CN111396927B - 二维阵列无传统旋流器的低污染燃烧装置 - Google Patents

二维阵列无传统旋流器的低污染燃烧装置 Download PDF

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Abstract

一种二维阵列无传统旋流器的低污染燃烧装置，包括包括环形燃烧室头部，所述环形燃烧室头部分隔为多个环形气流通道，环形气流通道出口设有稳焰结构；每个环形气流通道内均周向分布有多个导向叶片；导向叶片之间设有燃料管道。本发明充分利用燃烧室头部空间，形成均匀预混合燃烧模式，同时通过增加燃料喷嘴的数量，实现多点喷射，避免出现局部高温，减少了热力型NOx污染物的排放。

Description

二维阵列无传统旋流器的低污染燃烧装置
技术领域
本发明属于航空发动机和燃气轮机技术领域，尤其涉及一种二维阵列无传统旋流器的低污染燃烧装置。
背景技术
航空发动机和部分燃气轮机普遍采用环形燃烧室和多旋流器的整体结构。近年来，随着能源和动力领域对污染物排放标准不断提高，减少污染物的排放成为了设计燃烧室的重要指标，其中NOx是最主要的污染物。低污染燃烧技术的主要目的是组织燃料和空气混合均匀燃烧，避免产生局部热点以及在近化学当量比的状态下的高温燃烧，从而减少高温下生产大量的热力型NOx。各种燃烧技术的关键是实现燃料均匀混合以及稳定燃烧的方法，在现有的常规环形燃烧室和多旋流器的方案中，每一个旋流器有一个喷嘴，并相对独立的组织燃烧和混合，整个燃烧室相当于有多个独立热点，容易产生热力型NOx。由于空间布局的要求，旋流器数目受限，且旋流器为圆形，旋流器互相之间的空间不能充分利用。这就很难使燃料和空气充分混合，从而必然出现局部高温燃烧，因而增加了NOx污染物的排放。国内外对此开展了大量的研究，目前的低排放燃烧室技术主要有贫油直喷/多点喷射技术、贫燃预混燃烧技术、双环预混旋流燃烧技术等，这些技术仍以多旋流器头部的燃烧室为基础，因此不能完全解决常规多旋流器燃烧室的以上问题。此外的凹腔驻涡燃烧技术虽然采用了二维结构，但是为了形成二维驻涡，采用了在燃烧室主体结构外布置突出的凹腔结构，不利于总体布局，且需要复杂的气流组织方式，以实现稳定的驻涡。
总之，随着污染物排放要求的提高，目前的低污染燃烧技术受限于传统多旋流器燃烧的技术路线，越来越难以实现更低的污染物排放水平，迫切需要发展新的低污染燃烧技术。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种二维阵列无传统旋流器的低污染燃烧装置，以期至少部分地解决上述装置问题中的至少之一。
为了实现上述目的，本发明提供了一种二维阵列无传统旋流器的低污染燃烧装置，包括环形燃烧室头部，所述环形燃烧室头部分隔为多个环形气流通道，环形气流通道出口设有稳焰结构；每个环形气流通道内均周向分布有多个导向叶片；导向叶片之间设有燃料管道。
基于上述装置方案可知，本发明的二维阵列无传统旋流器的低污染燃烧装置相对于现有装置至少具有以下优势之一：
1、本发明充分利用燃烧室头部空间，形成均匀预混合燃烧模式，同时通过增加燃料喷嘴的数量，实现多点喷射，避免出现局部高温，减少了热力型NOx污染物的排放；
2、本发明尤其适用于含氢燃料，氢燃料的绝热火焰温度相对常规天然气和液态燃料更高；本发明的二维结构，可以使得燃烧更均匀，局部温度更低，进一步降低氮氧化物排放；
3、本发明不仅可用于采用环形燃烧室结构的航空发动机和燃气轮机，也适用于其他类型的燃烧器，如供暖发电或动力用的锅炉用燃烧器、大型燃气轮机的单筒型燃烧器等。
附图说明
图1为采用二维阵列无旋流器的低污染燃烧装置的环形燃烧室头部二维图；
图2为采用二维阵列无旋流器的低污染燃烧装置的环形燃烧室头部正视图；
