CN115917214A - 用于为产热系统生成火焰的具有燃气轮机的燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种用于为产热系统生成火焰的燃烧器(1)，其包括燃料供应管线(3)和至少一个助燃剂进入系统，两者可操作地连接到燃烧头(2)，分别用于向所述燃烧器(1)供应燃料流量和助燃剂流量。该燃烧器(1)包括透平燃气单元，该透平燃气单元具有：辅助燃烧室(6)，燃烧在辅助燃烧室(6)中发生，并且用于产生烟气流并向下游输送烟气流；和透平(7)，其由辅助燃烧室(6)产生的烟气启动。特别地，透平(7)可操作地运行以至少部分地有助于燃料在所述助燃剂供应系统(4)中的运动。

Description

用于为产热系统生成火焰的具有燃气轮机的燃烧器

申请领域

本发明涉及一种用于为产热系统生成火焰的燃烧器，其中，该燃烧器包括燃气轮机。

特别地，“燃烧器”是指燃烧设备的操作机器，燃料和助燃剂在其中混合，随后通过点火(通常伴随着明火的产生)引发燃烧反应。

对于本发明，这意味着燃烧器被构造成应用于产热系统(水或蒸汽锅炉、熔炉、焚化炉、烟气加力燃烧室等)。特别地，该燃烧器被应用于燃烧室，产生的火焰延伸到该燃烧室中。

本发明不旨在产生显著的推力，因此不旨在应用于飞行器的喷射推进器领域(排除的领域)。

使用的燃料可以是气态(天然气、液化石油气(LPG)、生物气，以及通常的含有甲烷和/或氢气的混合物)、液态(例如柴油、石脑油、乙醇、煤油)或固态(例如木材或煤粉)。

现有技术

通常，从结构的角度来看，燃烧器可分为预混燃烧器、吸入式气体或空气燃烧器和强制通风燃烧器。

前两者通常用于民用(壁挂式锅炉、炉灶、用于产生热水或蒸汽的相对较小的发生器)，其包括供应管道，该供应管道的截面在引入燃料或助燃剂的点处变窄。以这种方式，对于低功率，通常利用主气体的压力使空气由于文丘里效应被燃料自然吸入(“大气”或“本生(Bunsen)”型燃烧器)；或者对于更高的功率，燃料以相同的原理由通过风机驱动的助燃空气吸入，该风机由位于带有文丘里管的气体阀下游的电动马达驱动(“预混”燃烧器)。

相反，强制通风燃烧器强制引入空气和燃气。在这种情况下，空气通过放置在燃烧头上游的风机引入，燃气通过利用燃气本身的主压力引入(在液体或固体燃料的情况下通过加压回路或泵)。

这种燃烧器主要用于工业应用(蒸汽发生器、热空气发生器、工业炉)和民用应用(用于家庭集中供热和区域供热的热水锅炉)。

不利的是，强制通风燃烧器需要高扬程风机来将空气输送至燃烧头以保持有效压力值，从而保证良好的混合和合适的火焰稳定性。这方面意味着使用电动马达，其通常具有三相电源、相对较大的尺寸和显著的电力消耗，特别是当它没有配备节能装置(例如逆变器)时。

本发明的目的

由此，本发明的技术任务是提供一种用于燃烧系统的燃烧器，其能够克服现有技术中已经出现的缺点。

因此，本发明的目的是创造一种燃烧器，该燃烧器不受风机使用的限制，具有减小的电力供应需求或零电力供应需求。

所说明的技术任务和目的基本上通过一种燃烧器实现，该燃烧器包括如所附权利要求中的一项或多项中所列出的技术特征。

附图的简要说明

根据以下对用于燃烧系统的燃烧器的优选但非排他性实施例的大致且由此非限制性的描述，本发明的其他特征和优点将变得更加明显，如附图中所示，其中:

-图1a是根据本发明的燃烧器的第1实施例(称为“透平射流”)的示意图；

-图1b是根据本发明的燃烧器的第1实施例的变型的示意图；

-图2a是根据本发明的燃烧器的第二实施例(称为“透平轴”)的示意图；

-图2b是根据本发明的燃烧器的第二实施例的变型的示意图；

-图3a是根据本发明的燃烧器的第3实施例(称为“透平风机”)的示意图；

-图3b是根据本发明的燃烧器的第3实施例的变型的示意图。

根据本发明的一个或更多个优选实施例的描述

参考附图，使用附图标记1来总体地表示燃烧器，这里将其称为燃烧器1。

特别地，附图示出了本发明的三个实施例(每个实施例有两个可能的变型)，这将在下面更具体地描述。以下将首先概括地描述三个实施例的共同特征。

附图示出了包括燃烧头2的燃烧器1，在燃烧头2中发生燃料和助燃剂的混合，并且随后发生燃烧反应。

特别地，燃烧器1是强制通风燃烧器。因此，为了有效地进行燃烧反应，需要燃烧头2上的助燃剂主动流动。

燃烧器1包括燃料供应管线3和助燃剂供应系统，两者可操作地连接到燃烧头2，分别用于向燃烧器1供应燃料流量和助燃剂流量(下面可以更好地看出，根据实施例，助燃剂优选包括透平出口处的燃烧烟气加上任何二次空气，或者助燃剂由在透平出口处吸入燃烧烟气的强制的空气对流组成)。

