CN105066176A - 一种用于化学回热循环的多级双燃料喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种用于化学回热循环的多级双燃料喷嘴，包括主油路管道壁、副油路管道壁、气路通道组件，中层气路管壁设置在外层气路管壁里，内层气路管壁设置在中层气路管壁里，主油路头部管壁设置在内层气路管壁里，副油路头部管壁设置在主油路头部管壁里，外层气路管壁和中层气路管壁之间构成外层气路通道，中层气路管壁和内层气路管壁之间构成中层气路通道，内层气路管壁和主油路头部管壁之间构成内层气路通道，主油路头部管壁和副油路头部管壁之间构成主油路通道，副油路头部管壁里形成副油路。本发明提高了燃烧效率，缩短了火焰长度，改善了燃烧室出口温度场均匀性，降低了喷嘴头部温度，同时又不烧蚀管壁。

Description

一种用于化学回热循环的多级双燃料喷嘴

技术领域

本发明涉及的是一种燃气轮机，具体地说是燃气轮机的燃料喷嘴。

背景技术

燃气轮机由于具有结构简单、单机功率大、重量尺寸小、机动性好、可靠性高等优点，被广泛地应用于航空、船舶、电力、石油等诸多工业领域。因此，对常规燃气轮机进行相应的技术改造和性能优化，成为解决能源危机和环境污染问题的重要课题。

化学回热循环作为一种新型先进循环，具有能源利用率高和污染物排放低的优点。它主要利用燃气轮机排气的余热产生过热蒸汽，同时在催化剂作用下，柴油-蒸汽重整生成含有CH4、H2、CO等组分的重整气。研究表明，如果柴油完全重整，重整气燃烧所产生的热量会比柴油燃烧释放的热量增加大约30％。化学回热循环燃气轮机运行过程中，首先采用柴油启动，此时燃烧室内呈现燃油燃烧状态；其次，利用水对燃气余热进行回收，生成水蒸汽并回注到燃烧室，燃烧室内呈现蒸汽回注燃油燃烧状态；再次，重整器中的水蒸汽和柴油在催化剂的作用下，吸收燃气余热进行重整反应生成重整气，重整气取代水蒸汽回注到燃烧室内，此时燃烧室内呈现油气混烧状态；最后，随着重整气生成量的增多，燃烧室内的柴油逐步被取代，最终燃烧室内呈现气体燃料燃烧状态。因此，化学回热循环燃气轮机燃烧室不但具有单独燃用柴油或重整气燃料的功能，还具有蒸汽回注以及油气混烧的功能。喷嘴作为燃烧室的重要组件，其性能的优劣将直接影响点火、燃烧效率、燃烧稳定性、温度分布和排气污染等方面的性能，同时也会影响火焰筒和涡轮叶片的寿命，因此为了满足化学回热循环燃气轮机的要求，对于双燃料喷嘴的设计显得尤为重要。

为了保证燃烧室的出口温度相同，重整气的质量流量要远远大于燃油质量流量，流速太大，流场难以组织，容易造成重整气与空气间掺混效果恶化、火焰拉长、燃烧效率降低、燃烧室出口温度场均匀性降低、喷嘴头部过热等问题；柴油燃烧时水蒸汽通过气路回注，减少了蒸汽回注设备的投入，但在蒸汽流速过大时会在燃油周围形成屏蔽层，引起燃烧室熄火，对燃机的运行造成严重影响。

