CN1115515C - 预混燃烧器 - Google Patents

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Abstract

在一个预混燃烧器中，旋流稳定的内部空间具有一个朝着气流方向的圆锥形内部物体。内部空间的外壳被切向布置的空气进口管贯穿，通过它们燃烧空气流流入到内部空间中。形成在内部空间中的旋流被通过至少一个燃料喷枪喷出的一种燃料增强。两种介质的混合物接下来在下游的混合管中形成。然后混合管通过一个断面的突变过渡到燃烧空间，在断面突变的平面区域中形成一个回流区，该回流区保证了燃烧的稳定性。

Description

预混燃烧器
本发明涉及一种预混燃烧器。
贫油预混燃烧是获得低污染排放，尤其是氮氧化合物排放的一种常用方法，在燃料的燃烧过程中产生低含量的氮氧化合物。从出版物中得知，在现代汽轮机高压下燃烧的过程中，通过改进空气和燃料的混合值，采用实验性的燃烧器，进一步减少氮氧化合物的排放是可能的。但是，采用这种实验性的燃烧器对机械技术来说不是轻而易举的，因为考虑到火焰稳定性和逆燃的安全性，需要有严格的技术条件。传统的旋流稳定预混燃烧器适合于仅在火焰区域之前混合燃料和燃烧空气的机器。
对这种结构的调查表明，以这种方式，在火焰区域不能实现燃料和空气的均匀混合。变换燃料上游的喷射来延长混合时间并因此改进混合值，对于适合于机器的燃烧器来说由于有逆燃的风险是不允许的。
WO 93/17279公开了一种燃烧器，它主要包括一个筒形燃烧室，它具有一组成切线布置的槽，燃烧空气可以通过槽流进燃烧室的里面。在这些槽的区域里的燃烧室内空间的过渡段，一些燃料喷嘴沿轴向布置，一种气化燃料最好通过这些喷嘴和从这里流进来的燃烧空气混合。另外，在燃烧室的内部空间设有一个圆锥体，它沿气流的方向逐渐变细，燃料(最好是液体燃料)喷嘴设在该圆锥体的尖端部分。燃烧空气被在该圆锥体圆锥顶的下流点燃。为了保持在燃烧器预混段外面的火焰稳定，在燃烧室或预混段本身的气流必须是超临界的，即，旋流系数必须很小以至于没有旋涡分离发生。临界旋流率可以通过三个参数的正确定位来获得：通过切向槽宽度的改变，另一方面通过配合燃烧室内部空间里的圆锥体的角度，以及也可通过增加中心辅助的无论是否产生旋流的空气。由于在槽的区域的燃烧喷射，使槽的设计非常严格。另外，空气和燃料的最佳均匀混合不能直接获得；这些作用尤其是对那些位于燃烧器末端和因此位于直接朝向火焰前方区域的燃料喷射，从而存在一种由于接近而产生的潜在的逆燃危险。更进一步地讲，由于从喷射到火焰的短距离，气体燃料和液体燃料都不能很容易地与空气混合，火焰中的局部富燃料会导致高Nox排放和高波动。
总之，在这样的燃烧器中会发生下列问题：
a)增加火焰的逆燃危险；
b)具有最佳火焰位置的运行范围小；
c)NOx排放增加，
d)高波动，
e)不恰当地熄火。
因此，本发明的目的，是在开始提到的那种类型的预混燃烧器中消除上述缺点。
根据本发明，属于现有技术的燃烧器的结构现在执行一个旋流发生器的全部功能，一个混合管布置在该旋流发生器的下游。只在该混合管的出口形成火焰区域。
本发明的主要优点表现在旋流发生器的出口的流动被选择成一种没有旋流分离发生的方式。混合管布置在旋流发生器的下游是为使火焰更靠下游和为使空气/燃料的混合物更好地混合。通过旋流发生器产生的涡流接着在混合管的出口分离并进入燃烧室：然后在那里形成一个稳定火焰前锋的回流旋涡或回流区域。为了防止靠近壁(壁边界层)的混合管的区域里的火焰逆燃，混合管提供有形成气膜(prefilming)的孔或槽，来冲洗边界层并且也使它变薄。在燃烧器中心，通过从中心喷射的辅助气流来防止火焰的逆燃。这些辅助空气可以完全引导其沿轴向喷出或可使其形成一个涡流。
出口的倒圆有一个断裂的边，该出口倒圆形成于燃烧器前面的燃烧室边缘，来提供一个强化的火焰区并因此通过扩大回流的旋涡来改进火焰的稳定性。倒圆的尺寸决定于混合管中的气流。它以这样一种方式被选择：气流与壁接触并因而使涡流率明显地增大。与没有倒圆时的气流相比。回流旋涡现在被大大地扩大，使火焰前锋的稳定性最大。
