CN105987382A - 涡旋体和带有涡旋体的燃烧器以及用于涡旋体制造的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于产生与在管或环形通道内的流体流中的轴向流动方向垂直的切向速度分量的涡旋体，该涡旋体具有中央的圆柱形的导向体以及在该导向体的圆周上均匀分布、牢固安排的引导叶片，这些引导叶片在流体流中径向向外延伸且在流动方向中弯曲。本发明还涉及带有涡旋体的燃烧器及用于制造涡旋体的方法。本发明的目的是，从相关的现有技术的缺点出发提供涡旋体，该涡旋体具有流体力学的优点，能够简单地与不同的燃料和燃烧器及过程条件相适配且能够轻松地更换。这个目的是如下实现的，这些引导叶片在流动方向上以螺旋形围绕该中央的导向体并且具有相对于流动方向渐进的倾斜角，其中这些引导叶片的倾斜角在流入侧处等于零并且在流出侧上有最大值。

Description

涡旋体和带有涡旋体的燃烧器以及用于涡旋体制造的方法

技术领域

本发明涉及一种用于产生与在管或环形通道内的流体流中的流动方向垂直的切向速度分量的涡旋体，其中该涡旋体具有一个中央的圆柱形的导向体以及在该导向体的圆周上均匀分布、牢固安排的引导叶片，这些引导叶片在流体流中径向向外延伸直至该管或环形通道的一个内壁且在流动方向中弯曲。

此外本发明涉及一种燃烧器，该燃烧器包含至少一个这样的涡旋体。

背景技术

此类的燃烧器和涡旋体例如用于气化含碳燃料以制造合成气体。在外部混合的燃烧器中用含氧气体部分氧化含碳燃料的情况下(也就是说，在燃烧器中，该燃料与该含氧气体不进行预混合，而是被分离地导入到一个混合区域内并在那里被点燃)，重要的是实现该含氧气体与该燃料的充分混匀，以便加速在这些反应参与物(Reaktionspartnern)之间的化学的部分氧化反应并且获得最大产率的混合气体。

例如在液态燃料的情况下通过用高压和较小的液滴大小雾化来实现燃料和氧化剂在火焰区域内的充分混合。在气化借助于载气被输送到该燃烧器的干燥煤灰的情况下，载气压力的上升通过该煤灰的研磨作用(Schleifwirkung)导致在燃烧器嘴处摩擦性磨损的不希望的增加。因此在煤气化的情况下选择另一种途径，即借助一个在该燃烧器嘴处的氧化剂送入部中的涡旋体通过湍流增加和射流分散(Strahlaufspreizung)来增强这些反应参与物的混合。在此涡旋流动影响轴向的氧化剂流，该涡旋流动提供燃烧产物的高度的内部和外部的再循环并且因此提供高燃烧强度。

由于在该位于正流与回流之间的过渡区域中陡峭的速度梯度导致了强烈的湍流，该湍流促进该燃料与该含氧气体之间的化学反应。

在DE 10 2010 006 868 A1中描述了在一个用于氧气的中央送入通道中且额外地还在一个用于燃烧气体的环形通道中用来产生一种涡旋流动的器件，并且以一个在氧气通道中带有引导叶片轮缘(Leitschaufelkranz)的中央的导向体的形式以及作为在该燃烧气体通道中的引导叶片轮缘示出。这些直线的引导叶片与该流动方向相反地倾斜。用于产生涡旋流动的器件应该还是可调整的。并未描述该情况如何实现。所公开的引导叶片的缺点在于，这些引导叶片引起强烈的二次涡流。

在该含氧气体的旋转冲量过强的情况下，该热的燃烧发动机返回到该燃烧器嘴中的回流增加，这导致该燃烧器嘴的加热和破坏。

因此通过该涡旋体的对应的适配来优化对于每个燃烧器和每种燃料的涡旋流比例。

EP 1 221 572 B1公开了此类的适配器件。在一个用于氧化剂的中央的送入管中安排有一个带有倒圆的流入侧和以锐角结束的流出侧的圆柱形引导体。在该引导体的下部区段的圆周上安排有径向指向的内部的涡旋叶片。这些叶片以用于热膨胀的公差在该引导体内借助槽缝和舌状件固定在送入管中。在一个实施方式中该引导体具有一个用于氧化剂的轴向流动部分的中央孔，由此同时也可以通过该引导体在接近相同的涡旋作用下减少压力损失。取决于该中央孔的直径，该轴向流动部分因此受到影响，该轴向流动部分有助于减少热的反应气体向该燃烧器嘴的回流部分。

