CN104110698B - 一种用于燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴 - Google Patents

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一种用于燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴，涉及具有径向旋流的燃烧室喷嘴结构。该预混合喷嘴在径向旋流器上游均匀布置有多个内层空气进口，在混合段内的渐缩型中心体的外围设有与渐缩型中心体同轴布置的环形管，环形管的前端与喷嘴头部相连，环形管的内壁与渐缩型中心体的外壁形成环形通道，环形通道与内层空气进口相连通。本发明通过在径向旋流器上游引入空气通道，并在混合段内侧增加一层流通通道，可以有效地消除由于旋流器旋转离心力导致的中心部的低速区，从而有效预防预混燃烧的回火问题，延长预混合喷嘴的寿命。

Description

一种用于燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴
技术领域
本发明涉及使用气体燃料预混燃烧的燃气轮机燃烧室结构，特别涉及了一种具有径向旋流的喷嘴结构。
背景技术
由于环境保护的要求越来越严格，在近年来的燃气轮机燃烧器中越来越多地使用预混燃烧的方式来降低氮氧化物(NOx)的排放。预混燃烧燃烧室多采用旋流混合技术来实现燃料与氧化剂的良好混合，从而达到低NOx燃烧的需要。
这种旋流混合技术通过在喷嘴混合段上游设置多个叶片结构从而给气流施加一定的切向动量，由此产生的湍流扰动使得燃料与氧化剂能够在下游空间实现快速并且均匀的混合效果。通常认为，旋流强度越大，越能够实现均匀混合。但是，切向动量的引入，会在混合段轴线附近的区域产生轴向速度较低的区域，并且随着旋流强度的增大，这一低速区也会迅速扩大，甚至产生回流。由于在混合段内燃料和氧化剂已经开始混合，回流带入的高温气体很可能使得燃料-氧化剂的混合物燃烧，甚至使得火焰驻定在混合段的低速区内，进而导致喷嘴的烧毁。因此，对于采用旋流混合技术的燃烧室而言，需要采用特殊设计手段来避免这一现象的发生。
现有技术通常采用较低旋流强度的喷嘴叶片设计和调整燃料喷嘴方式，来达到消除混合段内火焰存在可能性的目的。在早期设计中，通过采用大直径高压比的燃料喷射，使得燃料远离中心低速区；在改进设计，通过采用叶片表面喷射，调整喷射孔的位置，实现燃料在混合段中心较贫，难以形成有效燃烧。这两种方法都是通过将低速区内的燃料浓度减小到燃烧极限以下从而降低回火的可能性，但是都没有从本质上消除低速区。当上游或者下游气流条件变化时，原本精心设计的燃料和氧化剂在混合器内的分布很容易受到扰乱，依然存在较大的回火风险。另外，降低低速区的燃料浓度使得混合段中的混合空间没有得到有效的利用。
专利ZL02802306.4中提出了在旋流器叶片轮毂的内周面和喷嘴轴之间设有气体通过的空间，该方法可以减少低速区的范围。但是，由于轮毂只是在旋流叶片的高度范围内增加了气体流通的通道，并且其提供的通道是直通道，其能够达到的减少低速区的效果非常有限，回火的问题依然存在。
专利CN101713549A中通过引入文丘里管室，使得混合气体先加速后减速。混合气体在加速之后消除了低速区。虽然该结构可以防止火焰进入头部区域，但由于文丘里管室扩张段的存在，该区域速度较低，可能会导致火焰在该区域存在。如果没有合适的冷却措施，喷嘴可能会被烧毁。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足和缺陷，提出一种用于燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴结构，旨在消除喷嘴混合段内低流速区存在的可能性，从而抑制回火的产生，延长预混合喷嘴的寿命，降低燃气轮机燃烧室的使用和维护成本。
本发明的技术方案如下：
一种用于燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴，该喷嘴包括喷嘴头部、渐缩型中心体和混合段，其中，在喷嘴头部上设置有外围气体燃料进口和径向旋流器，径向旋流器上设置有外层空气入口，在渐缩型中心体上设置有中心气体燃料进口和中心气体燃料出口，其特征在于：在径向旋流器上游均匀布置有多个内层空气进口，在混合段内的渐缩型中心体的外围设有与渐缩型中心体同轴布置的环形管，环形管的前端与喷嘴头部相连，环形管的内壁与渐缩型中心体的外壁形成环形通道，环形通道与内层空气进口相连通。
本发明的技术特征还在于：所述的环形管沿轴向延伸的长度超过渐缩型中心体的长度，并小于或等于混合段的长度，超过的长度至少为渐缩型中心体直径的0.2倍。
本发明的另一技术特征是：环形通道的流通面积的变化范围为：0～10％。环形通道的流通面积为混合段流通面积的5％～50％。
本发明的又一技术特征是：多个内层空气进口的流通面积之和大于或等于环形通道的流通面积。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：对于采用渐缩型中心体的单层旋流混合通道的喷嘴结构，燃料-氧化剂混合气体在旋转的离心力的作用下朝向喷嘴外侧流动，从而导致喷嘴中心区域产生低速区。低速区的存在容易引发回火从而可能导致预混合喷嘴的烧毁。本发明的预混合喷嘴，通过在径向旋流器上游布置内层空气进口，在混合段内侧布置渐缩型的环形管，在渐缩型中心体上布置中心气体燃料出口，从而在混合段内侧形成了一个新的燃料与空气的混合区。进一步地通过控制环形通道的流通面积，从而可以控制气体流速的分布，有效减小低速区。通过对该喷嘴的三维气动分析表明，在合理控制旋流器的旋流角度和环形通道的流通面积情况下，可基本上消除中心体下游的低速区，有效预防回火；由于减少了喷嘴内部的低速区，因此可以更加充分地利用喷嘴内部的混合空间。同时燃料和空气在进入火焰筒之前就被充分混合，从而在燃烧时抑制了局部高温的存在，有效抑制NOx的排放。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴的结构原理示意图。
图2为图1的A-A剖视图。
图3为预混合喷嘴立体结构的剖面示意图。
图中：1-喷嘴头部；11-外围气体燃料进口；12-径向旋流器；121-外层空气入口；13-内层空气进口；2-渐缩型中心体；21-中心气体燃料进口；22-中心气体燃料出口；3-混合段；4-环形管；5-环形通道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理，结构和具体实施方式做进一步的说明。
图1为本发明提供的用于燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴的结构原理示意图，该预混合喷嘴包括喷嘴头部1、渐缩型中心体2和混合段3，其中，在喷嘴头部1上设置有外围气体燃料进口11和径向旋流器12；径向旋流器12上设置有外层空气入口121，在渐缩型中心体2上设置有中心气体燃料进口21和中心气体燃料出口22；在径向旋流器12上游布置有内层空气进口13，在混合段3内的渐缩型中心体2的外围设有与渐缩型中心体2同轴布置的环形管4，环形管4的前端与喷嘴头部1相连，环形管4的内壁与渐缩型中心体2的外壁形成环形通道5，环形通道5与内层空气进口13相连通。
对于使用径向旋流器的预混喷嘴结构，由于气流旋转作用，在喷嘴中心会形成低速区，渐缩型中心体2能够在一定程度上减少低速区，但是其尾迹区域仍然不可避免地会有低速区。只有通过改善中心体尾迹区的流动才能从根本上消除低速区。基于以上分析，本发明提出了将喷嘴通道径向分级，即引入环形通道5，通过控制环形通道5的流通面积来控制中心体尾迹区的流动；环形通道5的流通面积一般为混合段3流通面积的5％～50％。由于环形通道5的流通面积较小，(一般不超过混合段3流通面积的30％，)较小的流通道可以保证在整个通道内气体的轴向速度较高，从而可以消除渐缩型中心体2尾迹区的低速区。
为了保证环形通道5内的气体在渐缩型中心体2的尾迹区始终有较高的速度，所述的环形管4沿轴向延伸的长度应超过渐缩型中心体2的长度，并小于或等于混合段3的长度，超过的长度至少为渐缩型中心体2直径的0.2倍。将环形管4端部削尖也能在局部改善流动性能，减少端部的低速区。
在上述方案中，多个内层空气进口13的流通面积之和应大于等于环形通道5的流通面积，这样才能保证有足够的空气进入到环形通道5，从而保证环形通道5内的气体有较高的轴向速度。为了减小流阻，环形通道5的流通面积变化量应控制在0～10％。
由于减少了喷嘴内的低速区，因此可以更加充分地利用喷嘴内部的混合空间。除了来自外围气体燃料进口11的燃料与来自外层空气入口121的旋流空气发生混合外，来自中心气体燃料出口22的燃料也与来自内层空气进口13的空气在环形通道5内发生混合。在达到同样混合效果的情况下，该预混合喷嘴可以拥有更小的体积从而有利于节省成本。
通过调整外围气体燃料进口11和中心气体燃料出口22的面积，可以控制气体燃料在混合段内的分布，这将有利于在给定的燃烧室中产生操作性、排放等方面的好处。由于燃料和空气在进入火焰筒之前就达到了较好的混合效果，从而在燃烧时抑制了局部高温的存在，这样可以有效抑制NOx的排放。
图2为图1的A-A剖视图。内层空气进口13从径向将空气引入到环形通道5中，外围气体燃料进口11从轴向将气体燃料引入到混合段3中，二者交叉布置。

