CN1118857A - 预混燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种预混燃烧器，由一个按照双锥原理工作的引燃燃烧器(101)和多个围绕该引燃燃烧器设置的主燃烧器构成。将一种气态的和/或液态的燃料作为进入气态主流中的二次流喷入到具有圆形流通(20)的主燃烧器(52)中。主流首先由涡流发生器(9)导向，这些涡流发生器中有多个是相互并排地设置在有流动发生的流道(20)的周面上。

Description

预混燃烧器

本发明涉及一种预混燃烧器，它主要包括一个引燃燃烧器和多个围绕引燃燃烧器设置的主燃烧器。

不管在很高压力下的用油运行情况下还是在采用合大量氢气的燃气运行情况下，在预混燃烧器中的着火延迟时间可能很短，以致于火焰稳定式燃烧器不再能作为所谓的低NO_x燃烧器来使用。

通常利用横向射流混合器将燃料沿径向喷入流道中而使燃料与在预混流道中流动的助燃空气流相混合。但是燃料的动量太小，以致于大约在一段为流道高度100倍的距离之后才实际达到完全混合。还采用了文丘里混合器。另外利用格栅装置喷射燃油也为人所知。最后也有在特殊的涡旋体之前进行喷射的。

在横向射流或层流基础上运行的装置要么其混合距离很长，要么要求很高的喷射动量。在高压力和低于化学计量的混合条件下进行预混合时，存在火焰逆燃，甚至混合物自然的危险。预混管中的流动分离和滞流区，壁上的较厚边界层或者通流横截面的极端的速度分布都可能是管中发生自燃的原因，或者构成可使火焰从下游的燃烧区向预混管中逆燃的路径。因此必须高度重视预混段的几何形状。

可以将所谓的双锥型预混燃烧器称为火焰稳定式燃烧器。这种双锥燃烧器例如由EP-B1-0321809公开，以后会参照图1和3对其进行说明。燃料(此处为天然气)沿入口间隙经一排喷嘴喷入由压缩机流来的助燃空气中。这些喷嘴一般均匀地分布在整个间隙上。

为了使混合物在下游的燃烧室中可靠着火并达到充分的燃烧，必须使燃料与空气彻底混合。良好的混合还有助于避免了在燃烧室中出现所谓的“热点”，而这些热点会特别导致所不希望的NO_x的形成。

上述利用常规方式(例如用横向射流混合器)进行的燃料喷射是很困难的，因为燃料本身所具有的动量不足以实现所要求的大范围分布和细分度混合。

相应地，本发明的目的是提出一种用于文首所述类型的预混燃烧器的措施，采用该措施则能在最短的距离内实现助燃空气和燃料的彻底混合，同时混合区中速度分布均匀。此外，这种燃烧器不需要机械式火焰稳定器就能避免火焰逆燃。并且该措施适于对现已存在的预混燃烧室进行改型配置。

按照本发明，其目的是这样实现的：

一、将气态和/或液态燃料作为进入气态主流的二次流喷入主燃烧器的流道中。

二、主流由涡流发生器导向，其中有许多涡流发生器并排地围绕有物流通过的流道的周面设置。

采用这种新颖的固定混合器，即三维涡流发生器，可以在主燃烧器中实现极短的混合距离，同时压力损失极少。通过产生纵向涡流而又没有再循环区域，在涡流旋转了完整的一周后两股物流就完成了粗混，而由于紊流和分子扩散过程使经过在一段只相当于几个流道高度的距离后就实现了精混。

这种混合方式特别适用于以相当低的上游压力和较大的稀释程度将燃料混入助燃空气中。燃料具有低的上游压力对于使用中、低热值的燃烧气体来说尤其有利。混合所需要的能量大部分从具有较高容积流量的流体即助燃空气的流动能量中获取。

这种涡流发生器的优点在于它非常简单，从加工方面来说，这种由三个被流体环流的壁组成的部件是完全没有问题的。顶面可以与两个侧面以各种方式连接在一起。而且对于可焊接的材料而言将部件固定在平的或弯曲的流道壁上可以由简单的焊接来实现。从流体力学的观点来说，这种部件在流体环流时压力损失很小，它能产生涡流，又没有滞止区。最后，这种部件由于一般是做成空心的，因此可以用各种方式方法进行冷却。

