CN104214800A - 燃气轮机燃烧室轴向进气喷嘴 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃气轮机技术领域，提供了一种燃气轮机燃烧室轴向进气喷嘴，包括喷嘴外壁以及插设在喷嘴外壁中的燃料注入体；燃料注入体的内部设有中心燃料通道，在燃料注入体的径向方向上设有多个燃料喷射管，每个燃料喷射管的侧壁均设有多个燃料喷射孔，燃料喷射管顶部和喷嘴外壁之间设有第一级环形气流通道；燃料喷射管的前方的燃料腔室内设有整流孔板，保证轴向进气的均匀性，并作为调整喷嘴内部流场的一种方法；燃料喷射管的后方的喷嘴外壁的内壁上设有轴向旋流装置，轴向旋流装与燃料注入体之间设有第二级环形气流通道，通过燃料喷射管和轴向旋流装置的共同作用，保证燃料空气掺混均匀，燃烧的稳定性和良好的出口温度分布。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，特别提供一种燃气轮机燃烧室轴向进气喷嘴。
背景技术
在我国当前的能源结构中，采用传统燃煤技术的火力发电占据了绝大部分份额。但是这种传统的发电技术存在发电效率低，污染物排放高(尤其是NOx排放)，耗费淡水资源多等缺点。以天然气为燃料的燃气轮机发电技术作为清洁能源技术之一，可以在满足发电负荷要求的同时，有效的降低污染物的排放，这其中燃气轮机燃烧室喷嘴的设计对于组织燃烧、降低污染物排放尤为重要。
燃气轮机燃烧室中，燃料气和空气通过喷嘴实现预混合和速度型的改变，在喷嘴出口达到合理的速度分布，并匹配合理的燃料空气混合比例，进入燃烧室组织燃烧，形成稳定的流场和燃烧场。当前，对燃气轮机燃烧室喷嘴的设计形式，例如专利CN 100567823C，采用底部带缺口的空气旋流叶片，提高空气通道内周侧的速度，匹配喷嘴出口速度型和燃料空气混合比例。
但是，该喷嘴缺乏相应的整流部件，轴向进气不均匀。由于空气旋流叶片底部存在缺口，通道内周侧的气流偏转角度小，旋流强度弱，导致这一侧燃料和空气的掺混效果变差；同时燃料气在空心叶片两侧开孔喷注，燃料气和空气的掺混距离较短，影响燃烧的组织和污染物的生成。因此，仍然需要更加合理有效的燃气轮机燃烧室喷嘴形式来组织燃烧和控制污染物排放。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是解决现有燃气轮机缺乏相应的整流部件，轴向进气不均匀，空气旋流叶片旋流强度弱，燃料和空气的掺混效果差，影响燃烧的组织和污染物的生成的问题。
(二)技术方案
本发明提供的一种燃气轮机燃烧室轴向进气喷嘴，该技术方案在喷嘴轴向环形进气通道前端布置整流孔板，并沿轴向方向在燃料注入体上依次布置燃料喷射管和轴向旋流装置，燃料喷射管固定在燃料注入体上，并通过壁面开孔连通中心燃料通道，从燃料喷射管两侧的燃料喷射孔供给燃料。燃料喷射管顶部和喷嘴外壁的内壁间设有第一级环形气流通道。轴向旋流装置固定在喷嘴外壁的内壁上，旋流装置底部和燃料注入体间有第二级环形气流通道，轴向旋流装置沿外围环形空气通道均匀布置。通过整流孔板保证轴向进气的均匀性，并作为调整喷嘴内部流场的一种方法。通过燃料喷射管和轴向旋流装置的共同作用，保证喷嘴出口速度分布合理、燃料空气掺混均匀，合理控制燃烧区域，维持燃烧室内部流场结构，从而保证燃烧的稳定性和良好的出口温度分布。
优选的，所述通风孔的孔径为1.5mm～10mm。
优选的，所述整流孔板与所述燃料喷射管之间的距离为所述通风孔的孔径的10～50倍。
优选的，所述整流孔板垂直于轴向设置，所述整理孔板的内、外两端分别与所述燃料注入体和喷嘴外壁连接。
优选的，所述整流孔板的厚度为2mm～5mm。
优选的，所述燃料喷射孔的孔径大小为0.1mm～0.5mm。
优选的，所述轴向旋流装置包括多个圆周布设的旋流叶片，所述第二级环形气流通道的宽度为所述旋流叶片长度的10％～50％。
优选的，多个所述旋流叶片与多个所述燃料喷射管在轴向上相对交错设置。
优选的，在进气方向上，并位于所述轴向旋流装置的后方的所述燃料室具有径向收缩结构。
