CN202300714U - 一种适应煤层气浓度变化控制空燃比的燃气混合器 - Google Patents

Abstract

一种适应煤层气浓度变化控制空燃比的燃气混合器，包括混合器壳体、燃气分配器、燃气喷筒、文丘里部件和空燃比调节系统执行器，混合器壳体两端分别接通空气入口和文丘里部件，燃气喷筒插装于燃气分配器中固定设置于混合器壳体内，燃气分配器通过燃气导入通道与第二燃气入口连通；在文丘里部件设置有混合气出口；调节系统执行器包括第一执行电机和第二执行电机，第一执行电机设置于文丘里部件喉部控制燃气通道的开度，第二执行电机通过驱动螺杆驱动燃气喷筒。本实用新型可以根据煤层气中甲烷浓度的变化控制燃气混合器的空/燃通道节流截面比而调节空燃比，可适应煤层气中甲烷浓度在5%至100%范围变化，是一种理想的燃气混合器。

Description

一种适应煤层气浓度变化控制空燃比的燃气混合器

技术领域

本实用新型属于燃气混合领域，具体涉及一种适应煤层气浓度变化控制空燃比的燃气混合器。

背景技术

煤层气是煤矿伴生气，主要成分是甲烷，伴生气吸附在煤碳及周边的岩石微孔表面，采动减压后，使被吸附的气体解吸释放出来，经收集送往地面，就是煤层气。原始的煤层气与天然气极为相似，甲烷含量在98%以上。但是，大多数抽采的煤层气，甲烷浓度常在60%以下，甲烷浓度在20%以下的也极为普遍，甚至常低至百分之几。

地下煤层及周边少有其他气源，是抽采的负压系统通过各种渠道吸入了空气，使得抽采系统送出的实质上是煤层气和空气的混合物。随抽采的时间增长，吸附解吸释放的甲烷量越来越少，负压越来越高，吸入的空气越来越多，煤层气中的甲烷浓度越来越低。煤层气甲烷浓度在5%以上时，总是可用来供燃气机做功（发电）的，这给利用煤层气（发电）带来了机会，只需要将已经稀释的，但还稀释不够的煤层气燃料气再作适当的调配，但是需要调配的范围相当宽广。

但是，现今的空燃比控制和混合器调配气体的能力十分有限，目前还没有哪款机器能适应煤层气这样广范围的甲烷浓度变化。例如，目前常用的膜片式混合器及文丘里混合器，其空/燃进气通道截面比基值约为100：8.6，适合于甲烷含量为90%的天然气作燃料的内燃机；当用于沼气时，膜片式混合器是在其空气通道镶嵌一个阻塞外环，使空/燃通道节流截面比基值达100：17左右，文氏混合器则是加大喉部壁上的钻孔。这类混合器的空燃通道截面积除设有手动微调通道旁路外，一旦制成，不能改变，手动微调是用于机器调试时适当调整空燃比基值，显然它不能适应燃料成分的随机变化，其调节能力十分有限，当燃料气的甲烷含量变动到一定程度，入气缸混合气浓度达不到电子点火燃烧条件，内燃机就会停止运行。

实用新型内容

为解决现有燃气混合器空/燃通道节流截面比固定，无法针对煤层气甲烷含量的随机变化而调节空燃比，造成煤层气达不到理想燃烧条件，本实用新型提供一种适应煤层气浓度变化控制空燃比的燃气混合器。

本实用新型采用如下技术方案：包括混合器壳体、燃气分配器、燃气喷筒、文丘里部件和空燃比调节系统执行器，所述混合器壳体两端分别连通空气入口和文丘里部件；在所述混合器壳体内固定设有燃气分配器，燃气分配器与第二燃气入口连通；在所述燃气分配器内插装有燃气喷筒，所述燃气分配器和燃气喷筒上分别开设有分配器燃气出口和喷筒燃气入口，所述燃气喷筒的末端设置有燃气喷口；所述调节系统执行器包括第一执行电机和第二执行电机，所述第一执行电机控制燃气阀杆设置于文丘里部件喉部控制燃气通道的开度，所述第二执行电机通过驱动螺杆与所述燃气喷筒连接，所述第一执行电机和第二执行电机与外设控制系统电连接。

所述文丘里部件一端与混合器壳体通过第二连接法兰连接，另一端设置有混合气出口，在所述文丘里部件和混合器壳体连接处呈文丘里管状设置；在文丘里部件上还设有第一燃气入口通过燃气阀与混合气出口连通。

环所述文丘里部件的喉部设有齿圈，在齿圈内圆均布设有20个棘齿状弧段，棘齿状弧段的弧面与环文丘里部件喉部均布的20个可调流通截面的燃气阀杆接触；所述第一执行电机的输出轴齿轮与所述齿圈外轮齿啮合，所述第一执行电机驱动齿圈来回转动的范围为0°至18°。

