CN106224959A - 具有可调节流量喷嘴的燃烧器、燃烧器阵列和燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有可调节流量喷嘴的燃烧器、燃烧器阵列和燃烧装置，燃烧器包括可调节流量喷嘴和掺混整流件，可调节流量喷嘴包括外层圆筒和内层圆筒，内层圆筒内部形成内层流道，内层圆筒与外层圆筒之间形成外层流道，内层圆筒的气流入口安装有湍流网格板，外层圆筒内壁设置有等离子体激励器；空气和燃料进入掺混整流件并形成可燃混合物，一部分可燃混合物进入外侧流道，另一部分可燃混合物经湍流网格板进入内层流道，利用湍流网格板，进入外侧流道和内侧流道的可燃混合物的比例被调节。本发明可以提高燃烧的稳定性，降低NO_x生成，减小流动损失，防止发生回火。

Description

具有可调节流量喷嘴的燃烧器、燃烧器阵列和燃烧装置

技术领域

本发明涉及燃烧装置技术领域，尤其涉及一种具有可调节流量喷嘴的燃烧器、燃烧器阵列和燃烧装置，其特别适用于燃气轮机、锅炉、化工炉等各种工业燃烧装置。

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。因此，如何提高燃烧稳定性，降低NO_x生成，减小流动损失、防止发生回火，并调节燃烧器的燃烧状态成为本领域亟待研究的课题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种具有可调节流量喷嘴的燃烧器、燃烧器阵列和燃烧装置。

(二)技术方案

本发明提供了一种具有可调节流量喷嘴的燃烧器，包括：可调节流量喷嘴和掺混整流件；其中，所述可调节流量喷嘴包括外层圆筒和内层圆筒，所述内层圆筒内部形成内层流道，所述内层圆筒与外层圆筒之间形成外层流道，所述内层圆筒的气流入口安装有湍流网格板，所述外层圆筒内壁设置有等离子体激励器；空气和燃料进入所述掺混整流件并形成可燃混合物，一部分可燃混合物进入所述外侧流道，另一部分可燃混合物经所述湍流网格板进入所述内层流道，利用所述湍流网格板，进入所述外侧流道和内侧流道的可燃混合物的比例被调节。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的具有可调节流量喷嘴的燃烧器、燃烧器阵列和燃烧装置具有以下有益效果：

(1)等离子体激励器诱导外层流道内燃料与空气的混合物旋转运动，而内层流道的燃料与空气的混合物不会受到等离子体激励作用，保持轴向运动而不产生旋转运动，外层流道流体旋转运动产生的离心力使流体在喷嘴出口扩张，同时降低喷嘴轴心处流体的轴向速度，提高了燃烧的稳定性；

(2)由于内层流道流体在喷嘴内部未受到旋流作用，因此在喷嘴出口依然保持轴向运动而不产生涡破碎和强回流区，减少了燃烧反应物在高温区的驻留时间，降低了NO_x生成，同时可以减小流动损失、防止发生回火；

(3)可以根据燃烧状态自动调整高压电源的输出电压，从而自动调整旋流强度，还可以防止等离子体引燃燃料和空气的混合物，提高了喷嘴的工作状态调节的精度和速度；

(4)通过调节湍流网格板的开孔形状及面积比，可以调节旋流气体流量与不旋流气体的流量的比例，就实现了受旋流作用的气体流量可调的目的，从而便捷地调节燃烧器的燃烧状态，有利于增强燃烧器的燃烧性能。

附图说明

图1为根据本发明实施例的具有可调节流量喷嘴的燃烧器的三维图；

图2为图1中燃烧器在内层圆筒气体入口安装湍流网格板的示意图；

图3为图1所示燃烧器的半剖示意图；

图4为图3的局部放大图；

图5为图2所示具有可调节流量喷嘴的半剖图；

图6为图2所示具有可调节流量喷嘴略去外层圆筒的三维图；

图7为图2所示具有可调节流量喷嘴的半剖标注尺寸图；

图8为图1中具有可调节流量喷嘴的又一三维图；

图9为图1中具有可调节流量喷嘴具有一中间层圆筒时的示意图。

【符号说明】

10-外层圆筒；11-内层圆筒；12-径向支撑柱；13-裸露电极；14-绝缘材料层；15-扩张型出口；16-掩埋电极；17-外层流道；18-内层流道；19-湍流网格板；

20-高压电源；21-高压端；22-接地端；23-控制输入端；

30-控制器；31-第一信号输入端；32-第二信号输入端；33-信号输出端；

41-火焰稳定性监测装置；42-温度传感器；

51-空气管；52-固定板；53-燃料管；54-掺混段；55-稳定段；56-收缩段；57-燃料喷射孔；

A-喷嘴的长度；B-电极长度；C-内层圆筒出口与喷嘴出口的距离；D-内层圆筒长度；E-内层圆筒外径；F-喷嘴外径；G-电极宽度。

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。

参见图1和图3，本发明第一实施例的具有可调节流量喷嘴的燃烧器，其包括：可调节流量喷嘴和掺混整流件，沿气流的上游至下游的方向，掺混整流件依次包括空气管51、固定板52、燃料管53、掺混段54、稳定段55和收缩段56。

