專利名稱:用于運行熱發生器的燃燒器的制作方法
技術領域:
本發明涉及一種用于運行熱發生器的燃燒器。
由EP-0 780 629 A2已知一種在迎流側由一渦旋發生器組成的燃燒器,其中所形成的流動無縫地轉移到混合段內。這是借助于一個在混合段開始處為此而形成的流動幾何體實現的。流動幾何體由過度通道組成,并根據渦旋發生器起作用的部件數目覆蓋混合段的端面,并沿流動方向呈渦旋延伸。在過渡通道的下游側,混合段具有一定量的膜形成孔,保證沿管壁提高流動速度。接著是燃燒室,其中在混合段和燃燒室之間的過渡由一橫截面突變構成,在該橫截面突變平面內形成一回流區。
因此,渦旋發生器的渦旋強度應選擇成,在混合段內不發生渦旋分裂而是繼續順流而下,如在橫截面突變范圍內一樣。混合段的長度應保證對于所有燃燒種類有足夠的混合質量。
雖然與現有技術相比,該燃燒器具有明顯的改進火焰穩定性的加強、較低的污染排放量、較小的脈動、完全的燃燒、大的運行范圍、在不同燃燒器之間的良好的橫向點火、緊湊的結構型式、改善了的混合等等,但表明在新穎的發電預混燃燒中對于無摩擦的運行有必要進一步加強火焰穩定性以及改善火焰對前述燃燒室幾何體的適應性,尤其是要當消除脈動時。
本發明的目的在于,在上述類型的燃燒器中提出加強火焰穩定并使火焰適應上述燃燒室幾何體的措施,而無論如何不減少燃燒器的其余優點。
為此目的,在頭部起作用并屬于燃燒器的渦旋發生器的燃料噴管最好設置在渦旋發生器或燃燒器的軸線上,并一般供給液態燃料,而且被一環形的間隔套圍住。在該套中沿圓周方向設有可流入一定量空氣來沖洗燃料噴管的孔。與這些孔一起作用的是附加的噴嘴,它們最好用氣態燃料運行。少量的燃料通過這些噴嘴噴入一定量的空氣中來沖洗燃料嘖管,這樣,對于火焰穩定重要的燃燒器流動中心始終供予準確的量。從而可以達到在燃燒器的流動截面上有均勻的燃料濃度,而抑制了燃燒室的脈動。在流動截面上均勻的燃料濃度尤其出現在燃燒器軸線上,在那里按照經驗由于不均勻的燃料富集將產生火焰前緣的波動而引起脈動。此外,隨著抑制燃燒室的波動而使燃燒器的運行范圍變寬,因為不用再擔心會導致熄滅極限變壞的火焰不穩定性。
本發明的另一優點在于,通過燃料噴管范圍內的所述孔的沖洗空氣防止了由噴入的液態燃料對錐形渦旋發生器內壁的潤濕。
下面借助于附圖進一步說明本發明的實施例。所有對于直接理解本發明不重要的特征都予以省略。在不同附圖中相同的元件用相同的標號表示。介質的流動方向用箭頭表示。其中,
圖1作為預混燃燒器設計的在渦旋發生器下游具有混合段的燃燒器,圖2示意表示的設置有附加燃料噴射器的按圖1的燃燒器,圖3由多殼組成的渦旋發生器的透視圖,部分剖開,圖4雙殼渦旋發生器的橫截面,圖5四殼渦旋發生器的橫截面,圖6渦旋發生器的視圖,其殼體為葉片形,圖7渦旋發生器和混合段之間的過渡段幾何形狀,圖8使回流區空間穩定的輪廓邊緣。
圖1表示燃燒器的總體結構。首先渦旋發生器100起作用,其結構在后面的圖3-6中還要進一步表示和說明。這一渦旋發生器100是一種錐形結構,它受切向流入的燃燒空氣流115的作用。其中形成的流動借助于設置在渦旋發生器100下游的過渡幾何體無縫地導入過渡段200,從而在那里不能出現分離區。該過渡幾何體的形狀在圖6作進一步說明。該過渡段200在過渡幾何體的流出側通過混合管20延長,這兩部件構成真正的混合段220。自然混合段220可以由單一段組成,即過渡段200和混合段20溶合成一個單一的相關的結構,其中保留了每一部件的特性。