專利名稱：分級(jí)駐渦環(huán)形燃燒室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種燃?xì)廨啓C(jī)，具體地說是燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)是一種典型的常規(guī)燃料動(dòng)力裝置。它具有體積小、功率大、重量輕和啟動(dòng)快等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在航空、電力、船舶和天然氣輸送等工業(yè)核心領(lǐng)域中。因此，對常規(guī)燃機(jī)應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行技術(shù)改造和性能優(yōu)化，成為解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的重要課題?；瘜W(xué)回?zé)嵫h(huán)是一種先進(jìn)的燃蒸聯(lián)合循環(huán)方式。它主要利用燃機(jī)排氣的低端余熱產(chǎn)生過熱蒸氣，利用高端余熱來促使部分燃油-蒸汽在催化劑作用下裂解生成甲烷、氫氣和一氧化碳等高熱值氣態(tài)燃料，從而提高燃料的平均燃燒低熱值。化學(xué)回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)(CRGT)的工作方式?jīng)Q定其燃燒室入口經(jīng)常具有較高的氣流速度，因此，要求化學(xué)回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)燃燒室能夠具有寬廣的穩(wěn)定工作范圍。國外目前已有的具有寬廣工作范圍的先進(jìn)燃燒技術(shù)主要有VRT (VariableResidebce Time)、UCC (Ultra-Compact)和 TVC (Trapped Vortex Combustor)幾種類型。VRT燃燒技術(shù)在全環(huán)形燃燒室中加大切向進(jìn)氣速度，讓所有空氣與燃油均切向進(jìn)入環(huán)形火焰筒以加強(qiáng)沿周向的旋流。周向旋流使噴嘴注入的燃油中較大油滴在離心力作用下，沿火焰筒外層圓周旋轉(zhuǎn)，有較長時(shí)間進(jìn)行蒸發(fā)摻混，直到燃燒殆盡或被更大油滴代替位置而進(jìn)入內(nèi)層燃燒，而較輕油霧則保持在內(nèi)層圓周燃燒。對于不同大小的油滴在燃燒室中的駐留時(shí)間并不一樣，從而提高整個(gè)燃燒室的燃燒效率，這也正是可變駐留時(shí)間VRT燃燒技術(shù)的由來。該技術(shù)可降低NOx排放，周向摻混旋流降低燃燒室出口徑向溫度梯度。由于允許氣流以較大切向速度進(jìn)出燃燒室，壓氣機(jī)出口與渦輪前的導(dǎo)向靜葉的作用降低，使發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸與重量有所減小。但VRT中周向旋流在整個(gè)火焰筒內(nèi)產(chǎn)生，穩(wěn)定性較差，并不適合于強(qiáng)旋流進(jìn)口條件下的燃燒組織。UCC燃燒技術(shù)主要是應(yīng)用在定溫循環(huán)(CT)和渦輪內(nèi)燃燒器(ITB)上，目的是為了補(bǔ)償燃?xì)庠跍u輪中膨脹做功驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)的推力損失，其結(jié)構(gòu)是在渦輪靜葉機(jī)匣外環(huán)上制造一個(gè)周向空腔，在空腔內(nèi)供應(yīng)燃油和空氣，產(chǎn)生繞發(fā)動(dòng)機(jī)軸線旋轉(zhuǎn)的周向流動(dòng)氣流，并通過渦輪葉片上的徑向空腔將火焰?zhèn)鞑サ捷S向主流中?？