CN109737386A - 双旋流低排放燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双旋流低排放燃烧室，包括燃烧室头部，该燃烧室头部包括主燃级旋流器、预燃级旋流器和台阶隔离段；主燃级旋流器、预燃级旋流器和台阶隔离段均同轴设置；主燃级旋流器环设在台阶隔离段外圈，预燃级旋流器环设在台阶隔离段的内圈；台阶隔离段沿主燃级旋流器的轴向设置，且台阶隔离段靠近气体出口的内圈设有收缩扩张结构，收缩扩张结构沿气体的流动方向半径先减小后增大。本发明通过在主燃级和预燃级旋流器之间增设台阶隔离段，使其分隔开，形成弱耦合的旋流火焰，有助于降低污染排放。本发明还在台阶隔离段靠近气体出口的内圈设置有收缩扩张结构，该结构提高预燃级的稳火范围，提高了整个燃烧室的稳定工作范围。

Description

双旋流低排放燃烧室

技术领域

本发明涉及能源与动力领域，特别涉及一种双旋流低排放燃烧室。

背景技术

化石燃料的燃烧依然是人类主要的动力和能量来源。在能源与动力领域的诸多应用中，对动力机械的污染排放提出了越来越高的要求，特别是的氮氧化物(NOx)，一氧化碳(CO)，未燃碳氢(UHC)和冒烟(Smoke)等排放物。

这些排放物的减少主要依靠燃烧室实现，这就对燃烧室提出了更高的设计要求。其中，氮氧化物的控制又是低排放燃烧室考虑的重点。根据现有研究，NOx主要受由热力型机理控制，高温下空气中的氮气受氧化生成，因此控制燃烧室内的高温区是减少NOx生成量的关键。因此一方面要尽量满足大工况下的燃烧区温度分布均匀，另一方面还需要保证燃烧室有足够的调节范围。

因此现代先进低排放燃烧室一般采用中心分级结构，即预燃级和主燃级同心共轴，且大部分空气从主燃级进入，预燃级主要起到稳定火焰的作用。此时，低排放燃烧室的核心技术难点就分解为了两部分，一是主预燃级双旋流的匹配和耦合，要精细地组织两股旋流，以保证点熄火性能和大工况下高温区的控制；二是燃料与空气的掺混，要在尽可能短地时间内实现燃料和空气的充分混合，并在出口形成较为合理的当量比分布。本申请为解决上述第一部分，提出了一个优化了的具有较强普适性的旋流组织方案。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种双旋流低排放燃烧室，通过控制主预燃级双旋流的匹配和耦合，解决两股旋流的组织优化问题。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供一种双旋流低排放燃烧室，包括燃烧室头部，所述燃烧室头部包括：主燃级旋流器、预燃级旋流器和台阶隔离段；所述主燃级旋流器、所述预燃级旋流器和所述台阶隔离段均同轴设置；所述主燃级旋流器环设在所述台阶隔离段外圈，所述预燃级旋流器环设在所述台阶隔离段的内圈；所述台阶隔离段沿所述主燃级旋流器的轴向设置，且所述台阶隔离段靠近气体出口的内圈设有收缩扩张结构，所述收缩扩张结构沿气体的流动方向半径先减小后增大。

进一步地，所述燃烧室头部还包括：预燃级中心体；所述预燃级中心体套设在所述预燃级旋流器的内圈，与所述预燃级旋流器同轴设置；所述预燃级中心体沿所述预燃级旋流器的轴向方向设置，与所述收缩扩张结构配合构成气体流动通道。

进一步地，所述预燃级中心体靠近所述气体出口的一端设有对应所述收缩扩张结构收缩方向的端头。

进一步地，所述台阶隔离段的壁厚为所述预燃级中心体直径的0.5～2倍。

进一步地，所述收缩扩张结构内设有喉部，所述喉部将所述收缩扩张结构分隔成收缩区域和扩张区域；所述收缩区域和所述扩张区域均环设在所述台阶隔离段的内圈，所述收缩区域沿气体的流动方向半径逐渐减小，所述扩张区域沿气体的流动方向半径逐渐增大。

进一步地，所述收缩区域对应侧的夹角为30～150°，所述扩张区域对应侧的夹角为20～160°。

进一步地，还包括：预混进气管，所述预混进气管与所述主燃级旋流器同轴设置，所述主燃级旋流器套设在所述预混进气管的内圈。

进一步地，还包括：火焰筒；所述火焰筒的管径大于所述预混进气管的管径，所述火焰筒的进气端通过头部端壁与所述预混进气管的出气端连通。

进一步地，所述预燃级旋流器和所述主燃级旋流器的旋向相同。

(三)有益效果

本发明提供一种双旋流低排放燃烧室，通过在主燃级旋流器和预燃级旋流器之间增设台阶隔离段，使主燃级旋流器和预燃级旋流器分隔开，从而形成弱耦合的双旋流火焰，有助于降低排放，减少燃烧振荡。同时本发明还在台阶隔离段靠近气体出口的内圈设置收缩扩张结构提高了预燃级的稳火范围，提高了整个燃烧室的稳定工作范围。此外，本发明提供的双旋流低排放燃烧室具有较好的适用性，能够使用气态燃料或液态燃料，适用于多种燃烧模式和多种燃烧模式。

