一種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混合噴嘴的制作方法
【專利摘要】一種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混合噴嘴，涉及具有軸向旋流的噴嘴結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的技術(shù)方案是在漸縮型中心體和軸向旋流器之間布置有漸縮型環(huán)形管，該漸縮型環(huán)形管與漸縮型中心體之間成環(huán)形通道，環(huán)形通道的前端設(shè)有內(nèi)層空氣進(jìn)口，并在環(huán)形通道內(nèi)布置導(dǎo)流葉片，導(dǎo)流葉片上設(shè)有內(nèi)層燃料出口和內(nèi)層燃料通道，內(nèi)層燃料通道與中心氣體燃料進(jìn)口和外層燃料通道相連通。本發(fā)明針對(duì)預(yù)混燃燒由于低速區(qū)的存在容易發(fā)生回火的特點(diǎn)，通過在漸縮型中心體外側(cè)，軸向旋流器內(nèi)側(cè)增加一層無旋流或者弱旋流的流通通道，有效地消除了由于旋流器旋轉(zhuǎn)離心力導(dǎo)致的中心部的低速區(qū)，從而可以預(yù)防預(yù)混燃燒的回火問題，延長(zhǎng)預(yù)混合噴嘴的壽命，降低燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的使用和維護(hù)成本。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及使用氣體燃料預(yù)混燃燒的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)，特別涉及了一種具有 軸向旋流的噴嘴結(jié)構(gòu)。 一種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混合噴嘴

【背景技術(shù)】
[0002] 由于環(huán)境保護(hù)的要求越來越嚴(yán)格，在近年來的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器中越來越多地使用 預(yù)混燃燒的方式來降低氮氧化物（NOx)的排放。預(yù)混燃燒燃燒室多采用旋流混合技術(shù)來實(shí) 現(xiàn)燃料與氧化劑的良好混合，從而達(dá)到低NOx燃燒的需要。
[0003] 這種旋流混合技術(shù)通過在噴嘴混合段上游設(shè)置多個(gè)葉片結(jié)構(gòu)從而給氣流施加一 定的切向動(dòng)量，由此產(chǎn)生的湍流擾動(dòng)使得燃料與氧化劑能夠在下游空間實(shí)現(xiàn)快速并且均勻 的混合效果。通常認(rèn)為，旋流強(qiáng)度越大，越能夠?qū)崿F(xiàn)均勻混合。但是，切向動(dòng)量的引入，會(huì)在 混合段軸線附近的區(qū)域產(chǎn)生軸向速度較低的區(qū)域，并且隨著旋流強(qiáng)度的增大，這一低速區(qū) 也會(huì)迅速擴(kuò)大，甚至產(chǎn)生回流。由于在混合段內(nèi)燃料和氧化劑已經(jīng)開始混合，回流帶入的高 溫氣體很可能使得燃料-氧化劑的混合物燃燒，甚至使得火焰駐定在混合段的低速區(qū)內(nèi)， 進(jìn)而導(dǎo)致噴嘴的燒毀。因此，對(duì)于采用旋流混合技術(shù)的燃燒室而言，需要采用特殊設(shè)計(jì)手段 來避免這一現(xiàn)象的發(fā)生。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)通常采用較低旋流強(qiáng)度的噴嘴葉片設(shè)計(jì)和調(diào)整燃料噴嘴方式，來達(dá)到消 除混合段內(nèi)火焰存在可能性的目的。在早期設(shè)計(jì)中，通過采用大直徑高壓比的燃料噴射，使 得燃料遠(yuǎn)離中心低速區(qū)；在改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過采用葉片表面噴射，調(diào)整噴射孔的位置，實(shí)現(xiàn)燃 料在混合段中心較貧，難以形成有效燃燒。這兩種方法都是通過將低速區(qū)內(nèi)的燃料濃度減 小到燃燒極限以下從而降低回火的可能性，但是都沒有從本質(zhì)上消除低速區(qū)。當(dāng)上游或者 下游氣流條件變化時(shí)，原本精心設(shè)計(jì)的燃料和氧化劑在混合器內(nèi)的分布很容易受到擾亂， 依然存在較大的回火風(fēng)險(xiǎn)。另外，降低低速區(qū)的燃料濃度使得混合段中的混合空間沒有得 到有效的利用。
