專利名稱：用于操作燃燒室的預(yù)混和燃燒器裝置和操作燃燒室的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用氣體和/或液體燃料操作燃燒室的預(yù)混和燃燒器，其具有用于在引入的燃燒空氣流中產(chǎn)生渦流的渦旋發(fā)生器和用于將燃料注入到該渦流中的裝置，該渦旋發(fā)生器具有至少兩個錐體形殼部，該兩個錐體形殼部裝配在一起而形成一流動體，并且一起包圍一錐形渦旋空間，該錐形渦旋空間具有錐角γ和與錐體的長度方向相切(或沿錐體的長度方向的切向)的進氣狹縫。
背景技術(shù)：
從許多現(xiàn)有的出版物、例如其中的兩個文獻EP 0 210 462 A1和EP 0321 809 B1中已知上述類型的預(yù)混和燃燒器。這種類型的預(yù)混和燃燒器基于在大體錐形渦旋發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生的一般操作原理進行操作，該渦旋發(fā)生器提供至少兩個以彼此適當(dāng)疊置的方式裝配在一起的錐體形殼部以及渦流，該渦流包括燃料和空氣的混合物，并且該渦流在沿著流動方向位于預(yù)混和燃燒器的下游的燃燒室內(nèi)被點燃，從而形成占據(jù)盡可能穩(wěn)定的空間的預(yù)混和火焰。在這種情況下，預(yù)混和火焰的空間位置由渦流的空氣動力學(xué)行為確定，渦流的渦旋系數(shù)隨著沿燃燒器的軸線的傳播的增加而增大，因此變得不穩(wěn)定，并最終因為在燃燒器和燃燒室之間產(chǎn)生不連續(xù)的橫截面過渡而分解成形成有回流區(qū)域的環(huán)形渦流，在其正向區(qū)，沿著流動方向形成預(yù)混和火焰。
特別重要的是所形成的回流區(qū)域的空氣動力學(xué)穩(wěn)定性，但是其以高靈敏度的方式取決于渦旋發(fā)生器的設(shè)計、形狀和尺寸。例如，如果在所形成的回流區(qū)域的流動方向的最前端在空間上不很穩(wěn)定，則熱聲振動或脈動將會在燃燒系統(tǒng)中發(fā)生至增大的程度，這將顯著損害整個燃燒和熱量的釋放。
考慮到這一事實，先前已知和使用的預(yù)混和燃燒器系統(tǒng)的總體尺寸被限制，其中在燃燒器出口處的最大燃燒器直徑僅為180mm。這種類型的預(yù)混和燃燒器還具有相對尖、即小于或等于18°的較小錐角，因此燃燒器的長度趨向相對于面向下游的燃燒器的直徑較大，但是仍可很好地對其進行裝配和維護處理。
但是，只要是將點燃較大尺寸的燃燒器，迄今為止其均由所謂的多重燃燒器裝置制成，并使用了如上所述的混合型燃燒器。例如DE 42 23828 A1或DE 44 12 315 A1公開了這種類型的多重燃燒器裝置。為了操作例如適于點燃筒倉式燃燒室的這種多重燃燒器裝置，需要由分別用作主燃燒器或輔助燃燒器的大量預(yù)混和燃燒器的復(fù)雜配置，以便實現(xiàn)可允許在整個負荷范圍中以盡可能低的發(fā)射值連續(xù)操作燃燒室的末端效應(yīng)。
但是，在不必同時接受燃燒過程中的質(zhì)量損耗的情況下，希望降低復(fù)雜性以及用于點燃較大尺寸燃燒室的獨立預(yù)混和燃燒器的數(shù)量。此外，因為關(guān)于減少發(fā)射值的日益嚴格的環(huán)境標(biāo)準，其目的是通過更符合現(xiàn)代環(huán)境標(biāo)準、更易于接受的燃燒器系統(tǒng)來替代先前操作的主要用于點燃大尺寸的筒倉式燃燒室的單一擴散燃燒器。特別是關(guān)于避免高轉(zhuǎn)換和第一時間獲取成本，希望提供盡可能大尺寸的預(yù)混和燃燒器，以便能夠繼續(xù)維持只采用單個預(yù)混和燃燒器對這種筒倉式燃燒室進行操作。
