CN103471098B - 用于低NOx液体燃料燃烧器的燃烧室缸盖 - Google Patents

Abstract

用于燃烧器的燃烧室缸盖(1)，所述燃烧器设有用于喷射液体燃料的喷嘴(2)；所述缸盖(1)包括：第一本体(4)，其适用于接收第一助燃物流(F1)并具有设置来在第一助燃物流(F1)内形成漩涡的前壁(6)；第二本体(13)，其适用于接收第二助燃物流(F2)，将其朝向所述燃烧室(CC)输送，并在其内形成漩涡；限定通道(C1)的管道(25)和中间本体(20)，其适用于将第三助燃物流(F3)供给到所述燃烧室(CC)内并具有朝向所述第一本体(4)和所述第二本体(13)会聚的锥形轮廓；所述中间本体(200)的前表面基本上位于由第一本体(4)的前壁(6)限定的表面上。

Description

用于低NOx液体燃料燃烧器的燃烧室缸盖

技术领域

本发明涉及一种用于液体燃料燃烧器的燃烧室缸盖，其特别适用于低NOx排放。

背景技术

在液体燃料燃烧器中，已知在液体燃料和助燃物之间的燃烧反应借助燃烧室缸盖进行。该助燃物通过燃烧室缸盖输送到燃烧室，在燃烧室内，助燃物与使用喷嘴喷成雾状的液体燃料混合。在燃烧室内，在燃烧室缸盖附近及其下游，设置有点火装置，适于引起液体燃料和助燃物的混合，以开始燃烧过程。

NOx在燃烧过程中产生并引起污染，存在减少氮氧化物NOx的增长的需求。

当设计燃烧室缸盖时，第一解决方案考虑到相关的研究已经表明氮氧化物NOx尤其在火焰温度高时产生。

为了该原因，燃烧器已经被调整，其配备有燃烧室缸盖，在燃烧室缸盖内，通过将由于燃烧产生的一部分烟气再循环到燃烧室缸盖和火焰本身来减小火焰温度。为了再循环火焰内的烟气，利用了从燃烧室缸盖排出的气体的高排放速度，这产生了一种众所周知的现象，用技术语言表述为“再循环”。由于该现象，燃烧室内的烟气被召回到火焰，由于它们不参加燃烧反应，所以它们通过冷却火焰本身来吸收热量，从而减少了氮氧化物NOx排放。

专利申请EP-A1-1705424中描述了一种用于液体燃料燃烧器的燃烧室缸盖，其包括被供给液体燃烧的中心管道，该中心管道具有纵向对称轴，并在一端设有用于将所述液体燃料喷射到燃烧室内的喷嘴。该燃烧室缸盖包括具有圆柱形的延伸部并与所述纵向对称轴同轴的第一本体，该第一本体被设置成在入口接收第一助燃物流，并具有前壁，该前壁设有多个外围凹口，用于在第一助燃物流中形成漩涡。该燃烧室缸盖包括具有圆柱形延伸部并与纵向对称轴同轴的第二本体，该第二本体安装在中心管道上，具有圆柱形延伸部的第一本体同轴设置在第二本体上。该第二本体适用于在入口接收第二助燃物流并具有多个开口，该开口适用于在第二助燃物流内形成漩涡。该燃烧室缸盖还包括用于调整在第一助燃物流和第二助燃物流内产生的漩涡的装置，该装置包括与纵向对称轴同轴并在第二本体外部的管道，该管道具有插入的中间本体，该中间本体也与纵向对称轴同轴。在管道和中间本体之间限定通道，该通道适用于将第三助燃物流供给到燃烧室内。

由于减小的火焰温度，通过EP-A1-1705424中描述的燃烧室缸盖进行的燃烧过程产生限制热NOx的形成的总体效应。火焰温度的减小是通过一部分助燃物流的侧泄漏来实现。特别是，一部分助燃物通过在具有圆柱形延伸部的第一本体上获得的多个径向孔来泄漏。由此，火焰不会仅从喷嘴的前表面产生，而是在燃烧室内均匀地蔓延。