附图中示出了本发明的多个实施例，其中：

图1A是一个燃烧器的纵剖面图；

图1B是图1A所示燃烧器的一个前视图；

图2A是一个变型燃烧器的纵剖面图；

图2B是图2A所示变型燃烧器的一个前视图；

图3A是双锥型预混燃烧器在其出口区域中的一个横剖面图；

图3B是同一预混燃烧器在锥尖区域的一个横剖面图；

图4是一个涡流发生器的透视图；

图5是一个变型涡流发生器的透视图；

图6是图4所示涡流发生器的另一种布置；

图7是一个涡流发生器在一个流道中的情况；

图8至14是燃料供给方式的各种变型；

图15A是另一个变型燃烧器的纵剖面图；

图15B是图15A所示变型燃烧器的一个前视图。

现在参照附图，附图中只示出了用于理解本发明的主要部件，工作介质的流动方向用箭头表示。在各图中相同的部件采用相同的标号。对于本发明的非实质性部件如壳，紧固件，引导管，燃油的准备部分，调节装置等类似部件都省略了。

在图1A和1B中用标号53表示出一个六边形的燃烧器壁，其出口侧经适宜的部件与未示出的燃烧室的前壁100相连。该燃烧室可以是一种环形燃烧室或者是一种筒仓式燃烧室，在前壁100上设置了多个这样的燃烧器。

在燃烧器壁的内部，围绕一个中央设置的引燃燃烧器101布置了成组的六个主燃烧器52，引燃燃烧器是一种双锥型的预混燃烧器。重要的是该引燃燃烧器应具有尽可能小的几何尺寸。在该燃烧器中应燃烧约10-30％的燃料。主燃烧器52是圆筒形的，在它们的管形壁54上沿流动方向设置了后面要描述的涡流发生器9。燃料由输送管120和51分别输送到引燃燃烧器和主燃烧器。助燃空气从一个来示出的压力空气源进入壳内部103，再从此处沿箭头方向流入燃烧器101，52中。

在图1A，2A，3A和3B中示意地表示出的预混燃烧器101是一种所谓的双锥燃烧器，例如由EP-B1-0321809公开的那样，它基本上由两个空心的沿流动方向相互交错在一起的锥形分体件111，112组成。两个分体件的中轴线113，114相互错开，两个分体件相邻的壁构成沿它们纵向延伸段的切向间隙119，用于使助燃空气进入到燃烧器内部，此处装有用于液体燃料的第一燃料喷嘴116。燃料以一个锐角喷入空心锥体中。所形成的锥形燃料外形被沿切向流入的助燃空气所包围的。由于与助燃空气预混合，燃料浓度沿轴向连续地降低。在该实施例中燃烧器也可以用气态燃料工作。为此在切向间隙119区域中，两个分体件的壁中设置了一些沿纵向分布的气体进入口117。在用气体工作时，在入口间隙119区域中就已经开始了与助燃空气形成混合气。显然这样也可以用两种燃料进行混合运行。

在燃烧器出口118处，在要供入混合气的一个环形横截面上形成一种尽可能均匀的燃料浓度。在燃烧器出口处形成一个帽状回流区121(见图15A)，着火发生在该区的顶端处。前面所提及的EP-B1-0321809中公开的双锥燃烧器大体如此。

在详细说明主燃烧器52中混合装置的安装之前，首先描述一下对本发明的工作方式很重要的涡流发生器9。

图4，5和6中没有示出由用大箭头表示的主流流过的实际通道。根据这些附图，涡流发生器基本上由三个能自由环流的三角形表面组成，其中有一个顶面10和两个侧面11和13。在其纵向上，这些表面以一个确定的角度沿流动方向延伸。

由直角三角形构成的涡流发生器侧壁经其纵向侧面最好以气密方式固定在流道壁21上。它们的定向使之在其窄边处形成一个围成楔形开口角α的连接部。该连接部构成一个锋利的连接边缘16，并垂直于侧面与之相连的那个流道壁21。围成楔形开口角α的两个侧面11，13在图4中从形状，大小和方向上都是对称的，并设置在对称轴线17的两侧。对称轴17的方向与流道轴线相同。

顶面10通过其边缘15而和侧壁11，13一样支承在相同的流道壁21上，边缘15很窄并在流道的横向上延伸。其纵向边缘12，14与侧面的伸入到流道中的纵向边缘相接。顶面以迎角θ向流道壁21延伸。其纵向边缘12，14与连接边缘16一起构成一个尖端18。