如果由兩個部件制成過渡段200和混合管20,則這兩個部件由套環10相連,其中相同的套環10頭部側用作渦旋發生器100的錨固面。此外,這種套環10的優點是,可以安裝不同的混合管。真正的燃燒室30位于混合管20的下游側,這里僅僅由火管象征地表示。混合段220很大程度上完成了在渦旋發生器100下游準備提供可以完美預混各種燃料的段的任務。此外,混合段即前面的混合管20可以實現無損的流動導引,因此,與過渡幾何體相關地首先不可能形成回流區,從而在混合段220的整個長度上可以對所有種類燃料的混合質量施加影響。但是,混合段220還有另一性質,即其中的軸向速度分布在軸線上具有明顯的最大值,因而火焰從燃燒室的逆燃是不可能的。當然正確的是在這種形狀中軸向速度朝壁的方向下降。為了在這一區域也阻止逆燃,混合管20沿流動方向和圓周方向設有不同橫截面和方向的一定數量的規則和不規則分布的孔21,通過這些孔一定量的空氣流入混合管20的內部,從膜形成意義上說,沿著壁提高了流通速度。孔21也可以設計成,在混合管20的內壁至少還可以附加調節擴散冷卻。另一種在混合管20內提高混合物速度的可能性在于,其通流橫截面在形成上述過渡幾何體的過渡通道201的流出側得到收縮,從而在混合管20內的總體速度水平得到提高。在圖中孔21相對于燃燒器軸線60成一銳角。此外,過渡通道201的出口與混合管20的最窄的通流橫截面相符。所述的過渡通道201連接了那里的不同橫截面,而對已形成的流動不產生負面影響。如果在沿混合管20導引管流40時所選擇的措施引起不允許的壓力損失,則通過在混合管端部設置一個在圖中未表示的擴壓器可以彌補這一損失。然后,在混合管20的端部連接一些燃燒室30,其中在這兩個通流橫截面之間存在一個由燃燒器前部構成的橫截面突變,才在這里形成一具有回流區50的中央火焰前緣。該回流區相對于火焰前緣具有無元件火焰穩定器的性質。如果在運行期間在橫截面突變內形成流動邊緣區,在該區域由于存在低壓而產生漩渦分離,則將導致回流區50更強的環狀穩定。燃燒室30的端側具有一些孔31,通過這些孔一定量的空氣直接流入橫截面突變處,此外,該突變還有助于加強回流區50的環狀穩定。此外需要提到的是穩定回流區50的產生也需要在管內具有足夠多的漩渦數。如果這一點不是首先希望的,則可以通過在管端例如通過切向孔輸入強度小的渦旋的空氣流來產生穩定的回流區。其中假設為此所需的空氣量級為總空氣量的5~20%。如果混合管20端部的燃燒器前部70的結構用來穩定回流區50,則可參閱對圖8的說明。
圖2表示圖1所示燃燒器的示意圖。其中尤其指出了中央設置的燃料噴管103的沖洗和燃料噴射器170的作用。燃燒器其余主要部件的作用方式即渦旋發生器100和過渡段200在下面的圖中要進一步說明。燃料噴管103套有間隔的環190,環190內設有一定數目的沿圓周方向設置的孔161,一定量的空氣160通過這些孔流入環形室180內,并在那里沖洗燃料噴管。這些孔161設置成斜著向前,從而對燃燒器軸線60產生一適當的軸向分量。設有附加的燃料噴射器170與這些孔161一起作用,將一定量的最好是氣態燃料輸入那里的一定量空氣160中,這樣在混合管20內在整個流動橫截面上形成均勻的燃料濃度,如圖中象征性所示。均勻的燃料濃度150,尤其是燃燒器軸線60上的大的濃度用于穩定燃燒器出口處的火焰前緣,從而避免出現燃燒室的波動。
為了更好地理解渦旋發生器100的結構,最好在參閱圖3的同時至少參閱圖4。下面在說明圖3時按照需要參閱其余的圖。
