专利名称：一种多涡旋燃烧方法
技术领域：
本发明涉及一种针对各种热值气体燃料在有限空间燃烧的方法，属于气体燃料燃烧的稳燃技术，特别是针对那些热值不高的燃气，火焰传播速度低的燃气，通过燃烧的流动组织来提升低工况的燃烧稳定性。
背景技术：
宽广的稳定工作范围是燃烧装置的一项重要性能指标。稳定工作范围受到燃烧室总压损失、出口温度要求及贫、富油熄火边界的限制。所有工作点必须落在所规定的稳定范围之内。燃烧室贫熄性能是燃烧稳定性研究的重要内容。国内外对贫熄方面问题做了较多相关研究，在通过气体的流动过程的合理组织来提升燃烧稳定性方面，一般采用的仍然是旋流杯燃烧头部，也就是如图1所示的常用的典型旋流杯燃烧室的单涡旋燃烧方法。其主燃区的气流组织包括旋流杯旋转气流喷射、进入主燃区时的突扩及来自主燃孔的空气对向喷射。涡旋区的主要作用之一是给可燃新鲜混合气体提供连续点火源(高温烟气)，以便在点火器不工作时连续点火和稳定燃烧。此型的特点是回流区域和回流量过大，影响了低工况时的燃烧稳定性。而本发明就是针对此进行改善，提升低工况燃烧稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高中低热值气体燃料低工况燃烧稳定性的方法。基于对此类中低热值气体燃烧特性的研究，提供一种在有限空间内具有较好贫熄特性的、燃烧效率较高的多涡旋燃烧方法。为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为一种多涡旋燃烧方法，用以改善燃烧室的贫熄特性并提高燃烧效率，所述燃烧室具有燃烧室头部和火焰筒，其特征在于，在所述燃烧室头部壁面11的中部设置中间旋流装置1，在所述中间旋流装置I的两侧对称设置至少两个侧旋流装置2、3，在距离所述燃烧室头部一定距离处的所述火焰筒的壁面上设置至少一对相对所述燃烧室的中轴线对称设置的对喷空气孔7、8，使燃烧室头部助燃空气从所述中间旋流装置I和所述至少两个侧旋流装置2、3同时进入燃烧室；使燃料气从所述中间旋流装置I进入燃烧室，或同时从所述中间旋流装置I和所述至少两个侧旋流装置分别进入燃烧室；所述助燃空气和燃料气在进入燃烧室之前，沿程互相扩散和掺混，使辅助空气从所述至少一对对喷空气孔对向喷入所述火焰筒，在对喷辅助空气流的辅助下，在燃烧室中靠近各旋流装置的出口位置形成多个紧邻的回流涡旋区，所述燃料气和助燃空气在生成的所述多个紧邻的回流涡旋区中的一个或多个中燃烧，涡旋区之间可以相互迅速传递火焰，且当一个涡旋区点着火，会迅速引燃其它涡旋区。进一步地，所述燃料气和助燃空气在多涡旋区内进行燃烧后成为上已燃烧气体9和下已燃烧气体10，未燃烧完全的成分在上对喷空气7和下对喷空气8的作用下在流场下游区域燃烧完全。优选地，所述中间旋流装置I和各侧旋流装置2、3可以是轴向旋流器，也可以是径向旋流器，或者是其组合。优选地，燃料气通过中间旋流装置I的径向旋流器的槽道时和同样从中间旋流装置I的径向旋流器的槽道进入的助燃空气边扩散边掺混，成为半预混可燃气体，随后进入中间涡旋区4燃烧。优选地，当燃料量较大时，燃烧区域从中间涡旋区4扩展到各个侧涡旋区5、6 ;当燃料量减小时，各个侧涡旋区5、6内不再燃烧，燃烧退缩到中间涡旋区4稳定进行。优选地，各旋流装置可以是单级旋流也可以是双级旋流或多级旋流。优选地，点火器置于靠近中间旋流装置I点火，或置于靠近侧旋流装置2、3点火。优选地，所述多个紧邻的回流涡旋区包括中间涡旋区4和至少两个侧涡旋区5、6。