CN110440289A - 一种燃气轮机燃烧室燃料空气高效混合装置 - Google Patents

一种燃气轮机燃烧室燃料空气高效混合装置 Download PDF

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Abstract

本申请属于航空发动机设计技术领域，涉及一种燃气轮机燃烧室燃料空气高效混合装置，包括由混合腔外环与混合腔内环构成的空气混合通道，以连通火焰筒，空气混合通道内设置有旋流器，并在旋流器上游设置有燃料喷嘴，燃料喷嘴设置有多个，沿混合腔外环内壁周向均匀分布，混合腔外环外壁设置有燃料分散环，燃料分散环一端通过连通杆连通燃料喷嘴，另一端通过喷嘴将燃料输送至空气混合通道。本申请通过沿混合腔外环内壁周向均匀分布的多个燃料喷嘴，实现燃料空气的高效混合，燃料混合更加均匀，有助于减小燃料空气混合燃烧时的局部高温区域面积，进而降低了燃气轮机的污染物排放。

Description

一种燃气轮机燃烧室燃料空气高效混合装置
技术领域
本申请属于航空发动机设计技术领域，特别涉及一种燃气轮机燃烧室燃料空气高效混合装置。
背景技术
降低燃气轮机污染物排放水平(主要是针对NOx)已成为燃气轮机的关键技术之一。目前最成熟的贫油预混低排放燃烧技术，就是基于NOx的生成机理，将燃料和空气预先混合之后供入燃烧室燃烧区进行燃烧，将火焰温度控制在合理的范围(明显低于常规扩散燃烧的火焰温度)，实现降低NOx排放量的目的，同时实现CO排放和燃烧稳定性等性能同时满足燃气轮机设计要求。由此，燃料和空气的混合均匀程度对贫油预混低排放燃烧室设计至关重要，良好的燃料和空气混合将显著降低火焰温度，减少火焰燃烧区局部高温区域，达到降低燃气轮机NOx排放的目的。
现有技术的燃料与空气混合存在以下缺陷：
燃料空气混合均匀性差：现有燃烧室燃料空气混合结构的燃料喷射点较少，并且空间分布离散性大，导致燃料空气混合均匀性差。
NOx污染物排放高：由于现有的燃烧室燃料空气混合均匀性差，导致火焰燃烧区局部高温区域面积大，局部火焰温度过高，导致NOx污染物排放高。
燃料空气混合性能稳定性差：现有的燃烧室燃料喷射结构(喷嘴)和空气流通结构(旋流器通道)之间不是刚性连接，而是通过装配定位控制喷嘴和旋流器通道之间的相对位置，由于装配或者是长期运行引起的结构变形，导致喷嘴和旋流器通道之间的相对位置发生变化，引起燃料空气混合均匀性发生改变，稳定性变差，最终影响燃气轮机的NOx排放性能稳定性变差。
发明内容
为解决上述问题之一，本申请提出了一种燃气轮机燃烧室燃料空气高效混合装置，包括：
混合腔外环，一端插接在火焰筒的入口；
混合腔内环，位于所述混合腔外环之内，且与混合腔外环同轴设置，以在两者之间限定空气混合通道；
旋流器，设置在所述空气混合通道内；
燃料分散环，环形套设在所述混合腔外环之外，形成环形腔，所述混合腔外环上设置有连通所述环形腔与所述空气混合通道的燃料喷嘴，所述燃料喷嘴沿混合腔外环周向设置有多个，燃料喷嘴的喷口位于所述空气混合通道内，且沿燃料流动方向位于所述旋流器的上游；
燃料连通杆，具有连通燃料进口与所述燃料分散环的通道。
优选的是，所述旋流器的叶片角度为0～30度。
优选的是，所述燃料喷嘴的数量是旋流器叶片数量的0.5～2倍。
优选的是，所述混合腔外环上设置有连通所述燃料分散环的通孔，所述燃料喷嘴一端固定在所述通孔上，另一端突出混合腔外环的内壁并伸入至所述空气混合通道内。
优选的是，所述燃料喷嘴被设置成使得流经燃料喷嘴的燃料喷射方向与流经燃料空气混合通道空气的流动方向之间的夹角为30～120度。
