CN104807044A - 一种出口带旋流叶片的液化气燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种出口带旋流叶片的液化气燃烧室，采用单管圆筒燃烧室结构，主要由液化气喷嘴、燃烧室机匣、火焰筒和旋流叶片构成；旋流叶片焊接在火焰筒条形槽处，与轴向成一定角度，在周向均匀分布；火焰筒与机匣采用螺栓连接；液化气通过喷嘴的斜向孔进入燃烧室头部，使用电火花点火器完成液化气的燃烧。燃烧组织采用内外两级旋流器产生强旋流稳定火焰，冷却方式采用冲击壁-发散壁耦合叶片气膜孔的方式。其中，外旋流器与燃烧室出口旋流叶片的旋向相同，旋流的耦合加强了火焰筒内旋流强度，缩短了火焰长度；燃烧所产生的高温燃气经过旋流叶片时产生较强的旋流流动，从燃烧室出口排出并形成扩张气流，增大出口燃气在空间上的径向分布。

Description

一种出口带旋流叶片的液化气燃烧室

技术领域

本发明涉及一种使用液化气燃料的燃烧室，特别涉及一种出口带旋流叶片的液化气燃烧室

背景技术

单管燃烧室概念源自燃气轮机燃烧室，以其结构简单、燃烧稳定、燃烧效率高、点火范围宽、易于操作、安全可靠等特点，在热能工程、金属冶金、科研实验等领域有着广泛的应用。特别地，单管燃烧室可以作为热源，用以加热蜂窝体蓄热器、换热管等换热设备。

目前单管燃烧室一般采用燃烧室头部和火焰筒的结构形式。燃烧室头部通过旋流器、径向孔等方式使进入燃烧室的空气产生周向动量，并在这一过程中完成燃料与空气的掺混。空气在离心力的作用下作扩散流动，使燃烧室中心区域出现负压梯度，该压力梯度促使下游气体产生向燃烧室进口流动的区域，从而形成中心回流区。回流作用将下游的高温燃气带入回流区，起到稳定的点火源的作用。

尽管有头部旋流器的存在，但经过燃烧的剧烈释热过程后，由于加热膨胀过程，在燃烧室出口处的旋流强度已大幅减弱。现有单管燃烧室为了避免突出物受到火焰筒内高温燃气的热冲击，一般将火焰筒内壁设计为光滑且顺流的型面。这种情况下，燃烧后的高温燃气以接近射流的方式从单管燃烧室排出，以较高的流速和集中的气流，与燃烧室后换热设备直接进行强烈的冲击换热，下游换热设备将承受极高的热负荷，换热均匀程度也较差。

本发明立足工程实际应用，借鉴旋流器产生扩张气流的思路，在燃烧室出口前设计了带有气膜冷却的旋流叶片，用以使燃烧后的高温燃气产生合适的旋流，以便在燃烧室出口沿径向作扩张流动，使高温燃气在大的径向范围均匀分布，避免出现射流，提高换热均匀度，降低下游换热设备热负荷，提高设备寿命。同时，出口旋流和燃烧室头部旋流器耦合，增强了火焰筒内的旋流强度，缩短火焰长度，使设备更加紧凑，节省空间。考虑到工程实际，本发明设计的液化气喷嘴具有较好通用性，针对不同厂家液化气成分不同，都可保持稳定燃烧。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有单管燃烧室技术的不足，提供一种出口带旋流叶片的液化气燃烧室，通过与燃烧室轴向成一定夹角的旋流叶片，使燃烧后的高温燃气产生偏转，并形成合适的旋流，在燃烧室出口形成扩张流动，从而避免了在燃烧室出口形成强烈的射流，减小了对下游换热设备的热冲击。旋流叶片采用气膜冷却方式，与火焰筒冷却结构耦合，保证了冷却效果，提高叶片使用寿命。燃烧室设计了带有防回火的斜向孔喷嘴，可适用于包含液化气在内的气态燃料，具有很宽的燃料扩展性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种出口带旋流叶片的液化气燃烧室，采用单管圆筒燃烧室结构，由液化气喷嘴、燃烧室机匣、火焰筒和旋流叶片构成；燃烧室空气进口与燃烧室机匣采用焊接连接，用于引导空气进入燃烧室；液化气燃料通过喷嘴的斜向小孔进入燃烧室头部；占总空气量55～75％的空气从内旋流器和外旋流器进入燃烧室直接参与燃烧，通过内旋流器产生的旋流完成与液化气的掺混，通过外旋流器产生的旋流形成回流区以稳定火焰。采用冲击壁-发散壁与叶片气膜孔耦合的方法实现火焰筒和旋流叶片的冷却。依靠电火花点火器点火，在火焰筒内完成燃烧。其中，外旋流器与燃烧室出口旋流叶片的旋向相同，旋流的耦合加强了火焰筒内旋流强度，缩短了火焰长度；燃烧所产生的高温燃气经过旋流叶片时产生较强的旋流流动，从燃烧室出口排出并形成扩张气流，增大出口燃气在空间上的径向分布。

