CN105485722A - 一种可引射流体的大角度扩张段燃烧器 - Google Patents

一种可引射流体的大角度扩张段燃烧器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可引射流体的大角度扩张段燃烧器，包括：燃烧器扩张段，用于进行稳定燃烧；引射喷嘴，其设于所述燃烧器的入口，用于引射燃烧器出口附近的流体；火焰稳定性监测装置，其位于燃烧器扩张段附近，用于监测火焰的稳定性；控制器，用于基于火焰稳定性监测装置监测到的火焰的稳定性，发出控制信号；以及驱动器，用于基于控制器发出的控制信号驱动引射喷嘴上下运动。本发明的一种可引射流体的大角度扩张段燃烧器可用于航空、化工、发电、冶金等行业，能够解决燃烧不稳定性问题，同时可以减小燃烧室轴向尺寸、提高燃烧效率、降低燃烧污染物排放。

Description

一种可引射流体的大角度扩张段燃烧器
技术领域
本发明涉及燃烧装置领域，特别是涉及一种可引射流体的大角度扩张段燃烧器。
背景技术
燃气轮机由于单机体积小和输出功率大等特点，广泛应用于电力、航空、石油化工等行业。由于能源危机和环境恶化，急需发展高效清洁燃烧室，要求燃烧室具有点火可靠、燃烧稳定、效率高及低排放等特性。当前我国环境污染问题十分严重，发展燃气轮机清洁燃烧技术十分迫切。燃气轮机厂商已经开发了多种清洁燃烧技术，如贫预混燃烧技术、稀相预混预蒸发技术、贫油直喷技术以及催化燃烧技术等，这些技术虽然可以有效降低污染物的排放，但都面临燃烧不稳定的问题。如美国通用公司开发的一种用于液体燃料燃烧的径向分级燃烧技术，可以有效降低一氧化氮排放。但是，由于主火焰稳定在剪切层的低速边沿，剪切层低速区域附近会产生周期性的涡脱落，在稳定点附近易产生振荡，在非设计工况运行时易发生燃烧不稳定现象。
与燃气轮机燃烧器类似，其它各类工业燃烧器也面临着稳定燃烧与降低污染物排放的矛盾。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种可引射流体的大角度扩张段燃烧器，能够稳定燃烧并降低污染物排放。
(二)技术方案
根据本发明的第一方面，提供一种可引射流体的大角度扩张段燃烧器，包括：
燃烧器扩张段，用于进行稳定燃烧；
引射喷嘴，其设于所述燃烧器的入口，用于引射燃烧器出口附近的流体；
火焰稳定性监测装置，其位于燃烧器扩张段附近，用于监测火焰的稳定性；
控制器，用于基于火焰稳定性监测装置监测到的火焰的稳定性，发出控制信号；以及
驱动器，用于基于控制器发出的控制信号驱动引射喷嘴上下运动。
优选地，所述燃烧器扩张段的内壁上设有多个扩张段吸孔，所述燃烧器还包括多根引流管，所述多根引流管的引流管入口与所述多个扩张段吸孔连通，所述多根引流管的引流管出口开设于所述燃烧器的入口的腔体的壁上。
优选地，当引射喷嘴运动到上限的位置时，引射喷嘴的出口外边缘与燃烧器的入口的腔体内壁接触，此时引流体量为零；当引射喷嘴运动到下限的位置时，引射喷嘴的出口截面与引流管出口上边缘处于同一水平面，此时引流体量最大。
优选地，引流管数量为1‐100个。
优选地，引流管直径为0.1mm‐10mm。
优选地，扩张段吸孔形状为圆形、三角形、正方形、长方形、多边形中的至少之一。
优选地，当扩张段吸孔形状为圆形时，扩张段吸孔直径为0.1mm‐10mm；当扩张段吸孔形状为三角形、正方形、长方形、多边形中的至少之一时，扩张段吸孔边长为0.1mm‐10mm。
优选地，引射喷嘴的进口流体是空气、燃气、空气与燃气混合物、空气与燃油混合物、空气与煤粉混合物之一。
优选地，所述燃烧器扩张段扩张角度为30度至170度。
