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一種寬穩定工作范圍的低排放天然氣燃燒室.pdf

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一種 穩定 工作范圍 排放 天然氣 燃燒室
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摘要
申請專利號:

CN201510235769.6

申請日:

2015.05.11

公開號:

CN104896512A

公開日:

2015.09.09

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):F23R 3/38申請日:20150511|||公開
IPC分類號: F23R3/38 主分類號: F23R3/38
申請人: 北京航空航天大學
發明人: 張弛; 韓嘯; 林宇震; 許全宏
地址: 100191北京市海淀區學院路37號
優先權:
專利代理機構: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251 代理人: 楊學明; 顧煒
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510235769.6

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.02.01|||2015.10.07|||2015.09.09

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種寬穩定工作范圍的低排放天然氣燃燒室,采用單管多頭部燃燒室結構,主要由燃燒室機匣、火焰筒、旋流器、天然氣供應系統構成;燃燒室采用多個旋流器頭部,旋流器的布置采用中心加周向均布的方式,并通過浮動套與火焰筒連接;天然氣供應系統包括多個天然氣管路和噴嘴,從機匣的噴嘴座伸入并插入相應旋流器,每個噴嘴的流量獨立控制;在旋流器內完成空氣與天然氣的混合,采用電火花點火器實現點火燃燒,燃氣直接從燃燒室出口排出;通過調節不同噴嘴的天然氣供應量,可以實現燃燒室在進口空氣來流溫度從室溫到1000℃以上變化時,燃燒室出口溫度保持恒定,具有很寬的工作范圍,在新能源、熱能工程、科研實驗等領域有廣泛的應用前景。

權利要求書

權利要求書
1.  一種寬穩定工作范圍的低排放天然氣燃燒室,其特征在于:所述燃燒室采用單管多頭部燃燒室結構,主要由燃燒室機匣(1)、火焰筒(10)、旋流器(15)、天然氣供應系統(3)構成;燃燒室機匣(1)上焊接有噴嘴座(2)、點火器座(7);火焰筒(10)由多段氣膜冷卻段(21)、點火器浮動套(19)、火焰筒安裝法蘭(9)焊接組成;火焰筒安裝法蘭(9)與燃燒室機匣后法蘭(8)通過螺栓連接,采用石墨墊片密封;燃燒室采用多個旋流器頭部(15)旋流器的布置采用中心加周向均布的方式,并通過浮動套固定在頭部安裝板(18)上,通過螺釘與火焰筒(10)連接;天然氣供應系統(3)包括多個天然氣管路和噴嘴(11),從機匣的噴嘴座(2)伸入并插入相應旋流器(15),通過螺釘固定在燃燒室機匣(1)上;旋流器(15)的布置采用中心加周向均布的方式,中心布置1個旋流器(15),周向均勻布置5~10個旋流器(15),旋流器直徑(35)與火焰筒直徑(13)的比例為0.10~0.30;旋流器徑向距離(26)與旋流器直徑(35)的比例為1.2~2.5,旋流器周向距離(28)與旋流器直徑(35)的比例為1.2~2.0;每個旋流器(5)配套相應的天然氣噴嘴(11),每個噴嘴(11)的天然氣流量獨立控制;采用電火花點火器(6)實現點火燃燒,燃氣直接從燃燒室出口排出;通過調節不同噴嘴(15)的天然氣供應量,可以實現燃燒室在進口空氣來流溫度從室溫到1000℃以上變化時,燃燒室出口溫度保持恒定,具有很寬的工作范圍。

2.  根據權利要求1所述的一種寬穩定工作范圍的低排放天然氣燃燒室,其特征在于:所述旋流器(15)的布置中,將周向距電火花點火器(6)最近的一個旋流器(15)作為點火旋流器(5)位于,燃燒室啟動時先給點火旋流器(5)供應天然氣,實現整個燃燒室的啟動,從而大大提高了點火性能。

