CN104896511A - 一种用于低排放燃烧室的燃油预混装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于低排放燃烧室的燃油预混装置，包括文氏管孔预混块和液态燃油喷嘴。文氏管孔预混块内部开有均匀分布的文氏管孔和防回火孔，液态燃油喷嘴与油管联通，喷嘴伸入文氏管孔预混块内的喉道中心，液态燃油由燃油喷嘴喷出。热空气进入气流流道后绕过油管和喷嘴，进入文氏管孔，利用文氏管孔对热空气的加速作用，液态燃油在喉道中心处迅速雾化蒸发，并且随着气流均匀喷射，在装置的下游形成均匀分布的油气混合物。本发明应用于需要液态燃油均匀分布的燃气轮机燃烧室里，使燃料均匀掺混，减小局部富油区，降低NOx的排放。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料预混装置，特别涉及一种用于低排放燃烧室的燃油预混装置。
背景技术
燃气轮机广泛应用于发电、热电联供、管输动力和船舶等工业领域。燃气轮机有着结构简单、重量轻、效率高以及安装建设周期短等优点。
燃气轮机燃烧室的主要污染排放物主要包括一氧化碳CO、未燃碳氢UHC、氮氧化物NOx和冒烟，其中对于NOx排放的控制越来越严格。我国《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223-2011)规定：燃料为燃油的燃气轮机NOx排放不得高于120mg/m3(约60ppm)。燃油对于NOx主要是由于燃烧室内的高温环境造成的，因此控制燃烧区的温度，避免形成局部高温区，成了低污染燃烧室的一个关键设计理念。控制燃烧区的温度，不仅要控制整个燃烧区的总油气比，更为核心的措施是控制局部的油气比，即燃油蒸汽在整个燃烧区均匀分布。预混预蒸发方式是将燃油预先与空气充分混合并蒸发完全，然后以一种接近于气态燃料且空间分布非常均匀的状态在贫油的油气比下燃烧，但是这种方式在较高的进口压力和温度下存在燃料回火的风险。本发明由预混预蒸发的概念上，采用了防回火的多点喷射方式，提出了一种新的燃油预混的技术方案，本方案能够提供分布更加均匀的油气比，减小局部富油区，从而达到减少NOx排放的目的。本发明适用于低排放燃气轮机，NOx的排放量符合国家标准。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：能够在一定的空间内，实现液态燃油与热空气迅速掺混，并在全局范围内形成均匀的油气混合物。克服现有的技术问题，消除局部富油区，提供一种用于低排放燃烧室的燃油预混装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：总体水平放置，在气路通道中安装文氏管孔预混块，文氏管孔预混块垂直于气流速度方向上通过打孔的方式布置文氏管孔和防回火孔。文氏管孔之间按照一定的纵向和横向距离均匀布置。文氏管孔之间形成的空隙处，均匀布置防回火孔。热空气分两部分进入文氏管孔预混块；一部分空气流入文氏管孔，并且在文氏管孔收缩段的作用下加速，在喉道处气流速度达到最大；另一部分空气经过防回火孔在文氏管孔预混块末端流出并掺混。喷嘴方向同油管长轴方向垂直，以等间距的方式安装在油管上，油管同油箱相联通。喷嘴伸入文氏管孔收缩段，前端同喉道对齐，出油位置为喉道的几何轴心。液态燃油通过油箱进入油管，从均匀布置的喷嘴均匀喷出，在喉道加速的热空气作用下迅速雾化和蒸发，气态的液态燃油同热空气在扩张段混合减速，最后与防回火孔喷出的空气掺混排出，形成均匀的油气混合物。
所述喉道直径范围为4～7mm，文氏管孔长度与喉道直径的比值范围为3～6，喉道长度与喉道直径的比值范围为0.2～0.8，文氏管孔收缩段张角范围为8～15°，文氏管孔扩张段张角范围为6～15°；文氏管孔入口圆角半径范围为0.2～0.6mm。
所述每个文氏管孔之间横向间距与喉道直径的比值范围为1.2～2.4，纵向间距与喉道直径的比值范围为1.2～2.8。
