一種基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低污染燃燒室的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低污染燃燒室，包括預(yù)混合段旋流器、進氣道、裝配座、燃燒室本體，所述的進氣道固定在裝配座的前段，所述的燃燒室本體固定在裝配座的后段，所述的預(yù)混合段旋流器包括固定在裝配座中心安裝孔中的文氏管，以及安裝在文氏管內(nèi)部的一個軸向旋流器；所述軸向旋流器的轉(zhuǎn)軸中空，中間用于通入氣體燃料；在轉(zhuǎn)軸延伸出軸向旋流器后端的設(shè)有徑向開孔，開孔位置位于軸向旋流器與文氏管喉道之間，在此區(qū)域形成燃氣預(yù)混合段；本發(fā)明將預(yù)混和貧油直噴兩種低排放技術(shù)直接耦合，同時兼顧貧油燃燒在低排放上的潛力，保證充分燃燒以降低降低低污染物的排放。
【專利說明】
-種基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低污染燃燒室
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于燃氣滿輪發(fā)動機清潔燃燒領(lǐng)域，尤其是一種基于貧油半預(yù)混燃燒的天 然氣低污染燃燒室。
【背景技術(shù)】
[0002] 環(huán)境污染，尤其是大氣污染，成為了人類生存的一大威脅。近年來，我國各地霧靈 頻發(fā)，嚴重影響了我們的生活，大氣污染成為不可回避的問題。其中工業(yè)生產(chǎn)活動對大氣污 染最為嚴重，工業(yè)廢氣、生活燃料、交通尾氣等等，而運些污染源歸根結(jié)底是燃料選用和燃 燒方式的問題。
[0003] 傳統(tǒng)的燃料選用種類，煤炭和石油是主體，煤炭會在燃燒中產(chǎn)生大量的粉塵，且煤 炭的主要元素為碳、氧、氨、氮和硫，所W燃燒后會產(chǎn)生大量的S〇2和NOx，當不完全的燃燒時 還會產(chǎn)生大量的未燃顆粒物;石油及其衍生物作為燃料時，主要會產(chǎn)生S〇2、C〇2、N〇x等污染 物。然而天然氣作為新型的清潔能源，燃燒過程中不產(chǎn)生煙塵W及固體排放物，也不產(chǎn)生 S〇2,其中NOx的排放也遠遠低于其他幾種傳統(tǒng)化石燃料。
[0004] 除了燃料本身的特性，燃燒方式對污染物排放的影響也相當顯著。隨著對污染物 排放機理認識的不斷加深，研究人員逐漸認識到主要排放污染物與燃燒溫度、駐留時間、混 氣成分和油氣狀態(tài)間的變化規(guī)律有關(guān)，實現(xiàn)低污染排放的關(guān)鍵是形成均勻的可燃混氣，消 除局部熱點W及實現(xiàn)充分燃燒。據(jù)此發(fā)展出了分區(qū)分級燃燒、貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)化ean Premixed Prevaporized,簡稱LPP)燃燒、富油/快速澤焰/貧油（Rich-Quench-Lean,簡稱 RQL)燃燒、貧油直接噴射化ean Direct Injection,簡稱LDI)燃燒等低排放燃燒技術(shù)。
[0005] 其中貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)化PP)燃燒技術(shù)是將燃料完全蒸發(fā)并混合均勻供入燃燒區(qū)， 在燃燒區(qū)實現(xiàn)貧油燃燒，燃燒區(qū)的當量比越小越能降低NOx排放，運是已知的低排放潛力最 大的燃燒技術(shù)。但LPP燃燒技術(shù)的存在回火、自燃和燃燒不穩(wěn)定等問題，而且在現(xiàn)階段的研 究中很難克服，為此出現(xiàn)了貧油直接噴射化DI)燃燒技術(shù)。貧油直接噴射化DI)燃燒技術(shù)就 是將燃料直接噴入燃燒區(qū)，在噴射點附近形成局部富油區(qū)大大改善了點火特性，隨后，燃料 和經(jīng)過旋流器產(chǎn)生的高速旋流形成均勻的貧油混合物，進而在燃燒區(qū)充分燃燒，消除局部 熱點，降低火焰溫度，達到低排放的目的。由于不存在燃料預(yù)先混合與蒸發(fā)的過程，因而解 決了 LPP燃燒技術(shù)中存在的的回火和自燃問題，但LDI燃燒技術(shù)又存在低功率工作時燃燒不 穩(wěn)定的問題。
