CN112283748A - 一种适用于燃气轮机燃烧室的旋流喷嘴 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于燃气轮机燃烧室的旋流喷嘴，包括扩散空气进气腔、扩散燃料进气腔、喷嘴外罩、预混旋流组件、扩散旋流组件以及清吹杆。预混空气由喷嘴外罩上、位于旋流叶片上游的空气孔注入喷嘴，预混燃料由喷嘴外罩上、位于旋流叶片上游的燃料孔注入喷嘴，在旋流叶片上游进行预混合、经由旋流叶片形成旋流，在预混通道内进一步预混，并注入燃烧室形成适合预混燃烧的流场条件。本发明以位于喷嘴旋流叶片上游的燃料孔替代在役燃气轮机燃烧室喷嘴旋流叶片表面的燃料孔，使预混空气和预混燃料在喷嘴旋流叶片上游进行预混，使燃料和空气混合更加均匀，有效减小燃烧室NOX排放，且可避免旋流叶片上产生浓燃料带，减少旋流叶片烧蚀故障。
Description
技术领域
本发明属于燃气轮机技术领域，尤其涉及一种适用于燃气轮机燃烧室的旋流喷嘴。
背景技术
燃气轮机作为一种高效能源转换装置，被广泛应用于工业领域。在燃气轮机燃烧室中由于高温火焰产生的NOX，如果不采取控制措施，一般高达200ppm左右，超过了大多数工业化国家的环保规定，将严重危害大气环境，危害人体健康。所以，抑制燃气轮机燃烧室NOX的排放，是亟需解决的问题。采用干式贫燃预混燃烧方式(DLN)，在燃料进入燃烧室前与大量空气进行充分预混，并合理控制主燃区的空气和燃料的当量比，可降低燃烧室主燃区的温度，从而实现对NOX排放的控制。
目前，在役燃气轮机多采用DLN旋流喷嘴实现干式贫燃预混燃烧，其旋流喷嘴主要包括喷嘴外罩、喷嘴中心体、喷嘴旋流叶片等。喷嘴外罩、喷嘴中心体和旋流叶片构成环形通道，压缩空气由喷嘴上游进入环形通道，在环形通道内流动；喷嘴中心体内部设有预混和扩散燃料通道；旋流叶片内部设有预混燃料腔，与喷嘴中心体内部的预混燃料供给通道联通，旋流叶片表面设有燃料孔，且与预混燃料腔联通，预混燃料经喷嘴中心体的预混燃料通道注入旋流叶片的预混燃料腔，并通过旋流叶片表面的燃料孔喷射进入环形腔，在旋流叶片下游的预混段内与压缩空气进行预混，再喷射进入燃烧室燃烧。扩散燃料则通过扩散喷嘴中心体内部对的通道，经中心体头部的扩散旋流通道喷射进入燃烧室。
在役燃机燃烧室的旋流喷嘴存在如下问题：1)预混燃烧过程中，空气和燃料主要在旋流叶片下游预混段内进行混合，再进入燃烧室火焰筒燃烧，燃料和空气掺混的长度较短、预混效果不理想；2)燃料由燃料孔喷出时容易贴旋流叶片壁面流动，燃料与空气的接触面积较小，不利于燃料与空气混合，存在燃料和空气混合均匀度较低的现象，易导致燃烧室存在局部热点，引起燃烧室污染物排放较高；3)燃料孔紧贴旋流叶片表面，在旋流叶片表面易形成以燃料孔为中心的高浓度燃料带，当燃烧室发生回火现象时，容易形成旋流叶片表面挂火现象，烧毁旋流喷嘴。
发明内容
为解决在役燃气轮机燃烧室燃料和空气混合均匀度较低，NOX排放高、易发生回火、挂火等问题，本发明提出了一种适用于燃气轮机燃烧室的旋流喷嘴，该旋流喷嘴在喷嘴外罩外部、旋流叶片上游位置设置预混燃料孔和空气孔。在燃机燃烧室运行时，预混燃料由燃料孔直供旋流喷嘴内部预混通道，与压缩空气在旋流叶片上游进行初步混合，初步预混气再经旋流叶片旋流，进一步在预混通道内混合。采用本发明可以增加燃料和空气的混合距离、混合时间，增强燃料和空气的混合均匀度，减少燃烧室也可避免旋流叶片上出现浓燃料区域、旋流叶片在燃烧室发生回火时出现挂火的现象。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种适用于燃气轮机燃烧室的旋流喷嘴，包括扩散空气进气腔、扩散燃料进气腔、喷嘴外罩、预混旋流组件、扩散旋流组件和清吹杆；其中，扩散空气进气腔、扩散燃料进气腔和喷嘴外罩依次相连，且扩散空气进气腔带有扩散空气进气孔，扩散燃料进气腔带有扩散燃料进气孔，喷嘴外罩带有预混旋流空气进气孔和预混燃料进气孔；预混旋流组件位于喷嘴外罩内部，与扩散燃料进气腔相连，且预混旋流组件带有旋流叶片；扩散燃料进气腔、预混旋流组件与喷嘴外罩共同组成预混旋流通道；扩散旋流组件位于预混旋流组件内部，与扩散空气进气腔相连，且扩散旋流组件带有扩散旋流通道；扩散燃料进气腔、扩散旋流组件与预混旋流组件共同组成扩散燃料通道；清吹杆位于扩散旋流组件内部，与扩散燃料进气腔相连；扩散空气进气腔、清吹杆与扩散旋流组件共同组成扩散空气通道。
