃气轮机设备中的燃烧器提出了严格的要求。氮氧化物的生成随燃烧的火焰温度成指数关系快速增加。在燃料与空气不均匀混合时，导致在燃烧区火焰温度的某种分布。这种分布的最大温度，按已提及的氮氧化物生成与火焰温度的指数关系，决定性地确定不期望生成的氮氧化物的量。

为了保证燃料与空气之间充分混合，各燃料射束必须在空气质量流量内有足够的侵入深度。然而与高热量可燃气体，如天然气相比，需要比较大的自由喷入截面。其结果是，燃料射束敏感地干扰空气流，从而最终导致在燃料射束的尾流区内空气流局部分离。在燃烧器内部形成这种回流区是不希望的，尤其在燃烧高反应性合成气时无论如何应当避免。在极端情况下，在燃烧器混合区内部的这种局部回流区，导致在预混区内火焰反冲并因而导致燃烧器损坏。

合成气的高反应性尤其在氢含量高时还会增大火焰反冲的危险。

此外，对于合成气必要的较大的喷入截面，通常还导致空气与合成气不良的预混合，由此正好造成那种不希望的高NOx值。由于大的体积流量，也往往在喷入过程产生压力损失。

合成气与空气的混合，例如在EP1645807A1中那样借助涡旋元件进行，或通过横向于空气流喷入合成气。然而这些均会导致不希望的大的压力损失，并可能引起不希望的会导致火焰反冲的尾流区。

发明内容

从所述疑难问题出发，本发明要解决的技术问题是提供一种尤其用于输入合成气的燃料喷嘴，它能达到在燃烧时生成很少量的氮氧化物。

此技术问题通过提供一种燃料喷嘴得以解决，它包括喷管和喷嘴出口，其中，喷管与燃料输入管连接，用于将燃料输入喷管内，此时，燃料从喷嘴出口喷入基本上环形围绕燃料喷嘴的空气流中，以及一直延伸到喷嘴出口的第一喷管段设计为花朵状，确切地说，设计为能实施将燃料基本上同轴地喷入空气流内，在这里，喷嘴出口具有一个设计为圆锥形封闭的花柱头。

本发明从下列事实出发：正是对于大体积流量的燃料例如合成气，必须提供大的喷入截面，而这又与高的压力损失相联系。但是除此之外为了达到良好的NOx值，恰恰又需要具有良好混合的预混模式。然而在现有技术中利用的涡旋元件以及燃料流横向于空气流的入流，均导致不希望的大的压力损失，这又会造成不良的NOx值。

对此，本发明基于下述认识：在合成气流之间大的接触面可以造成混合的明显改善。这一效果在燃料流与空气流有不同流速时尤为重要。这是由于第一喷管段的花朵状设计引起的。此外，通过第一喷管段的花朵状设计，在型面后缘形成第二流场，亦即希望的可计算的涡旋，这又使混合改善。尤其当燃料流与空气流有不同流速时这是有利的。此外，第一喷管段按本发明的花朵状设计，可以将燃料同轴地喷入空气流中。由此避免不希望的大的压力损失。其结果是允许喷嘴以预混模式工作，即使在燃料有大体积流量时，例如对于合成气便属于这种情况。

按本发明现在燃料喷嘴的喷嘴出口有一个设计为圆锥形封闭的花柱头。通过这种围绕花朵状喷嘴出口的中心对称布置的花柱头，迫使燃料与空气大面积连续混合。这尤其对于通过喷嘴出口的中心区导引的燃料是有利的。由于喷嘴出口设计有花柱头，可以说增大了燃料与空气之间的接触面，这对于混合有积极的效果。不过除此之外燃料可以同轴地流入空气流中，由此尽管改善混合，只是会产生可忽略不计的压力损失。

优选地，花柱头沿流动方向逐渐变成尖顶。

优选地，花柱头设计为双圆锥形。由此可以避免边界层分离以及降低由于回流区造成火焰反冲的危险。

按优选的设计，花柱头有凹口。这些凹口与各个花瓣对应或与型面后缘对应地加工在花毂(Blütennabe)上。这些凹口主要用于为燃料创造光滑的通道，亦即燃料从燃料喷嘴的排出不发生不希望和无法计算的涡旋。由此可以避免边界层分离和降低由于回流区造成火焰反冲的危险。