优选的，所述燃料注入体插入到所述喷嘴外壁的一端为锥形。
(三)有益效果
本发明提供的一种燃气轮机燃烧室轴向进气喷嘴，该技术方案在轴向环形进气通道前端布置整流孔板，并沿轴向方向在燃料注入体上依次布置燃料喷射管和轴向旋流装置，燃料喷射管固定在燃料注入体上，并通过壁面开孔连通中心燃料通道，从燃料喷射管两侧的燃料喷射孔供给燃料。燃料喷射管顶部和喷嘴外壁的内壁间有第一级环形气流通道。轴向旋流装置固定在喷嘴外壁的内壁上，旋流装置底部和燃料注入体间有第二级环形气流通道，轴向旋流装置沿外围环形空气通道均匀布置。通过整流孔板保证轴向进气的均匀性，并作为调整喷嘴内部流场的一种方法。通过燃料喷射管和轴向旋流装置的共同作用，保证喷嘴出口速度分布合理、燃料空气掺混均匀，合理控制燃烧区域，维持燃烧室内部流场结构，从而保证燃烧的稳定性和良好的出口温度分布。
附图说明
图1为本发明实施例的一种燃气轮机燃烧室轴向进气喷嘴的示意图；
图2为本发明实施例的一种燃气轮机燃烧室轴向进气喷嘴的立体剖视图。
附图标记：1、中心燃料通道；2、环形空气通道；3、燃料注入体；4、整流孔板；5、燃料喷射管；6、轴向旋流装置；7、燃料喷射孔；8、喷嘴外壁；9、第一级环形气流通道；10、第二级环形气流通道；11、空气环形气流通道；12、混合气空气环形气流通道；13、径向收缩结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
结合图1和图2所示，本发明提供的一种燃气轮机燃烧室轴向进气喷嘴，包括喷嘴外壁8以及一端插设在喷嘴外壁8中的燃料注入体3，喷嘴外壁8通过空压机送入高压气体；燃料注入体3的内部设有中心燃料通道1，在燃料注入体3的径向方向上设有多个与中心燃料通道1相通的燃料喷射管5，每个燃料喷射管5的侧壁均设有燃料喷射孔7，燃料喷射孔7的孔径大小为Φ0.1～Φ0.5，根据实际工况，选择适合的燃料喷射量，燃料通过燃料喷射孔7喷入到喷嘴外壁8中与空气混合，燃料喷射管5顶部和喷嘴外壁8之间形成有第一级环形气流通道119，并且第一级环形气流通道119的宽度优选为燃料喷射管5的高度的10％～50％，由此增大了外围环形空气通道2外周侧的气流轴向速度，减少燃烧室内壁面的附面层效应，保证外周侧气流速度型分布。
沿喷嘴外壁8的进气方向，在所述喷嘴外壁(8)内，且位于所述燃料喷射管5的前方设有整流孔板4，整流孔板4垂直于轴向设置，其厚度为2mm～5mm，整理孔板的内、外两端分别与燃料注入体3和喷嘴外壁8连接，使其与圆周侧无缝隙，空气只通过通风孔通入。整流孔板4能够对进气整流，并调整进气的速度分布，配合燃料喷射孔7的位置更易形成合理的喷嘴出口速度分布和掺混效果，通风孔的孔径可以为1.5mm～10mm，根据实际压降需要，选择不同通风孔孔径的整流孔板4；整流孔板4与燃料喷射管5之间的距离为通风孔的孔径的10～50倍，使空气通过穿过各通风孔后，再经过一段距离的相互融合成方向均一的气流。
沿所述喷嘴外壁8的进气方向，在所述喷嘴外壁8的内壁上，且位于所述燃料喷射管5的后方设有轴向旋流装置6，轴向旋流装置6优选包括数量为多个且圆周均布的旋流叶片，旋流叶片的数量优选为6～12个；轴向旋流装置6与燃料注入体3之间形成有第二级环形气流通道10，第二级环形气流通道10的宽度优选为旋流叶片长度的10％～50％，由此增大了外围环形空气通道2内周侧的气流轴向速度，减少燃料注入体3附面层对喷嘴出口速度型的影响，且燃料注入体3插入到喷嘴外壁8的一端为锥形，保证燃料注入体3下游不产生回流区，提高燃烧可靠性。由此，燃料喷射管5与轴向旋流装置6能够强化燃料气和空气的旋流混合，保证流体速度分布合理、燃料空气掺混均匀，进而提升燃烧稳定性。
多个旋流叶片与多个燃料喷射管5在轴向上相对交错设置，配合燃料喷射孔7高度位置的调整，能够为喷嘴提供更宽的设计空间，满足不同燃料和空气掺混的需要，改善喷嘴燃料注入体3至喷嘴出口部分的速度分布。
