本實(shí)用新型屬于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)清潔燃燒領(lǐng)域，尤其是一種基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低污染燃燒室。

背景技術(shù)：

環(huán)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，我國各地霧霾頻發(fā)，嚴(yán)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(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對大氣污染最為嚴(yán)重，工業(yè)廢氣、生活燃料、交通尾氣等等，而這些污染源歸根結(jié)底是燃料選用和燃燒方式的問題。

傳統(tǒng)的燃料選用種類，煤炭和石油是主體，煤炭會(huì)在燃燒中產(chǎn)生大量的粉塵，且煤炭的主要元素為碳、氧、氫、氮和硫，所以燃燒后會(huì)產(chǎn)生大量的SO₂和NO_x，當(dāng)不完全的燃燒時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量的未燃顆粒物；石油及其衍生物作為燃料時(shí)，主要會(huì)產(chǎn)生SO₂、CO₂、NO_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(chǎn)生煙塵以及固體排放物，也不產(chǎn)生SO₂，其中NO_x的排放也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他幾種傳統(tǒng)化石燃料。

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(dāng)顯著。隨著對污染物排放機(jī)理認(rèn)識(shí)的不斷加深，研究人員逐漸認(rèn)識(shí)到主要排放污染物與燃燒溫度、駐留時(shí)間、混氣成分和油氣狀態(tài)間的變化規(guī)律有關(guān)，實(shí)現(xiàn)低污染排放的關(guān)鍵是形成均勻的可燃混氣，消除局部熱點(diǎn)以及實(shí)現(xiàn)充分燃燒。據(jù)此發(fā)展出了分區(qū)分級(jí)燃燒、貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)(Lean Premixed Prevaporized,簡稱LPP)燃燒、富油/快速淬熄/貧油(Rich-Quench-Lean,簡稱 RQL)燃燒、貧油直接噴射(Lean Direct Injection,簡稱 LDI)燃燒等低排放燃燒技術(shù)。

其中貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)(LPP)燃燒技術(shù)是將燃料完全蒸發(fā)并混合均勻供入燃燒區(qū)，在燃燒區(qū)實(shí)現(xiàn)貧油燃燒，燃燒區(qū)的當(dāng)量比越小越能降低NO_X排放，這是已知的低排放潛力最大的燃燒技術(shù)。但LPP燃燒技術(shù)的存在回火、自燃和燃燒不穩(wěn)定等問題，而且在現(xiàn)階段的研究中很難克服，為此出現(xiàn)了貧油直接噴射（LDI）燃燒技術(shù)。貧油直接噴射（LDI）燃燒技術(shù)就是將燃料直接噴入燃燒區(qū)，在噴射點(diǎn)附近形成局部富油區(qū)大大改善了點(diǎn)火特性，隨后，燃料和經(jīng)過旋流器產(chǎn)生的高速旋流形成均勻的貧油混合物，進(jìn)而在燃燒區(qū)充分燃燒，消除局部熱點(diǎn)，降低火焰溫度，達(dá)到低排放的目的。由于不存在燃料預(yù)先混合與蒸發(fā)的過程，因而解決了LPP燃燒技術(shù)中存在的的回火和自燃問題，但LDI燃燒技術(shù)又存在低功率工作時(shí)燃燒不穩(wěn)定的問題。

美國專利“Premixing dry low NO_x emissions combustor with lean direct injection of gas fuel”（US2001049932），提出了一款針對氣態(tài)燃料設(shè)計(jì)的雙級(jí)燃燒室，主燃級(jí)使用預(yù)混的燃燒方式，實(shí)現(xiàn)低功率狀態(tài)時(shí)的低污染燃燒，二級(jí)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(bǔ)充大功率時(shí)的動(dòng)力需求。該實(shí)用新型是一種分級(jí)燃燒的概念，但是本實(shí)用新型是將預(yù)混和貧油直噴兩種低排放技術(shù)直接耦合，用貧油半預(yù)混的概念來實(shí)現(xiàn)燃燒室低污染目標(biāo)。美國專利“Lean direct injection combustor system”（US2009229269），設(shè)計(jì)了一套貧油直接噴射的燃燒系統(tǒng)，分別采用殼體內(nèi)空腔和管道來攜帶氧化劑和燃料，直至燃燒室進(jìn)口燃料與氧化劑才真正接觸，然后混合燃燒。該設(shè)計(jì)的流道存在過多的阻礙，燃料和空氣均有從大面積通道進(jìn)入多孔結(jié)構(gòu)，流道突然縮小的過程，流動(dòng)損失較大。

