預混合式燒嘴的製作方法

2023-04-27 04:41:56

專利名稱：預混合式燒嘴的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於發熱器的預混合式燒嘴，它具有組成旋流器的分錐殼，這些分錐殼包圍一個錐形擴展的渦流空間，並且相互限定切向的進空氣縫，以及具有用於氣態和/或液態的燃料的輸送裝置，其中至少一個輸送裝置沿著進空氣縫設置在分錐殼上，並且至少另一輸送裝置沿著一個在中間穿過渦流空間的燒嘴軸線設置。
背景技術：
這種類型的預混合式燒嘴多年來成功地應用於驅動燃氣輪機的燃燒室的點火中，並且在它們的燒嘴特性方面它們已是相當成熟的部件。按其用途和所希望的燒嘴功率這些類型的預混合式燒嘴都是可用的，它們無論是在燒嘴功率方面還是在減少有害物質的排放方面都是最佳的。
從EP 0 321 809 B1得知這樣一種類型的預混合式燒嘴，它主要由兩個空心的圓錐形的且沿流動方向彼此套在一起的分體構成。它們的相應縱向對稱軸線彼此錯開，這樣，分體的相鄰的壁在它們的縱向延伸上形成用於燃燒用空氣流的切向縫隙。優選地通過一個中央噴嘴將液態燃燒噴射到由分體包圍的渦流空間中，而通過在縱向延伸上在切向進空氣縫區域中設置的另一些噴嘴將氣態燃料噴入。
上述預混合式燒嘴的燒嘴方案是以在圓錐形擴展的渦流空間的內部產生一種封閉的旋流為基礎。然而，由於在渦流空間內部沿流動方向的旋轉的增加旋流變得不穩定，並且在流動核心中過渡為一種具有回流區的環形的旋流。通過開裂旋流過渡到具有回流區的環形旋流的地點主要是由通過分錐殼形成的錐角以及進空氣縫的縫隙寬度決定的。原則上講在選擇縫隙寬度的尺寸以及在選擇錐角的尺寸時—最終是通過它確定燒嘴的結構長度的—設置的界線是小的，這樣就出現了所希望的流場。該流場導致形成旋流，並且該旋流在燒嘴匯入區域中在形成一個在空間上穩定的回流區的情況下開裂成一個環形的旋流。在該回流區中在形成空間穩定的火焰的情況下點燃材一空氣混合物。原則上講進空氣縫的減小會導致回流區向上遊位移，然而這樣燃材和空氣混合物在時間上和空間上會提早點火。
另一方面為了將形成的回流區進一步地向下遊定位，也就是為了得到一個更長的預混合或者汽化段，在旋流器的下遊設置一個混合管形式的進一步引導旋流的混合段，例如在EP 0 704 657 B1中所詳細敘述的那樣。從該文獻中得知一個由四個分錐體構成的旋流器。在下遊一個用於燃料—空氣混合物的進一步均勻混合的混合段和該旋流器連接。
為了將從旋流器流出的旋流連續地輸送到混合段中在旋流器和混合段之間設置沿流動方向延伸的過渡通道，這些過渡通道用於將在旋流器中形成的旋流輸送到在下遊連接在過渡通道後面的混合段中。
除了燒嘴的結構設計之外液態燃料的供給也對在旋流器內形成的旋流以及在旋流器的下遊儘可能空間穩定地形成的回流區的流體力學特性有決定性的影響。這樣，特別是在結構較大的預混合式的燒嘴中，在典型的沿著燒嘴的軸線的液態燃料供給時在錐形地擴展的渦流空間的圓錐的尖端部位出現一種沿燒嘴軸線形成的富的燃料—空氣混合氣，這樣一來，所謂的逆燃到渦流空間的區域中去的危險增大。這種類型的逆燃一方面必然導致提高NOx的排放，特別是由此是不完全均勻混合的燃燃—空氣混合比例燃燒。另一方面逆燃的出現之所以危險和必須避免是因為它會導致熱載荷以及機械載荷，其結果可能導致預混合式燒嘴的結構不可逆轉的損壞。
