CN215808632U - 一种超音速双介质微射流稳燃装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种超音速双介质微射流稳燃装置，属于稳燃技术领域。包括外壳、内芯、第一通道和第二通道；内芯采用拉伐尔喷管，拉伐尔喷管同轴布置在外壳的内部，拉伐尔喷管上游入口与外壳底部连接固定，外壳底部设有连通拉伐尔喷管上游入口的第二通道，外壳顶部设有喷射口，拉伐尔喷管的下游出口与所述的喷射口之间留有间隙；外壳内壁与拉伐尔喷管外壁之间形成腔室，所述的腔室通过拉伐尔喷管下游出口与喷射口之间的间隙连通喷射口；在外壳中下部还设有连通所述腔室的第一通道。本实用新型通过拉伐尔喷管内芯来提高射流动量与贯穿距离，使稳燃装置满足气体微射流与液雾微射流两用功能，消除了燃烧不稳定的问题，结构简单，便于微型化设计。

Description

一种超音速双介质微射流稳燃装置

技术领域

本实用新型属于稳燃技术领域，尤其涉及一种超音速双介质微射流稳燃装置

背景技术

现代燃气轮机必须遵守现行的环境保护法规，同时减少燃料消耗和污染物排放。稀薄燃烧技术显著影响燃烧过程，并通过影响燃料与空气混合来减少NOx的形成。然而，由于热释放和声压之间的正反馈，稀薄燃烧易于引发燃烧不稳定性。

传统的解决方案有(1)在燃烧室侧壁或进气端安装声阻尼装置，比如亥姆霍兹谐振器、穿孔板或穿孔衬管、挡板、半波长管或四分之一波长管、穿孔板等，声阻尼装置开发周期较长，调整不灵活。(2)利用反声技术主动控制声压脉动，该策略复杂，需要额外的控制系统，且控制系统响应时间相对被控系统的特征时间较长，控制器能力有限，由于大多数控制器需设置固定的参数，仅适合线性系统控制，而面对大型燃烧系统的控制效果一般。(3)利用干扰化学反应打破热释放与压力之间的耦合，如向火焰中心喷注混合气体，该方式不仅能降低火焰中心温度，减少NOx的形成，还能产生丰富的涡系，使得热释放和压力波动的相位关系更加随机，这些涡团有效地穿透火焰内、外循环区和剪切层，使得热释放率不能规律性地波动，从而控制了燃烧不稳定。然而现有的射流器通常是中空的圆管，这种形状的射流管产生的射流贯穿距离短，如果加大射流流量又可能导致火焰吹熄；此外，现有报道的火焰射流稳燃装置仅能喷射气体，不能向火焰喷射雾化液体。

实用新型内容

本实用新型为了克服现有的稳燃装置结构复杂且射流贯穿距离短的问题，提出了一种超音速双介质微射流稳燃装置，通过拉伐尔喷管内芯来提高射流动量与贯穿距离，使射流稳燃装置满足气体微射流与液雾微射流两用功能，消除了燃烧不稳定的问题，结构简单，便于微型化设计。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种超音速双介质微射流稳燃装置，包括外壳、内芯、第一通道和第二通道；所述的内芯采用拉伐尔喷管，所述的拉伐尔喷管的截面积从上游至下游先变小再变大，且拉伐尔喷管的上游入口直径大于下游出口直径，下游出口直径大于喷射口直径。

所述的拉伐尔喷管同轴布置在外壳的内部，拉伐尔喷管上游入口与外壳底部连接固定，所述外壳底部设有连通拉伐尔喷管上游入口的第二通道，外壳顶部设有喷射口，拉伐尔喷管的下游出口与所述的喷射口之间留有间隙；