其中，所述旋流叶片的材料为不锈钢，与火焰筒焊接连接，在火焰筒沿周向均匀分布6～15个，其与火焰筒轴向所成夹角为30～75°，其安装位置距燃烧室出口的距离与火焰筒长度之间的比例为0.1～0.4。

其中，所述旋流叶片的基本形状类似扇形，其外半径与火焰筒直径之间的比例为0.53～0.6，内半径与火焰筒直径之间的比例为0.2～0.4，叶片型面夹角为30～60°。旋流叶片采用空心结构，壁厚为0～2mm，壁面间距离与气膜冷却孔直径之间的比例为1～5倍，叶片厚度与壁面间距离的比例为1～2。

其中，所述旋流叶片采用气膜冷却方式，气膜孔直径为0.4～2mm，同一排气膜孔间距为直径的2～4倍。其正对高温燃气的方向开有4～10个叶尖气膜孔；高温燃气流经的一面开有4～10排正面气膜孔，每排5～10个；另一面开有3～7背面气膜孔；叶片底面开有4～10个气膜孔。

其中，所述液化气喷嘴的材料为不锈钢，其锥面有12～20个直径0.4～1mm的斜向孔，斜向孔张角为30～60°。液化气从斜向孔喷射进入内旋流器。喷嘴前端开有1个吹扫孔，直径0.4～2mm。

其中，采用旋流器作为火焰稳定结构，所述内旋流器和外旋流器的旋向相反。

其中，所述冲击发散壁冷却结构，冲击壁开有15～25排冲击孔，孔径0.4～2mm，孔间距与孔径的比例为5～10倍，孔排距与孔径的比例为5～10倍，采用叉排排列。发散壁开有25～50排冲击孔，孔径0.4～2mm，孔间距与孔径的比例为2～5倍，孔排距与孔径的比例为2～5倍，采用叉排排列。冲击壁与发散壁之间的间距与孔径的比例为1～3倍。

其中，所述燃烧室头部的空气量占燃烧室总气量的55～75％，其中内旋流器与外旋流器的空气分配比例为0.15～0.4。

其中，所述冲击-发散壁与叶片气膜孔耦合的冷却结构的空气量占燃烧室总气量的25～45％，其中冲击-发散壁与叶片气膜孔的空气分配比例为1～1.5。

本发明的工作原理：在燃烧室出口前设计了一组旋流叶片，叶片与燃烧室轴向成一定夹角，燃烧后的高温燃气经过旋流叶片时产生偏转，形成合适的旋流，在燃烧室出口形成扩张流动，从而避免了在燃烧室出口形成强烈的射流，减小了对下游换热设备的热冲击。旋流叶片采用气膜冷却方式，在正对高温燃气冲击的叶尖和叶片正面，布置了较多的叶尖气膜孔。气膜孔空气从气膜孔流出后在叶片表面形成冷却气膜，隔绝了高温燃气。旋流叶片气膜冷却与火焰筒冷却结构耦合，保证了冷却效果，提高叶片使用寿命。燃烧室设计了带有防回火的斜向孔喷嘴，可适用于包含液化气在内的气态燃料，具有很宽的燃料扩展性。