所建议的安排的缺点在于这些涡旋叶片的高的制造花费和安装花费。这些内部涡旋叶片通过加工该中央引导体的外表面而成型。每个涡旋叶片必须单独地通过一个形状配合的舌状件-槽缝连接固定在该流动通道中。

在过去也曾建议一个在燃料通道中的涡旋体的安排。从DE 200 01421 U1中已知一种用于气化液态燃料、余料及废料的燃烧器，该燃烧器作为用于分散液体燃料的可替代性使用的器件包含涡旋体、自由射流喷嘴或文丘里喷嘴，其中该液体燃料通道应该分别具有一个直径减小部，并且该氧化剂通道同中心地安排在该液体通道周围。缺点是，当燃料流包含固体燃料时，该涡旋体在该燃料流中有高磨损。

在改进该气化燃烧器的冷却方面，在EP 2 743 579 A1中建议，单件式地形成包含涡旋叶片的整个燃烧器尖端，并且借助于选择性的激光烧结(Laser-Cusing，选择性的激光熔化)通过金属合金的逐层熔化来制造。因此应该在该燃烧器尖端处设置薄壁式的、可用冷却水流动穿过的空腔结构，这些空腔结构允许一个送入通道和这些涡旋叶片的共同冷却。缺点是，该燃烧器嘴对更换的燃料的适配或流动行为的优化仅能够通过高耗费地制造新的完整的燃烧器尖端来实现。单独的磨损零件的更换是不可能的。由于该制造方法还导致对于每个单独的燃烧器元件的分别最佳地适合的材料的选择是不可能的。

发明内容

本发明的目的是，从相关的现有技术的缺点出发提供一种涡旋体和制造方法，该涡旋体具有流体力学的优点，能够简单地与不同的燃料和燃烧器及工艺条件相适配且能够轻松地更换。

这个目的通过一个开头所述类型的、具有权利要求一所述特征的涡旋体和一个根据权利要求7所述的燃烧器以及通过一种根据权利要求10所述的制造方法实现。有利的实施方式是从属权利要求的主题。

所建议的涡旋体拥有引导叶片，这些引导叶片在流动方向上以螺旋形围绕一个中央的导向体并且具有一个相对于流动方向渐进的倾斜角，其中这些引导叶片的倾斜角在流入侧处等于零并且在流出侧上有一个最大值。

流动方向应理解为相对于该管轴线的纵向的轴向的主流动方向。

本发明的优点是，与已知的笔直且平坦实施的引导叶片不同，一个具有渐进的倾斜角的涡旋体具有最小的流动阻力，并且基于在引导叶片表面增加的倾斜角处持续的气流偏转在产生涡旋时出现较少的不希望的湍流。对应于在该导向体的流入侧处具有一个中央的碰撞尖端的一个优选的实施方式，这种流体力学的优点再被增强。关于在该导向体周围安排的引导叶片的尺寸，该涡旋体的一个优选实施方式有大于1的长度-直径比率。

带有该导向体的任选的碰撞尖端和同样任选的中央轴向空腔(下面也称为轴向孔)的可普遍使用的涡旋体基本形式允许在没有结构改变的情况下最佳地适配不同的应用情况。如果例如该涡旋体仅设置用于涡旋产生，那么在流入侧安排的中央碰撞尖端实现该引导体的少涡流的(wirbelarme)环流。如果希望在流体流中安排过程控制器件，例如流动传感器、火焰监测器或信号传输装置，那么该管状引导体在其轴向孔中提供用于接收所需要的装置的可能性。如果为此需要使该轴向孔从两侧打开且可进入，那么该碰撞尖端可以被断开或借助合适的可释放的保持器件来移除，或该涡旋体在其制造时已被生产为没有碰撞尖端。