3.  根據權利要求1所述的一種寬穩定工作范圍的低排放天然氣燃燒室,其特征在于:所述天然氣供應系統(3)采用多個天然氣管道和噴嘴(11),數量和旋流器(15)個數一致;噴嘴距旋流器出口距離(38)和旋流器喉道直徑(39)的比例為0.6~1.8;天然氣噴嘴(11)上開有8~20個直徑0.4~2.0的直射孔(23),天然氣從直射孔(23)噴出與空氣混合;直射孔距內旋流器出口距離(36)與直射孔距旋流器出口距離(37)的比例為0.1~0.5;噴嘴中心開有吹掃孔(33)防止回火,其直徑與旋流器直徑(34)的比例為0.05~0.3。

4.  根據權利要求1所述的一種寬穩定工作范圍的低排放天然氣燃燒室,其特征在 于:所述旋流器(15)采用內旋流器(29)和外旋流器(30)組合,葉片旋向相同,葉片角度30~60°,旋流數為0.6~1,內外旋流器空氣分配比為0.4~1.0。

5.  根據權利要求1所述的一種寬穩定工作范圍的低排放天然氣燃燒室,其特征在于:所述點火器與頭部端壁距離(25)與旋流器直徑(34)的比例為0.6~2.0。

6.  根據權利要求1所述的一種寬穩定工作范圍的低排放天然氣燃燒室,其特征在于:所述摻混孔(16)均為直徑10~30mm的圓孔,沿周向均布6~15個,摻混孔排距(27)與火焰筒長度(14)的比例為0.1~0.3。

7.  根據權利要求1所述的一種寬穩定工作范圍的低排放天然氣燃燒室,其特征在于:所述氣膜冷卻孔(20)均為直徑0.5~2.0mm的圓孔,沿周向均布60~240個,氣膜冷卻孔排距(24)與火焰筒長度(14)的比例為0.1~0.3。

