CN1957208A - 流体燃料喷射器以及包含该喷射器的分级预混合燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种流体燃料(6a)的喷射器(4)和一种预混合燃烧器，尤其是用于气体轮机燃烧室的预混合燃烧器，该预混合燃烧器包括该类型喷射器(4)。该喷射器(4)包括旋流喷嘴(14)，该旋流喷嘴(14)由屏蔽空气通道(11)所包围且在流体燃料(6a)的喷嘴内旋流产生器(12)的区域中具有增大的流动横截面，该增大的流动横截面朝着旋流喷嘴(14)的出口孔重新被减小。该喷射器使得该预混合燃烧器能在低进入压力下以高雾化质量运行。

Description

流体燃料喷射器以及包含该喷射器的分级预混合燃烧器
技术领域
本发明涉及一种具有用于喷射流体燃料的旋流喷嘴的流体燃料喷射器，该旋流喷嘴由屏蔽空气通道所包围。本发明还涉及一种分级预混合燃烧器，特别是涉及用于气体轮机燃烧室的分级预混合燃烧器，该分级预混合燃烧器包括燃烧空气流的旋流产生器、用于将气体燃料分级引入到燃烧空气流的燃料出口孔以及中央承载件，该中央承载件具有带旋流喷嘴的喷射器和屏蔽空气通道，该旋流喷嘴用于喷射流体燃料。
预混合燃烧器广泛使用于气体轮机装置中，在该预混合燃烧器中，对正在进入的燃烧空气施加旋流，并且当燃料被喷射到预混合区中时，将该空气与燃料混合。当使用在气体轮机中时，预混合燃烧器得足够可靠地覆盖整个工作范围。例如，该工作范围还包括气体轮机的启动，其中燃烧器点燃时燃料/空气的混合物在燃烧压力和预热温度接近周围条件时燃烧。为确保燃烧器稳定工作，在该工作范围内，燃烧器通常要运行一个先导级(Pilotstufe)。鉴于对称性，该先导级安排在燃烧器流动区域的中央，比如以燃料喷枪的形式。在这种情况下，在燃料喷枪的尖端处，通过喷射器以流动方向将燃料加轴向入到燃烧空气中，这样，在燃烧器的流动区域中存在富燃料区，因此，即使在低燃烧压力和温度下，也能确保稳定工作而火焰不熄灭。当工作负载较高时，经由先导级的燃料喷射量通常下降以减少污染物，并且燃烧器在优良的预混合方式下运行。
对预混合燃烧器和所有其他现代化气体轮机燃烧器的进一步需求是，燃烧器应当可选择地用于气体燃料或流体燃料。这就需要另外的用于气体喷射的装置，该装置通常类似地置于燃料喷枪的尖端处。为避免包含燃料的气体回流到燃料喷枪的燃料输送装置中，燃料喷射器在燃料喷枪处具有环形间隙，相对于整个燃烧器的空气流很小部分空气从环形间隙流出。该屏蔽空气使流体燃料和气体燃料的两个喷嘴屏蔽开不期望的回流。
图1以侧视图(左侧部分)和平面图(右侧部分)的形式高度示意性地示出了这种类型的已知预混合燃烧器构造的一种实例。在该实例中，旋流产生器1由两个部件壳形成，两个部件壳组装形成了呈圆锥封套形的旋流体。在两个部件壳之间是用于燃烧空气切向进入的空气进入槽2，其在图中用在所示方位可见的箭头标出。在预混合过程中，经由不可见的输送装置和燃料出口孔，沿着这些空气进入槽将气体燃料引入到燃烧空气中，以和燃烧空气混合，该所引入气体燃料的量在旋流产生器1所预定的量之内。燃料喷枪3在燃烧器中央，在该燃料喷枪的端部具有喷射器4，该喷射器4具有用于喷射流体燃料、气体燃料的喷嘴口，该喷嘴口还用于排出屏蔽空气。由该图的右侧部分可见，用于引入气体燃料7a的喷嘴口7可设于燃料喷枪3的中央。该喷嘴口7由用以排出屏蔽空气5a的间隙5包围。在本情况下为环形的、用于引入流体燃料6a的喷嘴口6形成了该喷射器4的外部区域。