然而，已经注意到第一助燃物的区域靠近喷嘴设置，这引起热 NOx的形成。

此外，由于产生具有强烈轴向延伸的燃烧火焰，该燃烧火焰将在大体积锅炉内蔓延，所以上述用于液体燃料燃烧器的燃烧室缸盖不能应用于小锅炉中，特别是不适合家庭住宅使用。

作为替代，文献US-A-4798330描述了一种用于被供给有燃料的燃烧器的燃烧室缸盖，该燃烧室缸盖包括多个一个安装在另一个上的同轴本体。该燃烧室缸盖被设置用来保持燃烧室缸盖的前表面清洁，并保持燃烧火焰稳定。但是，根据US-A-4798330的规定设置的燃烧室缸盖并不能限制热NOx的生成。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种燃烧室缸盖，其能够在燃烧过程中将NOx的生成最小化，并还可应用到小锅炉，特别适合家庭住宅使用，同时简单并且成本低。

根据本发明，用于燃烧器的燃烧室缸盖包括中心管道，所述中心管道被供给有液体燃料，具有纵向对称轴，并在一端设有用于将所述液体燃料雾化到燃烧室内的喷嘴；所述燃烧室缸盖包括：

第一本体，其具有圆柱形延伸部并与所述纵向对称轴同轴；所述第一本体被设置成安装在所述中心管道上，适用于在入口接收第一助燃物流并将其朝向喷嘴输送，并具有设有多个外围的凹口的前壁，所述凹口适用于在所述第一助燃物流内形成漩涡；以及

第二本体，其具有圆柱形延伸部并与所述纵向对称轴同轴；所述第二本体被安装在所述第一本体上，适用于在入口接收第二助燃物流并将其朝向所述燃烧室输送，并具有多个开口，所述开口适用于在所述第二助燃物流内形成漩涡；

调节装置，其用于调节在所述第一助燃物流和所述第二助燃物流内产生的漩涡；所述调节装置包括管道，所述管道与所述纵向对称轴同轴并位于所述第三本体的外部，中间本体插入所述管道，所述中间本体也与所述纵向对称轴同轴；通道形成在所述管道和所述中间本体之间，所述通道适用于将第三助燃物流供给到所述燃烧室内；

所述燃烧室缸盖的特点是：所述中间本体的前表面大致位于由所述第一本体的前壁所限定的平面上，使得所述喷嘴位于正好朝向所述燃烧室的位置上；并且，在所述通道的端部上邻近所述燃烧室，所述通道具有朝向所述第一本体和第二本体会聚的锥形轮廓。

附图说明

现在将参考附图来描述本发明，附图示出了非限制实施例，其中：

图1示出了根据本发明设置的燃烧室缸盖的第一组件的前透视图；

图2示出了根据本发明设置的燃烧室缸盖的第二组件的前透视图，该第二组件安装在图1中所示的第一组件上；

图3示出了根据本发明设置的燃烧室缸盖的第三组件的前透视图，该第三组件布置在图2中所示的第二组件的外侧；

图4示出了根据本发明设置的燃烧室缸盖的第四组件的前透视图，该第四组件布置在图3中所示的第三组件的外侧；

图5和图6分别示出了根据本发明通过组装图1到图4中的组件设置的燃烧室缸盖装置的后透视图和前透视图；以及

图7示出了图5和图6中的燃烧室缸盖的截面图。

具体实施方式

在图1到图6中，数字1表示整个燃烧室缸盖，其中诸如柴油等液体燃料通过具有纵向对称轴X的中心管道3供给到喷嘴2(其为已知类型)。喷嘴2适用于雾化燃烧室CC(其也为已知类型，故不详细公开)内的液体燃料。

燃烧室缸盖1被安装到中心管道3，并包括相互组装在一起的多个组件，这些组件相互同轴并与纵向对称轴X同轴。

所谓的第一旋转本体4被连接到中心管道3，其具有圆柱对称性，内部中空，并与纵向对称轴X同轴。具体地，本体4包括外圆柱形侧壁5和前壁6，侧壁5与纵向对称轴X同轴，前壁6设有通孔7，以允许中心管道3和喷嘴2插入。本体4的前壁6具有围绕纵向对称轴X均匀分开的多个凹口8；每对相邻的凹口8限定分隔部9，前壁6由于分隔部9而被分割。具体地，根据图1中所示的实施例，本体4被分成6个分隔部9，这些分隔部9由围绕纵向对称轴X均匀分开的多个凹口8所限定并正好和凹口8一样多。每个凹口8由底壁的一部分10和一对侧壁11限定，这些侧壁11彼此相对并相对由前壁6的前平坦表面12限定的平面倾斜第一角度α。

