CN103175220B - 一种用于化学回热循环的双燃料喷嘴 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种用于化学回热循环的双燃料喷嘴，包括水蒸汽通道外壁、气体燃料通道外壁、主油路管道、副油路管道、油路喷口，气体燃料通道外壁设置在水蒸汽通道外壁里，主油路管道设置在气体燃料通道外壁里，副油路管道设置在主油路管道里，水蒸汽通道外壁与气体燃料通道外壁之间构成水蒸气通道，气体燃料通道外壁与主油路管道构成气体燃料通道，主油路管道与副油路管道之间构成主油路，副油路管道内部为副油路，副油路管道的端部设置副油路旋流器，主油路和副油路旋流器的出口连通油路喷口。本发明水蒸汽与空气掺混良好，降低了燃烧室排放，避免了熄火现象的发生；气体燃料与空气的掺混较好，可以有效缩短燃烧火焰，提高燃烧效率。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种燃气轮机，具体地说是燃气轮机的喷嘴。
背景技术
燃气轮机由于具有结构简单、单机功率大、重量尺寸小、机动性好等优点，被广泛地应用于航空、船舶、电力、石油等诸多工业领域。因此，对常规燃机应用技术进行技术改造和性能优化，成为解决能源危机和环境污染问题的重要课题。化学回热循环是一种新型先进循环方式。它主要利用燃机排气的低端余热产生过热蒸汽，在催化剂作用下燃油-蒸汽裂解生成甲烷、氢气和一氧化碳等气态燃料。研究表明，如果柴油裂解完全，裂解气燃烧所产生的热量会比柴油燃烧释放的热量增加大约30%。化学回热循环燃机运行过程中，启动时采用柴油燃烧，此时利用水对烟气余热进行回收，生成水蒸汽并回注到燃烧室，燃烧室呈现蒸汽回注燃油燃烧状态；当水蒸汽的参数稳定时，燃油注入到化学回热器，与水蒸气进行裂解反应形成裂解气，燃烧室呈现油气混烧状态；当机组运行到一定工况，燃烧室单独燃烧裂解气，因此，要求化学回热燃气轮机燃烧室不但具有单独燃用燃油或裂解气燃料的功能，还具有蒸汽回注以及两种燃料混烧的功能。喷嘴作为燃烧室的重要组件，其性能的优劣将直接影响点火、燃烧效率、燃烧稳定性、温度分布和排气污染等方面的性能，同时也会影响火焰筒和涡轮叶片的寿命，因此为了满足化学回热循环燃机的要求，对于双燃料喷嘴的设计显得尤为重要。
为了保证进入燃烧室的出口温度相同，裂解气的质量流量要远远大于燃油质量流量，流速太大，裂解气与空气掺混不好，流场难以组织，容易造成火焰拉长，燃烧室出口温度场均匀性降低，恶化燃气轮机涡轮叶片的工作环境；燃油时水蒸汽通过喷嘴回注，减少了蒸汽回注设备的投入，但在蒸汽流速过大时会在燃油周围形成屏蔽层，引起燃烧室熄火，对燃机的运行造成严重影响。
发明内容
本发明的目的在于提供采用水蒸汽径向喷射技术，保证蒸汽回注时能够与空气掺混良好，形成湿空气环境，达到燃油燃烧不熄火，降低排放的目的，同时又能够在进行气体燃料燃烧时加强空气与燃料间的掺混，达到在燃烧室中燃料分布合理，缩短火焰长度，提高燃烧效率的一种用于化学回热循环的双燃料喷嘴。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种用于化学回热循环的双燃料喷嘴，其特征是：包括水蒸汽通道外壁、气体燃料通道外壁、主油路管道、副油路管道、油路喷口，气体燃料通道外壁设置在水蒸汽通道外壁里，主油路管道设置在气体燃料通道外壁里，副油路管道设置在主油路管道里，水蒸汽通道外壁与气体燃料通道外壁之间构成水蒸气通道，气体燃料通道外壁与主油路管道构成气体燃料通道，主油路管道与副油路管道之间构成主油路，副油路管道内部为副油路，副油路管道的端部设置副油路旋流器，主油路和副油路旋流器的出口连通油路喷口。
