一種基于貧油半預混燃燒的天然氣低污染燃燒室的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種基于貧油半預混燃燒的天然氣低污染燃燒室，包括預混合段旋流器、進氣道、裝配座、燃燒室本體，所述的進氣道固定在裝配座的前段，所述的燃燒室本體固定在裝配座的后段，所述的預混合段旋流器包括固定在裝配座中心安裝孔中的文氏管，以及安裝在文氏管內部的一個軸向旋流器；所述軸向旋流器的轉軸中空，中間用于通入氣體燃料；在轉軸延伸出軸向旋流器后端的設有徑向開孔，開孔位置位于軸向旋流器與文氏管喉道之間，在此區域形成燃氣預混合段；本發明將預混和貧油直噴兩種低排放技術直接耦合，同時兼顧貧油燃燒在低排放上的潛力，保證充分燃燒以降低降低低污染物的排放。
【專利說明】
-種基于貧油半預混燃燒的天然氣低污染燃燒室
技術領域
[0001] 本發明屬于燃氣滿輪發動機清潔燃燒領域，尤其是一種基于貧油半預混燃燒的天 然氣低污染燃燒室。
【背景技術】
[0002] 環境污染，尤其是大氣污染，成為了人類生存的一大威脅。近年來，我國各地霧靈 頻發，嚴重影響了我們的生活，大氣污染成為不可回避的問題。其中工業生產活動對大氣污 染最為嚴重，工業廢氣、生活燃料、交通尾氣等等，而運些污染源歸根結底是燃料選用和燃 燒方式的問題。
[0003] 傳統的燃料選用種類，煤炭和石油是主體，煤炭會在燃燒中產生大量的粉塵，且煤 炭的主要元素為碳、氧、氨、氮和硫，所W燃燒后會產生大量的S〇2和NOx，當不完全的燃燒時 還會產生大量的未燃顆粒物;石油及其衍生物作為燃料時，主要會產生S〇2、C〇2、N〇x等污染 物。然而天然氣作為新型的清潔能源，燃燒過程中不產生煙塵W及固體排放物，也不產生 S〇2,其中NOx的排放也遠遠低于其他幾種傳統化石燃料。
[0004] 除了燃料本身的特性，燃燒方式對污染物排放的影響也相當顯著。隨著對污染物 排放機理認識的不斷加深，研究人員逐漸認識到主要排放污染物與燃燒溫度、駐留時間、混 氣成分和油氣狀態間的變化規律有關，實現低污染排放的關鍵是形成均勻的可燃混氣，消 除局部熱點W及實現充分燃燒。據此發展出了分區分級燃燒、貧油預混預蒸發化ean Premixed Prevaporized,簡稱LPP)燃燒、富油/快速澤焰/貧油（Rich-Quench-Lean,簡稱 RQL)燃燒、貧油直接噴射化ean Direct Injection,簡稱LDI)燃燒等低排放燃燒技術。
[0005] 其中貧油預混預蒸發化PP)燃燒技術是將燃料完全蒸發并混合均勻供入燃燒區， 在燃燒區實現貧油燃燒，燃燒區的當量比越小越能降低NOx排放，運是已知的低排放潛力最 大的燃燒技術。但LPP燃燒技術的存在回火、自燃和燃燒不穩定等問題，而且在現階段的研 究中很難克服，為此出現了貧油直接噴射化DI)燃燒技術。貧油直接噴射化DI)燃燒技術就 是將燃料直接噴入燃燒區，在噴射點附近形成局部富油區大大改善了點火特性，隨后，燃料 和經過旋流器產生的高速旋流形成均勻的貧油混合物，進而在燃燒區充分燃燒，消除局部 熱點，降低火焰溫度，達到低排放的目的。由于不存在燃料預先混合與蒸發的過程，因而解 決了 LPP燃燒技術中存在的的回火和自燃問題，但LDI燃燒技術又存在低功率工作時燃燒不 穩定的問題。
