CN104566471A - 一种喷嘴及设有该喷嘴的燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动力装备技术领域，尤其涉及一种喷嘴及设有该喷嘴的燃气轮机。该喷嘴包括中心体、环形壁和旋流装置；在中心体上分别设有独立的预混燃料通道和扩散燃料通道；预混燃料通道分别向中心体混合通道和外围混合通道喷射燃料，形成燃料空气混合气；扩散燃料通道在靠近中心体端壁处直接向中心体混合通道喷出的燃料空气混合气中喷射燃料，最终在喷嘴出口中心形成部分预混燃烧火焰，并将外围混合通道喷出的燃料空气混合气引燃，形成外围预混燃烧火焰；在喷嘴出口中心部分预混燃烧火焰的作用下，较低负荷下，喷嘴的火焰稳定性以及燃烧效率得到极大地改善；同时，还可实现结构易加工维修的效果。

Description

一种喷嘴及设有该喷嘴的燃气轮机

技术领域

本发明涉及动力装备技术领域，尤其涉及一种喷嘴及设有该喷嘴的燃气轮机，具体涉及一种采用部分预混燃烧的喷嘴。

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，加上喷嘴喷射出的燃料空气混合气体射流速度较大，预混火焰的稳定是比较困难的，现有技术中解决方法通常是中心体轴向长度小于喷嘴外壁面的长度，使得燃料空气混合气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，用于预混火焰的稳定，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，在较大负荷的工况参数下，由于进口压力、进口温度以及燃料空气混合气当量比较高，喷嘴尚可容易的实现可靠的火焰稳定和较高的燃烧效率，而在较低负荷的工况参数下，由于进口压力、进口温度以及燃料空气混合气当量比较低，不利于预混火焰的稳定、高效燃烧，使得预混火焰存在不能稳定或稳定性差以及燃烧效率低的风险。

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，从而降低喷嘴出口附近射流速度，提高了火焰稳定性。这种方法只是从气动的角度提高了局部回流区的稳定性，只会对预混火焰的稳定有一定作用，且由于预混燃烧的本质，这种方法并不能可靠地改善喷嘴的稳火性能，更不能保证预混火焰在较低负荷下具有较高的燃烧效率；此外，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，需要一种能够可靠地改善喷嘴的稳火性能，使预混火焰在较低负荷下具有较高的燃烧效率，结构简单，维修更换的喷嘴及设有该喷嘴的燃气轮机。

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喷嘴设有该喷嘴的燃气轮机，使得能够可靠地改善喷嘴的稳火性能，使预混火焰在较低负荷下具有较高的燃烧效率，结构简单，维修更换。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种喷嘴，包括中心体、环形壁和旋流装置；所述中心体内设有中心体混合通道；所述中心体混合通道的进口端设有旋流孔板，出口端设有中心体头部端壁，所述中心体头部端壁上设有集油腔；所述环形壁同轴设置在中心体的外围，在所述环形壁与中心体之间形成外围混合通道；所述旋流装置位于所述外围混合通道上靠近中心体进口的一端；所述中心体上设有预混燃料通道和扩散燃料通道；所述预混燃料通道通过中心体预混燃料喷射孔与所述中心体混合通道连通；所述集油腔通过扩散燃料喷射孔与所述中心体混合通道连通；所述扩散燃料通道与集油腔连通。

其中，所述中心体头部端壁上设有内环壁和外环壁，所述外环壁上开设有与所述外围混合通道连通的端壁喷射孔，所述扩散燃料喷射孔位于内环壁上；所述集油腔位于内环壁与外环壁之间，且在集油腔内设有挡板。

其中，所述中心体预混燃料喷射孔、扩散燃料喷射孔和端壁喷射孔为直孔或斜孔。

其中，所述外环壁的轴向长度大于内环壁的轴向长度。

其中，所述中心体预混燃料喷射孔与扩散燃料喷射孔的开孔面积比在0.05-0.5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，所述旋流叶片内设有与所述预混燃料通道连通的叶片内部通道，所述叶片内部通道上设有叶片预混燃料喷射孔。

其中，所述中心体混合通道的内部设有收缩段和扩张段，所述扩张段位于收缩段的下游。

其中，所述旋流孔板上设有多个切向孔。

其中，所述中心体头部端壁的轴向位置处于环形壁的轴向范围内。

其中，本发明还提供一种燃气轮机，其包括所述的喷嘴。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明喷嘴通过在中心体上设置独立的扩散燃料通道，使部分燃料在靠近中心体端壁处直接向中心体混合通道喷出的燃料空气混合气中喷射燃料，最终在喷嘴出口中心形成部分预混燃烧火焰，从而制造局部温度较高的区域，并将外围混合通道喷出的燃料空气混合气引燃，能够极大地提高喷嘴的稳火性能及保证较高的燃烧效率。本发明结构简单，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为本发明实施例喷嘴的结构示意图；

