CN100590355C - 具有限定圆锥形涡旋室的涡旋发生器的、传感器监视的预混合燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种预混合燃烧器，它具有一个限定圆锥形涡旋室的涡旋发生器，该涡旋发生器设置有至少两个部分圆锥形壳(2，3)，这些部分圆锥形壳沿燃烧器轴线(A)纵向相互错开地布置，相互分别围成沿燃烧器轴线(A)延伸的空气进入缝隙(4)并且相互组合地具有圆锥形扩宽的预混合燃烧器外轮廓，该预混合燃烧器外轮廓具有一个最大外直径(A_max)，该外直径轴向地收缩到具有最小外直径(A_min)的区域中。本发明的特征在于，至少一个部分圆锥形壳(2，3)在最大外直径与最小外直径之间的区域中设置有一个与圆锥形扩宽的预混合燃烧器外轮廓不同的、在径向上向外局部地高出于预混合燃烧器外轮廓的容纳单元(7)，该容纳单元具有尺寸小于预混合燃烧器外轮廓的最大外直径(A_max)的一半的最大径向延伸尺寸(R_max)，并且，在容纳单元(7)内部设置至少一个空心通道(8)，该空心通道具有至少一个背离涡旋室(1)的通道口(9)以及具有基本平行于燃烧器轴线(A)的通道纵向延伸。

Description

具有限定圆锥形涡旋室的涡旋发生器的、传感器监视的预混合燃烧器

技术领域

本发明涉及一种预混合燃烧器，它具有一个限定圆锥形涡旋室的涡旋发生器，该涡旋发生器设置有至少两个部分圆锥形壳，这些部分圆锥形壳沿燃烧器轴线的纵向相互错开地布置，相互围成分别沿燃烧器轴线延伸的空气进入缝隙并且相互组合地具有圆锥形扩宽的预混合燃烧器外轮廓，该预混合燃烧器外轮廓具有一个最大外直径，该外直径轴向地收缩到具有最小外直径的区域中。

背景技术

前述类型的预混合燃烧器已从许多在前公开的文献中知道，例如从EP A1 0 210 462以及EP B1 0 321 809中知道，这里只列举了一些。这类预混合燃烧器的一般原理是，大多构造为圆锥形的涡旋发生器设置有至少两个带有相应地相互重叠的部分组合在一起的部分圆锥形壳，在该涡旋发生器中产生由燃料-空气混合物形成的涡流，该涡流在沿流动方向设置在预混合燃烧器后面的燃烧室中被点燃，构成空间上尽可能稳定的预混合火焰。

不论是单燃烧器装置还是多燃烧器装置，这类预混合燃烧器用于给燃烧室点火以便运行热力机械，特别是在燃气轮机设备或蒸汽轮机设备中，尤其是，这种预混合燃烧器可以使用不同的燃料以形成尽可能均匀的燃料-空气混合物，该燃料-空气混合物最终可被点燃，形成空气动力学上稳定的预混合火焰。

对于热力设备、特别是燃气轮机设备的运行在其环境相容性方面提出很高要求，通过燃烧过程释放到大气中的废气受到严格的排放极限值限制。此外，热力设备需要在其将能量转化为电能的效率方面优化，这尽可能是在其功率范围的整个谱上。

当前的燃气轮机设备以公知方式按照固定地预给定的运行模式运行，该运行模式取决于个别地预给定的有限数量的环境条件。这些环境条件例如是环境温度、空气湿度以及燃料品质，这里只列举了一些。这些外部影响明显影响燃气轮机设备的运行特性。因此，在考虑这些以及其它环境条件的情况下在例如预定结构系列的燃气轮机设备投入运行前制定所谓的运行操作手册或“运行工作计划”，根据它来确定重要的调节参数，通过这些调节参数应保证燃气轮机设备在整个功率范围内尽可能最佳地运行。这些调节参数尤其涉及到数量方面的和质量方面的参数，它们调节对燃烧器单元的燃料供给以及燃烧空气供给。

