CN115046224A

CN115046224A - 燃烧装置

Info

Publication number: CN115046224A
Application number: CN202210695601.3A
Authority: CN
Inventors: 李钢; 雷志军; 杨金虎; 穆勇; 徐纲; 阮昌龙
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2022-06-20
Filing date: 2022-06-20
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2042-06-20
Also published as: CN115046224B

Abstract

本发明提供了一种燃烧装置，可以应用于电力、航空、石油化工等领域。该燃烧装置包括：装置本体、网孔板和旋流器；装置本体，包括依次连通的入口段、扩张段和燃烧室；网孔板，设置在入口段的腔体内；旋流器，包括叶片和中间筒，中间筒设置在网孔板上，叶片设置在中间筒的外壁上。本公开提供的燃烧装置可以减小燃烧热声不稳定性，本公开的燃烧装置不但结构紧凑、流动阻力小、燃料适应性好，而且可以实现燃料的稳定、高效和清洁燃烧。

Description

燃烧装置

技术领域

本发明涉及燃烧装置领域，特别是涉及一种以减小燃烧热声不稳定性的燃烧装置。

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。与燃气轮机燃烧器类似，锅炉、化工炉等各种类型的工业燃烧器也面临着稳定燃烧与降低污染物排放的矛盾。此外，由于燃烧器的设计参数之间彼此关联、制约，如果尺寸选取不当，即使这些设计参数落在推荐的取值范围内，也会造成喷嘴阻力损失过大、稳燃区间小、易引发燃烧热声振荡，甚至发生吹熄或回火而无法稳定工作。由于目前在燃烧器设计阶段，没有形成避免燃烧热声不稳定性的通用设计准则，也无法预判燃烧器的热声不稳定性的强度，只能通过后续的实验测试，并根据测试结果，对燃烧器进行改造升级，来减小燃烧的热声不稳定性，显然，这种试错的方法，时间周期长、研发成本高。

在实现本公开构思的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：燃烧不稳定、污染物排放高、易造成喷嘴阻力损失过大、稳燃区间小和引发燃烧热声振荡的情况。

