抑制燃燒室中火焰波動或壓力波動的方法及裝置的製作方法

2023-07-05 15:24:51

專利名稱：抑制燃燒室中火焰波動或壓力波動的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在一個燃燒室中抑制其火焰/壓力波動的方法，該燃燒室具有一個用來產生一火焰的燒嘴和一個火焰對準其內的燃燒空間，以及一種相應的實施這種方法的裝置。
在工業用的燃燒裝置中，如燃氣輪機燃燒室、熱風爐、殘渣燃燒裝置或工業爐；以及小燃燒室，如家庭用的燃氣鍋爐或採暖鍋爐中，在某些由燃燒技術工作參數，如熱功率和空氣量所確定的條件下出現不穩定的狀態，其特徵是火焰的周期性變化，它是隨著在燃燒室內及置於該燃燒室前或後面的裝置部分內的靜壓力的變化而出現的。這些不穩定的狀態即使在其火焰通過熟知的措施，如旋轉流、堵塞體等足夠點火穩定的燃燒室中也會出現。
這種燃燒不穩定性的出現常常導致與裝置穩定工作不同的特性並且除引起更大的噪音外還引起燃燒室，或更確切說是燃燒室內襯的更大的機械應力和/或熱應力。這種火焰/壓力波動在不利的情況下甚至會損壞出現這種波動的裝置，因此，要避免這種火焰/壓力波動將花費很高的費用。因此人們例如通過專門的內部結構來改變燃燒室的幾何形狀，不過這無助於對這一問題的普通解決方法。此外，在發生火焰/壓力波動時要根據經驗採取特殊的措施。
本發明的目的在於，提供一種方法，利用該方法，這類帶有不可承受的壓力變化範圍的火焰/壓力波動被得以避免。
為達到上述目的，本發明建議，利用一種氣流儘可能緊密地外包燒嘴的火焰，該氣流在火焰傳播方向上具有比火焰的，或稱含有燃料的燒嘴主流的外部區域，或稱周邊區域更高的流速。由此，軸向動量傳遞到火焰，或稱含有燃料的燒嘴噴出流的處部區域上。
本發明基於這樣的認識，即波動主要是由在火焰的外部區域形成的環形渦流引起或加強的。這種由含有燃料的燒嘴流的外部區域的捲起而形成的環形渦流在其形成時包含了熱的煙氣、它們導致同樣在環形渦流中所含有的燃料/空氣混合體的一種快速加熱和一種脈衝式的、引起壓力波動的燃料反應。
為了避免環形渦流的形成，火焰將由一個距火焰、或稱燒嘴主流徑向間隔儘可能小地噴出的外層氣流包圍，該外層氣流在火焰傳播方向上具有比火焰的外部、或周邊區域更高的流速。由此在外層氣流和火焰、即燃氣/空氣流之間產生一種軸向動量交換，這種交換導致自由火焰、即燃料/空氣混合體的流體邊界層的一種加速作用，並因此有效地抵制在該區域區易引發的渦流的形成。
倘若在外層氣流和周圍介質(在所涉及的情況一般為煙氣)之間的界面層處產生相應的環形渦流的話，如外層氣流不含有燃料，則這是最有利的，因為由(不含燃料的)外層氣流不會形成如在無外層氣流的火焰、即燃氣/空氣流中出現的含有燃料的渦流，這種含有燃料的渦流會導致周期性的燃料反應並由此導致火焰/壓力的波動。
對於不含燃料的氣體可採用空氣，到處都有足夠量的空氣可供使用。也可考慮採用惰性氣體，不過這具有成本方面的缺點。
即使外層氣流含有燃料，也能達到本發明提出的燒嘴主流(即形成火焰的主流)的外部區域的加速作用，在此，按照不同的外層氣流介質可分為幾種不同的情況。
如果外層氣流由一種不能點火的由氣體和燃料組成的混合體組成，則外層氣流就其抑制易引發的環形渦流的作用而言基本就好像它不含燃料一樣，即可能在外層氣流和周圍介質之間的界面層產生的渦流不會被引發燃燒並因此不能導致引起，或稱加強火焰/壓力波動。在不能點火的由氣體和燃料組成的混合體中，其氣體可以是惰性氣體(如氮氣，水蒸氣或燒完的廢氣)，也可以是空氣，在第一種情況下，燃料氣體的濃度無關緊要，因為惰性氣體與燃料以任何比例混合都不反應、即不燃燒；而在第二種情況下，燃料濃度應在各種燃料的點火極限以外，以致即便是由外層氣流形成的環形渦流也不會被引發燃燒。
