CN104534513A - 燃气轮机燃烧室旋射流混合喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气轮机燃烧室喷嘴结构领域，公开了一种燃气轮机燃烧室旋射流混合喷嘴，包括：射流喷嘴组件和旋流喷嘴组件，射流喷嘴组件包括射流筒和射流燃料管，射流筒与旋流喷嘴组件同心设置，且位于旋流喷嘴组件的外侧；射流筒与旋流喷嘴组件之间设有前挡板、后挡板和中挡板，形成前腔室和后腔室；前挡板设有第一射流孔和第二射流孔，第一射流孔通过射流导管与后腔室连通；射流燃料管与后腔室连接，且前腔室的外侧壁设有空气入口，或者射流燃料管与前腔室连接，且后腔室的外侧壁设有空气入口。本发明减少旋流稳定火焰气流份额，增加射流混合物的比例，降低火焰峰值温度，抑制氮氧化物生成，减少污染气体的排放。

Description

燃气轮机燃烧室旋射流混合喷嘴

技术领域

本发明涉及燃气轮机燃烧室喷嘴技术领域，特别是涉及一种燃气轮机燃烧室旋射流混合喷嘴。

背景技术

对于工业重型燃气轮机而言，数十年间发展目标始终为更高的燃烧室出口平均温度(标定燃气轮机技术等级)以及更低污染物排放；上述技术指标与燃烧室紧密相关且自身互相矛盾，更高的燃烧室出口平均温度意味着更多燃料参与燃烧过程，燃烧室内平均温度更高，而作为燃烧室主要污染物的氮氧化物与燃烧室内部热力过程密切相关。燃气轮机燃烧室的基本功能为在有限空间内高强度的通过组织燃料与空气流动并发生化学反应，将燃料中化学能转化为燃气中热能从而推动透平做功。其核心为湍流混合过程与化学反应动力过程的交互作用。现有燃烧室采用旋流预混结构，随着燃烧室平均出口温度的进一步升高，该种燃烧室头部结构对于控制燃烧室氮氧化物排放作用有限。比较国际上20世纪90年代与现在最新的燃烧室产品可知，其出口平均温度增加约200℃，虽然燃烧室经过一系列优化与改进，然而其氮氧化物的排放水平持平甚至略有升高，这说明了目前燃烧室设计结构针对未来更高参数燃烧室时，其潜力有限，面临着不能满足排放标准的风险。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种燃气轮机燃烧室旋射流混合喷嘴，减少旋流稳定火焰气流占整个喷嘴的份额，增加射流混合物的比例，改变传统预混燃烧特性，形成局部不断“熄灭-再燃”的分布式火焰，降低火焰峰值温度，抑制氮氧化物生成。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种燃气轮机燃烧室旋射流混合喷嘴，包括：射流喷嘴组件和旋流喷嘴组件，所述射流喷嘴组件包括射流筒和射流燃料管，所述射流筒与所述旋流喷嘴组件同心设置，且位于所述旋流喷嘴组件的外侧；所述射流筒与旋流喷嘴组件之间设有前挡板、后挡板和中挡板，形成前腔室和后腔室；所述前挡板设有第一射流孔和第二射流孔，所述第一射流孔通过射流导管与后腔室连通；所述射流燃料管与所述后腔室连接，且所述前腔室的外侧壁设有空气入口，或者所述射流燃料管与所述前腔室连接，且所述后腔室的外侧壁设有空气入口。

其中，所述第一射流孔和第二射流孔的直径为1～1.5mm。

其中，所述空气入口、第一射流孔和第二射流孔均为多个。

其中，所述旋流喷嘴组件包括旋流筒、旋流燃料管和多个旋流叶片，所述旋流燃料管设置在所述旋流筒的中心；多个所述旋流叶片安装在所述旋流燃料管上；每个所述旋流叶片设有多个旋流燃料喷射孔，所述旋流燃料喷射孔与旋流燃料管连通。