发明内容

本发明的目的在于提供采用蒸汽和重整气多级喷射技术的一种用于化学回热循环的多级双燃料喷嘴。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种用于化学回热循环的多级双燃料喷嘴，其特征是：包括主油路管道壁、副油路管道壁、气路通道组件，副油路管道壁内部为中空结构，其中空结构构成副油路通道，主油路管道设置在副油路管道外部，主油路管道和副油路管道之间构成主油路通道，副油路通道的端部依次设置弹簧顶环、弹簧、副油路旋流器，主油路管道壁和副油路管道壁的出口端为喷口，气路通道组件包括气路直管、气路弯管、外层气路管壁、中层气路管壁、内层气路管壁，气路直管与气路弯管通过气路弯管变径座相连，气路弯管通过喷嘴安装座安装在主油路管道壁上，内层气路管壁设置在主油路管道壁外部，中层气路管壁设置在内层气路管壁外部，外层气路管壁设置在中层气路管壁外部，内层气路管壁与主油路管道壁之间形成内层气路通道，中层气路管壁与内层气路管壁之间形成中层气路通道，外层气路管壁与中层气路管壁之间形成外层气路通道，内层气路通道的出口指向喷口的出口，中层气路通道端部为文丘里管式结构，内层气路通道、中层气路通道以及外层气路通道的入口均与气路弯管相通。

本发明还可以包括：

1、中层气路管壁端部处外壁与喷口中轴线的夹角为40～90度。

2、内层气路管壁端部处与喷口中轴线的夹角为0～60度。

3、内层气路管壁上设置有旋流叶片，旋流叶片的个数为4～8个，旋流叶片的角度为0～75度，旋流叶片旋向与副油路旋流器的旋向相同或相反。

本发明的优势在于：本发明采用了气路通道多层布置技术，这样在进行水蒸汽回注时，燃烧室内能够形成稳定的中心回流区，强化了蒸汽与空气间的掺混，燃油在湿空气环境中燃烧，降低了燃烧室排放，避免了熄火现象的发生；在进行气体燃料燃烧时，气体燃料能够充分利用燃烧室头部空间，分布均匀，同时中心回流区的存在加强了空气与气体燃料间的掺混燃烧，提高了燃烧效率，缩短了火焰，改善了燃烧室出口温度场的均匀性，降低了喷嘴头部温度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的头部局部剖视图；

图3为本发明中层气路管壁的纵剖面示意图；

图4为本发明内层气路管壁的纵剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～4，本发明的双燃料喷嘴主要包括副油路管道1、卡套A2、主油路管道3、卡套B4、油路卡套底座5、喷嘴安装座6、气路弯管7、外层气路连接件8、外层气路管壁9、中层气路管壁10、内层气路管壁11、主油路头部管壁12、副油路头部管壁13、副油路旋流器14、弹簧15、弹簧顶环16、垫片A17、垫片B18、气路弯管变径座19、气路直管20、法兰盘21。

中层气路管壁10设置在外层气路管壁9里，内层气路管壁11设置在中层气路管壁10里，主油路头部管壁12设置在内层气路管壁11里，副油路头部管壁13设置在主油路头部管壁12里，外层气路管壁9和中层气路管壁10之间构成外层气路通道，中层气路管壁10和内层气路管壁11之间构成中层气路通道，内层气路管壁11和主油路头部管壁12之间构成内层气路通道，主油路头部管壁12和副油路头部管壁13之间构成主油路通道3，副油路头部管壁13里形成副油路管道1。

双燃料喷嘴中层气路管壁10端部处外壁与喷嘴中轴线的夹角为40～90度。

双燃料喷嘴中层气路管壁10端部处内壁设置为文丘里管式结构。

双燃料喷嘴的内层气路管壁11端部处与喷嘴中轴线的夹角为0～60度。

双燃料喷嘴的内层气路管壁11上设置有旋流叶片。

旋流叶片旋向与副油路旋流器14的旋向相同或相反。

旋流叶片的个数为4～8个。

旋流叶片的角度为0～75度。

本发明所设计的双燃料喷嘴的工作过程共为四种情况：液体燃料喷射，液体燃料与水蒸汽喷射，液体燃料与气体燃料喷射，气体燃料喷射。

喷嘴的喷射过程如下：

1、对于液体燃料，当工况较低时，液体燃料通过由副油路管道1、弹簧顶环16、弹簧15、副油路旋流器14以及副油路头部管壁13构成的副油路通道后经副油路喷口进入燃烧室；当工况高时，一部分液体燃料通过由主油路管道3、副油路管道1、主油路头部管壁12和副油路头部管壁13构成的主油路通道后经主油路喷口进入燃烧室，一部分液体燃料通过由副油路管道1、弹簧顶环16、弹簧15、副油路旋流器14以及副油路头部管壁13构成的副油路通道后经副油路喷口进入燃烧室。

