CN1320307C - 用于将燃料－空气混合物喷入燃烧室的方法 - Google Patents

用于将燃料－空气混合物喷入燃烧室的方法 Download PDF

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Abstract

在一种燃料喷枪上-借助该燃料喷枪多种燃料(6，11)通过至少两个彼此分开的通道(5，10)可在基本上设在喷枪尖端(1)上的喷射位置上选择地或同时地喷入到一个燃烧室中-为了达到无回火的可靠的工作方式及避免焦化，该燃料喷枪除燃料外还将冲洗空气(9)导送到喷射位置上；及在喷射位置上冲洗空气(9)被这样地导送到两种燃料体系(6，11)之间，以使得这些燃料体系彼此被冲洗空气(9)隔开。

Description

用于将燃料-空气混合物喷入燃烧室的方法
技术领域
本发明涉及一种用于将燃料-空气混合物喷入燃烧室的方法，这种方法已由文献US-A-6,038,863公开。
背景技术
视预混合品质而定，预混合燃烧器允许燃气轮机的NOx排放的显著减少。但问题是预混合燃烧器相对窄的工作区域。甚至具有涡流分裂的旋转稳定性问题，例如在由US 4,932,861公开的双锥形燃烧器中，或在如EP 0704657中所描述的、具有后置的混合区段的双锥形燃烧器中，需要一个用于部分负载工作的附加火焰。该部分负载火焰或领示引导火焰通常是扩散形式的及应具有与(预混合-)主火焰尽可能理想的紧密接触。此外，需要在预混合工作期间通过空气动力学措施避免先导燃料体系中燃料空气混合物的再循环，因为它可燃起及由此可导致燃料导管的过热。
DE-A1-4424597公开了一种燃烧装置。该燃烧装置尤其适用于燃气轮机及包括具有多个并联工作的燃烧器的燃烧室。对于这些燃烧器借助可更换的、可从外部插入的燃料喷枪通过相应的液体燃料输入通道或燃气输入通道输入液体燃料或气态燃料。为了燃料分配的简单调整，在燃烧器各个燃料喷枪的液体燃料输入通道或燃气输入通道中设置可改变的节流点。
DE-A1-195 45 310公开了一种预混合燃烧器。用于混合燃料与燃烧用空气的该预混合燃烧器基本由至少两个具有所属部分圆锥轴及燃烧用空气进入通道的部分锥壳组成。预混合燃烧器基本由一个直空心圆锥构成，它以一个外锥壳及一个内锥壳为边界及在其中设有至少两个与内锥壳相切及沿锥壳的直锥壳线的进入通道。这样构成的部分锥壳的这些部分锥轴线位于一个共同的锥轴线上。
US-A-5,782,626公开了一种喷雾嘴。在用于由液体燃料及气态燃料运行的燃烧器的工作的这种气吹式喷雾嘴中，内与外空气通道之间的中间板通过内及外支撑件保持，这些支撑件具有滑动配合及可构成涡旋叶片。该气吹式喷雾嘴的喷雾边向着喷嘴轴线的方向弯曲。该喷嘴的特点是尺寸小，压力损失低及焦化趋势小。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种用于将两种彼此分开的、由通常设在燃烧器基部的喷枪基部输入的燃料导入涡流分裂上游的在燃烧室轴上的喷射位置上的方法。因此涉及提供这样一种方法，即借助它，可将至少两种彼此分开的燃料在基本上设在喷枪尖端上的喷射位置上选择地或同时地喷入到一个燃烧室中。在此，该燃烧室应可同时或交替用两种燃料工作，而不会出现回火或焦化(在液体燃料的情况下)的危险。
按照本发明，提出了一种用于将燃料-空气混合物喷入燃烧室中的方法，其中借助一个具有一个喷枪尖端及两个用于燃料的通道以及一个用于冲洗空气的通道的燃料喷枪，使一种液体燃料及一种气态燃料以及冲洗空气选择地或同时地喷入到所述燃烧室中，其中该液体燃料通过具有最小直径的中心内管被导送到喷枪尖端，其中该内管被另外两个内部与它同心设置的管包围，及其中，该冲洗空气在所述中心内管与中间管之间的空隙中流动及在喷射位置上以轴向及空心圆柱体式的环绕方式被导送到该液体燃料与气体燃料之间，使得这些燃料彼此被该冲洗空气隔离，其中：在喷射位置上使所述液体燃料径向向外地及向着冲洗空气流地以一个环绕的、向着喷枪尖端张开的空心圆截锥的形式喷入，及在喷射位置上使所述气态燃料径向向内及向着冲洗空气流地喷入。
该任务可通过上述方案解决。该解决方案在于，在喷射位置上使液体燃料径向向外地及向着冲洗空气流地以一个环绕的、向着喷枪尖端张开的空心圆截锥的形式喷入及在喷射位置上使气态燃料径向向内及向着冲洗空气流地喷入。
本发明的核心在于，使同样被导送到喷枪尖端上的冲洗空气这样地导送到在喷枪尖端处喷入燃烧室的燃料之间，使得由冲洗空气形成的“保护屏”可防止两种燃料的交叉。尤其当喷枪仅用一种燃料工作时可防止燃料进入到正好被控制不通过燃料的燃料通道中。
