CN1118858A - 预混燃烧器 - Google Patents

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Abstract

一种预混燃烧器，包括一个按双锥原理工作的引燃燃烧器和多个围绕引燃燃烧器设置的主燃烧器。一种气态的和/或液态燃料作为进入气态主流中的二次流被喷入主燃烧器(52)中。主流首先由涡流发生器(9)导向，在这些涡流发生器中有许多是并排地设置在流道(20)的周面上的。在涡流发生器下游设置了一个文氏喷嘴(50)，二次流是在文氏喷嘴的最大收缩区域中引入流道(20)中的。

Description

预混燃烧器
本发明涉及一种预混燃烧器，它主要包括一个引燃燃烧器和多个围绕引燃燃烧器设置的主燃烧器。
不管在很高压力下的用油运行情况下还是在采用合大量氢气的燃气运行情况下，在预混燃烧器中的着火延迟时间可能很短，以致于火焰稳定式燃烧器不再能作为所谓的低NOx燃烧器来使用。
通常利用横向射流混合器将燃料沿径向喷入流道中而使燃料与在预混流道中流动的助燃空气流相混合。但是燃料的动量太小，以致于大约在一段为流道高度100倍的距离之后才实际达到完全混合。也可采用了文丘里混合器。另外利用格栅装置喷射燃油也为人所知。最后也有在特殊的涡旋体之前进行喷射的。
在横向射流或层流基础上运行的装置要么其混合区很长，要么要求很高的喷射动量。在高压力和低于化学计量的混合条件下进行预混合时，存在逆燃光焰甚至混合物自然的危险。预混管中的流动分离和滞流区，壁上的较厚边界层或者通过横截面的极端的速度分布都可能是管中发生自燃的原因，或者构成可使火焰从下游的燃烧区向预混管中逆燃的路径。因此必须高度重视预混段的几何形状。
可以将所谓的双锥型预混燃烧器称为火焰稳定式燃烧器。这种双锥燃烧器例如由EP-B1-03321809公开，以后会参照图1和3对其进行说明。燃料(此处为天然气)沿入口间隙经一排喷嘴喷入由压缩机流来的助燃空气中。这些喷嘴一般均匀地分布在整个间隙上。
为了使混合物在下游燃烧室中可靠着火并达到充分的燃烧，必须使燃料与空气彻底混合。良好的混合还有助于避免了在燃烧室中出现所谓的“热点”，而这些热点会特别导致所不希望的NOx的形成。
上述利用常规方式(例如用横向射流混合器)进行的燃料喷射是很困难的，因为燃料本身所具有的动量不足以实现所要求的大范围分布和细分度混合。
相应地，本发明的目的是提出一种用于文首所述类型的预混燃烧器的措施，采用该措施则能在尽可能短的距离内实现助燃空气和燃料的彻底混合，同时混合区中速度分布均匀。此外，这种燃烧器不需要机械式火焰稳定器就能可靠地避免火焰逆燃。并且该措施适于对现已存在的预混燃烧室进行改型配置。
按照本发明，其目的是这样实现的：
——在具有一个环形流道的主燃烧器中将一种作为二次流的气态和/或液态燃料喷入一种气态主流中，
——主流先由涡流发生器导向，这些涡流发生器中有多个是并排地围绕有气流流通的流道的周面设置的，
——在涡流发生器下游设有一个文氏喷嘴，
——二次流从文氏喷嘴的最大收缩区域中引到流道中。
采用这种新颖的固定混合器，即三维涡流发生器，可以在主燃烧器中实现极短的混合距离，同时压力损失极少。通过产生纵向涡流而又没有再循环区域，在涡流旋转了完整的一周后两股物流就完成了粗混，而由于紊流和分子扩散过程，经过一段只相当于几个流道高度的距离后就实现了精混合。