其中，该燃气轮机燃烧室旋射流混合喷嘴还设有喷嘴底座，所述喷嘴底座设有旋流进气通道和射流进气通道；所述旋流燃料管和射流燃料管分别安装在所述喷嘴底座上。

其中，所述旋流筒的后端设有整流板或限流孔板。

其中，多个所述旋流叶片沿所述旋流燃料管的周向均匀排布。

其中，所述旋流叶片安装在所述旋流燃料管与旋流筒的内壁之间。

(三)有益效果

本发明提供的燃气轮机燃烧室旋射流混合喷嘴，旋流喷嘴组件和射流喷嘴组件同心设置，且旋流喷嘴组件设置在射流喷嘴组件的中心，旋流喷嘴组件用于创建旋流火焰，为射流喷嘴组件提供点火能量稳定火焰；而射流喷嘴组件提供高速射流空气燃料混合物，在喷嘴下游卷吸进入旋流火焰中，被旋流火焰中的烟气稀释，形成局部不断“熄灭-再燃”的分布式火焰，降低了火焰的峰值温度，有效抑制氮氧化物生成，降低污染物排放。另外，射流喷嘴组件喷射的空气速度大，空气与燃料需要在下游一段距离内进行掺混才能形成可燃混合物，使燃烧发生区远离喷嘴表面，降低了高速射流喷嘴组块下游处的冷却面积，大大减少了回火发生的可能性。

附图说明

图1为本发明实施例1的立体结构图；

图2为本发明实施例1的剖视图；

图3为本发明实施例2的剖视图。

图中，1：喷嘴底座；2：旋流喷嘴组件；3：射流喷嘴组件；11：旋流进气通道；12：射流进气通道；20：旋流筒；21：旋流燃料管；22：旋流叶片；23：旋流燃料喷射孔；24：限流孔板；30：射流筒；31：空气入口；32：射流燃料管；33：前腔室；34：后腔室；35：中挡板；36：射流导管；37：前挡板；38：第一喷射孔；39：第二喷射孔；40：后挡板。

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。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

参照图1和2所示，燃气轮机燃烧室旋射流混合喷嘴，包括：喷嘴底座1、旋流喷嘴组件2和射流喷嘴组件3。

喷嘴底座1设有旋流进气通道11和射流进气通道12，分别用于向旋流喷嘴组件2和射流喷嘴组件3提供燃料。

旋流喷嘴组件2包括旋流筒20、旋流燃料管21以及多个旋流叶片22。旋流筒20为一个前端和后端均为开口的金属圆筒，旋流燃料管21的前端从旋流筒20的后端插入旋流筒20中，设置在旋流筒20的中心。旋流燃料管21的前端封闭，后端用于安装在喷嘴底座1上，与旋流进气通道11连通。多个旋流叶片22安装在旋流燃料管21上，且设置在旋流燃料管21与旋流筒20的内壁之间。每个旋流叶片22设有多个旋流燃料喷射孔23，旋流燃料喷射孔23与旋流燃料管21连通，燃气由旋流进气通道11进入旋流燃料管21，然后从旋流燃料喷射孔23喷出。射流喷嘴组件3包括射流筒30和射流燃料管32，射流筒30与旋流喷嘴组件2同心设置，且位于旋流喷嘴组件2的外侧，射流筒30也为一个前端和后端均通透的金属圆筒。如图2所示，射流筒30与旋流筒20同心设置，且位于旋流筒20的外侧，旋流筒20和射流筒30之间形成一个环形空腔。射流筒30与旋流筒20之间设有前挡板37、后挡板40和中挡板35。前挡板37和中挡板35之间的空腔形成前腔室34，中挡板35和后挡板40之间的空腔形成后腔室33。在前挡板37设有第一射流孔38和第二射流孔39，第一射流孔38通过射流导管36与后腔室33连通。射流燃料管32的一端与后腔室33连接，另一端安装在喷嘴底座1上，与射流进气通道12连通，外部供燃气设备通过射流进气通道12向射流燃料管32供应燃料气，燃料气流经后腔室33，进入射流导管36，继而从第一射流孔38射出。前腔室34的外侧壁设有空气入口31，燃烧室的空气通过空气入口31流入前腔室34，并从前挡板37的第二射流孔39射出。

