ES3026507T3 - Burner - Google Patents
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Abstract
Un quemador de microtubos (1) consta de varios conductos (41) que se extienden a través de cámaras de fluido (31, 32, 33). Los medios de descarga (51, 52) conectan fluidamente las cámaras a los conductos. Al menos uno de los conductos (41) cuenta con al menos dos medios de descarga (51, 52) para descargar fluido desde una cámara (31, 32) al conducto en al menos dos posiciones longitudinales diferentes. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)A microtube burner (1) consists of a plurality of conduits (41) extending through fluid chambers (31, 32, 33). Discharge means (51, 52) fluidly connect the chambers to the conduits. At least one of the conduits (41) has at least two discharge means (51, 52) for discharging fluid from a chamber (31, 32) into the conduit at at least two different longitudinal positions. (Automatic translation with Google Translate, no legal value)
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Quemador Burner
Campo técnicoTechnical field
La presente divulgación se refiere a la materia en cuestión expuesta en las reivindicaciones. En particular, se refiere a un quemador. Se refiere además a una cámara de combustión y a un motor de turbina de gas que incorporan el quemador. The present disclosure relates to the subject matter set forth in the claims. In particular, it relates to a burner. It further relates to a combustion chamber and a gas turbine engine incorporating the burner.
Antecedentes de la divulgaciónBackground of the disclosure
A partir de la técnica, se conocen sistemas de combustión y quemadores para la combustión de un combustible con baja generación de óxido nítrico. Para ello, el combustible, en particular un combustible gaseoso, se proporciona generalmente para su combustión en una mezcla pobre de combustible-oxidante, premezclada intensamente. Lo más común es que el oxidante sea aire. Para una mejor legibilidad y facilidad de nomenclatura, en la presente divulgación se usará el término "aire" para indicar genéricamente cualquier oxidante. El experto en la materia comprenderá fácilmente, en virtud de lo anterior, que la mención de aire en lo sucesivo constituye una divulgación de un oxidante genérico. "Aire", en este sentido, se interpretará con un enfoque amplio de manera que represente un oxidante genérico. Combustion systems and burners for the combustion of a fuel with low nitric oxide generation are known in the art. For this purpose, the fuel, particularly a gaseous fuel, is generally provided for combustion in a lean, intensively premixed fuel-oxidizer mixture. The oxidant is most commonly air. For better readability and ease of nomenclature, the term "air" will be used in this disclosure to generically indicate any oxidant. Those skilled in the art will readily understand, based on the foregoing, that the mention of air hereinafter constitutes a disclosure of a generic oxidant. "Air," in this sense, will be interpreted broadly to represent a generic oxidant.
Las llamas premezcladas pobres suscitan la cuestión de la estabilidad en la combustión, ya que generalmente se producen con una relación de equivalencia bastante próxima al límite de extinción inferior. Por lo tanto, en ciertos modos de funcionamiento, las llamas de premezcla, o algunas de las llamas de premezcla, se sustituyen, o se complementan, con las denominadas llamas piloto. Se trata de llamas que queman mezclas de combustible-aire premezcladas menos intensamente o incluso esencialmente no premezcladas, que comprenden zonas de mezcla de combustible-aire más rica y que así proporcionan temperaturas de combustión local más altas y producen una combustión menos sensible a influencias externas. En la parte negativa, sin embargo, la formación de óxido nítrico aumenta de manera desproporcionada con la temperatura de combustión, y por lo tanto es necesario encontrar un equilibrio entre la formación de óxido nítrico y la estabilidad de la combustión. Las llamas de difusión, que queman una corriente de combustible y aire con zonas que tienen relaciones de equivalencia próximas a 1, es decir, zonas casi estequiométricas, producen una excelente estabilidad de combustión, pero con una alta formación de óxido nítrico. Por lo tanto, uno de los objetivos en el desarrollo de quemadores y la ingeniería de la combustión es el diseño de quemadores y conceptos operativos que produzcan inestabilidades de combustión mínimas en la combustión de premezclas pobres y/o posibiliten la combustión en un intervalo de funcionamiento amplio con el menor pilotaje posible. Lean premixed flames raise the issue of combustion stability, as they generally occur with an equivalence ratio quite close to the lower extinction limit. Therefore, in certain operating modes, the premixed flames, or some of the premixed flames, are replaced or supplemented by so-called pilot flames. These are flames that burn less intensively premixed or even substantially non-premixed fuel-air mixtures, comprising zones of richer fuel-air mixtures and thus providing higher local combustion temperatures and producing combustion less sensitive to external influences. On the downside, however, nitric oxide formation increases disproportionately with combustion temperature, and it is therefore necessary to find a balance between nitric oxide formation and combustion stability. Diffusion flames, which burn a fuel-air stream with zones with equivalence ratios close to 1, i.e., near-stoichiometric zones, produce excellent combustion stability, but with high nitric oxide formation. Therefore, one of the goals in burner development and combustion engineering is to design burners and operating concepts that produce minimal combustion instabilities when burning lean premixes and/or enable combustion over a wide operating range with the least possible piloting.
Otro aspecto a considerar en el diseño de quemadores y sistemas de combustión es la creciente demanda de flexibilidad en cuanto al combustible. La combustión del denominado hidrógeno "azul" y "verde", que se genera usando energía renovable, puede verse como una manera adecuada de almacenar y transportar energía recolectada de, por ejemplo, centrales eléctricas solares y eólicas. El funcionamiento de quemadores de premezcla sobre combustibles que producen una reactividad mayor que el gas natural, tales como por ejemplo, aunque sin carácter limitativo, CO e hidrógeno, o mezclas de gases que comprenden altos contenidos de especies de C2+, es decir, especies de hidrocarburos que tienen dos o más átomos de carbono, CO ó hidrógeno, como ejemplo no limitativo en un 50 % ó más en volumen, requiere consideraciones adicionales. El hidrógeno, por ejemplo, produce un tiempo de autoignición corto, una velocidad de llama significativamente mayor y un intervalo de inflamabilidad amplio. Así, el funcionamiento de quemadores de premezcla, por ejemplo, sobre hidrógeno o mezclas ricas en hidrógeno como combustible hace que aumente el riesgo de retroceso de la llama y sobrecalentamiento del quemador, lo cual debe ser tenido en cuenta. Se cumple lo mismo para otros combustibles que producen, hablando en términos generales, una inflamabilidad mayor que, por ejemplo, el gas natural. La combustión de hidrógeno puede producir temperaturas de llama localmente más altas en comparación con la combustión de gas natural, lo que podría dar como resultado una mayor formación de óxidos nítricos. Another aspect to consider in the design of burners and combustion systems is the growing demand for fuel flexibility. The combustion of so-called "blue" and "green" hydrogen, generated using renewable energy, can be seen as a suitable way to store and transport energy collected from, for example, solar and wind power plants. The operation of premix burners on fuels that produce higher reactivity than natural gas, such as, but not limited to, CO and hydrogen, or gas mixtures comprising high contents of C2+ species, i.e., hydrocarbon species containing two or more carbon atoms, CO, or hydrogen, as a non-limiting example, at 50% or more by volume, requires additional considerations. Hydrogen, for example, produces a short autoignition time, a significantly higher flame speed, and a wide flammability range. Thus, the operation of premix burners, for example, using hydrogen or hydrogen-rich mixtures as fuel increases the risk of flashback and burner overheating, which must be taken into account. The same applies to other fuels that, generally speaking, are more flammable than, for example, natural gas. Hydrogen combustion can produce locally higher flame temperatures compared to natural gas combustion, which could result in increased nitrogen oxide formation.
El documento US 6,267,585 sugiere la combustión de hidrógeno inyectando directamente hidrógeno en chorros de aire desde placas perforadas, mediante lo cual el hidrógeno se quema en llamas de microdifusión. El documento afirma que al reducir el tamaño de la matriz de perforación de las placas perforadas se pueden lograr niveles de óxido nítrico de tan solo 10 ppmv (partes por millón, volumétricas). Se conoce en la técnica un tipo de quemador al que se hace referencia en ocasiones como quemador múltiple[cluster burner]o quemador múltiple de microtubos y el mismo se sugiere para la combustión de hidrógeno. Este comprende generalmente tubos mezcladores que están destinados a ser atravesados por aire y que se extienden a través de una cámara impelente de combustible. Los tubos mezcladores están en comunicación fluídica con la cámara impelente de fluido, por lo que el combustible puede mezclarse en la corriente de aire de combustión a través de los tubos mezcladores. US 6,267,585 suggests hydrogen combustion by directly injecting hydrogen into air streams from perforated plates, whereby the hydrogen is combusted in microdiffusion flames. The document states that by reducing the size of the perforation die in the perforated plates, nitric oxide levels as low as 10 ppmv (parts per million, volumetric) can be achieved. A type of burner, sometimes referred to as a cluster burner or microtube burner, is known in the art and is suggested for hydrogen combustion. It generally comprises mixing tubes intended to be traversed by air and extending through a fuel plenum. The mixing tubes are in fluid communication with the fluid plenum, so that fuel can be mixed into the combustion air stream through the mixing tubes.
El documento US 2013/0232979 da a conocer un quemador que comprende tubos mezcladores que se extienden a través de una cámara impelente de combustible. Entrando en los tubos mezcladores se extienden boquillas para descargar combustible desde la cámara impelente de combustible adentro de los tubos mezcladores. Los documentos WO 2015/182154 y US 2010/0218501 dan a conocer otros ejemplos de quemadores de estructura y función similares. El documento US 2016/033133 sugiere una disposición de una multitud de módulos de quemador múltiple individuales uno al lado del otro, en donde cada módulo de quemador múltiple comprende una cámara impelente de combustible individual y está equipado con una línea de suministro individual. El documento US 2015/076251 describe un quemador múltiple en el que los tubos mezcladores se combinan con un cartucho de combustible. Además, se proporciona una cámara impelente de aire de refrigeración aguas abajo de la cámara impelente de combustible. La cámara impelente de aire de refrigeración descarga el aire de refrigeración a través de la pared frontal de aguas abajo del quemador para efectuar una refrigeración por efusión y por película y no está conectada fluídicamente a los tubos mezcladores. El documento US 4,100,733 sugiere un quemador múltiple de microtubos en el que se disponen microtubos radialmente interiores y radialmente exteriores para alimentarse con combustible desde cámaras impelentes de combustible distintas. En realizaciones, las cámaras impelentes de combustible se apilan a lo largo de la dirección del flujo pasante de los microtubos. A partir del documento US 2013/074510 se conoce otro quemador múltiple en donde se descarga combustible desde cámaras impelentes de combustible en tubos que se extienden a través de las cámaras impelentes. US 2013/0232979 discloses a burner comprising mixing tubes extending through a fuel plenum chamber. Nozzles extend into the mixing tubes for discharging fuel from the fuel plenum into the mixing tubes. WO 2015/182154 and US 2010/0218501 disclose further examples of burners of similar structure and function. US 2016/033133 suggests an arrangement of a multitude of individual multiple burner modules side by side, wherein each multiple burner module comprises an individual fuel plenum chamber and is equipped with an individual supply line. US 2015/076251 describes a multiple burner in which the mixing tubes are combined with a fuel cartridge. In addition, a cooling air plenum is provided downstream of the fuel plenum chamber. The cooling air plenum discharges the cooling air through the downstream end wall of the burner to effect effusion and film cooling and is not fluidically connected to the mixing tubes. US 4,100,733 suggests a microtube multiple burner in which radially inner and radially outer microtubes are arranged to be fed with fuel from separate fuel plenums. In embodiments, the fuel plenums are stacked along the flow direction through the microtubes. Another multiple burner is known from US 2013/074510, in which fuel is discharged from fuel plenums into tubes extending through the plenums.
Sumario de la materia en cuestión de la presente divulgaciónSummary of the subject matter of this disclosure
Es un objeto de la presente divulgación proporcionar un quemador según se ha mencionado inicialmente. En aspectos, se dará a conocer un quemador que evita los inconvenientes de la técnica esbozados anteriormente. En aspectos más específicos, se propondrá un quemador que posibilita la combustión de hidrógeno o combustible rico en hidrógeno u otros gases combustibles o mezclas de gases combustibles altamente reactivos en un intervalo de carga amplio y con un riesgo de retroceso y una formación de óxido nítrico minimizados. Tales gases y mezclas de gases se caracterizan, hablando en término generales, por al menos uno de un tiempo de autoignición significativamente más corto, una velocidad de llama significativamente mayor, y un intervalo significativamente más amplio de la relación de equivalencia en la que son inflamables. En otro aspecto, se propondrá un quemador que permite un funcionamiento robusto con premezclas pobres sobre un intervalo de carga amplio con un riesgo de extinción de llama minimizado. En otros aspectos más, el quemador será adecuado para funcionar en una gama amplia de combustibles. En aspectos adicionales, el quemador posibilitará el uso de fluidos inertes, además de combustible, con fines de, por ejemplo, aunque sin carácter limitativo, reducir la formación de óxido nítrico, mitigar potenciales problemas de retroceso, y otros fines. It is an object of the present disclosure to provide a burner as initially mentioned. In aspects, a burner will be disclosed that avoids the drawbacks of the art outlined above. In more specific aspects, a burner will be proposed that enables the combustion of hydrogen or hydrogen-rich fuel or other highly reactive combustible gases or combustible gas mixtures over a wide load range and with minimized risk of flashback and nitric oxide formation. Such gases and gas mixtures are characterized, generally speaking, by at least one of a significantly shorter autoignition time, a significantly higher flame speed, and a significantly wider range of equivalence ratios over which they are flammable. In another aspect, a burner will be proposed that enables robust operation with lean premixes over a wide load range with minimized risk of flameout. In still other aspects, the burner will be suitable for operation on a wide range of fuels. In additional aspects, the burner will enable the use of inert fluids, in addition to fuel, for purposes such as, but not limited to, reducing nitric oxide formation, mitigating potential flashback problems, and other purposes.
En otro aspecto más, el quemador será adecuado para sustituir quemadores existentes en cámaras de combustión o aparatos de combustión heredados, como por ejemplo, aunque sin carácter limitativo, cámaras de combustión de turbina de gas. Dicha actualización de las cámaras de combustión heredadas puede posibilitar que esas cámaras de combustión se hagan funcionar con combustibles para los que los quemadores heredados a sustituir no eran adecuadas o presentaban limitaciones. Dicha actualización también puede ser adecuada para mejorar la flexibilidad en cuanto al combustible, las emisiones, el intervalo de funcionamiento y otras características de una cámara de combustión heredada. Como ejemplo no limitativo, una cámara de combustión heredada puede actualizarse para la combustión de hidrógeno. In yet another aspect, the burner will be suitable for replacing existing burners in legacy combustors or combustion appliances, such as, but not limited to, gas turbine combustors. Such retrofitting of legacy combustors may enable those combustors to be operated with fuels for which the legacy burners being replaced were unsuitable or had limitations. Such retrofitting may also be suitable for improving fuel flexibility, emissions, operating range, and other characteristics of a legacy combustor. As a non-limiting example, a legacy combustor may be retrofitted for hydrogen combustion.
Estos objetivos se consiguen con la materia en cuestión expuesta en la reivindicación 1 y/o los detalles esbozados en las reivindicaciones dependientes. These objectives are achieved by the subject matter set forth in claim 1 and/or the details outlined in the dependent claims.
Otros efectos y ventajas de la materia en cuestión dada a conocer, ya se mencionen explícitamente o no, resultarán evidentes a la vista de la divulgación proporcionada a continuación. Other effects and advantages of the disclosed subject matter, whether explicitly mentioned or not, will become apparent in view of the disclosure provided below.
Por consiguiente, se da a conocer un quemador que comprende una primera pared frontal de aguas arriba y una segunda pared frontal de aguas abajo. Se define una dirección general del flujo de aire desde la primera pared frontal de aguas arriba a la segunda pared frontal de aguas abajo. Por lo tanto, los términos aguas arriba y aguas abajo, utilizados en el contexto del quemador aquí descrito, se entenderán como referentes a la dirección general del flujo de aire desde la primera pared frontal de aguas arriba a la segunda pared frontal de aguas abajo, a menos que se definan de otra manera en el contexto específico. Cabe destacar que, en general, un experto en la materia podrá determinar cuál de las paredes frontales se destinará a actuar como pared frontal de aguas abajo. La pared frontal de aguas abajo en general está destinada, implícitamente, a proporcionarse de manera que delimita un espacio de combustión y, así, puede definirse en términos de materiales usados, características de refrigeración, revestimientos y otras características propias de una pared frontal de aguas abajo de un quemador y por medio de las cuales el experto en la materia distinguirá fácilmente la pared frontal de aguas abajo con respecto a la pared frontal de aguas arriba. Por lo menos una pared divisoria se extiende cruzando la dirección general del flujo de aire y entre la primera y la segunda paredes frontales, por lo cual la por lo menos una pared divisoria divide el espacio entre la pared frontal de aguas arriba y la pared frontal de aguas abajo en por lo menos dos cámaras impelentes de fluido independientes, apiladas a lo largo de la dirección general del flujo de aire. A las paredes frontales y a las paredes divisorias se les hará referencia, en adelante, como "paredes transversales". El quemador comprende además por lo menos una pared periférica que se extiende entre por lo menos una de las siguientes opciones: las dos paredes frontales, por lo menos dos paredes divisorias, y/o una pared frontal y una pared divisoria. La pared periférica puede estar, en particular, conectada a prueba de fugas a las paredes transversales, a las que se extiende a lo largo de la circunferencia de la pared transversal respectiva, formando así una cámara impelente esencialmente cerrada entre las paredes transversales respectivas. Para mayor claridad, se observa que, en el marco de la presente divulgación, se entenderá que cada espacio entre dos de las paredes transversales dentro del quemador es una cámara impelente o cámara impelente de fluido, independientemente de si el espacio está confinado adicionalmente o no por una pared periférica. A una cámara impelente o cámara impelente de fluido se le puede hacer referencia como "cámara cerrada" si está confinada adicionalmente por una pared periférica, o "cámara impelente abierta" en caso contrario. En realizaciones particulares, la pared periférica puede extenderse desde la pared frontal de aguas arriba hasta la pared frontal de aguas abajo y estar conectada a prueba de fugas a las paredes frontales de aguas arriba y aguas abajo a lo largo de su circunferencia respectiva, y adicionalmente, en particular, a todas las paredes divisorias a lo largo de su circunferencia respectiva. En otro ejemplo, la pared periférica puede extenderse desde la pared frontal de aguas arriba hasta la pared divisoria de más aguas abajo y estar conectada a prueba de fugas a la pared frontal de aguas arriba y a la pared divisoria de más aguas abajo a lo largo de su circunferencia respectiva, y adicionalmente, en particular, a todas las paredes divisorias interpuestas a lo largo de su circunferencia respectiva. Se entiende que la cámara impelente de más aguas abajo formada entre la pared divisoria de más aguas abajo y la pared frontal de aguas abajo, puede estar destinada, en particular, a usarse como cámara impelente de aire de refrigeración y, por lo tanto, puede estar abierta por la periferia para recibir aire del exterior. Las cámaras impelentes destinadas a utilizarse con combustible u otros agentes distintos del aire, o hablando en términos generales, distintos del agente oxidante proporcionado al quemador, pueden, por el contrario, estar cerradas por la pared periférica y provistas de conectores de suministro de fluido. Se entenderá que por lo menos las cámaras impelentes cerradas comprenden conectores de suministro de fluido y están destinadas a conectarse a líneas de suministro conectadas fluídicamente a las cámaras impelentes. Se proporciona una multitud de pasos a través de las paredes frontales de aguas arriba y aguas abajo, y de la por lo menos una pared divisoria. Estos pasos se proporcionan mediante aberturas en las paredes transversales, en donde aberturas de cada pared transversal están alineadas para formar un paso a través del cual se puede formar o extender otro elemento. Se proporciona una multitud de conductos y los mismos se extienden a través de por lo menos algunos de los pasos y, de este modo, a través de las cámaras impelentes de fluido, en donde las paredes de los conductos están conectadas a prueba de fugas a la primera pared frontal, a la segunda pared frontal y a las paredes divisorias interpuestas. En particular, los conductos pueden extenderse desde la pared frontal de aguas arriba hasta la pared frontal de aguas abajo. De este modo, los conductos proporcionan una conexión fluídica entre un lado de aguas arriba del quemador, adyacente a la primera pared frontal, y un lado de aguas abajo del quemador, adyacente a la segunda pared frontal. Cada conducto tiene un primer extremo de aguas arriba, adyacente a la primera pared frontal de aguas arriba, y un segundo extremo de aguas abajo adyacente a la segunda pared frontal de aguas abajo. El primer extremo de aguas arriba de cada conducto desemboca en el lado de aguas arriba del quemador, y el segundo extremo de aguas debajo de cada conducto desemboca en el lado de aguas abajo del quemador. Se define una dirección longitudinal entre dichos extremos de cada conducto. En sus extremos de aguas arriba, los conductos pueden estar provistos de una geometría de entrada de flujo suave, por ejemplo, una geometría de embudo en forma de trompeta o, alternativamente, pueden comprender una geometría de transición redondeada hacia la pala frontal de aguas arriba, para minimizar pérdidas de presión total del fluido destinado a fluir a través de los conductos. Los conductos están destinados a dejar pasar a través de ellos el flujo del agente oxidante, que lo más común es que sea aire de combustión, desde el lado de aguas arriba del quemador hasta el lado de aguas abajo del quemador. El quemador comprende medios de descarga para proporcionar comunicación fluídica entre por lo menos una de las cámaras impelentes de fluido y el interior de por lo menos uno de los conductos, estando configurados los medios de descarga para descargar un fluido desde una cámara impelente de fluido respectiva al conducto. Por lo menos uno de los medios de descarga se proporciona en forma de por lo menos un orificio pasante a través de una pared del conducto y en adelante también se le hará referencia como "medios de descarga de tipo abertura en pared", y por lo menos uno de los medios de descarga es una boquilla de descarga suspendida en un conducto mediante uno o más tubos, y en adelante también se le puede hacer referencia como "medios de descarga de tipo boquilla". El tubo o tubos se extienden desde una cámara impelente de fluido hasta la boquilla de descarga y proporcionan comunicación fluídica entre dicha cámara impelente de fluido y la boquilla de descarga. Puede decirse que la boquilla está suspendida dentro del conducto. Múltiples orificios pasantes o un grupo de orificios pasantes a través de la pared de un conducto pueden formar conjuntamente unos medios de descarga. La boquilla de descarga puede tener, por ejemplo, forma de tubo, gota, lágrima, cono o pirámide, aunque sin limitarse a dichas geometrías dadas a modo de ejemplo, y estar dispuesta con un eje longitudinal por lo menos esencialmente paralelo o coaxial al eje longitudinal del conducto. La boquilla comprende por lo menos una abertura de descarga a través de la cual fluido procedente de una cámara impelente de fluido y transportado a la boquilla se puede descargar en el conducto respectivo. Puede proporcionarse una abertura de descarga en una cara frontal axial de la boquilla, en particular en una cara frontal que apunta hacia el extremo de aguas abajo del conducto en el que está dispuesta la boquilla, o en una pared lateral de la boquilla, en particular en una región de aguas abajo de la boquilla o adyacente a la cara frontal de aguas debajo de la boquilla. Por lo menos uno de los conductos está provisto de por lo menos dos medios de descarga, y cada uno de los medios de descarga conecta fluídicamente una cámara impelente de fluido de entre las por lo menos dos cámaras impelentes de fluido con el interior del conducto. Los por lo menos dos medios de descarga se proporcionan para descargar un fluido desde el interior de la cámara impelente de fluido respectiva en diferentes posiciones a lo largo de una dirección longitudinal del conducto. Dichas posiciones de descarga pueden, en particular, referenciarse a y medirse desde el extremo de aguas abajo del conducto respectivo y hasta un borde o abertura de aguas abajo que forma los medios de descarga. Dichas diferentes posiciones longitudinales de descarga para un mismo conducto pueden diferir entre sí, por ejemplo, en por lo menos un 2 %, por lo menos un 5 % ó por lo menos un 10 %, o incluso por lo menos un 20 % de la longitud del conducto respectivo. Como se expondrá más adelante, podría darse el caso de que dos medios de descarga de entre los por lo menos dos medios de descarga se conecten a una misma cámara impelente o a cámaras impelentes diferentes. Accordingly, a burner is disclosed comprising a first upstream front wall and a second downstream front wall. A general airflow direction is defined from the first upstream front wall to the second downstream front wall. Therefore, the terms "upstream" and "downstream," as used in the context of the burner described herein, are to be understood as referring to the general airflow direction from the first upstream front wall to the second downstream front wall, unless otherwise defined in the specific context. It should be noted that, in general, one skilled in the art will be able to determine which of the front walls will act as the downstream front wall. The downstream front wall is generally intended, implicitly, to be provided so as to delimit a combustion space and, thus, can be defined in terms of materials used, cooling characteristics, coatings, and other characteristics characteristic of a burner's downstream front wall and by means of which one skilled in the art will readily distinguish the downstream front wall from the upstream front wall. At least one dividing wall extends across the general airflow direction and between the first and second end walls, whereby the at least one dividing wall divides the space between the upstream end wall and the downstream end wall into at least two independent fluid plenum chambers stacked along the general airflow direction. The end walls and the dividing walls will hereinafter be referred to as "cross walls." The burner further comprises at least one peripheral wall extending between at least one of the following: the two end walls, at least two dividing walls, and/or one end wall and one dividing wall. The peripheral wall may, in particular, be leak-tightly connected to the cross walls, to which it extends along the circumference of the respective cross wall, thereby forming an essentially closed plenum chamber between the respective cross walls. For the sake of clarity, it is noted that, within the scope of the present disclosure, each space between two of the cross walls within the burner will be understood to be a plenum or fluid plenum, regardless of whether or not the space is further confined by a peripheral wall. A plenum or fluid plenum may be referred to as a "closed chamber" if it is further confined by a peripheral wall, or an "open plenum" otherwise. In particular embodiments, the peripheral wall may extend from the upstream front wall to the downstream front wall and be leak-tightly connected to the upstream and downstream front walls along their respective circumferences, and additionally, in particular, to all dividing walls along their respective circumferences. In another example, the peripheral wall may extend from the upstream front wall to the downstream dividing wall and be leak-tightly connected to the upstream front wall and the downstream dividing wall along their respective circumferences, and additionally, in particular, to all intervening dividing walls along their respective circumferences. It is understood that the downstream plenum formed between the downstream dividing wall and the downstream front wall may, in particular, be intended to be used as a cooling air plenum and may therefore be open along the periphery to receive air from the outside. Plenums intended to be used with fuel or other agents other than air, or generally speaking, other than the oxidizing agent supplied to the burner, may, on the contrary, be closed by the peripheral wall and provided with fluid supply connectors. It will be understood that at least the closed plenum chambers comprise fluid supply connectors and are intended to be connected to supply lines fluidically connected to the plenum chambers. A plurality of passages are provided through the upstream and downstream front walls, and the at least one dividing wall. These passages are provided by openings in the cross walls, wherein openings in each cross wall are aligned to form a passage through which another element may be formed or extend. A plurality of conduits are provided and extend through at least some of the passages and thus through the fluid plenum chambers, wherein the walls of the conduits are leak-tightly connected to the first front wall, the second front wall, and the intervening dividing walls. In particular, the conduits may extend from the upstream front wall to the downstream front wall. In this way, the conduits provide a fluidic connection between an upstream side of the burner, adjacent to the first front wall, and a downstream side of the burner, adjacent to the second front wall. Each conduit has a first upstream end, adjacent to the first upstream front wall, and a second downstream end adjacent to the second downstream front wall. The first upstream end of each conduit opens onto the upstream side of the burner, and the second downstream end of each conduit opens onto the downstream side of the burner. A longitudinal direction is defined between said ends of each conduit. At their upstream ends, the conduits may be provided with a smooth flow inlet geometry, for example, a trumpet-shaped funnel geometry, or alternatively, they may comprise a rounded transition geometry towards the upstream front blade, to minimize total pressure losses of the fluid intended to flow through the conduits. The conduits are adapted to allow the flow of oxidizing agent, which is most commonly combustion air, to pass therethrough from the upstream side of the burner to the downstream side of the burner. The burner comprises discharge means for providing fluid communication between at least one of the fluid plenum chambers and the interior of at least one of the conduits, the discharge means being configured to discharge a fluid from a respective fluid plenum chamber into the conduit. At least one of the discharge means is provided in the form of at least one through-hole through a wall of the conduit and will also be referred to hereinafter as a "wall-opening type discharge means," and at least one of the discharge means is a discharge nozzle suspended in a conduit by one or more tubes, and may also be referred to hereinafter as a "nozzle type discharge means." The tube or tubes extend from a fluid plenum chamber to the discharge nozzle and provide fluid communication between said fluid plenum chamber and the discharge nozzle. The nozzle may be said to be suspended within the conduit. Multiple through-holes or a group of through-holes through the wall of a conduit may together form discharge means. The discharge nozzle may be, for example, shaped like a tube, drop, teardrop, cone, or pyramid, but not limited to such exemplary geometries, and be arranged with a longitudinal axis at least substantially parallel or coaxial to the longitudinal axis of the conduit. The nozzle comprises at least one discharge opening through which fluid originating from a fluid plenum chamber and conveyed to the nozzle may be discharged into the respective conduit. A discharge opening may be provided on an axial end face of the nozzle, in particular on an end face pointing towards the downstream end of the conduit in which the nozzle is arranged, or on a side wall of the nozzle, in particular in a downstream region of the nozzle or adjacent to the downstream end face of the nozzle. At least one of the conduits is provided with at least two discharge means, and each of the discharge means fluidically connects one of the at least two fluid plenum chambers with the interior of the conduit. The at least two discharge means are provided for discharging a fluid from the interior of the respective fluid plenum chamber at different positions along a longitudinal direction of the conduit. Said discharge positions may, in particular, be referenced to and measured from the downstream end of the respective conduit and to a downstream edge or opening formed by the discharge means. Said different longitudinal discharge positions for the same conduit may differ from one another, for example, by at least 2%, at least 5%, or at least 10%, or even at least 20% of the length of the respective conduit. As will be explained later, it may be the case that two discharge means out of the at least two discharge means are connected to the same plenum chamber or to different plenum chambers.
