一種基於貧油半預混燃燒的天然氣低汙染燃燒室的製作方法

2023-04-30 16:05:26 1

本實用新型屬於燃氣渦輪發動機清潔燃燒領域，尤其是一種基於貧油半預混燃燒的天然氣低汙染燃燒室。

背景技術：

環境汙染，尤其是大氣汙染，成為了人類生存的一大威脅。近年來，我國各地霧霾頻發，嚴重影響了我們的生活，大氣汙染成為不可迴避的問題。其中工業生產活動對大氣汙染最為嚴重，工業廢氣、生活燃料、交通尾氣等等，而這些汙染源歸根結底是燃料選用和燃燒方式的問題。

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、氫、氮和硫，所以燃燒後會產生大量的SO2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SO2、CO2、NOx等汙染物。然而天然氣作為新型的清潔能源，燃燒過程中不產生煙塵以及固體排放物，也不產生SO2，其中NOx的排放也遠遠低於其他幾種傳統化石燃料。

除了燃料本身的特性，燃燒方式對汙染物排放的影響也相當顯著。隨著對汙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汙染物與燃燒溫度、駐留時間、混氣成分和油氣狀態間的變化規律有關，實現低汙染排放的關鍵是形成均勻的可燃混氣，消除局部熱點以及實現充分燃燒。據此發展出了分區分級燃燒、貧油預混預蒸發(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。

其中貧油預混預蒸發(LPP)燃燒技術是將燃料完全蒸發並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，這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（LDI）燃燒技術。貧油直接噴射（LDI）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，隨後，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。由於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。

美國專利「Premixing dry low NOx emissions combustor with lean direct injection of gas fuel」（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汙染燃燒，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。該實用新型是一種分級燃燒的概念，但是本實用新型是將預混和貧油直噴兩種低排放技術直接耦合，用貧油半預混的概念來實現燃燒室低汙染目標。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，分別採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，然後混合燃燒。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。

因此，本實用新型的目的在於提供一種基於貧油半預混燃燒的天然氣低汙染燃燒室以改進現有技術的不足。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的不足，本實用新型提供了一種基於貧油半預混燃燒的天然氣低汙染燃燒室，通過使用氣態燃料以及基於貧油半預混燃燒，同時兼顧貧油燃燒，降低了汙染物的排放，同時提高了燃燒效率、燃燒相對穩定。

本實用新型採用如下技術方案：一種基於貧油半預混燃燒的天然氣低汙染燃燒室，其特徵在於，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後段，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，中間用於通入氣體燃料；在轉軸延伸出軸向旋流器後端的設有徑向開孔，開孔位置位於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，然後經過徑向開孔噴出，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耦合，來實現燃燒室低汙染目標以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氫，降低火焰溫度，消除局部熱點以降低NOx。

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，為葉片的阻尼係數，為葉尖角，根據式中為對應r處的葉尖角，由此可以算出軸線旋流器（6）葉片安裝角。

進一步改進，以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。

進一步改進，所述的進氣道、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，安裝座設有一個第三凸臺以及兩個階梯槽，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，配合可以定位預混合段旋流器，第二凸臺和擋板配合，以固定預混合段旋流器，第三凸臺通過第三階梯槽與燃燒室本體配合，保證氣密性和同軸性，第三凸臺用以固定擋板，擋板和第三凸臺以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。

本實用新型的基於貧油半預混燃燒的天然氣低汙染燃燒室使用氣態天然氣，相比於其它傳統石化燃料，幾乎不會產生粉塵和固體排放物，不含硫，燃燒不會產生SO2， NOx的排放也是遠遠低於其它燃料，能夠大大降低對大氣環境的汙染；同時，相對於液態燃料，避免了燃油霧化等帶來的油氣分布不均，有利於可燃混氣的形成，容易與空氣均勻混合，有效的消除局部熱點，大大降低汙染物的排放，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，點火後，旋流器產生的旋流會繼續帶著燃料進行混合，燃燒方式介於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後能進一步有效降低汙染物的排放；並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、中空轉軸和前後主要通道；並且可以應用到傳統燃料的諸多燃氣渦輪發動機的領域中，如工業發電、城市供暖；也可應用於民用航空發動機低排放燃燒領域。

附圖說明

圖1為本實用新型基於貧油半預混燃燒的天然氣低排放燃燒室結構示意圖；

圖2為本實用新型基於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為本實用新型基於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為本實用新型基於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為本實用新型基於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。

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-第三凸臺，13-擋板，14-第四凸臺，15-第三階梯槽，16-法蘭，17-墊片。

具體實施方式

下面將結合附圖對本實用新型的技術方案進行詳細說明。

請參照圖1-圖5所示，本實用新型使用天然氣為燃料、基於貧油半預混燃燒低汙染燃燒室，使用的轉軸2不同於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，其他的數量也是可以的。天然氣可以經轉軸通入，之後經過開設的孔噴出，燃料噴射方向垂直於旋流器出口的空氣，燃料與空氣剪切摻混，在文氏管的中空內部實現初步半預混，控制當量比小於1，進入燃燒室本體5實現貧油燃燒。

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，以及一個第三凸臺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，第三凸臺12定位擋板13。此時擋板13和第三凸臺以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數，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，為葉片的阻尼係數，為葉尖角。根據式中為對應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，並保證了很好的氣密性和同軸性。同時第三凸臺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並結合圖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，並在燃燒室本體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，並且經位於軸向旋流器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後進行點火，隨後燃料與空氣可以繼續混合，形成更加均勻的可燃混氣，其燃燒方式介於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，降低燃燒汙染物，特別是氮氧化合物的排放量。控制燃料與空氣當量比小於1進行貧油燃燒，點火後燃料與空氣進一步摻混燃燒，形成均勻混氣以保證降低火焰溫度、消除局部熱點，降低燃氣輪機燃燒室汙染物排放指數。