CN114688560A - 分级燃烧室掺混器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分级燃烧室掺混器，所述分级燃烧室掺混器包括筒体、第一掺混管和第二掺混管，筒体上设有掺混管入口，第一掺混管和第二掺混管均位于筒体内，且第一掺混管和第二掺混管均与掺混管入口连通，第一掺混管和第二掺混管沿筒体的轴向间隔分布，第一掺混管和第二掺混管均相对于筒体的轴心偏心设置，且第一掺混管和第二掺混管的偏心方向相反。本发明的分级燃烧室掺混器由于第一掺混管和第二掺混管偏心方向相反，因此二次冷空气进入筒体后产生两种旋向相反的旋流，从而在促进已燃高温气体和二次冷空气快速掺混的同时，两种旋向相反的旋流可互相抵消因旋流而带来的速度不均，确保掺混气体流出筒体时温度场、速度场均较为均匀。

Description

分级燃烧室掺混器

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种分级燃烧室掺混器。

背景技术

目前先进燃气轮机燃烧室正朝着高温升、低污染方向不断发展，燃烧室内的燃气温度越高，越有利于效率和功率的提高，然而高温富氧会导致氮氧化合物NOx排放大幅升高。

为此，燃烧室采用轴向分级技术，将燃烧室分为两级，一部分空气、燃料在第一级燃烧室燃烧后形成热燃气，随后热燃气与另一部分空气掺混降温后进入第二级燃烧室，并与第二级燃料喷嘴喷入的燃料混合后进行第二次燃烧，但在相关技术中，掺混器结构复杂、流阻较大，既增加了系统的成本，也会降低燃烧室整体性能。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种分级燃烧室掺混器，以解决相关技术中掺混器结构复杂、流阻较大的问题。

本发明实施例的分级燃烧室掺混器包括筒体、第一掺混管和第二掺混管，所述筒体上设有掺混管入口，所述第一掺混管和所述第二掺混管均位于所述筒体内，且所述第一掺混管和所述第二掺混管均与所述掺混管入口连通，所述第一掺混管和所述第二掺混管沿所述筒体的轴向间隔分布，所述第一掺混管和所述第二掺混管均相对于所述筒体的轴心偏心设置，且所述第一掺混管和所述第二掺混管的偏心方向相反。

本发明实施例的分级燃烧室掺混器通过第一掺混管和第二掺混管的设置，来自上游燃烧室的已燃高温气体经筒体的一端进入筒体内，来自燃压缸的二次冷空气经掺混管入口进入筒体内，由于第一掺混管和第二掺混管偏心设置且第一掺混管和第二掺混管偏心方向相反，因此二次冷空气进入筒体后将沿筒体的内壁产生两种旋向相反的旋流，从而在促进已燃高温气体和二次冷空气快速掺混的同时，两种旋向相反的旋流可互相抵消因旋流而带来的速度不均，确保掺混气体流出筒体时温度场、速度场均较为均匀。

在一些实施例中，所述第一掺混管为多个，多个所述第一掺混管沿所述筒体的周向间隔分布；所述第二掺混管为多个，多个所述第二掺混管沿所述筒体的周向间隔分布。由此，在这些实施例中，周向间隔分布的第一掺混管和第二掺混管不仅增大了二次冷空气的流量，且使旋流的速度场更为均匀。

在一些实施例中，所述第一掺混管与所述第二掺混管沿所述筒体的周向交错设置。

在一些实施例中，所述筒体具有气体入口和气体出口，所述第一掺混管邻近所述气体入口，所述第二掺混管邻近所述气体出口。

在一些实施例中，所述第一掺混管的半径小于所述筒体半径的四分之一，所述第一掺混管的长度小于所述筒体半径的二分之一，所述第一掺混管的偏心距离小于所述筒体与所述第一掺混管的半径之差；所述第二掺混管的半径小于所述筒体半径的四分之一，所述第二掺混管的长度小于所述筒体半径的二分之一，所述第二掺混管的偏心距离小于所述筒体与所述第二掺混管的半径之差。