其中，参见图2，可调节流量喷嘴包括外层圆筒10和内层圆筒11，内层圆筒内部形成内层流道18，内层圆筒11与外层圆筒10之间形成外层流道17，内层圆筒11的气流入口安装有湍流网格板19，外层圆筒内壁设置有等离子体激励器，空气和燃料进入掺混整流件并形成可燃混合物，一部分可燃混合物进入外侧流道17，另一部分可燃混合物经湍流网格板19进入内层流道18，利用湍流网格板19可以调节进入外侧流道17和内侧流道18的可燃混合物的比例。

参见图3和图4，掺混整流件的空气管51经固定板52与掺混段54连通；固定板52为带有至少一个安装孔的圆盘，用于将燃烧器固定于其他设备上；掺混段54为向气流下游方向扩张的腔体，其型线优选为直线，以便于加工；稳定段55与掺混段54连通，其为圆筒形腔体；收缩段56与稳定段55连通，其为向气流下游方向收缩的筒形结构，收缩段的气体出口连接可调节流量喷嘴的气体入口，使可调节流量喷嘴和掺混整流件整体连通，收缩段的型线优选为曲线，这样更有利于降低可燃混合物的湍流度，提高燃烧器的燃烧性能；燃料管53横贯在掺混段54中，且燃料管的位于掺混段中的管道开有燃料喷射孔57。

本发明中，参与燃烧反应的空气和燃料分别从空气管51和燃料管53进入燃烧器，空气进入掺混段54，燃料通过燃料喷射孔57射入掺混段54，燃料与空气在掺混段54中掺混形成可燃混合物并进入稳定段55，稳定段55平稳可燃混合物的气流，可燃混合物再通过收缩段56进一步降低其湍流度，然后进入可调节流量喷嘴。

参见图5至图8，本发明的可调节流量喷嘴还包括高压电源20，外层圆筒内壁覆盖有一绝缘材料层14，沿外侧圆筒轴向延伸的M个裸露电极13和M个掩埋电极16交错设置在绝缘材料层14上，其中相邻两个裸露电极13和掩埋电极16组成一等离子体激励器，裸露电极13和掩埋电极16分别连接高压电源的高压端21和接地端22，内层圆筒11和外侧圆筒10之间通过对称的两组径向支撑柱12固定连接，每组径向支撑柱12包括沿圆筒周向均匀分布的K个径向支撑柱，内层圆筒内部形成内层流道18，内层圆筒11和外层圆筒10之间形成外层流道17，其中，1≤M≤1000，2≤K≤10。

可调节流量喷嘴的湍流网格板19具有多个开孔，可以调节内层流道的湍流度并调节流经内层流道和外层流道的可燃混合物的比例。湍流网格板上的开孔形状可以为圆形、三角形、四边形、五角星、多边形，优选为圆形，湍流网格板的面积比(开孔的总面积与湍流网格板面积的比例)为1％-99％。湍流网格板19与内层圆筒11采用螺纹连接，可以根据燃烧状态使用不同的开孔形状及面积比的湍流网格板。

可燃混合物由掺混整流件进入可调节流量喷嘴，一部分可燃混合物直接进入外层流道，另一部分可燃混合物经湍流网格板进入内层流道，等离子体激励可以诱导外层流道内可燃混合物作旋转运动，而内层流道的可燃混合物没有等离子体激励作用，保持轴向运动而不产生旋转运动。旋转运动产生的离心力可以使可燃混合物在燃烧器出口扩张，同时降低燃烧器轴心处可燃混合物的轴向速度，这样可以稳定燃烧；由于内层流道的可燃混合物在燃烧器出口依然保持轴向运动而不产生涡破碎和强回流区，这样可以减少燃烧反应物在高温区的驻留时间，降低NO_x生成，同时可以减小流动损失、防止发生回火。内层流道由于湍流网格板的节流作用，通过内层流道的可燃混合物流量减小，由质量守恒可知，通过外层流道的可燃混合物流量增大，反之亦然，通过调节湍流网格板的开孔形状及面积比，可以调节旋流气体流量与不旋流气体的流量的比例，就实现了受旋流作用的气体流量可调的目的，从而便捷地调节燃烧器的燃烧状态，例如当燃烧稳定性下降时，可以通过调节湍流网格板，使得进入外层流道的可燃混合物增加，进入内层流道的可燃混合物减少，以增强燃烧器的燃烧稳定性；当燃烧生成的NO_x过多或发生回火时，可以通过调节湍流网格板，使得进入内层流道的可燃混合物增加，进入外层流道的可燃混合物减少，可以降低污染物排放，消除回火。