但只要在一个燃气轮机系列内存在已经极小的制造技术方面的偏差，尤其是涉及到燃烧器部件的偏差，则会出现问题。因为在燃烧器中使用的开头所述类型预混合燃烧器具有在火焰稳定性和排放特性方面优化的结构方式，所以，预混合燃烧器结构设计中的极小的、对空气动力学流体流产生不利影响的偏差就会对燃烧结果有显著的负面作用。如果燃烧过程按已知方式以固定地预给定的调节参数进行，这些调节参数不能够考虑可能由制造决定而出现的结构偏差，则这必然导致不令人满意的燃烧结果，最终表现为燃烧器中或处于燃烧器下游的热燃气路径中的过热、所谓的热声振荡和排放值变差。燃气轮机的各个部件的由***决定的老化现象也会使得整个燃气轮机设备的运行特性随着设备老化而变差。

因此，积极监视整个燃烧过程并且使影响燃烧过程的调节参数如燃料供给以及空气供给适应于当前可能出现的变化应当是追求目标。但其前提条件是感测燃烧器运行特性的多个参数，由此使燃烧器装置任意复杂并且最终使制造成本增大，需要感测燃烧器运行参数如燃料供给和空气供给、火焰温度、热声振荡的出现以及表面温度，以便得到关于当前燃烧状况的尽可能完整的图像。

发明内容

本发明的任务是，这样来进一步构造预混合燃烧器，使得通过尽可能少的结构设计工作而将不同构造的传感器单元集成于该预混合燃烧器的壳体中。特别是在该预混合燃烧器上进行配置，通过这些配置可以容易地、在维修技术上不费事地实现与不同传感器单元的适配。所要采取的措施还可在已处于使用中的预混合燃烧器上进行，这样，可以将适当构造的传感器单元后配到处于运行中的预混合燃烧器上。

本发明任务的解决方案是：根据本发明提出了一种预混合燃烧器，它具有一个限定圆锥形涡旋室的涡旋发生器，该涡旋发生器设置有至少两个部分圆锥形壳，这些部分圆锥形壳沿燃烧器轴线的纵向相互错开地布置，相互围成分别沿燃烧器轴线延伸的空气进入缝隙，并且相互组合地具有圆锥形扩宽的预混合燃烧器外轮廓，该预混合燃烧器外轮廓具有一个最大外直径，该外直径轴向地收缩到具有最小外直径的区域中，其特征在于，至少一个部分圆锥形壳在最大外直径与最小外直径之间的区域中设置有一个与圆锥形扩宽的预混合燃烧器外轮廓不同的、在径向上向外局部地高出于预混合燃烧器外轮廓的容纳单元，该容纳单元具有尺寸小于预混合燃烧器外轮廓的最大外直径的一半的最大径向延伸尺寸。并且，容纳单元至少具有一个空心通道，所述空心通道具有至少一个背离涡旋室的通道口，传感器单元可通过该通道口装入容纳单元中，其中，空心通道具有基本平行于燃烧器轴线的通道纵向延伸。

该要求符合对尽可能紧凑的结构形式的期望，不影响预混合燃烧器的径向安装宽度。这样，预混合燃烧器在许多情况下在轴向上具有与燃烧室连接的相应连接法兰，其中，至少预混合燃烧器被一个壳体包围，该壳体围成一个流动室，在该流动室中对预混合燃烧器供给输入空气。由于维护技术方面的原因，壳体至少具有一个可相应封闭的装配孔，预混合燃烧器可通过该装配孔轴向地装配到燃烧室壳体上。

按照本发明构造的容纳单元由于其紧凑的外部造型而不影响预混合燃烧器的可轴向装配性，此外提供了传感器单元的安装部。该平行于燃烧器轴线的通道纵向延伸使得可以与燃烧器轴线同轴线地装入相应的传感器单元，由此，即使装备有相应传感器单元的预混合燃烧器也没有最大径向延伸度突出于预混合燃烧器壳体的最大外直径之外的部件，这样，在这种情况下也保持了整个预混合燃烧器的可轴向装配性。