为了灵活适配该涡旋体的应用目的，根据本发明的涡旋体的构型通过特别的制造方法实现，该制造方法以选择性激光烧结的方法为基础并且实现带有渐进的倾斜角的引导叶片的经济的制造。除该少湍流的流动偏转外，这些引导叶片的在流动方向中渐进的倾斜角在该涡旋适配于具体的安装条件和介质特性时提供一个决定性的附加优点。通过该涡旋体在该流出侧上简单的缩短，在该引导叶片的流出侧处可产生该倾斜角的不同的最大值以及因此不同的涡旋流动强度。如果例如该涡旋流比例太高，使得从燃烧器出来的流体流在离开燃烧器嘴后太强烈地分散，容易实现的是，断开在该流出侧上具有最大倾斜角的该后部的引导叶片区段，使得旋转分量在出来的流体流中减弱。通过具有高倾斜角的引导叶片的末端区段的断开，当然仅可能实现涡旋降低。所建议的解决方案始终提供这样的可能：具有引导叶片的最大倾斜角的该涡旋体基本形式通过简单的、机械的后处理步骤与在气化过程中的具体的流动条件和流体特性相适配。

同样简单地可实现的是，在不需要改变该涡旋体的整个几何形状的情况下，在确定用于激光烧结的3D模型时已经缩短该涡旋体以及同样伸长该涡旋体。

该涡旋体不仅制造简单，而且可以用最简单的方式固定在燃烧器的一个气体通道或一个管或环形通道中并可以容易地更换，其方式为，将该涡旋体形成为用其与该管或通道相对应的、例如圆柱形的外轮廓可推入到该流动通道或管中。如果对应于该涡旋体的一个优选实施方式，多个、优选所有引导叶片分别具有一个具有第一直径的区段和一个从轴向流动方向看直接跟随的、具有比第一直径更小的第二直径的区段，以此方式在自由的外边缘处形成的这些凹陷可以用于该涡旋体在一个管中的定位。通过在描述的方向中形成这些凹陷，用这些凹陷也可以在管或通道中实现该涡旋体的固定，如在下面对于该燃烧器详细说明的，这些凹陷通过流入的介质被压靠在管或通道中的一个横截面变窄部(Querschnittsverengung)。

该涡旋体的定位因此能够借助一个支撑面实现，该支撑面通过在多个引导叶片处的各一个凹陷形成，这些引导叶片全部位于一个平面中。该引导叶片可以松散地设置在该管或通道的内罩面中的相对应的支撑面上。该涡旋体可以用端面的外部区段松散地支承在该引导叶片的流出侧上、在该通道或管的一个在流动方向中安排的横截面变窄部上。在这两种情况中借助于流动可产生一个力，该力将该涡旋体固定在管或通道中相应的面上，在适当时也借助于剪切力。

在涡旋体的引导叶片上作用的该流体流的切向反作用力例如能够通过至少一个在该管或环形通道的内壁处牢固安排的用于这些引导叶片中至少一个的转动止挡件来接收。根据本发明的该涡旋体在燃烧器中的定位和固定允许其在磨损时的更换或允许用简单方式且随时地进行机械加工，因为该涡旋体并不牢固地与该燃烧器管连接。轴向和切向的力通过对应的止挡件被接收。这足以实现将该插入的涡旋体从管中拉出来。

尽管可使用一个此类的涡旋体用于多种流动引导任务或混合任务，但该涡旋体特别适合于在用于将煤部分氧化成合成气体的气化燃烧器的氧化剂流中产生涡旋分量。在用于含氧气体的燃烧器的中央管中的涡旋体位于一个优选地垂直安排的涡旋燃烧器中。除此之外，额外地或替代性地也可以在一个同中心地包围该中央通道的、用于另一种介质如煤灰(该煤灰在惰性载气流中被运输到该燃烧器)的环形通道中安排一个涡旋体。用于环形通道的涡旋体具有一个管状的引导体，该引导体或者以有利的方式形成一个管壁的区段或一个环形通道壁，或者在一个管壁上可移动并且同中心地包围该管壁。

