一种沼气旋流预混喷嘴装置 |
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| 申请号 | CN201610880513.5 | 申请日 | 2016-10-09 | 公开(公告)号 | CN106545887A | 公开(公告)日 | 2017-03-29 |
| 申请人 | 上海交通大学; | 发明人 | 王玉璋; 翁一武; 刘闳钊; 翁史烈; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种沼气旋流预混 喷嘴 装置，包括混合管、沼气管、配气件和连接附件，混合管位于喷嘴下方，上部开设有2n个空气孔，顶部与沼气管底部 焊接 ，配气件上开设有N个沼气孔，安装在混合管与沼气管之间，连接附件位于最上方，与沼气管顶部焊接。与 现有技术 相比，本发明能够产生旋流的效果，并增大空气与沼气气流相 接触 的范围，从而达到沼气与空气充分混合、分布均匀的目的。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种沼气旋流预混喷嘴装置，其特征在于，该装置包括混合管、沼气管、配气件和连接附件， |
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| 说明书全文 | 一种沼气旋流预混喷嘴装置技术领域背景技术[0002] 喷嘴是微型燃气轮机燃烧设备的重要部件。随着分布式供能技术的发展，微型燃气轮机在工业中得到了大量的应用。燃烧效率和尾气排放是衡量微型燃气轮机性能的重要指标，而喷嘴的结构直接影响这些性能指标，因此喷嘴设备受到了人们的广泛重视。目前工业中广泛采用的喷嘴多为多层环管结构或者其它复杂结构，以实现燃气与空气的均匀混合。 [0003] 经对现有文献检索发现，申请号为201420562304.2的中国专利公开了燃气轮机燃烧室双环型预混燃料喷嘴，该技术包括：中心椎体、分流壳、导流壳和径向燃料管。中心椎体为中空结构，作为燃料通道；分流壳套在中心椎体的外围，并与中心椎体同轴布置；导流壳套在分流壳的外围，且与分流壳同轴布置；径向燃料管穿过分流壳，设置在中心椎体与导流壳之间，并设有燃料喷射孔。通过分配燃料及控制空气的流动，产生掺混效果。该技术结构复杂，多个部件之间配合不够紧凑，影响使用寿命且更换较困难。 [0004] 申请号为201320155736.7的中国专利一种两级径向贫燃预混式低排放燃气喷嘴，该技术包括壳体和旋流器。壳体内设有气流通道并连接压出器，压出器处于旋流器内，端面均布有出气孔。旋流器上处于压出器的外围为环形腔，壳体上设有与环形腔相通的燃气进气通道，旋流器上设有与环形腔相通的燃气排气通道。该技术燃气与空气缺乏明显的对流冲击，预混的效果存在缺陷，难以达到理想的均匀度。 发明内容[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于微型燃气轮机负荷为40～80kW的沼气旋流预混喷嘴装置。本发明主体为圆管结构，沼气与空气分别通过沼气孔与空气孔进入喷嘴，相互混合后经由喷嘴出口进入微型燃气轮机燃烧室。空气孔采用切向钻孔设计，产生旋流的效果，并增大空气与沼气气流相接触的范围，从而达到沼气与空气充分混合、分布均匀的目的。 [0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： [0007] 一种沼气旋流预混喷嘴装置，包括混合管、沼气管、配气件和连接附件，[0008] 混合管位于喷嘴下方，上部开设有2n个空气孔，顶部与沼气管底部焊接，混合管的外径取值范围为：19.74mm≤d≤30.33mm，混合管的长度取值范围为：1.8d≤L≤6.2d，混合管的厚度取值范围为：0.05d≤s≤0.1d，其中：L为混合管长度，d为混合管外径，s为混合管厚度。 [0009] 所述的配气件上开设有N个沼气孔，安装在混合管与沼气管之间； [0010] 所述的连接附件位于最上方，与沼气管顶部焊接。 [0011] 沼气管的外径取值范围为：0.98d≤dm≤1.02d，沼气管的长度取值范围为：2.5d≤Lm≤2.9d，沼气管的厚度取值范围为：0.05d≤sm≤0.1d，其中：dm为沼气管外径，Lm为沼气管长度，sm为混合管厚度，d为混合管外径。 [0012] 所述的空气孔分为上下两排，每排各有n个空气孔，每排内相邻两个空气孔的轴线夹角为360°/n；上下排相邻两个空气孔的轴线夹角为180°/n。 [0013] 空气孔的直径取值范围为：0.19d≤dah≤0.4d，其中：dah为空气孔直径，d为混合管外径，空气孔的直径对喷嘴内预混性能起决定性作用，而且该尺寸会影响空气孔的尺寸。上排空气孔的轴线所在平面与混合管底部平面间距的取值范围为：1.31d≤xae≤5.72d，其中：xae为平面间距，d为混合管外径。下排空气孔的轴线间距取值范围为：0.18d≤xda≤0.41d，其中：xda为轴线间距，d为混合管外径。 [0014] 空气孔的轴线与混合管的轴线相垂直，轴线间距的取值范围为：0.04d≤x2≤0.29d，其中：x2为轴线间距，d为混合管外径。 [0015] n的取值范围为：3≤n≤6。 [0016] 配气件为轴对称结构，上表面为圆锥面，下表面为1/4圆弧绕轴线旋转形成的回转面，圆锥面的半顶角取值范围为：65°≤θ≤75°，其中：θ为圆锥面半顶角。圆弧的半径取值范围为：0.27d≤r1≤0.37d，其中：r1为圆弧半径，d为混合管外径。圆弧的下顶点旋转半径取值范围为：0.02d≤r2≤0.11d，其中：r2为圆弧半径，d为混合管外径。 [0017] 沼气孔与配气件轴线平行，各沼气孔呈圆形均匀分布在配气件上，沼气孔的直径取值为：0.7mm≤dmh≤1.5mm，其中：dmh为沼气孔直径。沼气孔对喷嘴预混性能影响很大，在上述尺寸范围内流动混合性能最好，随着功率增大，只要增加小孔数目，而孔径基本维持不变 [0018] N的取值范围为：8≤N≤16。 [0019] 沼气孔的轴线与配气件轴线间距的取值范围为：0.4d≤xmf≤0.8d，其中：xmf为轴线间距，d为混合管外径。 [0020] 配气件的上、下表面边缘轴向间距的取值范围为：0.14d≤xdp≤0.31d，其中：xdp为轴向间距，d为混合管外径。 [0022] 为了提高微型燃气轮机燃烧室进气的均匀性，优化尾气排放，需要有效组织沼气与空气的混合过程。本发明通过喷嘴结构的设计，将沼气与空气导入不同的通道，均布的沼气孔将沼气气流分为均匀的多股轴向气流，周向布置的空气孔使空气气流呈切向进入喷嘴，沼气与空气以不同的方向和流速相互冲击，充分混合后由喷嘴出口进入燃烧室。 [0023] 与现有技术相比，本发明结构简单合理，沼气与空气混合均匀性好，气流通道稳定，易于维护保养，具有以下优点： [0024] 1、沼气孔与空气孔轴线相互垂直，使两股气流相互冲击，很大程度上提高了沼气与空气混合的均匀性。 [0025] 2、空气孔采用切向钻孔设计，产生旋流效果，并有效增大空气对沼气的冲击面积，有利于两股气流混合均匀。 [0026] 3、沼气孔与空气孔在孔径和数量上按特定比例搭配，使两股气流以设计流速进入混合管，增大气流冲击效果。 [0027] 4、喷嘴管道内径针对不同负荷有多种选择，可保证在不同燃气流量下，燃烧室内的火焰稳定。 [0029] 图1为本发明的结构示意图； [0030] 图2为本发明的剖视结构示意图； [0031] 图3为混合管的结构示意图； [0032] 图4为沼气管的结构示意图； [0033] 图5为配气件的结构示意图； [0034] 图6为连接附件的结构示意图； [0035] 图7为燃料非均匀度在混合管不同截面位置上的变化曲线示意图； [0036] 图8为喷嘴出口气流的PIV测量速度矢量示意图。 