本公开属于燃烧装置技术领域，涉及一种径向燃烧器及其自动控制方法。
背景技术：
燃气轮机由于单机体积小和输出功率大等特点，广泛应用于电力、航空、石油化工等行业。由于能源危机和环境恶化，急需发展高效清洁燃烧室，要求燃烧室具有点火可靠、燃烧稳定、效率高及低排放等特性。当前我国环境污染问题十分严重，发展燃气轮机清洁燃烧技术十分迫切。燃气轮机厂商已经开发了多种清洁燃烧技术，如贫预混燃烧技术、稀相预混预蒸发技术、贫油直喷技术以及催化燃烧技术等，这些技术虽然可以有效降低污染物的排放，但都面临燃烧不稳定的问题。如美国通用公司开发的一种用于液体燃料燃烧的径向分级燃烧技术，可以有效降低一氧化氮排放。但是，由于主火焰稳定在剪切层的低速边沿，剪切层低速区域附近会产生周期性的涡脱落，在稳定点附近易产生振荡，在非设计工况运行时易发生燃烧不稳定现象。
与燃气轮机燃烧器类似，锅炉、化工炉等各种类型的工业燃烧器也面临着稳定燃烧与降低污染物排放的矛盾。因此，如何在降低污染物的同时能够提高燃烧的稳定性成为亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种径向燃烧器及其自动控制方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种径向燃烧器，包括：燃烧器外壳，具有一空气入口；燃烧器内壳，具有一燃料入口和若干燃料喷孔；燃烧器外壳与燃烧器内壳之间形成混合物流道，该混合物流道与燃料喷孔相通，供空气和燃料掺混；内壳空间隔板，将燃烧器内壳围成的空间分割为燃料稳压腔和控制机构安装腔；步进电机，位于控制机构安装腔中；底座，固定于燃烧器内壳上，其内具有一凹槽，其上设置有弯曲叶片，该弯曲叶片使混合物流道的流体进行向心运动和圆周运动的复合运动；以及可调节圆筒，插入底座的凹槽中，穿过底座与步进电机驱动的螺杆上的螺纹配合，该可调节圆筒具有一流体入口，步进电机可驱动可调节圆筒向上或向下运动，从而调节底座对流体入口的遮挡面积，实现对可调节圆筒内流体流量的调节。
在本公开的一些实施例中，可调节圆筒的出口处设置有网孔板，网孔板上面开有与网孔板垂直的圆孔，流体经过网孔板后，运动中的旋转分量将被过滤掉，而变成平直运动。
在本公开的一些实施例中，可调节圆筒的入口处设置有挡板，该挡板可消除进入可调节圆筒流体的周向运动。
在本公开的一些实施例中，径向燃烧器，还包括：外管，设置于可调节圆筒的外周，可调节圆筒将该径向燃烧器的出口流道分为外圈流道和中间流道，其中，可调节圆筒与外管之间具有外圈流道，可调节圆筒内部具有中间流道。
在本公开的一些实施例中，可调节圆筒的出口与外管出口之间的距离大于零。
在本公开的一些实施例中，燃烧器外壳和燃烧器内壳在该径向燃烧器的入口附近为半球形的扩张段，而后成为垂直的平直段。
在本公开的一些实施例中，径向燃烧器受到一自动控制系统的控制，该自动控制系统包括：单片机，具有一输入端和输出端；以及火焰稳定性监测探头，位于径向燃烧器的流体出口处；其中，该输入端与火焰稳定监测探头相连，该输出端与步进电机相连。
在本公开的一些实施例中，可调节圆筒包括：外壁，该外壁的底部设置有流体入口，外壁插入底座的凹槽中；圆柱体，外周具有螺纹，底座上对应设置有内螺纹，该圆柱体的螺纹与底座上的内螺纹相互咬合，并且该圆柱体的螺纹与步进电机驱动的螺杆上的螺纹也相互咬合；椎体，位于圆柱体上部，与外壁通过多个支撑圆柱相连接；以及圆柱加强筋，设置于多个支撑圆柱之上，以增大支撑圆柱之间的连接强度；其中，在满足强度要求的情况下，通过改变支撑圆柱的数量和直径，从而调节可调节圆筒内流体的流量和湍流度。
在本公开的一些实施例中，可调节圆筒的中部具有中间燃料管，该中间燃料管贯通可调节圆筒的椎体及其下部的圆柱体、以及内壳空间隔板，一端指向燃料稳压腔的燃料入口，一端指向该径向燃烧器外管的出口；中间燃料管固定在可调节圆筒上，随着可调节圆筒一起运动，从而改变中间燃料管与燃料稳压腔的燃料入口之间的距离。