所述防回火孔之间的横向间距与喉道直径的比值范围为1.2～2.4，纵向间距与喉道直径的比值范围为1.2～2.8，直径与喉道直径的比值范围为0.3～0.8。防回火孔与相邻文氏管孔之间的中心孔间距同喉道直径之比范围为0.8～1.5。
所述空气进口温度范围为650～850K，压力范围为0.3～1.5Mpa，流量范围为0.40～0.80kg/s，速度范围为70～100m/s。
所述喷嘴内径与喉道直径的比值范围为0.1～0.18，喷嘴外径与喉道直径的比值范围为0.14～0.24，喷嘴长度与喉道直径的比值范围为2.8～3.8。
本发明的工作原理：当热空气流过气流通道之后，绕过形成一定阻塞比的表面光滑的油路管道之后，大部分流入在气流通道横截面均匀分布的文氏管孔，少部分流入文氏管孔之间的防回火孔。由于文氏管孔收缩段气流通道横截面积减小，热空气在收缩段进行加速(不超过当地声速)，在喉道处空气速度达到最大。喷嘴安装位置与文氏管孔的中心轴线同轴，出油位置在喉道前；液态燃油从喷嘴喷出，液态燃油喷射速度矢量同空气流速方向一致。一方面喉道的静压达到最低，形成一定的真空度，液态燃油在高速气流冲击和真空度的膨胀作用下，迅速的雾化成为颗粒度很小的液态燃油液滴；另一方面热空气加热液态燃油的温度迅速提升到临界温度以上，已经雾化的液态燃油颗粒立即蒸发，并且随着高速气流，流出喉道进入文氏管孔的扩张段。扩张段的油气混合物逐渐减速后喷出，在均匀分布的文氏管孔后方通道里形成均匀的掺混气流。流入文氏管孔之间的防回火孔的热空气，吹走形成于文氏管孔扩张通道后方形成的低速回流区，防止回火。
本发明与现有技术相比具有的优点如下：
(1)本发明采用文氏管原理，热空气在喉道加速形成真空度，能够使液态燃油迅速雾化蒸发，并且同热空气进行掺混；提高了液态燃油和空气混合的均匀度。
(2)本发明采用带防回火孔的多点预混方式，相比传统预混装置提高了安全性。
(3)本发明用于低排放燃烧室的燃油预混装置易于加工制造。
附图说明
图1为本发明的核心系统结构示意图；
图2为本发明的文氏管孔结构示意图；
图3为本发明的喷嘴结构示意图；
图4为本发明的文氏管孔同喷嘴装配结构示意图；
图5为本发明的用于低排放燃烧室的燃油预混装置总体结构示意图；
图中：1为文氏管孔预混块，2为文氏管孔，3为防回火孔，4为喷嘴，5为油管，6为喉道，7为文氏管孔长度，8为喉道直径，9为喉道长度，10为文氏管孔收缩段张角，11为文氏管孔扩张段张角，12为文氏管孔入口圆角，13为喷嘴内径，14为喷嘴外径，15为喷嘴长度，16为油箱，17为空气档板，18为空气入口，19为空气出口，20为预混装置。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例采用多点喷射的预混方式，燃油预混装置核心系统包括文氏管孔预混块1、喷嘴4和油管5。文氏管孔预混块1包括文氏管孔2和防回火孔3，材料为不锈钢。文氏管孔2是由以打孔的方式均匀布置排列在文氏管孔预混块1内，行数范围为2～5，列数范围为8～12。文氏管孔2之间空隙部位通过打孔的方式形成防回火孔3。液态燃油由喷嘴4在喉道6前喷射入文氏管孔预混块1。热空气在绕过油管5和喷嘴4之后分股进入文氏管孔2和防回火孔3，在喉道6处加速；加速的热空气造成了喉道处的静压降低，形成了一定的真空度。在喉道6处的液态燃油在加速的热空气的作用下迅速雾化、蒸发并且同热空气进行掺混。油气混合物流出喉道6之后进入文氏管孔扩张段，气流减速通过文氏管孔2。另一股流入防回火孔3的空气吹走文氏管孔2末端之间空隙处的低速回流油气混合物，防止发生回火。
如图2所示，文氏管孔长度7与喉道直径8的比值范围为3～6，喉道长度9与喉道直径8的比值范围为0.2～0.8，文氏管孔收缩段张角10范围为8～15°，文氏管孔扩张段张角11范围为6～15°。文氏管孔入口处采用了倒圆角的工艺处理，目的是使进入文氏管孔2的气流更加平整，文氏管孔入口圆角12半径范围为0.2～0.4mm。
如图3所示，喷嘴4是细长直管。喷嘴4以等间距排列的方式定位焊接在油管5管壁侧面，喷嘴4的中心轴线同油管5的中心轴线垂直并且相交，每根油管5上安装的喷嘴4个数范围为2～5个；喷嘴4和油管5的材料均为不锈钢。
