CN103822230A - 一种低旋流燃烧室喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种低旋流燃烧室喷嘴，属于燃气轮机燃烧室结构设计技术领域。本发明在现有低旋流喷嘴结构的基础上设置一个燃料进口装置，该燃料进口装置至少包括一个轴向燃料喷管和环形燃料喷管，环形燃料喷管内壁和外壁上分别布置多个内径向燃料喷管和多个外径向燃料喷管，通过设置在内径向燃料喷管和外径向燃料喷管上的燃料喷注孔分别向喷嘴两个流道供给燃料。本发明在保证混合性能的前提下大大降低了低旋流喷嘴的长度，提高了低旋流喷嘴的安装协调性；通过控制燃料喷管上的燃料喷注孔孔数以及数量控制进入喷嘴内、外流道燃料空气比例，可以降低进入下游燃烧扩张区中心回流区内的燃料量，降低回流区内的高温区，进而降低氮氧化物的产生，减少污染。

Description

一种低旋流燃烧室喷嘴

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机燃烧室低旋流喷嘴，属于燃气轮机结构设计技术领域。

背景技术

专利WO2012141982A1描述了应用于燃气轮机燃烧室的低旋流喷嘴。如图1所示，在低旋流燃烧室喷嘴10中，燃料通过燃料进口管102进入，空气通过空气进口101进入，燃料和空气在文氏管701内混合。文氏管701下游为双层结构，其中喷嘴内流道201设置一个限流孔板301，限流孔板301上均匀布置多个限流孔302；喷嘴外流道202设置旋流器401，旋流器401由多个旋流叶片组成。上游均匀混合气分别通过旋流器401和限流孔板301，产生低旋流混合气，进入燃烧扩张区403燃烧。为使燃料和空气混合均匀，文氏管701轴向长度L1一般为150mm～220mm之间，导致喷嘴过长，在与其他类型喷嘴配合使用时，对安装造成不便；除此之外，进入喷嘴内流道201以及喷嘴外流道202的燃料空气混合比例一致，完全由燃料进口管102进入的燃料量以及由空气进口101进入的空气量决定，不能对喷嘴内外流道的燃料空气混合比例进行合理分配。

专利WO2012141982A1公开了又一个实施例，如图2所示，燃料从旋流器401和限流孔板301下游直接进入燃烧扩张区203，不能与空气及时形成预混气，燃烧扩张区203内局部燃烧温度过高，一般高于2000K，导致燃烧室内氮氧化物的含量变高，污染环境。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种燃气轮机燃烧室低旋流喷嘴，可以降低喷嘴长度，并可对喷嘴内外流道的燃料空气混合比例进行合理分配，以进一步降低燃烧室内污染物。

本发明所采用的技术方案如下：

一种低旋流燃烧室喷嘴，包括中心空气进口、外围空气进口、燃料进口装置、喷嘴内流道、喷嘴外流道、限流孔板、旋流器和燃烧扩张段；所述的限流孔板设置在喷嘴内流道内，旋流器设置在喷嘴外流道内，其特征在于：所述的燃料进口装置包括环形燃料喷管和至少一个轴向燃料喷管，所述轴向燃料喷管与环形燃料喷管相连通；在环形燃料喷管内壁上沿圆周均匀布置多个内径向燃料喷管；在环形燃料喷管外壁上沿圆周均匀布置多个外径向燃料喷管，外径向燃料喷管的一端与环形燃料喷管相连通，另一端与喷嘴外流道内壁面相连；在每个内径向燃料喷管及外径向燃料喷管管壁的两侧均设置有侧壁燃料喷注孔。

本发明的技术特征还在于：所述内径向燃料喷管距限流孔板的轴向距离L1以及外径向燃料喷管距旋流器的距离L2均在15mm～30mm之间。所述内径向燃料喷管与所述外径向燃料喷管的轴向距离在0～10cm之间。所述侧壁燃料喷注孔的中心线与燃烧室喷嘴的中心线呈90°。

本发明的另一技术特征是：内径向燃料喷管上的侧壁燃料喷注孔沿喷嘴内流道径向位置均匀布置或错落布置于内径向燃料喷管壁面两侧；每个内径向燃料喷管的顶端至少设置一个顶部燃料喷注孔；外径向燃料喷管上的侧壁燃料喷注孔沿喷嘴外流道径向位置均匀布置或交叉布置于外径向燃料喷管的壁面两侧。顶部燃料喷注孔和侧壁燃料喷注孔的直径均为1～2mm。

本发明的又一技术特征是：所述轴向燃料喷管的数量与旋流器叶片数量保持一致，或旋流器叶片数量是轴向燃料喷管数量的2～4倍。轴向燃料喷管的数量优选为4～12个。内径向燃料喷管与外径向燃料喷管为圆管、锥形管、椭圆形管或叶片型管。