En virtud de la materia en cuestión expuesta anteriormente, es posible descargar múltiples fluidos combustibles y no combustibles en el flujo de aire de combustión a través de un conducto de un quemador de microtubos y descargar fluidos en un mismo conducto en diferentes posiciones longitudinales, logrando así un mezclado específico y diferente del fluido y el aire de combustión en el extremo de aguas abajo del conducto. Esto permite una versatilidad superior en el funcionamiento del quemador. By virtue of the aforementioned subject matter, it is possible to discharge multiple combustible and non-combustible fluids into the combustion air flow through a microtube burner duct and to discharge fluids into the same duct at different longitudinal positions, thereby achieving specific and distinct mixing of the fluid and combustion air at the downstream end of the duct. This allows for greater versatility in burner operation.
La geometría exterior de los conductos se corresponde con la de los pasos. La sección transversal interior de los conductos es redondeada en algunas realizaciones y, más particularmente, circular. Sin embargo, en otras realizaciones, la sección transversal interior de un conducto puede ser ovalada, elíptica o con forma poligonal, en donde, en ejemplos más particulares, la sección transversal interior de un conducto puede tener forma de polígono equilátero. Se entiende que a los conductos del quemador del tipo aquí dado a conocer se les hace referencia como "microtubos" en la técnica y, por lo tanto, implican dimensiones de sección transversal comparativamente pequeñas. El área de sección transversal de un solo conducto puede ser de 2000 mm2 ó menos, 1500 mm2 ó menos, 1000 mm2 ó menos, 500 mm2 ó menos, 300 mm2 ó menos, 100 mm2 ó menos, ó 64 mm2 ó menos. En otros aspectos, el diámetro hidráulico, definido como cuatro veces el área de sección transversal dividida por la longitud de la circunferencia interior de un conducto, puede ser 50 mm ó menos, 40 mm ó menos, 35 mm ó menos, 25 mm ó menos, 20 mm ó menos, 10 mm ó menos, u 8 mm ó menos. The exterior geometry of the ducts corresponds to that of the passages. The interior cross-section of the ducts is rounded in some embodiments and, more particularly, circular. However, in other embodiments, the interior cross-section of a duct may be oval, elliptical, or polygonal in shape, where, in more particular examples, the interior cross-section of a duct may be in the shape of an equilateral polygon. It is understood that burner ducts of the type disclosed herein are referred to as "microtubes" in the art and, therefore, involve comparatively small cross-sectional dimensions. The cross-sectional area of a single duct may be 2000 mm2 or less, 1500 mm2 or less, 1000 mm2 or less, 500 mm2 or less, 300 mm2 or less, 100 mm2 or less, or 64 mm2 or less. In other respects, the hydraulic diameter, defined as four times the cross-sectional area divided by the length of the inner circumference of a conduit, may be 50 mm or less, 40 mm or less, 35 mm or less, 25 mm or less, 20 mm or less, 10 mm or less, or 8 mm or less.
El experto en la materia apreciará que cuanto más aguas arriba dentro de un conducto, es decir, más lejos del extremo de aguas abajo respectivo del conducto, se descarga un fluido en el conducto, más intensamente se premezcla el mismo con el aire de combustión, u otro oxidante, que fluye a través del conducto, cuando sale del conducto en el extremo de aguas abajo del mismo. Por consiguiente, un combustible descargado en una posición relativamente aguas abajo de un conducto puede quemarse con una característica de combustión por difusión relativamente más acusada, mientras que un combustible descargado en una posición relativamente aguas arriba de un conducto puede quemarse en un modo de combustión de premezcla relativamente más acusado. En otras palabras, la combustión de un combustible descargado en una posición relativamente aguas abajo de un conducto será, hablando en término generales, más robusta, es decir, menos susceptible a la extinción de la llama, en comparación con la combustión de un combustible descargado en una posición relativamente aguas arriba de un conducto, mientras que esta última, hablando en términos generales, produce menos óxidos de nitrógeno. One skilled in the art will appreciate that the further upstream a fluid is discharged into the duct within a conduit, i.e., the further from the respective downstream end of the conduit, the more intensely it premixes with the combustion air, or other oxidant, flowing through the duct, as it exits the duct at the downstream end thereof. Accordingly, a fuel discharged at a relatively downstream position of a conduit may combust with a relatively more pronounced diffusion combustion characteristic, whereas a fuel discharged at a relatively upstream position of a conduit may combust in a relatively more pronounced premixed combustion mode. In other words, the combustion of a fuel discharged at a relatively downstream position of a conduit will, generally speaking, be more robust, i.e., less susceptible to flame extinction, compared to the combustion of a fuel discharged at a relatively upstream position of a conduit, while the latter, generally speaking, produces fewer nitrogen oxides.
El término "dirección longitudinal", según se usa aquí, no debe entenderse como vectorizado, sino que se entenderá en general como la orientación de una extensión longitudinal en el espacio, y puede ser equivalente a una dirección axial, por ejemplo, de un conducto. Sin embargo, un conducto puede ser curvado, por lo que no tiene, estrictamente hablando, ningún eje, lo cual podría interpretarse implícitamente como recto, pero tiene una dirección longitudinal curvada. Un eje de un conducto o paso puede extenderse en particular paralelo a la dirección longitudinal del conducto o paso. Una "posición longitudinal" indicará la posición a lo largo de dicha dirección longitudinal medida desde una posición de referencia específica, tal como un extremo de aguas abajo de un conducto o paso. The term "longitudinal direction," as used herein, is not to be understood as vectorized, but rather generally refers to the orientation of a longitudinal extent in space, and may be equivalent to an axial direction, for example, of a duct. However, a duct may be curved, so that it has, strictly speaking, no axis, which could be implicitly interpreted as straight, but has a curved longitudinal direction. An axis of a duct or passage may, in particular, extend parallel to the longitudinal direction of the duct or passage. A "longitudinal position" indicates the position along that longitudinal direction as measured from a specific reference position, such as a downstream end of a duct or passage.
Se observa que, dentro del marco de la presente divulgación, el uso del artículo indefinido "un" o "una" no estipula en modo alguno calidad de singular ni excluye la presencia de una multitud del elemento o característica nombrado. Así, debe leerse en el sentido de "por lo menos un" o "uno o una multitud de". It is noted that, within the scope of this disclosure, the use of the indefinite article "a" or "an" in no way stipulates singularity or excludes the presence of a multitude of the named element or characteristic. Thus, it should be read as "at least one" or "one or a multitude of."
Se observa por otra parte que en el contexto de la presente divulgación los términos "vecino" y "adyacente" se consideran sinónimos. It is further noted that in the context of this disclosure the terms "neighbor" and "adjacent" are considered synonymous.
En algunas realizaciones, un cartucho se puede proporcionar en o puede extenderse a través de por lo menos uno de los pasos. Por lo menos un cartucho puede proporcionarse, en realizaciones más particulares, para proporcionar un agente líquido como combustible líquido o agua a un espacio de combustión a través del mismo, y puede comprender más particularmente un atomizador, en particular en un extremo distal del cartucho que apunte hacia el espacio de combustión. El cartucho puede estar destinado también a proporcionar vapor, gas combustible piloto, u otros agentes gaseosos a través del mismo. El cartucho puede ser un elemento independiente y puede ser retráctil con respecto al quemador. El cartucho puede proporcionarse directamente a través de los pasos, por lo que una circunferencia exterior del cartucho se sella con las paredes transversales del quemador. En otras realizaciones, el cartucho puede insertarse en un conducto que a su vez se extiende a través de un paso. Se aprecia que en dicha realización el conducto a través del cual se extiende el cartucho puede proporcionarse sin medios de descarga para proporcionar comunicación fluídica con una cámara impelente de fluido. Sin embargo, en otras realizaciones, tales medios de descarga pueden proporcionarse de tal manera que fluido de una cámara impelente de fluido pueda descargarse aguas abajo de una punta del cartucho o en un espacio anular proporcionado entre la pared exterior del cartucho y la pared interior del conducto. In some embodiments, a cartridge may be provided in or may extend through at least one of the passages. At least one cartridge may be provided, in more particular embodiments, to provide a liquid agent such as liquid fuel or water to a combustion space therethrough, and may more particularly comprise an atomizer, particularly at a distal end of the cartridge pointing toward the combustion space. The cartridge may also be adapted to provide steam, pilot fuel gas, or other gaseous agents therethrough. The cartridge may be a free-standing element and may be retractable relative to the burner. The cartridge may be provided directly through the passages, whereby an outer circumference of the cartridge seals with the cross walls of the burner. In other embodiments, the cartridge may be inserted into a conduit which in turn extends through a passage. It is appreciated that in such an embodiment, the conduit through which the cartridge extends may be provided without discharge means to provide fluidic communication with a fluid plenum chamber. However, in other embodiments, such discharge means may be provided such that fluid from a fluid plenum chamber may be discharged downstream of a tip of the cartridge or into an annular space provided between the outer wall of the cartridge and the inner wall of the conduit.
En particular, cada uno de los pasos puede estar provisto o bien de un conducto o bien de un cartucho en su interior o a través del mismo. In particular, each of the passages may be provided with either a duct or a cartridge inside or through it.
Las superficies exteriores de los conductos o cartuchos que se extienden a través de los pasos pueden sellarse a prueba de gases con las paredes transversales a través de las cuales se extienden. The outer surfaces of the ducts or cartridges extending through the passages may be gastightly sealed to the cross walls through which they extend.
Como se apreciará y se ha observado anteriormente, si un fluido se descarga dentro de un conducto en una posición relativamente aguas arriba, tiene un camino más largo para mezclarse con, por ejemplo, aire de combustión que fluye a través del conducto antes de que se descargue dentro de un espacio de combustión en el extremo de aguas abajo del conducto en comparación con un fluido que se descarga dentro del conducto en una posición relativamente aguas abajo. Así, si por ejemplo un combustible gaseoso se descarga más aguas arriba, el mismo puede considerarse como combustible de premezcla, mientras que el combustible descargado más aguas abajo se quema con una característica de llama relativamente de difusión, proporcionando por lo tanto robustez adicional a la combustión del combustible de premezcla, en particular a bajas relaciones de equivalencia de premezcla. En la parte negativa, la combustión de combustible piloto premezclado menos intensamente dará como resultado una formación de óxido de nitrógeno comparativamente mayor. Sin embargo, una de las ventajas de un quemador de microtubos del tipo dado a conocer aquí es la dimensión relativamente pequeña de la llama individual que proviene de un conducto individual, y por lo tanto el tiempo de residencia relativamente bajo de la especie al nivel de temperatura elevado que fomenta la formación de óxido de nitrógeno. La descarga de combustible en una ubicación relativamente aguas arriba y la descarga de combustible en una ubicación relativamente aguas abajo pueden tener lugar simultáneamente, y en uno o en diferentes conductos. La combustión del combustible menos premezclado presta soporte a la combustión del combustible más premezclado. As will be appreciated and noted above, if a fluid is discharged into a conduit at a relatively upstream position, it has a longer path to mix with, for example, combustion air flowing through the duct before it is discharged into a combustion space at the downstream end of the duct compared to a fluid that is discharged into the duct at a relatively downstream position. Thus, if, for example, a gaseous fuel is discharged further upstream, it may be considered a premix fuel, while fuel discharged further downstream burns with a relatively diffusive flame characteristic, thereby providing additional robustness to the combustion of the premix fuel, particularly at low premix equivalence ratios. On the downside, burning less intensively premixed pilot fuel will result in comparatively higher nitrogen oxide formation. However, one of the advantages of a microtube burner of the type disclosed here is the relatively small size of the individual flame emanating from a single duct, and thus the relatively low residence time of the species at the elevated temperature level that promotes the formation of nitrogen oxide. Fuel discharge at a relatively upstream location and fuel discharge at a relatively downstream location can occur simultaneously, and in one or different ducts. Combustion of the less premixed fuel supports combustion of the more premixed fuel.
En realizaciones no limitativas, por lo menos un conducto de entre la multitud de conductos está en comunicación fluídica con por lo menos dos cámaras impelentes de fluido, en donde se proporcionan por lo menos unos primeros medios de descarga para proporcionar comunicación fluídica con una primera de dichas por lo menos dos cámaras impelentes de fluido y se proporcionan por lo menos unos segundos medios de descarga para proporcionar comunicación fluídica con una segunda de dichas por lo menos dos cámaras impelentes de fluido. Esto permite que se descarguen selectivamente fluidos al conducto desde cualquiera de las cámaras impelentes conectadas al mismo. Por lo tanto, se ha observado que es ventajoso que las líneas de suministro a las cámaras impelentes estén equipadas con válvulas de control individuales que permitan controlar el suministro de fluido a las cámaras impelentes individualmente. In non-limiting embodiments, at least one of the plurality of conduits is in fluid communication with at least two fluid plenum chambers, wherein at least first discharge means are provided for providing fluid communication with a first of said at least two fluid plenum chambers, and at least second discharge means are provided for providing fluid communication with a second of said at least two fluid plenum chambers. This allows fluids to be selectively discharged into the conduit from any of the plenum chambers connected thereto. It has therefore been found to be advantageous for the supply lines to the plenum chambers to be equipped with individual control valves that allow the supply of fluid to the plenum chambers to be controlled individually.
Puede estar previsto además que por lo menos un conducto de entre la multitud de conductos esté configurado con unos primeros medios de descarga que se proporcionen en forma de unos medios de descarga de tipo abertura en pared y además con unos segundos medios de descarga que son medios de descarga de tipo boquilla. Esto proporciona una flexibilidad mejorada en la descarga de fluido en un conducto. En particular, se apreciará que un fluido descargado en un conducto a través de unos medios de descarga de tipo boquilla puede descargarse generalmente en o cerca del centro del conducto, mientras que el fluido descargado a través de unos medios de descarga de tipo abertura en pared se descarga en una capa límite a lo largo de la pared del conducto y, dependiendo del momento del fluido descargado, puede penetrar o no en la capa límite. Se apreciará además que si se descarga un fluido en un conducto a través de unos medios de descarga de tipo boquilla, la posición de descarga real puede desplazarse a lo largo de la dirección general del flujo de aire, o la dirección longitudinal del conducto, respectivamente, mientras que en el caso de unos medios de descarga de tipo abertura en pared, la posición de descarga está acoplada a la posición de la cámara impelente de fluido respectiva. Para aprovechar esta flexibilidad, podría preverse, así, que los primeros medios de descarga estén en comunicación fluídica con una primera cámara impelente de fluido y los segundos medios de descarga estén en comunicación fluídica con una segunda cámara impelente de fluido, en donde la primera cámara impelente de fluido está dispuesta aguas abajo de la segunda cámara impelente de fluido a lo largo de la dirección general del flujo de aire. Una posición de descarga de los segundos medios de descarga, de tipo boquilla, que proporcionan comunicación fluídica entre el conducto y la segunda cámara impelente de fluido, relativamente aguas arriba, puede situarse aguas abajo de la posición de descarga de los primeros medios de descarga. Así, el fluido de una cámara impelente de fluido relativamente aguas arriba puede descargarse en el conducto aguas abajo de fluido procedente de una cámara impelente relativamente aguas abajo. En realizaciones más específicas, la posición de descarga de los segundos medios de descarga, de tipo boquilla, puede ser como máximo 2 veces el diámetro hidráulico mínimo del conducto aguas abajo de la posición de descarga de los primeros medios de descarga. En otras realizaciones específicas y no limitativas, puede preverse que la posición de descarga de los segundos medios de descarga, de tipo boquilla, esté aguas arriba de la posición de descarga de los primeros medios de descarga en un máximo de 5 veces el diámetro hidráulico mínimo del conducto y aguas abajo de la posición de descarga de los primeros medios de descarga en un máximo de 2 veces el diámetro hidráulico mínimo del conducto. La definición del diámetro hidráulico se ha esbozado anteriormente. Se apreciará que el conducto puede estar provisto de pasos de sección transversal que se estrechan y se ensanchan a lo largo de su extensión longitudinal. Así, el diámetro hidráulico del conducto puede variar a lo largo de su extensión longitudinal. Se hace referencia a un diámetro hidráulico mínimo del conducto. It may further be provided that at least one of the plurality of conduits is configured with first discharge means provided in the form of a wall-opening discharge means and further with second discharge means being a nozzle-type discharge means. This provides improved flexibility in the discharge of fluid in a conduit. In particular, it will be appreciated that a fluid discharged into a conduit through a nozzle-type discharge means may generally be discharged at or near the center of the conduit, while fluid discharged through a wall-opening discharge means is discharged into a boundary layer along the wall of the conduit and, depending on the momentum of the discharged fluid, may or may not penetrate the boundary layer. It will further be appreciated that if a fluid is discharged into a conduit through a nozzle-type discharge means, the actual discharge position may be displaced along the general airflow direction, or the longitudinal direction of the duct, respectively, whereas in the case of a wall-opening type discharge means, the discharge position is coupled to the position of the respective fluid plenum. To take advantage of this flexibility, it could thus be provided that the first discharge means are in fluid communication with a first fluid plenum and the second discharge means are in fluid communication with a second fluid plenum, wherein the first fluid plenum is disposed downstream of the second fluid plenum along the general airflow direction. A discharge position of the second nozzle-type discharge means, which provides fluid communication between the duct and the second fluid plenum, relatively upstream, may be located downstream of the discharge position of the first discharge means. Thus, fluid from a relatively upstream fluid plenum may be discharged into the downstream fluid conduit from a relatively downstream fluid plenum. In more specific embodiments, the discharge position of the second nozzle-type discharge means may be at most twice the minimum hydraulic diameter of the conduit downstream of the discharge position of the first discharge means. In other specific and non-limiting embodiments, the discharge position of the second nozzle-type discharge means may be provided upstream of the discharge position of the first discharge means by at most five times the minimum hydraulic diameter of the conduit and downstream of the discharge position of the first discharge means by at most two times the minimum hydraulic diameter of the conduit. The definition of the hydraulic diameter has been outlined above. It will be appreciated that the conduit may be provided with cross-sectional passages that narrow and widen along its longitudinal extension. Thus, the hydraulic diameter of the conduit may vary along its longitudinal extension. Reference is made to a minimum hydraulic diameter of the conduit.