原則上也可採用燃料濃度在各種燃料的點火極限之內的燃料/空氣混合物作為外層氣流介質，如果這種原則上可燃燒的外層氣流相對於形成火焰的燒嘴主流基本上呈軸向的流速選擇得如此高，即一方面保證了一個足夠的軸向動量傳遞和因此對火焰或燒嘴主流的外部區域的加速作用，而另一方面也阻止了由外層氣流形成一個獨立的、穩定的火焰(或在外層氣流為多個獨立的噴出孔噴出的情況下為多個火焰)這就是說，外層氣流噴出速度明顯高於用於火焰的排氣邊界速度。
外層氣流最好沿平行於火焰中軸的方向流動，不過它也可以相對於燃料/空氣流的火焰方向、即主流方向具有某一徑向分量和/或切向分量，由此達到外層氣流沿火焰的方向擴張，在此應注意，不是所有的噴嘴火焰都具有在臨界區域內不變的橫截面，而火焰同樣具有所描述的錐形。在此始終重要的是，氣體外層流在軸向方向具有一個與無外層氣流的火焰，即燃料/空氣流相比足夠高的動量。
為了實施這個在一個燃燒室中抑制火焰/壓力波動的方法，本發明提出一種具有一個用來產生一束火焰的燒嘴和一個其火焰對準其內的燃燒空間的燃燒室，它具有至少一個氣體噴出孔，氣體從該孔中噴出並作為外層包圍火焰。
氣體噴出口和燃料/空氣混合體從中噴出的燃燒口邊緣之間的間隔在此應保持儘可能地小。
由於上述本發明提出的方法不僅在預混合的燃燒控制時，而且在擴散燃燒時尤其可採用液體或氣體燃料，按此，為實施這種方法的燒嘴分別以熟知的方式與所述及的燃燒控制方式適配。
用來產生外層氣流的氣體噴出口最好設計成縫隙，即縫隙噴嘴的形式並且緊密地包圍燒嘴出口，其中，燒嘴出口即可設計成旋轉對稱的，也可具有一個長形的橫截面形狀。
對旋轉對稱的燒嘴出口而言，縫隙則設計成環形縫隙噴嘴，它們尤其是同軸心的，並且相隔緊密地設置在燒嘴出口周圍。
也可不採用一個單獨的縫隙，即一個縫隙噴嘴，而是由多個小的氣體噴出口包圍燒嘴出口，它們相互間相距緊密。在此也適合於，使燒嘴出口和最好設計成噴嘴形式的氣體噴出口的總體排列呈同軸心設置，並且還通過許多氣體噴出孔，即噴嘴形成一個完全包圍燒嘴折火焰的外層氣流，它抑制環形渦流的形成。
在此必須看到，只要確保環繞火焰流過的外層氣流在能形成環形渦流的臨界區域內能夠對火焰周邊區域產生足夠的加速作用，以避免渦流的形成，原則上燒嘴出口和噴嘴(n)不是必須設置在同一平面上。
這一點尤其當噴嘴的噴出方向基本上平行於燒嘴軸時被滿足。不過，也可通過將噴嘴相對於燒嘴軸調節出一個相應的角度來達到，從噴嘴中噴出一個在其周邊區域包圍火焰的氣流。
本發明的其它優點和特徵將在下面的對於一個實施例的描述中給出，附圖中

圖1為實施本發明的方法的一個燒嘴的截面圖。
在圖1中示出了一個實施本發明方法的燒嘴它是一個渦流式燒嘴，一種預先混合的燃料/空氣混合體1通過一個燒嘴管2被輸送到該渦流式燒嘴。該燒嘴管結止於一個旋轉正面體3，它是旋轉對稱的，並在其外圓周具有傾斜的導向葉片4，這些導向葉片具有一個約30°的斜度，由此，噴出的燃氣/空氣混合體獲得一種偏轉並由此而旋轉。此外，比導向葉片4徑向略微繼續向內在其圓周上分布著多個穿過旋轉正面體3的孔眼5，燃氣/空氣混合體的一部分流過該孔眼，並通過形成導向火焰而有助於火焰穩定。在旋轉正面體的外側6，由燒嘴噴出的燃氣/空氣混合體被點火併形成一個火焰12，該火焰進入一個圖1中未示出的燃燒室中。
燒嘴的火焰12由一個外層氣流環繞流過。該外層氣流由一氣流8產生，它通過一個平行於燒嘴管2的環形通道7流經該燒嘴並在一個環形縫隙中從燒嘴中噴出，該氣流相距緊密地包圍著旋轉正面體3。為了使氣流8在從環形通道噴出前加速，在環形通道末端區域裝配有四分之一圓噴嘴10，該噴嘴尤其在外層氣流的外部區域沿軸向方向(即平行於燒嘴軸線11的方向)產生一個強烈的加速作用。
從環形縫隙9噴出的外層氣流的流速由於四分之一圓噴嘴10而被加此加快，以致在軸11方向上的速度大大高於在旋轉正面體3之後被燃燒的燃氣/空氣混合體的火焰傳播方向的速度，由此，在一火焰中燃燒的燃氣/空氣混合體和緊密地包圍該燃氣/空氣混合體的外層氣流之間的區域內對燃燒的燃氣/空氣混合體的邊界層產生加速作用。因此可有效地避免，在燃氣/空氣混合體的周邊區域出現周期性的、相干的環形渦流結構，該結構含有通過正常相位的能量供應所輸入的燃料，該燃料經快速引發燃燒引起並加強火焰/壓力波動。