在一些实施例中，所述第一掺混管的中心线与所述气体入口之间的距离满足关系式：R1<B1<(L-R1-2*R2)，且所述第二掺混管的中心线与所述气体入口之间的距离满足关系式：(B1+R1+R2)<B2<(L-R2)，其中R1为第一掺混管的半径，B1为第一掺混管的中心线与气体入口之间的距离，L为筒体的长度，R2为第二掺混管的半径，B2为第二掺混管的中心线与气体入口之间的距离。

在一些实施例中，所述第一掺混管与所述筒体可拆连接；或者所述第一掺混管与所述筒体一体成型。

在一些实施例中，所述第二掺混管与所述筒体可拆连接；或者所述第二掺混管与所述筒体一体成型。

在一些实施例中，所述第一掺混管的截面形状为圆形、椭圆形或多边形；所述第二掺混管的截面形状为圆形、椭圆形或多边形。

在一些实施例中，所述第一掺混管和所述第二掺混管均为多个，多个所述第一掺混管和多个所述第二掺混管沿所述筒体的轴向交替排布；或者，多个所述第一掺混管沿所述筒体的轴向依次排布，多个所述第二掺混管沿所述筒体的轴向依次排布。由此，在这些实施例中，当选用第一掺混管和第二掺混管沿筒体的轴向交替排布方案时，已燃气体和二次冷空气在筒体10内经过多级掺混、调速，提高了掺混效果，同时使掺混气体离开筒体时温度场和速度场较为均匀；当选用第一掺混管沿筒体的轴向依次排布，第二掺混管沿筒体的轴向依次排布方案时，第一掺混管逐步增强掺混气体旋流流速，提高了掺混效果，随后第二掺混管逐步减弱掺混气体旋流流速，使掺混气体离开筒体时温度场和速度场较为均匀。

附图说明

图1是本发明实施例的分级燃烧室掺混器的正视图。

图2是本发明实施例的分级燃烧室掺混器的左视图。

图3是本发明实施例的分级燃烧室掺混器的侧视图。

图4是本发明实施例的分级燃烧室掺混器的剖视图。

附图标记：筒体10，气体入口11，气体出口12，

第一掺混管20，第二掺混管30，掺混管入口40。

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。

下面结合附图描述本发明实施例的分级燃烧室掺混器。

如图1至图4所示，本发明实施例的分级燃烧室掺混器包括筒体10、第一掺混管20和第二掺混管30。其中，筒体10上设有掺混管入口40，第一掺混管20和第二掺混管30均位于筒体10内，且第一掺混管20和第二掺混管30均与掺混管入口40连通，第一掺混管20和第二掺混管30沿筒体10的轴向(图1中所示的左右方向)间隔分布，第一掺混管20和第二掺混管30均相对于筒体10的轴心均偏心设置，且第一掺混管20和第二掺混管30的偏心方向相反。

需要说明的是，来自上游一级燃烧室的已燃高温气体进入筒体10时，来自燃压缸的二次冷空气通过掺混管入口40、第一掺混管20和第二掺混管30入口进入筒体10内，由于第一掺混管20和第二掺混管30偏心设置，因此二次冷空气通过第一掺混管20和第二掺混管30进入筒体10内时，二次冷空气在筒体10内沿筒体10的内壁产生两种旋向相反的旋流，由于第一掺混管20和第二掺混管30沿筒体10的轴向间隔分布，因此两个旋流沿筒体10的轴向顺次出现，已燃高温气体先于第一个旋流接触并混合形成掺混气体，随后掺混气体与第二个旋流接触，由于第一个旋流和第二个旋流旋向相反，因此，两个旋流相互抵消掉周向的流速，从而抵消了因旋流而带来的速度不均，确保掺混气体流出筒体时温度场、速度场均较为均匀。

