[发明专利]预混合式烧嘴

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于发热器的预混合式烧嘴，它具有组成旋流器的分锥壳，这些分锥壳包围一个锥形扩展的涡流空间，并且相互限定切向的进空气缝，以及具有用于气态和/或液态的燃料的输送装置，其中至少一个输送装置沿着进空气缝设置在分锥壳上，并且至少另一输送装置沿着一个在中间穿过涡流空间的烧嘴轴线设置。

背景技术

这种类型的预混合式烧嘴多年来成功地应用于驱动燃气轮机的燃烧室的点火中，并且在它们的烧嘴特性方面它们已是相当成熟的部件。按其用途和所希望的烧嘴功率这些类型的预混合式烧嘴都是可用的，它们无论是在烧嘴功率方面还是在减少有害物质的排放方面都是最佳的。

从EP 0 321 809 B1得知这样一种类型的预混合式烧嘴，它主要由两个空心的圆锥形的且沿流动方向彼此套在一起的分体构成。它们的相应纵向对称轴线彼此错开，这样，分体的相邻的壁在它们的纵向延伸上形成用于燃烧用空气流的切向缝隙。优选地通过一个中央喷嘴将液态燃烧喷射到由分体包围的涡流空间中，而通过在纵向延伸上在切向进空气缝区域中设置的另一些喷嘴将气态燃料喷入。

上述预混合式烧嘴的烧嘴方案是以在圆锥形扩展的涡流空间的内部产生一种封闭的旋流为基础。然而，由于在涡流空间内部沿流动方向的旋转的增加旋流变得不稳定，并且在流动核心中过渡为一种具有回流区的环形的旋流。通过开裂旋流过渡到具有回流区的环形旋流的地点主要是由通过分锥壳形成的锥角以及进空气缝的缝隙宽度决定的。原则上讲在选择缝隙宽度的尺寸以及在选择锥角的尺寸时—最终是通过它确定烧嘴的结构长度的—设置的界线是小的，这样就出现了所希望的流场。该流场导致形成旋流，并且该旋流在烧嘴汇入区域中在形成一个在空间上稳定的回流区的情况下开裂成一个环形的旋流。在该回流区中在形成空间稳定的火焰的情况下点燃材一空气混合物。原则上讲进空气缝的减小会导致回流区向上游位移，然而这样燃材和空气混合物在时间上和空间上会提早点火。

另一方面为了将形成的回流区进一步地向下游定位，也就是为了得到一个更长的预混合或者汽化段，在旋流器的下游设置一个混合管形式的进一步引导旋流的混合段，例如在EP 0 704 657 B1中所详细叙述的那样。从该文献中得知一个由四个分锥体构成的旋流器。在下游一个用于燃料—空气混合物的进一步均匀混合的混合段和该旋流器连接。

为了将从旋流器流出的旋流连续地输送到混合段中在旋流器和混合段之间设置沿流动方向延伸的过渡通道，这些过渡通道用于将在旋流器中形成的旋流输送到在下游连接在过渡通道后面的混合段中。

除了烧嘴的结构设计之外液态燃料的供给也对在旋流器内形成的旋流以及在旋流器的下游尽可能空间稳定地形成的回流区的流体力学特性有决定性的影响。这样，特别是在结构较大的预混合式的烧嘴中，在典型的沿着烧嘴的轴线的液态燃料供给时在锥形地扩展的涡流空间的圆锥的尖端部位出现一种沿烧嘴轴线形成的富的燃料—空气混合气，这样一来，所谓的逆燃到涡流空间的区域中去的危险增大。这种类型的逆燃一方面必然导致提高NOx的排放，特别是由此是不完全均匀混合的燃燃—空气混合比例燃烧。另一方面逆燃的出现之所以危险和必须避免是因为它会导致热载荷以及机械载荷，其结果可能导致预混合式烧嘴的结构不可逆转的损坏。

通过上述分别和所希望的烧嘴的情况最佳匹配的烧嘴设计就明白了为了形成更大的并且功率更强的烧嘴仅通过对整个预混合式的烧嘴部件的尺寸标定是不能自动地保持所希望的烧嘴特性的。例如一个燃气轮机的质量流不能用单个的燃气轮机的部件的几何标定因子成线性地标定，而是在很大程度上成平方的比例关系，也就是说，若通过燃气轮机设备的尺寸匹配功率要翻一倍，则必须给燃烧过程提供四倍这么多的空气供使用。其结果是必须为尺寸和功率因数不同的单个的燃气轮机设计和制造完全新的烧嘴，并且特别是完全新的预混合式烧嘴，并且这些烧嘴还必须以合适的方式和所希望的最佳化的烧嘴特性相适配。这得付出高的成本。这是必须避免的。特别是在大功率的燃气轮机设备中为了按照燃气轮机功率在烧嘴功率以及有害物质排放方面达到最佳烧嘴特性，围绕一个燃烧室环形布局地设置许多单个的烧嘴。此外很显然，各围绕一个燃烧室设置一列特别是两列和多列烧嘴装置需要很大的结构体积。