本发明的更进一步的优点体现在回流涡流的扩大也可以通过燃烧器前部内侧采取的其他措施，最好是在燃烧器前部通过喇叭口形的凹口来实现。
实现本发明目的带来的进一步的优点和便利限定在权利要求书中。
通过下面结合附图进行的详细描述，将会对本发明和许多附带的优点有一个更完整的理解，并使本发明变得更加清楚，其中：
图1表示了一个预混燃烧器，它包括一个涡流发生器和毗连的混合管及燃烧室；
图2表示了该涡流发生器沿断面II-II的一个断面图；
图3表示了朝向燃烧室空间的前壁的一种结构。
所有对直接理解本发明不需要的部件都被略去，介质的流动方向用箭头表示。
为了更好地理解该预混燃烧器的结构，使用图1时最好也同时使用图2。另外，这样不会使图1有不必要的复杂化，切向的空气供给管只是示意性地表示出。在下文对图1的描述中，需要时也要参照图2。
现在对附图进行说明，其中在全部的图中相同的标号表示相同或相对应的部件，图1的预混燃烧器包括，一个旋流发生器10，一个布置在旋流发生器下游的混合段20，和一个毗连的燃烧室30。旋流发生器10包括两个中空的分壳体11，12，它们以互相偏移的方式一个嵌入另一个里面(这一方面参照图2)。互相偏移的相应的中心轴或纵向对称轴11b，12b的两侧，各设置一个以镜像对称布置的切向空气进口管11a，12a，燃烧空气16或燃料/空气混合物通过这些管流入分壳体11、12形成的内部空气18。所述的纵向对称轴最好彼此平行，因此切向的空气进口管11a，12a具有一个恒定的流动断面。如果需要，流体断面可以被构造成通过相互关联的纵向对称轴相应地逐渐变化，使该流体断面沿轴线方向规则地或不规则地减少或增大。分壳体11、12本身最好为在流动方向上的圆筒形。当然，它们也可以假设为另一种几何形状，它直接引起内部空间18的流体断面变化。例如，可将分壳体11，12设计成文丘里管。所涉及的可能的实施例在图中没有更详细地示出，因为本领域的熟练的技术人员可以很容易地设想出来。就构成旋流发生器10的壳体的数目而言，它们并不象下文中的典型实施例那样限制为两个。根据运行情况可设置大量切向布置的空气进口管是十分可能的。以相互偏移方式布置的各个壳体可以很容易地被一个连续管代替，该管管壁设有切向布置的槽，它形成切向空气进口管。另外，在一个多壳体实施例中，如果需要，也可以把各个壳体成螺旋形地嵌入另一个壳体中。
布置在内部空间18中的是一个圆锥体13，它朝着气流的方向逐渐变尖并伸出一个较长的锥体形状。该内部物体13的圆锥结构大致上具有和切向空气进口管一样的长度，不限于图中所示的形状：该内部物体13的外部形状也可以是一个扩压器或扰动体。与切向流入的燃烧空气相互依赖的内部物体13的结构的决定因素是在旋流发生器出口的一定旋流系数。该内部物体13具有一个中心孔19，从该孔中伸出一个燃料喷枪14，它大致延伸到内部物体的顶部。液体燃料最好由该燃料喷枪14供给，并通过一个燃料喷嘴17喷射到内部空间18中，产生一个适合于运行的燃料喷射角。该燃料喷嘴17因此构成了该预混燃烧器的有效的头部段。该燃料喷枪14被辅助空气15包围，它引燃至少一个轴向的冲击来稳定在燃烧室30中形成的火焰前锋30。另外，该辅助空气15有助于达到预混过程的最优化，尤其是火焰前锋的局部稳定性，在这种情况下，该辅助空气也被一个再循环的排出气体的部分量增强。另外，该辅助空气可以被另一种空气/燃料混合物替代。这样回流旋涡不能在旋流发生器的端部形成，更重要的是，由切向气流形成的旋流保持在亚临界状态。这可以通过各种方法获得，其中一个方法涉及切向空气进口管11a，12a中的流体的横断面，而另一个方法涉及这些管的数目，内部物体13的圆锥形状是和所述方法互相依赖的一个因素。