当气体轮机处于低负载范围时，该预混合燃烧器单独运行两个先导级中的一个级，亦即经由燃料喷枪3的喷射器4，喷射流体燃料6a或气体燃料7a。当气体轮机处于高负载范围时，在气体燃料的情况下，必需完全转变到预混合级，因为在先导运行过程中，排出大量污染物。在先导级燃烧流体燃料的情况下，在高负载范围时，油和水的乳浊液作为流体燃料来燃烧。局部地通过引入水降低了流动区域中的火焰温度。这导致污染物排放降低，尤其是氮的氧化物排放降低。在高负载范围时，除了污染物排放，可以使运行范围受限的脉动燃烧也应当避免。在这种情况下，通过使用旋流喷射器产生燃烧非常稳定的油/水乳浊液火焰，该旋流喷射器也被称为压力旋流喷射器。但是，因为高通过量且燃料喷枪的尖端区域的空间有限，这种类型的旋流喷射器引起燃料的高压力损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种流体燃料的喷射器和一种具有该种类型喷射器的预混合燃烧器，该喷射器和燃烧器在流体燃料的低进入压力下提供优良的雾化质量。
该目的是分别通过本发明权利要求1和10所述的喷射器和预混合燃烧器来实现。该喷射器和预混合燃烧器的改进结构形成了从属权利要求的内容，或者可从下面的具体描述和示例性实施例中得出。
本流体燃料喷射器包括用于喷射流体燃料的旋流喷嘴和围绕着旋流喷嘴的屏蔽空气通道。在本文中，用语流体燃料将被理解为不仅是单纯的燃料如油，而且也是这种燃料与其它物质的混合物或乳浊液，尤其是油/水的乳浊液。
旋流喷嘴具有用于流过的流体燃料的内旋流产生器，并且该旋流喷嘴在该旋流产生器的区域中加宽，以形成增大的流动横截面，且该增大的流动横截面朝着旋流喷嘴的出口孔重新被减小。相比常规喷射器，因为喷枪在气体侧呈分级形式，所以为较大喷嘴保留了更多的空间。因此可降低压力损失。这使得该喷射器能在低进入压力(Vordruck)下工作仍然具有优良的雾化质量。
该喷嘴内的旋流产生器优选地设计为例如可在喷嘴内绕中央旋流体延伸的旋流隔栅。此外，类似地，旋流产生器优选地布置在绕旋流喷嘴的屏蔽空气通道内。这种情况下，该两个旋流产生器可产生方向相同和相反的旋流。旋流方向与喷嘴内旋流产生器相反的旋流屏蔽空气对排出的流体燃料的雾化质量会产生正面影响。
旋流的强度和方向可通过旋流产生器的几何构造而优化，以产生最适于特定应用的流体燃料的喷射。
在喷射器的一个方案中，出口区域，具体而言即特别是在喷射器出口处压力旋流喷嘴和屏蔽空气通道的边界壁设计成使得从喷射器排出的屏蔽空气和流体燃料的流动方向近似平行。
还提供另一构造，允许屏蔽空气从喷射器以相对于流体燃料的流动方向成调整角度地排出，这样，屏蔽空气将剪切力施加到排出的流体燃料上。这一点可以通过对屏蔽空气的出口孔尤其对界定屏蔽空气通道的外壳进行适当的成形而实现。当排出的流体燃料时，通过由此产生的剪切速率改进雾化结果。尤其屏蔽空气和流体燃料之间的高剪切速率可通过将屏蔽空气以基本上垂直于流体燃料的流动方向排出而获得。
在喷射器的另一个优选构造中，旋流喷嘴以及围绕该旋流喷嘴并与该旋流喷嘴一起形成屏蔽空气通道的外壳布置成彼此之间可轴向地位移，即在流体燃料的主流动方向上。这样，使得屏蔽空气的出口孔的几何形状可以通过这些部件彼此间的位移而改变。当用于气体轮机燃烧室的预混合燃烧器中时，该位移优选地根据燃烧空气温度进行，并由此根据气体轮机的负载进行。在较高负载范围，可通过适当的位移来降低屏蔽空气的速度，并且，雾化尤其是喷射角和喷射质量可得以改变。
当然，在屏蔽空气通道中有无旋流产生器的情况下，上述的实施例均可实现。如果在屏蔽空气通道中有旋流产生器，此时，通过旋流角或旋流方向也可能对流体燃料的雾化质量产生附加影响。
所建议的分级预混合燃烧器具有以下类型的喷射器，即处在中央承载件的尖端处用于先导级。该中央承载件例如可设计成燃料喷枪的形式。在这种情况下，构造预混合燃烧器，使喷射器尽可能大，即可使用在喷嘴内旋流产生器处横截面尽可能被加宽的喷射器。分级的燃料注入使得在先导级，在承载件的尖端处无需喷射气体燃料。该类型的具有气体燃料的先导操作也可以通过分级的燃料注入来实现。为此，预混合燃烧器具有至少两组不同的、带有分离输送装置的燃料出口孔，用于将气体燃料分级引入到燃烧空气流中。在预混合燃烧器的一种构造中，这些燃料出口孔组的一组可形成在承载件的位于喷射器上游的部分中。这一组燃料出口孔继而形成用于气体燃料的先导级。
