CN105509048A - 燃烧器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种燃烧器，该燃烧器(1)包括：管状的扩散器壁(5)和用于将气体混合物(4)引入扩散器壁的入口通道，以及第一隔板(12)和第二隔板(14)，第一隔板具有一个或多个第一贯穿开口(13)，第二隔板具有与第一贯穿开口(13)的形状和分布均不同的一个或多个第二贯穿开口(15)，所述第一隔板(12)和所述第二隔板(14)基本上是同中心的并且在入口通道(3)中顺序地布置。

Description

燃烧器

技术领域

本发明涉及一种用于锅炉以及工业应用的气体燃烧器，该类型的燃烧器包括：

-支撑壁，该支撑壁可以连接到锅炉或工业应用的燃烧室，支撑壁具有用于将燃料气体和氧化剂的混合物引入燃烧器的入口通道，

-管状的扩散器壁，具有第一端部、第二端部以及穿孔，第一端部连接到支撑壁且与入口通道流体连通，第二端部由封闭底部封闭，穿孔作为气体混合物从燃烧器的内部至扩散器壁的通道，在所述扩散器壁处发生燃烧，

-管状元件，位于扩散器壁内部并且具有基座和自由端部，基座连接到支撑壁且与入口通道流体连通，自由端部在扩散器壁的第一端部和第二端部之间的中间位置处形成出口开口。

背景技术

这种已知的燃烧器由申请人在专利申请WO2009/112909中描述，目的是克服目前已知柱形燃烧器的噪声问题。由于燃烧器内部的管状元件，燃烧器的共振频率可改变，并且可清除在操作期间由燃烧器的共振频率引起的振动频率，由此降低由于自身振动引起的燃烧器的噪声和周期机械应力。

然而，配备有“反噪声”管状元件的燃烧器显示了在扩散器的外部表面上的非均匀的火焰分布，由此阻碍了以热量产生为目的的燃烧器尺寸最优化利用。

最后，扩散器壁的局部过热(这是由于“反噪声”管状元件的存在引起的)，导致了仍然在扩散器壁的上游的氧化剂-燃料混合物的点火的高“闪回(flashback)”的风险。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种上述类型、但修改过的气体燃烧器，从而克服现有技术的缺点。

在一般目的范围之内，本发明的一个具体目的是：

-改进已知的燃烧器，从而维持降低了的噪声，并且特别是消除哨子声的发生(归因于耦接至燃烧器的气阀的振动)，并且同时，

-改进火焰和燃烧的均匀性和稳定性，以及

-降低扩散器壁的局部过热的风险。

这些和其他目的通过一种燃烧器实现，该燃烧器包括：

-支撑壁，可以连接到锅炉或工业应用的燃烧室，所述支撑壁形成用于将燃料气体和氧化剂的混合物引入燃烧器的入口通道，

-管状的扩散器壁，所述扩散器壁与燃烧器的纵向轴线是同轴的，并且该扩散器壁具有第一端部、第二端部以及穿孔，第一端部连接到支撑壁且与入口通道流体连通，第二端部由封闭底部封闭，穿孔作为气体混合物从燃烧器的内部至扩散器壁的通道，在所述扩散器壁处发生燃烧，

其中，该燃烧器包括具有一个或多个第一贯穿开口的第一隔以及具有一个或多个第二贯穿开口的第二隔板，所述第一隔板和第二隔板基本上与纵向轴线是同轴的并且顺序地布置在入口通道中，从而当燃料气体和氧化剂的混合物引入至燃烧器中时，所述混合物首先穿过第一隔板的一个或多个第一开口，并且然后穿过第二隔板的一个或多个第二开口，其中第一隔板和第二隔板的每一个分别形成径向内部的圆形部分和径向外部的、邻近的(直接邻近的)环形部分，其中：

-所述一个或多个第一开口的径向最外的延伸限定(即等于)了外部部分的外部半径Re，

-内部部分的径向宽度Ri与外部部分的外部半径Re的比率Ri/Re是从0.6至0.7，优选地约为0.65，

-在径向外部环形部分中，所述一个或多个第一开口的通道面积大于所述一个或多个第二开口的通道面积，

-在径向内部部分中，所述一个或多个第二开口的通道面积大于所述一个多个第一开口的通道面积，

-第一隔板和第二隔板之间的自由轴向距离是从4mm至50mm，优选地从6mm至12mm，有利地是大约8.5mm，或表示为外部半径Re的函数，第一隔板和第二隔板之间的自由轴向距离是从0.22*Re至0.43*Re，优选地约为0.31*Re。

