專利名稱：軸向或徑向空氣輸入的預(yù)混合燃燒器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個(gè)軸向或徑向空氣輸入的予混合燃燒器并用于燃?xì)廨啓C(jī)，其中燃燒空氣從一個(gè)氣腔流入該燃燒器和在其通過(guò)燃燒器的行程上與燃料相混合。
由于環(huán)境保護(hù)的原因，現(xiàn)代的應(yīng)用在燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備的燃燒系統(tǒng)都設(shè)置為予混合燃燒器，因?yàn)檫@樣以使有害物排放值與擴(kuò)散式燃燒器相比，得以充分地降低。該予混合燃燒器原則上使燃燒空氣以軸向式或徑向式流入其中。
在通過(guò)燃燒器的行程上，使燃料與空氣流相混合。為在燃燒時(shí)實(shí)現(xiàn)低的NOX和CO排放值，必須使燃料和空氣有一個(gè)均勻的混合，也就是說(shuō)，燃料的加入和空氣的分配要適應(yīng)。依此在任何情況下應(yīng)確?？諝獾妮斎肟梢允悄芸刂频摹５沁@一點(diǎn)在上述予混合燃燒器系統(tǒng)中不是如此的情況。
在EP0321809B1公開(kāi)的雙錐結(jié)構(gòu)型的予混合燃燒器情況下，燃燒空氣從一個(gè)被罩包圍的氣腔通過(guò)切向的空氣進(jìn)口隙縫流入燃燒器內(nèi)腔中。如果氣體的燃料被燃燒，則混合生成物直接存在于空氣進(jìn)口隙縫的端部。在液體燃料通過(guò)一個(gè)在燃燒器的始端件之中央安置的噴嘴噴入的情況下，就會(huì)在燃燒器的內(nèi)腔構(gòu)成一個(gè)錐形的液體燃料柱，它被一個(gè)沿切向流入燃燒器的燃燒空氣流所包圍。該混合物的點(diǎn)燃是在燃燒器的出口發(fā)生的，同時(shí)，火焰通過(guò)在燃燒器入口區(qū)域中的一個(gè)回流區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定。由于在罩中復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài)，因?yàn)榱魅胝种胁粌H有冷卻燃燒腔的冷卻空氣，而且有從旁路流進(jìn)的附加空氣，從而導(dǎo)致渦流化，所以不可能形成均勻的燃燒器流入狀態(tài)燃燒空氣的輸入不是精確可控制的，所以燃料和空氣不能實(shí)現(xiàn)完全的均勻混合。這又導(dǎo)致燃燒時(shí)提高的有害物排放。
本發(fā)明試圖，避免上述所有的缺陷。所以本發(fā)明任務(wù)是，在一個(gè)予混合燃燒器中設(shè)置一個(gè)整流裝置，借助它，流入的燃燒空氣之流動(dòng)結(jié)構(gòu)被均勻化，紊流度被提高，并可以使空氣流動(dòng)與燃燒器相匹配，這樣，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)燃料和空氣的均勻化混合。
按照發(fā)明要求，在一個(gè)具有軸向式或徑向式空氣輸入的予混合燃燒器情況下，燃燒空氣從一個(gè)在流動(dòng)方向上于燃燒器之前并圍繞其安置的氣腔流入該燃燒器中和在其通過(guò)燃燒器的行程上與燃料相混合，對(duì)于上述任務(wù)是如此實(shí)現(xiàn)的，在氣腔和燃燒器之間安置一個(gè)帶確定壁厚和開(kāi)孔的空孔構(gòu)件，所述開(kāi)孔具有一個(gè)確定的直徑和相互間一個(gè)確定的間距，所述構(gòu)件將流過(guò)的燃燒空氣分割成小的限定的射流，它們?cè)谝粋€(gè)確定的流動(dòng)長(zhǎng)度以后又匯合一起，同時(shí)，壁厚相對(duì)于開(kāi)孔直徑的比例是大于/等于1，最好為1.5，并且在穿孔構(gòu)件的流通面積和可能的到燃燒器的流入面積之間的比例是根據(jù)燃燒器的類型同樣是大于/等于1的。