En otras realizaciones, la posición de descarga de cualquier boquilla de descarga está situada en una posición longitudinal del conducto dentro del cual está dispuesta la boquilla de descarga que se corresponde con un máximo de 20 diámetros hidráulicos mínimos del conducto respectivo cuando se mide desde un extremo de aguas abajo del conducto y a lo largo de la dirección longitudinal del conducto. In other embodiments, the discharge position of any discharge nozzle is located at a longitudinal position of the conduit within which the discharge nozzle is arranged that corresponds to a maximum of 20 minimum hydraulic diameters of the respective conduit when measured from a downstream end of the conduit and along the longitudinal direction of the conduit.
En realizaciones ejemplificativas no limitativas, por lo menos dos medios de descarga de un conducto pueden conectarse fluídicamente a exactamente la misma cámara impelente de fluido y se proporcionan para descargar el fluido desde la cámara impelente de fluido en dos posiciones diferentes a lo largo de una dirección longitudinal del conducto respectivo. El conducto mencionado puede descargar entonces una fracción de combustible premezclado relativamente más intenso junto con una fracción de combustible relativamente menos premezclado en un espacio de combustión, que puede servir para prestar soporte a la combustión del combustible premezclado relativamente más intenso. Se observa que puede descargarse igualmente fluido de una cámara impelente particular en conductos en más de dos posiciones longitudinales dentro del conducto respectivo, lo que producirá una premezcla más o menos pronunciada de la llama de difusión característica de una llama resultante que proviene del conducto respectivo. En realizaciones no limitativas, un primer conducto puede estar provisto de unos primeros medios de descarga que conectan fluídicamente el primer conducto a una primera cámara impelente y un segundo conducto está provisto de unos segundos medios de descarga que conectan fluídicamente el segundo conducto a la primera cámara impelente de fluido, en donde los primeros medios de descarga están dispuestos para descargar el fluido desde la primera cámara impelente de fluido al primer conducto en una primera posición longitudinal del primer conducto cuando se mide desde el extremo de aguas abajo del primer conducto y los segundos medios de descarga están dispuestos para descargar el fluido desde la primera cámara impelente de fluido al segundo conducto en una segunda posición longitudinal del segundo conducto cuando se mide desde el extremo de aguas abajo del segundo conducto. Además, el segundo conducto, en esta realización no limitativa, está libre de unos medios de descarga que se conectan fluídicamente a la primera cámara impelente de fluido. Por lo tanto, ciertos conductos se pueden hacer funcionar como conductos con diferentes características de premezcla del combustible descargado desde la primera cámara impelente de fluido en el extremo de aguas abajo de los conductos. Adicionalmente, el primer conducto puede estar libre de unos medios de descarga que se conectan fluídicamente a la primera cámara impelente de fluido y dispuestos para descargar el fluido desde la primera cámara impelente de fluido al primer conducto en la segunda posición longitudinal del primer conducto cuando se mide desde el extremo de aguas abajo del primer conducto. El combustible premezclado más intensamente y el combustible menos premezclado, en estas realizaciones, se proporcionan desde una misma cámara impelente, y la relación de flujo másico del combustible premezclado más intensamente y el combustible menos premezclado es así fija. In non-limiting exemplary embodiments, at least two means for discharging a conduit may be fluidically connected to exactly the same fluid plenum and are provided for discharging fluid from the fluid plenum at two different positions along a longitudinal direction of the respective conduit. The aforementioned conduit may then discharge a relatively more intensely premixed fuel fraction together with a relatively less premixed fuel fraction into a combustion space, which may serve to support combustion of the relatively more intensely premixed fuel. It is noted that fluid may also be discharged from a particular plenum into conduits at more than two longitudinal positions within the respective conduit, which will produce more or less pronounced premixing of the diffusion flame characteristic of a resulting flame emanating from the respective conduit. In non-limiting embodiments, a first conduit may be provided with a first discharge means fluidically connecting the first conduit to a first plenum chamber, and a second conduit is provided with a second discharge means fluidically connecting the second conduit to the first fluid plenum chamber, wherein the first discharge means is arranged to discharge fluid from the first fluid plenum to the first conduit at a first longitudinal position of the first conduit as measured from the downstream end of the first conduit, and the second discharge means is arranged to discharge fluid from the first fluid plenum to the second conduit at a second longitudinal position of the second conduit as measured from the downstream end of the second conduit. Furthermore, the second conduit, in this non-limiting embodiment, is free of a discharge means fluidically connecting to the first fluid plenum chamber. Therefore, certain conduits may be operated as conduits with different premixing characteristics of the fuel discharged from the first fluid plenum at the downstream end of the conduits. Additionally, the first conduit may be free of discharge means fluidically connected to the first fluid plenum chamber and arranged to discharge fluid from the first fluid plenum chamber into the first conduit at the second longitudinal position of the first conduit as measured from the downstream end of the first conduit. The more intensively premixed fuel and the less intensively premixed fuel, in these embodiments, are provided from a single plenum chamber, and the mass flow ratio of the more intensively premixed fuel and the less intensively premixed fuel is thus fixed.
En otras realizaciones más, un primer conducto está provisto de unos primeros medios de descarga que conectan fluídicamente el primer conducto a una primera cámara impelente de fluido y dispuestos y configurados para descargar en el primer conducto en una primera posición cuando se mide desde el extremo de aguas abajo del primer conducto y un segundo conducto está provisto de unos segundos medios de descarga que conectan fluídicamente el segundo conducto a una segunda cámara impelente de fluido y dispuestos y configurados para descargar en el segundo conducto en una segunda posición cuando se mide desde el extremo de aguas abajo del segundo conducto. El primer conducto puede estar aislado fluídicamente de la segunda cámara impelente de fluido y el segundo conducto puede estar aislado fluídicamente de la primera cámara impelente de fluido. En otros aspectos más, un primer conducto está provisto de unos primeros medios de descarga que conectan fluídicamente el primer conducto a una primera cámara impelente de fluido y dispuestos y configurados para descargar en el primer conducto en una primera posición cuando se mide desde el extremo de aguas abajo del primer conducto y el primer conducto está provisto además de unos segundos medios de descarga que conectan fluídicamente el primer conducto a una segunda cámara impelente de fluido y dispuestos y configurados para descargar en el primer conducto en una segunda posición cuando se mide desde el extremo de aguas abajo del primer conducto. La segunda posición es en ambos casos diferente de la primera posición, en donde las posiciones pueden expresarse en dimensiones absolutas o en múltiplos de un diámetro hidráulico mínimo del conducto respectivo. El flujo másico de fluido descargado desde las cámaras impelentes en las primera y segunda posiciones diferentes puede controlarse independientemente entre sí proporcionado válvulas de control independientes en las líneas de suministro a las cámaras impelentes. Por lo tanto, se puede controlar la relación de flujo másico del combustible premezclado más intensamente y el combustible menos premezclado. In still other embodiments, a first conduit is provided with a first discharge means fluidically connecting the first conduit to a first fluid plenum and arranged and configured to discharge into the first conduit at a first position when measured from the downstream end of the first conduit, and a second conduit is provided with a second discharge means fluidically connecting the second conduit to a second fluid plenum and arranged and configured to discharge into the second conduit at a second position when measured from the downstream end of the second conduit. The first conduit may be fluidically isolated from the second fluid plenum, and the second conduit may be fluidically isolated from the first fluid plenum. In still other aspects, a first conduit is provided with first discharge means fluidically connecting the first conduit to a first fluid plenum chamber and arranged and configured to discharge into the first conduit at a first position when measured from the downstream end of the first conduit, and the first conduit is further provided with second discharge means fluidically connecting the first conduit to a second fluid plenum chamber and arranged and configured to discharge into the first conduit at a second position when measured from the downstream end of the first conduit. The second position is in both cases different from the first position, wherein the positions can be expressed in absolute dimensions or in multiples of a minimum hydraulic diameter of the respective conduit. The mass flow of fluid discharged from the plenum chambers at the first and second different positions can be controlled independently of each other by providing independent control valves in the supply lines to the plenum chambers. Therefore, the mass flow ratio of the more intensively premixed fuel and the less intensively premixed fuel can be controlled.
Aunque se supone que es evidente por sí mismo, se observa que en general un conducto puede estar provisto de medios de descarga para descargar fluido en el conducto en más de dos posiciones longitudinales del conducto. Although assumed to be self-evident, it is noted that in general a conduit may be provided with discharge means for discharging fluid into the conduit at more than two longitudinal positions of the conduit.
Anteriormente se ha esbozado con cierto detalle el concepto de escalonamiento axial de la descarga de combustible en un conducto - es decir, cuanto más aguas arriba en un conducto se descarga el combustible en el conducto, más intensamente mezclado estará el combustible con aire de combustión al salir del conducto, produciendo una combustión más de tipo premezcla y bajas emisiones relacionadas de óxidos de nitrógeno, en comparación con la descarga de combustible en el conducto más aguas abajo produciendo una combustión más de tipo difusión y una generación relacionada de óxidos de nitrógeno más alta, que, por otro lado, es menos susceptible a interferencias. En realizaciones, el quemador aquí propuesto comprende un conducto que está configurado de manera dedicada como conducto de pilotaje y está en comunicación fluídica con una cámara impelente de fluido diferente de la cámara impelente de fluido de más aguas abajo a través de medios de descarga configurados para descargar en el conducto de pilotaje a una distancia longitudinal, cuando se mide desde el extremo de aguas abajo del conducto y a lo largo de una extensión longitudinal del conducto, correspondiente a como máximo cinco veces el diámetro hidráulico mínimo del conducto. Por lo tanto, el combustible puede quedar virtualmente sin mezclar con el aire de combustión al salir del conducto y se quema en una llama de difusión. En realizaciones ejemplificativas más específicas, se proporciona una multitud de conductos de pilotaje y cada conducto de pilotaje está dispuesto en el centro de conductos no de pilotaje adyacentes, es decir, inmediatamente vecinos. Los conductos no de pilotaje, a este respecto, son conductos que están en comunicación fluídica con una cámara impelente de fluido diferente de la cámara impelente de fluido de más aguas abajo a través de medios de descarga configurados para descargar en el conducto no de pilotaje a una distancia longitudinal, cuando se mide desde el extremo de aguas abajo del conducto respectivo y a lo largo de un eje longitudinal del conducto respectivo, correspondiente a más de cinco veces el diámetro hidráulico mínimo del conducto respectivo, en particular seis o más veces, siete o más veces, o diez o más veces el diámetro hidráulico mínimo del conducto respectivo. Los conductos no de pilotaje pueden estar dispuestos en particular en un hexágono concéntrico alrededor del conducto de pilotaje. En realizaciones más particulares,6nconductos no de pilotaje pueden estar dispuestos adyacentes al conducto de pilotaje, en dondenes un número natural. The concept of axial staging of fuel discharge into a duct has been outlined in some detail above - that is, the further upstream in a duct fuel is discharged into the duct, the more intensely mixed the fuel will be with combustion air upon exiting the duct, producing more premix-type combustion and related lower nitrogen oxide emissions, as compared to discharging fuel into the more downstream duct producing more diffusion-type combustion and related higher nitrogen oxide generation, which is otherwise less susceptible to interference. In embodiments, the burner proposed herein comprises a duct that is specifically configured as a pilot duct and is in fluid communication with a fluid plenum different from the more downstream fluid plenum via discharge means configured to discharge into the pilot duct a longitudinal distance, when measured from the downstream end of the duct and along a longitudinal extent of the duct, corresponding to at most five times the minimum hydraulic diameter of the duct. Thus, the fuel may remain virtually unmixed with the combustion air upon exiting the conduit and is burned in a diffusion flame. In more specific exemplary embodiments, a plurality of pilot conduits are provided, and each pilot conduit is disposed centrally of adjacent, i.e., immediately neighboring, non-pilot conduits. Non-pilot conduits, in this regard, are conduits that are in fluid communication with a fluid plenum different from the more downstream fluid plenum via discharge means configured to discharge into the non-pilot conduit at a longitudinal distance, when measured from the downstream end of the respective conduit and along a longitudinal axis of the respective conduit, corresponding to more than five times the minimum hydraulic diameter of the respective conduit, in particular six or more times, seven or more times, or ten or more times the minimum hydraulic diameter of the respective conduit. The non-pilot conduits may in particular be arranged in a concentric hexagon around the pilot conduit. In more particular embodiments, non-pilot ducts may be arranged adjacent to the pilot duct, where n is a natural number.
Cada tres pasos vecinos pueden estar dispuestos en las esquinas de un triángulo equilátero. A escala global, esta disposición da como resultado que los pasos se proporcionen en un patrón equidistante, en donde cada dos pasos vecinos tienen la misma distancia entre sí, y la influencia mutua de los flujos y llamas que provienen de ellos se puede transponer fácilmente de un par de pasos vecinos a otro par de pasos vecinos. En realizaciones más particulares, esto puede dar como resultado una disposición en la que un quemador comprende un paso central que está rodeado por varios anillos hexagonales en los que están dispuestos pasos adicionales. Generalmente, en el nésimo anillo hexagonal que rodea un paso central, cuando se cuenta desde el paso central, se proporcionan 6npasos. Aparte de los pasos del anillo exterior, cada paso está rodeado por seis pasos vecinos en un anillo hexagonal. Por ejemplo, un conducto proporcionado en calidad de conducto de pilotaje dedicado para un combustible específico puede estar rodeado por seis conductos vecinos proporcionados en calidad de conductos de premezcla dedicados para dicho combustible específico. Asimismo, una boquilla o cartucho puede estar dispuesto en o a través de un paso que está rodeado por otros seis pasos. En esta realización, la boquilla o cartucho puede comprender un atomizador y puede estar destinado a suministrar combustible líquido a través del mismo, mientras que, en el funcionamiento con combustible líquido, los seis conductos vecinos pueden estar destinados a proporcionar el aire de combustión cuando el quemador se hace funcionar con combustible líquido. Un experto en la materia concebirá fácilmente otras disposiciones no mencionadas explícitamente. La disposición autosimilar de pasos, o conductos y/o cartuchos, respectivamente, facilita la escalabilidad del quemador. Por otra parte, proporcionar el quemador en forma de un hexágono global facilita la sustitución de quemadores existentes de una cámara de combustión heredada por varios quemadores del tipo aquí dado a conocer dispuestos uno al lado del otro. Every three neighboring passages may be arranged at the corners of an equilateral triangle. On a global scale, this arrangement results in the passages being provided in an equidistant pattern, where every two neighboring passages have the same distance from each other, and the mutual influence of the flows and flames emanating from them can be easily transposed from one pair of neighboring passages to another pair of neighboring passages. In more particular embodiments, this may result in an arrangement in which a burner comprises a central passage that is surrounded by several hexagonal rings in which further passages are arranged. Generally, in the nth hexagonal ring surrounding a central passage, when counting from the central passage, 6n passages are provided. Apart from the passages in the outer ring, each passage is surrounded by six neighboring passages in a hexagonal ring. For example, a duct provided as a dedicated pilot duct for a specific fuel may be surrounded by six neighboring ducts provided as dedicated premix ducts for that specific fuel. Likewise, a nozzle or cartridge may be disposed in or through a passageway that is surrounded by six other passageways. In this embodiment, the nozzle or cartridge may comprise an atomizer and may be adapted to supply liquid fuel therethrough, while, in operation with liquid fuel, the six neighboring passageways may be adapted to provide combustion air when the burner is operated with liquid fuel. One skilled in the art will readily conceive other arrangements not explicitly mentioned. The self-similar arrangement of passageways, or passageways and/or cartridges, respectively, facilitates the scalability of the burner. Furthermore, providing the burner in the shape of an overall hexagon facilitates the replacement of existing burners in a legacy combustion chamber with multiple burners of the type disclosed herein arranged side by side.
En aspectos, todos los conductos del quemador son paralelos entre sí. Más en particular, los conductos pueden ser paralelos a un eje del quemador, en donde dicho eje del quemador se define como un eje virtual perpendicular a la superficie exterior de la pared frontal de aguas abajo, o cara de aguas abajo del quemador, que está destinada a quedar encarada a un espacio de combustión dispuesto aguas abajo del quemador. En otros aspectos, puede preverse que por lo menos un subconjunto de la multitud de pasos esté dispuesto en por lo menos un anillo hexagonal concéntrico alrededor de un punto central. Dicho anillo hexagonal concéntrico puede proporcionarse en forma de un hexágono equilátero, que comprende en particular 6n pasos, en donde n es un número natural. Los pasos dispuestos en el por lo menos un anillo hexagonal concéntrico están orientados de tal manera que el fluido descargado en el lado de aguas abajo del quemador desde los pasos del anillo hexagonal concéntrico tiene un componente de velocidad que es tangencial a un círculo definido alrededor del punto central del anillo hexagonal. Por ejemplo, si una cara de aguas abajo del quemador, que es la cara exterior de la pared de aguas abajo que no está encarada a una cámara impelente, es una superficie plana, los pasos, y por consiguiente cualquier conducto o cartucho proporcionado a través de los mismos, están por consiguiente inclinados con respecto a una normal a la cara de aguas abajo. En particular, todos los pasos en un anillo hexagonal dado pueden estar inclinados con un ángulo idéntico. Como apreciará fácilmente el experto, dicha configuración es adecuada para generar un vórtice macroscópico aguas abajo del quemador. In some aspects, all of the burner passages are parallel to one another. More particularly, the passages may be parallel to a burner axis, wherein said burner axis is defined as a virtual axis perpendicular to the outer surface of the downstream front wall, or downstream face, of the burner, which is intended to face a combustion space arranged downstream of the burner. In other aspects, it may be provided that at least a subset of the multitude of passages is arranged in at least one concentric hexagonal ring around a center point. Said concentric hexagonal ring may be provided in the form of an equilateral hexagon, comprising in particular 6n passages, where n is a natural number. The passages arranged in the at least one concentric hexagonal ring are oriented such that the fluid discharged on the downstream side of the burner from the passages of the concentric hexagonal ring has a velocity component that is tangential to a circle defined around the center point of the hexagonal ring. For example, if a downstream face of the burner, which is the outer face of the downstream wall that does not face a plenum chamber, is a flat surface, the passages, and consequently any conduit or cartridge provided therethrough, are accordingly inclined with respect to a normal to the downstream face. In particular, all passages in a given hexagonal ring may be inclined at an identical angle. As will be readily appreciated by the skilled artisan, such a configuration is suitable for generating a macroscopic vortex downstream of the burner.
Se observa que la expresión "subconjunto" de pasos o conductos, tal como se utiliza en el marco de este documento, puede significar también, en un caso especial, todos los pasos o conductos del quemador, si, en una realización específica, los atributos conjugados con el subconjunto se aplican a todos los pasos o conductos. It is noted that the term "subset" of passages or ducts, as used within the scope of this document, may also mean, in a special case, all the passages or ducts of the burner, if, in a specific embodiment, the attributes conjugated with the subset apply to all the passages or ducts.
En unos medios de descarga, en la medida en que comprenden por lo menos dos aberturas de descarga, las aberturas de descarga pueden proporcionarse de tal manera que los vectores de velocidad de todas las corrientes de fluido que van a provenir de las aberturas de descarga se encuentren en o prácticamente procedan de un punto común en una vista de una sección transversal de un conducto. Por ejemplo, si la sección transversal interior del conducto es circular o elíptica o tiene forma de polígono equilátero, los mismos pueden encontrarse en o prácticamente proceder de un centro de la sección transversal del conducto. Asimismo, se puede proporcionar una única abertura de descarga de unos medios de descarga de tal manera que el vector de velocidad de una corriente de fluido que proviene de dicha abertura se dirija hacia o prácticamente proceda de un centro del conducto. Se apreciará que las relaciones geométricas con respecto al conducto en este contexto se refieren estrictamente a la sección transversal interior abierta del conducto. En otras realizaciones, sin embargo, por lo menos una abertura de descarga de unos medios de descarga puede proporcionarse de tal manera que el fluido se descargue con un componente de velocidad tangencial con respecto a la sección transversal del conducto. In a discharge means, to the extent that it comprises at least two discharge openings, the discharge openings may be provided such that the velocity vectors of all fluid streams emanating from the discharge openings lie at or substantially emanate from a common point in a cross-sectional view of a conduit. For example, if the interior cross-section of the conduit is circular or elliptical, or has the shape of an equilateral polygon, they may lie at or substantially emanate from a center of the cross-section of the conduit. Likewise, a single discharge opening of a discharge means may be provided such that the velocity vector of a fluid stream emanating from said opening is directed toward or substantially emanates from a center of the conduit. It will be appreciated that the geometric relationships with respect to the conduit in this context strictly relate to the open interior cross-section of the conduit. In other embodiments, however, at least one discharge opening of a discharge means may be provided such that the fluid is discharged with a velocity component tangential to the cross section of the conduit.
Además, puede proporcionarse una abertura de descarga de unos medios de descarga para descargar fluido en una dirección perpendicular a la dirección longitudinal del conducto. También puede estar inclinada para descargar el fluido con una componente de velocidad en la dirección de aguas arriba o aguas abajo del conducto. In addition, a discharge opening of a discharge means may be provided to discharge fluid in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the conduit. It may also be inclined to discharge the fluid with a velocity component in the upstream or downstream direction of the conduit.