借助于径向外部区域中第一隔板的第一开口主导性地存在以及在隔板的径向内部区域中第二隔板的第二开口的主导性地存在，当混合物引入燃烧器时，混合物的流动遭受径向向内偏转，这趋向于限定沿着燃烧器的纵向轴线的轴向同轴流动。由此靠近封闭底部，“紧密”的流动返回来并且径向向外地“扩大”，从而以均匀的方式沿着扩散器壁的内部表面轴向地延伸。

虽然难以确定对获得的技术效果有贡献的所有机械装置，但是完成的试验表明了根据本发明构造的两个隔板的存在与低噪声之间的因果关系，具体地参照了前述哨子声，以及改进的火焰稳定性和均匀性和对于扩散器壁的局部过热的减弱趋势。

附图说明

为了更好地理解本发明和了解本发明的优点，将在下面描述一些非限制性的实施方式，参照附图，其中：

-图1是根据一个实施方式的燃烧器的立体图；

-图2是在径向于燃烧器的纵向轴线的横截面上，图1中的燃烧器的纵向剖视图；

-图3是图1中的燃烧器的分解立体图；

-图4、图5和图6是根据一个实施方式的燃烧器的具有隔板的支撑壁的顶视图、径向剖视图和侧视图，

-图7和图8是根据一个实施方式的燃烧器的又一种隔板的顶视图和径向剖视图，

-图9示出了图7和图8中的又一种隔板的细节，

-图10是根据本发明的通道面积与第一隔板和第二隔板的总面积的比率随着离燃烧器的纵向轴线的径向距离变化的趋势的示意图，

-图11是根据图3的实施方式的通道面积与第一和第二隔板的总面积的比率随着离燃烧器的纵向轴线的径向距离变化的趋势的示意图，

-图12是由根据本发明的燃烧器获得的流动状态的示意图。

具体实施方式

参照附图，用于锅炉或工业应用的气体燃烧器(其一般通过燃料气体的燃烧而产生热量，或者特别地通过燃料气体与空气的预混合物的燃烧来产生热量)整体由数字1表示。燃烧器1包括支撑壁2，该支撑壁可以连接到锅炉或工业应用的燃烧室，支撑壁2形成了入口通道3，该入口通道用于将燃料气体和氧化剂的混合物4引入至燃烧器1。

燃烧器还包括扩散器壁5，该该扩散器壁是管状的并且相对于燃烧器1的纵向轴线6是同轴的，并且该扩散器壁具有第一端部7、第二端部8以及穿孔10，该第一端部连接至与入口通道3流动连通的支撑壁2，该第二端部由封闭底部9封闭，该穿孔作为气体混合物从燃烧器1的内部至扩散器壁5的外部侧壁的通道，在所述扩散器壁处发生燃烧。

根据本发明的一个方面，燃烧器1包括具有一个或多个第一贯穿开口13的第一隔板12以及具有一个或多个第二贯穿出口15的第二隔板14，所述第一隔板12和所述第二隔板14基本上与纵向轴线6是同轴的并且顺序地布置在入口通道3中，从而当燃料气体和氧化剂的混合物4引入至燃烧器1中时，所述混合物4首先穿过第一隔板12的一个或多个第一开口13，并且然后穿过第二隔板14的一个或多个第二开口15。

第一隔板12和第二隔板14中的每一个分别形成径向内部圆形部分16，16’和径向外部的、邻近的(直接邻近的)环形部分17，17’，其中：

-所述一个或多个开口13的径向最外的延伸限定了外部部分17的外部半径Re，

-内部部分16，16’的径向宽度Ri与外部部分17，17’的外部半径Re的比率Ri/Re是从0.6至0.7，优选地约为0.65，

-在外部部分17，17’中，所述一个或多个第一开口13的通道面积大于所述一个或多个第二开口15的通道面积，

-在内部部分16，16’中，所述一个或多个第二开口15的通道面积大于所述一个多个第一开口13的通道面积，

第一隔板12和第二隔板14之间的自由轴向距离18是4mm至50mm，优选地是6mm至12mm，有利地是大约8.5mm，或表示为外部半径Re的函数，第一隔板12和第二隔板14之间的自由轴向距离18是0.22*Re至0.43*Re，优选地约为0.31*Re。