根据本发明，用于这些燃料的两个通道及用于冲洗空气的通道由不同直径的、基本上圆柱形的管构成；其中，这三种介质在在此形成的空心圆柱形的或圆柱形的空隙中被导送到喷射位置上。该结构简单及对于燃烧器中的热负荷特别适合。
所述燃料体系是一个使用液体燃料的体系及一个使用气态燃料的体系。典型地，在此气态燃料被用于燃气运行中的部分负载区域，及液体燃料例如油形式的燃料用于油运行中的整个负载区域。在此，液体燃料通过具有最小直径的中心内管被导送到喷枪尖端，其中该内管被另外两个内部与它同心布置的管包围，及气态燃料，以及冲洗空气在这样构成的空心圆柱形空隙中被导送到喷枪尖端上到达喷射位置上，其中冲洗空气直接在喷射位置处在中心内管与中间管之间流动。由此可保证，冲洗空气在喷射位置上有效地在两个燃料流之间以一个隔离屏的形式流动及使两个燃料流彼此去耦合。
另外，所述燃料喷枪的特征在于：在喷射位置上冲洗空气以基本轴向的及一个空心圆柱体式的环绕方式被喷射到燃烧室中。换句话说，冲洗空气与燃烧器轴线平行地进入燃烧区域中。在此，液体燃料的喷入稍微径向向外地及以向着轴向的冲洗空气流的方式、即以环绕、相对喷枪尖端张开的空心截圆锥的形式进行。液体燃料可在该位置上也通过空心圆锥涡流喷嘴或多孔喷嘴喷射。在喷射位置上气态燃料以稍微径向向内及向着冲洗空气流的方式喷射，即以环绕的相对于喷枪尖端闭合的空心截圆锥形式喷射。
本发明方法的另一优选实施形式的特征在于：液体及气态燃料在喷枪基部上被分别导入内管及内管与中间管之间的空隙中，及冲洗空气被导入中间管与外管之间的空隙中。在此，或者直接在喷枪基部冲洗空气可被转向导入内管与中间管之间的空隙中，而气态燃料被导入中间管与外管之间的空隙中，其中尤其可取的是，冲洗空气向中间空隙的导入是通过多个设置在相应的多个径向扇段中的槽或孔实现的。因为通常燃料喷枪在喷枪基部上具有较大直径，该结构形式允许冲洗空气及气态燃料具有更高的流量。
另一方面，冲洗空气仅在喷枪尖端上才与气态燃料的导送通路相交叉。这就是说，冲洗空气在中间管与外管之间的空隙中被导向喷枪尖端，及在喷枪尖端的区域中冲洗空气被转向导送到内管与中间管之间的中间空隙中，而气态燃料被导入到中间管与外管之间的外部空隙中。该结构方式虽然由于喷枪尖端较小的尺寸通常仅允许较低流量的冲洗空气及气态燃料，但它的优点是，在最外面通道中流动的冲洗空气同时具有冷却作用及可附加地防止过热及与此相联系的回火。
本发明还涉及如上所述的方法的应用。尤其涉及在预混合燃烧器、尤其是有或无后置的混合区段的双锥形燃烧器的先导运行中的这类应用，其中燃料喷枪则被布置在预混合燃烧器的轴上。
根据所述应用的第一实施形式，该喷枪具有的长度基本为有或无后置的混合区段的双锥形燃烧器的总长度的3/4，其中该总长度指的是双锥形燃烧器的锥形区域的长度。
附图说明
以下将借助实施例并结合附图来详细描述本发明。附图为：
图1：根据本发明的燃料喷枪的一个轴向截面；
图2：根据本发明的整个燃料喷枪的一个轴向截面，其中在喷管尖端设有交叉部分；及
图3：根据本发明的燃料喷枪的一个轴向截面，其中交叉部分设在喷管基部上。
图中仅表示出本发明的主要部件。在不同的图中相同的部件用相同的标号表示。流动方向则用箭头表示。
具体实施方式
图1表示一个燃料喷枪的喷枪尖端1的轴向截面图。该燃料喷枪包括一个最外部的喷枪管2，其中在如由US 4,932,861所公开的双锥形燃烧器(Doppelkegelbrenner)中应用的情况下，该喷枪伸入到这些锥形部分体之间的空腔中，其中，所伸入的长度通常约为燃烧室长度的3/4。但也可以是，所述的燃料喷枪使用在具有涡流分裂的预混合燃烧器中，该预混合燃烧器附加地设有一个后置的混合区段(如参见EP 0704657)。
通常，燃料喷枪具有一个圆形的横截面。在圆柱形的最外部管2中，与最外部管2同心地安置有：一个中间管4，及另一个内部的管、即具有最小直径的油管3。当燃料喷枪被用液体燃料工作时，液体燃料，即油6、汽油或类似物通过该油管3在油路5中流动到喷枪尖端1。在油管3的尖端上具有一个中心嵌件7，它基本上被安置在燃料喷枪的轴线上，及它使得喷枪尖端1的油流径向地向外偏转。由此液体燃料不会在燃料喷枪轴向上喷射到燃烧室中或发生燃烧的空腔内，而是以一个四周闭合的圆锥形的、即构成环绕形的喷射锥喷入。在该位置上液体燃料也可通过一个(在图中未示出的)空心锥-涡流式喷嘴或通过多孔喷嘴喷射。
在最外部管2与中间管4之间的空腔中通常向喷枪尖端1流动气态的燃料。在此，外管2在其最外端具有一个向着燃料喷枪轴线方向的环绕弯曲部分、即收缩部分，该部分用于，使燃气流在输出燃料喷枪以前向着燃料喷枪轴线方向偏转。换句话说，形成一个锥形会聚的的空心燃气锥。