这种混合方式特别适用于以相当低的上游压力和较大的稀释程度将燃料混入助燃空气中。燃料具有低的上游压力对于使用中、低热值的燃烧气体来说尤其有利。混合所需要的能量大部分从具有较高容积流量的流体即助燃空气的流动能量中获取。
在下游将文氏喷嘴设置在涡流发生器后面的优点在于文氏喷嘴的最大收缩部提供了一个使燃料在可能的最低背压下供入到涡旋的物流中去的简单方法。如果文氏喷嘴的尺寸选择正确时，则它的另一个优点是其中的流动速度超过了火焰速度，这样火焰就不可能向燃料喷射平面方向逆燃。
在文氏喷嘴上游的涡流发生器的特征在于它的一个顶面和两个侧面，其中两个侧面与同一个流道壁相连，相互间围成一个楔形开口角α，而顶面的沿纵向指向的边缘与伸入到流道中的沿纵向指向的侧面边缘相连，并与流道壁成一迎角θ。
这种涡流发生器的优点在于它在各个方面都非常简单，从加工方面来说，这种由三个被流体环流的壁组成的部件是完全没有问题的。顶面可以与两个侧面以各种方式连接在一起。而且对于可焊接的材料而言将部件固定在平的或弯曲的流道壁上可以由简单的焊接来实现。从流体力学观点来说，这种部件在流体环流时压力损失很小，它能产生涡流，又没有滞止区。最后，这种部件由于一般是做成空心的，因此可以用各种方式方法进行冷却。
最好是这样选择两侧面的连接边缘的高度h与流道高度H的比值，使得所产生的涡流紧接在涡流发生器下游就充满整个流道高度或配置涡流发生器的那部分流道的整个高度。
当两个围成楔形开口角α的侧面围绕一个对称轴线对称地设置时则是有利的，这会产生相等的旋流。
当两个围成楔形开口角α的侧面相互间形成至少近似锋利的连接边缘，该边缘与顶面的纵向边缘构成一个尖端，那么流动横截面实际上就不会受到阻塞。
如果锋利的连接边缘是涡流发生器的出口端边缘，并且垂直于流道壁延伸(涡流发生器的侧面与该壁相连)，那么其优点是不会形成一个尾流区。
当对称轴线平行于流道轴线延伸，并且两个侧面的连接边缘构成涡流发生器的下游边缘，而由此使在流道横向延伸的顶面边缘成为流道中物流最先流过的边缘时，那么在一个涡流发生器处将产生两个相同的但转动方向相反的涡流。存在一个中性旋流的流型，其中两个涡流的方向在连接边缘的区域中是上升的。
本发明的其它优点，尤其是有关涡流发生器的设置和燃料的供入方面的优点在从属权利要求中给出。
附图中示意示出了本发明的多个实施例，其中：
图1是一个燃烧器的部分纵剖面图；
图2是一个燃烧器的横剖面图；
图3A是双锥型预混燃烧器在其出口区域中的一个横剖面图；
图3B是同一预混燃烧器在锥尖区域的一个横剖面图；
图4是一个涡流发生器的透视图；
图5是一个变型涡流发生器的透视图；
图6是图4所示涡流发生器的另一种布置；
图7是一个涡流发生器在一个流道中的情况；
图8是另一个涡流发生器的变型实施例，
图9是图8所示涡流发生器的另一种设置情况。
现在参照附图，附图中只示出了用于理解本发明的主要部件，工作介质的流动方向用箭头表示。在各图中相同的部件采用相同的标号。对于本发明的非实质性部件如壳，紧固件，引导管，燃料的准备部分，调节装置等类似部件都省略了。
在图1和2中用标号53表示出一个圆柱形的燃烧器壁，其出口侧经适宜的部件与未示出的燃烧室的前壁100相连。该燃烧室可以是一种环形燃烧室或者是一种筒仓式燃烧室，在前壁100上设置了多个这样的燃烧器。