优选地，所述驱动器包括：
螺杆，用于带动引射喷嘴的上下运动；以及
步进电机，用于基于控制器发出的控制信号驱动螺杆。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过引射燃烧器扩张段附近的流体可以形成回流区，可以使流体吸附在扩张段表面上、抑制大扩张角度扩张段上的流动分离、防止火焰被吹熄，增强燃烧稳定性、减小燃烧室轴向尺寸；
(2)本发明通过引射燃烧器出口流体可以预热参与燃烧的反应物，提高燃烧效率；
(3)本发明通过引射燃烧器出口流体可以使未充分燃烧的物质再次参与燃烧，提高燃烧效率；
(4)本发明通过引射燃烧器出口流体可以稀释参与燃烧的反应物，降低燃烧污染物排放；
(5)本发明通过监测燃烧状态，在单片机控制下自动调整引射流体量，可以实现对燃烧的自动调控。
附图说明
图1为根据本发明实施例的一种可引射流体的大角度扩张段燃烧器的结构示意图。
图2为图1所示燃烧器的三维轮廓图(内部结构不可视)。
图3为图1所示燃烧器的三维结构图(内部结构可视)。
图4为图1所示燃烧器的流体流动示意图。
图5为图1所示燃烧器无法引射流体的示意图。
图6为图1所示燃烧器引射最大量流体示意图。
附图标号说明
1-扩张段；2-引流管；3-引射喷嘴；4-反应物入口；5-扩张段吸孔；6-引流管入口；7-引射喷嘴出口；8-引流管出口；9-法兰安装孔；10-火焰稳定性监测装置；11-控制器；12-步进电机；13-螺杆。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。在本发明的附图中，相同的标号表示相同的部件。
在根据本发明的可引射流体的大角度扩张段燃烧器中，利用参与燃烧反应的流体引射燃烧器扩张段附近的流体，在控控制器(例如单片机)控制下，根据燃烧状态自动控制引射气体量，可以使流体吸附在扩张段表面上、抑制大扩张角度扩张段上的流动分离、预热燃烧反应物、促进燃烧区流体掺混、改善燃烧状态、增强燃烧稳定性、缩短火焰长度，达到拓宽燃烧器稳定运行范围、提高燃烧效率、减小燃烧器尺寸和降低污染物排放的效果。在提高燃烧效率和降低污染物排放的同时，增强燃烧稳定性。
图1为根据本发明实施例的一种可引射流体的大角度扩张段燃烧器的结构示意图。
图2为图1所示燃烧器的三维轮廓图(内部结构不可视)。
图3为图1所示燃烧器的三维结构图(内部结构可视)。
图4为图1所示燃烧器的流体流动示意图。
图5为图1所示燃烧器无法引射流体的示意图。
图6为图1所示燃烧器引射最大量流体示意图。
如图1-6所示，根据本发明的一个实施例的一种可引射流体的大角度扩张段燃烧器，包括：
燃烧器扩张段1，用于进行稳定燃烧；
引射喷嘴3，其设于所述燃烧器的入口，用于引射燃烧器出口附近的流体；
火焰稳定性监测装置10，其位于燃烧器扩张段1附近，用于监测火焰的稳定性；
控制器11，用于基于火焰稳定性监测装置10监测到的火焰的稳定性，发出控制信号；以及
驱动器12、13，用于基于控制器11发出的控制信号驱动引射喷嘴3上下运动。
优选地，所述燃烧器扩张段1的内壁上设有多个扩张段吸孔5，所述燃烧器还包括多根引流管2，所述多根引流管2的引流管入口6与所述多个扩张段吸孔5连通，所述多根引流管2的引流管出口8开设于所述燃烧器的入口的腔体的壁上。
优选地，如图5所示，当引射喷嘴3运动到上限的位置时，引射喷嘴3的出口7外边缘与燃烧器的入口的腔体内壁接触，此时引流体量为零。优选地，如图6所示，当引射喷嘴运动到下限的位置时，引射喷嘴3的出口7截面与引流管出口8上边缘处于同一水平面，此时引流体量最大。
优选地，引流管2数量为1‐100个。优选地，引流管2直径为0.1mm‐10mm。