当然，用于分级地提供气体燃料的不同组的燃料出口孔还可以布置在其它处。这一点例如应用到预混合燃烧器构造中，其中旋流产生器由多个包围预混合空间且呈圆锥形的封套形状的部分壳而形成，并且在这些部分壳之间形成空气进入槽。这种情况下，用于分级地提供气体燃料的所有或者至少部分燃料出口孔在空气进入口的区域中形成。
鉴于特定喷射器，本预混合燃烧器允许在喷射形成过程中，在燃料侧以小的压力损失的方式运行，并且在一些构造中，还允许额外增强的喷射形成。
附图说明
以下将基于示例性实施例结合附图对本发明的喷射器和包含该喷射器的预混合燃烧器做更详细的描述，其中：
图1示意地示出了现有技术的预混合燃烧器的一种实施例；
图2示意地示出了具有本喷射器的预混合燃烧器构造的一种实施例；
图3示出了喷射器构造的第一实施例；
图4示出了喷射器构造的第二实施例；以及
图5示出了喷射器构造的第三实施例。
具体实施方式
图1示意地示出了现有技术的预混合燃烧器的结构，预混合燃烧器的结构已经在本说明开头详细阐明。
图2示意地示出了使用本发明喷射器的分级预混合燃烧器构造的一种实施例。该预混合燃烧器以已知方式具有旋流产生器1，该旋流产生器1呈圆锥形封套形状包围预混合空间的两个部分壳组成。空气进入槽2在由两个部分壳之间形成，在附图右侧部分(从与流动方向相反的方向观察)示出的预混合燃烧器的平面图中，对空气进入槽2进行了表示。气体燃料的燃料出口孔10布置在这些空气进入槽2的区域中，通过相应的输送装置给燃料出口孔10提供该燃料。通过将气体燃料引入到燃烧空气流使得气体燃料和燃烧空气混合，该混合通过已经施加燃烧空气的旋流而促成，燃烧空气流成切线地通过空气进入槽2进入。
在本实施例中，在临近燃烧空间的燃烧器半部中形成一组气体燃料出口孔10，其形成在此情况下的两个燃烧器级的其中之一。第二组气体燃料出口孔9布置在中央燃料喷枪3尖端上游。在燃烧室中布置有这种燃烧器的气体轮机的启动级，该又一个用于提供气体燃料的级可用作先导级。当然，也可将前述燃烧器级以任何方式细分为不同的级，可彼此独立地为这些不同的级提供气体燃料。当然，这些燃烧器级还可在旋流产生器1的整个轴向长度上延伸。
本喷射器4布置在燃料喷枪3的尖端处，在图2的右侧能够观察到喷射器4的平面图。该图中示出了流体燃料6a的中央出口喷嘴6和包围该中央出口喷嘴6的屏蔽空气5a的环形出口喷嘴5。这种预混合燃烧器的分级设计不需在喷枪尖端处安装气体燃料的附加喷嘴，这意味着更多空间可用于流体燃料喷射器。这一点对所建议的、在喷嘴内旋流产生器的区域中具有加宽流动横截面的喷射器的使用极其有利。
当气体轮机启动时，大部分燃料通过燃料喷枪3来添加。仅在相对较高负载的情况下，燃烧器以较低的燃料份额通过喷枪级，使得对脉动排放特性和污染物排放的特性进行优化。
图3-5示出了可用于图2所示预混合燃烧器的喷射器4的示例性构造。旋流喷嘴14的几何形状在图3所示的构造中清楚地示出。在喷嘴内旋流隔栅12的区域中，将旋流喷嘴14的流动横截面局部地显著加宽。在这种情况下，该旋流隔栅绕中央旋流体15而形成。因为相比于传统喷射器在喷枪尖端中具有更有利的空间关系，所以可以安装更大的喷嘴，这样，显著降低了压力损失，使得这种喷射器可以在低进入压力下以高雾化能力运行。
