CN204923078U - 一种基于烟气循环燃烧的多级旋流燃烧室 - Google Patents

Abstract

一种基于烟气循环燃烧的多级旋流燃烧室：燃烧头部开设有燃料喷嘴和多个同轴心径向布置的旋流器；燃料喷嘴的喷口与旋流器相间布置；径向相邻旋流器设置为反旋向布置；火焰筒的壁上开设有多排气孔，火焰筒与燃烧室壁之间通过隔流板设置有沿轴向串联式的上下游两个环腔，上游环腔为第一环腔，第一环腔通过火焰筒壁上气孔及燃烧头部的燃烧器与火焰筒内腔相连通，隔流板下游环腔为第二环腔，第二环腔通过火焰筒壁上气孔与火焰筒内腔相连通；火焰筒出口通过一烟气管道连接换热器后分别连接至第一环腔接口、第二环腔接口和燃烧室下游。

Description

一种基于烟气循环燃烧的多级旋流燃烧室

技术领域

本实用新型涉及潜艇动力燃烧领域，具体地涉及一种基于烟气循环燃烧的多级旋流燃烧室。

背景技术

公知的潜艇动力燃烧室的燃烧头部为单旋流燃烧器，即中心燃料喷嘴，燃料喷嘴的外圈开设单级旋流器。单级旋流器在混合燃料和氧化剂方面，存在混合不均、掺混性能不佳的问题。燃料和氧化剂的混合不均导致燃烧室的工作性能不佳。此外，公知的这类燃烧室的火焰筒与燃烧室壁之间采用径向双环腔形式，这种形式的内环腔流动的是烟气，外环腔流动的是氧化剂，在这种结构下，燃烧室不存在补燃用氧化剂，导致出现燃烧效率偏低的问题。也有公知的这类燃烧室的火焰筒与燃烧室壁之间采用单环腔形式，在这种结构下，环腔流动的是氧化剂，大量氧化剂用于燃烧室的尾部掺混，导致燃烧室出现氧化剂利用率偏低的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于烟气循环燃烧的多级旋流燃烧室，以解决公知技术存在的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供的基于烟气循环燃烧的多级旋流燃烧室，包括燃烧头部、火焰筒、隔流板、燃烧室壁、换热器和混合器。其中：

燃烧头部开设有燃料喷嘴和多个同轴心径向布置的旋流器；

燃料喷嘴的喷口与旋流器相间布置；

径向相邻旋流器设置为反旋向布置；

火焰筒的壁上开设有多排气孔，火焰筒与燃烧室壁之间通过隔流板设置有沿轴向串联式的上下游两个环腔，上游环腔为第一环腔，第一环腔通过火焰筒壁上气孔及燃烧头部的燃烧器与火焰筒内腔相连通；

隔流板下游环腔为第二环腔，第二环腔通过火焰筒壁上气孔与火焰筒内腔相连通；

火焰筒出口通过一烟气管道连接换热器，然后分成三个通道，第一通道通过流量阀连接至混合器，由该混合器连接第一环腔的第一环腔接口；第二通道通过流量阀连接第二环腔的第二环腔接口；第三通道连接燃烧室下游。

引入第一环腔的是经过混合器混合后的烟气与氧化剂的混合气，自火焰筒中部进入后逆流至燃烧头部，部分混合气沿途通过火焰筒壁上的补燃型气孔和冷却型气孔进入火焰筒内腔，剩余混合气经过燃烧头部上的燃烧器进入火焰筒内腔。引入第二环腔内烟气进入环腔后，通过火焰筒壁上的掺混型气孔和冷却型气孔进入火焰筒内腔。

