CN104566462A - 一种预混喷嘴及燃气轮机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及动力装备技术领域，具体涉及一种预混喷嘴及燃气轮机。该预混喷嘴包括中心体、环形内壁、环形外壁和旋流装置，在环形内壁与环形外壁之间形成独立的扩散燃料通道。在扩散燃料通道内的燃料分两股：一股通过点火燃料喷射孔直接轴向喷射进入火焰筒，在稳火钝体的下游会形成局部的低速区或回流区；另一股通过稳火燃料喷射孔直接径向喷射进入稳火钝体下游的低速区或回流区；稳火钝体及稳火燃料喷射孔喷射的燃料增强了火焰的稳定性，最终实现更加可靠地引燃及稳定喷嘴的预混火焰，以改善预混喷嘴的点火性能，同时，由于是对喷嘴出口处的结构改进，实现了结构易加工维修的效果。
Description
技术领域
本发明涉及动力装备技术领域，尤其涉及一种预混喷嘴及燃气轮机，具体涉及了一种可改善点火性能的预混喷嘴。
背景技术
随着能源紧缺及全世界对环境保护问题的重视，各国对燃气轮机燃烧室排放和燃烧效率的要求越来越严格，一般要求燃气轮机在50％及以上负荷区间，燃烧室排放能维持在较低水平，同时保持较高的燃烧效率。为了达到低排放的目的，预混燃烧技术被广泛采用。因此，喷嘴需要实现燃料与空气的预先混合，并在喷嘴出口处形成混合均匀及有一定速度型的燃料空气混合气，进而进入火焰筒内参与燃烧。
由于从预混喷嘴喷射出的燃料在燃烧室内以预混火焰的方式燃烧，为达到极低的污染排放，火焰工作在可燃边界附近且喷嘴喷射出的燃料空气混合气体射流速度较大，燃烧室的可靠点火是比较困难的，现有技术中解决方法通常是中心体轴向长度小于预混喷嘴外壁面的长度，使得燃料空气混合气体从环形预混通道流出时先向中心体头部端壁下游的中心区域扩张，在中心体头部端壁下游的中心区域形成回流区，然后进入火焰筒内在火焰筒内进一步扩张，进而在火焰筒内形成较大的回流区域，用于火焰的稳定，但这两个回流区域易受火焰筒内其他气流的影响作用，这种方法是单纯的从形成稳定回流区的气动角度来改善预混火焰的稳定性，考虑到进入回流区的仍然是不易着火的、当量比较低的燃料空气混合气，燃烧室仍然存在不能点火成功的风险。
为了提高火焰的稳定性，现有专利文献(CN1704574)中，采用了在预混喷嘴出口中心体附近制造与主流流动方向相反的撞击空气流动，形成再循环涡流，减少了喷射到回流区中的空气量，从而降低预混喷嘴出口附近射流速度，提高了火焰稳定性。从气动角度来看，这种预混喷嘴只是提高局部回流区的稳定性，只是对火焰的稳定有一定作用，并不能可靠地改善预混喷嘴的点火性能，且从加工工艺角度来看，这种预混喷嘴内层挡板等结构加工连接等较为复杂，且不易于维修更换。
因此，针对以上不足，需要一种可改善点火性能的预混喷嘴及燃气轮机。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供了一种预混喷嘴及燃气轮机，该预混喷嘴可有效改善点火性能。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供预混喷嘴包括中心体、环形内壁和旋流装置，所述环形内壁同轴设置在中心体的外围，所述旋流装置位于中心体与环形内壁之间，所述环形内壁的外围同轴设有环形外壁，在所述环形内壁与环形外壁之间形成扩散燃料通道；所述扩散燃料通道与集油腔连通，所述环形内壁上设有稳火钝体，所述集油腔连通有点火燃料喷射孔和稳火燃料喷射孔，所述点火燃料喷射孔朝向火焰筒的点火区域，所述稳火燃料喷射孔朝向稳火钝体的下游区域。
其中，所述集油腔通过喷嘴出口端壁与喷嘴出口内环壁围成；所述喷嘴出口内环壁位于喷嘴出口端壁与稳火钝体之间；所述点火燃料喷射孔开设于喷嘴出口端壁上，所述稳火燃料喷射孔开设于喷嘴出口内环壁上。