因此，本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低污染燃燒室以改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本實(shí)用新型提供了一種基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低污染燃燒室，通過使用氣態(tài)燃料以及基于貧油半預(yù)混燃燒，同時(shí)兼顧貧油燃燒，降低了污染物的排放，同時(shí)提高了燃燒效率、燃燒相對穩(wěn)定。

本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：一種基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低污染燃燒室，其特征在于，包括預(yù)混合段旋流器、進(jìn)氣道、裝配座、燃燒室本體，所述的進(jìn)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(yù)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(nèi)部的一個(gè)軸向旋流器；所述軸向旋流器的轉(zhuǎn)軸中空，中間用于通入氣體燃料；在轉(zhuǎn)軸延伸出軸向旋流器后端的設(shè)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(qū)域形成燃?xì)忸A(yù)混合段。通過在轉(zhuǎn)軸的中空通入氣體燃料，然后經(jīng)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(yù)混，將預(yù)混和貧油直噴兩種低排放技術(shù)直接耦合，來實(shí)現(xiàn)燃燒室低污染目標(biāo)以及規(guī)避回火與燃燒不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，同時(shí)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?xì)洌档突鹧鏈囟龋植繜狳c(diǎn)以降低NO_x。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述的軸向旋流器滿足旋流數(shù)，其中軸向旋流器主要根據(jù)主要根據(jù)內(nèi)外半徑和壁厚來確定其旋流數(shù)，式中r為軸向旋流器徑向截面位置處的內(nèi)徑，R為徑向截面位置處的外徑，為葉片的阻尼系數(shù)，為葉尖角，根據(jù)式中為對應(yīng)r處的葉尖角，由此可以算出軸線旋流器（6）葉片安裝角。

進(jìn)一步改進(jìn)，以文氏管的結(jié)構(gòu)尺寸為基準(zhǔn)，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。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述的進(jìn)氣道、裝配座以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。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述的固定方式為在混合段的旋流器設(shè)有兩個(gè)凸臺(tái)，分別為第一凸臺(tái)和第二凸臺(tái)，安裝座設(shè)有一個(gè)第三凸臺(tái)以及兩個(gè)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(tái)對應(yīng)，配合可以定位預(yù)混合段旋流器，第二凸臺(tái)和擋板配合，以固定預(yù)混合段旋流器，第三凸臺(tái)通過第三階梯槽與燃燒室本體配合，保證氣密性和同軸性，第三凸臺(tái)用以固定擋板，擋板和第三凸臺(tái)以及旋流器出口平面在同一個(gè)水平面上，裝配座靠近進(jìn)氣頭部方向有一個(gè)第四凸臺(tái)，通過第四凸臺(tái)使得裝配座很好的和進(jìn)氣道配合，進(jìn)一步保證了很好的氣密性和同軸性。

本實(shí)用新型的基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低污染燃燒室使用氣態(tài)天然氣，相比于其它傳統(tǒng)石化燃料，幾乎不會(huì)產(chǎn)生粉塵和固體排放物，不含硫，燃燒不會(huì)產(chǎn)生SO₂， NO_x的排放也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它燃料，能夠大大降低對大氣環(huán)境的污染；同時(shí)，相對于液態(tài)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(diǎn)，大大降低污染物的排放，氣態(tài)燃料與空氣易形成均勻混氣，能夠充分發(fā)揮低排放的燃燒室的優(yōu)勢；燃料垂直進(jìn)氣空氣入射，點(diǎn)火前進(jìn)行短距離的預(yù)混，利用燃料的不均勻分布保證可靠的點(diǎn)火和燃燒穩(wěn)定性，點(diǎn)火后，旋流器產(chǎn)生的旋流會(huì)繼續(xù)帶著燃料進(jìn)行混合，燃燒方式介于預(yù)混燃燒與擴(kuò)散燃燒之間，充分混合均勻的可燃混氣進(jìn)行充分燃燒后能進(jìn)一步有效降低污染物的排放；并且燃燒室設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)軸和前后主要通道；并且可以應(yīng)用到傳統(tǒng)燃料的諸多燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的領(lǐng)域中，如工業(yè)發(fā)電、城市供暖；也可應(yīng)用于民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)低排放燃燒領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低排放燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低排放燃燒室的預(yù)混合段旋流器及轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實(shí)用新型基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低排放燃燒室的裝配座的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實(shí)用新型基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低排放燃燒室的進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本實(shí)用新型基于貧油半預(yù)混燃燒的天然氣低排放燃燒室的燃燒室本體的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：1-預(yù)混合段旋流器，2-轉(zhuǎn)軸，3-進(jìn)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(tái)，9-第二凸臺(tái)，10-第一階梯槽，11-第二階梯槽，12-第三凸臺(tái)，13-擋板，14-第四凸臺(tái)，15-第三階梯槽，16-法蘭，17-墊片。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