图2为本发明实施例喷嘴出口处的局部放大图；

图3为本发明实施例喷嘴进口处的正面示意图；

图4为本发明实施例喷嘴的三维立体图；

图5为本发明实施例喷嘴使用状态示意图。

其中，1：中心体；2：环形壁；3：旋流装置；4：旋流叶片；5：中心体头部端壁；6：内环壁；7：外环壁；8：挡板；9：集油腔；10：旋流孔板；11：切向孔；12：预混燃料通道；13：叶片内部通道；14：叶片预混燃料喷射孔；15：内壁面；16：中心体预混燃料喷射孔；17：扩散燃料通道；18：扩散燃料喷射孔；19：端壁喷射孔；20：收缩段；21：扩张段；22：喉道；23：中心体混合通道；24：外围混合通道；25：中心部分预混火焰；26：外围预混火焰。

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，本实施例的喷嘴包括中心体1、环形壁2和旋流装置3；在中心体1内设有中心体混合通道23，中心体混合通道23的进口端设有旋流孔板10，出口端设有中心体头部端壁5。中心体头部端壁5上设有集油腔9；环形壁2同轴设置在中心体1的外围，在环形壁2与中心体1之间形成外围混合通道24；旋流装置3位于外围混合通道24上靠近中心体1进口的一端(即，靠近旋流孔板10的一端)，用于形成旋流；在中心体1上设有独立的预混燃料通道12和扩散燃料通道17；预混燃料通道12沿中心体1的周向设置为多条，预混燃料通道12通过中心体预混燃料喷射孔16与中心体混合通道23连通；集油腔9通过扩散燃料喷射孔18与中心体混合通道23连通；扩散燃料通道17与集油腔9连通，使得燃料可直接进入中心体混合通道23内。

如图2所示，中心体头部端壁5上设有内环壁6和外环壁7，外环壁7的轴向长度大于内环壁6的轴向长度。在外环壁7上开设有与外围混合通道24连通的端壁喷射孔19，扩散燃料喷射孔18位于内环壁6上；对应的，集油腔9位于内环壁6与外环壁7之间，且在集油腔9内设有挡板8，端壁喷射孔19位于挡板8的下游。

优选地，中心体预混燃料喷射孔16、扩散燃料喷射孔18和端壁喷射孔19为直孔或斜孔，可视实际需要灵活选择孔型。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。

本实施例的中心体预混燃料喷射孔16位于预混燃料通道12的内壁面15上，中心体预混燃料喷射孔16与扩散燃料喷射孔18的开孔面积比在0.05-0.5之间，从而达到较好的预混效果。

结合图3、图4所示，旋流装置3包括沿中心体1周向设置的旋流叶片4，旋流叶片4为中空的，在旋流叶片4内设有与预混燃料通道12连通的叶片内部通道13，叶片内部通道13上设有叶片预混燃料喷射孔14。

而且，中心体混合通道23的内部设有收缩段20和扩张段21，收缩段20自进口至出口的方向逐渐收缩变小，扩张段21自进口至出口的方向逐渐扩张变大，扩张段21位于收缩段20的下游，即，扩张段21靠近中心体头部端壁5。

旋流孔板10上设有多个切向孔11，切向孔11与中心体混合通道23连通。而且，中心体头部端壁5的轴向位置位于环形壁2的轴向范围之内，即，中心体头部端壁5处于环形壁2的包覆范围里面。

本发明还提供一种燃气轮机，其包括所述的喷嘴，该喷嘴应用于燃烧室上。

本发明的工作原理为：首先，外部空气分别通过旋流装置3和旋流孔板10形成旋流进入外围混合通道24和中心体混合通道23；然后，燃料通过预混燃料通道12分别进入叶片内部通道13和中心体预混燃料喷射孔16；其中一部分燃料通过叶片内部通道13上的叶片预混燃料喷射孔14向外围混合通道24中喷射并与空气进行混合，同时，另一部分燃料通过中心体预混燃料喷射孔16向中心体混合通道23中喷射并与空气进行混合；在中心体1中开有独立的扩散燃料通道17，扩散燃料通道17的燃料向下游流动进入在中心体1中开设的集油腔9，内环壁6上开有扩散燃料喷射孔18且与集油腔9连通，使得燃料可以直接喷射进入中心体混合通道23的燃料空气混合气中，形成部分预混的气体，然后进入火焰筒进行部分预混燃烧。如图5所示，在喷嘴中心形成中心部分预混火焰25，中心部分预混火焰25能够制造局部温度较高的区域，并引燃外围混合通道24的燃料空气混合气，形成外围预混火焰26，能够极大地提高了喷嘴的稳火性能及保证较高的燃烧效率。