根据本公开的另一个方面，提供了一种径向燃烧器的自动控制方法，包括：当监测到径向燃烧器出口处的火焰远离喷嘴出口，出现吹熄趋势时，发出指令控制步进电机驱动可调节圆筒向下运动，使可调节圆筒的流体入口的面积减小，从而减小进入可调节圆筒的流体流量和流速，防止火焰被吹熄；以及当监测到径向燃烧器出口处的火焰靠近喷嘴出口，出现回火趋势时，发出指令控制步进电机驱动可调节圆筒向上运动，使可调节圆筒的流体入口的面积增大，从而增大进入可调节圆筒的流体流量和流速，防止发生回火。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的径向燃烧器及其自动控制方法，具有以下有益效果：
通过自动控制机构根据监测的火焰情况，控制步进电机驱动可调节圆筒上下运动，并在可调节圆筒上下运动的过程中，变化可调节圆筒流体入口的面积、燃料管与燃料稳压腔的燃料入口之间的距离、以及可调节圆筒出口与外管出口之间的距离，可以调节进入可调节圆筒气体的流量，进而调节可调节圆筒的无旋流体和外圈流道的有旋流体之间的比例，对燃烧进行精细调控，有效避免熄火和回火情况的发生，提高了喷嘴的燃烧稳定性，降低污染物排放。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的径向燃烧器的三维结构示意图。
图2为根据本公开一实施例所示的径向燃烧器的半剖结构示意图。
图3为根据本公开一实施例所示的径向燃烧器的工作原理示意图。
图4为根据本公开一实施例所示的底座的三维结构示意图。
图5为根据本公开一实施例所示的可调节圆筒的三维结构示意图。
图6为根据本公开一实施例所示的带有网孔板的径向燃烧器的三维半剖结构示意图。
图7为根据本公开一实施例所示的带有中间绕料管的半剖结构示意图。
图8为根据本公开一实施例所示的在可调节圆筒气体入口设置挡板的示意图。
【符号说明】
1-空气入口；2-燃料入口；
3-安装支座；4-燃烧器外壳；
5-燃烧器内壳；6-燃料喷孔；
7-燃料稳压腔；8-混合物流道；
9-内壳空间隔板；10-控制机构安装腔；
11-步进电机；12-螺杆；
13-底座；
13_1-底座上的内螺纹；13_2-凹槽；
13_3-底座上的外螺纹；
14-弯曲叶片；15-上盖；
16-外管；17-外圈流道；
18-中间流道；
19-可调节圆筒；
19_1-可调节圆筒流体入口；19_2-可调节圆筒螺纹；
19_3-可调节圆筒入口下边框；19_4-支撑圆柱；
19_5-圆柱加强筋；19_6-椎体；
19_7-外壁；
20-单片机；
20_1-单片机输出端；20_2-单片机输入端；
21-火焰稳定性监测探头；22-进入叶片之间通道的流体；
23-通过中间圆筒入口的流体；24-进入外圈流道的流体；
25-进入中间流道的流体；26-中间燃料管；
27-网孔板；28-燃料稳压腔的燃料入口；
29-可调节圆筒气体入口挡板。
具体实施方式
本公开提供了一种径向燃烧器及其自动控制方法，通过自动控制机构根据监测的火焰情况，控制步进电机驱动可调节圆筒上下运动，并在可调节圆筒上下运动的过程中，变化可调节圆筒流体入口的面积、燃料管与燃料稳压腔的燃料入口之间的距离、以及可调节圆筒出口与外管出口之间的距离，可以调节进入可调节圆筒气体的流量，进而调节可调节圆筒的无旋流体和外圈流道的有旋流体之间的比例，对燃烧进行精细调控，有效避免熄火和回火情况的发生，提高了喷嘴的燃烧稳定性，降低污染物排放。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，一些常规部件在附图中进行了标示，但并未在说明书中进行详细说明，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种径向燃烧器。
图1为根据本公开一实施例所示的径向燃烧器的三维结构示意图。图2为根据本公开一实施例所示的径向燃烧器的半剖结构示意图。