使用本实施例的燃气轮机燃烧室旋射流混合喷嘴，旋流喷嘴组件2创建旋流火焰，为射流喷嘴组件3提供点火能量稳定火焰；而射流喷嘴组件3提供高速射流空气燃料混合物，在喷嘴下游卷吸进入旋流火焰中，被旋流火焰中的烟气稀释，形成局部不断“熄灭-再燃”的分布式火焰，降低了火焰的峰值温度，有效抑制氮氧化物生成，降低污染物排放。另外，射流喷嘴组件3喷射的空气速度大，空气与燃料需要在下游一段距离内进行掺混才能形成可燃混合物，使燃烧发生区远离喷嘴表面，降低了高速射流喷嘴组块3前端壁面处的冷却面积，大大减少了回火发生的可能性。

优选的，旋流叶片22为8个，8个旋流叶片22沿旋流燃料管21的周向均匀排布，8个旋流叶片22设置在旋流燃料管21的同一周向截面上。

进一步的，第一射流孔38和第二射流孔39的直径均为1～1.5mm。

优选的，空气入口31、第一射流孔38和第二射流孔39均为多个，每个第一射流孔38通过一个射流导管36与后腔室33连通。

优选的，旋流喷嘴组件2的平均当量比为0.5～0.7，射流喷嘴组件3的平均当量比为0.4～0.6。

旋流喷嘴组件2内空气平均速度为40m/s～60m/s，射流喷嘴组件3出口射流空气的平均速度为150m/s～250m/s。旋流喷嘴组件2速度较低加强火焰稳定性，射流喷嘴组件3速度较高可燃混合物远离喷嘴头部。

实施例2：

参照图3所示，燃气轮机燃烧室旋射流混合喷嘴，包括：喷嘴底座1、旋流喷嘴组件2和射流喷嘴组件3。

喷嘴底座1设有旋流进气通道11和射流进气通道12，分别用于向旋流喷嘴组件2和射流喷嘴组件3提供燃料。

旋流喷嘴组件2包括旋流筒20、旋流燃料管21以及多个旋流叶片22。旋流筒20为一个前端和后端均为开口的金属圆筒，旋流燃料管21的前端从旋流筒20的后端插入旋流筒20中，且设置在旋流筒20的中心。旋流燃料管21的前端封闭，后端安装在喷嘴底座1上，且与旋流进气通道11连通。多个旋流叶片22安装在旋流燃料管21上，且连接在旋流燃料管21与旋流筒20的内壁之间。每个旋流叶片22设有多个旋流燃料喷射孔23，旋流燃料喷射孔23与旋流燃料管20连通，燃气由旋流进气通道11进入旋流燃料管21，然后从旋流燃料喷射孔23喷出。射流喷嘴组件3包括射流筒30和射流燃料管32，射流筒30与旋流喷嘴组件2同心设置，且位于旋流喷嘴组件2的外侧，射流筒30也为一个前端和后端均通透的金属圆筒。如图3所示，射流筒30与旋流筒20同心设置，且位于旋流筒20的外侧，旋流筒20和射流筒30之间形成一个环形空腔。射流筒30与旋流筒20之间设有前挡板37、后挡板40和中挡板35。前挡板37和中挡板35之间的空腔形成前腔室34，中挡板35和后挡板40之间的空腔形成后腔室33。在前挡板37设有第一射流孔38和第二射流孔39，第一射流孔38通过射流导管36与后腔室33连通。射流燃料管32的前端穿过后挡板40和中挡板35与前腔室34连通，后端安装在喷嘴底座1上，与射流进气通道12连通，外部供燃气设备通过射流进气通道12向射流燃料管32供应燃料气，流经前腔室34，从第二射流孔39射出。后腔室33的外侧壁设有空气入口31，燃烧室的空气通过空气入口31流入后腔室33，继而空气流经射流导管36，从前挡板37的第一射流孔38射出。

优选的，旋流叶片22为8个，8个旋流叶片22沿旋流燃料管21的周向均匀排布，8个旋流叶片22设置在旋流燃料管21的同一周向截面上。

进一步的，第一射流孔38和第二射流孔39的直径均为1～1.5mm。

优选的，空气入口31、第一射流孔38和第二射流孔39均为多个，每个第一射流孔38通过一个射流导管36与后腔室33连通。

优选的，旋流喷嘴组件2的平均当量比为0.5～0.7，射流喷嘴组件3的平均当量比为0.4～0.6。旋流喷嘴组件2的平均当量比大于射流喷嘴组件3的平均当量比，旋流喷嘴组件2的当量比较高，提高火焰稳定性，射流喷嘴组件3当量比较低降低火焰温度，减少污染物排放。

