用于低NOx液体燃料燃烧器的燃烧室缸盖

摘要

用于燃烧器的燃烧室缸盖(1)，所述燃烧器设有用于喷射液体燃料的喷嘴(2)；所述缸盖(1)包括：第一本体(4)，其适用于接收第一助燃物流(F1)并具有设置来在第一助燃物流(F1)内形成漩涡的前壁(6)；第二本体(13)，其适用于接收第二助燃物流(F2)，将其朝向所述燃烧室(CC)输送，并在其内形成漩涡；限定通道(C1)的管道(25)和中间本体(20)，其适用于将第三助燃物流(F3)供给到所述燃烧室(CC)内并具有朝向所述第一本体(4)和所述第二本体(13)会聚的锥形轮廓；所述中间本体(200)的前表面基本上位于由第一本体(4)的前壁(6)限定的表面上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于液体燃料燃烧器的燃烧室缸盖，其特别适 用于低NOx排放。

背景技术

在液体燃料燃烧器中，已知在液体燃料和助燃物之间的燃烧反 应借助燃烧室缸盖进行。该助燃物通过燃烧室缸盖输送到燃烧室， 在燃烧室内，助燃物与使用喷嘴喷成雾状的液体燃料混合。在燃烧 室内，在燃烧室缸盖附近及其下游，设置有点火装置，适于引起液 体燃料和助燃物的混合，以开始燃烧过程。

NOx在燃烧过程中产生并引起污染，存在减少氮氧化物NOx的 增长的需求。

当设计燃烧室缸盖时，第一解决方案考虑到相关的研究已经表 明氮氧化物NOx尤其在火焰温度高时产生。

为了该原因，燃烧器已经被调整，其配备有燃烧室缸盖，在燃 烧室缸盖内，通过将由于燃烧产生的一部分烟气再循环到燃烧室缸 盖和火焰本身来减小火焰温度。为了再循环火焰内的烟气，利用了 从燃烧室缸盖排出的气体的高排放速度，这产生了一种众所周知的 现象，用技术语言表述为“再循环”。由于该现象，燃烧室内的烟 气被召回到火焰，由于它们不参加燃烧反应，所以它们通过冷却火 焰本身来吸收热量，从而减少了氮氧化物NOx排放。

专利申请EP-A1-1705424中描述了一种用于液体燃料燃烧器的 燃烧室缸盖，其包括被供给液体燃烧的中心管道，该中心管道具有 纵向对称轴，并在一端设有用于将所述液体燃料喷射到燃烧室内的 喷嘴。该燃烧室缸盖包括具有圆柱形的延伸部并与所述纵向对称轴 同轴的第一本体，该第一本体被设置成在入口接收第一助燃物流， 并具有前壁，该前壁设有多个外围凹口，用于在第一助燃物流中形 成漩涡。该燃烧室缸盖包括具有圆柱形延伸部并与纵向对称轴同轴 的第二本体，该第二本体安装在中心管道上，具有圆柱形延伸部的 第一本体同轴设置在第二本体上。该第二本体适用于在入口接收第 二助燃物流并具有多个开口，该开口适用于在第二助燃物流内形成 漩涡。该燃烧室缸盖还包括用于调整在第一助燃物流和第二助燃物 流内产生的漩涡的装置，该装置包括与纵向对称轴同轴并在第二本 体外部的管道，该管道具有插入的中间本体，该中间本体也与纵向 对称轴同轴。在管道和中间本体之间限定通道，该通道适用于将第 三助燃物流供给到燃烧室内。

由于减小的火焰温度，通过EP-A1-1705424中描述的燃烧室缸 盖进行的燃烧过程产生限制热NOx的形成的总体效应。火焰温度的 减小是通过一部分助燃物流的侧泄漏来实现。特别是，一部分助燃 物通过在具有圆柱形延伸部的第一本体上获得的多个径向孔来泄 漏。由此，火焰不会仅从喷嘴的前表面产生，而是在燃烧室内均匀 地蔓延。

