CN1157893A - 发热器的燃烧器 - Google Patents

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Abstract

一种用于发热器的燃烧器，它主要由一用于燃烧用空气流(115)的涡流发生器(100a)和用于将燃料喷入该燃烧用空气流的器件构成，在所述涡流发生器的顺流侧设置有一混合段(220)。该混合段在第一段部分(200)内具有一定数量的顺流向伸展的过渡通道(201)，该过渡通道保证了涡流发生器(100a)内形成的流(40)进入后置管件(20)的无缝输送。一用于喷入燃料的、设置在端头和燃烧器轴(60)上的喷嘴对应于涡流发生器的始端向逆流侧移动一个距离。

Description

发热器的燃烧器
本发明涉及一种依照权利要求1前序部分的燃烧器。
当在一种例如由EP-B1-0321809中作为预混合燃烧器公开的稳定涡流的燃烧器中，在燃烧器轴上喷入液体燃料，则在燃料喷嘴顺流侧构成的液体柱对于正切流入预混合燃烧器内腔的燃烧用空气流，尤其在喷入的顺流侧的第一区就好象一个固体。对应于在无液体燃料喷入情况下的流，在燃烧器头燃烧用空气的流入受到阻碍，从而增大了形成的涡流的切向分量。这将会导致火焰位置的改变，该火焰位置将向逆流侧移动。如果沿切向送风孔隙继续喷入燃料，就会使这种燃料喷入大大受到威胁，这是因为在此区起作用的火焰前端势必会导致对***的回火。此外还将导致火焰中心肥大，这将会对这种预混合燃烧器的工作造成各种形式不利的影响。在此种工作情况时将会造成各种各样、不胜枚举的缺点，这些缺点列举如下：
a)不容低估地增大了回火的危险，其中这将易于导致预混合燃烧器部件的灼蚀。如果回火危险增大，潜在的危险就会出现，就此点而言，作为碎裂的部件将会导致机器的严重损坏；
b)出于安全的原因，在最佳火焰位置用液体燃料的工作还不能得到广泛的应用，因而预混合燃烧器的工作范围很小；
c)用于上述原因缺少从始端开始喷流锥与燃烧用空气流的完全均匀的混合，这势必会增大氧化氮的污染；
d)不均匀的混合分布此外还将导致其它缺点，如增加有害物质污染以及产生振动；
e)与更为可靠和有效的燃烧的最佳流条件有很大的偏差。
发明的说明
本发明在这里将提出一种补救措施。如权利要求中限定的本发明，其任务在于，在本说明书引言部分中所述方式的一种预混合燃烧器中在最大效率的情况下，实现火焰稳定并实现有害物质污染的降低。
本发明的主要措施涉及端头侧的燃料喷嘴的位置，该位置对应于燃烧用空气的流入向逆流侧回移一定的距离，其中该距离取决于选用的喷射角度。由于此位移导致燃料喷嘴口在固定的外壳范围内，因而在这里同时可以径向围绕喷嘴口备有孔，吹洗空气通过这些孔流入由燃料喷嘴构成的截面。这样选择这些孔的流通截面，即应使在采用燃气工作时穿过此孔流入的空气流量不足以使回流区向顺流侧移动。在采用液体燃料工作时燃料喷射实际上起着喷射泵的作用，因而穿过所述孔流入的空气流量被增大。这将促使产生较大的轴向脉动，该轴向脉动将把回流区向顺流侧推移。
本发明的另一优点在于，由于燃料喷嘴的回移具有较大的锥半径的燃料喷射流进入主流，即流入经切向逆风孔隙流入的燃料用空气中。燃料喷射流在此平面已由液膜分解成液滴并且该燃料射流的锥形表面在进入由切向送风孔隙输入的燃烧用空气范围内时被放大三倍。因此改善了燃料射流的扩展并且不会妨碍燃烧用空气的流入。
最后一点需要指出的是，通过燃料喷嘴范围内的开孔吸入的空气流量防止了锥内尖端上的结膜，因为空气流作为薄膜存在于燃料射流与壁之间并且首先决定了射流的张角。该张角在大的负荷范围也保持不变。
本发明的另一主要优点在于，通过关于空气流改变在燃料喷嘴范围内的开孔截面可以直接影响工作时的回流区和随之的火焰位置。
在从属权利要求中对本发明的任务解决方案的有益的和相宜的进一步设计做了限定。
下面将对照附图对本发明的实施例做进一步的说明。在图中省略了对直接理解本发明不必要的器件。在不同图中的相同器件用相同的附图标记加以标示。对介质的流向用箭头加以表示。
附图简述
图中示出：
图1在涡流发生器顺流侧具有混合段的、作为预混合燃烧器设计的燃烧器；
图2带有燃料喷入位置的涡流发生器示意图；
图3作为图1预混合燃烧器的组成部分的、具有相应剖面的涡流发生器透视图；
