CN108954316A - 一种适用于脉动燃烧器振荡燃烧的喷嘴结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于脉动燃烧器振荡燃烧的喷嘴结构及设计方法，能够使脉动燃烧器最合适的燃烧及稳定运行，且其结构简单、安装方便，成本低，与传统的设计方法相比，可减少设计中试验的工作量，大大减少了试验耗费的人力物力及研制周期。本发明的喷嘴结构包括燃料通道(7)，燃料通道(7)的底部具有连接燃气单向阀的螺纹(8)，顶部具有连接燃烧室的螺纹(9)，燃料通道(7)的顶部为锥形结构，顶面上均均分布有燃料喷孔(10)，喷孔(10)的轴线与燃料通道7的轴线夹角的二倍为喷射角θ；所述喷孔的喷孔数目及喷孔分布结构由喷嘴结构的出口面积A_g确定。

Description

一种适用于脉动燃烧器振荡燃烧的喷嘴结构及设计方法

技术领域

本发明属于脉动燃烧技术领域，具体涉及一种适用于脉动燃烧器振荡燃烧的喷嘴结 构及设计方法。

背景技术

脉动燃烧器是一种基于脉动燃烧技术的燃烧器，在燃烧过程中，燃烧区内表征过程 的参数，如压力、流速、温度以及热释放率等随时间周期性变化。相比基于稳态燃烧方式的燃烧器，脉动燃烧器具有很高的燃烧强度及燃烧效率；优秀的传热特性和极高的热 效率；很低的烟气污染物排放；具有自呼吸特性，不用鼓风也无需用烟囱排烟，可以大 幅度地节省燃料和构材。迄今为止，脉动燃烧装置在空间或水的加热、干燥和焚化方面 都有成功的应用，采用脉动燃烧技术的油田加热炉经验证在石油行业具有很高的推广价 值。

中国发明专利申请201110046668.6，公开了一种脉动燃烧加热炉。中国发明专利申 请201610119267.1，公开了一种采用脉动燃烧技术的新型加热设备。但上述专利并没有给出一套脉动燃烧装置喷嘴的设计方法。目前脉动燃烧器的设计至今仍没有一套完整有效的设计方法，更多的是依靠经验与反复试验得到最终的设计结果。由于脉动燃烧机理 的复杂性，脉动燃烧器每个部件都对整体的运行起着至关重要的作用，某一个部件设计 的偏差可能导致整个燃烧器无法正常稳定工作。而喷嘴作为脉动燃烧装置的关键部件， 直接影响了脉动燃烧炉的运行特性。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明提供一种适用于脉动燃烧器振荡燃烧的喷 嘴结构及设计方法。能够使脉动燃烧器最合适的燃烧及稳定运行，且其结构简单、安装方便，成本低。与传统的设计方法相比，可减少设计中试验的工作量，大大减少了试验 耗费的人力物力及研制周期。

本发明的技术方案如下：

1.一种适用于脉动燃烧器振荡燃烧的喷嘴结构设计方法，其特征在于，包括以下步 骤：

步骤一，首先依据脉动燃烧器的功率以及选取燃料的热值确定燃料的体积流量q_g：

q_g＝P/Q，其中P为脉动燃烧器功率，Q为燃料热值；

步骤二，依据燃料的体积流量q_g，确定喷嘴出口面积A_g；

步骤三，根据设定的喷孔孔径、孔距及喷射角的取值界限，通过喷嘴出口面积A_g，确定喷嘴的喷孔数、喷孔分布结构，使得喷嘴尺寸最小。

2.其中，步骤二中，首先计算燃烧室压强p_c(t)与喷嘴的供气压力p_g的最小比值，获得喷嘴出口在整个阀门开启周期内的流动状态；

再由喷嘴喷射动态流量的计算公式

计算喷嘴出口面积A_g；其中m_g,t为喷嘴喷射质量流量，A_g为喷嘴出口面积，p_g为 喷嘴供气压力，R为通用气体常数，T_g为燃料初始温度，k为绝热指数，p_c为燃烧室压 力；