涨恢欣@軸線產(chǎn)生大的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，加強(qiáng)油氣和燃?xì)獾膿交臁Ｔ谥芟蚩涨恢懈挥腿紵?，并且作為穩(wěn)定的點(diǎn)火源，燃燒產(chǎn)物通過徑向空腔傳輸?shù)街髁髦?，在徑向空腔中淬熄，主流中再貧油燃燒，減小了污染排放。在很小的空間內(nèi)燃?xì)怦v留時(shí)間較長，燃燒完全。因此UCC中火焰?zhèn)鞑ニ俣取⑷紵?、放熱率提高，污染排放降低，火焰長度縮短，增強(qiáng)了燃燒穩(wěn)定性。此外，UCC只是一種類似于加力燃燒室的補(bǔ)償性燃燒技術(shù)，并不能直接應(yīng)用于主燃燒室。TVC依靠分離于主流腔外的空腔機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定旋渦氣流，并在空腔內(nèi)噴入燃料，主流區(qū)通過高速空氣，其進(jìn)口也有燃料噴入，駐渦為主流區(qū)提供了一個(gè)連續(xù)而穩(wěn)定的值班火焰與點(diǎn)火源。空腔和主燃區(qū)形成分級(jí)燃燒，燃燒方式可采用富油-淬熄-貧油燃燒方式(RQL)減少污染。與傳統(tǒng)旋流器穩(wěn)定燃燒室相比，TVC地面點(diǎn)火、高空再點(diǎn)火和貧油熄火性能都有所改善，污染排放也有所減少。但TVC只是對常規(guī)燃燒室的一種輔助技術(shù)，對強(qiáng)旋流進(jìn)口條件下的燃燒并沒有任何作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供在加強(qiáng)液霧燃燒、提高燃燒效率的同時(shí)，拓展穩(wěn)定工作范圍的適用于高速進(jìn)口條件下的分級(jí)駐渦環(huán)形燃燒室。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:本發(fā)明分級(jí)駐渦環(huán)形燃燒室，其特征是:包括外機(jī)匣和內(nèi)機(jī)匣，外機(jī)匣和內(nèi)機(jī)匣均為具有大口端和小口端的環(huán)形結(jié)構(gòu)，外機(jī)匣的內(nèi)壁和內(nèi)機(jī)匣的內(nèi)壁形成火焰筒，外機(jī)匣的大口端和內(nèi)機(jī)匣的大口端構(gòu)成燃燒室出口，外機(jī)匣的小口端和內(nèi)機(jī)匣的小口端構(gòu)成空氣進(jìn)口，火焰筒里安裝燃燒頭部，燃燒頭部包括燃油噴嘴和三級(jí)軸向旋流器，外機(jī)匣上設(shè)置燃油導(dǎo)管進(jìn)口，燃油導(dǎo)管進(jìn)口連通燃油噴嘴，火焰筒上設(shè)置主燃孔、摻混孔、冷卻多斜孔，主燃孔位于在燃油噴嘴下游位置，主燃孔的中心線與火焰筒圓周切線的傾角為15° -75。。本發(fā)明還可以包括:1、所述的三級(jí)軸向旋流器包括一二級(jí)輪轂和三級(jí)輪轂，一二級(jí)輪轂安裝在三級(jí)輪轂上，一二級(jí)輪轂上安裝內(nèi)級(jí)旋流葉片和中間級(jí)旋流葉片，內(nèi)級(jí)旋流葉片位于中間級(jí)旋流葉片里，三級(jí)輪轂上安裝外級(jí)旋流葉片，三級(jí)輪轂里設(shè)置內(nèi)級(jí)文氏管和中間級(jí)文氏管，內(nèi)級(jí)旋流葉片連接內(nèi)級(jí)文氏管，中間級(jí)旋流葉片連接中間級(jí)文氏管，內(nèi)級(jí)文氏管位于中間級(jí)文氏管里。