结合图1和图2所示，本公开的径向燃烧器，包括：燃烧器外壳4，具有一空气入口1；燃烧器内壳5，具有一燃料入口2和若干燃料喷孔6；燃烧器外壳4与燃烧器内壳5之间形成混合物流道8，该混合物流道8与燃料喷孔6相通，供空气和燃料掺混；内壳空间隔板9，将燃烧器内壳4围成的空间分割为燃料稳压腔7和控制机构安装腔10；步进电机11，位于控制机构安装腔10中；底座13，固定于燃烧器内壳5上，其内具有一凹槽13_2，其上设置有弯曲叶片14，该弯曲叶片14使混合物流道8的流体进行向心运动和圆周运动的复合运动；以及可调节圆筒19，插入底座13的凹槽13_2中，穿过底座13与步进电机11驱动的螺杆12上的螺纹配合，该可调节圆筒19具有一可调节圆筒流体入口19_1，步进电机11可驱动可调节圆筒19向上或向下运动，从而调节底座13对可调节圆筒流体入口19_1的遮挡面积，实现对可调节圆筒19内流体流量的调节。
请参考图1至图5，对本公开实施例所示的一种径向燃烧器的结构和工作原理加以说明。
图1为根据本公开一实施例所示的径向燃烧器的三维结构示意图，图2为根据本公开一实施例所示的径向燃烧器的半剖结构示意图。空气由空气入口1从燃烧器底部进入燃烧器。燃料由燃料入口2进入燃烧器的燃料稳压腔7，并由燃料喷孔6喷出进入混合物流道8，与空气相互掺混成为可燃混合物。燃烧器外壳4和燃烧器内壳5在燃烧器入口附近为半球形的扩张段，而后成为垂直的平直段，它们之间形成混合物流道8。燃烧器内壳5围成的空间被内壳空间隔板9分割成两个腔体，燃料稳压腔7和控制机构安装腔10。步进电机11安装在控制机构安装腔内，并固定在隔板9上。可燃混合物经平直段后，转折90°，由竖直向上运动改变为水平的向心运动。
可调节圆筒19将燃烧器出口流道分成外圈流道17和中间流道18，优选可调节圆筒19出口与外管16出口之间的距离不为零。
请参考图3说明本公开实施例的工作原理示意图，在弯曲叶片14的作用下，进入叶片之间通道的流体22，由向心运动变成既有向心运动又有圆周运动的复合运动，该流体分成两部分，一部分进入外圈流道17，成为进入外圈流道的流体24；另一部分通过可调节圆筒19的流体入口19_1进入中间流道18，成为进入中间流道的流体25。
图4为底座三维示意图，图5为可调节圆筒三维示意图。参见图4所示和图5所示，可调节圆筒19包括：外壁19_7，该外壁19_7的底部设置有流体入口19_1，外壁19_7插入底座13的凹槽13_2中；圆柱体，外周具有螺纹，底座13上对应设置有内螺纹，该圆柱体的螺纹与底座13上的内螺纹相互咬合，并且该圆柱体的螺纹与步进电机11驱动的螺杆12上的螺纹也相互咬合；椎体19_6，位于圆柱体上部，与外壁19_7通过多个支撑圆柱19_4相连接；以及圆柱加强筋19_5，设置于多个支撑圆柱之上，以增大支撑圆柱19_4之间的连接强度；其中，在满足强度要求的情况下，通过改变支撑圆柱19_4的数量和直径，从而调节可调节圆筒19内流体的流量和湍流度。
为了说明本公开调节中间流道18中流体流量的方法，请进一步参见图4和图5。在图5中，支撑圆柱19_4将可调节圆筒外壁19_7与椎体19_6连接起来，通过圆柱加强筋19_5增大圆柱连接强度，螺纹19_2位于椎体19_6下部的圆柱体上。在满足强度要求的情况下，通过改变支撑圆柱19_4的数量和直径还可以调节中间流道内流体的流量和湍流度。可调节圆筒流体入口19_1位于可调节圆筒的底部。可调节圆筒19插入底座13的凹槽13_2中，底座13可以遮挡可调节圆筒流体入口19_1。底座13上的内螺纹13_1与可调节圆筒19上的螺纹19_2相互咬合，此外可调节圆筒螺纹19_2穿过底座13与步进电机11驱动的螺杆12上的螺纹相互咬合，在步进电机的驱动下中间圆筒可以旋转，进而使可调节圆筒向上或向下运动，同时可调节圆筒流体入口19_1的面积也随之改变。请参见图3，可调节圆筒向上运动时，可调节圆筒流体入口19_1的面积增大，即进入可调节圆筒的流体流量增大；反之，可调节圆筒向下运动时，可调节圆筒流体入口19_1的面积减小，即进入可调节圆筒的流体流量减小，当可调节圆筒流体入口19_1完全被底座13遮挡住时，进入可调节圆筒内的流量为零。底座13通过底座上的外螺纹13_3固定到燃烧器上。
请参见图6，图6为带有网孔板的三维半剖示意图，在可调节圆筒19出口安装网孔板27，网孔板上面开有与网孔板垂直的圆孔，流体经过网孔后，运动中的旋转分量将被过滤掉，而变成平直运动，而进入外圈流道17的流体24仍将保持旋转运动，这两部分流体在可调节圆筒19出口相互掺混，在燃烧器外管16的出口燃烧。这样设计的好处是，燃烧器中部的无旋流体可以防止回火，燃烧器外圈的有旋流体可以防止火焰被吹熄。