如图4所示，喷嘴4的中心轴线同文氏管孔2的中心中心轴线重合，喷嘴4的出油端同喉道6前端面对齐；液态燃油的喷射方向同气流速度同向，喷嘴4喷射位置为文氏管孔2收缩段末端即喉道6前的中心处。
如图5所示。经过加热的空气从空气入口18进入预混装置20，空气流量和温度能够自行调节和控制。空气挡板17安装在油箱16下方形成的空间，下端与流道内部通道平行，目的是阻止空气在油箱16下方形成涡。油管5以焊接的方式同油箱16相连，油箱16内部装有液态燃油，由每个油管的油路阀门对各自通过油管的液态燃油的流量进行控制。液态燃油通过油管5进入喷嘴4并从末端喷射进入文氏管孔预混块1。在文氏管孔预混块1完成均匀掺混的油气混合物通过空气出口19排出。
Claims (9)
1.一种用于低排放燃烧室的燃油预混装置，包括文氏管孔预混块(1)、喷嘴(4)和油管(5)；其特征在于：文氏管孔预混块(1)包括文氏管孔(2)以及防回火孔(3)，文氏管孔(2)是以打孔的方式均匀布置在文氏管孔预混块(1)内，行数范围为2～5，列数范围为8～12；每个文氏管孔(2)之间空隙部位通过打孔的方式形成防回火孔(3)；喷嘴(4)均匀分布并且垂直安装在油管(5)管壁上，个数与文氏管孔一致；喷嘴(4)的出油端位于喉道(6)前；从空气入口(18)进入的热空气，在绕过油管(5)和喷嘴(4)之后进入文氏管孔(2)和防回火孔(3)，在喉道(6)处加速；液态燃油流过油管(5)从喷嘴(4)喷射，液态燃油在加速的热空气的作用下迅速雾化、蒸发并且同空气掺混；流过防回火孔(3)的空气吹走相邻文氏管孔扩张段之间空隙处的回流油气混合物，防止发生回火；最后完成预混的油气混合物由文氏管孔预混块(1)末端喷出。
2.根据权利要求1所述的一种用于低排放燃烧室的燃油预混装置，其特征在于：所述喉道直径(8)范围为4～7mm，文氏管孔长度(7)与喉道直径(8)的比值范围为3～6，喉道长度(9)与喉道直径(8)的比值范围为0.2～0.8，文氏管孔收缩段张角(10)范围为8～15°，文氏管孔扩张段张角(11)范围为6～15°；文氏管孔入口圆角(12)半径范围为0.2～0.6mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于低排放燃烧室的燃油预混装置，其特征在于：所述每个文氏管孔(2)之间横向间距与喉道直径(8)的比值范围为1.2～2.4，纵向间距与喉道直径(8)的比值范围为1.2～2.8。
4.根据权利要求1所述的一种用于低排放燃烧室的燃油预混装置，其特征在于：所述防回火孔(3)之间的横向间距与喉道直径(8)的比值范围为1.2～2.4，纵向间距与喉道直径(8)的比值范围为1.2～2.8，直径与喉道直径(8)的比值范围为0.3～0.8。
5.根据权利要求1所述的一种用于低排放燃烧室的燃油预混装置，其特征在于：所述防回火孔(3)与相邻文氏管孔(2)之间的中心孔间距同喉道直径(8)之比范围为0.8～1.5。
6.根据权利要求1所述的一种用于低排放燃烧室的燃油预混装置，其特征在于：进入文氏管孔预混块(1)的热空气温度范围为650～850K，热空气压力范围为0.3～1.5Mpa。
7.根据权利要求1所述的一种用于低排放燃烧室的燃油预混装置，其特征在于：进入文氏管孔预混块(1)的热空气总流量范围为0.40～0.80kg/s，进入文氏管孔(2)之前的热空气速度范围为70～110m/s。
8.根据权利要求1所述的一种用于低排放燃烧室的燃油预混装置，其特征在于：所述喷嘴内径(13)与喉道直径(8)的比值范围为0.1～0.18，喷嘴外径(14)与喉道直径(8)的比值范围为0.14～0.24，喷嘴长度(15)与喉道直径(8)的比值范围为2.8～3.8。
9.根据权利要求1所述的一种用于低排放燃烧室的燃油预混装置，其特征在于：所述喷嘴(4)的中心轴线同文氏管孔(2)的中心轴线重合；一列文氏管孔(2)对应一根油管(5)，一个文氏管孔(2)对应一个喷嘴(4)。
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