2、摻混孔位于燃燒室出口前的位置，數(shù)量為10-100個(gè)，摻混孔的中心線與燃燒頭部之間的傾角為15° -75。。3、冷卻多斜孔孔徑大小為0.5-1.2mm，單位面積火焰筒壁上開孔個(gè)數(shù)為3000-12000，冷卻多斜孔和主燃孔之間有0° -90°的偏角，冷卻多斜孔的中心線與燃燒頭部之間的傾角為20° -60°。4、空氣進(jìn)口處設(shè)置擴(kuò)壓器，燃油噴嘴位于三級(jí)軸向旋流器前，氣流從空氣進(jìn)口經(jīng)擴(kuò)壓器進(jìn)入燃燒頭部，2%-20%的氣量從三級(jí)軸向旋流器進(jìn)入火焰筒，2%-25%的氣量從主燃孔進(jìn)入火焰筒，20%-70%的氣量從摻混孔進(jìn)入火焰筒，20%-60%的氣量從冷卻多斜孔進(jìn)入火焰筒。本發(fā)明的優(yōu)勢在于:( I)具有比常規(guī)環(huán)形燃燒室更適合于高速度旋流進(jìn)口條件下的燃燒組織形式，從技術(shù)上解決了常規(guī)環(huán)形燃燒室斜切徑向雙級(jí)旋流器、雙級(jí)軸向旋流器、一級(jí)徑向二三級(jí)軸向旋流器造成的僅有單一或?qū)ΨQ回流區(qū)造成的穩(wěn)定燃燒范圍較窄、燃燒密度低的問題；(2)頭部所采用的離心噴嘴或空氣霧化噴嘴有非常好的霧化效果和局部火焰穩(wěn)定效果;(3)采用了具有新結(jié)構(gòu)形式的三級(jí)軸向旋流器，產(chǎn)生的多重駐渦效果能提高火焰穩(wěn)定性，拓展了穩(wěn)定燃燒工作范圍。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明的縱截面示意圖；圖3為本發(fā)明的三級(jí)軸向旋流器結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的三級(jí)軸向旋流器橫截面示意圖；圖5為本發(fā)明的分級(jí)駐渦示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述:結(jié)合圖1 4，本發(fā)明分級(jí)駐渦環(huán)形燃燒室，采用了全環(huán)形火焰筒結(jié)構(gòu)，主要由內(nèi)外機(jī)匣和位于其內(nèi)的內(nèi)外火焰筒構(gòu)成，在外火焰筒沿周向安裝有頭部、主燃孔6和摻混孔5等結(jié)構(gòu)。其中頭部包括供油噴嘴7和三級(jí)軸向旋流器9，三級(jí)軸向旋流器9的外級(jí)旋流器23與內(nèi)級(jí)13和中間級(jí)旋流器20之間距離較遠(yuǎn)，保證了三級(jí)旋流器之間的流場不會(huì)互相干擾，在其后會(huì)產(chǎn)生多級(jí)駐渦結(jié)構(gòu)，對于穩(wěn)定火焰和燃燒更多的燃料十分有利；主燃孔6中心線與圓周切線存在夾角；內(nèi)外摻混孔5分別位于內(nèi)外火焰筒燃燒室出口前的位置，保證了良好的出口溫度分布。高速氣流進(jìn)入燃燒室內(nèi)后，在機(jī)匣和火焰筒形成的環(huán)腔內(nèi)流動(dòng)。在外火焰筒表面，沿圓周設(shè)置多個(gè)頭部和主燃孔6，主燃孔6安排在頭部下游位置，頭部包括供油噴嘴7和三級(jí)軸向旋流器9，在不同的供油壓力和流量下可采用不同的噴嘴，目前可選的有離心噴嘴和空氣霧化噴嘴兩種，三級(jí)軸向旋流器的外級(jí)旋流器23與內(nèi)級(jí)19和中間級(jí)旋流器20之間距離較遠(yuǎn)，保證了三級(jí)旋流器9之間的流場不會(huì)互相干擾，在其后會(huì)產(chǎn)生多級(jí)駐渦結(jié)構(gòu)，對于穩(wěn)定火焰和燃燒更多的燃料十分有利。