另外本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，在穿孔的構(gòu)件之后可實(shí)現(xiàn)一個(gè)均勻的速度分布并具有提高的渦流度以作為燃燒器的輸入流。因此，燃料和燃燒空氣的混合得以改善并被強(qiáng)化，所以CO和NOX的排放值減小了。本予混合燃燒器具有一個(gè)較大的應(yīng)用前景，因?yàn)樗梢栽诓焕牧魅霔l件下良好地運(yùn)行。
有利的是，在具有徑向式空氣輸入的予混合燃燒器情況下，該穿孔的構(gòu)件是一個(gè)圍繞燃燒器安置的穿孔籃件，并在一個(gè)具有軸向式空氣輸入的燃燒器情況下是一個(gè)在燃燒器之前相對(duì)燃燒空氣的流動(dòng)方向垂直安置的壁件。
特別符合目的要求的是，該流動(dòng)長(zhǎng)度相對(duì)開(kāi)孔的間距之比例是大于/等于5。
另外有利的是，在軸向式空氣輸入的予混合燃燒器情況下，在穿孔的壁件之流通面積和到燃燒器的流入面積之間的比例等于1。.
最后有的優(yōu)點(diǎn)是，在按照EP0321809B1的雙錐型予混合燃燒器情況下，燃燒空氣通過(guò)切向的空氣進(jìn)口隙縫流入燃燒器，在穿孔籃件的流通面積和到燃燒器的流入面積之間的比例大于1，最好為4。依此可確保一個(gè)沿燃燒器流入長(zhǎng)度上的不均勻的空氣分配，亦即質(zhì)量分配和流動(dòng)型式都可以得到均勻化整流。這樣沿空氣進(jìn)口隙縫上的燃料分配得到最佳化配置，因此，燃料和空氣的混合被改善和在燃燒時(shí)的NoX值被減小。
在附圖中描述了本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施例，其中，一個(gè)為用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的徑向流入式雙錐形予混合燃燒器和一個(gè)軸向流入式予混合燃燒器。


圖1a表明在空氣通過(guò)一個(gè)空孔壁以相同形式流入時(shí)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)；圖1b表明空氣通過(guò)一個(gè)穿孔壁以不相同形式流入時(shí)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)；圖1c表明流入空氣在傾斜流入時(shí)速度曲線的簡(jiǎn)圖2表明一個(gè)雙錐型予燃燒器的立體圖；圖3是通過(guò)圖2III-III截面的簡(jiǎn)圖；圖4是通過(guò)圖2IV-IV截面的簡(jiǎn)圖；圖5是通過(guò)圖2V-V截面的簡(jiǎn)圖；圖6是按照?qǐng)D2具有本發(fā)明整流器的予燃燒器局部剖圖；圖7是在圖6之徑向流入情況下，表示整流器作用方式的詳細(xì)圖(Kizze)；圖8是圖6中通過(guò)VIII-VIII截面圖；和圖9是帶整流器的軸向流入式予燃燒器局部截面圖；僅表示了為理解本發(fā)明的基本元件，因此，例如只表示了燃燒室?？諝獾牧鲃?dòng)方向是用箭頭表明的。
下面借助圖1至9的兩個(gè)實(shí)施例詳細(xì)闡述本發(fā)明。
圖1a首先一般表明了在空氣15理想的均勻流入情況下，如整流器作用的穿孔結(jié)構(gòu)件24之作用方式，同時(shí)，在圖1b中表明了在空氣15不同形式流入情況下，穿孔結(jié)構(gòu)件24的作用方式。