具体实施方式[0037] 一种沼气旋流预混喷嘴装置，包括混合管、沼气管、配气件和连接附件，其中，混合管位于喷嘴下方，上部开设有2n个空气孔，3≤n≤6，顶部与沼气管底部焊接，混合管的外径取值范围为：19.74mm≤d≤30.33mm，混合管的长度取值范围为：1.8d≤L≤6.2d，混合管的厚度取值范围为：0.05d≤s≤0.1d，其中：L为混合管长度，d为混合管外径，s为混合管厚度。 [0038] 空气孔分为上下两排，每排各有n个空气孔，每排内相邻两个空气孔的轴线夹角为360°/n；上下排相邻两个空气孔的轴线夹角为180°/n。空气孔的直径取值范围为：0.19d≤dah≤0.4d，其中：dah为空气孔直径，d为混合管外径，上排空气孔的轴线所在平面与混合管底部平面间距的取值范围为：1.31d≤xae≤5.72d，其中：xae为平面间距，d为混合管外径。下排空气孔的轴线间距取值范围为：0.18d≤xda≤0.41d，其中：xda为轴线间距，d为混合管外径。空气孔的轴线与混合管的轴线相垂直，轴线间距的取值范围为：0.04d≤x2≤0.29d，其中：x2为轴线间距，d为混合管外径。 [0039] 配气件上开设有N个沼气孔，8≤N≤16，安装在混合管与沼气管之间；配气件为轴对称结构，上表面为圆锥面，下表面为1/4圆弧绕轴线旋转形成的回转面，圆锥面的半顶角取值范围为：65°≤θ≤75°，其中：θ为圆锥面半顶角。圆弧的半径取值范围为：0.27d≤r1≤0.37d，其中：r1为圆弧半径，d为混合管外径。圆弧的下顶点旋转半径取值范围为：0.02d≤r2≤0.11d，其中：r2为圆弧半径，d为混合管外径。沼气管的外径取值范围为：0.98d≤dm≤ 1.02d，沼气管的长度取值范围为：2.5d≤Lm≤2.9d，沼气管的厚度取值范围为：0.05d≤sm≤ 0.1d，其中：dm为沼气管外径，Lm为沼气管长度，sm为混合管厚度，d为混合管外径。沼气孔与配气件轴线平行，各沼气孔呈圆形均匀分布在配气件上，沼气孔的直径取值为：0.7mm≤dmh≤1.5mm，其中：dmh为沼气孔直径。沼气孔的轴线与配气件轴线间距的取值范围为：0.4d≤xmf≤0.8d，其中：xmf为轴线间距，d为混合管外径。配气件的上、下表面边缘轴向间距的取值范围为：0.14d≤xdp≤0.31d，其中：xdp为轴向间距，d为混合管外径。 [0040] 连接附件位于最上方，与沼气管顶部焊接，连接附件包括固定圆盘和螺纹管两部分，所述的固定圆盘带有螺栓孔，将喷嘴装置固定在微型燃气轮机上，螺纹管与沼气管道配合连接。 [0041] 下面结合附图对本发明的实施例做详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 [0042] 实施例1 [0043] 如图1和图2所示，本实施例包括：混合管1、沼气管2、配气件3和连接附件4，其中：混合管1顶部与沼气管2底部相焊接，沼气管2顶部焊接在连接附件4的底部，配气件3安装于混合管1和沼气管2之间。 [0044] 混合管1的结构如图3所示，其长度为混合管外径的4倍，厚度为外径的0.06倍；其上有两排共8个空气孔，孔径为外径的0.25倍；每排相邻两个空气孔的轴线夹角为90°，轴线与混合管轴线间距为外径的0.29倍；上下排相邻两个空气孔的轴线夹角为45°，轴线间距为外径的0.3倍；上排空气孔轴线与混合管底部间距为外径的3.2倍。 [0045] 沼气管2的结构如图4所示，其外径与混合管外径相同，长度为外径的2.8倍，厚度为外径的0.06倍。 [0046] 配气件3的结构如图5所示，上表面半顶角为72°，下表面1/4圆弧半径为混合管外径的0.33倍，上、下表面边缘的轴向间距为混合管外径的0.2倍；其上有12个沼气孔，孔径为1.16mm，轴线与配气件轴线间距为混合管外径的0.7倍。 [0047] 连接附件4的结构如图6所示，与沼气管顶部焊接，连接附件4包括固定圆盘和螺纹管两部分，固定圆盘带有螺栓孔，将喷嘴装置固定在微型燃气轮机上，螺纹管与沼气管道配合连接。 [0048] 为了验证该实施例中沼气与空气的混合性能，利用数值计算的方法对额定工况下，混合管不同位置截面上的气体燃料非均匀度进行了分析，并运用PIV技术对喷嘴出口气流进行了测量。其中燃料非均匀度Ns的计算公式为： [0049] [0050] 式中Di为混合管内径；cr为燃料当地摩尔分数；为燃料截面平均摩尔分数，[0051] 本实施例中具体的参数是：混合管直径：25mm，空气体积流量7.67×10-3m3/s，沼气体积流量2.75×10-4m3/s。 [0052] 本实施例得到的喷嘴燃料非均匀度在混合管不同截面位置上的变化曲线示意图如图7所示，图示横坐标表示截面相对于混合管总长的位置，0代表燃气孔出口平面，1代表喷嘴出口平面，由该图可知：喷嘴混合管内燃料非均匀度随着气流向出口流动而逐渐降低，且降低幅度显著。在混合管中段之后，燃料非均匀度下降到0.3以下，沼气与空气已达到均匀混合的效果。 [0053] 本实施例得到的喷嘴出口气流PIV测量速度矢量示意图如图8所示，由该图可知：喷嘴出口气流稳定，流速保持在20m/s左右，保证了燃烧室内沼气燃烧火焰的形态稳定，使其维持在燃烧室中部，不扫掠到燃烧室壁面。 [0054] 实施例2 [0055] 一种沼气旋流预混喷嘴装置，包括混合管、沼气管、配气件和连接附件，混合管位于喷嘴下方，上部开设有6个空气孔，顶部与沼气管底部焊接，配气件上开设有8个沼气孔，安装在混合管与沼气管之间，连接附件位于最上方，与沼气管顶部焊接。 [0056] 接下来对各组件构成做进一步的说明：空气孔分为上下两排，每排各有3个空气孔，每排内相邻两个空气孔的轴线夹角为120°；上下排相邻两个空气孔的轴线夹角为60°。空气孔的轴线与混合管的轴线相垂直，保证空气孔与混合管内壁相切，轴线间距为0.04d，空气孔的直径为0.19d，其中d为混合管外径。配气件为轴对称结构，上表面为圆锥面，下表面为1/4圆弧绕轴线旋转形成的回转面。沼气孔与配气件轴线平行，各沼气孔呈圆形均匀分布在配气件上，沼气孔的直径为0.7mm。连接附件包括固定圆盘和螺纹管两部分，所述的固定圆盘带有螺栓孔，将喷嘴装置固定在微型燃气轮机上，所述的螺纹管与沼气管道配合连接。 [0057] 实施例3 [0058] 一种沼气旋流预混喷嘴装置，包括混合管、沼气管、配气件和连接附件，混合管位于喷嘴下方，上部开设有12个空气孔，顶部与沼气管底部焊接，配气件上开设有16个沼气孔，安装在混合管与沼气管之间，连接附件位于最上方，与沼气管顶部焊接。 [0059] 接下来对各组件构成做进一步的说明：空气孔分为上下两排，每排各有6个空气孔，每排内相邻两个空气孔的轴线夹角为60°；上下排相邻两个空气孔的轴线夹角为30°。空气孔的轴线与混合管的轴线相垂直，保证空气孔与混合管内壁相切，轴线间距为0.29d，空气孔的直径为0.4d，其中d为混合管外径。配气件为轴对称结构，上表面为圆锥面，下表面为1/4圆弧绕轴线旋转形成的回转面。沼气孔与配气件轴线平行，各沼气孔呈圆形均匀分布在配气件上，沼气孔的直径为1.5mm。连接附件包括固定圆盘和螺纹管两部分，所述的固定圆盘带有螺栓孔，将喷嘴装置固定在微型燃气轮机上，所述的螺纹管与沼气管道配合连接。 |
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