然而，已经注意到第一助燃物的区域靠近喷嘴设置，这引起热 NOx的形成。

此外，由于产生具有强烈轴向延伸的燃烧火焰，该燃烧火焰将 在大体积锅炉内蔓延，所以上述用于液体燃料燃烧器的燃烧室缸盖 不能应用于小锅炉中，特别是不适合家庭住宅使用。

作为替代，文献US-A-4798330描述了一种用于被供给有燃料的 燃烧器的燃烧室缸盖，该燃烧室缸盖包括多个一个安装在另一个上 的同轴本体。该燃烧室缸盖被设置用来保持燃烧室缸盖的前表面清 洁，并保持燃烧火焰稳定。但是，根据US-A-4798330的规定设置的 燃烧室缸盖并不能限制热NOx的生成。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种燃烧室缸盖，其能够在燃烧过 程中将NOx的生成最小化，并还可应用到小锅炉，特别适合家庭住 宅使用，同时简单并且成本低。

根据本发明，用于燃烧器的燃烧室缸盖包括中心管道，所述中 心管道被供给有液体燃料，具有纵向对称轴，并在一端设有用于将 所述液体燃料雾化到燃烧室内的喷嘴；所述燃烧室缸盖包括：

第一本体，其具有圆柱形延伸部并与所述纵向对称轴同轴；所 述第一本体被设置成安装在所述中心管道上，适用于在入口接收第 一助燃物流并将其朝向喷嘴输送，并具有设有多个外围的凹口的前 壁，所述凹口适用于在所述第一助燃物流内形成漩涡；以及

第二本体，其具有圆柱形延伸部并与所述纵向对称轴同轴；所 述第二本体被安装在所述第一本体上，适用于在入口接收第二助燃 物流并将其朝向所述燃烧室输送，并具有多个开口，所述开口适用 于在所述第二助燃物流内形成漩涡；

调节装置，其用于调节在所述第一助燃物流和所述第二助燃物 流内产生的漩涡；所述调节装置包括管道，所述管道与所述纵向对 称轴同轴并位于所述第三本体的外部，中间本体插入所述管道，所 述中间本体也与所述纵向对称轴同轴；通道形成在所述管道和所述 中间本体之间，所述通道适用于将第三助燃物流供给到所述燃烧室 内；

所述燃烧室缸盖的特点是：所述中间本体的前表面大致位于由 所述第一本体的前壁所限定的平面上，使得所述喷嘴位于正好朝向 所述燃烧室的位置上；并且，在所述通道的端部上邻近所述燃烧室， 所述通道具有朝向所述第一本体和第二本体会聚的锥形轮廓。

附图说明

现在将参考附图来描述本发明，附图示出了非限制实施例，其 中：

图1示出了根据本发明设置的燃烧室缸盖的第一组件的前透视 图；

图2示出了根据本发明设置的燃烧室缸盖的第二组件的前透视 图，该第二组件安装在图1中所示的第一组件上；

图3示出了根据本发明设置的燃烧室缸盖的第三组件的前透视 图，该第三组件布置在图2中所示的第二组件的外侧；

图4示出了根据本发明设置的燃烧室缸盖的第四组件的前透视 图，该第四组件布置在图3中所示的第三组件的外侧；

图5和图6分别示出了根据本发明通过组装图1到图4中的组 件设置的燃烧室缸盖装置的后透视图和前透视图；以及

图7示出了图5和图6中的燃烧室缸盖的截面图。

具体实施方式

在图1到图6中，数字1表示整个燃烧室缸盖，其中诸如柴油 等液体燃料通过具有纵向对称轴X的中心管道3供给到喷嘴2(其 为已知类型)。喷嘴2适用于雾化燃烧室CC(其也为已知类型，故 不详细公开)内的液体燃料。

