CN1162089A - 热发生器的燃烧器 - Google Patents

Abstract

主要由燃烧空气流(115)的一个旋流发生器(100)和将燃料喷入燃烧空气流(115)中的装置组成的一种燃烧器，在所述的旋流发生器(100)的下流配置一个混合段(220)，该混合段(220)的第一分段(200)具有一些沿气流方向延伸的过渡通道(201)，这些通道保证旋流发生器(100)中形成的气流(40)平稳地流入后面的管(20)中。此管(20)朝燃烧室(30)的出口平面构成一个气流分离边缘，它对一个在下流形成的回流区(50)起稳定和扩大的作用。

Description

热发生器的燃烧器

本发明涉及一种热发生器的燃烧器。

欧洲专利EP-B1-O 321 809提出了一种由多个壳体组成的圆锥形燃烧器即所谓双锥燃烧器用来在圆锥头部产生一个封闭的旋流，这种旋流由于沿圆锥尖不断增加的旋涡而变得不稳定，并在核心区变成一种带回流的环形涡流。例如气体燃料沿着通过相邻单个壳体构成的通道也叫空气入口槽喷入，并与空气均匀混合，在通过回流区或回流旋涡在滞止点处点火燃烧之前，回流区起着火焰稳定器的作用。液体燃料则最好通过燃烧器头部的一个中央喷嘴喷入，并在圆锥空腔中汽化。在燃气轮机条件下，这种液体燃料的点火已经在喷油嘴附近提前进行。由于缺乏预混合而使氧化氮值明显增加，因而不可避免地例如需要用水喷入。此外，用天然气之类的含氢气体的燃烧试验表明，随着燃烧器的过热而在气孔上出现提前点火问题。为此，人们找出了一种补救办法，即在燃烧器出口处采用一种特殊喷射方法来喷射这种气体燃料，但其结果并不完全令人满意。

本发明提出一种补救方法。本发明的目的是对开头所述的燃烧器采取种种措施来实现各种燃料的均匀预混合和安全运行的、最佳的火焰定位。

提出的燃烧器在混合段头部和上流具有一个旋流发生器，该发生器最好可按EPA1-0321809利用所谓双锥燃烧器的空气动力学的基本原理进行设计。但原则上也可用一个轴向或径向的旋流发生器。混合段本身最好由一种管形的混合件组成，下面称为混合管，这种混合管可对各类燃料进行均匀的预混合。

从旋流发生器流出的气体平稳流入混合管中：这是通过由过渡通道构成的过渡几何形状来实现的，这种过渡通道在这个混合管的起始段开有槽口，并把气流导入混合管的有效通流横截面。这种介于旋流发生器和混合管之间的损耗小的气流的流入阻止了旋流发生器出口端回流区的直接形成。

首先通过旋流发生器的几何形状这样选择旋流发生器中的旋流强度，即：涡流的分离不是在混合管内而是在燃烧器入口离下流较远的部位，其中混合管的长度设计成对所有各类燃料都能达到足够的混合质量。如果例如所用的旋流发生器按双锥燃烧器的特点设计，则可从相应的圆锥角、空气入口槽及其数目算出旋流强度。

在混合管中，轴向速度分布在轴上具有一个明显的最大值，从而防止在这个范围内的逆燃。轴向速度朝管壁方向逐渐减小。为了在这个范围内也阻止逆燃而采取了下列的措施：例如可通过使用直径足够小的混合管来提高总的速度水平。另一个可能是，只在混合管的外部范围提高这种速度，即在过渡通道下流通过一个环形缝隙或通过一些预加气膜的孔使少量燃烧空气流入混合管来达到这个目的。

至于从旋流发生器将气流导入混合管的上述过渡通道可根据混合管的有效连接通流横截面将这种过渡通道的走向做成螺旋形逐渐变窄或变宽的结构。

可能产生的压力损失的一部分可通过混合管端部装一个扩压器获得补偿。在这个范围内或上流亦可配置文杜里管段。

具有一个横截面突变的燃烧室与混合管端连接。在这里形成一个中央回流区，其性质具有火焰稳定器的作用。

稳定回流区的产生需要要混合管中有一个足够高的旋流系数。但如在开始时不希望有一个足够高的旋流系数，则可通过在管端输入只占总空气量5～20％的旋流强度大的少量空气来产生稳定的回流区。