理論研究和試驗已經(jīng)表明，對從EP 0 321 809 B獲知的雙錐燃燒器進行簡單的縮放比例不能實現(xiàn)上述目的，這主要是由于燃燒器的長度將不成比例地增大。此外，另一事實是沿著與燃燒器的軸線相切的方向延伸并且引入的燃燒空氣可穿過其流入渦旋發(fā)生器中以產(chǎn)生所需渦流的進氣狹縫的寬度將同樣成比例地增大，因而不能確保燃料和引入的燃燒空氣良好地混和并具有適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量。
在需要增大尺寸或增加已知預(yù)混和燃燒器系統(tǒng)的輸出量時，另一非常重要且同時非常關(guān)鍵的方面是包圍渦旋發(fā)生器的渦旋空間的錐體形殼部的下游終端，在EP 0 321 809 B1中描述的雙錐體燃燒器的例子中，其終止于軸向定向阻擋件。這些阻擋件有助于不期望的分離旋渦的形成，這種作為相干的旋渦結(jié)構(gòu)的分離旋渦導(dǎo)致燃燒的不穩(wěn)定性，并由此產(chǎn)生熱聲振動或脈動。
還有一些不同于上述預(yù)混和燃燒器的其它已知預(yù)混和燃燒器裝置(如US 5,588,826)，這些預(yù)混和燃燒器裝置具有位于渦旋發(fā)生器和燃燒器之間的例如呈中空圓柱形混和管形式的過渡幾何形狀。但是，由于這一區(qū)域的流動分離會導(dǎo)致逆燃或自燃，這種類型的過渡幾何形狀在空氣動力學(xué)方面極其敏感。同樣地，由于其復(fù)雜的生產(chǎn)過程，這種類型的過渡幾何形狀無疑提高了生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的特征的預(yù)混和燃燒器，以使得不管燃燒器尺寸的增大，先前已知的預(yù)混和燃燒器的最佳燃燒特性將被保持而不會有實質(zhì)上的改變。因此，其目標(biāo)是增大先前已知的預(yù)混和燃燒器系統(tǒng)的尺寸，以減少前述多重燃燒器裝置中燃燒器的數(shù)量，并且降低相關(guān)系統(tǒng)的成本。同樣，還旨在可以利用大的預(yù)混和燃燒器系統(tǒng)來替換先前已知的單一擴散燃燒器，例如利用單個預(yù)混合燃燒器點燃筒倉式燃燒室。
在權(quán)利要求1中詳細描述了實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案。有利地發(fā)展本發(fā)明的思路的特征是從屬權(quán)利要求的主題，并且這些特征特別是參照示范性實施例在說明書中被公開。
按照本發(fā)明，根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的預(yù)混和燃燒器通過如下方式提供至少在渦旋發(fā)生器的下游端部區(qū)域處設(shè)置一包圍錐體形殼部的成形元件，該成形元件具有面對錐體形殼部的內(nèi)壁，該錐體形殼部以齊平的方式終止于該內(nèi)壁，同時保持其形狀。
先前已知的預(yù)混和燃燒器通常在其出口側(cè)具有180mm的最大燃燒器直徑，為增大這種預(yù)混和燃燒器的尺寸所進行的大量理論研究和試驗導(dǎo)致認識到錐體形殼部的下游端部結(jié)構(gòu)對預(yù)混和燃燒器的火焰形成的穩(wěn)定性具有顯著影響，特別是在致力于形成具有盡可能大的直徑的預(yù)混和燃燒器方面更是如此。
因此，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)使用中的預(yù)混和燃燒器的情況下，錐體形殼部的端部區(qū)域沿著流動方向轉(zhuǎn)變成中空圓柱形流道，該流道與燃燒室緊鄰或與呈現(xiàn)為混和管形式的附加混和區(qū)鄰接。為了避免沿著流動方向直接在錐體形殼部后面出現(xiàn)分離旋渦，根據(jù)本發(fā)明已經(jīng)認識到如果各錐體形殼部保持與鄰接渦旋發(fā)生器的流道的內(nèi)壁緊密接觸，在離開渦旋發(fā)生器之后，渦流能夠很大程度地立即散開而不會形成不穩(wěn)定的渦流，同時還保持著它們的形狀。“保持它們的形狀”是指為了本發(fā)明的目的，以錐形區(qū)段方式構(gòu)成的錐體形殼部的形狀在這些錐體形殼部與包圍這些錐體形殼部的成形元件的內(nèi)壁接觸的區(qū)域中保持不變，如同錐體形殼部將毫無阻礙地沿徑向向外的方向穿透成形元件。