8.  根據權利要求1所述的一種寬穩定工作范圍的低排放天然氣燃燒室,其特征在于:所述機匣直徑(12)與火焰筒直徑(13)的比例為1.5~1.1。

說明書

說明書一種寬穩定工作范圍的低排放天然氣燃燒室
技術領域
本發明涉及一種天然氣燃燒室,特別涉及一種寬穩定工作范圍的低排放天然氣燃燒室。
背景技術
隨著工業社會的發展,對能源的需求日益增加。常規的化石燃料仍然占有相當大的比例,其產生的二氧化碳和污染物排放造成了很大的環境壓力,因此人們提倡節能減排,一方面發展太陽能、風能等新型能源,減少碳排放;另一方面對希望化石燃料的燃料利用能夠更加高效,污染排放更低。
然而太陽能、風能這類新能源因其自然特性,往往具有發電功率不穩定的缺陷,不適合大規模并入電網。對于太陽能來說,由于具有穩定地周期性,能量密度較風能更加可預測,因此有人提出,可以將太陽能光熱系統和燃燒室系統結構,用燃燒化石燃料產生的熱量作為補充,使整個系統具有穩定的能量輸出,從而實現連續穩定地發電。據測算,在日照較為強烈的10點到16點之間,太陽能光熱系統能夠將空氣加熱到最高1000℃以上;而在日落后,燃燒室進口溫度又會降低至常溫。空氣來流的溫度變化范圍從常溫到1000℃以上,考慮到發電效率,又要求出口溫度恒定在1000℃以上的某一溫度,這就要求燃燒室具有很寬的工作范圍,同時能夠在極高空氣來流溫度(已接近常用不銹鋼熔點)下長時間工作,現在的常規燃燒室難以滿足要求。對于風能來說,可以高風速時的能量壓縮空氣進行儲能,然后將高壓空氣引入燃燒室進行燃燒,利用高溫燃氣發電。
目前小型常規燃燒室多采用單管圓筒燃燒室,采用一個或一組徑向分級的旋流器作為火焰穩定裝置,燃料噴嘴布置在旋流器中心。但這種燃燒組織方式調節范圍較窄,以總油氣比衡量的調節比僅為3~6,適用的進口溫度相對固定的情況。另一方面,目前在燃氣輪機燃燒室領域出現了多點噴射燃燒室概念,可以實現燃料當量比在火焰筒內更加均勻的分布,避免了局部當量比過高的情況,有利于減少污染排放。但由于現在燃氣輪機壓氣機能力限制,燃燒室進口溫度在300~600℃之間,不利于液態燃料的霧化蒸發,因此還未得到廣泛應用。
結合這兩種燃燒室技術,本發明設計了一種具有多個旋流器頭部的天然氣燃燒室,通過調節不同頭部天然氣供應量,可以在保證燃燒穩定的情況下,實現很寬的工作范圍,以當量比衡量的調節比高達12~15;同時將點火旋流器布置在靠近周向靠近點火器的位置,極大地 提高了點火性能;采用多頭部的方案設計,提高了燃料分布的均勻性,有利于提高燃燒效率,降低污染排放。
發明內容
本發明要解決的技術問題是:針對新能源發電需求,克服現有技術的不足,提供一種新型的具有很寬工作范圍的天然氣燃燒室,該燃燒室具有多個旋流器頭部,通過調節不同頭部的天然氣供應量,可以適應來流溫度大范圍變化,同時使燃料分布更均勻,降低污染排放。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種寬穩定工作范圍的低排放天然氣燃燒室,所述燃燒室采用單管多頭部燃燒室結構,主要由燃燒室機匣、火焰筒、旋流器、天然氣供應系統構成;燃燒室機匣上焊接有噴嘴座、點火器座;火焰筒由多段氣膜冷卻段、點火器浮動套、火焰筒安裝法蘭焊接組成;火焰筒安裝法蘭與燃燒室機匣后法蘭通過螺栓連接,采用石墨墊片密封;燃燒室采用多個旋流器頭部旋流器的布置采用中心加周向均布的方式,并通過浮動套固定在頭部安裝上,通過螺釘與火焰筒連接;天然氣供應系統包括多個天然氣管路和噴嘴,從機匣的噴嘴座伸入并插入相應旋流器(15),通過螺釘固定在燃燒室機匣上;旋流器的布置采用中心加周向均布的方式,中心布置1個旋流器,周向均勻布置5~10個旋流器,旋流器直徑與火焰筒直徑的比例為0.10~0.30;旋流器徑向距離與旋流器直徑的比例為1.2~2.5,旋流器周向距離與旋流器直徑的比例為1.2~2.0;每個旋流器配套相應的天然氣噴嘴,每個噴嘴的天然氣流量獨立控制;采用電火花點火器實現點火燃燒,燃氣直接從燃燒室出口排出;通過調節不同噴嘴的天然氣供應量,可以實現燃燒室在進口空氣來流溫度從室溫到1000℃以上變化時,燃燒室出口溫度保持恒定,具有很寬的工作范圍。
