CN1225437A - 用于驱动热发生器的喷嘴 - Google Patents

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Abstract

一种用于运行燃烧室的喷嘴,该喷嘴主要由一个涡旋发生器(100)、一个后置于涡旋发生器的过渡件(200)和一混合管(20)构成,其中过渡件(200)和混合管(20)构成喷嘴的混合段并且设置在燃烧腔室(30)的上游侧。涡旋发生器(100)本身由至少两个空心的、锥形的、顺流动方向套合在一起的分体件(140、141、142、143)构成,其中这些分体件的中心轴相互错位伸展,其结构应使相邻的分体件壁在其纵向延伸方向上构成燃烧用空气流(115)的正切入口通道(120)。在燃烧用空气流(115)流入涡旋发生器(100)的流入范围内沿流入缘的两侧设置有燃料喷射器(116、116a)所述燃料喷射器相互错位设置,其结构应使通道(120)的流入截面的总体被燃料覆盖,以此实现最大程度的预混合。

Description

用于驱动热发生器的喷嘴
本发明涉及一种驱动热发生器的喷嘴，其中喷嘴主要由燃烧用空气流的涡旋发生器和用于将至少一种燃料喷入燃烧用空气流中的装置构成，其中在涡旋发生器的下游侧设置有一混合段，该混合段在第一段部分内顺着流动方向具有一定数量的过渡通道，所述过渡通道用于将涡旋发生器中形成的气流输送给一个后置于这些过渡通道下游侧的混合管。
在EP-780629 A2中记载了一种喷嘴，该喷嘴在流入侧由一个涡旋发生器构成，其中在涡旋发生器中形成的气流被密封地输送给混合段。此点是利用在混合段始端为此目的形成的由多个过渡通道构成的气流几何形状实现的，气流几何形状由过渡通道构成，该过渡通道成扇形地、与在涡旋发生器上起作用的分体件数量相符地覆盖混合段的端面并且顺流动方向旋转地伸展。混合段在过渡通道下游侧具有一定数量的气膜孔眼，该气膜孔眼保证了沿管壁的流速的提高。接着的是燃烧室，其中通过截面突变构成混合段与燃烧室间的过渡，在截面突变的平面上形成回流区或回流风。据此选定的涡旋发生器中的涡旋强度应使涡流的开裂不是在混合段内进行，而是如上所述，在下游侧远端的截面突变范围内进行。
虽然这种喷嘴与在先已有技术的喷嘴相比，在提高火焰稳定度、降低有害物质污染、减小波动、完全燃烧、加宽工作范围、各个喷嘴间的横向点火良好、结构紧凑、混合较好等方面有了很大的改善，但经证实，随着对喷嘴技术的要求越来越高，会产生有关燃料与燃烧用空气间是否能充分预混合的问题，因此并不总是可以实现在所希望程度上降低有害物质的污染。因此为了解决该问题，燃料喷口点与火焰前端间的距离必须很长，但这在驱动热发生器的喷嘴时由于空间位置的原因和出于工作考虑是不可能的。
本发明提出一种辅助措施。本发明的任务在于，为本说明书引言部分中所述的喷嘴提出一种辅助措施，所述辅助措施应能改善燃料/空气一混合物料的混合质量。
为实现此目的，燃料将在涡旋发生器中由两侧沿入口通道喷入，燃烧用空气也经此入口通道流入内腔室内。
本发明的主要优点在于，由于在入口通道两侧备有燃料喷口，因而可以实现燃料进入燃烧用空气流的较好的穿透深度，这将导致燃料与燃烧用空气间的较好的预混合。
另外，按照本发明设置在涡旋发生器内腔室过渡处的两列燃料喷射器的喷口平面从顶端开始至涡旋发生器出口方向逐步增大。从而增大了直至位于下游侧远端的燃料喷射器进入涡旋发生器的入口的距离段，这将会改善喷入燃料的预混合。
本发明的主题也特别适用于其它的喷嘴，在所述喷嘴中涡旋发生器同时构成喷嘴的预混合段。这种情况在EP-0321809B1中已有专门描述，该文献构成本说明书的组成部分。
按照本发明的进一步的设计，在轴向上设有相互错位且在两侧起作用的燃料喷射器。
按照本发明的进一步的设计，涡旋发生器由至少两个空心的、锥形的、顺流向相互套装在一起的分体件构成，这些分体件的中心轴相互错位伸展，其结构应使分体件的相邻壁在其纵向延伸方向上形成燃烧用空气流的正切入口通道，并且预混合段在由分体件构成的内腔室内起作用。
按照本发明的有益的进一步设计，在涡旋发生器的顶端设置有一个燃料喷嘴。
按照本发明的有益的进一步设计，分体件的截面具有斗铲形形状。
按照本发明的有益的进一步设计，分体件顺流向具有一个固定的锥角，或一逐渐增大的锥度，或一逐渐减少的锥度。
按照本发明的有益的进一步设计，分体件成螺旋状相互套装在一起。
