专利名称：燃烧器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的燃烧器。
从ED-0321809已知一种由多个壳体构成的锥形预混燃烧器，该燃烧器在圆锥头部中产生一致的涡流，由于涡流沿圆锥尖端逐渐增大，因此涡流变得不稳定并且转变成了环形涡流，联系到横截面在此突然变宽，这种环形涡流便在燃烧器的轴线上形成了回流区。在起不占体积的火焰稳定器作用的回流区或回流泡的驻点上点火燃烧开始之前，气体燃料在此沿由单独壳层构成的切向通道，也叫进气切口喷入并且与此处流入的燃烧用空气混合。在此期间，气体燃料的最后一个喷嘴在流动方向上位于燃烧器出口很近的地方，因此也就位于火焰的附近。
这样说来，由这个喷嘴喷出的燃料就没有最地与空气混合而且往往形成较高的NOx-排出物。如果要加长预混合段以保持最低限度的NOx-排出物，就要在燃烧器主体和接续部件之间出现一个复杂的过渡件。穿过预混燃烧器顺流而下所形成的流场，由于轴向速度较低，则在接续管中要么在边缘要么在中间就出现了问题。接着便引起逆弧，并且以这样的方式在过渡区域中预混燃烧器不能很好地运行。在此主要通过在燃烧器头部的中央喷嘴把液体燃料引入，随后在圆锥空腔中汽化。在燃气透平特定的条件下，这些液体燃料的点火进行得相当早并且始终是在燃料喷嘴的附近进行，因此再度无法回避的是正是由于这种不好的混合情况，可能要增加NOx-排出物，对此就不得不例如借助喷水来作为补救措施。用一种液体燃料作动力的其他问题与相当小的通流有效断面有关，因而与在燃料喷嘴雾化角区域内可能出现的小锥角有关，因此在有害的裂化过程中，鉴于有害物质-排出物，例如一旦出现压力差，就可以很容易引起圆锥壳层的沾湿。此外必须指出，偿试燃烧与天燃气相似的含氢气体(MBTU气体或LBTU气体)，结果在沿切向通道布置的气体燃料喷嘴上引起了提前点火。对此人们试图采取补救措施，即在燃烧器出口引入一种用于这种气体燃料的特殊注射方法，然而其结果却不能完全令人满意。
在此本发明将实现补救措施。如在权利要求中所表述的那样，本发明的任务在于给开始所述的那种燃烧器提出预防措施，这些预防措施能够消除上述缺陷。
根据本发明的预混燃烧器由一个锥状涡流发生器组成，该涡流发生器至少建有两个沿切向布置的切口。燃烧用空气在这里沿轴向流入到涡流发生器中，然后经过所述切向切口或通道向外，在此，该锥状涡流发生器被一个主要由管构成的壳体围着，由于这个壳体的形状对涡流发生器外边和顺流而下的流动有很大的影响，因此还可以通过适当的措施将其在涡流发生器之后的形状改变。这样，在流动方向上例如可能通过锥体或文居里管来减小围着涡流发生器的壳体的横截面。在此也可以通过位于切口区域内的喷嘴引入气体燃料。如果用一种液体燃料作燃烧器的动力，则在锥状涡流发生器的尖端区域把燃料引入到围着的壳体的横截面中。
假如引入的是MTBU-或LBTU-气体，则可以直接把较大量的燃料从外面引入到围着的壳体的横截面中，以此同样也保证了与在此占优势的涡流空气的混合。
由此可见，本发明的主要优点在于在涡流发生器之后的流场是可以自由调整的。此外，在这方面要强调的是喷入液体燃料会引起围着的壳体的流动侧壁出现小量沾湿，因为就是在这个平面内流动横截面最大。为此借助于大的可能的喷射角，便能成功实现与已形成涡流的燃烧用空气的混合。那么沿涡流发生器顺流而下的尽可能长的预混合段能使随后的燃烧过程出现最低限度的NOx-排出物。对MBTU-或LBTU-气体良好的使用性上面已经探讨过了。
此外要注意，根据本发明的燃烧器的燃烧前面不再进行冷却。在预混和端级之间的密封问题这里也不再出现。