有利地，凹口沿流动方向直线状和/或扭曲地设置。由此可以在喷入时给予空气流或燃料流一个扭力。

优选地，第一喷管段沿流动方向逐渐收缩。由此达到增加燃料的流速。

对于另一种具有毂开口的喷管，将第一喷管段的花朵形状设计为锯齿状。通过这种锯齿，形成流场内可计算的涡旋，它引起燃料与空气流更好地混合。但因为除此之外还保证同轴喷入，所以如此设计的燃料喷嘴并不发生压力损失的增大。

在这里可以存在第二喷管段，第一喷管段沿流动方向与之相连，此时第二喷管段沿流动方向逐渐收缩。由此可以达到进一步增加燃料的流速。

锯齿状第一喷管段沿水平方向与第二喷管段连接。在这里锯齿状第一喷管段相对于水平线倾斜地与第二喷管段连接。由此提高燃料的流速。

优选地，花柱头与一个基本上同轴于喷管延伸的用于输入高热量燃料的管道连接，并有至少一个切向或/和轴向进口。

根据燃烧器的设计，可以改变进口的布局、数量和直径。因为在合成气输入件的内部输入高热量的燃料(高热量燃料的输入件被合成气输入件环形地围绕)，所以在这里优选地涉及切向和轴向进口，亦即孔。

在这方面应当注意，不仅高热量燃料的进口而且其输入件本身只需要小的直径，因为与合成气的体积流量相比，高热量燃料的体积流量较小。这一事实有助于在用合成气工作时输入高热量的燃料并不在空气流中引起干扰或仅有小的干扰。

按优选的设计，所述至少一个切向进口设在花朵状合成气喷入的两个花瓣之间的花瓣连接处(Blütensteg)旁。由此保证，例如天然气的喷入方向基本上横向于空气流地进行。这与传统的预混式天然气燃烧器优选的喷入方向一致。由此确保天然气与空气流的良好混合，从而可以达到低的NOx值。当合成气燃烧器用高热量燃料如天然气工作时，在合成气燃烧器中也必须保证所述低的NOx值符合规范，即使这种天然气仅意味着是一种“备用”功能。

按优选的设计，在一种燃烧器中存在所述的燃料喷嘴。这种燃烧器尤其是按预混模式工作的合成气燃烧器。在这里，燃烧器可以设计为两种或多种燃料燃烧器，因此它可以用例如天然气按预混模式工作。有利地，在燃气轮机中存在所述的燃烧器。

附图说明

下面借助附图详细说明本发明的其他特征、优点和详情。

附图简化和不按尺寸比例地表示，其中：

图1表示燃料喷嘴；

图2表示燃料喷嘴的横截面；

图3表示混合度的图表；

图4表示按本发明有花毂的燃料喷嘴；

图5表示另一种有水平锯齿的燃料喷嘴；

图6表示另一种有倾斜锯齿的燃料喷嘴；

图7表示本发明的输入第二种燃料的燃料输入件的放大图；以及

图8示意表示第二种燃料输入件(天然气输入件)。

所有图中相同的部分采用相同的附图标记。

具体实施方式

由于高的天然气价格，促使燃气轮机目前朝使用替代燃料例如合成气的方向发展。原则上可以由固体、液态和气态原始材料进行合成气的制造。对于用固体原料生产合成气时，尤其可列举煤的气化。在这里，煤在由与水蒸气部分氧化和气化组成的混合物内，转变为一种由CO与氢组成的混合物。除了煤以外，原则上还可列举使用的其他固体物质，例如生物物质和焦炭。作为合成气的液态原料可以使用不同的原油馏出物，作为最重要的气态原料可列举天然气。然而在这方面应当注意，合成气低的热值带来的结果是，与例如天然气的情况相比，为了燃烧必须将非常大的体积流量输入燃烧室。因此，必须针对合成气的体积流量制备大的喷入截面。然而这导致空气与合成气的不良预混，由此正好产生不希望的高NOx值。此外，由于大的体积流量，在喷入时往往造成压力损失。