本发明还可以包括：
1、在气体燃料通道外壁的端部和主油路管道的端部处设置旋流盘，旋流盘为锥形结构，锥面上开有斜气孔，斜气孔为1-3排，斜气孔的旋向与副油路旋流器的旋向相反。
2、在气体燃料通道外壁的端部和主油路管道的端部处，沿主油路管道周围均匀布置4～10片旋流片，旋流片的旋向与副油路旋流器的旋向相反。
3、水蒸汽通道外壁端部的侧面设置水蒸汽喷口，数量为4～10个，喷口截面为方形或圆形。
本发明的优势在于：本发明采用了在水蒸汽管道壁面的侧面布置喷射孔，进行水蒸汽径向喷射，这样在进行燃油燃烧时，水蒸汽与空气掺混良好，形成湿空气环境，燃油在湿空气中燃烧，降低了燃烧室排放，避免了熄火现象的发生；在进行气体燃料燃烧时，气体燃料在低工况下通过气体燃料通道进入到燃烧室，高工况下可以通过气体燃料通道和水蒸汽通道进入到燃烧室，这样就可以很好地控制气体燃料的喷射速度，使得气体燃料与空气的掺混较好，气体燃料在燃烧室中的组分分布将更加均匀，可以有效缩短燃烧火焰，提高燃烧效率。
附图说明
图1为本发明气体燃料喷口采用斜气孔方式时的纵剖面示意图；
图2为图1的右视图；
图3为本发明气体燃料喷口采用旋流片方式时的纵剖面示意图；
图4为图3的右视图；
图5为气体燃料喷口采用旋流片方式时的旋流片的三维图；
图6a为水蒸汽通道壁面纵剖面示意图；图6b为A-A剖视图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1～6，本发明设计的双燃料喷嘴1主要包括气体燃料通道11、气体燃料通道外壁4、斜气孔5或旋流片12类型的气体燃料喷口、水蒸汽通道10、水蒸汽通道外壁2、水蒸汽喷口3、主油路管道6、副油路管道7、副油路旋流器8、油路喷口9，油路管道安装在气体燃料通道11的中间，水蒸汽通道10位于气体燃料通道11的外侧，水蒸汽经位于水蒸汽通道10壁面的侧面处的水蒸汽喷口3喷出，气体燃料经由斜气孔5或旋流片12形成的气体燃料喷口喷出，液体燃料通过主副油路喷口9喷射到燃烧室。双燃料嘴水蒸汽通道10在喷嘴燃用液体燃料时供应水蒸汽，在燃用气体燃料时可以供应气体燃料。
图2给出了化学回热循环的双燃料喷嘴气体燃料喷口采用斜气孔方式时的右视图，从图中可以看出，斜气孔分为两排交错布置，具有一定的旋向，但并不局限于两排布置，可以为1～3排。
图3给出了化学回热循环的双燃料喷嘴气体燃料喷口采用旋流片方式时的纵剖面构造图，与图1相比，将斜气孔5类型的喷口改成了旋流片12类型的喷口。
图4给出了图3的右视图，结合图5可以看到，旋流片12为8片均匀分布于主油路管道周围，但并不局限于8片布置，旋流片12的数量可以为4～10片。
从图6中可以看到，水蒸汽喷口为8个方孔，均匀布置于水蒸汽管道壁面的侧面，并与侧面垂直，但喷口数量并不局限于8个孔，可以为4～10个；不局限于方孔，还可以为圆孔；不局限于单排布置，还有可以分为多排布置；不局限于与侧面垂直，可以与壁面成一定倾角。
本发明所设计的双燃料喷嘴的工作过程共为三种情况：液体燃料与水蒸汽喷射，液体燃料与气体燃料喷射，气体燃料喷射。
喷嘴的具体喷射过程如下：