[0006] 美國專利"Premixing dry low ΝΟχ emissions combustor with lean direct injection of gas fuer(US2001049932)，提出了一款針對氣態(tài)燃料設(shè)計的雙級燃燒室， 主燃級使用預(yù)混的燃燒方式，實現(xiàn)低功率狀態(tài)時的低污染燃燒，二級燃燒室使用直接噴射 的方式，利用直接噴射的可靠的工作特性補充大功率時的動力需求。該發(fā)明是一種分級燃 燒的概念，但是本發(fā)明是將預(yù)混和貧油直噴兩種低排放技術(shù)直接禪合，用貧油半預(yù)混的概 念來實現(xiàn)燃燒室低污染目標。美國專利"Lean direct injection combustor system" (US2009229269)，設(shè)計了一套貧油直接噴射的燃燒系統(tǒng)，分別采用殼體內(nèi)空腔和管道來攜 帶氧化劑和燃料，直至燃燒室進口燃料與氧化劑才真正接觸，然后混合燃燒。該設(shè)計的流道 存在過多的阻礙，燃料和空氣均有從大面積通道進入多孔結(jié)構(gòu)，流道突然縮小的過程，流動 損失較大。
[0007] 因此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低污染燃燒室W 改進現(xiàn)有技術(shù)的不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低 污染燃燒室，通過使用氣態(tài)燃料W及基于貧油半預(yù)混燃燒，同時兼顧貧油燃燒，降低了污染 物的排放，同時提高了燃燒效率、燃燒相對穩(wěn)定。
[0009] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低污染燃燒室，其 特征在于，包括預(yù)混合段旋流器、進氣道、裝配座、燃燒室本體，所述的進氣道固定在裝配座 的前段，所述的燃燒室本體固定在裝配座的后段，所述的預(yù)混合段旋流器包括固定在裝配 座中屯、安裝孔中的文氏管，W及安裝在文氏管內(nèi)部的一個軸向旋流器;所述軸向旋流器的 轉(zhuǎn)軸中空，中間用于通入氣體燃料;在轉(zhuǎn)軸延伸出軸向旋流器后端的設(shè)有徑向開孔，開孔位 置位于軸向旋流器與文氏管喉道之間，在此區(qū)域形成燃氣預(yù)混合段。通過在轉(zhuǎn)軸的中空通 入氣體燃料，然后經(jīng)過徑向開孔噴出，在軸向旋流器與文氏管喉道之間與空氣預(yù)混，將預(yù)混 和貧油直噴兩種低排放技術(shù)直接禪合，來實現(xiàn)燃燒室低污染目標W及規(guī)避回火與燃燒不穩(wěn) 定的缺點，同時兼顧貧油燃燒在低排放上的巨大潛力，保證充分燃燒減少未燃碳氨，降低火 焰溫度，消除局部熱點W降低NOx。
[0010] 進一步改進，所述的軸向旋流器滿足旋流數(shù)
其中軸向旋流 器主要根據(jù)主要根據(jù)內(nèi)外半徑和壁厚來確定其旋流數(shù)，式中r為軸向旋流器徑向截面位置 處的內(nèi)徑，R為徑向截面位置處的外徑，φ為葉片的阻尼系數(shù)，麵為葉尖角，根據(jù)式中蠶為對 應(yīng)r處的葉尖角，由此可W算出軸線旋流器(6)葉片安裝角。
[0011] 進一步改進，W文氏管的結(jié)構(gòu)尺寸為基準，所述的軸向旋流器的出口界面至文氏 管喉道的距離與文氏管喉道直徑之比為0.7,軸向旋流器出口面積與文氏管喉道面積之比 與為2.2。
[0012] 進一步改進，所述的進氣道、裝配座W及燃燒室本體都是通過法蘭連接，其中法蘭 之間加墊片，保證了良好的氣密性。
[0013] 進一步改進，所述的固定方式為在混合段的旋流器設(shè)有兩個凸臺，分別為第一凸 臺和第二凸臺，安裝座設(shè)有一個第Ξ凸臺W及兩個階梯槽，分別為第一階梯槽和第二階梯 槽，其中第一階梯槽和第一凸臺對應(yīng)，配合可W定位預(yù)混合段旋流器，第二凸臺和擋板配 合，W固定預(yù)混合段旋流器，第Ξ凸臺通過第Ξ階梯槽與燃燒室本體配合，保證氣密性和同 軸性，第Ξ凸臺用W固定擋板，擋板和第Ξ凸臺W及旋流器出口平面在同一個水平面上，裝 配座靠近進氣頭部方向有一個第四凸臺，通過第四凸臺使得裝配座很好的和進氣道配合， 進一步保證了很好的氣密性和同軸性。
