CN1143077C - 用于运行热发生器的燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种运行热发生器的燃烧器，其中燃烧器由用于燃烧空气流的涡旋发生器和将至少一种燃料喷入燃烧空气流的喷入装置组成；该用于将至少一种燃料喷入的装置至少由一设置在涡旋发生器前端的中央燃料喷嘴组成；其中，在该涡旋发生器的下游设置一混合段，该混合段在沿流动方向的第一段具有许多过渡通道，用于将在涡旋发生器内形成的流动转移到该过渡通道下游的过渡到燃烧器前部的混合管内；其中，该涡旋发生器具有一围绕该中央燃料喷嘴设置在该涡旋发生器的头部侧的环，该环具有许多沿圆周方向设置的孔，其中，燃料喷射器设置在环的孔中，一种燃料通过该燃料喷射器可喷入经孔流入的空气中。用这些措施稳定了火焰前缘并抑制了燃烧室的脉动。

Description

用于运行热发生器的燃烧器
本发明涉及一种用于运行热发生器的燃烧器。
由EP-0 780 629 A2已知一种在迎流侧由一涡旋发生器组成的燃烧器，其中所形成的流动无缝地转移到混合段内。这是借助于一个在混合段开始处为此而形成的流动几何体实现的。流动几何体由过度通道组成，并根据涡旋发生器起作用的部件数目覆盖混合段的端面，并沿流动方向呈涡旋延伸。在过渡通道的下游侧，混合段具有许多膜形成孔，保证沿管壁提高流动速度。接着是燃烧室，其中在混合段和燃烧室之间的过渡由一横截面突变构成，在该横截面突变平面内形成一回流区。
因此，涡旋发生器的涡旋强度应选择成，在混合段内不发生涡旋分裂而是继续顺流而下，如在横截面突变范围内一样。混合段的长度应保证对于所有燃烧种类有足够的混合质量。
虽然与现有技术相比，该燃烧器具有明显的改进：火焰稳定性的加强、较低的污染排放量、较小的脉动、完全的燃烧、大的运行范围、在不同燃烧器之间的良好的横向点火、紧凑的结构型式、改善了的混合等等，但表明在新颖的发电预混燃烧中对于无摩擦的运行有必要进一步加强火焰稳定性以及改善火焰对前述燃烧室几何体的适应性，尤其是要当消除脉动时。
本发明的目的在于，在上述类型的燃烧器中提出加强火焰稳定并使火焰适应上述燃烧室几何体的措施，而无论如何不减少燃烧器的其余优点。
为此目的，在头部起作用并属于燃烧器的涡旋发生器的燃料喷管最好设置在涡旋发生器或燃烧器的轴线上，并一般供给液态燃料，而且被一环形的间隔套围住。在该套中沿圆周方向设有可流入一定量空气来冲洗燃料喷管的孔。与这些孔一起作用的是附加的喷嘴，它们最好用气态燃料运行。少量的燃料通过这些喷嘴喷入一定量的空气中来冲洗燃料喷管，这样，对于火焰稳定重要的燃烧器流动中心始终供予准确的量。从而可以达到在燃烧器的流动截面上有均匀的燃料浓度，而抑制了燃烧室的脉动。在流动截面上均匀的燃料浓度尤其出现在燃烧器轴线上，在那里按照经验由于不均匀的燃料富集将产生火焰前缘的波动而引起脉动。此外，随着抑制燃烧室的波动而使燃烧器的运行范围变宽，因为不用再担心会导致熄灭极限变坏的火焰不稳定性。
本发明的另一优点在于，通过燃料喷管范围内的所述孔的冲洗空气防止了由喷入的液态燃料对锥形涡旋发生器内壁的润湿。
下面借助于附图进一步说明本发明的实施例。所有对于直接理解本发明不重要的特征都予以省略。在不同附图中相同的元件用相同的标号表示。介质的流动方向用箭头表示。其中，
图1作为预混燃烧器设计的在涡旋发生器下游具有混合段的燃烧器，
图2示意表示的设置有附加燃料喷射器的按图1的燃烧器，
图3由多壳组成的涡旋发生器的透视图，部分剖开，
图4双壳涡旋发生器的横截面，
图5四壳涡旋发生器的横截面，