通过根据本发明燃烧器的简单几何结构，便可以在花费不大的情况下把空气导入到涡流发生器的尖端中，该尖端可以用来在燃烧器轴线上削弱或形成轴向喷射。如果用一种液体燃料作燃烧器的动力，则这种燃烧用空气还可以以现有技术的预混燃烧器更简单的方式来协助雾化。根据本发明的燃烧器与所述现有技术相比有关涡流产生的相反布置改善了液体燃料的雾化情况，在此，在涡流发生器壳层区域内不可能出现分层。如果把在外部区域的流动对准或削弱成纯轴向，则可以以这样的方式来实现，即旋流器不盖住围着的壳体的全部横截面。
根据本发明解决方案的优点和进一步结构将在其他权利要求中阐明。
下面将借助附图对本发明的实施例进行描述并作进一步的解释。就直接理解本发明来说所有不需要的元件均被略去。介质的流动方向由箭头表示。相同的元件在不同的图中均用相同的数字符号标出。
图1是预混燃烧器的轴向视图，图2是根据图1的预混燃烧器的前视图，图3是装有用于喷射液体燃料的端头喷嘴的预混燃烧器，图4是根据图3的预混燃烧器的前视图，图5是带有轴向边缘气体的预混燃烧器的另一示意图，图6是根据图5的预混燃烧器的前视图，同样也是示意图，图7是另一种对含氢气体的喷入有预防措施的预混燃烧器，图8是根据图7的预混燃烧器的前视图，图9是一种预混燃烧器的示意图，其中，涡流发生器没有盖住围着的壳体的全部横截面，和图10是根据图9的预混燃烧器的前视图，同样也是示意图。
为了更好地了解说明书中所述的预混燃烧器的结构，对于各正面图来说，同时还应考虑到相应的前视图。
图1显示的是由一个管状壳体2和一个在其内与之成一体的空心锥状涡流发生器3组成的预混燃烧器1。该涡流发生器3具一个在流动方向上逐渐减小的锥状轮廓。流入涡流发生器的空气4首先沿轴向流入，然后沿切向或准切向如箭头5所示的那样继续从里向外流动，为实现这一目标在此设置了切向通道6、7，这些切向通道是由至少两个空心锥状分壳体8、9叠加而形成的，在此这些分壳体8、9的中心轴相互错位。
在一定的运行状况下，涡流发生器3可以由唯一的一个螺旋管构成。如上面简短概述的那样，锥形分壳体8、9各自中心轴或纵向对称轴在内壁相邻情况下的彼此错位形成了切向通道6、7通过这此通道，燃烧用空气5从涡流发生器3的内腔16流入到管2中。
所示分壳体8、9的圆锥形在流动方向上有一个确定的固定角。当然，根据运行状况，分壳体8、9可以在流动方向上具有一个逐渐增大或逐渐减小的圆锥斜度，这样便形成了扩散器或者干扰器。由于最后提到的两种造型对于专业人员来说是可以轻易地仿做的，所以未在图中说明。两个锥形分壳体8、9各拥有一个燃料运输管道10、11，它们沿切向通道6、7布置且配备有喷入开口12、13，通过这些喷入开口，首先将一种气体燃料14喷入到流过此处的燃烧用空气5中，如箭头所示的那样，这些燃料运输管道10、11被特别地布置在由通道6、7确定的切向流出涡流发生器3和流入到混合管2内的区域中，这样便能获得最佳的空气/燃料-混合物15。如果对燃烧用空气5进行附加预热，或者例如加入返回的烟气或废气，则可以共同促进喷入的燃料14的持续汽化，特别是当燃料为液体燃料时，同样也可以通过上述燃料运输管道10、11喷入燃料。在锥形分壳体8、9的安排过程中，关于圆锥角度和切向通道6、7的宽度，本身是留有狭窄的界限，以便在涡流发生器3的出口可以对燃烧用空气5或者混合物15的所需流场进行调整。一般来说，缩小切向通道6、7的宽度可以局部进临界涡流数量的形成，这些临界涡流数量可以共同形成涡流区，在此同样要说明的是，通过在涡流发生器3的区域中对轴向速度的作用同样可以进行与此有关的校正。根据图5的实施情况当切向通管6、7的宽度在流动方向上可变时，同样可以对临界涡流数量产生影响。