CN1158958A - 轴向或径向空气输入的预混合燃烧器 - Google Patents
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Abstract
在轴向或径向式空气输入的预混合燃烧器(18)情况下，燃烧空气(15)从一个在燃烧器(18)之前并包围其的气腔(27)中流入燃烧器(18)内并在其通过该燃烧器(18)的行程上与燃料(12，13)相混合在气腔(27)和燃烧器(18)之间安置一个壁厚为(S)和有开孔(25)的穿孔构件(24)，该开孔(25)各自直径为(d)和相互的间距为(t)，构件(24)将流过的燃烧空气(15)分割成小的限定的射流，它们在一个确定的流动长度(1)以后又汇合一起，同时该壁厚(S)相对于开孔(25)之直径(d)的比例是大于/等于1并且在构件(24)的流通面积和可能的至燃烧器(18)的流入面积之间的比例依据燃烧器的类型是大于/等于1。
Description
本发明涉及一个轴向或径向空气输入的予混合燃烧器并用于燃气轮机，其中燃烧空气从一个气腔流入该燃烧器和在其通过燃烧器的行程上与燃料相混合。
由于环境保护的原因，现代的应用在燃气轮机设备的燃烧系统都设置为予混合燃烧器，因为这样以使有害物排放值与扩散式燃烧器相比，得以充分地降低。该予混合燃烧器原则上使燃烧空气以轴向式或径向式流入其中。
在通过燃烧器的行程上，使燃料与空气流相混合。为在燃烧时实现低的NOX和CO排放值，必须使燃料和空气有一个均匀的混合，也就是说，燃料的加入和空气的分配要适应。依此在任何情况下应确保空气的输入可以是能控制的。但是这一点在上述予混合燃烧器系统中不是如此的情况。
在EP0321809B1公开的双锥结构型的予混合燃烧器情况下，燃烧空气从一个被罩包围的气腔通过切向的空气进口隙缝流入燃烧器内腔中。如果气体的燃料被燃烧，则混合生成物直接存在于空气进口隙缝的端部。在液体燃料通过一个在燃烧器的始端件之中央安置的喷嘴喷入的情况下，就会在燃烧器的内腔构成一个锥形的液体燃料柱，它被一个沿切向流入燃烧器的燃烧空气流所包围。该混合物的点燃是在燃烧器的出口发生的，同时，火焰通过在燃烧器入口区域中的一个回流区进行稳定。由于在罩中复杂的流动状态，因为流入罩中不仅有冷却燃烧腔的冷却空气，而且有从旁路流进的附加空气，从而导致涡流化，所以不可能形成均匀的燃烧器流入状态燃烧空气的输入不是精确可控制的，所以燃料和空气不能实现完全的均匀混合。这又导致燃烧时提高的有害物排放。
本发明试图，避免上述所有的缺陷。所以本发明任务是，在一个予混合燃烧器中设置一个整流装置，借助它，流入的燃烧空气之流动结构被均匀化，紊流度被提高，并可以使空气流动与燃烧器相匹配，这样，可实现一个燃料和空气的均匀化混合。
按照发明要求，在一个具有轴向式或径向式空气输入的予混合燃烧器情况下，燃烧空气从一个在流动方向上于燃烧器之前并围绕其安置的气腔流入该燃烧器中和在其通过燃烧器的行程上与燃料相混合，对于上述任务是如此实现的，在气腔和燃烧器之间安置一个带确定壁厚和开孔的空孔构件，所述开孔具有一个确定的直径和相互间一个确定的间距，所述构件将流过的燃烧空气分割成小的限定的射流，它们在一个确定的流动长度以后又汇合一起，同时，壁厚相对于开孔直径的比例是大于/等于1，最好为1.5，并且在穿孔构件的流通面积和可能的到燃烧器的流入面积之间的比例是根据燃烧器的类型同样是大于/等于1的。
另外本发明的优点在于，在穿孔的构件之后可实现一个均匀的速度分布并具有提高的涡流度以作为燃烧器的输入流。因此，燃料和燃烧空气的混合得以改善并被强化，所以CO和NOX的排放值减小了。本予混合燃烧器具有一个较大的应用前景，因为它可以在不利的流入条件下良好地运行。
有利的是，在具有径向式空气输入的予混合燃烧器情况下，该穿孔的构件是一个围绕燃烧器安置的穿孔篮件，并在一个具有轴向式空气输入的燃烧器情况下是一个在燃烧器之前相对燃烧空气的流动方向垂直安置的壁件。
特别符合目的要求的是，该流动长度相对开孔的间距之比例是大于/等于5。
另外有利的是，在轴向式空气输入的予混合燃烧器情况下，在穿孔的壁件之流通面积和到燃烧器的流入面积之间的比例等于1。.