而喷嘴喷射质量流量m_g,t可由公式得到，

其中ρ_g为燃料密度，t₀为燃料阀开启的时间，t_cycle＝1/f为脉动燃烧器振荡周期，f为脉动燃烧器振荡频率，q_g为燃料的体积流量；

由此可以确定喷嘴出口面积A_g为

3.步骤三中，首先根据脉动燃烧器最合适的燃烧状况及稳定运行情况，确定喷孔孔 径d、孔距L及喷射角θ的取值界限，再由获得喷嘴的出口面积A_g计算喷孔数，最后由 喷孔数设计喷孔的分布结构。

4.根据上述设计方法获得的适用于脉动燃烧器振荡燃烧的喷嘴结构，其特征在于， 所述喷嘴结构包括燃料通道7，所述燃料通道7的底部具有连接燃气单向阀的螺纹8，顶部具有连接燃烧室的螺纹9，燃料通道7的顶部为锥形结构，顶面上均均分布有燃料 喷孔10，喷孔10的轴线与燃料通道7的轴线夹角的二倍为喷射角θ；所述喷孔的喷孔 数目及喷孔分布结构由喷嘴结构的出口面积A_g确定；所述喷嘴出口面积A_g为

其中A_g为喷嘴出口面积，p_g为喷嘴供气压力，R为通用气体常数，T_g为燃料初始 温度，k为绝热指数，p_c为燃烧室压力；ρ_g为燃料密度，t₀为燃料阀开启的时间，t_cycle＝1/f 为脉动燃烧器振荡周期，f为脉动燃烧器振荡频率，ρ₀为燃料密度，q_g为燃料的体积流 量。

5.所述喷嘴喷孔呈多孔多环分布结构。

6.所述多孔多环分布结构的环距L1以及同一环上的孔距L2应满足7-10mm。

7.所述喷嘴喷孔直径d不小于2mm。

8.所述喷嘴喷孔轴线与喷腔中心轴线的夹角的二倍喷射角为θ，所述喷射角θ不大于15°。

本发明的有益效果是：能够使脉动燃烧器最合适的燃烧及稳定运行，且其结构简单、 安装方便，成本低。与传统的设计方法相比，可减少设计中试验的工作量，大大减少了试验耗费的人力物力及研制周期。

附图说明

图1为脉动燃烧器喷嘴布置安装示意图。

图2为喷嘴结构剖视示意图。

图2-1为图2的A向示意图。

图2-2为图2的B向示意图。

图3为不同喷射角θ下燃烧室压力振幅随喷孔孔距的变化图。

图4为不同喷射角θ下燃烧室振荡压力振幅方差随喷孔孔距的变化图。

图5为喷孔环距L＝8mm时燃烧室振荡压力的时间序列图。

图6为喷孔环距L＝15mm时燃烧室振荡压力的时间序列图。

图7为脉动燃烧器燃烧室振荡压力FFT结果图。

附图标记说明如下：

1-空气单向阀，2-燃料单向阀，3-火花塞，4-燃烧室，5-尾管，6-喷嘴。7-燃料通道，

8-连接燃料单向阀的螺纹，9-连接燃烧室的螺纹，10-燃料喷孔。

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，下面将结合附图对本发明的实施方 式作进一步地详细描述。

在本实施例中，利用本发明的喷嘴结构设计方法，用于油田脉动燃烧器的喷嘴设计， 详细说明本方法的实施过程。通过对不同结构喷嘴的实验结果对比，验证了本发明的有 效性。

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1所示，为脉动燃烧器喷嘴布置安装示意图。一种油田脉动燃烧器，用于加热原油或天然气外输，燃料为油田伴生气。脉动燃烧器由2个空气单向阀1、燃气单向阀 2、火花塞3、燃烧室4、尾管5，燃料喷嘴6组成；脉动燃烧器燃烧室4通过弯头连接 空气单向阀1，2个空气单向阀1在燃烧室4的上部呈90度夹角安装；燃料喷嘴6安装 在燃烧室4下部，位于2个空气单向阀1的角平分线上；燃气单向阀2通过刚性连接件 与燃料喷嘴6连接；燃烧室4靠近燃料喷嘴6的一端安装火花塞3；燃烧室4另一端安 装尾管5。