借助于在径向外部区域17中的第一隔板12的第一开口13主导性地存在以及在径向内部区域16’中的第二隔板的第二开口15的主导性地存在，当混合物引入燃烧器1时，混合物4的流动遭受径向向内偏转。这趋向于确定使得轴向同轴的流沿着燃烧器的纵向轴线6紧密化。由此靠近封闭底部9，“紧密”的流以均匀的方式径向向外地扩大并且返回以沿着扩散器壁5的内部表面以均匀的方式轴向延伸。

在本说明书的范围之内，术语“径向内部部分和”和“径向外部部分”指的是应用于第一隔板12和第二隔板14两者的几何划分，并且它们的尺寸(旨在作为相对于纵向轴线6的位置和径向长度)对于第一隔板12和第二隔板14两者都是完全相同的。

实验测试表明了根据本发明构造的两个隔板的存在与低噪声之间的因果关系，具体地，参照所谓的哨子声，以及改进的火焰稳定性和均匀性和对于扩散器壁的局部过热的减弱趋势。此外，本发明允许去除“反噪声”管状元件并因此允许结构的简化并允许用于制造燃烧器1的成本的降低。

根据一个实施方式，第一隔板12和第二隔板14由金属板制成，优选为钢铁。

优选地，第一隔板12和第二隔板14基本上是平面的，并且基本上相互平行和正交于纵向轴线6。

替代地，第一隔板12和/或第二隔板14可以具有圆形形状，例如扁平的圆顶，或者它们可以具有相对于纵向轴线6的周向的和/或径向的台阶。然而，优选地，第一隔板12和第二隔板14具有相对于纵向轴线6基本上对称的形状。在某些实施方式中，这不会从相对于纵向轴线6的不完美对称中排除第一贯穿开口13的图案和/或第二贯穿开口15的图案。

然而，在优选的实施方式中，虽然第一贯穿开口13和第二贯穿开口15的图案不是互相相等的，但是它们相对于纵向轴线6是对称的。

在一个实施方式中(图3，图4-图6)，第二隔板14的第二贯穿开口15由单个中央开口15构成，该中央开口优选为圆形的并且与纵向轴线6是同轴的。第二隔板14的中央开口15具有相对于纵向轴线6的径向长度R15，该径向长度等于0.5*Re…0.8*Re，优选为0.6*Re…0.7*Re，甚至更加优选地等于0.65*Re，其中Re是第一隔板12和第二隔板14的外部部分17，17’的外径。

在一个替代的实施方式中，第二隔板14的第二贯穿开口15包括中央开口15和多个周围孔19，该中央开口优选为圆形并且与纵向轴线6同轴，该周围孔形成于第二隔板14的径向外部部分17’中并且具有比中央开口15的通道面积小的总通道面积。

在第一隔板12的一个实施方式中(其可以与此处描述的第二隔板14的任何一种构造结合)，第一贯穿开口13包括一组周围开口20，这些周围开口在第一隔板12的径向外部部分17中获得并且具有的总通道面积(整组周围开口20的通道面积的总和)大于任何其他(further)第一贯穿开口21(在第一隔板12的径向内部部分16中获得)的总通道面积。该组周围开口20有利地布置在相对于纵向轴线6的一个或多个圆周序列中。

有利地是，第一贯穿开口13还包括与纵向轴线6同轴的中央孔21，并且该中央孔具有的通道面积小于第一隔板12的径向外部部分17中的第一贯穿开口13的总通道面积并且小于第二隔板14的径向内部部分16’中的第二贯穿开口15的总通道面积。第一隔板12的中央孔21相对于纵向轴线6具有径向长度R21，等于0.1*Re…0.25*Re,优选地为0.12*Re…0.22*Re,甚至更加优选地是大约为0.17*Re，其中Re是第一隔板12和第二隔板14的外部部分17，17’的外径。