发明内容

鉴于上述问题，本公开提供了一种燃烧装置，包括：

装置本体、网孔板和旋流器；

装置本体，包括依次连通的入口段、扩张段和燃烧室；

网孔板，设置在入口段的腔体内；

旋流器，包括叶片和中间筒，中间筒设置在网孔板上，叶片设置在中间筒的外壁上。

根据本公开的实施例，入口段、扩张段、中间筒和燃烧室的横截面均为圆形；

入口段的直径D1、中间筒的直径D2、扩张段的出口端直径D3和燃烧室的直径D4之间的比值为

入口段的高度H1、中间筒的高度H2、扩张段的高度H3和燃烧室的的高度H4之间的比值为

其中

根据本公开的实施例，扩张段的扩张角度为36度，叶片的倾斜角度为36度。

根据本公开的实施例，网孔板的内部设置m个镂空的五角星；

m个镂空的五角星根据尺寸依次嵌套并形成n个第一通孔，第一通孔为三角形，m和n均为正整数，且m＜n；

其中每个五角星的线段均符合黄金分割比例，且最大的第一通孔的每一顶角均设置倒角。

根据本公开的实施例，在每个五角星的相邻角间均设置第二通孔，第二通孔为三角形；

第二通孔的其中一个顶角与五角星的相邻角间的交接点重合；

其中一个顶角对应的边与相邻角的顶角间的连线重合。

根据本公开的实施例，装置还包括外壁和盖板；

外壁，包围装置本体的外围并与装置本体间形成冷却流道；

盖板，设置在冷却流道的顶部；

扩张段和燃烧室通过平台连接，平台上和燃烧室靠近出口端的壳体上还具有多个第三通孔，第三通孔的形状为五角星。

根据本公开的实施例，装置还包括设置在燃烧室的出口端的收缩段，收缩段的纵向横截面为黄金梯形。

根据本公开的实施例，叶片、中间筒和网孔板的内部均是中空的；

中间筒的中空腔体一端与叶片的中空腔体连通，另一端与网孔板的中空腔体连通；

叶片的前缘和尾缘，以及网孔板中三角形的每个顶角均具有第四通孔。

根据本公开的实施例，旋流器还包括内筒；

内筒通过第一支撑轴套设在中间筒内，内筒与中间筒间形成流道；其中

内筒包括具有多个第五通孔的底座。

根据本公开的实施例，旋流器还包括第二支撑轴；

第二支撑轴横向贯穿叶片，并一端连接中间筒另一端连接入口段的壳体内壁；

其中叶片可转动的设置在第二支撑轴上。

基于上述技术方案可知，本公开至少具有以下有益效果：

本公开提供了一种燃烧装置，通过将中间筒设置在网孔板上，叶片设置在中间筒的外壁上，将流道分成了中部流道和外圈流道，两个流道的流体可以汇合并形成强剪切运动，具有流动阻力小、燃烧稳定性好、污染物排放低、燃料适应性好等优点，可实现气体、液体燃料的稳定、高效和清洁燃烧。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了根据本公开一实施例的燃烧装置的三维结构示意图。

图2示意性示出了根据本公开一实施例的燃烧装置的尺寸示意图。

图3示意性示出了根据本公开一实施例的的网孔板的结构示意图。

图4示意性示出了图3的平面设计示意图。

图5示意性示出了根据本公开一实施例的的网孔板的结构示意图。

图6示意性示出了图5的平面设计示意图。

图7示意性示出了根据本公开一实施例的燃烧装置的半剖的结构示意图。

图8示意性示出了根据本公开一实施例的燃烧装置半剖的结构示意图。

图9示意性示出了根据本公开一实施例的入口段半剖的结构示意图。

图10示意性示出了图9中网孔板的内部结构的三维示意图。

图11示意性示出了根据本公开一实施例的旋流器半剖的结构示意图。

图12示意性示出了根据本公开一实施例的旋流器半剖的结构示意图。

【附图标记说明】

1-装置本体

101-入口段

102-缩进段

103-扩张段

104-燃烧室

105-平台

2-网孔板

3-旋流器

301-叶片

302-中间筒

303-内筒

4-第一通孔

5-第二通孔

6-第三通孔

7-外壁

8-盖板

9-收缩段

10-第四通孔

11-第五通孔

12-底座

13-第一支撑轴

14-第二支撑轴

15-燃料管

D1-入口段直径

D2-中间筒直径

D3-扩张段的出口端直径

D4-燃烧室直径

H1-入口段的高度

H2-中间筒的高度、

H3-扩张段高度

H4-燃烧室高度

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。说明书中示例的各个实施例中的技术特征在无冲突的前提下可以进行自由组合形成新的方案，另外每个权利要求可以单独作为一个实施例或者各个权利要求中的技术特征可以进行组合作为新的实施例，且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/ 或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、 B、C的系统等)。

图1示意性示出了根据本公开一实施例的燃烧装置的三维结构示意图。图2示意性示出了根据本公开一实施例的燃烧装置的尺寸示意图。图 3示意性示出了根据本公开一实施例的的网孔板2的结构示意图。图4示意性示出了图3的平面设计示意图。需要说明的是，为了尽量使每个部件都显示于图中，部分部件只显示了一部分。如图1至图4所示，本发明提供了一种燃烧装置，该燃烧装置包括：

装置本体1、网孔板2和旋流器3；装置本体1，包括依次连通的入口段101、扩张段103和燃烧室104，在入口段101和扩张段103之间还包括缩进段102，扩张段103和燃烧室104通过平台105连接；网孔板2，设置在入口段101的腔体内；旋流器3，包括叶片301和中间筒302，中间筒302设置在网孔板2上，叶片301设置在中间筒302的外壁上，中间筒302将流道分成中部流道和外圈流道。