燃烧室缸盖1被安装到中心管道3，并包括相互组装在一起的多 个组件，这些组件相互同轴并与纵向对称轴X同轴。

所谓的第一旋转本体4被连接到中心管道3，其具有圆柱对称性， 内部中空，并与纵向对称轴X同轴。具体地，本体4包括外圆柱形 侧壁5和前壁6，侧壁5与纵向对称轴X同轴，前壁6设有通孔7， 以允许中心管道3和喷嘴2插入。本体4的前壁6具有围绕纵向对 称轴X均匀分开的多个凹口8；每对相邻的凹口8限定分隔部9，前 壁6由于分隔部9而被分割。具体地，根据图1中所示的实施例， 本体4被分成6个分隔部9，这些分隔部9由围绕纵向对称轴X均 匀分开的多个凹口8所限定并正好和凹口8一样多。每个凹口8由 底壁的一部分10和一对侧壁11限定，这些侧壁11彼此相对并相对 由前壁6的前平坦表面12限定的平面倾斜第一角度α。

根据一优选变型，角度α在42℃和48℃之间，该角度优选为45 ℃。凹口8与通孔7直接连通。

所谓的第二旋转本体13(如图2所示)被装配到本体4上，本 体13具有圆柱对称性，其内部中空，并与纵向对称轴X同轴。具体 地，本体13包括与纵向对称轴X同轴的内圆柱形表面14，内圆柱 形表面14限定通孔，本体4收容在该通孔内。内圆柱形表面14的 直径基本上接近本体2的外部体积直径。本体13被分成后圆柱形部 15和前圆柱形部16；后圆柱形部15的整体外部体积直径大于前圆 柱形部16的整体外部体积直径。后圆柱形部15具有多个开口17。 具体地，根据图2中所示的实施例，后圆柱形部15具有围绕纵向对 称轴X均匀分开的8个开口17。

每个开口17由底壁18和一对侧壁19限定，这些侧壁19彼此 相对并相对由后圆柱形部15的后平坦表面限定的平面倾斜一角度 β。根据一优选变型，角度β在42℃和48℃之间，该角度β优选为 45℃。开口17与本体13的通孔没有直接连通。

接着，中间本体20被固定在本体13上，其具有圆柱对称性， 内部中空，并与纵向对称轴X同轴。具体地，中间本体20包括与纵 向对称轴X同轴的内圆柱形表面21，内圆柱形表面21限定收容本 体13的通孔。内圆柱形表面21的直径基本上接近本体13的后部15 的外部体积直径。

中间本体20也被分成后部22和前部23。后部22具有外圆柱形 表面，该外圆柱形表面的整体外部体积直径大于前部23的整体外部 体积直径。此外，后部22具有后截头圆锥形表面24和前截头圆锥 形表面24^**，这些表面都与纵向对称轴X同轴。如图3和图7中更 详细所示，多个校准通孔24*形成在后部22上，以便于火焰探针和 点火电极通过。代替地，前部23包括与轴X同轴的侧圆柱形壁23* 和与轴X同轴的前壁的环形部23^**。

值得注意的是中间本体20用作第一旋转本体4、第二旋转本体 13和中心管道3的支撑部件。

还值得注意的是中间本体20的前表面(在本实施例中，由前壁 的环形部23^**限定)基本上位于第一旋转本体4的前壁6所限定的 平面上。喷嘴2布置成直接朝向燃烧室CC，并在使用中，液体燃料 被直接雾化到燃烧室CC内。

接着，管道25被固定到中间本体20，管道25具有大致圆柱形 对称性，其内部中空，并与纵向对称轴X同轴。

管道25被分成后圆柱形部26和前部27。后圆柱形部26具有外 圆柱形表面和内圆柱形表面28，这些表面都与纵向对称轴X同轴。 前部27却具有截头圆锥形延伸部，该延伸部与纵向对称轴X同轴并 朝着面向燃烧室CC的自由端倾斜。此外，多个凹口27*形成在前部 27上，以便于火焰探针和点火电极通过。