本发明进一步的改进在于，预混燃料、预混空气能够在预混旋流通道内混合、并喷射进入燃烧室。
本发明进一步的改进在于，扩散燃料能够经扩散旋流通道喷射进入燃烧室与注入燃烧室的空气混合、燃烧。
本发明进一步的改进在于，扩散空气能够经扩散旋流通道喷射进入燃烧室与注入燃烧室的扩散燃料混合、燃烧。
本发明进一步的改进在于，扩散空气进气孔开设在扩散空气进气腔的扩散空气端盖中心处。
本发明进一步的改进在于，扩散燃料进气孔设置在扩散空气进气孔下游、旋流叶片上游。
本发明进一步的改进在于，在预混旋流空气进气孔、预混燃料进气孔与喷嘴外罩连接处分别设置有预混空气集气腔和预混燃料集气腔，以保证预混空气和预混燃料进气均匀。
本发明进一步的改进在于，位于旋流喷嘴外罩上的预混旋流空气进气孔和预混燃料进气孔沿喷嘴外罩圆周的切向均布。
本发明进一步的改进在于，在扩散燃料进气孔与扩散燃料进气腔连接处设置有扩散燃料集气腔，以保证扩散燃料进气均匀。
本发明进一步的改进在于，在燃烧室进行扩散燃烧时，扩散空气由扩散空气进气腔上的扩散空气进气孔注入喷嘴，经由扩空气通道整流后，由喷嘴扩散旋流通道出口喷射进入燃烧室火焰筒；扩散燃料由扩散燃料进气腔上的扩散燃料进气孔注入喷嘴，经由扩散燃料通道整流后，经扩散旋流通道喷射进入燃烧室火焰筒；
在燃烧室进行预混燃烧时，预混空气由喷嘴外罩上的空气孔注入喷嘴，预混燃料由喷嘴外罩上的燃料孔注入喷嘴，预混空气和预混燃料在旋流叶片上游空间进行初步预混，并经预混旋流组件上的旋流叶片形成旋流后，在旋流叶片下游的预混通道内进一步混合后，注入燃烧室燃烧。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种适用于燃气轮机燃烧室的旋流喷嘴，取消了喷嘴旋流叶片内部的预混燃料腔和旋流叶片表面的燃料孔，以位于喷嘴旋流叶片上游的燃料孔替代在役燃气轮机燃烧室喷嘴旋流叶片表面的燃料孔；预混燃料主要由位于喷嘴旋流叶片上游的预混燃料喷嘴注入喷嘴内部，在旋流叶片上游与空气进行初步预混，并经旋流叶片形成旋流，在喷嘴预混段内再次进行预混，相较原喷嘴增加了预混空气和预混燃料的混合时间、距离，增加了空气和燃料的混合度，使燃料和空气混合更加均匀，可以有效减小燃烧室内产生局部浓度较高、产生热斑，造成NOX排放较高的现象；另外，采用本发明中提供的方案，燃料和空气在旋流叶片上游已经初步混合，避免了燃料紧贴旋流叶片壁面流动、在旋流叶片上产生浓燃料带的现象，有效减小燃烧室发生回火故障时烧损燃烧室旋流叶片的情况。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明中旋流喷嘴沿X方向的剖面图。
图3为本发明中旋流喷嘴沿Y方向的剖面图。
附图标记说明：
1扩散空气进气腔；1-1扩散空气端盖；1-2扩散空气进气孔；2扩散燃料进气腔；2-1扩散燃料端盖；2-2扩散燃料进气孔；3喷嘴外罩；3-1预混旋流空气进气孔；3-2预混燃料进气孔；3-3喷嘴外壳；3-4预混空气集气腔；3-5预混燃料集气腔；4预混旋流组件；4-1旋流叶片；5扩散旋流组件；6清吹杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步描述，但本发明不限于此实施例。
本发明的应用领域是燃气轮机旋流喷嘴。如图1至图3所示，本发明提供的一种适用于燃气轮机的旋流喷嘴，包括喷嘴扩散空气进气腔1、扩散燃料进气腔2、喷嘴外罩3、预混旋流组件4、扩散旋流组件5以及清吹杆6。