在燃烧器壁的内部(在图1中用点划线表示了燃烧器壁的入口端)，围绕一个中央设置的引燃燃烧器101布置了成组的六个主燃烧器52，在本例情况下，引燃燃烧器是一种双锥型的预混燃烧器，但不是非用这种不可。重要的是该引燃燃烧器应具有尽可能小的几何尺寸。在该燃烧器中应燃烧约10-30％的燃料。主燃烧器52是圆筒形的，在它们的管形壁54上沿流动方向首先设置了涡流发生器9，其出口汇入一个文氏喷嘴50。燃料由输送管120和51分别输送到引燃燃烧器和主燃烧器。助燃空气从一个未示出的压力空气源进入壳内部103，再从此处沿箭头方向流入燃烧器101，52中。
在图3A和3B中示意地表示出的预混燃烧器101是一种所谓的双锥燃烧器，例如由EP-B1-0321809公开的那样，它基本上由两个空心的沿流动方向相互交错在一起的锥形分体件111，112组成。两个分体件的中轴线113，114相互错开，两个分体件相邻的壁构成沿它们纵向延伸段的切向间隙119，用于使助燃空气进入到燃烧器内部，此处设有用于液体燃料的第一燃料喷嘴116。燃料以一个锐角喷入空心锥体中。所形成的锥形燃料外形被沿切向流入的助燃空气所包围的。由于与助燃空气混合，燃料浓度沿轴向连续地降低。在该实施例中燃烧器也可以用气态燃料工作。为此在切向间隙119区域中，两个分体件的壁中设置了一些沿纵向分布的气体进入口117。在用气体工作时，在入口间隙119区域中就已经开始了与助燃空气形成混合气。显然这样也可以用两种燃料进行混合运行。
在燃烧器出口118处，在要供入混合气的一个环形横截面上形成一种尽可能均匀的燃料浓度。在燃烧器出口处形成一个帽状回流区，着火发生在该区的顶端处。前面所提及的EP-B1-0321809中公开的双锥燃烧器大体如此。
在详细说明在主燃烧器52中新混合装置的安装之前，首先描述一下对本发明的工作方式很重要的涡流发生器9。
图4，5和6中没有示出由用大箭头表示的主流流过的实际通道。根据这些附图，涡流发生器基本上由三个能自由环流的三角形表面组成，其中有一个顶面10和两个侧面11和13。在其纵向上，这些表面以一个确定的角度沿流动方向延伸。
由直角三角形构成的涡流发生器侧壁经其纵向侧面最好以气密方式固定在流道壁21上。它们的定向使之在其窄边处形成一个围成楔形开口角α的连接部。该连接部构成一个锋利的连接边缘16，并垂直于侧面与之相连的那个流道壁21。围成楔形开口角α的两个侧面11，13在图4中从形状，大小和方向上都是对称的，并设置在对称轴线17的两侧。对称轴17的方向与流道轴线相同。
顶面10通过其边缘15而和侧壁11，13一样支承在相同的流道壁21上，边缘15很窄并在流道的横向上延伸。其纵向边缘12，14与侧面的伸入到流道中的纵向边缘相接。顶面以迎角θ向流道壁21延伸。其纵向边缘12，14与连接边缘16一起构成一个尖端18。
当然涡流发生器还可以有一个底面，可以用适当方式将该底面固定到流道壁21上。但这种底面与部件的工作方式没有关系。
图4中，两个侧面11，13的连接边缘16构成涡流发生器的下游边缘，因此顶面10的在通流流道横向上延伸的边缘15就是流道中物流首先接触的边缘。
涡流发生器的工作方式如下：当发生围绕边缘12和14的流动时，主流就转换成一对相反的涡流，它们的涡流轴线位于主流的轴线上。涡旋数和涡流分离(这正是所希望的)的位置通过选择相应的迎角θ和楔形开口角α来确定。当角度增大时，涡流强度以及涡旋数就增大，而涡流分离的位置向上游移动到涡流发生器本身的区域中。根据应用情况的不同，这两个角θ和α由设计要求和工作过程本身来确定。然后只须使部件的长度L以及连接边缘16的高度h相适配(见图7)。