图4图3的作为双壳结构的涡流发生器的截面；
图5四壳涡流发生器的截面；
图6其壳为铲形的涡流发生器的截面；
图7位于涡流发生器和后置的混合段间的过渡几何形状图；
图8用于回流区的空间稳定的中断棱。实施本发明的途径、工业应用。
图1示出燃烧器的总结构。在始端有一涡流发生器100a起作用，其设计还将在下述图2-5中做进一步的示出和说明。这种涡流发生器100a是一种锥形结构，并在切向上被多重切向流入的燃烧用空气流115冲击。在这里形成的流利用在涡流发生器100a顺流侧设有的过渡几何形状件无缝地引入过渡件200，从而使该处不会产生分离区。在图6中进一步对此过渡几何形状件的配置做了说明。该过渡件200在过渡几何形状的顺流侧由管件20延长，其中两个件构成了也被称作混合段的燃烧器固有的混合管220。当然混合管220也可以由一个整体件构成，即过渡件200和管件20被熔焊成一个结合在一起的结构件，其中仍保持每个件的原有特性。在过渡件200和管件20由两个件构成时，这两个件由一套环10连接，其中同一套环10在端头也起着涡流发生器100a固定面的作用。此外，这种套环10的优点在于，可以装入不同的混合管。在管件20顺流侧的是固有的燃烧室30，该燃烧室在图中仅用火管象征性地加以表示。混合管220将满足如下条件，在涡流发生器100a的顺流侧有一定义的混合段，在该混合段可实现各种燃料均匀的预混合。该混合段，即混合管220此外可实现无损耗的射流导向，从而甚至在与过渡几何形状件有效连接的情况下也首先不会形成回流区，从而在整个混合管220长度都可以对各种燃料的混合物料施加影响。但这种混合管220还具有另外一个特性，该特性在于，在混合管220本身上轴向速度断面图具有一个在轴上的最大值，从而不可能出现来自燃料室的火焰的回火。当然有一点是正确的，在这种配置时该轴向速度在朝壁的方向是下降的。为了也能抑制住此范围内的回火，混合管220在流向上和圆周向上配备有一定数量的有规律分布的或无规律分布的具有不同截面和方向的孔21，通过这些孔一定量的空气流入混合管220内部，并沿壁以形成气膜的形式导致速度的提高。另外一种可以实现相同效果的方案在于，混合管220的穿流截面在构成所述过渡几何形状的过渡通道201的顺流侧有一缩颈，从而可以提高混合管220内的整体速度水平。在图中这些孔21与燃烧器轴60成锐角延伸。此外，过渡通道201的流向与混合管220的穿流截面相符。据此，所述过渡通道201可弥补各截面差别，而不会对形成的射流造成不利的影响。如果所选用的器件在实施对管流40沿混合管220导向时造成非有限的压力损耗时，则可对此采用如下补救措施，在混合管的端部设置一个图中未示出的扩散器。在混合管220端部接有一燃烧室30，其中在两个穿流截面间有一截面跃变。在这里才形成中心回流区50，该回流区具有火焰保持器的作用。当工作时在该截面跃变内形成一连续的边缘带，在该边缘带由于在该处起作用的负压而产生涡流分离，则这将会导致对回流区50环形稳定的增强。燃烧室30在面侧具有一定数量的开孔31，通过这些孔一定量的空气直接流入截面跃变中，并且此外在该处还将有助于对回流区50的环形稳定。另外还要提及一点的是，要产生稳定的回流区50还要求在管内有足够高的转速。如果开始时并不希望有这样高的转速，则可以通过在管端，例如穿过切向孔送入不太剧烈旋转的空气流实现回流区的稳定。对此考虑的出发点是，在此需要的空气量约占总空气量的5-20％。有关混合管220端部的中断棱的情况，请参见图8的说明。
图2为涡流发生器100a的示意图，对该涡流发生器将在下述图3-5中做进一步的说明。在图1中最重要的是对位于中心的燃料喷嘴103的表述，该喷嘴对应于锥形穿流截面向逆流侧后移，其中距离126取决于所选用的喷射角105。通过此后移使燃料喷嘴103口104位于端头侧固定的外壳101a、102a范围内。通过燃料喷嘴103后移产生的燃料喷射105以较大的锥半径进入由燃烧器内腔114内的燃烧用空气主流覆盖的范围，从而使燃料喷射105在此范围内不再处于象一个固体的状态，而是已经被分解成液滴并因此很容易透入。燃烧用空气115流入燃料喷流105中也不会再受到防碍，这将会有利地影响混合质量，从而使燃料喷流105更容易地被燃烧用空气透入。此外，在燃料喷射口104的平面范围内备有径向或准径向设置的开孔124，通过这些孔吹洗空气流入由燃料喷嘴103的尺寸形成的截面内。这些孔124的穿流截面的选择应使在采用燃气工作时通过这些孔流入的空气流量不足以使回流区(参见图1)向顺流侧移动。在采用液体燃料工作时，燃料喷射105实际起着喷射泵105的作用，从而提高了穿流所述孔124的空气流量。这将导致较大的轴向脉动，该脉动将使回流区向顺流侧移动，这是防止火焰回火的非常好的措施。在图2-5中进一步对示意表述的锥形分体101、102做了说明。在图中还进一步说明了切向送风孔隙119、120的配置和工作方式。