Claims (4)

1.一种用于燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴，该喷嘴包括喷嘴头部(1)、渐缩型中心体(2)和混合段(3)，其中，在喷嘴头部(1)上设置有外围气体燃料进口(11)和径向旋流器(12)，径向旋流器(12)上设置有外层空气入口(121)，在渐缩型中心体(2)上设置有中心气体燃料进口(21)和中心气体燃料出口(22)，其特征在于：在径向旋流器(12)上游均匀布置有多个内层空气进口(13)，在混合段(3)内的渐缩型中心体(2)的外围设有与渐缩型中心体(2)同轴布置的环形管(4)，环形管(4)的前端与喷嘴头部(1)相连，环形管(4)的内壁与渐缩型中心体(2)的外壁形成环形通道(5)，环形通道(5)与内层空气进口(13)相连通；
所述的环形管(4)沿轴向延伸的长度超过渐缩型中心体(2)的长度，并小于或等于混合段(3)的长度，超过的长度至少为渐缩型中心体(2)直径的0.2倍。
2.如权利要求1所述的一种用于燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴，其特征在于：环形通道(5)的流通面积的变化范围为：0～10％。
3.如权利要求1或2所述的一种用于燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴，其特征在于：环形通道(5)的流通面积为混合段(3)流通面积的5％～50％。
4.如权利要求1所述的一种用于燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴，其特征在于：多个内层空气进口(13)的流通面积之和大于或等于环形通道(5)的流通面积。
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