CN104696987A - 一种熔断式防回火喷嘴 - Google Patents

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方子文
耿杰峰
吕煊
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Abstract

本发明涉及气体燃料预混燃烧的燃气轮机燃烧室结构，特别涉及了一种熔断式防回火喷嘴。其上设置有防回火装置，所述防回火装置包括容纳有弹性件的容纳腔、包裹住容纳腔的熔断器、上密封段、下密封段和第二燃料出口，当发生回火时，熔断器受热熔断，弹性件推动下密封段与上密封段分离，使得第二燃料出口与轴向燃料通道连通，燃料通过第二燃料出口喷出，燃烧模式由预混燃烧变为扩散燃烧，这样可以及时阻止火焰向头部蔓延，保护了头部结构，与传统的防回火喷嘴相比，回火时破坏的只是熔断器，并没有破坏喷嘴头部，在燃烧室检修时可以方便地更换新的熔断器，大大降低了喷嘴的使用和维护成本，同时通过控制弹性件的形变量，可减少污染物的排放。

Description

一种熔断式防回火喷嘴
技术领域
本发明涉及气体燃料预混燃烧的燃气轮机燃烧室结构，特别涉及了一种熔断式防回火喷嘴。
背景技术
目前随着环境污染的日益严重，环保法规的要求与执行也越来越严格。空气中N2与O2起化学反应而生成NOx的起始温度约为1650°，当燃烧室温度高于1650°时，就会有NOx产生。对于传统的扩散燃烧燃烧室，扩散燃烧方式的火焰面温度总是等于化学当量比为1的理论燃烧温度，它不因燃料与空气总掺混比的浓或稀而异，尽管该理论燃烧温度因燃料组分不同而稍有不同，但总是高于1650°，因而传统扩散燃烧燃烧室的NOx排放量总是很高的。现代干式低污染燃烧室采用预混燃烧的方式，可以有效地降低污染物排放。干式低污染燃烧室设计的基本原理是：使燃料与空气预先混合为均相的、稀释的可燃混合物，并使其以火焰传播的方式燃烧，以把火焰温度控制在1650°以下，从而降低NOx的生成量。
预混燃烧燃烧室面临的一个很大的危险是回火。由于燃烧过程中存在一些不稳定因素，当火焰传播速度大于燃料-空气混合物的流速时，火焰会从燃烧区向上游传播到燃料-空气预混区域，这会导致喷嘴甚至头部其他结构被烧坏，进而导致燃气轮机工作停止。防回火的有效方式很有限，从目前已经公布的公开文献以及专利来看，主要有三种原理：第一种是通过设计合适的结构优化流动来减少回火。第二种是通过传感器实时监控燃烧状况，当发生回火时，通过改变燃烧模式或者改变燃料流路来实现对回火的主动控制。第三种是利用材料的热熔断属性，例如安装热熔断装置，当发生回火时，热熔断装置融化，改变燃料流路从而防止回火的深入。对于不同的燃烧室，由于喷嘴结构和功能的具体要求，防回火装置的使用会有一定的局限性。第一种原理可以在一定程度上预防回火，但当回火发生时没有办法阻止。第二种原理需要布置传感器，使得燃烧室的控制更加复杂。利用第三种原理可以设计出简便可靠的防回火装置。例如GE公司的专利US005685139A，通过将喷嘴尖端特定位置的壁厚减薄，当回火发生时，薄壁部分首先被烧坏从而改变燃料流路，燃料流路改变，相应地也将燃烧模式由预混燃烧转化为扩散燃烧，回火被及时阻止。但是，喷嘴尖端在防回火的过程中被烧毁，导致喷嘴尖端报废。由于喷嘴结构复杂，制造及维修难度高，燃气轮机使用者往往需要向特定的供应商或维修商购买或维修喷嘴，不仅价格昂贵，而且采购周期长。专利CN203464333 U同样利用的是第三种防回火原理，通过设置防回火喷口能够较大程度上保护喷嘴结构，改善了维修性能。但是这两个防回火专利由于不能控制回火时喷嘴头部被烧穿的总面积，从而都不能精确控制回火发生时参与扩散燃烧的燃料量，进而无法控制污染物排放以及燃烧稳定性。
因此，针对以上不足，需要提供一种能够在出现回火现象时改变燃料流路和燃料燃烧方式的同时并可以保护喷嘴头部结构控制扩散燃烧的燃烧量的熔断式防回火喷嘴。