成形元件的內(nèi)壁還用于形成與錐體形殼部的下游鄰接的流道。根據(jù)成形元件的形狀和尺寸，它還可用作混和管或連接元件，在作為帶凸緣部件的情況下，渦旋發(fā)生器可利用該帶凸緣部件與沿流動方向位于其后的燃燒室相連，例如該燃燒室可以是筒倉式燃燒室或一些其它通道結(jié)構(gòu)。
為了使預(yù)混和燃燒器盡可能緊湊，即為了使燃燒器的長度盡可能短，采用至少為11°、但優(yōu)選在20°和更大的范圍內(nèi)的錐角，通過這些錐角，錐體形殼部以錐形變寬的方式圍繞著渦旋空間。例如，其出口區(qū)域的燃燒器直徑大于500mm而其長度在1米以下的燃燒器可以被制造出來。為了確保渦旋發(fā)生器中的燃料和空氣的混和物的良好混合，有利的是增大錐體形殼部的數(shù)量，并且與此相關(guān)地增大進氣狹縫的數(shù)量，從而對每一個進氣狹縫來說，可獲得盡可能小的狹縫寬度。


在不限制本發(fā)明的總體思路的情況下，下面參照附圖基于示范性實施例以舉例方式對本發(fā)明進行描述，其中圖1和2示出了帶有圓柱形成形元件的預(yù)混和燃燒器的透視圖，圖3和4示出了帶有截頭圓錐形成形元件的預(yù)混和燃燒器的透視圖，圖5示出了帶有截頭圓錐形成形元件的預(yù)混和燃燒器的剖面圖，以及圖6和7示出了一預(yù)混和燃燒器的透視圖，其帶有具有以漏斗形式形成的入口區(qū)的成形元件。
具體實施例方式
圖1示出了一預(yù)混和燃燒器的透視圖，其觀察方向為從下游側(cè)到渦旋發(fā)生器2的渦旋空間，該渦旋空間由多個錐體形殼部(或錐形殼區(qū)段)1包圍。圖2示出了以不同視角觀察、即從外部觀察渦旋發(fā)生器2的同一預(yù)混和燃燒器，在所述示范性實施例中，所述渦旋發(fā)生器由8個錐體形殼部1包圍。圖1和2中所示的示范性實施例的進一步細節(jié)在各種情況下均是相同的，因此在圖1和圖2之間沒有進一步的差別。
預(yù)混和燃燒器具有中心接收單元3，該中心接收單元3呈可被推入和保持的接收套管的形式，并用作中心燃料供應(yīng)單元，例如它可以呈用于液體燃料的燃料噴嘴的形式，或者呈用于引燃火焰的燃料噴槍(未示出)的形式。這些通過其上游端部與接收部件3相連的錐體形殼部1共同包圍進氣狹縫4，并且相對于居中地穿過預(yù)混和燃燒器的燃燒器軸線A這樣設(shè)置，以使得它們沿流動方向限定出以錐角γ成圓錐形擴展的渦旋空間。此外，根據(jù)燃料的類型，每個錐體形殼部1具有至少一個燃料供給管路5，通過該燃料供給管路可將燃料混和到穿過進氣狹縫2的引入燃燒空氣流中。
在保持它們的形狀的同時，各錐體形殼部1通過其下游端部在圍繞該錐體形殼部1的圓柱形成形元件7的內(nèi)壁6上展開。各錐體形殼部1沿著相交線8與成形元件7的內(nèi)壁6相連，其中所述相交線8通過使各錐體形殼部1虛擬地穿透成形元件7的內(nèi)壁6而得到。這樣，形成于渦旋發(fā)生器2的內(nèi)部的渦流在流過各錐體形殼部1之后不會受到任何擾動。
為了獲得改進的穿過渦旋發(fā)生器2的進氣狹縫4的引入空氣流，在成形元件7上游設(shè)置一第二成形元件9，該第二成形元件9同樣以中空圓柱形的方式形成，并具有比第一成形元件7大的內(nèi)徑。成形元件7的內(nèi)徑和成形元件9的內(nèi)徑之間的過渡借助不連續(xù)的臺階10實現(xiàn)，此外，該臺階10還與每個錐體形殼部1的燃料供給管路5鄰接。
成形元件7的下游輪廓呈圓柱形，并且提供了可進行簡單結(jié)構(gòu)連接的可能性，例如，可與布置在沿著所述預(yù)混和燃燒器的流動方向的下游的燃燒室(未示出)簡單地連接。