最后有的优点是，在按照EP0321809B1的双锥型予混合燃烧器情况下，燃烧空气通过切向的空气进口隙缝流入燃烧器，在穿孔篮件的流通面积和到燃烧器的流入面积之间的比例大于1，最好为4。依此可确保一个沿燃烧器流入长度上的不均匀的空气分配，亦即质量分配和流动型式都可以得到均匀化整流。这样沿空气进口隙缝上的燃料分配得到最佳化配置，因此，燃料和空气的混合被改善和在燃烧时的NoX值被减小。
在附图中描述了本发明的两个实施例，其中，一个为用于燃气轮机燃烧室的径向流入式双锥形予混合燃烧器和一个轴向流入式予混合燃烧器。
图1a表明在空气通过一个空孔壁以相同形式流入时的流动结构；
图1b表明空气通过一个穿孔壁以不相同形式流入时的流动结构；
图1c表明流入空气在倾斜流入时速度曲线的简图；
图2表明一个双锥型予燃烧器的立体图；
图3是通过图2III-III截面的简图；
图4是通过图2IV-IV截面的简图；
图5是通过图2V-V截面的简图；
图6是按照图2具有本发明整流器的予燃烧器局部剖图；
图7是在图6之径向流入情况下，表示整流器作用方式的详细图(Kizze)；
图8是图6中通过VIII-VIII截面图；和
图9是带整流器的轴向流入式予燃烧器局部截面图；
仅表示了为理解本发明的基本元件，因此，例如只表示了燃烧室。空气的流动方向是用箭头表明的。
下面借助图1至9的两个实施例详细阐述本发明。
图1a首先一般表明了在空气15理想的均匀流入情况下，如整流器作用的穿孔结构件24之作用方式，同时，在图1b中表明了在空气15不同形式流入情况下，穿孔结构件24的作用方式。
带壁厚S的构件24具有多个开孔25，其分别具有一个直径d。这些开孔25相互以常数间距t安置。按照图1a和1b，通过构件24之开孔25流动的空气15被分割成小的限定的射流，它们在开孔后边的一个确定的流动长度1以后就又汇合起来。同时，该流动长度1是取决于开孔25的间距t和直径d的，并取决于射流扩散度。如在图1b中很好看出的一样，在不同形式的流入情况下，射流扩散已经在穿孔的构件之前就发生了。在流过壁件之后，就可实现一个相同形式的速度度结构并具有一个提高的小尺度的涡度级，进而导致一个有利地流入到图1中未描述的燃烧室。
此外在弯曲壁，例如一个围绕燃烧室设置的穿孔篮情况下，可以设置一个稳定的从篮件中流出的流出角并依此适应于燃烧室。
图1C表明在倾斜地流入穿孔构件24情况下，流入空气的速度结构简图在空气15到达构件24之前，其速度由此处的垂直分量V1和水平的分量u1合成，同时，由合成速度和V1构成一个夹角β1。在以由壁厚S相对孔直径d确定的最小比例流过构件以后，该水平的分量u和夹角β2都是零了，因此，还只存在一个垂直的速度分量V2，而且结果：V1＜V2。如果人们与此相反地应用一个穿孔的构件24，其具有很小的壁厚，那么，水平速度分量u1仍保持而且结果：u2＝u1和β2＜.β1，同时，该垂直的速度分量V2在构件24之后同样大于V1。在这种情况下，不存在整流作用。
关于穿孔构件24的配置应遵守在构件的流通面积和流入予燃烧器的面积之间为一个固定的面积比例。通过穿孔构件24的压力损失则由这两个面积确定。同样，也不允许低于在开孔25的直径和壁厚S之间的一个固定比例，因为这个比例还确定了压力损失的高度。已经表明，该比例应该为d/S≥1-1.5。通过这些要求，开孔25的相互间距t就确定了，而间距又确定了在构件24后边的流动结构，因为，该比例应为1/t≥5，这是由于在射流扩散的基础上，单个的射流又汇合一起和速度流型是很均匀的。
图2作为本发明一个实施例立体图表明一个双锥型并带予燃烧区的燃烧器18，它的原理结构已在EP0321908B1中描述。为了更好地理解燃烧器的结构有利方式是，同时参看图2和相关的图3至5的截面图。