其中，所述中心体末端设置有中心体头部端壁，所述中心体头部端壁上设有中心空气喷射孔；所述稳火钝体位于中心体头部端壁的下游。
其中，所述稳火钝体沿环形内壁的周向设置，且稳火钝体的周向范围不大于环形内壁圆周的二分之一。
其中，所述稳火钝体的横截面形状为三角形或矩形或梯形或圆弧形。
其中，所述点火燃料喷射孔和稳火燃料喷射孔开设的周向范围均不超过稳火钝体的周向范围。
其中，所述点火燃料喷射孔和稳火燃料喷射孔为直孔或斜孔。
其中，所述点火燃料喷射孔和稳火燃料喷射孔的开孔面积比在0.5-10之间。
其中，所述旋流装置包括沿中心体周向设置的旋流叶片，所述旋流叶片上设有叶片内部通道，所述叶片内部通道上设置有燃料孔，所述中心体内设有与所述叶片内部通道连通的预混燃料通道。
本发明还提供一种燃气轮机，其包括所述的预混喷嘴。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明提供一种预混喷嘴，通过在预混喷嘴环壁上设置独立的扩散燃料通道，使部分燃料从点火燃料喷射孔直接喷射进入火焰筒，极大地提高了预混喷嘴的点火性能；而且，通过在喷嘴靠近出口处的环形内壁面上设置钝体结构，从而形成稳定的回流区，且扩散燃料通道中部分燃料可直接喷射进入钝体后回流区，形成稳定的稳火区域，其紧邻点火燃料喷射孔的位置，大大提高了火焰的稳定性，并进一步提高了喷嘴的点火性能。该预混喷嘴结构简单，容易实现，并且不受燃烧室其他部件的限制，没有匹配等问题。
附图说明
图1为本发明实施例预混喷嘴的结构示意图；
图2为本发明实施例预混喷嘴出口的局部放大示意图；
图3为本发明实施例预混喷嘴的正面示意图；
图4为本发明实施例预混喷嘴的立体图；
图5为本发明实施例预混喷嘴的使用状态示意图。
其中，1：中心体；2：环形内壁；3：环形外壁；4：旋流装置；5：旋流叶片；6：中心体头部端壁；7：稳火钝体；8：喷嘴出口端壁；9：喷嘴出口内环壁；10：预混燃料通道；11：扩散燃料通道；12：叶片内部通道；13：预混燃料喷射孔；14：集油腔；15：点火燃料喷射孔；16：稳火燃料喷射孔；17：钝体后稳火区；18：中心空气喷射孔；19：预混喷嘴；20：火焰筒壁面；21：点火器；22：火花。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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“相连”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接；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。
如图1-5所示，本实施例预混喷嘴包括中心体1、环形内壁2和旋流装置4，环形内壁2同轴设置在中心体1的外围，旋流装置4位于中心体1与环形内壁2之间且靠近中心体1进口的一端，用于产生旋流空气；而且，在环形内壁2的外围同轴设有环形外壁3，并在环形内壁2与环形外壁3之间形成扩散燃料通道11；而且，扩散燃料通道11与集油腔14连通。同时，在环形内壁2上设有稳火钝体7，该集油腔14位于预混喷嘴的末端位置，并连通有点火燃料喷射孔15和稳火燃料喷射孔16。其中，点火燃料喷射孔15朝向火焰筒的点火区域(即，点火燃料喷射孔15的开口方向与该预混喷嘴的轴向一致)，对应的，稳火燃料喷射孔16朝向稳火钝体7的下游区域(即，稳火燃料喷射孔16的开口方向与预混喷嘴的径向一致)。
如图2所示，集油腔14通过喷嘴出口端壁8与喷嘴出口内环壁9围成，并位于预混喷嘴的末端。其中，喷嘴出口内环壁9位于喷嘴出口端壁8与稳火钝体7之间。而且，稳火燃料喷射孔16开设于喷嘴出口内环壁9上，并使稳火燃料喷射孔16朝向稳火钝体7的下游区域；同时，点火燃料喷射孔15开设于喷嘴出口端壁8上，并使点火燃料喷射孔15朝向火焰筒的点火区域。