如果通道6、7的宽度在流动方向上逐渐减小，则回流区形成的位置顺流移动。回流区的形成是以下列方式实现的实际燃烧室位于管2的流出侧，该燃烧室在此未被详细表示出来。管2在此起混合管的作用，该混合管沿涡流发生器3顺流而下单有一确定的喷入燃料的混合段，在此混合段中，完美的预混合得到实现。此外，该混合段可以无损耗地对气流进行导向，这样即使在与自身存在的几何过渡的有效连接状态下也暂时不会形成回流区，对此通过混合管2的长度可以对各种燃料的混合质量施加影响。这个混合管2在此期间具有另一种特性，其内容是，在混合管2中，轴向速度剖面图在轴线上具有显著的最大值，因此不能出现来自燃烧室的火焰逆弧。当然，在这样的分布情况下，到侧壁的轴向速度可能下降也是正常的。为了在这一区域也能阻止逆弧，可在流动方向和切线方上给混合管2设置一些横截面和方向都不一样的未被示出的孔，通过这些孔有一定量的空气流入到混合管2的内部，并且沿侧壁增加了速度。能获得同样功效的另一种可能的方式在于，在涡流发生器3的流出侧，混合管2的通流有效断面有一个同样未被示出的收缩，因此在混合管2内部的总速度级增加了。在混合管2中的流动导向过程中，如果要让所选用的预防措施不产生压力损失，则可以通过在混合管2的端部设置一个未在图中示出的扩散器的方式来实现对此的补救。如上面已经描述的那样，燃烧室紧接在混合管2的端部，在此，在两个通流有效断面之间存在一个横断面突变。仅仅在这里才有中央回流区形成，该中央回流区具有火焰稳定器的特性，而这个火焰稳定器在此是不占体积的。就象已经提示的样，稳定回流区的形成也是以在混合管2中的足够高的涡流数量为前提的。在运行过程中，在所述断面突变内部逐渐形成了由于流动而得到的边区，在该边区中，通过在那里占优势的低压，产生了涡流分层，这就增强了回流区本身的环形稳定作用。高的涡流数量暂时是不受欢迎的，因此可以通过在混合管端部供给低旋空气流，例如经过切向开口，来形成稳定的回流区。这期间在此所需的空气量约占总空气量的5-20％。涡流发生器3的设计首先要宜于将切向通道6、7的宽度制成可变的，以此在不干扰涡流发生器3的结构长度情况下便可以控制住相当大的工作通带宽度。当然，锥状分壳体8、9也可以在另一平面内相互移动，甚至可以把它搭接在一起。此外还可以通过相反的旋转运动把锥状分壳体8、9螺旋状地相互交错。因此，可以任意改变切向通道6、7的形状、大小和配置，涡流发生器3以此在不改变其结构长度的情况下便具有广泛的工业可支配性。
图2显示的是燃烧用空气5从涡流发生器3的内腔16流出进入到混合管2中的情形，在此，在切向通道6、7的区域内，燃料14喷入到燃烧用空气流5中。在切向通道6、7的区域内首先喷入一种气态燃料。
与图1和2相比，图3和图4的区别在于这里有一个燃料喷枪17穿过涡流发生器3的内腔，在涡流发生器3的尖端区域，从燃料喷枪有燃料喷入18到混合管2中。这个喷嘴19主要是用一种液体燃料20作动力，使用另外一种燃料也不是绝对不可能的。如图所示，在液体燃料喷入过程中，由于喷油圆锥21可以较大规模地撒布，证明在该平面内的敞开断面是有利条件，也不存在沾湿混合管2侧壁的危险。此外，这里的预混燃烧器1的结构与前述附图的那些结构相符。
图5和6采用了图1和2的外形轮廓，不同点在于涡流发生器3附加允许一环形轴向空气流22.这种空气流的最终目的在图1下的说明中得知，在那里所解释的是，可以通过喷入轴向空气流来协调临界涡流数量在合适的位置形成。
图7和8以图3和4为依据，在此，进一步的措施是在这里设置了用来把MBTU-或LBTU-气体24喷入到混合管2中的装置23。这种喷入形式基本取决于实际情况，即很难通过在涡流发生器3上的可能的喷入途径来完成对这种所需气体24的大量注入的情况。