图6涡旋发生器的视图，其壳体为叶片形，
图7涡旋发生器和混合段之间的过渡段几何形状，
图8使回流区空间稳定的轮廓边缘。
图1表示燃烧器的总体结构。首先涡旋发生器100起作用，其结构在后面的图3-6中还要进一步表示和说明。这一涡旋发生器100是一种锥形结构，它受切向流入的燃烧空气流115的作用。其中形成的流动借助于设置在涡旋发生器100下游的过渡几何体无缝地导入过渡段200，从而在那里不能出现分离区。该过渡几何体的形状在图6作进一步说明。该过渡段200在过渡几何体的流出侧通过混合管20延长，这两部件构成真正的混合段220。自然混合段220可以由单一段组成，即过渡段200和混合段20溶合成一个单一的相关的结构，其中保留了每一部件的特性。如果由两个部件制成过渡段200和混合管20，则这两个部件由套环10相连，其中相同的套环10头部侧用作涡旋发生器100的锚固面。此外，这种套环10的优点是，可以安装不同的混合管。真正的燃烧室30位于混合管20的下游侧，这里仅仅由火管象征地表示。混合段220很大程度上完成了在涡旋发生器100下游准备提供可以完美预混各种燃料的段的任务。此外，混合段即前面的混合管20可以实现无损的流动导引，因此，与过渡几何体相关地首先不可能形成回流区，从而在混合段220的整个长度上可以对所有种类燃料的混合质量施加影响。但是，混合段220还有另一性质，即其中的轴向速度分布在轴线上具有明显的最大值，因而火焰从燃烧室的逆燃是不可能的。当然正确的是在这种形状中轴向速度朝壁的方向下降。为了在这一区域也阻止逆燃，混合管20沿流动方向和圆周方向设有不同横截面和方向的一定数量的规则和不规则分布的孔21，通过这些孔一定量的空气流入混合管20的内部，从膜形成意义上说，沿着壁提高了流通速度。孔21也可以设计成，在混合管20的内壁至少还可以附加调节扩散冷却。另一种在混合管20内提高混合物速度的可能性在于，其通流横截面在形成上述过渡几何体的过渡通道201的流出侧得到收缩，从而在混合管20内的总体速度水平得到提高。在图中孔21相对于燃烧器轴线60成一锐角。此外，过渡通道201的出口与混合管20的最窄的通流横截面相符。所述的过渡通道201连接了那里的不同横截面，而对已形成的流动不产生负面影响。如果在沿混合管20导引管流40时所选择的措施引起不允许的压力损失，则通过在混合管端部设置一个在图中未表示的扩压器可以弥补这一损失。然后，在混合管20的端部连接一些燃烧室30，其中在这两个通流横截面之间存在一个由燃烧器前部构成的横截面突变，才在这里形成一具有回流区50的中央火焰前缘。该回流区相对于火焰前缘具有无元件火焰稳定器的性质。如果在运行期间在横截面突变内形成流动边缘区，在该区域由于存在低压而产生漩涡分离，则将导致回流区50更强的环状稳定。燃烧室30的端侧具有一些孔31，通过这些孔一定量的空气直接流入横截面突变处，此外，该突变还有助于加强回流区50的环状稳定。此外需要提到的是稳定回流区50的产生也需要在管内具有足够多的漩涡数。如果这一点不是首先希望的，则可以通过在管端例如通过切向孔输入强度小的涡旋的空气流来产生稳定的回流区。其中假设为此所需的空气量级为总空气量的5～20％。如果混合管20端部的燃烧器前部70的结构用来稳定回流区50，则可参阅对图8的说明。