在本发明中，可调节流量喷嘴还可以包括位于内层圆筒11和外层圆筒10之间的N层中间层圆筒，中间层圆筒内壁也覆盖有一绝缘材料层，沿其轴向延伸的M个裸露电极和M个掩埋电极交错设置在绝缘材料层上，其中相邻两个裸露电极和掩埋电极组成一等离子体激励器，裸露电极和掩埋电极分别连接高压电源的高压端21和接地端22，相邻两层中间层圆筒、以及外层圆筒10与中间层圆筒、内层圆筒11与中间层圆筒之间通过对称的两组径向支撑柱12固定连接，相邻两层中间层圆筒、以及中间层圆筒与外层圆筒10、中间层圆筒与内层圆筒11之间形成N+1个外层流道17，其中，0≤N≤100。

例如在图9中，所述N为1，即喷嘴包括外层圆筒10、内层圆筒11以及一层中间层圆筒，外层圆筒10和中间层圆筒、中间层圆筒和内层圆筒11之间共形成2个外层流道。

其中，各层圆筒的裸露电极和掩埋电极的排列方式均相同，即每个等离子激励器中的掩埋电极位于裸露电极的逆时针方向，或者掩埋电极位于裸露电极的顺时针方向，使得各层圆筒的等离子体激励器产生的旋流均为顺时针方向或均为逆时针方向。

在其他实现方式中，内层圆筒外壁也可以覆盖有一绝缘材料层，沿轴向延伸的M个裸露电极和M个掩埋电极交错设置在绝缘材料层上，其中相邻两个裸露电极和掩埋电极组成一等离子体激励器。

其中，绝缘材料层厚度为0.1～10mm，材料为聚四氟乙烯、石英玻璃、陶瓷。外层圆筒出口端的厚度渐薄，以形成喷嘴的扩张型出口15。

裸露电极13和掩埋电极16为长条形电极，电极长度B与喷嘴的长度A的比值可以为1％～100％，电极宽度G可以为0.1mm～100mm。

高压电源的输出波形可以为连续的正弦波、方波、三角波、锯齿波，也可以为脉冲波。

在图6和图8中，所述M为8，即外层圆筒内壁具有8个裸露电极和8个掩埋电极，相邻两个裸露电极和掩埋电极组成一等离子体激励器，共形成8个等离子体激励器，在图5至图9中所述K为2，即外层圆筒10和内层圆筒11之间通过对称的两组沿周向均匀分布的2个径向支撑柱12固定连接。

其中，如图7所示，可调节流量喷嘴长度A可以为10mm～1000mm；内层圆筒出口与喷嘴出口的距离C与喷嘴长度A之间的比值可以为1％～99％；内层圆筒长度D与喷嘴长度A之间的比值可以为1％～100％；内层圆筒外径E与喷嘴外径F之间比值可以为1％～99％。

本发明第一实施例的具有可调节流量喷嘴的燃烧器，燃烧器点火前，高压电源输出电压为零，可燃混合物进入喷嘴并点火，燃烧器进入工作状态，增大高压电源的输出电压，当输出电压达到预定值后停止继续增大电压，保持电压设定值，同时监测火焰稳定性，当发现火焰远离燃烧器出口时，逐渐增大高压电源的输出电压，直至火焰稳定，停止增大电压，同时监测等离子体温度，当等离子体温度超过设定的温度上限时，逐渐减小高压电源的输出电压，直至不再超温；当发生回火时，使高压电源的输出为零，直至退出回火状态，并增大输出电压至设定值。燃烧器停止工作后，使高压电源输出为零。高压电源的输出电压可以自动控制，也可以手动调整。

如图8所示，本发明的具有可调节流量喷嘴的燃烧器，还可以包括火焰稳定性监测装置41、温度传感器42和控制器30，控制器的信号输出端33连接高压电源的控制输入端23，其第一信号输入端31连接火焰稳定性监测装置41，其第二信号输入端32连接温度传感器42，火焰稳定性监测装置41布置在喷嘴出口端，用于监测火焰的状态。温度传感器42布置在喷嘴的两个等离子体激励器之间，用于测试等离子体附近的温度，防止等离子体激励器引燃燃料和空气的混合物。