脉动燃烧器工作原理如下：燃气经燃气单向阀2由燃气喷嘴6喷入燃烧室4，被火花塞3点燃后，燃烧室4压力升高，造成烟气经尾管5流出，同时由于燃烧室4压力高 于燃气来流压力和大气压力，燃气单向阀2和空气单向阀1关闭，停止供入燃气和空气， 由于烟气在尾管5中的流动惯性，造成燃烧室内的压力降低，低于燃气来流压力和大气 压力，燃气单向阀2和空气单向阀1打开，开始重新供入燃气和空气，燃气和空气掺混 后被燃烧室4内的高温烟气点燃，重复上一工作过程，这样的过程每秒钟重复20-100 次(频率为20-100Hz)，产生脉动燃烧。

所设计的脉动燃烧器喷嘴结构如图2、2-1、2-2所示，所述喷嘴结构包括燃料通道7，燃料通道7的底部具有连接燃气单向阀的螺纹8，顶部具有连接燃烧室的螺纹9，燃 料通道7的顶部为锥形结构，顶面上均均分布有燃料喷孔10；螺纹9用于连接燃烧室4， 螺纹8用于连接燃气单向阀2，燃料经燃料通道7由燃料喷孔10进入燃烧室4，喷孔10 的轴线与燃料通道7的轴线夹角的二倍为喷射角θ。本实施例中，喷孔直径为d，喷孔 分布采用多孔多环分布结构，其中环距为L1，同一环上相邻孔距为L2。

喷嘴结构具体设计方法如下：

步骤一，首先确定喷嘴体积流量q_g。喷嘴控制燃料气体喷入燃烧室的流量，控制着燃烧放热量。而单向阀只控制燃料的供入和切断，并不控制燃料气体的流量。因此在确 定喷嘴结构前，首先依据脉动燃烧器的功率以及选取燃料的热值确定燃料的体积流量q_g。

燃料选用油田伴生气，燃气体积流量计算公式为：

其中P为脉动燃烧器功率，Q为油田伴生气热值。

步骤二，然后确定喷嘴出口面积A_g。脉动燃烧器燃烧室内的压强变化近似为正弦波。 当燃料阀打开时，燃料开始喷射，当燃料阀关闭时，燃料停止喷射。燃料喷射时，燃烧室压强p_c(t)是随时间t变化的。当燃烧室压力低于供气压力时，燃料阀门打开。燃烧室 压力到达最低点时，燃料喷嘴具有最大流量。

本实施例中，油田伴生气供气压力为p_g＝104300Pa。燃料喷射时，燃烧室内的压强变化近似为正弦波有：

p_c＝p₀+p_asin(2πft)＝100000+10000sin(2πft) (2)

其中，f为脉动燃烧器振荡频率，p₀为燃烧室内平均压力(一般取大气压力p₀＝100000Pa)，p_a为燃烧室内压力振幅(一般取p_a＝10000Pa)。

亥尔姆霍兹型脉动燃烧器运行频率f为

其中为燃烧器内的平均声速，伴生气绝热指数k＝1.4，R为气体常数，为燃烧器内的平均温度(一般取)，V_c为燃烧室体积，A_t为微管截面积，L_t为 尾管长度。

首先计算燃烧室压强p_c(t)与喷嘴的供气压力p_g的最小比值，获得喷嘴出口在整个阀门开启周期内的流动状态：

燃烧室压强与喷嘴供气压力比值为：

其最小值为π(λ)_min＝P_cmin/P_g＝0.863，伴生气的临界压比为π(λ)_min>β_cr,g＝0.5432，因此喷嘴出口在整个阀门开启周 期内为亚临界流动。

