CN108061308B - 燃气轮机的后火焰燃料喷射装置 - Google Patents

燃气轮机的后火焰燃料喷射装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃气轮机的后火焰燃料喷射装置，所述后火焰燃料喷射装置包括后火焰燃料喷射管，所述后火焰燃料喷射管的周壁上设有燃料孔；混合芯体，所述混合芯体设在所述后火焰燃料喷射管内，所述混合芯体内设有多个混合通道，所述混合通道沿所述后火焰燃料喷射管的轴向延伸，所述混合通道具有位于所述混合芯体的外端面上的进气口、位于所述混合芯体的侧面上的燃料进口和位于所述混合芯体的内端面上用于喷出空气和燃料的混合物的喷出口。本发明在后火焰燃料喷射管内设置混合芯体，提高了燃料和空气的掺混效果。

Description

燃气轮机的后火焰燃料喷射装置
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，具体地涉及一种燃气轮机的后火焰燃料喷射装置。
背景技术
燃气轮机的热力循环中，燃烧室内的燃气温度越高，越有利于效率和功率的提高。但是，过量的空气在高温下容易形成氮氧化合物NOX，而为了减少该热力型NOX的排放，则需降低燃烧室内的最高温度。由此，一方面需要提高温度以满足功率的需求，另一方面则需降低最高温度以达到排放要求。
相关技术中，燃气轮机的燃烧室内采用分级燃烧，用于燃气轮机中的一种分级燃烧为“延迟贫喷射”，在该种类型的分级燃烧中，延迟贫喷射器位于主燃烧喷嘴的下游，在此下游位置增加燃料，既可以增大功率，又能避免燃烧室内温度过高。然而，目前的延迟贫喷射器的燃料进口设在环形燃料通道上，燃料和空气混合不理想。
发明内容
为此，本发明提出了一种燃气轮机的后火焰燃料喷射装置,该后火焰燃料喷射装置提高了燃料和空气的掺混效果。
根据本发明的实施例的燃气轮机的后火焰燃料喷射装置包括后火焰燃料喷射管，所述后火焰燃料喷射管的周壁上设有燃料孔；混合芯体，所述混合芯体设在所述后火焰燃料喷射管内，所述混合芯体内设有多个混合通道，所述混合通道沿所述后火焰燃料喷射管的轴向延伸，所述混合通道具有燃料进口、位于所述混合芯体的外端面上的进气口和位于所述混合芯体的内端面上的喷出口，其中空气通过所述进气口进入所述混合通道，从所述燃料孔进入所述后火焰燃料喷射管的燃料通过所述燃料进口进入所述混合通道，进入所述混合通道的燃料和空气在所述混合通道内混合成混合物且所述混合物由所述喷出口喷出。
根据本发明实施例的燃气轮机的后火焰燃料喷射装置，通过在后火焰燃料喷射管内设置混合芯体，提高了燃料和空气的掺混效果。
在一些实施例中，所述混合芯体包括外端板、内端板和多个混合管，所述外端板上设有构成所述进气口的多个进气孔，所述内端板上设有构成所述喷出口的多个喷出孔，所述混合管的外端与所述外端板相连且与对应的所述进气孔连通，所述混合管的内端与所述内端板相连且与对应的喷出孔连通，所述燃料进口形成在所述混合管的周壁上，其中所述进气孔、所述喷出孔和所述混合管的内腔构成所述混合通道。
在一些实施例中，所述进气孔、所述喷出孔与所述混合管一一对应。
在一些实施例中，所述混合管的外端插入到与其对应的所述进气孔内且所述混合管的内端插入到与其对应的所述喷出孔内。
在一些实施例中，所述进气孔布置成沿所述外端板的径向均匀间隔的多圈，每一圈内的所述进气孔沿所述外端板的周向均匀排列且彼此间隔开。
在一些实施例中，所述喷出孔沿所述内端板的径向均匀间隔布置成多圈，每一圈内的所述喷出孔沿所述内端板的周向均匀排列且彼此间隔开。
在一些实施例中，每个所述混合管上的所述燃料进口设有多个，多个所述燃料进口沿所述混合管的周向均匀间隔布置。
在一些实施例中，所述外端板和所述内端板彼此平行。
在一些实施例中，多个所述混合管的轴线均平行于所述后火焰燃料喷射管的轴线。
在一些实施例中，所述燃料孔设有多个，多个所述燃料孔沿所述后火焰燃料喷射管的周向均匀间隔布置。
附图说明
图1是具有本发明实施例的后火焰燃料喷射装置的燃烧器的结构示意图。
图2是根据本发明的实施例的燃气轮机的后火焰燃料喷射装置的剖视图。
图3是根据本发明的实施例的燃气轮机的后火焰燃料喷射装置的截面图。
附图标记：