附图说明

图1是本发明优选实施例中提供的双旋流低排放燃烧室的结构示意图；

图2是本发明优选实施例中提供的双旋流低排放燃烧室的三维结构剖视图；

图3是本发明优选实施例中提供的双旋流低排放燃烧室采用预混燃烧模式的示意图；

其中，1：预燃级中心体；2：预燃级旋流器3：主燃级旋流器；4：台阶隔离段；5：收缩扩张结构；6：头部端壁；7：火焰筒；8：主燃级火焰；9：预燃级火焰；10：收缩角；11：扩张角；13：燃料预混气；14：预混进气管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种双旋流低排放燃烧室，如图1、图2和图3所示，该双旋流低排放燃烧室包括燃烧室头部。燃烧室头部包括主燃级旋流器3、预燃级旋流器2和台阶隔离段4。其中，主燃级旋流器3、预燃级旋流器2和台阶隔离段4均同轴设置。台阶隔离段4为圆柱体结构，主燃级旋流器3环设在台阶隔离段4外圈，预燃级旋流器2环设在台阶隔离段4的内圈。台阶隔离段4沿主燃级旋流器3的轴向设置，台阶隔离段4靠近气体出口的内圈设有收缩扩张结构5，收缩扩张结构5沿气体的流动方向半径先减小后增大。

其中，预燃级旋流器2和主燃级旋流器3的旋向相同。预燃级旋流器2可选用轴向叶片式旋流器，旋流数可以选取为0.5～1.2，主燃级旋流器3也可选用为轴向叶片式旋流器，旋流数可以选取为0.5～1.2。

本实施例中，主燃级旋流器3和预燃级旋流器2均包括多个旋流叶片，相邻旋流叶片与周围侧壁构成旋流通道，燃料混合气13通过旋流通道在燃烧室头部中产生旋流火焰。其中，旋流叶片的设置方向可根据具体情况进行调整。

工作过程中，燃料混合气13在燃烧室头部自然分股，分别进入预燃级旋流器2和主燃级旋流器3，形成弱耦合旋流，通过预燃级旋流器2的燃料预混气13经过收缩扩张结构5，在台阶隔离段4靠近出口的一端对火焰进行稳定，形成了包含预燃级火焰9和主燃级火焰8的分层旋流火焰。

本发明实施例提供一种双旋流低排放燃烧室，通过在主燃级旋流器3和预燃级旋流器2之间增设台阶隔离段4，使主燃级旋流器3和预燃级旋流器2分隔开，从而形成弱耦合的双旋流火焰，有助于降低排放，减少燃烧振荡。同时本发明还在台阶隔离段4靠近气体出口的内圈设置收缩扩张结构5提高了预燃级的稳火范围，提高了整个燃烧室的稳定工作范围。此外，本发明提供的双旋流低排放燃烧室具有较好的适用性，能够使用气态燃料或液态燃料，适用于多种燃烧模式和多种燃烧模式。

基于上述实施例，在一个优选的实施例中，如图1、图2和图3所示，该燃烧室头部还包括：预燃级中心体1。预燃级中心体1套设在预燃级旋流器2的内圈，且预燃级中心体1与预燃级旋流器2同轴设置。预燃级中心体1沿预燃级旋流器2的轴向方向设置，与收缩扩张结构5配合构成气体流动通道。

燃料混合气13经过该气体流动通道时，形成较为合理的旋流射流，且在该气体流动通道内构成回流区，有助于预燃级火焰9的稳定，进而扩宽了整个火焰的稳定边界。

为进一步稳定火焰的边界，本实施例中，预燃级中心1体靠近气体出口的一端设有对应收缩扩张结构5收缩方向的端头，该端头沿气体流动方向逐渐减小以配合收缩扩张结构5。

其中，如图2所示，该双旋流低排放燃烧室安装时，仅需通过焊接方式固定安装即可，预燃级中心体1与预燃级旋流器2整体铸造而成，主燃级旋流器3与台阶隔离段4整体铸造而成。

其中，台阶隔离段4的壁厚不宜过大，一般情况下，台阶隔离段4的壁厚为预燃级中心体1直径的0.5～2倍。较小会加强主燃级火焰8和预燃级火焰9之间的耦合(对降低排放不利)，而较大不利于主燃级火焰8的稳定。

区别于上述实施例，本实施例设有配合收缩扩张结构5的预燃级中心体1，通过该预燃级中心体1在燃烧室头部形成较为合理的旋流射流和回流区结构，有助于预燃级火焰的稳定，进而扩宽了整个火焰的稳定边界。

