CN106594802A - 一种双旋流贫预混喷嘴及其应用 - Google Patents

一种双旋流贫预混喷嘴及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双旋流贫预混喷嘴及其应用，喷嘴包括燃气分流腔帽罩、开设在燃气分流腔帽罩顶部的燃气分流腔、悬垂设置在燃气分流腔下方的中心纺锤体、位于中心纺锤体底部的贫预混腔以及将燃气分流腔与贫预混腔、外界空气相连通的环形导流单元。在工作状态下，燃气经燃气分流腔分流后，经环形导流单元一部分进入贫预混腔，剩余部分喷出至外界空气中，实现对燃气的被动式分级；所述的喷嘴应用于以气体为燃料的微型燃气轮机的燃烧室中。与现有技术相比，本发明采用两级轴向旋流器配合被动式燃气分级和多点喷射措施，形成贫预混气体并扩大火焰体积、降低局部高温，进而达到降低压力损失和氮氧化物排放，以提高燃烧效率。

Description

一种双旋流贫预混喷嘴及其应用
技术领域
本发明属于燃气轮机技术领域，涉及一种双旋流贫预混喷嘴及其应用。
背景技术
在分布式能源系统中，微型燃气轮机因其具备启停快、燃料适应性好、体积轻巧等特点而被大量采用为系统的原动机。微型燃气轮机具有多台集成扩容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振动、低维修率、可遥控和诊断等一系列先进技术特征，除了分布式发电外，还可用于备用电站、热电联产、并网发电、尖峰负荷发电等，是提供清洁、可靠、高质量、多用途、小型分布式发电及热电联供的最佳方式，无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。此外，微型燃气轮机在民用交通运输(混合动力汽车)以及军车以及陆海边防方面均具有优势，受到美、俄等军事大国的关注，因此，从国家安全看发展微型燃气轮机也是非常重要的。
燃烧室作为微型燃气轮机三大核心部件之一，其喷嘴结构设计对燃烧室的燃烧效率、火焰结构、氮氧化物的排放有重要影响。目前，燃气轮机燃烧室设计中，喷嘴多采用空燃分级配合旋流结构的设计理念。其中，微型燃气轮机的燃烧室设计中以多级径向旋流器配合主/值班燃气的方式来实现空燃分级燃烧。使用径向旋流器主要参考的是航空发动机燃烧室的设计，其原设计宗旨是体积小、推力大，这与地面燃机所需要的高效率、低排放的目标并不完全一致。因此，径向旋流器虽然体积较小且易于装配，但流动阻力高，导致燃烧室压力损失大。在实际的微型燃气轮机加载运行中，使用径向旋流器不易得到较高的整体循环效率。使用主/值班燃气进行燃气分级的初衷是主动调控燃气分级时燃气的流量，从而稳定火焰的结构，防止熄火或回火。在低负荷时只用小流量的值班燃气燃烧，随着燃气负荷的增加，主燃气流量才会随之增加，直至满负荷。因此，这种结构在低负荷时燃烧室内是按照扩散火焰的方式运行的，面临着氮氧化物高、燃烧效率低等多种问题。
授权公告号为CN 101206029 B的中国发明专利公布了一种微型燃气轮机燃烧室喷嘴，包括燃油油路、雾化器通道及燃烧器根部风喷入通道三部分，燃油油路是一个不锈钢管，前端与内置式离心雾化装置过度配合，外壁与雾化器通道的内环管的内壁过度配合；雾化器通道的外环管外壁为喷嘴外壁面，外壁面在喷嘴出口附近渐凸起延伸成圆台状燃烧器根部，燃烧器根部设有多数个风喷入通道，该风喷入通道用于提供补充雾化和冷却的空气；雾化器通道中设有轴向旋流器，雾化器通道的出口为环状缩口，环状缩口围于喷嘴喷口的周圆；燃油油路、雾化器通道及圆台状燃烧器根部同一轴线，喷嘴喷口的中心位于轴线上；喷嘴外壁面直径不大于15毫米，燃烧器根部风喷入通道外壁直径不大于25mm。上述专利公开的技术方案适用于以燃油为燃料的燃烧室，并不能直接燃用天然气，为辅助液体燃料雾化，其需要从压气机中单独配置并控制一股压缩空气用以形成油雾，这将增加这部分空气的压力损失，且增加经济和技术成本。