本发明与现有技术相比具有的优点如下：

(1)本发明的燃烧室采用旋流叶片引导燃烧后的高温燃气流动，能够使燃气流动发生偏转并形成合适的旋流，在燃烧室出口形成扩张流动，从而降低了对下游换热设备的热冲击；

(2)燃烧室头部外旋流器与燃烧室出口旋流叶片的旋向相同，旋流的耦合加强了火焰筒内旋流强度，缩短了火焰长度；

(3)本发明采用带有防回火的斜向孔喷嘴，该喷嘴结构简单，维护方便，可适用于包含液化气在内的气态燃料，具有很宽的燃料扩展性。

附图说明

图1为本发明的出口带旋流叶片的液化气燃烧室结构示意图；

图2为本发明的出口带旋流叶片的燃烧室进气方式示意图；

图3为本发明的出口带旋流叶片的燃烧室火焰筒结构示意图；

图4为本发明的旋流叶片安装示意图；

图5为本发明的旋流叶片结构示意图，其中，图(a)为旋流叶片正等轴测视图，图(b)为旋流叶片前视图，图(c)为旋流叶片后图，图(d)为旋流叶片俯视图；

图6为本发明的防回火气体燃料喷嘴结构示意图；

图7为本发明的燃烧室头部旋流器旋向示意图；

图中：1为液化气供应路，2为液化气供应路安装法兰，3为燃烧室机匣，4为液化气喷嘴，5为燃烧室头部，6为电火花点火器，7为火焰筒，8为旋流叶片，9为发散壁安装法兰，10为冲击壁安装法兰，11为空气供应路，12为头部隔离段，13为外旋流器，14为头部挡溅盘，15为发散壁，16为冲击壁，17为点火器浮动套，18为冲击孔，19为发散孔，20为内旋流器，21为旋流叶片气膜孔，22为火焰筒内径，23为冲击壁与发散壁间距，24为火焰筒长度，25为旋流叶片距燃烧室出口距离，26为旋流叶片与火焰筒轴向夹角，27为叶尖气膜孔，28为叶片正面气膜孔，29为叶片外半径，30为叶片内半径，31为叶片背面气膜孔，32为叶片型面夹角，33为叶片底部气膜孔，34为叶片内壁面间距，35为叶片厚度，36为喷嘴斜向孔，37为喷组吹扫孔，38为喷嘴斜向孔张角。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1-7所示本实施例所述的一种出口带旋流叶片的液化气燃烧室，采用单管圆筒燃烧室结构，整体采用不锈钢材料，由液化气喷嘴4、燃烧室机匣3、火焰筒7和旋流叶片8构成。液化气燃料通过喷嘴4的斜向小孔进入燃烧室头部。空气从燃烧室空气进口11进入燃烧室，一部分空气从内旋流器20和外旋流器13进入燃烧室直接参与燃烧，通过内旋流器20产生的旋流完成与液化气的掺混，通过外旋流器13产生的旋流形成回流区以稳定火焰。一部分空气依次从冲击壁16、发散壁15与叶片气膜孔21进入火焰筒并进行冷却。依靠电火花点火器6点火，在火焰筒7内完成燃烧。燃烧所产生的高温燃气经过旋流叶片8时产生较强的旋流流动，在燃烧室出口形成扩张气流并排出。

如图1、2所示，液化气进口位于燃烧室前端，液化气喷嘴4与液化气供应路1通过螺纹连接，通过与其焊接的法兰盘和机匣用螺栓连接，液化气供应路安装法兰2与液化气供应路1焊接，并与燃烧室机匣3通过螺栓连接。电火花点火器6通过螺纹连接固定在机匣3上，并由点火器浮动套17与火焰筒7连接；浮动套留有活动余量，因此便于安装且避免热应力。火焰筒7分为冲击壁16和发散壁15两层，分别与冲击壁安装法兰10和发散壁安装法兰9焊接。冲击壁安装法兰10与发散壁安装法兰9进行螺栓连接，发散壁安装法兰通过螺栓与燃烧室机匣3连接，从而实现了火焰筒的定位。火焰筒7与燃烧室头部5通过头部挡溅盘14的螺纹孔使用螺栓连接。