[0005] 專利ZL02802306. 4中提出了在旋流器葉片輪轂的內(nèi)周面和噴嘴軸之間設(shè)有氣體 通過的空間，該方法可以減少低速區(qū)的范圍。但是，由于輪轂只是在旋流葉片的高度范圍內(nèi) 增加了氣體流通的通道，并且其提供的通道是直通道，其能夠達(dá)到的減少低速區(qū)的效果非 常有限，回火的問題依然存在。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提出一種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混合 噴嘴結(jié)構(gòu)，旨在消除噴嘴混合段內(nèi)低流速區(qū)存在的可能性，從而抑制回火的產(chǎn)生，延長(zhǎng)預(yù)混 合噴嘴的壽命，降低燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的使用和維護(hù)成本。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混合噴嘴，該預(yù)混合噴嘴含有 軸向旋流器，漸縮型中心體和混合段；在所述的軸向旋流器的前端設(shè)有外層空氣進(jìn)口，在軸 向旋流器的旋流葉片上設(shè)置有外層燃料出口和外層燃料通道，在漸縮型中心體前端設(shè)有中 心氣體燃料進(jìn)口，其特征在于：在漸縮型中心體和軸向旋流器之間設(shè)有與漸縮型中心體同 軸布置的漸縮型環(huán)形管，該漸縮型環(huán)形管由環(huán)形管直筒段、環(huán)形管漸縮段和環(huán)形管出口直 段組成，漸縮型環(huán)形管與漸縮型中心體之間成環(huán)形通道，環(huán)形通道的前端設(shè)有內(nèi)層空氣進(jìn) 口，并在環(huán)形通道的直段內(nèi)布置有導(dǎo)流葉片，導(dǎo)流葉片上設(shè)有內(nèi)層燃料出口和內(nèi)層燃料通 道，內(nèi)層燃料通道與中心氣體燃料進(jìn)口和外層燃料通道相連通。
[0008] 上述技術(shù)方案中，所述導(dǎo)流葉片的旋流角度優(yōu)選為0?10°。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)特征還在于：所述漸縮型環(huán)形管沿軸向延伸的長(zhǎng)度超過漸縮型中心 體的長(zhǎng)度，并小于或等于混合管的長(zhǎng)度，超過的長(zhǎng)度至少為漸縮型中心體直徑的〇. 2倍。 [0010] 本發(fā)明的另一技術(shù)其特征在于：所述環(huán)形通道的流通面積的變化范圍為〇? 10%。環(huán)形通道的流通面積為混合段流通面積的5%?50%。
[0011] 本發(fā)明的又一技術(shù)其特征在于：在漸縮型中心體下游的混合段的內(nèi)壁上布置有擾 流器；所述的擾流器呈凸起狀結(jié)構(gòu)；所述凸起狀結(jié)構(gòu)優(yōu)選為連續(xù)的圓環(huán)凸起狀結(jié)構(gòu)或離散 的凸起狀結(jié)構(gòu)。
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果：對(duì)于采用漸縮型中心體的 單層旋流混合通道的噴嘴結(jié)構(gòu)，燃料-氧化劑混合氣體在旋轉(zhuǎn)的離心力的作用下朝向噴嘴 外側(cè)流動(dòng)，從而導(dǎo)致噴嘴中心區(qū)域產(chǎn)生低速區(qū)。低速區(qū)的存在容易引發(fā)回火從而可能導(dǎo)致 預(yù)混合噴嘴的燒毀。本發(fā)明的預(yù)混合噴嘴，通過在漸縮型中心體外側(cè)、軸向旋流器內(nèi)側(cè)引入 無旋流或者低旋流的環(huán)形通道，使得由于外側(cè)旋流產(chǎn)生的低速區(qū)減小；進(jìn)一步地通過控制 環(huán)形通道的流通面積，有效控制氣體流速的分布，從而進(jìn)一步減小低速區(qū)。通過對(duì)該預(yù)混合 噴嘴的三維氣動(dòng)分析表明，通過合理控制導(dǎo)流葉片的旋流角度和環(huán)形通道的流通面積，可 以基本上消除中心體下游的低速區(qū)，有效地預(yù)防回火。另一方面，由于減少了噴嘴內(nèi)的低速 區(qū)，因此可以更加充分地利用噴嘴內(nèi)部的混合空間。在引入擾流器之后，噴嘴的混合性能得 到進(jìn)一步的提升。由于燃料和空氣在進(jìn)入火焰筒之前就被充分混合，從而在燃燒時(shí)抑制了 局部高溫的存在，這樣可以有效抑制NOx的排放。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明提供的一種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混合噴嘴的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0014] 圖2為軸向旋流器立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖3表示出在混合段的內(nèi)壁上布置有擾流器。