圖3和4示出了根據(jù)本發(fā)明成形的預(yù)混和燃燒器的又一示范性實施例的透視圖，其中，與圖1和2所示的示范性實施例的不同之處在于，成形元件7的區(qū)域被形成為沿著流動方向呈錐形漸縮(或漸變)的截頭圓錐形部分。為了避免重復(fù)，不再對已經(jīng)介紹過的附圖標(biāo)記進行說明。在圖3和4所示的示范性實施例中，在成形元件7的區(qū)域中具有一內(nèi)壁6，該內(nèi)壁6在透視圖中以陰影線示出，并且與仍保持其形狀的錐體形殼部1的下游端部鄰接。一成形元件11在下游處與成形元件7的內(nèi)壁6鄰接，該成形元件11以中空圓柱形的方式形成，并可用作后續(xù)燃燒室的聯(lián)接部件或帶凸緣部件(法蘭連接部件)。相對于錐體形殼部1布置的內(nèi)壁6所產(chǎn)生的效果在于，通過其與內(nèi)壁6鄰接的錐體形殼部1的相交線8相對于前述示范性實施例在流動方向上較小或較短，其中在該前述示范性實施例中，錐體形殼部1沿著與燃燒器軸線共軸的圓柱形內(nèi)壁而鄰接。
圖5中示出了圖3和4所示實施例的圖解性橫截面圖。圖中清晰地顯示出每個錐體形殼部1與沿著流動方向以錐形方式漸縮的成形元件7的內(nèi)壁6鄰接或毗連，該成形元件沿著流動方向轉(zhuǎn)變成直圓柱區(qū)域11。
圖6和7示出了設(shè)有成形元件7的預(yù)混和燃燒器的又一示范性實施例，該成形元件具有上游區(qū)域，即所謂的流入?yún)^(qū)域12，該流入?yún)^(qū)域12沿著流動方向具有漏斗形漸縮內(nèi)壁6。流入?yún)^(qū)域12中的內(nèi)壁6的曲率與四分之一橢圓的輪廓基本對應(yīng)。作為成形元件7的一部分的流入?yún)^(qū)域12沿著流動方向與流動區(qū)域12’鄰接，該流動區(qū)域12’具有很大程度上恒定的流動橫截面，最終燃燒室的入口凸緣可連接到該流動區(qū)域12’上(未示出)。同樣在上述變型中，在保持其形狀的同時，該渦旋發(fā)生器2的錐體形殼部1以齊平的方式終止于成形元件7的鄰接內(nèi)壁6，如同錐體形殼部將毫無阻礙地穿透內(nèi)壁6，但卻通過相交線8終止于內(nèi)壁6處。在流入?yún)^(qū)域12被形成為四分之一橢圓的情形下，錐體形殼部1的下游端部區(qū)域嚴格或緊密地遵循著流入?yún)^(qū)域12中的內(nèi)壁6的橢圓形曲率。對于已經(jīng)介紹過并在圖6和7中再次出現(xiàn)的附圖標(biāo)記的含義而言，可參照前述附圖。
根據(jù)本發(fā)明，每個錐體形殼部通過其下游端部區(qū)域與圍繞所述錐體形殼部的成形元件的內(nèi)壁相連同時保持其自身形狀，從而導(dǎo)致能夠最小程度地刺激或影響穿過錐體形殼部的渦流。與先前已知的預(yù)混和燃燒器不同，根據(jù)本發(fā)明的燃燒器在穿過燃燒器軸線的方向上不會產(chǎn)生堵塞效應(yīng)，其中所述錐體形殼部終止于相應(yīng)的內(nèi)壁，且同時保持其形狀。
附圖標(biāo)記列表1 錐體形殼部2 渦旋發(fā)生器3 接收單元4 進氣狹縫5 燃料供給管路6 內(nèi)壁7 成形元件8 相交平面9 成形元件10 臺階11 中空圓柱形成形元件12 流入?yún)^(qū)域
權(quán)利要求
1.一種利用氣體和/或液體燃料操作燃燒室的預(yù)混和燃燒器，其具有用于在引入的燃燒空氣流中產(chǎn)生渦流的渦旋發(fā)生器(2)和用于將燃料注入到該渦流中的裝置(5)，該渦旋發(fā)生器(2)具有至少兩個錐體形殼部(1)，該兩個錐體形殼部(1)裝配在一起而形成一流動體，并且一起包圍一錐形渦旋空間，該錐形渦旋空間具有錐角γ和與錐體的長度方向相切的進氣狹縫(4)，其特征在于，至少在該渦旋發(fā)生器(2)的下游端部區(qū)域處設(shè)置一包圍該錐體形殼部(1)的成形元件(7)，該成形元件(7)具有面對該錐體形殼部(1)的內(nèi)壁(6)，并且該錐體形殼部(1)以齊平的方式終止于該內(nèi)壁(6)，同時保持其形狀。
