CN104266227A

CN104266227A - 一种燃气轮机燃烧室轴向两级旋流喷嘴

Info

Publication number: CN104266227A
Application number: CN201410488311.7A
Authority: CN
Inventors: 张龙; 张珊珊; 查筱晨
Original assignee: Beijing Huatsing Gas Turbine and IGCC Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Huatsing Gas Turbine and IGCC Technology Co Ltd
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2015-01-07

Abstract

一种燃气轮机燃烧室轴向两级旋流喷嘴，其技术特点是在外围轴向环形空气通道内沿轴向方向布置两级轴向旋流装置，第一级旋流装置固定在中心锥体上，其顶部与喷嘴外壁面间留有间隙；第二级旋流装置布置在第一级轴向旋流装置的下游，固定在环形空气通道的外壁面上，其底部和中心锥体之间留有间隙；两级旋流叶片错列布置，第二级旋流装置旋流角度应大于第一级旋流装置旋流角度。本发明可保证空气通道内外周侧的旋流强度，空气通道内周侧旋流强度较弱，可增大气流的轴向速度；空气通道外周侧的旋流强度较强，可匹配喷嘴出口速度分布和燃料空气的掺混效果，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。

Description

一种燃气轮机燃烧室轴向两级旋流喷嘴

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机燃烧室喷嘴，尤其涉及一种使用天然气燃料的燃气轮机低污染燃烧室喷嘴的结构设计。

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，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；同时轴向旋流装置仅有一级，燃料气和空气的掺混效果有限，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

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种燃气轮机燃烧室轴向两级旋流喷嘴，在保证掺混效果的同时，匹配喷嘴出口的速度分布，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。

本发明所采用的技术方案如下：

一种燃气轮机燃烧室轴向两级旋流喷嘴，该喷嘴包括中心燃料通道、与该中心燃料通道同轴布置的外围环形空气通道和中心锥体，其特征在于：外围轴向环形空气通道沿轴向方向布置有两级旋流装置，第一级轴向旋流装置轴向位置位于外围轴向环形空气通道内的前端，并固定在中心锥体上，第一级轴向旋流装置顶部和外围轴向环形空气通道外壁面间留有第一级环形气流通道，在第一级轴向旋流装置的叶片前端部设置燃料喷射孔；第二级轴向旋流装置位于第一级轴向旋流装置的下游，并固定在外围轴向环形空气通道的外壁面上，两者之间的轴向间距为第一级轴向旋流装置叶片长度的10％～50％，该第二级轴向旋流装置底部与中心锥体之间留有第二级环形气流通道。

上述技术方案中，所述的第一级轴向旋流装置采用轴向叶片式结构，叶片沿外围环形空气通道均匀布置，叶片个数在6～12之间；第一级环形气流通道径向间隙为第一级轴向旋流装置旋流叶片高度的10％～50％。

本发明所述的第二级轴向旋流装置采用轴向叶片式结构，叶片沿外围环形空气通道均匀布置，叶片个数在6～12之间；第二级环形气流通道径向间隙为第二级轴向旋流装置旋流叶片高度的10％～50％。

所述的第一级轴向旋流装置和第二级轴向旋流装置的叶片旋流方向相同，第二级轴向旋流装置旋流角度大于第一级轴向旋流装置旋流角度；第一级轴向旋流装置和第二级轴向旋流装置的叶片错列布置；第一级轴向旋流装置和第二级轴向旋流装置的叶片错列布置。

本发明的第一级轴向旋流装置燃料喷射孔的孔径为Φ0.1～0.5。

本发明所述外围轴向环形空气通道沿气流方向依次分为直段和收缩段，所述的第一级轴向旋流装置和第二级轴向旋流装置均布置在所述的直段内。

该发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

①本发明的第一级、第二级轴向旋流装置能够强化燃料气和空气的旋流混合，保证喷嘴出口速度分布合理、燃料空气掺混均匀，进而提升燃烧稳定性。

②本发明的第一级轴向旋流装置加强了外围环形空气通道内周侧的气流旋转强度，增强燃料气和空气的掺混；同时旋流装置顶部和喷嘴外壁面间形成的第一级环形气流通道，增大外围环形空气通道外周侧的气流轴向速度，保证外周侧气流速度型分布。

③本发明的第二级轴向旋流装置加强了外围环形空气通道外周侧的气流旋转强度，增强燃料气和空气的掺混；同时旋流装置底部和中心锥体间形成的第二级环形气流通道，增大外围环形空气通道内周侧的气流轴向速度，减少中心锥体附面层对喷嘴出口速度型的影响，保证中心锥体下游不产生回流区，提高燃烧可靠性。

④本发明的第一级、第二级轴向旋流装置轴向前后布置，周向间隔布置，配合燃料喷射孔高度位置的调整，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，改善喷嘴中心锥体至喷嘴出口部分的速度分布。

附图说明

图1为本发明提供的一种燃气轮机燃烧室轴向两级旋流喷嘴的结构原理示意图。

图2为轴向两级旋流喷嘴的结构三维剖视图。

图中符号说明如下：1-中心燃料通道；2-外围环形空气通道；3-中心锥体；4-第一级轴向旋流装置；5-燃料喷射孔；6-第二级轴向旋流装置；7-第一级环形气流通道；8-第二级环形气流通道；9-喷嘴收缩段。