图3为采用二维阵列无旋流器的低污染燃烧装置的环形燃烧室头部内部结构图；
图4为环形燃烧室头部V型瓣膜火焰稳定器结构图。
附图标记说明：
1-环形燃烧室头部、2-燃料管道、3-燃料喷嘴、4-导向叶片、5-环形气流通道、6-分隔层、7-V型波瓣火焰稳定器。
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。
本发明公开了一种二维阵列无传统旋流器的低污染燃烧装置，包括环形燃烧室头部，所述环形燃烧室头部分隔为多个环形气流通道，环形气流通道出口设有稳焰结构；每个环形气流通道内均周向分布有多个导向叶片；导向叶片之间设有燃料管道。
在本发明的一些实施例中，所述环形气流通道内气流独立流动；
在本发明的一些实施例中，相邻的环形气流通道内的导向叶片的导向相反。
在本发明的一些实施例中，所述导向叶片均匀分布在环形气流通道内。
在本发明的一些实施例中，所述环形气流通道的同一通道内的导向叶片的导向相同。
在本发明的一些实施例中，所述导向叶片呈流线型，沿轴向长度为50至70mm，宽度为10至20mm。
在本发明的一些实施例中，所述环形燃烧室头部周向分布有若干个燃料管道；
在本发明的一些实施例中，燃料管道上均设有用于分配燃料的燃料分配器；
在本发明的一些实施例中，每一个所述燃料管道均贯穿多个环形气流通道。
在本发明的一些实施例中，所述燃料管道为周向阵列结构；
在本发明的一些实施例中，所述燃料喷嘴为径向阵列结构。
在本发明的一些实施例中，所述燃料管道喷出的燃料方向与来流空气方向垂直；
在本发明的一些实施例中，每个所述燃料管道上均设有4至10个燃料喷嘴；
在本发明的一些实施例中，所述燃料管道喷嘴位于导向叶片的中间位置。
在本发明的一些实施例中，当燃料为燃气，所述燃料管道直径为5至10mm，燃料喷嘴喷口直径为0.5至1mm；
在本发明的一些实施例中，当燃料为燃油，所述燃料管道直径为2至3mm，燃料喷嘴喷口直径为0.1至0.3mm。
在本发明的一些实施例中，所述稳焰结构采用整体V型或U型结构；
在本发明的一些实施例中，所述稳焰结构的波瓣混合位于V型或U型结构尾端，采用周期性布置。
在一个示例性实施例中，本发明的二维阵列无传统旋流器的低污染燃烧装置，采用了无传统旋流器的整体环形头部结构，最大限度利用头部空间使得空气和燃料充分预混合；采用二维多层进气结构，每一层气流通道流动不相互影响，且相隔气流通道有相反导向的导向叶片，使出口气流能够利用自身动能充分搅拌和混合；采用多燃料管道多点喷射的阵列结构，尽可能增大燃烧室中燃料的分布均匀性；气流出口采用多层V形波瓣稳焰器，在传统V形钝体稳焰基础上形成回流区，并通过波瓣辅助稳焰，实现无传统旋流器的燃烧稳定机制。
其中，所述结构整体为二维结构，取消了传统旋流器，充分利用环形空间，有利于组织燃料的混合和燃烧。
其中，所述结构采用多层结构，每层都形成一个环形气流通道，相邻层气流偏转方向不同，在出口处利用流体自身动能充分混合。
其中，空气从进气口进入，由于具有一定的速度，与从燃料喷嘴中喷出的燃料混合并一起向前运动并经过导向叶片发生偏转，偏转的气流向前运动经过V形波瓣稳焰器，稳压器作为钝体，在后方形成低速回流区，从而使燃烧稳定进行。
其中，每一层气流通道周向均布的导向叶片，导向叶片为流线型，可以减少气体经过时的阻力，经过导向叶片的气流流动方向发生偏转，相隔分层的导向叶片的导向相反，以使每层的出口气流旋向不同，使出口气流充分搅拌和混合。
其中，在气流流经导向叶片轴向距离一半的位置，会周向均布若干个燃料管道，燃料管道上沿径向均布若干燃料喷嘴，导向叶片中间气流速度较高，与垂直喷射的燃料射流充分混合。
其中，所述结构的燃料采用多点喷射装置，每一路燃料管道都贯穿多个分层，沿周向阵列均布，每一路燃料管道分布多个径向阵列燃料喷嘴，多燃料管道和多燃料喷嘴的组合增加了燃烧均匀性。
