CN112594689B - 一种基于多级射流和旋流的高温高速稳定燃烧方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于多级射流和旋流的高温高速稳定燃烧方法及装置，属于燃烧领域。本发明包括一级轴向射流发生装置、二级轴向射流发生装置、三级轴向射流发生装置和切向旋流发生装置，燃烧室结构。一级轴向射流发生装置的出口在二级轴向射流发生装置出口的内部，二级轴向射流发生装置的出口在三级轴向射流发生装置出口的内部。本发明充分利用轴向射流火焰和切向旋流火焰的燃烧特性和流动特性；沿轴向分级通入的燃料和稀释剂的混合气、氧化剂形成高速非预混射流火焰，沿切向通入的燃料和氧化剂的预混气形成旋流预混火焰，在保证高速流动的同时，维持火焰的稳定性，形成稳定的高速火焰。本发明具有燃烧效率高、火焰稳定、防烧蚀等优点。

Description

一种基于多级射流和旋流的高温高速稳定燃烧方法及装置

技术领域

本发明属于燃烧领域，涉及一种基于多级射流和旋流的高温高速稳定燃烧方法及装置。

背景技术

燃烧是将能量从燃料中传递到其他介质的最便捷迅速的方式。当前，大部分设备，如燃气轮机、液体火箭发动机等，所需的能量仍然依靠燃烧从化石燃料中获取。但是，目前大部分燃烧室中仍然存在燃烧不稳定及烧蚀的问题，在气流速度高、火焰温度高的燃烧室中尤为明显。因此，发展稳定燃烧技术及防烧蚀技术至关重要。

同时，现有的稳定燃烧技术及防烧蚀技术大多需要依靠增加外部组件来实现，其结构复杂，设计制造成本高，增加了整个燃烧系统的复杂程度，从而影响设备整体的可靠性与稳定性。

近年来，旋流火焰成为了燃烧领域的一个重要研究方向，其高效的掺混效果和火焰稳定性，有利于提高燃烧效率、维持火焰稳定，在燃气轮机等设备中得到了大量应用。因此，需要发明一种能够依靠自身结构特性，在气流速度较高时维持稳定燃烧，同时避免高温火焰带来烧蚀的燃烧装置。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，有效改善现有燃烧方法及装置存在的燃烧不稳定、烧蚀等问题本发明公开的一种基于多级射流和旋流的高温高速稳定燃烧方法及装置要解决的技术问题为：基于多级射流和旋流改善高温高速稳定燃烧装置燃烧特性，具有燃烧效率高、火焰稳定、防烧蚀等优点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种基于多级射流和旋流的高温高速稳定燃烧方法，利用轴向射流火焰和切向旋流火焰的流动特性和火焰稳定性，使用非预混高速轴向射流提供高温高速火焰，使用预混旋流增强掺混，提高燃烧效率，维持稳定燃烧。

本发明公开的一种基于多级射流和旋流的高温高速稳定燃烧装置，包括一级轴向射流发生装置、二级轴向射流发生装置、三级轴向射流发生装置和切向旋流发生装置，燃烧室结构。

其中，一级轴向射流发生装置为中空型圆柱结构，包括一个入口和一个出口，均沿轴向分布且为圆形；二级轴向射流发生装置为翻边套筒型结构，包括两个入口和一个出口，均为圆形，两个入口沿径向对称分布，出口沿轴向；三级轴向射流发生装置为翻边套筒型结构，包括两个入口和一个出口，均为圆形，两个入口沿径向对称分布，出口沿轴向；切向旋流发生装置为中空型圆柱结构，包括四个入口和一个出口，入口沿切向均匀分布，为长方形，出口沿轴向，为圆形；燃烧室为圆柱形腔体结构。

一级轴向射流发生装置的出口在二级轴向射流发生装置出口的内部，二级轴向射流发生装置的出口在三级轴向射流发生装置出口的内部，三者形成一级轴向射流的圆形出口和二三级轴向射流的环形出口。

一级轴向射流发生装置、二级轴向射流发生装置、三级轴向射流发生装置、切向旋流发生装置和燃烧室采用同轴安装；其中，三级轴向射流发生装置、切向旋流发生装置和燃烧室三者的内径相同。