当然涡流发生器还可以有一个底面，可以用适当方式将该底面固定到流道壁21上。但这种底面与部件的工作方式没有关系。

图4中，两个侧面11，13的直接边缘16构成涡流发生器的下游边缘，因此顶面10的在通流流道横向上延伸的边缘15就是流道中物流首先接触的边缘。

涡流发生器的工作方式如下：当发生围绕边缘12和14的流动时，主流就转换成一对相反的涡流，它们的涡流轴线位于主流的轴线上。涡旋数和涡流分离(这正是所希望的)的位置通过选择相应的迎角θ和楔形开口角α来确定。当角度增大时，涡流强度以及涡旋数就增大，而涡流分离的位置向上游移动到涡流发生器本身的区域中。根据应用情况的不同，这两个角θ和α由设计要求和工作过程本身来确定。然后只须使部件的长度L以及连接边缘16的高度h相适配(见图7)。

图5示出了一个基于按照图4所示涡流发生器的所谓“半个涡流发生器”，其中只有涡流发生器9a的两个侧面中的一个侧面配有楔形开口角α/2。另一铡面是直的并与流动方向对齐。与对称的涡流发生器相比，此时只有一个涡流，是在带角的一侧产生的。结果在涡流发生器下游的流场不是中性涡流，相反，有一个涡流碰撞在物流上。

与图4相反，图6中所示的涡流发生器9的锋利连接边缘16是最先接触流道中物流的部位。该部件旋转了180度，从图中可见，两个相反的涡流改变了它们的旋转方向。

参见图7，一些涡流发生器装在流道20中。一般地，连接边缘16的高度h与流道的高度H相配，或者说与设置涡流发生器的流道部分的高度相配，使得所产生的涡流在紧接着涡流发生器下游处就已经达到完全充满流道高度H的规模。这导致在流动横截面上形成均匀的速度分布。另一个影响所选择的h/H比值的参数是在围绕涡流发生器进行流动时所产生的压力降。显然当比值h/H增加时，压力损失系数也增加。

在所示的实施例中，按照图1B，六个主燃烧器中的每个都有四个围绕其环形截面周向相间布置的涡流发生器9。上述与各个涡流发生器相配置的流道部分的高度在这种情况等于圆半径。显然，四个涡流发生器9也可以在它们各自的壁部分21上沿着周向并列设置，使得流道壁上不留任何间隙。最后，此处起决定的因素是要产生的涡流。在涡流发生器9之间的自由空间中，同样有四个涡流发生器9b围绕中央燃烧器喷管51成组布置。按照图6，这些涡流发生器是这样定向的，即物流首先接触锋利边缘16。

涡流发生器9和9b主要用于混合两股物流。以助燃空气形式出现的主流沿箭头方向接近横向指向的入口边缘15和连接边缘16。以气态和/或液态燃料形式出现的二次流具有比主流要小得多的质量流。在该情况下，二次流将在涡流发生器下游引入主流中。

参见图1A和1B，对于主燃烧器52来说，燃料各由一个中央燃料喷管51喷射。该喷管的尺寸定为通过流道20的全部体积流的10％左右。图中示出了燃料沿流动方向纵向喷射的情况。在这种情况下，喷射动量大约相当于主流的动量。也可以同样好地提供横向射流的喷射，此时燃料动量必须大约为主流动量的两倍。

喷入的燃料被涡流携带走而与主流相混合。燃料跟随涡流的涡旋形走向，并在涡流的下游在燃烧室中均匀地精细地分布。这样就减少了在对面的壁上形成冲击和形成所谓的“热点”的危险，这种危险在沿径向向无涡流的流动中喷射燃料时是存在的，如在文首已经提及的那样。

由于主要的混合过程是在涡流中完成的，并且在很大程度上对次流的喷射动量无关，因此可以灵活行控制燃料喷射并使之与其它边界条件相匹配。从而可以在整个负荷范围中保持相同的喷射动量。由于混合是由涡流发生器的几何形状决定的，而不是由机器的负荷(在本例中为燃气轮机的功率)决定，因此这种结构的燃烧器甚至在部分负荷条件下也能以最佳方式工作。燃烧过程通过使燃料的着火延迟时间和涡流的混合时间相匹配而达到最佳化，这保证了排放物达到最少程度。