优选的是，所述燃料连通杆的数量为4～10个。
优选的是，所述燃料连通杆与所述燃料进口之间设置有稳压腔。
优选的是，所述稳压腔设置在端盖内，所述端盖固定在燃烧室机匣上，燃料进口的出口端自端盖的外侧插入至稳压腔内，燃料连通杆自端盖的内侧插入至所述稳压腔内。
本申请通过增加燃料喷射点的数量，并精确控制燃料喷射点与空气旋流器的空间位置，同时设置燃料供应稳压腔和燃料空气混合通道，最终实现燃料空气的高效混合，燃料混合更加均匀，结构更加紧凑，有助于减小燃料空气混合燃烧时的局部高温区域面积，进而促使燃气轮机的污染物排放更低。
本申请涉及的零部件可以采用焊接或者螺栓固定连接方式，随燃烧室的长时间运行，燃料喷射位置相对于空气流通通道的空间位置变化很小，进而促使燃料空气混合均匀性的稳定性更好。
附图说明
图1是本申请燃气轮机燃烧室燃料空气高效混合装置的截面示意图。
图2是本申请图1所示实施例的燃料喷嘴分布示意图。
其中，1-燃料喷嘴，2-燃料连通杆，3-燃料分散环，4-旋流器，5-混合腔外环，6-混合腔内环，7-燃料进口，8-稳压腔，9-端盖，10-燃烧室机匣，11-火焰筒。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
本申请要解决的技术问题：
1、燃料空气高效高均匀性混合技术：燃料空气的混合均匀性是燃气轮机燃烧室贫油预混燃烧NOx排放水平的关键影响因素，燃料空气的混合均匀性受燃料空气的喷射动量比、混合时间、空气紊流度、喷射方案等多个因素的影响，并且具体的燃料空气混合方案还受到结构尺寸的限制，因此同时实现结构尺寸小和混合均匀性高是本发明需要解决的技术问题之一。
2、低NOx污染物燃烧技术：基于NOx的生成机理和贫油预混低排放燃烧技术原理，控制NOx生成的措施主要是控制燃烧火焰平均温度和减少火焰局部高温区，减少火焰局部高温区就需要燃料和空气在进入燃烧区进行燃烧之间完成高均匀性的混合，因此本发明可以通过燃料空气的高均匀性混合实现低NOx污染物燃烧。
3、提高燃料空气混合性能稳定性技术：燃料空气混合均匀性稳定对燃气轮机的排放性能保持稳定至关重要，燃烧室部件试验验证阶段或者整机运行初期，燃料空气混合均匀性满足设计要求，但是随着燃机的长期运行，燃料空气混合均匀性保持稳定将是一大难题。因此，提高燃料空气混合性能稳定性是本发明需要解决的技术问题之一。
参考图1，本申请提供了一种燃气轮机燃烧室燃料空气高效混合装置，主要由燃料喷嘴1、燃料连通杆2、燃料分散环3、旋流器4、混合腔外环5、混合腔内环6、燃料进口7、稳压腔8和端盖9组成。具体为：
燃料喷嘴1设置在混合腔外环5前端内侧；混合腔外环5与混合腔内环6同轴设置并形成燃料空气混合通道；旋流器4设置在混合腔外环5和混合腔内环6之间并位于燃料喷嘴1下游；燃料分散环3位于混合腔外环5前段外侧；连通杆2位于燃料分散环3和稳压腔8之间并将两者连通；燃料进口7位于燃料供应端盖9上并与燃料稳压腔8连通；燃料供应端盖9固定在燃烧室机匣10上；上述零件之间采用焊接或螺栓固定连接。另外，混合腔外环5与火焰筒11插接。
本申请的燃气轮机燃烧室燃料空气高效混合装置，设置足够多的燃料喷嘴、空气旋流器、燃料稳压腔和燃料混合通道实现燃料空气的高效混合，降低燃烧平均温度和最高温度实现低NOx燃烧。其中：旋流器4是用于对流经空气混合通道的气流进行旋流，通过多个与气流流向呈一定角度的叶片进行引导，实现旋流效果，以使得燃料与空气充分混合，旋流器4的叶片角为0～30度，燃料喷嘴1突出混合腔外环5的内壁，深入燃料空气混合通道内，如图2所示，燃料喷嘴1周向均匀分布，旋流器叶片数量可以采用常规设计，燃料喷嘴1的数量是旋流器4叶片数量的0.5～2倍，流经燃料喷嘴1的燃料喷射方向与流经燃料空气混合通道空气的流动方向之间的夹角为30～120度，燃料连通杆2的数量为4～10个，燃料分散环3和燃料稳压腔8的容积足够大。