En realizaciones, dentro de un conducto pueden disponerse generadores de vórtices y/o palas. Los vórtices en el flujo de aire de combustión a través de un conducto pueden servir para intensificar el mezclado del combustible y otros fluidos descargados en el conducto a través de medios de descarga del conducto con el flujo de aire de combustión. Se pueden disponer varias palas a lo largo de la circunferencia del conducto para generar un remolino del aire de combustión dentro del conducto. En realizaciones, los generadores de vórtices y/o la fila de palas están dispuestos en una sección de aguas arriba de un conducto, por ejemplo, en el 30 % de aguas arriba de la extensión longitudinal del conducto, en el 20 % de aguas arriba de la misma, o en el 10 % de aguas arriba de la misma. Los generadores de vórtices y/o la fila de palas pueden estar dispuestos aguas arriba de cualesquiera medios de descarga dentro del conducto. Sin embargo, también pueden estar dispuestos de manera diferente con respecto a los medios de descarga, por ejemplo, entre medios de descarga en la dirección prevista del flujo de aire de combustión o aguas abajo del mismo, según las necesidades. Por otra parte, puede darse el caso de que los generadores de vórtices y/o filas de palas puedan proporcionarse en más de una posición longitudinal de un conducto y/o posición longitudinal con respecto a los medios de descarga. In embodiments, vortex generators and/or blades may be arranged within a duct. The vortices in the combustion air flow through a duct may serve to enhance mixing of fuel and other fluids discharged into the duct through the duct's discharge means with the combustion air flow. A plurality of blades may be arranged along the circumference of the duct to generate a swirl of the combustion air within the duct. In embodiments, the vortex generators and/or the blade row are arranged in an upstream section of a duct, for example, in the upstream 30%, 20%, or 10% of the longitudinal extent of the duct. The vortex generators and/or the blade row may be arranged upstream of any discharge means within the duct. However, they may also be arranged differently with respect to the discharge means, for example, between discharge means in the intended direction of combustion air flow or downstream thereof, as required. Furthermore, vortex generators and/or blade rows may be provided at more than one longitudinal position of a duct and/or longitudinal position with respect to the discharge means.
A lo largo de la dirección general del flujo de aire pueden apilarse por lo menos tres cámaras impelentes de fluido. Pueden proporcionarse cámaras impelentes para el suministro de fluidos diferentes, por ejemplo, combustibles diferentes. Para un combustible específico, se pueden proporcionar dos o más cámaras impelentes para controlar el suministro de dicho combustible específico a diferentes conductos o el suministro de dicho combustible específico en diferentes posiciones longitudinales de los conductos con el fin de controlar, por ejemplo, el pilotaje. Se pueden añadir cámaras impelentes adicionales para suministrar fluidos inertes como vapor o nitrógeno, que podrían ser útiles para el control del retroceso, o para suministrar, a través de boquillas atomizadoras internas dentro de uno o más conductos, agua o combustible líquido u otro agente líquido al flujo a través de dicho o dichos conductos. El quemador aquí propuesto proporciona así una versatilidad superior en relación con una capacidad de funcionamiento con múltiples combustibles y la posibilidad de añadir otros fluidos, ya que simplemente es necesario añadir otra cámara impelente a la pila de cámaras impelentes. At least three fluid plenums may be stacked along the general direction of the airflow. Plenums may be provided for the supply of different fluids, for example, different fuels. For a specific fuel, two or more plenums may be provided to control the supply of said specific fuel to different ducts or the supply of said specific fuel at different longitudinal positions of the ducts for the purpose of controlling, for example, piloting. Additional plenums may be added to supply inert fluids such as steam or nitrogen, which could be useful for blowback control, or to supply, via internal atomizing nozzles within one or more ducts, water or liquid fuel or other liquid agent to the flow through said duct(s). The burner proposed herein thus provides superior versatility with regard to multi-fuel operation capability and the possibility of adding other fluids, since it is simply necessary to add another plenum to the stack of plenums.
La cámara impelente de fluido de más aguas abajo puede estar destinada a usarse como cámara impelente de refrigerante. La cámara impelente de fluido de más aguas abajo puede estar provista de por lo menos una de una conexión fluídica hacia por lo menos algunos de los conductos, para descargar fluido desde la cámara impelente de fluido de más aguas abajo a dichos por lo menos algunos de los conductos, y/o de orificios pasantes de pared frontal que se extienden a través de la segunda pared frontal de aguas abajo, diferentes de los pasos a través de la pared frontal de aguas abajo, para descargar fluido desde la cámara impelente de fluido de más aguas abajo a un área aguas abajo del quemador y para refrigerar la placa frontal de aguas abajo mediante refrigeración por efusión. La cámara impelente de más aguas abajo puede estar en particular en comunicación fluídica con por lo menos uno o con una fracción de los conductos o con todos los conductos a través de medios de descarga de tipo abertura en pared. Los medios de descarga que proporcionan comunicación fluídica entre la cámara impelente de más aguas abajo y un conducto pueden configurarse para descargar fluido desde la cámara impelente de más aguas abajo al conducto con un componente de velocidad de aguas abajo tangencial a la superficie interior de la pared del conducto. El refrigerante forma entonces una capa límite inerte en el extremo de aguas abajo del conducto que ayuda a evitar el retroceso al conducto. Se observa que, en realizaciones, a la cámara impelente de fluido de más aguas abajo se le puede suministrar un refrigerante distinto de aire, tal como, por ejemplo, aunque sin carácter limitativo, vapor. The most downstream fluid plenum may be intended to be used as a coolant plenum. The most downstream fluid plenum may be provided with at least one of a fluidic connection to at least some of the conduits, for discharging fluid from the most downstream fluid plenum to said at least some of the conduits, and/or with front wall through-holes extending through the second downstream front wall, different from the passages through the downstream front wall, for discharging fluid from the most downstream fluid plenum to a downstream area of the burner and for cooling the downstream front plate by effusion cooling. The most downstream plenum may in particular be in fluidic communication with at least one or with a fraction of the conduits or with all of the conduits through wall-opening type discharge means. The discharge means providing fluid communication between the downstream plenum and a conduit may be configured to discharge fluid from the downstream plenum into the conduit with a downstream velocity component tangential to the inner surface of the conduit wall. The coolant then forms an inert boundary layer at the downstream end of the conduit that helps prevent backflow into the conduit. It is noted that, in embodiments, the downstream fluid plenum may be supplied with a coolant other than air, such as, for example, but not limited to, steam.
Además, puede preverse, en realizaciones ejemplificativas no limitativas, que la segunda cámara impelente de fluido, cuando se cuenta desde el lado de aguas abajo del quemador, esté en comunicación fluídica con el fluido que circunda el quemador por sus lados laterales. En este sentido, en uno de los aspectos, no se puede proporcionar ninguna pared periférica que confine la segunda cámara impelente de fluido contada desde el lado de aguas abajo del quemador, de tal manera que dicha cámara impelente es una cámara impelente abierta. En otro aspecto, dicha cámara impelente puede estar confinada por una pared periférica perforada que se extiende entre las paredes transversales adyacentes a dicha cámara impelente. Así, cuando el quemador se instala en un aparato de combustión, dicha segunda cámara impelente de fluido contada desde el lado de aguas abajo del quemador está en comunicación fluídica con una cámara de campana de quemador dentro de la cual se proporciona aire de combustión y refrigeración. La cámara impelente de fluido de más aguas abajo puede estar entonces en comunicación fluídica con dicha segunda cámara impelente de fluido cuando se cuenta desde el lado de aguas abajo del quemador a través de aberturas en la pared divisoria que delimita la cámara impelente de fluido de más aguas abajo con respecto a la segunda cámara impelente de fluido cuando se cuenta desde el lado de aguas abajo del quemador. Así, por ejemplo, puede conseguirse una refrigeración por impacto de la pared de aguas abajo del quemador, que está encarada a la cámara de combustión. La cámara impelente de fluido de más aguas abajo, en esta realización, puede estar además en comunicación fluídica con el lado de aguas abajo del quemador a través de la pared frontal de aguas abajo, en particular a través de aberturas proporcionadas a través de la misma, para proporcionar una refrigeración adicional de la pared de aguas abajo del quemador. El fluido de refrigeración usado se descarga así en la cámara de combustión. La cámara impelente de fluido de más aguas abajo puede configurarse alternativa o adicionalmente para descargar el aire de refrigeración en la parte de aguas abajo de por lo menos un conducto o por lo menos algunos conductos. Furthermore, in non-limiting exemplary embodiments, the second fluid plenum, when measured from the downstream side of the burner, may be provided to be in fluid communication with the fluid surrounding the burner on its lateral sides. In this regard, in one aspect, no peripheral wall may be provided confining the second fluid plenum when measured from the downstream side of the burner, such that said plenum is an open plenum. In another aspect, said plenum may be confined by a perforated peripheral wall extending between the transverse walls adjacent to said plenum. Thus, when the burner is installed in a combustion apparatus, said second fluid plenum, when measured from the downstream side of the burner, is in fluid communication with a burner bell chamber within which combustion and cooling air is provided. The further downstream fluid plenum may then be in fluid communication with said second fluid plenum when counted from the downstream side of the burner through openings in the dividing wall delimiting the further downstream fluid plenum with respect to the second fluid plenum when counted from the downstream side of the burner. Thus, for example, impingement cooling of the downstream wall of the burner, which faces the combustion chamber, may be achieved. The further downstream fluid plenum, in this embodiment, may further be in fluid communication with the downstream side of the burner through the downstream front wall, in particular through openings provided therethrough, to provide additional cooling of the downstream wall of the burner. The spent cooling fluid is thus discharged into the combustion chamber. The most downstream fluid plenum may alternatively or additionally be configured to discharge the cooling air into the downstream portion of at least one conduit or at least some conduits.
En realizaciones, por lo menos un subconjunto de la multitud de pasos están dispuestos como pasos exteriores en un anillo hexagonal concéntrico alrededor de y adyacente a por lo menos un paso interior, en donde por lo menos un conducto interior se proporciona en el por lo menos un paso interior y por lo menos un conducto exterior se proporciona en los pasos exteriores. En realizaciones, el por lo menos un paso interior podría ser un único paso central. En otras formas de realización, el por lo menos un paso interior está dispuesto en un hexágono interior que está circundado por un hexágono exterior en el que están dispuestos los pasos exteriores. El por lo menos un conducto interior tiene una posición de descarga de más aguas abajo en la que unos medios de descarga en comunicación fluídica con una cámara impelente de fluido diferente de la cámara impelente de fluido de más aguas abajo están configurados para descargar en el por lo menos un conducto interior que está situado a una primera distancia longitudinal del extremo de aguas abajo del por lo menos un conducto interior. El por lo menos un conducto exterior tiene una posición de descarga de más aguas abajo en la que unos medios de descarga en comunicación fluídica con una cámara impelente de fluido diferente de la cámara impelente de fluido de más aguas abajo están configurados para descargar en el por lo menos un conducto exterior que está situado a una segunda distancia longitudinal del extremo de aguas abajo del por lo menos un conducto exterior. La segunda distancia longitudinal es mayor que la primera distancia longitudinal. Por lo tanto, una mezcla de combustible-aire premezclada más intensamente sale del por lo menos un conducto exterior en comparación con la mezcla de combustible-aire que sale del por lo menos un conducto interior. In embodiments, at least a subset of the multitude of passageways are arranged as outer passageways in a concentric hexagonal ring around and adjacent to the at least one inner passageway, wherein the at least one inner conduit is provided in the at least one inner passageway and the at least one outer conduit is provided in the outer passageways. In embodiments, the at least one inner passageway could be a single central passageway. In other embodiments, the at least one inner passageway is arranged in an inner hexagon that is surrounded by an outer hexagon in which the outer passageways are arranged. The at least one inner conduit has a downstream-most discharge position wherein a discharge means in fluid communication with a fluid plenum different from the downstream-most fluid plenum is configured to discharge into the at least one inner conduit that is located a first longitudinal distance from the downstream end of the at least one inner conduit. The at least one outer conduit has a downstream discharge position in which discharge means in fluid communication with a fluid plenum chamber different from the downstream fluid plenum chamber are configured to discharge into the at least one outer conduit that is located at a second longitudinal distance from the downstream end of the at least one outer conduit. The second longitudinal distance is greater than the first longitudinal distance. Therefore, a more intensely premixed fuel-air mixture exits the at least one outer conduit compared to the fuel-air mixture exiting the at least one inner conduit.
Cada sección transversal tomada a lo largo de la extensión longitudinal de cada conducto, y más en particular perpendicular al eje del conducto, de entre la multitud de conductos puede tener una de una forma circular o poligonal. Each cross-section taken along the longitudinal extension of each duct, and more particularly perpendicular to the axis of the duct, among the multitude of ducts may have one of a circular or polygonal shape.
Si se proporciona una cámara impelente de fluido en forma de cámara impelente de fluido cerrada como se ha definido anteriormente, deben proporcionarse conectores de suministro en conexión fluídica con la cámara impelente de fluido cerrada. En realizaciones del quemador, el quemador comprende, así, conectores de suministro configurados para el suministro de fluido a por lo menos algunas de las cámaras impelentes de fluido. En realizaciones más específicas, por lo menos dos de las cámaras impelentes de fluido están conectadas fluídicamente a un conector de suministro individual respectivo, en donde por lo menos dos conectores de suministro de cámaras impelentes de fluido diferentes están dispuestos concéntrica y coaxialmente. If a fluid plenum is provided in the form of a closed fluid plenum as defined above, supply connectors must be provided in fluidic connection with the closed fluid plenum. In embodiments of the burner, the burner thus comprises supply connectors configured for supplying fluid to at least some of the fluid plenums. In more specific embodiments, at least two of the fluid plenums are fluidically connected to a respective individual supply connector, wherein at least two supply connectors of different fluid plenums are arranged concentrically and coaxially.
El quemador puede estar formado integralmente por fabricación aditiva. Es decir, las paredes transversales, paredes periféricas, paredes de conductos, medios de descarga y, según el caso, elementos adicionales como los generadores de vórtices y las palas mencionados anteriormente, se proporcionan en forma de un elemento monolítico de una pieza sin costuras. Todo el quemador puede ser un elemento monolítico de una pieza sin costuras fabricado de manera aditiva. En otras realizaciones, el quemador puede estar montado a partir de capas, en donde cada capa comprende por lo menos dos paredes transversales y por lo menos una cámara impelente entre las paredes transversales. El quemador puede estar montado a partir de elementos monolíticos de una pieza sin costuras, comprendiendo cada elemento por lo menos una cámara impelente confinada por dos paredes transversales y, opcionalmente, por una pared lateral, apiladas una sobre otra. The burner may be integrally formed by additive manufacturing. That is, the cross walls, peripheral walls, duct walls, discharge means, and, as appropriate, additional elements such as the aforementioned vortex generators and blades, are provided in the form of a seamless, one-piece monolithic element. The entire burner may be a seamless, one-piece monolithic element manufactured additively. In other embodiments, the burner may be assembled from layers, each layer comprising at least two cross walls and at least one plenum between the cross walls. The burner may be assembled from seamless, one-piece monolithic elements, each element comprising at least one plenum chamber bordered by two cross walls and, optionally, by a side wall, stacked one on top of the other.
Por lo menos uno de los orificios pasantes dispuestos en la pared de un conducto de entre la multitud de conductos para proporcionar comunicación fluídica con una cámara impelente de fluido puede tener una sección transversal de forma elíptica, en donde en particular el eje largo de la elipse incluye un ángulo de como máximo 30 grados con uno de un eje longitudinal del conducto, la dirección general del flujo de aire o un eje del quemador, y en donde además en particular la relación de la longitud del eje más largo de la elipse con respecto a la longitud del eje corto de la elipse es de 1.25 ó más. En caso de que un conducto sea curvado, el ángulo especificado anteriormente se medirá en relación con un eje local en la ubicación del orificio pasante. Un eje de quemador puede definirse como un eje perpendicular a por lo menos una de la pared de aguas arriba o una pared de aguas abajo. Puede resultar ventajoso que el eje largo de la elipse esté orientado por lo menos aproximadamente a lo largo de una dirección de construcción del quemador durante la fabricación aditiva del quemador. Al aplicar tal geometría, se reducen las estructuras salientes en el límite del orificio pasante, lo que facilita considerablemente la aplicación de un proceso de fabricación aditiva. La dirección de construcción podría elegirse a lo largo del eje del conducto o la dirección general del flujo de aire del quemador. At least one of the through-holes arranged in the wall of a duct among the multitude of ducts for providing fluidic communication with a fluid plenum chamber may have an elliptical cross-section, wherein in particular the long axis of the ellipse includes an angle of at most 30 degrees with one of a longitudinal axis of the duct, the general direction of air flow or a burner axis, and further wherein in particular the ratio of the length of the longer axis of the ellipse to the length of the short axis of the ellipse is 1.25 or more. In case a duct is curved, the angle specified above will be measured relative to a local axis at the location of the through-hole. A burner axis may be defined as an axis perpendicular to at least one of the upstream wall or a downstream wall. It may be advantageous for the long axis of the ellipse to be oriented at least approximately along a build direction of the burner during additive manufacturing of the burner. By applying this geometry, protruding structures at the boundary of the through-hole are reduced, which considerably facilitates the application of an additive manufacturing process. The build direction could be chosen along the duct axis or the general direction of the burner airflow.
Por lo menos uno de los orificios pasantes dispuestos en la pared de un conducto de entre la multitud de conductos para proporcionar comunicación fluídica con una cámara impelente de fluido puede tener una sección transversal de forma poligonal que tenga un límite de forma poligonal, comprendiendo el límite de forma poligonal segmentos de límite rectos, en donde dicho límite de forma poligonal comprende una sección de límite de aguas arriba y una sección de límite de aguas abajo, en donde por lo menos una de la sección de límite de aguas arriba y la sección de límite de aguas abajo está conformada de tal manera que un ángulo incluido entre cada segmento recto de la sección de límite respectiva y uno de un eje longitudinal del conducto, la dirección general del flujo de aire o un eje del quemador es inferior o igual a 45 grados. Se aplican las explicaciones dadas anteriormente sobre el eje longitudinal del conducto y el eje del quemador. Además, esta forma de los orificios pasantes de la pared del conducto reduce las estructuras salientes en el límite del orificio pasante, lo que facilita considerablemente la aplicación de un proceso de fabricación aditiva. At least one of the through-holes arranged in the wall of a duct among the multitude of ducts for providing fluidic communication with a fluid plenum chamber may have a polygonal-shaped cross-section having a polygonal-shaped boundary, the polygonal-shaped boundary comprising straight boundary segments, wherein said polygonal-shaped boundary comprises an upstream boundary section and a downstream boundary section, wherein at least one of the upstream boundary section and the downstream boundary section is shaped such that an included angle between each straight segment of the respective boundary section and one of a longitudinal axis of the duct, the general direction of air flow, or a burner axis is less than or equal to 45 degrees. The explanations given above about the longitudinal axis of the duct and the burner axis apply. Furthermore, this shape of the through-holes in the duct wall reduces protruding structures at the boundary of the through-hole, which considerably facilitates the application of an additive manufacturing process.
En algunos aspectos de la presente divulgación, el quemador puede comprender por lo menos algunos conductos que difieren entre sí en cuanto al diámetro hidráulico mínimo de los conductos. In some aspects of the present disclosure, the burner may comprise at least some conduits that differ from each other in terms of the minimum hydraulic diameter of the conduits.
Todavía en aspectos adicionales, por lo menos un subconjunto de conductos de entre la multitud de conductos están provistos de unos medios de descarga de tipo boquilla dentro del conducto respectivo, por lo que un límite exterior de una boquilla de descarga respectiva proporcionada dentro de un conducto define la sección transversal de flujo residual más próxima entre la boquilla de descarga y la pared interior del conducto. Por lo menos dos conductos de entre el subconjunto de conductos pueden estar provistos de secciones transversales de flujo residual diferentes. Hablando en términos generales, una sección transversal de flujo residual entre una boquilla y una pared de conducto interior representará la sección transversal de flujo más estrecha dentro del conducto, es decir, una sección de dosificación. Así, el flujo másico o flujo volumétrico a través de conductos individuales de dicho subconjunto de conductos puede ajustarse mediante la elección de esta sección transversal de flujo residual. Dichas secciones transversales de flujo residuales de elección intencionada se pueden lograr mediante una elección de las geometrías interactuantes de la boquilla y la pared interior del conducto, es decir, mediante la elección del tamaño y/o la forma. In still further aspects, at least a subset of conduits among the multitude of conduits are provided with a nozzle-like discharge means within the respective conduit, whereby an outer boundary of a respective discharge nozzle provided within a conduit defines the closest residual flow cross-section between the discharge nozzle and the inner wall of the conduit. At least two conduits among the subset of conduits may be provided with different residual flow cross-sections. Generally speaking, a residual flow cross-section between a nozzle and an inner conduit wall will represent the narrowest flow cross-section within the conduit, i.e., a metering section. Thus, the mass flow rate or volumetric flow rate through individual conduits of said subset of conduits may be tuned by choosing this residual flow cross-section. Such intentionally chosen residual flow cross-sections may be achieved by a choice of interacting geometries of the nozzle and the inner wall of the conduit, i.e., by a choice of size and/or shape.
En realizaciones, puede preverse que por lo menos un conducto de entre la multitud de conductos comprenda por lo menos una porción longitudinal de sección transversal ahusada, en donde dentro de una porción longitudinal de sección transversal ahusada el área de sección transversal del por lo menos un conducto se estrecha progresivamente aguas abajo de la dirección general del flujo de aire, o en una dirección desde un extremo de aguas arriba del conducto hacia el extremo de aguas abajo del conducto, respectivamente, desde una primera área de sección transversal a una segunda área de sección transversal menor que la primera área de sección transversal. Dentro de dicho por lo menos un conducto se proporciona una boquilla de descarga y un extremo de aguas abajo de dicha boquilla de descarga, con respecto a la dirección de flujo prevista del conducto y/o la dirección general del flujo de aire, está situado dentro de una porción longitudinal de sección transversal ahusada. Siempre que la boquilla de descarga esté configurada para descargar en el extremo de aguas abajo, o de manera adyacente al extremo de aguas abajo, el fluido de la boquilla de descarga se descarga en un flujo acelerado. Dicha porción longitudinal de sección transversal ahusada, en la que se proporciona el extremo de aguas abajo de dicha boquilla de descarga, puede configurarse de tal manera que el diámetro hidráulico del conducto en la posición donde el conducto tiene la primera área de sección transversal sea 1.12 veces o más y 2.5 veces o menos el diámetro hidráulico del conducto en la posición donde el conducto tiene la segunda área de sección transversal. In embodiments, at least one of the plurality of ducts may be provided to comprise at least one longitudinal portion of tapered cross-section, wherein within a longitudinal portion of tapered cross-section the cross-sectional area of the at least one duct tapers progressively downstream of the general direction of airflow, or in a direction from an upstream end of the duct toward the downstream end of the duct, respectively, from a first cross-sectional area to a second cross-sectional area smaller than the first cross-sectional area. Within said at least one duct, a discharge nozzle is provided, and a downstream end of said discharge nozzle, with respect to the intended flow direction of the duct and/or the general direction of airflow, is located within a longitudinal portion of tapered cross-section. Provided that the discharge nozzle is configured to discharge at the downstream end, or adjacent to the downstream end, fluid from the discharge nozzle is discharged in an accelerated flow. Said longitudinal portion of tapered cross-section, in which the downstream end of said discharge nozzle is provided, may be configured such that the hydraulic diameter of the conduit at the position where the conduit has the first cross-sectional area is 1.12 times or more and 2.5 times or less the hydraulic diameter of the conduit at the position where the conduit has the second cross-sectional area.
