一種用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混合噴嘴的制作方法
【專利摘要】一種用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混合噴嘴，涉及具有徑向旋流的燃燒室噴嘴結(jié)構(gòu)。該預(yù)混合噴嘴在徑向旋流器上游均勻布置有多個(gè)內(nèi)層空氣進(jìn)口，在混合段內(nèi)的漸縮型中心體的外圍設(shè)有與漸縮型中心體同軸布置的環(huán)形管，環(huán)形管的前端與噴嘴頭部相連，環(huán)形管的內(nèi)壁與漸縮型中心體的外壁形成環(huán)形通道，環(huán)形通道與內(nèi)層空氣進(jìn)口相連通。本發(fā)明通過(guò)在徑向旋流器上游引入空氣通道，并在混合段內(nèi)側(cè)增加一層流通通道，可以有效地消除由于旋流器旋轉(zhuǎn)離心力導(dǎo)致的中心部的低速區(qū)，從而有效預(yù)防預(yù)混燃燒的回火問(wèn)題，延長(zhǎng)預(yù)混合噴嘴的壽命。
【專利說(shuō)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 徑向旋流的噴嘴結(jié)構(gòu)。 一種用于燃?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(lái)越嚴(yán)格，在近年來(lái)的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器中越來(lái)越多地使用 預(yù)混燃燒的方式來(lái)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(lái)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(guò)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(kāi)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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(méi)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(méi)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(guò)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(wèn)題依然存在。
[0006] 專利CN101713549A中通過(guò)引入文丘里管室，使得混合氣體先加速后減速。混合氣 體在加速之后消除了低速區(qū)。雖然該結(jié)構(gòu)可以防止火焰進(jìn)入頭部區(qū)域，但由于文丘里管室 擴(kuò)張段的存在，該區(qū)域速度較低，可能會(huì)導(dǎo)致火焰在該區(qū)域存在。如果沒(méi)有合適的冷卻措 施，噴嘴可能會(huì)被燒毀。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提出一種用于燃?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。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0009] -種用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混合噴嘴，該噴嘴包括噴嘴頭部、漸縮型中心體和 混合段，其中，在噴嘴頭部上設(shè)置有外圍氣體燃料進(jìn)口和徑向旋流器，徑向旋流器上設(shè)置有 外層空氣入口，在漸縮型中心體上設(shè)置有中心氣體燃料進(jìn)口和中心氣體燃料出口，其特征 在于：在徑向旋流器上游均勻布置有多個(gè)內(nèi)層空氣進(jìn)口，在混合段內(nèi)的漸縮型中心體的外 圍設(shè)有與漸縮型中心體同軸布置的環(huán)形管，環(huán)形管的前端與噴嘴頭部相連，環(huán)形管的內(nèi)壁 與漸縮型中心體的外壁形成環(huán)形通道，環(huán)形通道與內(nèi)層空氣進(jìn)口相連通。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)特征還在于：所述的環(huán)形管沿軸向延伸的長(zhǎng)度超過(guò)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(guò)的長(zhǎng)度至少為漸縮型中心體直徑的〇. 2倍。
[0011] 本發(fā)明的另一技術(shù)特征是：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%。
[0012] 本發(fā)明的又一技術(shù)特征是：多個(gè)內(nèi)層空氣進(jìn)口的流通面積之和大于或等于環(huán)形通 道的流通面積。
[0013] 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(guò)在徑向旋流器上游布置內(nèi)層空氣進(jìn)口，在混 合段內(nèi)側(cè)布置漸縮型的環(huán)形管，在漸縮型中心體上布置中心氣體燃料出口，從而在混合段 內(nèi)側(cè)形成了一個(gè)新的燃料與空氣的混合區(qū)。進(jìn)一步地通過(guò)控制環(huán)形通道的流通面積，從而 可以控制氣體流速的分布，有效減小低速區(qū)。通過(guò)對(duì)該噴嘴的三維氣動(dòng)分析表明，在合理控 制旋流器的旋流角度和環(huán)形通道的流通面積情況下，可基本上消除中心體下游的低速區(qū)， 有效預(yù)防回火；由于減少了噴嘴內(nèi)部的低速區(qū)，因此可以更加充分地利用噴嘴內(nèi)部的混合 空間。同時(shí)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，有效抑制NOx的排放。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1為本發(fā)明提供的一種用于燃?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。
[0015] 圖2為圖1的A-A剖視圖。
[0016] 圖3為預(yù)混合噴嘴立體結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。