火焰筒1，导流衬套2，浮动套环3，筒状部31，直筒段311，喇叭段312，周缘部32，后火焰燃料喷射管4，混合芯体5，外端板51，内端板52，混合管53，支座6，基座61，筒体611，凸缘612，围堰613，环形盖板62，混合通道7，进气口71，燃料进口72，喷出口73，冷却孔8，法兰9，外环10，环形外槽101，环形内槽102，连通孔103，内环11，内环环形槽111，环形燃料通道12，燃料通孔13，环形通道14，环形槽15，燃料通道16，燃料盖板17，进气孔18，喷出孔19。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1、2所示，燃气轮机的燃烧器包括火焰筒1和导流衬套2，火焰筒1的前端(图1中所示的左端)设有初级燃料喷嘴，以便向火焰筒1内喷射燃料。导流衬套2套设在火焰筒1上，导流衬套2与火焰筒1之间形成环形通道14。经压气机压缩的高压空气经该环形通道14进入火焰筒1的前端，并与初级燃料喷嘴喷出的燃料在火焰筒1混合、燃烧。
而根据本发明实施例的燃气轮机的后火焰燃料喷射装置安装在燃烧器上的初级燃料喷嘴的下游(图1所示的右侧)，以将燃料和空气的混合物喷射到工作流体中。通过本发明实施例的燃气轮机的后火焰燃料喷射装置向燃烧器内喷射燃料和空气，在初级燃烧区域下游实现燃料和空气的混合、燃烧，以改善NOX排放。
具体地，如图2-3所示，根据本发明实施例的燃气轮机的后火焰燃料喷射装置包括后火焰燃料喷射管4和混合芯体5，后火焰燃料喷射管4的周壁上设有燃料孔。
混合芯体5设在后火焰燃料喷射管4内，混合芯体5内设有多个混合通道7，混合通道7沿后火焰燃料喷射管4的轴向延伸，混合通道7具有进气口71、燃料进口72和喷出口73，其中进气口71位于混合芯体5的外端面上，喷出口73位于混合芯体5的内端面上。此处，“外端”是指邻近导流衬套2的一端，即图2中所示的上端；“内端”是指邻近火焰筒1的一端，即图2中所示的下端。
可以理解的是，后火焰燃料喷射管4的外端(图2、3所示的上端)固定在导流衬套2上，后火焰燃料喷射管4的内端(图2、3所示的下端)延伸到火焰筒1。具体地，后火焰燃料喷射管4的内端的开口处与火焰筒1的内壁面平齐。
由此，外部的空气通过进气口71进入混合通道7内，由燃料孔进入后火焰燃料喷射管4内的燃料经燃料进口72进入混合通道7内，燃料和空气在混合通道7内进行混合，混合后的燃料和空气的混合物通过喷出口73喷出至火焰筒1内。
此处，混合通道7的径向尺寸较小，燃料和空气在混合通道7内可以充分混合，从而实现在小尺度空间内燃料和空气的微混合。这里，“微混合”中的“微”是指燃料和空气的混合空间小，可以实现燃料和空气的微混合，由此根据本发明实施例中的后火焰燃料喷射装置中的混合通道为微混合通道。
根据本发明实施例的燃气轮机的后火焰燃料喷射装置，通过在后火焰燃料喷射管内设置具有微混合通道的混合芯体，提高了燃料和空气的掺混效果。
在一些实施例中，混合芯体5包括外端板51、内端板52和多个混合管53，外端板51上设有构成进气口71的多个进气孔18，内端板52上设有构成喷出口73的多个喷出孔19，混合管53的外端(图2、3所示的上端)与外端板51相连，而且混合管53的外端与对应的外端板51上的进气孔18连通，混合管53的内端(图2、3所示的下端)与内端板52相连，而且混合管53的内端与对应的喷出孔19连通，燃料进口72形成在混合管53的周壁上，混合管5的内腔构成混合通道7。
可以理解的是，混合管5为径向尺寸较小的微混合管，以便在小尺度空间内实现燃料和空气的微混合。而且，外端板51上的多个进气孔18即为混合通道7的进气口71，内端板52上的多个喷出孔19即为混合通道7的喷出口73。外部的空气经外端板51上的进气孔18进入混合管53内，燃料经混合管53周壁上的燃料进口72进入混合管53内，燃料和空气在混合管53内进行微混合，混合后的混合物经内端板52上喷出孔19喷入火焰筒1内。
在一些实施例中，外端板51上进气孔18、内端板52上的喷出孔19与混合管53一一对应。换言之，外端板51和内端板52分别具有与混合管53个数相同的进气孔18和喷出孔19。可以理解的是，可采用本领域所熟知的连通结构分别连通混合管53的外端和进气孔18、混合管53的内端和喷出孔19。本实施例中，混合管53的外端插入到与其对应的进气孔18内且混合管53的内端插入到与其对应的喷出孔19内，其中混合管53的两端分别插入到进气孔18中的距离和插入到喷出孔19的距离可根据实际情况而定，例如图2、3所示，混合管53的上端插入到与其对应地进气孔18内，且混合管53的上端面与进气孔18的上端面相平齐；混合管53的下端插入到与其对应地喷出孔19内，且混合管53的下端面与喷出孔19的下端面相平齐。