事实上，实验结果已经示出，当第一隔板12中存在中央孔时，燃烧器的噪声进一步令人惊奇地降低，与第一隔板12的径向外部部分17中的第一贯穿开口13的尺寸相比，以及与第二隔板14的径向内部部分16’中的第二贯穿开口15的尺寸相比，第一隔板12中的中央孔具有显著小的尺寸。

在优选的实施方式中(图3，图7，图9)，第一贯穿开口13包括一组周围开口20，该开口具有(优选相同的)“T”形并且相对于纵向轴线6(和优选地恒定的角度孔距(angularpitch，角间距))以圆周序列布置。每个周围开口20组成大体上为直线的部分22(相对于纵向轴线6在径向方向上定向)，以及直线或弯曲切线部分23(相对于纵向轴线6大体上在圆周方向上延伸)。

当与中央孔21结合时，参照扩散器壁5的外部表面上的燃烧器的火焰稳定性和均匀分布，第一隔板12的这个实施方式是特别有益的。

有利地是，在周围开口20中，切线部分23的径向宽度B23比直线部分22的轴向宽度B22大。

在一个实施方式中，存在十个周围开口20并且它们布置为恒定的角度孔距36°，周围开口的切线部分23的角度范围L23是25°…32°，优选地约为29°，切线贯穿部分23的径向宽度B23是0.09*Re…0.13*Re，优选地约为0.11*Re，切线部分23的径向外部边缘决定了径向外部部分17，17’的外部半径Re，并且直线部分22的径向长度L22是0.6*Re…0.7*Re，优选地约为0.65*Re(图7，图9)。

参照“R…”表示的所有的“径向范围”指代从燃烧器1的纵向轴线6测量的径向范围。在圆形孔(其与纵向轴线6是同轴的)的情况下，该孔的直径将是相同的径向范围“R…”乘以2。

第一隔板和第二隔板12，14可以形成具有支撑壁2的单件，或者通过焊接或压入配合的方式连接该支撑壁。

在有利的实施方式中，支撑壁2由金属板制成，例如钢铁，并且形成：

-外部圆周座24(圆周阶梯)，面向燃烧器1的外部并且适用于接收扩散器壁5的前边缘25，

-内部圆周座26(圆周阶梯)，面向燃烧器1的内部并且适于接收第一隔板12的外部边缘27以及适于确保外部边缘的适当定位，

-第二隔板14，

-可选地，另一个外部圆周座30(圆周阶梯)，面向燃烧器1的外部并且适用于接收分配器壁31的前边缘。

有利地是，隔板12，14均位于支撑壁2处的扩散器壁5的端部长度28的内部，并且不会延伸出该端部长度，其中所述端部长度28具有的轴向长度L28小于扩散器壁5的轴向长度L5四分之一，优选地小于扩散器壁5的轴向长度L5的五分之一。

在另一个实施方式中，第一隔板12包括偏转边缘29，该偏转边缘至少部分地限定所述第一贯穿开口13，20并且该偏转边缘弯曲向第一隔板12的平面外部，从而相对于纵向轴线6在圆周方向上给予混合物4的流以漩涡。这进一步有助于将混合物4的进入流沿着燃烧器的纵向轴线6集中。

根据一个实施方式，扩散器壁5由穿孔钢板构成，并且是柱形的或略微截头锥形的形状。另外或替代地，扩散器壁5的穿孔钢板可用由金属或陶瓷或烧结材料制成的网或布(未示出)的外层覆盖在外部，其形成扩散器壁5的外部表面(燃烧发生在该外部表面上)。