根据图9和10的预混燃烧器基本显示了图1和2，在此该涡流发生器3的轴向进气口25最大，也就是说，涡流发生器3的进口横截面25与混合管2的横截面一致。空气流5最可能的流量经过切向通道6、7均沿进口横截面25顺流而下。在那些需要把在外部区域的流动对准或削弱成纯轴向的地方，这种实施形式是特别有意义的。
数字符号表1 预混燃烧器2 管，混合管3 涡流发生器4 流入的空气5 切向或准切向流出的燃烧用空气，燃烧用空气6、7 切向通道8、9 锥状分壳体10、11 燃料运输管道12、13 喷入开口14 燃料15 空气/燃料-混合物16 涡流发生器内腔17 燃料喷枪18 燃料喷入19 喷油嘴20 燃料21 燃料喷射圆锥22 轴向空气流23 气体燃料喷入装置24 低热可燃气体
权利要求
1用于发热器的燃烧器，它基本上由一个用于燃烧用空气的涡流发生器、一个与涡流发生器保持有效连接的混合管和燃料喷入装置组成，其特征在于锥状空心的涡流发生器(3)在流动方向上至少局部形状逐渐变细，并且该涡流发生器(3)在流动方向上拥有用来使燃烧用空气(5)从空腔(16)流入到混合管(2)中的切向开口(6、7)。
2根据权利要求1的燃烧器，其特征在于燃料(14)的喷入装置是喷嘴(12、13)，这些喷嘴被布置在切向开口(6、7)的区域中。
3根据权利要求1的燃烧器，其特征在于燃料(20)的喷入装置由至少一个在涡流发生器(3)的尖端区域的带有燃料喷入(18)的喷嘴(19)构成。
4根据权利要求1-3的燃烧器，其特征在于燃料喷入装置(14、20)由在切向开口(6、7)区域内的喷嘴(12、13)和一个在涡流发生器(3)的尖端区域的中央喷嘴(19)组成。
5根据权利要求1的燃烧器，其特征在于沿混合管顺流而下布置有一个燃烧室，在混合管(2)和燃烧室之间的过渡区存有一个横断面突变，在该横断面突变区域可以形成回流区。
6根据权利要求1的燃烧器，其特征在于涡流发生器(3)由至少两个空心、锥状、在流动方向上彼此叠加的分壳体(8、9)组成，这些分壳体(8、9)各自的纵向对称轴彼此错位，这样，分壳体(8、9)的相邻内壁在其纵向延伸方向形成了用于使燃烧用空气流(5)流过的切向通道(6、7)。
7根据权利要求1的燃烧器，其特征在于涡流发生器(3)在流动方向上有一个逐渐减小的锥形横截面。
8根据权利要求1的燃烧器，其特征在于涡流发生器(3)在流动力向上具有干扰器的形状。
9根据权利要求1的燃烧器，其特征在于涡流发生器(3)在流动方向上经过一段距离才具有扩散器的形状。
10根据权利要求1的燃烧器，其特征在于混合管(2)是圆柱形的。
全文摘要
在用于发热器的燃烧器(1)中，流入的空气(4)首先被引入一个空心锥状涡流发生器(3)中，该涡流发生器被一个混合管(2)包围着。该涡流发生器(3)在流动方向上逐渐变细，这样，便形成一个空心圆锥。此外，涡流发生器(3)在流动方向上有切向开口(6、7)，这些开口首先是作为通道形成的，通过这些通道，燃烧用空气(5)从空腔(16)流入到混合管(2)中。在切向开口(6、7)区域设置有喷嘴(12、13)，通过这些喷嘴把燃料(14)喷入到由此经过的燃烧用空气(5)中。燃料的提供或为液体或气体，可以通过其他与燃烧器(1)保持有效连接的装置来完成。
文档编号F23C7/00GK1160143SQ96106020
公开日1997年9月24日 申请日期1996年4月25日 优先权日1995年4月25日
发明者K·德贝林, H·P·克诺费尔, W·波力菲, P·辛尼奥 申请人:Abb研究有限公司