通過上述分別和所希望的燒嘴的情況最佳匹配的燒嘴設計就明白了為了形成更大的並且功率更強的燒嘴僅通過對整個預混合式的燒嘴部件的尺寸標定是不能自動地保持所希望的燒嘴特性的。例如一個燃氣輪機的質量流不能用單個的燃氣輪機的部件的幾何標定因子成線性地標定，而是在很大程度上成平方的比例關係，也就是說，若通過燃氣輪機設備的尺寸匹配功率要翻一倍，則必須給燃燒過程提供四倍這麼多的空氣供使用。其結果是必須為尺寸和功率因數不同的單個的燃氣輪機設計和製造完全新的燒嘴，並且特別是完全新的預混合式燒嘴，並且這些燒嘴還必須以合適的方式和所希望的最佳化的燒嘴特性相適配。這得付出高的成本。這是必須避免的。特別是在大功率的燃氣輪機設備中為了按照燃氣輪機功率在燒嘴功率以及有害物質排放方面達到最佳燒嘴特性，圍繞一個燃燒室環形布局地設置許多單個的燒嘴。此外很顯然，各圍繞一個燃燒室設置一列特別是兩列和多列燒嘴裝置需要很大的結構體積。
上面的說明表明，就具有現在已公開的裝置的燃氣輪機設備的功率提高而言功率的變化必然要求對直到現在已公開的錐形設計的預混合式燒嘴進行全新的設計。在此必須予以幫助和尋找措施，以便使得對也具有當前正在運行中的預混合式燒嘴的燃氣輪機設備的所希望的標定成為可能，並且其對現有的預混合式燒嘴系統僅作小的結構技術方面的改動就能辦到。

發明內容
本發明的任務是對一種用於一種發熱器，特別是一種用於驅動燃氣輪機設備的燃燒室的點火的預混合式燒嘴進行改進，它具有組成一個旋流器的分錐殼，這些分錐殼包圍一個錐形擴展的渦流空間，並且相互限制切向的進空氣縫，預混合式燒嘴還具有用於氣態和/或液態燃料的輸送裝置，其中，至少一個輸送裝置沿著進空氣縫設置在分錐殼上，並且至少另一個輸送裝置沿著在中間穿過該渦流空間的燒嘴軸線設置，它也可在要求有更大燒嘴載荷的更大尺寸的燃氣輪機設備中應用，並且不必對該預混合式燒嘴的結構設計作明顯的改動。
特別是雖然具有使燒嘴功率最大化的措施還必須使通過該燒嘴所引起的有害物質的排放儘可能地小。另一值得期待的方面是這類預混合式燒嘴的結構尺寸，它應儘可能緊湊和小。此外，當然還必須始終保證根據本發明改進的預混合式燒嘴的運行可靠性，並且儘管有了提高燒嘴功率的措施還必須使在功率大的燒嘴系統中關於逆燃事件的增大的危險最小化，直至完全排除。
在權利要求1中給出了作為本發明基本的任務的解決方案。特別是參考實施例本發明的構思中的改進的特徵見從屬權利要求以及說明書。
本發明的基本構思是提高本身已公開的且和相應的燒嘴功率最佳匹配的預混合式燒嘴的吸收能力(schluckvermgen)，並且在這種情況下不改變用於確定預混合式燒嘴的結構尺寸的幾何尺寸，如預混合式燒嘴的長度和直徑。
根據本發明按照權利要求1的前序部分特徵所述的預混合式燒嘴的特徵在於，至少n個分錐殼包圍渦流空間，這些分錐殼限制n個進空氣縫，其中n≥3。N個進空氣縫分別具有至少一個最大的縫寬度，該縫寬度等於或者大於下述縫寬度，具有m≤2個分錐殼和m個進空氣縫的相同的尺寸，也就是燒嘴直徑和燒嘴長度的那種類型的預混合式燒嘴所具有的縫寬度。
通過根據本發明的提高進空氣縫的數量n可在基本不改動的情況下保持燒嘴的緊湊設計，(進空氣縫的數量分別受分錐殼的相應數量n的限制)同時避開通過在燒嘴中心的中心液態燃料的噴射提高燃料分布的問題，特別是以相同的程度提高流過預混合式燒嘴的氣流速度，預混合式燒嘴的空氣流量也以這種程度提高，並且因此也以同樣程度提高其吸收能力。這也是雖然燒嘴的功率更高了但是逆燃的危險卻大大地降低了的原因。然而另一方面所謂的燒嘴額定速度的提高會導致同時損害在燒嘴的下遊的空間穩定的回流區的形成以及與此相聯繫的火焰的穩定。為了相應地考慮火焰的穩定性，必須相應地降低從預混合式燒嘴中出來的所形成的燃料—空氣混合物的流動速度。在渦流發生器的下遊連接有混合管的預混合式燒嘴中將混合管的內部輪廓沿流動方向設計成擴散器，也就是說在一個優選的實施形式中該混合管的內輪廓以一種相對於流動軸線合適規定的圓錐角α擴展。