结合上述的横截面突变可将混合管端构成一个气流分离边缘而不使回流区具有高的空间稳定性。一般来说，通过上述措施可获得如下的优点：

a)稳定的火焰定位；

b)较低的有害物排放(一氧化碳、超高碳、氧化氮)；

c)波动减小到最低限度；

d)完全燃烧；

e)复盖大的运行范围；

f)在不同燃烧器之间的良好的横向点火，特别是在分级负荷情况下燃烧器可相互独立运行；

g)火焰可适应燃烧室的几何尺寸；

h)结构紧凑；

i)改善流动工质的混合；

j)改善燃烧室温度分布的“图谱系数”(＝燃烧室气流的平衡温度分布)。

下面结合附图来详细说明本发明的各个实施例。凡是对直接理解本发明无关紧要的特点都予以删去。在不同的附图中，凡是相同的件都用相同的参考号。工质的流动方向用箭头标出。

附图表示：

图1表示与燃烧室连接的燃烧器；

图2表示适当剖开的旋流发生器的透视图；

图3表示图2双壳体旋流发生器的一个截面图；

图4表示四壳体旋流发生器的截面图；

图5表示壳体呈叶片形的旋流发生器的一个截面图；

图6表示旋流发生器和混合管之间的过渡几何形状；

图7表示回流区空间稳定用的气流分离边缘。

图1表示燃烧器的总体结构。开始时只有一个旋流发生器100工作，其结构在下面的图2至5中还要详细表示和叙述。这种旋流发生器100为一种圆锥形结构，切向流入的燃烧空气流115反复作用到该结构上。这样形成的气流借助于在旋流发生器100上流的过渡几何形状平稳地流入过渡段200中，使该处不可能产生分离区域。这种过渡几何形状结构将在下面图6中详细介绍。在过渡几何结构下流一侧，这个过渡段200通过一根管子20延长，这两部分组成燃烧器的实际混合管220(也叫混合段)。当然，混合管220亦可用唯一的一段管子构成，即过渡段200和管子20熔成一个整体结构，而且每一部分仍保留其特点。如果过渡段200和管子20由两部分制成，则通过一个套筒10把它们连接起来，同时这个套筒10在头部一侧可作为旋流发生器100的锚定面使用。此外，这样的套筒10具有可用不同混合管的优点。管子20的下流侧是燃烧室30，在这里只用火焰管简化表示该燃烧室。混合管220满足这样的条件，即：在旋流发生器100下流提供一定的混合段，在这个混合段中各类燃料都可达到均匀的预混合。此外，这个混合段即混合管220可实现无损失的导流，所以，结合过渡几何形状而不会在开始时形成回流区，从而可通过混合管220的长度控制各类燃料的混合质量。但这个混合管220还有另一个特点，即：在混合管220中，轴向速度分布在轴上具有明显的最大值，所以从燃烧室不可能产生火焰的逆燃。当然，在这种结构中，这种轴向速度确实是朝管壁逐渐减小的。为了在这个范围内也防止逆燃，混合管220在气流方向和圆周方向设置一些横截面和方向都极不相同的规则或不规则分布的孔21，一定的空气量通过这些孔流入混合管220内部，并沿管壁形成气膜而促使速度提高。另一种达到同样作用的可能性是，缩小形成前面所述过渡几何形状通道201流出侧的混合管220的通流横截面，从而提高混合管220内的整个速度水平。在图中，这些孔21分别沿一个锐角伸向燃烧器轴线60。此外，过渡通道201的出口相当于混合管220的最窄通流横截面。上述过渡通道201搭接相应的横截面差，而对构成的气流不产生负面影响。如果所选的措施在对管内气流40进行导流时沿混合管220产生不容许的压力损失，则可在混合管端设置一个在图中没有示出的扩压器加以补偿。燃烧室30与混合管220端部连接，并在两个通流横截面之间存在一个横截面突变。只有在这里形成一个中央回流区50时，该区才具有火焰稳定器的特性。如果在运行过程中在这个横截面突变区内形成一个气流边缘区，则在该边缘区由于存在负压而引起旋涡分离，从而有助于加强回流区50的环形稳定性。燃烧室30端面上有许多孔31，一定的空气量可通过它们直接进入横截面突变区，并有助于在该处加强回流区50的环形稳定性。顺便指出，产生稳定的回流区50也要求管中具有足够高的旋流系数。如果在开始时不需要这样高的旋流系数，则可在管端例如通过切向的孔引入旋涡强的少量空气流来产生稳定的回流区。为此所需的空气量约为总空气量的5％至20％。至于混合管220端部的气流分离边缘的结构将结合图7说明。