所述的基于烟气循环燃烧的多级旋流燃烧室，其中，燃料喷嘴沿径向开设一个或多个燃料喷口。

所述的基于烟气循环燃烧的多级旋流燃烧室，其中，旋流器的级数≥2。

所述的基于烟气循环燃烧的多级旋流燃烧室，其中，旋流器为轴向叶片式结构、径向叶片式结构、轴向斜切孔式结构或径向斜切孔式结构。

所述的基于烟气循环燃烧的多级旋流燃烧室，其中，旋流器的出口连接混合段。

所述的基于烟气循环燃烧的多级旋流燃烧室，其中，旋流器出口混合段是扩张段或文氏管段。

所述的基于烟气循环燃烧的多级旋流燃烧室，其中，火焰筒的冷却方式为气膜冷却、发散冷却或复合冷却方式。

本实用新型与现有公知技术相比的优点如下：

(1)本实用新型在燃烧室本体的燃烧头部开设多个旋流器，径向相邻旋流器采用反旋向布置，旋流器与燃料喷嘴喷口相间布置，以加强燃烧头部的旋流剪切作用，增强掺混强度，提高燃料与氧化剂的混合均匀程度。解决了公知技术存在的燃料和氧化剂的混合不均导致工作性能不佳的问题。

(2)本实用新型的燃烧室的排烟有两个回路，其中一路烟气与燃烧室的氧化剂在混合器中进行混合后，回流至第一环腔，然后向燃烧室头部逆流，其中部分混合气沿途通过火焰筒壁上的补燃型气孔进入火焰筒内腔，用于补充燃烧此处尚未燃尽的燃料，部分混合气沿途通过火焰筒壁上的冷却型气孔进入火焰筒内腔，用于冷却火焰筒壁面，剩余混合气最终逆流至燃烧头部，通过燃烧器进入火焰筒内腔，用于混合燃料燃烧。该回路起到如下作用：(a)回流烟气稀释了氧化剂，降低了火焰筒内的燃烧强度，保护火焰筒不被烧毁，延长了燃烧室的使用寿命，(b)回流烟气预热了氧化剂，提高了氧化剂的温度，从而减少火用损失，(c)含氧混合气通过头部和补燃型气孔合理分配进气，能够实现充分燃尽的目的。本回路利用烟气降低了燃烧温度，减小不可逆损失，同时合理分配氧化剂实现燃料的高效燃烧。

另一回路烟气回流至第二环腔，部分烟气通过火焰筒壁上的掺混型气孔进入火焰筒内腔，用于调节火焰筒出口温度分布，剩余烟气通过火焰筒壁上的冷却型气孔进入火焰筒内腔，用于冷却火焰筒壁面。本回路在不消耗氧化剂的情况下实现了火焰筒出口温度调节和和壁面的冷却，节约了燃烧室的氧化剂使用量，提高了燃烧室的氧化剂的利用率。

本实用新型采用的双路烟气回流和轴向串联式的双环腔结构，解决了公知技术存在的燃烧效率偏低和氧化剂利用率偏低的问题。

本实用新型的基于烟气循环燃烧的多级旋流燃烧室，可以提高燃料与氧化剂的混合均匀程度，增强燃烧性能，降低燃料消耗量；可以降低燃烧温度，延长火焰筒使用寿命；可以提高氧化剂初始温度，减小燃烧室不可逆损失；可以合理分配头部和补燃气量，实现高效率燃烧；可以在不消耗氧化剂的情况下实现了火焰筒出口温度分布调节和和壁面的冷却，提高燃烧室内氧化剂的利用率。

附图说明

图1是本实用新型的多级旋流燃烧室结构示意图。

图2是本实用新型实施例一的燃烧头部图；

图3是本实用新型实施例二的燃烧头部图。

附图中符号说明：

1燃烧头部；2火焰筒；3隔流板；4燃烧室壁；5燃烧器；6燃料喷嘴；7旋流器；8第一环腔；9第二环腔；10第一环腔接口；11第二环腔接口；12换热器；13火焰筒排出的烟气；14、15、16烟气；17氧化剂与烟气的混合器；18点火器；19第一级旋流器；20第二级旋流器；21混合段；22、23、24燃料喷口；25补燃型气孔；26掺混型气孔；27冷却型气孔。

具体实施方式

本实用新型的基于烟气循环燃烧的多级旋流燃烧室，由燃烧头部、火焰筒、隔流板、燃烧室壁、换热器和混合器组成。其中，燃烧头部开设有燃料喷嘴和多个同轴心径向布置的旋流器，径向相邻旋流器设置为反旋向布置，旋流器与燃料喷嘴的喷口相间布置，以加强燃烧头部的旋流剪切作用，增强掺混强度，提高燃料与氧化剂的混合均匀程度。