本发明公开的一种基于多级射流和旋流的高温高速稳定燃烧装置的工作方法为：首先，将少量燃料和氧化剂通入切向旋流发生装置，同时在燃烧室出口处点火，形成预混旋流火焰；随后，根据预定条件增加通入切向旋流发生装置的燃料和氧化剂的质量流量；然后，按照预定条件向一级轴向射流发生装置通入燃料和稀释剂；最后，按照预定比例的质量流量，同时向二级轴向射流发生装置和三级轴向射流发生装置通入氧化剂以及燃料和稀释剂的混合气。一级轴向装置、二级轴向装置、三级轴向装置产生的混合气和切向旋流发生装置产生的预混旋流火焰最终形成稳定的高温高速火焰。

燃料和稀释剂的混合气、氧化剂以非预混模式分别通入一级轴向射流发生装置、二级轴向射流发生装置和三级轴向射流发生装置，然后进入圆柱形燃烧室时，形成高速冷流射流。非预混模式保证一级轴向射流发生装置、二级轴向射流发生装置和三级轴向射流发生装置内部无火焰存在，从源头上减少燃烧器内部的热量释放。同时，高速冷流射流能够将燃烧室内的火焰以辐射和热传导形式传递给燃烧器的热量及时带走，起到自冷却的作用。

通过减少通入一级轴向射流发生装置和三级轴向射流发生装置的燃料和稀释剂的混合气中稀释剂的质量流量，能够控制氧气浓度，实现富氧到纯氧的稳定燃烧，提高火焰温度，从而形成高温或超高温火焰。

切向旋流的流动特性能够保证切向旋流发生装置形成的预混旋流火焰的稳定性，从而增强了非预混轴向射流火焰的稳定性。切向旋流发生装置形成的预混旋流火焰的另外一个作用是将高温或超高温的非预混轴向射流火焰与周围环境的冷空气隔绝，减弱轴向高速射流对周围环境中的空气形成的卷吸作用，同时减少非预混轴向射流火焰的热损失，进一步保证火焰的温度。另外，冷的高速旋流预混气在燃烧装置内壁面形成一层低温保护气膜，有效阻止火焰产生的热量向燃烧装置传递，进一步实现自冷却效果，从根本上避免火焰对燃烧器的烧蚀问题，显著延长燃烧器的使用寿命。

本发明公开的一种基于多级射流和旋流的高温高速稳定燃烧装置的具体工作步骤如下：

步骤一：沿轴向的燃料射流从一级轴向射流发生装置的入口和三级轴向射流发生装置的入口通入燃烧器，沿轴向的氧化剂射流从二级轴向射流发生装置的入口通入燃烧器；

步骤二：将预混的燃料和氧化剂由切向旋流发生装置通入，燃料和氧化剂沿切向旋流装置进入燃烧器；

步骤三：沿轴向的燃料射流、氧化剂射流和切向的预混燃料和氧化剂在燃烧室内混合，点火燃烧；燃烧尾气由燃烧室出口排出。

所述步骤一中，向一级轴向射流发生装置、二级轴向射流发生装置、三级轴向射流发生装置通入燃料和氧化剂时，采用扩散燃烧方式，由非预混的燃料和氧化剂形成的高速冷流带走燃烧器的热量。

所述步骤二中，向切向旋流发生装置通入燃料和氧化剂时，采用预混燃烧方式，预混气在切向旋流发生装置内产生旋流运动并燃烧，增强射流火焰稳定性。同时，切向旋流预混气体在燃烧器和燃烧室内壁面形成低温保护膜，实现自冷却。

有益效果：

1、本发明公开的一种基于多级射流和旋流的高温高速稳定燃烧方法及装置，充分利用轴向射流火焰和切向旋流火焰的燃烧特性和流动特性。沿轴向分级通入的燃料和稀释剂的混合气、氧化剂形成高速非预混射流火焰，沿切向通入的燃料和氧化剂的预混气形成旋流预混火焰，二者相结合，在保证高速流动的同时，能够维持火焰的稳定性，形成稳定的高速火焰。

2、本发明公开的一种基于多级射流和旋流的高温高速稳定燃烧方法及装置，轴向射流火焰采用非预混燃烧模式，燃烧器内部无法形成火焰，避免了热量在轴向射流通道内产生。另外，高速旋流预混气在燃烧装置内壁面能够形成一层低温保护气膜，有效阻止火焰产生的热量向燃烧装置传递。同时，高速冷流射流能够将燃烧室内的火焰传递给燃烧器的热量及时带到燃烧器外。最终实现燃烧器的自冷却效果，显著减弱火焰对燃烧器的烧蚀现象，延长燃烧器的使用寿命。