喷嘴喷射伴生气动态流量的计算公式为：

其中m_g,t为喷嘴喷射质量流量，A_g为喷嘴出口面积，p_g为喷嘴供气压力，R为通用 气体常数，T_g为燃料初始温度，k为绝热指数，p_c为燃烧室压力；

一个周期需要的燃料总量等于一个周期里阀门开启时间内喷嘴喷射总流量，因此m_g,t与喷嘴体积流量q_g的关系为

其中ρ_g为燃料密度，t₀为燃料阀开启的时间，t_cycle为振荡周期。

由此可以确定喷嘴的出口面积A_g为

在确定喷嘴的情况下，喷嘴流通面积A_g是确定的。在这种情况下一个周期里阀门开 启时间内，喷嘴流量随时间发生变化。因此一个周期需要的伴生气总量等于一个周期里阀门开启时间内喷嘴喷射总流量。一个周期油田伴生气需要的总量为m_gt_cycle，油田伴生 气密度为ρ_g＝1.0156kg/m³，油田伴生气的质量流量为 m_g＝q_gρ_g＝3.9797×10^-3×1.0156＝4.0418×10^-3kg/s。一个周期的时间为t_cycle＝1/f。燃料 阀门的开启时间近似为半个周期，而阀门关闭时喷嘴没有伴生气喷出。因此有：

将(4)带入(5)中可以计算获得喷嘴的流通面积A_g＝5.8041×10^-5m²。

步骤三，最后确定喷嘴结构。首先设定喷孔孔径、孔距及喷射角的取值界限，本实施例经实验研究确定，脉动燃烧器要具有较好的运行效果，其中喷孔孔径d应不小于 2mm，孔距L应为7-10mm，喷射角θ应不大于15°。

如图3、图4所示，给出了不同喷孔孔距L以及喷射角θ对脉动燃烧器性能的影响。其中压力振幅代表燃烧的强弱，压力振幅的方差代表燃烧室内压力振荡的均匀稳定性。 压力振幅越大，方差越小，代表脉动燃烧器运行效果越好。图5和图6分别给出了喷孔 孔距L1＝8mm和L1＝15mm时燃烧室振荡压力的时间序列。可以看到，不同喷嘴喷孔孔 距对脉动燃烧器运行稳定性有很大的影响。喷孔环距L1＝8mm时脉动燃烧器运行稳定， 喷孔环距L1＝15mm时脉动燃烧器运行较差。

然后由步骤二所获得喷嘴出口面积A_g计算喷孔数N，由喷孔数设计喷孔的分布结构。

本实施例中，首先确定喷孔数N，对于喷孔孔径d有

求解获得N<18.5，取整得N＝18。喷嘴喷射角为θ，为使脉动燃烧器具有较好运 行效果，喷射角θ应不大于15°，本实施例中取θ＝10°。喷孔的分布采取多孔多环结构， 在同一环上均匀分布，其中环距L1与同一环上相邻孔距L2应为7-10mm。具体喷孔环 数与每一环上喷孔数目在满足上述条件下，应满足喷嘴尺寸最小的原则。本实施例中， 喷孔数N＝18，如取一环设计，则喷嘴尺寸较大。因此本实施例中，喷嘴取两环设计， 多孔环距取L1＝8mm。第一环孔数为N1，第二环孔数为18-N1。对于第一环有

7mm<L2＝2R1sin(π/N1)<10mm

本实施例中取R1＝9mm，求解获得5.3<N1<7.8，取整得N1＝6,7。当N1＝6时， 第二环孔数为12，因此第二环上相邻孔距为2(R1+L1)sin(π/12)＝8.8mm，满足设计要 求。在设计过程中会存在反复试算的过程，直到满足设计要求。最终确定本实施例中喷 嘴第一环孔数为6，第二环孔数为12。喷孔在同一环上均匀分布，多孔环距L1＝8mm。