该燃烧器18包括两个分锥体1，2，它们是以其纵向对称轴线1b，2b相互径向错位安置的，因此，在分锥体1，2的两个侧边上形成相反对置的流入结构，并分别为切向的空气流入隙缝19，20，通过它，燃烧空气15流入燃烧器18的内腔14中亦即由两个分锥体1，2构成的锥体中空腔中。该分锥体1，2在流动方向上直线地扩张，也就是说它们具有一个和燃烧器轴线为常数的夹角。这两个分锥体1，2各具有一个起端件1a，2a，它们同样错位配置。在这个圆柱形的起端件1a，2a中，置有一个雾化喷嘴3，它的开口大约安置在燃烧器18之锥形内腔14的最窄横截面内。理所当然，该燃烧器18还可以设置成纯粹的锥形结构而没有圆柱形的起端件。通过喷嘴3喷入液体的燃料12，因此，在燃烧器18的内腔14中形成一个微滴喷雾结构4。
这两个分锥体1，2沿空气进入隙缝19，20各置有一个燃料管道9，它们沿纵向侧设有开孔17，通过其，流入另外的燃料13。这种气体状的燃料13混入通过切向空气进入隙缝19，20流入燃烧器内腔1中的燃烧空气15中，这一点通过箭头16表明。通过喷嘴3和燃料输入结构8，9，该燃烧器18就能实现混合式运行。此外，这种空气输入还用于，在燃烧器的出口处产生一个火焰稳定作用。此处就形成一个稳定的带回流区6的火焰前缘7。
在燃烧腔侧设置一个带开孔11的前板10，通过开孔11，在需要时往燃烧腔22中输入稀释空气或冷却空气。
从图3至5可以看出导流板21a，21b的配置。它们可以例如围绕一个转动点23打开或闭合，因此，该切向的空气进口隙缝19，20的原始隙缝量是可改变的。理所当然，该燃烧器还可以没有这些导流板21a，21b就可运行。
按照图6，上面描述的燃烧器18被一个盖罩26所包围，它构成一个用于流入燃烧器之燃烧空气15的气腔27。同时，该燃烧空气15一.方面包括冷却空气15a，它在先以对流方式冷却了燃烧腔5的壁部和另一方面包括空气15b，它通过未描述的旁路管道同样流入气腔2中，因此，产生附加的涡流作用。在盖罩26中因而存在一个很复杂的流动状态。依此，按照迄今的现有技术无法确保空气通过切向的空气进口隙缝19，20均匀地流入燃烧器中，所以，气体的燃料13和燃烧空气15不可能为最佳混合，进而不可能使燃烧器应用在不利的流入条件下，换句话说，在较有利的排出流动条件下，NoX一值不能下降得足够低。
为此，如在图6，7和8中，一个穿孔的篮件24围绕着径向流入的燃烧器18而设置，该篮件实现一个整的作用。通过篮件24的轮廓适配性可使燃烧器实现一个最佳的流入方式。该燃烧器的流入方式通过本发明，就可脱离盖罩中的复杂流动状态。
在穿孔的篮件24的流通面积和流入燃烧器18的面积(空气进口隙缝19，20)之间的面积比例在本实施例中计为4。依此就可实现，通过穿孔的篮件的压力损失大约与一个滞止压力相一致。如果流通面积也就是说在篮件24中的开孔25的面积在其他不变的条件下是明显较小的，则产生一个过高的压力损失。
因为壁厚S相对于孔直径d的比例必须是大于/等于1，最好是1.5，这样用这一要求加上上面提及的面积比例，开孔25相互间的距离t就被确定了，该距离t又确定了在穿孔的篮件24之后边的流动型式。该空气15如上面已经描述的，在流过该篮件24情况下，被分割成小的限定的射流，它们在开孔25后边的流动长度1之后又汇合一起。依此，这个一般的流动型式可以精确地被确定和与相应的燃烧要求匹配。这样的优点在于一个沿着燃烧器18的流入长度上的不均匀空气分配就可以得到整流，不仅在质量分布上而且在流动型式上都如此。依此，沿燃烧器18之空气进口上的燃料分配可以最佳地设置，进而，除了空气的涡流度提高以外，燃料和燃烧空气的混合也得到改善和因此有害物的排放也减少。该燃烧器由此也可以被应用在不利的流入条件下。通过篮件24的轮廓适当配合就能实现一个最佳的燃烧器之当地流入型式。