其中，该控制器30优选为单片机。

该具有可调节流量喷嘴的燃烧器，燃烧器点火前，高压电源的输出电压为零，可燃混合物进入燃烧器并点火，燃烧器进入工作状态，控制器发出指令增大高压电源的输出电压，当输出电压达到预定值后，控制器发出指令停止继续增大电压，保持电压设定值，同时通火焰稳定性监测装置监测火焰稳定性，当发现火焰远离喷嘴出口时，控制器发出指令逐渐增大高压电源的输出电压，直至火焰稳定，停止增大电压，同时通过温度传感器监测等离子体的温度，当温度传感测量值超过设定的温度上限时，控制器发出指令，逐渐减小高压电源的输出电压，直至不再超温；当火焰稳定性监测装置监测到发生回火时，控制器发出指令使高压电源的输出为零，直至退出回火状态，并增大输出电压至设定值。燃烧器停止工作后，控制器发出指令使高压电源的输出为零。

由此可见，其可以根据燃烧状态自动调整高压电源的输出电压，从而自动调整旋流强度，还可以防止等离子体引燃燃料和空气的混合物，提高了燃烧器的工作状态调节的精度和速度。

在本发明中，等离子体激励器还可以布置在掺混整流件的收缩段56上，具体来说，收缩段内壁覆盖绝缘材料层，与收缩段型线匹配的M个裸露电极和M个掩埋电极交错紧贴在绝缘材料层上，其中相邻两个裸露电极和掩埋电极组成一等离子体激励器，裸露电极和掩埋电极分别连接高压电源的高压端和接地端。通过在在掺混整流件的收缩段上设置等离子体激励器，可以加强燃烧器的旋流作用，有利于进一步增强燃烧器的燃烧稳定性。

本发明第二实施例提供了一种燃烧器阵列，其包括多个上述具有可调节流量喷嘴的燃烧器。

其中，该燃烧器阵列为圆形阵列，该圆形阵列包括P圈燃烧器，每圈燃烧器包括Q个燃烧器，其中1≤P、Q≤100。

其中该燃烧器阵列为矩形阵列，该矩形阵列包括P行燃烧器，每行燃烧器包括Q个燃烧器，其中1≤P、Q≤100。

本发明第三实施例提供了一种燃烧装置，其包括上述第一实施例所述的具有可调节流量喷嘴的燃烧器，或第二实施例所述的燃烧器阵列。

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的具有可调节流量喷嘴的燃烧器有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)等离子体激励器还可以选用其他形状的结构；

(2)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(3)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

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)

1.一种具有可调节流量喷嘴的燃烧器，其特征在于，包括：可调节流量喷嘴和掺混整流件；其中，

所述可调节流量喷嘴包括外层圆筒和内层圆筒，所述内层圆筒内部形成内层流道，所述内层圆筒与外层圆筒之间形成外层流道，所述内层圆筒的气流入口安装有湍流网格板，所述外层圆筒内壁设置有等离子体激励器；

空气和燃料进入所述掺混整流件并形成可燃混合物，一部分可燃混合物进入所述外侧流道，另一部分可燃混合物经所述湍流网格板进入所述内层流道，利用所述湍流网格板，进入所述外侧流道和内侧流道的可燃混合物的比例被调节。

2.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，

所述湍流网格板为圆盘型结构，其包括多个开孔，开孔的形状为圆形、三角形、四边形、五角星和多边形中的一种。

3.如权利要求2所述的燃烧器，其特征在于，开孔的总面积与湍流网格板的面积之比为1％-99％，所述湍流网格板与内层圆筒采用螺纹连接。

4.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述掺混整流件包括：空气管、固定板、燃料管、掺混段、稳定段和收缩段；

所述空气管经固定板与掺混段连通，所述稳定段与掺混段连通，所述收缩段与稳定段连通，所述收缩段的气体出口连接可调节流量喷嘴的气体入口，所述燃料管横贯在掺混段中，且燃料管的位于掺混段中的管道开有燃料喷射孔。

5.如权利要求4所述的燃烧器，其特征在于，所述固定板为带有至少一个安装孔的圆盘，用于固定燃烧器。

6.如权利要求4所述的燃烧器，其特征在于，所述掺混段为向气流下游方向扩张的腔体。

7.如权利要求4所述的燃烧器，其特征在于，所述收缩段为向气流下游方向收缩的筒形结构。

8.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述可调节流量喷嘴还包括位于内层圆筒和外层圆筒之间的多层中间层圆筒，中间层圆筒内壁设置有等离子体激励器，相邻两层中间层圆筒、以及中间层圆筒与外层圆筒、中间层圆筒与内层圆筒之间形成外层流道。

9.一种燃烧器阵列，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的具有可调节流量喷嘴的燃烧器，

其中，燃烧器阵列为圆形阵列，所述圆形阵列包括P圈燃烧器，每圈燃烧器包括Q个燃烧器，其中1≤P、Q≤100；或者，

燃烧器阵列为矩形阵列，所述矩形阵列包括P行燃烧器，每行燃烧器包括Q个燃烧器，其中1≤P、Q≤100。

10.一种燃烧装置，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的具有可调节流量喷嘴的燃烧器，或者权利要求9所述的燃烧器阵列。