当脉动燃烧器只含有主频振荡，其它倍频振荡较少时，脉动燃烧器运行效果较好。对采用了本实施例的喷嘴结构的燃烧室振荡压力进行FFT处理，结果如图7所示。脉动 燃烧器运行主频为87.4Hz，压力振幅为11.5kPa，其它倍频振荡极少。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创 造，但不以任何方式限制本发明创造。一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (8)

1.一种适用于脉动燃烧器振荡燃烧的喷嘴结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，首先依据脉动燃烧器的功率以及选取燃料的热值确定燃料的体积流量q_g：

q_g＝P/Q，其中P为脉动燃烧器功率，Q为燃料热值；

步骤二，依据燃料的体积流量q_g，确定喷嘴出口面积A_g；

步骤三，根据设定的喷孔孔径、孔距及喷射角的取值界限，通过喷嘴出口面积A_g，确定喷嘴的喷孔数、喷孔分布结构，使得喷嘴尺寸最小。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤二中，首先计算燃烧室压强p_c(t)与喷嘴的供气压力p_g的最小比值，获得喷嘴出口在整个阀门开启周期内的流动状态；

再由喷嘴喷射动态流量的计算公式

计算喷嘴出口面积A_g；其中m_g,t为喷嘴喷射质量流量，A_g为喷嘴出口面积，p_g为喷嘴供气压力，R为通用气体常数，T_g为燃料初始温度，k为绝热指数，p_c为燃烧室压力；

而喷嘴喷射质量流量m_g,t可由公式得到，

其中ρ_g为燃料密度，t₀为燃料阀开启的时间，t_cycle＝1/f为脉动燃烧器振荡周期，f为脉动燃烧器振荡频率，q_g为燃料的体积流量；

由此可以确定喷嘴出口面积A_g为

3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述步骤三中，首先根据脉动燃烧器最合适的燃烧状况及稳定运行情况，确定喷孔孔径d、孔距L及喷射角θ的取值界限，再由获得喷嘴的出口面积A_g计算喷孔数，最后由喷孔数设计喷孔的分布结构。

4.根据上述设计方法获得的适用于脉动燃烧器振荡燃烧的喷嘴结构，其特征在于，所述喷嘴结构包括燃料通道(7)，所述燃料通道(7)的底部具有连接燃气单向阀的螺纹(8)，顶部具有连接燃烧室的螺纹(9)，燃料通道(7)的顶部为锥形结构，顶面上均均分布有燃料喷孔(10)，喷孔(10)的轴线与燃料通道(7)的轴线夹角的二倍为喷射角θ；所述喷孔的喷孔数目及喷孔分布结构由喷嘴结构的出口面积A_g确定；所述喷嘴出口面积A_g为：

其中A_g为喷嘴出口面积，p_g为喷嘴供气压力，R为通用气体常数，T_g为燃料初始温度，k为绝热指数，p_c为燃烧室压力；ρ_g为燃料密度，t₀为燃料阀开启的时间，t_cycle＝1/f为脉动燃烧器振荡周期，f为脉动燃烧器振荡频率，ρ₀为燃料密度，q_g为燃料的体积流量。

5.根据权利要求4所述的喷嘴结构，其特征在于，所述喷嘴喷孔呈多孔多环分布结构。

6.根据权利要求5所述的喷嘴结构，其特征在于，所述多孔多环分布结构的环距L1以及同一环上的孔距L2应满足7-10mm。

7.根据权利要求4所述的喷嘴结构，其特征在于，所述喷嘴喷孔直径d不小于2mm。

8.根据权利要求4所述的喷嘴结构，其特征在于，所述喷嘴喷孔轴线与喷腔中心轴线的夹角的二倍喷射角为θ，所述喷射角θ不大于15°。