燃烧头2被设置为至少在燃烧器1运行时产生连续火焰，并且被构造成连接到产热系统的燃烧室。

燃料供应管线3连接到燃料源，例如加压燃料的输送管道。

应当注意，燃料供应源沿着燃料供应管线3输送所述燃料，然后燃料供应管线3被分成第1分支3a和第二分支3b。

特别地，燃料供应管线3可以向燃烧头2和辅助燃烧室6供应不同类型的燃料(例如气态或液态的)，优选天然气或天然气和氢气的混合物。

在所公开且未在附图中表示的实施例的一变型中，如果使用两种不同的燃料，分支3a和分支3b可以是独立的。

有利地，燃料供应管线3包括燃料流量调节和安全装置，在附图中总体上用附图标记70表示。调节和安全装置70对于第1分支3a和第二分支3b是独立的；对于每个分支，调节和安全装置70包括“常闭”的开关安全阀70a、稳定比例压力调节器70b和电动调节阀70c、70d。

根据所用燃料的类型(例如液体燃料或特定燃料)，沿着燃料供应管线3的第1分支3a和第二分支3b布置的调节和安全装置70将是适当不同的类型。

此外，为了保证透平燃气的运行，优选需要具有较高的工作压力，因此辅助燃烧室6的燃烧器处的燃料压力不可忽略。如果没有中间压力跃变的帮助，高的工作压力值可能无法达到。为此，可能需要使用带有蓄能器、压缩机和稳定比例压力调节器的小型增压器，整体用70e表示。在附图中，增压器70e布置在支路3b中，在包括开关安全阀70a、稳定比例压力调节器70b和调节阀70d的单元的上游和燃料供应源的下游。

如已经公开的，供应管线3通过分支3a将燃料供应到燃烧器的燃烧头，而分支3b将燃料供应到透平燃气单元的辅助燃烧室6中的燃烧器。

根据本发明，燃烧器1包括压缩机15、辅助燃烧室6和透平7。

辅助燃烧室6被构造成接收由压缩机15供应的流量，以便能够产生适于驱动透平7的高压烟气流。压缩机15和透平7所键接的驱动轴16是同一个，并且所述透平燃气单元以布雷顿-焦耳(Brayton-Joule)热力学循环运行。

该透平燃气单元至少包括压缩机15、辅助燃烧室6和透平7，并且根据工作要求和下面更佳地描述的具体实施例来适当地确定它们的尺寸。

透平7被构造为产生介于0和600毫巴(60kPa)之间的总出口压力，其中，质量流量小于70kg/s。

在“透平射流”实施例(图1a和图1b)中，透平燃气单元的尺寸适当，以保证在出口处烟气具有相对高的焓含量，从而能够在高温和适当的压力下利用膨胀气体的高流速。

在“透平轴”实施例(图2a和图2b)中，透平燃气单元的尺寸适当，以保证在驱动轴16处的马达扭矩适于驱动叶轮并在燃烧头2处提供足够的压头。

在“透平风机”实施例(图3a和图3b)中，透平燃气单元的尺寸适当，以保证在第1膨胀级的出口处烟气的焓含量足够高，从而能够利用剩余能量在二级透平20中膨胀，以便提供足够的马达扭矩驱动叶轮并在燃烧头2处保证合适的压头。

在上述所有实施例中，基于设计特性，透平燃气单元可具有多个膨胀7压缩级15。此外，主要对于“透平轴”和“透平风机”实施例，在需要包括两个独立的透平-压缩机单元的情况下，透平燃气单元设置两个同轴的驱动轴(图中未示出)，以用于高压和低压。

还应注意，辅助燃烧室6的任何实施例都可以设置有并联供应的各种燃烧器，例如以用于高能量(环形辅助燃烧室可以设置有各种燃烧器，以用于在可用体积中分散和对齐火焰能量)。

透平7由辅助燃烧室6产生并通过歧管60被引向透平7的高压烟气启动。

辅助燃烧室6通过分支3b(限定排放管道)连接到燃料供应管线3，该分支3b被布置为从燃料供应管线3引出。

换言之，辅助燃烧室6接收从燃料供应管线3引出的燃料流的一部分作为供应。

特别地，燃料流量调节和安全装置70还被构造成将将通过电动调节阀70d被引导至辅助燃烧室6的燃料流分开。

透平7可操作地运行以至少部分地促进燃料朝向燃烧头2的运动。

特别地，在“透平射流”实施例中，透平7出口处的烟气射流被引向燃烧头2。在“透平轴”和“透平风机”实施例中，风机9b和21将助燃空气推向燃烧头2，从而吸入从透平7、20喷出的烟气。

在“透平射流”实施例中，辅助的助燃空气优选地经由管线4通过文丘里效应被引入到燃烧头2。在“透平轴”和“透平风机”实施例中，助燃空气(在这种情况下是必要的而不是辅助的)由风机9b和21驱动。

通常，风机9b或风机21被构造成仅向燃烧头(2)供应助燃剂。特别地，这样的风机9b或21可以布置在燃烧头2处或与其隔开但被构造成向其输送流动(例如通过空气输送系统)。

