CN1090728C - 燃烧器 - Google Patents

Abstract

对于一种其入流侧由涡流发生器构成的燃烧器，它是借助于一个在混合段开始处的过渡通道而使气流平滑地流入混合段。该过渡通道包括混合段端面的扇形区，其数量与涡流发生器的分体数量相当并沿流动方向呈螺旋状延伸。在过渡通道的下游侧，气膜敷设孔穿通该混合段，这些气膜敷设孔用来提高沿管壁的气流速度。接着混合段的是一个燃烧室，其中，在混合段与燃烧室之间的横截面突变区内形成一个回流区。

Description

燃烧器

本发明涉及一种主要由一个燃烧空气流的涡流发生器和喷入燃料装置所组成的用于热发生器的燃烧器。

由EP-A1-0321809已知一种由多个薄壳组成的锥形燃烧器，所谓的双锥燃烧器，用来在锥的头部中产生连续的涡流，由于沿着锥尖旋涡增加使涡流变得不稳定，并转变成一种在芯部有回流的环状涡流。燃料，例如气态燃料，沿着由各相邻薄壳构成的通道(也称进气缝)喷入，并在回流区或回流分离区的滞流点点火燃烧前与空气均匀混合，回流区或回流分离区在这里用来稳定火焰。液态燃料最好通过在燃烧器头部的中央喷嘴喷入，然后在锥形空腔内汽化。在燃气轮机的特有条件下，液态燃料的点火提前在燃料喷嘴附近就已进行，因此，正是由于没有预混合而不可避免地使氮氧化物的量急剧增加，这种预混合在例如喷入水时是必须进行的。此外可以肯定，试图燃烧类似于天燃气的含氧气体，会导致在燃气孔处先期着火的问题，以及紧接着使燃烧器过热。对此人们曾企图采取补救措施，如在燃烧器的出口用特殊的注射法引入这类气体燃料，但是其结果不能令人完全满意。

本发明将提供补救措施。如权利要求所表明的，本发明的目的是，对于本文开始所述类型的燃烧器采取预防措施，从而对于各种类型的燃料均可获得完美无缺的预混合。

所建议的这种燃烧器，在混合段的头部和上游有一个涡流发生器，它最好能设计成利用按照EP-A1-0321809的所谓双锥燃烧器的基本空气动力学原理。但在原则上仍可使用一种轴流式或径流式的涡流发生器。混合段本身最好由一个管状混合件构成，下文称为混合管，它可以完美地预混合不同的燃料。

从涡流发生器出来的气流平滑地流入混合管：为做到这一点是通过一个由过渡通道构成的过渡几何形状，过渡通道嵌入混合管的开始段，并将气流引入接着的混合管有效流通截面中。这种在涡流发生器和混合管之间无损失的气流引入，主要防止在涡流发生器出口直接形成回流区。

在涡流发生器中首先通过它的几何形状选择涡旋强度，使涡旋的分离不是在混合管内发生，而是远在下游的燃烧室进口，此时，混合管的长度应确定为对所有种类的燃料均能获得足够的混合质量。若例如所使用的涡流发生器是按双锥燃烧器的特性设计的，则涡旋强度取决于对相应的锥角、进气缝和其数量的设计。

在混合管内，轴向速度的分布存在一个在轴线上的明显的最大值，因而防止在此区域内回火。轴向速度朝壁面方向逐步下降。为了在此区域内也能防止回火，采取了各种预防措施：一方面例如通过采用直径足够小的混合管，令总体速度水平提高。另一种可能性是，只提高混合管外部区的速度，办法是将燃烧空气的一小部分，经过渡通道下游的一个环形间隙或多个气膜敷设孔，流入混合管。

可能会发生的压力损失的一部分可通过在混合管末端装一个扩压器得到弥补。

在混合管的末端通过一个横截面突变连接着燃烧室。在横截面突变处形成了一个中央回流区，它的特性如同一个火焰稳定器。

生成一个稳定的回流区要求在管内有足够高的涡流数。但若首先不希望有这样高的涡流数，则可以通过在管端供入小量的强烈涡旋的空气，即总空气量的5-20％，生成稳定的回流区。