[0014] 本發(fā)明的基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低污染燃燒室使用氣態(tài)天然氣，相比于其 它傳統(tǒng)石化燃料，幾乎不會產(chǎn)生粉塵和固體排放物，不含硫，燃燒不會產(chǎn)生S〇2, NOx的排放 也是遠遠低于其它燃料，能夠大大降低對大氣環(huán)境的污染；同時，相對于液態(tài)燃料，避免了 燃油霧化等帶來的油氣分布不均，有利于可燃混氣的形成，容易與空氣均勻混合，有效的消 除局部熱點，大大降低污染物的排放，氣態(tài)燃料與空氣易形成均勻混氣，能夠充分發(fā)揮低排 放的燃燒室的優(yōu)勢;燃料垂直進氣空氣入射，點火前進行短距離的預(yù)混，利用燃料的不均勻 分布保證可靠的點火和燃燒穩(wěn)定性，點火后，旋流器產(chǎn)生的旋流會繼續(xù)帶著燃料進行混合， 燃燒方式介于預(yù)混燃燒與擴散燃燒之間，充分混合均勻的可燃混氣進行充分燃燒后能進一 步有效降低污染物的排放;并且燃燒室設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單緊湊、加工工藝與裝配簡單，主要包含 旋流器、文氏管、中空轉(zhuǎn)軸和前后主要通道;并且可W應(yīng)用到傳統(tǒng)燃料的諸多燃氣滿輪發(fā)動 機的領(lǐng)域中，如工業(yè)發(fā)電、城市供暖;也可應(yīng)用于民用航空發(fā)動機低排放燃燒領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低排放燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低排放燃燒室的預(yù)混合段旋流器及轉(zhuǎn)軸的 結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低排放燃燒室的裝配座的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低排放燃燒室的進氣道的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本發(fā)明基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低排放燃燒室的燃燒室本體的結(jié)構(gòu)示意 圖。
[0016] 其中：1-預(yù)混合段旋流器，2-轉(zhuǎn)軸，3-進氣道，4-裝配座，5-燃燒室本體，6-軸向旋 流器，7-文氏管，8-第一凸臺，9-第二凸臺，10-第一階梯槽，11-第二階梯槽，12-第Ξ凸臺， 13-擋板，14-第四凸臺，15-第Ξ階梯槽，16-法蘭，17-墊片。
【具體實施方式】
[0017] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。
[0018] 請參照圖1-圖5所示，本發(fā)明使用天然氣為燃料、基于貧油半預(yù)混燃燒低污染燃燒 室，使用的轉(zhuǎn)軸2不同于傳統(tǒng)的帶噴霧錐角的燃油噴嘴，而是直接在轉(zhuǎn)軸2側(cè)面均勻開孔，本 實施例是沿圓周均勻開設(shè)8個徑向通孔，其他的數(shù)量也是可W的。天然氣可W經(jīng)轉(zhuǎn)軸通入， 之后經(jīng)過開設(shè)的孔噴出，燃料噴射方向垂直于旋流器出口的空氣，燃料與空氣剪切滲混，在 文氏管的中空內(nèi)部實現(xiàn)初步半預(yù)混，控制當量比小于1，進入燃燒室本體5實現(xiàn)貧油燃燒。
[0019] 如圖2所示，預(yù)混合段旋流器1有兩個凸臺：第一凸臺8和第二凸臺9,裝配座4有兩 個階梯槽:第一階梯槽11及第二階梯槽12, W及一個第Ξ凸臺12。其中第一階梯槽10和第一 凸臺8對應(yīng)定位預(yù)混合段旋流器1，第二凸臺9和擋板13配合，固定預(yù)混合段旋流器1，第Ξ凸 臺12定位擋板13。此時擋板13和第Ξ凸臺W及旋流器出口平面在同一個水平面上。其中的 軸向旋流器6主要根據(jù)內(nèi)外半徑和壁厚來確定其旋流勤
式中rs為軸 向旋流器6徑向截面位置處的內(nèi)徑，Rs為徑向截面位置處的外徑，r為旋流器葉片最小半徑， R為旋流器葉片最大半徑，解為葉片的阻尼系數(shù)，游為葉尖角。根據(jù)式中殘為對應(yīng)r處的葉尖 角，由此可W算出軸線旋流器6葉片安裝角。軸向旋流器6出口界面至文氏管喉道的距離與 文氏管7喉道直徑之比為0.7,旋流器6出口面積與文氏管7喉道面積之比為2.2。