当提供由分配器壁时，该分配器壁31可由穿孔钢板构成，该穿孔钢板是柱形或略微截头锥形的形状，该分配器壁与纵向轴线6是同轴的并且定位于扩散器壁5的内部。

在非限制示例性实施方式中，燃烧器1的几何形状参数可如下：

第一隔板12和第二隔板14之间的轴向距离18:7mm…8.5mm…9mm，

第一隔板12的直径D12：63mm…68mm…73mm，

第二隔板14的直径D14：58mm…63mm…68mm，

外径Re：23mm…28mm…33mm，

中央开口15的径向长度R15：32mm…36mm…38mm，

中央孔21的径向长度R21：3.5mm…4.6mm…5.5mm，

切线部分23的径向宽度B23:2.5mm…3mm…3.5mm，

切线部分23的角度范围L23：25°…29°…32°，

扩散器壁5的直径D5：65mm…70mm…75mm，

扩散器壁5的轴向长度L5：85mm…90mm…95mm，

直线部分22的径向长度L22：15mm…18.2mm…19mm。

根据本发明的燃烧器1具有几个优点，具体地为：降低了噪声，增加了火焰均匀性和稳定性，以及减小扩散器壁局部过热的风险。借助于扩散器壁上燃烧的火焰均匀性和均匀分布，可以免除在扩散器壁5上游提供额外的分配器壁。

为了满足偶然和特定的需求，本领域的普通技术人员显然能够对本发明的燃烧器做出进一步的改变和变型，所有这些改变和变型都包含在本发明保护的范围内，本发明的保护范围由所附权利要求限定。

Claims (14)

1.一种燃烧器(1)，所述燃烧器包括：

-支撑壁(2)，所述支撑壁形成用于将燃料气体和氧化剂的混合物(4)引入所述燃烧器(1)中的入口通道(3)，

-扩散器壁(5)，所述扩散器壁是管状的并且相对于所述燃烧器(1)的纵向轴线(6)是同轴的，并且所述扩散器壁包括第一端部(7)、第二端部(8)以及穿孔(10)，所述第一端部连接到所述支撑壁(2)且与所述入口通道(3)流体连通，所述第二端部由封闭壁(9)封闭，所述穿孔用作气体的所述混合物(4)从所述燃烧器(1)的内部至所述扩散器壁(5)的外部侧面的通道，在所述外部侧面处发生燃烧，

其特征在于，所述燃烧器包括第一隔板(12)和第二隔板(14)，所述第一隔板具有一个或多个第一贯穿开口(13)，所述第二隔板具有一个或多个第二贯穿开口(15)，

所述第一隔板(12)和所述第二隔板(14)与所述纵向轴线(6)是同中心的并且顺序地布置在所述入口通道(3)中，以使得所述混合物(4)首先穿过所述第一隔板(12)的所述一个或多个第一贯穿开口(13)，并且接着穿过所述第二隔板(14)的所述一个或多个第二贯穿开口(15)，

其中，所述第一隔板(12)和所述第二隔板(14)中的每一个分别都形成径向在内的、圆形的内部部分(16，16’)以及直接接界的径向在外的、环形的外部部分(17，17’)，其中：

-所述一个或多个第一贯穿开口(13)的径向最外的延伸限定所述外部部分(17，17’)的外径(Re)，

-所述内部部分(16，16’)的径向宽度(Ri)和所述外部部分(17，17’)的外径(Re)之间的比率(Ri/Re)的范围在0.6至0.7之间，优选为大约为0.65，

-在径向在外的所述外部部分(17，17’)中，所述一个或多个第一贯穿开口(13)的通道面积的总和大于所述一个或多个第二贯穿开口(15)的通道面积的总和，

-在径向在内的所述内部部分(16，16’)中，所述一个或多个第二贯穿开口(15)的通道面积的总和大于所述一个或多个第一贯穿开口(13)的通道面积的总和，

-所述第一隔板(12)和所述第二隔板(14)之间的自由轴向距离(18)的范围在0.22*Re至0.43*Re之间，优选地大约为0.31*Re，其中Re是所述外部部分(17，17’)的外径(Re)。

2.根据权利要求1所述的燃烧器(1)，其中，所述第一隔板(12)与所述第二隔板(14)是平面的，且所述第一隔板与所述第二隔板是平行的，并且与所述纵向轴线(6)正交。