为了更好理解旋流发生器100的结构，最好同时结合图2和图3进行说明。此外，为了图2清晰起见，只将图3所示的导向板121a，121b示意画入图2中。下面在说明图2时将视需要参照上述的图。

图1燃烧器的第一部分构成图2所示的旋流发生器100，它由两个嵌套的空心圆锥形分段101、102组成。圆锥分段的数目当然可以大于2，如图4和图5所示；数目的多少取决于整个燃烧器的运行方式，这在下面还要详细说明。在一定运行情况下，不排除采用由一个唯一的螺旋线组成的旋流发生器。圆锥形分段101、102的相应中心轴或纵向对称轴101b、102b相互错开，使该两分段相邻的壁构成镜像对称的切向通道即空气入口槽119、120(图3)，燃烧空气115通过该空气入口槽流入旋流发生器100的内腔中即流入圆锥空腔114中。圆锥形分段101、102的圆锥形状在气流方向具有一个固定的角度。当然，根据使用情况，分段101、102在气流方向可具有一个象喇叭或郁金花那样增加或减少的锥度。上述后两种形状没有在图中画出，因为专业人员不难想象得出。这两个圆锥形分段101、102分别具有一个圆柱形起始段101a、102a，它们与圆锥分段101、102相似，也是相互错开的，所以在旋流发生器100的整个长度都存在切向的空气入口槽119、120。在圆柱形起始段的范围内设置一个最好是液体燃料112的喷嘴103，它的喷口104大致与通过圆锥形分段101、102构成的圆锥空腔114最窄的横截面重合。这个喷嘴103的喷入容量和方式取决于相应燃烧器的预定参数。当然，旋流发生器100可以是纯粹的圆锥形即没有圆柱形的起始段101a、102a。此外，圆锥形分段101、102分别具有一根燃料管108、109，它们沿切向的空气入口槽119、120敷设，并配有喷入孔117，通过该喷入孔最好将一种气体燃料113喷入通过该处的燃烧空气115中，如箭头116所示。这两根燃料管108、109最好最迟在切向流入端、在进入圆锥形空腔114之前定位，以便获得一个最佳的空气和燃料混合。已如上述，通过喷嘴103的燃料112在一般情况下为液体燃料，而且可与另一种工质形成混合物，这种燃料112沿锐角喷入圆锥形空腔114中，然后从喷嘴103构成一个被切向流入的旋转燃烧空气115包围的锥形燃料射流105。在轴向方向内，喷入的燃料112的浓度继续通过流入的空气115朝蒸发混合方向减小。如果气体燃料113通过喷孔117喷入，则在空气入口槽119、120的端部直接形成燃料-空气混合物。如果燃烧空气115附加预热，或例如富有回流的烟气或废气，则在这种混合物进入下一级之前，可持久地支持液体燃料112的蒸发。如果液体燃料通过管道108、109输入，则相同的考虑仍然适用。在设计圆锥分段101、102时，切向空气入口槽119、120的圆锥角度和宽度保持在窄的极限，以使旋流发生器100的出口保持燃烧空气115的要求的流场。一般地说，切向空气入口槽119、120的变小有利于在旋流发生器的范围内迅速形成回流区。在旋流发生器100内的轴向速度可通过在图中没有示出的轴向燃烧空气流的适当流入来改变。产生适当的旋流可阻止旋流发生器100后面的混合管内形成气流分离。此外，旋流发生器100的结构特别适合改变切向空气入口槽119、120的尺寸，从而在不改变旋流发生器100总长度的情况下达到相当大的工作范围。当然，分段101、102也可在另一个平面内相互移动，从而甚至可形成搭接。此外，分段101、102也可通过反向旋转运动螺旋式的套入。这样就能任意改变切向空气入口槽119、120的形状、尺寸和结构，从而可使旋流发生器100变成通用型，而又不改变它的总长度。