使用时，流经外圈流道的燃烧反应物经过叶片301，形成旋转运动；流经中部流道的燃烧反应物经过网孔板2，形成具有较强湍流动能的无旋运动。外圈流道的有旋流体与中部流道的无旋流体，在旋流器3下游的缩进段102内相汇合，并在这两部分流体的交界面形成强剪切运动。

本实施例的燃烧装置，通过将中间筒302设置在网孔板2上，叶片301 设置在中间筒302的外壁上，将流道分成了中部流道和外圈流道，两个流道的流体可以汇合并形成强剪切运动，具有流动阻力小、燃烧稳定性好、污染物排放低、燃料适应性好等优点，可实现气体、液体燃料的稳定、高效和清洁燃烧。

作为一种可选实施例，如图2所示，本实施例的燃烧装置的入口段 101、扩张段103、中间筒302和燃烧室104的横截面均为圆形；入口段直径D1、中间筒直径D2、扩张段的出口端直径D3和燃烧室直径D4之间的比值可以为

入口段高度H1、中间筒高度H2、扩张段高度H3和燃烧室高度H4之间的比值可以为

其中

给定入口段直径D₁的数值，则根据黄金分割数

可以确定其它尺寸，为更清晰的了解各部件尺寸之间的关系，表1和表2示出了燃烧装置各部件直径和高度的取值。

表1燃烧装置各部件直径的取值

表2燃烧器各部件高度取值

本实施例的燃烧装置，通过精确的尺寸设置，可以加强流体的剪切运动，提升燃烧装置的燃烧效果。

其中，扩张段103的截面可以为黄金分割梯形，即扩张段103的扩张角度为36度。旋流器3的叶片301倾斜角度可以为36度。

根据本公开的实施例，网孔板2的内部设置m个镂空的五角星；m个镂空的五角星根据尺寸依次嵌套并形成n个第一通孔4，第一通孔4为三角形，m和n均为正整数，且m＜n；其中每个五角星的线段均符合黄金分割比例，且最大的第一通孔4的每一顶角均设置倒角。如图3和图4所示，本实施例中m＝3，n＝15。在网孔板2的内部设置3个镂空的五角星； 3个镂空的五角星根据尺寸依次嵌套并形成15个第一通孔4，外层通孔对应外层五角星的五个三角形；中间层通孔对应中间层五角星的五个三角形；内层通孔对应内圈五角星的五个三角形，内层、中间层和外层的三个五角星的五个顶角即是15个第一通孔4。本实施例中镂空的五角星的形状、位置和大小均采用黄金分割法则设计，设计成五角星嵌套结构。通过间隔连接圆内接正五边形的顶点，可以生成五角星，五角星蕴含黄金分割比例，如图4中线段JF的长度与线段FB的长度比值为0.618，而且五角星顶角为36度；同时，五角星图形的中部也是一个正五边形，通过这个正五边形又可以生成一个五角星，这样就形成了五角星的嵌套结构。在生成三维结构前，可以对三角形的第一通孔4的三个顶角施加倒角，形成光滑过渡，如图3所示，每个第一通孔4的顶角都施加了倒角。需要说明的是，本申请的三个五角星的嵌套设计仅为示例，不能以此为限。

本实施例通过将网孔板2的内部设置多个镂空的五角星；多个镂空的五角星根据尺寸依次嵌套并形成多个三角形的第一通孔4，以及对第一通孔4的三个顶角均施加倒角，形成光滑过渡，可以增强流动的湍流强度、改善燃料与空气掺混的均匀性。

图5示意性示出了根据本公开一实施例的的网孔板2的结构示意图。图6示意性示出了图5的平面设计示意图。本实施例除以下内容外，其他内容均与上述描述图1至图4的内容相同。如图5和图6所示，本实施例公开了一种网孔板2：

为了提高网孔板2的通流面积，该网孔板2在每个五角星的相邻角间均设置第二通孔5，第二通孔5为三角形；第二通孔5的其中一个顶角与五角星的相邻角间的交接点重合；其中一个顶角对应的边与相邻角的顶角间的连线重合。其设计方法也是采用由正五边形生成五角星的方法，如图 6所示，以线段AJ和线段JE为正五边形的边长，生成正五边形AJEPQ，并做出五角星，进而得到五角星的顶角RJS，采用相同方法可以在中间层和内层设置第二通孔5，如图6中不同半径位置处的阴影三角形所示。