Como ejemplo aún más específico, el extremo de aguas abajo de las boquillas puede proporcionarse en diferentes posiciones dentro de las porciones longitudinales de sección transversal ahusada de diferentes conductos, produciendo así diferentes secciones transversales de flujo residual y, por lo tanto, diferentes flujos másicos o volumétricos a través de los diferentes conductos. As an even more specific example, the downstream end of the nozzles may be provided at different positions within the tapered cross-sectional longitudinal portions of different ducts, thereby producing different waste flow cross-sections and therefore different mass or volumetric flow rates through the different ducts.
Puede preverse, en realizaciones no limitativas, que, de entre dos cámaras impelentes de fluido dispuestas aguas arriba de la cámara impelente de fluido de más aguas abajo, la que está dispuesta más aguas arriba esté conectada fluídicamente a través de medios de descarga a un número mayor de conductos que la dispuesta más aguas abajo. Esto puede estar destinado a suministrar a ambas cámaras impelentes de fluido el mismo combustible. In non-limiting embodiments, it may be provided that, of two fluid plenum chambers arranged upstream of the most downstream fluid plenum chamber, the one arranged most upstream is fluidically connected via discharge means to a greater number of conduits than the one arranged most downstream. This may be intended to supply both fluid plenum chambers with the same fuel.
Debe mencionarse que, en principio, una cámara impelente, tal como se define entre dos paredes transversales adyacentes, puede subdividirse en subcámaras impelentes en una dirección a través del eje del quemador, o sobre la sección transversal del quemador, respectivamente. De este modo, el suministro de fluidos a los conductos puede no solo controlarse a lo largo de la dirección general del flujo de aire o el eje del quemador, sino también en torno a la sección transversal del quemador. It should be mentioned that, in principle, a plenum chamber, as defined between two adjacent transverse walls, can be subdivided into subplenums in a direction along the burner axis, or over the burner cross-section, respectively. In this way, the fluid supply to the ducts can be controlled not only along the general airflow direction or the burner axis, but also around the burner cross-section.
En otros aspectos, se pueden proporcionar insertos dentro de por lo menos una de las cámaras impelentes, para mitigar la falta de uniformidad eventual del flujo volumétrico hacia los diversos medios de descarga con los que la cámara impelente está en comunicación fluídica. In other aspects, inserts may be provided within at least one of the plenum chambers to mitigate eventual non-uniformity of volumetric flow to the various discharge means with which the plenum chamber is in fluid communication.
Se da a conocer además una cámara de combustión que comprende un espacio de combustión y que comprende además por lo menos cualquier realización de un quemador según se ha expuesto anteriormente, en donde la segunda pared frontal, de aguas abajo, del quemador está encarada al espacio de combustión y la que está más aguas abajo de las cámaras impelentes de fluido adyacentes a la segunda pared frontal, de aguas abajo, se proporciona en forma de cámara impelente de refrigerante. La cámara impelente de refrigerante puede ser conectable, o estar conectada, a una fuente de aire de refrigeración. En otros aspectos, la cámara impelente de refrigerante puede ser conectable, o estar conectada, a una fuente de un refrigerante alternativo como, por ejemplo, aunque sin carácter limitativo, vapor. Conectable significa en este contexto que existe una línea de conexión o línea de alimentación para la conexión, pero la misma puede estar equipada con un dispositivo de parada y/o control, de modo que no siempre existe necesariamente comunicación fluídica. Further disclosed is a combustion chamber comprising a combustion space and further comprising at least one embodiment of a burner as set forth above, wherein the second front, downstream wall of the burner faces the combustion space and the most downstream of the fluid plenums adjacent the second front, downstream wall is provided in the form of a coolant plenum. The coolant plenum may be connectable to, or connected to, a source of cooling air. In other aspects, the coolant plenum may be connectable to, or connected to, a source of an alternative coolant such as, but not limited to, steam. Connectable means in this context that there is a connecting line or feed line for the connection, but the same may be equipped with a shut-off and/or control device, such that fluid communication is not always necessarily present.
Por lo menos una cámara impelente de fluido puede ser conectable fluídicamente a una fuente de gas combustible. Por lo menos una cámara impelente de fluido puede ser conectable a una fuente de combustible que contiene por lo menos un 50 % en volumen de hidrógeno. Por lo menos una cámara impelente de combustible puede ser conectable a una fuente de un fluido inerte. En particular, se puede observar que es útil el que una cámara impelente sea conectable a una fuente de combustible rico en hidrógeno u otro combustible altamente reactivo, en comparación con el gas natural, si una cámara impelente aguas abajo de la misma es conectable a una fuente de un fluido inerte para mitigar el riesgo de retroceso. At least one fluid plenum may be fluidically connectable to a fuel gas source. At least one fluid plenum may be connectable to a fuel source containing at least 50% hydrogen by volume. At least one fuel plenum may be connectable to a source of an inert fluid. In particular, it may be appreciated that it is useful for a plenum to be connectable to a source of hydrogen-rich fuel or other highly reactive fuel, as compared to natural gas, if a downstream plenum is connectable to a source of an inert fluid to mitigate the risk of flashback.
Por lo menos cámaras impelentes que son conectables a fuentes de fluido combustible pueden proporcionarse también ventajosamente de manera que sean conectables a una fuente de fluido de purga, tal como aire o fluido inerte, para evitar el retroceso a la cámara impelente cuando no se presuriza. At least one plenum chamber that is connectable to a source of fuel fluid may also advantageously be provided so as to be connectable to a source of purge fluid, such as air or inert fluid, to prevent backflow into the plenum chamber when it is not pressurized.
Se da a conocer además un motor de turbina de gas que comprende una cámara de combustión del tipo expuesto anteriormente. Furthermore, a gas turbine engine is disclosed comprising a combustion chamber of the type described above.
Se entiende que las características y realizaciones dadas a conocer anteriormente pueden combinarse entre sí. Se apreciará además que, dentro del alcance de la presente divulgación y la materia en cuestión reivindicada, son concebibles realizaciones adicionales que son obvias y evidentes para el experto en la materia en virtud de la presente divulgación. It is understood that the features and embodiments disclosed above may be combined with one another. It will further be appreciated that, within the scope of this disclosure and the claimed subject matter, additional embodiments are conceivable and are obvious and apparent to one skilled in the art by virtue of this disclosure.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
La materia en cuestión de la presente divulgación se explicará ahora con más detalle mediante realizaciones ejemplificativas seleccionadas que se muestran en los dibujos adjuntos. Las figuras muestran The subject matter of the present disclosure will now be explained in more detail by means of selected exemplary embodiments shown in the accompanying drawings. The figures show
Fig. 1 muestra una realización del quemador aquí dado a conocer en una vista en sección; Fig. 1 shows an embodiment of the burner disclosed herein in a sectional view;
Fig. 2 ilustra unos medios de descarga de tipo boquilla; Fig. 2 illustrates a nozzle type discharge means;
Fig. 3 muestra una segunda realización del quemador aquí dado a conocer en una vista en sección; Fig. 3 shows a second embodiment of the burner disclosed here in a sectional view;
Fig. 4 muestra una tercera realización del quemador aquí dado a conocer en una vista en sección; Fig. 4 shows a third embodiment of the burner disclosed herein in a sectional view;
Fig. 5 muestra una realización del quemador aquí dado a conocer con un cartucho insertado a través de un paso en una vista en sección; Fig. 5 shows an embodiment of the burner disclosed here with a cartridge inserted through a passage in a sectional view;
Fig. 6 muestra una realización del quemador aquí dado a conocer, en donde los conductos tienen diferentes áreas de sección transversal mínima, en una vista en sección; Fig. 6 shows an embodiment of the burner disclosed herein, wherein the ducts have different minimum cross-sectional areas, in a sectional view;
Fig. 7 muestra una realización del quemador aquí dado a conocer, en donde medios de descarga de tipo boquilla se extienden de manera diferente en cuanto a profundidad en secciones ahusadas de los conductos, en una vista en sección; Fig. 7 shows an embodiment of the burner disclosed herein, wherein nozzle-type discharge means extend differently in depth into tapered sections of the ducts, in a sectional view;
Fig. 8 muestra una realización del quemador aquí dado a conocer, en donde dos cámaras impelentes están conectadas a conectores de suministro coaxiales y concéntricos, en una vista en sección; Fig. 8 shows an embodiment of the burner disclosed herein, wherein two plenum chambers are connected to coaxial and concentric supply connectors, in a sectional view;
Fig. 9 ilustra la posible orientación en el sentido de la corriente de medios de descarga; Fig. 9 illustrates the possible flow direction orientation of discharge media;
Fig. 10 ilustra un conducto de un quemador en una vista en sección transversal, en donde los medios de descarga están dispuestos para descargar el fluido desde una cámara impelente con un componente de velocidad tangencial; Fig. 10 illustrates a burner duct in a cross-sectional view, wherein the discharge means are arranged to discharge the fluid from a plenum chamber with a tangential velocity component;
Fig. 11 esboza la disposición de palas en la entrada de un conducto para inducir un flujo de vórtice de aire de combustión dentro del conducto; Fig. 11 outlines the arrangement of blades at the inlet of a duct to induce a vortex flow of combustion air within the duct;
Fig. 12 ilustra las posibles posiciones de descarga longitudinales relativas de unos medios de descarga de tipo boquilla y unos medios de descarga de tipo abertura en pared; Fig. 12 illustrates the possible relative longitudinal discharge positions of a nozzle type discharge means and a wall opening type discharge means;
Fig. 13 esboza la disposición hexagonal de pasos y conductos y/o boquillas de combustible de cartuchos en realizaciones del quemador aquí dado a conocer; Fig. 13 outlines the hexagonal arrangement of passages and fuel ducts and/or nozzles of cartridges in embodiments of the burner disclosed herein;
Fig. 14 ilustra posibles disposiciones de conductos de pilotaje, boquillas o cartuchos de combustión de combustible líquido, boquillas o cartuchos de inyección de vapor o agua y similares con respecto a una disposición de pasos en general hexagonal; Fig. 14 illustrates possible arrangements of pilot ducts, liquid fuel combustion nozzles or cartridges, steam or water injection nozzles or cartridges and the like with respect to a generally hexagonal passage arrangement;
Fig. 15 ilustra pasos oblicuos para inducir un vórtice macroscópico aguas abajo del quemador; Fig. 15 illustrates oblique steps to induce a macroscopic vortex downstream of the burner;
Fig. 16 muestra una realización del quemador aquí dado a conocer con descarga de refrigerante en los conductos en una vista en sección; Fig. 16 shows an embodiment of the burner disclosed here with coolant discharge into the ducts in a sectional view;
Fig. 17 ilustra una abertura de pared elíptica ejemplificativa en una pared de conducto; Fig. 17 illustrates an exemplary elliptical wall opening in a duct wall;
Fig. 18 ilustra una abertura de pared poligonal ejemplificativa en una pared de conducto; y Fig. 18 illustrates an exemplary polygonal wall opening in a duct wall; and
Fig. 19 esboza detalles geométricos de la abertura de pared poligonal de la fig. 18. Fig. 19 outlines geometric details of the polygonal wall opening in Fig. 18.
Se entiende que los dibujos son muy esquemáticos, y se pueden haber omitido detalles no requeridos con fines didácticos para facilitar la comprensión y las representaciones. Se entiende además que los dibujos muestran solo realizaciones ilustrativas seleccionadas, y dentro del alcance de la materia en cuestión aquí dada a conocer y/o reivindicada pueden situarse claramente, sin embargo, realizaciones no mostradas . It is understood that the drawings are highly schematic, and unnecessary details may have been omitted for educational purposes to facilitate understanding and representation. It is further understood that the drawings show only selected illustrative embodiments, and that embodiments not shown may nevertheless be clearly placed within the scope of the subject matter disclosed and/or claimed herein.
Modos ejemplificativos de llevar a cabo la enseñanza de la presente divulgaciónExemplary ways of carrying out the teaching of this disclosure
La figura 1 muestra una realización ejemplificativa de un quemador 1. El quemador puede ser particularmente adecuado para la combustión de hidrógeno o combustibles ricos en hidrógeno y otros, en comparación con el gas natural, combustibles altamente reactivos, aunque no se limita a esta aplicación. El quemador 1 comprende una pared frontal 11 de aguas arriba y una pared frontal 12 de aguas abajo. En un lado 2 de aguas arriba del quemador 1 puede estar situada una cámara impelente de aire de combustión. En el lado 3 de aguas abajo se pretende disponer el espacio de combustión. La cámara impelente de aire de combustión puede proporcionarse, como ejemplo no limitativo, de manera que se le suministre aire comprimido desde el compresor de un motor de turbina de gas, mientras que el espacio de combustión puede disponerse para descargar en la turbina de expansión de un motor de turbina de gas. Además, como se ha indicado anteriormente, "aire" debe entenderse como representativo de cualquier agente de oxidación, o fluido que comprenda un agente de oxidación, que sea adecuado para la combustión de un combustible, y dicho agente de oxidación o fluido que comprende un agente de oxidación es conocido en general para un experto, aunque para facilitar la descripción se usa aire como ejemplo común representativo de agentes de oxidación genéricos o fluidos adecuados que contienen agentes de oxidación. Se define una dirección general del flujo de aire desde la pared 11 de aguas arriba hasta la pared 12 de aguas abajo. Las paredes divisorias 21,22 y 23 están interpuestas entre la pared frontal 11 de aguas arriba y la pared frontal 12 de aguas abajo y se extienden cruzando la dirección general del flujo de aire. A las paredes frontales 11 y 12 y a las paredes divisorias 21,22 y 23 se les puede hacer referencia genéricamente como paredes transversales, ya que se extienden transversalmente a o cruzando la dirección general del flujo de aire del quemador. Un espacio entre la pared frontal 11 de aguas arriba y la pared frontal 12 de aguas abajo está dividido en cuatro cámaras impelentes por las paredes divisorias, a saber, la cámara impelente 31 de más aguas arriba entre la pared frontal 11 de aguas arriba y la pared divisoria 21, la cámara impelente 32 entre las paredes divisorias 21 y 22, la cámara impelente 35 entre las paredes divisorias 22 y 23 y la cámara impelente 33 de más aguas abajo entre la pared divisoria 23 y la pared frontal 12 de aguas abajo. La pared lateral 28 confina además las cámaras impelentes 31 y 32, mientras que la pared lateral 29 confina la cámara impelente 33 de más aguas abajo. La cámara impelente 35, por el contrario, no está confinada por una pared lateral y, así, está en comunicación fluídica directa con fluido proporcionado en los lados del quemador 1, que en los casos más comunes, aunque no limitativos, es idéntico al fluido en el lado 2 de aguas arriba del quemador 1. A las cámaras impelentes 31,32 y 33 se les puede hacer referencia, así, como cámaras impelentes cerradas, que requieren una línea de suministro para que se les suministre un fluido, mientras que a la cámara impelente 35 se le hace referencia como cámara impelente abierta a la que se le puede suministrar fluido a través de lados laterales abiertos. La cámara impelente 35 podría estar en comunicación fluídica directa con una cámara impelente de aire de combustión dentro de la cual está instalado el quemador. Figure 1 shows an exemplary embodiment of a burner 1. The burner may be particularly suitable for the combustion of hydrogen or hydrogen-rich fuels and other, highly reactive fuels compared to natural gas, although it is not limited to this application. The burner 1 comprises an upstream front wall 11 and a downstream front wall 12. A combustion air plenum may be located on an upstream side 2 of the burner 1. The combustion space is intended to be provided on the downstream side 3. The combustion air plenum may be provided, as a non-limiting example, such that compressed air is supplied to it from the compressor of a gas turbine engine, while the combustion space may be arranged to discharge into the expansion turbine of a gas turbine engine. Furthermore, as indicated above, "air" should be understood as representative of any oxidizing agent, or fluid comprising an oxidizing agent, that is suitable for the combustion of a fuel, and such oxidizing agent or fluid comprising an oxidizing agent is generally known to one of skill in the art, although for ease of description, air is used as a common example representative of generic oxidizing agents or suitable fluids containing oxidizing agents. A general direction of air flow is defined from the upstream wall 11 to the downstream wall 12. Partition walls 21, 22, and 23 are interposed between the upstream front wall 11 and the downstream front wall 12 and extend across the general direction of air flow. The front walls 11 and 12 and the partition walls 21, 22, and 23 may be generically referred to as cross walls since they extend transversely to or across the general direction of burner air flow. A space between the upstream front wall 11 and the downstream front wall 12 is divided into four plenums by the dividing walls, namely the upstream plenum 31 between the upstream front wall 11 and the dividing wall 21, the plenum 32 between the dividing walls 21 and 22, the plenum 35 between the dividing walls 22 and 23 and the downstream plenum 33 between the dividing wall 23 and the downstream front wall 12. The side wall 28 further confines the plenums 31 and 32, while the side wall 29 confines the downstream plenum 33. The plenum 35, on the other hand, is not confined by a side wall and is thus in direct fluid communication with fluid provided on the sides of the burner 1, which in most common, but not limited to, cases is identical to the fluid on the upstream side 2 of the burner 1. The plenums 31, 32 and 33 may thus be referred to as closed plenums, which require a supply line to be supplied with fluid, while the plenum 35 is referred to as an open plenum which may be supplied with fluid through open side walls. The plenum 35 may be in direct fluid communication with a combustion air plenum within which the burner is installed.
La cámara impelente 33 de más aguas abajo se usa preferiblemente como cámara impelente de refrigerante con el fin de refrigerar la pared frontal 12 de aguas abajo que está expuesta al calor de un espacio de combustión en el lado 3 de aguas abajo del quemador 1. La cámara impelente 33 es alimentada desde una fuente de suministro de refrigerante a través de conectores 331 de alimentación de refrigerante, por lo que generalmente un flujo de aire derivado del aire de combustión puede ser usado para fines de refrigeración. También se puede aplicar vapor o cualquier otro fluido de refrigeración adecuado. Puede estar previsto que la cámara impelente 33 de refrigerante no esté confinada por una pared lateral y, por lo tanto, esté configurada como cámara impelente abierta y pueda colocarse dentro de una cámara impelente de aire más grande de la cámara de combustión, de tal manera que el aire de refrigeración pueda fluir hacia la cámara impelente 33 de aire de refrigeración desde toda la circunferencia de la misma. Esto también puede conseguirse en la medida en que la pared lateral 29 de la cámara impelente 33 esté perforada. A la cámara impelente 31 se le puede suministrar un fluido a través del conector 311 de suministro que se une a la cámara impelente 31 desde el lado de aguas arriba del quemador. A la cámara impelente 32 se le puede proporcionar el suministro a través de un conector 321 de suministro de fluido que se extiende desde el lado de aguas arriba del quemador y a través de la cámara impelente 31. Como se apreciará en virtud de la figura 1, las paredes transversales 11,21, 22, 23 y 12 están provistas de múltiples conjuntos de aberturas alineadas, de tal manera que se forman pasos 40, de los que solamente algunos están designados por números de referencia, y los mismos se extienden a través del quemador 1 desde el lado 2 de aguas arriba al lado 3 de aguas abajo. A través de los pasos 40, a través de las paredes transversales 11, 21, 22, 23 y 12 y a través de las cámaras impelentes 31, 32, 35 y 33 se extienden conductos 41, 42 y 45. Las paredes de los conductos se proporcionan de manera que son a prueba de fugas de gases con respecto a las paredes transversales. Cabe señalar que, en ciertas realizaciones, los conductos están unidos sin costuras con las paredes transversales, en la medida en que las paredes de los conductos y las paredes transversales están fabricadas en una sola pieza monolítica. Esto puede conseguirse mediante fabricación aditiva, aunque puede aplicarse cualquier método de fabricación adecuado para fabricar el quemador 1. Los conductos 41,42 y 45 proporcionan comunicación fluídica desde el lado 2 de aguas arriba al lado 3 de aguas abajo del quemador a lo largo de sus direcciones longitudinales. Durante su funcionamiento, fluye aire de combustión a través de los conductos 41,42 y 45 desde la cámara impelente de aire de combustión de un aparato de combustión, o el lado 2 de aguas arriba del quemador 1, hasta el espacio de combustión, o el lado 3 de aguas abajo del quemador 1. A través de las paredes de los conductos se proporcionan orificios pasantes 51, solo algunos de los cuales se designan con números de referencia, y los mismos proporcionan comunicación fluídica entre la cámara impelente 31 y los conductos 41 y 45. Los orificios pasantes 51 son medios de descarga para descargar un fluido desde la cámara impelente 31 en los conductos 41 y 45. Los orificios pasantes 52 se proporcionan a través de paredes de conducto correspondientes a los conductos 45 y proporcionan comunicación fluídica entre la cámara impelente 32 y los conductos 45. De manera adicional, el conducto 42 está aislado fluídicamente de la cámara impelente 31, y está conectado fluídicamente a la cámara impelente 32 por unos medios de descarga que son una boquilla 62 suspendida dentro del conducto 42. Se observa que el quemador aquí propuesto no se limita solamente a un único conducto del tipo conducto 42, que está conectado fluídicamente a solo una cámara impelente a través de unos medios 62 de descarga de tipo boquilla. The most downstream plenum 33 is preferably used as a coolant plenum for cooling the downstream front wall 12, which is exposed to the heat of a combustion space on the downstream side 3 of the burner 1. The plenum 33 is fed from a coolant supply source via coolant feed connectors 331, whereby generally an air flow derived from the combustion air can be used for cooling purposes. Steam or any other suitable cooling fluid can also be applied. It may be provided that the coolant plenum 33 is not confined by a side wall and is therefore configured as an open plenum and can be placed within a larger air plenum of the combustion chamber, such that cooling air can flow into the cooling air plenum 33 from the entire circumference thereof. This may also be achieved to the extent that the side wall 29 of the plenum chamber 33 is perforated. The plenum chamber 31 may be supplied with fluid via a supply connector 311 which joins the plenum chamber 31 from the upstream side of the burner. The plenum chamber 32 may be supplied with fluid via a fluid supply connector 321 which extends from the upstream side of the burner and through the plenum chamber 31. As will be appreciated from Figure 1, the cross walls 11, 21, 22, 23 and 12 are provided with multiple sets of aligned openings such that passages 40 are formed, only some of which are designated by reference numerals, and which extend through the burner 1 from the upstream side 2 to the downstream side 3. Through passages 40, through cross walls 11, 21, 22, 23 and 12 and through plenum chambers 31, 32, 35 and 33 extend conduits 41, 42 and 45. The walls of the conduits are provided so as to be gas-tight with respect to the cross walls. It should be noted that, in certain embodiments, the conduits are seamlessly joined with the cross walls, insofar as the conduit walls and the cross walls are manufactured in a single monolithic piece. This may be achieved by additive manufacturing, although any suitable manufacturing method for manufacturing the burner 1 may be applied. Conduits 41, 42 and 45 provide fluid communication from the upstream side 2 to the downstream side 3 of the burner along their longitudinal directions. In operation, combustion air flows through conduits 41, 42, and 45 from the combustion air plenum of a combustion apparatus, or the upstream side 2 of the burner 1, to the combustion space, or the downstream side 3 of the burner 1. Through holes 51 are provided through the walls of the ducts, only some of which are designated by reference numerals, and they provide fluid communication between the plenum 31 and the conduits 41 and 45. The through holes 51 are discharge means for discharging a fluid from the plenum 31 into the conduits 41 and 45. The through holes 52 are provided through duct walls corresponding to the conduits 45 and provide fluid communication between the plenum 32 and the conduits 45. Additionally, the duct 42 is fluidically isolated from the plenum 31, and is fluidically connected to the plenum chamber 32 by a discharge means being a nozzle 62 suspended within the conduit 42. It is noted that the burner proposed here is not limited to only a single conduit of the conduit type 42, which is fluidically connected to only one plenum chamber through a nozzle type discharge means 62.