根据一优选变型，角度α在42° 和48° 之间，该角度优选为45 ° 。凹口8与通孔7直接连通。

所谓的第二旋转本体13(如图2所示)被装配到本体4上，本体13具有圆柱对称性，其内部中空，并与纵向对称轴X同轴。具体地，本体13包括与纵向对称轴X同轴的内圆柱形表面14，内圆柱形表面14限定通孔，本体4收容在该通孔内。内圆柱形表面14的直径基本上接近本体2的外部体积直径。本体13被分成后圆柱形部 15和前圆柱形部16；后圆柱形部15的整体外部体积直径大于前圆柱形部16的整体外部体积直径。后圆柱形部15具有多个开口17。具体地，根据图2中所示的实施例，后圆柱形部15具有围绕纵向对称轴X均匀分开的8个开口17。

每个开口17由底壁18和一对侧壁19限定，这些侧壁19彼此相对并相对由后圆柱形部15的后平坦表面限定的平面倾斜一角度β。根据一优选变型，角度β在42° 和48° 之间，该角度β优选为45 ° 。开口17与本体13的通孔没有直接连通。

接着，中间本体20被固定在本体13上，其具有圆柱对称性，内部中空，并与纵向对称轴X同轴。具体地，中间本体20包括与纵向对称轴X同轴的内圆柱形表面21，内圆柱形表面21限定收容本体13的通孔。内圆柱形表面21的直径基本上接近本体13的后部15 的外部体积直径。

中间本体20也被分成后部22和前部23。后部22具有外圆柱形表面，该外圆柱形表面的整体外部体积直径大于前部23的整体外部体积直径。此外，后部22具有后截头圆锥形表面24和前截头圆锥形表面24**，这些表面都与纵向对称轴X同轴。如图3和图7中更详细所示，多个校准通孔24*形成在后部22上，以便于火焰探针和点火电极通过。代替地，前部23包括与轴X同轴的侧圆柱形壁23* 和与轴X同轴的前壁的环形部23**。

值得注意的是中间本体20用作第一旋转本体4、第二旋转本体 13和中心管道3的支撑部件。

还值得注意的是中间本体20的前表面(在本实施例中，由前壁的环形部23**限定)基本上位于第一旋转本体4的前壁6所限定的平面上。喷嘴2布置成直接朝向燃烧室CC，并在使用中，液体燃料被直接雾化到燃烧室CC内。

接着，管道25被固定到中间本体20，管道25具有大致圆柱形对称性，其内部中空，并与纵向对称轴X同轴。

管道25被分成后圆柱形部26和前部27。后圆柱形部26具有外圆柱形表面和内圆柱形表面28，这些表面都与纵向对称轴X同轴。前部27却具有截头圆锥形延伸部，该延伸部与纵向对称轴X同轴并朝着面向燃烧室CC的自由端倾斜。此外，多个凹口27*形成在前部 27上，以便于火焰探针和点火电极通过。

管道25还包括多个突起29，突起29在邻近前部27的位置上被连接到后部26的内圆柱形表面28，并从管道25向内延伸。突起29 围绕纵向对称轴X均匀地分隔开，在后部26的一部分上沿纵向方向延伸。根据一优选变型，管道25包括相互间隔60°的6个突起29。管道25适于沿由箭头P表示的两个纵向方向中的一个纵向方向平移。为了允许管道25平移，设有控制器(手动致动或借助已知类型的致动器)；突起29在停止时接触中间本体20的外表面并在使用时在中间本体20的外表面上滑动，以允许管道25移动。