为了达到良好混合，利用涡旋元件或使合成气横向于空气流地流入。然而由此造成不希望的大的压力损失。此外还会形成可导致火焰反冲的尾流区。对此现在借助本发明加以避免。

图1表示燃料喷嘴。它有喷管2和喷嘴出口10。在这里喷管2与燃料输入管(未表示)连接，它将燃料供给喷管2。燃料从喷嘴出口10喷入环形地围绕燃料喷嘴的空气流8中。一直延伸到喷嘴出口10的第一喷管段4设计为花朵状6，确切地说，设计为能实施将燃料基本上同轴地喷入空气流8内。在这里，合成气在喷管2内部流动。

图2表示这种有六个花瓣的喷嘴出口10的横截面。花瓣的数量主要取决于具体的燃烧器类型或燃气轮机类型并可以改变。喷管段4和喷嘴出口10通过它们按本发明的花朵状设计6，构成在合成气流与空气流8之间较大的接触面。由此在合成气流与空气流8之间达到更好地混合，并不增加压力损失。这种设计尤其在空气流8与合成气流有不同流速时是非常有利的。此外，这种花朵状设计6的突出优点是，尤其在各花瓣的型面后缘形成第二流场。在这里形成旋涡结构。这非常有助于改善预混合，尤其在合成气流与空气流8的流速存在明显差别的情况下。

图3以图表为例表示，与按现有技术的燃料喷嘴，在这里例如逐渐收缩的环形喷管(图3中用a表示)相比，花朵状结构的燃料喷嘴(图3中用b表示)能更好地混合。图中y轴表示未预混合度。花朵状燃料喷嘴有更好的混合，不过由于同轴喷入带来小量压力损失。

图4表示按本发明燃料喷嘴的一种设计。它在花朵状喷嘴出口10中心有一种圆锥形花毂(Blütennabe)14。在这里，花毂14可以设计为单圆锥形或双圆锥形。其优点是，保证两种流动互相光滑过渡。此外，这种设计防止边界层分离或形成可引起火焰反冲的回流区。

有利地，在圆锥形花毂14内可加工凹口16。它们有利地一方面其径向尺寸和位置设置为与各花瓣一致，也就是说，凹口16与花瓣彼此相对置。由此获得对于合成气而言光滑的排出面。另一方面加工另一些凹口16，它们与型面后缘20相对置，以及它们的径向宽度与型面后缘20基本一致。它们获得空气流8光滑的排出面。凹口16可以沿流向直线状或扭曲，以达到使空气或燃料涡旋。

因此，采用花毂14的所述设计，改善在花朵状6燃料喷嘴中心(亦即喷入轴线周围)的混合。因此借助花毂14，也在花朵中心达到合成气流与空气流8混合，在那里再次增大合成气流与空气流8的接触面。由此可以实现大面积连续全面混合。尽管基于同轴喷入，有大面积并因而非常好地混合，但压力损失仍然很小。

图5表示另一种可选择的燃料喷嘴，其中花朵状8有逐渐变尖的花瓣，也就是说，基本上设计为锯齿状。锯齿22加工在第一管段4上。在这里，第一管段4可以有沿流向保持不变的管径(亦即锯齿22基本上是水平的)，或沿流向逐渐收缩(亦即锯齿22相对于水平线26倾斜，见图6)。沿流向连接第一管段4的第二管段24，为了改善喷入可以沿流向逐渐收缩。采用这种具有锯齿22的燃料喷嘴结构，应在流场内造成期望的涡旋，其结果又改善合成气流与空气流8之间的混合。

