CN1109843C - 控制燃烧室的燃烧器 - Google Patents

Abstract

在一个控制燃烧室的燃烧器中，燃烧器主要包括一个旋流发生器(100)和一个布置在旋流发生器下游的混合段(220)，该混合段作用于燃烧室(30)的上游，旋流发生器产生的旋流通过过渡通道(201)进入混合段。在属于混合段的混合管(20)的出口，混合管(20)的燃烧器前部(70)在燃烧室一侧设有至少一个环形的凹口(71)。因此，回流区(50)的稳定性增强，它在各方面对燃烧都产生一个积极的影响。

Description

控制燃烧室的燃烧器

本发明涉及一种主要包括一个供应燃烧空气流的旋流发生器和向燃烧空气流中喷射燃料的装置的燃烧器。

欧洲专利EP-0704657已经公开了一种燃烧器，它包括一个在入射流侧的旋流发生器，流体顺畅地经过这里进入一个混合段。这借助于一个过渡几何体来完成，它为此目的形成在混合段的起点，并且由覆盖该混合段的尾部段的过渡通道组成，它取决于旋流发生器的分段工作体的数目，并在流动方向上成螺旋状延伸。在这些过渡通道的出流侧，该混合段具有若干成膜孔，它们保证流体流速沿管壁增加。接下来是一个燃烧室和过渡段，该过渡段位于混合室和燃烧室之间，并由一个横截面的突变构成，在该突变处的平面上形成回流区或回流旋涡。

该旋流发生器的旋流强度因此选择成这样一种方式，正如象上文中对在下游的横截面突变区域的解释那样，在混合段里不会发生涡流分离。混合段的长度这样确定，即对所有型式的燃料都保证适当地混合值。

与那些现有技术中的相比，尽管这种燃烧器在考虑增强火焰稳定性，降低污染排放，减少波动，完全燃烧，大的运行范围，不同燃烧器间的好的交叉点火，紧凑的结构型式，改进的混合等方面带来了一个显著的进步。但现已发现，新的汽轮机的预混燃烧在最高水平的顺畅操作时，更加强化的火焰稳定性及改进火焰对预定几何形状的燃烧室的适应性是有必要的。

因此，本发明的一个目的在于提供一种开始段落所提到型式的燃烧器，它带来火焰稳定性的增强和火焰对燃烧室预定几何形状的适应性，而在该燃烧器的任何方面都不减少它的其它优点。

为这个目的，在混合段末端横截面突变的平面处的燃烧室一侧，燃烧器的前部构造成一个环形的或类似环形的凹口。这种结构导致从混合段流入的燃烧空气与在圆形凹口形成的气流接触，由此主气流的旋流系数显著地增大。与没有环形凹口的气流相比，在横截面突变区域形成的回流旋涡大大增大。这种增大的特征是径向扩展而轴向收缩。这样的结果是提高了火焰的稳定性和通过采用适当的环形凹口设计，实现火焰特别适应燃烧室预定几何形状的可能性。

本发明的进一步的改进涉及相对于燃烧空气支流进入一个具有切向空气进口槽的锥形旋流发生器头部位置的燃料喷嘴的缩回。该燃料喷嘴的小孔由于这种缩回而位于支流区域的上游，这样从燃料喷嘴喷出的燃料射流能够以一个大的喷射半径喷入主气流中。这种方法保证了在与燃烧空气初始接触时，燃料喷射从膜状雾化成液滴，且该燃料喷射的锥形表面区域由于该区域的因素而增大，这改进了燃料喷射的扩散并且不削弱燃烧空气支流。

如果燃料喷嘴由于被缩回而结束在一个固定壳体区，那么就能在燃料喷嘴的小孔周围设置开口，在燃料喷嘴的诱导下清洁空气通过这些孔进入横断面。这些清洁空气开口的流体横截面和燃料喷嘴的缩回被选择成使从这些开口流入的清洁空气不是以完全的气态运行，以替代上面提到的下游的回流旋涡。在以液态燃料运行时，燃料喷射实际上起到一个喷射泵的作用，因此通过所述开口流入的清洗空气的一个增大的轴向冲击的方式增加，它替代下游的回流旋涡。

