CN104266228A - 燃气轮机燃烧室轴向两级方向相反的旋流喷嘴 - Google Patents
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Abstract
燃气轮机燃烧室轴向两级方向相反的旋流喷嘴，其特点是在外围轴向环形空气通道内沿轴向方向布置两级旋流方向相反的旋流装置，分别固定在中心锥体上；第一级旋流装置采用中空叶片并与中心燃料通道相连通，中空叶片两侧开有燃料喷射孔；第二级旋流装置的空气入口紧贴第一级旋流装置空气出口，第二级旋流装置的进气角与第一级旋流装置出口的气流角相同，两级轴向旋流装置的叶片错列布置。本发明能有效增大空气通道内周侧的气流速度，强化燃料气和空气的混合，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。同时减少中心锥体附面层对喷嘴出口速度型的影响，使中心锥体下游不产生回流区，提高燃烧可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机燃烧室轴向两级方向相反的旋流喷嘴，尤其涉及使用天然气燃料的燃气轮机低污染燃烧室喷嘴。
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。当前，对燃气轮机燃烧室喷嘴的设计形式，例如专利文献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，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方向相反的旋流喷嘴，使其一方面能够在保持火焰稳定的同时，增大空气通道内周侧的气流速度，保证喷嘴出口速度合理分布、燃料空气掺混均匀；另一方面还能匹配喷嘴出口速度分布、燃料和空气的掺混效果，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。
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方向相反的旋流喷嘴，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：在外围轴向环形空气通道内沿轴向依次布置两级旋流方向相反的旋流装置，分别固定在所述的中心锥体上；第一级轴向旋流装置位于外围轴向环形空气通道的前端，第一级轴向旋流装置采用中空叶片并与中心燃料通道相连通，中空叶片两侧开有燃料喷射孔；第二级轴向旋流装置的空气入口紧贴第一级旋流装置空气出口，第二级轴向旋流装置的进气角与第一级轴向旋流装置出口的气流角相同，两级轴向旋流装置的叶片错列布置。
上述技术方案中，第一级轴向旋流装置的径向高度与外围环形空气通道的径向高度相同，第二级轴向旋流装置的径向高度为第一级轴向旋流装置径向高度的0.1～0.5。
优选的，本发明所述的第一级轴向旋流装置采用轴向叶片式结构，叶片沿环形空气通道均匀布置，叶片个数在6～12之间；第二级轴向旋流装置采用轴向叶片式结构或轴向叶栅式结构，沿环形空气通道均匀布置，叶片个数或叶栅通道个数同第一级轴向旋流装置相同。
本发明所述的燃气轮机燃烧室轴向两级方向相反的旋流喷嘴，其特征在于：第一级轴向旋流装置产生的气流偏转角α与第二级轴向旋流装置产生的气流偏转角相等。
优选的，本发明所述的燃料喷射孔的孔径大小为Φ0.1～Φ0.5。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)本发明采用两级方向相反的旋流装置能够强化燃料气和空气的混合，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)本发明的第二级旋流装置可将空气通道内周侧的旋流空气轴向速度增大，减少中心锥体附面层对喷嘴出口速度型的影响，保证空气通道内周侧速度型和燃料空气掺混匹配，中心锥体下游不产生回流区，提高燃烧可靠性。
(3)本发明的第二级旋流装置通过叶片高度、角度的调整能够为第一级旋流装置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为本发明提供的燃气轮机燃烧室轴向两级旋流方向相反的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3为两级轴向旋流喷嘴的气流旋转方向的原理示意图。
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-燃料喷射孔；4-第一级轴向旋流装置；5-第二级轴向旋流装置；6-中心锥体；7-喷嘴收缩段；8-喷嘴出口。