2.如權(quán)利要求1所述的預(yù)混和燃燒器，其特征在于，該成形元件(7)在其下游端部區(qū)域處以環(huán)形方式包圍該錐體形殼部(1)，從而使得該成形元件(7)的內(nèi)壁(6)在任何情況下借助于穿過各錐體形殼部(1)的相交線(8)與該錐體形殼部(1)相連，其中該錐體形殼部(1)沿著該相交線(8)虛擬地穿透該內(nèi)壁(6)，同時保持其形狀。
3.如權(quán)利要求1或2所述的預(yù)混和燃燒器，其特征在于，該內(nèi)壁(6)呈截頭圓錐形，并具有沿著流動方向以錐形方式漸縮的輪廓。
4.如權(quán)利要求1或2所述的預(yù)混和燃燒器，其特征在于，該內(nèi)壁(6)緊鄰該渦旋發(fā)生器(2)的下游具有流入?yún)^(qū)域(12)，其中該內(nèi)壁(6)沿流動方向以漏斗形方式漸縮。
5.如權(quán)利要求4所述的預(yù)混和燃燒器，其特征在于，該內(nèi)壁(6)在該流入?yún)^(qū)域(12)中具有沿縱向截面形成為四分之一橢圓的彎曲輪廓。
6.如權(quán)利要求4或5所述的預(yù)混和燃燒器，其特征在于，在該流入?yún)^(qū)域(12)的下游，該內(nèi)壁(6)轉(zhuǎn)變?yōu)檠亓鲃臃较蛄鲃訖M截面保持不變的流動部(12’)。
7.如權(quán)利要求1或2所述的預(yù)混和燃燒器，其特征在于，該內(nèi)壁(6)呈圓柱形。
8.如權(quán)利要求3或7所述的預(yù)混和燃燒器，其特征在于，該第一成形元件(7)沿著流動方向與另一成形元件(11)鄰接，所述另一成形元件(11)具有另一內(nèi)壁，其沿軸向具有恒定的流動橫截面。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項所述的預(yù)混和燃燒器，其特征在于，該錐角γ大于11°，優(yōu)選大于20°。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項所述的預(yù)混和燃燒器，其特征在于，設(shè)置至少四個、優(yōu)選八個錐體形殼部(1)，以形成該渦旋空間。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項所述的預(yù)混和燃燒器，其特征在于，該渦旋發(fā)生器(2)具有大于180mm的下游燃燒器直徑。
12.如權(quán)利要求1至12中任一項所述的預(yù)混和燃燒器的應(yīng)用，其用于點燃筒倉式燃燒室。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用氣體和/或液體燃料操作燃燒室的預(yù)混和燃燒器。所述預(yù)混和燃燒器具有用于在引入的燃燒空氣流中產(chǎn)生渦流的渦旋發(fā)生器(2)和用于將燃料注入到該渦流中的裝置(5)。該渦旋發(fā)生器(2)具有至少兩個錐體形殼部(1)，該兩個錐體形殼部(1)裝配在一起而形成一流動體，并且一起包圍一錐形渦旋空間，該錐形渦旋空間具有錐角γ和與錐體的長度方向相切的進氣狹縫(4)。本發(fā)明的特征在于，至少在渦旋發(fā)生器(2)的下游端部區(qū)域設(shè)置一包圍錐體形殼部(1)的成形元件(7)，該成形元件(7)具有面對該錐體形殼部(1)的內(nèi)壁(6)，該錐體形殼部(1)以齊平的方式終止于該內(nèi)壁(6)，同時保持其形狀。
文檔編號F23D17/00GK1942710SQ200580010919
公開日2007年4月4日 申請日期2005年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月12日
發(fā)明者埃萊娜·德馬科斯, 克里斯蒂安·施泰因巴赫, 尼古拉斯·烏利瓦里, 梅爾廷·安德烈·馮·普蘭塔 申請人:阿爾斯通技術(shù)有限公司