下面借助实施例详细阐述本发明预混合燃烧器的特别的细节特征。

附图说明

下面借助实施例参考附图不限制本发明构思普遍性地详细说明本发明。附图表示：

图1预混合燃烧器的纵剖面示意图，

图2        预混合燃烧器的横剖面图，

图3a至d    各一个按照本发明构造的具有用于容纳不同传感器单元的不同空心通道的容纳单元的纵剖面。

具体实施方式

图1示出通过按照本发明构造的预混合燃烧器的一个纵剖面，该预混合燃烧器具有一个圆锥形构造的涡旋室1，该涡旋室由两个部分圆锥形壳2，3限定。这些部分圆锥形壳2，3关于燃烧器轴线A(参见图2的横剖面图)相互错开地布置并且相互围成对应的空气进入缝隙4。此外这两个部分圆锥形壳2，3具有一个预混合燃烧器外轮廓，该预混合燃烧器外轮廓在燃烧器出口5的位置上具有最大外直径A_max，该外直径轴向地收缩并规定一个具有最小外直径A_min的区域6，在该区域中通常可定位一个中央燃烧器喷嘴装置(未示出)。在图1和2中示出的实施例中，每个部分圆锥形壳2，3各设置一个容纳单元7，它固定地接合在对应的部分圆锥形壳2，3的外壁上。容纳单元7具有一个最大径向延伸尺寸R_max，该延伸尺寸小于或明显小于最大外直径A_max的一半。由此保证，该预混合燃烧器单元在轴向可以不受阻碍地穿过装配孔，该装配孔仅具有不明显地大于最大外直径A_max的装配直径。按照图1和2中的实施例的容纳单元7构造为分开的部件，它可以以后装件的形式接合到对应的部分圆锥形壳2，3的外壁上。当然也可以在制造部分圆锥形壳时将容纳单元7与该部分圆锥形壳一件式地连接。

为了机械上的稳固并且也为了防护由装配工作造成的损坏，在预混合燃烧器的外壳体上安置了支撑侧壁11，它们也不突出于最大外直径A_max之外。

为了安装合适构造的传感器单元，容纳单元7具有至少一个空心通道8，该空心通道的通道纵向延伸平行于燃烧器轴线A定向。此外，空心通道8在图1所示实施例中具有一个第一通道口9，它轴向向外打开并且使相应构造的、棒状地与空心通道8的内轮廓匹配的传感器单元可以***。根据传感器单元的类型可以任意构造空心通道8的内轮廓。在所示的该实施例中空心通道8通过一个第二通道口10直接通入涡旋室1中。继续参考图3所示实施例可以清楚，空心通道8也可以具有与所装入的传感器类型不同的内轮廓。但所有空心通道构造的共同点是，它们具有与燃烧器轴线A平行的取向，该取向使得可以在轴向方向装备相应的传感器单元。

如已经提到过的，在图2中示出通过图1所示预混合燃烧器的一个横剖面。从该横剖面中可以看出，除构成为主通道的空心通道8外容纳单元7还各被两个另外的空心通道8′穿过，在它们中同样可***相应的传感器单元。此外特别有利的是，容纳单元7在圆周方向上在燃料供给管19与壳末端边缘20之间尽可能在中间安置在部分圆锥形壳2，3的背离涡旋室1的表面上，以便尽可能不影响指向空气进入缝隙4内的空气流。证明特别有利的是，容纳单元7与壳末端边缘20之间的距离选择得刚好是容纳单元7超过部分圆锥形壳的表面的最大径向超出高度的两倍大。此外，容纳单元7的表面轮廓当然应设计得尽可能有利于流动。

按照图3a至d的纵剖面表示出不同地构造的空心通道的可互换的构造方式，它们分别匹配于不同的传感器类型。

图3a具有一个空心通道8，它基本设置有两个直径尺寸不一样大的通道段12和12′，其中，横截面尺寸较大的通道段12有利地适合于***麦克风传感器(Microphone Sensor)13。该通道段12通过一个直径尺寸较小的通道段12′直接通入涡旋室1中，通过该涡旋室例如可传导压力波动，例如由在燃烧室内腔中形成的热声振荡所激发的压力波动。此外容纳单元7具有一个喷淋通道14，冷空气可通过它供入空心通道8中，以避免麦克风传感器13过热。如果冷空气被加载压力地在通道段12′的区域中从外部通过喷淋通道14进入空心通道8中，则冷空气可阻止热燃气通过通道口10进入空心通道8中并且以此方式避免传感器单元过热。

在图3b所示实施例中，空心通道8具有不变的内直径，用于***光学的火焰传感器15。光学的火焰传感器15具有一个观察角度范围16，该观察角度范围一方面由光学的火焰传感器15的出口口径、另一方面由使视角增大的通道口10限定。一个喷淋通道14也用于导入相应的冷空气，以避免火焰传感器15过热。在这种情况下喷淋通道14直接设置在通道口10的附近，以便有效地保护火焰传感器15的前出口区域不与热燃气在传热方面接触。借助光学的火焰传感器15可以监视在燃烧室内形成的焰锋，该焰锋的空间位置是稳定燃烧的一个重要标志。