本发明与现有技术相比有以下突出的优点及有益效果：①本发明涉及的低旋流燃烧室喷嘴中内径向燃料喷管以及外径向燃料喷管由环形燃料喷管隔开为两段，燃料进入轴向燃料喷管后在环形燃料喷管汇集，然后部分进入内径向燃料喷管，通过内径向燃料喷管的燃料喷注孔进入喷嘴内流道，其余进入外径向燃料喷管，通过外径向燃料喷管的燃料喷注孔进入喷嘴外流道。所述内径向燃料喷管距所述限流孔板轴向距离L1和所述外径向燃料喷管距所述旋流器的距离L2均在15mm～30mm之间，尽管在旋流器以及限流孔板上游燃料和空气混合距离变短，但是在旋流器以及限流孔板下游燃料和空气可以继续混合，在保证混合混合性能的前提下大大降低了低旋流喷嘴的长度，提高了低旋流喷嘴的安装协调性。②进入喷嘴内流道的燃料空气比例以及进入喷嘴外流道的燃料空气比例可以通过控制内径向燃料喷管以及外径向燃料喷管上的燃料喷注孔孔径及孔数来控制，降低进入喷嘴内流道的燃料空气比例，可以降低进入下游燃烧扩张区中心回流区内的燃料量，降低回流区内的高温区，进而降低氮氧化物的产生，降低污染。

附图说明

图1为现有技术中一个低旋流喷嘴简图。

图2为现有技术中又一个低旋流喷嘴简图。

图3为本发明提供的燃气轮机低旋流燃烧室喷嘴实施例的结构简图。

图4为图3的A-A剖视简图。

图中符号说明：10-低旋流燃烧室喷嘴；101-空气进口；102-燃料进口管；201-喷嘴内流道；202-喷嘴外流道；203-燃烧扩张段；301-限流孔板；302-限流孔；401-旋流器；501-轴向燃料喷管；502-内径向燃料喷管；503-外径向燃料喷管；504-环形燃料喷管；601a-侧壁燃料喷注孔；601b-顶部燃料喷注孔；701-文氏管。

具体实施方式

下面结合具体实施例详细说明：

图3为本发明所述燃气轮机燃烧室低旋流喷嘴10的一个典型的实施例。该低旋流燃烧室喷嘴10包括中心空气进口101a、外围空气进口101b、喷嘴内流道201、喷嘴外流道202、限流孔板301、旋流器401和燃烧扩张段203以及燃料进口装置，该燃料进口装置包括至少一个轴向燃料喷管501以及一个环形燃料喷管504，本实施例中含有四个轴向燃料喷管501，四个轴向燃料喷管沿低旋流燃烧室喷嘴10的中心线周向均匀分布，其末端与环形燃料喷管504相连通，连接处密封，环形燃料喷管504与低旋流燃烧室喷嘴10内流道壁面的端面相连，加工方式可以是整体铸造或焊接等加工方式。

环形燃料喷管504上至少布置一个内径向燃料喷管502以及至少一个外径向燃料喷管503，内径向燃料喷管502与外径向燃料喷管503均设置于限流孔板301以及旋流器401的上游，本实施例中在环形燃料喷管504内壁上沿圆周均匀布置8个内径向燃料喷管502；在环形燃料喷管504外壁上沿圆周均匀布置8个外径向燃料喷管503；外径向燃料喷管503的一端与环形燃料喷管504相连通，另一端与喷嘴外流道202内壁面相连；在每个内径向燃料喷管502及外径向燃料喷管503管壁的两侧均设置有侧壁燃料喷注孔601a；每个内径向燃料喷管的顶端至少设置一个顶部燃料喷注孔601b。

优选的，内径向燃料喷管502距限流孔板301轴向距离L1和外径向燃料喷管503距旋流器401的距离L2均在15mm～30mm之间，燃料和空气无需在进入喷嘴内外流道前混合均匀，可以在旋流器401以及限流孔板301下游继续混合，在保证混合性能的前提下大大降低了低旋流燃烧室喷嘴的长度，提高了低旋流喷嘴的安装协调性；内径向燃料喷管502与外径向燃料喷管503的轴向位置在0～10cm之间。

优选的，燃料喷注孔的直径为1～2mm，其中心线与低旋流燃烧室喷嘴10中心线呈90°，确保燃料具有合适的贯穿深度和混合性能。内径向燃料喷管502上的燃料喷注孔601a沿喷嘴内流道201径向位置均匀布置或错落布置于内径向燃料喷管502壁面两侧；内径向燃料喷管502的顶端至少设置一个燃料喷注孔601b；外径向燃料喷管503上的燃料喷注孔601a沿喷嘴外流道202径向位置均匀布置或交叉布置于外径向燃料喷管503壁面两侧，确保在喷嘴中轴线有良好的混合性能，以及在内径向燃料喷管502以及外径向燃料喷管503的燃料贯穿深度不高的时候仍然具有良好的混合性能。