从图3可清楚看出导向板121a、121b的几何结构。该导向板具有气流导入作用，而且根据其长度在相对于燃烧空气115的气流方向内延长圆锥形分段101、102的相应端。燃烧空气115流入圆锥空腔的通道可通过导向板121a、121b绕一个位于该通道进入圆锥空腔114入口范围内的转点123打开或并闭来实现最佳调节。特别是，当切向空气入口槽119、120原来的缝隙尺寸动态变化时，尤其需要这种调节。当然，这种动态措施也可用静态方法来实现，即根据需要使导向板与圆锥形分段101、102构成一定的固定部分。旋流发生器100同样也可不用导向板运行而可采取别的辅助方法。

与图3比较，图4表示旋流发生器100由四个圆锥形分段130、131、132、133组成。与每个分段对应的纵向对称轴线用字母a标示。这种结构由于产生很小的旋流强度和结合相应增大的槽宽而特别适用于阻止混合管中旋流发生器下流一侧的涡流分离，因而混合管可最好地完成它的使命。

图5与图4的区别仅在于，用来产生一定气流的分段140、141、142、143呈叶片状。而旋流发生器的运行方式则是相同的。燃料116与燃烧空气流115的混合在叶片轮廓的内部进行，即燃料管108在此处集成在各叶片中。各分段的纵向对称轴线在这里也用字母a标示。

图6表示过渡段200的三维视图，过渡几何形状相当于图4或图5由四个分段组成的旋流发生器100。相应地，作为在上流有效分段自然延长的过渡几何形状具有四个过渡通道201，从而将上述分段的四分之一圆锥面延长到直至它与管20或混合管220的壁相切为止。这一相同的考虑也适用于不同于图2所述原理组成的旋流发生器。各个过渡通道201在气流方向朝下延伸的面具有一个在气流方向呈螺旋形延伸的形状，并根据气流方向内过渡段200的现有通流横截面扩大锥形这一事实来描述一个镰刀形的走向。在气流方向内的过渡通道201的旋流角度选择成，使管内气流直到燃烧室入口处横截面突变还留有足够大的一段来实现与喷入的燃料进行均匀的混合。此外，通过上述措施还提高了在旋流发生器下流混合管壁上的轴向速度。过渡几何形状和混合管范围内的措施使朝向混合管中点的轴向速度明显提高，所以对防止提前点火的危险起着决定性的作用。

图7表示在燃烧器出口处形成的在上面业已述及的气流分离边缘。管20的通流横截面在这个范围内有一个过渡半径R，其尺寸原则上取决于管20内的气流。这个半径R选择成能使气流贴壁流动和明显增大旋流系数。半径R的尺寸可选定成大于管20的内直径d的10％。与没有半径R的气流比较，此时的回流区50大大增加。这个半径R一直延伸到管20的出口平面，而且弯曲开始和终止之间的角度β小于90°。气流分离边缘A沿角度β的一边伸入管20内部，并相对于气流分离边缘A的前沿点构成一个分离台阶S，其深度大于3毫米。当然，与管20的出口平面平行延伸的边缘在这里也可用曲线的延伸重新回到出口平面台阶上。在气流分离边缘A的切线和管20出口平面的垂直线之间扩展的角度β′与角度β相等。这种结构的优点已在上面“发明概要”一节中详细说过。

