CN105737203A - 一种旋流器及采用其的预混燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种旋流器，包括外壁、内壁和布置在外壁和内壁之间的旋流叶片，旋流叶片包含沿圆周方向布置的大、小两种叶片，且大、小叶片均包括与中心线平行的直叶片段和与中心线具有夹角的弯叶片段。以及一种带有该旋流器的预混燃烧器，包括该预混燃烧器的燃气轮机、锅炉、内燃机或航空发动机。本发明的大叶片直叶片段主要起整流作用，大叶片弯叶片段用于调整气流方向；小叶片用于调整大叶片间的气流速度分配，消除低速气流区域，有利于消除回火现象。

Description

一种旋流器及采用其的预混燃烧器

技术领域

本发明涉及一种燃烧器，具体地是涉及一种旋流器及采用其的预混燃烧器。

背景技术

经常出现的雾霾、酸雨等现象，严重影响了人们的生活，使得人们不得不高度重视环境问题。调查发现产生雾霾、酸雨等现象的污染物主要来自燃气轮机、锅炉、内燃机和航空发动机等设备的燃烧过程。国家为控制燃烧设备的污染排放物制定了严格的标准，不符合标准的设备将逐渐被淘汰。因此相关厂商都在努力研发新燃烧技术以降低排放物。燃气轮机燃烧室、锅炉等采用的燃烧模式通常是扩散燃烧，其主要的污染排放物是一氧化碳(CO)、氮氧化物(NO_X)和未燃碳氢(UHC)。当前，CO和UHC的排放通过技术进步已经符合相关国家标准，需要严格控制的排放物是NO_X。NO_X的生成机理包括：热力型、快速型和燃料型，其中热力型机理是当前燃烧设备生成NO_X的主要机理。热力型NO_X来自高温环境下空气中的氮气与氧气的反应，因此降低NO_X的主要措施是降低燃烧过程中火焰的温度，普遍措施是采用预混燃烧。预混燃烧是指在燃烧反应前燃料已与空气充分混合形成了可燃混合气，在火焰稳定装置的作用下形成火焰温度低于绝热火焰温度的燃烧。

旋流器是燃气轮机燃烧室或燃气锅炉中稳定火焰的关键部件，其主要作用是在旋流器下游产生回流区8为燃烧提供稳定的点火源。图1是带常规旋流器的燃烧器基本结构，它由外壁1、中心体3和旋流器2三部分组成。扩散燃烧时，燃料通过中心体3内通道从中心体端面3b的燃料喷孔喷出后与通过旋流器的空气混合形成扩散火焰7，此时旋流叶片通道内是空气，没有燃料，因此火焰不会沿着空气通道向上游传播，即不会发生回火。然而对于预混燃烧而言，燃料会喷注在旋流器上游的气流5内，因此从旋流叶片通道流出的是空气与燃料混合后的可燃气体。该可燃气体形成的火焰正常情况下会稳定在旋流器下游流速与火焰传播速度相匹配的低速区域，但是在出现压力波动、燃烧振荡等情况下火焰可能沿旋流通道向上游传播，并稳定在上游中能与火焰传播相匹配的低速区域如旋流叶片背风侧的低速区，也就是发生回火、挂火现象。回火一旦发生，可在短时间内烧毁旋流叶片以及旋流通道等燃烧设备，甚至会引起爆炸等灾难性后果。这是预混燃烧面临的一个主要问题，通常的解决措施和不利影响是：(1)在中心体端面3b保留少量的燃料喷射，形成扩散火焰，保持火焰稳定，但却会增加局部高温区域，不利于降低NO_X；(2)增加预混通道内的气体流速，防止火焰向上游传播，然而其不会消除在旋流叶片背部形成低速区甚至回流涡，这些区域仍会成为回火后火焰的驻定区域；(3)增加旋流器2的叶片9尾缘与中心体端面3b的距离，但是会增加燃烧器的长度还可能诱发边界层回火。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种旋流器及采用其的预混燃烧器。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明公开了一种旋流器，包括外壁、内壁和布置在所述外壁和内壁之间的旋流叶片，其特征在于：所述旋流叶片包括大尺寸旋流叶片和小尺寸旋流叶片两种，其中所述大尺寸旋流叶片的长度大于所述小尺寸旋流叶片；以及