所述燃气喷筒、燃气分配器为圆环筒状，所述燃气喷筒采用间隙配合插装于燃气分配器的内圈内；所述燃气分配器的内圈下端均布有八个矩型的分配器燃气出口，所述燃气喷筒外环上端均布有八个与所述分配器燃气出口相对应的抛物线形喷筒燃气入口，所述燃气分配器内圈上设有密封圈；所述燃气喷筒环形外圈上端封闭设置，在燃气喷筒下部环其外圈均布有四个连通燃气喷筒内外的均压口；所述燃气分配器环形外圈上下端封闭设置，环所述燃气分配器外环均布有三个燃气导入通道与设置在混合器外围的环室连通，所述环室连通第二燃气入口。

所述第二执行电机设置于电机安装座上，所述电机安装座通过执行器法兰设置于空气入口外壁，其位置与所述燃气喷筒同轴，所述执行器法兰连接处设有密封圈；所述第二执行电机输出端通过第一联轴器与驱动轴连接，所述驱动轴通过第二联轴器连接驱动螺杆；所述驱动螺杆与固定设置于燃气喷筒上的从动螺母螺纹配合。

所述第二执行电机输出端还连接有减速齿轮，所述减速齿轮从动轴上设置有燃气喷筒位置指示器。

在所述燃气分配器顶部固定设有定向板，在所述燃气喷筒相应的位置固定设有定向销，所述定向销与所述定向板上设置的槽配合。

所述燃气分配器与空气入口、第二燃气入口和混合气出口采用法兰连接处都设有密封圈。

在本实用新型中，混合器由两对不锈钢连接法兰将混合器壳体、空气入口和文丘里部件连成整体。金属法兰的联接，既要求符合严格的形位公差；还应注意保障其良好的导电联接，使混合器上、中、下同轴度好，及各部据有与大地的等电位，轻易不要拆动联接法兰。

混合器底部是一个文丘里原理的混合基础部件，由上而下的主通道流体（空气）受向轴心收缩的内壁及流线型球锥体在流道中心阻塞，产生和增强了文丘里效应。燃气从第一燃气入口进入，通过环文丘里部件均匀分部的20个可调流通截面的自动燃气阀被吸入与主流体（空气）混合，这个部分，主流体（空气）通道截面积是不变的。燃气通道截面积则由据有抛物线形状的自动燃气阀杆控制，燃气阀杆的抛物线形状优化了空燃比控制系统的调节特性，可调空/燃通道截面比约在95/5至76/24之间。第一执行电机装在这个文丘里部件的外侧面，电机出轴齿轮驱动环文氏管喉部外围的齿圈在0-18°的范围内正、反向旋转位移。齿圈的内园分布着20个棘齿状弧段，棘齿状弧段的弧度位置，控制着自动燃气阀的不同开度。可确保煤层气甲烷浓度在大于20%的条件下燃气机正常运行。

混合器上部是空气入口，顶部中轴线上装有空燃比调节系统执行器的第二驱动电机。它与第一执行电机之间的电气逻辑联接，使两电机在行程开关控制下相互接续工作。当第一执行电机驱动燃气自动阀开到最大极限后，停止动作；第二执行电机开始动作，第二电机通过第一微型波纹管联轴器使驱动螺杆旋转以驱动燃气喷筒上下移动。微型波纹管联轴器有两级，以抵抗混合器各部难以避免的微小径向、轴向变形、位移而卡住驱动装置。燃气喷筒的工作行程为70毫米，驱动燃气喷筒的驱动螺杆，螺距为一毫米，驱动螺杆全行程为70转。在第二执行电机安装架里，还设置有一对1.9：1的减速齿轮，从动轮轴是一个M8*1的螺杆，燃气喷筒位置指示器以螺母型式附在M8*1的螺杆上作上下直线位移，指示燃气喷筒的工作位置。在指示器始端及终端装有保护及控制用的限位行程开关。控制空燃比的PLC可依据这些行程开关信号指令执行器作相应动作，也可将这些行程开关直接联成逻辑电路控制执行电机的接续工作。

由上所述，本实用新型提供的一种适应煤层气浓度变化控制空燃比的燃气混合器的空/燃通道节流截面比可以调节变化，能够针对煤层气甲烷浓度的随机变化而调节空燃比，可适应煤层气中甲烷浓度在5%至100%范围变化，是一种比较理想的燃气混合器。