优选地，所述至少两个侧旋流装置包括至少一上侧旋流装置2和至少一下侧旋流装置3，相应地所述至少一对对喷空气孔包括至少一上对喷空气孔7和至少一下对喷空气孔8，形成的所述至少两个侧涡旋区5包括至少一上侧涡旋区5和至少一下侧涡旋区6。优选地，所述燃料气通过旋流装置的旋流器进入，或通过喷嘴或大量喷射小孔进入。优选地，本发明的多涡旋燃烧方法尤其适用于中低热值气体燃料在有限空间内的燃烧，有利于提升其低工况燃烧稳定性。本发明的多涡旋燃烧方法中，由于旋流的离心作用，会在紧邻旋流装置的下游中心形成低压区，形成负压力梯度，使得后部的气流回流形成涡旋区域。在上对喷空气7和下对喷空气8的辅助下，燃烧室头部附近形成多个紧密相邻的回流涡旋区域中间涡旋区4、上侧涡旋区5、下侧涡旋区6。燃料进入涡旋区域的路径是可以从中间旋流装置进入，也可以同时从中间旋流装置和侧旋流装置分别进入；进入的方式可以是通过旋流器进入，也可以是通过喷嘴或大量喷射小孔进入。进入之前，燃料和空气沿程互相扩散和掺混，整体来说，属于半预混燃烧方式，也有利于降低污染物排放。这样，燃料气和助燃空气在生成的一个或多个回流涡旋中燃烧，并且由于各个涡旋紧邻，涡旋之间可以相互迅速传递火焰，有利于燃烧稳定。而且，当一个涡旋区点着火，会迅速引燃其他涡旋区。同时，这种不同于旋流杯燃烧室单涡旋区的多涡旋区域流动结构，分散了大股回流对于火焰稳定的冲击，当一个涡旋区熄火时，如果其他涡旋区着火条件仍然存在，其他涡旋区仍然可以稳定燃烧，从而改善贫熄性能，提升低工况的燃烧稳定性。燃料和空气在多涡旋区内进行燃烧后，成为完全燃烧或者大部分已经燃烧的上已燃烧气体9和下已燃烧气体10。未燃烧完全的成分在上对喷空气7和下对喷空气8的作用下在流场下游区域燃烧完全。本发明利用了把单个涡旋区域分为多个涡旋区域的方法，燃料与助燃空气不断扩散和掺混后进入各个涡旋区域分别进行燃烧，每个涡旋都分流了一部分来自于上对喷空气7和下对喷空气8形成的大股回流，从而减弱了大股回流对于单个涡旋内燃烧稳定的冲击，增强了燃烧稳定性。本发明适用于中低热值气体燃料在有限空间内的燃烧，有利于提升其低工况燃烧稳定性。根据本发明的另一方面，还提供了一种实施本发明的多涡旋燃烧方法的燃烧装室，包括燃烧室头部和火焰筒，其特征在于，所述燃烧室头部壁面11的中部设置有中间旋流装置1，在所述中间旋流装置I的两侧对称设置有至少两个侧旋流装置2、3，在距离所述燃烧室头部一定距离处的所述火焰筒的壁面上设置有至少一对相对所述燃烧室的中轴线对称设置的对喷空气孔7、8。优选地，所述中间旋流装置I和各侧旋流装置2、3可以是轴向旋流器，也可以是径向旋流器，或者是其组合。 优选地，各旋流装置为单级旋流或双级旋流或多级旋流。优选地，点火器置于靠近中间旋流装置I处，或置于靠近侧旋流装置2、3处。优选地，所述至少两个侧旋流装置包括至少一上侧旋流装置2和至少一下侧旋流装置3，相应地所述至少一对对喷空气孔包括至少一上对喷空气孔7和至少一下对喷空气孔8。
图1是常用的单涡旋燃烧方法示意图。图2是多涡旋燃烧方法示意图。图3是实施例子多涡旋燃烧室的多个涡旋燃烧区域分布的实验照片。图4是实施例子多涡旋燃烧室从多个涡旋燃烧区域随着工况改变而变成了单个涡旋燃烧区域的实验照片。附图中组件符号说明I中间旋流装置，2上侧旋流装置，3下侧旋流装置，4中间涡旋区，5上侧涡旋区，6下侧涡旋区，7上对喷空气孔，8下对喷空气孔，9上已燃烧气体，10下已燃烧气体，11头部壁面