稳火燃料喷射孔16可使部分燃料直接喷射进入稳火钝体7下游的局部低速区或回流区，从而形成局部的富燃料区域，更容易被点火燃料喷射孔15喷出的燃料形成的扩散火焰引燃，且火焰能够稳定在该区域形成钝体后稳火区17。
此外，在中心体1末端设置有中心体头部端壁6，中心体头部端壁6上设有中心空气喷射孔18；稳火钝体7位于中心体头部端壁6与喷嘴出口端壁8之间的位置。当然，中心空气喷射孔18的形式可以是直孔、斜孔和切向孔。
对于稳火钝体7而言，如图3、图4所示，其可沿环形内壁2的周向设置，且稳火钝体7的周向范围不大于环形内壁2圆周的二分之一。也就是说，稳火钝体7在环形内壁2上呈弧状分布，该弧长不大于环形内壁2圆周的二分之一，或者说，稳火钝体7对应的角度在(-90°～+90°)之间。
而且，多个点火燃料喷射孔15和稳火燃料喷射孔16也同样沿着周向设置，两者开设的周向范围均不超过稳火钝体7的周向范围，即，点火燃料喷射孔15和稳火燃料喷射孔16的排列范围落在稳火钝体7的周向范围之内。
优选地，稳火钝体7的横截面形状为三角形或矩形或梯形或圆弧形。当然，其他形状的稳火钝体7也属于本发明的保护范围。
进一步地，点火燃料喷射孔15和稳火燃料喷射孔16可为直孔或斜孔，其中，直孔为沿轴向开设的通孔，斜孔为沿轴向与径向的矢量方向开设的通孔，同时，点火燃料喷射孔15和稳火燃料喷射孔16也可以为用于使燃料旋转通过的切向孔，当然，还可为其他类型的孔，例如，锥形孔等等。
此外，点火燃料喷射孔15和稳火燃料喷射孔16的开孔面积比在0.5-10之间，在此范围内能够满足点火和稳火的需求。
其中，旋流装置4包括沿中心体1周向设置的旋流叶片5，旋流叶片5上设有叶片内部通道12，并在叶片内部通道12上设置有燃料孔13，中心体1内设有与叶片内部通道12连通的预混燃料通道10。
此外，本发明还提供一种燃气轮机，其包括所述的预混喷嘴，该预混喷嘴在安装时，需保证稳火钝体7所在的一侧正对火焰筒壁面20上点火器21的安装位置，即稳火钝体7靠近点火器21安装的一侧。
本发明的工作原理如下：首先，燃料通过环形内壁2和环形外壁3形成的独立的扩散燃料通道11进入靠近喷嘴出口端壁8的集油腔14中，燃料从集油腔14分成两股，该两股燃料均未与空气进行预先混合，其中一股通过在喷嘴出口端壁8上开设的点火燃料喷射孔15直接喷射进入火焰筒；在喷嘴出口端壁8上游的环形内壁2上设有稳火钝体7，在稳火钝体7的下游会形成局部的低速区或回流区，喷嘴出口端壁8与稳火钝体7之间设有喷嘴出口内环壁9，另一股燃料通过在喷嘴出口内环壁9上开设的稳火燃料喷射孔16直接喷射进入该局部低速区或回流区。
如图5所示，预混喷嘴19在安装时，保证稳火钝体7所在的一侧正对火焰筒壁面20上点火器21的安装位置，即稳火钝体7靠近点火器21安装的一侧，点火燃料喷射孔15和稳火燃料喷射孔16的周向范围均不超过稳火钝体7的周向范围，使得点火燃料喷射孔15喷射出的燃料更加靠近点火器21，且燃料未与空气预先混合，使得燃料更容易被点火器21制造的火花22点燃。
部分未与空气预先混合的燃料从稳火燃料喷射孔16直接喷射进入稳火钝体7下游的局部低速区或回流区，形成局部的富燃料区域，更容易被点火燃料喷射孔15喷出的燃料形成的扩散火焰引燃，且火焰能够稳定在该区域，形成钝体后稳火区17。
空气通过中心体1与环形内壁2限定的空间流进喷嘴内部，并经过旋流装置4形成旋转流动的气流，燃料从预混燃料通道10进入旋流叶片5中的叶片内部通道12，并从叶片内部通道12上设置的预混燃料喷射孔13喷射而出；空气和燃料在旋流装置4所处的位置混合，燃料空气混合气在稳火钝体7下游的低速区或回流区被引燃，形成稳定的预混火焰，直至预混喷嘴19的燃料空气混合器全部被引燃，且稳定在特定的位置，点火成功。