工作时，扩散空气由扩散空气进气腔1上的扩散空气进气孔1-2注入喷嘴，经由扩散空气进气腔1、扩散旋流组件5以及清吹杆6组成的扩散空气通道注入燃烧室，并与扩散燃料混合、燃烧；扩散燃料由扩散燃料进气腔2上的扩散燃料进气孔2-2注入喷嘴，经由扩散燃料进气腔2、扩散旋流组件5以及预混旋流组件4组成的扩散燃料通道注入燃烧室，并与扩散空气和预混空气混合、形成适合扩散燃烧的流场条件；预混空气由喷嘴外罩3上的预混旋流空气进气孔3-1注入喷嘴，在由喷嘴外罩3和预混旋流组件4组成的预混通道内与预混燃料混合，并注入燃烧室燃烧；预混燃料由喷嘴外罩3上的预混燃料进气孔3-2注入喷嘴，在由喷嘴外罩3和预混旋流组件4组成的预混通道内与预混空气混合，并注入燃烧室形成适合预混燃烧的流场条件。
优选的，扩散空气进气孔1-2开设在扩散空气进气腔1的扩散空气端盖1-1中心处。
优选的，扩散燃料进气孔2-2设置在扩散空气进气孔1-2下游、旋流叶片4-1上游，在保障预混燃料和预混空气在经旋流叶片4-1前混合，也可避免预混燃料在旋流通道内积聚。
优选的，在预混旋流空气进气孔3-1、预混燃料进气孔3-2与喷嘴外罩3连接处分别设置有预混空气集气腔3-4和预混燃料集气腔3-5，以保证预混空气和预混燃料进气均匀。
在扩散燃料进气孔2-2与扩散燃料进气腔2连接处设置有扩散燃料集气腔，以保证扩散燃料进气均匀。
优选的，扩散燃料进气孔2-2可沿扩散燃料端盖2-1圆周均布多个，在保障扩散燃料流量的同时，降低扩散燃料流阻。
优选的，扩散燃料进气孔2-2可沿扩散燃料端盖2-1圆周切向布置多个，可在燃料进入扩散燃料进气通道之前形成预旋流，以增加扩散燃料湍流度，促进扩散燃料和空气之间的混合。
优选的，预混旋流空气进气孔3-1可沿喷嘴外壳3-3圆周均置多个，以增加预混空气和预混燃料的湍流度，进一步加强预混空气和预混燃料之间的混合。
优选的，预混旋流空气进气孔3-1可沿喷嘴外壳3-3圆周切向均置多个，可在预混空气进入预混空气进气通道之前形成预旋流，以增加预混空气湍流度，促进预混空气和预混燃料之间的混合。
优选的，预混燃料进气孔3-2可沿喷嘴外壳3-3圆周均置多个，在保障预混燃料流量的同时，降低预混燃料流阻。
优选的，预混燃料进气孔3-2可沿喷嘴外壳3-3圆周切向均置多个，可在预混燃料进入预混燃料进气通道之前形成预旋流，以增加预混燃料的湍流度，促进预混燃料和预混空气之间的混合。
实施例
如图1所示，在燃气轮机旋流喷嘴工作时，扩散空气由扩散空气进气腔1上的空气孔注入喷嘴，经由扩散空气进气腔1、扩散旋流组件5以及清吹杆6组成的扩散空气通道注入燃烧室，并与扩散燃料混合、燃烧；扩散燃料由扩散燃料进气腔上2的扩散燃料进气孔2-2注入喷嘴，经由扩散燃料进气腔2、扩散旋流组件5以及预混旋流组件4组成的扩散燃料通道注入燃烧室，并与扩散空气和预混空气混合、形成适合扩散燃烧的流场条件；预混空气由喷嘴外罩3上的预混旋流空气进气孔3-1注入喷嘴，在由喷嘴外罩3和预混旋流组件4组成的预混通道内与预混燃料混合，并注入燃烧室燃烧；预混燃料由喷嘴外罩3上的预混燃料进气孔3-2注入喷嘴，在由喷嘴外罩3和预混旋流组件4组成的预混通道内与预混空气混合，并注入燃烧室形成适合预混燃烧的流场条件。
优选的，扩散燃料进气孔2-2可沿扩散燃料端盖2-1圆周切向均布6个，在保障扩散燃料流量的同时，降低扩散燃料流阻，并在燃料进入扩散燃料进气通道之前形成预旋流，增加扩散燃料湍流度，促进扩散燃料和空气之间的混合。
优选的，预混旋流空气进气孔3-1可沿喷嘴外壳3-3圆周切向均布6个，在保障预混空气流量的同时，降低预混空气流阻，在预混空气进入预混空气进气通道之前形成预旋流，以增加预混空气湍流度，促进预混空气和预混燃料之间的混合。
优选的，预混燃料进气孔3-2可沿喷嘴外壳3-3圆周切向均布6个，在保障预混燃料流量的同时，降低预混燃料流阻，并可在预混燃料进入预混燃料进气通道之前形成预旋流，以增加预混燃料的湍流度，促进预混燃料和预混空气之间的混合。
优选的，预混旋流空气进气孔3-1与喷嘴外壳3-3之间布置有预混空气集气腔，预混燃料进气孔3-2可沿喷嘴外壳3-3之间布置有预混燃料集气腔，可确保预混空气和燃料在均匀的注入预混通道。
Claims (10)
1.一种适用于燃气轮机燃烧室的旋流喷嘴，其特征在于，包括扩散空气进气腔(1)、扩散燃料进气腔(2)、喷嘴外罩(3)、预混旋流组件(4)、扩散旋流组件(5)和清吹杆(6)；其中，