[0020] 如圖3和4所示，裝配座4的進氣頭部有一個第四凸臺14,通過第四凸臺就能夠使得 裝配座4很好的和進氣道3配合，并保證了很好的氣密性和同軸性。同時第Ξ凸臺12通過第 Ξ階梯槽15與燃燒室本體5配合，保證氣密性和同軸度。
[0021] 請參照圖1-圖5并結(jié)合圖5所示，在實際工作中，空氣通過進氣道3進入文氏管的中 空內(nèi)部，即在預(yù)混合段，在預(yù)混合段旋流器1的作用下，在文氏管的內(nèi)部產(chǎn)生旋流，并在燃燒 室本體5頭部形成穩(wěn)定的回流區(qū)；與此同時，天然氣通過轉(zhuǎn)軸2進入預(yù)混合段，并且經(jīng)位于軸 向旋流器6與文氏管7喉道之間開設(shè)的孔中噴出，此時的天然氣沿空氣入射方向垂直射入， 從噴射點到文氏管出口進行部分預(yù)混。天然氣與空氣的混合氣體進入燃燒室本體5后進行 點火，隨后燃料與空氣可W繼續(xù)混合，形成更加均勻的可燃混氣，其燃燒方式介于預(yù)混燃燒 和擴散燃燒之間，燃燒室工作狀態(tài)為貧油燃燒，可有效降低燃燒火焰溫度，降低燃燒污染 物，特別是氮氧化合物的排放量。控制燃料與空氣當量比小于1進行貧油燃燒，點火后燃料 與空氣進一步滲混燃燒，形成均勻混氣W保證降低火焰溫度、消除局部熱點，降低燃氣輪機 燃燒室污染物排放指數(shù)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低污染燃燒室，其特征在于，包括預(yù)混合段旋流 器（1)、進氣道(3)、裝配座(4)、燃燒室本體(5)，所述的進氣道(3)固定在裝配座(4)的前段， 所述的燃燒室本體(5)固定在裝配座(4)的后段，所述的預(yù)混合段旋流器（1)包括固定在裝 配座(4)中心安裝孔中的文氏管(7)，以及安裝在文氏管(7)內(nèi)部的一個軸向旋流器(6);所 述軸向旋流器(6)的轉(zhuǎn)軸（2)中空，中間用于通入氣體燃料;在轉(zhuǎn)軸（2)延伸出軸向旋流器 (6)后端的設(shè)有徑向開孔，開孔位置位于軸向旋流器(6)與文氏管(7)喉道之間，在此區(qū)域形 成燃氣預(yù)混合段。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低污染燃燒室，其特征在于，所 述的軸向旋流器(6)滿足旋流數(shù)，式中r為軸向旋流器(6)徑向截面位 置處的內(nèi)徑，R為徑向截面位置處的外徑，爐為葉片的阻尼系數(shù)，?為葉尖角。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低污染燃燒室，其特征在于，以 文氏管(7)的結(jié)構(gòu)尺寸為基準，所述的軸向旋流器(6)的出口界面至文氏管喉道的距離與文 氏管(7)喉道直徑之比為0.7,旋流器出口面積與文氏管喉道面積之比為2.2。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低污染燃燒室，其特征在于，所 述的進氣道(3 )、裝配座(4 )以及燃燒室本體(5 )都是通過法蘭（16 )連接，其中法蘭（16 )之間 加墊片（17)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低污染燃燒室，其特征在于，所 述的固定方式為在混合段的旋流器(1)設(shè)有兩個凸臺，分別為第一凸臺（8)和第二凸臺（9)， 安裝座(4)設(shè)有一個第三凸臺（12)以及兩個階梯槽，分別為第一階梯槽（10)和第二階梯槽 (11)，其中第一階梯槽（10)和第一凸臺（8)對應(yīng)，配合可以定位預(yù)混合段旋流器（1)，第二凸 臺（9)和擋板（13)配合，固定預(yù)混合段旋流器（1)，第三凸臺（12)通過第三階梯槽（15)與燃 燒本體(5)配合，第三凸臺（12)用以固定擋板（13)，擋板（13)和第三凸臺（12)以及旋流器出 口平面在同一個水平面上，裝配座（4)靠近進氣頭部方向有一個第四凸臺（14)，第四凸臺 (14)使得裝配座(4)與進氣道(3)配合。
【文檔編號】F23R3/28GK105928008SQ201610400254
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月8日
【發(fā)明人】李建中, 李文杰, 任勇智, 胡閣, 鞏二磊
【申請人】南京航空航天大學(xué)