CN1232762C - 分级喷射燃料的燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明分级喷射燃料的燃烧器，它包括产生燃烧空气流的涡旋发生器和把燃料送入燃烧空气流的装置，把燃料送入燃烧空气流的装置包括至少一个有第一组燃料出口的第一燃料供给装置和具有位于第一组燃料出口下游的第二组燃料出口的第二燃料供给装置，第一组燃料出口和第二组燃料出口以及燃烧空气流入口沿着一个由涡旋发生器构成的涡旋腔排列，在第一组燃料出口和第二组燃料出口之间的过渡区内，分隔件设置在该涡旋腔内，分隔件至少在该燃烧器垂直轴线的局部上使在第二组燃料出口区域内流入涡旋腔的第二燃烧空气流与在第一组燃料出口区内流入的第一燃烧空气流分隔开。即便在燃烧器功率低的情况下，也可以燃烧波动少地使所提出的燃烧器工作。

Description

分级喷射燃料的燃烧器

技术领域

本发明涉及分级喷射燃料的燃烧器，它包括一个用于燃烧空气流的涡旋发生器以及将燃料送入燃烧空气流的装置，其中所述的将燃料送入燃烧空气流的装置包括至少一个有第一组燃料出口的第一燃料供给装置以及具有在第一组燃料出口的下游的第二组燃料出口的第二燃料供给装置，第一组燃料出口和第二组燃料出口以及燃烧空气流入口沿着由涡旋发生器构成的涡旋腔排列。这种燃烧器的最佳应用领域就是被用在蒸汽燃气轮机技术设备中。

背景技术

EP0321809B1公开了一种由许多壳体组成的圆锥形燃烧器，它被称作双锥体型燃烧器。借助由许多壳体组成的且在内部形成一个涡旋腔的圆锥形涡旋发生器，在圆锥头部内产生一个闭合涡流，该涡流因涡漩沿锥尖增大而变得不稳定并且转变成中心回流的环形涡流。涡旋发生器的这些壳体是这样构成的，即沿燃烧器轴线切向地形成用于燃烧空气的进气缝。在由此形成的锥壳入流边缘上，设有用于预混气体即气态燃料的供给装置，这些装置具有在燃烧器轴向上沿涡旋腔分散开的预混气体出口。气体通过这些出口或孔沿进气缝横向地被喷出。这种喷气与在涡旋腔内产生的燃烧空气-燃气流的涡漩有关地导致燃气或预混气体与燃烧空气良好混合。在这样的预混燃烧器中，燃烧过程具有NO_x值的先决条件就是混合良好。

为了进一步改善这类燃烧器，EP0280629A2公开了一种用于发热器的燃烧器，该发热器接在涡旋燃烧器后地具有一个附加混合区，以便进一步混合燃料与燃烧空气。此混合区例如可以被设计成后接管子的形式，从涡旋发生器中流出的流体没有明显流动损失地被送入该管子内。借助这个附加混合区，可以进一步提高混合程度并由此减少有害物质排放。

图1示意表示这种燃烧器的一个例子，其中，燃料通过沿燃烧器轴线设置在涡旋体1内的供给通道的出口与流入的燃烧空气混合。在这里，图1示出了燃烧器的锥形涡旋体1以及被涡旋体封闭的涡旋腔1a，沿着该涡旋腔1a，带有出口2的燃料供给装置如该图的用于喷入燃料的箭头所示地延伸。通常，这些燃料供给装置被设计成沿燃烧器轴先具有固定分布的燃料出口2的独立通道的形式。另外，可以在图1中看到一个导向喷管5，燃料在启动燃烧器时通过导向喷管被直接喷入涡旋腔1a内。于是，随着负荷增大，从导流级转换到预混工作，其中燃料通过所述燃料出口2与流入燃烧空气混合。

从WO93/17279中知道了预混燃烧器的另一个已知的燃烧器形状。在此装置中，使用一个具有一附加圆锥形内体的圆柱形涡旋发生器。预混气体也通过有相应出口的供给装置被喷入涡旋腔内，所述出口沿轴向延伸的进气缝排列。在锥形内体的末端上，设置该燃烧器的导流供给装置。但是，这种导流导致NO_x排放增加，因为在这种工作方式下只能出现与燃烧空气的不充分混合。