而且，中心体混合通道23内部设有收缩段20、扩张段21，且扩张段21在收缩段20下游，即，中心体混合通道23为收缩—扩张通道；在收缩段20与扩张段21之间形成喉道22，中心体混合通道23内的收缩段20会提高燃料空气混合气的喷射速度，其在喉道22处达到最大，利用喉道22可以防止中心部分预混火焰25向中心体混合通道23内回火；而且，扩张段21会对燃料空气混合气进行导流，防止燃料空气混合气分离。同时，外环壁7在挡板8下游开有端壁喷射孔19，端壁喷射孔19与外围混合通道24连通，部分燃料空气混合气从端壁喷射孔19喷射，将对挡板8有一定的冷却作用。

如图5所示，最终形成的效果为喷嘴出口的中间为部分预混燃烧火焰，外围为预混燃烧火焰，在部分预混燃烧的作用下，在较低负荷下，喷嘴的火焰稳定性以及燃烧效率得到极大地改善；随着负荷的升高，由于进口温度、出口温度以及燃料空气混合气当量比的增大，预混火焰的稳定性及燃烧效率达到较高水平，且为了达到较低的排放，此时可关闭扩散燃料通道17，只有预混燃料通道12供应燃料，喷嘴采用全预混燃烧的模式。

综上所述，本发明喷嘴通过在中心体上设置独立的扩散燃料通道，使部分燃料在靠近中心体端壁处直接向中心体混合通道喷出的燃料空气混合气中喷射燃料，最终在喷嘴出口中心形成部分预混燃烧火焰，从而制造局部温度较高的区域，并将外围混合通道喷出的燃料空气混合气引燃，能够极大地提高喷嘴的稳火性能及保证较高的燃烧效率。本发明结构简单，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)

1.一种喷嘴，包括中心体(1)、环形壁(2)和旋流装置(3)；所述中心体(1)内设有中心体混合通道(23)；所述中心体混合通道(23)的进口端设有旋流孔板(10)，出口端设有中心体头部端壁(5)，所述中心体头部端壁(5)上设有集油腔(9)；所述环形壁(2)同轴设置在中心体(1)的外围，在所述环形壁(2)与中心体(1)之间形成外围混合通道(24)；所述旋流装置(3)位于所述外围混合通道(24)上靠近中心体(1)进口的一端；其特征在于，所述中心体(1)上设有预混燃料通道(12)和扩散燃料通道(17)；所述预混燃料通道(12)通过中心体预混燃料喷射孔(16)与所述中心体混合通道(23)连通；所述集油腔(9)通过扩散燃料喷射孔(18)与所述中心体混合通道(23)连通；所述扩散燃料通道(17)与集油腔(9)连通。

2.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述中心体头部端壁(5)上设有内环壁(6)和外环壁(7)，所述外环壁(7)上开设有与所述外围混合通道(24)连通的端壁喷射孔(19)，所述扩散燃料喷射孔(18)位于内环壁(6)上；所述集油腔(9)位于内环壁(6)与外环壁(7)之间，且在集油腔(9)内设有挡板(8)。

3.根据权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，所述中心体预混燃料喷射孔(16)、扩散燃料喷射孔(18)和端壁喷射孔(19)为直孔或斜孔。

4.根据权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，所述外环壁(7)的轴向长度大于内环壁(6)的轴向长度。

5.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述中心体预混燃料喷射孔(16)与扩散燃料喷射孔(18)的开孔面积比在0.05-0.5之间。

6.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述旋流装置(3)包括沿中心体(1)周向设置的旋流叶片(4)，所述旋流叶片(4)内设有与所述预混燃料通道(12)连通的叶片内部通道(13)，所述叶片内部通道(13)上设有叶片预混燃料喷射孔(14)。

7.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述中心体混合通道(23)的内部设有收缩段(20)和扩张段(21)，所述扩张段(21)位于收缩段(20)的下游。

8.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述旋流孔板(10)上设有多个切向孔(11)。

9.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述中心体头部端壁(5)的轴向位置处于环形壁(2)的轴向范围内。

10.一种燃气轮机，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的喷嘴。