CN111059574B - 旋流杯式双燃料空气雾化喷嘴结构 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种旋流杯式双燃料空气雾化喷嘴结构，包括：喷嘴本体，由内向外依此包括：副油路通道，位于喷嘴本体中心位置，用于传输喷射液体燃料；主油路通道，环所述副油路通道外壁设置，用于传输喷射液体燃料；气体燃料路通道，环所述主油路通道外壁设置，用于传输喷射气体燃料；文氏管旋流器，与所述喷嘴本体相连，包括：旋流器，环喷嘴本体前端外壁设置，以及文氏管，与所述旋流器相连，并部分遮挡旋流器下游出口；以及旋流杯套筒，位于所述喷嘴本体和文氏管旋流器外。其有效解决了点火困难、燃烧不稳定、低负荷下燃烧效率下降的难点；双油路空气雾化喷嘴设计，有效改善了燃机大小状态下的燃油雾化质量。

Description

旋流杯式双燃料空气雾化喷嘴结构

技术领域

本公开涉及工业燃气轮机技术领域，尤其涉及一种旋流杯式双燃料空气雾化喷嘴结构，其可燃用多种液体和气体燃料，同时能够在燃机运行过程中实现不间断切换燃料的双燃料喷嘴结构。

背景技术

工业燃气轮机广泛应用于发电、分布式供能、管道驱动、船舶动力等领域。在国外发电用的燃气轮机主要以天然气为燃料。而国内天然气发电成本较高，用户普遍希望燃气轮机能够兼容各类“尾气”、“伴生气”、“煤气”，如焦炉煤气、转炉煤气、高炉煤气、水煤气、合成气、高氢气体等，这类气体燃料普遍热值不高、且氢含量高，容易造成燃烧不稳定。这就要求燃气轮机在不降低性能的前提下，能够充分地燃烧各种热值和组分差异较大的气体，在保证燃烧稳定的前提下还需要尽可能地降低排放，满足环保要求。

按照天然气的热值及燃烧特性设计的喷嘴在燃用上述中、低热值气体时，往往会出现燃烧稳定性差、怠速工况容易熄火、低负荷工况下燃烧效率显著降低等问题。因此，需要对燃烧器改造或重新设计，而其中喷嘴设计尤为关键。

现有技术中的燃气轮机喷嘴，其中一部分仅包含双油路喷嘴，不能燃烧气体燃料；一部分仅是常规的气液双燃料喷嘴，未针对低热值气体的特点进行改进，无法燃用低热值气体；一部分虽然针对低热值气体进行了改造设计，但改进后的喷嘴或旋流器结构过于复杂，开孔数量多，不利于工程实现；还有一部分只有单路液体燃料喷射装置，当气体燃料供应不足，燃机机组需要由液体燃料提升负荷时，这类单油路喷嘴不能适应宽广的燃油流量变化范围，无法同时兼顾高、低负荷下的雾化质量。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种旋流杯式双燃料空气雾化喷嘴结构，以缓解现有技术中双燃料喷嘴或旋流器难以满足燃机在大负荷下的流量变化要求，结构过于复杂，不利于工程实现等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种旋流杯式双燃料空气雾化喷嘴结构，包括：喷嘴本体，由内向外依此包括：副油路通道，位于喷嘴本体中心位置，用于传输喷射液体燃料；主油路通道，环所述副油路通道外壁设置，用于传输喷射液体燃料；气体燃料路通道，环所述主油路通道外壁设置，用于传输喷射气体燃料；文氏管旋流器，与所述喷嘴本体相连，包括：旋流器，环喷嘴本体前端外壁设置，以及文氏管，与所述旋流器相连，并部分遮挡旋流器下游出口；以及旋流杯套筒，位于所述喷嘴本体和文氏管旋流器外。

在本公开实施例中，所述副油路通道包括：依次相连的副油路外壁、副油路旋流芯、副油路喷管，副油路喷管上设置有副油路喷孔，副油路喷孔的直径为0.3mm～0.6mm。

在本公开实施例中，所述主油路通道包括依此相连的主油路外壁与主油路喷管；所述主油路喷管设置有主油路喷孔，所述主油路喷管喷孔的直径为4.0mm～5.0mm。

在本公开实施例中，所述气体燃料路通道，包括：外气罩，作为喷嘴本体的外壁，外气罩末端为收缩圆锥形结构，该收缩圆锥形结构延伸入文氏管内，并在收缩圆锥面上设置有多个气体燃料喷孔；外气罩位于旋流器的上游位置开设有多个防积碳空气孔；以及内气罩，对应所述多个防积碳空气孔设置有多个防积碳空气槽；空气由外气罩上的防积碳空气孔进入内气罩的防积碳空气槽内，最终流过主油路喷管的外壁，用于冷却主油路喷管，防止主油路积碳和结焦，防积碳空气最终从防积碳喷孔流出，并参与燃烧过程。