在所有已知的燃烧器装置中，拟定了在预混工作中单级供给燃料。在这种情况下，必须使沿燃烧器轴线的燃料供给装置出口的尺寸、分布、排列、间距和数量最佳化，以满足低排放、熄灭极限、回火极限的要求以及满足燃烧稳定性要求。在这种情况下，即便在交替的工作条件和周围环境的情况下，也几乎不可能通过固定分布出口来满足所有这些要求。

已知的预混燃烧器工作方法的另一个缺点是，在满负荷条件下，为了低排放和低燃烧波动而优化该工作方法。为启动燃烧器及燃气涡轮，需要一个附加导流级，但该级引起排放值的明显升高。

在申请人的一个并行的专利申请中，为解决这些问题而提出一种燃烧器装置，其中所述的把燃料送入燃烧空气流的装置包括至少一个具有一组用于第一预混燃料量的燃料出口的第一燃料供给装置和一个具有用于第二预混燃料量的且在第一组燃料出口的下游的第二组燃料出口的第二燃料供给装置。在这种情况下，这些具有燃料出口的燃料供给装置在燃烧器纵向上并沿涡旋腔设置在涡旋体上并且被分成至少两个彼此独立的燃料管。通过使用这样的燃料分级喷入的燃烧器装置，可以得到与单级燃烧器装置相比大许多的工作范围。尤其是，燃烧器工作方式就排放而言可以最佳地适应于当时的工作负载。另外，不再需要借助导向喷管来供给燃料，因为当总绝热温度继续低时，借助第一级(如图2的2a)燃料出口的唯一工作造成了在燃烧器轴线上的足够高的局部温度。

具有充分预混的燃料空气混合物的燃烧器的熄灭极限为1600K以上。在空载和低负荷时，用在燃烧时产生900K-1600K的绝热温度的燃料空气混合物来运转现代的AAP燃气轮机。因此，不可能使燃料在所有可用的燃烧空气中燃烧，所以需要通过在燃烧器颈区内的导向来富集核心气体。这尤其涉及上述现有技术的燃料单级喷射式燃烧器。

本申请人研制的燃烧器通过把燃料供给装置分成两个独立区域而实现了燃料的分级喷入，这样的燃烧器尤其在1650K以上较高火焰温度下表现出NO_x排放的减少以及燃烧波动程度的减小。但是，当第一级基本上单独工作并因而完成类似于导向级的功能时，波动问题仍然在温度低于1500K时出现。

发明内容

本发明的任务是提供一种燃烧器，即使在低于1600K的较低燃烧温度下，该燃烧器也产生少量波动。

本发明的燃料分级喷入式燃烧器基本上包括一个产生燃烧空气流的涡旋发生器以及将燃料送入燃烧空气流的装置，将燃料送入燃烧空气流的装置包括至少一个具有第一组燃料出口的第一燃料供给装置以及具有相对第一组燃料出口后退的第二组燃料出口的第二燃料供给装置。在这里，这两组燃料出口以及通常成进气缝形状的燃烧空气入口沿由涡旋发生器构成的涡旋腔排列，这就象在开始提到的单级燃烧器装置中那样。为了把燃料喷入经进气缝流入的燃气中以便由此获得尽可能好的混合，这是绝对必要的。本发明的燃烧器的特点在于，在第一组燃料出口与第二组燃料出口之间的过渡区内，在涡旋腔内设有分隔件，该分隔件延伸向燃烧室并使在第一组燃料出口区域内经进气口流入的燃烧空气流与在第二组燃料出口区域内流入的燃烧空气流分隔开。在这里，这种分隔至少通过涡旋腔的一个区域实现，即从过渡区起延伸向燃烧室地直进入其中设有第二组燃料出口的涡旋腔区。

分隔件可以是单件构成的，也可以由多部分构成。例如，分隔件由一个或多个包围燃烧器垂直轴线的隔壁形成，但它最好由一个环绕燃烧器轴线的隔壁组成。在这里，该隔壁的至少局部区域适应于涡旋发生器几何形状地最好被设计成管状。借助此分隔件或在涡旋腔内的隔壁，提供一个独立体积，它构成一种用于第一级的即用于经过第一组燃料出口进入涡旋腔的燃料和由此形成的燃料空气混合物的缩小燃烧室。

在燃料基本上由第一级供应的燃烧器工作方式中，如在由燃烧器操作的设备且尤其是燃气涡轮机的启动、空载和低负荷工作中象导流那样，已经在由分隔件形成的体积内产生火焰。

通过这种本发明燃烧器的设计结构，在设备低负荷的情况下，即在燃烧器功率低及总绝热燃烧温度低的情况下，可能出现强波动。在这里，本发明人已经认识到，在没有这类分隔件的情况下，当第一级运行时，一方面，火焰可能比较自由地轴向波动，另一方面，由于通过进气口在第二级区域内流入的燃烧空气的冷却作用，促进了这种波动。通过在第一级区域内流入涡旋腔的空气流与在第二级区域内流入的空气流之间加入分隔件，可以在燃烧器功率低时防止这些气流的交互作用。这又有利地导致燃烧波动的减少。

在一个有利实施例中，燃烧器包括一个伸入分隔件区域的或由分隔件构成的容积区的燃料喷管。因此，与现有技术中的并与燃料单级喷入式燃烧器有关地被公开的燃料喷管或导向喷管相比，延燃烧喷管被延长。通过延长燃料喷管到分隔件体积内，通过借助第一级喷管尖的“级跃”为燃料空气混合物提供一附加稳定点并且进一步减少燃烧的轴向波动。

分隔件的隔壁最好具有冷却通道，燃烧空气从涡旋发生器上游被气供给冷却通道。在这种情况下，冷却通道延伸向燃烧室。冷却空气通过在分隔件燃烧室侧的端部上的相应出口流出到涡旋腔内。

分隔件最好被设计成与涡旋体或形成涡旋体的壳体成一体或被固定于其上。本发明燃烧器的实施方式能够无需费事改造地使已有燃烧器具有分隔件。

附图说明

下面，根据一个实施例并结合附图来在此简要说明本发明的燃烧器，其中：

图1表示根据现有技术的单级燃烧器；

图2示意表示本发明燃烧器的一个例子。

具体实施方式

图1表示一个单级燃烧器装置，它如现有技术所述并且已经在说明书前言中说明了。

在本发明实施例中，使用了原则上如开头所述的现有技术所述的并尤其是如EP0321809B1所述的燃烧器几何形状。该燃烧器由涡旋体1组成，涡旋体1包括一个使燃料与经进气缝进入涡旋体1的燃烧空气(由箭头表示)混合的涡旋腔1a。与涡旋腔1a相连的是燃烧室3。按照已知方法，涡旋发生器1被设计成圆锥形并且它由许多分立壳体组成。用于将燃料喷入涡旋腔1a的通道状供给装置4a和4b设置在这些分立壳体内。在本发明的燃烧器装置中，采用两级燃料喷射，其中第一级通过燃料供给装置4a形成，第二级由燃料供给装置4b形成。在这里，在图中示意示出了在第一燃料通道4a内的第一组燃料出口2a以及在第二燃料通道4b内的第二组燃料出口2b。

当然，在这个例子中，只示意示出了这些出口2a、2b，其中这些出口的数量、分布以及形状根据各自情况来调整。

在此例子中，将燃料供给第二级4b的燃料供给管6沿着涡旋体1外壁地在其上延伸。在此例子中，没有明确示出第一级4a的供给。

在涡旋发生器1的中央区内，可以看到一个在燃烧器垂直轴线7上延伸的燃料喷管5。

在根据本发明的燃烧器的这个实施例中，设有一个分隔件8，它围绕涡旋腔1a内的燃烧器垂直轴线7并基本上具有圆柱形或碗状形状。分隔件8将在第二级4b区域内进入涡旋腔1a外部区域的燃烧空气流与在第一级4a区域内经进气缝进入的燃烧空气流分隔开。可通过两个箭头看到流入燃烧空气的流动路径。在这里，分隔件8形成一朝燃烧室3敞开的容器。在此例子中，与已知装置相比，燃料喷管被延长并且它大致延伸到一半高度地进入由分隔件8形成的体积。通过这样的结构，在这两级4a和4b内流入的燃烧空气流被分隔开，所以在这两个气流之间没有出现交互作用。在这种情况下，分隔件8没有延伸到涡旋发生器1在燃烧室侧的边缘，而是仅仅遍及部分区域。