理所当然，本发明并不局限在上面描述的实施例上。因此在图9中描述了另一个实施例，它涉及一个轴向流入的予混合燃烧器18.此处该燃烧空气15从气腔27通过一个在燃烧器前与流动方向相垂直安置的穿孔壁24的开孔25流入燃烧器18中，该壁24可以是例如一个孔板件。在此处，该燃料13在经向上错位地并在旋转体28之前混合掺入。为使本系统稳定化，通过一个中央输入结构导入控制燃料29于燃烧器中。因为空气流通过壁件24被均匀化并另外该小量级的涡流度通过壁件24被提高了，所以就可以实现燃料和燃烧空气的均匀的混合，进而导致前面提及的优点。
参考编号1，2 分锥体1a，2a 圆柱体始端件1b，2b 分锥体的中轴线3 雾化喷嘴5 燃烧腔4 燃料微粒喷雾结构6 流区(Vortex breakdoun)7 火焰前缘8，9 燃料管道10 前板11 前板中的开孔12 液体燃料13 另外的燃料14 燃烧器的内腔15 燃烧空气流16 喷入燃料17 开孔18 燃烧器19，20 切向空气进口隙缝21a，20b 导流板22 燃烧器之流出侧的燃烧腔23 转动点24 穿孔的构件25 在壁件24中的开孔26 盖罩27 气腔28 旋转体29 控制燃料d 开孔25的直径S 壁件24的厚度t 两个开孔间的距离V1 在壁24之前的垂直速度u1 在壁件24之前的水平速度β1 在V1和合成速度之间的夹角V2 在流过壁件24之后的垂直速度u2 在流过壁件24之后的水平速度β2 在V2和合成速度之间的夹角
Claims (7)
1.具有轴向或径向式空气输入的予混合燃烧器(18)，其中该燃烧空气(15)从一个在流动方向上安置在燃烧器(18)之前并围绕其的气腔(27)流入该燃烧器(18)中，且在通过燃烧器(18)的行程上与其燃料(12，13)相混合，其特征在于：
在气腔(27)和燃烧器(18)之间安置一个壁厚为(5)和有开孔(25)的空孔构件(24)，开孔(25)各自的直径为(d)并相互间的距离为(t)，所述构件(24)将流过的燃烧空气(15)分割成小的限定的射流，它们在一个确定的流动长度(1)以后又汇合一起，同时，壁厚(S相对于开孔(25)的直径(d)的比例是大于/等于1并且在穿孔构件(24)的流通面积和可能的流入燃烧器(18)的面积之间的比例是根据燃烧器类型而大于/等于1。
2.按照权利要求1具有径向式空气输入的予混合燃烧器，其特征在于：
该穿孔的构件(24)是一个围绕燃烧器(18)安置的穿孔篮件。
3.按照权利要求1具有轴向式空气输入的予混合燃烧器，其特征在于：该穿孔的构件(24)是一个在燃烧器(18)之前相对燃烧空气(15)的流动方向垂直安置的穿孔壁，最好是一个孔板。
4.按照权利要求1至3之一的予混合燃烧器(18)，其特征在于：
流动长度(1)相对开孔(25)的间距(t)的比例是大于/等于5。
5.按照权利要求1至3之一的予混合燃烧器(18)，其特征在于：
壁厚(S)相对于开孔(25)的直径(d)的比例最好是1，5。
6.按照权利要求3的予混合燃烧器(18)其特征在于：
在穿孔的壁件(24)的流通面积和到燃烧器(18)的流入面积之间的比例等于1。
7.按照权利要求2和EP0321 809B1之双锥型的予混合燃烧器(18)，其中，燃烧空气(15)通过切向的空气进口隙缝(19，20)流入燃烧器(18)，其特征在于：
在穿孔篮件(24)的流通面积和至燃烧器(18)的流入面积之间的比例是大于1，最好为4。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C01 | Deemed withdrawal of patent application (patent law 1993) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |