運行預混燃燒器的方法和裝置的製作方法

2023-06-09 01:09:31 7

專利名稱：運行預混燃燒器的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種如權利要求1的前序部分所述的用於運行一預混合燃燒器的方法和裝置。
長期以來，帶有預混燃燒器的燃燒室用於發電廠的固定的燃氣輪機取得了很好的成效，所述預混燃燒器設計為所謂雙錐燃燒器，它由一插入式燃料噴槍從外面供給燃料。這種噴槍一般為雙燃料噴槍，這就是說，它可以選擇提供氣態燃料，例如引導氣體和/或液體燃料，例如油水乳化劑。為此，在噴槍中同心設置一液體燃料管、一霧化空氣管以及一引導氣體管。這些管分別構成液體燃料、霧化空氣和引導氣體的通道，它們的端部是燃料噴嘴的噴頭。噴槍及其噴頭放置在雙錐燃燒器的一相應的內管中，因此，噴出的燃料經過噴嘴到達與該內管相連的燃燒器的內部空間(見DE4306956A1)。
EP0321809中也公開了一種雙錐燃燒器，其設計為用於與燃氣輪機相連的燃燒室。這種燃燒器由兩個空心的分錐體構成，這兩個分錐體設置成在徑向上彼此偏心，互補成雙錐燃燒器。燃燒器具有在流動方向上擴大的空心錐形內部空間，並帶有一狹長的切向空氣入口。通過插入式燃料噴槍從外面向雙錐燃燒器供給燃料，這些燃料流入一液體燃料噴嘴。後者在燃燒器內部空間中形成一由液體燃料和空氣構成的空心錐形燃料噴霧，大部分燃料滴集中在錐形噴霧的外端。由於大約30°的大噴射角和在中心的軸向衝量的缺點，所以這種噴射極易受到燃燒器內部的渦流所產生的離心力的影響。因此，燃料滴較快地向外甩，這在一定的運行條件下會引起液體燃料碰撞燃燒器壁，並且碰撞的液體燃料量並非微不足道。
從教科書《霧化和噴射》(A.Lefebvre,West Lafayette,Indiana1989,S.106/107)中得知用於噴射液體燃料的所謂全射束噴射器。在這種噴射器嘴中，液體燃料通過至少一個圓形噴油口在高壓下以5至15°錐角從一預燃室中噴出。所述噴油口具有一定的導向長度。流速提高可以促進燃料射束擴散成液滴，因為流速提高時，不僅流出的射束的旋渦程度提高，而且周圍介質所施加的空氣動力吸引力也增大了。所述全射束噴射器的液體燃料也是與水一起噴入的，因此同樣存在著所述燃料分配的問題。
本發明試圖避免上述各種缺點。本發明的基本任務是提供一種用於運行預混燃燒器的方法和裝置，其在特定的運行方式下改進燃料的供給。
按照本發明這一任務是這樣實現的，對於按照權利要求1的前序部分的方法，液體燃料與水分別引導到液體燃料噴嘴，並首先在液體燃料噴嘴內進行一次混合。接著，所形成的油水混合物以噴射角α小於10°的射束噴入預混燃燒器內部空間。為此，液體燃料噴嘴配備有一簡易的噴嘴口。噴嘴口的上遊設置一混合區域，一燃料導管和一水導管匯入該區域。所述液體燃料導管和水流導管共同設置在一燃料噴槍中，後者具有一構成燃料噴嘴的末端。所述噴嘴口和所述混合區域都設置在該燃燒噴槍的末端。
通過燃料噴槍端部的壓力損失可使液體燃料和水以及其相應的導管一直到混合區域，即一直到形成液體燃料與水的混合物形成之前不久都保持分開。這樣就保證了很好的流量調節，並且可以通過液體燃料噴嘴利用幾乎全部可利用的壓力損失來噴入所有流體。通過這種方式，可以以很大的流速噴入液體燃料，而與水的噴射無關，從而更好地實現霧化。此外，在混合區域形成的液體燃料-水混合物不會逆流湧入液體燃料管或水管，從而防止了回火現象。
在本發明的第一實施例中，將水引入液體燃料中。為此，入水管與液體燃料管道同軸設置在後者外面。一塊板將混合區域與液體燃料導管分開，該板在液體燃料導管與混合區域之間至少具有一個軸向連接開口，水管至少具有一個通向混合區域的徑向通孔。混合區域優選具有一通向噴射口的漏鬥形過渡套管，這樣就可以實現液體燃料-水混合物向噴射口的有利於流動的輸送。這時，使水垂直地引入液體燃料是非常符合目的的。這樣就可在較小的混合區域構成儘可能均勻的混合物。
在本發明的第二實施例中，或者液體燃料導管沿軸向而入水管呈錐形，或者入水導管沿軸向而液體燃料導管呈錐形通入混合區域。按照這種燃料噴槍的設計，為了製備液體燃料-水混合物，或者將水引入液體燃料，或者將液體燃料引入水中。通過這種方式可以避免在向混合區域過渡時的壓力損失，並從而利用經過用於將液體燃料-水混合物注入預混燃燒器的內部空間的噴射開口的全部可利用的壓力損失。當液體燃料和水以較高的速度噴入混合區域時，在那裡形成大的渦流，從而促使兩種流體很快地進行很好的混合。
最後，噴射口的導向長度為I，直徑為d，導向長度與直徑的比例為2≤I/d≤20。在這種比例下可以達到特別好的燃料霧化效果。
在本發明的另一種實施形式中，一沿切向流入燃燒器的旋轉燃燒空氣流圍繞著在預混燃燒器內部空間中沿流動方向擴散的由液體燃料-水混合物構成的全射束。到達的燃燒混合物的點火發生在燃燒器嘴的範圍內，一回流區域使該區域內的火焰前端穩定。為此，所述預混燃燒器由兩個空心的徑向上錯開分布的分錐體構成，具有切向的空氣入口槽和在流動方向上擴大的空心圓錐形的內部空間。液體燃料噴嘴還與一用於供給燃料的燃料噴槍連接。
本方法特別提供了一種以一小噴射角噴射液體的形式，該小噴射角與預混燃燒器的孔徑角最佳配合。因此，藉助於這樣設計的預混燃燒器可以形成理想的燃燒先決條件。
附圖中藉助用於一燃氣輪機裝置的燃燒室中的帶有一按照本發明的液體燃料噴嘴的預混燃燒器示出多個本發明的實施例。


圖1為一預混燃燒器的縱剖視圖；圖2為該預混燃燒器沿圖1中的Ⅱ-Ⅱ線的剖視圖；圖3為圖1中液體燃料噴嘴區域的一放大的剖視圖；圖4為按照圖3的一視圖，但示出的是第二實施例；圖5為相對於圖4的預混燃燒器的視圖，但示出的是另一實施例。
為了便於理解，圖中只示出一些基本部件。燃氣輪機裝置中沒有示出的例如有壓縮機和燃氣輪機。工作介質的流動方向以箭頭示出。
未示出的燃氣輪機裝置由一臺壓縮機、一臺燃氣輪機和一燃燒室1構成。在燃燒室1中設置多個預混燃燒器4，燃燒器4設計成雙錐燃燒器，它們不僅適用於液體燃料2，而且適用於氣體燃料3。各雙錐燃燒器4分別由兩個空心的分錐體5、6構成，各分錐體具有一內壁7、8。兩內壁7、8圍成一在流動方向上擴大的空心圓錐形內部空間9(圖1)。兩個分錐體5、6各具有一個中軸線，二中軸線彼此錯開(圖2)。因此它們在徑向上彼此錯開疊置。雙錐燃燒器4的兩側構成一切向空氣入口槽12、13，燃燒空氣14通過該槽流入內部空間9。各分錐體5、6具有一圓柱形的起始部分15和16。這兩起始部分15、16也象分錐體5、6那樣彼此錯開分布(圖1)。用於向雙錐燃燒器4輸送燃料的燃料噴槍18的一端部設計成一中心液體燃料噴嘴17，其伸入起始部分15、16和內部空間9。液體燃料噴嘴17具有一圓形噴嘴口19(圖2)。
在本發明的第一實施例中，燃料噴槍18由一中心液體燃料導管20和一個與其同軸地設置在其外部的水導管21構成。在噴嘴口19的逆流側設有一混合區域22，它藉助於一垂直設置的圓形板23與液體燃料導管20分開。板23具有多個液體燃料導管20與混合區域22的軸向連接孔24，水導管21具有多個通向混合區域22的徑向通孔25。混合區域22通向噴嘴口19處設計成一漏鬥形的過渡段26。噴嘴口具有一導向長度I和一直徑d，導向長度與直徑的比例是4(圖3)。
液體燃料管道20向雙錐燃燒器4供給作為液體燃料的燃油，輸水管21向雙錐燃燒器4供應水27。因此，燃油2與水27分開輸送到液體燃料噴嘴17。只有到了混合區域22，才通過將水27垂直地噴入燃油2使二者混合。然而，由於在這種情況下燃油用作液體燃料2，所以不是要形成一種常規的混合物，而是而是要形成一種液體燃料-水的乳化液28。該液體燃料-水乳化液28經過中心噴嘴口19以小於10°的噴射角α噴入內部空間9(圖1)。由於這樣小的噴射角，在雙錐燃燒器4的內部空間9中首先形成一股非常密實的射束29，該射束順流擴散，燃料液滴在整個橫剖面上均勻地分布。與採用雙錐燃燒器的現有技術不同的是，空心圓錐形的燃料射流不僅在其中部具有這種射束29，而且具有足夠的軸向脈衝，因此，燃料液滴不會粘在分錐體5、6的內壁7、8上。而且，通過較高的燃油2和水27的噴射速度還可以強化這一作用。當然，也可以採用一種同樣可以與水27混合的液體燃料2，其在混合區域22形成的不是一種乳化液，而是一種相應的液體燃料-水混合物28。
射束29在雙錐燃燒器4的內部空間9中在流動方向上均勻地散開，最後形成一圓錐形狀。通過切向空氣入口槽12和13旋轉流入的燃燒空氣14圍繞著射束29。相應的燃燒混合物在燃燒嘴區域內點火，在那裡形成火焰前鋒30，該火焰前鋒在燃燒嘴區域通過回流區域31穩定。
在第二實施例中，導向長度與直徑的比例達到l/d=10，這樣可以將液體燃料-水乳化液28中所含的渦流衰減下來。此外，液體燃料導管20沿軸向匯入混合區域22，而輸送水管21以圓錐形狀匯入混合區域22(圖4)。因此，水27傾斜地引入液體燃料2，這樣就可避免經過混合區域22時的壓力損失。正如前面所述，利用了全部可利用的經過噴嘴口19的壓力損失來將液體燃料-水的乳化液28噴射到預混燃燒器4的內部空間9，這是由於小的噴射角以及因此而形成的全射束所導致的。其它過程與第一實施例相似。
另一實施例中為具有基本相同的功能的一種替代的方案，其中與第二實施例不同的只是替換了液體燃料導管20與輸水管21的排列(圖5)。這在無水運行時可以達到較好的霧化作用。
當然，根據雙錐燃燒器4的具體使用條件，噴嘴口19也可以取另一種形狀，所謂導向長度l與直徑d的比也可以取另一值，大約為2至20。自然，雙錐燃燒器4也可以為純錐形，這就是說，沒有圓柱的起始段15、16。
附圖標記表1，燃燒室； 2，液體燃料，燃燒油；3，氣態燃料； 4，預混燃燒器，雙錐燃燒器；5，分錐體， 6，分錐體；7，內壁， 8，內壁；9，內部空間， 10，中軸線；11，中軸線，12，空氣入口槽；13，空氣入口槽，14，燃燒空氣，燃燒空氣流；15，起始部分，圓柱形， 16，起始部分，圓柱形；17，液體燃料噴嘴，端部，18，燃料噴槍；19，噴嘴口，20，液體燃料導管；21，輸水管，22，混合區域；23，板，24，連接口；25，通孔， 26，過渡段；27，水，28，液體燃料-水混合物，液體燃料-水乳化液；29，全射束，30，火焰前端；31，回流區域；i，導向長度；d，直徑
權利要求
1．運行一液體燃料(2)與水(27)預混的燃燒器的方法，所述預混燃燒器(4)具有一內部空間(9)和一匯入後者的中心液體燃料噴嘴(17)，其特徵在於液體燃料(2)與水(27)單獨地輸送到液體燃料噴嘴(19)，在那裡混合成一種液體燃料-水混合物(28)，後者接著以一種小於10°的噴射角的全射束(29)噴入預混燃燒器(4)的內部空間。
2．如權利要求1所述方法，其特徵在於將水(27)引入液體燃料(2)中。
3．如權利要求2所述方法，其特徵在於水(27)垂直地引入液體燃料(2)。
4．如權利要求1所述方法，其特徵在於將液體燃料(2)引入水(27)中。
5．如權利要求1至4中任一項所述方法，其特徵在於一沿切向流入預混然燒器(4)的旋轉燃燒空氣流(14)圍繞著在預混燃燒器(4)內部空間(9)中沿流動方向擴散的全射束(29)，混合物的點火發生在燃燒器嘴的範圍內，一回流區域(31)使該範圍內的火焰前端(30)穩定。
6．一種以如權利要求1至5中任一項所述的方法運行液體燃料(2)與水(27)的預混燃燒器的裝置，其特徵在於a)匯入內部空間(9)的液體燃料噴嘴(17)具有一簡單的噴嘴口(19)，b)在噴嘴口(19)的逆流方向上形成一混合區域(22)，c)一液體燃料導管(20)和一輸水管(21)匯入混合區域(22)。
7．如權利要求6所述的裝置，其特徵在於液體燃料導管(20)與輸水管(21)共同設置在一個燃燒噴槍(18)內，該燃燒噴槍(18)具有一個設計成液體燃料噴嘴(17)的端部，所述噴嘴口(19)和混合區域(22)設置在該端部。
8．如權利要求7所述的裝置，其特徵在於輸水管(21)與液體燃料導管(20)同心地設置在後者的徑向上的外部，一板(23)將混合區域(22)與液體燃料導管(20)分開，板(23)上至少帶有一個在液體燃料導管(20)與混合區域(22)之間的軸向連接孔(24)，輸水管(21)具有至少一個通向混合區域(22)的徑向通孔(25)。
9．如權利要求(8)的裝置，其特徵在於混合區域(22)具有一個通向噴嘴口(19)的漏鬥形過渡段(26)。
10．如權利要求7的裝置，其特徵在於液體燃料導管(20)沿軸向匯入混合區域(22)，而輸水管(21)以圓錐形匯入混合區域(22)。
11．如權利要求7的裝置，其特徵在於輸水管(21)沿軸向匯入混合區域(22)，而液體燃料導管(20)以圓錐狀匯入混合區域(22)。
12．如權利要求6至11中任一項的裝置，其特徵在於噴嘴口(19)具有一個導向長度(l)和一直徑(d)，其比例為2≤l/d≤20。
13．如權利要求6至12的裝置，其特徵在於預混燃燒器(4)由至少兩個空心的、在徑向上彼此錯開的分錐體(5、6)構成，該兩分錐體具有在流動方向上擴大的空心圓錐形的內部空間(9)，預混燃燒器具有切向的空氣入口槽(12、13)，液體燃料噴嘴(17)與一用於輸送燃料的燃燒噴槍(18)連接。
全文摘要
本發明的任務是為了提供一種運行預混燃燒器的方法和裝置,其改善了在特定的運行狀況下的燃料輸送。本發明是這樣實現的,液體燃料(2)和水(27)分別輸送到液體燃料噴嘴(17),在那裡才形成一種液體燃料－水混合物(28),並以小於10°的噴射角α的全射束(29)噴入預混燃燒器(4)的內部空間(9)。為此,中心匯入內部空間(9)的液體燃料噴嘴(17)具有一噴嘴口(19)。在噴嘴口(19)的逆流方向上設置一混合區域(22),一液體燃料導管(20)和一輸水管(21)匯入其內。
文檔編號B01F3/08GK1218888SQ9812506
公開日1999年6月9日 申請日期1998年10月26日 優先權日1997年10月27日
發明者A·埃羅格魯, R·麥米蘭, J·波裡克 申請人:亞瑞亞.勃郎勃威力有限公司