值得注意的是燃烧室缸盖1的紧密几何形状允许控制燃烧火焰的尺寸，下面会更好地描述。

在使用中，吹风机(已知类型，未图示)提供助燃物(诸如空气等)流F，该助燃物流被输送到在实际中包围整个燃烧室缸盖1 的管道25，并然后从那里被分成多个燃烧物流。

特别地，如图7中详细所示，由于燃烧室缸盖1本身的特定几何形状，在燃烧室缸盖1的入口的助燃物流被分成三个部分流，图示分别为第一助燃物流F1、第二助燃物流F2和第三助燃物流F3。

第一助燃物流F1沿纵向方向流入第一旋转本体4内。当第一助燃物流F1遇到凹口8时，流动线(flow lines)F1呈现螺旋形，并且不再纵向流动，流F1从第一旋转本体4流出的速度具有较高的切向运动(旋转)分量。因此，凹口8被设置来在第一助燃物流F1中形成漩涡。然后，第一助燃物流F1进一步被专门分成流出凹口8的第一旋转助燃物流和从喷嘴以外的剩余部分流入通孔7内的第一轴向助燃物流。

第二助燃物流F2沿纵向方向流入第二旋转本体13内。第二助燃物流F2的流速由在后圆柱形部15上形成的开口17的数目和截面确定，并通常大于第一助燃物流F1。并且，在这种情形下，由于第二助燃物流F2的通路经过开口17，所以流动线F2呈现螺旋形，并不再纵向流动，流F2从第二旋转本体13流出的速度具有较高的切向运动(旋转)分量。因此，开口17被设置来在第二助燃物流F2 中形成漩涡。

中间本体20的后表面24的截头圆锥形轮廓允许增加第一助燃物流F1在第一旋转本体4的入口的平均速度和第二助燃物流F2在第二旋转本体13的入口的平均速度。上述平均速度的增加引起第二助燃物流F2流出第二旋转本体13的速度和第一助燃物流F1流出第一旋转本体4的速度的切向运动(旋转)分量的增加。

另一方面，第三助燃物流F3通过在管道25和中间本体20之间限定的通道C1输送。显而易见的是，第三助燃物流F3的最终流速由管道25的前截头圆锥形部27和中间本体20之间的距离确定，该最终流速可根据管道25的平移运动来变化。

第三助燃物流F3沿平行于纵向轴线X的方向在通道C1内流动。

在通道C1的末端部分、邻近燃烧室CC，通道C1具有锥形轮廓，该锥形轮廓朝向第一旋转本体4和第二旋转本体13会聚。具体地，末端部分具有由管道25的前部27限定的截头圆锥形轮廓，其与中间本体20的后部22的截头圆锥形轮廓相同。

通道C1的轮廓被形成用来在第三助燃物流F3供给到燃烧室之前加速第三助燃物流F3，并用来直接朝向第一助燃物流F1以及朝向第二助燃物流F2指引第三助燃物流F3，从而限制燃烧室缸盖1的空间区域下游，燃烧火焰在下游蔓延。

管道25能够在最大封闭位置和最小封闭位置之间移动，最大封闭位置对应于具有最小流速的第三助燃物流F3，最小流速优选为0，最小封闭位置对应于具有最大流速的第三助燃物流F3。

在最小封闭位置，第三助燃物流F3的轴向分量直接朝向第一助燃物流F1并朝向第二助燃物流F2指引，该轴向分量与由第一旋转本体4和第二旋转本体13产生的漩涡相对；此外，在这种情形下，中间本体20的轮廓允许燃烧火焰具有普遍的轴向流动，由于“柯安达(Coanda)效应”，第三助燃物流F3在中间本体20的轮廓上附着流动。

在最大封闭位置，第三助燃物流F3不会影响由第一旋转本体4 和第二旋转本体13产生的漩涡；在这种情形下，燃烧火焰具有显著小的轴向蔓延。

随后，该燃烧过程包括下列步骤：

–通过喷嘴2雾化液体燃料；

–将雾化的液体燃料与第一助燃物流F1混合；雾化的液体燃料具有高动能，并且仅一小部分参与到第一助燃物流F1；

–将第二助燃物流F2与没有和第一助燃物流F1混合的剩余部分的液体燃料混合；

–将燃烧火焰在空间上限制在适于控制漩涡效应的第三助燃物流F3之间。

从文献可以知道，使用燃烧室缸盖1获得的漩涡的强度对燃烧过程的污染排放具有相关影响。此外，已经证实的是，漩涡的强度可以通过漩涡的数目来计量，并且具有低等级NOx排放的燃烧过程可以通过大于1的漩涡数目来获得。