帶壁厚S的構(gòu)件24具有多個(gè)開(kāi)孔25，其分別具有一個(gè)直徑d。這些開(kāi)孔25相互以常數(shù)間距t安置。按照?qǐng)D1a和1b，通過(guò)構(gòu)件24之開(kāi)孔25流動(dòng)的空氣15被分割成小的限定的射流，它們?cè)陂_(kāi)孔后邊的一個(gè)確定的流動(dòng)長(zhǎng)度1以后就又匯合起來(lái)。同時(shí)，該流動(dòng)長(zhǎng)度1是取決于開(kāi)孔25的間距t和直徑d的，并取決于射流擴(kuò)散度。如在圖1b中很好看出的一樣，在不同形式的流入情況下，射流擴(kuò)散已經(jīng)在穿孔的構(gòu)件之前就發(fā)生了。在流過(guò)壁件之后，就可實(shí)現(xiàn)一個(gè)相同形式的速度度結(jié)構(gòu)并具有一個(gè)提高的小尺度的渦度級(jí)，進(jìn)而導(dǎo)致一個(gè)有利地流入到圖1中未描述的燃燒室。
此外在彎曲壁，例如一個(gè)圍繞燃燒室設(shè)置的穿孔籃情況下，可以設(shè)置一個(gè)穩(wěn)定的從籃件中流出的流出角并依此適應(yīng)于燃燒室。
圖1C表明在傾斜地流入穿孔構(gòu)件24情況下，流入空氣的速度結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖在空氣15到達(dá)構(gòu)件24之前，其速度由此處的垂直分量V1和水平的分量u1合成，同時(shí)，由合成速度和V1構(gòu)成一個(gè)夾角β1。在以由壁厚S相對(duì)孔直徑d確定的最小比例流過(guò)構(gòu)件以后，該水平的分量u和夾角β2都是零了，因此，還只存在一個(gè)垂直的速度分量V2，而且結(jié)果V1＜V2。如果人們與此相反地應(yīng)用一個(gè)穿孔的構(gòu)件24，其具有很小的壁厚，那么，水平速度分量u1仍保持而且結(jié)果u2＝u1和β2＜.β1，同時(shí)，該垂直的速度分量V2在構(gòu)件24之后同樣大于V1。在這種情況下，不存在整流作用。
關(guān)于穿孔構(gòu)件24的配置應(yīng)遵守在構(gòu)件的流通面積和流入予燃燒器的面積之間為一個(gè)固定的面積比例。通過(guò)穿孔構(gòu)件24的壓力損失則由這兩個(gè)面積確定。同樣，也不允許低于在開(kāi)孔25的直徑和壁厚S之間的一個(gè)固定比例，因?yàn)檫@個(gè)比例還確定了壓力損失的高度。已經(jīng)表明，該比例應(yīng)該為d/S≥1-1.5。通過(guò)這些要求，開(kāi)孔25的相互間距t就確定了，而間距又確定了在構(gòu)件24后邊的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，因?yàn)?，該比例?yīng)為1/t≥5，這是由于在射流擴(kuò)散的基礎(chǔ)上，單個(gè)的射流又匯合一起和速度流型是很均勻的。
圖2作為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例立體圖表明一個(gè)雙錐型并帶予燃燒區(qū)的燃燒器18，它的原理結(jié)構(gòu)已在EP0321908B1中描述。為了更好地理解燃燒器的結(jié)構(gòu)有利方式是，同時(shí)參看圖2和相關(guān)的圖3至5的截面圖。