图5示出了一个基于按照图4所示涡流发生器的所谓“半个涡流发生器”，其中只有涡流发生器9a的两个侧面中的一个侧面配有楔形开口角α/2。另一侧面是直的并与流动方向对齐。与对称的涡流发生器相比，此时只有一个涡流，是在带角的一侧产生的。结果在涡流发生器下游的流场不是中性涡流，相反，有一个涡流碰撞在物流上。
与图4相反，图6中所示的涡流发生器9的锋利连接边缘16是最先接触流道中物流的部位。该部件旋转了180度，从图中可见，两个相反的涡流改变了它们的旋转方向。
参见图7，一些涡流发生器装在流道20中。一般地，连接边缘16的高度h与流道的高度H相配，或者说与设置涡流发生器的流道部分的高度相配，使得所产生的涡流在紧接着涡流发生器下游处就已经达到完全充满流道高度H的规模。这导致在流动横截面上形成均匀的速度分布。另一个影响所选择的h/H比值的参数是在围绕涡流发生器进行流动时所产生的压力降。显然当比值h/H增加时，压力损失系数也增加。
在图2所示的实施例中，围绕环形截面周向相间地布置了四个涡流发生器9。上述与各个涡流发生器相配置的流道部分的高度在这种情况等于圆半径。显然，四个涡流发生器9也可以在它们各自的壁部分21上沿着周向并列设置，使得流道壁上不留任何间隙。最后，此处起决定的因素是产生的涡流。
涡流发生器9主要用于混合两股物流。以助燃空气形式出现的主流沿箭头方向接近横向指向的入口边缘15。以气态和/或液态燃料形式出现的二次流具有比主流要小得多的质量流量。在该情况下，二次流将在涡流发生器下游引入主流中。
参见图1，此处燃料由一个中央燃料喷管51喷射，喷管的出口位于涡流发生器下游。该喷管的尺寸定为通过流道20的全部体积流的10％左右。图中示出了燃料沿流动方向纵向喷射的情况。在这种情况下，喷射动量大约相当于主流的动量。也可以同样好地提供横向射流的喷射，此时燃料动量必须大约为主流动量的两部。
喷入的燃料被涡流携带并与主流相混合。燃料跟随涡流的涡旋形走向，并在涡流的下游在燃烧室中均匀地精细地分布。这样就减少了在相对的壁上形成冲击流层和形成所谓的“热点”的危险，这种危险在沿径向向无涡流的流动中喷射燃料时是存在的，如在文首已经提及的那样。
由于主要的混合过程是在涡流中完成的，并且在很大程度上与二次流的喷射动量无关，因此可以灵活地控制燃料喷射并使之与其它边界条件相匹配。从而可以在整个负荷范围中保持相同的喷射动量。由于混合是由涡流发生器的几何形状决定的，而不是由机器的负荷(在本例中为燃气轮机的功率)决定，因此这种结构的燃烧器甚至在部分负荷条件下也能以最佳方式工作。燃烧过程通过使燃料的着火延迟时间和涡流的混合时间相匹配而达到最佳化，这保证了排放物达到最少程度。
此外，强化的混合过程使通流截面上具有良好的温度分布，并减少了出现热声非稳定性的可能。涡流发生器本身的存在就是一种防止热声振动的衰减措施。
为了避免火焰向燃烧器中逆燃，在涡流发生器下游设置了一个文氏喷嘴52。该喷嘴有这样的尺寸，使得当出口速度约为80-150米/秒时，在最窄横截面处的流速则约为150-180米/秒。从最窄横截面到涡流发生器的出口边缘16的间距这样地选择，使得所产生的涡流在最窄横截面处就已经完全形成。燃料喷入的位置位于文氏喷嘴的最大收缩平面处。
图8和9以俯视图示出一个变型涡流发生器，而以前视图示出它在一个圆形流道中的布置。两个围成楔形开口角α的侧面11和13具有不同的长度。这意味着顶面10利用在有物流流过的流道上倾斜延伸的边缘15a与侧面相同地支承在流道壁上。在涡流发生器的宽度上自然具有一个不同的迎角θ。这种变型的作用在于可以产生不同强度的涡流。例如可以由此对一个附着在主流上的旋流施加影响。或者利用不同的涡流在涡流发生器下游将一个旋流强加到原来没有旋流的主流上。如图9所示。这种结构非常适用于独立的小型燃烧器单元。当采用多个这种单元时，例如在燃气轮机环形燃烧室中，可以充分利用强加在主流上的旋流，以改善燃烧器配置(例如在部分负荷下)的横向着火特性。