旋流喷嘴组件2内空气平均速度为40m/s～60m/s，射流喷嘴组件3出口射流空气的平均速度为150m/s～250m/s。旋流喷嘴组件2速度较低加强火焰稳定性，射流喷嘴组件3速度较高可燃混合物远离喷嘴头部。

进一步的，旋流筒20的后端设有限流孔板24，通过限流孔板24设定旋流筒20的进气量，使旋流喷嘴组件2的平均当量比及平均速度符合设定范围。限流孔板24也可以采用整流板替换。

本发明与现有技术相比具有以下优点：包括同轴布置的旋流喷嘴组件2及射流喷嘴组件3，旋流喷嘴组件2设置于射流混合喷嘴3中心，在使用中，旋流喷嘴组件2消耗的空气量占整个喷嘴负荷的10％～20％；当量比较高，用于创建旋流火焰，为射流喷嘴组件3提供点火能量并稳定火焰。射流喷嘴组件3固定设置于旋流喷嘴组件2外侧提供高速射流空气和射流燃料，并形成混合物，混合物在喷嘴下游卷吸进入旋流火焰中，被旋流火焰中的烟气稀释，形成局部不断“熄灭-再燃”的分布式火焰，同时该喷嘴合理控制各处气流的当量比及速度，降低了火焰的峰值温度，有效抑制氮氧化物生成，降低污染物排放。除此之外，射流空气和射流燃料的速度较大，射流喷嘴组件喷出的空气与燃料需要在下游一段距离内进行掺混才能形成可燃混合物，使燃烧发生区远离喷嘴表面，降低了高速射流喷嘴组块3前端壁面处的冷却面积，大大减少了回火发生的可能性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种燃气轮机燃烧室旋射流混合喷嘴，其特征在于，包括：射流喷嘴组件和旋流喷嘴组件，所述射流喷嘴组件包括射流筒和射流燃料管，所述射流筒与所述旋流喷嘴组件同心设置，且位于所述旋流喷嘴组件的外侧；所述射流筒与旋流喷嘴组件之间设有前挡板、后挡板和中挡板，形成前腔室和后腔室；所述前挡板设有第一射流孔和第二射流孔，所述第一射流孔通过射流导管与后腔室连通；所述射流燃料管与所述后腔室连接，且所述前腔室的外侧壁设有空气入口，或者所述射流燃料管与所述前腔室连接，且所述后腔室的外侧壁设有空气入口。

2.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧室旋射流混合喷嘴，其特征在于，所述第一射流孔和第二射流孔的直径为1～1.5mm。

3.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧室旋射流混合喷嘴，其特征在于，所述空气入口、第一射流孔和第二射流孔均为多个。

4.如权利要求1至3任一项所述的燃气轮机燃烧室旋射流混合喷嘴，其特征在于，所述旋流喷嘴组件包括旋流筒、旋流燃料管和多个旋流叶片，所述旋流燃料管设置在所述旋流筒的中心；多个所述旋流叶片安装在所述旋流燃料管上；每个所述旋流叶片设有多个旋流燃料喷射孔，所述旋流燃料喷射孔与旋流燃料管连通。

5.如权利要求4所述的燃气轮机燃烧室旋射流混合喷嘴，其特征在于，该燃气轮机燃烧室旋射流混合喷嘴还设有喷嘴底座，所述喷嘴底座设有旋流进气通道和射流进气通道；所述旋流燃料管和射流燃料管分别安装在所述喷嘴底座上。

6.如权利要求5所述的燃气轮机燃烧室旋射流混合喷嘴，其特征在于，所述旋流筒的后端设有整流板或限流孔板。

7.如权利要求5所述的燃气轮机燃烧室旋射流混合喷嘴，其特征在于，多个所述旋流叶片沿所述旋流燃料管的周向均匀排布。

8.如权利要求5所述的燃气轮机燃烧室旋射流混合喷嘴，其特征在于，所述旋流叶片安装在所述旋流燃料管与旋流筒的内壁之间。