所述小尺寸旋流叶片布置在相邻两片所述大尺寸旋流叶片之间周向方向的任意位置上，且所述小尺寸旋流叶片的数量小于或等于所述大尺寸旋流叶片的数量。

其中，所述大尺寸旋流叶片包括直叶片段和弯叶片段，所述直叶片段的长度方向与所述旋流器的中心线平行，所述弯叶片段与所述旋流器的中心线的夹角J1为5～80度；

所述大尺寸旋流叶片的所述直叶片段优选是空心结构，燃料气能够从所述旋流器的内壁或外壁进入所述直叶片段内并从所述直叶片段侧面的小孔喷出。

其中，所述小尺寸旋流叶片包括直叶片段和弯叶片段，其由所述旋流器的外壁内表面开始向内延伸，延伸至所述旋流器的外壁内表面与内壁外表面间的任意高度且不小于所靠近的所述大尺寸旋流叶片高度的1/10。

其中，所述小尺寸旋流叶片的所述直叶片段与所述旋流器的中心线平行，长度大于等于0，且小于所述大尺寸旋流叶片的直叶片段的长度；所述小尺寸旋流叶片的所述弯叶片段的长度小于所述大尺寸旋流叶片弯叶片段的长度，所述小尺寸旋流叶片的所述弯叶片段与所述旋流器的中心线夹角J2为5～80度；

所述小尺寸旋流叶片的所述弯叶片段上优选布置有若干小孔，用于将迎风侧的气流引向背风侧。

其中，所述旋流器外壁与内壁的当量直径之比为1.5～5，优选为2。

作为本发明的另一个方面，本发明还公开了一种预混燃烧器，包括中心体和如上所述的旋流器，其中，所述中心体的外壁与所述旋流器的内壁是同一壁面，或者所述中心体与所述旋流器的内壁是装配关系，且其外形与所述旋流器的内壁形状相一致，所述旋流器环绕所述中心体设置。

其中，所述中心体是以所述旋流器的中心线为中心线的圆柱或圆台；

所述中心体内部优选存在多个通道，其中一个通道优选从所述中心体前端面的入口供入燃料，然后从所述通道后端的对应出口喷出，在所述燃烧器预混燃烧进行前起到扩散火焰的作用；其中一个通道优选从所述中心体前端面的入口供入冷却气，然后从所述通道后端的对应出口喷出，对所述中心体进行冷却。

其中，所述旋流器的外壁内包含若干通道，用于供入燃料或者供入空气，经由中空的所述旋流叶片进入所述旋流器的外壁内表面与内壁外表面之间形成的环形通道内。

其中，所述中心体的后端面与所述预混燃烧器的外壁后端面的距离X大于等于0，且小于4倍的所述中心体的当量直径φd。

作为本发明的再一个方面，本发明还公开了一种包括如上所述的预混燃烧器的燃气轮机、锅炉、内燃机或航空发动机。

基于上述技术方案可知，本发明相对于现有的预混燃烧技术具有如下优点：(1)减小或消除了旋流器旋流叶片通道内的低速区，避免了回火和挂火的风险；(2)可以运行在更低平均流速条件下，使得燃烧器功率调整更加方便，燃烧更稳定；(3)可以运行在更高的燃料和空气混合比例下，而不发生回火现象。

附图说明

图1是现有技术的带常规旋流器的燃烧器基本结构的示意图；

图2是图1中A-A剖面图；

图3是本发明的带新型旋流器的预混燃烧器的结构示意图；

图4是图3中B-B剖面图；

图5是本发明的新型旋流器的剖切视图；

图6是本发明在燃气轮机燃烧室中的应用示意图；

图7是本发明在锅炉中的应用示意图；

图8是本发明的带有侧面喷孔的中空旋流器叶片的结构示意图；

图9是本发明的带有通孔的旋流叶片的结构示意图。

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，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种燃用可燃混合气的燃烧器，具体包括燃烧器外壁11、中心体13和新型旋流器12等，详见图3、4。其中特别是采用了一种新型旋流器12，具体地是该新型旋流器12包括一组大尺寸旋流叶片21(简称大叶片)和一组布置在大叶片间的小尺寸叶片22(简称小叶片)。

