CN112856413B - 一种可调氢气引射/二次进风的燃烧器与燃烧方法 - Google Patents

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Abstract

一种可调氢气引射/二次进风的燃烧器，包括：燃料空气供给及混合器，可实现燃料和空气的预混或非预混；旋流稳焰器，产生旋流以稳定火焰；燃烧室，燃料和空气在其中燃烧，其安装有氢气引射/二次进风盖板，氢气引射/二次进风盖板上不同位置处开有通孔，在不同位置处的通孔中安装氢气燃料喷嘴以实现不同位置处的氢气引射，在某个或者某几个通孔上设置装有烧结金属的空气整流腔，空气通入空气整流腔和烧结金属之后均匀地从通孔喷射进燃烧室实现二次进风。本发明可在预混或非预混的燃烧组织形式下在燃烧室不同位置处进行氢气引射和二次进风，从而进行旋流火焰引射氢气燃烧以及二次进风对火焰稳定性以及排放等特性的研究。

Description

一种可调氢气引射/二次进风的燃烧器与燃烧方法
技术领域
本发明属于热能工程技术领域，涉及一种燃烧器，特别涉及一种可调氢气引射/二次进风的燃烧器与燃烧方法。
背景技术
为应对全球气候变化、降低碳排放，加强对氢能的利用是一种行之有效的方案，但是由于大规模储氢成本高、氢燃料电池技术不成熟、氢气基础设施不完善，纯氢的利用还需要相当长的时间，所以可以将氢气利用在掺混燃烧中。氢气由于燃烧速度快，在燃烧中极易发生回火。通过引射的方式，将氢气通过外加的燃料喷嘴通入燃烧室进行燃烧利用是一种行之有效的方案，通过该方案可以实现氢气在燃气轮机/航空发动机复杂火焰中的低、中、高比例的利用。因此，研究在不同燃烧组织状态下的氢气引射对火焰的影响机理十分重要，能在一定程度上帮助理解和实现氢气的可控、稳定和清洁高效的燃烧利用。
目前，可调的氢气引射和二次进风对湍流预混以及非预混燃烧影响的实验研究十分匮乏，相关的主要研究都集中于将氢气直接掺混在燃烧中组织燃烧，但是这种方式不利于将氢气直接应用于现有的燃气轮机及航空发动机中。研究发现，如果将氢气通过单独的燃料喷嘴通入燃烧室中进行燃烧利用，一方面可以改善燃烧稳定性，加速氢气利用，另一方面该方案便于在原有发动机基础上进行改造实现。然而不同空间位置处的氢气引射对火焰的影响尚缺乏详细的研究，导致相关实验数据缺乏，氢气引射和二次进风相互作用机理也尚不明确，难以支撑理论发展缺乏指导氢气在燃机及航机中的实际利用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可调氢气引射/二次进风的燃烧器与燃烧方法，以期实现不同位置、不同组合的氢气引射燃烧和二次进风功能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种可调氢气引射/二次进风的燃烧器，包括：
燃料空气供给及混合器，其带有轴向的内部通道，内部通道的一端为空气入口1，内部通道连接有预混燃料口2，以实现燃料和空气的预混或非预混；
旋流稳焰器6，与所述内部通道的另一端以及非预混燃料口5连接，产生旋流以稳定火焰；
燃烧室，旋流稳焰器6输出的燃料和空气在其中燃烧，燃烧室整体为框架结构，框架上安装有氢气引射/二次进风盖板11，其中，所述氢气引射/二次进风盖板11上不同位置处开有通孔7，在不同位置处的通孔7中安装氢气燃料喷嘴10以实现不同位置处的氢气引射，在某个或者某几个通孔7上设置装有烧结金属8的空气整流腔9，空气通入空气整流腔9和烧结金属8之后均匀地从通孔7喷射进燃烧室实现二次进风。
优选地，所述内部通道包括同轴的收放喷管3和柱形管，收放喷管3的一端为空气入口1，另一端与柱形管连接并在连接处设置整流板4，预混燃料口2连接于收放喷管3的缩颈处，与其轴向垂直。