在一些实施例中，外端板51上的多个进气孔18布置成沿外端板51的径向均匀间隔的多圈，每一圈内的进气孔18沿外端板51的周向均匀排列且彼此间隔开。
在一些实施例中，内端板52上的多个喷出孔19沿内端板52的径向均匀间隔布置成多圈，每一圈内的喷出孔19沿内端板52的周向均匀排列且彼此间隔开。更进一步地，如图2、3所示，混合管53上端的外端板51和混合管53下端的内端板52彼此平行。
在一些实施例中，多个混合管53的轴线均平行于后火焰燃料喷射管4的轴线。
在一些实施例中，后火焰燃料喷射管4上的燃料孔设有多个，且多个燃料孔沿后火焰燃料喷射管4的周向均匀间隔布置。
更进一步地，安装本发明的燃气轮机的后火焰燃料喷射装置的燃烧器的导流衬套2上设有固定孔，固定孔内安装有外环10，外环10的外周缘与导流衬套2焊接。
外环10具有环形外槽101、环形内槽102和连通孔103。环形外槽101沿该外环10的径向向外开口，环形内槽102沿该外环10的径向向内开口，连通孔103用于连通环形外槽101与环形内槽102。
外环10内安装有内环11，内环11具有内环环形槽111，内环环形槽111沿该内环11的径向向外开口，内环11上还具有燃料通孔13。
内环11的内环环形槽111与外环10的环形内槽102对接以形成环形燃料通道12，环形燃料通道12与燃料通道16相连通。
可以理解的是，燃料通道16中的燃料通过环形燃料通道12和内环11上的燃料通孔13和后火焰燃料喷射管4的燃料孔由燃料进口72进入混合管53内。
如图2、3所示，安装本发明的燃气轮机的后火焰燃料喷射装置的燃烧器还包括浮动套环3，浮动套环3通过支座6安装在火焰筒1上。支座6安装在火焰筒6上的安装孔内，浮动套环3安装在支座6上，且相对于支座6在浮动套环3的径向上整体向外移动或整体向内移动。
支座6包括基座61和环形盖板62，基座61包括筒体611、凸缘612和围堰613，凸缘612从筒体611的上端周缘沿该筒体611的径向向外延伸，围堰613从凸缘612的外周缘沿筒体611的轴向向外延伸。筒体611的内端(图3所示的筒体611的上端)安装在火焰筒1上的安装孔内，凸缘612位于火焰筒1的外面且与火焰筒1间隔开。如图3所示，筒体611的下端配合在安装孔内，且筒体611的下端面与火焰筒1的内周面平齐，凸缘612设在筒体611的上端且与火焰筒1在上下方向上间隔开。
环形盖板62与围堰613的内壁相连且位于凸缘612的上端，环形盖板62和凸缘612之间留有间隙，以便环形盖板62、围堰613和凸缘612形成环形槽15。
浮动套环3包括上部的筒状部31和下部的周缘部32，周缘部32的上端与筒状部31相连，周缘部32沿筒状部31的径向向外延伸。浮动套环3的周缘部32配合在环形槽15内且沿凸缘612的上端面在浮动套环3的径向上整体向外移动或整体向内移动。
筒状部31包括下部的直筒段311和上部的喇叭段312，直筒段311的上端与喇叭段312连接，喇叭段312的径向尺寸从下到上逐渐增大。
后火焰燃料喷射管4的上端具有法兰9，法兰9位于外环10的上面，且法兰9通过螺栓紧固在外环10上，后火焰燃料喷射管4从内环11内穿过，且后火焰燃料喷射管4的下端依次穿过浮动套环3的筒状部31和周缘部32伸入基座61的筒体611内，浮动套环3的筒状部31的直筒段311与后火焰燃料喷射管4紧配合，后火焰燃料喷射管4的下端面、支座6的下端面和火焰筒1的内壁面相平齐，以便燃料和空气的混合物通过后火焰燃料喷射管4的下端喷入火焰筒1内。
筒体611的壁上设有与环形通道14连通的冷却孔8，冷却空气可以通过冷却孔8进入基座61内，以冷却和轻吹后火焰燃料喷射管4。
下面参考附图1、附图2和附图3描述根据本发明具体实施例的燃气轮机的后火焰燃料喷射装置。
如图1-3所示，根据本发明实施例的燃气轮机的后火焰燃料喷射装置包括后火焰燃料喷射管4和混合芯体5。
后火焰燃料喷射管4的周壁上具有多个燃料孔，多个燃料孔沿后火焰燃料喷射管4的周向均匀间隔布置。