此外，强化的混合过程使通流截面上具有良好的温度分布，并减少了出现热声非稳定性的可能。涡流发生器本身的存在就是一种防止热声振动的衰减措施。

上述燃烧器的六边形适合于将这种燃烧器在简仓式燃烧室中进行本身公知的蜂窝状的分组布置

在图2A和2B中示出了一个外形为方形的燃烧器。例如可以将数个这样的燃烧器在一个环形燃烧室中沿周向相互并排地设置，由此构成一个独立的并且可以互换的燃烧器组件。该燃烧器也是主要包括一个设置在中央的引燃燃烧器101，围绕该燃烧器分布了四个主燃烧器52a。引燃燃烧器同样是一种具有圆柱形外形的双锥型预混燃烧器。主燃烧器52a无间隙地直接设置在双锥燃烧器的外侧上。组件的方形外形和双锥型燃烧器区域中的圆形边界确定了有物流通过的流道20的形状。通过将涡流发生器9c直接设置在组件角落处而使上述形状得到最佳的利用。四个主燃烧器中的各个大小不同的部件9c在这些极其紧凑的燃烧器中自然会产生不同大小的涡流。

在图1和2所示的实施例中，分别由中央输入管120和51将燃料输送给引燃燃烧器和主燃烧器。

当利用中央喷管这样地供给燃油时，涡流发生器可以设计成能在下游很大程度上避免再循环区域的结构。这样，燃料颗粒在高温区停留的时间就很短，从而有利于使形成的NO_x减少。但涡流发生器也可以这样地成形并在流道20的深度上错开，使得在主燃烧器出口处形成一个确定的回流区，该回流区以气动的方式，亦即不需要有机械火焰稳定器使火焰稳定。

图8至14中示出了与主燃烧器相关的将燃料喷入助燃空气中的其它可能的形式。这些变型可以以多种方式相互组合以及与一个中央燃料喷射装置相组合。

根据图8，燃料除了从涡流发生器下游的壁孔22a喷入外，还通过壁孔22c喷入，这些壁孔22c紧靠近侧壁11，13，并位于沿着它们纵向安装的涡流发生器的那个相同的壁21上。通过壁孔22c喷入燃料，使产生的涡流获得额外的动量，从而延长了涡流的保持时间。

按照图9和10，燃料或者经间隙22e喷入，或者经壁孔22f喷入，这些壁孔22f直接设在顶面10的沿通流流道横向延伸的边缘15前部，并且位于沿着它们纵向安装涡流发生器的那个相同的壁21中。壁孔22f或者间隙22e的几何形状是这样选取的，即让燃料以特定的喷射角喷入主流中，并且作为防高温主流的保护膜而绕流过涡流发生器的下游。

在下面所述的实施例中，二次流首先经来示出的部件经流道壁21引入到涡流发生器的空心内部。由此提供了对涡流发生器的内部进行冷却的条件。

按照图11，燃料经壁孔22g喷入，这些壁孔在顶面10内，直接位于沿有流动发生的流道横向延伸的边缘15之后，并沿边缘15的延伸方向布置此时涡流发生器外部受到的冷却程度要高于内部。出来的二次流在绕顶面10流动时形成一个防止该顶面受高温主流影响的保护层。

参见图12，燃料经壁孔22h喷入，这些壁孔沿着对称线17设置在顶面10内。采用这种变型，为流道壁提供了极好的保护，使其免受高温主流的影响，因为燃料首先是从涡流的外围处引入的。

参见图13，燃料经壁孔22j喷入，这些壁孔位于顶面10的纵向边缘12，14上。这种方案保证涡流发生器受到良好的冷却，因为燃料在涡流发生器的极端处流出，从而完全绕流过涡流器发生的内壁。二次流在此处直接地进入所形成的涡流中，从而导致确定的流动状态。

在图14中燃料经壁孔22d喷入，这些壁孔位于侧面11和13中，并且既位于纵边缘12的区域中，也位于连接边缘16的区域中。这种变型在作用上类似于图8中所示的孔22a和图11中所示的孔22j。

采用所述的燃烧器，通过向各个组件逐渐输送燃料，可以很容易地实现燃料室的部分负荷运行。根据这一运行原理，可以使中央引燃燃烧器按照一种混合模式运行。例如当负荷低时以扩散火焰模式运行，而当负荷较高时转换成预混合燃烧。这种可能性满足了稳定性和完全燃烧的要求。当只有引燃燃烧器以预混合火焰模式工作时，主燃烧器的主流则作为稀释空气来使用。这种紊流程度很高的主流在主燃烧器的出口处迅速与来自引燃阶段的热燃气混合，由此在下游形成一个均匀的温度分布。为了增加燃烧器的负荷，将燃料分阶段喷入主燃烧器中，并在着火之前使之充分地混入到助燃空气中。这些主燃烧器始终在预混合状态下工作，它们由引燃燃烧器点燃和稳定。