优选地，所述旋流稳焰器6的中心入口连接非预混燃料口5，周围入口连接所述内部通道的另一端。
优选地，所述旋流稳焰器6适配多种不同角度的叶片，从而产生不同旋流强度的湍流流场。
优选地，所述燃烧室的框架上安装有石英玻璃视窗12，以作为激光诊断以及数码图像的光学通路。
优选地，所述通孔7在不使用时通过旋紧相同尺寸的螺柱进行封闭。
优选地，所述空气整流腔9为带有进风口的腔体，烧结金属8设置在腔内，封堵进风口与通孔7之间的直接连通，使得二次进风必须经烧结金属8进行均匀分布。
优选地，设置连通空气整流腔9的通孔7位于不同高度位置，由此实现不同高度的二次进风。
优选地，燃烧器的所有部件均能够单独拆卸组合。
本发明还提供了基于所述可调氢气引射/二次进风的燃烧器的燃烧方法，包括燃料和空气的预混模式和非预混模式，在预混模式中，空气从空气入口1通入，燃料从预混燃料口2通入，与空气充分混合后进入旋流稳焰器6，随后在燃烧室燃烧；在非预混模式中，空气从空气入口1通入，燃料从非预混燃料口5通入，从旋流稳焰器6中心喷出，与空气在燃烧室混合后燃烧；通过在不同位置处的通孔7中安装氢气燃料喷嘴10，实现不同位置处的氢气引射，通过在不同高度位置的通孔7处安装空气整流腔9并通入二次进风，实现不同高度的二次进风。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.该装置可以通过燃料空气供给及混合器实现预混燃烧和非预混燃烧的切换和组合。对于预混形式，空气从空气入口通入，燃料从预混燃料口通入，且燃料口可以实现燃料的均匀喷射，燃料在收放喷管处与空气充分混合，混合气通过整流板后充分发展进入旋流稳焰器，随后在燃烧室预混燃烧；对于非预混形式，空气从空气入口通入，通过整流板后气流充分发展，燃料从非预混燃料口通入，在旋流稳焰器中心喷出，与空气混合后燃烧，实现非预混燃烧方式。可用于研究氢气引射和二次进风对不同燃烧组织方式的影响机理；
2.该装置能实现不同位置处的氢气引射和二次进风，以及氢气引射与二次进风的不同组合。通过改变氢气引射喷嘴和二次进风腔的位置，产生了多种位置处氢气引射和二次进风工况，用于研究氢气引射和二次进风对火焰的稳定性、排放等特性的影响，为氢气的引射利用提供实验依据。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明氢气引射/二次进风盖板示意图。
图中：1-空气入口；2-预混燃料口；3-收放喷管；4-整流板；5-非预混燃料口；6-旋流稳焰器；7-通孔；8-烧结金属；9-空气整流腔；10-氢气燃料喷嘴；11-氢气引射/二次进风盖板；12-石英玻璃视窗；13-螺钉安装孔；14-通孔分组。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。附图描述的实例仅仅是示例性的，仅仅用于解释此发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明旨在研究不同位置处的氢气引射和二次进风对预混/非预混火焰的影响机理，解决了现有氢气利用装置的不足，提供了一种氢气引射利用/二次进风可调的燃烧器装置。
如图1所示，本发明的可调氢气引射/二次进风的燃烧器，包括燃料空气供给及混合器、旋流稳焰器6以及燃烧室，其中：
燃料空气供给及混合器为带有轴向内部通道的装置，其内部通道的一端为空气入口1，内部通道连接有预混燃料口2，从而可以实现燃料和空气的预混或非预混。
本实施例中，内部通道包括同轴的收放喷管3和柱形管，收放喷管3的一端为空气入口1，另一端与柱形管连接并在连接处设置整流板4，预混燃料口2连接于收放喷管3的缩颈处，与其轴向垂直。