为了更好地了解涡流发生器100a的结构，最好对图2同时至少参照图3。此外，为了使图2不致于不必要的杂乱、不易观看，在图2中仅用暗指的方式把图3中示意示出的导向板121a、121b纳入图中。下面将在说明图2的同时视需要参照所述附图。
图1燃烧器的第一部分构成图2中示出的涡流发生器100a。该涡流发生器由两个中空的锥形分体101、102构成，这两个锥形分体相互错位套装在一起。如图4和5所示，锥形分体的数量当然可以多于两个；这点如在下面还将进一步说明的内容，是由整个燃烧器的运行方式决定的。在特定的工作配置时并不排除备有仅由一个螺旋构成的涡流发生器。锥形分体101、102的中轴或纵向对称轴201b、202b的相互错位在相邻的壁处，在镜像设置的情况下分别构成一切向通道，即一送风孔隙119、120(图3)，通过送风孔隙燃烧用空气115流入涡流发生器100a的内腔，即涡流发生器的锥形中空腔114。所示分体101、102的锥形顺流向具有一特定的固定角。当然，视运行方式分体101、102顺流向具有一逐渐增大或逐渐减小的锥度，类似于喇叭或郁金香花。两个最后所述的形状未用图表述，因为专家显而易见对此可以想象到。两个锥形分体101、102，每个都具有一个圆柱形的初始部分101a、102a，这些与锥形分体101、102类似，同样相互错位延伸，从而在整个涡流发生器100a的长度上实现切向送风孔隙119、120。在圆柱形初始部分的范围内设置有一个优选用于液体燃料112的喷嘴103，该喷嘴的喷射104大致与由锥形分体101、102构成的锥形中空腔114的最窄的截面相吻合。该喷嘴103的喷射容量和方式视实时燃烧器的预给定参数而定。当然涡流发生器100a可以是纯锥形的，即没有圆柱形初始部分101a、102a的。另外，锥形分体101、102，每个都具有一个燃料管路108、109，该管路沿切向送风孔隙119、120设置并备有一个喷入孔117，如箭头116所示，通过该孔优选将气体燃料113喷入在此处穿流的燃烧用空气115中。这些燃料管路108、109优选至迟设置在切向流入端，在进入锥体中空腔114前的位置，以便实现空气/燃料最佳的混合。就通过喷嘴103喷出的燃料112而言，如上所述，在标准工作时采用的是液体燃料，其中显而易见也可以采用与其它介质的混合物。该燃料112以锐角喷入锥形中空腔114。由喷嘴103开始接着形成一锥形燃料喷射105，该燃料喷射被切向流入的、旋转的燃烧用空气115环围。在轴向上喷入的燃料112的浓度持续地被流入的燃烧用空气115稀释成气化混合物。如果通过孔喷嘴117送入燃气，则在送风孔隙119、120端直接形成燃料/空气混合物。如果对燃烧用空气115附加预热，或例如用回输的烟气或尾气富集，则在该混合气流入后置级之前，将持续地有助于对液体燃料112的气化。如果通过管路108、109送入的是液体燃料，则此同一构思也是适用的。就着眼于切向送风孔隙119、120的锥角和宽度的锥形分体101、102的设计而言、必须遵守严格的限制，以便在涡流发生器100a的出口可以调整燃烧用空气的所需要的流场。一般来说，缩小切向送风孔隙119、120有利于在涡流发生器范围内的涡流区的较快的形成。可以通过相应的图中未示出的轴向燃烧用空气流的输入改变在涡流发生器100a内的轴向速度。相应的涡流的产生避免了在后置于涡流发生器100a的混合管内出现射流分离现象。此外，涡流发生器100a的设计首先适用于改变切向送风孔隙119、120的大小，从而不必改变涡流发生器100a的结构长度即可获得相对大的工作带宽。当然分体101、102在另一个平面还可以相互推移，从而甚至可以有重叠。此外，还可以通过反向旋转移动相互螺旋套装。同时可以任意改变切向送风孔隙119、120的形状、大小和配置，从而不必改变涡流发生器100a的结构长度，即可以适用于多种应用。