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：传统的防回火喷嘴不能够控制回火时喷嘴头部被烧穿的总面积，而导致不能够精确控制回火发生时参与扩散燃烧的燃料量，可能会出现污染物排放严重以及燃烧不稳定的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种熔断式防回火喷嘴，包括中心体，所述中心体包括主体段和与主体段连接的尖端段，在所述主体段上设置有轴向燃料通道，所述轴向燃料通道与第一燃料出口连通，在所述尖端段上设置有防回火装置，所述防回火装置包括容纳有弹性件的容纳腔、包裹住容纳腔的熔断器、上密封段、下密封段和第二燃料出口，所述容纳腔与所述轴向燃料通道连通，所述熔断器和所述弹性件均与下密封段连接，所述上密封段与所述下密封段贴合用于阻止容纳腔与所述第二燃料出口连通。
其中，所述主体段上设置有用于使气体产生涡流的旋流器，所述第一燃料出口连接在旋流器上，所述旋流器上设置有用于连通第一燃料出口和轴向燃料通道的径向燃料通道。
其中，所述主体段上连接有法兰，所述法兰和所述尖端段分别位于主体段的两端，所述法兰上开设有与轴向燃料通道的燃料进口。
其中，所述法兰上开设有空气进口，所述主体段上设置有与所述空气进口连通的第一空气通道，所述尖端段上设置有与第一空气通道连通的第二空气通道，在所述尖端段上的尖端板上开设有与所述第二空气通道连通的空气出口。
其中，所述空气出口与所述第二燃料出口交错布置。
其中，所述弹性件为弹簧管。
其中，所述弹簧管的一端以及所述熔断器一端均与所述主体段的后端固定连接，所述弹簧管的另一端以及所述熔断器的另一端均与下密封段固定连接。
其中，所述弹簧管安装时的压缩量为1～4mm。
其中，所述第二燃料出口的总面积为第一燃料出口总面积的20％～50％。
其中，所述弹簧管长度为20～100mm。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种熔断式防回火喷嘴，其上设置有防回火装置，所述防回火装置包括容纳有弹性件的容纳腔、包裹住容纳腔的熔断器、上密封段、下密封段和第二燃料出口，当发生回火时，熔断器受热熔断，弹性件推动下密封段与上密封段分离，使得第二燃料出口与轴向燃料通道连通，燃料通过第二燃料出口喷出，燃烧模式由预混燃烧变为扩散燃烧，这样可以及时阻止火焰向头部蔓延，保护了头部结构，与传统的防回火喷嘴相比，回火时破坏的只是熔断器，并没有破坏喷嘴头部，在燃烧室检修时可以方便地更换新的熔断器，喷嘴可以继续使用，大大降低了喷嘴的使用和维护成本；燃烧模式改变之后，不会影响燃烧室的继续运行，同时，通过控制弹性件的形变量及第二燃料出口的面积可以精确控制控制回火后扩散燃烧的燃料量，从而可以使得燃烧按照设计的状况进行，达到减小污染物排放和增加燃烧稳定性的效果。
附图说明
本发明上述和/或附加方面的优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例所述的熔断式防回火喷嘴的剖视图；
图2是本发明一个实施例所述的熔断式防回火喷嘴的立体图；
图3是图1中尖端段正常工作时的示意图；
图4是图1中尖端段回火时的结构示意图；
图5是空气出口和第二燃料出口布置的结构示意图。
其中图1至图5中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