本实施例的燃烧装置通过将网孔板2的每个五角星的相邻角间均设置第二通孔5，提高了网孔板2的通流面积，通过尺寸和位置的设置，可以增强流动的湍流强度、改善燃料与空气掺混的均匀性。

图7示意性示出了根据本公开一实施例的燃烧装置的半剖的结构示意图。本实施例除以下内容外，其他内容均与上述描述图1至图6的内容相同。如图7所示，本发明提供了一种燃烧装置，该燃烧装置还包括外壁7 和盖板8：

外壁7，包围装置本体1的外围并与装置本体1间形成冷却流道，外壁7的轮廓与装置本体1的轮廓相平行；盖板8，设置在冷却流道的顶部；平台105上和燃烧室104靠近出口端的壳体上还具有多个第三通孔6。使用时，空气进入冷却流道，冷却空气流至扩张段103出口处，少量冷却空气通过平台105上的第三通孔6喷射进入燃烧室104，该部分射流可以起到削弱角区涡流的作用，平台105上的第三通孔6可以设置两圈，外圈的第三通孔6面积大于内圈的第三通孔6面积，第三通孔6的形状可以为五角星，当冷却空气流动至燃烧室104的出口位置时会受到盖板8的阻挡，因此会通过燃烧室104靠近出口端的壳体上的第三通孔6进入燃烧室104，然后与燃烧产物掺混。

本实施例的燃烧装置通过设置外壁7形成冷却流道，通过在平台105 上和燃烧室104靠近出口端的壳体上还具有多个第三通孔6，可以改善燃料与空气掺混的均匀性，减小燃烧热声的不稳定性。

图8示意性示出了根据本公开一实施例的燃烧装置半剖的结构示意图。本实施例除以下内容外，其他内容均与上述描述图1至图7的内容相同。需要说明的是，为了尽量使每个部件都显示于图中，部分部件只显示了一部分。如图8所示，本实施例提供了一种燃烧装置，该燃烧装置还包括收缩段9，该收缩段9设置在燃烧室104的出口端，收缩段9的纵向横截面为黄金梯形。通过这种设置方式可以减小燃烧热声的不稳定性。

图9示意性示出了根据本公开一实施例的入口段101半剖的结构示意图。图10示意性示出了图9中网孔板2的内部结构的三维示意图。本实施例除以下内容外，其他内容均与上述描述图1至图8的内容相同。如图 9和图10所示，本实施例提供了一种燃烧装置，该燃烧装置的叶片301、中间筒302和网孔板2的内部均是中空的；

中间筒302的中空腔体一端与叶片301的中空腔体连通，另一端与网孔板2的中空腔体连通，入口段101的中空腔体与叶片301的中空腔体相互连通，；叶片301的前缘和尾缘，以及网孔板2中三角形的每个顶角均具有第四通孔10。使用时，燃烧装置的入口进入空气，燃料由燃料管15 进入入口段101的燃料腔体。一部分燃料由中空的叶片301是前缘和尾缘喷射出，另一部分燃料由中空的网孔板2上三角形通孔的顶角处喷射出，并与周围的空气掺混。其中，第四通孔10的形状和大小可以根据实际情况设置，本实施例的燃烧装置也适用于液体燃料。

本实施例的燃烧装置通过中空腔体和通孔的设置，可以提高通流面积，改善燃料与空气掺混的均匀性，减小燃烧热声的不稳定性。

图11示意性示出了根据本公开一实施例的旋流器3半剖的结构示意图。本实施例除以下内容外，其他内容均与上述描述图1至图10的内容相同。如图11所示，本公开提供了一种旋流器3，该旋流器3还包括内筒 303；