本发明的另一个优点体现在从燃料喷嘴的小孔区域的开口流入的清洗空气防止了锥形旋流发生器的内壁的浸润。

根据本发明的目的获得的其他的优点和便利将在权利要求书中限定。

下面参照附图的详细描述，将会使对本发明的完整认识和许多附带的优点变得更容易被理解，其中：

图1表示一个设计成预混燃烧器的燃烧器具有一个位于旋流发生器下游的混合段；

图2表示了一个由一组壳体组成的旋流发生器的透视图，并有局部断面；

图3表示了一个双壳体旋流发生器的横断面图；

图4表示了一个四壳体旋流发生器的横断面图；

图5表示了一个壳体为叶片形结构的旋流发生器；

图6表示了在旋流发生器和混合段之间的过渡几何体的结构；

图7表示了一个图2中的具有缩回的燃料喷嘴的旋流发生器的示意图；

图8～11表示了为稳定回流旋涡设在燃烧器前部的各种类似圆形的结构。

现在参见附图，其中附图中相同的附图标记表示相同的或相一致的部件，并略去了对直接理解本发明无关紧要的部分，介质的流向用箭头表示。图1表示了一个燃烧器的总体结构。最初，旋流发生器100是有效的，它的结构在下面的图2到5中进行更详细地表示和描述。该旋流发生器100是一个圆锥形结构，切向流入的燃烧空气流115不断地切向导入。在这里形成的气流借助于旋流发生器100下游设置的一个过渡几何体，以一个没有分离发生的方式流畅地进入一个过渡段200。该过渡几何体的结构在下面的图6中详细描述。过渡段200通过一个混合管20在过渡几何体的出流侧延伸，两部件实际上形成一个混合段220。当然，混合段220也可以制造成一个部件，即，过渡段200和混合管20融合形成一个单独的粘接起来的结构，并保持每一部分的特性。如果过渡段200和混合管20是两个部件的结构，这些部件就通过一个套环10连接，该套环10作为该旋流发生器100在头部的固定表面。此外，这种套环10具有可以用于各种混合管的优点。对于位于该混合管20出流侧的是燃烧室30，这里仅用一个火焰管表示。混合段220基本上执行限定旋流发生器100下游截面的功能，在这一段可以实现各种形式燃料的理想的预混合。此外，该混合段，主要是混合管20，能够使气流没有损耗，这样即使有过渡几何体的干扰也能首先形成无回流区域或无回流旋涡，由此整个混合段220长度都能影响所有形式的燃料的混合性能。因此，该混合段220具有另一个特性，实际上混合段220自身的轴向速度分布具有一个明显的轴线上的最大值，这样就不可能发生从燃烧室来的火焰的逆燃。因此，正确地讲，在这种结构中，轴向速度向着管壁方向减小。为了在这个区域也防止逆燃，混合管20在气流方向和圆周方向上设有若干具有最多横断面和方向变化的规则或不规则分布的孔21，通过它们空气进入混合管20的内部，并导致为一个膜状(prefilmer)的沿管壁的速度的增加。获得同样效果的另一种可能是构成已提到过的过渡几何体，使在过渡通道201的出流侧的混合管20的流体横截面经历一个汇聚，结果是使混合管20中的整个速度水平提高。图中，这些孔21相对于燃烧器轴60成锐角方向延伸。进一步讲，过渡通道201的出口相应地成为混合管20的气流横截面的最窄处。因此，所述的过渡通道201连通不同的横截面，同时没有对气流形成不利的影响。此外，过渡通道201下游混合管20中的气流横断面可以小于、等于或大于在旋流发生器100，100a中形成的气流40的横断面。如果所选用的方法在沿混合管20引导管内气流40时产生一个不允许的压力降，可以通过一个设在混合管末端的扩压器(图中未表示)来补救。连接在混合管20末端的是一个燃烧室30，在两个流动横断面之间通过燃烧器的前部70形成一个横断面的突变。中心回流区域50只在这里形成，它具有一无形火焰稳定挡板的特性。如果运行过程中流体的边界区域在该突变处形成，其中边界区域由于该处的负压而使涡流分离增加，这将导致回流区域50的环流稳定性增强。在端面上，燃烧室30有若干开口31，空气可以通过它们直接流入到横截面突变处，此外它还能增强回流区域50的环流稳定性。另外，不能不提及的是，一个稳定的回流区域50的产生也需要在管中有一个显著的高旋流系数。如果首先不期望有这样一个高旋流系数，可以通过管子末端，例如切向开口提供的小的强烈的旋流气流来产生稳定回流区域。这里采用的所需的空气量约为总空气量的5～20％。对于为稳定回流区域或回流旋涡50而设在混合管20末端的燃烧器的前部70的结构，将在下面的图8～11中进行描述。