3、本发明公开的一种基于多级射流和旋流的高温高速稳定燃烧方法及装置，其火焰温度通过改变氧气浓度得以控制。通过减少沿轴向通入的稀释剂的质量流量，能够实现富氧甚至纯氧条件下的稳定燃烧，形成稳定的高温或超高温火焰。

4、本发明公开的一种基于多级射流和旋流的高温高速稳定燃烧方法及装置，通过合理的燃烧结构设计，提高燃料、氧化剂和氧气在合理预混比例，有效提高燃烧效率，达到节约燃料和节能减排的效益。

附图说明

图1为装置的结构示意图，图2为装置的右视图。

其中，1-一级轴向射流发生装置、2-二级轴向射流发生装置、3-三级轴向射流发生装置、4-切向旋流发生装置、5-燃烧室、6-一级轴向射流入口、7-二级轴向射流入口、8-三级轴向射流入口、9-一级轴向射流出口、10-二级轴向射流出口、11-三级轴向射流出口、12-燃烧室出口。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合图示对本发明的具体实施方式来进一步说明。

实施例1：

本实施例公开的一种基于多级射流和旋流的高温高速稳定燃烧方法，利用轴向射流火焰和切向旋流火焰的流动特性和火焰稳定性，使用非预混高速轴向射流提供高温高速火焰，使用预混旋流增强掺混，提高燃烧效率，维持稳定燃烧。

实施例2：

如图1所示，本实施例公开的一种基于多级射流和旋流的高温高速稳定燃烧装置，包括一级轴向射流发生装置1、二级轴向射流发生装置2、三级轴向射流发生装置3和切向旋流发生装置4，燃烧室5。

其中，一级轴向射流发生装置1为中空型圆柱结构，包括一个入口6和一个出口9，均沿轴向分布且为圆形；二级轴向射流发生装置2为翻边套筒型结构，包括两个入口7和一个出口10，均为圆形，两个入口7沿径向对称分布，出口10沿轴向；三级轴向射流发生装置3为翻边套筒型结构，包括两个入口8和一个出口11，均为圆形，两个入口8沿径向对称分布，出口11沿轴向；切向旋流发生装置4为中空型圆柱结构，包括四个入口和一个出口，入口沿切向均匀分布，为长方形，出口沿轴向，为圆形；燃烧室5为圆柱形腔体结构。

一级轴向射流发生装置1的出口9在二级轴向射流发生装置2出口10的内部，二级轴向射流发生装置2的出口10在三级轴向射流发生装置3出口11的内部，三者形成一级轴向射流的圆形出口9和二级轴向射流的环形出口10、三级轴向射流的环形出口11。

一级轴向射流发生装置1、二级轴向射流发生装置2、三级轴向射流发生装置3、切向旋流发生装置4和燃烧室5采用同轴安装；其中，三级轴向射流发生装置3、切向旋流发生装置4和燃烧室5三者的内径相同。

本实施例公开的一种基于多级射流和旋流的高温高速稳定燃烧装置的工作方法为：首先，将少量燃料和氧化剂通入切向旋流发生装置4，同时在燃烧室出口处点火，形成预混旋流火焰；随后，根据预定条件增加通入切向旋流发生装置4的燃料和氧化剂的质量流量；然后，按照预定条件向一级轴向射流发生装置1通入燃料和稀释剂；最后，按照预定比例的质量流量，同时向二级轴向射流发生装置2和三级轴向射流发生装置3通入氧化剂以及燃料和稀释剂的混合气。一级轴向装置1、二级轴向装置2、三级轴向装置3产生的混合气和切向旋流发生装置4产生的预混旋流火焰最终形成稳定的高温高速火焰。

燃料和稀释剂的混合气、氧化剂以非预混模式分别通入一级轴向射流发生装置1、二级轴向射流发生装置2和三级轴向射流发生装置3，然后进入圆柱形燃烧室5时，形成高速冷流射流。非预混模式保证了一级轴向射流发生装置1、二级轴向射流发生装置2和三级轴向射流发生装置3内部无火焰存在，从源头上减少燃烧器5内部的热量释放。同时，高速冷流射流能够将燃烧室5内的火焰以辐射和热传导形式传递给燃烧器的热量及时带走，起到自冷却的作用。