管道25还包括多个突起29，突起29在邻近前部27的位置上被 连接到后部26的内圆柱形表面28，并从管道25向内延伸。突起29 围绕纵向对称轴X均匀地分隔开，在后部26的一部分上沿纵向方向 延伸。根据一优选变型，管道25包括相互间隔60℃的6个突起29。 管道25适于沿由箭头P表示的两个纵向方向中的一个纵向方向平 移。为了允许管道25平移，设有控制器(手动致动或借助已知类型 的致动器)；突起29在停止时接触中间本体20的外表面并在使用 时在中间本体20的外表面上滑动，以允许管道25移动。

值得注意的是燃烧室缸盖1的紧密几何形状允许控制燃烧火焰 的尺寸，下面会更好地描述。

在使用中，吹风机(已知类型，未图示)提供助燃物(诸如空 气等)流F，该助燃物流被输送到在实际中包围整个燃烧室缸盖1 的管道25，并然后从那里被分成多个燃烧物流。

特别地，如图7中详细所示，由于燃烧室缸盖1本身的特定几 何形状，在燃烧室缸盖1的入口的助燃物流被分成三个部分流，图 示分别为第一助燃物流F1、第二助燃物流F2和第三助燃物流F3。

第一助燃物流F1沿纵向方向流入第一旋转本体4内。当第一助 燃物流F1遇到凹口8时，流动线(flow lines)F1呈现螺旋形，并 且不再纵向流动，流F1从第一旋转本体4流出的速度具有较高的切 向运动(旋转)分量。因此，凹口8被设置来在第一助燃物流F1中 形成漩涡。然后，第一助燃物流F1进一步被专门分成流出凹口8的 第一旋转助燃物流和从喷嘴以外的剩余部分流入通孔7内的第一轴 向助燃物流。

第二助燃物流F2沿纵向方向流入第二旋转本体13内。第二助 燃物流F2的流速由在后圆柱形部15上形成的开口17的数目和截面 确定，并通常大于第一助燃物流F1。并且，在这种情形下，由于第 二助燃物流F2的通路经过开口17，所以流动线F2呈现螺旋形，并 不再纵向流动，流F2从第二旋转本体13流出的速度具有较高的切 向运动(旋转)分量。因此，开口17被设置来在第二助燃物流F2 中形成漩涡。

中间本体20的后表面24的截头圆锥形轮廓允许增加第一助燃 物流F1在第一旋转本体4的入口的平均速度和第二助燃物流F2在 第二旋转本体13的入口的平均速度。上述平均速度的增加引起第二 助燃物流F2流出第二旋转本体13的速度和第一助燃物流F1流出第 一旋转本体4的速度的切向运动(旋转)分量的增加。

另一方面，第三助燃物流F3通过在管道25和中间本体20之间 限定的通道C1输送。显而易见的是，第三助燃物流F3的最终流速 由管道25的前截头圆锥形部27和中间本体20之间的距离确定，该 最终流速可根据管道25的平移运动来变化。

第三助燃物流F3沿平行于纵向轴线X的方向在通道C1内流动。

在通道C1的末端部分、邻近燃烧室CC，通道C1具有锥形轮廓， 该锥形轮廓朝向第一旋转本体4和第二旋转本体13会聚。具体地， 末端部分具有由管道25的前部27限定的截头圆锥形轮廓，其与中 间本体20的后部22的截头圆锥形轮廓相同。

通道C1的轮廓被形成用来在第三助燃物流F3供给到燃烧室之 前加速第三助燃物流F3，并用来直接朝向第一助燃物流F1以及朝 向第二助燃物流F2指引第三助燃物流F3，从而限制燃烧室缸盖1 的空间区域下游，燃烧火焰在下游蔓延。