在本公开实施例中，所述气体燃料喷孔的数目为4～8个，气体燃料喷孔与喷嘴本体中心轴线的夹角范围为20～40°，气体燃料喷孔直径为2.0mm～3.0mm。

在本公开实施例中，所述多个防积碳空气槽倾斜设置，其与喷嘴本体中心轴线的夹角范围为35°～50°；所述防积碳空气孔的数目为4～8个；防积碳喷孔直径为2.0mm～3.0mm。

在本公开实施例中，所述旋流器为轴向叶片式旋流器，其内壁与外气罩的外壁之间留有一定的间隙。

在本公开实施例中，所述旋流器旋流叶片的安装角度为35°～55°，旋流叶片数目10～16片，旋流数为0.6～1.0。

在本公开实施例中，所述文氏管布置在旋流器的下游，将旋流器下游的空气分为两部分，分别为：一级旋流空气，流过文氏管内侧，用于辅助雾化主油路的燃油；以及二级旋流空气，流过文氏管外侧，用于在产生回流区稳定燃烧；所述一级旋流空气与二级旋流空气的流量之比为0.9～1.2。

在本公开实施例中，套筒布置在文氏管旋流器的下游，套筒尾部向外扩展，用于限制喷雾角的大小，同时限制二级旋流空气沿径向扩展的尺寸；所述套筒扩展段与套筒中心轴线的角度为30°～45°。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开旋流杯式双燃料空气雾化喷嘴结构至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)结构紧凑，可以很方便的替换原有的天然气喷嘴，易于对现有燃烧系统进行改造升级；

(2)燃烧时火焰长度更短，使燃烧室出口温度场更加均匀；

(3)可满足燃机在大负荷下的流量变化要求；

(4)实现气体燃料与液体燃料的快速平稳切换。

附图说明

图1为本公开实施例旋流杯式双燃料空气雾化喷嘴结构的剖面结构示意图。

图2为本公开实例喷嘴本体的剖面结构示意图。

图3为本公开实施例旋流杯式双燃料空气雾化喷嘴结构中通道分布示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1 副油路通道 2 主油路通道 3 气体燃料路通道

4 防积碳空气通道 5 空气通道 6 一级旋流空气

7 二级旋流空气 8 回流区

100 喷嘴本体 200 文氏管旋流器 300 旋流杯套筒

101 副油路外壁 102 主油路外壁 103 副油路旋流芯

104 副油路喷管 105 主油路喷管 106 外气罩

107 内气罩 108 副油路喷孔 109 主油路喷孔

110 气体燃料喷孔 111 防积碳空气孔 112 防积碳空气槽

113 防积碳喷孔 201 旋流器 202 文氏管

301 旋流器外壁 302 套筒 303 头部转接段

具体实施方式

本公开提供了一种旋流杯式双燃料空气雾化喷嘴结构，其将气体燃料喷射装置、液体燃料喷射装置与文氏管旋流器进行组合设计，形成一种旋流杯式双燃料空气雾化喷嘴结构结构，液体燃料的引入，有效解决了点火困难、燃烧不稳定、低负荷下燃烧效率下降的难点；双油路空气雾化喷嘴设计，有效改善了燃机大小状态下的燃油雾化质量。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种旋流杯式双燃料空气雾化喷嘴结构，如图1所示，所述旋流杯式双燃料空气雾化喷嘴结构，包括：

喷嘴本体，由内向外依此包括：

副油路通道，位于喷嘴本体中心位置，用于传输喷射液体燃料；

主油路通道，环所述副油路通道外壁设置，用于传输喷射液体燃料；

气体燃料路通道，环所述主油路通道外壁设置，用于传输喷射气体燃料；

文氏管旋流器，与所述喷嘴本体相连，包括：

旋流器，环喷嘴本体前端外壁设置，以及

文氏管，与所述旋流器相连，并部分遮挡旋流器下游出口；以及

旋流杯套筒，套设与所述喷嘴本体和文氏管旋流器外。

所述副油路通道包括：依次相连的副油路外壁101、副油路旋流芯103、副油路喷管104，副油路喷管上设置有副油路喷孔108；副油路的液体燃料进入副油路通道1后，从副油路喷孔108流出；

副油路喷孔的直径为0.3mm～0.6mm。

所述主油路通道包括依此相连的主油路外壁102与主油路喷管105，并与副油路外壁101组合，构成一个环形空间，即为所述主油路通道2；所述主油路喷管设置有主油路喷孔，主油路的液体燃料进入主油路通道2后，从主油路喷孔109流出；