火焰筒的壁上开设有多排气孔，火焰筒与燃烧室壁之间通过隔流板设置有沿轴向串联式的上下游两个环腔，上游环腔为第一环腔，第一环腔通过火焰筒壁上气孔及燃烧头部的燃烧器与火焰筒内腔相连通；隔流板下游环腔为第二环腔，第二环腔通过火焰筒壁上气孔与火焰筒内腔相连通。火焰筒出口通过一烟气管道连接换热器，然后分成三个通道，第一通道通过流量阀连接至混合器，由该混合器连接第一环腔的第一环腔接口；第二通道通过流量阀连接第二环腔的第二环腔接口；第三通道连接燃烧室下游。引入第一环腔的是经过混合器混合后的烟气与氧化剂的混合气，自火焰筒中部进入后向燃烧室头部逆流，部分混合气沿途通过火焰筒壁上的补燃型气孔进入火焰筒内腔，用于补充燃烧此处尚未燃尽的燃料，部分混合气沿途通过火焰筒壁上的冷却型气孔进入火焰筒内腔，用于冷却火焰筒壁面，剩余混合气最终逆流至燃烧头部，通过燃烧器进入火焰筒内腔，用于混合燃料燃烧。引入第二环腔的是纯烟气，烟气进入环腔后，部分烟气通过火焰筒壁上的掺混型气孔进入火焰筒内腔，用于调节火焰筒出口温度分布，剩余烟气通过火焰筒壁上的冷却型气孔进入火焰筒内腔，用于冷却火焰筒壁面。回流至第一环腔的烟气回路稀释了氧化剂，降低了火焰筒内的燃烧强度，保护火焰筒不被烧毁，延长了燃烧室的使用寿命，同时预热了氧化剂，提高了氧化剂的温度，减少了燃烧室火用损失，此外氧化剂和烟气的混合气通过头部和补燃型气孔的合理分配进气，实现了燃料的充分燃尽的目的。回流至第二环腔的烟气回路在不消耗氧化剂的情况下实现了火焰筒出口温度分布调节和和壁面的冷却，节约了燃烧室的氧化剂使用量，提高了燃烧室的氧化剂的利用率。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

实施例一

请参阅图1和图2，本实用新型实施例一的结构如下：

燃烧室为单管结构，由燃烧头部1、火焰筒2、隔流板3、燃烧室壁4、换热器12和混合器17构成。隔流板3将火焰筒2和燃烧室壁4之间的环腔分割成上下游两个环腔，隔流板3上游环腔为为第一环腔8，隔流板3下游环腔为第二环腔9。第一环腔8的进气口为第一环腔接口10，第二环腔9的进气口为第二环腔接口11。燃烧头部1由一个燃烧器5构成，燃烧器5由布置在其中心的一个燃料喷嘴6和外圈的旋流器7组成，其中，燃料喷嘴6设置一个喷口；旋流器7由第一级旋流器19、第二级旋流器20和混合段21组成，混合段21与第二级旋流器20相连。第一级旋流器19和第二级旋流器20均可以是轴向叶片式结构、径向叶片式结构、轴向斜切孔式结构或径向斜切孔式结构。第一级旋流器19与第二级旋流器20的旋向为反旋向布置。旋流器7的旋流级数为2。混合段21可以是扩张段或文氏管段。火焰筒2内排出的烟气13通过管道与换热器12换热冷却后，分成三股：一股烟气14通过烟气通道引流至混合器17，在与氧化剂(纯氧)混合均匀后流入第一环腔接口10，然后进入第一环腔8，并沿轴向向燃烧头部1方向逆流，沿途部分混合气通过火焰筒2壁上的补燃型气孔25进入火焰筒2的内腔，用于补充燃烧此处尚未燃尽的燃料，部分混合气通过火焰筒2壁上的冷却型气孔27进入火焰筒2的内腔，用于冷却火焰筒2壁面，剩余混合气最终逆流至燃烧头部1，通过燃烧器5进入火焰筒2的内腔，再与燃料混合后由点火器18点火燃烧。该股烟气14的流量通过流量阀控制。烟气14一方面起到了稀释氧化剂(纯氧)的作用，降低火焰筒2内的燃烧强度，保护火焰筒2不被烧毁，延长了燃烧室的使用寿命；另一方面烟气14起到预热氧化剂的作用，提高氧化剂的温度，从而减少火用损失，此外烟气14和氧化剂的混合气通过燃烧头部1和补燃型气孔25的合理分配进气，可实现燃料的充分燃尽。另一股烟气15通过烟气通道回流至第二环腔接口11，进入第二环腔9，然后部分烟气通过火焰筒2壁上的掺混型气孔26进入火焰筒2的内腔，起到调节火焰筒2出口温度分布作用，剩余烟气通过火焰筒2壁上的冷却型气孔27进入火焰筒2的内腔，达到冷却火焰筒2的壁面的目的，该股烟气15的流量通过流量阀控制。最后一股烟气16直接排往燃烧室下游。