按照本发明的进一步设计，在混合段上的过渡通道的数量与由涡旋发生器产生的分流的数量相符。
按照本发明的进一步设计，后置于过渡通道的混合管在流向上和切线方向上备有用于将空气流喷入混合管内的开孔。
按照本发明的有益的进一步设计，开孔的伸展与混合管的喷嘴轴夹有一个锐角。
按照本发明的进一步设计，混合管的流动截面在过渡通道下游侧小于、等于或大于在涡旋发生器内形成的气流的截面。
按照本发明的进一步设计，在混合段的下游侧设置一燃烧腔室，在混合段与燃烧腔室间有一截面突变，该截面突变导致燃烧腔室的初始气流截面的形成，并且回流区在截面突变范围内起作用。
按照本发明的有益的进一步设计，在回流区的上游侧有一个扩散器和/或一文丘里段。
按照本发明的进一步设计，混合管在燃烧室侧具有一个点火缘。
下面将对照附图对本发明的实施例做进一步的说明。在图中略去了所有对于直接理解本发明不必要的特征。在不同的图中对相同的部件用相同的附图标记加以标示。
图中示出：
图1位于涡旋发生器下游侧、带有一个混合段的作为预混合喷嘴的喷嘴；
图2四壳体涡旋发生器的截面示意图；
图3四壳体涡旋发生器的三维视图；
图4涡旋发生器与混合段间的过渡几何形状的设计；
图5用于空间稳定回流区的点火缘。
图1示出喷嘴的总体结构图。在喷嘴的顶端是一个涡旋发生器100，在下面的图2和3中将对涡旋发生器的设计做进一步的展示和表述。在此涉及的是一个锥形体，由一流入的燃烧用空气流115顺切线方向正切反复地对该锥形体送风，其中在该燃烧用空气115的流入段内设置有气体和/或液体燃料的各种喷口116、116a：对此请参见图2和3中的表述。另一个燃料喷口可以通过设置在顶端中心的燃料喷嘴103加以实现。而且在这里可以用液体和/或气体燃料保持工作运行。在此形成的涡流借助设置在旋涡发生器100下游侧的过渡几何形状被无间隙地输送至过渡件200，其设计应使在该区内不致形成分离区。在图4中对该过渡几何形状的配置做了进一步的说明。在过渡件200的下游侧，由此形成的过渡几何形状被混合管20延长，其中由两部分构成喷嘴的固有混合段220。当然混合段220可以由单一构件构成，即过渡件200和混合管20被熔接成一个结合成一体的单一构件，其中每一部件的特性保持不变。如果过渡件200和混合管20由两部分制成，则这两部分由一个套环10连接在一起，其中同一套环10的端侧起着涡旋发生器100的固定面的作用。除此之外，这种套环10的优点在于，可以采用各种混合管，而不必对喷嘴的基本配置做改动。燃烧室的固有燃烧腔30位于混合管20的下游侧，在图中仅用一个火管表示所述燃烧室。混合段220另外完成的任务是，在涡旋发生器100的下游侧准备出一个确定的距离段，在该段可实现对各种燃料的均匀预混合，该混合段，即混合管20的前端另外可以实现无损耗的流体导向，从而使得在与过渡几何形状有效连接时不会首先形成回流区或回流风，以致在混合段220的全长上可对所有种类的燃料的混合质量施加影响。但该混合段220还具有另外一个特性，该特性在于，在混合段自身的内部轴向速度图形具有在轴线上突出的最大值，从而使来自燃烧室的回火是不可能的。当然有一点是正确的，即在此种配置下该轴向速度向壁方向降低。为了抑制在此范围内的回火，在混合管20的流向和切线方向上备有多个不同截面和方向的规则或不规则分布的孔21，空气流经过这些孔流入混合管20的内部，并且沿壁以气膜形式促使流动速度的提高。应将这些孔21设计成至少还可以在混合管20的内壁上附带调整隙透冷却。另外一种提高混合管20内混合物度的方案在于，其流动截面在构成过渡几何形状的过渡通道201的下游侧具有一个缩口，通过此缩口提高混合管20内的总体速度水平。在附图中这些孔21与喷嘴轴线60所夹的角为锐角。另外过渡通道201的出口与混合管20的最窄流动截面相符。因此所述过渡通道201起着桥接某种截面差的作用，而不致对形成的气流造成负面影响。如果采取的预防措施在对沿混合管20的管流40导向时引起不容许的压力损耗，则可以对此采取辅助措施，即在该混合管的端部设置一个图中未示出的扩散器。即在混合管20的端部接有一个燃烧室(燃烧腔30)，其中在两个流动截面间有一个由喷嘴前端形成的截面突变。在这里才形成带有回流区50的中央火焰前端，所述回流区对火焰前端起着无形的火焰保持器的作用。当运行时在此截面突变中形成流体边缘区，在此边缘区由于存在负压产生涡流分离，所以增强了回流区50的环状稳定性。如果燃烧腔30的正面侧未被其它的设施，例如辅助喷嘴占用，则在该正面侧上设置一定数量的孔31，空气流通过这些孔直接流入截面突变中，并且在此的另一种作用在于，加强回流区50的环状稳定。另外还必须提及的是，要产生稳定的回流区50则要求管内的旋转速度必须足够高。如果在开始时并不需要这样高的旋转速度，则可以通过在管端，例如经正切开孔加入小的高度旋转的空气流形成稳定的回流区。其中在此的出发点是，为此所需的空气量约点总空气量的5-20％。有关在混合管20端部用于稳定回流区或回流风50的喷嘴前端70的设计，请参见有关图5的说明。