本发明实施例的分级燃烧室掺混器通过第一掺混管20和第二掺混管30的设置，使流入筒体10内的二次冷空气沿筒体10的内壁产生两种旋向相反的旋流，不仅可以在短时间内实现将来自上游的一级燃烧室已燃高温气体与二次冷空气均匀混合，而且两个旋流抵消了因旋流而带来的速度不均，确保掺混气体流出筒体时温度场、速度场均较为均匀，对燃烧室流动损失影响较小，有效提高了燃烧室的性能，同时降低了掺混器的结构复杂度，降低了系统的成本。

如图1至图4所示，在一些实施例中，第一掺混管20为多个，多个第一掺混管20沿筒体10的周向间隔分布；第二掺混管30为多个，多个第二掺混管30沿筒体10的周向间隔分布。换言之，多个第一掺混管20的中心线位于同一平面内，多个第二掺混管30的中心线位于同一平面内。需要说明的是，多个沿周向间隔分布的第一掺混管20增大了二次冷空气从第一掺混管20处进入筒体10的空气量，多个沿周向间隔分布的第二掺混管30增大了二次冷空气从第二掺混管30处进入筒体10的空气量。

进一步地，第一掺混管20和第二掺混管30的数量不少于2个且不多于12个，多个第一掺混管20沿筒体10的周向均匀分布，多个第二掺混管30沿筒体10的周向均匀分布。需要说明的是，多个第一掺混管20沿筒体10的周向均匀分布，使经由第一掺混管20处进入筒体10内的二次冷空气所产生的旋流的速度场更为均匀，多个第二掺混管30沿筒体10的周向均匀分布，使经由第二掺混管30处进入筒体10内的二次冷空气所产生的旋流的速度场更为均匀，避免了因旋流的速度场不均匀而影响已燃气体和二次冷空气的掺混效果，且避免了因旋流的速度场不均匀而导致筒体内掺混气体的流速损失较大。

在这些实施例中，周向间隔分布的第一掺混管和第二掺混管不仅增大了二次冷空气的流量，且使旋流的速度场更为均匀，提高了燃烧室的性能。

在一些实施例中，第一掺混管20与第二掺混管30沿筒体10的周向交错设置。

在一些实施例中，筒体10具有气体入口11和气体出口12，第一掺混管20邻近气体入口11，第二掺混管30邻近气体出口12。

在一些实施例中，第一掺混管20的半径小于筒体10半径的四分之一，第一掺混管20的长度小于筒体10半径的二分之一，第一掺混管20的偏心距离小于筒体10与第一掺混管20的半径之差；第二掺混管30的半径小于筒体10半径的四分之一，第二掺混管30的长度小于筒体10半径的二分之一，第二掺混管30的偏心距离小于筒体10与第二掺混管30的半径之差。

换言之，第一掺混管20和第二掺混管30满足下列公式：

L>R；

0<R1<0.25*R；

0<R2<0.25*R；

0<L1<0.5*R；

0<L2<0.5*R；

其中，L为筒体10的长度，R为筒体10的半径，R1为第一掺混管20的半径，R2为第二掺混管30的半径，L1为第一掺混管20的长度，L2为第二掺混管30的长度。

进一步地，第一掺混管20的中心线与气体入口之间的距离满足关系式：R1<B1<(L-R1-2*R2)；且第二掺混管30的中心线与气体入口之间的距离满足关系式：(B1+R1+R2)<B2<(L-R2)；其中，R1为第一掺混管20的半径，B1为第一掺混管20的中心线与气体入口11之间的距离，L为筒体10的长度，R2为第二掺混管30的半径，B2为第二掺混管30的中心线与气体入口11之间的距离。