在低负荷或燃烧器功率较低的情况下，燃料主要经第一级4a的燃料出口2a被喷入涡旋腔1a的内部，即在该区域中流入涡旋腔的燃烧气体被喷入上述内部。这样，在分隔件8的燃烧室侧边缘上形成一个在图中用符号9示意表示的燃烧区。按上述工作方式使第一级4a燃料燃烧没有受到在第二级4b区域内流入的燃烧空气流的干扰，因为火焰根位于分隔件内。因此，明显减少了稳定性波动并且尤其是借助产生级跃(向后级)的延长燃料喷管5提高了火焰的稳定性。

在这种情况下，不打算通过喷管送入气体燃料。在图2的喷管中可看到的两个管用于喷管冷却空气并且用于可以借助设置于中央的扁平喷嘴输入液态燃料，以便进行双燃料工作。

在燃烧器功率较高的情况下，还借助第二级4b喷入更多燃料，结果，燃烧区末端移入到由符号10示意表示的区域。在已经在这种工作方式中发生的较高燃烧温度下，不再象在功率低时出现的程度地出现波动问题。通过隔壁，由经第二级4b输入的燃料产生的火焰的火焰根连同火焰9一起仍然被固定在隔壁出口内或出口上。

可以在图中非常清楚地看到成冷却通道11形式的分隔件8冷却装置。冷却通道11与在第二级上游的流入涡旋发生器1的燃气相通并且其出口在分隔件8隔壁的燃烧室侧端上。在此区域内，所出现的燃烧空气由箭头表示。

不言而喻的是，本发明也可以用于至少分两级把燃料喷入燃气中地工作的其它燃烧器的几何形状。在这种情况下，基本部件是分隔件，它使在这两级区域进入的燃烧空气流相互分隔开。至少在涡旋腔的部分区域内需要这种分隔。

                    附图标记一览表

1            涡旋发生器

1a           涡旋腔

2            燃料出口

2a           第一级的燃料出口

2b           第二级的燃料出口

3            燃烧室

4a           第一级的燃料供给装置

4b           第二级的燃料供给装置

5            燃料喷管

6            燃料管

7            燃烧器的垂直轴线

8            分隔件

9            燃烧区1

10           燃烧区2

11           冷却通道

Claims (6)

1、分级喷射燃料的燃烧器，它包括产生燃烧空气流的涡旋发生器(1)以及把燃料送入燃烧空气流的装置，所述把燃料送入燃烧空气流的装置包括至少一个有第一组燃料出口(2a)的第一燃料供给装置(4a)和具有位于第一组燃料出口(2a)下游的第二组燃料出口(2b)的第二燃料供给装置(4b)，第一组燃料出口和第二组燃料出口(2a，2b)以及燃烧空气流入口沿着一个由涡旋发生器(1)构成的涡旋腔(1a)排列，在第一组燃料出口和第二组燃料出口(2a，2b)之间的过渡区内，在该涡旋腔(1a)内设有分隔件(8)，所述分隔件至少在该燃烧器垂直轴线(7)的局部上使在第二组燃料出口(2b)区域内流入涡旋腔(1a)的第二燃烧空气流与在第一组燃料出口(2a)区内流入的第一燃烧空气流分隔开。

2、如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述分隔件(8)由一个或多个包围燃烧器垂直轴线(7)的隔壁形成。

3、如权利要求1或2所述的燃烧器，其特征在于，所述分隔件(8)被设计成管状或碗状。

4、如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述分隔件(8)被冷却通道(11)穿过。

5、如权利要求4所述的燃烧器，其特征在于，所述冷却通道(11)具有朝向燃烧室(3)的出口。

6、如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器具有一个伸入由该分隔件(8)形成的体积内的中央燃料喷管(5)。

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