附图说明

因此下文以在用于煤灰的气化燃烧器的管中的一个用于气流的涡旋体为例说明本发明。所属的附图在此示出：

图1：示出了在剖开的管中的一个带有碰撞尖端的涡旋体的图示，

图2：示出了一个没有碰撞尖端的涡旋体在流动方向中的视图，以及

图3：示出了一个涡旋体的3D图示。

具体实施方式

该气化燃烧器例如是一个用于在内通道送入氧化剂和在外通道送入燃料的两通道燃烧器。一个这样的燃烧器通常安排在用于气化含碳燃料以制造合成气体的气化反应器的外壳中，并且具有至少一个用于第一流体流，尤其是用于含有氧气的氧化剂的中央内通道(管9)，以及至少一个用于第二流体流，尤其是用于煤灰的气动供应的、同中心地包围中央管9的环形通道。

如图1示出的，在管9中安排有用于产生与轴向流动方向垂直的切向速度分量的涡旋体。该涡旋体包括一个中央的圆柱形的导向体1以及在该导向体的圆周上均匀分布、牢固安排的引导叶片2，这些引导叶片在流体流中径向向外延伸直至该中心的轴向的管9的内壁中。为了该涡旋体的装配，在这些引导叶片2的外边缘6与该管9的内面之间必须有一个最小的间隙尺寸。在此实施例中这些引导叶片2的圆柱形的外轮廓设置为用于使该涡旋体插入到一个管中。在该外轮廓中的偏差，例如作为转动保险件的、在管中与纵向槽共同作用的额外的凸起基于灵活的制造方法同样可以实现。

这些引导叶片2在流动方向中弯曲，并且螺旋形地在流动方向中围绕该中央的导向体1，并且在此具有一个相对于流动方向的渐进的倾斜角，其中这些引导叶片2的倾斜角在流入侧5处等于零并且在流出侧7上达到其最大值。在该流入区域中这些引导叶片2由此平行于流动方向或在流动方向中取向，并且这些引导叶片在流动方向中具有增加的曲率。在该流出侧7上这些引导叶片2设置为具有相对于轴向流动倾斜的最大倾斜角(图3)。

该导向体1在其流入侧上具有一个带有流体技术上最佳的轮廓的中央的碰撞尖端3，该轮廓围绕该导向体1引导该流体流。在另一个有利的实施方式中，没有碰撞尖端3的该导向体1形成为管件，其方式为，该导向体具有一个中央的连续的轴向孔4(图2)，该轴向孔可以使该流体流流动穿过或适合用于接收过程控制器件，例如流动传感器、火焰监测器或信号传输装置。

带有一个碰撞尖端3和一个中央轴向孔4的导向体1的构型形成了一个灵活的可适配的解决方案。以此能够，提供该涡旋体的一个基本形式，该基本形式用于其中一个碰撞尖端3是有利的应用情况，并且用于其中在该碰撞尖端3断开后该中央轴向孔4在两侧打开的应用情况。

该涡旋体为了其轴向的固定，通过这些端面在引导叶片2的流出侧5上、在该管9的一个横截面变窄部10上松散地支承。另一种轴向牢固的可能性在于，这些引导叶片2在其外边缘6处分别仅在一个面向流入侧的第一区段8中根据图1至3在该横截面变窄部10之前用该管的较大直径制造，并且将该涡旋体用这样形成的在这些引导叶片2的外边缘6中的凹陷12松散地支承在该管9的横截面变窄部10上(图1)。

该管9中的以相同方式也在环形通道中形成的横截面变窄部10可以是一个环绕的直径阶梯，或也仅由在该流动通道的内壁处的单独的凸起构成，这些引导叶片2支撑在这些凸起上。为了可以用简单的方式更换磨损的涡旋体，具有配合公差的这些引导叶片2的外直径要选择为小于该管9或环形通道内直径。

至少一个在该管9或环形通道的内壁处牢固地安排的、用于这些引导叶片2之一的转动止挡件11用作转动保险件。该转动止挡件优选地安排在较大的管横截面中，并且可以是例如在图2中示出的圆柱销，该圆柱销通过一个在管壁中径向的孔伸入到该管9的自由横截面中几毫米，并且相对于扭转固定该涡旋体。

这种具有渐进的曲率的引导叶片2的涡旋体的经济的生产需要一种特别的生产方法。在一个切削式成型部方法中生产花费可能太高。对于小批量生产而言推荐选择性的激光烧结的方法，也称为Laser-Cusing或短SLS金属。在SLS的情况下从涡旋体(图3)的3D数据在仅一个生产步骤中产生复杂的由金属制成的功能零件。在此一种粉碎的金属以薄层施加并且由激光以赋予轮廓的方式进行熔融。于是该物体逐层地以由3D模型预设的几何形状产生。作为用于SLS的合适金属考虑例如铝、钢、钛或镍基合金，其中镍-铬合金表现为特别适合在此建议的解决方案。该涡旋体最终至少在这些引导叶片2的外边缘6处研磨，以保证对于同样加工的管9的希望的公差尺寸。