具体实施例方式本发明是针对中低热值燃料气在有限空间稳定燃烧而提供的一种高效低污染多涡旋燃烧方法。本发明适用于中低热值燃料气在低工况时改善燃烧稳定性。为实现上述发明内容，使燃烧室头部助燃空气从安装在头部壁面11上的中间旋流装置I和上侧旋流装置2以及下侧旋流装置3进入，如图2所示。中间旋流装置1、侧旋流装置2和3可以是轴向旋流器，也可以是径向旋流器，或者是轴向旋流器和径向旋流器的组合，旋流装置可以是单级旋流也可以是双级旋流或多级旋流。在上对喷空气7和下对喷空气8的辅助下，燃烧室头部附近形成多个紧密相邻的回流涡旋区域中间涡旋区4、上侧涡旋区5、下侧涡旋区6。燃料进入涡旋区域的路径是可以从中间旋流装置进入，也可以同时从中间旋流装置和侧旋流装置分别进入；进入的方式可以是通过旋流器进入，也可以是通过喷嘴或大量喷射小孔进入。进入之前，燃料和空气沿程互相扩散和掺混，整体来说，属于半预混燃烧方式，也有利于降低污染物排放。燃料气和助燃空气在生成的一个或多个回流涡旋中燃烧，并且由于各个涡旋紧邻，涡旋之间相互迅速传递火焰。当点火器置于靠近中间旋流装置I点火时，火焰从中间涡旋区4传递给上侧涡旋区5和下侧涡旋区6。当点火器置于靠近侧旋流装置2或者3点火时，火焰从涡旋区5或者涡旋区6传递给中间涡旋区4。多涡旋区域流动结构分散了大股回流对于火焰稳定的冲击，当一个涡旋区熄火后，如果其他涡旋区着火条件仍然存在，其他涡旋区仍然可以稳定燃烧。燃料和空气在多涡旋区内进行燃烧后，成为上已燃烧气体9和下已燃烧气体10。未燃烧完全的成分在上对喷空气7和下对喷空气8的作用下在流场下游区域燃烧完全。以下通过实施例和附图的描叙来进一步说明本发明的特征和特点。实施例1使燃烧室头部助燃空气从安装在头部壁面11上的中间旋流装置I和上侧旋流装置2以及下侧旋流装置3进入，如图2所示。中间旋流装置1、侧旋流装置2和3都采用径向旋流器。在上对喷空气7和下对喷空气8的辅助下，进行低工况实验时燃烧室头部附近形成多个紧密相邻的回流涡旋区域如图3所示的中间涡旋区4、上侧涡旋区5、下侧涡旋区6。燃料通过中间旋流装置I的径向旋流器的槽道时和同样从中间旋流装置I的径向旋流器的槽道进入的空气边扩散边掺混，成为半预混可燃气体，有利于降低污染物排放。随后，燃料气和助燃空气的半预混气进入中间涡旋区4燃烧。由于各个涡旋紧邻，涡旋之间相互迅速传递火焰。当点火器置于靠近中间旋流装置I点火时，火焰从中间涡旋区4传递给上侧涡旋区5和下侧涡旋区6。当点火器置于靠近侧旋流装置2或者3点火时，火焰从涡旋区5或者涡旋区6传递给中间涡旋区4。当燃料量增大时，燃烧区域从中间涡旋区4扩展到上侧涡旋区5和下侧涡旋区6，如图3所示。当燃料量减小时，上侧涡旋区5和下侧涡旋区6内不再燃烧，燃烧退缩到中间涡旋区4稳定进行，如图4所示。这说明多涡旋区域流动结构分散了大股回流对于火焰稳定的冲击，当上侧涡旋区5和下侧涡旋区6熄火后，其他涡旋区仍然可以稳定燃烧。当燃料为甲烷时，呈蓝色火焰，如图3和4所示，这说明燃烧完全程度有保证。进行了多涡旋燃烧的模化实验。实验实测标态数据当保持甲烷流量为15升/分钟，熄火时刻的助燃空气流量为126立方米/小时，可知其贫熄时刻的余气系数为14. 7。进行了与多涡旋燃烧对比的单涡旋燃烧模化实验。实验实测标态数据当保持甲烷流量为15升/分钟，熄火时刻的助燃空气流量为78立方米/小时，可知其贫熄时刻的余气系数为9.1。可见，多涡旋燃烧方法较大地提升了贫熄性能，改善了低工况的燃烧稳定性。