与上述在管端的横截面突变结合起来，可以获得高度空间稳定的回流区，这对于火焰的稳定是非常有利的。

就上面提及的将来自涡流发生器的气流导入混合管的过渡通道而言，可以这样说，此过渡通道的流程其结果究竟是螺旋状地收敛或是扩张，取决于混合管有效连接的流通横截面。

下面借助于附图对本发明的实施例作详细说明。省略了所有对于直接理解本发明并不重要的特征。在各图中相同的构件用同样的符号。介质的流动方向用箭头表示。

其中：

图1具有所连接的燃烧室的燃烧器；

图2作适当剖切的涡流发生器透视图；

图3图2的双壳式涡流发生器剖面图；

图4一种四壳式涡流发生器剖面图；

图5叶型壳体的涡流发生器剖面图；以及

图6表示在涡流发生器与混合管之间的过渡部分几何形状的视图。

图1表示燃烧器的总体结构。开始是一个涡流发生器100进行有效的工作，它的结构在后面的图2-5中还要详细表示和说明。此涡流发生器100所涉及的是一种锥形结构，有多股从切向流入的燃烧空气流切向地进入此涡流发生器。在此处形成的气流借助于一个设在涡流发生器100下游的过渡几何形状，平滑地流入过渡段200，使得该处不会出现分离区。图6详细表示了此过渡几何形状的构形。过渡段200通过一个在过渡几何形状下游的管20而加长，此时，这两个部分组成了燃烧器真正的混合管220。当然，混合管220可以制成一个整体，也就是说，过渡段200和管20熔合成一个单个的紧密结合的结构，此时仍保持每一部分的特性。若过渡段200和管20是由两个部分构成的，则用一个套环10把它们连接起来，此时，此同一个套环10在前端用作涡流发生器100的固定面。此外，这种套环10还有一个优点，即可以使用不同的混合管。混合管在过渡通道下游的流通横截面可以小于、等于或大于涡流发生器的流通横截面。在管20的下游端有一个真正的燃烧室30，图中只是用火焰管象征性地表示燃烧室。混合管220满足下列条件：在涡流发生器100的下游提供一个规定的混合距离，在此距离中各种类型的燃料获得充分的预混合。此外，此混合距离(亦即混合管200)可以无损失地导引气流，所以，即使与过渡几何形状相互影响，也不会首先形成回流区，因此，可以沿混合管220的全长，对各种类型的燃料的混合品质施加影响。但这种混合管220还有另一个特点，这一特点是，在混合管220中，轴向速度的分布在其轴线上有一个明显的最大值，所以，火焰从燃烧室的回火是不可能的。当然，正确地说，在这种结构中，轴向速度朝壁面方向逐步下降。为了在壁面区也能防止回火，所以，在混合管220上沿流动方向和圆周方向，设一定数量的均匀或不均匀分布的不同横截面和不同方向的孔21，一定空气量通过这些孔21流入混合管220内部，并导致沿壁面提高速度。取得同样效果的另一种可能性是，在过渡通道201(它们构成已所述的过渡几何形状)下游侧的混合管220的流通截面变成收缩的，从而提高了混合管220内的整体速度水平。在图中，过渡通道201的出口相当于混合管220最窄的流通横截面。因此，上述过渡通道201协调了横截面的差别，而与此同时不会对所形成的流动产生消极的影响。当所选择的预防措施在沿着混合管220导引管内气流40时带来了不能容忍的压力损失，则可以通过在混合管末端设一个图中末表示的扩压器来消除这一弊端。在混合管220的末端连接着一个燃烧室30，在这两个流通横截面之间有一个横截面突变。正是在这里形成了一个中央回流区50，它具有火焰稳定器的性质。若在工作时在此横截面突变区内形成了一个流动的边缘区，在此边缘区内由于该处占优势的负压产生涡旋分离，从而导致回流区50的一个强化了的稳定环。燃烧室30的端面有一定数量的孔31，一定量的空气经孔31直接流入横截面突变区中，并在那里尤其是有助于加强回流区50的稳定环。此外，必须提及，为生成稳定的回流区50，还要求在管内有足够高的涡流数。若首先不希望有这样的涡流数，则也可以通过在管端例如经切向孔供入强烈涡旋的小量空气流来生成稳定的回流区。在这种情况下，为此所需要的空气量大约为总空气量的5-20％。

为了更好地理解涡流发生器100的结构，最好在参阅图2的同时至少利用图3。此外，为了不要把图2画得不必要的复杂而看不清楚，那些按图3示意表示的导板121a、121b，在图2中仅作了粗略的暗示，下面在说明图2时将根据需要参见所述的这些图。