所述的外壳内壁与拉伐尔喷管外壁之间形成腔室，所述的腔室通过拉伐尔喷管下游出口与喷射口之间的间隙连通喷射口；在外壳中下部还设有连通所述腔室的第一通道。

优选的，所述的拉伐尔喷管下游出口与喷射口之间的距离H是拉伐尔喷管下游出口直径D的1/4。

优选的，所述的外壳外壁为中空柱形结构，外壳的底部为平面，第一通道位于底部平面的中心位置，第一通道与所述的拉伐尔喷管同轴；外壳的顶部呈锥形，喷射口位于锥形的锥尖位置，喷射口与所述的拉伐尔喷管同轴。

优选的，所述的外壳顶部的锥角为120°～170°。

优选的，所述的拉伐尔喷管的上游入口直径与外壳内径相同，拉伐尔喷管的下游出口直径是外壳内径的1/8～1/5；拉法尔喷管的喉部直径也即临界直径，外壳内径是喉部直径的8～12倍。

优选的，所述中空柱形结构的高度是内径的4倍以上。

优选的，所述的拉伐尔喷管的喉部位置位于外壳中下部。

优选的，所述的第一通道与外壳的轴线垂直，第一通道与拉伐尔喷管的喉部位置的高度相同。

优选的，所述外壳内径为40～50mm，高度为240～260mm，喷射口直径为0.5～1mm。

优选的，所述的射流装置采用304不锈钢或黄铜制作。

与现有技术相比，本实用新型的优势在于：本实用新型设计了拉伐尔喷管式内芯结构的超音速双介质微射流稳燃装置，利用拉伐尔喷管提升了射流动量与贯穿距离；将拉伐尔喷管作为气体B介质通道，在拉伐尔喷管外部设计气体或液体A介质通道，A介质受压力推动到拉伐尔喷管的喷口处，超音速气流B的高速运动使得内芯出口位置产生负压区，增强对A介质的卷携作用，实现双介质混合。该稳燃装置可以向火焰注入特定惰性气体或液体燃料，利用液滴或气流干扰热释放过程，同时产生丰富的涡系干扰燃烧噪音的传播，稳定燃烧，其结构简单，便于布置在燃烧室内壁，不影响燃烧室的正常工作。

附图说明

图1是本实用新型实施例中的一种超音速双介质微射流稳燃装置的结构示意图；

图2是本实用新型的射流雾化原理图；

图3是本实施例中的拉伐尔喷管管道半径与马赫数的关系曲线(临界半径为3mm，绝热系数为1.4)；

图中：1-外壳，2-内芯，3-第一通道，4-第二通道，5-喷射口。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

如图1所示，一种超音速双介质微射流稳燃装置，包括外壳1、内芯2、第一通道3和第二通道4；其中，内芯用于产生高速气流，第一通道用于进气/液，第二通道用于进气。

所述的内芯2采用拉伐尔喷管，所述的拉伐尔喷管的截面积从上游至下游先变小再变大，且拉伐尔喷管的上游入口直径大于下游出口直径，下游出口直径大于喷射口5直径。

所述的拉伐尔喷管同轴嵌入外壳1的内部，拉伐尔喷管上游入口与外壳1底部连接固定，所述外壳1底部设有连通拉伐尔喷管上游入口的第二通道4，外壳1顶部设有喷射口5，拉伐尔喷管的下游出口与所述的喷射口5之间留有间隙；

所述的外壳1内壁与拉伐尔喷管外壁之间形成腔室，所述的腔室通过拉伐尔喷管下游出口与喷射口5之间的间隙连通喷射口5；在外壳中下部还设有连通所述腔室的第一通道3。

在本实用新型的一项具体实施中，所述的拉伐尔喷管下游出口与喷射口5之间的距离H是拉伐尔喷管下游出口直径D的1/4。

在本实用新型的一项具体实施中，所述的外壳1外壁为中空柱形结构，中空柱形结构的高度是内径的4倍以上。外壳的底部为平面，第一通道3位于底部平面的中心位置，第一通道3与所述的拉伐尔喷管同轴；外壳的顶部呈锥形，喷射口5位于锥形的锥尖位置，喷射口5与所述的拉伐尔喷管同轴。本实施例中，所述的外壳顶部的锥角为120°～170°，该锥形结构有利于气气混合或气液混合。所述的拉伐尔喷管的上游入口直径与外壳内径相同，有利于减小装置尺寸，便于微型化设计。拉伐尔喷管的下游出口直径是外壳内径的1/8～1/3，拉伐尔喷管的喉部直径是外壳内径的1/12～1/8，在拉伐尔喷管的喉部可达到达到音速，在扩散段(候补和顶部之间)实现超音速。