該燃燒器18包括兩個(gè)分錐體1，2，它們是以其縱向?qū)ΨQ軸線1b，2b相互徑向錯(cuò)位安置的，因此，在分錐體1，2的兩個(gè)側(cè)邊上形成相反對(duì)置的流入結(jié)構(gòu)，并分別為切向的空氣流入隙縫19，20，通過(guò)它，燃燒空氣15流入燃燒器18的內(nèi)腔14中亦即由兩個(gè)分錐體1，2構(gòu)成的錐體中空腔中。該分錐體1，2在流動(dòng)方向上直線地?cái)U(kuò)張，也就是說(shuō)它們具有一個(gè)和燃燒器軸線為常數(shù)的夾角。這兩個(gè)分錐體1，2各具有一個(gè)起端件1a，2a，它們同樣錯(cuò)位配置。在這個(gè)圓柱形的起端件1a，2a中，置有一個(gè)霧化噴嘴3，它的開(kāi)口大約安置在燃燒器18之錐形內(nèi)腔14的最窄橫截面內(nèi)。理所當(dāng)然，該燃燒器18還可以設(shè)置成純粹的錐形結(jié)構(gòu)而沒(méi)有圓柱形的起端件。通過(guò)噴嘴3噴入液體的燃料12，因此，在燃燒器18的內(nèi)腔14中形成一個(gè)微滴噴霧結(jié)構(gòu)4。
這兩個(gè)分錐體1，2沿空氣進(jìn)入隙縫19，20各置有一個(gè)燃料管道9，它們沿縱向側(cè)設(shè)有開(kāi)孔17，通過(guò)其，流入另外的燃料13。這種氣體狀的燃料13混入通過(guò)切向空氣進(jìn)入隙縫19，20流入燃燒器內(nèi)腔1中的燃燒空氣15中，這一點(diǎn)通過(guò)箭頭16表明。通過(guò)噴嘴3和燃料輸入結(jié)構(gòu)8，9，該燃燒器18就能實(shí)現(xiàn)混合式運(yùn)行。此外，這種空氣輸入還用于，在燃燒器的出口處產(chǎn)生一個(gè)火焰穩(wěn)定作用。此處就形成一個(gè)穩(wěn)定的帶回流區(qū)6的火焰前緣7。
在燃燒腔側(cè)設(shè)置一個(gè)帶開(kāi)孔11的前板10，通過(guò)開(kāi)孔11，在需要時(shí)往燃燒腔22中輸入稀釋空氣或冷卻空氣。
從圖3至5可以看出導(dǎo)流板21a，21b的配置。它們可以例如圍繞一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)23打開(kāi)或閉合，因此，該切向的空氣進(jìn)口隙縫19，20的原始隙縫量是可改變的。理所當(dāng)然，該燃燒器還可以沒(méi)有這些導(dǎo)流板21a，21b就可運(yùn)行。
按照?qǐng)D6，上面描述的燃燒器18被一個(gè)蓋罩26所包圍，它構(gòu)成一個(gè)用于流入燃燒器之燃燒空氣15的氣腔27。同時(shí)，該燃燒空氣15一.方面包括冷卻空氣15a，它在先以對(duì)流方式冷卻了燃燒腔5的壁部和另一方面包括空氣15b，它通過(guò)未描述的旁路管道同樣流入氣腔2中，因此，產(chǎn)生附加的渦流作用。在蓋罩26中因而存在一個(gè)很復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài)。依此，按照迄今的現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法確保空氣通過(guò)切向的空氣進(jìn)口隙縫19，20均勻地流入燃燒器中，所以，氣體的燃料13和燃燒空氣15不可能為最佳混合，進(jìn)而不可能使燃燒器應(yīng)用在不利的流入條件下，換句話說(shuō)，在較有利的排出流動(dòng)條件下，NoX一值不能下降得足夠低。
為此，如在圖6，7和8中，一個(gè)穿孔的籃件24圍繞著徑向流入的燃燒器18而設(shè)置，該籃件實(shí)現(xiàn)一個(gè)整的作用。通過(guò)籃件24的輪廓適配性可使燃燒器實(shí)現(xiàn)一個(gè)最佳的流入方式。該燃燒器的流入方式通過(guò)本發(fā)明，就可脫離蓋罩中的復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)。