附图说明

图1为燃气混合器的主剖视图。

图2为第二执行电机的结构示意图。

图3为图1中的A向视图，为环文丘里部件设置的第一执行电机及其执行机构结构示意图。

图中标号：1-第二执行电机，2-电机安装座，3-第一联轴器，4-空气入口，5-驱动螺杆，6-密封圈，7-第一连接法兰，8-混合器壳体，9-燃气分配器，10-分配器燃气出口，11-喷筒燃气入口，12-燃气喷筒，13-第二连接法兰，14-第一执行电机，15-文丘里部件，16-混合气出口，17-燃气喷口，18-密封圈，19-密封圈，20-第二燃气入口，21-燃气导入通道，22-定向销，23-定向板，24-第二联轴器，25-驱动轴，26-执行器法兰，27-密封圈，28-减速齿轮，29-燃气喷筒位置指示器，30-均压口，31-从动螺母，32-减速齿轮从动轴，33-第一燃气入口，34-环室，35-燃气阀杆，36-齿圈。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型做进一步的说明。

实施例：

参见图1，一种适应煤层气浓度变化控制空燃比的燃气混合器，包括混合器壳体8、燃气分配器9、燃气喷筒12和空燃比调节系统执行器，混合器壳体8两端分别通过连接法兰7、13与空气入口4和混合气出口16接通，燃气分配器9与空气入口4连接处设有密封圈6，与混合气出口16连接处设有密封圈18。

在混合器壳体8内固定设有燃气分配器9，燃气喷筒12采用间隙配合插装于燃气分配器9的内圈内，燃气喷筒12、燃气分配器9为圆环筒状；燃气分配器9的内圈下端均布有八个矩型的分配器燃气出口10，燃气喷筒12外环上端均布有八个与分配器燃气出口10相对应的抛物线形喷筒燃气入口11，燃气喷筒12环形外圈上端封闭设置，下端与燃气喷口17连通，在燃气喷筒12下部环其外圈均布有四个连通燃气喷筒12内外的均压口30，燃气分配器9环形外圈上、下端封闭设置，环燃气分配器9外环均布有三个燃气导入通道21与设置在混合器外围的环室34连通，环室34连通第二燃气入口20；燃气分配器9内圈两端上设有孔型密封圈19。在燃气分配器9上端固定设有定向板23，在燃气喷筒12相应的位置固定设有定向销22，定向销22与定向板23上设置的槽配合，用于防止燃气喷筒12于燃气分配器9中转动。调节系统执行器包括第一执行电机14和第二执行电机1，第一执行电机14和第二执行电机1电连接。

在混合器壳体8与文丘里部件15连通处呈流线形收缩设置，燃气喷筒12的燃气喷口17在轴向移动时，向下可达文丘里部件喉部上沿，喷口形状、尺寸与其吻合，能几乎全部占住文丘里部件喉部通道。当燃气喷筒12上行到极限时，燃气喷口17远离文丘里部件喉部，对文丘里喉部通道的流通没有影响。在文丘里部件上设有第一燃气入口33，通过燃气阀杆35与文丘里喉部钻孔壁间的间隙与混合气出口16连通。

结合参见图3，文丘里部件15喉部外围设有齿圈36，第一执行电机14其输出轴齿轮与齿圈36啮合。在齿圈36的内沿均布设置二十个棘齿状弧段，各棘齿状弧段的弧面与相应的燃气阀杆接触。

结合参见图2，第二执行电机1设置于电机安装座2上，电机安装座2通过执行器法兰26设置于空气入口4外壁，其位置与燃气喷筒12同轴，电机安装座2与空气入口4采用执行器法兰26连接处设有密封圈27；第二执行电机1输出端通过第一联轴器3与驱动轴25连接，驱动轴25通过第二联轴器24连接驱动螺杆5；驱动螺杆5与固定设置于燃气喷筒12上表面的从动螺母31螺纹配合。第二执行电机1输出端还连接有减速齿轮28，减速齿轮从动轴32上设置有燃气喷筒位置指示器29。

当煤层气甲烷浓度在20%以上时，燃气喷筒上移在最高位置，第一执行电机14将控制文丘里部件喉部的燃气阀杆35的开度进而调节空燃比。当煤层气甲烷浓度低于20%，即使燃气阀杆35开到最大，燃气依然达不到理想燃烧条件，这时，第二执行电机1开始动作，驱动燃气喷筒12在燃气分配器9内向下动作，燃气由第二燃气入口20经三个燃气导入通道21进入燃气分配器9，通过八对分配器燃气出口10与喷筒燃气入口11重叠部分进入燃气喷筒12环形通道，由燃气喷口17流出，与空气混合。燃气喷口17截面积是固定的，它处在主空气通道之中，占去空气通道的一部分。随着第二执行电机1的驱动，燃气喷口17在轴向会处于不同位置，燃气喷口17的轨迹恰在文丘里部件15的入口段，是流通截面不断收续的部分，燃气喷口17位置的改变，改变了空燃通道的截面比值，喷口从最高位置逐渐下移至文丘里部件15喉部，以燃气喷口17固定的几何截面逐渐占住整个空气通道，实现空燃截面比从一个最大值变化到几至于零的值。当燃气喷筒12上移到最高位置，燃气喷口17所处位置是在空气通道开始收缩之处，这里空气静压最高，燃气喷口内外压力几近相等，燃气通道截面即使很大，燃气也没有流动动力，只有靠扩撒，燃气才能混入空气中。当煤层气甲烷浓度达到或者超过20%时，第二执行电机1驱动燃气喷筒12上升，分配器燃气出口10与喷筒燃气入口11没有重叠部分，燃气进入混合器的通道已被关死，燃气只能由文丘里部件上的第一燃气入口33进入，文丘里部件15重新开始工作。