3.根据权利要求1所述的燃烧器(1)，其中，所述第一隔板(12)和所述第二隔板(14)相对于所述纵向轴线(6)具有对称的形状。

4.根据权利要求1所述的燃烧器(1)，其中，所述第二隔板(14)的所述第二贯穿开口(15)由单个中央开口(15)构成，所述中央开口是圆形的并且与所述纵向轴线(6)是同中心的，所述中央开口(15)具有从所述纵向轴线(6)测量的径向延伸(R15)，该径向延伸的范围在0.6*Re至0.7*Re之间，优选地大约为0.65*Re，其中Re是所述第一隔板(12)和所述第二隔板(14)的所述外部部分(17，17’)的外径(Re)。

5.根据权利要求1所述的燃烧器(1)，其中，所述第二隔板(14)的所述第二贯穿开口(15)由中央开口(15)和多个周围孔(19)构成，所述中央开口与所述纵向轴线(6)是同中心的并且在径向在内的所述内部部分(16’)中形成，所述多个周围孔在径向在外的所述外部部分(17’)中形成并且具有的总通道面积小于所述中央开口(15)的通道面积。

6.根据权利要求1所述的燃烧器(1)，其中，所述第一贯穿开口(13)包括一组周围开口(20)，该一组周围开口形成在所述第一隔板(12)的径向在外的所述外部部分(17)中，并且该一组周围开口具有的总通道面积大于所述第一隔板(12)的径向在内的所述内部部分(16)的总通道面积。

7.根据权利要求6所述的燃烧器(1)，其中，所述一组周围孔(20)相对于所述纵向轴线(6)布置成一个多个圆周的序列。

8.根据权利要求1所述的燃烧器(1)，其中，所述第一贯穿开口(13)还包括中央孔(21)，所述中央孔与所述纵向轴线(6)是同中心的，并且所述中央孔具有的通道面积既小于所述第一隔板(12)的径向在外的所述外部部分(17)中的所述第一贯穿开口(13)的总通道面积，又小于所述第二隔板(14)的径向在内的所述内部部分(16’)中的所述第二贯穿开口(15)的总通道面积。

9.根据权利要求8所述的燃烧器(1)，其中，从所述纵向轴线(6)测量，所述第一隔板(12)的所述中央孔(21)具有在0.12*Re和0.22*Re之间的径向延伸(R21)，或具有大约0.17*Re的径向延伸(R21)，其中Re是所述第一隔板(12)和所述第二隔板(14)的所述外部部分(17，17’)的外径(Re)。

10.根据权利要求8所述的燃烧器(1)，其中，所述第一贯穿开口(13)包括一组周围开口(20)，所述周围开口具有“T”形的形状并且相对于所述纵向轴线(6)以圆周顺序布置，其中每个所述周围开口(20)都形成直线部分(22)并形成切线部分(23)，所述直线部分相对于所述纵向轴线(6)定向在径向方向上，所述切线部分(23)相对于所述纵向轴线(6)在圆周方向上延伸。

11.根据权利要求10所述的燃烧器(1)，其中，在所述周围开口(20)中，所述切线部分(23)的径向宽度(B23)大于所述直线部分(22)的周向宽度(B22)。

12.根据权利要求11所述的燃烧器(1)，其中，所述周围开口(20)是十个并且以恒定的角度间距布置，所述切线部分(23)的延伸(L23)是在25°至32°之间，优选为29°，所述切线部分(23)的径向宽度(B23)是在0.09*Re至0.13*Re之间，优选为大约0.11*Re，并且所述直线部分(22)的径向长度(L22)是在0.6*Re至0.7*Re之间，优选为大约0.65*Re，其中Re是所述第一隔板(12)和所述第二隔板(14)的所述外部部分(17，17’)的外径(Re)。

13.根据权利要求1所述的燃烧器(1)，其中，所述第一隔板(12)和所述第二隔板(14)在所述支撑壁(2)的侧部上完全地位于所述扩散器壁(5)的端部长度(28)内，其中所述端部长度(28)具有的轴向长度(L28)小于所述扩散器壁(5)的轴向长度(L5)四分之一。

14.根据权利要求1所述的燃烧器(1)，其中，所述第一隔板(12)包括偏转边缘(29)，所述偏转边缘至少部分地限定所述第一贯穿开口(13)并且所述偏转边缘弯曲向所述第一隔板(12)的平面外部，从而在相对于所述纵向轴线(6)的圆周方向上给予所述混合物(4)的流以漩涡状态。