En la figura 2 se muestran unos medios de descarga de tipo boquilla que comprenden una boquilla 62 suspendida dentro de un conducto 42. La boquilla 62 está suspendida dentro del conducto 42 por tubos 132, que proporcionan una conexión mecánica entre la boquilla y la pared del conducto. Los tubos 132 proporcionan comunicación fluídica entre la boquilla 62 y la cámara impelente 32. Aunque se muestran, o son visibles, dos tubos 132 de suspensión respectivamente, en la realización ejemplificativa, se entiende que se podrían disponer más tubos de suspensión, mientras que en otras realizaciones solo se puede proporcionar un único tubo de suspensión. El tubo de suspensión o los tubos de suspensión también pueden complementarse con puntales de suspensión, que proporcionan fijación mecánica a la pared del conducto, pero, por lo demás, no sirven para suministrar fluido a la boquilla. La boquilla, en la realización mostrada, está dispuesta coaxial con el eje 451 del conducto 42 y se proporcionada centrada dentro del conducto. La boquilla está provista de una abertura en una cara frontal de la boquilla que está aguas abajo con respecto al flujo de aire 4 de combustión a través del conducto 42. Así, se puede inyectar fluido procedente de la cámara impelente 32 en el flujo de aire 4 de combustión en el extremo de aguas abajo de la boquilla 62. El semiángulo a de inyección puede ser de 30 grados o menos. En realizaciones, sin embargo, la descarga desde la boquilla puede efectuarse a través de aberturas de descarga dispuestas de manera diferente. En otras realizaciones adicionales, la boquilla 62 puede estar equipada con un atomizador de agente líquido. 2 shows a nozzle-type discharge means comprising a nozzle 62 suspended within a conduit 42. The nozzle 62 is suspended within the conduit 42 by tubes 132, which provide a mechanical connection between the nozzle and the conduit wall. The tubes 132 provide fluid communication between the nozzle 62 and the plenum chamber 32. Although two suspension tubes 132 are shown, or are visible, respectively, in the exemplary embodiment, it is understood that more suspension tubes could be provided, while in other embodiments only a single suspension tube may be provided. The suspension tube(s) may also be supplemented by suspension struts, which provide mechanical fixation to the conduit wall, but otherwise do not serve to deliver fluid to the nozzle. The nozzle, in the embodiment shown, is arranged coaxial with the axis 451 of the conduit 42 and is provided centered within the conduit. The nozzle is provided with an opening in a front face of the nozzle that is downstream of the combustion air flow 4 through the conduit 42. Thus, fluid from the plenum chamber 32 may be injected into the combustion air flow 4 at the downstream end of the nozzle 62. The injection semi-angle α may be 30 degrees or less. In embodiments, however, discharge from the nozzle may be through differently arranged discharge openings. In still other embodiments, the nozzle 62 may be equipped with a liquid agent atomizer.
Se apreciará que la inyección de un fluido en un conducto a través de una boquilla 62 produce características diferentes a la descarga a través de aberturas en la pared del conducto. Por ejemplo, la boquilla 62 descarga un fluido en un flujo de núcleo a través del conducto 42 en lugar de en una capa límite en la pared del conducto, como ocurre con las aberturas de descarga en la pared del conducto. En otro de los aspectos, la penetración de fluido descargado en un conducto a través de una abertura de pared puede variar fuertemente dependiendo de la presión diferencial entre el conducto respectivo y la cámara impelente de fluido, y así, puede depender del flujo másico o flujo volumétrico de fluido descargado. El fluido descargado desde las aberturas 51 y 52 de pared en la figura 1 puede penetrar a una profundidad diferente en el flujo axial a través de un conducto dependiendo del flujo másico o flujo volumétrico de fluido descargado. Como se apreciará, no ocurre así si se descarga un fluido desde la cámara impelente 32 a través de la boquilla 62 en la realización de la figura 2. Sin embargo, si el fluido se descarga desde la boquilla 62 con un momento comparativamente alto - es decir, un flujo volumétrico alto - y con un ángulo de conicidad bajo, podría darse el caso de que una ráfaga de fluido relativamente no mezclado se desplace aguas abajo del conducto, mientras que, si el fluido se descarga desde las aberturas 51, 52 de pared con un momento comparativamente alto - es decir, un flujo volumétrico alto -penetrará más profundamente en el flujo axial y en algunos casos puede mezclarse más intensamente que con flujos volumétricos bajos. Además, como se apreciará, la posición de descarga desde una abertura de pared está acoplada a la posición de la cámara impelente respectiva, mientras que una boquilla 62 puede extenderse más aguas abajo, o también aguas arriba, dentro del conducto y permitir que el fluido de una cámara impelente se descargue en el conducto en alejamiento con respecto a la posición de la cámara impelente de la que procede el fluido. Además, una boquilla dentro de un conducto da como resultado una constricción de la sección transversal del flujo a través del conducto, y puede por tanto producir remolinos aguas abajo, que pueden fomentar la mezcla del fluido descargado con el flujo axial de, por ejemplo, aire de combustión a través del conducto. Así, proporcionar medios de descarga desde cámaras impelentes a conductos en un quemador del tipo esbozado anteriormente puede dar como resultado excelentes resultados cuando se combinan adecuadamente ambos tipos de medios de descarga en conductos diferentes, a una distancia diferente de los extremos de aguas abajo de los conductos. La velocidad absoluta o momento del fluido al descargarse desde los medios de descarga puede tener, por otra parte, un impacto significativo en el comportamiento de premezclado, como apreciará fácilmente un experto en la técnica. It will be appreciated that injection of a fluid into a conduit through a nozzle 62 produces different characteristics than discharge through openings in the duct wall. For example, nozzle 62 discharges a fluid in a core flow through conduit 42 rather than into a boundary layer in the duct wall, as occurs with discharge openings in the duct wall. In another aspect, the penetration of fluid discharged into a conduit through a wall opening may vary greatly depending on the differential pressure between the respective conduit and the fluid plenum, and thus, may depend on the mass flow rate or volumetric flow rate of discharged fluid. Fluid discharged from wall openings 51 and 52 in Figure 1 may penetrate to a different depth in axial flow through a conduit depending on the mass flow rate or volumetric flow rate of discharged fluid. As will be appreciated, this is not the case if a fluid is discharged from the plenum chamber 32 through the nozzle 62 in the embodiment of Figure 2. However, if the fluid is discharged from the nozzle 62 with a comparatively high momentum - i.e. a high volumetric flow rate - and at a low taper angle, it may be the case that a burst of relatively unmixed fluid travels downstream of the conduit, whereas if the fluid is discharged from the wall openings 51, 52 with a comparatively high momentum - i.e. a high volumetric flow rate - it will penetrate more deeply into the axial flow and in some cases may mix more intensely than at low volumetric flow rates. Furthermore, as will be appreciated, the discharge position from a wall opening is coupled to the position of the respective plenum chamber, whereas a nozzle 62 may extend further downstream, or also upstream, within the conduit and allow fluid from one plenum chamber to be discharged into the conduit away from the position of the plenum chamber from which the fluid originates. Furthermore, a nozzle within a conduit results in a constriction of the flow cross-section through the conduit, and may therefore produce downstream eddies, which may encourage mixing of the discharged fluid with the axial flow of, for example, combustion air through the conduit. Thus, providing discharge means from plenum chambers to conduits in a burner of the type outlined above can result in excellent results when both types of discharge means are suitably combined in different conduits, at a different distance from the downstream ends of the conduits. The absolute velocity or momentum of the fluid as it is discharged from the discharge means can, on the other hand, have a significant impact on the premixing behavior, as will be readily appreciated by one skilled in the art.
Se observa que se puede proporcionar más de una cámara impelente de fluido en comunicación fluídica con un conducto a través de medios de descarga de tipo boquilla, del tipo como los medios 62 de descarga mostrados en la figura 1, y que se puede proporcionar más de unos medios de descarga de tipo boquilla dentro de un conducto. Asimismo, más de una cámara impelente de fluido puede estar conectada fluídicamente a uno o más conductos a través de medios de descarga de tipo boquilla, y uno o más conductos pueden estar conectados fluídicamente a una o más cámaras impelentes a través de medios de descarga de tipo boquilla. It is noted that more than one fluid plenum may be provided in fluidic communication with a conduit via nozzle-type discharge means, of the type such as discharge means 62 shown in Figure 1, and that more than one nozzle-type discharge means may be provided within a conduit. Likewise, more than one fluid plenum may be fluidically connected to one or more conduits via nozzle-type discharge means, and one or more conduits may be fluidically connected to one or more plenums via nozzle-type discharge means.
Haciendo referencia de nuevo a la figura 1, se apreciará además que el fluido descargado desde la cámara impelente 31 de fluido a través de aberturas 51 de pared a los conductos 41 y 45 se desplaza por una distancia mayor dentro de los conductos antes de descargarse en el lado 3 de aguas abajo del quemador 1 en comparación con el fluido descargado a través de los medios de descarga 52 y 62. Si, por ejemplo, el mismo tipo de combustible, como ejemplo más específico, combustible gaseoso, se suministra a ambas cámaras impelentes 31 y 32, el fluido proporcionado a través de la cámara impelente 32 y descargado en un conducto en una ubicación relativamente aguas abajo puede premezclarse menos intensamente dentro de un conducto que combustible descargado en un conducto en una ubicación relativamente aguas arriba. Como ejemplo -dependiendo de otros parámetros del quemador y del combustible - el combustible descargado desde la cámara impelente 32 puede prestar soporte, mediante una combustión relativamente de tipo difusión en el espacio 3 de aguas abajo, a la combustión del combustible premezclado más intensamente de la cámara impelente 31. Esto puede ser importante en particular a bajas relaciones de combustible/aire globales subestequiométricas, que podrían dar como resultado la extinción de una llama completamente premezclada. Dependiendo de los requisitos particulares, todos o solo algunos de los conductos pueden estar equipados con medios de descarga destinados a suministrar combustible para la combustión de una mezcla de combustible/aire premezclada intensamente, es decir, situados relativamente aguas arriba en el conducto. Asimismo, todos o solo algunos de los conductos pueden estar equipados con medios de descarga destinados a suministrar combustible para una combustión más de tipo difusión, es decir, situados relativamente aguas abajo en el conducto. Como se ve en la figura 1, algunos conductos pueden estar destinados solamente a un suministro de combustible relativamente alejado aguas arriba, o de tipo premezcla, mientras que otros pueden estar destinados solamente a un suministro de combustible relativamente alejado aguas abajo, o de tipo difusión, mientras que otros conductos pueden estar equipados todavía con medios de descarga para ambos suministros. Se observa que el flujo másico de combustible a través de las cámaras impelentes 31 y 32 puede controlarse a través de medios de control proporcionados aguas arriba de los conectores 311 y 321 de suministro de fluido. Aunque los medios de control no se muestran, los expertos están familiarizados con ellos. El flujo másico de combustible hacia las cámaras impelentes 31 y 32 puede controlarse así individualmente, y así la relación entre el flujo másico o combustible descargado en los conductos relativamente aguas arriba y relativamente aguas abajo puede controlarse individualmente. En otras realizaciones, sin embargo, se pueden proporcionar medios de descarga en comunicación fluídica con una misma cámara impelente y configurados para descargar fluido desde la cámara impelente en un mismo conducto o en conductos diferentes, o una combinación de los mismos, a diferentes distancias del extremo de aguas abajo de un conducto, lo que da como resultado una relación de flujo másico fija de fluidos mezclados de manera diferente en el extremo de aguas abajo de los conductos. Referring again to Figure 1, it will be further appreciated that fluid discharged from fluid plenum 31 through wall openings 51 into conduits 41 and 45 travels a greater distance within the conduits before being discharged at the downstream side 3 of burner 1 as compared to fluid discharged through discharge means 52 and 62. If, for example, the same type of fuel, as a more specific example, gaseous fuel, is supplied to both plenums 31 and 32, fluid provided through plenum 32 and discharged into a conduit at a relatively downstream location may be less intensively premixed within a conduit than fuel discharged into a conduit at a relatively upstream location. As an example—depending on other burner and fuel parameters—the fuel discharged from the plenum 32 may support, by means of relatively diffusion-type combustion in the downstream space 3, the combustion of the more intensely premixed fuel in the plenum 31. This may be important in particular at low, sub-stoichiometric overall fuel/air ratios, which could result in the extinction of a completely premixed flame. Depending on the particular requirements, all or only some of the ducts may be equipped with discharge means for supplying fuel for the combustion of an intensely premixed fuel/air mixture, i.e., located relatively upstream in the duct. Likewise, all or only some of the ducts may be equipped with discharge means for supplying fuel for more diffusion-type combustion, i.e., located relatively downstream in the duct. As seen in Figure 1, some conduits may be intended only for a relatively distant upstream, or premix type, fuel supply, while others may be intended only for a relatively distant downstream, or diffusion type, fuel supply, while still other conduits may be equipped with discharge means for both supplies. It is noted that the mass flow of fuel through the plenum chambers 31 and 32 may be controlled through control means provided upstream of the fluid supply connectors 311 and 321. Although the control means are not shown, they are familiar to those skilled in the art. The mass flow of fuel into the plenum chambers 31 and 32 may thus be individually controlled, and thus the ratio between the mass flow or fuel discharged into the relatively upstream and relatively downstream conduits may be individually controlled. In other embodiments, however, discharge means may be provided in fluid communication with a single plenum chamber and configured to discharge fluid from the plenum chamber into the same or different conduits, or a combination thereof, at different distances from the downstream end of a conduit, resulting in a fixed mass flow ratio of differently mixed fluids at the downstream end of the conduits.
La cámara impelente 33 de refrigerante dispuesta más aguas abajo está aislada fluídicamente de los conductos y descarga el refrigerante a través de orificios 121 de refrigeración por efusión en la pared frontal de aguas abajo y en el espacio 3 de aguas abajo, es decir, en el espacio de combustión, efectuando así la refrigeración de la pared frontal 12 de aguas abajo. The coolant plenum chamber 33 arranged further downstream is fluidically isolated from the ducts and discharges the coolant through effusion cooling holes 121 in the downstream end wall and into the downstream space 3, i.e. into the combustion space, thereby effecting cooling of the downstream end wall 12.
En la realización de la figura 1, se muestra que los conductos son ligeramente divergentes en sus extremos de aguas abajo. Tal salida acampanada de los conductos puede ser útil para reducir la velocidad de salida del flujo desde un conducto y, por lo tanto, reducir el riesgo de desprendimiento de llama de las llamas de microchorro y, por lo tanto, garantizar la estabilización de las llamas de microchorro. Sin embargo, la forma de los conductos en el extremo de aguas abajo podría elegirse según sea necesario para cumplir requisitos, por ejemplo, en cuanto a la velocidad del flujo de gas que proviene de un conducto hacia el espacio 3 de aguas abajo. El extremo de aguas arriba del conducto puede ser en algunos casos redondeado o en forma de trompeta para reducir las pérdidas de presión. In the embodiment of Figure 1, the ducts are shown to be slightly divergent at their downstream ends. Such a flared outlet of the ducts may be useful for reducing the exit velocity of the flow from a duct and thus reducing the risk of flame detachment from the microjet flames and thus ensuring stabilization of the microjet flames. However, the shape of the ducts at the downstream end could be chosen as needed to meet requirements, for example, regarding the velocity of the gas flow coming from a duct into the downstream space 3. The upstream end of the duct may in some cases be rounded or trumpet-shaped to reduce pressure losses.
El dispositivo mostrado en la figura 3 difiere de la realización de la figura 1 principalmente en que comprende conductos 43 que están equipados con medios 51 de descarga de tipo abertura en pared que conectan fluídicamente conductos 43 a la cámara impelente 31 de aguas arriba, al tiempo que están equipados además con medios 62 de descarga de tipo boquilla que conectan fluídicamente conductos 43 con la cámara 32 impelente aguas abajo de la posición de los medios 51 de descarga de tipo abertura en pared. The device shown in Figure 3 differs from the embodiment of Figure 1 mainly in that it comprises conduits 43 which are equipped with wall-opening type discharge means 51 fluidically connecting conduits 43 to the upstream plenum chamber 31, while being further equipped with nozzle type discharge means 62 fluidically connecting conduits 43 with the plenum chamber 32 downstream of the position of the wall-opening type discharge means 51.
Debe observarse que un conducto también puede estar equipado con más de unos medios de descarga de tipo boquilla, que pueden estar configurados además para descargar en el conducto en diferentes posiciones longitudinales del conducto. Dos medios de descarga de tipo boquilla proporcionados en un mismo conducto pueden estar además conectados fluídicamente a una misma cámara impelente de fluido o a diferentes cámaras impelentes de fluido. Se observa además que en el marco del presente documento una posición longitudinal o de aguas arriba-aguas abajo dentro de un conducto, o cualquier otra referencia a una posición longitudinal dentro de un conducto, generalmente se referencia y mide desde el extremo de aguas abajo del conducto respectivo, adyacente a la placa 12 de aguas abajo. Dicha dimensión define la distancia para mezclar fluidos dentro de un conducto antes de descargar fluido en un espacio de combustión y, así, es un parámetro pertinente para un conducto del quemador. Las dimensiones longitudinales dentro de un conducto pueden expresarse además en múltiplos del diámetro hidráulico mínimo de un conducto a lo largo de su extensión longitudinal, en donde el diámetro hidráulico se determina como cuatro veces el área de sección transversal local dividida por la circunferencia de una pared que rodea dicha área de sección transversal. It should be noted that a duct may also be equipped with more than one nozzle-type discharge means, which may further be configured to discharge into the duct at different longitudinal positions of the duct. Two nozzle-type discharge means provided in the same duct may further be fluidically connected to the same fluid plenum or to different fluid plenums. It is further noted that for the purposes of this document, a longitudinal or upstream-downstream position within a duct, or any other reference to a longitudinal position within a duct, is generally referenced and measured from the downstream end of the respective duct, adjacent to the downstream plate 12. Such a dimension defines the distance for mixing fluids within a duct before discharging fluid into a combustion space and is thus a relevant parameter for a burner duct. Longitudinal dimensions within a conduit may further be expressed in multiples of the minimum hydraulic diameter of a conduit along its longitudinal extent, where the hydraulic diameter is determined as four times the local cross-sectional area divided by the circumference of a wall surrounding that cross-sectional area.
El quemador 1 mostrado en forma de otra realización ejemplificativa en la figura 4 comprende conductos 48 y 49 que están configurados como conductos de pilotaje dedicados y que se caracterizan por que la posición de una ubicación de descarga de aguas abajo en los conductos 48, 49 desde una cámara impelente diferente de la cámara impelente 33 de más aguas abajo, en donde dicha cámara impelente de más aguas abajo está configurada como cámara impelente de refrigerante, se proporciona de manera que es 5 veces ó menos el diámetro hidráulico mínimo del conducto respectivo aguas arriba del extremo de aguas abajo del conducto. Esto está tan próximo al extremo de aguas abajo del conducto respectivo que el combustible descargado desde cualquiera de los medios 54 de descarga de tipo abertura en pared previstos en los conductos 48 ó desde los medios 65 de descarga de tipo boquilla previstos en el conducto 49 de pilotaje, saldrá del conducto al espacio de combustión o espacio 3 de aguas abajo virtualmente sin mezclarse con el aire de combustión que fluye a través del conducto respectivo y, así, producirá una llama significativamente de tipo difusión en la salida del conducto. Como se ha esbozado anteriormente, tales llamas producen una mayor formación de óxido de nitrógeno, pero por otro lado una robustez superior de la combustión. Dichas llamas piloto significativas pueden prestar soporte a la combustión de combustible descargado en los conductos 41, 48 y 49 relativamente más aguas arriba en los conductos a través de los medios 51 de descarga, y así premezclarse intensamente cuando salen de los conductos, en particular a bajas relaciones de combustible/aire. En la realización ejemplificativa mostrada, cada uno de los medios de descarga de pilotaje, situados a menos de cinco diámetros hidráulicos mínimos aguas arriba del extremo de aguas abajo del conducto respectivo, se proporcionan en un conducto que también comprende unos medios 51 de descarga de aguas arriba. Esto no es necesariamente así. Un conducto de pilotaje también puede proporcionarse en forma de un conducto de pilotaje autónomo que no tiene otros medios de descarga aguas arriba de los medios de descarga de pilotaje. Sin embargo, la distribución de los medios de descarga de más aguas arriba en tantos conductos como sea posible puede producir ventajas en la medida en que un flujo másico de combustible dado a través de estos medios de descarga de aguas arriba puede distribuirse en una fracción máxima del aire de combustión, lo que da como resultado buenas condiciones para reducir emisiones de óxidos de nitrógeno cuando el quemador se hace funcionar con altas cargas, es decir, con una relación global de combustible/aire comparativamente alta. The burner 1 shown in the form of another exemplary embodiment in Figure 4 comprises conduits 48 and 49 which are configured as dedicated pilot conduits and which are characterized in that the position of a downstream discharge location in the conduits 48, 49 from a plenum different from the most downstream plenum 33, wherein said most downstream plenum is configured as a coolant plenum, is provided so as to be 5 times or less the minimum hydraulic diameter of the respective conduit upstream of the downstream end of the conduit. This is so close to the downstream end of the respective conduit that fuel discharged from either of the wall-opening type discharge means 54 provided in the conduits 48 or from the nozzle type discharge means 65 provided in the pilot conduit 49 will exit the conduit into the downstream combustion space or space 3 virtually unmixed with the combustion air flowing through the respective conduit and will thus produce a substantially diffusion type flame at the exit of the conduit. As outlined above, such flames produce greater nitrogen oxide formation, but on the other hand superior combustion robustness. Such substantial pilot flames can support the combustion of fuel discharged into the conduits 41, 48 and 49 relatively further upstream in the conduits via the discharge means 51, and thus become heavily premixed as they exit the conduits, particularly at low fuel/air ratios. In the exemplary embodiment shown, each of the pilot discharge means, located less than five minimum hydraulic diameters upstream of the downstream end of the respective conduit, is provided in a conduit which also comprises upstream discharge means 51. This is not necessarily the case. A pilot conduit may also be provided in the form of a self-contained pilot conduit having no other discharge means upstream of the pilot discharge means. However, distributing the more upstream discharge means into as many conduits as possible may produce advantages insofar as a given fuel mass flow through these upstream discharge means can be distributed into a maximum fraction of the combustion air, resulting in good conditions for reducing nitrogen oxide emissions when the burner is operated at high loads, i.e. with a comparatively high overall fuel/air ratio.
