CN116878026A - 一种燃烧器组件及燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动力设备技术领域，公开一种燃烧器组件及燃烧装置，燃烧器组件包括：第一旋流器和第一燃料管，所述第一旋流器具有第一空气通道，所述第一燃料管位于所述第一空气通道内；所述第一燃料管的表面分布有扰流纹路和多个第一燃料孔，第一燃料管经第一燃料孔向第一空气通道内喷射燃料。在上述燃烧器组件中，当空气经第一空气通道进入到第一旋流器后会经过第一燃料管，由于第一燃料管表面设有扰流纹路，空气在绕第一燃料管时作用于扰流纹路，产生明显的湍流，充分增加空气的湍流度，并迅速与第一燃料孔喷射的燃料进行充分混合，增加燃料与空气的混合均匀性，有利于充分燃烧，显著降低NOx排放。

Description

一种燃烧器组件及燃烧装置

技术领域

本发明涉及动力设备技术领域，特别涉及一种燃烧器组件及燃烧装置。

背景技术

燃烧污染排放对人类的健康和环境造成越来越严重的危害受到大量关注，并且有关控制污染排放的法律法规和相关政策也日益严格。对于微型燃气轮机的NOx污染排放问题也提出了一定要求。目前各燃机厂商对于低NOx排放的技术研究已经趋于成熟，普遍的主流产品能够达到Nox的排放在15ppm甚至10ppm以下。同时在近期提出的国策要对现有设备环保要求提出了更大挑战。为实现燃烧低排放需对燃烧设备进行精细设计和改造，保证燃烧稳定性的同时将NOx排放降低到极致。

微型燃气轮机高温火焰下的燃烧产物中含有NOx(氮氧化物)，NOx主要包含NO和NO2。要尽可能采取技术措施降低微型燃气轮机的NOx排放量。在燃气轮机中，NOx主要是由高燃烧温度产生的热力型NOx，降低燃气轮机NOx的排放量，关键在于将燃烧室内的温度控制在较低水平(一般为1700K-1900K，若温度更低会影响燃烧效率)，同时使燃烧室内温度分布均匀。这就要求在燃烧区域燃料分布非常均匀，尽量减少高浓度燃料的局部高浓度点出现。目前地面燃机低NOx排放燃烧器主要有燃料分级、贫燃预混、蒸汽加湿等。地面燃机常用干式低排放技术，通过燃料分级、尽可能让燃气均匀的分布在燃烧器预混段内，燃气与空气的混合物喷出燃烧器后便能够在燃烧区域形成温度普遍低于2000K，降低热力型氮氧化物的排放。

现有中小型及重型然气燃烧室常采用径向旋流器结构的主燃燃烧器及轴向旋流器扩散值班燃烧器的配置，少部分燃料通过值班燃烧器进行扩散燃烧来实现稳燃，大部分燃料通过主燃燃烧器进行预混，如果需要进一步降低NOx排放则需优化结构，对两级旋流器进行改造。

因此，如何进一步降低NOx的排放，是亟需解决的问题。

发明内容

本发明公开了一种燃烧器组件及燃烧装置，用于进一步降低NOx的排放。

第一方面，提供一种燃烧器组件，燃烧器组件包括：第一旋流器和第一燃料管，所述第一旋流器具有第一空气通道，所述第一燃料管位于所述第一空气通道内；所述第一燃料管的表面分布有扰流纹路和多个第一燃料孔，第一燃料管经第一燃料孔向第一空气通道内喷射燃料。

在上述燃烧器组件中，当空气经第一空气通道进入到第一旋流器后会经过第一燃料管，由于第一燃料管表面设有扰流纹路，空气在绕第一燃料管时作用于扰流纹路，产生明显的湍流，充分增加空气的湍流度，并迅速与第一燃料孔喷射的燃料进行充分混合，增加燃料与空气的混合均匀性，有利于充分燃烧，显著降低NOx排放。

可选地，所述第一燃料管贯穿所述第一空气通道的相对的两个侧壁，所述第一燃料管的周向表面分布有螺纹；所述第一燃料管的螺纹位于两个所述侧壁之间的部分形成所述扰流纹路；所述第一燃料管的至少一端通过所述螺纹连接有限位固定件。