在图3a和图3b所示的实施例(“透平风机”)中，风机21优选但不是必须根据助燃剂朝向燃烧头2的运动方向被布置在透平7和20的下游，以便直接向燃烧头2供应助燃剂。

需要注意的是，通向燃烧头2的整体助燃剂进入系统是通过管线4和/或通过透平7出口处的烟气部分形成的。在“透平射流”实施例中，助燃剂的进入也可以仅由透平7出口处的烟气部分来保证，而管线4没有被启用或者在某些情况下甚至根本不存在管线4。实际上，对于此类构造，具有较高的压力和较高的流量以及高的O₂残留值(约16％)的烟气部分本身可能会足以保证正确燃烧所需的助燃剂量。通常，根据实施例，额外的助燃空气由位于透平7的排气喷嘴处的喷射器系统吸入(图1a和图1b)；而必要的助燃空气则通过风机被机械地强制引入(图2a和图2b、以及图3a和图3b)。

由于调节构件100b，来自管线100a的任何额外环境空气(21％ O₂)都可以按比例分配。

透平燃气单元以尽可能高的稀释比(BPR)运行，对于具有吸入流的透平射流实施例优选为0.5:1至1.5:1，而对于透平轴和透平风机实施例优选为2.5:1至12:1。

透平7和压缩机5优选地由金属合金制成，以便承受来自热力循环的高运动惯量、机械应变和热应力。

根据替代实施例，透平7可包括由超级合金制成的部分和/或使用先进的金属加工技术(例如定向凝固或单晶结构生成)制成的部分，以保证在特别高温条件下的高性能水平。

通常，燃烧器1还包括布置在压缩机4的预通风和后通风管线120中的风机9。

两个上游分支流入所述预通风和后通风管线120，所述分支分别用附图标记120a和120b表示，适于空气优选地通过入口100进入。所述风机9或9a沿分支120a布置。

应当注意，两个分支120a和120b可以通过相应的阀121和122二者择一地启用。

根据图1中所示的实施例，风机9可以通过燃烧器外部的电源供电，但可替代地，它可以由连接到燃烧器本身的电池供电，该电池在运行期间充电，这将在下面更好地公开。

特别地，风机9可以通过可控启动装置被启动或关闭。

有利地，基于应用的类型并且在不具有多个压缩级的实施例中，压缩机15可以具有在1.5/1和5/1之间，优选地在1.5/1和3.5/1之间的压缩比，并且低压缩比保证了相对受控的旋转机制，例如小于50000RPM。

在图1的实施例中，该透平燃气单元被设计成供应烟气流，其保证适合于供应燃烧器的燃烧头的特征流量/压力曲线，而不是使用传统的离心风机。

在所示出和描述的其他实施例中，透平燃气单元被设计成保证驱动轴16有足够的马达扭矩以驱动风机，该风机可以提供合适的流量和压力来供应燃烧器1的燃烧头2，或提供足够的来自第1膨胀级的焓以完成第二级中气体的膨胀，从而驱动能够提供合适的流量和压力的风机以供应燃烧器1的燃烧头2。

特别地，压缩机15通过管道120在入口处接收助燃剂流并通过供应管道130供应辅助燃烧室6。该助燃剂流优选通过上述入口100被吸入。

在燃烧器1的起动步骤期间，风机9将空气推入管道120中以使得透平燃气单元能够旋转并产生朝向辅助燃烧室6的助燃剂流。在起动步骤之后，风机9可以被关闭，因为压缩机15独立地促进助燃剂流朝向辅助燃烧室6运动。在关闭步骤期间，可以重新启用风机9以冷却透平燃气单元并将空气通风到安装有燃烧器1的产热系统的燃烧室中。

燃烧器1可以包括配备有电池12的电单元10，用于为多个器件(例如电动马达)供电，以保证透平燃气单元旋转直到循环自支撑点(以此替代通过风机9起动，或通过辅助线(阀线圈、火焰控制装置、伺服马达、传感器等)的支持起动)。

有利地，电单元10还可以包括交流发电机13(在一些技术变型中，其也可以充当马达)，该交流发电机13键接到透平燃气轴上以便能够为电池12充电。

此外，电单元10被配置为使得透平燃气单元能够被打开和/或关闭。在这一点上，驱动轴16通过机械连接部50(“透平轴”实施例中的50b)连接到交流发电机13。

这种机械连接部50(或50b)可以被构造成在接合状态和未接合状态之间切换，在接合状态中驱动轴16驱动交流发电机13(例如，当透平燃气单元以稳定速度运行时)，在未接合状态中交流发电机13与驱动轴16断开连接(例如，在透平燃气单元的短暂初始启动期间)。

可替代地，透平燃气单元的机械起动是可能的，其中机械连接部50(或50b)处于接合状态并且电动马达13主动地驱动驱动轴16直到起动已经发生。应注意，在图中，附图标记13用于标识根据运行状态充当交流发电机或马达的单个装置。