[0006] 美國專利"Premixing dry low ΝΟχ emissions combustor with lean direct injection of gas fuer(US2001049932)，提出了一款針對氣態燃料設計的雙級燃燒室， 主燃級使用預混的燃燒方式，實現低功率狀態時的低污染燃燒，二級燃燒室使用直接噴射 的方式，利用直接噴射的可靠的工作特性補充大功率時的動力需求。該發明是一種分級燃 燒的概念，但是本發明是將預混和貧油直噴兩種低排放技術直接禪合，用貧油半預混的概 念來實現燃燒室低污染目標。美國專利"Lean direct injection combustor system" (US2009229269)，設計了一套貧油直接噴射的燃燒系統，分別采用殼體內空腔和管道來攜 帶氧化劑和燃料，直至燃燒室進口燃料與氧化劑才真正接觸，然后混合燃燒。該設計的流道 存在過多的阻礙，燃料和空氣均有從大面積通道進入多孔結構，流道突然縮小的過程，流動 損失較大。
[0007] 因此，本發明的目的在于提供一種基于貧油半預混燃燒的天然氣低污染燃燒室W 改進現有技術的不足。
【發明內容】
[0008] 針對現有技術中存在的不足，本發明提供了一種基于貧油半預混燃燒的天然氣低 污染燃燒室，通過使用氣態燃料W及基于貧油半預混燃燒，同時兼顧貧油燃燒，降低了污染 物的排放，同時提高了燃燒效率、燃燒相對穩定。
[0009] 本發明采用如下技術方案：一種基于貧油半預混燃燒的天然氣低污染燃燒室，其 特征在于，包括預混合段旋流器、進氣道、裝配座、燃燒室本體，所述的進氣道固定在裝配座 的前段，所述的燃燒室本體固定在裝配座的后段，所述的預混合段旋流器包括固定在裝配 座中屯、安裝孔中的文氏管，W及安裝在文氏管內部的一個軸向旋流器;所述軸向旋流器的 轉軸中空，中間用于通入氣體燃料;在轉軸延伸出軸向旋流器后端的設有徑向開孔，開孔位 置位于軸向旋流器與文氏管喉道之間，在此區域形成燃氣預混合段。通過在轉軸的中空通 入氣體燃料，然后經過徑向開孔噴出，在軸向旋流器與文氏管喉道之間與空氣預混，將預混 和貧油直噴兩種低排放技術直接禪合，來實現燃燒室低污染目標W及規避回火與燃燒不穩 定的缺點，同時兼顧貧油燃燒在低排放上的巨大潛力，保證充分燃燒減少未燃碳氨，降低火 焰溫度，消除局部熱點W降低NOx。
[0010] 進一步改進，所述的軸向旋流器滿足旋流數
其中軸向旋流 器主要根據主要根據內外半徑和壁厚來確定其旋流數，式中r為軸向旋流器徑向截面位置 處的內徑，R為徑向截面位置處的外徑，φ為葉片的阻尼系數，麵為葉尖角，根據式中蠶為對 應r處的葉尖角，由此可W算出軸線旋流器(6)葉片安裝角。
[0011] 進一步改進，W文氏管的結構尺寸為基準，所述的軸向旋流器的出口界面至文氏 管喉道的距離與文氏管喉道直徑之比為0.7,軸向旋流器出口面積與文氏管喉道面積之比 與為2.2。
[0012] 進一步改進，所述的進氣道、裝配座W及燃燒室本體都是通過法蘭連接，其中法蘭 之間加墊片，保證了良好的氣密性。
[0013] 進一步改進，所述的固定方式為在混合段的旋流器設有兩個凸臺，分別為第一凸 臺和第二凸臺，安裝座設有一個第Ξ凸臺W及兩個階梯槽，分別為第一階梯槽和第二階梯 槽，其中第一階梯槽和第一凸臺對應，配合可W定位預混合段旋流器，第二凸臺和擋板配 合，W固定預混合段旋流器，第Ξ凸臺通過第Ξ階梯槽與燃燒室本體配合，保證氣密性和同 軸性，第Ξ凸臺用W固定擋板，擋板和第Ξ凸臺W及旋流器出口平面在同一個水平面上，裝 配座靠近進氣頭部方向有一個第四凸臺，通過第四凸臺使得裝配座很好的和進氣道配合， 進一步保證了很好的氣密性和同軸性。