可选地，还包括第二旋流器所述第二旋流器具有第二空气通道；所述第一空气通道环绕所述第二空气通道，所述第二空气通道的进气口朝向背离所述第二空气通道的方向，所述第二空气通道的出气口环绕所述第一空气通道的出气口，所述第一燃料管沿轴向延伸。

可选地，还包括环绕所述第二空气通道且与所述第二空气通道的外壁固定的环形燃料腔室，以及与所述环形燃料腔室连通的燃料供应管；所述第一燃料管的一端与所述环形燃料腔室固定连接，另一端通过所述螺纹与所述限位固定件连接，以将所述第二空气通道的相对的两个所述侧壁夹持固定。

可选地，所述第一燃料管的数量为多个，且多个所述第一燃料管环绕所述第二空气通道间隔分布。

可选地，所述第一旋流器的数量为多个，多个所述第一旋流器沿轴向层叠设置，每个所述第一燃料管依次贯穿多个所述第一空气通道。

可选地，每相邻两个所述第一空气通道共用一个所述侧壁。

可选地，还包括第二燃料管和头部点火器，所述第二燃料管位于所述第二空气通道内，所述第二燃料管的周向表面分布有多个第二燃料孔；所述第二空气通道内设有叶片组件，所述第二燃料孔位于所述叶片组件的上游，所述头部点火器的点火端位于所述第二燃料孔处。

可选地，所述第一燃料孔在所述第一燃料管的表面开口处形成有沉孔，所述沉孔的内径大于所述第一燃料孔的内径。

第二方面，提供一种燃烧装置，燃烧装置包括机匣组件、火焰筒组件和上述任一技术方案所述的燃烧器组件，所述火焰筒组件位于所述机匣组件内，所述火焰筒组件的开口对接于所述第一空气通道的出气口。

与现有技术相比，所述的燃烧装置与所述燃烧器组件所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

图1为本申请实施例提供的燃烧装置的横剖面图；

图2为图1中燃烧器组件的横剖面图；

图3为图2中第一旋流器垂直于其轴线的剖面图；

图4为图1中燃烧器组件的立体图；

图5为图4所示燃烧器组件的一种变形的剖面图；

图6为图5所示燃烧器组件的立体图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1至图6：

本申请实施例提供的燃烧器组件1包括：第一旋流器18和第一燃料管13，第一旋流器18具有第一空气通道T1，第一燃料管13位于第一空气通道T1内；第一燃料管13的表面分布有扰流纹路和多个第一燃料孔131，第一燃料管13经第一燃料孔131向第一空气通道T1内喷射燃料。第一旋流器18和第一燃料管13作为第一燃烧器的核心部件。

在上述燃烧器组件1中，当空气经第一空气通道T1进入到第一旋流器18后会经过第一燃料管13，由于第一燃料管13表面设有扰流纹路，空气在绕第一燃料管13时作用于扰流纹路，产生明显的湍流，充分增加空气的湍流度，并迅速与第一燃料孔131喷射的燃料进行充分混合，增加燃料与空气的混合均匀性，有利于充分燃烧，显著降低NOx排放。

在一个具体的实施例中，第一燃料管13贯穿第一空气通道T1的相对的两个侧壁，这两个侧壁具体可以是内壁183和外壁181，第一燃料管13的周向表面分布有螺纹132；第一燃料管13的螺纹132位于两个侧壁(如内壁183和外壁181)之间的部分形成上述扰流纹路；第一燃料管13的至少一端通过螺纹132连接有限位固定件15，可以仅在第一燃料管13的一端配置限位固定件15，或者也可以在两端均配置限位固定件15，限位固定件15具体可以是螺母，利用限位固定件15对侧壁内壁183或者外壁181进行限位。可以通过在第一燃料管13的周向表面加工出标准螺纹作为螺纹132，该标准螺纹不仅可以作为限位固定件15的螺纹连接结构，还可以形成上述扰流纹路，以增加空气湍流度。相当于利用一次成型的标准螺纹同时起到了两个作用。