具体地说，本发明所述燃烧器采用的新型旋流器12由内壁23、外壁24、大叶片21和小叶片22组成，详见图5。其中内壁23是围绕中心线10的环形结构，可以是圆形或其他形状，其在结构上可以是中心体13的一部分，也可以是独立结构。大叶片21包括直叶片段21a和弯叶片段21b，大叶片21由内壁23外表面开始向外延伸至外壁24内表面，直叶片段21a长度方向与中心线10平行，弯叶片段21b与中心线10夹角J1为5～80度，由此形成的大叶片21均匀布置在中心体13周围。在中心体13周围大叶片21之间布置小于或等于大叶片数量的小叶片22。小叶片22包括直叶片段22a和弯叶片段22b，其中直叶片段22a与中心线10平行，长度大于等于0，且小于大叶片21的直叶片段21a长度。小叶片22的弯叶片段22b与中心线10夹角J2为5～80度，可以与大叶片21与中心线10所成角度相等也可以不等，但弯叶片段22b长度小于大叶片21弯叶片段21b的长度。小叶片22由外壁24内表面开始向内延伸，可延伸为外壁24内表面与内壁23外表面间的任意高度且不小于所靠近的大叶片21高度的1/10。小叶片22可以布置在两个大叶片21间周向方向的任意位置上。新型旋流器12外壁24与内壁23当量直径之比为1.5～5，优选值为2。

上述方案中，大叶片直叶片段主要起整流作用，大叶片内部也可以包含燃料通道且在外表面布置燃料孔；大叶片弯叶片段用于调整气流方向。小叶片用于调整大叶片间的气流速度分配，消除低速气流区域，有利于消除回火现象。外壁为围绕中心线的环形结构，中心体为围绕中心线的圆柱形结构，外壁和中心体间布置若干大、小旋流叶片。在外壁或和中心体内也可包含若干燃料通道或者冷却空气通道。

上述仅描述了本发明所述的新型旋流器12的基本结构，在具体应用中可能包括若干变形。比如大叶片21的直叶片段21a可以是空心结构，从中心体13或新型旋流器12外壁24能够供燃料气等进入直叶片21a内，并从直叶片段21a侧面的小孔喷出，使得直叶片段21a起到燃料和空气预混的作用。小叶片也存在一些变形，比如弯叶片段22b上可以有若干小孔，将迎风侧的气流引向背风侧。

本发明所述中心体13是围绕中心线10的圆柱也可以是其他形状的柱体如圆台等，中心体13的外形须与新型旋流器12内壁23形状相一致，中心体13可以包含新型旋流器12内壁23，也可以和新型旋流器12内壁23是装配关系。中心体13内部可以存在多个通道，其中的一个通道可以从前端面13a的入口供入燃料，然后从该通道后端13b的对应出口喷出，在燃烧器预混燃烧进行前起到扩散火焰的作用，其中的一个通道可以从前端面13a的入口供入冷却气如空气等，然后从该通道后端13b的对应出口喷出，对中心体13进行冷却。燃烧器的外壁11是围绕中心线10的环形结构，但不局限于环形结构，外壁11内可以包含一些通道，在具体实施中或者供入燃料或者供入空气，经由旋流叶片(中空的大叶片21或小叶片22进入外壁11内表面与中心体13外表面形成的环形通道18内。中心体后端面13b与外壁后端面的距离X大于等于0，且小于4倍的中心体13当量直径φd。