因此，由空气/燃料混合物组成的旋流23流入一个不形成回流区域的混合段20，混合段20附着在旋流发生器的下游一侧，主要包括一个混合管21。该混合管21实现如下状态，即让限定的一种混合物提供给涡流发生器的下游，其中可以实现不同类型的燃料的良好预混合。另外，混合管21，即，它的长度，能够使气流不产生损失，该混合管21具有一个在轴24上的明确的最大轴向速度分布图，这样从燃烧室30来的逆燃火焰就不可能发生。但是，不可否认在这种结构中，轴向速度朝着混合管21的壁减小。为了也能防止在这个区域的逆燃，混合管21，在沿气流的方向和圆周方向上具有许多规则或不规则分布的通流开口22，它们被设计成具有不同的截面和不同的流向。空气通过这些通流开口22流入混合管的内部，增大沿管内壁占优势的轴向速度，以便形成气膜(prefilmer)，混合物的浓度在这个区域变得较稀。获得同样效果的另一种结构是给混合管21的断面提供一个会聚度，其结果是在这个流动段内的整体速度水平提高。图中，该通流开口22被设计成相对于燃烧器的轴24成一个锐角的孔。如果用选择的一种方法来引导旋流23沿混合管21产生一个不能允许的压力降，可以通过一个设在混合管21末端的扩压器(图中未表示)来补救。
用一个火焰管31示意地表示燃烧室30，它连接在混合管21的末端，在两个流动横截面之间的过渡段的特征在于一个横截面的突变。更进一步讲，这种过渡段由一个前部的管壁25形成，它以尾部朝着燃烧室空间的方式布置，并具有许多开口，通过这些开口，空气直接进入突变横截面的边缘区域。只在横截面突变处的平面上形成一个中心回流区域32，它呈现出一个无形的火焰稳定挡板的特性。如果在运行过程中在横截面突变处形成射流临界区域，其中临界区域的涡流分离因那里的真空而上升，这导致强化回流区域32的环流稳定性。通过从燃烧器前面引入的空气26的喷射可获得同样进一步的强化。最后，回流区域32的进一步的强化可以通过一个设在燃烧器前壁的燃烧室一侧的被称为断裂边(参考图3)或喇叭口形凹口来实现。
由于亚临界产生的旋流，所以在横截面突变的区域形成能产生回流区32的涡流分离。点火在回流区域32的顶部进行：只有在这个点一个稳定的火焰前锋才能扩大。这种火焰向预混燃烧器的混合管21内逆燃的危险，正像已公开的预混段总是存在着潜在的危险一样，阻止了用复杂的物理火焰稳定挡板的尝试，在这里不必为所述的原因担心。如果燃烧空气16利用所述的一种介质，最好是再循环的排气被预热或加强，这将有助于通过头部段喷射的液体燃料的气化。
图2示意性地表示了分壳体11，12一个套在另一个内的结构。当然，这些分壳体也能在该平面之外互相替换，即，很容易地能在切向空气进口槽11a，12a的范围内重叠。另外，也可能通过一个逆向旋转运动使分壳体11，12螺旋形地一个套入另一个之中。切向空气进口槽11a，12a的形状和尺寸可以因此以这种方式变化，使旋流发生器10的旋流系数和旋流强度可以适用相应的情况。切向空气进口槽11a，12a在所有情况都形成一个供应管的排气开口(图中未表示细节)。其它一些燃料喷嘴设在切向空气进口管的区域，气态燃料最好通过这些喷嘴喷射出。这些燃料喷射的形态可以在EP-03 21 809B1中看到，该出版物被用来作为本说明书的一个组成部分。
图3表示了已知讨论过的在前壁25处形成的断裂边A。通过它进入前壁25的一个过渡倒圆R设在混合管21的流动横截面的末端，过渡倒圆R的尺寸主要取决于混合管21中的流动情况。倒圆R用于使流体进入时与壁接触并因此引起旋流系数的显著增大。定量地讲，倒圆R的尺寸被确定成大于混合管21的通流直径d的10％，与没有倒圆的流动相比，回流区域现在被大大地扩大。倒圆延伸到混合管21的出口平面，该曲线的起点到终点之间的弧形角β＜90°，断裂边A沿弧形角β的一个边延伸到混合管21内部，并因此相对于断裂边A的顶点形成一个断裂台阶S，它的深度＞3mm。当然，平行地延伸到混合管21的出口平面的该边能再形成一个曲线路径的出口平面台阶。断裂边A的切线和混合管21的出口平面的垂直线之间的角β′与角度β的大小相同。前壁25的这种结构的优点已经在上文的段落“本发明概述”中进行了详细描述。用来强化回流区域的断裂边也可以采用在燃烧室的一侧的前壁上的凹形的凹口来获得。
很显然，在上文的教导下，可以对本发明进行数值的更改和变化。因此应该理解，在权利要求的范围内，本发明可以在本文特别描述的内容之外实现。