燃烧器空气动力学特性为有两个径向分级的涡流流型。径向外涡流取决于涡流发生器9的数目和几何形状。从双锥燃烧器出来的径向内涡流结构可以通过调节双锥燃烧器的某些几何参数来施加影响。通过适当地调配流通面积，可以任意地影响引燃燃烧器和主燃烧器之间的量的分配，其中要考虑到压力损失。由于涡流发生器具有相当小的压力损失，所以，通过主燃烧器中的流速要大于通过引燃燃烧器中的流速。当主燃烧器出口处具有较高的的速度时则会对火焰的逆燃问题产生有利的作用。

在图15A和15B中提出了一种环形燃烧器，此时上述径向分级的涡流流型得到精确地限定。大型的径向内涡流与径向外涡流具有相反的旋转方向。为了实现这种情况，在双锥燃烧器101周围成组地设置一些如图5所示的涡流发生器9a，它们是所谓的半涡流发生器，此时涡流发生器9a的两侧面中只有一个侧面具有楔形开口角α/2。另一个侧面是直的，并与燃烧器轴线对正。与对称的涡流发生器相反，此处在倾斜侧只产生一个涡流。因此，在涡流发生器下游没有中性的涡流流场，而是有一个旋流强加在物流上。当在周向上均匀分布的涡流发生器都具有相同的定向后，围绕着涡流发生器下游的周面，原来的无旋主流形成一个无方向的旋流。如图15B中所示。

在该实施例中，引燃燃烧器相对于涡流发生器9a沿流动方向稍向后错移。该双锥燃烧器配有一个中央燃料喷管24和一个燃气喷管23，既可以单独供给燃料，也可以混合地供给。限定燃料室118的侧壁122构成主燃烧室52b的环形流道20的内壁。涡流发生器9a的尖端18位于主燃烧器的出口平面处，并与壁122相连。如箭头123所示，此时有这样的可能性，即通过涡流发生器9a的空心内部和尖端将冷却空气引到中央主体。燃料经流道124输送给主燃烧器。这些流道124从涡流发生器的上游通入燃烧器流道20中。

这种结构能很好地适用于独立紧凑的燃烧器单元，采用多个这种单元(例如在燃气轮机的环形燃烧室中)可以充分利用强加在外主流上的旋流，以便例如在部分负荷情况下改善燃烧器结构的横向着火特性。

当然本发明并不局限于所描述和图示的实施例。就涡流发生器在连接上的布置而言就可以有许多的组合可能性，同时又不会离开本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种预混燃烧器，主要由一个设置在中央的引燃燃烧器(101)和多个围绕引燃燃烧器设置的主燃烧器构成，其特征在于，

——将气态和/或液态燃料作为进入气态主流中的二次流喷入主燃烧器(52，52a，52b)的流道(20)中，

——主流由涡流发生器(9，9a，9b，9c)导向，其中将多个涡流发生器相互并排地设置在有流动发生的流道(20)的周面上。

2.按照权利要求1的预混燃烧器，其特征是，引燃燃烧器按照双锥原理工作，它主要包括两个空心的、锥形的、沿流动方向相互交错的分体件(111，112)，它们各自的中轴线(113，114)相互错开，两个分体件的相邻的壁在它们的纵向延伸部分构成助燃空气的切向间隙(119)，在切向间隙的区域中，两个分体件的壁上设有沿纵向分布的气体流入孔(117)。

3.按照权利要求1的预混燃烧器，其特征是，

一个涡流发生器(9)有三个被自由地环流的表面，这些表面沿流动方向延伸，其中一个表面构成顶面(10)，另外两个表面构成侧面(11，13)，

两上侧面(11，13)与同一个流道的壁部分(21)相连，并且相互间周成一楔形开口角(α，αh)，

顶面(10)利用一个在有流动发生的流道(20)的横向上延伸的边缘(15)支承在与侧面相连的同一壁部分(21)上，

顶面的纵向边缘(12，14)与伸进到流道中的纵向侧表面边缘相连，并与壁部分(21)成一迎角(θ)延伸。

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