El experto apreciará fácilmente, a la luz de la presente descripción, que el quemador aquí dado a conocer no se limita a estar provisto de tres cámaras impelentes, sino que, más generalmente, puede estar provisto de manera útil de un número indeterminado de cámaras impelentes tal como dos o superior. Por ejemplo, el quemador mostrado en la figura 1 puede complementarse con dos cámaras impelentes adicionales que están conectadas simplemente de manera respectiva a conductos a través de medios de descarga relativamente de aguas arriba y medios de descarga relativamente de aguas abajo como los conductos 41 y 42 en las figuras 1 y 3. Asimismo, puede complementarse con un conducto combinado de pilotaje/premezcla como se muestra en las referencias 48 y 49 en la figura 4. Al conectarse fluídicamente a diferentes cámaras impelentes, se puede suministrar así a los mismos conductos gas natural y/o un combustible diferente, como, por ejemplo, hidrógeno. Así, se consigue un quemador altamente versátil que es adecuado, por ejemplo, para la combustión de hidrógeno o un combustible rico en hidrógeno u otro combustible altamente reactivo y para la combustión de gas natural en un funcionamiento de pilotaje/premezcla variable, a través de los mismos conductos. El orden con el que están dispuestas las diferentes cámaras impelentes a lo largo de una dirección general de flujo de aire del quemador desde el lado de aguas arriba definido por la pared frontal 11 de aguas arriba al lado de aguas abajo definido por la pared frontal 12 de aguas abajo, o la posición longitudinal en la que se descarga en el conducto fluido de una cámara impelente específica, será determinados por el experto en la materia al aplicar sus conocimientos generales y teniendo en cuenta el efecto de la distancia de mezclado de un fluido dentro del conducto desde la posición de descarga del fluido al extremo de aguas abajo del conducto. El experto en la materia apreciará fácilmente que los módulos que comprenden cámaras impelentes de fluido destinadas a descargar un fluido específico en por lo menos algunos de los conductos pueden, de manera virtualmente modular, apilarse uno sobre otro. Esto se puede lograr al fabricar quemadores con un número diferente de "rodajas" que comprenden una cámara impelente de fluido, secciones de los conductos, medios de descarga apropiados para conectar fluídicamente la cámara impelente al interior de los conductos, y, opcionalmente, un conector de suministro de fluido para suministrar fluido a la cámara impelente. Podría considerarse construir realmente el quemador a partir de módulos apilados. El número de cámaras impelentes en principio no está limitado. Podrían considerarse factores limitativos en el aumento de la longitud de los conductos y, por lo tanto, el aumento de las pérdidas de presión, y otras cuestiones que podrían surgir si se descargan fluidos demasiado aguas arriba del extremo de aguas abajo del conducto. Las cámaras impelentes de fluido, con sus medios de descarga específicos a través de los cuales están conectadas fluídicamente a por lo menos un conducto, pueden apilarse en cualquier orden que un experto en la materia pueda considerar adecuado para cumplir un cierto propósito. Sin embargo, podría resultar ventajoso el que la cámara impelente de más aguas abajo fuese una cámara impelente de refrigerante. Se apreciará que, debido a la versatilidad del quemador aquí dado a conocer, no es práctica una descripción exhaustiva de posibles realizaciones. Sin embargo, con la comprensión del principio subyacente tras el quemador de microconductos con apilamiento aquí dado a conocer, y la función y los méritos de ciertas realizaciones específicas de "módulos", el experto en la materia recibe una enseñanza exhaustiva. The skilled person will readily appreciate, in light of the present disclosure, that the burner disclosed herein is not limited to being provided with three plenum chambers, but more generally may usefully be provided with any number of plenum chambers such as two or more. For example, the burner shown in Figure 1 may be supplemented with two additional plenum chambers which are simply connected respectively to conduits via relatively upstream discharge means and relatively downstream discharge means such as conduits 41 and 42 in Figures 1 and 3. It may also be supplemented with a combined pilot/premix conduit as shown at 48 and 49 in Figure 4. By fluidically connecting to different plenum chambers, the same conduits may thereby be supplied with natural gas and/or a different fuel, such as hydrogen. Thus, a highly versatile burner is achieved that is suitable, for example, for the combustion of hydrogen or a hydrogen-rich fuel or other highly reactive fuel and for the combustion of natural gas in variable pilot/premix operation, through the same ducts. The order in which the different plenums are arranged along a general direction of burner airflow from the upstream side defined by the upstream front wall 11 to the downstream side defined by the downstream front wall 12, or the longitudinal position at which fluid from a specific plenum is discharged into the conduit, will be determined by one skilled in the art by applying his or her general knowledge and taking into account the effect of the mixing distance of a fluid within the duct from the fluid discharge position to the downstream end of the duct. One skilled in the art will readily appreciate that modules comprising fluid plenums adapted to discharge a specific fluid into at least some of the ducts can, in a virtually modular manner, be stacked one on top of another. This can be achieved by fabricating burners with a different number of "slices" comprising a fluid plenum, sections of conduits, appropriate discharge means for fluidically connecting the plenum to the interior of the conduits, and, optionally, a fluid supply connector for supplying fluid to the plenum. It could be considered to actually construct the burner from stacked modules. The number of plenums is, in principle, not limited. Limiting factors could be considered to include increased conduit lengths and, therefore, increased pressure losses, and other issues that might arise if fluids are discharged too far upstream of the downstream end of the conduit. The fluid plenums, with their specific discharge means through which they are fluidically connected to at least one conduit, can be stacked in any order that one skilled in the art might deem appropriate for a particular purpose. However, it might be advantageous for the most downstream plenum to be a coolant plenum. It will be appreciated that, due to the versatility of the burner disclosed herein, an exhaustive description of possible embodiments is not practical. However, with an understanding of the underlying principle behind the stacked microduct burner disclosed herein, and the function and merits of certain specific "module" embodiments, the skilled artisan will receive a comprehensive understanding.
La figura 5 esboza una realización de un quemador 1 en el que se proporciona un cartucho 60 a través de un paso 40. En ciertas realizaciones, el cartucho 60 puede ser un elemento independiente y retráctil. El cartucho 60 puede proporcionarse en lugar de o dentro de un conducto. Si se proporciona el cartucho 60 en lugar de un conducto, se entiende que el cartucho 60 está configurado preferiblemente para lograr un sellado a prueba de fugas de gas de las cámaras impelentes. En la realización mostrada, el cartucho 60 se extiende a través de un conducto, por lo que el sellado de las cámaras impelentes se logra mediante la pared del conducto que puede fabricarse sin costuras con paredes frontales 11 y 12 y paredes divisorias 21,22 y 23 en el proceso de formación primario. Opcionalmente, se pueden proporcionar acanaladuras en espiral o que se extienden longitudinalmente en una superficie exterior del cartucho y/o el lado interior de la pared del conducto a través del cual se extiende el cartucho 60. Puede proporcionarse aire de combustión a través de las acanaladuras. Las acanaladuras pueden ser en espiral, por lo menos en sus extremos de aguas abajo adyacentes a la pared frontal 12 de aguas abajo y cuando se abren al espacio 3 de aguas abajo, para generar un flujo turbulento de aire de combustión en o alrededor del extremo de aguas abajo del cartucho 60. A través del cartucho 60 puede proporcionarse un fluido 6 al espacio 3 de aguas abajo. Dicho fluido puede ser vapor, o un combustible gaseoso, o una mezcla de combustible gaseoso y otro agente gaseoso, que puede estar destinado, por ejemplo, a una combustión de tipo difusión. El agente gaseoso puede descargarse con un remolino, que puede girar conjuntamente o en sentido contrario con un remolino de aire de combustión. En otras realizaciones, el cartucho 60 puede comprender una boquilla atomizadora de líquido, descargando así el fluido 6 en forma de un cono 5 de pulverización. El líquido puede ser combustible líquido o agua o una mezcla de los mismos. Se entiende que al cartucho 60 se le pueden proporcionar, y se pueden descargar a través del mismo, agentes adicionales, por ejemplo vapor o aire de atomización. Un quemador del tipo aquí dado a conocer puede comprender más de un cartucho 60. El quemador 1 de la figura 5 comprende además conductos 43 que están equipados con medios 61 de descarga de tipo boquilla relativamente de aguas arriba en comunicación fluídica con la cámara impelente 31 y medios 52 de descarga de tipo abertura en pared relativamente de aguas abajo en comunicación fluídica con la cámara impelente 32. Figure 5 outlines an embodiment of a burner 1 in which a cartridge 60 is provided through a passage 40. In certain embodiments, the cartridge 60 may be a free-standing, retractable element. The cartridge 60 may be provided instead of or within a duct. If the cartridge 60 is provided instead of a duct, it is understood that the cartridge 60 is preferably configured to achieve a gas-tight seal of the plenum chambers. In the embodiment shown, the cartridge 60 extends through a duct, whereby the sealing of the plenum chambers is achieved by the duct wall which may be manufactured seamlessly with front walls 11 and 12 and dividing walls 21, 22 and 23 in the primary forming process. Optionally, spiral or longitudinally extending flutes may be provided on an outer surface of the cartridge and/or the inner side of the duct wall through which the cartridge 60 extends. Combustion air may be provided through the flutes. The flutes may be spiral, at least at their downstream ends adjacent the downstream front wall 12 and where they open into the downstream space 3, to generate a turbulent flow of combustion air at or around the downstream end of the cartridge 60. A fluid 6 may be provided through the cartridge 60 to the downstream space 3. Such fluid may be vapor, or a gaseous fuel, or a mixture of gaseous fuel and another gaseous agent, which may be intended, for example, for diffusion-type combustion. The gaseous agent may be discharged with a vortex, which may rotate in conjunction with or counter-rotate with a combustion air vortex. In other embodiments, the cartridge 60 may comprise a liquid atomizing nozzle, thereby discharging the fluid 6 in the form of a spray cone 5. The liquid may be liquid fuel or water or a mixture thereof. It is understood that the cartridge 60 may be provided with, and may be discharged therethrough, additional agents, for example steam or atomizing air. A burner of the type disclosed herein may comprise more than one cartridge 60. The burner 1 of Figure 5 further comprises conduits 43 that are equipped with relatively upstream nozzle-type discharge means 61 in fluid communication with the plenum chamber 31 and relatively downstream wall-opening-type discharge means 52 in fluid communication with the plenum chamber 32.
La figura 6 muestra una realización ejemplificativa en la que algunos de los conductos tienen diámetros diferentes. Por ejemplo, los conductos 41a y 41b, que están equipados con medios 51 de descarga de tipo abertura en pared relativamente de aguas arriba y en comunicación fluídica con la cámara impelente 31 solamente, tienen diferentes diámetros hidráulicos mínimos. Se apreciará que en un conducto sin un inserto, la sección longitudinal que tiene dicho diámetro hidráulico mínimo define una sección de dosificación. Estos diámetros diferentes, como se apreciará fácilmente, tienen un impacto en el flujo másico de aire de combustión a través de los conductos respectivos. Si los medios 51 de descarga previstos en los conductos 41a y 41b tienen la misma sección transversal integral por conducto, se apreciará que el flujo a través del conducto 41b presenta una relación de combustible/aire más alta del combustible descargado desde la cámara impelente 31 que el flujo a través de los conductos 41a. Sin embargo, si la sección transversal integral de los medios 51 de descarga de los conductos 41a es mayor que la sección transversal integral de los medios 51 de descarga en los conductos 41b, las relaciones de equivalencia pueden ser - o no - iguales, y debido a los diferentes diámetros hidráulicos mínimos, se puede hacer que varíe la carga térmica sobre la superficie de aguas abajo del quemador adyacente a la pared 12 de aguas abajo. En los conductos 42 y 43, sin embargo, una sección transversal residual entre una pared interior del conducto y una pared exterior de las boquillas 62 puede definir la sección de dosificación. El flujo másico a través de los conductos 42 y 43 puede hacerse variar, así, al proporcionar diámetros hidráulicos diferentes de los conductos 42 y 43 alrededor de las boquillas 62, diámetros exteriores diferentes de las boquillas 62, o ambas opciones. Figure 6 shows an exemplary embodiment in which some of the conduits have different diameters. For example, conduits 41a and 41b, which are equipped with wall-opening type discharge means 51 relatively upstream and in fluid communication with plenum chamber 31 only, have different minimum hydraulic diameters. It will be appreciated that in a conduit without an insert, the longitudinal section having such a minimum hydraulic diameter defines a metering section. These different diameters, as will be readily appreciated, have an impact on the mass flow rate of combustion air through the respective conduits. If the discharge means 51 provided in conduits 41a and 41b have the same integral cross-section per conduit, it will be appreciated that the flow through conduit 41b exhibits a higher fuel-to-air ratio of the fuel discharged from plenum chamber 31 than the flow through conduits 41a. However, if the integral cross-section of the discharge means 51 of the conduits 41a is greater than the integral cross-section of the discharge means 51 in the conduits 41b, the equivalence ratios may or may not be equal, and due to the different minimum hydraulic diameters, the heat load on the downstream surface of the burner adjacent the downstream wall 12 may be caused to vary. In the conduits 42 and 43, however, a residual cross-section between an inner wall of the conduit and an outer wall of the nozzles 62 may define the metering section. The mass flow rate through the conduits 42 and 43 may thus be varied by providing different hydraulic diameters of the conduits 42 and 43 around the nozzles 62, different outer diameters of the nozzles 62, or both.
En la realización de la figura 7, los conductos 44a, 44b y 44c están conectados fluídicamente a la cámara impelente 32 a través de los medios 52 de descarga de tipo abertura en pared, mientras que la cámara impelente 31 está conectada fluídicamente a los conductos 44a, 44b y 44c a través de los medios 61a, 61b y 61c de descarga de tipo boquilla, respectivamente. En la región de los medios de descarga de tipo boquilla, cada conducto presenta una porción longitudinal de sección transversal ahusada en la que el conducto se estrecha progresivamente aguas abajo de la dirección general del flujo de aire, es decir, en una dirección desde la primera pared frontal 11 a la segunda pared frontal 12, de una primera área de sección transversal a una segunda área de sección transversal menor que la primera área de sección transversal. Los medios 61c de descarga de tipo boquilla se extienden más hacia la porción longitudinal de sección transversal ahusada de los conductos 44c que los medios 61 b de descarga de tipo boquilla hacia los conductos 44b, y los medios 61 b de descarga de tipo boquilla se extienden más hacia la porción longitudinal de sección transversal ahusada de los conductos 44b que los medios 61a de descarga de tipo boquilla hacia el conducto 44a. Por consiguiente, la sección transversal de flujo mínima, definida como una sección transversal residual entre la pared interior de un conducto y la pared exterior de una boquilla, es menor en el conducto 44c que en el conducto 44b, y la sección transversal de flujo mínima es menor en el conducto 44b que en el conducto 44a. In the embodiment of Figure 7, the conduits 44a, 44b and 44c are fluidically connected to the plenum 32 through the wall-opening type discharge means 52, while the plenum 31 is fluidically connected to the conduits 44a, 44b and 44c through the nozzle type discharge means 61a, 61b and 61c, respectively. In the region of the nozzle type discharge means, each conduit has a longitudinal portion of tapered cross-section in which the conduit progressively narrows downstream of the general direction of air flow, that is, in a direction from the first front wall 11 to the second front wall 12, from a first cross-sectional area to a second cross-sectional area smaller than the first cross-sectional area. The nozzle-type discharge means 61c extends further into the tapered longitudinal cross-sectional portion of the conduits 44c than the nozzle-type discharge means 61b extends into the conduits 44b, and the nozzle-type discharge means 61b extends further into the tapered longitudinal cross-sectional portion of the conduits 44b than the nozzle-type discharge means 61a extends into the conduit 44a. Accordingly, the minimum flow cross-section, defined as a residual cross-section between an inner wall of a conduit and an outer wall of a nozzle, is smaller in the conduit 44c than in the conduit 44b, and the minimum flow cross-section is smaller in the conduit 44b than in the conduit 44a.
El dispositivo mostrado en la figura 8 esboza cómo dos conectores 311 y 321 de suministro proporcionados para alimentar dos cámaras impelentes pueden disponerse concéntrica y coaxialmente. The device shown in Figure 8 outlines how two supply connectors 311 and 321 provided for feeding two plenum chambers may be arranged concentrically and coaxially.
Como se ilustra en la figura 9, los medios de descarga de tipo abertura en pared pueden disponerse y configurarse para descargar el fluido desde una cámara impelente a un conducto en una de las siguientes opciones As illustrated in Figure 9, the wall opening type discharge means may be arranged and configured to discharge the fluid from a plenum chamber to a conduit in one of the following options
• perpendicular a la dirección longitudinal 451, como por ejemplo los medios 56 de descarga de la cámara impelente 36; • perpendicular to the longitudinal direction 451, such as the means 56 for discharging the plenum chamber 36;
• aguas arriba de la dirección del flujo del aire 4 de combustión, o inclinado en la dirección de aguas arriba del conducto 46, respectivamente, como por ejemplo los medios 57 de descarga de la cámara impelente 37; o • upstream of the direction of flow of the combustion air 4, or inclined in the upstream direction of the duct 46, respectively, such as the discharge means 57 of the plenum chamber 37; or
• aguas abajo de la dirección del flujo del aire 4 de combustión, o inclinado en la dirección de aguas abajo del conducto 46, respectivamente, como por ejemplo los medios 58 de descarga de la cámara impelente 38. • downstream of the direction of flow of the combustion air 4, or inclined in the downstream direction of the duct 46, respectively, such as the discharge means 58 of the plenum chamber 38.
La dirección a lo largo de la cual el fluido se descarga en el conducto 46 desde los medios 56, 57, 58 de descarga respectivos se indica mediante las flechas que proceden de los medios de descarga. Se observa que la aplicación de dicha enseñanza no se limita a medios de descarga de tipo abertura en pared. The direction along which the fluid is discharged into the conduit 46 from the respective discharge means 56, 57, 58 is indicated by the arrows emanating from the discharge means. It is noted that the application of this teaching is not limited to discharge means of the wall opening type.
La figura 10 muestra una sección transversal a través de un ejemplo aún más particular de la realización mostrada en la figura 9 según la línea X-X. Los medios de descarga pueden estar dispuestos y configurados de tal manera que el fluido se descargue desde la cámara impelente 36 al conducto 46 con un componente de velocidad tangencial para formar un flujo de vórtice de fluido descargado como según indican las flechas circulares en la figura 10. Se observa que tal configuración de los medios de descarga no se limita a la realización de la figura 9 ni a ninguna realización similar a la misma. Tal configuración adecuada para generar un flujo de vórtice de fluido descargado desde una cámara impelente a un conducto puede aplicarse, por ejemplo, aunque sin carácter limitativo, a medios de descarga que descargan el fluido en una dirección de aguas arriba o aguas abajo del flujo de aire de combustión dentro de un conducto, como por ejemplo se representa en las referencias 57 y 58 en la figura 9, o a unos medios de descarga de tipo boquilla. Figure 10 shows a cross-section through a still more particular example of the embodiment shown in Figure 9 along the line X-X. The discharge means may be arranged and configured such that fluid is discharged from the plenum 36 to the conduit 46 with a tangential velocity component to form a vortex flow of discharged fluid as indicated by the circular arrows in Figure 10. It is noted that such a configuration of the discharge means is not limited to the embodiment of Figure 9 or any embodiment similar thereto. Such a configuration suitable for generating a vortex flow of discharged fluid from a plenum to a conduit may be applied, for example, but not limited to, discharge means discharging fluid in an upstream or downstream direction of the combustion air flow within a conduit, as for example shown at references 57 and 58 in Figure 9, or to a nozzle-type discharge means.
En aspectos adicionales, ilustrados en la figura 11, por lo menos un conducto 46 puede estar provisto de una fila de paletas 452 dispuestas dentro del conducto 46 y dispuestas alrededor de la circunferencia del conducto 46 e inclinadas en un ángulo<y>con respecto a la dirección longitudinal 451 del conducto 46, para inducir un flujo de vórtice como se indica en la referencia 401 sobre el flujo de aire 4 de combustión. Las paletas pueden proporcionarse en particular en el extremo de aguas arriba del conducto 46 de tal manera que el flujo de vórtice de aire de combustión esté presente esencialmente por toda la extensión longitudinal del conducto 46. Sin embargo, en otros aspectos, las paletas 452 pueden estar dispuestas más aguas abajo, para descargar fluidos de ciertas cámaras impelentes en un flujo puramente axial de aire de combustión, mientras que otros pueden descargarse en un flujo de vórtice de aire de combustión. La fila de paletas 452 puede proporcionarse en el extremo de aguas abajo del conducto 46. Aunque resultará evidente de manera sencilla para un experto en la materia, se debe mencionar que un flujo de vórtice de aire de combustión se puede combinar con una inyección tangencial de por lo menos un fluido de por lo menos una cámara impelente, como se esboza en relación con la figura 10. Los vórtices de aire de combustión y de fluido descargado pueden girar conjuntamente o en sentido contrario y pueden verse afectados por al menos componentes de velocidad tangenciales esencialmente iguales o componentes de velocidad tangenciales diferentes y por un número de remolinos esencialmente idéntico o diferente, según le resulte adecuado a un experto en la materia cuando aplique sus conocimientos comunes. Las paletas 452 se proporcionan en particular integralmente y en una pieza, es decir, sin costuras, con el quemador, o la pared interior de un conducto. Se apreciará que, en particular, la fabricación del quemador con métodos de fabricación aditiva posibilita proporcionar dichas geometrías bastante pequeñas y complejas en una pieza de trabajo integral. In further aspects, illustrated in Figure 11, at least one duct 46 may be provided with a row of vanes 452 arranged within the duct 46 and arranged around the circumference of the duct 46 and inclined at an angle to the longitudinal direction 451 of the duct 46, to induce a vortex flow as indicated at reference 401 over the combustion air flow 4. The vanes may in particular be provided at the upstream end of the duct 46 such that the vortex flow of combustion air is present essentially over the entire longitudinal extent of the duct 46. However, in other aspects, the vanes 452 may be arranged further downstream, to discharge fluids from certain plenum chambers in a purely axial flow of combustion air, while others may be discharged in a vortex flow of combustion air. The row of vanes 452 may be provided at the downstream end of the duct 46. Although it will be readily apparent to one skilled in the art, it should be mentioned that a vortex flow of combustion air may be combined with a tangential injection of at least one fluid from at least one plenum chamber, as outlined in connection with Figure 10. The vortices of combustion air and discharged fluid may rotate together or in opposite directions and may be affected by at least essentially the same tangential velocity components or different tangential velocity components and by an essentially identical or different number of eddies, as appropriate to one skilled in the art when applying his or her ordinary knowledge. The vanes 452 are in particular provided integrally and in one piece, i.e., seamlessly, with the burner, or the inner wall of a duct. It will be appreciated that, in particular, manufacturing the burner with additive manufacturing methods makes it possible to provide such rather small and complex geometries in an integral workpiece.
Es evidente para un experto en la materia que las velocidades relativas del aire de combustión y el fluido descargado en el flujo de aire de combustión dentro de un conducto pueden tener un impacto importante en el mezclado de los fluidos y pueden aplicarse para ajustar el mismo y, por lo tanto, el comportamiento de la combustión. It is evident to one skilled in the art that the relative velocities of the combustion air and the fluid discharged into the combustion air flow within a duct can have a significant impact on the mixing of the fluids and can be applied to adjust the same and, therefore, the combustion behavior.