[0014] 本發明的基于貧油半預混燃燒的天然氣低污染燃燒室使用氣態天然氣，相比于其 它傳統石化燃料，幾乎不會產生粉塵和固體排放物，不含硫，燃燒不會產生S〇2, NOx的排放 也是遠遠低于其它燃料，能夠大大降低對大氣環境的污染；同時，相對于液態燃料，避免了 燃油霧化等帶來的油氣分布不均，有利于可燃混氣的形成，容易與空氣均勻混合，有效的消 除局部熱點，大大降低污染物的排放，氣態燃料與空氣易形成均勻混氣，能夠充分發揮低排 放的燃燒室的優勢;燃料垂直進氣空氣入射，點火前進行短距離的預混，利用燃料的不均勻 分布保證可靠的點火和燃燒穩定性，點火后，旋流器產生的旋流會繼續帶著燃料進行混合， 燃燒方式介于預混燃燒與擴散燃燒之間，充分混合均勻的可燃混氣進行充分燃燒后能進一 步有效降低污染物的排放;并且燃燒室設計結構簡單緊湊、加工工藝與裝配簡單，主要包含 旋流器、文氏管、中空轉軸和前后主要通道;并且可W應用到傳統燃料的諸多燃氣滿輪發動 機的領域中，如工業發電、城市供暖;也可應用于民用航空發動機低排放燃燒領域。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發明基于貧油半預混燃燒的天然氣低排放燃燒室結構示意圖； 圖2為本發明基于貧油半預混燃燒的天然氣低排放燃燒室的預混合段旋流器及轉軸的 結構示意圖； 圖3為本發明基于貧油半預混燃燒的天然氣低排放燃燒室的裝配座的結構示意圖； 圖4為本發明基于貧油半預混燃燒的天然氣低排放燃燒室的進氣道的結構示意圖； 圖5為本發明基于貧油半預混燃燒的天然氣低排放燃燒室的燃燒室本體的結構示意 圖。
[0016] 其中：1-預混合段旋流器，2-轉軸，3-進氣道，4-裝配座，5-燃燒室本體，6-軸向旋 流器，7-文氏管，8-第一凸臺，9-第二凸臺，10-第一階梯槽，11-第二階梯槽，12-第Ξ凸臺， 13-擋板，14-第四凸臺，15-第Ξ階梯槽，16-法蘭，17-墊片。
【具體實施方式】
[0017] 下面將結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明。
[0018] 請參照圖1-圖5所示，本發明使用天然氣為燃料、基于貧油半預混燃燒低污染燃燒 室，使用的轉軸2不同于傳統的帶噴霧錐角的燃油噴嘴，而是直接在轉軸2側面均勻開孔，本 實施例是沿圓周均勻開設8個徑向通孔，其他的數量也是可W的。天然氣可W經轉軸通入， 之后經過開設的孔噴出，燃料噴射方向垂直于旋流器出口的空氣，燃料與空氣剪切滲混，在 文氏管的中空內部實現初步半預混，控制當量比小于1，進入燃燒室本體5實現貧油燃燒。
[0019] 如圖2所示，預混合段旋流器1有兩個凸臺：第一凸臺8和第二凸臺9,裝配座4有兩 個階梯槽:第一階梯槽11及第二階梯槽12, W及一個第Ξ凸臺12。其中第一階梯槽10和第一 凸臺8對應定位預混合段旋流器1，第二凸臺9和擋板13配合，固定預混合段旋流器1，第Ξ凸 臺12定位擋板13。此時擋板13和第Ξ凸臺W及旋流器出口平面在同一個水平面上。其中的 軸向旋流器6主要根據內外半徑和壁厚來確定其旋流勤
式中rs為軸 向旋流器6徑向截面位置處的內徑，Rs為徑向截面位置處的外徑，r為旋流器葉片最小半徑， R為旋流器葉片最大半徑，解為葉片的阻尼系數，游為葉尖角。根據式中殘為對應r處的葉尖 角，由此可W算出軸線旋流器6葉片安裝角。軸向旋流器6出口界面至文氏管喉道的距離與 文氏管7喉道直徑之比為0.7,旋流器6出口面積與文氏管7喉道面積之比為2.2。
[0020] 如圖3和4所示，裝配座4的進氣頭部有一個第四凸臺14,通過第四凸臺就能夠使得 裝配座4很好的和進氣道3配合，并保證了很好的氣密性和同軸性。同時第Ξ凸臺12通過第 Ξ階梯槽15與燃燒室本體5配合，保證氣密性和同軸度。