图2表示图1所示燃烧器的示意图。其中尤其指出了中央设置的燃料喷管103的冲洗和燃料喷射器170的作用。燃烧器其余主要部件的作用方式即涡旋发生器100和过渡段200在下面的图中要进一步说明。燃料喷管103套有间隔的环190，环190内设有一定数目的沿圆周方向设置的孔161，一定量的空气160通过这些孔流入环形室180内，并在那里冲洗燃料喷管。这些孔161设置成斜着向前，从而对燃烧器轴线60产生一适当的轴向分量。设有附加的燃料喷射器170与这些孔161一起作用，将一定量的最好是气态燃料输入那里的一定量空气160中，这样在混合管20内在整个流动横截面上形成均匀的燃料浓度，如图中象征性所示。均匀的燃料浓度150，尤其是燃烧器轴线60上的大的浓度用于稳定燃烧器出口处的火焰前缘，从而避免出现燃烧室的波动。
为了更好地理解涡旋发生器100的结构，最好在参阅图3的同时至少参阅图4。下面在说明图3时按照需要参阅其余的图。
图1所示的燃烧器的第一部件构成了图3所示的涡旋发生器100。该涡旋发生器由两个空心的锥形部件101，102组成。这两部分相互错开套在一起。锥形部件的数目当然可以大于两个，如图5和6所示。这与整个燃烧器的运行种类有关，如下面还要进一步说明的那样。在一定的运行情况下可以设置一个由单一螺旋线组成的涡旋发生器。锥形部件101、102的各中轴线或纵向对称轴线101b，102b(图4)的相互错置在相邻的壁部在镜像对称设置的情况下各形成一切向通道，即进空缝119、120(见图4)。通过这些进气缝燃烧空气115流入涡旋发生器100内部，即其锥形空腔114内。所示的部件101、102沿流动方向的锥形具有一固定的角度。当然，根据运行情况，部件101、102沿流动方向可以具有增大的或减小的锥度倾斜，类似于喇叭或郁金香形。这两种形状都没有图示，因为这对于专业人员可毫无困难地理解。这两个锥形部件101、102各具有一个圆环形起始段101a。在该圆环形起始段内安装有在图2中已提及的燃料喷管103，该喷管最好用一种液态燃料112运行。燃料112大约在由锥形部件101、102构成的锥形空腔114的最窄横截面处喷入104。燃料喷管103的喷入容量和类型取决于各燃烧器的预定参数。此外，锥形部件101、102各具有一燃料导管108、109。这些燃料导管沿着切向进气缝119、120设置，并设有喷入孔117。通过这些孔最好喷入一种气态的燃料113进入流过那里的燃烧空气115，如箭头116象征性所示。燃料导管108，109最好设置在流入锥形空腔114之前的切向流入的端部，以便获得最佳的空气/燃料的混合。由燃料喷管103喷入的燃料112如已提及的一般情况下为液态燃料，其中可以毫无困难地与另一种介质如回流的烟气形成混合。燃料112最好以很小的锐角喷入锥形空腔内。然后由燃料喷管103形成一锥形燃料喷雾105，该燃料喷雾被切向流入的旋转的燃烧空气115所包围并被稀释。然后沿轴向喷入的燃料112的浓度继续通过流入的燃烧空气115减小，形成蒸汽混合物。如果气态燃料仍通过孔形喷嘴117喷入，则直接在进气缝119、120的端部形成燃料/空气的混合物。如果燃烧空气首先被预热或例如用回流的烟气或废气预热，则有助于液态燃料112的汽化，然后，该混合物流入后面一级，这里为过渡段200(参见图1和7)。相同的考虑亦适用于通过导管108、109输入液态燃料。锥形部件101、102的形状基于切向进气缝119、120的锥角和宽度遵守最小极限，从而在涡旋发生器100的出口形成燃烧空气115的所希望的流场。一般可以说，切向进气缝119、120的变小有助于在涡旋区域快速形成回流区。涡旋发生器110内的轴向速度可以通过图2中(位置160)详细说明的输入一定量的空气来提高或稳定。相应的涡旋发生与后面的过渡段200(参见图1和7)一起作用阻止了在涡旋发生器100后面的混合管内形成流动分离。此外，涡旋发生器100的结构适合于改变切向进气缝119、120的尺寸，从而不改变涡旋发生器100的结构长度就可获得相当大的工作范围。当然，部件101、102也可在另一平面内相互移动，从而甚至可以形成重叠。此外，部件101、102也可通过相对转动运动而相互螺旋地套在一起。由此可以任意改变切向进气缝119、120的形状、尺寸和结构，所以可以广泛使用涡旋发生器100，而毋需改变其结构长度。