图4示出导向板121a、121b的几何配置。它们具有流体导向功能，其中导向板根据其长度在流入方向上逆燃烧用空气115延长了锥形分体101、102的相应端。燃烧用空气115进入锥形空腔114的管道可以通过围绕该通向锥形空腔114管道的入口范围内的旋转点123导向板121a、121b的开启或闭合实现最佳化，当要动态改变切向送风孔隙119、120的原有的缝隙大小时，此点尤为必要。当然，该动态器件也可以是固定的，其中满足要求的导向板构成与锥形分体101、102的固定组成部分。同样涡流发生器也可以不采用导向板而工作，或者为此可以设置其它的辅助器件。
图5与图4相比示出，涡流发生器100a由四个分体130、131、132、133构成。每个分体的纵向对称轴用字母a标示。对该配置要说的是，由于因此而产生的扭转强度较小并且与一相应增大的缝隙宽度相配合，因而它最佳地适用于防止涡流发生器的顺流侧的混合管内涡流的开裂，从而使混合管可以最佳地实现付予其的作用。
图6与图5的区别在于，在这里分体140、141、142、143具有铲形状，该铲形状是为了产生一定的流设置的。除此之外，涡流发生器的运行方式保持不变。燃料116与燃烧用空气流115的混合是在铲型件内部实现的，即燃料管路108这时通入各铲件内。而且这里各分体的纵向对称轴用字母a标示。
图7是过渡件200的三维侧视图。在涡流发生器100a由四个分体构成时，过渡几何形状与图4或图5相符。据此，作为在逆流侧起作用的分体的自然延长的过渡几何形状具有四个过渡通道201，从而延长了所述分体的锥四分之一面，直至它离开管件20或混合管220的壁。当涡流发生器出于不同于图2所述的另一原理构成时，该同一构思也适用。各过渡通道201的向下顺流向延伸的面具有一顺流向螺旋延伸的形状，该形状成镰刀形，与如下情况相符，过渡件200的穿流截面顺流向成锥形扩展。对顺流向过渡通道201的旋转角的选择应对直至燃烧室入口处截面跃变的管流仍留有足够大的距离，以便实现与喷入的燃料均匀的预混合。另外通过采取上述措施还将提高涡流发生器顺流侧混合管壁上的轴向速度。过渡几何形状和在混合管范围内的措施将明显地将轴向速度断面图向混合管的中点提高，从而大大避免了提前点火的危险。
图8示出在燃烧器出口形成的所述中断棱。管件20的穿流截面在此范围内的过渡半径为R，该半径的大小基本取决于管件20内的流。该半径的选择应使流贴靠在壁上并使旋转速度急剧增大。半径R大小的量化定义是，该半径＞管件20的内径d的10％。与无过渡半径的流相比，这时将会大大增大回流泡50。此半径R一直延伸到管件20的出口平面，其中弧的始端与结束端间的角β＜90°。中断棱A沿角β的一个边延伸进入管件20的内部并因此构成与中断棱A前面点对应的中断阶S，中断阶的深度大于3mm。当然在这里与管件20出口平面平行的棱利用一弧线又返回到出口平面阶上。在中断棱A的切线与管件20出口平面的垂线间的角β’与角β相等。此设计的优点已在上面的“发明的说明”章节中做了进一步的说明。附图标记对照表10    套环20    管件21    孔，开孔30    燃烧室31    开孔40    流，混合管内的管流50    流区，回流泡60    燃烧器轴100a  涡流发生器101、102    分体101a、102a    圆柱形初始部分101b、102b    纵向对称轴103    燃料喷嘴104    燃料喷射105    燃料喷射流(燃料喷射轮廓)108、109    燃料管路112    液体燃料113    气体燃料114    锥形空腔115    燃料用空气(燃烧用空气流)116    由管路108、109的燃料喷入117    燃料喷嘴119、120       切向送风孔隙121a、121b         导向板123    导向板旋转点124    开孔125    锥形内尖126    燃料喷嘴103对应于125向逆流侧的位移130、131、132、133    分体131a、131a、132a、133a  纵向对称轴140、141、142、143  铲形分体140a、141a、142a、143a    纵向对称轴200    过渡件201    过渡通道220    混合管d      管件20的内径R      过渡半径T      中断棱的切线A      中断棱S      中断阶β     R的过渡角β’   T与A间的角

