專利名稱：雙流切向進(jìn)氣噴嘴的燃燒方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低NOx預(yù)混燃料的噴嘴，更具體地說，涉及用在燃?xì)廨啓C(jī)中的噴嘴。
氮氧化物(下文中稱為NOx)是在高溫燃燒下生產(chǎn)的。NOx和一氧化碳(“CO”)是眾所周知的污染物，因此，生成NOx和CO的燃燒裝置受到更加嚴(yán)格的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的限制。這樣，人們正在加倍努力地致力于減少燃燒裝置中NOx和CO的生成。
其中一種解決方案是將燃料與過量的空氣預(yù)混合，這樣，在進(jìn)行燃燒時(shí)伴隨有局部的較高過量空氣，結(jié)果導(dǎo)致了較低的燃燒溫度并使生成的NOx降到最低限度。以這種方式工作的燃料噴嘴公開在美國專利US 5,307,634中，該專利披露了一種具有一個(gè)圓錐中心體的蝸殼式旋流器。這種燃料噴嘴是已知的切向進(jìn)氣式燃料噴嘴。它包括兩個(gè)與端板相連的偏心圓筒弧形蝸殼。燃燒空氣通過兩個(gè)由偏心蝸殼形成的大致呈矩形的狹縫口進(jìn)氣旋流器，并且通過一個(gè)端板上的燃燒器入口排出，然后流入燃燒器。通過位于與內(nèi)后緣對(duì)置的外蝸殼上的直線排列的孔口將燃料從總管噴入在各入口縫的空氣流中，以在流入燃燒器前產(chǎn)生均勻的燃料空氣混合物。
以稀燃料/空氣混合比工作的切向進(jìn)氣式預(yù)混燃料噴嘴相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的燃料噴嘴具有NOx的低排放特性。但遺憾的是，在上述專利中公開的那種燃料噴嘴由于這種稀工作狀態(tài)，使得在正常的工作范圍內(nèi)燃燒不穩(wěn)定。
我們所需要的是一種以實(shí)現(xiàn)低NOx和低CO排放為目標(biāo)的稀燃料/空氣比進(jìn)行工作的切向進(jìn)氣燃料噴嘴的方法，該方法不會(huì)出現(xiàn)在現(xiàn)有技術(shù)中觀察到的燃燒不穩(wěn)定性。
所以，本發(fā)明的目的是提供一種以實(shí)現(xiàn)低NOx和低CO排放為目標(biāo)的稀燃料/空氣比進(jìn)行工作的切向進(jìn)氣燃料噴嘴的方法，該方法不會(huì)出現(xiàn)在現(xiàn)有技術(shù)中觀察到的燃燒不穩(wěn)定性。
因此，在預(yù)混式燃燒的燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器中的燃料燃燒的方法包括提供一個(gè)具有第一和第二端板的蝸殼式旋流器，第一端板相對(duì)于第二端板分隔設(shè)置并使它與第二端板之間限定出一個(gè)大致為圓柱形混合區(qū)，第二端板具有一個(gè)貫穿該端板延伸的燃燒器入口；提供一個(gè)位于混合區(qū)內(nèi)的中心體，它具有朝燃燒器入口方向逐漸變細(xì)的的徑向外表面，該表面大體延伸到混合區(qū)的整個(gè)長度上；將燃燒空氣的第一部分基本連續(xù)地沿混合區(qū)的長度方向切向地引入該混合區(qū)；將混入燃燒空氣中的燃料的第一部分作為燃燒空氣引入混合區(qū)；通過使燃燒空氣與燃料圍繞中心體形成旋流使燃燒空氣和燃料混合，同時(shí)使燃燒空氣和燃料流向燃燒器入口；將燃燒空氣的第二部分以徑向朝內(nèi)方向于燃燒器入口處引入第一部分，燃燒空氣的第一和第二部分合起來形成總氣流，而燃燒空氣的第二部分占總氣流的85-89％；以及在混合區(qū)外部燃燒燃料。


圖1是沿圖2的1-1線截取的本發(fā)明燃料噴嘴的橫向剖視圖；圖2是朝本發(fā)明噴嘴的縱軸線向下看的橫向剖視圖；圖3是沿圖2的3-3線截取的本發(fā)明燃料噴嘴的橫向剖視圖。
參見圖1，本發(fā)明的低NOx預(yù)混噴嘴10包括一個(gè)位于蝸殼式旋流器14內(nèi)的中心體12。該蝸殼式旋流器14具有第一和第二端板16，18，第一端板與中心體12相連并與第二端板18分隔設(shè)置，第二端板具有貫穿該板的燃燒器入口20。多個(gè)(最好為兩個(gè))圓筒弧形蝸殼部件22，24從第一端板16延伸到第二端板18。