主燃孔6為富油火焰射流提供充足的空氣，氣流進(jìn)入內(nèi)外火焰筒沿周向形成的空腔沿切向流動(dòng)，形成環(huán)形大旋渦。為了使空腔內(nèi)的氣流產(chǎn)生繞切向大旋渦的次級(jí)小旋渦，火焰筒上的冷卻多斜孔和主燃孔6與切向大旋渦之間存在一定的偏角，即形成所謂的正交雙重旋渦。整個(gè)火焰筒11均采用多斜孔冷卻方式，冷卻多斜孔的主要目的是利用冷氣冷卻火焰筒11，保護(hù)其不受燃?xì)鉄g。燃油通過噴嘴的霧化后進(jìn)入三級(jí)旋流器9，在三級(jí)旋流器9后的局部低速回流區(qū)起燃，再進(jìn)入空腔12內(nèi)的旋渦中，沿周向和徑向傳播，高溫燃?xì)庠趽交炜滋幣c冷空氣快速摻混，最后旋流排出燃燒室12。摻混孔5安排在燃燒室12出口前的適當(dāng)位置，保證其良好的出口溫度分布。本發(fā)明由燃油導(dǎo)管進(jìn)口 1、空氣進(jìn)口 2、內(nèi)機(jī)匣3、外機(jī)匣4、摻混孔5、主燃孔6、燃油噴嘴7、擴(kuò)壓器8、三級(jí)軸向旋流器9、燃油導(dǎo)管10、火焰筒11、燃燒腔12、燃燒室出口 13、內(nèi)級(jí)旋流葉片14、中間級(jí)旋流葉片15、1 一二級(jí)輪轂6、外級(jí)旋流葉片17、三級(jí)輪轂18、內(nèi)級(jí)軸向旋流器19、中間級(jí)軸向旋流器20、中間級(jí)文氏管21、內(nèi)級(jí)文氏管22、外級(jí)軸向旋流器23構(gòu)成，在外機(jī)匣4沿周向均勻安裝有燃油導(dǎo)管進(jìn)口 1，根據(jù)不同的進(jìn)口氣量、旋流度和結(jié)構(gòu)尺寸要求，供油頭部的數(shù)量一般在2-20個(gè)之間，在不同的供油壓力和流量下可采用不同的噴嘴，目前可選的有離心噴嘴和空氣霧化噴嘴兩種；主燃孔6位于在燃油噴嘴7下游位置，主燃孔6的中心線與圓周切線的傾角為15° -75。;頭部包括燃油噴嘴7和三級(jí)軸向旋流器9 ;摻混孔5位于燃燒室出口 13前的位置，保證其良好的出口溫度分布，主要根據(jù)摻混孔氣量決定摻混孔開孔總面積，同時(shí)根據(jù)摻混射流的穿透深度設(shè)計(jì)摻混孔的開孔大小，從而可確定摻混孔個(gè)數(shù)，其數(shù)量大致為10-100，摻混孔5的中心線與頭部之間的傾角為15° -75。;火焰筒的筒壁上開有多個(gè)冷卻多斜孔，其孔徑到大小為0.5-1.2_，根據(jù)冷卻氣量決定其開孔總面積，單位面積冷卻壁上開孔個(gè)數(shù)3000-12000，為了產(chǎn)生一定強(qiáng)度的次級(jí)小旋渦，冷卻多抖孔和主燃孔之間有0° -90°的偏角；冷卻多斜孔的傾角為20° -60°。氣流從空氣進(jìn)口 2經(jīng)擴(kuò)壓器8進(jìn)入燃燒室頭部，約2%-20%的氣量從三級(jí)軸向旋流器9進(jìn)入，并在其后形成多級(jí)駐渦，進(jìn)而形成多個(gè)回流區(qū)用來穩(wěn)定氣流，使燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。其余氣量分配規(guī)則為:主燃孔氣量2%-25%，摻混孔氣量20%-70%，冷卻氣量20%-60%。如圖3，4所示，旋流器由內(nèi)級(jí)旋流葉片14，中間級(jí)旋流葉片15，一二級(jí)輪轂16，夕卜級(jí)旋流葉片17，三級(jí)輪轂18，內(nèi)級(jí)軸向旋流器19，中間級(jí)軸向旋流器20，中間級(jí)文氏管21，內(nèi)級(jí)文氏管22，外級(jí)軸向旋流器23組成。