其中，所述周向阵列是燃料管道沿周向排布，管道数量可以根据燃料特性而不同；所述径向阵列是燃料喷嘴在燃料管道上沿径向排布，喷嘴数量可以根据燃料特性而不同。管道和喷嘴具体阵列数量的确定以充分预混合和稳定燃烧为目标。
其中，每个燃料管道都会外接燃料分配器，燃料分配器均匀地将燃料分配到燃料管道中。多燃料管道和多喷嘴的组合使燃料喷嘴数大大增加，每个喷嘴的流量更小，使燃料和来流空气混合更加均匀，避免了局部高温的产生，减少了NOx的生成浓度。
其中，气流出口有多圈整体V形稳焰器，采用钝体稳焰方法，火焰稳定器整体上呈一定的角度并分为上下两部分，V形末端呈波瓣状，配合相邻层的反向流动以增大来流的扰动，具有低阻高效的混合特性，V形波瓣之后会形成回流区，使燃烧稳定进行。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
本发明的目的是提供一种二维阵列无传统旋流器的低污染燃烧装置，采用了无传统旋流器的整体环形头部结构，最大限度利用头部空间使得空气和燃料充分预混合，环形燃烧室头部1分为多个环形气流通道5，每个环形气流通道5之间有分隔层6，流道内气流流动独立，不相互影响，每个环形气流通道5内都沿周向均布导向叶片4，空气经过导向叶片4后方向发生了偏转，取消了传统旋流器，整体为二维结构，不用旋流器却产生了旋流的效果，更有利于组织燃料的混合和燃烧，导向叶片4中间有多燃料管道多喷嘴结构，从燃烧室进口进入的压缩后的空气经过导向叶片4，在导向叶片4前半部分，空气流速增加，方向发生偏转，速度的增加可以防止点燃，避免回火的发生，加速后的空气与多个阵列结构的燃料喷嘴3喷出的燃料充分混合形成燃料混合物，多燃料喷嘴3增大了燃料的扩散程度，避免了燃料分散不均导致的局部高温，降低了NOx污染物的浓度，相隔环形气流通道5的导向叶片4具有相反的导向，因此相隔环形气流通道5出口气流的旋向相反，有利于增加空气与燃料的掺混程度，气流出口出有V型瓣膜稳焰器，具有低阻高效的稳焰效果，使火焰稳定燃烧。
如图1及图2所示，图1为环形燃烧室头部的剖面二维图，其中导向叶片4后部的不同符号
Figure BDA0002428599260000061
表示不同的叶片导向，相隔环形气流通道5的叶片导向不同，同一环形气流通道5内的叶片导向是相同的，导向叶片4的作用是使气流流动方向发生偏转，在气流出口处产生旋流效果，增大空气和燃料的掺混程度，并且在空气经过导向叶片4的过程中，空气的速度增加，燃料混合物不易点燃，有效地防止回火的发生，图2为环形燃烧室头部正视图，图3为环形燃烧室头部内部结构图，每一路燃料管道2都贯穿多个环形气流通道5，沿周向均布若干路，每一路燃料管道2都装有多个燃料喷嘴3，在每一路燃料管道2上都径向阵列4-10个燃料喷嘴3，当燃料为燃气，燃料管道2直径为5-10mm，燃料喷嘴3喷口直径为0.5-1mm，当燃料为燃油，燃料管道2直径为2-3mm，燃料喷嘴3喷口直径为0.1-0.3mm，燃料管道2和燃料喷嘴3直径和燃料管道2可以根据燃油及燃气的品质，燃料需求量改变，燃料管道2喷出的燃料方向与来流空气方向垂直，有利于增加燃料和来流空气的掺混程度，多燃料管道2和多燃料喷嘴3的组合大大增加了燃料喷嘴3的数量，其中，燃料管道2和燃料喷嘴3均为阵列结构，可以增加燃料管道2和燃料喷嘴3的阵列数来增加燃料喷嘴3数，燃料从多燃料喷嘴3喷出，避免了单喷嘴或少喷嘴造成的燃料喷射不均，扩散程度低引起的局部高温现象，可以有效降低NOx的生成，并且可以使出口的温度场更加均匀且平均温度更低，能够提高燃烧室的稳定性和耐久性，如图4环形燃烧室头部1部分内部结构图所示，掺混形成的燃料混合物向前运动经过导向叶片4，导向叶片4沿周向均布若干个，每个导向叶片4呈流线型，沿轴向