图2示出一个由4个分体件140、141、142、143构成的涡旋发生器100，其中这些分体件具有斗铲形状，用此可使气流穿过各入口通道120形成流入内室114的燃烧用空气流115。如图2中所示，通过分体件各中心轴141a、142a、143a、144a的错位设置形成入口通道120的流动截面。涡旋发生器内的燃料116、116a由两侧沿入口通道120喷入。有关进一步的喷入方式，请参见图3中的实施方式。
图3示出了4缝隙-涡旋发生器100的透视图。在这里利用燃料管路实现燃料116、116a的送入，以便与燃烧用空气流115混合，燃料管路与分体件140-143构成一体，这一点与按照EP-0780629A2的燃料的准备不同。在这里由两侧沿入口通道120送入燃烧的方式是靠使轴向相互错位设置的各个喷口实现的。从而实现了位于对面的错位喷口的一侧和另一侧的两个喷口间的中间空间被充满。这是很重要的，因为由此可使喷入的燃料被燃烧用空气流115携带，形成气雾。相对的、相互错位形成的燃料风可以使入口通路120的整个截面被充满，加入的燃料的穿透深度较大，这将对燃料燃烧用空气之混合物料的形成产生积极的影响。另外一个对混合物料最佳的设计方案涉及涡旋发生器100轴向上的燃料116、116a喷口平面H的设计。该平面由涡旋发生器100的顶端开始向涡旋发生器出口方向增大。因此将增大远离涡旋发生器顶端且位于下游侧的燃料喷口的相对预混合段，这将导致对预混合过程的强化。从图中可以看出在轴向上喷口平面的几何形状144、145的所述变化。当然另外也可以按照EP-0780629A2对涡旋发生器进行设计，其中该文献构成本说明书的一个组成部分。涡旋发生器也可以具有其它数量的入口通道120。
图4为过渡件200的立体视图。其与图2和图3相对应，在带有4个分体件的涡旋发生器100上设计有过渡几何形状。与此相符，作为在上游侧起作用的分体件自然延伸的过渡几何形状具有4条过渡通道201，从而延长了所述分体件的锥形四分之一面，一直到该面构成对混合管壁的切割。在按照不同于图3中所述的原理设计涡旋发生器时，相同的考虑也同样适用。顺流动方向向下伸展的各个过渡通道201的面具有一个顺流动方向螺旋伸展的形状，实际上该形状为镰刀状，从而在此顺流动方向成锥形地扩展了过渡件200的流动截面。选定的顺流动方向的过渡通道201的螺旋角应使管流在接着到达燃烧室入口上的突变截面前仍保留一足够大的段，以便实现与喷入燃料的均匀预混合。另外由于采取了上述措施也提高了在位于涡旋发生器下游侧的混合管壁上的轴向速度。过渡几何形状和在混合管范围内的措施促使向混合管中心点方向的轴向速度图形得到明显提高，从而可以大大地抵消掉提前点火的危险。
图5示出已谈及的点火缘，该点火缘在喷嘴出口上形成。管20的流动截面在此范围内有一个过渡半径R，该半径的大小原则上取决于管20内的气流。选定的半径R应使气流贴靠在壁上并使旋转速度大幅度地得到提高。半径R大小的定量确定应使该半径＞管20内径d的10％。与无半径的气流相比，这时回流风50得到大幅度的增大。该半径R一直伸展到管20的出口平面，其中弧的开始和结束间的角β＜90°。点火缘A沿角β的一个边一直伸展到管20的内部并从而形成对应于点火缘A前面的点的点火阶S，该点火阶的深度＞3mm。当然可以将在此平行于管20的出口平面伸展的缘借助一个弧形形状置于出口平面的阶上。点火缘A的切线与管20出口平面的垂线间的角度β′等于角β。这样设计此点火缘的优点请参见EP-0780629A2中“对发明的表述”的段落。旨在同一目的的点火缘的另一设计可以用燃烧室侧的、类似环形的切口加以实现。涉及点火缘的所述文献及其保护范围是本说明书的一个组成部分。
    附图标记对照表
10        套环