按图1燃烧器的第一部分构成了图2所示的涡流发生器100。它由两个锥形的空心分段101、102组成，它们错开地互相套在一起。当然，锥形分段的数量可以多于两个，如图4和5所示，这要看整个燃烧器的工作类型，在下面还要详细说明。在一定的工作状况下，不排除采用一种由唯一的一个螺旋管构成的涡流发生器。锥形分段101、102各自的中轴线或对称纵轴线101b、102b互相错开，在镜象式结构中使相邻壁成为一个切向通道，亦即进气缝119、120(图3)，燃烧空气115经过它们流入涡流发生器100的内腔，也就是流入涡流发生器100的锥形空腔114。图上所表示的分段101、102的锥体形状沿流动方向有一个固定的角度。显然，根据工作的用途，分段101、102沿流动方向可以有一个逐渐增大或逐渐减小的锥度，分别类似于一个喇叭或郁金香花形的啤酒杯。后面提到的这两种形状没有画在图上，因为对于专家来说它们很容易想象。两个锥形分段101、102的每一个都有一个圆柱形起始部分101a、102a，与锥形分段101、102类似地它们同样互相错开，所以切向的进气缝119、120沿着涡流发生器100的全长形成。在圆柱形起始段的区域内装有一个最好用于液体燃料112的喷嘴103，液体燃料的喷入104大体上与由锥形分段101、102构成的锥形空腔114的最窄横截面位置重合。喷嘴103的喷入量和类型取决于该燃烧器的预定参数。当然，涡流发生器100可以设计成纯锥形的，亦即没有圆柱形起始部分101a、102a。锥形分段101、102此外还各有一根燃料导管108、109，它们沿切向进气缝119、120设置，并设有一些喷入口117，通过它们最好将一种气态燃料113喷入流过那里的燃烧空气115中，如图中箭头116象征性表示的那样。燃料导管108、109最迟应定位在切向入流的端部，进入锥形空腔114之前，以获得最佳的空气/燃料混合。如曾提及的，经喷嘴103输送的燃料112在通常的情况下是一种液体燃料，这样可便于与其他介质形成混合。燃料112以一个锐角喷入锥形空腔114内。因此，从喷嘴103起形成了一个燃料喷雾锥105，它的外面包围着切向流入的旋转的燃烧空气115。喷入的燃料112沿轴向的浓度，，由于沿汽化的方向流入供混合的燃烧空气115，所以不断地下降。若气态燃料113往喷入口117喷入，则燃料/空气混合物直接在进气缝119、120端部生成。若燃烧空气115另加预热，或例如用再循环的烟气或排气浓化，则在此混合物流入下游的级中以前，持久地有助于此液体燃料112的汽化。若液体燃料要经导管108、109输入，则上述做法也同样是适用的。在锥形分段101、102的设计中涉及的锥角和切向进气缝119、120的宽度要遵守严格的限制，从而在涡流发生器100的出口建立所要求的燃烧空气115的流场。一般地说，切向进气缝119、120减小，促使更快地在涡流发生器区域内就已经构成回流区。涡流发生器100内的轴向速度，可通过适当供入图中未表示的轴向燃烧空气来改变。一个适当的涡流发生器可以防止在它下游的混合管内部发生气流分离。此外，涡流发生器100的结构特别适用于改变切向进气缝119、120的尺寸，因此，在不改变涡流发生器100的结构长度的情况下，可以获得一个比较大的工作范围。分段101、102当然也可以相互偏移到另一个平面内，甚至它们可以重叠。另一个可能性是，分段101、102通过反向旋转运动螺旋状地互相套在一起。因此，可以任意改变切向进气缝119、120的形状、尺寸和结构，从而可以在不改变涡流发生器100结构长度的情况下，使之具有通用性。

由图3可见导流板121a、121b的几何构形。它们有导入气流的作用，在这种情况下，它们按照其长度将锥形分段101、102各自的端头，迎着燃烧空气115的入流方向加长。所形成的燃烧空气115进入锥形空腔114的通道，可通过导流板121a、121b绕一个设在进入锥形空腔114的通道入口处的回转点123打开或关闭使之最佳化，这样做尤其必要的是在应动态地改变切向进气缝119、120的原始间隙尺寸时。当然这些动态的措施也可以变成静态的，这时按需将导流板与锥形分段101、102构成一个固定的组成部分。没有导流板，涡流发生器100同样也可以工作，或也可以为它配置其它的辅助装置。

与图3相比，图4中表示的涡流发生器100由四个分段130、131、132、133构成。每一个分段所属的对称纵轴线用字母a表示。对于这种结构，可以说，它最适用来防止在涡流发生器下游侧的混合管内发生涡流分离，因为这种结构生成的涡旋强度较小并与一个比较大的缝隙宽度共同工作。因此，混合管能够最好地满足对它所提出的要求。