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为本发明提供的一种燃气轮机燃烧室轴向两级旋流喷嘴的结构原理示意图，该喷嘴包括中心燃料通道1、与该中心燃料通道1同轴布置的外围环形空气通道和中心锥体3，外围轴向环形空气通道沿轴向方向布置有两级旋流装置，第一级轴向旋流装置4位于外围轴向环形空气通道2内的前端，并固定在中心锥体3上，该第一级轴向旋流装置顶部和外围轴向环形空气通道2外壁面间留有第一级环形气流通道7，在第一级轴向旋流装置的叶片前端部设置燃料喷射孔5，燃料喷射孔的孔径大小优选为Φ0.1～Φ0.5；第一级轴向旋流装置4采用轴向叶片式结构，优选方案是叶片沿外围环形空气通道2均匀布置，其叶片个数在6～12之间。第一级环形气流通道7的径向间隙一般为第一级轴向旋流装置旋流叶片高度的10％～50％。

第二级轴向旋流装置6位于第一级轴向旋流装置的下游，并固定在外围轴向环形空气通道2的外壁面上，第二级轴向旋流装置与第一级轴向旋流装置之间的轴向间距为第一级轴向旋流装置叶片长度的10％～50％，该第二级轴向旋流装置底部与中心锥体(3)之间留有第二级环形气流通道8，该第二级环形气流通道的径向间隙为第二级轴向旋流装置6旋流叶片高度的10％～50％为宜。第二级轴向旋流装置6采用轴向叶片式结构，叶片沿外围环形空气通道(2)均匀布置，叶片个数在6～12之间。

优选的,第一级轴向旋流装置和第二级轴向旋流装置6的叶片旋流方向相同，且第二级轴向旋流装置的旋流角度应大于第一级轴向旋流装置旋流角度；两者的叶片应错列布置。

外围轴向环形空气通道可以为直段，也可沿气流方向依次分为直段和收缩段9，当外围轴向环形空气通道采用由直段和收缩段构成时，所述的第一级轴向旋流装置和第二级轴向旋流装置均应布置在所述的直段内。

本发明的工作原理如下：

天然气燃料进入轴向中心燃料通道1，通过中心锥体3壁面开孔进入第一级轴向旋流装置4的叶片上游侧位置，从叶片两侧燃料喷射孔5喷出。空气进入外围轴向环形空气通道2，贴近中心锥体3的通道内周侧空气在第一级轴向旋流装置4前端同燃料进行混合，并经过第一级轴向旋流装置4作用产生旋流，混合效果增强；远离中心锥体3的空气通道外周侧的空气保持轴向进气方向通过第一级环形气流通道7。流过第一级轴向旋流装置4的内、外周侧燃料和空气混合气，外周侧部分经过第二级轴向旋流装置6作用产生相同方向的旋流，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8，轴向速度得到保持。燃料和空气混合气在第二级轴向旋流装置6出口处掺混，经过喷嘴收缩段9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。

Claims

1.一种燃气轮机燃烧室轴向两级旋流喷嘴，该喷嘴包括中心燃料通道(1)、与该中心燃料通道(1)同轴布置的外围环形空气通道(2)和中心锥体(3)，其特征在于：外围轴向环形空气通道(2)沿轴向方向布置有两级旋流装置，第一级轴向旋流装置(4)位于外围轴向环形空气通道(2)内的前端，并固定在中心锥体(3)上，该第一级轴向旋流装置顶部和外围轴向环形空气通道(2)外壁面间留有第一级环形气流通道(7)，在第一级轴向旋流装置的叶片前端部设置燃料喷射孔(5)；第二级轴向旋流装置(6)位于第一级轴向旋流装置的下游，并固定在外围轴向环形空气通道(2)的外壁面上，两者之间的轴向间距为第一级轴向旋流装置叶片长度的10％～50％，该第二级轴向旋流装置底部与中心锥体(3)之间留有第二级环形气流通道(8)。

2.如权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室轴向两级旋流喷嘴，其特征在于：第一级轴向旋流装置和第二级轴向旋流装置的叶片错列布置。

3.如权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室轴向两级旋流喷嘴，其特征在于：第一级轴向旋流装置(4)采用轴向叶片式结构，叶片沿外围环形空气通道(2)均匀布置，叶片个数在6～12之间。

4.如权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室轴向两级旋流喷嘴，其特征在于：第一级环形气流通道(7)径向间隙为第一级轴向旋流装置(4)旋流叶片高度的10％～50％。

5.如权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室轴向两级旋流喷嘴，其特征在于：第二级轴向旋流装置(6)采用轴向叶片式结构，叶片沿外围环形空气通道(2)均匀布置，叶片个数在6～12之间。

6.如权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室轴向两级旋流喷嘴，其特征在于：第二级环形气流通道(8)径向间隙为第二级轴向旋流装置(6)旋流叶片高度的10％～50％。

7.如权利要求1～6任一权利要求所述的一种燃气轮机燃烧室轴向两级旋流喷嘴，其特征在于：第一级轴向旋流装置(4)和第二级轴向旋流装置(6)的叶片旋流方向相同，第二级轴向旋流装置(6)旋流角度大于第一级轴向旋流装置(4)旋流角度。

8.如权利要求1～6任一权利要求所述的一种燃气轮机燃烧室轴向两级旋流喷嘴，其特征在于：第一级轴向旋流装置(4)燃料喷射孔(5)的孔径为Φ0.1～0.5。

9.如权利要求1～6任一权利要求所述的一种燃气轮机燃烧室轴向两级旋流喷嘴，其特征在于：外围轴向环形空气通道(2)沿气流方向依次分为直段和收缩段(9)，所述的第一级轴向旋流装置(4)和第二级轴向旋流装置(6)均布置在所述的直段内。