如附图中所示，压缩机15和透平7键接在其上的驱动轴16由流体动力支撑的滑动构件17支撑(基本上通过油衬套或油轴承或空气轴承支撑)，滑动构件17具有液体或气体通路。在为三个实施例中的每一个定义上述两个实施例的两个特定情况中，流体分配机械构造变化。

在油分配的情况下(例如图1b)，回路的泵90在起动器马达(或风机)起动时启动。通常，回路将设置有过滤器91、储罐95、带溢流阀的压力调节器92、热交换器93和用于压力(PSH、PSL)和温度(T)值的监测/安全装置。在空气分配的情况下(例如图1a)，可以例如通过提前打开开/关阀17a的定时电路在起动之前提供轴承17处的压力。空气的流动由承受压力的储罐95保证，根据布局，储罐95将由压缩机96根据由压力开关(PSL)检测的压降“补压”。储罐的下游将设有稳定压力调节器17b，用于保持轴承17上的压力恒定。

在稳定运行时，当通过未示出的适当传感器检测到的压力达到足以触发回路上的开/关交换阀24和17a(关闭阀17a和打开阀24)的值以便将空气流从压缩机96支持管线旁路到透平燃气单元的运行压缩机15时，通过该压缩机15可以保证对轴承的支撑。

燃烧器1可包括布置在压缩机15上游的能量回收装置33和布置在透平7或二级透平20下游的热回收装置19。

该热回收装置19被构造成从来自透平7或20的烟气流中回收一部分热能。例如，热回收装置可以包括热交换器和/或塞贝克效应(Seebeck effect)能量转换器。

关于布置在压缩机15上游的能量回收装置33，它有利地包括已经描述过的交流发电机13，交流发电机13键接(通过可断开的机械连接部50)到透平燃气轴上，从而达到能够为电池12充电的目的，以用于储存电能和/或主要用于交换任何多余的电能。

附图示出了三个不同的实施例，其中：

-第1实施例(称为“透平射流”)在图1a和1b中分别以带有空气轴承(图1a)和带有油衬套或油轴承(图1b)的变型示出；

-第二实施例(称为“透平轴”)在图2a和2b中分别以带有空气轴承(图2a)和带有油衬套或油轴承(图2b)的变型示出；

-第3实施例(称为“透平风机”)在图3a和3b中分别以带有空气轴承(图3a)和带有油衬套或油轴承(图3b)的变型示出。

第1实施例(“透平射流”)示出了包括燃烧头2的燃烧器1，在燃烧头2中发生燃料和助燃剂的混合，并且随后发生燃烧反应。

透平燃气单元的尺寸适当，以保证出口处的烟气流具有合适的流量和压头以供应燃烧头2并通过文丘里效应吸入额外的助燃空气流。

燃烧器1包括沿着管道120布置并且特别地布置在分支120a上的前述风机9。该风机9可以由燃烧器外部的电源供电，或者通过由交流发电机13充电的电池12供电。

特别地，风机9可以通过启动装置被启动或关闭。

此外，压缩机15通过管道120在入口处接收助燃剂流并通过供应管道130供应辅助燃烧室6。

在燃烧器2的起动步骤期间，风机9启动并将空气送入管道120中以触发透平燃气单元的旋转并产生朝向辅助燃烧室6的助燃剂流。在起动步骤之后，风机9(当存在时)可以被关闭，因为该透平燃气单元自支撑循环并且压缩机15独立地促进助燃剂流朝向辅助燃烧室6运动。

此外，燃烧器1包括配备有电池12的电单元10，用于为多个使用者(例如电动马达)供电，以保证单元旋转直到循环自支撑点，以此替代通过风机9起动，和/或通过辅助管线(阀线圈、火焰控制装置、伺服马达等)的支持起动。

换言之，电单元10被配置为使得透平燃气单元能够被打开和/或关闭。

有利地，电单元10还包括交流发电机13(其充当或包括起动器马达单元)，该交流发电机13键接到透平燃气轴上以便能够为电池12充电。

特别地，驱动轴16通过机械连接部50连接到交流发电机13。

这种机械连接部50可以被构造成在接合状态和未接合状态之间切换，在接合状态中驱动轴16驱动交流发电机13(例如，当透平燃气单元以全速运行时)，在未接合状态中交流发电机13与驱动轴16断开连接(例如，在透平燃气单元的短暂初始启动期间)。

可替代地，透平燃气单元的机械起动是可能的，其中机械连接部50处于接合状态并且马达/交流发电机13主动地驱动驱动轴16直到起动已经发生。

该系统配备有调节构件100b，用于引入由图1a和1b中的喷射器8a吸入的次助燃空气，或由图2a和2b中的风机9b和图3a和3b中的风机21吸入的主助燃空气。在所有变型中，主助燃空气或次助燃空气可以通过对流运动从热部件的带走热量，从而提高机器的热性能。

应当注意，次助燃空气的引入可以通过单个入口或通过数个入口进行。在这一点上，为了公开的完整性并且仅作为示例，图1a和1b中所示的第1实施例具有两个入口100a，而其他图中所示的其他实施例仅示出了一个入口100a。无论如何，应当理解，本发明的每个实施例都可以无差别地具有一个或更多个空气入口100a。