其中,所述旋流器的布置中,將周向距電火花點火器最近的一個旋流器作為點火旋流器位于,燃燒室啟動時先給點火旋流器供應天然氣,實現整個燃燒室的啟動,從而大大提高了點火性能。
其中,所述天然氣供應系統采用多個天然氣管道和噴嘴,數量和旋流器個數一致;噴嘴距旋流器出口距離和旋流器喉道直徑的比例為0.6~1.8;天然氣噴嘴上開有8~20個直徑0.4~2.0的直射孔,天然氣從直射孔噴出與空氣混合;直射孔距內旋流器出口距離與直射孔距旋流器出口距離的比例為0.1~0.5;噴嘴中心開有吹掃孔防止回火,其直徑與旋流器直徑的比例為0.05~0.3。
其中,所述旋流器采用內旋流器和外旋流器組合,葉片旋向相同,葉片角度30~60°,旋流數為0.6~1,內外旋流器空氣分配比為0.4~1.0。
其中,所述點火器與頭部端壁距離與旋流器直徑的比例為0.6~2.0。
其中,所述摻混孔均為直徑10~30mm的圓孔,沿周向均布6~15個,摻混孔排距與火焰筒長度的比例為0.1~0.3。
其中,所述氣膜冷卻孔均為直徑0.5~2.0mm的圓孔,沿周向均布60~240個,氣膜冷卻孔排距與火焰筒長度的比例為0.1~0.3。
其中,所述機匣直徑與火焰筒直徑的比例為1.5~1.1。
本發明的工作原理:空氣通過頭部旋流器、周向氣膜孔和摻混孔進入燃燒室。氣流經過旋流器后產生周向運動,與從噴嘴射出的天然氣混合進入火焰筒,通過電火花點火器實現點火燃燒。由于采用旋流燃燒方式,火焰長度顯著縮短,能夠減小火焰筒長度,實現了較小空間內完成燃燒。采用多個旋流頭部中心加周向均布的組合方式,實現了燃料在火焰筒內均勻分布,有利于消除局部熱斑,降低污染排放。通過調節不同頭部天然氣供應量,可以在保證燃燒穩定的情況下,實現很寬的工作范圍。將點火用旋流器布置在頭部周向,靠近點火器,提高了點火性能,提高了運行可靠性。
本發明與現有技術相比具有的優點如下:
(1)本發明的燃燒室采用多個旋流頭部,通過調節不同頭部天然氣供應量,可以在保證燃燒穩定的情況下,實現很寬的工作范圍;
(2)本發明的燃燒室將點火用旋流器布置在頭部周向,靠近點火器,提高了點火性能,提高了運行可靠性;
(3)本發明的燃燒室采用多個旋流頭部中心加周向均布的組合方式,實現了燃料在火焰筒內均勻分布,有利于消除局部熱斑,降低污染排放;
(4)本發明的燃燒室采用旋流燃燒方式,火焰長度顯著縮短,能夠減小火焰筒長度,實現了較小空間內完成高效燃燒。
附圖說明
圖1為本發明的燃燒室結構示意圖;
圖2為本發明的火焰筒結構示意圖;
圖3為本發明的燃燒室頭部旋流器裝配示意圖;
圖4為本發明的天然氣噴嘴、旋流器結構示意圖;
圖5為本發明的天然氣供應系統裝配示意圖;
圖6為本發明的天然氣供應系統、頭部旋流器、機匣的裝配示意圖。
圖中:1為燃燒室機匣,2為噴嘴座,3為天然氣供應系統,4為點火路天然氣供應系 統,5為點火旋流器,6為電火花點火器,7為點火器座,8為燃燒室機匣后法蘭,9為火焰筒安裝法蘭,10為火焰筒,11為噴嘴,12為機匣直徑,13為火焰筒直徑,14為火焰筒長度,15為旋流器,16為摻混孔,17為頭部安裝環,18為頭部安裝板,19為點火器浮動套,20為氣膜冷卻孔,21為氣膜冷卻段,22為氣膜縫槽舌片,23為直射孔,24為氣膜冷卻孔排距,25為點火器與頭部端壁距離,26為旋流器徑向距離,27為摻混孔排距,28為旋流器周向距離,29為內旋流器,30為外旋流器,31為旋流器罩,32為旋流器壓板,33為吹掃孔,34為旋流器直徑,35為吹掃孔直徑,36為直射孔距內旋流器出口距離,37為直射孔距旋流器出口距離,38為噴嘴距旋流器出口距離,39為旋流器喉道直徑。
具體實施方式
下面結合附圖以及具體實施例進一步說明本發明。