火焰筒2的冷却方式可以为气膜冷却、发散冷却或复合冷却方式。

实施例二

请参阅图1和图3，为本实用新型实施例二的结构示意图，与实施例一不同之处在于燃料喷嘴6包括多个数量的喷口，燃料喷口与旋流器相间布置。在图3中表示了三个燃料喷口22、23、24，燃料喷口22、23、24与旋流器19、20相间布置。其余同实施例1。

Claims (7)

1.一种基于烟气循环燃烧的多级旋流燃烧室，其特征是，包括燃烧头部、火焰筒、隔流板、燃烧室壁、换热器和混合器；其中：

燃烧头部开设有燃料喷嘴和多个同轴心径向布置的旋流器；

燃料喷嘴的喷口与旋流器相间布置；

径向相邻旋流器设置为反旋向布置；

火焰筒的壁上开设有多排气孔，火焰筒与燃烧室壁之间通过隔流板设置有沿轴向串联式的上下游两个环腔，上游环腔为第一环腔，第一环腔通过火焰筒壁上气孔及燃烧头部的燃烧器与火焰筒内腔相连通；

隔流板下游环腔为第二环腔，第二环腔通过火焰筒壁上气孔与火焰筒内腔相连通；

火焰筒出口通过一烟气管道连接换热器，然后分成三个通道，第一通道通过流量阀连接至混合器，由该混合器连接第一环腔的第一环腔接口；第二通道通过流量阀连接第二环腔的第二环腔接口；第三通道连接燃烧室下游；

引入第一环腔的是经过混合器混合后的烟气与氧化剂的混合气，自火焰筒中部进入后逆流至燃烧头部，部分混合气沿途通过火焰筒壁上的补燃型气孔和冷却型气孔进入火焰筒内腔，剩余混合气经过燃烧头部上的燃烧器进入火焰筒内腔；引入第二环腔内烟气进入环腔后，通过火焰筒壁上的掺混型气孔和冷却型气孔进入火焰筒内腔。

2.根据权利要求1所述的基于烟气循环燃烧的多级旋流燃烧室，其特征是，燃料喷嘴沿径向开设一个或多个燃料喷口。

3.根据权利要求1所述的基于烟气循环燃烧的多级旋流燃烧室，其特征是，旋流器的级数≥2。

4.根据权利要求1所述的基于烟气循环燃烧的多级旋流燃烧室，其特征是，旋流器为轴向叶片式结构、径向叶片式结构、轴向斜切孔式结构或径向斜切孔式结构。

5.根据权利要求1所述的基于烟气循环燃烧的多级旋流燃烧室，其特征是，旋流器的出口连接混合段。

6.根据权利要求1或5所述的基于烟气循环燃烧的多级旋流燃烧室，其特征是，旋流器出口混合段是扩张段或文氏管段。

7.根据权利要求1所述的基于烟气循环燃烧的多级旋流燃烧室，其中，火焰筒的冷却方式为气膜冷却、发散冷却或复合冷却方式。