旋流稳焰器6与内部通道的另一端以及非预混燃料口5连接，产生旋流以稳定火焰。
本实施例中，旋流稳焰器6的中心入口连接非预混燃料口5，周围入口连接内部通道的另一端。旋流稳焰器6可适配多种不同角度的叶片，从而产生不同旋流强度的湍流流场。
旋流稳焰器6输出的燃料和空气在燃烧室中燃烧，燃烧室整体为框架结构，框架上安装有氢气引射/二次进风盖板11。
燃料和空气预混模式下，空气从空气入口1通入，燃料从预混燃料口2通入，且预混燃料口2可以实现燃料的均匀喷射，燃料在收放喷管3处与空气充分混合，混合气通过整流板4后充分发展进入旋流稳焰器6，随后在燃烧室预混燃烧。
燃料和空气非预混模式下，空气从空气入口1通入，通过整流板4后气流充分发展，燃料从非预混燃料口5通入，在旋流稳焰器6中心喷出，与空气混合后在燃烧室预混燃烧。
本实施例中，框架上还可安装石英玻璃视窗12，作为激光诊断以及数码图像的光学通路。
参考图2，氢气引射/二次进风盖板11上设置螺钉安装孔13，用以通过螺钉安装于框架上。氢气引射/二次进风盖板11上不同位置处开有通孔7，通孔7在不使用时可通过旋紧相同尺寸的螺柱进行封闭。沿气流方向，可将位于同一高度处的通孔7分组，得到若干通孔分组14，本实施例中，通孔分组14有低、中、高三组，即通孔7一共有三排，分别布置在氢气引射/二次进风盖板11的低、中、高位置处，每排有5个通孔7。
使用时，在不同位置处的通孔7中安装氢气燃料喷嘴10，从而可实现不同位置处的氢气引射，本实施例中，氢气燃料喷嘴10可以安装在盖板上15个通孔7上。
在某个或者某几个通孔7上设置装有烧结金属8的空气整流腔9，空气整流腔9为带有进风口的腔体，烧结金属8设置在腔内，封堵进风口与通孔7之间的直接连通，使得二次进风必须经烧结金属8进行均匀分布。空气通入空气整流腔9和烧结金属8之后均匀地从通孔7喷射进燃烧室实现二次进风。当设置连通空气整流腔9的通孔7位于不同高度位置(一般为一个通孔分组14)，可实现不同高度的二次进风。
通过选择不同位置的通孔7组合，可以实现在不同位置和不同组合的氢气引射以及二次进风。
本发明燃烧器的所有部件均能够单独拆卸组合，模块化设计便于安装和更换。
本发明还提供了基于可调氢气引射/二次进风的燃烧器的燃烧方法，包括燃料和空气的预混模式和非预混模式，在预混模式中，空气从空气入口1通入，燃料从预混燃料口2通入，与空气充分混合后进入旋流稳焰器6，随后在燃烧室燃烧；在非预混模式中，空气从空气入口1通入，燃料从非预混燃料口5通入，从旋流稳焰器6中心喷出，与空气在燃烧室混合后燃烧；通过在不同位置处的通孔7中安装氢气燃料喷嘴10，实现不同位置处的氢气引射，通过在不同高度位置的通孔7处安装空气整流腔9并通入二次进风，实现不同高度的二次进风。
本发明的核心在于在燃烧室框架上安装氢气引射/二次进风盖板11，氢气引射/二次进风盖板11上排布有若干通孔7，可以通过若干通孔7实现不同位置处的氢气引射和二次进风的研究。在所有通孔7封闭时，该燃烧器可研究旋流预混/非预混燃烧，石英玻璃视窗12提供燃烧诊断的光学通路。对于氢气引射功能，氢气燃料喷嘴10旋紧在若干通孔7上，可以在旋流火焰不同火焰位置处喷射氢气，用于探究氢气引射对火焰根部、中部、火焰下游的影响因素。在火焰不同位置喷射氢气，将改变火焰的稳定性和排放特性，通过此发明装置可以详细研究氢气引射后对燃烧影响的机理。对于二次进风功能，烧结金属8为多孔材料，来流通过烧结金属8，流速被均匀降低，在空间上分散均匀。可以在旋流火焰不同高度位置二次进风。二次进风对火焰的排放特性有十分显著的影响，尤其对于氨气火焰，二次进风能显著改善排放特性，通过此装置，可以详细研究二次进风对燃烧的影响。