实际上，这里描述的燃烧室缸盖1包括4个本体，分别标记为4、13、20和25，这些本体被组装在一起，并可被安装到任一轴对称管道3上。

还值得注意的是由于第三助燃物流F3的动态特性(即，由于流量和流速范围)，确定第三燃烧物流F3的管道25和中间本体20还影响第一助燃物流F1和第二助燃物流F2。

更详细地：

–第一助燃物流F1由于第一旋转本体4而产生。通过推理，如果没有第二助燃物流F2和第三助燃物流F3，第一助燃物流F1的径向和切向分量将过量地打开助燃物速度范围的圆锥体。因此，燃烧火焰将具有过大的开口和微弱的强度，例如不能确保在第一燃烧步骤中产生的并由于再循环装置通过第一旋转本体4和第二旋转本体 13输送到燃烧火焰所涉及的区域的有害残留物的完全燃烧。

–第二助燃物流F2通过第二旋转本体13产生。如上所示，第二助燃物流F2适合于确定第一助燃物流F1的几何限制，以改进燃烧火焰的效率。

–第三助燃物流F3在由管道25和中间本体20限定的几何范围内发展。第三助燃物流F3仅具有一个轴向分量(由于未设有用于在切向方向上偏离第三助燃物流F3的元件)。第三助燃物流F3的目的是借助管道25的轴向平移以可控的方式限制第二助燃物流F2(并因此限制第一助燃物流F1)。借助管道25内产生的运动，第三助燃物流F3可增加流速，因此确定火焰在轴向方向上的延伸并减小径向延伸，反之亦然。

因此，热NOx的形成可以通过控制助燃物流F1、F2和F3的轴向和切向分量来限制。

已经在实验上证实的是，这里所述的通过燃烧室缸盖1(具有第一漩涡4和第二漩涡13)获得的漩涡的数目很大，大约5.45个，以确保低等级的NOx排放。

此外，控制理想的漩涡等级的时机允许保持火焰的黄绿颜色，这可通过光学传感器简单地探测，该光学传感器具有光敏电阻，并比通常在这种应用中使用的具有紫外线辐射的传感器更可靠、更便宜。

Claims (16)

1.一种用于燃烧器的燃烧室缸盖(1)，其包括被供给有液体燃料的中心管道(3)，所述中心管道(3)具有纵向对称轴(X)，并在一端设有喷嘴(2)，用于将所述液体燃料雾化到燃烧室(CC)内；所述燃烧室缸盖(1)包括：

第一本体(4)，其具有圆柱形延伸部并与所述纵向对称轴(X)同轴；所述第一本体(4)被设置成安装在所述中心管道(3)上，适用于在入口接收第一助燃物流(F1)并将其朝向所述喷嘴(2)输送，且具有设有多个外围的凹口(8)的前壁(6)，所述凹口(8)适用于在所述第一助燃物流(F1)内形成漩涡；以及

第二本体(13)，其具有圆柱形延伸部并与所述纵向对称轴(X)同轴；所述第二本体(13)被安装在所述第一本体(4)上，适用于在入口接收第二助燃物流(F2)并将其朝向所述燃烧室(CC)输送，且具有多个开口(17)，所述开口(17)适用于在所述第二助燃物流(F2)内形成漩涡；

调节装置，其用于调节在所述第一助燃物流(F1)和所述第二助燃物流(F2)内产生的漩涡；所述调节装置包括管道(25)，所述管道与所述纵向对称轴(X)同轴并位于所述第二本体(13)的外部，中间本体(20)插入所述管道(25)内，所述中间本体(20)也与所述纵向对称轴(X)同轴；通道(C1)形成在所述管道(25)和所述中间本体(20)之间，所述通道(C1)适用于将第三助燃物流(F3)供给到所述燃烧室(CC)内；