沒有連接在後面的混合管的預混合式燒嘴中進空氣縫數量的增多會導致回流氣泡向燒嘴出口移動。因此也改善了預混合，並且也產生了低的排放值。


下面不局制本發明的一般構思地藉助實施例，並且參考附圖對本發明進行示範性的說明。這些附圖是圖1燒嘴裝置的縱向截面圖，它具有一個錐形設計、且帶有連接的混合管的預混合式燒嘴，它的上半段橫截面和現有技術相同，它的下半段橫截面和根據方案的實施形式相同。
圖2本身已公開的旋渦發生器的橫截面圖(現有技術)。
圖3根據本方案設計的旋渦發生器的橫截面圖。
具體實施例方式
圖1示出了一個燒嘴裝置的縱向截面圖。該裝置主要具有三個部件一個錐形設計的預混合式燒嘴1、一個過渡件2以及一個混合段3。所述混合段以一個管形的混合部件4的形式設計。圖1的縱截面圖的上半段是已公開的預混合式燒嘴裝置，渦流發生器1的渦流空間被n＝4個分錐殼5包圍，這些分錐殼總共限制n＝4個進空氣縫7。圖2示出了如此公開的渦流發生器1的橫截面圖。從該圖中可以清楚地看出四個包圍著一個內渦流空間6的分錐殼5。四個進空氣縫7規定了預混合式燒嘴的外直徑Da，以及規定渦流空間6的尺寸的內直徑Di。此外，從橫截面2中也可以看出分錐殼關於它們的分錐殼中心點彼此在空間上的錯位，這些中心點分別用十字表示。通過各進空氣縫7無論是空氣L-分別用大箭頭表示-還是優選的通過設置在分錐殼5的來流邊緣上的相應的輸送管道8輸送的氣態燃料B到達渦流發生器1的內部。在渦流發生器1的內部形成一股渦流，這股渦流軸向地沿著燒嘴軸線A(參見圖1)向下遊擴展。
沿流動方向在預混合式燒嘴1中後置的過渡件2用於將在渦流發生器1中形成的渦流儘可能無損失地引導到在下遊連接的混合段3中。為此在過渡件2中設置過渡通道9。這些通道為對流動作相應的引導而設置。在混合段3的內部在一個具有直到現在恆定的流動直徑DM的管形的混合部件4中燃料空氣混合物進行充分的混合，並且在從混合管4出來後在一個未示出的燃燒室內形成一個在空間上穩定的回流區地對混合物進行點火。
此外在保持結構尺寸不變的情況下，也就是特別地保持預混合式燒嘴1的長度不變，也保持預混合式燒嘴的外直徑Da以及內直徑Di不變的情況下為了根據方案加大預混合式燒嘴的吸收能力，根據橫截面3該新式預混合式燒嘴代替n＝4個分錐殼設置n＝6個分錐殼5，這些分錐殼分別包圍n＝6個進空氣縫7。這些進空氣縫7具有和圖2的標準預混合式燒嘴中相同的最大縫隙寬度10。因此很明顯，通過進空氣縫7空氣可到達渦流空間6內部的總表面要比到目前為止已公開的預混合式燒嘴的情況，例如圖2中的實施形式要大得多。在圖3中的根據本方案形成的預混合式燒嘴中的分錐殼5根據分錐殼的中間點又是中間地彼此錯形設置，其中，根據圖3這些中間點以十字形式表示在截面圖的內部。
通過預混合式燒嘴的吸收能力的放大，燒嘴的額定速度，也就是在渦流發生器的內部形成燃料空氣混合物向燒嘴的軸線A軸向流動的流動速度也同時增加。為了不使燃燒室內部的在空間上穩定形成的回流區的火焰穩定性受到損害，根據圖1的下側部分截面圖實施例設置了一個管形的混合部件4。該混合部件4設置一個沿流動方向以α角度擴張的流動截面輪廓，並且因此起著擴散器的作用，因此降低了流動的軸向速度。
和限制或者包圍渦流空間6的分錐殼的數量相同地也以相同的數量在過渡件2中設置過渡通道，也就是用於將旋流引入到混合段3的6個過渡通道。