氣流經(jīng)旋流器作用后，在其后形成多級(jí)駐渦，進(jìn)而形成多個(gè)回流區(qū)用來穩(wěn)定氣流，使燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。如圖5所示，在外級(jí)旋流器后，形成了兩個(gè)小的駐渦式回流區(qū)，在中間級(jí)和內(nèi)級(jí)旋流器后形成了一對中心回流區(qū)。這幾個(gè)回流區(qū)形成的分級(jí)駐渦形式會(huì)使從進(jìn)口進(jìn)入的高速氣流速度降低到足以實(shí)現(xiàn)火焰穩(wěn)定的速度值。
權(quán)利要求
1.分級(jí)駐渦環(huán)形燃燒室，其特征是:包括外機(jī)匣和內(nèi)機(jī)匣，外機(jī)匣和內(nèi)機(jī)匣均為具有大口端和小口端的環(huán)形結(jié)構(gòu)，外機(jī)匣的內(nèi)壁和內(nèi)機(jī)匣的內(nèi)壁形成火焰筒，外機(jī)匣的大口端和內(nèi)機(jī)匣的大口端構(gòu)成燃燒室出口，外機(jī)匣的小口端和內(nèi)機(jī)匣的小口端構(gòu)成空氣進(jìn)口，火焰筒里安裝燃燒頭部，燃燒頭部包括燃油噴嘴和三級(jí)軸向旋流器，外機(jī)匣上設(shè)置燃油導(dǎo)管進(jìn)口，燃油導(dǎo)管進(jìn)口連通燃油噴嘴，火焰筒上設(shè)置主燃孔、摻混孔、冷卻多斜孔，主燃孔位于在燃油噴嘴下游位置，主燃孔的中心線與火焰筒圓周切線的傾角為15° -75。。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分級(jí)駐渦環(huán)形燃燒室，其特征是:所述的三級(jí)軸向旋流器包括一二級(jí)輪轂和三級(jí)輪轂，一二級(jí)輪轂安裝在三級(jí)輪轂上，一二級(jí)輪轂上安裝內(nèi)級(jí)旋流葉片和中間級(jí)旋流葉片，內(nèi)級(jí)旋流葉片位于中間級(jí)旋流葉片里，三級(jí)輪轂上安裝外級(jí)旋流葉片，三級(jí)輪轂里設(shè)置內(nèi)級(jí)文氏管和中間級(jí)文氏管，內(nèi)級(jí)旋流葉片連接內(nèi)級(jí)文氏管，中間級(jí)旋流葉片連接中間級(jí)文氏管，內(nèi)級(jí)文氏管位于中間級(jí)文氏管里。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分級(jí)駐渦環(huán)形燃燒室，其特征是:摻混孔位于燃燒室出口前的位置，數(shù)量為10-100個(gè)，摻混孔的中心線與燃燒頭部之間的傾角為15° -75°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分級(jí)駐渦環(huán)形燃燒室，其特征是:冷卻多斜孔孔徑大小為0.5-1.2_，單位面積火焰筒壁上開孔個(gè)數(shù)為3000-12000，冷卻多斜孔和主燃孔之間有0° -90°的偏角，冷卻多斜孔的中心線與燃燒頭部之間的傾角為20° -60°。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分級(jí)駐渦環(huán)形燃燒室，其特征是:冷卻多斜孔孔徑大小為0.5-1.2mm，單位面積火焰筒壁上開孔個(gè)數(shù)為3000-12000，冷卻多斜孔和主燃孔之間有0° -90°的偏角，冷卻多斜孔的中心線與燃燒頭部之間的傾角為20° -60°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分級(jí)駐渦環(huán)形燃燒室，其特征是:空氣進(jìn)口處設(shè)置擴(kuò)壓器，燃油噴嘴位于三級(jí)軸向旋流器前，氣流從空氣進(jìn)口經(jīng)擴(kuò)壓器進(jìn)入燃燒頭部，2%-20%的氣量從三級(jí)軸向旋流器進(jìn)入火焰筒，2%-25%的氣量從主燃孔進(jìn)入火焰筒，20%-70%的氣量從摻混孔進(jìn)入火焰筒，20%-60%的氣量從冷卻多斜孔進(jìn)入火焰筒。