另外，上述专利主要采用扩散式燃烧，仍然不能避免在燃烧室中产生高温集中区，促使NOx的大量生成，NOx排放仍然较高。其未采用燃气分级，火焰体积未充分扩大，NOx的排放将较高。同时，该喷嘴中各空气通道较小，在燃气轮机加载至高负荷时，进入喷嘴的空气量将减少，容易导致主燃烧区助燃空气量不足，并且小通道的旋流空气通道将导致燃烧室中的压力损失增大。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于空气、燃气分级，燃气多点多级喷射的双旋流贫预混喷嘴，用以解决微型燃气轮机燃烧室压力损失高的问题，并协调燃烧效率与氮氧化物排放之间的矛盾。
本发明的另一个目的是提供所述双旋流贫预混喷嘴的应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种双旋流贫预混喷嘴，包括燃气分流腔帽罩、开设在燃气分流腔帽罩顶部的燃气分流腔、悬垂设置在燃气分流腔下方的中心纺锤体、位于中心纺锤体底部的贫预混腔以及将燃气分流腔与贫预混腔、外界空气相连通的环形导流单元，在工作状态下，燃气经燃气分流腔分流后，经环形导流单元一部分进入贫预混腔，剩余部分喷出至外界空气中，实现对燃气的被动式分级。
所述的环形导流单元包括与燃气分流腔依次连通的燃气导流管、变径腔以及环形燃气腔，所述的变径腔的内壁面上开设有将变径腔与贫预混腔相连通的内燃气喷射孔，所述的环形燃气腔的外壁面上开设有将环形燃气腔与外界空气相连通的外燃气喷射孔。
所述的变径腔与燃气导流管、环形燃气腔相连接的位置采用弧形腔进行过渡。
所述的变径腔为环状变径腔，该环状变径腔的内径沿着轴向由上而下逐渐增大。
所述的燃气导流管共设有多个，并沿圆周均匀布设在中心纺锤体的周围。
所述的内燃气喷射孔、外燃气喷射孔的孔径均沿气流方向逐渐减小。
所述的内燃气喷射孔共设有多个，并沿圆周均匀布设在变径腔的内壁面上。
所述的外燃气喷射孔共设有多个，并沿圆周均匀布设在环形燃气腔的外壁面上。
所述的喷嘴还包括同轴设置的内轴向旋流器及外轴向旋流器，所述的内轴向旋流器设置在贫预混腔中，并且所述的内轴向旋流器的内径与中心纺锤体相连，外径与环形燃气腔相连，所述的外轴向旋流器的内径与环形燃气腔的外壁面相连。
一种双旋流贫预混喷嘴的应用，所述的喷嘴应用于以天然气为燃料的微型燃气轮机的燃烧室中。
在实际结构设计中，所述的贫预混腔为环形燃气腔内壁面和变径腔内壁面与中心纺锤体之间的环形腔体，通过内燃气喷射孔与环形燃气腔连通。通过设计燃气导流管之间的面积与内燃气喷射孔的面积，可将进入贫预混腔空气与燃气的过量空气系数控制在富燃极限以下，在内旋流器的辅助作用下混合为贫预混的气体。
所述的内燃气喷射孔为布置在变径腔内壁面上的若干渐缩型小孔，外燃气喷射孔为布置在环形燃气腔外壁面上的若干渐缩型小孔。通过设计内、外燃气喷射孔的面积，可分配进入贫预混腔的燃气量以适配不同型号微型燃气轮机的功率需求。
本发明双旋流贫预混喷嘴采用内、外两级轴向旋流器进行空气分级并形成在燃烧室中形成旋流，在保证旋流强度的同时，可以降低燃烧室中的总压损失至3％以内，进而提升燃烧室的加载能力。本发明采用变径腔结构设计，来进行燃气的被动式分级，通过设计内燃气喷射孔、外燃气喷射孔的面积，可有效实现分级燃气流量的分配。同时，配合进入贫预混腔的空气，将其中的预混气体的过量空气系数始终控制在燃气的富燃极限以下，可以有效避免预混燃烧在加载时经常遇到的发生回火现象。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)能显著降低微型燃气轮机燃烧室压力损失、提高燃烧效率、降低氮氧化物排放；
2)由于采用双轴向旋流器，能有效降低此处空气流动带来的总压损失；