通过减少通入一级轴向射流发生装置1和三级轴向射流发生装置3的燃料和稀释剂的混合气中稀释剂的质量流量，能够控制氧气浓度，实现富氧到纯氧的稳定燃烧，提高火焰温度，从而形成高温或超高温火焰。

切向旋流的流动特性能够保证切向旋流发生装置4形成的预混旋流火焰的稳定性，从而增强了非预混轴向射流火焰的稳定性。切向旋流发生装置4形成的预混旋流火焰的另外一个作用是将高温或超高温的非预混轴向射流火焰与周围环境的冷空气隔绝，减弱轴向高速射流对周围环境中的空气形成的卷吸作用，同时减少非预混轴向射流火焰的热损失，进一步保证火焰的温度。另外，冷的高速旋流预混气在燃烧室5内壁面形成一层低温保护气膜，有效阻止火焰产生的热量向燃烧装置传递，进一步实现自冷却效果，从根本上避免火焰对燃烧器的烧蚀问题，显著延长燃烧器的使用寿命。

本实施例中，使用甲烷作为轴向射流火焰和切向旋流火焰的燃料，使用氧气作为轴向射流火焰的氧化剂，使用二氧化碳作为轴向射流火焰的稀释剂，使用空气作为切向旋流火焰的氧化剂。向一级轴向射流发生装置1和三级轴向射流发生装置3通入甲烷和二氧化碳的混合气，向二级轴向射流发生装置2通入氧气，向切向旋流发生装置4通入甲烷和空气的预混气。

本实施例公开的一种基于多级射流和旋流的高温高速稳定燃烧装置，包括启动和停机操作，启动操作包括如下步骤：

步骤一：进行管路安装，分别在一级轴向射流发生装置1、二级轴向射流发生装置2、三级轴向射流发生装置3和切向旋流发生装置4上连接转接头和气体管路；

步骤二：将少量的甲烷和空气的预混气通入切向旋流发生装置5，甲烷和空气的质量流量分别为0.05kg/h和1kg/h，同时在燃烧室出口附近使用电火花点火；

步骤三：同时逐渐增加通入切向旋流发生装置5的甲烷和空气的质量流量到0.1kg/h和2kg/h；

步骤四：逐渐向一级轴向射流发生装置1通入甲烷/二氧化碳的混合气，质量流量分别为0.3kg/h和0.1kg/h；

步骤五：同时逐渐向二级轴向射流发生装置2和三级轴向射流发生装置3分别通入氧气和甲烷/二氧化碳混合气，氧气的质量流量为6.4kg/h，甲烷和二氧化碳的质量流量分别为1kg/h和0.3kg/h.

该质量流量保证富氧燃烧，且当量比在1左右，最终形成稳定的高温高速火焰，燃气速度可达150m/s，最高温度可达2800K以上。

停机操作包括如下步骤：

步骤一：同时逐渐减小通入二级轴向射流发生装置2和三级轴向射流发生装置3的氧气和甲烷/二氧化碳混合气的质量流量至零；

步骤二：逐渐减小通入一级轴向射流发生装置1的甲烷/二氧化碳的混合气的质量流量至零；

步骤三：逐渐减小通入切向旋流发生装置5的甲烷和空气的质量流量至零，燃烧器停止工作。

进一步地，本发明可以通过改稀释剂和氧化剂的相对质量流量，来改变氧气浓度，从而实现富氧到纯氧火焰的稳定燃烧，以达到不同的温度需求。

以上所述的描述对本发明的目的、方法及装置方案和优点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过程，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，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 (1)

1.一种基于多级射流和旋流的高温高速稳定燃烧装置，其特征在于：利用轴向射流火焰和切向旋流火焰的流动特性和火焰稳定性，使用非预混高速轴向射流提供高温高速火焰，使用预混旋流增强掺混，提高燃烧效率，维持稳定燃烧；

所述一种基于多级射流和旋流的高温高速稳定燃烧装置包括一级轴向射流发生装置(1)、二级轴向射流发生装置(2)、三级轴向射流发生装置(3)、切向旋流发生装置(4)和燃烧室(5)；

一级轴向射流发生装置(1)包括一个入口和一个出口，沿轴向分布且均为圆形；二级轴向射流发生装置(2)和三级轴向射流发生装置(3)分别包括两个入口和一个出口，均为圆形，两个入口沿径向对称分布，出口沿轴向分布；切向旋流发生装置(4)包括四个入口和四个出口，入口沿切向均匀分布，为长方形；出口沿轴向分布，为圆形；燃烧室(5)为圆柱形腔体；