所述的拉伐尔喷管的喉部位置位于外壳中下部，如图3所示，喉部的临界半径为3mm。所述的第一通道3与外壳1的轴线垂直，第一通道与拉伐尔喷管的喉部位置的高度相同。从第一通道进入的气体或液体在拉伐尔喷管的喉部位置进入腔体，受压力推动到拉伐尔喷管的喷口处。

上述的射流稳燃装置满足气体微射流与液雾微射流两用功能，使用气-气双介质射流时，第一通道通入气体介质A，第二通道通入气体介质B。使用气-液双介质射流时，第一通道通入液体介质A，第二通道通入气体介质B。使用时，将射流装置布置在火焰周围，当发生燃烧不稳定现象时，装置向火焰中心喷射混合气或液雾，以此控制燃烧不稳定。

本实施中的一项具体使用方法为：

步骤一，在燃烧器的燃烧室内壁布置超音速射流装置。

步骤二，当发生燃烧不稳定时，装置向火焰中心喷射混合气或液雾，形成干扰涡并影响局部反应，使得热释放与压力脉动解耦合。

步骤三，调节射流流量，保证火焰稳定和污染物排放量合格。

实现原理详见图2所示。使用气-气双介质射流时，气体介质B经第二通道4进入拉伐尔喷管后加速，形成超音速气流后喷出，与来自第一通道3的气体介质A混合后由外壳1顶部的圆孔型喷射口5喷出。超音速气流B的高速运动使得内芯出口位置产生负压区，增强对气体介质A的卷吸和混合。

使用气-液双介质射流时，液体介质A在外壳1顶部间隙附近形成液膜，气体介质B通过内芯2后形成超音速气流冲击液膜。随着喷射速度增加，液膜在惯性力作用下失稳，破裂成液丝或液带，与空气相对运动剧烈，表面张力及粘性力的作用减弱，最终破碎为小液滴。由于气流B卷携介质A的液滴，因此，液雾也以高速运动。

气体介质B通过内芯2形成超音速气流的原理如下：

对于变截面管道内芯2中的任意两个截面1和截面2，连续性方程可以写作：

A₂/A₁＝ρ₁u₁/ρ₂u₂

其中，下标1,2分别代表任意截面1和2处的流体的两个状态，A代表截面积，ρ代表气体密度，u为流速。

由于：

ρ₁/ρ₂＝(T₁/T₂)^(1/(γ-1))

u₁/u₂＝Ma₁c₁/Ma₂c₂＝Ma₁/Ma₂*(T₁/T₂)^(1/2)

T₁/T₂＝(T₁/T₀)*(T₀/T₁)＝(1+(γ-1)/2*Ma₂ ²)/(1+(γ-1)/2*Ma₁ ²)

因此：

A₂/A₁＝Ma₁/Ma₂[(2+(γ-1)Ma₂ ²)/(2+(γ-1)Ma₁ ²)]^[(γ+1)/(2(γ-1))]

上式中，T代表绝对温度，Ma代表马赫数，下标0代表滞止状态，γ为绝热系数。假设参考状态1为临界状态，即有A₁＝A^*，Ma₁＝Ma^*；再设任意状态Ma₂＝Ma，A₂＝A。有：

A/A^*＝1/Ma[(2+(γ-1)Ma²)/(1+γ)]^[(γ+1)/(2(γ-1))]