蝸殼部件22，24繞噴嘴10的縱軸26均勻地分隔配置，從而在它們之間限定了一個(gè)混合區(qū)28，如圖2中所示。每個(gè)蝸殼部件22，24都有一個(gè)面向縱軸26的徑向內(nèi)表面并限定出一個(gè)繞中心線32，34部分回轉(zhuǎn)的表面。這里所使用的術(shù)語“部分回轉(zhuǎn)表面”指的是由一條直線繞一條中心線32，34旋轉(zhuǎn)小于一整圈而得到的表面。
各蝸殼22都相對(duì)于另一蝸殼24隔開設(shè)置，各蝸殼22，24的中心線32，34位于混合區(qū)28內(nèi)(如圖2中所示)。參見圖3，各中心線32，34都是平行并相對(duì)于縱軸26隔開的，所有中心線32，34都相對(duì)于縱軸26等距，從而限定出入口槽36，38，它們?cè)诿恳粚?duì)相鄰蝸殼部件22，24之間沿平行于縱軸26的方向延伸，以便能將燃燒空氣40引入混合區(qū)28。來自壓縮機(jī)(圖中未示出)的助燃空氣42流過由中心線32，34偏置的蝸殼部件22，24的重疊端44，50，48，46形成的入口槽36，38。
各蝸殼部件22，24還包括一個(gè)用于在燃料通過一個(gè)入口槽36，38進(jìn)入混合區(qū)28時(shí)將其引入燃燒空氣40內(nèi)的燃料管52，54?？商峁┮簯B(tài)或氣態(tài)(但最好是氣態(tài))燃料的第一供料管(圖中未示出)連接在各燃料管52，54上。與縱軸26同軸的燃燒器入口20位于緊靠燃燒器56的位置，以便將來自本發(fā)明的燃料和燃燒空氣輸送到燃燒器56內(nèi)，燃料和空氣在燃燒器中燃燒。
再參見圖1，中心體12具有一個(gè)底座58，該底座至少具有一個(gè)，最好多個(gè)貫穿其延伸的供氣口60，62，并且底座58垂直于穿過該底座的縱軸26。中心體12還具有一個(gè)與縱軸26同軸的內(nèi)通道64。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，內(nèi)通道64包括具有第一端68和第二端70的第一圓柱形通道66和直徑大于第一圓柱形通道66并且同樣具有第一端74和第二端76的第二圓柱形通道72。第二圓柱形通道72通過一個(gè)圓錐形通道78與第一圓柱形通道66相通。該圓錐形通道78具有直徑等于第一圓柱形通道66直徑的第一端80和直徑等于第二圓柱形通道72直徑的第二端82。每條通道66，72，78都與縱軸26同軸，并且圓錐形通道78的第一端80與第一圓柱形通道66的第二端70成一整體，而圓錐形通道78的第二端82與第二圓柱形通道72的第一端74成一整體。第一圓柱形通道66包括一個(gè)排氣孔68，該孔為圓形并與縱軸26平行，它位于第一圓柱形通道66的第一端68上。
參見圖3，中心體12的徑向外表面84包括一個(gè)限定一個(gè)與縱軸26同軸并朝底座58方向擴(kuò)張的錐臺(tái)外表面的錐臺(tái)部分86和與該錐臺(tái)部分86連成一體的圓柱形部分88，該圓柱形部分限定了一個(gè)圓柱體的表面，并與軸26同軸。在該優(yōu)選實(shí)施例中，圓柱形部分88終止于排氣孔68所在的平面上，錐臺(tái)部分86在底座58處的直徑比錐臺(tái)部分86在錐頂處的直徑大2.65倍，而錐臺(tái)體的高度90(底座58與錐臺(tái)體86相交處的平面與錐臺(tái)體86的錐頂所在的平面之間的距離)大約為錐臺(tái)部分86在底座68處的直徑的1.3倍。圓柱形部分88位于錐臺(tái)部分86和排氣孔68之間。如圖3所示，內(nèi)通道64由中心體12的徑向外表面沿徑向包圍，該錐臺(tái)部分86與縱軸26同軸，并且中心體12連接在底座58上，使錐臺(tái)86朝圓柱形部分88方向變細(xì)并終止于圓柱形部分88。如圖2所示，錐臺(tái)86的底座裝配在內(nèi)接于混合區(qū)28的圓92上，圓92的圓心94位于縱軸26上。本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員很容易理解到，混合區(qū)28的橫截面不一定是圓形的。