优选的，将燃料喷射管5与喷嘴外壁8的开口之间的距离为燃料喷射管5的长度的50％～100％，防止分流燃料喷出喷嘴外壁8；并由此在燃料喷射管5与喷嘴外壁8的进气口之间形成空气进气通道，喷向进气口的燃料气体与进入的空气对冲而产生涡流，从而在空气进气通道中发生少量的混合。当然上述分流的燃气只是少量，空气进气通道的主要作用是使进入的空气恢复至轴向。
优选的，燃料喷射管5与轴向旋流装置6之间的距离为燃料喷射管5的长度的50％～100％，由此在燃料喷射管5与轴向旋流装置6之间形成环形气流通道11，实现了燃料气和空气进入旋流装置前的预混合，对于保证喷嘴出口燃料气和空气的掺混效果起到促进作用。
优选的，在进气方向上，轴向旋流装置6的后方的燃烧室具有径向收缩段，空气与燃料气的混合气在经过此镜像收缩结构时发生瞬时的压缩，燃料气体的浓度增加，相对增加了混合程度，另外压缩还能够是气体的热运动加剧，进一步增大了燃料气的混合浓度。
天然气燃料进入轴向中心燃料通道1，通过燃料注入体3壁面开孔进入燃料喷射管5，从两侧的燃料喷射孔7喷出。空气沿轴向通过整流孔板4，在空气环形气流通道11同通过射流作用，形成满足要求的均匀气流，进入外围轴向环形空气通道2，贴近燃料注入体3的通道内周侧空气在燃料喷射管5前端同燃料进行混合，进入混合气环形气流通道12增强混合效果；远离燃料注入体3的空气通道外周侧的空气保持轴向速度通过第一级环形气流通道9，进入混合气环形气流通道12。经过混合气环形气流通道12的燃料和空气混合气，外周侧部分经过轴向旋流装置6作用产生旋流，混合效果进一步增强；内周侧部分保持原有气流方向通过第二级环形气流通道10，轴向速度得到保持。燃料和空气混合气在轴向旋流装置6出口处掺混，经过喷嘴收缩段13直至喷嘴出口。从而形成匹配的喷嘴出口速度分布和燃料空气掺混效果，保证燃烧的稳定性和良好的出口温度分布。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种燃气轮机燃烧室轴向进气喷嘴，其特征在于，包括喷嘴外壁(8)以及一端插设在所述喷嘴外壁(8)中的燃料注入体(3)；所述燃料注入体(3)的内部设有中心燃料通道(1)，在所述燃料注入体(3)的径向方向上设有多个与所述中心燃料通道(1)相通的燃料喷射管(5)，每个所述燃料喷射管(5)的侧壁均设有多个燃料喷射孔(7)，燃料喷射管(5)顶部和喷嘴外壁(8)之间设有第一级环形气流通道(9)；在所述喷嘴外壁(8)内，且位于所述燃料喷射管(5)的前方设有整流孔板(4)，所述整流孔板(4)上设有多个通风孔；在所述喷嘴外壁(8)的内壁上，且位于所述燃料喷射管(5)的后方设有轴向旋流装置(6)，轴向旋流装与燃料注入体(3)之间设有第二级环形气流通道(10)。
2.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧室轴向进气喷嘴，其特征在于，所述通风孔的孔径为1.5mm～10mm。
3.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧室轴向进气喷嘴，其特征在于，所述整流孔板(4)与所述燃料喷射管(5)之间的距离为所述通风孔的孔径的10～50倍。
4.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室轴向进气喷嘴，其特征在于，所述整流孔板(4)垂直于轴向设置，所述整理孔板的内、外两端分别与所述燃料注入体(3)和喷嘴外壁(8)连接。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室轴向进气喷嘴，其特征在于，所述整流孔板(4)的厚度为2mm～5mm。
6.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室轴向进气喷嘴，其特征在于，所述燃料喷射孔(7)的孔径为0.1mm～0.5mm。
7.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室轴向进气喷嘴，其特征在于，所述轴向旋流装置(6)为旋流叶片，且数量为多个；多个旋流叶片沿所述喷嘴外壁(7)的圆周均布；所述第二级环形气流通道(10)的宽度为所述旋流叶片长度的10％～50％。