3)由于采用渐缩喷管式多点燃气喷射结构，可有效降低燃气喷射出口的压力，提高燃气出流速度，提高贫预混腔内的空气量，促进燃气与空气的高效混合，同时，形成多点喷射，扩大火焰体积，降低局部高温，进而降低氮氧化物排放至9ppm以下；
4)利用空气与燃气分级，控制贫预混腔的混合气体的过量空气系数处于燃气的富燃极限之下，提高燃气燃烧的稳定性，不发生回火，并降低氮氧化物排放，能有效解决微型燃气轮机燃烧室压力损失高的问题，并协调燃烧效率与氮氧化物排放之间的矛盾。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明剖面结构示意图；
图3为本发明中燃气流动状态结构示意图；
图4为本发明中空气流动状态结构示意图；
图中标记说明：
1.燃气分流腔，2.燃气导流管，3.内燃气喷射孔，4.外燃气喷射孔，5.环形燃气腔，6.燃气分流腔帽罩，7.中心纺锤体，8.外轴向旋流器，9.内轴向旋流器，10.贫预混腔，11.变径腔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例：
如图1-4所示，一种双旋流贫预混喷嘴，包括燃气分流腔帽罩6、开设在燃气分流腔帽罩6顶部的燃气分流腔1、悬垂设置在燃气分流腔1下方的中心纺锤体7、位于中心纺锤体7底部的贫预混腔10以及将燃气分流腔1与贫预混腔10、外界空气相连通的环形导流单元，喷嘴还包括同轴设置的内轴向旋流器9及外轴向旋流器8，内轴向旋流器9设置在贫预混腔10中，并且内轴向旋流器9的内径与中心纺锤体7相连，外径与环形燃气腔5相连，外轴向旋流器8的内径与环形燃气腔5的外壁面相连。在工作状态下，燃气经燃气分流腔1分流后，经环形导流单元一部分进入贫预混腔10，剩余部分喷出至外界空气中，实现对燃气的被动式分级。
其中，环形导流单元包括与燃气分流腔1依次连通的燃气导流管2、变径腔11以及环形燃气腔5，变径腔11的内壁面上开设有将变径腔11与贫预混腔10相连通的内燃气喷射孔3，环形燃气腔5的外壁面上开设有将环形燃气腔5与外界空气相连通的外燃气喷射孔4。变径腔11与燃气导流管2、环形燃气腔5相连接的位置采用弧形腔进行过渡。变径腔11为环状变径腔，该环状变径腔的内径沿着轴向由上而下逐渐增大。内燃气喷射孔3、外燃气喷射孔4的孔径均沿气流方向逐渐减小。内燃气喷射孔3共设有多个，并沿圆周均匀布设在变径腔11的内壁面上。外燃气喷射孔4共设有多个，并沿圆周均匀布设在环形燃气腔5的外壁面上。燃气导流管2共设有多个，并沿圆周均匀布设在中心纺锤体7的周围。
在实际结构设计中，贫预混腔10为环形燃气腔5内壁面和变径腔11内壁面与中心纺锤体7之间的环形腔体，通过内燃气喷射孔3与环形燃气腔5连通。通过设计燃气导流管2之间的面积与内燃气喷射孔3的面积，可将进入贫预混腔10空气与燃气的过量空气系数控制在富燃极限以下，在内轴向旋流器9的辅助作用下混合为贫预混的气体。内燃气喷射孔3为布置在变径腔11内壁面上的若干渐缩型小孔，外燃气喷射孔4为布置在环形燃气腔5外壁面上的若干渐缩型小孔。通过设计内、外燃气喷射孔4的面积，可分配进入贫预混腔10的燃气量以适配不同型号微型燃气轮机的功率需求。
本实施例双旋流贫预混喷嘴应用于以气体为燃料的微型燃气轮机的燃烧室中。
环形燃气腔5与变径腔11构成一个具有变径特征的环状腔体，其上共有两处开孔。第一处位于变径腔11内壁面上，即内燃气喷射孔3。第二处位于环形燃气腔05外侧壁面上，外轴向旋流器8下方，即外燃气喷射孔4。由燃气导流管2导入燃气在环形燃气腔5中首先经过内燃气喷射孔3，通过渐缩式喷管结构降低燃气压力，减小贫预混腔10与外轴向旋流器8的压力差距，提高燃气出流的速度以及射流深度，促进燃气在贫预混腔10中与空气形成预混气体。其余燃气将由外燃气喷射孔4喷出，与外轴向旋流器8流出的助燃空气配合发生燃烧反应。高速燃气射流将充分扩大燃烧反应区域，减少局部高温区出现的可能性。