管道25能够在最大封闭位置和最小封闭位置之间移动，最大封 闭位置对应于具有最小流速的第三助燃物流F3，最小流速优选为0， 最小封闭位置对应于具有最大流速的第三助燃物流F3。

在最小封闭位置，第三助燃物流F3的轴向分量直接朝向第一助 燃物流F1并朝向第二助燃物流F2指引，该轴向分量与由第一旋转 本体4和第二旋转本体13产生的漩涡相对；此外，在这种情形下， 中间本体20的轮廓允许燃烧火焰具有普遍的轴向流动，由于“柯安 达(Coanda)效应”，第三助燃物流F3在中间本体20的轮廓上附 着流动。

在最大封闭位置，第三助燃物流F3不会影响由第一旋转本体4 和第二旋转本体13产生的漩涡；在这种情形下，燃烧火焰具有显著 小的轴向蔓延。

随后，该燃烧过程包括下列步骤：

-通过喷嘴2雾化液体燃料；

-将雾化的液体燃料与第一助燃物流F1混合；雾化的液体燃料 具有高动能，并且仅一小部分参与到第一助燃物流F1；

-将第二助燃物流F2与没有和第一助燃物流F1混合的剩余部分 的液体燃料混合；

-将燃烧火焰在空间上限制在适于控制漩涡效应的第三助燃物 流F3之间。

从文献可以知道，使用燃烧室缸盖1获得的漩涡的强度对燃烧 过程的污染排放具有相关影响。此外，已经证实的是，漩涡的强度 可以通过漩涡的数目来计量，并且具有低等级NOx排放的燃烧过程 可以通过大于1的漩涡数目来获得。

实际上，这里描述的燃烧室缸盖1包括4个本体，分别标记为4、 13、20和25，这些本体被组装在一起，并可被安装到任一轴对称管 道3上。

还值得注意的是由于第三助燃物流F3的动态特性(即，由于流 量和流速范围)，确定第三燃烧物流F3的管道25和中间本体20还 影响第一助燃物流F1和第二助燃物流F2。

更详细地：

-第一助燃物流F1由于第一旋转本体4而产生。通过推理，如 果没有第二助燃物流F2和第三助燃物流F3，第一助燃物流F1的径 向和切向分量将过量地打开助燃物速度范围的圆锥体。因此，燃烧 火焰将具有过大的开口和微弱的强度，例如不能确保在第一燃烧步 骤中产生的并由于再循环装置通过第一旋转本体4和第二旋转本体 13输送到燃烧火焰所涉及的区域的有害残留物的完全燃烧。

-第二助燃物流F2通过第二旋转本体13产生。如上所示，第二 助燃物流F2适合于确定第一助燃物流F1的几何限制，以改进燃烧 火焰的效率。

-第三助燃物流F3在由管道25和中间本体20限定的几何范围 内发展。第三助燃物流F3仅具有一个轴向分量(由于未设有用于在 切向方向上偏离第三助燃物流F3的元件)。第三助燃物流F3的目 的是借助管道25的轴向平移以可控的方式限制第二助燃物流F2(并 因此限制第一助燃物流F1)。借助管道25内产生的运动，第三助燃 物流F3可增加流速，因此确定火焰在轴向方向上的延伸并减小径向 延伸，反之亦然。

因此，热NOx的形成可以通过控制助燃物流F1、F2和F3的轴 向和切向分量来限制。

已经在实验上证实的是，这里所述的通过燃烧室缸盖1(具有第 一漩涡4和第二漩涡13)获得的漩涡的数目很大，大约5.45个，以 确保低等级的NOx排放。

此外，控制理想的漩涡等级的时机允许保持火焰的黄绿颜色， 这可通过光学传感器简单地探测，该光学传感器具有光敏电阻，并 比通常在这种应用中使用的具有紫外线辐射的传感器更可靠、更便 宜。