基于上述实施例，在一个优选的实施例中，如图1、图2和图3所示，收缩扩张结构5内设有喉部，喉部将收缩扩张结构5分隔成收缩区域和扩张区域。收缩区域和扩张区域均环设在台阶隔离段4的内圈，收缩区域沿气体的流动方向半径逐渐减小，扩张区域沿气体的流动方向半径逐渐增大。

本实施例中，如图1所示，收缩区域对应侧的夹角为30～150°，即收缩角10为30～150°，所述扩张区域对应侧的夹角为20～160°，即扩张角11为20～160°。

其中，该双旋流低排放燃烧室还包括：预混进气管14，预混进气管14与主燃级旋流器3同轴设置，主燃级旋流器4套设在预混进气管14的内圈。此外，该双旋流低排放燃烧室还包括：火焰筒7。火焰筒7的管径大于预混进气管14的管径，火焰筒7的进气端通过头部端壁6与预混进气管14的出气端连通。

工作过程中，燃料和空气提前预混，通过预混进气管14在预混进气管14内混合形成燃料混合气13。然后燃料混合气13在燃烧室头部自然分股，分别进入预燃级旋流器2和主燃级旋流器3，形成弱耦合旋流，通过预燃级旋流器2的燃料预混气13经过收缩扩张结构5，在台阶隔离段4靠近出口的一端对火焰进行稳定，形成了包含预燃级火焰9和主燃级火焰8的分层旋流火焰。

在其他实施例中，还可直接将燃料通入主燃级旋流器3和预燃级旋流器2中，在主燃级旋流器3和预燃级旋流器2中形成燃料混合气13，以产生包含预燃级火焰9和主燃级火焰8的分层旋流火焰。

综上所述，本发明实施例提供一种双旋流低排放燃烧室，通过在主燃级旋流器3和预燃级旋流器2之间增设台阶隔离段4，使主燃级旋流器3和预燃级旋流器2分隔开，从而形成弱耦合的双旋流火焰，有助于降低排放，减少燃烧振荡。同时本发明还在台阶隔离段4靠近气体出口的内圈设置收缩扩张结构5提高了预燃级的稳火范围，提高了整个燃烧室的稳定工作范围。此外，本发明提供的双旋流低排放燃烧室具有较好的适用性，能够使用气态燃料或液态燃料，适用于多种燃烧模式和多种燃烧模式。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种双旋流低排放燃烧室，其特征在于，包括燃烧室头部，所述燃烧室头部包括：

主燃级旋流器、预燃级旋流器和台阶隔离段；

所述主燃级旋流器、所述预燃级旋流器和所述台阶隔离段均同轴设置；所述台阶隔离段为圆柱体结构，所述主燃级旋流器环设在所述台阶隔离段外圈，所述预燃级旋流器环设在所述台阶隔离段的内圈；所述台阶隔离段沿所述主燃级旋流器的轴向设置，且所述台阶隔离段靠近气体出口的内圈设有收缩扩张结构，所述收缩扩张结构沿气体的流动方向半径先减小后增大。

2.根据权利要求1所述的双旋流低排放燃烧室，其特征在于，所述燃烧室头部还包括：

预燃级中心体；所述预燃级中心体套设在所述预燃级旋流器的内圈，与所述预燃级旋流器同轴设置；所述预燃级中心体沿所述预燃级旋流器的轴向方向设置，与所述收缩扩张结构配合构成气体流动通道。

3.根据权利要求2所述的双旋流低排放燃烧室，其特征在于，所述预燃级中心体靠近所述气体出口的一端设有对应所述收缩扩张结构收缩方向的端头。

4.根据权利要求2所述的双旋流低排放燃烧室，其特征在于，所述台阶隔离段的壁厚为所述预燃级中心体直径的0.5～2倍。

5.根据权利要求1所述的双旋流低排放燃烧室，其特征在于，所述收缩扩张结构内设有喉部，所述喉部将所述收缩扩张结构分隔成收缩区域和扩张区域；所述收缩区域和所述扩张区域均环设在所述台阶隔离段的内圈，所述收缩区域沿气体的流动方向半径逐渐减小，所述扩张区域沿气体的流动方向半径逐渐增大。

6.根据权利要求5所述的双旋流低排放燃烧室，其特征在于，所述收缩区域对应侧的夹角为30～150°，所述扩张区域对应侧的夹角为20～160°。

7.根据权利要求1所述的双旋流低排放燃烧室，其特征在于，还包括：

预混进气管，所述预混进气管与所述主燃级旋流器同轴设置，所述主燃级旋流器套设在所述预混进气管的内圈。

8.根据权利要求7所述的双旋流低排放燃烧室，其特征在于，还包括：

火焰筒；所述火焰筒的管径大于所述预混进气管的管径，所述火焰筒的进气端通过头部端壁与所述预混进气管的出气端连通。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的双旋流低排放燃烧室，其特征在于，所述预燃级旋流器和所述主燃级旋流器的旋向相同。