1、法兰，11、燃料进口，12、空气进口，2、旋流器，21、旋流叶片，22、径向燃料通道，23、燃料出口，3、中心体，31、主体段，311、空气通道，312、轴向燃料通道，32、尖端段，321.尖端板，322.空气出口，323、弹簧管，324、上密封段，325、下密封段，326、第二燃料出口，328、熔断器。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、”“内”、“外”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”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“安装”、“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，可以是两个元件内部的连通。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。此外，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
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本发明提供了一种熔断式防回火喷嘴，包括中心体3，所述中心体3包括主体段31和与主体段31连接的尖端段32，在所述主体段31上设置有轴向燃料通道312，所述主体段31上连接有用于使气体产生涡流的旋流器2，所述第一燃料出口23设置在旋流器2上，所述旋流器2上设置有用于连通第一燃料出口23和轴向燃料通道312的径向燃料通道22，且所述旋流器2上还设置有用于使空气产生涡流的旋流器叶片21；所述轴向燃料通道312与第一燃料出口23连通，在所述尖端段32上设置有防回火装置，所述防回火装置包括容纳有弹性件的容纳腔、包裹住容纳腔的熔断器328、上密封段324、下密封段325和第二燃料出口326，所述容纳腔与所述轴向燃料通道312连通，所述熔断器328和所述弹性件均与下密封段325连接，所述上密封段324与所述下密封段325贴合用于阻止容纳腔与所述第二燃料出口326连通。当发生回火时，熔断器328受热熔断，弹性件推动下密封段325与上密封段324分离，使得第二燃料出口326与轴向燃料通道312连通，燃料通过第二燃料出口326喷出，燃烧模式由预混燃烧变为扩散燃烧，这样可以及时阻止火焰向头部蔓延，保护了头部结构，与传统的防回火喷嘴相比，回火时破坏的只是熔断器328，并没有破坏喷嘴头部，在燃烧室检修时可以方便地更换新的熔断器328，喷嘴可以继续使用，大大降低了喷嘴的使用和维护成本；燃烧模式改变之后，不会影响燃烧室的继续运行，同时，通过控制弹性件的形变量及第二燃料出口326的面积可以精确控制控制回火后扩散燃烧的燃料量，从而可以使得燃烧按照设计的状况进行，达到减小污染物排放和增加燃烧稳定性的效果。
优选地，所述弹性件为弹簧管323，弹簧管323和熔断器328一端与中心体3的主体段31的后段固定连接，另一端与下密封段325固定连接；上密封段324一端与中心体3的主体段31的后段固定连接，另一端与下密封段325接触但不固定。在预混燃烧模式下，下密封段325与下密封段325通过装配时提供的过盈配合紧密连接；弹簧管323在初始安装时会给一定的压缩量，由于熔断器328的限制，在预混燃烧模式下一直处于压缩状态，此时第二燃料出口326与轴向燃料通道312隔绝。当回火发生时，如图4所示，高温燃气到达喷嘴尖端段32附近，熔断器328熔断，原本处于压缩状态的弹簧管323伸长带动与其相连的下密封段325向下游移动，从而与上密封段324分离，此时第二燃料出口326与轴向燃料通道312连通，使得第二燃料出口326与轴向燃料通道312连通，燃料通过第二燃料出口326喷出，燃烧模式由预混燃烧变为扩散燃烧，这样可以及时阻止火焰向头部蔓延，保护了头部结构。燃烧模式改变之后，不会影响燃烧室的继续运行。另外，通过控制弹簧管323安装时的压缩量以及第二燃料出口326的面积，可以精确控制扩散燃烧室参与燃烧的燃料的质量，从而可以使得燃烧按照设计的状况进行，达到减小污染物排放和增加燃烧稳定性的效果。这种设计的好处在于：当防回火发生时可以有效阻止，并且不损坏喷嘴结构，燃烧室可以正常工作；由于回火时破坏的只是熔断器328，在燃烧室检修时可以方便地更换新的熔断器328，从而喷嘴可以继续使用，大大降低了燃气轮机燃烧室喷嘴的使用和维护成本。另一方面，通过精确控制回火后扩散燃烧的燃料量，实现对回火之后燃烧的准确控制，使得扩散燃烧带来的污染物的排放可控。