现在根据本发明，在中间管4与油管3之间的中间空间8中在喷枪尖端1处流过冲洗空气9。该冲洗空气9基本上轴向地流出，即在喷枪尖端1上形成一个圆柱形空气罩。换句话说，该冲洗空气9在所使用的两种燃料之间流过。根据本发明，它是这样的，即不仅气态燃料11而且液体燃料6均向着由冲洗空气9形成的该圆柱形空气罩定向。该特殊的结构允许这样一种工作方式，即在该工作方式中由于各燃料流通过冲洗空气9的隔离，该燃料喷枪或可用这两种燃料6，11中的一种工作、或可用这两种燃料工作，而在此不会例如在仅用一种燃料工作时存在燃料6，11从受控制的燃料通道到达不被运行的通道中这样的危险(无燃料的回流)。
典型地，这种燃料喷枪具有自20至40毫米范围中的外径(最外部管2的外径)，中间管4具有的外径约为最外部管2的外径的2/3，及油管3具有的直径约为最外部管2的1/3。在喷枪基部17上，该喷枪通常具有在自30至60毫米范围中的较大的外径。这些管可有利地由壁厚度在1至3毫米范围中的镍基合金制成。在最前部区域中具有向内弯曲部分的外管2在该处在10毫米的长度上约缩小40％的范围，这将引起先导燃气(Pilotgas)11在向燃料喷枪中心轴线的方向上偏转及由此使先导燃气11的出口这样布置，以致冲洗空气9的隔离作用达到最大程度。
通常这种燃料喷枪用于预混合燃烧器的先导运行。当在此在先导运行(Pilotbetrieb)中可能仅使用气态燃料11时，该燃料喷枪典型地达到约至50％负载的利用，即直至预混合火焰足够地稳定为止。如果预混合火焰足够地稳定，通常燃料喷枪将不再通过燃料控制，而仅是在预混合燃烧器的输入槽上控制燃料喷嘴。
现在如果不提供气态燃料11，则根据本发明的燃料喷枪将变换地允许使用液体燃料6进行燃烧室工作。该变换使用的可能性是可能的，因为在仅用一种燃料运行时通过冲洗空气9可阻止该燃料进入到不工作的通道内及在那里导致回火。此外由冲洗空气9形成的罩在液体燃料6的情况下具有其优点，即避免了焦化。
图2表示一个喷枪的整个长度。因为通常液体燃料及气态燃料6，11在燃烧器的喷枪基部17上被输入到一个先导气体输入端15及一个油输入端16，故基本上问题在于，在这两个燃料通道之间如何导入冲洗空气9。该问题可用两个不同的方式来解决，图2表示其中一个可能性，这里两种燃料首先从喷枪基部17开始在同心的管中被引导到喷枪尖端1的区域中，而冲洗空气9在中间管4与外管2之间的另一空隙内被引导到该区域上。在此，冲洗空气9在喷枪基部17的区域中在部分14上通过开口被导入中间管4与外管2之间的所述空隙中。该冲洗空气9通常是由燃烧器后面的一个区域吸入的。在此情况下这些输入开口可作为缝槽构成，但为了防止污物颗粒进入被证实有利的是：这些开口被构造成通常其直径在2至4毫米范围中的钻孔。现在，在喷枪尖端1的区域中，在一侧上将先导燃气通路10通到所述径向上最外部的空隙中，其方式是，在区域12中两个外部通道形成交叉。其中在区域13中，由管2与4之间的最外部空隙中导入的冲洗空气9被导送到中间管4与内管3之间的所述中间的中间空隙8中。这种相互的换向导送以扇段方式(相对于与燃料喷枪的对称轴18垂直的横截面)发生，在此，三个扇段用于燃气通路及三个扇段用于冲洗空气通路就够了，其中这些扇段通常具有相同的横截面。
图2中所示的冲洗空气9在喷枪尖端1的区域前被引导到最外部空隙中的这种通路具有其优点，即由此喷枪通过该冲洗空气通道很好地冷却。因此该喷枪特别适用于涉及具有一定回火危险的燃烧器。
图3表示用于先导运行的燃料喷枪的另一实施例，其中冲洗空气及先导燃气的两个通道的交叉19，20不是在喷枪尖端1上、而是在喷枪基部17上就已发生。换句话说，在喷枪基部17上导入的冲洗空气9就已导入在管4与油管3之间的空隙中，及相应地先导燃气输入端15就已在喷枪基部17上导入到管4与最外管2之间的空隙中。这也是分段地发生的，即冲洗空气9的输入14通过在三个扇段中的多个缝槽或孔(钻孔)实现而在另外三个扇段中将先导燃气导送到最外部的通道中。并且在这里也证实有利的是，设置用于冲洗空气9的输入14的一些孔，它们可阻止污物颗粒的进入。
根据图3的实施例具有的优点是，由于燃料喷枪在其喷枪基部17上直径较大，可实现比在喷枪尖端进行交叉的情况更大的、用于先导燃气及冲洗空气的通流横截面积。相应地在这种燃料喷枪上可实现冲洗空气9及先导燃气11更高的流量。
参考标号表
1喷枪尖端
2喷枪的最外部管
3油管
4中间管
5油路
6油，液体燃料
7中心嵌件
8中间空隙
9冲洗空气
10先导燃气通路
11先导燃气，气态燃料
12先导燃气通路10的区域
13冲洗空气通路的区域
14冲洗空气9向冲洗空气通路的输入
15先导燃气输入端
16油输入端
17喷枪基部
18喷枪的对称轴
19先导燃气通路10的交叉
20冲洗空气通路的交叉

