[发明专利]一种高压可视化燃烧器

说明书

本发明公开了一种高压可视化燃烧器，包括燃烧器头部、外壳体和内筒，内筒安装于外壳体内，燃烧器头部安装于外壳体和内筒的进气端处，内筒和外壳体之间为外腔室，内筒内为燃烧室；外壳体靠近内筒的出气口端处设有空气进口，燃烧器头部设有喉部空气进口，燃烧器头部与内筒连接处留有喉部狭缝空气流道，内筒中段设有掺混空气进口，内筒出气口端与外壳体之间留有尾部狭缝空气流道；靠近内筒的进气口端的筒壁上设有连接引压管的引压孔；外壳体的进气口端处附近设置有可视装置；本发明可实现燃料和空气在高压条件下的燃烧；通过弹性支撑和冷却措施，保证燃烧器内筒强度和接配要求；经过成像设计,实现高压条件下燃烧过程的可视化监测功能。

技术领域

本发明属于燃烧器结构的技术领域，特别是一种高压可视化燃烧器。

背景技术

高压燃烧器作为关键部件之一，应用于各种热能动力设备，例如燃气轮机、高压燃气锅炉、高压燃气发生器。高压燃烧器主要包括燃烧器壳体、燃烧器烧嘴、燃烧室等部分，通过合理组织氧化剂(空气或氧气)和燃料（天然气、燃油、合成气等）的流动和掺混过程，形成燃烧过程分布的空腔，并通过合理的掺混冷却设计，最终形成满足设计要求的高温高压烟气，为动力涡轮等设备提供高温高压气源。燃烧器的性能指标包括燃烧效率、使用寿命、燃烧稳定性、污染物排放等。燃烧过程是一个流动、掺混和化学反应耦合的过程，影响因素复杂，对燃烧器的工艺和结构设计要求较高。燃烧器的设计一般是基于大量的设计经验确定燃烧器的总体方案，结合CFD仿真，设计燃烧器的结构，最终通过大量的实验测试，对燃烧器结构进行优化和定型。

在燃烧器开发过程中，需要解决两个技术问题，

（1）燃烧室的冷却和强度问题。燃烧室提供燃烧过程的空腔，空腔内温度和压力都很高，工作环境恶劣。如果将以天然气为燃料的燃气轮机燃烧室为例，当量下火焰锋面温度可以达到2600K。即便现在普遍采用的贫预混燃烧技术，燃烧区的温度也普遍在1900K以上。目前燃烧筒的设计方案普遍采用燃烧筒分层设计，燃烧器分为内外筒：内筒采用加了高温涂层的耐高温合金材料，并通过合理的冷却设计，用来承受高温；外筒则设计壁厚较大，用来承受高压。即便采用该方案，燃烧室的设计和运行依然存在很大挑战。高温合金的耐受温度一般不超过900℃，采用该方案对冷却设计提出了很高要求，不合理的设计或工况波动都可能影响燃烧室的运行安全。

（2）燃烧器测试和运行过程中的火焰监测问题。因为燃烧过程的复杂性，设计经验和数值仿真往往只能起到辅助作用，最终还需要经过大量的燃烧测试和优化过程，才能完成燃烧室结构的定型。燃烧器能否满足设计要求，很大程度上取决于烧嘴对燃烧的组织过程合理与否。燃烧过程是一个发光的过程，通过可视化测量手段，监测火焰结构，是获得燃烧过程信息，评估燃烧组织效果的最简便、最直接和最准确的手段。

目前已有的高压燃烧器方案，均采用金属材料制造，类似一个黑匣子，具有光学屏蔽性。高压条件下的燃烧试验，往往侧重于压力、温度、NOx排放等可以反映燃烧器性能指标的参数测量，而对燃烧过程本身监测手段很少。因此发展一种高压条件下火焰监测手段和装置，对于了解燃烧组织过程，监测燃烧器运行状态，优化燃烧器设计方案有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压可视化燃烧器，利用该燃烧器可以合理组织燃烧过程，实现燃料和空气在高压条件下的燃烧；选用耐高温材料设计燃烧器内筒，可以承受更高的温度，减小燃烧器对燃烧室冷却设计难度；通过合理的弹性支撑设计和有效的冷却措施，保证燃烧器内筒强度和接配要求；选取石英作为内筒的材料，并经过合理的成像设计，实现高压条件下，燃烧过程的可视化监测功能。

本发明的技术方案为：