优选地，扩张段吸孔5形状为圆形、三角形、正方形、长方形、多边形中的至少之一。优选地，当扩张段吸孔5形状为圆形时，扩张段吸孔5直径为0.1mm‐10mm；当扩张段吸孔5形状为三角形、正方形、长方形、多边形中的至少之一时，扩张段吸孔5边长为0.1mm‐10mm。
优选地，引射喷嘴3的进口流体(引射器驱动流体)是空气、燃气、空气与燃气混合物、空气与燃油混合物、空气与煤粉混合物之一。
优选地，所述燃烧器扩张段1扩张角度为30度至170度。
优选地，所述驱动器包括：螺杆13，用于带动引射喷嘴3的上下运动；以及步进电机12，用于基于控制器11发出的控制信号驱动螺杆13。优选地，所述控制11为单片机。在一个优选实施例中，步进电机12可以在单片机11控制下运行，也可以手动操作，手动操作时只需切断单片机11、步进电机12电源即可。
优选地，燃烧器扩张段1的加工材料为陶瓷、石英玻璃、不锈钢、耐高温合金。
本发明的核心思想是在燃烧器扩张段上开孔，通过引流管将扩张段腔体与燃烧器入口腔体相互连通，在燃烧反应物射流的引射作用下可以将扩张段附近的流体吸入到燃烧器入口的腔体中，这部分被引射流体与引射器入口流体相混合进入燃烧器扩张段参与燃烧。根据燃烧状态利用单片机实现引射流体流量的自动控制。从而达到抑制扩张段上的流动分离、防止燃烧器熄火、增强燃烧稳定性的目的，同时还可以获得减小燃烧室轴向尺寸、提高燃烧效率和降低污染物排放的效果。
在一个优选实施例中，结合图4对燃烧器具体工作原理加以说明，引射器设计在燃烧器的中部，引射器驱动流体由引射器喷嘴入口4进入燃烧器，并由引射器喷嘴出口7射出，这样就可以从引流管出口8及其上游的扩张段吸孔5吸入流体，这两股流体掺混一起进入燃烧器扩张段参与燃烧反应，由此可见引射器喷嘴3进入的流体既是引射器的驱动流体也是参与燃烧的反应物，可以是空气或者是燃气、也可以是空气与油的混合物、空气与煤粉的混合物等。引射器的具体工作原理为业界熟知，这里不再赘述。被引射流体来源有两个部分：一是引射器驱动流体与吸入流体混合后的流体；二是燃烧产物。通过引射扩张段附近的流体可带来五方面益处：一是抑制扩张段上的流动分离，这样可以采用大扩张角的扩张段，采用大角度扩张段可以降低火焰的高度，降低燃烧室的轴向尺寸；二是形成的回流区可以防止火焰被吹熄、促进掺混、增强燃烧稳定性；三是被引射的流体温度较高，可以预热反应物，进而提高燃烧效率；四是可以使未完全燃烧的物质再次参与燃烧，进而提高燃烧效率；五是燃烧产物中的氮气、水蒸气、二氧化碳的回流，可以稀释燃烧反应物，有助于降低燃烧污染物的生成。
在一个优选实施例中，结合图1、图5和图6对本发明专利实现燃烧的自动控制的原理加以说明：在引射喷嘴3入口段加工有螺纹并与螺杆13相互咬合；螺杆13可在步进电机12驱动下转动，进而带动引射喷嘴3的上下运动；图5和图6给出了引射喷嘴3上下运动极限位置示意图；图5为引射喷嘴3达到上限的位置，此时引射喷嘴出口外边缘与引射器腔体内壁接触，无法吸入流体，此时引射器处于不工作状态；图6为引射喷嘴3达到下限的位置，此时引射器喷嘴出口截面与被引射流体吸入孔上边缘处于同一水平面，此时引流体量最大。