此外，压缩机和透平键接在其上的驱动轴16由流体动力支撑的滑动构件支撑(基本上通过油衬套或油轴承或空气轴承支撑)，滑动构件具有液体或气体通路。在两种特定情况下，流体分配的机械构造会有所不同。

在油分配的情况下(例如图1b)，回路的泵90在起动器马达(或风机)起动时启动。通常，回路设置有过滤器91、储罐95、带溢流阀的压力调节器92、热交换器93和用于压力(PSH、PSL)和温度(T)值的监测/安全装置。在空气分配的情况下(例如图1a)，可以例如通过提前打开开/关阀17a的定时电路在起动之前提供轴承17处的压力。空气的流动由承受压力的储罐95保证，根据布局，储罐95将由压缩机96根据由压力开关(PSL)检测的压降“补压”。储罐95的下游将设有稳定压力调节器17b，用于保持轴承17上的压力恒定。当压力达到足以触发回路上的开/关交换阀24和17a(关闭阀17a和打开阀24)的值以便将空气流从压缩机96支持管线旁路到透平燃气单元的运行压缩机时，通过该压缩机15保证了对轴承17的空气支撑。

燃烧器2包括布置在压缩机上游的能量回收装置33和布置在透平7下游的热回收装置19。

该热回收装置19被构造成从来自透平7或20的烟气流中回收一部分热能。例如，热回收装置可以包括热交换器和/或塞贝克效应能量转换器。

能量回收装置33包括例如上述交流发电机13和储能电池12。

图2的实施例(“透平轴”)示出了包括燃烧头2的燃烧器1，在燃烧头2中发生燃料和助燃剂的混合，并且随后发生燃烧反应。

透平燃气单元的尺寸适当，以确保驱动轴16有足够的扭矩，从而能够驱动风机9b，以为燃烧头2中的正确混合提供足够的助燃剂流的压头。为此，压缩机15和可能的透平7可以是多级的，或者透平燃气单元可以由两个独立的透平-压缩机单元组成，以用于高压和低压。

在该实施例中，除了也在其他实施例中存在风机9a，还有一个风机9b，其可以被透平7驱动旋转。

风机9a沿着分支120a布置并且可以通过燃烧器1外部的电源和/或包括交流发电机/马达13和电池12的电单元10的供应来启动。

换言之，燃烧器1包括电单元10，电单元10配备有用于启动透平燃气单元的电动马达，以作为风机9a的替代。该风机9a在任何情况下都可以用在预通风或后通风的步骤中。

风机9b优选地被构造成仅向燃烧头2供应助燃剂。特别地，这样的风机9b可以布置在燃烧头2处或与其隔开但被构造成向其输送流动(例如通过空气输送系统)。

此外，风机9b通过机械连接部50a连接到透平燃气单元。

该机械连接部50a可以被构造成在接合状态和未接合状态之间切换。在未接合状态中，例如在燃烧器1的点火步骤期间，风机9b与倍减器(demultipler)80的驱动轴断开；并且在接合状态中，例如在透平燃气单元的完全运行步骤中，风机9b连接到倍减器80的驱动轴以促进助燃剂直接流向燃烧头2并通过路径8。

特别地，为了能够以尽可能最平缓的方式触发风机的旋转并防止驱动轴10和透平燃气单元上游的反冲，机械连接部50a可以包括粘性联接(弗格森型)以及同步机械联接。

特别地，倍减器80使得风机9b能够以相对于透平燃气驱动轴16的角速度更低的角速度旋转。

对于前面的实施例，电单元10配备有电池12，用于存储交流发电机供应的电流并为电动马达13供电。

事实上，有利地，电单元10包括连接到透平燃气单元的交流发电机13，用于将透平7的至少一部分机械能存储在电池12中。

以此方式，电单元10能够产生电能以保证向多个使用者供电。

此外，燃烧器1包括启动装置以使得能够打开和/或关闭风机9a。

燃烧器1包括压缩机15，其适于在入口处向辅助燃烧室6供应助燃剂流。

并且在这种情况下，驱动轴16通过机械连接部50b连接到交流发电机13。

这种机械连接部50b可以被构造成在接合状态和未接合状态之间切换，在接合状态中驱动轴16驱动交流发电机13(例如，当透平燃气单元以全速运行时)，在未接合状态中交流发电机13与驱动轴16断开连接(例如，在透平燃气单元的短暂初始启动期间)。

这样，在透平燃气单元的短暂初始启动期间，机械连接部50a处于未接合状态，使得风机9a提供起动所需的空气并且风机9b不会为起动透平燃气单元产生任何其它的惯量。然后，当透平燃气单元具有足够的速度时，机械连接部50a可以处于接合状态，使得透平燃气单元驱动风机9b以将助燃空气引向燃烧头2。

可替代地，透平燃气单元的机械启动是可能的，其中机械连接部50b处于接合状态并且电动马达13主动地驱动驱动轴16直到启动已经发生。在这种情况下，由于上述原因，连接部50a可以是未接合的。