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种多涡旋燃烧方法，用以改善燃烧室的贫熄特性并提高燃烧效率，所述燃烧室具有燃烧室头部和火焰筒，其特征在于，在所述燃烧室头部壁面的中部设置中间旋流装置，在所述中间旋流装置的两侧对称设置至少两个侧旋流装置，在距离所述燃烧室头部一定距离处的所述火焰筒的壁面上设置至少一对相对所述燃烧室的中轴线对称设置的对喷空气孔，使燃烧室头部助燃空气从所述中间旋流装置和所述至少两个侧旋流装置同时进入燃烧室；使燃料气从所述中间旋流装置进入燃烧室，或同时从所述中间旋流装置和所述至少两个侧旋流装置分别进入燃烧室；所述助燃空气和燃料气在进入燃烧室之前，沿程互相扩散和掺混，使辅助空气从所述至少一对对喷空气孔对向喷入所述火焰筒，在对喷辅助空气流的辅助下，在燃烧室中靠近各旋流装置的出口位置形成多个紧邻的回流涡旋区，所述燃料气和助燃空气在生成的所述多个紧邻的回流涡旋区中的一个或多个中燃烧，涡旋区之间可以相互迅速传递火焰，且当一个涡旋区点着火，会迅速引燃其它涡旋区。
2.根据权利要求1所述的多涡旋燃烧方法，其特征在于，所述多个紧邻的回流涡旋区包括中间涡旋区和至少两个侧涡旋区。
3.根据权利要求2所述的多涡旋燃烧方法，其特征在于，当燃料量较大时，燃烧区域从中间涡旋区扩展到各个侧涡旋区；当燃料量减小时，各个侧涡旋区内不再燃烧，燃烧退缩到中间涡旋区稳定进行。
4.根据权利要求3所述的多涡旋燃烧方法，其特征在于，所述至少两个侧旋流装置包括至少一上侧旋流装置和至少一下侧旋流装置，相应地所述至少一对对喷空气孔包括至少一上对喷空气孔和至少一下对喷空气孔，形成的所述至少两个侧涡旋区包括至少一上侧涡旋区和至少一下侧涡旋区。
5.根据权利要求4所述的多涡旋燃烧方法，其特征在于，所述燃料气和助燃空气在多涡旋区内燃烧后成为上已燃烧气体和下已燃烧气体，未燃烧完全的成分在上对喷空气和下对喷空气的作用下在流场下游区域燃烧完全。
6.根据上述任一项权利要求所述的多涡旋燃烧方法，其特征在于，所述中间旋流装置和各侧旋流装置可以是轴向旋流器，或径向旋流器，或者是其组合。
7.根据上述任一项权利要求所述的多涡旋燃烧方法，其特征在于，燃料气通过中间旋流装置的径向旋流器的槽道时和同样从中间旋流装置的径向旋流器的槽道进入的助燃空气边扩散边掺混，成为半预混可燃气体，随后进入中间涡旋区燃烧。
8.根据上述任一项权利要求所述的多涡旋燃烧方法，其特征在于，各旋流装置可以是单级旋流也可以是双级旋流或多级旋流。
9.根据上述任一项权利要求所述的多涡旋燃烧方法，其特征在于，点火器置于靠近中间旋流装置点火，或置于靠近侧旋流装置点火。
10.根据上述任一项权利要求所述的多涡旋燃烧方法，其特征在于，所述燃料气通过旋流装置的旋流器进入，或通过喷嘴或大量喷射小孔进入。
全文摘要
本发明公开了一种多涡旋燃烧方法，涉及稳燃技术，用来对工业用、民用燃气燃烧装置以及燃机燃烧室提高低工况稳定性。该方法是使得燃烧室头部助燃空气从安装在头部壁面11上的中间旋流装置1和上侧旋流装置2以及下侧旋流装置3进入，在对喷助燃空气流7和8的辅助下，燃烧室头部附近形成多个回流涡旋区域4、5、6。燃料气和助燃空气在生成的一个或多个回流涡旋中燃烧，并且互相之间传递火焰。本多涡旋燃烧方法的主要特点是能实现多个燃烧涡团在头部附近流动区域的自由过渡和缩放，以适应燃料量或空气量的改变，保持稳定燃烧，提高贫熄性能。
文档编号F23R3/12GK103032891SQ20131000091
公开日2013年4月10日 申请日期2013年1月4日 优先权日2013年1月4日
发明者袁怡祥, 谭春青, 谢鹏福, 曹文宇, 曾德堂, 陈聪, 余超, 詹德君, 高庆, 陈海生 申请人:中国科学院工程热物理研究所