所述主油路喷管喷孔的直径为4.0mm～5.0mm。

所述气体燃料路通道包括：

外气罩106，作为喷嘴本体的外壁，外气罩末端为收缩圆锥形结构，该收缩圆锥形结构延伸入文氏管内，并在收缩圆锥面上设置有多个气体燃料喷孔110；外气罩位于旋流器的上游位置开设有多个防积碳空气孔111；以及

内气罩，对应所述多个防积碳空气孔设置有多个防积碳空气槽112；空气由外气罩上的防积碳空气孔进入内气罩的防积碳空气槽内，最终流过主油路喷管的外壁，用于冷却主油路喷管，防止主油路积碳和结焦；

防积碳空气最终从防积碳喷孔113流出，并参与燃烧过程。

所述气体燃料喷孔的数目为4～8个，气体燃料喷孔与喷嘴本体中心轴线的夹角范围为20～40°，气体燃料喷孔直径为2.0mm～3.0mm。

所述多个防积碳空气槽倾斜设置，其与喷嘴本体中心轴线的夹角范围为35°～50°；所述防积碳空气孔的数目为4～8个；防积碳喷孔113直径为2.0mm～3.0mm。

在本公开实施例中，所述外气罩为喷嘴本体100的外壁(壳)，外气罩106与主油路外壁102构成一个环形空间，即为所述气体燃料路通道3；外气罩106的顶部开了若干的气体燃料喷孔110；气体燃料进入气体燃料路通道103后，从气体燃料喷孔110流出；

在本公开实施例中，在外气罩106的侧壁上开设有若干防积碳空气孔111，内气罩107对应位置上也开有防积碳空气槽112，二者共同构成了防积碳空气通道4。主流的空气进入空气通道5后，有小部分会流过防积碳空气孔111进入防积碳空气通道4，这部分空气会流过主油路喷管的外壁，起到冷却作用，防止主油路喷管的积碳和结焦。防积碳空气最终从防积碳喷孔113流出，并参与燃烧过程。

在本公开实施例中，所述文氏管旋流器200布置在喷嘴本体100外侧，由旋流器201和文氏管202两部分组合构成。

所述旋流器201为轴向叶片式旋流器，其内壁与外气罩106的外壁之间留有一定的间隙，便于喷嘴本体100的安装与拆卸。

所述轴向叶片式旋流器的叶片安装角度为35°～55°，旋流叶片数目10～16片，旋流数为0.6～1.0。

所述文氏管202布置在旋流器201的下游，它将旋流器下游的空气分为了两部分，一股流过文氏管202内侧，为一级旋流空气6，主要用于辅助雾化主油路的燃油。另一股流过文氏管202外侧，为二级旋流空气7，用于产生回流区8稳定燃烧。主油路燃料在文氏管202内表面形成油膜，并在一级旋流空气6作用下进一步雾化。在文氏管202的尾缘，油膜受到两级旋流空气的剪切作用，形成良好的雾化。

所述一级旋流空气与二级旋流空气的流量之比为0.9～1.2。

气体燃料从气体燃料喷孔110喷出后，可以在文氏管202内与一级旋流空气6预先混合，有利于缩短火焰长度，使燃烧室出口温度场更加均匀

所述旋流杯套筒300包括旋流器外壁301、套筒302、头部转接段303；其中旋流器外壁301与外气罩106之间构成的环形空间，是空气通道5。进入空气通道5的空气将分为两股，一股进入防积碳空气通道4，另一股流过旋流器201。

所述旋流器外壁延伸布置在文氏管旋流器的外侧，用于形成旋流空气通道。

套筒302布置在文氏管旋流器200的下游，套筒302尾部具有向外扩展的特征，可用于限制喷雾角的大小，同时限制二级旋流空气沿径向扩展的尺寸。

所述套筒扩展段与套筒中心轴线的角度为30°～45°。

头部转接段303布置在套筒302外侧，与套筒302相接的一侧是圆筒形，另一侧是扇形，便于与燃烧室头部转接。

本公开的一种旋流杯式双燃料空气雾化喷嘴结构，可实现燃气轮机平稳高效地燃用各类中、低热值气体燃料，其工作原理是：

在燃机点火时，打开流通面积较小的副油路供油，副油路采用离心喷嘴设计，供油压差大，雾化质量好，可保证燃机在小负荷状态下稳定燃烧。

在燃机需要提升负荷时，可打开流通面积较大的主油路，主油路依靠轴向叶片式旋流器提供的旋流空气雾化，供油压差小，雾化质量随空气流量的增大而提高，可满足燃机在大负荷下的流量变化要求。