请参见图2，对本公开的自动控制方法加以说明，单片机20输入端20_2与火焰稳定性监测探头21相连，单片机输出端20_1与步进电机11相连，螺杆一端与步进电机相连，另一端的螺纹与可调节圆筒的螺纹相咬合。当火焰稳定性监测探头21发现火焰远离喷嘴出口，出现吹熄趋势时，单片机20发出指令通过螺杆12带动可调节圆筒19旋转，使可调节圆筒19向下运动，即减小中间圆筒流体入口19_1的面积，这样进入中间圆筒的流体流量减小，因而流速也将减小，这样可以防止火焰被吹熄。反之，当火焰稳定性监测探头21发现火焰靠近喷嘴出口，出现回火趋势时，单片机20发出指令通过螺杆12带动可调节圆筒19旋转，使可调节圆筒19向上运动，即增大中间圆筒流体入口19_1的面积，这样进入中间圆筒的流体流量增大，因而流速也将增大，这样可以防止发生回火。
本公开第二个示例性实施例的径向燃烧器，为了达到简要说明的目的，上述第一个实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
图7为根据本公开一实施例所示的带有中间绕料管的半剖结构示意图。请参见图7，该实施例中，可调节圆筒19的中部有一根中间燃料管26，该燃料管贯通可调节圆筒的椎体19_6及其下端圆柱体和内壳空间隔板9，一端指向燃料稳压腔的燃料入口28，一端指向燃烧器外管16的出口。燃料管26固定在可调节圆筒上，与可调节圆筒一起运动，当可调节圆筒向下运动时，燃料管26与燃料稳压腔的燃料入口28之间的距离减小，进入燃料管26的燃料将增大，这样中部可燃混合物的当量比增大，有利于提高火焰传播速度，防止熄火；反之，当可调节圆筒向上运动时，燃料管26与燃料稳压腔的燃料入口28之间的距离增大时，进入燃料管26的燃料将减小，这样中部可燃混合物的当量比减小，可以降低火焰传播速度，防止回火。
本公开第三个示例性实施例的径向燃烧器，为了达到简要说明的目的，上述第一个实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
图8为根据本公开一实施例所示的在可调节圆筒气体入口设置挡板的示意图。请参见图8，该实施例中，在可调节圆筒气体入口设置挡板29，消除进入可调节圆筒流体的周向运动，也就是说，使进入中间流道的流体成为无旋运动的流体，这样就无需在可调节圆筒的出口安装网孔板。
综上所述，可见，在可调节圆筒上下运动过程中，主要有三个参数将发生变化，一是可调节圆筒流体入口19_1的面积，二是燃料管26与燃料稳压腔的燃料入口28之间的距离，三是可调节圆筒出口与外管16出口之间的距离，本公开的径向燃烧器正是通过改变这三个参数实现对燃烧的精细调控。
在本公开的第四个示例性实施例中，提供了一种基于本公开所述的径向燃烧器的自动控制方法，该自动控制方法包括：当监测到径向燃烧器出口处的火焰远离喷嘴出口，出现吹熄趋势时，发出指令控制步进电机驱动可调节圆筒向下运动，使可调节圆筒的流体入口的面积减小，从而减小进入可调节圆筒的流体流量和流速，防止火焰被吹熄；以及当监测到径向燃烧器出口处的火焰靠近喷嘴出口，出现回火趋势时，发出指令控制步进电机驱动可调节圆筒向上运动，使可调节圆筒的流体入口的面积增大，从而增大进入可调节圆筒的流体流量和流速，防止发生回火。
综上所述，本公开提供了一种径向燃烧器及其自动控制方法，通过自动控制机构根据监测的火焰情况，控制步进电机驱动可调节圆筒上下运动，并在可调节圆筒上下运动的过程中，变化可调节圆筒流体入口的面积、燃料管与燃料稳压腔的燃料入口之间的距离、以及可调节圆筒出口与外管出口之间的距离，可以调节进入可调节圆筒气体的流量，进而调节可调节圆筒的无旋流体和外圈流道的有旋流体之间的比例，对燃烧进行精细调控，有效避免熄火和回火情况的发生，提高了喷嘴的燃烧稳定性，降低污染物排放。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；
(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。