在一个具体的实施例中，燃烧器组件1还包括第二旋流器16，第二旋流器16可以是轴向旋流器，并作为值班第二旋流器16具有第二空气通道T2，第二空气通道T2的出气口可以沿轴向L；具体地，第二旋流器16包括第二旋流叶片163、位于上游的进口通道围壁162和位于下游的出口段围壁161，其中，进口通道围壁162和出口段围壁161围成上述第二空气通道T2，第二旋流组件163位于第二空气通道T2中，具体可以位于进口通道围壁162和出口段围壁161的连接处，用于对经过第二空气通道T2的空气或者混合气体形成旋流；空气经过第二旋流组件163产生旋流低速区，从而使值班火焰牢牢的锚定在第二空气通道T2的出气口。第一旋流器18可以是径向旋流器，第一空气通道T1环绕第二空气通道T2，第二空气通道T2的出气口环绕第一空气通道T1的出气口，并且朝向沿轴向L。内壁183的进气方向和出气方向可以大致呈90度折角，折角位置呈倒圆角过渡，外壁181可以具有与内壁183类似的形状，外壁181和内壁183沿轴向L排列，并在两者之间形成环形分布的第一空气通道T1，第一空气通道T1的进气口方向在径向R上背离第二空气通道T2，空气经上述进气口进入第一空气通道T1，在第一空气通道T1内与第一燃料管13喷出的燃料混合，并经第一空气通道T1内的第一旋流组件183旋流后，从第一空气通道T1内喷出时大致沿轴向L喷出。可理解的是，外壁181可以采用收缩的流线型型线壁面，增加第一空气通道T1内气流速度，降低停留时间，以应对可能含氢气造成的火焰回火情况，使燃烧器组件具有燃用低比例含氢气燃料的能力；外壁181也可以采用扩散的流线型型线壁面。第一燃料管13沿轴向L延伸，以便于贯穿上述沿轴向L分布的内壁183和外壁181。外壁181、第一旋流组件182和内壁183可以依次焊接固定。第一旋流组件183中的第一旋流叶片以及第二旋流组件163中的第二旋流叶片均可以采用机翼型叶片或弯曲叶片。

在一个具体的实施例中，燃烧器组件1还包括环绕第二空气通道T2且与第二空气通道T2的外壁(如进口通道围壁162)固定的环形燃料腔室19，以及与环形燃料腔室19连通的燃料供应管12，通过轴向L延伸的燃料供应管12向环形燃料腔室19内供应燃料，供应管12具体可以是与环形燃料腔室19的后壁面191连接，燃料可以是气体，气体燃料在环形燃料腔室19分散开；第一燃料管13的一端与环形燃料腔室19固定连接并连通，另一端通过螺纹132与限位固定件15连接，以将第二空气通道T2的相对的两个侧壁夹持固定。环形燃料腔室19同时对第一燃料管13起到固定作用，以及向第一燃料管13供应燃料的作用。

在一个具体的实施例中，第一燃料管13的数量为多个(如12至24个)，且多个第一燃料管13环绕第二空气通道T2间隔分布，以在周向上对内壁183和外壁181的不同位置进行固定，同时在周向上的不同角度向第一空气通道T1内供应燃料。此外，每个第一燃料管13均与环形燃料腔室19固定并连通，环形燃料腔室19的环形分布方式对环形方向上不同的第一燃料管13起到固定和供应燃料作用。

主燃燃料从主燃燃料的燃料供应管12进入环形燃料腔室19，从环形燃料腔室19分配到多个第一燃料管13后从第一燃料孔131喷射而出，与空气进行预混合。

在一个具体的实施例中，第一旋流器18的数量为多个，多个第一旋流器18沿轴向L层叠设置，每个第一燃料管13依次贯穿多个第一空气通道T1，即第一燃料管13同时贯穿上述多个第一旋流器18的轴向上相对排布的侧壁。第一燃料管13可以同时对多个第一旋流器18进行固定，结构简单、稳固，同时，其表面螺纹132形成的扰流纹路可以分别在各个第一空气通道T1内形成湍流。在图5中，在限位固定件15和环形燃料腔室19之间设置了两个第一旋流器18，增加了径向分级级数，创造不同旋流强度和燃料浓度的两级径向旋流器。其中，第一燃料管13的长度也需要相应加长，第一燃料孔131的开孔数量也相应增加。不同的第一旋流器18可采用不同旋流数的第一旋流组件182，以及采用不同燃料浓度配比，能够增加燃烧室工况适应性、可调节性和燃料适应性。