特别地，压缩机15通过管道120在入口处接收助燃剂流，然后通过供应管道130供应辅助燃烧室6。

详细地，透平7和压缩机15键接到驱动轴16上，驱动轴16由气体轴承17支撑，气体轴承17通过辅助能量供应管线18和/或通过从压缩机15引出的接头供应。

或者，可以在不改变支撑本发明的发明构思的情况下设置油轴承或油衬套。

在油分配的情况下(例如图2b)，回路的泵90在起动器马达(或风机)起动时启动。通常，回路将设置有过滤器、储罐95、带溢流阀的压力调节器92、热交换器93和用于压力和温度(T)值的监测/安全装置。在空气分配的情况下(例如图2a)，可以例如通过提前打开开/关阀17a的定时电路在起动之前向轴承提供压力。空气的流动由承受压力的储罐95保证，根据布局，储罐将由压缩机96根据由压力开关(PSL)检测的压降“重新补压”。储罐的下游将设有稳定压力调节器17b，用于保持轴承17上的压力恒定。当压力达到足以触发回路上的开/关交换阀24和17a(关闭阀17a和打开阀24)的值以便将空气流从压缩机支持管线旁路到透平燃气单元的运行压缩机时，通过该压缩机15可以保证对轴承的空气支撑。

图3(“透平风机”)示出了包括燃烧头2的燃烧器1，在燃烧头2中发生燃料和助燃剂的混合，并且随后发生燃烧反应。

透平燃气单元的尺寸适当，以为第二膨胀级提供足够的马达扭矩，从而通过风机21保证在燃烧头2处的足够压头。为此，压缩机15和可能的透平7可以是多级的，或者透平燃气单元可以由两个独立的透平-压缩机单元组成，以用于高压和低压。

为了在双膨胀级透平风机燃烧器的实施例中的燃烧头2处提供正确的过量空气，存在用于供应助燃空气的路径8，该助燃空气通过一个或更多个同样也是电致动的调节构件100b引入。

如果透平燃气轴不是直接通过电气装置启动，则管线120可以通过由风机9为压缩机15提供必要量的空气来触发透平燃气单元，该风机9具有适当的开关交换阀121、122。在这种情况下，风机可以具有第二功能，即以预通风步骤进行通风并以后通风步骤冷却所述单元。

燃烧器1包括压缩机15、燃烧室6、透平7和二级透平20。

该二级透平20被布置成接收由透平7产生的废气。优选地，如附图所示，根据助燃剂朝向燃烧头2的运动方向，二级透平20布置在透平7的下游。

燃烧室6被构造成接收由压缩机15处理的空气流量，该空气流量由压缩机15进行处理以便能够产生适于驱动透平7的高压气流，然后从第1膨胀级离开的具有高焓的气体流动并在第二级膨胀，以驱动风机21。压缩机和透平所键接的旋转轴是同一个，并且该透平燃气单元以布雷顿-焦耳双膨胀循环运行。风机21和二级透平20的连接轴22不受约束并且独立于第1级的透平。透平燃气单元的尺寸合适，以保证来自第1级的足够输出压力能够驱动透平20以启动风机21，从而能够为燃烧头2中的正确混合提供足够的助燃剂流的压头。

透平20通过来自第1膨胀级的具有高余焓的废气运动，并通过驱动轴22提供风机21的机械运动。

应当注意的是，尽管图中为了示意简单起见示出了该风机21布置在透平20的下游，但该风机21优选地布置在透平燃气单元的上游。

第1膨胀单元通过其中插入有开/关阀20a的歧管将废气供应给第二膨胀单元，该阀与第1级的气体的喷射阀20b两者择一地启动，当未使用第二膨胀单元时，该喷射阀20b打开。以这种方式，即使当/如果燃烧头2保持关闭时，高压单元也可以在连续循环时被触发。

当阀20b关闭时，第1膨胀级的任何过压可以由自开阀20c根据超过某一设定压力阈值予以纾解。

换言之，透平7由辅助燃烧室6产生的高压烟气启动，该高压烟气通过歧管60被引向透平7。

由管线100a引入的整合空气同时具有通过掠过热元件的理想路径8通过对流来从透平燃气单元移除热量的效果。如此，可以减少热量分散并改善机器的整体运行能量平衡。

燃料流量的调节装置70还被构造成将将被引导至辅助燃烧室6燃料流分开。

透平7可操作地运行，以为在驱动风机21的第二级中排放高压气体作出实质性贡献。

从透平20离开以及可能从阀20c离开的气体被风机供应的空气吸向燃烧头2。

同样对于该实施例，驱动轴16通过机械连接部50连接到交流发电机13。

这种机械连接部50可以被构造成在接合状态和未接合状态之间切换，在接合状态中驱动轴16驱动交流发电机13(例如，当透平燃气单元以全速运行时)，在未接合状态中交流发电机13与驱动轴16断开连接(例如，在透平燃气单元的短暂初始启动期间)。

此外，压缩机和透平键接在其上的驱动轴16由流体动力支撑的滑动构件支撑(基本上通过油衬套或油轴承或空气轴承支撑)，滑动构件具有液体或气体通路。在两种特定情况下，流体分配的机械构造会有所不同。

在油分配的情况下(例如图3b)，回路的泵90在起动器马达(或风机)起动时启动。通常，回路将设置有过滤器91、储罐95、带溢流阀的压力调节器92、热交换器93和用于压力和温度(T)值的监测/安全装置。