为了更好地理解旋流发生器100的结构，参考图2时最好也参考图3。更进一步讲，这样不会使图2不必要地复杂化，图3中表示出的叶片板121a，121b只是暗含在图2中。在对图2的描述中，在需要时将在下文中引用所述的图。

图1所示燃烧器的第一个部分为图2所示的旋流发生器100。该旋流发生器100包括两个中空锥形分段体101，102，它们以互相偏移的方式，一个套入另一个当中。当然锥状分段体的个数可以多于两个，如图4和5所示；这取决于整个燃烧器运行的各种方式，这将在下文中更详细地解释。在某种运行结构中提供由单一螺旋体构成的旋流发生器不是没有可能的。圆锥形分段体101，102的互相偏移的各个中心轴或纵向对称轴201b，202b的镜像方式布置在相邻管壁上，形成一个切向管道上的一个空气进口槽119，120(图3)，燃烧空气115通过它们进入旋流发生器100的内部空间，即进入锥形中空体的空间114。分段体101，102的锥形状与气流方向具有一个固定角度。当然，根据工作用途，分段体101，102的圆锥度可以在气流方向上增加或减少，分别地像一个喇叭口或漏斗形。后面提到的这两种形状没有用图表示，因为本领域的熟练技术人员可以很容易地想象出来。这两个锥形分段体101，102每一个都有一个圆柱形起始部分101a，102a，该部分也以类似锥形分段体101，102的方式互相偏移地一个套入另一个之中，这样切向空气进口槽119，120就出现在旋流发生器100的整个长度上，接纳在圆柱形起始部分里的是一个喷嘴103，最好是提供液体燃料112，它的射流104大约与锥形分段体101，102形成的锥形中空空间114的横断面的最窄处重合。喷嘴103的喷射能力和喷嘴型式取决于各个燃料器的预定参数。当然，该旋流发生器100也可以设计成纯圆锥形，即没有圆柱形起始部分101a，102a。此外，锥形分段体101，102每一个具有一条燃料线108，109，它沿切向空气进口槽119，120布置，并且设有喷射孔117，最好是气态燃料113通过它们喷入到流经这里的燃烧空气115中，如箭头116所示。为了获得最佳的空气/燃料混合，这些燃料线108，109最好在进入锥形中空空间114之前位于切向支流末端。象所提到的，从喷嘴103提供的燃料112在通常情况下是液体燃料，很可能是与其他介质组成的混合物。该燃料112以一个锐角喷入锥形中空空间114。因此，从喷嘴103喷出形成的锥形燃料喷射105被切向进入的旋转的燃烧空气115包围。喷射的燃料112的浓度在支流燃烧空气115的混合气化作用下沿轴线方向不断地减小。如果气化的燃料113通过开口喷嘴117喷入，就能在空气进口槽119，120的末端直接形成燃料/空气混合物。如果燃烧空气115被另外预热或用再循环的燃料气或排气增强，这将为混合物流入下游阶段之前的液体燃料112的气化提供持续的帮助。这种想法也适用于液体燃料通过燃料线108，109供给的情况。考虑到圆锥角和切向空气进口槽119、120的宽度，狭窄限制本身也被粘接在锥形分段体101，102结构中，这样期望的燃烧空气115的流动范围可以在旋流发生器100的出口处扩展。通常，可以说切向空气进口槽119，120的减小促使了旋流发生器区域内的回流区的快速形成。旋流发生器内的轴向速度可以通过一个轴向燃烧空气流的相应供应器(图中未表示)来改变。适当的旋流发生器可以防止布置在旋流发生器100下游的混合管内形成气流分离。此外，该旋流发生器的结构特别适合于改变切向空气进口槽119，120的尺寸，这样不用改变旋流发生器100的总长度，就能获得一个相对大的运行范围。当然分段体101，102也可以在另一个平面中互相替代，结果是分段体甚至有部分重叠。此外，也可能使分段体101，102通过一个反方向移动成螺旋形地一个套在另一个之中。因此有可能象期望的那样改变切向空气进口槽119，120的外形、尺寸和结构，由此该旋流发生器不改变总长度也能普遍地使用。

现在从图3中可以显示出导流板121a，121b的几何结构。它们沿燃烧空气115的气流方向相应地延伸锥形分段体101，102的末端，由于它们延伸出的这个长度，它们具有一个气流初始化的功能。燃烧空气115进入锥形中空空间114的导管能够通过围绕该导管进入锥形中空空间114的进口区域设置的基点123开启或关闭导流板121a，121b来优化，如果切向空气进口槽119，120的最初间距尺寸是动态变化时，这尤其需要。当然，当需要与锥形分段体101，102固定成一个整体时，这些动态的方法也可以通过导流板设置成静态。没有为此而设置的导流板或其他辅助物，旋流发生器100同样也可以运行。

与图3相比，现在图4表示的旋流发生器包括四个分段体130，131，132，133。每个分段体的相应的纵向对称轴用字母a表示。对于这种结构而言，由于旋流强度较小和相应的槽宽度的增加的相互作用，它特别适合用来防止在混合管中的旋流发生器出口处的涡流的分离，由此该混合管就可以最好地完成所需的作用。

图5不同于图4的在于分段体140，141，142，143具有一个叶片结构型式，它用来供应某种气流。因此，旋流发生器的运行模式是相同的。燃料116与燃烧空气115的混合在该叶片结构的内部进行，即，现在燃料线108与各个叶片是一体的。在这里，各个分段体的纵向对称轴也用字母a表示。

图6是过渡段200的三维图。该过渡几何体用来构成图4或5所示的具有4个分段体的旋流发生器。因此，该过渡几何体具有四个作为上游分段体的自然伸延的过渡通道201，结果是所述分段体的四分之一个圆锥部分一直延伸直到它与混合管的壁交汇。当旋流发生器用与图2所述不同的原理构成时，也可应用相同的构思。沿气流方向向下延伸的各个过渡通道的表面具有这样一个结构，它沿气流方向螺旋形地伸展并形成一个月牙形路径，这是基于过渡段200的流动横截面成圆锥形地沿气流方向扩大这一事实而形成的。过渡通道201在气流方向上的旋流角度这样选择：一个足够大的段随后仍保持使管内气流的横断面在燃烧室进口处发生突变，以便实现与喷射的燃料的理想的预混合。因此，采用上述的方法，在旋流发生器下游的混合管壁的轴向流速也被增大。过渡几何体和混合管区域中的方式使指向混合管中心的轴向速度分布明显增大，这样不适当点火的危险明显地减少了。

图7是前面的图2～5已经详细描述过的一个旋流发生器100a的示意图。图7主要是表示位于中心的燃料喷嘴103a，它相对于锥形气流横断面的起点125向上游缩回，该距离126取决于选择的喷射角105，大约和那里的横断面的直径长度相同。燃料喷嘴103的小孔104由于这种缩回而终止在固定壳体101a，102a的头部区域。缩回的燃料喷嘴103产生的燃料射流105以一个大的圆锥半径进入燃烧器内部空间114中燃烧空气主气流覆盖的区域，这样，在该区域的燃料射流105不再是一个固体的紧凑体，而是已经被分解的小液滴，所以可以很容易地穿透。燃烧空气115的支流进入燃料射流105不再受阻碍，而由于燃烧空气可以穿透燃料射流105而对混合质量产生一个积极的影响。此外，在燃料喷射小孔104的平面区域处径向或准径向地布置有开口124，通过这些开口124，清洁空气可以流入由燃料喷嘴103的口径形成的横断面。这些开口124的气流横断面选择成使通过这些孔的空气质量流量按气体运行方式是不足以替代下游的回流区的(参考图1)。在以液态燃料运行时，燃料喷射105实际上起一个喷射泵的作用，因此从所述开口124进入的空气质量流量增加。这样产生了一个较大的轴向冲击，它替代后面下游的回流区域，也成为一个防止火焰逆燃的好方法。示意性表示的锥形分段体101，102已在图2～5中详细描述。切向空气进口槽119，120的结构和运行方式也在那里详细描述。

图8表示在混合管20末端燃烧室侧沿径向尾部边缘凹进的一个圆环面71，它构成燃烧器的前部70。该圆环面的尺寸主要取决于属于混合段的混合管20里的主气流40；圆环面71被选择成使主气流与它形成的圆形气流72接触，旋流系数由此显著地增大。同时，作为这种接触的结果，偏移的主气流73相对于燃烧器轴线60沿倾斜方向流动，它沿圆环流72的切线扩展。如图1中所表示的，与没有一个圆环面的情况相比，圆环面71产生的流体动力特性决定了回流旋涡50大大增强，并因此导致该区域的火焰稳定性的增强。图8中表示的圆环面71为一个半圆形，它开始于混合管20的内侧边。剩余端缘70在径向方向上位于半圆环71结构的外边并保持不变。

图9表示了该圆环面的另一种结构。该圆环面现在具有一个四分之一圆面74并且汇聚到一个径向端缘75，它比图8所示的燃烧器前部70偏移一些。在这里，由于上面解释过的原因，也导致旋流系数的显著增大和回流旋涡50的增强。

从这两个例子已经可以看出，该圆环面可以几种形式构成。在这里，圆环流72被主气流40带动是很重要的，然后后者如图中所示的那样发生偏移。

图10中就圆环面71的形状而言，它与图8所表示的结构一致。这里涉及到圆环流72的进一步改进，它除了被主气流40带动之外也被一个二次流76带动。该二次流76同时也形成一个为形成燃烧器前部的端缘70的一个冷却空气流。

图11是图10的进一步发展，它表示出原则上也可能与一个和圆环流72形成处连接的导管段77相配合。一个属于导管段77的轴向延伸的通道引导燃料进入圆环流72并且提供燃料的导管，该通道大约在圆环面71的最高点处进入。

显然，在上述说明的教导下，对本发明的各种更改和变化是可能的。同时，应该明白，在权利要求的范围之内，本发明可以在这里特别说明的部分之外实现。

          附图标记表10            套环20            混合管，混合段220的一部分21            孔，开口30            燃烧室31            开口40            气流，混合管内的气流、主气流50            回流区域，回流旋涡60            燃烧器轴线70            尾部边，燃烧器的前部71            圆形结构72            环形气流73            转向的主气流74            圆形结构75            折回的尾部边76            二次流，冷空气77            燃料导管，导管段100           旋流发生器100a          旋流发生器101，102      分段体101a，102a    圆柱形起始部分101b，102b    纵向对称轴103           燃料喷嘴103a          燃料喷嘴104           燃料喷射105           燃料射流(燃料喷射的形状)108，109      燃料线112           液体燃料113           气态燃料114           锥形中空空间115           燃烧空气(燃烧空气流)116                     从燃烧线108，109喷出的燃料喷射117                     燃料喷嘴119，120                切向空气进口槽121a，121b              导流板123                     叶片板的基点124                     开口125                     圆锥的内尖126                     燃料喷嘴103a相对于125的距离130，131，132，133      分段体130a，131a，132a，133a  纵向对称轴140，141，142，143      叶片形结构的分段体140a，141a，142a，143a  纵向对称轴200                     过渡段，混合段220的一部分201                     过渡通道220                     混合段

Claims (18)

1.一种控制燃烧室的燃烧器，主要包括一个供应燃烧空气流的旋流发生器和向燃烧空气流中喷射燃料的装置，一个布置在旋流发生器下游的混合段，该混合段在气流方向上的第一部分内部具有若干过渡通道，以便使旋流发生器内形成的气流通入布置在这些过渡通道下游的一个混合管中并汇聚到燃烧器前部，其特征在于燃烧器前部(70)在燃烧室一侧形成至少一个环形凹口(71，74)。

2.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，在燃烧器前部(70)的环形凹口(71)为一个半圆环。

3.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，在燃烧器前部(70)的环形凹口(74)为一个四分之一圆环，并汇聚到偏移于燃烧器前部(70)的一个端缘(75)。

4.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，环形凹口(71，74)的结构开始于混合管(20)的内壁与燃烧器前部(70)的过渡点。

5.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，环形凹口(71，74)设有至少一个供二次流(76)和/或燃料用的通道，并引入到形成在那里的环形流(72)中。

6.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，混合段(220)中过渡通道(201)的个数与旋流发生器(100，100a)形成的分支流的个数一致。

7.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，布置在过渡通道(201)下游的混合管(20)在气流方向和圆周方向上设有开口(21)，它用于向混合管(20)的内部喷射空气流。

8.如权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，开口(21)沿相对于混合管(20)的燃烧器轴(60)成锐角的方向延伸。

9.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，过渡通道(201)下游混合管(20)中的气流横断面小于、等于或大于在旋流发生器(100，100a)中形成的气流(40)的横断面。

10.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，燃烧室(30)布置在混合段(220)的下游，在混合段(220)与燃烧室(30)之间有一个横断面的突变，该横断面的突变引导燃烧室(30)气流的初始横断面，并且在横断面突变的区域形成一个回流区域(50)。

11.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，在燃烧器前部(70)的上游有一个扩散器和/或一个文丘里管段。

12.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，旋流发生器(100，100a)包括至少两个中空的锥形分段体(100，102；130，131，132，133；140，141，142，143)，它们在气流方向上一个套在另一个之中，其中这些分段体的各个纵向对称轴(101b，102b；130a，131a，132a，133a；140a，141a，142a，143a)以在该分段体形成的管(119，120)的相邻管壁上互相偏移地延伸，来使一个燃烧空气流(115)与它们的纵向延伸线相切，并且一个燃烧喷嘴(103，103a)布置在分段体形成的内部空间(114)中。

13.如权利要求12所述的燃烧器，其特征在于，燃料喷嘴(117)布置在它们的纵向延伸线的切向管(119，120)的区域里。

14.如权利要求12所述的燃烧器，其特征在于，分段体(140，141，142，143)的断面为叶片形。

15.如权利要求12所述的燃烧器，其特征在于，分段体在气流方向上具有一个固定的圆锥角，或者一个扩大的圆锥度，或者一个缩小的圆锥度。

16.如权利要求12所述的燃烧器，其特征在于，分段体成螺旋形地一个套在另一个之中。

17.如权利要求12所述的燃烧器，其特征在于，燃料喷嘴(103)相对于切向管(119，120)的起点缩回一段距离(126)。

18.如权利要求17所述的燃烧器，其特征在于，所述距离(126)内具有一个供二次流支流的径向或准径向的通道。

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