在将该涡旋体安装到一个燃烧器的环形通道中，也就是安装到一个内管9与一个同中心的外管之间的环形间隙中时，该导向体1被这样设定尺寸，使得该导向体用其内直径略微超过带有用于补偿不同热学材料特性的公差的管9的外直径，并且因此可以插接到该管9上。另一种可能性在于，该导向体1的内直径和外直径与该内管9的内直径和外直径相等，并且将该导向体1共轴地在其端侧与管9连接，例如焊接，使得该导向体1形成该管9的壁的一个区段。

根据本发明装置的运行方式：

氧化剂和燃烧灰烬以及适当时其他的气态介质的这两个介质流在该燃烧器内部在该中央的管9中以及在同中心的环形通道中轴向地传输到该燃烧器嘴，并且在火焰区域中相互反应，其中送入的碳部分氧化为一氧化碳。

通过在该前在中央的管9中安排的涡旋体，在轴向的氧化剂或氧气流中引起涡旋流动，也就是说，该气流在从该燃烧器排出时除了燃烧器嘴原本的基本上轴向的运动分量外在其主要流动方向周围也具有一个旋转运动分量。该涡旋流部分在从燃烧器嘴排出后由于旋转力导致该中央氧气流的射束扩宽以及在从同中心的环形通道中排出的煤灰-载气流中湍流增强。这两种后果增大了气流之间的接触面且导致强烈的径向的物质交换并因此导致快速的混合。

根据本发明，当涡旋体长度相对于引导叶片直径的比率大于1且在该流出侧7上的这些引导叶片2的倾斜角在20°与45°之间时，获得有效的混合。

由于这些引导叶片2的渐进的曲率，在流入侧5上的流动流首先击中碰撞尖端3，并从其向外偏转到在流动方向上定向的引导叶片2的前边缘上。该流体流在持续的角度改变的情况下沿着弯曲的引导叶片2被引导直至其流出侧7，并在此获得预设的旋转分量(涡旋)。

由于流动偏转而作用在涡旋体上的切向反作用力通过在该管9或环形通道的内壁处牢固地安排的转动止挡件11被接收并导出到该管壁中。

在流入该导向体1的情况下该碰撞尖端3的降低湍流的功能是从现有技术中已知的。然而所建议的制造方法提供如下可能性：在没有制造技术上的附加耗费的情况下，以不同的变体(带有/没有碰撞尖端3，作为实心圆柱体/空心圆柱体的导向体1)制造该涡旋体。例如引导体1可以在可灵活使用的变体中预先安排一个碰撞尖端3，并且该引导体1同时构成为空心圆柱体。

对于用于接收过程控制器件的导向体1的使用，可能有利的是分离该碰撞尖端3，使得该中央的轴向的孔在两侧打开且对于安装，例如对于随后的火焰监测器的安装，是可接近的。由于该灵活的制造方法，该孔直径是可变的并且可以与待安装的设备相适配。为了固定这些待安装的设备，孔4内自然可以借助激光烧结实现下陷或凸起。

同样可以实现的是，将该导向体1用于其他目的或在没有任何通过开孔4的安装的情况下仅用于轴向流动分量的加强。如果该带有相对于燃烧器轴共轴的中间的孔4的导向体1构成为管件，该中央的气流在不影响其轴向的流动方向的情况下流过该涡旋体，在外部的气流中相反地通过这些引导叶片2无变化地形成涡旋。该燃烧器火焰的热的反应区域通过该较高的轴向流比例从该燃烧器嘴中被偏移，然而是在保持该反应气体围绕该燃烧器轴旋转的情况下。由于燃烧器嘴的火焰区域的较大的距离，材料的热负载不太高，并且在该燃烧器嘴处的磨损可以被降低。