屏蔽空气通道11围绕着旋流喷嘴14。在该示例性的实施例中，屏蔽空气5a在轴线方向从喷枪尖端排出。这是通过在出口端对屏蔽空气通道11的边界进行几何设计而实现的，该屏蔽空气通道11的边界平行于轴向方向延伸。相对于喷嘴内旋流隔栅12，在相同方向或相反方向提供旋流的附加旋流隔栅13可选择性地布置在屏蔽空气通道11中。当流体燃料从喷射器排出时，旋流角度的设置会影响流体燃料的雾化质量。
图4示出了本发明喷射器4的又一实施例，其中喷射器的结构和图3中所示的结构类似。不过，图4所示喷射器4的屏蔽空气5a和流体燃料6a的排出方向不同。因为屏蔽空气通道11出口的向内指向的设计，所以，屏蔽空气流在从喷射器流出时相对于流体燃料6a流动的方向调整。这该实施例中，通过所示的构造在屏蔽空气上的流场基本上垂直于流体燃料流动的方向，从而在屏蔽空气和流体燃料之间产生高剪切速率(Scherrate)。该高剪切速率促进了雾化作用。在这种情况下，也可将旋流隔栅13布置在屏蔽空气通道中，其进一步促使雾化作用，尤其当产生相反引导的旋流时更是这样。
最后，图5示出了喷射器4的又一实施例，其中喷射器4和图4中所示喷射器的设计类似。不过，在该实施例中，屏蔽空气通道11具有可变几何构造，该可变几何构造通过使外壳16相对旋流喷嘴14在轴向方向可位移而实现。该可位移性在附图中用双向箭头标示出。如果旋流喷嘴14相对于外壳16移动，屏蔽空气的出口间隙开启或者关闭。该位移优选地根据燃烧空气温度设定，并由此根据气体轮机的负载设定。作为示例，在高负载范围内，借则该喷射器可通过增大该屏蔽空气的间隙来降低屏蔽空气的速度，并由此改变喷射角和喷射质量。
本喷射器或预混合燃烧器的构造使得流体燃料或燃料乳浊液在气体轮机燃烧室中的燃烧过程的污染物降低，并且可无脉动地运行。这一点尤其是通过气体侧分级燃料的气体轮机燃烧器的结合而实现，该气体轮机燃烧器允许将通过局部加宽旋流喷嘴而变大的喷射器安装在喷枪尖端中。不同的喷射器构造可用于对雾化特性喷射特性产生影响，以优化对应的应用。
附图标记列表
1          旋流产生器
2、2a      空气进入槽
3          燃料喷枪
4          流体燃料喷射器
5          屏蔽空气出口喷嘴
5a         屏蔽空气
6          流体燃料出口喷嘴
6a         流体燃料
8          流动方向或轴向方向
10、10a    气体燃料的出口孔
11         屏蔽空气通道
12         喷嘴内旋流隔栅
13         屏蔽空气通道内的旋流隔栅
14         旋流喷嘴
15         喷嘴内旋流体
16         外壳

Claims (21)

1.一种流体燃料喷射器，尤其是用于预混合燃烧器的流体燃料喷射器，其具有喷射流体燃料(6a)的旋流喷嘴(14)，该喷嘴由屏蔽空气(5a)的屏蔽空气通道(11)所包围且在流体燃料(6a)的喷嘴内旋流产生器(12)的区域中具有增大的流动横截面，该增大的流动横截面朝着旋流喷嘴(14)的出口孔重新被减小。
2.根据权利要求1所述的喷射器，其特征在于：该喷嘴内旋流产生器(12)设计为旋流隔栅。
3.根据权利要求2所述的喷射器，其特征在于：该旋流隔栅绕中央旋流体(15)延伸。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的喷射器，其特征在于：在该屏蔽空气通道(11)中布置有通道内旋流产生器(13)。
5.根据权利要求4所述的喷射器，其特征在于：构造屏蔽空气通道(11)中的通道内旋流产生器(13)和该喷嘴内旋流产生器(12)，使它们产生相反引导的旋流。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的喷射器，其特征在于：该喷射器(4)设计成使流体燃料(6a)和屏蔽空气(5a)以大致平行的流动方向从喷射器(4)排出。