如圖1所示,本發明實施例采用單管多頭部燃燒室結構,主要由燃燒室機匣1、火焰筒10、旋流器15、天然氣供應系統3構成,整體采用高溫合金材料,提高耐溫能力。燃燒室機匣1上焊接有噴嘴座2、點火器座7,機匣直徑12與火焰筒直徑13的比例為1.5~1.1。火焰筒10由多段氣膜冷卻段21、點火器浮動套19、火焰筒安裝法蘭9焊接組成。火焰筒安裝法蘭9與燃燒室機匣后法蘭8通過螺栓連接,采用石墨墊片密封。燃燒室采用多個旋流器頭部15,旋流器個數為5~10個,從旋流器進入燃燒室的空氣占總氣量的40~60%,每個旋流器空氣比例可略有不同。旋流器的布置采用中心加周向均布的方式,并通過浮動套固定在頭部安裝板18上,通過螺釘與火焰筒10連接。天然氣供應系統3包括多個天然氣管路和噴嘴11,個數與旋流器頭部個數一致,從機匣的噴嘴座2伸入并插入相應旋流器15,通過螺釘固定在燃燒室機匣1上。火焰筒10上開有氣膜冷卻孔20和摻混孔16,氣膜冷卻孔20下方焊接氣膜縫槽舌片22,引導冷卻氣流;摻混孔16到旋流器15之間的區域為主燃區。空氣通過多個旋流器15軸向進入火焰筒10內,并與天然氣混合;點火前先向點火路天然氣供應系統4供應天然氣,在點火旋流器5內形成摻混并形成恰當的當量比,通過電火花點火器6實現點火燃燒;燃氣直接從燃燒室出口排出。通過調節不同噴嘴11的天然氣供應量,可以實現燃燒室在進口空氣來流溫度從室溫到1000℃以上變化時,燃燒室出口溫度保持恒定,具有很寬的工作范圍。
如圖2所示,火焰筒10由3~6段氣膜冷卻段21焊接組成,每個氣膜冷卻段21上開有1~3排氣膜冷卻孔20,后2~3個氣膜冷卻段21上開有1排摻混孔16,氣膜冷卻孔和摻混孔空氣流量占總氣量的比例分別為25~35%和5~12%。氣膜冷卻孔20均為直徑0.5~2.0mm的圓孔,沿周向均布60~240個,氣膜冷卻孔排距24與火焰筒長度14的比例 為0.1~0.3。摻混孔16均為直徑10~30mm的圓孔,沿周向均布6~15個,摻混孔排距27與火焰筒長度14的比例為0.1~0.3。浮動套焊接在頭部安裝板18上,壓住旋流器壓板32,固定旋流器,避免了熱應力。每個旋流器對于的頭部安裝板18處開有1圈冷卻孔,直徑均為0.5~2mm,個數為30~120。頭部安裝板18與頭部安裝環17通過焊接連接,并通過螺栓連接與火焰筒10固定。噴嘴插入旋流器內,天然氣從噴嘴上的直射孔23噴出,與旋流混合進入火焰筒參與燃燒。點火器與頭部端壁距離25與旋流器喉道直徑39的比例為0.5~2。
如圖3所示,旋流器15的布置采用中心加周向均布的方式,中心布置1個旋流器15,周向均勻布置5~10個旋流器15,旋流器直徑34與火焰筒直徑13的比例為0.10~0.30;旋流器徑向距離26與旋流器直徑34的比例為1.2~2.5,旋流器周向距離28與旋流器直徑35的比例為1.2~2.0,保證各個頭部之間能夠相互聯焰,同時避免互相干擾;其中,點火旋流器5位于周向距電火花點火器6最近的位置,點火器與點火旋流器的距離22與旋流器直徑34的比例為0.6~2.0通過給點火旋流器5供應天然氣并點火,實現整個燃燒室的啟動。
旋流器15可采用軸向葉片式旋流器或徑向旋流器。如圖4所示的內旋流器29和外旋流器30組合的雙層旋流器,內外旋流器均由葉片式或開孔式引氣,其中葉片旋向相同,葉片厚度0.6~1.4mm,個數6~16,葉片角度30~60°,旋流數為0.6~1內外旋流器空氣分配比為0.4~1.0。內旋流器29與外旋流器30焊接,并焊接在旋流器罩31上。天然氣噴嘴距旋流器出口距離38和旋流器喉道直徑39的比例為0.6~1.8;噴嘴11上開有8~20個直徑0.4~2.0的直射孔23,天然氣從直射孔23噴出與空氣混合;直射孔距內旋流器出口距離36與直射孔距旋流器出口距離37的比例為0.1~0.5;噴嘴中心開有吹掃孔33防止回火,其直徑35與旋流器直徑34的比例為0.05~0.3。吹掃孔直徑35與旋流器喉道直徑39的比例為0.1~0.4。
如圖5所示,天然氣噴嘴11與噴嘴座2通過螺釘連接固定在燃燒室機匣1上,噴嘴沿周向均勻分布,角度與旋流器15對齊。其中對應點火旋流器5和位于中心的旋流器5的噴嘴公用一個噴嘴座。由此構成了天然氣供應系統。
如圖6所示旋流器15、天然氣供應系統3、機匣1的裝配關系。

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