图3c具有双通道引导8，8′，其中，构造为盲孔的空心通道8，8′平行于燃烧器轴线A延伸。此外两个空心通道8，8′具有垂直于燃烧器轴线的通道段17，17′，其中，通道段17通入涡旋室1中，通道段17′通入包围预混合燃烧器的大气中。借助在图3c中示出的空心通道构造可以进行压差测量。该压差测量主要用于确定通过燃烧器的空气流量。由此可以确定燃气轮机壳体内部的空气分布不同样性和/或燃烧器与燃烧器之间的通流特性的不同样性，如果涉及多燃烧器装置。如果在一个燃烧器的多个圆锥形壳上进行压差测量，则还可以确定单个燃烧器内部的空气流动不同样性。

最后，图3d的实施例示出一个构造为完全盲孔的空心通道8，热传感器单元18可***该空心通道中。

当然可以将在前述实施例中说明的传感器单元任意地组合在一个唯一的容纳单元7内，这样，可从预混合燃烧器方面获得尽可能多的不同测量数据。

这样，前述传感器单元的总和使得可以感测多个运行参数，例如火焰温度或部分圆锥形壳内部的预混合燃烧器温度，以便确定预混合燃烧器的当前热负荷，以便在已确定过热的情况下在必要时采取相应的冷却措施。

也可以沿着燃料输入管道进行压差测量，由此可以在控制下监视和调节燃料供给，尤其是在分级燃料供给情况下。按此方式可以直接影响火焰温度以及氧化氮排放。借助合适构造的光学传感器可以确定火焰温度，尤其是在回流区中构成的预混合火焰中。也可以通过光学途经监视并相应确定燃烧质量。此外，借助合适的压敏传感器例如麦克风传感器可以感测所出现的热声振荡或脉冲。借助按以上方式获得的测量数据可以按照尽可能优化的燃烧对燃烧过程进行积极的再调节。已经提到过，本发明结构方案也可以在加装到已经存在的预混合燃烧器上的范围内进行，借助本发明结构方案可以根据当前出现的影响燃烧过程的燃烧器条件来再调节燃烧器特性。

在多燃烧器装置的情况下特别有利的是，测量传感器单元布置在多个燃烧器中。由此可以确定脉冲的局域分布、火焰温度、压力分布等并从而能够推断燃烧质量的局域分布，以便最终能够再调节局部的燃烧条件。

附图标记

1    涡旋室

2，3      部分圆锥形壳

4         空气进入缝隙

5         燃烧室出口

6         具有最小外直径的区域

7         容纳单元

8         空心通道

9，10     通道口

11        支撑侧壁

12，12′  空心通道段

13        麦克风传感器

14        喷淋通道

15        光学的火焰传感器

16        视角范围

17，17′  第二通道段

18        热传感器

19        燃料输入管

20        壳末端边缘

Claims (20)

1。一种预混合燃烧器，它具有一个限定圆锥形涡旋室(1)的涡旋发生器，该涡旋发生器设置有至少两个部分圆锥形壳(2，3)，这些部分圆锥形壳沿燃烧器轴线(A)的纵向相互错开地布置，相互围成分别沿燃烧器轴线(A)延伸的空气进入缝隙(4)，并且相互组合地具有圆锥形扩宽的预混合燃烧器外轮廓，该预混合燃烧器外轮廓具有一个最大外直径(A_max)，该外直径轴向地收缩到具有最小外直径(A_min)的区域中，其特征在于，至少一个部分圆锥形壳(2，3)在最大外直径与最小外直径之间的区域中设置有一个与圆锥形扩宽的预混合燃烧器外轮廓不同的、在径向上向外局部地高出于预混合燃烧器外轮廓的容纳单元(7)，该容纳单元具有尺寸小于预混合燃烧器外轮廓的最大外直径(A_max)的一半的最大径向延伸尺寸(R_max)，并且，在容纳单元(7)内部设置至少一个空心通道(8)，该空心通道具有至少一个背离涡旋室(1)的通道口(9)，该空心通道的通道纵向延伸平行于燃烧器轴线(A)定向。

2.根据权利要求1所述的预混合燃烧器，其特征在于，空心通道(8)盲孔式构成。

3.根据权利要求1所述的预混合燃烧器，其特征在于，空心通道(8)构造为贯通通道，它完全贯穿容纳单元(7)以及部分圆锥形壳(2，3)并且具有一个朝向涡旋室(1)的通道口(10)。