圖1所示的燃燒器的第一部件構成了圖3所示的渦旋發生器100。該渦旋發生器由兩個空心的錐形部件101,102組成。這兩部分相互錯開套裝在一起。錐形部件的數目當然可以大于兩個,如圖5和6所示。這與整個燃燒器的運行種類有關,如下面還要進一步說明的那樣。在一定的運行情況下可以設置一個由單一螺旋線組成的渦旋發生器。錐形部件101、102的各中軸線或縱向對稱軸線101b,102b(圖4)的相互錯置在相鄰的壁部在鏡像對稱設置的情況下各形成一切向通道,即進空縫119、120(見圖4)。通過這些進氣縫燃燒空氣115流入渦旋發生器100內部,即其錐形空腔114內。所示的部件101、102沿流動方向的錐形具有一固定的角度。當然,根據運行情況,部件101、102沿流動方向可以具有增大的或減小的錐度傾斜,類似于喇叭或郁金香形。這兩種形狀都沒有圖示,因為這對于專業人員可毫無困難地理解。這兩個錐形部件101、102各具有一個圓環形起始段101a。在該圓環形起始段內安裝有在圖2中已提及的燃料噴管103,該噴管最好用一種液態燃料112運行。燃料112大約在由錐形部件101、102構成的錐形空腔114的最窄橫截面處噴入104。燃料噴管103的噴入容量和類型取決于各燃燒器的預定參數。此外,錐形部件101、102各具有一燃料導管108、109。這些燃料導管沿著切向進氣縫119、120設置,并設有噴入孔117。通過這些孔最好噴入一種氣態的燃料113進入流過那里的燃燒空氣115,如箭頭116象征性所示。燃料導管108,109最好設置在流入錐形空腔114之前的切向流入的端部,以便獲得最佳的空氣/燃料的混合。由燃料噴管103噴入的燃料112如已提及的一般情況下為液態燃料,其中可以毫無困難地與另一種介質如回流的煙氣形成混合。燃料112最好以很小的銳角噴入錐形空腔內。然后由燃料噴管103形成一錐形燃料噴霧105,該燃料噴霧被切向流入的旋轉的燃燒空氣115所包圍并被稀釋。然后沿軸向噴入的燃料112的濃度繼續通過流入的燃燒空氣115減小,形成蒸汽混合物。如果氣態燃料仍通過孔形噴嘴117噴入,則直接在進氣縫119、120的端部形成燃料/空氣的混合物。如果燃燒空氣首先被預熱或例如用回流的煙氣或廢氣預熱,則有助于液態燃料112的汽化,然后,該混合物流入后面一級,這里為過渡段200(參見圖1和7)。相同的考慮亦適用于通過導管108、109輸入液態燃料。錐形部件101、102的形狀基于切向進氣縫119、120的錐角和寬度遵守最小極限,從而在渦旋發生器100的出口形成燃燒空氣115的所希望的流場。一般可以說,切向進氣縫119、120的變小有助于在渦旋區域快速形成回流區。渦旋發生器110內的軸向速度可以通過圖2中(位置160)詳細說明的輸入一定量的空氣來提高或穩定。相應的渦旋發生與后面的過渡段200(參見圖1和7)一起作用阻止了在渦旋發生器100后面的混合管內形成流動分離。此外,渦旋發生器100的結構適合于改變切向進氣縫119、120的尺寸,從而不改變渦旋發生器100的結構長度就可獲得相當大的工作范圍。當然,部件101、102也可在另一平面內相互移動,從而甚至可以形成重疊。此外,部件101、102也可通過相對轉動運動而相互螺旋套裝。由此可以任意改變切向進氣縫119、120的形狀、尺寸和結構,所以可以廣泛使用渦旋發生器100,而毋需改變其結構長度。