因为不同于现有技术该流体流不是击中恒定倾斜的平坦的引导面，而是始终从其轴向的流动方向中转向到螺旋形的流动中，所建议的涡旋体导致在该流入侧5上几乎没有涡流以及因此仅很小的压力损失，并且在这些引导叶片2处的磨损相应地降低。在相应研究的结果中已经显示，该涡旋体的轴向尺寸以及因此该引导叶片长度应该比其径向的尺度大，以便在该流动的介质中实现最佳的涡旋形成。

由于这些引导叶片2的渐进的曲率，此外能够用简单的方式，将该由涡旋体产生的涡旋流动分量在实际使用中与具体的局部条件相适配，其方式为，如上面描述的在流出侧7处这些引导叶片2相对于轴向的流动方向的不同的倾斜角可以通过该涡旋体及这些引导叶片2的缩短而制造。其前提条件是该涡旋体的长度的最小尺寸应大于该引导叶片直径。

附图标记清单

1 导向体

2 引导叶片

3 碰撞尖端

4 孔

5 流入侧

6 外边缘

7 流出侧

8 带有较大直径的外边缘的区段

9 管

10 横截面变窄部

11 转动止挡件

12 凹陷

M 流动方向

d1 第一直径

d2 第二直径

Claims (10)

1.用于产生与在管或环形通道内的流体流中的轴向流动方向(M)垂直的切向速度分量的涡旋体，其中该涡旋体具有一个中央的圆柱形的导向体(1)以及在该导向体(1)的圆周上均匀分布、牢固安排的引导叶片(2)，这些引导叶片(2)在流体流中径向向外延伸且在流动方向中弯曲，其特征在于，这些引导叶片(2)在流动方向(M)上以螺旋形围绕该中央的导向体(1)并且具有一个相对于流动方向渐进的倾斜角，其中这些引导叶片(2)的倾斜角在流入侧(5)处等于零并且在流出侧(7)上有一个最大值。

2.根据权利要求1所述的涡旋体，其特征在于，该导向体(1)在该流入侧(5)上具有一个中央的碰撞尖端(3)和/或一个中央的轴向的孔(4)，该孔形成为能够被该流体流流动穿过和/或用于接收过程控制器件和/或信号传输装置。

3.根据权利要求1或2所述的涡旋体，其特征在于，这些引导叶片(2)中的多个分别具有一个具有第一直径(d1)的区段(8)和一个从轴向流动方向(M)看直接跟随的、具有比第一直径更小的第二直径(d2)的区段，由此在其中将该流入侧(5)与该流出侧(7)相连接的外边缘(6)形成各一个凹陷(12)。

4.根据权利要求1或2所述的涡旋体，其特征在于，这些引导叶片(2)和该中央的导向体(1)的至少支承这些引导叶片(2)的那个部分是单件式地由金属合金制造。

5.用于气化含碳燃料以制造合成气体的燃烧器，该燃烧器带有一个中央管(9)或一个环形通道，其中一个根据前述权利要求之一所述的涡旋体安排在该中央管(9)或该环形通道中。

6.根据权利要求5所述的燃烧器，其特征在于，该涡旋体用端面在这些引导叶片(2)的流出侧(7)处、在该管(9)或环形通道的一个横截面变窄部(10)上松散地支承。

7.根据权利要求5所述的燃烧器，其特征在于，该燃烧器具有一个根据权利要求3所述的涡旋体，该涡旋体与该凹陷(12)在多个引导叶片(2)的外边缘(6)中、在该中央管(9)的一个对应的横截面变窄部(10)上松散地支承。

8.根据权利要求5所述的燃烧器，其特征在于，在该涡旋体上作用的该流体流动的切向反作用力能够通过至少一个在该管(9)或环形通道的内壁处牢固安排的用于这些引导叶片(2)之一的转动止挡件(11)接收。

9.根据权利要求5所述的带有至少一个环形通道的燃烧器，其中在该环形通道中安排有一个涡旋体，该涡旋体的导向体(1)构成该环形通道的内管的一个区段或同中心地包围一个这样的区段。

10.用于制造根据权利要求1至4之一所述的涡旋体的方法，其特征在于，该涡旋体借助于金属合金的选择性的激光烧结制造且在该流出侧(7)处这些引导叶片(2)相对于轴向流动方向的倾斜角借助于该涡旋体的在该流出侧(7)上的缩短而进行设定。