4.根据权利要求1至3之一所述的预混合燃烧器，其特征在于，容纳单元(7)与部分圆锥形壳(2，3)的背离涡旋室(1)的表面固定接合或者与该表面一件式地连接。

5.根据权利要求3所述的预混合燃烧器，其特征在于，空心通道(8)直线式构造，具有至少一个具有恒定的通道横截面的通道段。

6.根据权利要求3所述的预混合燃烧器，其特征在于，空心通道(8)具有至少两个各具有一个不同的通道横截面的通道段(12，12′)，并且，具有较小通道横截面的通道段(12′)通过所述朝向涡旋室(1)的通道口(10)与涡旋室(1)邻接。

7.根据权利要求3所述的预混合燃烧器，其特征在于，所述朝向涡旋室(1)的通道口(10)具有开口轮廓，该开口轮廓通过部分圆锥形壳(2，3)被平行于燃烧器轴线(A)的空心通道(8)直线贯穿得到。

8.根据权利要求7所述的预混合燃烧器，其特征在于，所述朝向涡旋室(1)的通道口(10)具有与通过单纯贯穿造成的开口轮廓相比扩大的开口轮廓。

9.根据权利要求2所述的预混合燃烧器，其特征在于，空心通道(8)具有一个第一通道段，该第一通道段基本平行于燃烧器轴线(A)并且构造为盲孔通道，并且，沿该第一通道段的纵向连接着一个第二通道段(17)，该第二通道段垂直于燃烧器轴线(A)取向并具有所述朝向涡旋室(1)的通道口(10)。

10.根据权利要求9所述的预混合燃烧器，其特征在于，至少一个第二空心通道(8′)具有一个第三通道段，该第三通道段基本平行于燃烧器轴线并且构造为盲孔通道，并且，沿该第二空心通道(8′)的该第三通道段的纵向连接着一个第四通道段(17′)，该第四通道段垂直于燃烧器轴线(A)取向并具有一个背离涡旋室(1)的通道口。

11.根据权利要求3所述的预混合燃烧器，其特征在于，所述朝向涡旋室(1)的通道口(10)设置在燃烧器长度的从燃烧器出口(5)、即具有最大外直径(A_max)的燃烧器区域测量约三分之一的区域中。

12.根据权利要求1所述的预混合燃烧器，其特征在于，所述至少一个空心通道(8)的大小、形状和布置这样选择，使得空心通道(8)可以轴向指向地装备棒状的、与该空心通道的内轮廓匹配的传感器单元。

13.根据权利要求12所述的预混合燃烧器，其特征在于，该传感器单元构造为声学的，光学的，化学的或热学的传感器，或构造为压力传感器。

14.根据权利要求12或13所述的预混合燃烧器，其特征在于，所述空心通道(8)具有用于将传感器单元能拆卸地固定安置到该空心通道(8)上或内的固定装置。

15.根据权利要求4所述的预混合燃烧器，其特征在于，部分圆锥形壳(2，3)的背离涡旋室(1)的表面在圆周方向上一方面被燃料输入管、另一方面被壳末端边缘限定边界，容纳单元在燃料输入管与壳末端边缘之间尽可能布置在中间。

16.根据权利要求15所述的预混合燃烧器，其特征在于，在容纳单元(7)与壳末端边缘之间设置一个距离，该距离相当于容纳单元(7)超过部分圆锥形壳(2，3)的表面的最大径向超出高度的两倍。

17.根据权利要求15或16所述的预混合燃烧器，其特征在于，容纳单元(7)具有背离部分圆锥形壳的、有利于流动的表面轮廓，通过该表面轮廓保持几乎不影响流入相应空气进入缝隙内的空气流。

18.根据权利要求1至3之一所述的预混合燃烧器，其特征在于，空心通道(8)与至少一个穿过部分圆锥形壳(2，3)径向向外伸出的喷淋通道(14)连接，通过该喷淋通道，喷淋气能够供入该空心通道(8)中。

19.根据权利要求14所述的预混合燃烧器，其特征在于，所述固定装置呈螺纹连接、连接法兰或压配合的形式。

20.根据权利要求18所述的预混合燃烧器，其特征在于，所述喷淋气是冷空气。

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