一级轴向射流发生装置(1)的出口在二级轴向射流发生装置(2)出口的内部，二级轴向射流发生装置(2)的出口在三级轴向射流发生装置(3)出口的内部，三者形成一级轴向射流的圆形出口和二、三级轴向射流的环形出口；

一级轴向射流发生装置(1)、二级轴向射流发生装置(2)、三级轴向射流发生装置(3)、切向旋流发生装置(4)和燃烧室(5)采用同轴安装；其中，三级轴向射流发生装置(3)、切向旋流发生装置(4)和燃烧室(5)三者的内径相同；

首先，将少量燃料和氧化剂通入切向旋流发生装置(4)，同时在燃烧室(5)出口处点火，形成预混旋流火焰；随后，根据预定条件增加通入切向旋流发生装置(4)的燃料和氧化剂的质量流量；然后，按照预定条件向一级轴向射流发生装置(1)通入燃料和稀释剂；最后，按照预定比例的质量流量，同时向二级轴向射流发生装置(2)和三级轴向射流发生装置(3)通入氧化剂以及燃料和稀释剂的混合气；一级轴向射流发生装置(1)、二级轴向射流发生装置(2)、三级轴向射流发生装置(3)产生的混合气和切向旋流发生装置(4)产生的预混旋流火焰最终形成稳定的高温高速火焰；

燃料和稀释剂的混合气通入一级轴向射流发生装置(1)和三级轴向射流发生装置(3)，氧化剂通入二级轴向射流发生装置(2)，然后进入燃烧室(5)时，形成高速冷流射流；非预混模式保证了一级轴向射流发生装置(1)、二级轴向射流发生装置(2)和三级轴向射流发生装置(3)内部无火焰存在，从源头上减少燃烧室(5)内部的热量释放；同时，高速冷流射流能够将燃烧室(5)内的火焰以辐射和热传导形式传递给燃烧室(5)的热量及时带走，起到自冷却的作用；

通过减少通入一级轴向射流发生装置(1)和三级轴向射流发生装置(3)的燃料和稀释剂的混合气中稀释剂的质量流量，能够控制氧气浓度，实现富氧到纯氧的稳定燃烧，提高火焰温度，从而形成高温或超高温火焰；

切向旋流的流动特性能够保证切向旋流发生装置形成的预混旋流火焰的稳定性，从而增强了非预混轴向射流火焰的稳定性；切向旋流发生装置(4)形成的预混旋流火焰的另外一个作用是将高温或超高温的非预混轴向射流火焰与周围环境的冷空气隔绝，减弱轴向高速射流对周围环境中的空气形成的卷吸作用，同时减少非预混轴向射流火焰的热损失，进一步保证火焰的温度；另外，冷的高速旋流预混气在燃烧装置内壁面形成一层低温保护气膜，有效阻止火焰产生的热量向燃烧装置传递，进一步实现自冷却效果，从根本上避免火焰对燃烧器的烧蚀问题，显著延长燃烧器的使用寿命；

所述的一种基于多级射流和旋流的高温高速稳定燃烧装置具体工作步骤如下，

步骤一：沿轴向的燃料射流从一级轴向射流发生装置(1)的入口(6)和三级轴向射流发生装置(3)的入口(8)通入燃烧器，沿轴向的氧化剂射流从二级轴向射流发生装置(2)的入口(7)通入燃烧器；

步骤二：将预混的燃料和氧化剂由切向旋流发生装置(4)通入，燃料和氧化剂沿切向旋流装置进入燃烧器；

步骤三：沿轴向的燃料射流、氧化剂射流和切向的预混燃料和氧化剂在燃烧室内混合，点火燃烧；燃烧尾气由燃烧室出口排出；

所述步骤一中，向一级轴向射流发生装置(1)、二级轴向射流发生装置(2)、三级轴向射流发生装置(3)通入燃料和氧化剂时，采用扩散燃烧方式，由非预混的燃料和氧化剂形成的高速冷流带走燃烧器的热量；

所述步骤二中，向切向旋流发生装置(4)通入燃料和氧化剂时，采用预混燃烧方式，预混气在切向旋流发生装置(4)内产生旋流运动并燃烧，增强射流火焰稳定性；同时，切向旋流预混气体在燃烧器和燃烧室内壁面形成低温保护膜，实现自冷却。

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