本申请通过增加燃料喷射点的数量，并精确控制燃料喷射点与空气旋流器的空间位置，同时设置燃料供应稳压腔和燃料空气混合通道，最终实现燃料空气的高效混合，燃料混合更加均匀，结构更加紧凑，有助于减小燃料空气混合燃烧时的局部高温区域面积，进而促使燃气轮机的污染物排放更低。
本申请涉及的零部件可以采用焊接或者螺栓固定连接方式，随燃烧室的长时间运行，燃料喷射位置相对于空气流通通道的空间位置变化很小，进而促使燃料空气混合均匀性的稳定性更好。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种燃气轮机燃烧室燃料空气高效混合装置，其特征在于，包括：
混合腔外环(5)，一端插接在火焰筒(11)的入口；
混合腔内环(6)，位于所述混合腔外环(5)之内，且与混合腔外环(5)同轴设置，以在两者之间限定空气混合通道；
旋流器(4)，设置在所述空气混合通道内；
燃料分散环(3)，环形套设在所述混合腔外环(5)之外，形成环形腔，所述混合腔外环(5)上设置有连通所述环形腔与所述空气混合通道的燃料喷嘴(1)，所述燃料喷嘴(1)沿混合腔外环(5)周向设置有多个，燃料喷嘴(1)的喷口位于所述空气混合通道内，且沿燃料流动方向位于所述旋流器(4)的上游；
燃料连通杆(2)，具有连通燃料进口(7)与所述燃料分散环(3)的通道。
2.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧室燃料空气高效混合装置，其特征在于，所述旋流器(4)的叶片角度为0～30度。
3.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧室燃料空气高效混合装置，其特征在于，所述燃料喷嘴(1)的数量是旋流器(4)叶片数量的0.5～2倍。
4.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧室燃料空气高效混合装置，其特征在于，所述混合腔外环(5)上设置有连通所述燃料分散环(3)的通孔，所述燃料喷嘴一端固定在所述通孔上，另一端突出混合腔外环(5)的内壁并伸入至所述空气混合通道内。
5.如权利要求4所述的燃气轮机燃烧室燃料空气高效混合装置，其特征在于，所述燃料喷嘴(1)被设置成使得流经燃料喷嘴(1)的燃料喷射方向与流经燃料空气混合通道空气的流动方向之间的夹角为30～120度。
6.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧室燃料空气高效混合装置，其特征在于，所述燃料连通杆(2)的数量为4～10个。
7.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧室燃料空气高效混合装置，其特征在于，所述燃料连通杆(2)与所述燃料进口(7)之间设置有稳压腔(8)。
8.如权利要求7所述的燃气轮机燃烧室燃料空气高效混合装置，其特征在于，所述稳压腔(8)设置在端盖(9)内，所述端盖(9)固定在燃烧室机匣(10)上，燃料进口(7)的出口端自端盖(9)的外侧插入至稳压腔(8)内，燃料连通杆(2)自端盖(9)的内侧插入至所述稳压腔(8)内。
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