所述燃烧室缸盖(1)的特征在于：所述中间本体(20)的前部(23)所限定的环形部(23**)的前表面大致位于由所述第一本体(4)的前壁(6)所限定的平面上，使得所述喷嘴(2)位于正好朝向所述燃烧室(CC)的位置上；并且，在所述通道(C1)的端部上、邻近所述燃烧室(CC)，所述通道(C1)具有朝向所述第一本体(4)和所述第二本体(13)会聚的锥形轮廓。

2.根据权利要求1所述的燃烧室缸盖，其特征在于，所述通道(C1)的所述端部由所述管道(25)的前部(27)限定，所述端部被形成为截头圆锥形、与所述纵向对称轴(X)同轴并面向所述中间本体(20)的截头圆锥形表面(24**)，所述截头圆锥形表面(24**)也与所述纵向对称轴(X)同轴。

3.根据权利要求1所述的燃烧室缸盖，其特征在于，所述管道(25)相对于所述中间本体(20)在最大封闭位置和最小封闭位置之间可移动，所述最大封闭位置对应于具有最小流速的第三助燃物流(F3)，所述最小封闭位置对应于具有最大流速的第三助燃物流(F3)，反之亦然。

4.根据权利要求3所述的燃烧室缸盖，其特征在于，所述最小流速等于0。

5.根据权利要求3所述的燃烧室缸盖，其特征在于，所述管道(25)包括多个内部的突起(29)，所述突起(29)围绕所述纵向对称轴(X)分布；所述突起(29)倚靠并接触所述中间本体(20)的外表面且使用时在所述中间本体(20)的外表面上滑动，以允许所述管道(25)相对于所述中间本体(20)在所述最大封闭位置和所述最小封闭位置之间平移运动，反之亦然。

6.根据前述权利要求中任一项所述的燃烧室缸盖，其特征在于，所述中间本体(20)具有后表面(24)，所述后表面(24)被形成为截头圆锥形，与所述纵向对称轴(X)同轴并朝向所述第一本体(4)倾斜；所述后表面(24)适用于分别在所述第一本体(4)和所述第二本体(13)的入口增加所述第一助燃物流(F1)和所述第二助燃物流(F2)的平均轴向速度。

7.根据权利要求1到5中任一项所述的燃烧室缸盖，其特征在于，所述前壁(6)设有与所述纵向对称轴(X)同轴的通孔(7)。

8.根据权利要求7所述的燃烧室缸盖，其特征在于，没有径向通孔设置在所述第一本体(4)的圆柱形侧壁上；在所述第一本体(4)的出口处，所述第一助燃物流(F1)仅被分成第一旋转助燃物流和第一轴向助燃物流。

9.根据权利要求1到5中任一项所述的燃烧室缸盖，其特征在于，各个凹口(8)具有一对侧壁(11)，所述侧壁彼此相对并相对于由所述前壁(6)的前平坦表面(12)限定的平面倾斜第一角度(α)。

10.根据权利要求9所述的燃烧室缸盖，其特征在于，所述第一角度(α)在42°到48°之间。

11.根据权利要求10所述的燃烧室缸盖，其特征在于，所述第一角度(α)等于45°。

12.根据权利要求1到5中任一项所述的燃烧室缸盖，其特征在于，各个开口(17)由一对侧壁(19)限定，所述侧壁彼此相对并相对于由所述第二本体(13)的后平坦表面限定的平面倾斜第二角度(β)。

13.根据权利要求12所述的燃烧室缸盖，其特征在于，所述第二角度(β)在42°到48°之间。

14.根据权利要求13所述的燃烧室缸盖，其特征在于，所述第二角度(β)等于45°。

15.根据权利要求12所述的燃烧室缸盖，其特征在于，所述第二本体(13)包括前部(16)和后部(15)；所述前部(16)和所述后部(15)都是圆柱形的，并与所述纵向对称轴(X)同轴，但具有不同的直径；所述开口(17)形成在所述后部(15)上。

16.一种液体燃料燃烧器，其设有根据权利要求1到5中任一项所述的燃烧室缸盖(1)。