扩散空气进气腔(1)、扩散燃料进气腔(2)和喷嘴外罩(3)依次相连，且扩散空气进气腔(1)带有扩散空气进气孔(1-2)，扩散燃料进气腔(2)带有扩散燃料进气孔(2-2)，喷嘴外罩(3)带有预混旋流空气进气孔(3-1)和预混燃料进气孔(3-2)；预混旋流组件(4)位于喷嘴外罩(3)内部，与扩散燃料进气腔(2)相连，且预混旋流组件(4)带有旋流叶片(4-1)；扩散燃料进气腔(2)、预混旋流组件(4)与喷嘴外罩(3)共同组成预混旋流通道；扩散旋流组件(5)位于预混旋流组件(4)内部，与扩散空气进气腔(1)相连，且扩散旋流组件(5)带有扩散旋流通道；扩散燃料进气腔(2)、扩散旋流组件(5)与预混旋流组件(4)共同组成扩散燃料通道；清吹杆(6)位于扩散旋流组件(5)内部，与扩散燃料进气腔(2)相连；扩散空气进气腔(1)、清吹杆(6)与扩散旋流组件(5)共同组成扩散空气通道。
2.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机燃烧室的旋流喷嘴，其特征在于，预混燃料、预混空气能够在预混旋流通道内混合、并喷射进入燃烧室。
3.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机燃烧室的旋流喷嘴，其特征在于，扩散燃料能够经扩散旋流通道喷射进入燃烧室与注入燃烧室的空气混合、燃烧。
4.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机燃烧室的旋流喷嘴，其特征在于，扩散空气能够经扩散旋流通道喷射进入燃烧室与注入燃烧室的扩散燃料混合、燃烧。
5.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机燃烧室的旋流喷嘴，其特征在于，扩散空气进气孔(1-2)开设在扩散空气进气腔(1)的扩散空气端盖(1-1)中心处。
6.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机燃烧室的旋流喷嘴，其特征在于，扩散燃料进气孔(2-2)设置在扩散空气进气孔(1-2)下游、旋流叶片(4-1)上游。
7.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机燃烧室的旋流喷嘴，其特征在于，在预混旋流空气进气孔(3-1)、预混燃料进气孔(3-2)与喷嘴外罩(3)连接处分别设置有预混空气集气腔(3-4)和预混燃料集气腔(3-5)，以保证预混空气和预混燃料进气均匀。
8.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机燃烧室的旋流喷嘴，其特征在于，位于旋流喷嘴外罩(3)上的预混旋流空气进气孔(3-1)和预混燃料进气孔(3-2)沿喷嘴外罩(3)圆周的切向均布。
9.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机燃烧室的旋流喷嘴，其特征在于，在扩散燃料进气孔(2-2)与扩散燃料进气腔(2)连接处设置有扩散燃料集气腔，以保证扩散燃料进气均匀。
10.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机燃烧室的旋流喷嘴，其特征在于，在燃烧室进行扩散燃烧时，扩散空气由扩散空气进气腔(1)上的扩散空气进气孔(1-2)注入喷嘴，经由扩空气通道整流后，由喷嘴扩散旋流通道出口喷射进入燃烧室火焰筒；扩散燃料由扩散燃料进气腔(2)上的扩散燃料进气孔(2-2)注入喷嘴，经由扩散燃料通道整流后，经扩散旋流通道喷射进入燃烧室火焰筒；
在燃烧室进行预混燃烧时，预混空气由喷嘴外罩(3)上的空气孔注入喷嘴，预混燃料由喷嘴外罩(3)上的燃料孔注入喷嘴，预混空气和预混燃料在旋流叶片(4-1)上游空间进行初步预混，并经预混旋流组件(4)上的旋流叶片(4-1)形成旋流后，在旋流叶片(4-1)下游的预混通道内进一步混合后，注入燃烧室燃烧。
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