当然，所述弹性件也可以为其他装置，同样也可实现本申请的目的地，其宗旨未脱离本发明的设计思想，应属于本发明的保护范围。
如图3所示，正常工作时，来自法兰1上燃料进口11的气体燃料，经过轴向燃料通道312和径向燃料通道312之后在第一燃料出口23喷出，并与来自旋流器2上游的空气混合，正常情况下混合气体在喷嘴下游燃烧。但是由于燃烧过程中存在一些不稳定因素，当火焰传播速度大于燃料-空气混合物的流速时，火焰会从燃烧区向上游传播，如果不及时制止，会引起严重的喷嘴损毁事故。本发明在喷嘴尖端段32上设置包含一段弹簧管323，一个熔断器328和至少一个第二燃料出口326的防回火装置，当回火发生时，高温致使熔断器328熔断，原本处于压缩状态的弹簧管323伸长至非压缩形状，使得第二燃料出口326与轴向燃料通道312连通，气体燃料从第二燃料出口326喷出。由于流经喷嘴的燃料流量是一定的，当一部分气体燃料从第二燃料出口326喷出时，旋流器2产生的燃料-空气混合物中燃料的浓度将会下降，可燃性降低。另一方面，从第二燃料出口326喷出的气体燃料与周围的空气产生扩散燃烧。扩散燃烧的稳定性更好，于是燃烧室的工作模式由预混燃烧转化为扩散燃烧，及时制止回火火焰向头部蔓延。但是扩散燃烧污染物排放比预混燃烧污染物排放更高，为了尽可能减小扩散燃烧的污染物排放，需要较好地控制燃烧室的燃料-空气比。本发明通过控制弹簧管323初始压缩量以及第二燃料出口326的总面积可以实现对参与扩散燃烧的燃料量的有效控制，从而减小污染物排放。
在稳定燃烧工况非回火工况下，喷嘴除了尖端板321温度较高，其他部件一般温度较低，所以即便是在熔断器328熔断之后，弹簧管323的强度可以维持喷嘴在稳定燃烧下的运行。
为了保证回火时熔断器328可以顺利熔断，且正常工况下不会熔断，熔断器328材料的熔点范围为700～850℃，喷嘴尖端段32除了熔断器328之外的材料均采用高温合金，可在850℃以下正常工作。
为了保证回火时预混燃烧到扩散燃烧的顺利切换，优选的，优选的，弹簧管323安装时的压缩量为20～100mm；第二燃料出口326的总面积为旋流器2上第一燃料出口23总面积的20％～50％。燃料-空气混合物可燃条件下当量比的范围一般为0.4～2，预混燃烧设计的燃料-空气混合物当量比一般在0.5左右。第二燃料出口326的总面积为旋流器2上第一燃料出口23总面积的20％～50％时将旋流器2中燃料-空气混合物当量降到0.4以下的可能性比较大。通过控制预先设定的弹簧管323安装时的压缩量以及旋流器2上第一燃料出口23的总面积可以实现对参与扩散燃烧的燃料量实现较精确控制，减小污染物排放。
弹簧管323可承受的压缩量与其弹性和总长度有关，弹性一定下总长度越大可承受的压缩量越大。另外，弹簧管323太长会削弱喷嘴尖端段32的强度。优选的，弹簧管323总长度范围为20～100mm。
需要注意的是：本发明提出了一种第二燃料出口326与轴向燃料通道312由正常工作情况下的隔绝到回火状态下的连通之间转化的实现方式，但需要注意的是其他类似转化方式也在本发明的保护范围之内。
如图5所示，为了防止正常工作条件下火焰在喷嘴尖端段32上附着，法兰1上设置有空气进口12，中心体3的主体段31上设置有与空气进口12相连通的空气通道311，中心体3的尖端段32上设置有空气出口322。来空气由空气进口12流经空气通道311，在尖端段32上的空气出口322喷出，从而对尖端段32进行清吹。为了保证回火时以及回火之后，清吹空气不影响扩散燃烧，优选的，空气出口322和第二燃料出口326交错布置，。