在空气分配的情况下，可以例如通过提前打开开/关阀17a的定时电路在起动之前提供轴承17处的压力。空气的流动由承受压力的储罐95保证，根据布局，储罐将由压缩机96根据由压力开关(PSL)检测的压降“重新补压”。储罐的下游将设有稳定压力调节器17b，用于保持轴承17上的压力恒定。当压力达到足以触发回路上的开/关交换阀17a和24的值以便将空气流从压缩机96支持管线旁路到透平燃气单元的运行压缩机时，通过该压缩机15可以保证对轴承17和轴承23的空气支撑。

燃烧器2可以包括布置在压缩机13上游的能量回收装置33和布置在透平7下游的热回收装置19。

该热回收装置19被构造成从来自透平7的烟气流中回收一部分热能。

例如，热回收装置可以包括热交换器和/或塞贝克效应能量转换器。

本发明还涉及一种产热系统，其包括燃烧室(优选地由水或蒸汽锅炉，和/或熔炉，和/或焚化炉，和/或烟气加力燃烧室限定)和上述类型的燃烧器，在该燃烧器中燃烧头2连接到燃烧室，使得产生的火焰延伸到所述燃烧室中。

根据另一方面，本发明涉及一种用于供应燃烧器的方法，该方法包括从燃料供应管线排放至少第1量的燃料并将至少第二量的燃料供应到燃烧头的步骤。

换句话说，该方法设想从适于供应燃烧器的燃料供应管线中排放一部分燃料。

该方法还包括燃烧第1量的燃料的步骤。

该步骤在燃烧室内进行。该方法还设想了以下步骤：将来自排放燃料的燃烧的部分能量转化为用于向燃烧头供应助燃剂。

优选地，该方法包括通过上述燃烧室中的烟气启动透平的步骤。

特别地，透平可以连接到风机，或者连接到与风机相连的二级透平，该风机适于促进流体(优选为空气)流动到燃烧器的燃烧头。

因此可以看出，本发明通过提供一种燃烧器来实现所提出的目标，该燃烧器能够在电力供应减少或为零的情况下运行并且可以产生电流以供应给运行设备以及将任何余量引入管线中。

本发明通过找到相对于现有技术的紧凑解决方案并提供达成由上述应用预定的多个目标的单一机器来达到设定的目的。

特别地，透平燃气单元为排出的烟气提供了必要的压头，从而能够保证燃烧头的运行。由于气体调节阀(其可以改变透平燃气单元的辅助燃烧室6中的燃烧器的燃料流量)，通过增加或减少透平燃气单元的转速，燃烧头2的助燃剂流也可以被调节。由于电动调节系统，还可以调节助燃空气的必要量或二次量。

有利地，对来自透平7或20的废气进行的后燃烧有助于减少NOx排放物的含量。

有利地，掠过热部件表面的助燃空气流改善了热平衡，从而提高了机器的性能。

有利地，能够调节流向透平燃气锅炉的气体的可能性连同操纵吸入燃料的调节装置的可能性，相对于传统的离心式通风机的使用增加了燃烧器2的调节比，而无需普通燃烧器中使用的逆变器。

有利地，该系统可以被构造成通过透平燃气单元下游的同流换热器产生热量。

有利地，能够为过程产生电流、回收热量和获得火焰的可能性将单元构造成三联产单元，同时达到优化过程的目的并且迎合提高效率和减少污染物的趋势，这些是现行立法所要求的。

有利地，本发明可以与包含氢气或氢化混合物例(如氢化甲烷)的燃料一起使用。

有利地，本发明可以配备电子调节系统，并且可以通过相关的流量测量传感器来检测燃料和助燃剂的流量，以实现自动化并使燃烧更高效。

Claims (22)

1.一种燃烧器(1)，其用于为产热系统生成火焰，所述燃烧器(1)包括：

-燃烧头(2)，其被设置为至少在所述燃烧器(1)运行时产生连续火焰，并且被构造成连接到所述产热系统的燃烧室；

-燃料供应管线(3)和助燃剂进入系统，两者可操作地连接到所述燃烧头(2)，分别用于向所述燃烧器(1)供应燃料流量和助燃剂流量；

其特征在于，所述燃烧器(1)包括：

-燃气轮机的燃烧室(6)，其与所述燃烧头(2)分离，并且被构造用于燃料的燃烧和烟气的流动的产生；和

-透平(7)，其由所述辅助燃烧室(6)产生的所述烟气启动，并且所述透平(7)可操作地运行，以至少部分地有助于所述助燃剂进入系统中的助燃剂的运动。

2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述透平(7)被构造为产生介于0和600毫巴之间的总出口压力，其中，质量流量小于70kg/s。

3.根据一个或更多个前述权利要求所述的燃烧器，其中，所述辅助燃烧室(6)连接到所述燃料供应管线(3)，特别是通过被布置为来自所述燃料供应管线的引出支路的排放管道(3b)连接到所述燃料供应管线(3)。