在穿孔的籃件24的流通面積和流入燃燒器18的面積(空氣進(jìn)口隙縫19，20)之間的面積比例在本實(shí)施例中計(jì)為4。依此就可實(shí)現(xiàn)，通過(guò)穿孔的籃件的壓力損失大約與一個(gè)滯止壓力相一致。如果流通面積也就是說(shuō)在籃件24中的開(kāi)孔25的面積在其他不變的條件下是明顯較小的，則產(chǎn)生一個(gè)過(guò)高的壓力損失。
因?yàn)楸诤馭相對(duì)于孔直徑d的比例必須是大于/等于1，最好是1.5，這樣用這一要求加上上面提及的面積比例，開(kāi)孔25相互間的距離t就被確定了，該距離t又確定了在穿孔的籃件24之后邊的流動(dòng)型式。該空氣15如上面已經(jīng)描述的，在流過(guò)該籃件24情況下，被分割成小的限定的射流，它們?cè)陂_(kāi)孔25后邊的流動(dòng)長(zhǎng)度1之后又匯合一起。依此，這個(gè)一般的流動(dòng)型式可以精確地被確定和與相應(yīng)的燃燒要求匹配。這樣的優(yōu)點(diǎn)在于一個(gè)沿著燃燒器18的流入長(zhǎng)度上的不均勻空氣分配就可以得到整流，不僅在質(zhì)量分布上而且在流動(dòng)型式上都如此。依此，沿燃燒器18之空氣進(jìn)口上的燃料分配可以最佳地設(shè)置，進(jìn)而，除了空氣的渦流度提高以外，燃料和燃燒空氣的混合也得到改善和因此有害物的排放也減少。該燃燒器由此也可以被應(yīng)用在不利的流入條件下。通過(guò)籃件24的輪廓適當(dāng)配合就能實(shí)現(xiàn)一個(gè)最佳的燃燒器之當(dāng)?shù)亓魅胄褪健?br> 理所當(dāng)然，本發(fā)明并不局限在上面描述的實(shí)施例上。因此在圖9中描述了另一個(gè)實(shí)施例，它涉及一個(gè)軸向流入的予混合燃燒器18.此處該燃燒空氣15從氣腔27通過(guò)一個(gè)在燃燒器前與流動(dòng)方向相垂直安置的穿孔壁24的開(kāi)孔25流入燃燒器18中，該壁24可以是例如一個(gè)孔板件。在此處，該燃料13在經(jīng)向上錯(cuò)位地并在旋轉(zhuǎn)體28之前混合摻入。為使本系統(tǒng)穩(wěn)定化，通過(guò)一個(gè)中央輸入結(jié)構(gòu)導(dǎo)入控制燃料29于燃燒器中。因?yàn)榭諝饬魍ㄟ^(guò)壁件24被均勻化并另外該小量級(jí)的渦流度通過(guò)壁件24被提高了，所以就可以實(shí)現(xiàn)燃料和燃燒空氣的均勻的混合，進(jìn)而導(dǎo)致前面提及的優(yōu)點(diǎn)。
參考編號(hào)1，2 分錐體1a，2a 圓柱體始端件1b，2b 分錐體的中軸線3霧化噴嘴5燃燒腔4燃料微粒噴霧結(jié)構(gòu)6流區(qū)(Vortex breakdoun)7火焰前緣8，9 燃料管道10 前板11 前板中的開(kāi)孔12 液體燃料13 另外的燃料14 燃燒器的內(nèi)腔15 燃燒空氣流16 噴入燃料17 開(kāi)孔18 燃燒器19，20 切向空氣進(jìn)口隙縫21a，20b 導(dǎo)流板22 燃燒器之流出側(cè)的燃燒腔23 轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)24 穿孔的構(gòu)件25在壁件24中的開(kāi)孔26蓋罩27氣腔28旋轉(zhuǎn)體29控制燃料d 開(kāi)孔25的直徑S 壁件24的厚度t 兩個(gè)開(kāi)孔間的距離V1在壁24之前的垂直速度u1在壁件24之前的水平速度β1在V1和合成速度之間的夾角V2在流過(guò)壁件24之后的垂直速度u2在流過(guò)壁件24之后的水平速度β2在V2和合成速度之間的夾角