如图2所示，空气供应路11与燃烧室机匣3焊接，引导空气进入燃烧室。空气供应路11与电火花点火器6的安装一定角度，该角度为45～180°，目的是便于安装和操作。

如图3所示，燃烧室头部5由内旋流器20、头部隔离段12和外旋流器13组成，通过点焊连接。内旋流器20采用轴向叶片式旋流器，叶片数量8～15，叶片厚度0.7～1.4mm，叶片夹角35～55°，叶片旋向与外旋流器13相反，有利于空气与燃料的掺混。头部隔离段12上开有25～45个冷却孔，孔径均为0.5～1.5mm，空气冲击挡板以冷却头部隔离段。外旋流器13采用轴向叶片式旋流器，叶片数量16～30，叶片厚度0.7～1.4mm，叶片夹角40～60°，叶片旋向与旋流叶片8相同，避免造成高温燃气壅塞。浮动环焊接在头部挡溅盘14上，压住外旋流器13并留有浮动量，以避免热应力。燃烧室头部5进气占总空气量的55～75％，其中内旋流器20与外旋流器13的空气分配比例为0.15～0.4。火焰筒7由冲击壁15和发散壁16构成，共同组成了冲击-发散壁冷却结构，能够减少冷却气用量，提高冷却效率。冲击壁16开有15～25排冲击孔18，孔径0.4～2mm，孔间距与孔径的比例为5～10倍，孔排距与孔径的比例为5～10倍，采用叉排排列。发散壁15开有25～50排冲击孔18，孔径0.4～2mm，孔间距与孔径的比例为2～5倍，孔排距与孔径的比例为2～5倍，采用叉排排列。冲击壁16与发散壁15之间的间距23与孔径的比例为1～3倍。火焰筒长度24与火焰筒内径22之间的比例为1.25～2，能够平衡燃气停留时间和火焰筒冷却的矛盾，提高燃烧效率。

结合图3、图4和图5，火焰筒7上开有条状槽，旋流叶片8穿过条状槽焊接在火焰筒7上。旋流叶片8在火焰筒沿周向均匀分布6～15个，其与火焰筒轴向所成夹角26为30～75°，其安装位置距燃烧室出口的距离25与火焰筒长度24之间的比例为0.1～0.4。旋流叶片8的基本形状类似扇形，其外半径29与火焰筒直径22之间的比例为0.53～0.6，内半径30与火焰筒直径22之间的比例为0.2～0.4，叶片型面夹角32为30～60°。旋流叶片8采用空心结构，壁厚为0～2mm，内壁面间距34与气膜冷却孔21直径之间的比例为1～5倍，叶片厚度35与壁面间距离34的比例为1～2。旋流叶片的冷却采用气膜冷却方式，气膜孔直径为0.4～2mm，同一排气膜孔间距为直径的2～4倍。其正对高温燃气的方向开有4～10个叶尖气膜孔27；高温燃气流经的一面开有4～10排正面气膜孔28，每排5～10个；另一面开有3～7背面气膜孔31；叶片底面开有4～10个气膜孔32。叶尖和叶片正面直接受到高温燃气的冲击换热，热负荷在整个燃烧室中最为严重，布置更多的气膜孔，有利于改善气膜覆盖，加强叶片冷却。冲击壁16-发散壁15与叶片气膜孔21耦合的冷却结构的空气量占燃烧室总气量的25～45％，其中冲击壁16-发散壁15与叶片气膜孔21的空气分配比例为1～1.5。

液化气喷嘴4的前端设计有锥面，在锥面上开有12～20个直径0.4～1mm的斜向孔36，斜向孔张角(38)为30～60°。液化气从斜向孔喷射进入内旋流器20，并与内旋流器20产生的旋流进行掺混，实现燃料和空气的混合。喷嘴前端开有1个吹扫孔37，直径0.4～2mm，目的是避免发生回火烧坏喷嘴。

Claims (9)