另外，由图4可见选择设置的导叶121a、121b的几何形状。它具有引入流体的功能，其中根据其长度沿相对于燃烧空气115的迎流方向延长了锥形部件101、102的各端部。燃烧空气115可以通过打开或关闭导叶121a、121b而导入锥形空腔114内，导叶121a、121b可以在通道的进口范围围绕着设置在锥形空腔114内的旋转点123旋转。尤其是必需可以动态改变切向进气缝119、120的原始间隙尺寸，以便例如改变燃烧空气115的速度。当然通过将所需的导叶构成具有锥形部件101、102的固定部件而可将动态措施设置为静态的。
相对于图4，图5表示涡旋发生器100由四个部件130、131、132、133制成。各部件的有关纵向对称轴线用字母a表示。对于这种结构可以说，由于由此所产生的小的涡旋强度并与相应变大的缝宽一起作用，该形状能最好地避免在混合管内在涡旋发生器的流出侧发生涡旋破裂，从而混合管能最好地完成其所期望的作用。
图6与图5不同，这里部件140、141、142、143具有用来形成一定流动的叶片形状。此外，涡旋发生器的工作方式是相同的。燃料116与燃烧空气流115的混合在叶片内部发生，即燃料导管108与各叶片作成整体。这里各部件的纵向对称轴线也用字母a表示。
图7表示过渡段200的三维视图。该过渡几何体为具有四个部件的涡旋发生器100(相应于图5或6)而制成。相应地该过渡几何体作为在上游起作用的部件的自然延长而具有四个过渡通道201，由此延长了所述部件的四分之一锥形面，直至其与混合管的壁相交。这一构思也适用于由另一不同于图3所述的原理制成的涡旋发生器。各过渡通道201向下沿流动方向延伸的面具有沿流动方向呈螺旋形延伸的形状，该形状描绘出一镰刀形途径，按照这一事实，过渡段200的通流横截面沿流动方向呈锥形变宽。过渡通道201沿流动方向的螺旋角选择成，为管内流动直至燃烧室入口处的横截面突变处保留一足够大的距离，以实现与已喷入的燃料的完好预混。此外，通过上述措施也提高了涡旋发生器下游的混合管壁处的轴向速度。过渡几何体和混合管范围的这些措施明显提高了向混合管中心点的轴向速度分布图，从而决定性地消除了提前点火的危险。
图8表示已提及的在燃烧器出口处形成的轮廓边缘。管20的通流横截面在该范围具有一过渡半径R，其尺寸基本上取决于管20内的流动。半径R选择成，使流动贴向壁部，从而大大提高了涡旋数。半径R的尺寸在数量上这样来确定，即R大于管20内直径d的10％。相对于没有半径的流动届时将大大增加回流气泡50。半径R延伸至管20的出口平面，其中弯曲的起点和终点之间的角度β小于90°。沿着角β的一边，轮廓边缘A延伸进入管20的内部，从而相对于轮廓边缘A的前点形成一轮廓梯度，其深度＞3毫米。当然，这里平行于管20的出口平面延伸的边缘可以用一曲线途径再回到出口平面。轮廓边缘A的切线和管20的出口平面的垂线之间的角度β′与角β相同。这种轮廓边缘结构的优点可见EP-0 780 629 A2中的发明概述部分。用于同一目的的轮廓边缘的不同结构可用燃烧室侧的环面切口实现。

Claims (15)