Claims (8)

1.用于将燃料-空气混合物喷入燃烧室中的方法，
其中借助一个具有一个喷枪尖端(1)及两个用于燃料(6，11)的通道以及一个用于冲洗空气(9)的通道的燃料喷枪，使一种液体燃料及一种气态燃料(6，11)以及冲洗空气(9)选择地或同时地喷入到所述燃烧室中，
其中该液体燃料(6)通过具有最小直径的中心内管(3)被导送到喷枪尖端(1)，其中该内管(3)被另外两个内部与它同心设置的管(2，4)包围，及
其中，该冲洗空气(9)在所述中心内管(3)与中间管(4)之间的空隙中流动及在喷射位置上以轴向及空心圆柱体式的环绕方式被导送到该液体燃料与气体燃料(6，11)之间，使得这些燃料彼此被该冲洗空气(9)隔离，
其特征在于：
在喷射位置上使所述液体燃料(6)径向向外地及向着冲洗空气(9)流地以一个环绕的、向着喷枪尖端(1)张开的空心圆截锥的形式喷入，及
在喷射位置上使所述气态燃料(11)径向向内及向着冲洗空气(9)流地喷入。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述液体及气态燃料(6，11)在喷枪基部(17)上被分别导入所述内管(3)及该内管(3)与中间管(4)之间的空隙中，及所述冲洗空气(9)被导入该中间管(4)与该外管(2)之间的空隙中。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于：该冲洗空气(9)可直接在喷枪基部(17)处被转向导入该内管(3)与该中间管(4)之间的空隙中，而气态燃料(6)被导引到该中间管(4)与该外管(2)之间的空隙中。
4.根据权利要求2的方法，其特征在于：该冲洗空气(9)在所述中间管(4)与所述外管(2)之间的空隙中被导向喷枪尖端(1)，及在喷枪尖端(1)的区域中该冲洗空气(9)被转向导送到该内管(3)与该中间管(4)之间的中间空隙中，而所述气态燃料(11)被导引到该中间管(4)与该外管(2)之间的外部的空隙(10)中。
5.根据以上权利要求中一项的方法，其特征在于：将所述燃料喷枪设置在一个预混合燃烧器的轴线上，及该方法应用于预混合燃烧器的先导运行中。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于：该燃料喷枪具有为双锥形燃烧器的总长度的3/4的长度及应用于预混合燃烧器的所述先导运行。
7.根据权利要求3的方法，其特征在于：冲洗空气(9)向所述中间空隙中的导入通过多个设置在相应的多个径向扇段中的槽或孔实现。
8.根据权利要求5的方法，其特征在于：该方法应用于有或无后置的混合区段的双锥形燃烧器的先导运行中。
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