另外,由圖4可見選擇設置的導葉121a、121b的幾何形狀。它具有引入流體的功能,其中根據其長度沿相對于燃燒空氣115的迎流方向延長了錐形部件101、102的各端部。燃燒空氣115可以通過打開或關閉導葉121a、121b而導入錐形空腔114內,導葉121a、121b可以在通道的進口范圍圍繞著設置在錐形空腔114內的旋轉點123旋轉。尤其是必需可以動態改變切向進氣縫119、120的原始間隙尺寸,以便例如改變燃燒空氣115的速度。當然通過將所需的導葉構成具有錐形部件101、102的固定部件而可將動態措施設置為靜態的。
相對于圖4,圖5表示渦旋發生器100由四個部件130、131、132、133制成。各部件的有關縱向對稱軸線用字母a表示。對于這種結構可以說,由于由此所產生的小的渦旋強度并與相應變大的縫寬一起作用,該形狀能最好地避免在混合管內在渦旋發生器的流出側發生渦旋破裂,從而混合管能最好地完成其所期望的作用。
圖6與圖5不同,這里部件140、141、142、143具有用來形成一定流動的葉片形狀。此外,渦旋發生器的工作方式是相同的。燃料116與燃燒空氣流115的混合在葉片內部發生,即燃料導管108與各葉片作成整體。這里各部件的縱向對稱軸線也用字母a表示。
圖7表示過渡段200的三維視圖。該過渡幾何體為具有四個部件的渦旋發生器100(相應于圖5或6)而制成。相應地該過渡幾何體作為在上游起作用的部件的自然延長而具有四個過渡通道201,由此延長了所述部件的四分之一錐形面,直至其與混合管的壁相交。這一構思也適用于由另一不同于圖3所述的原理制成的渦旋發生器。各過渡通道201向下沿流動方向延伸的面具有沿流動方向呈螺旋形延伸的形狀,該形狀描繪出一鐮刀形途徑,按照這一事實,過渡段200的通流橫截面沿流動方向呈錐形變寬。過渡通道201沿流動方向的螺旋角選擇成,為管內流動直至燃燒室入口處的橫截面突變處保留一足夠大的距離,以實現與已噴入的燃料的完好預混。此外,通過上述措施也提高了渦旋發生器下游的混合管壁處的軸向速度。過渡幾何體和混合管范圍的這些措施明顯提高了向混合管中心點的軸向速度分布圖,從而決定性地消除了提前點火的危險。
圖8表示已提及的在燃燒器出口處形成的輪廓邊緣。管20的通流橫截面在該范圍具有一過渡半徑R,其尺寸基本上取決于管20內的流動。半徑R選擇成,使流動貼向壁部,從而大大提高了渦旋數。半徑R的尺寸在數量上這樣來確定,即R大于管20內直徑d的10%。相對于沒有半徑的流動屆時將大大增加回流氣泡50。半徑R延伸至管20的出口平面,其中彎曲的起點和終點之間的角度β小于90°。沿著角β的一邊,輪廓邊緣A延伸進入管20的內部,從而相對于輪廓邊緣A的前點形成一輪廓梯度,其深度>3毫米。當然,這里平行于管20的出口平面延伸的邊緣可以用一曲線途徑再回到出口平面。輪廓邊緣A的切線和管20的出口平面的垂線之間的角度β′與角β相同。這種輪廓邊緣結構的優點可見EP-0 780 629 A2中的發明概述部分。用于同一目的的輪廓邊緣的不同結構可用燃燒室側的環面切口實現。
權利要求
1.運行熱發生器的燃燒器,其中燃燒器大致由用于燃燒空氣流的渦旋發生器和將至少一種燃料噴入燃燒空氣流的裝置組成;在渦旋發生器的下游設置一混合段,該混合段在沿流動方向的第一段具有一定數量的過渡通道,用于將在渦旋發生器內形成的流動轉移到過渡通道下游的過渡到燃燒器前部的混合管內;其特征在于,渦旋發生器(100)具有使燃料濃度(150)至少在混合管(20)的流動橫截面上均勻的裝置(160,161,170,190)。