8.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室轴向进气喷嘴，其特征在于，多个所述旋流叶片与多个所述燃料喷射管(5)在轴向上相对交错设置。
9.根据权利要求1-8任一项所述的燃气轮机燃烧室轴向进气喷嘴，其特征在于，在进气方向上，并位于所述轴向旋流装置(6)的后方的所述燃料室具有径向收缩结构(13)。
10.根据权利要求1-8任一项所述的燃气轮机燃烧室轴向进气喷嘴，其特征在于，所述燃料注入体(3)插入到所述喷嘴外壁8的一端为锥形。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Axial air inlet nozzle of combustion chamber of gas turbine Effective date of registration: 20161104 Granted publication date: 20160824 Pledgee: Tsinghua Holdings Co., Ltd. Pledgor: Beijing Huatsing Gas Turbine & IGCC Technology Co., Ltd. Registration number: 2016990000853 |
|
| PLDC | Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model | ||
| PP01 | Preservation of patent right | ||
| PP01 | Preservation of patent right |
Effective date of registration: 20190820 Granted publication date: 20160824 |
|
| PD01 | Discharge of preservation of patent | ||
| PD01 | Discharge of preservation of patent |
Date of cancellation: 20191230 Granted publication date: 20160824 |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200116 Address after: 102209 Beijing Changping District in the future of the national electric investment group Park in the future science city south of Beijing Patentee after: China United heavy-duty gas turbine technology Co., Ltd. Address before: 100084, Beijing, Haidian District science and Technology Park, Tsinghua Science and technology building, block C, 10 Patentee before: Beijing Huatsing Gas Turbine & IGCC Technology Co., Ltd. |
|
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20191211 Granted publication date: 20160824 Pledgee: Tsinghua Holdings Co.,Ltd. Pledgor: Beijing Huatsing Gas Turbine & IGCC Technology Co.,Ltd. Registration number: 2016990000853 |