该采用双级径向旋流器的燃烧器可应用于燃气轮机的低排放燃烧装置。

在一个具体的实施例中，每相邻两个第一空气通道T1共用一个侧壁。具体地，在图5中，位于轴向L上外侧的第一旋流器18包括内壁185和外壁184，内壁185和外壁184之间围成一个第一空气通道T1，两个第一空气通道T1内设有第一旋流组件182，第一旋流组件182包括多个第一旋流叶片，以用于对空气或者混合气体进行旋流作用，外侧的第一旋流器18的内壁185与内侧的第一旋流器18的外壁181由同一个侧壁形成，如此，便于简化第一旋流器18的结构。

在一个具体的实施例中，燃烧器组件1还包括第二燃料管11和头部点火器17，第二燃料管11位于第二空气通道T2内，第二燃料管11的周向表面(或者称为圆柱面)分布有多个第二燃料孔111；第二空气通道T2内设有叶片组件(具体可以参考第二旋流组件163，第二旋流组件163包括多个第二旋流叶片)，第二燃料孔111位于上述叶片组件(可以参考第二旋流组件163)的上游，头部点火器17的点火端位于第二燃料孔111处。第二旋流组件163对进入第二空气通道T2的空气进行旋流处理，形成旋流的空气与第二燃料孔111喷出的燃料充分混合，形成混合气体，便于形成半预混的燃烧方式，有利于稳定火焰，相比于现有的扩散值班燃烧器，在强化了燃烧混合的同时显著降低了NOx排放；具体地，第二燃料管11的圆柱面上可以沿周向均匀布置6至10个第二燃料孔111。一般的燃机由于几何尺寸较小，点火器放置于火焰筒侧壁，距离燃烧器燃料喷孔距离远，存在启动阶段时点火成功率不够高和点火边界不够宽的问题，在因故障熄火后由于点火器位置导致重新点火困难。本申请实施例中，头部点火器17能够增加点火成功率和点火边界宽度，在出现意外熄火的时候瞬间对第二燃料孔111喷出的值班燃料进行重新点燃，降低点火故障率提高机组安全性。例如，头部点火器17的前端放置在第二燃料孔111的上方，燃料气经过值班燃料孔111喷射进第二空气通道T2，掠过头部点火器17被点燃后产生稳定的值班火焰。第二燃料管11的值班燃料作为稳燃的同时负担点火的作用，增加常规点火和热启动点火成功率。第二旋流器16和第二燃料孔111作为第二燃烧器的核心部件。第一燃烧器和第二燃烧器是具有独立空气及燃料通道的两个燃烧器。

在一个具体的实施例中，第一燃料孔131在第一燃料管13的表面开口处形成有沉孔133，沉孔133的内径大于第一燃料孔131的内径。每个第一燃料管13沿轴向L左右每侧布置2至4个第一燃料孔131，两侧共4至8个第一燃料孔131。第一燃料孔131在靠近螺纹132的表面有沉孔133，燃料在经第一燃料孔131喷出时由于沉孔133的孔径相对于第一燃料孔131增加，燃料喷射速度降低，射流深度较小，在流出第一燃料管13时与第一燃料管13表面的螺纹132产生的湍流度高的空气充分混合，而不是直接射流到第一旋流组件182的第一旋流叶片上。第一旋流组件182的第一旋流叶片的安装角度α介于40°和70°之间，可随着燃料成分变化对角度α进行调整，控制燃料空气的混合气在第一空气通道T1内的停留时间。

本申请实施例基于干式低排放燃烧贫燃预混概念提供了一种双点火器的燃烧室，能够燃用常规天然气、含氢燃气、油田伴生气和中高热值合成气等。

基于相同的发明构思，本申请实施例还提供一种燃烧装置，该燃烧装置包括机匣组件2、火焰筒组件3和上述实施例提供的燃烧器组件1，火焰筒组件3位于机匣组件2内，火焰筒组件3作为火焰的容器，其头部的开口对接于第一空气通道T1的出气口。机匣组件2的内侧壁设有侧壁点火器21，侧壁点火器21的前端与火焰筒组件31的内壁面齐平，用于点燃火焰筒组件31内空气燃气混合气。