2.按照權利要求1的燃燒器,其特征在于,上述裝置由一個設置在渦旋發生器(100)頭部的并與燃料噴管(103)一起作用的環(190)組成,該環(190)具有一定量的沿圓周方向設置的孔(161),一種燃料(170)可噴入經孔(161)流入的一定量的空氣(160)中。
3.按照權利要求2的燃燒器,其特征在于,孔(161)的方向斜著向前。
4.按照權利要求2的燃燒器,其特征在于,燃料噴管(103)被一環形的空氣室(180)圍住。
5.按照權利要求1的燃燒器,其特征在于,混合管(20)向著后面的燃燒室(30)的燃燒器前部用輪廓邊緣(A)構成。
6.按照權利要求1的燃燒器,其特征在于,混合段(220)內一定數目的過渡通道(201)與渦旋發生器(100)形成的分流數目相符。
7.按照權利要求1的燃燒器,其特征在于,接在過渡通道(201)后的混合管(20)沿流動方向和圓周方向設有孔(21),用于噴入一定量的空氣進入混合管(20)的內部。
8.按照權利要求7的燃燒器,其特征在于,這些孔(21)相對于混合管(20)的燃燒器軸線(60)按一銳角延伸。
9.按照權利要求1的燃燒器,其特征在于,過渡通道(201)下游的混合管(20)的通流橫截面小于、等于或大于渦旋發生器(100,100a)內形成的流動(40)的橫截面。
10.按照權利要求1的燃燒器,其特征在于,在混合段(220)下游設有一燃燒室(30),在混合段(220)和燃燒室(30)之間存在一橫截面突變,該突變引發燃燒室(30)的起始流動橫截面,并在橫截面突變范圍作用著一回流區(50)。
11.按照權利要求1的燃燒器,其特征在于,在燃燒器前部(70)有一擴壓器和/或一文丘里管。
12.按照權利要求1的燃燒器,其特征在于,渦旋發生器(100)由至少兩個空心的沿流動方向相互套裝的錐形部件(101,102;130,131,132,133;140,141,142,143)組成,這些部件的各縱向對稱軸線(101b,102b;130a,131a,132a,133a;140a,141a,142a,143a)相互錯開延伸,這樣,部件的相鄰壁部在其縱向延伸段形成用于燃燒空氣流(115)的切向通道(119,120),在由部件構成的內腔(114)內至少有一燃料噴管(103)起作用。
13.按照權利要求12的燃燒器,其特征在于,在切向通道(119,120)范圍內沿其縱向段設置有另一些燃料噴管(117)。
14.按照權利要求12的燃燒器,其特征在于,部件(140,141,142,143)其橫截面為葉片形狀。
15.按照權利要求12的燃燒器,其特征在于,上述部件沿流動方向具有一固定的錐角或增大的錐度或減少的錐度。
16.按照權利要求12的燃燒器,其特征在于,上述部件呈螺旋狀相互套裝。
全文摘要
本發明涉及一種運行燃燒室的燃燒器,主要由一個渦旋發生器(100)、接在其后的過渡段(200)和混合管(20)組成;其中過渡段(200)和混合管(20)形成燃燒器的混合段,并設置在燃燒室(30)的上游。還設有裝置(160,161,170,190)來使在流動橫截面上的燃料濃度(150)均勻。用這些措施穩定了火焰前緣并抑制了燃燒室的脈動。
文檔編號F23C7/00GK1212347SQ9811929
公開日1999年3月31日 申請日期1998年9月18日 優先權日1997年9月19日
發明者T·魯克 申請人:Abb研究有限公司