在一个优选实施例中，结合图1和图4对本发明专利实现燃烧的自动控制的过程加以说明：燃烧器开始运行前，引射喷嘴3的起始位置设定为图5所示的上限位置、或者是上限(图5)和下限(图6)之间的某一位置；该自动控制系统工作时，首先由火焰稳定性监测装置10检测火焰的稳定性，该火焰稳定性监测装置以及火焰稳定性判定方法可以是基于压力波动测量、或者是基于图像分析处理方法、或者是基于气体成分测试等业界成熟的技术手段，这些细节超出了本发明范围，这里不再赘述。火焰处于不稳定状态时，单片机11发出指令驱动步进电机12带动螺杆13转动，使引射喷嘴3向下运动，这样可以使吸入流体流量增大，使回流区增大，进而防止火焰被吹熄，增强燃烧稳定性而后，火焰稳定性监测装置10检测到火焰已经稳定或者引射喷嘴3已经处于图6所示的下限位置，单片机发出停止步进电机转动的指令。火焰处于稳定状态时，单片机11发出指令驱动步进电机12带动螺杆13转动，使引射喷嘴3向上运动，这样可以使吸入流体流量减少。而后，火焰稳定性监测装置10检测到火焰已经不稳定或者引射喷嘴3已经处于图5所示的上限位置，单片机发出停止步进电机转动的指令。燃烧器停止工作后，由单片机发出指令带动步进电机使引射喷嘴3恢复到燃烧器运行前的初始位置。至此，对本发明的自动控制过程作了完整描述。当然，也可以根据燃烧状态手动调节步进电机来控制引射喷嘴3的位置。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种可引射流体的大角度扩张段燃烧器有了清楚的认识。
综上所述，本发明的一种可引射流体的大角度扩张段燃烧器可用于航空、化工、发电、冶金等行业，能够解决燃烧不稳定性问题，同时可以减小燃烧室轴向尺寸、提高燃烧效率、降低燃烧污染物排放。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可引射流体的大角度扩张段燃烧器，其特征在于，包括：
燃烧器扩张段，用于进行稳定燃烧；
引射喷嘴，其设于所述燃烧器的入口，用于引射燃烧器出口附近的流体；
火焰稳定性监测装置，其位于燃烧器扩张段附近，用于监测火焰的稳定性；
控制器，用于基于火焰稳定性监测装置监测到的火焰的稳定性，发出控制信号；以及
驱动器，用于基于控制器发出的控制信号驱动引射喷嘴上下运动。
2.根据权利要求1所述的大角度扩张段燃烧器，其特征在于，所述燃烧器扩张段的内壁上设有多个扩张段吸孔，所述燃烧器还包括多根引流管，所述多根引流管的引流管入口与所述多个扩张段吸孔连通，所述多根引流管的引流管出口开设于所述燃烧器的入口的腔体的壁上。
3.根据权利要求2所述的大角度扩张段燃烧器，其特征在于，当引射喷嘴运动到上限的位置时，引射喷嘴的出口外边缘与燃烧器的入口的腔体内壁接触，此时引流体量为零；当引射喷嘴运动到下限的位置时，引射喷嘴的出口截面与引流管出口上边缘处于同一水平面，此时引流体量最大。
4.根据权利要求2所述的大角度扩张段燃烧器，其特征在于，引流管数量为1‐100个。
5.根据权利要求2所述的大角度扩张段燃烧器，其特征在于，引流管直径为0.1mm‐10mm。
6.根据权利要求2所述的大角度扩张段燃烧器，其特征在于，扩张段吸孔形状为圆形、三角形、正方形、长方形、多边形中的至少之一。
7.根据权利要求6所述的大角度扩张段燃烧器，其特征在于，当扩张段吸孔形状为圆形时，扩张段吸孔直径为0.1mm‐10mm；当扩张段吸孔形状为三角形、正方形、长方形、多边形中的至少之一时，扩张段吸孔边长为0.1mm‐10mm。
8.根据权利要求1所述的大角度扩张段燃烧器，其特征在于，引射喷嘴的进口流体是空气、燃气、空气与燃气混合物、空气与燃油混合物、空气与煤粉混合物之一。
9.根据权利要求1所述的大角度扩张段燃烧器，其特征在于，所述燃烧器扩张段扩张角度为30度至170度。
10.根据权利要求1所述的大角度扩张段燃烧器，其特征在于，所述驱动器包括：
螺杆，用于带动引射喷嘴的上下运动；以及
步进电机，用于基于控制器发出的控制信号驱动螺杆。
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