本燃烧器可以应用于燃气轮机燃烧室32也可用于锅炉44等其他燃烧设备，详见图6、7，以后将结合具体实施例详细论述，但并不局限于所述的实施例。在此仅简要描述本燃烧器的基本工作过程：(1)一些燃料通过中心体13内的通道从中心体后端面13b喷出，与从中心体13与外壁间的环形通道18前端进入后端面流出的空气相混合，被电火花或高温气体点燃，形成稳定燃烧的扩散火焰19；此时另一部分燃料被喷入进入环形通道18的空气中，并充分混合形成可燃混合气20；(2)可燃混合气从燃烧器外壁11与中心体13间环形通道18的前端流入；也存在从环形通道18前端流入的是氧化剂如空气，该氧化剂与旋流叶片21、22中喷出的燃料相混合形成可燃混合气20的情况；(3)流入的可燃混合气20先经过旋流器的大叶片21的直叶片段21a，被整流后，经过旋流器小叶片22的直叶片段22a和弯叶片段22b，在经过小叶片的弯叶片段22b后，可燃混合气20的流动速度分布情况发生了变化，相对于没有小叶片的情况，有些区域的速度变快，有些区域的速度变慢，还有些区域可能没有变化；通过这些速度的重新调整，可以消除大叶片背风侧的低速区域，防止回火等危险情况的发生；(4)速度重新分布的可燃混合气20在经过旋流器大叶片弯叶片段21b后开始产生沿周向的旋转，旋转着的可燃混合气从中心体13与外壁11间环形通道18后端流出，在离心力作用下形成回流区17，起到稳定燃烧的作用；(5)在预混火焰建立起来后，通过中心体13供入的燃料量可以逐渐减小，直到关闭，至此本燃烧器进入正常工作状态。上述仅描述了本燃烧器的基本工作过程，在此基础上所做的调整和改变，都应该包含在本发明的保护范围内。

本燃烧器适用的可燃混合气20由燃料和氧化剂混合形成，其中燃料包括气体燃料，如天然气、合成气等，以及液体燃料，如煤油、柴油等，氧化剂包括空气或氧气，以及与其他气体所形成的混合气。

下面结合附图对本发明做进一步详细说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

本实施例结合燃气轮机的工作过程描述本发明在其中的应用，详见图6。燃气轮机通常包括压气机31、燃烧室32、涡轮33和负载35(如发电机)等。空气30经过压气机31压缩后形成高压气体37，之后进入燃烧室32与燃料混合燃烧后形成高温高压烟气38，烟气38推动涡轮33旋转做功并带动压气机31和负载35转动，对外输出动力或电力。

燃气轮机燃烧室32的燃料供应管路36要根据燃烧器的需要设置相应的阀门和支路。应用本发明所述燃烧器的燃料管路至少要包含2类支路：扩散燃料管路36a和预混燃料管路36b。在燃气轮机启动或低负荷的情况下，燃料经扩散管路36a从本发明所述燃烧器中心体13的前端面13a供入，从中心体13后端面13b的喷孔喷出，与来自压气机的排气37在旋流器下游混合后燃烧，形成的高温烟气38进入涡轮33做功。在燃气轮机功率增加或全负荷状态下，另一部分燃料经过预混燃料管路36b供入本燃烧器上游来自压气机排气37的气流，并与之混合形成可燃混合气20。可燃混合气20经过本发明所述的新型旋流器12，产生周向旋转并在下游形成稳定燃烧，释放更多热量，产生的高温高压烟气38推动涡轮33做功。随着预混燃料量的增加、扩散燃料量将逐渐减小直至关闭。

预混燃料的供入位置可以如上文所说的喷注在本燃烧器的上游来自压气机排气37的气流中，也可以通过本燃烧器的一种变形结构实现，详见图8。本燃烧器中的旋流器叶片(大叶片21或/和小叶片22)可以设计成空心结构，并且与旋流器外壁24或和内壁23联通，预混燃料可以通过旋流器外壁24或内壁23中的通道进入旋流叶片内，并从旋流叶片侧面的喷孔53喷出，与来自压气机的排气37相混合形成可燃混合气20。这样本发明所述的新型旋流器既可以起到稳定燃烧的作用还可以起到燃料和空气预混器的作用。

本发明所述燃烧器可以根据燃气轮机燃烧室类型和功率，采取不同的布置方式，可以一个也可以数个一组布置在燃烧室内，可以在分管或单管形燃烧室中应用也可以应用于环形或环管燃烧室中。

实施例2

本发明所述新型燃烧器也可应用于燃气或燃油锅炉中，详见图7。在使用燃油的情况下，需要有一个对燃油进行加热使其蒸发为蒸气的加热装置，将燃油蒸发为气态后，其应用与燃用气体燃料时类似，所以后文所述针对燃气的应用同样可以适用于燃油。燃气锅炉包括锅炉本体44、鼓风机41、燃烧器43和燃料管路46等。空气30经过鼓风机41增压后进入燃烧器内与预混燃料46b混合后，经过旋流器12后稳定燃烧，所形成的高温气体在锅炉本体44内与换热介质49换热后从烟囱48排出。本燃烧器涉及的启动过程、燃料调节等与燃气轮机燃烧室中的应用类似，在此不再赘述。