4.根据一个或更多个前述权利要求所述的燃烧器，其中，所述透平(7)将出口的废气射流引向所述燃烧头(2)，所述废气射流致使来自所述助燃剂进入系统的助燃剂供应管线(4)部分的助燃剂的吸入，特别是借助文丘里效应致使来自所述助燃剂进入系统的助燃剂供应管线(4)部分的助燃剂的吸入。

5.根据一个或更多个前述权利要求所述的燃烧器，其包括风机(9b)，所述风机(9b)被构造成有助于将助燃剂供应到所述助燃剂进入系统并且可由所述透平(7)旋转启动。

6.根据权利要求5所述的燃烧器，其特征在于，所述风机(9b)安装在驱动轴(16)上，所述透平(7)键接在所述驱动轴(16)上。

7.根据权利要求5或6所述的燃烧器，其特征在于，所述风机(9b)被构造成仅向所述燃烧头(2)供应助燃剂。

8.根据权利要求6或7所述的燃烧器，其中，所述风机(9b)通过机械连接部(50a)连接到所述驱动轴(16)，所述机械连接部(50a)能够被构造成在接合状态和未接合状态之间切换，在所述未接合状态中，所述风机(9b)与所述驱动轴(16)断开连接，在所述接合状态中，所述风机(9b)与所述驱动轴(16)相连接，以促进助燃剂流向所述燃烧头(2)。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的燃烧器，其中，根据助燃剂朝向所述燃烧头(2)的运动方向，所述风机(9b)布置在所述透平(7)的下游，以便向所述燃烧头(2)供应助燃剂。

10.根据任一前述权利要求所述的燃烧器，其包括二级透平(20)，所述二级透平(20)限定布置为接收由所述透平(7)产生的废气的第二膨胀级；优选地，根据助燃剂朝向所述燃烧头(2)的运动方向，所述二级透平(20)布置在所述透平(7)的下游，以便向所述燃烧头(2)供应助燃剂。

11.根据权利要求10所述的燃烧器，包括附加风机(21)，所述附加风机(21)通过所述附加风机(21)和所述二级透平(20)之间的机械连接部(22)旋转启动。

12.根据一个或更多个前述权利要求所述的燃烧器，还包括具有一个或更多个压缩级的压缩机(15)，所述压缩机(15)被构造成供应进入所述辅助燃烧室(6)的助燃剂流量；所述压缩机(15)和所述透平(7)键接到所述驱动轴(16)上，以限定与所述辅助燃烧室(6)相关联的透平燃气单元。

13.根据权利要求12所述的燃烧器，包括连接到所述驱动轴(16)的电启动装置，所述电启动装置用于至少在所述燃烧器(1)的起动步骤中启动所述透平燃气单元。

14.根据权利要求12所述的燃烧器，包括通过管道(120)连接到所述压缩机(15)的风机(9、9a)，所述风机(9、9a)用于至少在所述燃烧器(1)的起动步骤中启动所述透平燃气单元，并用于在预起动步骤中通风或在关闭步骤中冷却所述透平燃气单元。

15.根据权利要求14所述的燃烧器，其特征在于，所述透平燃气单元的预通风或后通风进气管道(120)的上游连接有交替打开或关闭的至少两个入口(100)，所述入口(100)优选地能够被调整以用于调节进入所述进气管道(120)的助燃剂的流量或将进入所述进气管线(120)的助燃剂的流量分开。

16.根据一个或更多个前述权利要求所述的燃烧器，其包括电气单元(10)，所述电气单元(10)配备有用于在初始起动步骤期间启动所述透平燃气单元的电动马达(13)；所述电气单元(10)优选地配备有电池(12)，用于为所述电动马达(13)供电。

17.根据权利要求16所述的燃烧器，其中，所述电气单元(10)还包括连接到所述驱动轴(16)的交流发电机(13)，用于在运行步骤期间储存所述透平(7)的至少一部分机械能。

18.根据一个或更多个前述权利要求所述的燃烧器，其包括能量回收装置(33)，所述能量回收装置(33)又包括热回收装置(19)，所述热回收装置(19)布置在所述透平(7、20)的下游，并且被构造成从来自所述透平(7、20)的所述烟气的流动中回收热能。

19.根据一个或更多个前述权利要求所述的燃烧器，其中，所述透平(7)安装在由气体或空气轴承(17)支撑的驱动轴(16)上，所述轴承(17)优选地连接到辅助气体或空气供应管线。

20.一种产热系统，包括：

-燃烧室，其优选为锅炉；和

-根据任一前述权利要求所述的燃烧器(1)，其中所述燃烧头(2)至少部分地插入所述燃烧室内，使得产生的火焰延伸到所述燃烧室中。

21.根据权利要求20所述的产热系统，其中所述燃烧室由水或蒸汽锅炉，和/或熔炉，和/或焚化炉，和/或烟气加力燃烧室限定。

22.一种用于为产热系统生成火焰的方法，包括：

-从用于向燃烧头供应燃料的燃料供应管线排放至少第一量的燃料，所述燃烧头被设置为产生所述火焰并能够连接至所述产热系统的燃烧室；

-在与所述燃烧头分开的燃烧室中燃烧所述第一量的燃料；和

-将来自所述排放的燃料的燃烧的部分能量转换成机械能，所述机械能用于向所述燃烧头供应助燃剂。

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