当然本发明并不局限于所描述和图示的实施例。就涡流发生器在连接上的布置而言就可以有许多种组合可能性，同时又不会偏离本发明的保护范围。将二次流引入主流也可以采用多种方式进行，例如只经过文氏管中的壁孔或是附加地经过这些壁孔进行。

Claims (9)

1.一种预混燃烧器，主要包括一个引燃燃烧器和多个围绕该引燃燃烧器设置的主燃烧器，其特征在于：
——将气态和/或液态燃料作为进入气态主流中的二次流喷入具有圆形流道(20)的主燃烧器(52)中，
——主流先由涡流发生器(9)导向，这些涡流发生器中有多个是并排地围绕有物流通过的流道(20)的周面设置的，
——在涡流发生器下游设有一个文氏喷嘴(50)，
——将二次流在文氏喷嘴的最大收缩区域处引到流道(20)中。
2.按照权利要求1的预混燃烧器，其特征是，引燃燃烧器按照双锥原理工作，它主要包括两个空心的、锥形的、沿流动方向相互交错在一起的分体件(111，112)，它们各自的中轴线(113，114)相互错开，两个分体件的相邻的壁在它们的纵向延伸部分构成助燃空气的切向间隙(119)，在切向间隙的区域中，两个分体件的壁上设有沿纵向分布的气体流入孔(117)。
3.按照权利要求1的预混燃烧器，其特征是，
一个涡流发生器(9)有三个被自由地环流的表面，这些表面沿流动方向延伸，其中一个表面构成顶面(10)，另外两个表面构成侧面(11，13)，
两个侧面(11，13)与同一个流道的壁部分(21)相连，并且相互间围成一楔形开口角(α，αh)，
顶面(10)利用一个在有物流通过的流道(20)的横向上延伸的边缘(15)支承在与侧面相连的同一壁部分(21)上，
顶面的纵向边缘(12，14)与伸进到流道中的纵向侧表面边缘相连，并与壁部分(21)成一迎角θ延伸。
4.按照权利要求3的预混燃烧器，其特征是，两个围成楔形开口角(α)的涡流发生器(9)侧面(11，13)围绕对称轴线(17)对称地设置。
5.按照权利要求3的预混燃烧器，其特征是，两个围成楔形开口角(α，αh)的侧面(11，13)相互之间构成一个连接边缘(16)，该连接边缘与顶面(10)的纵向指向的边缘(12，14)一起构成一个尖端(18)，连接边缘位于圆形流道(20)的径向上。
6.按照权利要求5的预混燃烧器，其特征是，连接边缘(16)和/或顶面的纵向指向的边缘(12，14)至少是近似锋利的。
7.按照权利要求1的预混燃烧器，其特征是，涡流发生器(9)的对称轴线(17)平行于流道轴线，两个侧面(11，13)的连接边缘(16)构成涡流发生器(9)的下游边缘，顶面(10)的在通流流道(20)横向延伸的边缘(15)是被主流首先接触的边缘。
8.按照权利要求1的预混燃烧器，其特征是，涡流发生器高度(h)与流道高度(H)的比是这样选择的，使得所产生的涡流在紧接着涡流发生器(9)的下游处就充满整个流道高度或者充满配置涡流发生器的流道部分的整个高度。
9.按照权利要求1的预混燃烧器，其特征是，二次流经流道(20)中的一个设置在中央的燃料喷管(51)借助于纵向喷射或横向射流喷射而被引入。
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