                      参考符号

10  套管

20  管

21  孔

30  燃烧室

31  孔

40  气流、混合管内的气流

50  回流区

60  燃烧器轴线

100 旋流发生器

101、102  圆锥形分段

101a、102a  圆柱形起始段

101b、102b  纵向对称轴线

103  燃料喷嘴

104  燃料喷口

105 燃料射流(燃料喷入轮廓)

108、109燃料管道

112  液体燃料

113  气体燃料

114  圆锥空腔

115  燃烧空气(燃烧空气流)

116  从管道108、109的燃料喷入

117  燃料喷嘴

119、120   切向的空气入口槽

121a、121b   导向板

123  导向板的转点

130、131、132、133 分段

130a、131a、132a、133a  纵向对称轴线

140、141、142、143  叶片形的分段

140a、141a、142a、143a  纵向对称轴线

200  过渡段

201  过渡通道

220  混合管

d    管20的内直径

R    过渡半径

T    气流分离边缘的切线

A    气流分离边缘

S    气流分离台阶

β   R的过渡角

β′ T和A之间的角度

Claims (14)

1.热发生器的燃烧器，主要由燃烧空气流的一个旋流发生器和将燃料喷入燃烧气流中的装置组成，其特征是，在旋流发生器(100)的下流配置一个混合段(220)，该混合段(220)在气流方向具有伸入第一分段(200)内的过渡通道(201)，该过渡通道用来把在旋流发生器(100)中形成的气流(40)导入设在该过渡通道下流的管(20)中，而且该管(20)到燃烧室(30)的出口平面具有一个气流分流边缘A，用来稳定和扩大在下流形成的回流区(50)。

2.按权利要求1的燃烧器，其特征是，在混合段(220)内的过渡通道(201)的数目与由旋流发生器(100)形成的部分气流数目一致。

3.按权利要求1的燃烧器，其特征是，设置在过渡通道(201)下流的管(20)在气流方向和圆周方向配置一定数量的孔(21)，以便空气流喷入该管(20)的内部。

4.按权利要求3的燃烧器，其特征是，孔(21)沿一个锐角朝管(20)的燃烧器轴线(60)延伸。

5.按权利要求1的燃烧器，其特征是，气流分离边缘(A)由管(20)出口平面范围内的一个过渡半径(R)和从管(20)出口平面缩进的气流分离台阶(S)组成。

6.按权利要求5的燃烧器，其特征是，过渡半径(R)大于管(20)的内直径的10％，而且气流分离台阶(S)的深度大于3毫米。

7.按权利要求1的燃烧器，其特征是，管(20)的通流横截面在过渡通道(201)下流小于、等于或大于在旋流发生器(100)中形成的气流(40)的横截面。

8.按权利要求1的燃烧器，其特征是，在混合段(220)的下流配置一个燃烧室(30)，而且在混合段(220)和燃烧室(30)之间有一个横截面突变，这个横截面突变诱导燃烧室(30)的起始气流横截面，并在这个横截面突变范围内产生一个回流区(50)。

9.按权利要求1的燃烧器，其特征是，在气流分离边缘(A)的上流有一个扩压器和/或文杜里管段。

10.按权利要求1的燃烧器，其特征是，旋流发生器(100)由至少两个在气流方向相互嵌套的空心圆锥形分段(101、102；130、131、132、133；140、141、142、143)组成，而且这些分段的相应纵向对称轴线(101b、102b；130a、131a、132a、133a；140a、141a、142a、143a)相互错开延伸，使这些分段的相邻的壁纵向延伸构成燃烧空气流(115)的切向通道(119、120)，并在由分段构成的圆锥形空腔(114)中配置至少一个燃料喷嘴(103)。

11.按权利要求10的燃烧器，其特征是，在切向通道(119、120)的纵向延伸范围内配置有另外的燃料喷嘴(117)。

12.按权利要求10的燃烧器，其特征是，分段(140、141、142、143)的横截面为叶片形。

13.按权利要求10的燃烧器，其特征是，分段在气流方向具有一个固定的锥角或一个不断增加的锥角或一个不断减小的锥角。

14.按权利要求10的燃烧器，其特征是，分段呈螺旋形相互嵌套。

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