然在这里尽管基于同轴喷入，有大面积并因而非常好地混合，但压力损失仍然很小。

图7表示按本发明有第二种燃料输入件的燃料喷嘴的一种实施形式。因为合成气进口必须保证大的体积流量，所以涉及合成气的燃料喷嘴按本发明设计为花朵状6。

切向的天然气进口16设在两个花瓣18之间。两个花瓣18彼此的接触点或接触线下面称为花瓣连接处19。这意味着，天然气流33可以直接喷入空气流8内，其中没有花瓣18。由此保证，天然气基本上横向于空气流8喷入。图7有六个切向的天然气进口16和一个轴向的天然气进口17。取决于燃烧器和燃气轮机，不仅数量而且布局都可以改变。天然气进口16、17在这里基本上可以借助钻孔制成圆的。

合成气输入件及其花朵状6的合成气进口，以及还有天然气输入件30和天然气进口16、17设计为，在合成气和天然气的加热量相同的情况下，达到压力损失低于25dp/p。

图8示意表示天然气输入件30。因为天然气的体积流量比合成气的体积流量小得多，所以天然气输入件30的直径比合成气输入件的直径小得多。为了从合成气转换为用天然气工作，或反之，只需切断合成气或天然气输入件30。这可以在不改变硬件的情况下实现。

取代天然气，也可以使用其他任何高热量的燃料，例如石油。同样，合成气进口的花朵状6只是一个例子，同样可以设想其他形状的合成气进口。

采用按本发明的燃料喷嘴可以实现在大体积合成气与空气之间的良好混合。然而基于同轴喷入使压力损失变小。由此避免例如通过单独安置涡旋元件引起的压力损失。为此要求按预混模式工作，这又对NOx值起积极的作用。

采用按本发明的燃料喷嘴还可以将所谓的后备燃料管集成组合在内，因为合成气燃烧器不应只能用一种燃料工作，而是应尽可能可以用不同的燃料，例如油、天然气和/或煤气，按选择或甚至联合工作，以提高供货安全性和工作灵活性。借助本发明，将可能的同一个喷嘴利用于天然气(例如稀释的天然气)或合成气。这显著简化了燃烧器的结构和减少了构件。

不过在这里介绍的燃料喷嘴不仅限于用合成气工作，确切地说，它也可以用任何燃料有利地工作。尤其在大体积燃料流时得到这一优点。按本发明的燃料喷嘴特别适合预混工作。

Claims (10)

1.一种燃料喷嘴，包括喷管(2)和喷嘴出口(10)，其中，喷管(2)与燃料输入管连接，用于将燃料输入所述喷管(2)内，此时，燃料从喷嘴出口(10)喷入基本上环形围绕燃料喷嘴的空气流(8)中，以及，一直延伸到喷嘴出口(10)的第一喷管段(4)设计为花朵状(6)，确切地说，设计为能实施将燃料基本上同轴地喷入空气流(8)内，其特征为：喷嘴出口(10)具有一个设计为圆锥形封闭的花柱头(14)。

2.按照权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征为，所述花柱头(14)沿流动方向逐渐变成尖顶。

3.按照权利要求1-2之一所述的燃料喷嘴，其特征为，所述花柱头(14)设计为双圆锥形。

4.按照权利要求1-3之一所述的燃料喷嘴，其特征为，所述花柱头(14)具有凹口(16)。

5.按照权利要求4所述的燃料喷嘴，其特征为，所述凹口(16)沿流动方向直线状和/或扭曲地设置。

6.按照前列诸权利要求之一所述的燃料喷嘴，其特征为，所述第一喷管段(4)沿流动方向逐渐收缩。

7.按照权利要求1所述的燃料喷嘴，其特征为，所述花柱头(14)与基本上同轴于喷管(2)延伸的用于输入高热量燃料的管道(30)连接，以及有至少一个切向进口(16)或/和轴向进口(17)。

8.按照权利要求7所述的燃料喷嘴，其特征为，所述至少一个切向进口(16)设在花朵状(6)喷嘴出口(10)的两个花瓣(18)之间的花瓣连接处(19)旁。

9.一种燃烧器，它具有按照前列诸权利要求之一所述的燃料喷嘴。

10.一种燃气轮机，它具有按照权利要求9所述的燃烧器。

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