图5与图4相比的区别仅在于，图5中的分段140、141、142、143有叶片断面形状，用来提供某种流场。分段沿流动方向有一个固定的锥角，或有一个渐增的锥度，或有一个渐减的锥度。除此之外，涡流发生器的工作方式仍保持相同。燃料116掺入燃烧空气115内，是通过从叶型剖面中出来进行的，也就是说，现在的燃料导管108与各个叶片制成整体。在此图中，各分段的对称纵轴线也用字母a表示。

图6在一个三维视图中表示过渡段200。此过渡几何形状是针对图4或5所示具有四个分段的涡流发生器100设计的。据此，过渡几何形状具有作为在上游作用的分段的自然延伸的四个过渡通道201，其结果是上述分段的1/4锥面延长了，直至它与管20或混合管220的壁相交。若涡流发生器按与图2所描述的不同的原则设计时，这些考虑同样适用。沿流动方向向下延伸的各过渡通道201的表面，具有一个沿流动方向螺旋状延伸的形状，它描绘了一个镰刀状的轨道，这相应于这一事实，即在目前的情况下，过渡段200的流通截面沿流动方向呈锥形扩张。过渡通道201的螺旋角沿流动方向应选向为，直至与在燃烧室进口的横截面突变处连接前，使管流还留有足够长的距离，以便实现与喷入燃料的充分混合。此外，采取上述措施还提高了涡流发生器下游混合管壁处的轴向速度。过渡几何形状和在混合管区域内采取的措施，明显提高了朝混合管中点的轴向速度分布，所以决定性地消除了先期着火的危险。

Claims (13)

1.热发生器用的燃烧器，它主要由一个燃烧空气的涡流发生器和喷入燃料的装置所组成，其特征为：涡流发生器(100)的下游设混合段；在涡流发生器(100)下游的混合段具有过渡通道(201)，它设在沿流动方向的混合段的最初部分内，用来将在涡流发生器(100)中形成的气流(40)送入设在过渡通道(201)下游的混合段的流通横截面内。

2.按照权利要求1所述的燃烧器，其特征为：混合段设计成管状混合构件。

3.按照权利要求1所述的燃烧器，其特征为：涡流发生器由至少两个限定一个内部空间的分体形成，在混合段中过渡通道(201)的数量等于形成涡流发生器(100)的分体的数量。

4.按照权利要求1所述的燃烧器，其特征为：混合段的一部分在过渡通道(201)的下游沿气流的流动方向和围绕圆周方向设有一些孔，作为用于引入空气流的气膜敷设孔(21)。

5.按照权利要求1所述的燃烧器，其特征为：混合段上在过渡通道(201)的下游设切向孔，用于引入空气流。

6.按照权利要求1所述的燃烧器，其特征为：混合段在过渡通道(201)的下游的流通横截面小于、等于或大于涡流发生器(100)的流通横载面。

7.按照权利要求1所述的燃烧器，其特征为：过渡通道(201)包括混合段端面的扇形区，并沿流动方向螺旋状延伸。

8.按照权利要求1所述的燃烧器，其特征为：在混合段末端有一个扩压器。

9.按照权利要求1所述的燃烧器，其特征为：燃烧室(30)设在混合段下游；在混合段与燃烧室(30)之间有一个横截面的突变，它表示燃烧室(30)流动的起始横截面；在此横截面突变区域内可起回流区(50)的作用。

10.按照权利要求1所述的燃烧器，其特征为：涡流发生器(100)至少由两个锥形的空心的分段(101、102；130、131、132、133；140、141、142、143)组成，它们沿气流方向一个套在另一个里面；这些分段各自的纵向对称轴线(101b、102b；130a、131a、132a、133a、140a、141a、142a、143a)互相错开，使分段相邻的壁面在它们的纵向距离内构成一个燃烧空气流(115)的切向通道(119、120)；在由分段构成的锥形空腔(114)内至少装有一个燃料喷嘴(103)。

11.按照权利要求10所述的燃烧器，其特征为：在切向通道(119、120)区它们的纵向距离内，设有另一些燃料喷嘴(117)。

12.按照权利要求10所述的燃烧器，其特征为：分段沿流动方向有一个固定的锥角，或有一个渐增的锥度，或有一个渐减的锥度。

13.按照权利要求10的所述的燃烧器，其特征为：分段成螺旋状地一个套在另一个里面。

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