综上，本发明可在预混或非预混的燃烧组织形式下在燃烧室不同位置处进行氢气引射和二次进风，从而进行旋流火焰引射氢气燃烧以及二次进风对火焰稳定性以及排放等特性的研究。装置可控条件多，可以全面研究氢气引射和二次进风对火焰的影响，模块化设计、结构紧凑、便于加工。
以上，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种可调氢气引射/二次进风的燃烧器，其特征在于，包括：
燃料空气供给及混合器，其带有轴向的内部通道，内部通道的一端为空气入口（1），内部通道连接有预混燃料口（2），以实现燃料和空气的预混或非预混；
旋流稳焰器（6），与所述内部通道的另一端以及非预混燃料口（5）连接，产生旋流以稳定火焰；
燃烧室，旋流稳焰器（6）输出的燃料和空气在其中燃烧，燃烧室整体为框架结构，框架上安装有氢气引射/二次进风盖板（11），其中，所述氢气引射/二次进风盖板（11）上不同位置处开有通孔（7），沿气流方向，将位于同一高度处的通孔（7）分组，得到若干通孔分组（14），在不同位置处的通孔（7）中安装氢气燃料喷嘴（10）以实现不同位置处的氢气引射，在某个或者某几个通孔（7）上设置装有烧结金属（8）的空气整流腔（9），空气通入空气整流腔（9）和烧结金属（8）之后均匀地从通孔（7）喷射进燃烧室实现二次进风，设置连通空气整流腔（9）的通孔（7）位于不同高度位置，由此实现不同高度的二次进风。
2.根据权利要求1所述可调氢气引射/二次进风的燃烧器，其特征在于，所述内部通道包括同轴的收放喷管（3）和柱形管，收放喷管（3）的一端为空气入口（1），另一端与柱形管连接并在连接处设置整流板（4），预混燃料口（2）连接于收放喷管（3）的缩颈处，与其轴向垂直。
3.根据权利要求1或2所述可调氢气引射/二次进风的燃烧器，其特征在于，所述旋流稳焰器（6）的中心入口连接非预混燃料口（5），周围入口连接所述内部通道的另一端。
4.根据权利要求1所述可调氢气引射/二次进风的燃烧器，其特征在于，所述旋流稳焰器（6）适配多种不同角度的叶片，从而产生不同旋流强度的湍流流场。
5.根据权利要求1所述可调氢气引射/二次进风的燃烧器，其特征在于，所述燃烧室的框架上安装有石英玻璃视窗（12），以作为激光诊断以及数码图像的光学通路。
6.根据权利要求1所述可调氢气引射/二次进风的燃烧器，其特征在于，所述通孔（7）在不使用时通过旋紧相同尺寸的螺柱进行封闭。
7.根据权利要求1所述可调氢气引射/二次进风的燃烧器，其特征在于，所述空气整流腔（9）为带有进风口的腔体，烧结金属（8）设置在腔内，封堵进风口与通孔（7）之间的直接连通，使得二次进风必须经烧结金属（8）进行均匀分布。
8.根据权利要求1所述可调氢气引射/二次进风的燃烧器，其特征在于，燃烧器的所有部件均能够单独拆卸组合。
9.基于权利要求1所述可调氢气引射/二次进风的燃烧器的燃烧方法，其特征在于，包括燃料和空气的预混模式和非预混模式，在预混模式中，空气从空气入口（1）通入，燃料从预混燃料口（2）通入，与空气充分混合后进入旋流稳焰器（6），随后在燃烧室燃烧；在非预混模式中，空气从空气入口（1）通入，燃料从非预混燃料口（5）通入，从旋流稳焰器（6）中心喷出，与空气在燃烧室混合后燃烧；通过在不同位置处的通孔（7）中安装氢气燃料喷嘴（10），实现不同位置处的氢气引射，通过在不同高度位置的通孔（7）处安装空气整流腔（9）并通入二次进风，实现不同高度的二次进风。
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