Claims (8)

1.一种适应煤层气浓度变化控制空燃比的燃气混合器，包括混合器壳体、燃气分配器、燃气喷筒、文丘里部件和空燃比调节系统执行器，其特征在于：所述混合器壳体两端分别连通空气入口和文丘里部件；在所述混合器壳体内固定设有燃气分配器，燃气分配器与第二燃气入口连通；在所述燃气分配器内插装有燃气喷筒，所述燃气分配器和燃气喷筒上分别开设有分配器燃气出口和喷筒燃气入口，所述燃气喷筒的末端设置有燃气喷口；所述调节系统执行器包括第一执行电机和第二执行电机，所述第一执行电机控制燃气阀杆设置于文丘里部件喉部控制燃气通道的开度，所述第二执行电机通过驱动螺杆与所述燃气喷筒连接，所述第一执行电机和第二执行电机与外设控制系统电连接。

2.根据权利要求1所述的一种适应煤层气浓度变化控制空燃比的燃气混合器，其特征在于：所述文丘里部件一端与混合器壳体通过第二连接法兰连接，另一端设置有混合气出口，在所述文丘里部件和混合器壳体连接处呈文丘里管状设置；在文丘里部件上还设有第一燃气入口通过燃气阀与混合气出口连通。

3.根据权利要求2所述的一种适应煤层气浓度变化控制空燃比的燃气混合器，其特征在于：环所述文丘里部件的喉部设有齿圈，在齿圈内圆均布设有20个棘齿状弧段，棘齿状弧段的弧面与环文丘里部件喉部均布的20个可调流通截面的燃气阀杆接触；所述第一执行电机的输出轴齿轮与所述齿圈外轮齿啮合，所述第一执行电机驱动齿圈来回转动的范围为0°-18°。

4.根据权利要求1所述的一种适应煤层气浓度变化控制空燃比的燃气混合器，其特征在于：所述燃气喷筒、燃气分配器为圆环筒状，所述燃气喷筒采用间隙配合插装于燃气分配器的内圈内；所述燃气分配器的内圈下端均布有八个矩型的分配器燃气出口，所述燃气喷筒外环上端均布有八个与所述分配器燃气出口相对应的抛物线形喷筒燃气入口，所述燃气分配器内圈上设有密封圈；所述燃气喷筒环形外圈上端封闭设置，在燃气喷筒下部环其外圈均布有四个连通燃气喷筒内外的均压口；所述燃气分配器环形外圈上下端封闭设置，环所述燃气分配器外环均布有三个燃气导入通道与设置在混合器外围的环室连通，所述环室连通第二燃气入口。

5.根据权利要求1所述的一种适应煤层气浓度变化控制空燃比的燃气混合器，其特征在于：所述第二执行电机设置于电机安装座上，所述电机安装座通过执行器法兰设置于空气入口外壁，其位置与所述燃气喷筒同轴，所述执行器法兰连接处设有密封圈；所述第二执行电机输出端通过第一联轴器与驱动轴连接，所述驱动轴通过第二联轴器连接驱动螺杆；所述驱动螺杆与固定设置于燃气喷筒上的从动螺母螺纹配合。

6.根据权利要求5所述的一种适应煤层气浓度变化控制空燃比的燃气混合器，其特征在于：所述第二执行电机输出端还连接有减速齿轮，所述减速齿轮从动轴上设置有燃气喷筒位置指示器。

7.根据权利要求6所述的一种适应煤层气浓度变化控制空燃比的燃气混合器，其特征在于：在所述燃气分配器顶部固定设有定向板，在所述燃气喷筒相应的位置固定设有定向销，所述定向销与所述定向板上设置的槽配合。

8.根据权利要求1所述的一种适应煤层气浓度变化控制空燃比的燃气混合器，其特征在于：所述燃气分配器与空气入口、第二燃气入口和混合气出口采用法兰连接处都设有密封圈。

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