[0016] 圖中：1-軸向旋流器；11-外層空氣進(jìn)口；12-旋流葉片；121-外層燃料通道； 122-外層燃料出口；13-旋流器外壁；2-漸縮型中心體；21-燃料進(jìn)口；3-混合段；4-漸縮 型環(huán)形管；5-環(huán)形通道；51-內(nèi)層空氣進(jìn)口；6-導(dǎo)流葉片；61-內(nèi)層燃料出口；62-內(nèi)層燃料 通道；7-擾流器；121-外層燃料通道；122-外層燃料出口。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理，結(jié)構(gòu)和【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步的說明。
[0018] 圖1、圖2為本發(fā)明提供的一種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混合噴嘴的結(jié)構(gòu)原理示意圖。 該噴嘴包括軸向旋流器1，漸縮型中心體2,混合段3,其中，在軸向旋流器1上設(shè)置有外層 空氣進(jìn)口 11，旋流葉片12和旋流器外壁13,在旋流葉片12上設(shè)置有外層燃料出口 122和 外層燃料通道121，在漸縮型中心體2上設(shè)置有中心氣體燃料進(jìn)口 21，在漸縮型中心體2外 偵牝軸向旋流器1內(nèi)側(cè)設(shè)置有與漸縮型中心體2同軸布置的漸縮型環(huán)形管4,漸縮型環(huán)形管 的內(nèi)壁與漸縮型中心體2的外壁形成環(huán)形通道5,環(huán)形通道5的前端形成內(nèi)層空氣進(jìn)口 51， 并在環(huán)形通道5的直段內(nèi)布置有導(dǎo)流葉片6,導(dǎo)流葉片6上設(shè)有內(nèi)層燃料出口 61和內(nèi)層燃 料通道62,內(nèi)層燃料通道62與中心氣體燃料進(jìn)口 21和外層燃料通道121相連通。
[0019] 對(duì)于使用軸向旋流器的預(yù)混噴嘴結(jié)構(gòu)，中心體是必不可少的結(jié)構(gòu)，它一方面為軸 向旋流器提供中心支撐，另一方面提供氣體燃料進(jìn)口從而保證燃料的供應(yīng)。本發(fā)明采用的 漸縮型中心體2對(duì)于減少尾跡區(qū)的低速區(qū)有較大幫助，但是由于漸縮型中心體2尾跡的影 響以及軸向旋流器1對(duì)氣流的旋轉(zhuǎn)作用，如果不采取措施，混合段3的中心區(qū)域依然會(huì)有較 大的低速區(qū)。隨著軸向旋流器1旋流角的減小，混合段3內(nèi)的低速區(qū)會(huì)有一定的減小。但 隨著旋流角的減小，燃料與空氣的混合性能會(huì)下降?；谝陨戏治?，本發(fā)明提出了將噴嘴通 道徑向分級(jí)，即引入環(huán)形通道5,通過控制環(huán)形通道5的流通面積來控制中心體尾跡區(qū)的流 動(dòng)。由于環(huán)形通道5的流通面積較小，一般環(huán)形通道的流通面積為混合段流通面積的5%? 50 %，由于較小的流通道可以保證在整個(gè)通道內(nèi)氣體的軸向速度較高，從而可以消除漸縮 型中心體2尾跡區(qū)的低速區(qū)。為了保證環(huán)形通道5內(nèi)的氣體在漸縮型中心體2的尾跡區(qū)始 終有較高的速度，漸縮型環(huán)形管4沿軸向延伸的長(zhǎng)度應(yīng)超過漸縮型中心體2的長(zhǎng)度，并小于 或等于混合管的長(zhǎng)度，超過的長(zhǎng)度至少為漸縮型中心體直徑的0. 2倍。另外，導(dǎo)流葉片6的 旋流角度設(shè)置為〇?10°，因?yàn)楫?dāng)旋流角過大時(shí)會(huì)引起混合段3的中心段的速度降低，從而 降低較小低速區(qū)的效果。將漸縮型環(huán)形管4端部削尖也能在局部改善流動(dòng)性能，減少端部 的低速區(qū)。
[0020] 在上述方案中，為了減小流阻，環(huán)形通道5的流通面積變化量應(yīng)控制在0?10%。
[0021] 由于減少了噴嘴內(nèi)的低速區(qū)，因此可以更加充分地利用噴嘴內(nèi)部的混合空間。除 了來自外層燃料出口 121的燃料與來自外層空氣進(jìn)口 11的旋流空氣發(fā)生混合外，來自內(nèi)層 燃料出口 61的燃料也與來自內(nèi)層空氣進(jìn)口 51的空氣在環(huán)形通道5內(nèi)發(fā)生混合。在達(dá)到同 樣混合效果的情況下，該預(yù)混合噴嘴可以擁有更小的體積從而有利于節(jié)省成本。