如图3所示，得到内芯半径r与马赫数Ma的关系曲线(取γ＝1.4)。根据图3，可以得到拉伐尔喷管的型线，亚音速气流沿流动方向速度逐渐增大，在喉部达到音速，在扩散段实现超音速。超音速射流的优势在于气流中的扰动只会影响扰动源的下游，不会影响上游。并且射流的动能更强，贯穿距离提升，射流的刚性更强，有助于输送射流介质抵达火焰中心，对火焰的稳燃效果更好。采用两种气体介质横向射流火焰时，装置能产生配对涡、马蹄形涡等丰富的涡系。而使用在超音速气流冲击液膜，产生喷雾时，装置能提供给液滴更大的动能。最终，干扰涡或高动量的喷雾干扰了声波的形成和热释放的脉动，并稳定燃烧。

在本实用新型的结构下，超音速射流装置既可以产生混合的气体微射流，也可以产生液雾微射流，可以向火焰注入特定惰性气体或液体燃料，液滴或气流会干扰热释放过程，同时产生丰富的涡系干扰燃烧噪音的传播，从而稳定燃烧。本实用新型利用拉伐尔喷管式的内芯结构提高了射流动量与贯穿距离，通过合理的结构设计使射流稳燃装置满足气体微射流与液雾微射流两用功能，丰富的高动量涡系能够提升射流稳燃装置消除燃烧不稳定的效果。

以上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种超音速双介质微射流稳燃装置，其特征在于，包括外壳（1）、内芯（2）、第一通道（3）和第二通道（4）；所述的内芯（2）采用拉伐尔喷管，所述的拉伐尔喷管的截面积从上游至下游先变小再变大，且拉伐尔喷管的上游入口直径大于下游出口直径，下游出口直径大于喷射口（5）直径；

所述的拉伐尔喷管同轴布置在外壳（1）的内部，拉伐尔喷管上游入口与外壳（1）底部连接固定，所述外壳（1）底部设有连通拉伐尔喷管上游入口的第二通道（4），外壳（1）顶部设有喷射口（5），拉伐尔喷管的下游出口与所述的喷射口（5）之间留有间隙；

所述的外壳（1）内壁与拉伐尔喷管外壁之间形成腔室，所述的腔室通过拉伐尔喷管下游出口与喷射口（5）之间的间隙连通喷射口（5）；在外壳中下部还设有连通所述腔室的第一通道（3）。

2.根据权利要求1所述的超音速双介质微射流稳燃装置，其特征在于，所述的拉伐尔喷管下游出口与喷射口（5）之间的距离H是拉伐尔喷管下游出口直径D的1/4。

3.根据权利要求1所述的超音速双介质微射流稳燃装置，其特征在于，所述的外壳（1）外壁为中空柱形结构，外壳的底部为平面，第一通道（3）位于底部平面的中心位置，第一通道（3）与所述的拉伐尔喷管同轴；外壳的顶部呈锥形，喷射口（5）位于锥形的锥尖位置，喷射口（5）与所述的拉伐尔喷管同轴。

4.根据权利要求3所述的超音速双介质微射流稳燃装置，其特征在于，所述的外壳顶部的锥角为120°~170°。

5.根据权利要求3所述的超音速双介质微射流稳燃装置，其特征在于，所述的拉伐尔喷管的上游入口直径与外壳内径相同，拉伐尔喷管的下游出口直径是外壳内径的1/8~1/3；拉法尔喷管的喉部直径也即临界直径，外壳内径是喉部直径的8~12倍。

6.根据权利要求3所述的超音速双介质微射流稳燃装置，其特征在于，所述中空柱形结构的高度是内径的4倍以上。

7.根据权利要求1所述的超音速双介质微射流稳燃装置，其特征在于，所述的拉伐尔喷管的喉部位置位于外壳中下部；所述的第一通道（3）与外壳（1）的轴线垂直，第一通道与拉伐尔喷管的喉部位置的高度相同。

8.根据权利要求1所述的超音速双介质微射流稳燃装置，其特征在于，所述外壳内径为40~50mm，高度为240~260mm，喷射口直径为0.5~1mm。

9.根据权利要求1所述的超音速双介质微射流稳燃装置，其特征在于，所述的射流装置采用304不锈钢或黄铜制作。

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