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分級(jí)駐渦環(huán)形燃燒室，其特征是:空氣進(jìn)口處設(shè)置擴(kuò)壓器，燃油噴嘴位于三級(jí)軸向旋流器前，氣流從空氣進(jìn)口經(jīng)擴(kuò)壓器進(jìn)入燃燒頭部，2%-20%的氣量從三級(jí)軸向旋流器進(jìn)入火焰筒，2%-25%的氣量從主燃孔進(jìn)入火焰筒，20%-70%的氣量從摻混孔進(jìn)入火焰筒，20%-60%的氣量從冷卻多斜孔進(jìn)入火焰筒。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分級(jí)駐渦環(huán)形燃燒室，其特征是:空氣進(jìn)口處設(shè)置擴(kuò)壓器，燃油噴嘴位于三級(jí)軸向旋流器前，氣流從空氣進(jìn)口經(jīng)擴(kuò)壓器進(jìn)入燃燒頭部，2%-20%的氣量從三級(jí)軸向旋流器進(jìn)入火焰筒，2%-25%的氣量從主燃孔進(jìn)入火焰筒，20%-70%的氣量從摻混孔進(jìn)入火焰筒，20%-60%的氣量從冷卻多斜孔進(jìn)入火焰筒。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分級(jí)駐渦環(huán)形燃燒室，其特征是:空氣進(jìn)口處設(shè)置擴(kuò)壓器，燃油噴嘴位于三級(jí)軸向旋流器前，氣流從空氣進(jìn)口經(jīng)擴(kuò)壓器進(jìn)入燃燒頭部，2%-20%的氣量從三級(jí)軸向旋流器進(jìn)入火焰筒，2%-25%的氣量從主燃孔進(jìn)入火焰筒，20%-70%的氣量從摻混孔進(jìn)入火焰筒，20%-60%的氣量從冷卻多斜孔進(jìn)入火焰筒。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供分級(jí)駐渦環(huán)形燃燒室，包括外機(jī)匣和內(nèi)機(jī)匣，外機(jī)匣和內(nèi)機(jī)匣均為具有大口端和小口端的環(huán)形結(jié)構(gòu)，外機(jī)匣的內(nèi)壁和內(nèi)機(jī)匣的內(nèi)壁形成火焰筒，外機(jī)匣的大口端和內(nèi)機(jī)匣的大口端構(gòu)成燃燒室出口，外機(jī)匣的小口端和內(nèi)機(jī)匣的小口端構(gòu)成空氣進(jìn)口，火焰筒里安裝燃燒頭部，燃燒頭部包括燃油噴嘴和三級(jí)軸向旋流器，外機(jī)匣上設(shè)置燃油導(dǎo)管進(jìn)口，燃油導(dǎo)管進(jìn)口連通燃油噴嘴，火焰筒上設(shè)置主燃孔、摻混孔、冷卻多斜孔，主燃孔位于在燃油噴嘴下游位置，主燃孔的中心線與火焰筒圓周切線的傾角為15°-75°。本發(fā)明比常規(guī)環(huán)形燃燒室更適合于高速度旋流進(jìn)口條件下的燃燒，產(chǎn)生了多重駐渦效果，能提高火焰穩(wěn)定性，拓展了穩(wěn)定燃燒工作范圍。
文檔編號(hào)F23R3/52GK103196159SQ20131008606
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月18日
發(fā)明者張智博, 鄭洪濤, 陳曦, 劉倩, 潘剛, 潘福敏 申請人:哈爾濱工程大學(xué)