混合芯体5设在后火焰燃料喷管4内且包括外端板51、内端板52和实现微混合的混合管53，外端板51和内端板52彼此平行，混合管53为多个且分别沿后火焰燃料喷嘴管4的轴向延伸，多个混合管53的轴线均平行于后火焰燃料喷嘴4的轴线。混合管53的周壁上设有多个沿混合管53的周向均匀间隔布置的燃料进口72。
外端板51上设有构成进气口71的多个进气孔18，内端板52上设有构成喷出口73的多个喷出孔19，混合管53的上端与外端板51相连，混合管53的上端插入到与其对应的进气孔18内且混合管53的上端面与进气孔18的上端面相平齐，混合管53的下端与内端板52相连，且混合管53的下端插入到与其对应的喷出孔19内且混合管53的下端面与喷出孔19的下端面相平齐。
可以理解的是，外部的空气经外端板51上的进气孔18进入混合管53内，燃料经混合管53周壁上的燃料进口72进入混合管53内，燃料和空气在混合管53内进行微混合，混合后的混合物经内端板52上喷出孔19喷入火焰筒1内。
外端板51和内端板52分别具有与混合管53个数相同的进气孔18和喷出孔19，且混合管53、进气孔18和喷出孔19三者一一对应。外端板51上的多个进气孔18布置成沿外端板51的径向均匀间隔的多圈，每一圈内的进气孔18沿外端板51的周向均匀排列且彼此间隔开。内端板52上的多个喷出孔19沿内端板52的径向均匀间隔布置成多圈，每一圈内的喷出孔19沿内端板52的周向均匀排列且彼此间隔开。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种燃气轮机的后火焰燃料喷射装置，其特征在于，包括：
后火焰燃料喷射管，所述后火焰燃料喷射管的周壁上设有燃料孔；
混合芯体，所述混合芯体设在所述后火焰燃料喷射管内，所述混合芯体内设有多个混合通道，所述混合通道沿所述后火焰燃料喷射管的轴向延伸，所述混合通道具有燃料进口、位于所述混合芯体的外端面上的进气口和位于所述混合芯体的内端面上的喷出口，其中空气通过所述进气口进入所述混合通道，从所述燃料孔进入所述后火焰燃料喷射管的燃料通过所述燃料进口进入所述混合通道，进入所述混合通道的燃料和空气在所述混合通道内混合成混合物且所述混合物由所述喷出口喷出；
浮动套环，所述浮动套环配合在所述后火焰燃料喷射管上，且所述浮动套环沿其径向可整体向内移动或整体向外移动。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机的后火焰燃料喷射装置，其特征在于，所述混合芯体包括外端板、内端板和多个混合管，所述外端板上设有构成所述进气口的多个进气孔，所述内端板上设有构成所述喷出口的多个喷出孔，所述混合管的外端与所述外端板相连且与对应的所述进气孔连通，所述混合管的内端与所述内端板相连且与对应的喷出孔连通，所述燃料进口形成在所述混合管的周壁上，所述混合管的内腔构成所述混合通道。
3.根据权利要求2所述的燃气轮机的后火焰燃料喷射装置，其特征在于，所述进气孔、所述喷出孔与所述混合管一一对应。
4.根据权利要求3所述的燃气轮机的后火焰燃料喷射装置，其特征在于，所述混合管的外端插入到与其对应的所述进气孔内且所述混合管的内端插入到与其对应的所述喷出孔内。
5.根据权利要求3所述的燃气轮机的后火焰燃料喷射装置，其特征在于，所述进气孔布置成沿所述外端板的径向均匀间隔的多圈，每一圈内的所述进气孔沿所述外端板的周向均匀排列且彼此间隔开。
6.根据权利要求3所述的燃气轮机的后火焰燃料喷射装置，其特征在于，所述喷出孔沿所述内端板的径向均匀间隔布置成多圈，每一圈内的所述喷出孔沿所述内端板的周向均匀排列且彼此间隔开。
7.根据权利要求2所述的燃气轮机的后火焰燃料喷射装置，其特征在于，每个所述混合管上的所述燃料进口设有多个，多个所述燃料进口沿所述混合管的周向均匀间隔布置。
8.根据权利要求2所述的燃气轮机的后火焰燃料喷射装置，其特征在于，所述外端板和所述内端板彼此平行。
9.根据权利要求2所述的燃气轮机的后火焰燃料喷射装置，其特征在于，多个所述混合管的轴线均平行于所述后火焰燃料喷射管的轴线。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的燃气轮机的后火焰燃料喷射装置，其特征在于，所述燃料孔设有多个，多个所述燃料孔沿所述后火焰燃料喷射管的周向均匀间隔布置。
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