2、水蒸汽和气体燃料共用同一通道，通过气路直管20、气路弯管变径座19、气路弯管7、油路卡套底座5、主油路管道3、垫片B18、外层气路连接件8、外层气路管壁9、中层气路管壁10、内层气路管壁11和主油路头部管壁12构成的气路通道后由气体喷口进入到燃烧室，气体燃料通道在不供应气体燃料的情况下进行水蒸汽回注。

通过将气路通道布置成三层的方式，使得本发明的双燃料喷嘴在燃用燃油时，燃油能够与空气快速掺混，解决了水蒸汽对于燃油的屏蔽问题，防止了熄火现象的发生，而水蒸汽经多级喷射方式回注后也能与空气进行快速掺混，形成湿空气环境，降低了排放；本发明的双燃料喷嘴在燃用气体燃料时，气体燃料采用多级喷射的方式，充分利用了燃烧室头部空间，加快了与空气间的掺混燃烧，提高了燃烧效率，缩短了火焰长度，改善了燃烧室出口温度场均匀性，避免了喷嘴头部过热。

本发明一方面保证了蒸汽回注时燃油能够与空气快速掺混，达到了燃油燃烧不熄火，降低排放的目的；另一方面在进行气体燃料燃烧时强化了空气与燃料间的掺混，燃料分布合理，提高了燃烧效率，缩短了火焰长度，改善了燃烧室出口温度场均匀性，降低了喷嘴头部温度。

Claims (5)

1.一种用于化学回热循环的多级双燃料喷嘴，其特征是：包括主油路管道壁、副油路管道壁、气路通道组件，副油路管道壁内部为中空结构，其中空结构构成副油路通道，主油路管道设置在副油路管道外部，主油路管道和副油路管道之间构成主油路通道，副油路通道的端部依次设置弹簧顶环、弹簧、副油路旋流器，主油路管道壁和副油路管道壁的出口端为喷口，气路通道组件包括气路直管、气路弯管、外层气路管壁、中层气路管壁、内层气路管壁，气路直管与气路弯管通过气路弯管变径座相连，气路弯管通过喷嘴安装座安装在主油路管道壁上，内层气路管壁设置在主油路管道壁外部，中层气路管壁设置在内层气路管壁外部，外层气路管壁设置在中层气路管壁外部，内层气路管壁与主油路管道壁之间形成内层气路通道，中层气路管壁与内层气路管壁之间形成中层气路通道，外层气路管壁与中层气路管壁之间形成外层气路通道，内层气路通道的出口指向喷口的出口，中层气路通道端部为文丘里管式结构，内层气路通道、中层气路通道以及外层气路通道的入口均与气路弯管相通。

2.根据权利要求1所述的一种用于化学回热循环的多级双燃料喷嘴，其特征是：中层气路管壁端部处外壁与喷口中轴线的夹角为40～90度。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于化学回热循环的多级双燃料喷嘴，其特征是：内层气路管壁端部处与喷口中轴线的夹角为0～60度。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于化学回热循环的多级双燃料喷嘴，其特征是：内层气路管壁上设置有旋流叶片，旋流叶片的个数为4～8个，旋流叶片的角度为0～75度，旋流叶片旋向与副油路旋流器的旋向相同或相反。

5.根据权利要求3所述的一种用于化学回热循环的多级双燃料喷嘴，其特征是：内层气路管壁上设置有旋流叶片，旋流叶片的个数为4～8个，旋流叶片的角度为0～75度，旋流叶片旋向与副油路旋流器的旋向相同或相反。