主、副油路协同工作，可满足燃机在全工况下的流量需求；离心+空气雾化喷嘴的组合，保证了各个状态下的雾化质量，提供燃烧效率。在气体燃料供应不足或供应不稳定时，单独依靠液体燃料也可以保障燃机机组的平稳高效地运行，避免因气体燃料供应不足等突发状态而停机。

在气体燃料供应稳定时，可将燃机调整至慢车状态，随后一边打开气体燃料路，一边关闭液体燃料路，实现气体燃料与液体燃料的快速平稳切换。切换完成后，再逐步增大气体燃料的流量，直至燃机达到额定的最大工作状态。

在完全燃用气体燃料时，还可以通过副油路喷孔向燃烧室内注入水蒸气或氮气，降低燃烧火焰的温度峰值，从而降低NOx等污染物的排放。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开旋流杯式双燃料空气雾化喷嘴结构有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种旋流杯式双燃料空气雾化喷嘴结构，将气体燃料喷射装置、双路液体燃料喷射装置与文氏管旋流器进行集成设计，形成一种旋流杯式双燃料空气雾化喷嘴结构，该喷嘴在实现功能的前提下具备紧凑的结构，可以很方便的替换原有的天然气喷嘴，大幅度减少整个燃烧系统的改造工作

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种旋流杯式双燃料空气雾化喷嘴结构，包括：

喷嘴本体，由内向外依此包括：

副油路通道，位于喷嘴本体中心位置，用于传输喷射液体燃料；

主油路通道，环所述副油路通道外壁设置，用于传输喷射液体燃料；

气体燃料路通道，环所述主油路通道外壁设置，用于传输喷射气体燃料；

文氏管旋流器，与所述喷嘴本体相连，包括：

旋流器，环喷嘴本体前端外壁设置，以及

文氏管，与所述旋流器相连，并部分遮挡旋流器下游出口；以及

旋流杯套筒，位于所述喷嘴本体和文氏管旋流器外；

所述主油路通道包括依此相连的主油路外壁与主油路喷管；所述主油路喷管设置有主油路喷孔，所述主油路喷管喷孔的直径为4.0mm～5.0mm；所述副油路通道包括：依次相连的副油路外壁、副油路旋流芯、副油路喷管，副油路喷管上设置有副油路喷孔，副油路喷孔的直径为0.3mm～0.6mm；

所述气体燃料路通道，包括：外气罩，作为喷嘴本体的外壁，外气罩末端为收缩圆锥形结构，该收缩圆锥形结构延伸入文氏管内，并在收缩圆锥面上设置有多个气体燃料喷孔，所述气体燃料喷孔的数目为4～8个，气体燃料喷孔与喷嘴本体中心轴线的夹角范围为20～40° ，气体燃料喷孔直径为2.0mm～3.0mm；外气罩位于旋流器的上游位置开设有多个防积碳空气孔，所述防积碳空气孔的数目为4～8个；防积碳喷孔直径为2.0mm～3.0mm；以及内气罩，对应所述多个防积碳空气孔设置有多个防积碳空气槽，所述多个防积碳空气槽倾斜设置，其与喷嘴本体中心轴线的夹角范围为35°～50°；所述防积碳空气孔和防积碳空气槽共同构成了防积碳空气通道，空气由外气罩上的防积碳空气孔进入内气罩的防积碳空气槽内，最终流过主油路喷管的外壁，冷却主油路喷管，防止主油路积碳和结焦，防积碳空气最终从防积碳喷孔流出，并参与燃烧过程；

所述文氏管布置在旋流器的下游，将旋流器下游的空气分为两部分，分别为：

一级旋流空气，流过文氏管内侧，用于辅助雾化主油路的燃油；以及

二级旋流空气，流过文氏管外侧，用于在产生回流区稳定燃烧；

所述一级旋流空气与二级旋流空气的流量之比为0.9～1.2；

所述旋流杯套筒包括旋流器外壁、套筒、头部转接段；

其中旋流器外壁与外气罩之间构成的环形空间，是空气通道；旋流器外壁延伸布置在文氏管旋流器的外侧，用于形成旋流空气通道；进入空气通道的空气将分为两股，一股进入防积碳空气通道，另一股流过旋流器；所述套筒布置在文氏管旋流器的下游，套筒尾部具有向外扩展的特征，套筒扩展段与套筒中心轴线的角度为30°～45°；头部转接段布置在套筒外侧，与套筒相接的一侧是圆筒形，另一侧是扇形。

2.根据权利要求1所述的旋流杯式双燃料空气雾化喷嘴结构，所述旋流器为轴向叶片式旋流器，其内壁与外气罩的外壁之间留有一定的间隙。

3.根据权利要求2所述的旋流杯式双燃料空气雾化喷嘴结构，所述旋流器旋流叶片的安装角度为35°～55°，旋流叶片数目10～16片，旋流数为0.6～1.0。

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