1.运行热发生器的燃烧器，其中燃烧器由用于燃烧空气流(115)的涡旋发生器(100)和将至少一种燃料(112，113)喷入燃烧空气流(115)的喷入装置(103，117)组成；其中该用于将至少一种燃料(112，113)喷入的装置(103，117)至少由一设置在涡旋发生器(100)前端的中央燃料喷嘴(103)组成；其中，在该涡旋发生器(100)的下游设置一混合段(220)，该混合段在沿流动方向的第一段具有许多过渡通道(201)，用于将在涡旋发生器(100)内形成的流动转移到该过渡通道(201)下游的过渡到燃烧器前部的混合管内；其中，该涡旋发生器(100)具有一围绕该中央燃料喷嘴(103)设置在该涡旋发生器(100)的头部侧的环(190)，该环(190)具有许多沿圆周方向设置的孔(161)，其特征在于，燃料喷射器(170)设置在环(190)的孔(161)中，一种燃料通过该燃料喷射器可喷入经孔(161)流入的空气(160)中。
2.按照权利要求1的燃烧器，其特征在于，该环(190)的孔(161)的方向是沿着燃烧器轴线(60)的方向斜着向前。
3.按照权利要求1的燃烧器，其特征在于，燃料喷管(103)被一环形的空气室(180)围住。
4.按照权利要求1的燃烧器，其特征在于，相对于后面的燃烧室(30)，混合管(20)的燃烧器的前面用轮廓边缘(A)构成。
5.按照权利要求1的燃烧器，其特征在于，混合段(220)内过渡通道(201)的数目与由涡旋发生器(100)形成的分流数目相符。
6.按照权利要求1的燃烧器，其特征在于，接在过渡通道(201)后的混合管(20)沿流动方向和圆周方向设有孔(21)，用于将空气喷入混合管(20)的内部。
7.按照权利要求6的燃烧器，其特征在于，这些孔(21)相对于混合管(20)的燃烧器轴线(60)按一锐角延伸。
8.按照权利要求1的燃烧器，其特征在于，过渡通道(201)下游的混合管(20)的通流横截面小于、等于或大于涡旋发生器(100，100a)内形成的流动(40)的横截面。
9.按照权利要求1的燃烧器，其特征在于，在混合段(220)下游设有一燃烧室(30)，在混合段(220)和燃烧室(30)之间存在一横截面突变，该横截面的突变引发燃烧室(30)的起始流动横截面，并在横截面突变范围作用着一回流区(50)。
10.按照权利要求1的燃烧器，其特征在于，在燃烧器前部(70)有一扩压器和/或一文丘里管。
11.按照权利要求1的燃烧器，其特征在于，涡旋发生器(100)由至少两个空心的沿流动方向相互套在一起的锥形部件(101，102；130，131，132，133；140，141，142，143)组成，这些部件的各纵向对称轴线(101b，102b；130a，131a，132a，133a；140a，141a，142a，143a)相互错开延伸，这样，部件的相邻壁部在其纵向延伸段形成用于燃烧空气流(115)的切向通道(119，120)，在由部件构成的内腔(114)内至少有一燃料喷管(103)起作用。
12.按照权利要求11的燃烧器，其特征在于，在切向通道(119，120)范围内沿其纵向段设置有其它的燃料喷管(117)。
13.按照权利要求11的燃烧器，其特征在于，上述锥形部件(140，141，142，143)其横截面为叶片形状。
14.按照权利要求11的燃烧器，其特征在于，上述锥形部件沿流动方向具有一固定的锥角或增大的锥度或减少的锥度。
15.按照权利要求11的燃烧器，其特征在于，上述锥形部件呈螺旋状相互套在一起。
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