第一空气通道T1燃气空气混合气通过第一空气通道T1的出气口进入火焰筒组件3进行燃烧，火焰筒组件3的前端沿周向均匀开火焰筒冷却气膜孔32降低火焰筒前端壁面热负荷。火焰筒组件3头部的火焰筒前锥段33能够产生外部角回流区稳定火焰形态，并持续为燃烧器出来的未燃混气提供热量使其快速引燃。

通过螺栓将燃烧器组件1、燃烧室机匣组件2和火焰筒组件3连接，其中火焰筒组件2的前端设有火焰筒安装孔板31，火焰筒安装孔板31可以充当安装固定的功能，被燃烧器组件1的燃烧器头部法兰14与机匣法兰22夹在中间。整个火焰筒组件3的头部靠着火焰筒安装孔板31进行固定。

火焰筒安装孔板31的设有孔排34，在起到安装作用的同时还可以调节空气比例，通过密布孔排34吸收能量降低空气压力波动，并降低燃烧震荡的发生的可能性。燃烧器组件1所需的空气经过火焰筒安装孔板31上的一排或多排进气孔排34进入燃烧器组件1。

第二空气通道T2的头部为喇叭口，其内壁与燃烧器头部法兰14形成开口沿径向R的开口，燃烧室机匣组件2和火焰筒组件3之间的来流空气经过火焰筒安装孔板31上的进气孔排34一大部分进入第一空气通道T1，另一少部分进入第二空气通道T2。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种燃烧器组件，其特征在于，包括：第一旋流器和第一燃料管，所述第一旋流器具有第一空气通道，所述第一燃料管位于所述第一空气通道内；

所述第一燃料管的表面分布有扰流纹路和多个第一燃料孔。

2.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述第一燃料管贯穿所述第一空气通道的相对的两个侧壁，所述第一燃料管的周向表面分布有螺纹；

所述第一燃料管的螺纹位于两个所述侧壁之间的部分形成所述扰流纹路；

所述第一燃料管的至少一端通过所述螺纹连接有限位固定件。

3.根据权利要求2所述的燃烧器组件，其特征在于，还包括第二旋流器所述第二旋流器具有第二空气通道；

所述第一空气通道环绕所述第二空气通道，所述第二空气通道的进气口朝向背离所述第二空气通道的方向，所述第二空气通道的出气口环绕所述第一空气通道的出气口，所述第一燃料管沿轴向延伸。

4.根据权利要求3所述的燃烧器组件，其特征在于，还包括环绕所述第二空气通道且与所述第二空气通道的外壁固定的环形燃料腔室；

所述第一燃料管的一端与所述环形燃料腔室固定连接并连通，另一端通过所述螺纹与所述限位固定件连接，以将所述第二空气通道的相对的两个所述侧壁夹持固定。

5.根据权利要求3所述的燃烧器组件，其特征在于，所述第一燃料管的数量为多个，且多个所述第一燃料管环绕所述第二空气通道间隔分布。

6.根据权利要求3所述的燃烧器组件，其特征在于，所述第一旋流器的数量为多个，多个所述第一旋流器沿轴向层叠设置，每个所述第一燃料管依次贯穿多个所述第一空气通道。

7.根据权利要求6所述的燃烧器组件，其特征在于，每相邻两个所述第一空气通道共用一个所述侧壁。

8.根据权利要求3所述的燃烧器组件，其特征在于，还包括第二燃料管和头部点火器，所述第二燃料管位于所述第二空气通道内，所述第二燃料管的周向表面分布有多个第二燃料孔；

所述第二空气通道内设有叶片组件，所述第二燃料孔位于所述叶片组件的上游，所述头部点火器的点火端位于所述第二燃料孔处。

9.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述第一燃料孔在所述第一燃料管的表面开口处形成有沉孔，所述沉孔的内径大于所述第一燃料孔的内径。

10.一种燃烧装置，其特征在于，包括机匣组件、火焰筒组件和权利要求1至9任一项所述的燃烧器组件，所述火焰筒组件位于所述机匣组件内，所述火焰筒组件的开口对接于所述第一空气通道的出气口。