综上所述，本发明提供了一种熔断式防回火喷嘴，其上设置有防回火装置，所述防回火装置包括容纳有弹性件的容纳腔、包裹住容纳腔的熔断器、上密封段、下密封段和第二燃料出口，当发生回火时，熔断器受热熔断，弹性件推动下密封段与上密封段分离，使得第二燃料出口与轴向燃料通道连通，燃料通过第二燃料出口喷出，燃烧模式由预混燃烧变为扩散燃烧，这样可以及时阻止火焰向头部蔓延，保护了头部结构，与传统的防回火喷嘴相比，回火时破坏的只是熔断器，并没有破坏喷嘴头部，在燃烧室检修时可以方便地更换新的熔断器，喷嘴可以继续使用，大大降低了喷嘴的使用和维护成本；燃烧模式改变之后，不会影响燃烧室的继续运行，同时，通过控制弹性件的形变量及第二燃料出口的面积可以精确控制控制回火后扩散燃烧的燃料量，从而可以使得燃烧按照设计的状况进行，达到减小污染物排放和增加燃烧稳定性的效果。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种熔断式防回火喷嘴，其特征在于：包括中心体(3)，所述中心体(3)包括主体段(31)和与主体段(31)连接的尖端段(32)，在所述主体段(31)上设置有轴向燃料通道(312)，所述轴向燃料通道(312)与第一燃料出口(23)连通，在所述尖端段(32)上设置有防回火装置，所述防回火装置包括容纳有弹性件的容纳腔、包裹住容纳腔的熔断器(328)、上密封段(324)、下密封段(325)和第二燃料出口(326)，所述容纳腔与所述轴向燃料通道(312)连通，所述熔断器(328)和所述弹性件均与下密封段(325)连接，所述上密封段(324)与所述下密封段(325)贴合用于阻止容纳腔与所述第二燃料出口(326)连通。
2.根据权利要求1所述的熔断式防回火喷嘴，其特征在于：所述主体段(31)上连接有用于使气体产生涡流的旋流器(2)，所述第一燃料出口(23)设置在旋流器(2)上，所述旋流器(2)上设置有用于连通第一燃料出口(23)和轴向燃料通道(312)的径向燃料通道(22)。
3.根据权利要求2所述的熔断式防回火喷嘴，其特征在于：所述主体段(31)上连接有法兰(1)，所述法兰(1)和所述尖端段(32)分别位于主体段(31)的两端，所述法兰(1)上开设有与轴向燃料通道(312)的燃料进口(11)。
4.根据权利要求3所述的熔断式防回火喷嘴，其特征在于：所述法兰(1)上开设有空气进口(12)，所述主体段(31)上设置有与所述空气进口(12)连通的第一空气通道(311)，所述尖端段(32)上设置有与第一空气通道(311)连通的第二空气通道(311)，在所述尖端段(32)上的尖端板(321)上开设有与所述第二空气通道(311)连通的空气出口(322)。
5.根据权利要求4所述的熔断式防回火喷嘴，其特征在于：所述空气出口(322)与所述第二燃料出口(326)交错布置。
6.根据权利要求1所述的熔断式防回火喷嘴，其特征在于：所述弹性件为弹簧管(323)。
7.根据权利要求6所述的熔断式防回火喷嘴，其特征在于：所述弹簧管(323)的一端以及所述熔断器(328)的一端均与所述主体段(31)的后端固定连接，所述弹簧管(323)的另一端以及所述熔断器(328)的另一端均与下密封段(325)固定连接。
8.根据权利要求6所述的熔断式防回火喷嘴，其特征在于：所述弹簧管(323)安装时的压缩量为1～4mm。
9.根据权利要求6所述的熔断式防回火喷嘴，其特征在于：所述第二燃料出口(326)的总面积为第一燃料出口(23)总面积的20％～50％。
10.根据权利要求6所述的熔断式防回火喷嘴，其特征在于：所述弹簧管(323)长度为20～100mm。
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