參見圖1，內(nèi)腔100位于底座58與第二圓柱形通道72的第二端76之間的中心體12內(nèi)，并且該第二圓柱形通道72終止于內(nèi)腔100。通過底座58上與內(nèi)腔100連通的送風(fēng)口60，62向內(nèi)腔100輸送空氣102，內(nèi)腔100又將空氣通過第二圓柱形通道72的第二端76提供給內(nèi)通道64。第一端板16上具有開孔104，106，它們與底座58上的送風(fēng)口60，62對(duì)正，這樣不會(huì)影響來自燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)的燃燒空氣102的流動(dòng)。旋流器108(最好為現(xiàn)有技術(shù)中的徑向入流式旋流器)與縱軸26同軸并位于內(nèi)腔100內(nèi)緊靠第二圓柱形通道72的第二端76處，以使從內(nèi)腔100進(jìn)入內(nèi)通道64的所有空氣都必須通過旋流器108。
也與縱軸26同軸的燃料噴管110穿過底座58、內(nèi)腔100和旋流器108進(jìn)入內(nèi)通道64的第二圓柱形通道72。第二圓柱形通道72的較大直徑包含了燃料噴管110的橫截面積，因而使第二圓柱形通道72的流通面積基本上等于第一圓柱形通道66的流通面積?？商峁┮后w或氣體燃料的第二燃料供給管路(圖中未示出)連接在燃料噴管110上，以便將燃料提供給燃料噴管110內(nèi)的內(nèi)通道112。燃料噴口114設(shè)在燃料噴管110上并給燃料提供通路，以使燃料能從燃料噴管110進(jìn)入內(nèi)通道64。
參見圖3，燃燒器入口20與縱軸26同軸并有一個(gè)收縮表面116、一個(gè)擴(kuò)張表面117和一個(gè)圓柱形表面118，表面118限定了一個(gè)入口20的喉部平面120。收縮表面116、擴(kuò)張表面117和圓柱形表面118都與縱軸26同軸，并且收縮表面116位于第一端板16和圓柱形表面118之間。收縮表面116基本上為圓錐形并朝圓柱形表面118方向收縮，而擴(kuò)張表面最好是通過橢圓的一部分繞縱軸26旋轉(zhuǎn)來限定。
圓柱形表面118在喉部平面120和擴(kuò)張表面之間延伸一定的距離121。擴(kuò)張表面117在圓柱形成表面118與燃燒器入口20的燃燒器表面122之間延伸，該燃燒器表面122垂直于縱軸26，并限定了本發(fā)明燃料噴嘴10的出口平面124。為了使燃料/空氣混合物在通過燃燒器入口20時(shí)達(dá)到所需的軸向速度，通過該入口20的燃燒空氣必將流經(jīng)位于燃燒器入口20處的最小流動(dòng)區(qū)，或喉部區(qū)。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，圓柱形表面118距離縱軸26的預(yù)定半徑應(yīng)比錐臺(tái)部分86在底座58處的半徑至少小10％。
收縮表面116終止于喉部平面120，該收縮表面116在此處的直徑等于圓柱形表面118的直徑。如圖3所示，喉部平面120位于出口平面124和內(nèi)通道64的排氣孔68之間，而收縮表面116位于圓柱形表面118和第一端板16之間。為了在燃燒器入口20內(nèi)達(dá)到理想的燃料/空氣混合物的速度分布，該收縮表面116沿縱軸26延伸預(yù)定的距離126，并且圓柱形表面118沿縱軸26延伸第二段距離128，該距離128至少等于預(yù)定距離126的5％。
在運(yùn)行時(shí)，通過噴嘴10的總氣流量的11-15％經(jīng)開孔104，106和底座58的供風(fēng)口60，62進(jìn)入中心體12的內(nèi)腔100。燃燒空氣通過徑向入流旋流器108流出內(nèi)腔100，然后以相對(duì)于縱軸26大致切向的速度或以旋流方式進(jìn)入內(nèi)通道64。當(dāng)該旋流燃燒空氣通過燃料噴管110時(shí)，燃料(最好為氣態(tài)形式)從燃料噴管110噴入內(nèi)通道64中并與旋流的燃燒空氣混合。然后，燃料和燃燒空氣的混合物從第二圓柱通道72通過錐形通道78流入第一圓柱形通道66?；旌衔镌倭鬟^第一圓柱形通道66的整個(gè)長度，然后混合物剛好在離燃燒器入口20的喉部平面120很近之處或在該喉部平面120處從第一圓柱形通道66中流出，從而提供燃料/空氣混合物的中心流。