长度为50-70mm，宽度为10-20mm，与环腔高度相同，叶片可以有效减少燃料混合物经过时的阻力，相隔环形气流通道5的导向叶片4的导向方向是相反的，因此相隔环形气流通道5出口气流的总体旋向是相反的，这样可以增加不同层之间的扰动，增加燃料混合物掺混程度，掺混程度增加可以避免局部高温的发生，减少热力型NOx的生成，导向叶片4的存在使空气流通面积减少，空气流速增加，形成的燃料混合物不易被点燃，增加了燃烧室的稳定性，气流出口的V型波瓣火焰稳定器7沿径向分布若干圈，V型瓣膜火焰稳定器结构图所示，每一圈都分为上下两部分，两部分之间有一定的角度，呈V型，每一部分都是瓣膜状，有利于气流之间相互混合，增大燃料混合物的掺混程度，V型瓣膜火焰稳定器之后会形成一个低速回流区，有利于火焰的稳定燃烧。
燃烧室中总体流程为压缩后空气从环形燃烧室头部1进气口进入，具有一定的速度，经过环形气流通道5的导向叶片4发生偏转并加速，当流经导向叶片4沿轴向的一半长度时，与从燃料喷嘴3中喷出的燃料混合形成燃料混合物并带动其一起向前运动，将多燃料管道多燃料喷嘴结构位于导向叶片4沿轴向的一半长度而不将其置于导向叶片4进口的目的是，在导向叶片4沿轴向的一半长度处气流速度更快，可以有效避免燃烧室回火，增加燃烧的稳定性，混合形成的燃料混合物继续向前运动，由于相隔环形气流通道5的导向叶片4导向不同，所以气流通道出口的燃料混合物旋向相反，在出口处进一步增加了燃料混合物的掺混程度，使燃料分散更加均匀，出口处接有若干组V型波瓣状火焰稳定器，每一组V型波瓣状火焰稳定器有一定的角度分为上下两部分，因此呈V型，且每一部分都是波瓣状，波瓣状可以增大来流的扰动，具有低阻高效的混合特性，燃料混合物经过V型波瓣之后会形成回流区，使燃烧在燃烧室内稳定进行。
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 (9)

1.一种二维阵列无传统旋流器的低污染燃烧装置，包括环形燃烧室头部，所述环形燃烧室头部分隔为多个环形气流通道，环形气流通道出口设有稳焰结构；每个环形气流通道内均周向分布有多个导向叶片；导向叶片之间设有燃料管道；其中，相邻的环形气流通道内的导向叶片的导向相反；所述环形气流通道的同一通道内的导向叶片的导向相同。
2.根据权利要求1所述的低污染燃烧装置，其特征在于，
所述环形气流通道内气流独立流动。
3.根据权利要求1所述的低污染燃烧装置，其特征在于，
所述导向叶片均匀分布在环形气流通道内。
4.根据权利要求1所述的低污染燃烧装置，其特征在于，
所述导向叶片呈流线型，沿轴向长度为50至70mm，宽度为10至20mm。
5.根据权利要求1所述的低污染燃烧装置，其特征在于，
所述环形燃烧室头部周向分布有若干个燃料管道；
燃料管道上均设有用于分配燃料的燃料分配器；
每一个所述燃料管道均贯穿多个环形气流通道。
6.根据权利要求1所述的低污染燃烧装置，其特征在于，
所述燃料管道为周向阵列结构；
所述燃料喷嘴为径向阵列结构。
7.根据权利要求1所述的低污染燃烧装置，其特征在于，
所述燃料管道喷出的燃料方向与来流空气方向垂直；
每个所述燃料管道上均设有4至10个燃料喷嘴；
所述燃料管道喷嘴位于导向叶片的中间位置。
8.根据权利要求1所述的低污染燃烧装置，其特征在于，
当燃料为燃气，所述燃料管道直径为5至10mm，燃料喷嘴喷口直径为0.5至1mm；
当燃料为燃油，所述燃料管道直径为2至3mm，燃料喷嘴喷口直径为0.1至0.3mm。
9.根据权利要求1所述的低污染燃烧装置，其特征在于，
所述稳焰结构采用整体V型或U型结构；
所述稳焰结构的波瓣混合位于V型或U型结构尾端，采用周期性布置。
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