因此提供了一種簡單而有效的可能性、即確保避免這種火焰/壓力波動並由此提高相應燃燒裝置的工作安全性。
權利要求
1.一種在一燃燒室中抑制其火焰/壓力波動的方法，該燃燒室具有一個用來產生火焰的燒嘴和一個該火焰對準其內的燃燒空間，其特徵在於，該火焰由一個由氣體組成的層流包圍，該氣體流在火焰傳播方向上具有比火焰的外部區域更高的流速。
2.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於，該氣體是不含燃料的。
3.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於，氣體含有燃料。
4.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於，氣體為空氣。
5.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於，氣體為一種惰性氣體，尤其是氮、水蒸氣或燃燒完的廢氣。
6.按照權利要求3所述的方法，其特徵在於，氣體為燃燒/空氣溫合體，它含有的燃料濃度位於可燃性極限以外。
7.按照權利要求3所述的方法，其特徵在於，氣體為燃料/空氣混合體，它含有的燃料濃度位於可燃性極限以內。
8.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於，外層氣流基本呈圓筒狀。
9.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於，外層氣流與火焰的外部區域相距緊密。
10.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於，氣體的流動方向平行於火焰方向。
11.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於，氣體的流動方向相對於火焰方向還具有一個徑向分量和/或一個切向分量。
12.一種實施如上述權利要求之一或多項所述方法的燃燒室，它具有一個用來產生火焰的燒嘴和一個火焰對準其內的燃燒空間，其特徵在於，燃燒室具有至少一個氣體噴出孔(9)，氣體從該孔中噴出並作為外層包繞火焰。
13.按照權利要求12所述的燃燒室，其特徵在於，氣體噴出孔設計成縫隙(9)的形式並緊密地包圍燒嘴出口。
14.按照權利要求13所述的燃燒室，其特徵在於，燒嘴出口旋轉對稱，而縫隙為一環形縫隙(9)。
15.按照權利要求14所述的燃燒室，其特徵在於，燒嘴出口和環形縫隙同軸心設置。
16.按照權利要求12所述的燃燒室，其特徵在於，燒嘴出口由許多氣體噴出孔包圍，這些氣體噴出孔相互之間及與燒嘴出口之之間相距緊密並形成一個完全包圍火焰的外層氣流。
17.按照權利要求16所述的燃燒室，其特徵在於，燒嘴出口與氣體噴出孔的總體排列設置成同心的。
18.按照權利要求12所述的燃燒室，其特徵在於，氣體噴出孔設計成噴嘴形。
19.按照權利要求12所述的燃燒室，其特徵在於，氣體噴出孔的噴射方向基本上平行於燒嘴的中心軸。
全文摘要
一種在一個燃燒室中抑制火焰波動或壓力波動的方法，該燃燒室具有一個被用來產生火焰的燒嘴和一個該火焰對準其內的燃燒空間，該壓力波動是由在火焰，或更確切地說在燃料/空氣流的外部區域，或更確切地說在其周邊區域被捲起的環形渦流引起並被加強的，為阻止這種環形渦流，本發明建議，火焰由一種氣體組成的層流包圍，該層流在火焰方向上具有比火焰的周邊區域更高的流速，由此產生一種邊界層加速作用，而不再形成環形渦流。
文檔編號F23D14/00GK1146543SQ96110270
公開日1997年4月2日 申請日期1996年7月19日 優先權日1995年7月20日
發明者霍斯特·巴克納, 沃爾夫岡·勒克 申請人:德國水氣專業協會, 霍斯特·巴克納, 沃爾夫岡·勒克