等于通過燃料噴嘴10的總氣流的85-89％的助燃空氣經(jīng)入口槽36，38被送入混合區(qū)28。這里所使用的術(shù)語“總氣流”指的是進(jìn)入入口槽36，38的燃燒空氣和進(jìn)入供風(fēng)口60，62的燃燒空氣的總和。將供給燃料管52，54的燃料(最好是氣態(tài)燃料)噴射到流經(jīng)入口槽36，38的燃燒空氣中并開始與之混合。由于蝸殼部件22，24的這種形狀，使混合物形成圍繞中心體12旋流的環(huán)形氣流，并且該燃料/空氣混合物在旋流過程中繼續(xù)混合，同時(shí)沿縱軸26流向燃燒器入口20。燃料空氣濃度按下述方式來確定如果理想的總?cè)剂?空氣比為化學(xué)理想配比燃燒所需比率的0.5倍，那么中心流的燃料/空氣比為化學(xué)理想配比的0.54倍，其它流的燃料/空氣比則為化學(xué)理想配比的0.493倍。
在第一圓柱形通道66中，由蝸殼式旋流器14的環(huán)形流的旋流最好與燃料/空氣混合物的旋流一同旋轉(zhuǎn)，并且其角速度至少等于在第一圓柱形通道66中燃料/空氣混合物的角速度。由于中心體12的形狀，環(huán)形流的軸向速度保持在能防止燃燒器火焰流向蝸殼旋流器14內(nèi)并貼到中心體12的外表面84的速度。當(dāng)燃料/空氣混合物流出第一圓柱形通道66時(shí)，中心流的旋流燃料/空氣混合物由蝸殼旋流器14的環(huán)流所包圍，并且這兩股流徑向地流入圓柱形表面118內(nèi)，然后流經(jīng)擴(kuò)張表面117，一直流到混合區(qū)28下游的燃燒入口20的出口平面124。
經(jīng)測(cè)試這種燃料噴嘴10具有稀燃料/空氣比，該比率能達(dá)到低NOx和低CO排放率并不會(huì)出現(xiàn)在現(xiàn)有技術(shù)中觀察到的燃燒不穩(wěn)定性的目標(biāo)。噴嘴工作的要點(diǎn)在于空氣和燃料是在兩股流之間分開的。在此之前，必須有足夠的燃料通過中心流，以使總火焰穩(wěn)定，燃料/空氣比也不應(yīng)當(dāng)太高，否則會(huì)產(chǎn)生大量NOx，而且不能消耗其余的燃料火焰。此外，提供給兩股空氣流的燃料必須分成獨(dú)立控制的幾股，以使中心流中的燃料比率在工作過程中可改變，以便獲得最佳排放量。
本發(fā)明在以下幾個(gè)方面不同于其它的引導(dǎo)和穩(wěn)定方法。首先，本發(fā)明應(yīng)用于稀預(yù)混系統(tǒng)。將一股流只比另一股中燃料量略高的兩股流預(yù)混合。這樣就產(chǎn)生比傳統(tǒng)通過火焰擴(kuò)散引導(dǎo)的方法低得多的排放量。在別處缺少火焰的情況下，本發(fā)明的確不具有提供火焰源的功能，但具有提供持久穩(wěn)定的火焰的特性和低排放量的功能。
第二，兩股(或多股)流形成單獨(dú)的、整體的和均勻的火焰前鋒。盡管可以爭(zhēng)辯，連續(xù)的火焰總是形成單獨(dú)的火焰前鋒，但本發(fā)明的本質(zhì)在于在單獨(dú)的火焰結(jié)構(gòu)中進(jìn)行精細(xì)的操作和燃料控制。在經(jīng)過檢驗(yàn)的最成功的實(shí)施例中，兩股流在燃料/空氣比，在軸向速度，在旋轉(zhuǎn)和溫度等方面都是相互匹配的，它們的差異是很小的(即在燃料/空氣比上有10％的差異)。因此，稀燃料火焰的好處是在減輕某種限制的情況下獲得的。
第三，幾股氣流是用物理方法分開并可獨(dú)立控制的。為了增強(qiáng)火焰的穩(wěn)定性并減小排放量，液態(tài)燃料噴射器通常以液滴直徑或速度上的差異來產(chǎn)生火焰的較濃部分和較稀部分。類似地，在稀預(yù)混氣態(tài)燃料噴射器上的燃料口可以有不同的直徑或位置，以便產(chǎn)生火焰的富燃料和稀燃料部分。或者為了改善富燃料或稀燃料環(huán)境，也可按空氣動(dòng)力學(xué)的方式進(jìn)行控制，從而按這種方式產(chǎn)生分離。本發(fā)明與其它方式不同之處在于，它使氣流保持物理分離，直到這些氣流差不多都進(jìn)入燃燒區(qū)為止，同時(shí)只需要足夠的混合時(shí)間來形成上述單獨(dú)的、整體的和均勻的火焰前鋒。