[0022] 通過調(diào)整外層燃料出口 121和內(nèi)層燃料出口 61的面積，可以控制氣體燃料在混合 段內(nèi)的分布，這將有利于在給定的燃燒室中產(chǎn)生操作性、排放等方面的好處。由于燃料和空 氣在進(jìn)入火焰筒之前就達(dá)到了較好的混合效果，從而在燃燒時(shí)抑制了局部高溫的存在，這 樣可以有效抑制NOx的排放。
[0023] 參見圖3,本發(fā)明在漸縮型中心體2的下游的混合段3的內(nèi)壁上布置有擾流器7， 其作用是改善混合段3內(nèi)壁面附近的流動(dòng)性能，加強(qiáng)燃料與空氣的混合強(qiáng)度。擾流器7整體 呈凸起狀結(jié)構(gòu)，該凸起狀結(jié)構(gòu)可以為連續(xù)的圓環(huán)凸起狀結(jié)構(gòu)，也可以是離散的凸起狀結(jié)構(gòu)。
【權(quán)利要求】
1. 一種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混合噴嘴，該預(yù)混合噴嘴含有軸向旋流器（1)，漸縮型中 心體（2和混合段（3);在所述的軸向旋流器（1)的前端設(shè)有外層空氣進(jìn)口（11)，在軸向旋 流器的旋流葉片（12)上設(shè)置有外層燃料出口（122)和外層燃料通道（121)，在漸縮型中心 體（2)前端設(shè)有中心氣體燃料進(jìn)口（21)，其特征在于：在漸縮型中心體（2)和軸向旋流器 (1)之間設(shè)有與漸縮型中心體（2)同軸布置的漸縮型環(huán)形管（4)，該漸縮型環(huán)形管（4)由環(huán) 形管直筒段、環(huán)形管漸縮段和環(huán)形管出口直段組成，漸縮型環(huán)形管與漸縮型中心體（2)之 間成環(huán)形通道（5)，環(huán)形通道（5)的前端設(shè)有內(nèi)層空氣進(jìn)口（51)，并在環(huán)形通道（5)的直段 內(nèi)布置有導(dǎo)流葉片（6)，導(dǎo)流葉片（6)上設(shè)有內(nèi)層燃料出口（61)和內(nèi)層燃料通道（62)，內(nèi) 層燃料通道（62)與中心氣體燃料進(jìn)口（21)和外層燃料通道（121)相連通。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混合噴嘴，其特征在于：所述導(dǎo)流葉 片（6)的旋流角度為0?10°。
3. 如權(quán)利要求1或2所述一種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混合噴嘴，其特征在于：所述漸縮 型環(huán)形管（4)沿軸向延伸的長(zhǎng)度超過漸縮型中心體（2)的長(zhǎng)度，并小于或等于混合管（3) 的長(zhǎng)度，超過的長(zhǎng)度至少為漸縮型中心體（2)直徑的0. 2倍。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混合噴嘴，其特征在于：所述環(huán)形通 道（5)的流通面積的變化范圍為0?10%。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混合噴嘴，其特征在于：環(huán)形通道（5) 的流通面積為混合段（3)流通面積的5%?50%。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混合噴嘴，其特征在于：在漸縮型中 心體（2)的下游的混合段（3)的內(nèi)壁上布置有擾流器（7)。
7. 如權(quán)利要求6所述的一種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混合噴嘴，其特征在于：所述的擾流 器（7)呈凸起狀結(jié)構(gòu)。
8. 如權(quán)利要求7所述的一種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混合噴嘴，其特征在于：所述凸起狀 結(jié)構(gòu)為連續(xù)的圓環(huán)凸起狀結(jié)構(gòu)或離散的凸起狀結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】F23R3/38GK104110699SQ201410325716
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】方子文, 張珊珊, 查筱晨 申請(qǐng)人:北京華清燃?xì)廨啓C(jī)與煤氣化聯(lián)合循環(huán)工程技術(shù)有限公司