Claims (18)

1、燃烧器，用于发热器，主要由一个燃烧用空气的涡流发生器和用于将燃料喷入燃烧用空气流的器件构成，其特征在于：在涡流发生器(100a)的顺流侧设置有一个混合段(220)，该混合段具有在第一段部分(200)内、顺流向伸展的、用于将在涡流发生器(100a)中形成的流(40)输送入在过渡通道(201)顺流侧后置的管件(20)内的过渡通道(201)，并且有一喷嘴(103)作为用于喷入燃料的器件，该喷嘴对应于涡流发生器(100a)的始端向逆流侧移动一个距离(126)。
2、依照权利要求1的燃烧器，其特征在于：在混合段(220)的过渡通道(201)的数量与涡流发生器(100a)形成的分流的数量相符。
3、依照权利要求1的燃烧器，其特征在于：用中断棱(A)形成用于稳定和放大在顺流侧形成的回流区(50)的管件(20)出口平面。
4、依照权利要求3的燃烧器，其特征在于：中断棱(A)由一在管件(20)出口平面范围内的过渡半径(R)和一低于此出口平面的中断阶(S)构成。
5、依照权利要求4的燃烧器，其特征在于：过渡半径(R)＞管件(20)内径的10％，并且射流中断阶(S)的深度＞3mm。
6、依照权利要求3的燃烧器，其特征在于：在射流中断棱(A)的逆流侧设置有一个扩散器和/或一个文丘里段。
7、依照权利要求1的燃烧器，其特征在于：接在过渡通道(201)后的管件(20)在流向和圆周向上备有用于将气流喷入管件内部的孔(21)。
8、依照权利要求7的燃烧器，其特征在于：开孔(21)以其与燃烧器轴(60)所夹锐角伸展。
9、依照权利要求1的燃烧器，其特征在于：在过渡通道(201)顺流侧的管件的穿流截面小于在涡流发生器(100a)形成的流(40)的截面，等于或大于后者。
10、依照权利要求1的燃烧器，其特征在于：燃烧室(30)设置在混合段(220)顺流侧，在混合段(220)与燃烧室(30)之间有一截面跃变，该跃变导致形成燃烧室的初始流截面，并且在此截面跃变范围中回流区(50)起作用。
11、依照权利要求1的燃烧器，其特征在于：涡流发生器(100a)由至少两个中空的、锥形的、顺流向相互套装在一起的分体(101、102；130、131、132、133；140、141、142、143)构成，这些分体的各自纵向对称轴(110b、102b；130a、131a、132a、133a；140a、141a、142a、143a)相互错位伸展，从而使分体的相邻壁的纵向延伸构成用于燃烧用空气流(115)的切向通道(119、120)，并且由涡流发生器(100a)形成的锥始端的逆流侧端头设置有燃料喷嘴(103)。
12、依照权利要求11的燃烧器，其特征在于：燃料喷嘴(103)设置在燃烧器轴(60)上。
13、依照权利要求11和12的燃烧器，其特征在于：燃料喷嘴(103)用液体燃料(112)并且燃料喷嘴(117)用气体燃料(113)工作。
14、依照权利要求11的燃烧器，其特征在于：在切向通道(119、120)的纵向延伸范围内设置有其它的燃料喷嘴(117)。
15、依照权利要求11的燃烧器，其特征在于：分体(140、141、142、143)在截面内具有铲形型材件。
16、依照权利要求11的燃烧器，其特征在于：分体顺流向具有一固定的锥角，或一逐步增大的锥度，或一逐步减少的锥度。
17、依照权利要求11的燃烧器，其特征在于：分体螺旋状相互套装在一起。
18、依照权利要求11的燃烧器，其特征在于：切向送风孔隙(119、120)的穿流截面顺燃烧器纵向逐步缩小。
CN96123843A 1995-12-21 1996-12-21 发热器的燃烧器 Expired - Lifetime CN1111672C (zh)

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DE19547912.2 1995-12-21

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