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为本发明提供的燃气轮机燃烧室轴向两级方向相反的旋流喷嘴的结构原理示意图，该喷嘴包括中心燃料通道1，以及与该中心燃料通道同轴布置的外围环形空气通道2和中心锥体6；在外围轴向环形空气通道2内的中心锥体6上沿轴向依次布置两级旋流方向相反的旋流装置；第一级轴向旋流装置4位于外围轴向环形空气通道2的前端，该轴向旋流装置采用中空叶片并与中心燃料通道相连通，中空叶片两侧开有燃料喷射孔3；第二级轴向旋流装置5的空气入口紧贴第一级轴向旋流装置4空气出口，第二级轴向旋流装置的进气角与第一级轴向旋流装置出口的气流角相同，两级轴向旋流装置的叶片错列布置(参见图2)。
第一级轴向旋流装置的径向高度高于第二级轴向旋流装置5；第一级轴向旋流装置4的径向高度与外围环形空气通道2的径向高度相同，第二级轴向旋流装置的径向高度为第一级轴向旋流装置径向高度的0.1～0.5。
第一级轴向旋流装置4采用轴向叶片式结构，叶片沿环形空气通道均匀布置，叶片个数在6～12之间。第二级轴向旋流装置5采用轴向叶片式结构或轴向叶栅式结构，沿环形空气通道均匀布置，叶片个数或叶栅通道个数同第一级轴向旋流装置相同。
第一级轴向旋流装置4使途径气流方向发生偏转；第二级轴向旋流装置5使途径气流发生偏转，两级轴向旋流装置产生的气流偏转角α相等(如图3所示)。
本发明的外围轴向环形空气通道沿气流方向可依次分为直段和收缩段7，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。
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6壁面开孔进入第一级轴向旋流装置4，从叶片两侧燃料喷射孔3喷出，燃料喷射孔的孔径大小一般为Φ0.1～Φ0.5，喷射孔高度可以调节。空气进入外围轴向环形空气通道2，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叶片作用速度方向发生偏转，混合效果增强。燃料和空气混合气流出第一级轴向旋流装置4后，贴近中心锥体6的空气通道内周侧混合气受第二级轴向旋流装置5的作用，速度方向偏转回轴向。远离中心锥体6的空气通道外周侧燃料和空气混合气保持经过第一级轴向旋流装置4后的旋流强度，继续掺混至第二级旋流装置5的出口，同空气通道内周侧燃料和空气混合气掺混，经过喷嘴收缩段7直至喷嘴出口。从而形成匹配的喷嘴出口速度分布和较好的燃料空气掺混效果，保证燃烧的稳定性和良好的出口温度分布。
Claims (7)
1.一种燃气轮机燃烧室轴向两级方向相反的旋流喷嘴，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(6)，其特征在于：在外围轴向环形空气通道(2)内沿轴向依次布置两级旋流方向相反的旋流装置，分别固定在所述的中心锥体(6)上；第一级轴向旋流装置(4)位于外围轴向环形空气通道(2)的前端，第一级轴向旋流装置(4)采用中空叶片并与中心燃料通道(1)相连通，中空叶片两侧开有燃料喷射孔(3)；第二级轴向旋流装置(5)的空气入口紧贴第一级旋流装置(4)空气出口，第二级轴向旋流装置(5)的进气角与第一级轴向旋流装置(4)出口的气流角相同，两级轴向旋流装置的叶片错列布置。
2.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧室轴向两级方向相反的旋流喷嘴，其特征在于：第一级轴向旋流装置(4)的径向高度与外围环形空气通道(2)的径向高度相同，第二级轴向旋流装置的径向高度(5)为第一级轴向旋流装置径向高度的0.1～0.5。
3.如权利要求1或2所述的燃气轮机燃烧室轴向两级方向相反的旋流喷嘴，其特征在于：第一级轴向旋流装置(4)采用轴向叶片式结构，叶片沿环形空气通道均匀布置，叶片个数在6～12之间。
4.如权利要求1或2所述的燃气轮机燃烧室轴向两级方向相反的旋流喷嘴，其特征在于：第二级轴向旋流装置(5)采用轴向叶片式结构或轴向叶栅式结构，沿环形空气通道均匀布置，叶片个数或叶栅通道个数同第一级轴向旋流装置相同。
5.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧室轴向两级方向相反的旋流喷嘴，其特征在于：第一级轴向旋流装置(4)产生的气流偏转角α与第二级轴向旋流装置(5)产生的气流偏转角相等。
6.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧室轴向两级方向相反的旋流喷嘴，其特征在于：燃料喷射孔(3)的孔径大小为Φ0.1～Φ0.5。
7.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧室轴向两级方向相反的旋流喷嘴，其特征在于：所述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(7)，所述的第一级轴向旋流装置(4)和第二级轴向旋流装置(5)均布置在所述的直段内。
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