權(quán)利要求
1.具有軸向或徑向式空氣輸入的予混合燃燒器(18)，其中該燃燒空氣(15)從一個(gè)在流動(dòng)方向上安置在燃燒器(18)之前并圍繞其的氣腔(27)流入該燃燒器(18)中，且在通過(guò)燃燒器(18)的行程上與其燃料(12，13)相混合，其特征在于在氣腔(27)和燃燒器(18)之間安置一個(gè)壁厚為(5)和有開(kāi)孔(25)的空孔構(gòu)件(24)，開(kāi)孔(25)各自的直徑為(d)并相互間的距離為(t)，所述構(gòu)件(24)將流過(guò)的燃燒空氣(15)分割成小的限定的射流，它們?cè)谝粋€(gè)確定的流動(dòng)長(zhǎng)度(1)以后又匯合一起，同時(shí)，壁厚(S相對(duì)于開(kāi)孔(25)的直徑(d)的比例是大于/等于1并且在穿孔構(gòu)件(24)的流通面積和可能的流入燃燒器(18)的面積之間的比例是根據(jù)燃燒器類型而大于/等于1。
2.按照權(quán)利要求1具有徑向式空氣輸入的予混合燃燒器，其特征在于該穿孔的構(gòu)件(24)是一個(gè)圍繞燃燒器(18)安置的穿孔籃件。
3.按照權(quán)利要求1具有軸向式空氣輸入的予混合燃燒器，其特征在于該穿孔的構(gòu)件(24)是一個(gè)在燃燒器(18)之前相對(duì)燃燒空氣(15)的流動(dòng)方向垂直安置的穿孔壁，最好是一個(gè)孔板。
4.按照權(quán)利要求1至3之一的予混合燃燒器(18)，其特征在于流動(dòng)長(zhǎng)度(1)相對(duì)開(kāi)孔(25)的間距(t)的比例是大于/等于5。
5.按照權(quán)利要求1至3之一的予混合燃燒器(18)，其特征在于壁厚(S)相對(duì)于開(kāi)孔(25)的直徑(d)的比例最好是1，5。
6.按照權(quán)利要求3的予混合燃燒器(18)其特征在于在穿孔的壁件(24)的流通面積和到燃燒器(18)的流入面積之間的比例等于1。
7.按照權(quán)利要求2和EP0321 809B1之雙錐型的予混合燃燒器(18)，其中，燃燒空氣(15)通過(guò)切向的空氣進(jìn)口隙縫(19，20)流入燃燒器(18)，其特征在于在穿孔籃件(24)的流通面積和至燃燒器(18)的流入面積之間的比例是大于1，最好為4。
全文摘要
在軸向或徑向式空氣輸入的預(yù)混合燃燒器(18)情況下，燃燒空氣(15)從一個(gè)在燃燒器(18)之前并包圍其的氣腔(27)中流入燃燒器(18)內(nèi)并在其通過(guò)該燃燒器(18)的行程上與燃料(12，13)相混合在氣腔(27)和燃燒器(18)之間安置一個(gè)壁厚為(S)和有開(kāi)孔(25)的穿孔構(gòu)件(24)，該開(kāi)孔(25)各自直徑為(d)和相互的間距為(t)，構(gòu)件(24)將流過(guò)的燃燒空氣(15)分割成小的限定的射流，它們?cè)谝粋€(gè)確定的流動(dòng)長(zhǎng)度(1)以后又匯合一起，同時(shí)該壁厚(S)相對(duì)于開(kāi)孔(25)之直徑(d)的比例是大于/等于1并且在構(gòu)件(24)的流通面積和可能的至燃燒器(18)的流入面積之間的比例依據(jù)燃燒器的類型是大于/等于1。
文檔編號(hào)F23R3/04GK1158958SQ9611003
公開(kāi)日1997年9月10日 申請(qǐng)日期1996年5月6日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月8日
發(fā)明者T·-M·馬琳, B·舒爾特-韋寧 申請(qǐng)人:亞瑞亞·勃朗勃威力有限公司