                      附图标号表10              旋流发生器11              壳体11a             切向空气进口管11b             壳体的纵向对称轴12              壳体12a             切向空气进口管12b             纵向对称轴13              圆锥形内部体14              燃料喷枪15              辅助空气16              燃烧空气或燃料/空气混合物17              燃料喷嘴18              内部空间20              混合段21              混合管22              通流开口23              涡流24              燃烧器轴线25              前壁26              空气30              燃烧室31              燃烧空间的燃烧管32              流区域、回流旋涡A               断裂边d               混合管21的内径R               过渡倒圆T               断裂边的切线S               断裂边深度β                              R的圆弧角β′            T和A的夹角

Claims (15)

1.一种预混燃烧器，设置有一个旋流稳定的内部空间和燃料喷射装置，该内部空间内具有一个沿气流方向延伸的圆锥形内体，内部空间的外壳被至少一个沿轴线方向延伸的并且切向布置的空气进口管穿过，燃烧空气通过这些切向空气进口管进入内部空间，其特征在于，一个有旋流(23)经过的混合管(21)连接在内部空间(18)的下游，混合管(21)通过一个横截面的突变过渡到燃烧空间(31)，其横截面的突变由一个前壁(25)形成，而一个回流区(32)在横截面突变处的平面区域形成。
2.如权利要求1所述的预混燃烧器，其特征在于，至少一个燃料喷枪(14)穿过内部物体(13)，燃料喷枪(14)的燃料喷嘴(17)布置在内部物体(13)的顶部区域。
3.如权利要求2所述的预混燃料器，其特征在于，燃料喷枪(17)布置在内部物体(13)的中心。
4.如权利要求2所述的预混燃烧器，其特征在于，燃料喷枪(17)被一个气流(15)环绕。
5.如权利要求1所述的预混燃烧器，其特征在于，内部物体(13)具有一个扩压器的外形。
6.如权利要求1所述的预混燃烧器，其特征在于，内部物体(13)具有一个扰动器的外形。
7.如权利要求1所述的预混燃烧器，其特征在于，内部空间(18)的外壳是圆柱形的或似柱形的。
8.如权利要求1所述的预混燃烧器，其特征在于，由内部空间(18)的外壳形成的流体横断面在气流方向上具有文丘里管的形状。
9.如权利要求1所述的预混燃烧器，其特征在于，内部空间(18)的外壳包括至少两个分壳体(11，12)，以互相偏移的方式彼此相套，其分壳体(11，12)的邻近的壁形成空气进口管(11a，12a)，切向于纵向延伸线，来使燃烧空气(16)流入。
10.如权利要求9所述的预混燃烧器，其特征在于，分壳体(11，12)呈螺旋形彼此相套。
11.如权利要求9所述的预混燃烧器，其特征在于，另一些燃料喷嘴(18)沿切向空气进口管(11，12)的纵向延伸方向布置在切向空气进口管的区域。
12.如权利要求1所述的预混燃烧器，其特征在于，混合管(21)在气流方向和圆周方向上设有通流开口(22)，来把气流喷射到混合管(21)的内部。
13.如权利要求12所述的预混燃烧器，其特征在于，通流开口(22)以相对于燃烧器的轴(24)成锐角设置。
14.如权利要求1所述的预混燃烧器，其特征在于，前壁(25)具有一个断裂边(A)，它包括在混合管(21)出口平面区域里的一个过渡倒圆(R)和在径向方向偏移出混合管(21)出口平面的一个断裂边台阶(S)。
15.如权利要求14所述的预混燃烧器，其特征在于，过渡倒圆(R)大于混合管(21)的内径的10％，断裂边的台阶的深度＞3mm。
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