1、只喷射液体燃料，当液体燃料流量小于或等于副油路通道的设计流量时，液体燃料通过副油路管道7和副油路旋流器8从油路喷口9喷入燃烧室；当液体燃料流量大于副油路通道的设计流量时，液体燃料通过主油路管道6、副油路通道7和副油路旋流器8从油路喷口9喷入燃烧室。在液体燃料喷射的同时，水蒸汽通过水蒸汽通道10，经水蒸汽喷口3喷入到燃烧室。
2、气液燃料同时喷射，当气体燃料流量大于气体燃料通道的设计流量时，气体燃料从水蒸汽通道10和气体燃料通道11经水蒸汽喷口3以及由斜气孔5或旋流片12形成的气体燃料喷口喷入到燃烧室；当气体燃料流量小于或等于气体燃料通道的设计流量时，气体燃料从气体燃料通道11经由斜气孔5或旋流片12形成的气体燃料喷口喷入到燃烧室，此时关闭水蒸汽通道。当液体燃料流量小于或等于副油路通道的设计流量时，液体燃料通过副油路管道7和副油路旋流器8从油路喷口9喷入燃烧室；当液体燃料流量大于副油路通道的设计流量时，液体燃料通过主油路管道6、副油路通道7和副油路旋流器8从油路喷口9喷入燃烧室。
3、只喷射气体燃料，当气体燃料流量小于或等于气体燃料通道的设计流量时，气体燃料通过气体燃料通道11经由斜气孔5或旋流片12形成的气体燃料喷口喷入到燃烧室，此时关闭水蒸汽通道；当气体燃料流量大于气体燃料通道的设计流量时，气体燃料从水蒸汽通道10和气体燃料通道11经水蒸汽喷口3以及由斜气孔5或旋流片12形成的气体燃料喷口喷入到燃烧室。
通过在水蒸汽通道侧面布置水蒸汽喷口的方式，使得本发明的双燃料喷嘴在燃用燃油时，水蒸汽能够快速与空气进行掺混，形成湿空气环境，燃油能够与湿空气接触，解决了水蒸汽对于燃油的屏蔽问题，防止了熄火现象的发生，同时降低了排放；本发明的双燃料喷嘴在燃用气体燃料时，气体燃料能够从水蒸汽通道和气体燃料通道同时喷射，增大了燃料的出口面积，降低了气体燃料的流速，使得气体燃料与空气间的掺混良好，燃料组分在燃烧室内分布均匀，能够缩短气体燃料的燃烧火焰，提高燃烧效率。
Claims (4)
1.一种用于化学回热循环的双燃料喷嘴，其特征是：包括水蒸汽通道外壁、气体燃料通道外壁、主油路管道、副油路管道、油路喷口，气体燃料通道外壁设置在水蒸汽通道外壁里，主油路管道设置在气体燃料通道外壁里，副油路管道设置在主油路管道里，水蒸汽通道外壁与气体燃料通道外壁之间构成水蒸气通道，气体燃料通道外壁与主油路管道构成气体燃料通道，主油路管道与副油路管道之间构成主油路，副油路管道内部为副油路，副油路管道的端部设置副油路旋流器，主油路和副油路旋流器的出口连通油路喷口。
2.根据权利要求1所述的一种用于化学回热循环的双燃料喷嘴，其特征是：在气体燃料通道外壁的端部和主油路管道的端部处设置旋流盘，旋流盘为锥形结构，锥面上开有斜气孔，斜气孔为1-3排，斜气孔的旋向与副油路旋流器的旋向相反。
3.根据权利要求1所述的一种用于化学回热循环的双燃料喷嘴，其特征是：在气体燃料通道外壁的端部和主油路管道的端部处，沿主油路管道周围均匀布置4～10片旋流片，旋流片的旋向与副油路旋流器的旋向相反。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种用于化学回热循环的双燃料喷嘴，其特征是：水蒸汽通道外壁端部的侧面设置水蒸汽喷口，数量为4～10个，喷口截面为方形或圆形。
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