7.根据权利要求6所述的喷射器，其特征在于：该旋流喷嘴(14)的边界壁和屏蔽空气通道(11)的边界壁在喷射器(4)的出口处大致平行地延伸。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的喷射器，其特征在于：该屏蔽空气通道(11)在喷射器(4)的出口处设计，使屏蔽空气(5a)以相对于流体燃料(6a)的排出方向成调整角度地排出，以将剪切力施加到流体燃料(6a)上。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的喷射器，其特征在于：该旋流喷嘴(14)以及与该旋流喷嘴(14)结合形成屏蔽空气通道(11)的外壳(16)布置成彼此之间可在喷射器(4)的轴向方向移动。
10.一种分级预混合燃烧器，尤其是用于气体轮机燃烧室的分级预混合燃烧器，该分级预混合燃烧器包括用于燃烧空气流的旋流产生器(1)、带有输送装置的燃料出口孔(9，10)以将气体燃料分级引入到燃烧空气流中，以及中央承载件(3)，该中央承载件(3)具有喷射器(4)，喷射器带有旋流喷嘴(14)和屏蔽空气(5a)的屏蔽空气通道(11)，其中该旋流喷嘴(14)用于喷射流体燃料(6a)，旋流喷嘴(14)由屏蔽空气通道(11)所包围且在流体燃料(6a)的喷嘴内旋流产生器(12)的区域中具有增大的流动横截面，该增大的流动横截面朝着旋流喷嘴(14)的出口孔重新被减小。
11.根据权利要求10所述的预混合燃烧器，其特征在于：用于将气体燃料引入到燃烧空气流中的一些燃料出口孔(9)形成在承载件(3)的位于喷射器(4)上游的部分中。
12.根据权利要求10或11所述的预混合燃烧器，其特征在于：该旋流产生器(1)由多个包围预混合空间且呈圆锥形的封套形状的部分壳而形成，并且在这些部分壳之间形成空气进入槽(2)。
13.根据权利要求12所述的预混合燃烧器，其特征在于：用于将气体燃料引入到燃烧空气流中的至少部分燃料出口孔(10)布置在旋流产生器(1)处的该空气进入槽(2)的区域中。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的预混合燃烧器，其特征在于：该喷嘴内旋流产生器(12)设计为旋流隔栅。
15.根据权利要求14所述的预混合燃烧器，其特征在于：该旋流隔栅绕中央旋流体(15)延伸。
16.根据权利要求10-15中任一项所述的预混合燃烧器，其特征在于：在该屏蔽空气通道(11)中布置有通道内旋流产生器(13)。
17.根据权利要求16所述的预混合燃烧器，其特征在于：屏蔽空气通道(11)中的通道内旋流产生器(13)和该喷嘴内旋流产生器(12)设计成使它们产生相反的旋流。
18.根据权利要求10-17中任一项所述的预混合燃烧器，其特征在于：该喷射器(14)设计成使流体燃料(6a)和屏蔽空气(5a)在承载件(3)的轴向方向上以大致平行的流动方向从喷射器(4)排出。
19.根据权利要求18所述的预混合燃烧器，其特征在于：该旋流喷嘴(14)的边界壁和屏蔽空气通道(11)的边界壁在喷射器(4)的出口处大致同轴地延伸。
20.根据权利要求10-17中任一项所述的预混合燃烧器，其特征在于：该屏蔽空气通道(11)在喷射器(4)的出口处构造，使屏蔽空气(5a)以相对于流体燃料(6a)的排出方向成调整角度地排出，以将剪切力施加到流体燃料(6a)上。
21.根据权利要求10-20中任一项所述的预混合燃烧器，其特征在于：该旋流喷嘴(14)以及与该旋流喷嘴(14)结合形成屏蔽空气通道(11)的外壳(16)布置成彼此之间可在承载件(3)的轴向方向位移。
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