1.一种出口带旋流叶片的液化气燃烧室，其特征在于：采用单管圆筒燃烧室结构，由液化气喷嘴(4)、燃烧室机匣(3)、火焰筒(7)和旋流叶片(8)构成；燃烧室空气进口(11)与燃烧室机匣(3)采用焊接连接，用于引导空气进入燃烧室；液化气燃料通过喷嘴(4)的斜向小孔进入燃烧室头部；占总空气量55～75％的空气从内旋流器(20)和外旋流器(13)进入燃烧室直接参与燃烧，通过内旋流器(20)产生的旋流完成与液化气的掺混，通过外旋流器(13)产生的旋流形成回流区以稳定火焰；采用冲击壁(16)-发散壁(15)与叶片气膜孔(21)耦合的方法实现火焰筒和旋流叶片的冷却；依靠电火花点火器(6)点火，在火焰筒(7)内完成燃烧；其中，外旋流器(13)与燃烧室出口旋流叶片(8)的旋向相同，旋流的耦合加强了火焰筒内旋流强度，缩短了火焰长度；燃烧所产生的高温燃气经过旋流叶片(8)时产生较强的旋流流动，从燃烧室出口排出并形成扩张气流，增大出口燃气在空间上的径向分布。

2.根据权利要求1所述的一种出口带旋流叶片的液化气燃烧室，其特征在于：所述旋流叶片(8)的材料为不锈钢，与火焰筒焊接连接，在火焰筒沿周向均匀分布6～15个，其与火焰筒轴向所成夹角(26)为30～75°，其安装位置距燃烧室出口的距离(25)与火焰筒长度(24)之间的比例为0.1～0.4。

3.根据权利要求1所述的一种出口带旋流叶片的液化气燃烧室，其特征在于：所述旋流叶片(8)的基本形状类似扇形，其外半径(29)与火焰筒直径(22)之间的比例为0.53～0.6，内半径(30)与火焰筒直径(22)之间的比例为0.2～0.4，叶片型面夹角(32)为30～60°；旋流叶片(8)采用空心结构，壁厚为0～2mm，内壁面间距(34)与气膜冷却孔(21)直径之间的比例为1～5倍，叶片厚度(35)与壁面间距离(34)的比例为1～2。

4.根据权利要求1所述的一种出口带旋流叶片的液化气燃烧室，其特征在于：所述旋流叶片(8)采用气膜冷却方式，气膜孔直径为0.4～2mm，同一排气膜孔间距为直径的2～4倍；其正对高温燃气的方向开有4～10个叶尖气膜孔(27)；高温燃气流经的一面开有4～10排正面气膜孔(28)，每排5～10个；另一面开有3～7背面气膜孔(31)；叶片底面开有4～10个气膜孔(32)。

5.根据权利要求1所述的一种出口带旋流叶片的液化气燃烧室，其特征在于：所述液化气喷嘴的材料为不锈钢，其锥面有12～20个直径0.4～1mm的斜向孔(36)，斜向孔张角(38)为30～60°；液化气从斜向孔喷射进入内旋流器(20)；喷嘴前端开有1个吹扫孔(37)，吹扫孔防积碳，直径0.4～2mm。

6.根据权利要求1所述的一种出口带旋流叶片的液化气燃烧室，其特征在于：采用旋流器作为火焰稳定结构，所述内旋流器(20)和外旋流器(13)的旋向相反。

7.根据权利要求1所述的一种出口带旋流叶片的液化气燃烧室，其特征在于：所述冲击壁(16)-发散壁(15)冷却结构，冲击壁(16)开有15～25排冲击孔(18)，孔径0.4～2mm，孔间距与孔径的比例为5～10倍，孔排距与孔径的比例为5～10倍，采用叉排排列。发散壁(15)开有25～50排冲击孔(18)，孔径0.4～2mm，孔间距与孔径的比例为2～5倍，孔排距与孔径的比例为2～5倍，采用叉排排列；冲击壁(16)与发散壁(15)之间的间距(23)与孔径的比例为1～3倍。

8.根据权利要求1所述的一种出口带旋流叶片的液化气燃烧室，其特征在于：所述燃烧室头部(5)的空气量占燃烧室总气量的55～75％，其中内旋流器(20)与外旋流器(13)的空气分配比例为0.15～0.4。

9.根据权利要求1所述的一种出口带旋流叶片的液化气燃烧室，其特征在于：所述冲击(16)-发散壁(15)与叶片气膜孔(21)耦合的冷却结构的空气量占燃烧室总气量的25～45％，其中冲击壁(16)-发散壁(15)与叶片气膜孔(21)的空气分配比例为1～1.5。