内筒303通过第一支撑轴13套设在中间筒302内，内筒303与中间筒302间形成流道；其中内筒303包括具有多个第五通孔11的底座12。内筒303与中间筒302之间的流道介于外侧旋流运动与中部强湍流运动之间，该流道内没有叶片301也没有网孔板2，可以起到减小旋流器3流动阻力损失、增强燃烧稳定性、减小燃烧热声振荡的效果。

图12示意性示出了根据本公开一实施例的旋流器3半剖的结构示意图。本实施例除以下内容外，其他内容均与上述描述图1至图11的内容相同。如图12所示，本公开提供了一种旋流器3，该旋流器3还包括第二支撑轴14；

第二支撑轴14横向贯穿叶片301，并一端连接中间筒302另一端连接入口段101的壳体内壁，其中叶片301可转动的设置在第二支撑轴14上。这种设置可以在叶片301的顶部(半径大的一侧)和根部(半径小的一侧) 均形成气流通道，在叶片301顶部和根部均留有气流通道，不但可以增强燃烧的稳定性；而且留出空隙后，便于调整叶片301的倾斜角度，进而改变气流的旋流强度。如果不留空隙，由于叶片301根部的中间圆筒和顶部喷嘴壁面的限制，无法调整叶片301的倾斜角度。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

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

1.一种燃烧装置，其特征在于，包括：

装置本体、网孔板和旋流器；

所述装置本体，包括依次连通的入口段、扩张段和燃烧室；

所述网孔板，设置在所述入口段的腔体内；

所述旋流器，包括叶片和中间筒，所述中间筒设置在所述网孔板上，所述叶片设置在所述中间筒的外壁上。

2.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，所述入口段、所述扩张段、所述中间筒和所述燃烧室的横截面均为圆形；

所述入口段的直径D1、所述中间筒的直径D2、所述扩张段的出口端直径D3和所述燃烧室的直径D4之间的比值为

所述入口段的高度H1、所述中间筒的高度H2、所述扩张段的高度H3和所述燃烧室的的高度H4之间的比值为

其中

3.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，所述扩张段的扩张角度为36度，所述叶片的倾斜角度为36度。

4.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，所述网孔板的内部设置m个镂空的五角星；

所述m个镂空的五角星根据尺寸依次嵌套并形成n个第一通孔，所述第一通孔为三角形，所述m和n均为正整数，且m＜n；

其中每个所述五角星的线段均符合黄金分割比例，且最大的所述第一通孔的每一顶角均设置倒角。

5.根据权利要求4所述的燃烧装置，其特征在于，在所述每个五角星的相邻角间均设置第二通孔，所述第二通孔为三角形；

所述第二通孔的其中一个顶角与所述五角星的相邻角间的交接点重合；

所述其中一个顶角对应的边与所述相邻角的顶角间的连线重合。

6.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，所述装置还包括外壁和盖板；

所述外壁，包围所述装置本体的外围并与所述装置本体间形成冷却流道；

所述盖板，设置在所述冷却流道的顶部；

所述扩张段和所述燃烧室通过平台连接，所述平台上和所述燃烧室靠近出口端的壳体上还具有多个第三通孔，所述第三通孔的形状为五角星。

7.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，所述装置还包括设置在所述燃烧室的出口端的收缩段，所述收缩段的纵向横截面为黄金梯形。

8.根据权利要求5所述的燃烧装置，其特征在于，所述叶片、所述中间筒和所述网孔板的内部均是中空的；

所述中间筒的中空腔体一端与所述叶片的中空腔体连通，另一端与所述网孔板的中空腔体连通；

所述叶片的前缘和尾缘，以及所述网孔板中三角形的每个顶角均具有第四通孔。

9.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，所述旋流器还包括内筒；

所述内筒通过第一支撑轴套设在所述中间筒内，所述内筒与所述中间筒间形成流道；其中

所述内筒包括具有多个第五通孔的底座。

10.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，所述旋流器还包括第二支撑轴；

所述第二支撑轴横向贯穿所述叶片，并一端连接所述中间筒另一端连接所述入口段的壳体内壁；

其中所述叶片可转动的设置在所述第二支撑轴上。