請參照圖1-圖5所示，本實(shí)用新型使用天然氣為燃料、基于貧油半預(yù)混燃燒低污染燃燒室，使用的轉(zhuǎn)軸2不同于傳統(tǒng)的帶噴霧錐角的燃油噴嘴，而是直接在轉(zhuǎn)軸2側(cè)面均勻開孔，本實(shí)施例是沿圓周均勻開設(shè)8個(gè)徑向通孔，其他的數(shù)量也是可以的。天然氣可以經(jīng)轉(zhuǎn)軸通入，之后經(jīng)過開設(shè)的孔噴出，燃料噴射方向垂直于旋流器出口的空氣，燃料與空氣剪切摻混，在文氏管的中空內(nèi)部實(shí)現(xiàn)初步半預(yù)混，控制當(dāng)量比小于1，進(jìn)入燃燒室本體5實(shí)現(xiàn)貧油燃燒。

如圖2所示，預(yù)混合段旋流器1有兩個(gè)凸臺(tái)：第一凸臺(tái)8和第二凸臺(tái)9，裝配座4有兩個(gè)階梯槽：第一階梯槽11及第二階梯槽12，以及一個(gè)第三凸臺(tái)12。其中第一階梯槽10和第一凸臺(tái)8對應(yīng)定位預(yù)混合段旋流器1，第二凸臺(tái)9和擋板13配合，固定預(yù)混合段旋流器1，第三凸臺(tái)12定位擋板13。此時(shí)擋板13和第三凸臺(tái)以及旋流器出口平面在同一個(gè)水平面上。其中的軸向旋流器6主要根據(jù)內(nèi)外半徑和壁厚來確定其旋流數(shù)，式中r_S為軸向旋流器6徑向截面位置處的內(nèi)徑，R_S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，為葉片的阻尼系數(shù)，為葉尖角。根據(jù)式中為對應(yīng)r處的葉尖角，由此可以算出軸線旋流器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。

如圖3和4所示，裝配座4的進(jìn)氣頭部有一個(gè)第四凸臺(tái)14，通過第四凸臺(tái)就能夠使得裝配座4很好的和進(jìn)氣道3配合，并保證了很好的氣密性和同軸性。同時(shí)第三凸臺(tái)12通過第三階梯槽15與燃燒室本體5配合，保證氣密性和同軸度。

請參照圖1-圖5并結(jié)合圖5所示，在實(shí)際工作中，空氣通過進(jìn)氣道3進(jìn)入文氏管的中空內(nèi)部，即在預(yù)混合段，在預(yù)混合段旋流器1的作用下，在文氏管的內(nèi)部產(chǎn)生旋流，并在燃燒室本體5頭部形成穩(wěn)定的回流區(qū)；與此同時(shí)，天然氣通過轉(zhuǎn)軸2進(jìn)入預(yù)混合段，并且經(jīng)位于軸向旋流器6與文氏管7喉道之間開設(shè)的孔中噴出，此時(shí)的天然氣沿空氣入射方向垂直射入，從噴射點(diǎn)到文氏管出口進(jìn)行部分預(yù)混。天然氣與空氣的混合氣體進(jìn)入燃燒室本體5后進(jìn)行點(diǎn)火，隨后燃料與空氣可以繼續(xù)混合，形成更加均勻的可燃混氣，其燃燒方式介于預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒之間，燃燒室工作狀態(tài)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?？刂迫剂吓c空氣當(dāng)量比小于1進(jìn)行貧油燃燒，點(diǎn)火后燃料與空氣進(jìn)一步摻混燃燒，形成均勻混氣以保證降低火焰溫度、消除局部熱點(diǎn)，降低燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室污染物排放指數(shù)。