雖然上面參照詳細(xì)的實(shí)施例示出并描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員可理解到，在不超出本發(fā)明權(quán)利要求所限定的構(gòu)思和范圍的情況下，可在形式上和細(xì)節(jié)上作各種不同的變換。
權(quán)利要求
1.一種在預(yù)混式燃燒的燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器中的燃料燃燒的方法，包括提供一個(gè)具有第一和第二端板的蝸殼式旋流器，所述第一端板相對(duì)于所述第二端板分隔設(shè)置并使它與所述第二端板之間限定出一個(gè)大致為圓柱形混合區(qū)，所述第二端板具有一個(gè)貫穿該端板延伸的燃燒器入口；提供一個(gè)位于所述混合區(qū)內(nèi)的中心體，它具有朝燃燒器入口方向逐漸變細(xì)的的徑向外表面，該表面大體延伸到混合區(qū)的整個(gè)長度上；將燃燒空氣的第一部分基本連續(xù)地沿所述混合區(qū)的長度方向切向地引入所述混合區(qū)；將混入所述燃燒空氣中的燃料的第一部分作為所述燃燒空氣引入所述混合區(qū)；通過使所述燃燒空氣與燃料圍繞中心體形成旋流使所述燃燒空氣和燃料混合，同時(shí)使所述燃燒空氣和燃料流向所述燃燒器入口；將上述燃燒空氣的第一部分供入燃燒器入口；將燃燒空氣的第二部分以徑向朝內(nèi)方向于所述燃燒器入口處引入所述第一部分，燃燒空氣的所述第一和第二部分合起來形成總氣流，而燃燒空氣的所述第二部分占所述總氣流的85-89％；以及在所述混合區(qū)外部燃燒所述燃料。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中將燃燒空氣的第二部分以徑向朝內(nèi)方向于所述燃燒器入口處引入所述第一部分的步驟包括將燃燒空氣的第二部分引入所述中心體；將燃料的第二部分引入燃燒空氣的所述第二部分；將所述燃料的第二部分與燃燒空氣的所述第二部分混合。
3.按照權(quán)利要求2的方法，其中被所述燃燒空氣的第一部分分開的所述燃料的第一部分規(guī)定為第一燃料/空氣濃度，被所述第二部分燃燒空氣分開的第二部分燃料規(guī)定為第二燃料/空氣濃度，理想的總?cè)剂?空氣比為化學(xué)理想配比燃燒所需比率的0.5倍，所述第一燃料/空氣濃度為化學(xué)理想配比的0.493倍，所述第二燃料/空氣濃度為化學(xué)理想配比的0.54倍。
4.按照權(quán)利要求3的方法，其中將燃燒空氣的第二部分以徑向朝內(nèi)方向于所述燃燒器入口處引入所述第一部分由下述步驟來進(jìn)行使所述燃燒空氣的第二部分在所述中心體內(nèi)以基本上等于第一部分的角速度的角速度進(jìn)行旋流。
全文摘要
一種在預(yù)混式燃燒的燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器中的燃料燃燒的方法,包括:提供一個(gè)具有第一和第二端板的蝸殼式旋流器,第一端板相對(duì)于第二端板分隔設(shè)置并使它與第二端板之間限定出一個(gè)大致為圓柱形混合區(qū),第二端板具有一個(gè)貫穿該端板延伸的燃燒器入口;提供一個(gè)位于混合區(qū)內(nèi)的中心體;將燃燒空氣的第一部分引入混合區(qū);將混入燃燒空氣中的燃料的第一部分引入混合區(qū);使燃燒空氣和燃料混合,同時(shí)使所述燃燒空氣和燃料流向所述燃燒器入口;將燃燒空氣的第二部分以徑向朝內(nèi)方向于燃燒器入口處引入第一部分,燃燒空氣的第一和第二部分合起來形成總氣流,而燃燒空氣的第二部分占所述總氣流85—89%;以及在混合區(qū)外部燃燒燃料。
文檔編號(hào)F23D17/00GK1194351SQ9711438
公開日1998年9月30日 申請(qǐng)日期1997年12月19日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月20日
發(fā)明者S·K·克拉梅爾, S·A·莫霍爾德, C·B·格拉維斯 申請(qǐng)人:聯(lián)合工藝公司