本发明又一优选方案为，轴向燃料喷管501与旋流器401叶片数量保持一致，或旋流器401叶片数量是轴向燃料喷管501数量的2～4倍，确保喷管与旋流器具有较好的适应性；一般地，轴向燃料喷管501的数量为4～12个；内径向燃料喷管502与外径向燃料喷管503可采用圆管、锥形管、椭圆形管或叶片型管。

本发明的工作过程如下：燃料从轴向燃料喷管501进入，流经环形燃料喷管504后向四周扩散，一部分就近流向与轴向燃料喷管501距离较近的内径向燃料喷管502和外径向燃料喷管503，另一部分向两侧周向流动，然后流进较远的内径向燃料喷管502和外径向燃料喷管503，最终通过内径向燃料喷管502和外径向燃料喷管503两侧及内径向燃料喷管502顶端的燃料喷注孔分别进入喷嘴内流道201和喷嘴外流道202；空气从中心空气进口101a以及外围空气进口101b分别进入喷嘴内流道201和喷嘴外流道202，与两个流道的燃料混合形成燃料空气混合气。喷嘴内流道201内的燃料空气混合气流经限流孔板301，喷嘴外流道202内的燃料空气混合气流经旋流器401，两股混合气在喷嘴下游汇聚形成低旋流气流，流入燃烧扩张区203进行燃烧。通过控制内径向燃料喷管502以及外径向燃料喷管503上燃料喷注孔的孔数及孔径来控制进入喷嘴内外流道的燃料量，进而控制进入喷嘴内外流道的燃料空气比例，控制进入喷嘴内流道201的燃料空气比例低于进入喷嘴外流道202的燃料空气比例。即使低旋流喷嘴的回流区较小，燃烧区的中心区仍存在回流区，控制进入回流区内的燃料量，可以降低回流区内的高温区，进而降低氮氧化物的产生，降低污染。

Claims (9)

1.一种低旋流燃烧室喷嘴，包括中心空气进口（101a）、外围空气进口（101b）、燃料进口装置、喷嘴内流道（201）、喷嘴外流道（202）、限流孔板（301）、旋流器（401）和燃烧扩张段（203）；所述的限流孔板（301）设置在喷嘴内流道（201）内，旋流器（401）设置在喷嘴外流道（202）内，其特征在于：所述的燃料进口装置包括环形燃料喷管（504）和至少一个轴向燃料喷管（501），所述轴向燃料喷管（501）与环形燃料喷管（504）相连通；在环形燃料喷管（504）内壁上沿圆周均匀布置多个内径向燃料喷管（502）；在环形燃料喷管（504）外壁上沿圆周均匀布置多个外径向燃料喷管（503），外径向燃料喷管（503）的一端与环形燃料喷管（504）相连通，另一端与喷嘴外流道（202）外壁面相连；在每个内径向燃料喷管（502）及外径向燃料喷管（503）管壁的两侧均设置有侧壁燃料喷注孔（601a）。

2.根据权利要求1所述的低旋流燃烧室喷嘴，其特征在于：所述内径向燃料喷管（502）距限流孔板（301）的轴向距离L1以及外径向燃料喷管（503）距旋流器（401）的距离L2均在15mm～30mm之间。

3.根据权利要求1或2所述的低旋流燃烧室喷嘴，其特征在于：所述内径向燃料喷管（502）与所述外径向燃料喷管（503）的轴向距离在0～10cm之间。

4.根据权利要求1或2所述的低旋流燃烧室喷嘴，其特征在于：所述侧壁燃料喷注孔（601a）的中心线与燃烧室喷嘴的中心线呈90°。

5.根据权利要求4所述的所述的低旋流燃烧室喷嘴，其特征在于：内径向燃料喷管（502）上的侧壁燃料喷注孔（601a）沿喷嘴内流道（201）径向位置均匀布置或错落布置于内径向燃料喷管（502）壁面两侧；每个内径向燃料喷管（502）的顶端至少设置一个顶部燃料喷注孔（601b）；外径向燃料喷管（503）上的侧壁燃料喷注孔（601a）沿喷嘴外流道（202）径向位置均匀布置或交叉布置于外径向燃料喷管（503）的壁面两侧。

6.根据权利要求5所述的低旋流燃烧室喷嘴，其特征在于：顶部燃料喷注孔（601b）和侧壁燃料喷注孔（601a）的直径均为1～2mm。

7.根据权利要求1所述的低旋流燃烧室喷嘴，其特征在于：所述轴向燃料喷管（501）的数量与旋流器（401）叶片数量保持一致，或旋流器（401）叶片数量是轴向燃料喷管（501）数量的2～4倍。

8.根据权利要求1所述的低旋流燃烧室喷嘴，其特征在于：轴向燃料喷管（501）的数量为4～12个。

9.根据权利要求1、2、7或8所述的低旋流燃烧室喷嘴，其特征在于：内径向燃料喷管（502）与外径向燃料喷管（503）为圆管、锥形管、椭圆形管或叶片型管。

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