进入燃烧室喷嘴的空气由两部分构成，第一部分空气将经由燃气导流管2之间的空隙进入贫预混腔10，与内燃气喷射孔3中喷出的燃气混合，在贫预混腔10中形成贫预混气体。第二部分空气将外轴向旋流器8，随后与外燃气喷射孔4喷出的燃气燃烧，构成外层扩散式火焰。
以上通过具体实施方式对本发明进行了详细描述，结合所给的附图，本领域的技术人员应该明白本发明的技术关键，同时应该明白实施例仅是示例形式。对本发明根据实际情况在实际应用时可作适当修改和变形，如通过改变内燃气喷射孔3和外燃气喷射孔4上喷射孔的面积比例来调控用于预混和扩散火焰的燃气量的比例、改变外轴向旋流器8面积和燃气导流管2之间的空隙面积以控制预混空气和助燃空气比例等。这种变形和修改即可使应用于不同形式、不同功率的、燃用不同气体燃料的航空发动机燃烧室或地面燃气轮机燃烧室。本发明也适用作工业燃气燃烧器的烧嘴。这些变形和修改，以及用在其他燃烧设备上的具体实施例都应落在本发明的权利要求所保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种双旋流贫预混喷嘴，其特征在于，包括燃气分流腔帽罩(6)、开设在燃气分流腔帽罩(6)顶部的燃气分流腔(1)、悬垂设置在燃气分流腔(1)下方的中心纺锤体(7)、位于中心纺锤体(7)底部的贫预混腔(10)以及将燃气分流腔(1)与贫预混腔(10)、外界空气相连通的环形导流单元，在工作状态下，燃气经燃气分流腔(1)分流后，经环形导流单元一部分进入贫预混腔(10)，剩余部分喷出至外界空气中，实现对燃气的被动式分级。
2.根据权利要求1所述的一种双旋流贫预混喷嘴，其特征在于，所述的环形导流单元包括与燃气分流腔(1)依次连通的燃气导流管(2)、变径腔(11)以及环形燃气腔(5)，所述的变径腔(11)的内壁面上开设有将变径腔(11)与贫预混腔(10)相连通的内燃气喷射孔(3)，所述的环形燃气腔(5)的外壁面上开设有将环形燃气腔(5)与外界空气相连通的外燃气喷射孔(4)。
3.根据权利要求2所述的一种双旋流贫预混喷嘴，其特征在于，所述的变径腔(11)与燃气导流管(2)、环形燃气腔(5)相连接的位置采用弧形腔进行过渡。
4.根据权利要求3所述的一种双旋流贫预混喷嘴，其特征在于，所述的变径腔(11)为环状变径腔，该环状变径腔的内径沿着轴向由上而下逐渐增大。
5.根据权利要求2所述的一种双旋流贫预混喷嘴，其特征在于，所述的燃气导流管(2)共设有多个，并沿圆周均匀布设在中心纺锤体(7)的周围。
6.根据权利要求2所述的一种双旋流贫预混喷嘴，其特征在于，所述的内燃气喷射孔(3)、外燃气喷射孔(4)的孔径均沿气流方向逐渐减小。
7.根据权利要求6所述的一种双旋流贫预混喷嘴，其特征在于，所述的内燃气喷射孔(3)共设有多个，并沿圆周均匀布设在变径腔(11)的内壁面上。
8.根据权利要求6所述的一种双旋流贫预混喷嘴，其特征在于，所述的外燃气喷射孔(4)共设有多个，并沿圆周均匀布设在环形燃气腔(5)的外壁面上。
9.根据权利要求1至8任一项所述的一种双旋流贫预混喷嘴，其特征在于，所述的喷嘴还包括同轴设置的内轴向旋流器(9)及外轴向旋流器(8)，所述的内轴向旋流器(9)设置在贫预混腔(10)中，并且所述的内轴向旋流器(9)的内径与中心纺锤体(7)相连，外径与环形燃气腔(5)相连，所述的外轴向旋流器(8)的内径与环形燃气腔(5)的外壁面相连。
10.如权利要求1所述的一种双旋流贫预混喷嘴的应用，其特征在于，所述的喷嘴应用于以气体为燃料的微型燃气轮机的燃烧室中。
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