La figura 12 ilustra un detalle de una posible realización adicional del quemador aquí dado a conocer. La figura 12 muestra una sección de un quemador con cámaras impelentes 36 y 37 y un conducto 141 que se extiende a través de ellas. La referencia 4 indica el flujo de aire de combustión a través del conducto 141. La cámara impelente 36 está en comunicación fluídica con el conducto 141 a través de los medios 162 de descarga de tipo boquilla, mientras que la cámara impelente 37 está en comunicación fluídica con el conducto 141 a través de los medios 152 de descarga de tipo abertura en pared. Los medios 162 de descarga de tipo boquilla están configurados para descargar fluido desde la cámara impelente 36 en una posición s1 medida desde el extremo de aguas abajo del conducto 141, mientras que los medios 152 de descarga de tipo abertura en pared están configurados para descargar fluido desde la cámara impelente 37 en una posición s2 medida desde el extremo de aguas abajo del conducto 141. Aunque la cámara impelente 36 está situada aguas arriba de la cámara impelente 37, el fluido de la cámara impelente 37 se descarga al conducto 141 aguas abajo de la posición de descarga s2 del fluido de la cámara impelente 37 de aguas abajo. Esto ilustra la flexibilidad que ofrecen unos medios de descarga de tipo boquilla con respecto a la ubicación de descarga de un fluido desde una cámara impelente específica a un conducto. Figure 12 illustrates a detail of a possible further embodiment of the burner disclosed herein. Figure 12 shows a section of a burner with plenum chambers 36 and 37 and a duct 141 extending therethrough. Reference 4 indicates the flow of combustion air through duct 141. Plenum 36 is in fluid communication with duct 141 through nozzle-type discharge means 162, while plenum 37 is in fluid communication with duct 141 through wall-opening type discharge means 152. The nozzle-type discharge means 162 is configured to discharge fluid from the plenum 36 at a position s1 measured from the downstream end of the conduit 141, while the wall-opening type discharge means 152 is configured to discharge fluid from the plenum 37 at a position s2 measured from the downstream end of the conduit 141. Although the plenum 36 is located upstream of the plenum 37, fluid in the plenum 37 is discharged to the conduit 141 downstream of the discharge position s2 of the fluid from the downstream plenum 37. This illustrates the flexibility offered by a nozzle-type discharge means with respect to the discharge location of a fluid from a particular plenum to a conduit.
Las figuras 13a a 13d muestran vistas en planta sobre caras frontales de quemadores que tienen un número diferente de pasos. Como se puede ver fácilmente, en cada quemador se proporcionan tres pasos vecinos en las esquinas de un triángulo equilátero. Todas las realizaciones mostradas, independientemente del número de pasos, tienen en común que un paso central 40a está rodeado concéntricamente por anillos hexagonales concéntricos de pasos. La realización de la figura 13a presenta 7 pasos, en donde un paso central 40a está rodeado por seis pasos 40b en una disposición hexagonal. Cada dos pasos vecinos 40b tienen la misma distancia entre sí que con respecto al paso central 40a. La realización de la figura 13b presenta 19 pasos, en donde un paso central 40a está rodeado por seis pasos 40b en un primer anillo hexagonal y 12 pasos 40c de un segundo anillo hexagonal. Como resulta evidente cuando se consideran además las figuras 13c y 13d, el quemador puede modificarse a escala fácilmente añadiendo anillos hexagonales concéntricos adicionales de pasos, en donde cada anillo hexagonal adicional comprende 6 pasos más que el anillo hexagonal interior adyacente. Puede considerarse a su vez que cada paso, dejando de lado los pasos del anillo hexagonal más exterior, forma el centro de otro hexágono de pasos circundantes. En realizaciones, el paso central 40a puede omitirse. Esta autosimilitud de la disposición de pasos, junto con la disposición equidistante de todos los pasos vecinos, facilita el escalado del quemador. Por un lado, un quemador puede adaptarse a diferentes tamaños de quemador añadiendo anillos hexagonales adicionales de pasos del mismo tamaño y distancia entre sí. Por otro lado, las secciones transversales de los pasos, o conductos, respectivamente, de un quemador de un tamaño dado pueden tener dimensiones diferentes. Se debe observar que los conductos, o algunos de los conductos, pueden tener una forma de sección transversal poligonal en lugar de circular o, hablando en términos generales, redondeada. En realizaciones particulares, por lo menos algunos de los conductos pueden presentar la forma de sección transversal de un hexágono equilátero. Figures 13a to 13d show plan views of the end faces of burners having a different number of passages. As can be easily seen, three adjacent passages are provided in each burner at the corners of an equilateral triangle. All embodiments shown, regardless of the number of passages, have in common that a central passage 40a is concentrically surrounded by concentric hexagonal rings of passages. The embodiment of Figure 13a has 7 passages, wherein a central passage 40a is surrounded by six passages 40b in a hexagonal arrangement. Every two adjacent passages 40b have the same distance from each other as from the central passage 40a. The embodiment of Figure 13b has 19 passages, wherein a central passage 40a is surrounded by six passages 40b in a first hexagonal ring and 12 passages 40c of a second hexagonal ring. As is evident when further considering Figures 13c and 13d, the burner can be easily scaled by adding additional concentric hexagonal rings of passages, each additional hexagonal ring comprising 6 more passages than the adjacent inner hexagonal ring. Each passage, excluding the passages in the outermost hexagonal ring, can in turn be considered to form the center of another hexagon of surrounding passages. In embodiments, the central passage 40a can be omitted. This self-similarity of the passage arrangement, together with the equidistant arrangement of all neighboring passages, facilitates scaling of the burner. On the one hand, a burner can be adapted to different burner sizes by adding additional hexagonal rings of passages of the same size and distance from each other. On the other hand, the cross-sections of the passages, or ducts, respectively, of a burner of a given size may have different dimensions. It should be noted that the ducts, or some of the ducts, may have a polygonal cross-sectional shape rather than circular or, generally speaking, rounded. In particular embodiments, at least some of the ducts may have the cross-sectional shape of an equilateral hexagon.
Las figuras 14a a 14c ilustran posibles disposiciones de conductos de pilotaje, boquillas de combustible líquido, boquillas de inyección de agua o vapor, etc., en un quemador del tipo descrito. Se entiende claramente y ni que decir tiene que dichos conductos, boquillas y similares se extienden a través de pasos del quemador. Como ejemplo, según se ilustra en la figura 11a, un conducto 49 de pilotaje, representado por el punto lleno, puede estar dispuesto en un paso central, mientras que todos los demás pasos pueden estar provistos de cualquier otro tipo de conducto. El quemador de la figura 14b presenta seis conductos de pilotaje dispuestos adyacentes entre sí en un hexágono equilátero. En la realización de la figura 14c, se proporciona un conducto de pilotaje en el centro de cada disposición hexagonal de conductos no de pilotaje vecinos. El experto en la materia apreciará que en las realizaciones de la figura 14, por ejemplo, en lugar de los conductos 49 de pilotaje pueden disponerse cartuchos para el suministro de agua, vapor, combustible líquido, gas de pilotaje, etc. Figures 14a to 14c illustrate possible arrangements of pilot passages, liquid fuel nozzles, water or steam injection nozzles, etc., in a burner of the type described. It is clearly understood and goes without saying that said passages, nozzles, and the like extend through passages of the burner. As an example, as illustrated in Figure 11a, a pilot passage 49, represented by the solid dot, may be arranged in a central passage, while all other passages may be provided with any other type of passage. The burner of Figure 14b has six pilot passages arranged adjacent to one another in an equilateral hexagon. In the embodiment of Figure 14c, a pilot passage is provided in the center of each hexagonal arrangement of neighboring non-pilot passages. The person skilled in the art will appreciate that in the embodiments of Figure 14, for example, instead of the pilot lines 49, cartridges for the supply of water, steam, liquid fuel, pilot gas, etc. can be arranged.
La figura 15 ilustra cómo los pasos 40b y 40c de los anillos hexagonales, y, consecuentemente, cualesquiera medios proporcionados a través de los mismos, pueden estar inclinados con respecto a un eje 101 de quemador, para descargar el flujo que proviene de dichos pasos, o conductos, respectivamente con una componente tangencial macroscópica con respecto al eje del quemador. El eje 101 de quemador está definido de manera que es perpendicular, por lo menos esencialmente, a la cara frontal de aguas abajo del quemador. La dirección longitudinal del paso central 40a, o conducto respectivamente, es en aspectos particulares por lo menos esencialmente paralela al eje 101 de quemador, mientras que el eje longitudinal de los pasos 40b y 40c está inclinado aproximadamente un ángulo p con respecto al eje del quemador, para generar un flujo de vórtice indicado con la referencia 102 aguas abajo del quemador, o, más específicamente, en el espacio de combustión. En ciertas realizaciones, puede que no haya presencia de un paso central. En este caso, se puede hacer referencia, por ejemplo, a un punto central del anillo hexagonal. Se entiende que el ángulo de inclinación p de los pasos puede variar dependiendo de la distancia de un paso respectivo con respecto al paso central 40a. Como ejemplo, el ángulo de inclinación p puede aumentar al aumentar la distancia con respecto al paso central 40a ó con respecto al eje 101 de quemador, o, en otros aspectos, con respecto a un punto central del anillo hexagonal. Evidentemente, no se excluye que, en ciertas realizaciones, el ángulo de inclinación p pueda disminuir o pueda permanecer igual al aumentar la distancia con respecto al paso central 40a ó con respecto al eje 101 de quemador, o, en otros aspectos, con respecto a un punto central del anillo hexagonal. Debido a la autosimilitud de la disposición de los pasos, un quemador puede subdividirse en áreas más pequeñas, en donde cada área define un centro local y una disposición de pasos hexagonal envolvente, en donde los pasos que rodean un centro específico pueden estar inclinados para proporcionar un vórtice alrededor de dicho paso central local. En otras palabras, los pasos de un anillo hexagonal concéntrico están configurados de tal manera que el fluido descargado en el lado de aguas abajo del quemador desde los pasos del anillo hexagonal concéntrico tiene una componente de velocidad que es tangencial a un círculo definido alrededor del punto central del anillo hexagonal. Puede observarse que una realización en la que se genera un vórtice macroscópico es útil, por ejemplo, cuando se sustituyen quemadores de vórtice en un aparato de combustión heredado. Figure 15 illustrates how the passages 40b and 40c of the hexagonal rings, and consequently any means provided therethrough, may be inclined with respect to a burner axis 101, so as to discharge the flow coming from said passages, or ducts, respectively, with a macroscopic tangential component with respect to the burner axis. The burner axis 101 is defined so as to be at least essentially perpendicular to the downstream front face of the burner. The longitudinal direction of the central passage 40a, or duct respectively, is in particular aspects at least essentially parallel to the burner axis 101, while the longitudinal axis of the passages 40b and 40c is inclined approximately at an angle p with respect to the burner axis, so as to generate a vortex flow indicated by reference 102 downstream of the burner, or, more specifically, in the combustion space. In certain embodiments, a central passage may not be present. In this case, reference may be made, for example, to a center point of the hexagonal ring. It is understood that the inclination angle p of the passages may vary depending on the distance of a respective passage from the central passage 40a. As an example, the inclination angle p may increase with increasing distance from the central passage 40a or from the burner axis 101, or, in other aspects, with respect to a center point of the hexagonal ring. It is obviously not excluded that, in certain embodiments, the inclination angle p may decrease or may remain the same with increasing distance from the central passage 40a or from the burner axis 101, or, in other aspects, with respect to a center point of the hexagonal ring. Due to the self-similarity of the passage arrangement, a burner may be subdivided into smaller areas, where each area defines a local center and an enclosing hexagonal passage arrangement, where the passages surrounding a specific center may be inclined to provide a vortex around said local central passage. In other words, the passages of a concentric hexagonal ring are configured such that the fluid discharged to the burner's downstream side from the passages of the concentric hexagonal ring has a velocity component that is tangential to a circle defined around the center point of the hexagonal ring. It can be seen that an embodiment in which a macroscopic vortex is generated is useful, for example, when replacing vortex burners in a legacy combustion apparatus.
El ejemplo de la figura 16 se refiere a una realización específica de la refrigeración del quemador. En las realizaciones ejemplificativas, las cámaras impelentes 31 y 32 están configuradas para descargar en los conductos 47 a través de los medios 51 de descarga de tipo abertura en pared y los medios 62 de descarga de tipo boquilla, respectivamente. La pared 23 está provista de orificios pasantes 122 que conectan fluídicamente la cámara impelente abierta 35 y la cámara impelente de más aguas abajo o cámara impelente 33 de refrigeración. Como se ha esbozado anteriormente, la cámara impelente abierta 35 está en comunicación fluídica con un espacio que rodea al quemador 1, es decir, por ejemplo, con un depósito de aire. El aire procedente de la cámara impelente abierta 35 fluye a través de la abertura 122 a la cámara impelente 33 de refrigeración. A través de chorros de aire de refrigeración que entran en la cámara impelente 33 a través de los orificios 122 puede efectuarse una refrigeración por impacto de áreas adyacentes de la pared 12 de aguas abajo. Otras áreas de la pared 12 de aguas abajo son refrigeradas por efusión mediante aire de refrigeración que se descarga en el espacio 3 de aguas abajo a través de orificios pasantes 121. Una fracción adicional del fluido de refrigeración se descarga en la parte de aguas abajo de los conductos a través de medios 53 de descarga de refrigerante. En aras de la exhaustividad, se observa que los medios de descarga de refrigerante que proporcionan comunicación fluídica entre la cámara impelente de más aguas abajo y el interior de un conducto también pueden usarse en relación con realizaciones en las que se suministra refrigerante a la cámara impelente 33 a través de conectores de alimentación de refrigerante. The example of Figure 16 relates to a specific embodiment of burner cooling. In the exemplary embodiments, the plenum chambers 31 and 32 are configured to discharge into conduits 47 through the wall-opening type discharge means 51 and the nozzle-type discharge means 62, respectively. The wall 23 is provided with through holes 122 fluidically connecting the open plenum chamber 35 and the more downstream plenum or cooling plenum 33. As outlined above, the open plenum 35 is in fluid communication with a space surrounding the burner 1, i.e., for example, with an air receiver. Air from the open plenum 35 flows through the opening 122 to the cooling plenum 33. By means of cooling air jets entering the plenum 33 through holes 122, impingement cooling of adjacent areas of the downstream wall 12 may be effected. Other areas of the downstream wall 12 are effusion cooled by cooling air being discharged into the downstream space 3 through through holes 121. A further fraction of the cooling fluid is discharged into the downstream portion of the conduits through coolant discharge means 53. For the sake of completeness, it is noted that coolant discharge means providing fluid communication between the more downstream plenum and the interior of a conduit may also be used in connection with embodiments wherein coolant is supplied to the plenum 33 through coolant feed connectors.
Aunque las realizaciones ejemplificativas mostradas anteriormente presentan, todas ellas, dos cámaras impelentes de fluido en conexión con los conductos, aparte de la cámara impelente de más aguas abajo que está configurada en forma de una cámara impelente de refrigeración para proporcionar una refrigeración apropiada para la pared de aguas abajo que tiene una carga térmica elevada, el experto apreciará que pueden proporcionarse más cámaras impelentes en comunicación fluídica con por lo menos un conducto, y las mismas pueden estar destinadas a proporcionar diferentes tipos de combustible, combustible destinado a un premezclado diferente antes de la combustión, o vapor u otros fluidos inertes. En ciertas realizaciones, unos medios de descarga de tipo boquilla pueden estar equipados con un atomizador, de tal manera que también pueden descargarse líquidos, como, por ejemplo, combustible líquido o agua, en un conducto a través de dichos medios de descarga de tipo boquilla. En ciertas realizaciones, el quemador puede ser modular, comprendiendo cada módulo por lo menos una cámara impelente de fluido entre dos paredes transversales, un segmento de conducto o segmentos de conducto que se extienden a través de las paredes transversales y la cámara impelente o las cámaras impelentes, unos medios de descarga para proporcionar fluido desde la cámara impelente o las cámaras impelentes al segmento de conducto o los segmentos de conducto, y, opcionalmente, un conector de suministro de fluido o conectores de suministro de fluido en comunicación fluídica con la cámara impelente de fluido o cámaras impelentes de fluido. Although the exemplary embodiments shown above all have two fluid plenums in connection with the conduits, other than the most downstream plenum being configured as a cooling plenum to provide appropriate cooling for the downstream wall having a high thermal load, one skilled in the art will appreciate that more plenums may be provided in fluid communication with at least one conduit, and they may be adapted to provide different types of fuel, fuel intended for a different premixing prior to combustion, or steam or other inert fluids. In certain embodiments, a nozzle-type discharge means may be equipped with an atomizer, such that liquids, such as, for example, liquid fuel or water, may also be discharged into a conduit through said nozzle-type discharge means. In certain embodiments, the burner may be modular, each module comprising at least one fluid plenum between two transverse walls, a conduit segment or conduit segments extending through the transverse walls and the plenum or plenums, a discharge means for providing fluid from the plenum or plenums to the conduit segment or conduit segments, and, optionally, a fluid supply connector or fluid supply connectors in fluid communication with the fluid plenum or fluid plenums.
La figura 17 representa un detalle de una realización ejemplificativa de un quemador del tipo aquí descrito. Un orificio pasante 52a a través de la pared del conducto 142 para proporcionar comunicación fluídica con la cámara impelente 32 tiene forma elíptica, con un eje 528 de elipse largo y un eje 529 de elipse corto. El ángulo incluido entre el eje 528 de elipse largo y la dirección longitudinal del conducto 451, la dirección general del flujo de aire, o un eje del quemador, se elige en realizaciones particulares para que sea de 30 grados o menos, y en realizaciones más particulares, como se muestra en la figura 17, el ángulo incluido entre el eje 528 de elipse largo y la dirección longitudinal del conducto 451 es cero, por lo menos esencialmente. Por otra parte, la relación entre la longitud a del eje de elipse largo y la longitud b del eje de elipse corto puede elegirse para que sea 1.25 ó más. Esta configuración ofrece ventajas, en particular si el quemador o un módulo de quemador se fabrica mediante fabricación aditiva, en donde la dirección de construcción se puede elegir de manera que sea paralela por lo menos aproximadamente a la dirección general del flujo de aire, al eje del conducto o al eje del quemador. La forma elíptica de la abertura puede facilitar dicha fabricación en la medida en que las estructuras salientes durante la fabricación se reducen notablemente. En otras realizaciones, el orificio pasante puede por la misma razón tener forma de lanceta o tener forma de arco puntiagudo con el vértice apuntando por lo menos esencialmente en la dirección de construcción de la estructura fabricada de manera aditiva. Figure 17 shows a detail of an exemplary embodiment of a burner of the type described herein. A through hole 52a through the wall of the conduit 142 to provide fluid communication with the plenum chamber 32 is elliptical in shape, with a long ellipse axis 528 and a short ellipse axis 529. The included angle between the long ellipse axis 528 and the longitudinal direction of the duct 451, the general direction of air flow, or an axis of the burner, is chosen in particular embodiments to be 30 degrees or less, and in more particular embodiments, as shown in Figure 17, the included angle between the long ellipse axis 528 and the longitudinal direction of the duct 451 is at least substantially zero. Furthermore, the ratio of the length a of the long ellipse axis to the length b of the short ellipse axis may be chosen to be 1.25 or more. This configuration offers advantages, particularly if the burner or a burner module is manufactured by additive manufacturing, where the construction direction can be chosen to be at least approximately parallel to the general direction of air flow, the duct axis, or the burner axis. The elliptical shape of the opening can facilitate such manufacturing in that protruding structures during manufacturing are significantly reduced. In other embodiments, the through-hole can, for the same reason, be lance-shaped or have the shape of a pointed arc with the apex pointing at least substantially in the construction direction of the additively manufactured structure.
Esencialmente, se pueden conseguir las mismas ventajas, por ejemplo, con una abertura 52b de pared en forma de polígono, como se muestra en las figuras 18 y 19. La abertura 52b de pared, como se muestra, tiene una base y un vértice que apunta contra el flujo previsto de aire 4 de combustión. Como se esboza con más detalle en la figura 19, la abertura 52b de pared en forma de polígono tiene un límite en forma de polígono que comprende segmentos 521, 522, 523, 524 y 525 de límite rectos. También puede considerarse que el límite comprende una sección 526 de límite de aguas arriba que bordea la abertura en una dirección contra el flujo de aire 4 de combustión y una sección 527 de límite de aguas abajo que bordea la abertura en la dirección del flujo de aire de combustión. La sección 526 de límite de aguas arriba comprende segmentos 522 y 523 de límite rectos, mientras que la sección 527 de límite de aguas abajo comprende segmentos 521,524 y 525 de límite rectos. Los segmentos 522 y 523 de límite rectos de la sección 526 de límite de aguas arriba forman un vértice de la abertura 52b que apunta aguas arriba con relación al flujo de aire de combustión. Los segmentos 522 y 523 de límite rectos incluyen ángulos interiores 5 y £ con la dirección longitudinal 451 del conducto 142 y que son de 45 grados o menos. La abertura mostrada a modo de ejemplo es particularmente adecuada en relación con un componente que se fabrica de manera aditiva con una dirección de construcción contra el flujo previsto de aire 4 de combustión. Generalmente, puede observarse que una abertura que se define dentro de un límite que tiene un vértice que apunta en la dirección de construcción del componente y estando confinado el vértice entre dos segmentos de límite rectos que bordean la abertura en la dirección de construcción, en donde esos dos segmentos de límite incluyen un ángulo de 45 grados o menos con una paralela a la dirección de construcción, resulta beneficiosa en relación con un componente fabricado de manera aditiva. También se podría aplicar una geometría con dos vértices, como por ejemplo una geometría en forma de rombo. Essentially, the same advantages can be achieved, for example, with a polygon-shaped wall opening 52b, as shown in Figures 18 and 19. The wall opening 52b, as shown, has a base and an apex pointing against the intended flow of combustion air 4. As outlined in more detail in Figure 19, the polygon-shaped wall opening 52b has a polygon-shaped boundary comprising straight boundary segments 521, 522, 523, 524 and 525. The boundary may also be considered to comprise an upstream boundary section 526 bordering the opening in a direction against the flow of combustion air 4 and a downstream boundary section 527 bordering the opening in the direction of the combustion air flow. The upstream boundary section 526 comprises straight boundary segments 522 and 523, while the downstream boundary section 527 comprises straight boundary segments 521, 524, and 525. The straight boundary segments 522 and 523 of the upstream boundary section 526 form an apex of the opening 52b that points upstream relative to the combustion air flow. The straight boundary segments 522 and 523 include interior angles 5 and £ with the longitudinal direction 451 of the duct 142 and that are 45 degrees or less. The exemplary opening is particularly suitable in connection with a component that is additively manufactured with a build direction against the intended combustion air flow 4. Generally, it can be seen that an opening defined within a boundary having a vertex pointing in the component's build direction, with the vertex confined between two straight boundary segments bordering the opening in the build direction, where those two boundary segments include an angle of 45 degrees or less with one parallel to the build direction, is beneficial in connection with an additively manufactured component. A two-vertex geometry, such as a rhombus-shaped geometry, could also be applied.
Aunque la materia en cuestión de la divulgación se ha explicado por medio de realizaciones ejemplificativas, se entiende que estas no pretenden limitar de ninguna manera el alcance de la invención reivindicada. Se apreciará que las reivindicaciones pueden cubrir realizaciones no mostradas o dadas a conocer explícitamente en las mismas. Although the subject matter of the disclosure has been explained by means of exemplary embodiments, it is understood that these are not intended to limit the scope of the claimed invention in any way. It will be appreciated that the claims may cover embodiments not explicitly shown or disclosed therein.
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