20        混合管，混合段220的一部分
21        孔眼，孔
30        燃烧室，燃烧腔体
31        孔
40        气流，混合管内的管流，主气流
50        回流区，回流风
60        喷嘴轴
100       涡旋发生器
103       燃料喷嘴
114       锥形空腔
115       燃烧用空气(燃烧用空气流)
116,116a  来自管路108、109的燃料一喷口，气体喷射器
140、141、142、143、斗铲形分体件
140a、141a、142a、143a纵对称轴
H、144、145           喷口平面
200                   过渡件，混合段220的一部分
201                   过渡通道
220                   混合管，混合段
d                     混合管的内径
A                     点火缘
T                     点火缘的切线
S                     点火阶
β                    R的过渡角
β’                  T和A间夹角

Claims (15)

1、用于驱动热发生器的喷嘴，其中喷嘴主要由一燃烧用空气流的涡旋发生器和用于将至少一种燃料喷入燃烧用空气流的部件构成，其中在涡旋发生器的下游侧设置有一混合段，该混合段在第一段部分内顺流向具有一定数量过渡通道，所述过渡通道用于将在涡旋发生器内形成的气流输送给后置于该过渡通道下游侧的混合管，其特征在于：涡旋发生器(100)在每个产生涡旋的入口通道(120)的两侧配备有燃料喷射器(116、116a)。
2、按照权利要求1的喷嘴，其特征在于：在轴向上设有相互错位且在两侧起作用的燃料喷射器(116、116a)。
3、按照权利要求1的喷嘴，其特征在于：两列燃料喷射器(116、116a)构成喷口平面(H)，并且该喷口平面(H)由顶端向涡旋发生器(100)的出口方向加宽。
4、按照权利要求1的喷嘴，其特征在于：涡旋发生器(100)由至少两个空心的、锥形的、顺流向相互套装在一起的分体件(140、141、142、143)构成，这些分体件的中心轴(140a、141a、142a、143a)相互错位伸展，其结构应使分体件的相邻壁在其纵向延伸方向上形成燃烧用空气流(115)(115)的正切入口通道(120)，并且预混合段在由分体件构成的内腔室(114)内起作用。
5、按照权利要求4的喷嘴，其特征在于：在涡旋发生器(100)的顶端设置有一个燃料喷嘴(103)。
6、按照权利要求4的喷嘴，其特特在于：分体件(140、141、142、143)的截面具有斗铲形形状。
7、按照权利要求4的喷嘴，其特征在于：分体件在流动方向上具有一个固定的锥角，或一逐渐增大的锥度，或一逐渐减少的锥度。
8、按照权利要求4的喷嘴，其特征在于：分体件成螺旋状相互套装在一起。
9、按照权利要求1的喷嘴，其特征在于：在混合段(220)上的过渡通道(201)的数量与由涡旋发生器(100)产生的分流的数量相符。
10、按照权利要求1的喷嘴，其特征在于：后置于过渡通道(201)上的混合管(20)在流动方向上和切线方向上备有用于将空气流喷入混合管(20)内的开孔(21)。
11、按照权利要求10的喷嘴，其特征在于：开孔(21)的伸展与混合管(20)的喷嘴轴(60)夹有一个锐角。
12、按照权利要求1的喷嘴，其特征在于：混合管(20)的流量截面在过渡通道(201)下游侧小于、等于或大于在涡旋发生器(100、100a)内形成的气流(40)的截面。
13、按照权利要求1的喷嘴，其特征在于：在混合段(220)的下游侧设置一燃烧腔室(30)，在混合段(220)与燃烧腔室(30)间有一截面突变，该截面突变导致燃烧腔室(30)的初始气流截面的形成，并且回流区(50)在截面突变范围内起作用。
14、按照权利要求13的喷嘴，其特征在于：在回流区(50)的上游侧有一个扩散器和/或一文丘里段。
15、按照权利要求1的喷嘴，其特征在于：混合管(20)在燃烧腔室侧(30)具有一个点火缘。
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