前面所述的實例是一種後面連接著混合段的預混合式燒嘴，一種也被申請人稱之為先進環保旋渦燒嘴(AEV-Brenner-AdvancedEnvironmentel Vortex-Brenner)。根據本發明的構思是在保持燒嘴幾何形狀不變的情況下通過增加進空氣縫的數量來提高燒嘴的功率，然而本發明的構思不僅是可用在具有後置的混合段的預混合式燒嘴中，而更重要的是本發明構思也可用在沒有後置的混合段預混合式燒嘴上。由申請人稱之為環保旋渦燒嘴(EV-Brenner)的預混合式燒嘴以本身已公開的方式設計為雙錐殼燒嘴，也就是渦流發生器的渦流空間僅通過兩個分錐殼包圍，這些分錐殼僅限制兩個進空氣縫。而如果採用三個或者更多的用以限制渦流空間的分錐殼，其中，單個的進空氣縫的寬度至少具有直到現在已公開的進空氣縫的寬度，從而在這種情況中也提高了這種類型的EV—預混合式燒嘴的吸收能力，而在其中並不改動有關長度和直徑的燒嘴的尺寸。
附圖標記表1預混合式燒嘴2過渡件3混合段4混合管5分錐殼6渦流空間7進空氣縫8燃料輸送管道9過渡通道10進空氣縫的縫寬度
權利要求
1.用於發熱器的預混合式燒嘴，其具有組成旋流器的分錐殼(5)，這些分錐殼包圍錐形擴展的渦流空間(6)，並且相互限制切向的進空氣縫(7)，預混合式燒嘴還具有用於氣態和/或液態燃料的輸送裝置(7)，其中，至少一個輸送裝置沿著進空氣縫(7)設置在分錐殼(5)上，並且至少另一輸送裝置沿著在中間穿過渦流空間(6)的燒嘴軸線(A)設置，其特徵在於，至少n個分錐殼(5)包圍渦流空間(6)，這些分錐殼限制n個進空氣縫(7)，其中，n≥3；n個進空氣縫(7)分別具有至少一個最大的縫寬度(10)，這個縫寬度等於或者大於下述縫寬度(10)，即具有相同尺寸和設計、且具有m≤2個分錐殼(5)和m個進空氣縫(7)的那種類型的預混合式燒嘴(1)所具有的縫寬度。
2.按照權利要求1所述的預混合式燒嘴，其特徵在於，設置n≥5個分錐殼(5)；在渦流發生器的下遊設置管形的混合部件(4)形式的混合段(3)；在渦流發生器和混合段(3)之間設置具有n個過渡通道(9)的過渡件(2)，以便將在渦流發生器中形成的氣流引導到在下遊連接在過渡通道(9)後面的混合段(3)的通流截面中。
3.按照權利要求2所述的預混合式燒嘴，其特徵在於，管形的混合部件(10)沿通流方向至少成段地形成擴壓器。
4.按照權利要求3所述的預混合式燒嘴，其特徵在於，混合部件(4)與過渡件(2)直接相連地具有其通流截面保持不變的第一流動區域；在下遊具有沿流動方向以α角度錐形地擴展的通流截面的第二流動區域連接在第一流動區域上。
全文摘要
本發明描述一種用於發熱器的預混合式燒嘴，它具有組成旋流器的分錐殼(5)，這些分錐殼包圍一個錐形擴展的渦流空間(6)，並且限制相互切向的進空氣縫(7)，以及具有用於氣態和/或液態的燃料的輸送裝置(7)，其中，至少一個輸送裝置沿著進空氣縫(7)設置在分錐殼(5)上，並且至少另一個輸送裝置沿著一個在中間穿過渦流空間(6)的燒嘴軸線(A)設置。本發明的特徵在於，至少n個分錐殼(5)包圍渦流空間(6)，這些分錐殼限制n個進空氣縫(7)，其中，n≥3；n個進空氣縫(7)分別具有至少一個最大的進口寬度(10)，這個縫寬度等於或者大於那個縫寬度(10)，即一個具有相同尺寸和設計，並且具有m≤2的分度盤(5)和m個進空氣縫(7)的那種類型的預混合式燒嘴(1)所具有的縫寬度。
文檔編號F23D14/02GK101095012SQ200580045788
公開日2007年12月26日 申請日期2005年10月27日 優先權日2004年11月3日
發明者H·P·克諾普費爾 申請人:阿爾斯託姆科技有限公司