在实施例1中所述的图8所示的中空旋流叶片结构也可以应用在燃气锅炉燃烧器中。

实施例3

本发明的一种变形结构如图9所示，该变形涉及本发明所述新型旋流器的大叶片21或小叶片22。在旋流叶片上可以存在若干通孔25，直径为0.5至6mm，其穿透旋流叶片的迎风侧和背风侧，将迎风侧的高压气流引向背风侧，可以进一步消除背风侧的低速区。

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，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)

1.一种旋流器，包括外壁、内壁和布置在所述外壁和内壁之间的旋流叶片，其特征在于：所述旋流叶片包括大尺寸旋流叶片和小尺寸旋流叶片两种，其中所述大尺寸旋流叶片的长度大于所述小尺寸旋流叶片；以及

所述小尺寸旋流叶片布置在相邻两片所述大尺寸旋流叶片之间周向方向的任意位置上，且所述小尺寸旋流叶片的数量小于或等于所述大尺寸旋流叶片的数量。

2.根据权利要求1所述的旋流器，其特征在于，所述大尺寸旋流叶片包括直叶片段和弯叶片段，所述直叶片段的长度方向与所述旋流器的中心线平行，所述弯叶片段与所述旋流器的中心线的夹角J1为5～80度；

所述大尺寸旋流叶片的所述直叶片段优选是空心结构，燃料气能够从所述旋流器的内壁或外壁进入所述直叶片段内并从所述直叶片段侧面的小孔喷出。

3.根据权利要求1所述的旋流器，其特征在于，所述小尺寸旋流叶片包括直叶片段和弯叶片段，其由所述旋流器的外壁内表面开始向内延伸，延伸至所述旋流器的外壁内表面与内壁外表面间的任意高度且不小于所靠近的所述大尺寸旋流叶片高度的1/10。

4.根据权利要求3所述的旋流器，其特征在于，所述小尺寸旋流叶片的所述直叶片段与所述旋流器的中心线平行，长度大于等于0，且小于所述大尺寸旋流叶片的直叶片段的长度；所述小尺寸旋流叶片的所述弯叶片段的长度小于所述大尺寸旋流叶片弯叶片段的长度，所述小尺寸旋流叶片的所述弯叶片段与所述旋流器的中心线夹角J2为5～80度；

所述小尺寸旋流叶片的所述弯叶片段上优选布置有若干小孔，用于将迎风侧的气流引向背风侧。

5.根据权利要求1所述的旋流器，其特征在于，所述旋流器外壁与内壁的当量直径之比为1.5～5，优选为2。

6.一种预混燃烧器，其特征在于，包括中心体和如权利要求1至5任意一项所述的旋流器，其中，所述中心体的外壁与所述旋流器的内壁是同一壁面，或者所述中心体与所述旋流器的内壁是装配关系，且其外形与所述旋流器的内壁形状相一致，所述旋流器环绕所述中心体设置。

7.根据权利要求6所述的预混燃烧器，其特征在于，所述中心体是以所述旋流器的中心线为中心线的圆柱或圆台；

所述中心体内部优选存在多个通道，其中一个通道优选从所述中心体前端面的入口供入燃料，然后从所述通道后端的对应出口喷出，在所述燃烧器预混燃烧进行前起到扩散火焰的作用；其中一个通道优选从所述中心体前端面的入口供入冷却气，然后从所述通道后端的对应出口喷出，对所述中心体进行冷却。

8.根据权利要求6所述的预混燃烧器，其特征在于，所述旋流器的外壁内包含若干通道，用于供入燃料或者供入空气，经由中空的所述旋流叶片进入所述旋流器的外壁内表面与内壁外表面之间形成的环形通道内。

9.根据权利要求6所述的预混燃烧器，其特征在于，所述中心体的后端面与所述预混燃烧器的外壁后端面的距离X大于等于0，且小于4倍的所述中心体的当量直径φd。

10.一种包括如权利要求6至9任意一项所述的预混燃烧器的燃气轮机、锅炉、内燃机或航空发动机。