[0017] 圖中：1_噴嘴頭部；11-外圍氣體燃料進(jìn)口；12-徑向旋流器；121-外層空氣入口； 13-內(nèi)層空氣進(jìn)口；2-漸縮型中心體；21-中心氣體燃料進(jìn)口；22-中心氣體燃料出口；3-混 合段；4-環(huán)形管；5-環(huán)形通道。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 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(shuō)明。
[0019] 圖1為本發(fā)明提供的用于燃?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，該預(yù) 混合噴嘴包括噴嘴頭部1、漸縮型中心體2和混合段3,其中，在噴嘴頭部1上設(shè)置有外圍氣 體燃料進(jìn)口 11和徑向旋流器12 ;徑向旋流器12上設(shè)置有外層空氣入口 121，在漸縮型中心 體2上設(shè)置有中心氣體燃料進(jìn)口 21和中心氣體燃料出口 22 ;在徑向旋流器12上游布置有 內(nèi)層空氣進(jìn)口 13,在混合段3內(nèi)的漸縮型中心體2的外圍設(shè)有與漸縮型中心體2同軸布置 的環(huán)形管4,環(huán)形管4的前端與噴嘴頭部1相連，環(huán)形管4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與內(nèi)層空氣進(jìn)口 13相連通。
[0020] 對(duì)于使用徑向旋流器的預(yù)混噴嘴結(jié)構(gòu)，由于氣流旋轉(zhuǎn)作用，在噴嘴中心會(huì)形成低 速區(qū)，漸縮型中心體2能夠在一定程度上減少低速區(qū)，但是其尾跡區(qū)域仍然不可避免地會(huì) 有低速區(qū)。只有通過(guò)改善中心體尾跡區(qū)的流動(dòng)才能從根本上消除低速區(qū)?；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(guò)控制環(huán)形通道5的流通面積來(lái) 控制中心體尾跡區(qū)的流動(dòng)；環(huán)形通道5的流通面積一般為混合段3流通面積的5 %?50 %。 由于環(huán)形通道5的流通面積較小，（一般不超過(guò)混合段3流通面積的30%，）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)。
[0021] 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，所 述的環(huán)形管4沿軸向延伸的長(zhǎng)度應(yīng)超過(guò)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(guò)的長(zhǎng)度至少為漸縮型中心體2直徑的0. 2倍。將環(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)。
[0022] 在上述方案中，多個(gè)內(nèi)層空氣進(jìn)口 13的流通面積之和應(yīng)大于等于環(huán)形通道5的流 通面積，這樣才能保證有足夠的空氣進(jìn)入到環(huán)形通道5,從而保證環(huán)形通道5內(nèi)的氣體有較 高的軸向速度。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%。
[0023] 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(lái)自外圍氣體燃料進(jìn)口 11的燃料與來(lái)自外層空氣入口 121的旋流空氣發(fā)生混合外，來(lái)自 中心氣體燃料出口 22的燃料也與來(lái)自內(nèi)層空氣進(jìn)口 13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。
[0024] 通過(guò)調(diào)整外圍氣體燃料進(jìn)口 11和中心氣體燃料出口 22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。
[0025] 圖2為圖1的A-A剖視圖。內(nèi)層空氣進(jìn)口 13從徑向?qū)⒖諝庖氲江h(huán)形通道5中， 外圍氣體燃料進(jìn)口 11從軸向?qū)怏w燃料引入到混合段3中，二者交叉布置。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混合噴嘴，該噴嘴包括噴嘴頭部（1)、漸縮型中心體 (2)和混合段（3)，其中，在噴嘴頭部（1)上設(shè)置有外圍氣體燃料進(jìn)口（11)和徑向旋流器 (12)，徑向旋流器（12)上設(shè)置有外層空氣入口（121)，在漸縮型中心體（2)上設(shè)置有中心氣 體燃料進(jìn)口（21)和中心氣體燃料出口（22)，其特征在于：在徑向旋流器（12)上游均勻布 置有多個(gè)內(nèi)層空氣進(jìn)口（13)，在混合段（3)內(nèi)的漸縮型中心體（2)的外圍設(shè)有與漸縮型中 心體（2)同軸布置的環(huán)形管（4)，環(huán)形管（4)的前端與噴嘴頭部（1)相連，環(huán)形管（4)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)與內(nèi)層空氣進(jìn)口（13)相連 通。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混合噴嘴，其特征在于：所述的 環(huán)形管（4)沿軸向延伸的長(zhǎng)度超過(guò)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(guò)的長(zhǎng)度至少為漸縮型中心體（2)直徑的0. 2倍。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種用于燃?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)的流通面積的變化范圍為：0?10%。
4. 如權(quán)利要求1或3所述的一種用于燃?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%。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混合噴嘴，其特征在于：多個(gè)內(nèi) 層空氣進(jìn)口（13)的流通面積之和大于或等于環(huán)形通道（5)的流通面積。
【文檔編號(hào)】F23R3/38GK104110698SQ201410325707
【公開(kāi)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