点火成功后，可按照火焰稳定及污染排放的实际要求，选择性的关闭扩散燃料通道11；同时，中心体1在头部端壁6上开设的中心空气喷射孔18有空气流出，以达到对此处壁面的冷却作用。
综上所述，本发明提供一种预混喷嘴，通过在预混喷嘴环壁上设置独立的扩散燃料通道，使部分燃料从点火燃料喷射孔直接喷射进入火焰筒，极大地提高了预混喷嘴的点火性能；而且，通过在喷嘴靠近出口处的环形内壁面上设置钝体结构，从而形成稳定的回流区，且扩散燃料通道中部分燃料可直接喷射进入钝体后回流区，形成稳定的稳火区域，其紧邻点火燃料喷射孔的位置，大大提高了火焰的稳定性，并进一步提高了喷嘴的点火性能。该预混喷嘴结构简单，容易实现，并且不受燃烧室其他部件的限制，没有匹配等问题。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (10)
1.一种预混喷嘴，包括中心体(1)、环形内壁(2)和旋流装置(4)，所述环形内壁(2)同轴设置在中心体(1)的外围，所述旋流装置(4)位于中心体(1)与环形内壁(2)之间，其特征在于：所述环形内壁(2)的外围同轴设有环形外壁(3)，在所述环形内壁(2)与环形外壁(3)之间形成扩散燃料通道(11)；所述扩散燃料通道(11)与集油腔(14)连通，所述环形内壁(2)上设有稳火钝体(7)，所述集油腔(14)连通有点火燃料喷射孔(15)和稳火燃料喷射孔(16)，所述点火燃料喷射孔(15)朝向火焰筒的点火区域，所述稳火燃料喷射孔(16)朝向稳火钝体(7)的下游区域。
2.根据权利要求1所述的预混喷嘴，其特征在于，所述集油腔(14)通过喷嘴出口端壁(8)与喷嘴出口内环壁(9)围成；所述喷嘴出口内环壁(9)位于喷嘴出口端壁(8)与稳火钝体(7)之间；所述点火燃料喷射孔(15)开设于喷嘴出口端壁(8)上，所述稳火燃料喷射孔(16)开设于喷嘴出口内环壁(9)上。
3.根据权利要求2所述的预混喷嘴，其特征在于，所述中心体(1)末端设置有中心体头部端壁(6)，所述中心体头部端壁(6)上设有中心空气喷射孔(18)；所述稳火钝体(7)位于中心体头部端壁(6)的下游。
4.根据权利要求1所述的预混喷嘴，其特征在于，所述稳火钝体(7)沿环形内壁(2)的周向设置，且稳火钝体(7)的周向范围不大于环形内壁(2)圆周的二分之一。
5.根据权利要求1所述的预混喷嘴，其特征在于，所述稳火钝体(7)的横截面形状为三角形或矩形或梯形或圆弧形。
6.根据权利要求1所述的预混喷嘴，其特征在于，所述点火燃料喷射孔(15)和稳火燃料喷射孔(16)开设的周向范围均不超过稳火钝体(7)的周向范围。
7.根据权利要求1所述的预混喷嘴，其特征在于，所述点火燃料喷射孔(15)和稳火燃料喷射孔(16)为直孔或斜孔。
8.根据权利要求1所述的预混喷嘴，其特征在于，所述点火燃料喷射孔(15)和稳火燃料喷射孔(16)的开孔面积比在0.5-10之间。
9.根据权利要求1所述的预混喷嘴，其特征在于，所述旋流装置(4)包括沿中心体(1)周向设置的旋流叶片(5)，所述旋流叶片(5)上设有叶片内部通道(12)，所述叶片内部通道(12)上设置有燃料孔(13)，所述中心体(1)内设有与所述叶片内部通道(12)连通的预混燃料通道(10)。
10.一种燃气轮机，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的预混喷嘴。
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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. |
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