[0021] 請參照圖1-圖5并結合圖5所示，在實際工作中，空氣通過進氣道3進入文氏管的中 空內部，即在預混合段，在預混合段旋流器1的作用下，在文氏管的內部產生旋流，并在燃燒 室本體5頭部形成穩定的回流區；與此同時，天然氣通過轉軸2進入預混合段，并且經位于軸 向旋流器6與文氏管7喉道之間開設的孔中噴出，此時的天然氣沿空氣入射方向垂直射入， 從噴射點到文氏管出口進行部分預混。天然氣與空氣的混合氣體進入燃燒室本體5后進行 點火，隨后燃料與空氣可W繼續混合，形成更加均勻的可燃混氣，其燃燒方式介于預混燃燒 和擴散燃燒之間，燃燒室工作狀態為貧油燃燒，可有效降低燃燒火焰溫度，降低燃燒污染 物，特別是氮氧化合物的排放量。控制燃料與空氣當量比小于1進行貧油燃燒，點火后燃料 與空氣進一步滲混燃燒，形成均勻混氣W保證降低火焰溫度、消除局部熱點，降低燃氣輪機 燃燒室污染物排放指數。
【主權項】
1. 一種基于貧油半預混燃燒的天然氣低污染燃燒室，其特征在于，包括預混合段旋流 器（1)、進氣道(3)、裝配座(4)、燃燒室本體(5)，所述的進氣道(3)固定在裝配座(4)的前段， 所述的燃燒室本體(5)固定在裝配座(4)的后段，所述的預混合段旋流器（1)包括固定在裝 配座(4)中心安裝孔中的文氏管(7)，以及安裝在文氏管(7)內部的一個軸向旋流器(6);所 述軸向旋流器(6)的轉軸（2)中空，中間用于通入氣體燃料;在轉軸（2)延伸出軸向旋流器 (6)后端的設有徑向開孔，開孔位置位于軸向旋流器(6)與文氏管(7)喉道之間，在此區域形 成燃氣預混合段。2. 根據權利要求1所述的基于貧油半預混燃燒的天然氣低污染燃燒室，其特征在于，所 述的軸向旋流器(6)滿足旋流數，式中r為軸向旋流器(6)徑向截面位 置處的內徑，R為徑向截面位置處的外徑，爐為葉片的阻尼系數，?為葉尖角。3. 根據權利要求1所述的基于貧油半預混燃燒的天然氣低污染燃燒室，其特征在于，以 文氏管(7)的結構尺寸為基準，所述的軸向旋流器(6)的出口界面至文氏管喉道的距離與文 氏管(7)喉道直徑之比為0.7,旋流器出口面積與文氏管喉道面積之比為2.2。4. 根據權利要求1所述的基于貧油半預混燃燒的天然氣低污染燃燒室，其特征在于，所 述的進氣道(3 )、裝配座(4 )以及燃燒室本體(5 )都是通過法蘭（16 )連接，其中法蘭（16 )之間 加墊片（17)。5. 根據權利要求1所述的基于貧油半預混燃燒的天然氣低污染燃燒室，其特征在于，所 述的固定方式為在混合段的旋流器(1)設有兩個凸臺，分別為第一凸臺（8)和第二凸臺（9)， 安裝座(4)設有一個第三凸臺（12)以及兩個階梯槽，分別為第一階梯槽（10)和第二階梯槽 (11)，其中第一階梯槽（10)和第一凸臺（8)對應，配合可以定位預混合段旋流器（1)，第二凸 臺（9)和擋板（13)配合，固定預混合段旋流器（1)，第三凸臺（12)通過第三階梯槽（15)與燃 燒本體(5)配合，第三凸臺（12)用以固定擋板（13)，擋板（13)和第三凸臺（12)以及旋流器出 口平面在同一個水平面上，裝配座（4)靠近進氣頭部方向有一個第四凸臺（14)，第四凸臺 (14)使得裝配座(4)與進氣道(3)配合。
【文檔編號】F23R3/28GK105928008SQ201610400254
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月8日
【發明人】李建中, 李文杰, 任勇智, 胡閣, 鞏二磊
【申請人】南京航空航天大學