在一些实施例中，第一掺混管20与筒体10可拆连接，例如螺纹连接；或者第一掺混管20与筒体10一体成型。

进一步地，第二掺混管30与筒体10可拆连接，例如螺纹连接；或者第二掺混管30与筒体10一体成型。

在一个具体的实施例中，第一掺混管20与筒体10之间螺纹连接，第二掺混管30与筒体10之间螺纹连接。

在另一个具体的实施例中，第一掺混管20与筒体10一体成型，第二掺混管30与筒体10一体成型。

在一些实施例中，第一掺混管20的截面形状为圆形、椭圆形或多边形；第二掺混管30的截面形状为圆形、椭圆形或多边形。

在一个具体的实施例中，第一掺混管20的截面形状为圆形，第二掺混管30的截面形状为圆形。

在一些实施例中，第一掺混管20和第二掺混管30均为多个，多个第一掺混管20和多个第二掺混管30沿筒体10的轴向交替排布；或者，多个第一掺混管20沿筒体10的轴向依次排布，多个第二掺混管30沿筒体10的轴向依次排布。

在一个具体的实施例中，多个第一掺混管20沿筒体10的周向均匀排布，沿筒体10的周向均匀排布的多个第一掺混管20组成第一掺混管组，第一掺混管组为多个，多个第二掺混管30沿筒体10的周向均匀排布，沿筒体10的周向均匀排布的多个第二掺混管30组成第二掺混管组，第二掺混管组为多个，多个第一掺混管组和多个第二掺混管组沿筒体的轴向交替分布。

需要说明的是，由于多个第一掺混管组和多个第二掺混管组沿筒体的轴向交替分布，已燃气体和二次冷空气在筒体10内经过多级掺混、调速，提高了掺混效果，同时使掺混气体离开筒体10时温度场和速度场较为均匀。

在另一个具体的实施例中，多个第一掺混管20沿筒体10的周向均匀排布，沿筒体10的周向均匀排布的多个第一掺混管20组成第一掺混管组，第一掺混管组为多个，多个第一掺混管组沿筒体10的轴向依次排布。多个第二掺混管30沿筒体10的周向均匀排布，沿筒体10的周向均匀排布的多个第二掺混管30组成第二掺混管组，第二掺混管组为多个，多个第二掺混管组沿筒体10的轴向依次排布，气体入口11、多个第一掺混管组、多个第二掺混管组和气体出口12在筒体10上顺次排布。

需要说明的是，由于气体入口11、多个第一掺混管组、多个第二掺混管组和气体出口12在筒体10上顺次排布，第一掺混管组逐步增强掺混气体旋流流速，提高了掺混效果，随后第二掺混管逐步减弱掺混气体旋流流速，使掺混气体离开筒体时温度场和速度场较为均匀。

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。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等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。

尽管已经示出和描述了上述实施例，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，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种分级燃烧室掺混器，其特征在于，包括筒体、第一掺混管和第二掺混管，所述筒体上设有掺混管入口，所述第一掺混管和所述第二掺混管均位于所述筒体内，且所述第一掺混管和所述第二掺混管均与所述掺混管入口连通，所述第一掺混管和所述第二掺混管沿所述筒体的轴向间隔分布，所述第一掺混管和所述第二掺混管均相对于所述筒体的轴心偏心设置，且所述第一掺混管和所述第二掺混管的偏心方向相反。

2.根据权利要求1所述的分级燃烧室掺混器，其特征在于，所述第一掺混管为多个，多个所述第一掺混管沿所述筒体的周向间隔分布；

所述第二掺混管为多个，多个所述第二掺混管沿所述筒体的周向间隔分布。

3.根据权利要求2所述的分级燃烧室掺混器，其特征在于，所述第一掺混管与所述第二掺混管沿所述筒体的周向交错设置。

4.根据权利要求2所述的分级燃烧室掺混器，其特征在于，所述筒体具有气体入口和气体出口，所述第一掺混管邻近所述气体入口，所述第二掺混管邻近所述气体出口。

5.根据权利要求4所述的分级燃烧室掺混器，其特征在于，所述第一掺混管的半径小于所述筒体半径的四分之一，所述第一掺混管的长度小于所述筒体半径的二分之一，所述第一掺混管的偏心距离小于所述筒体与所述第一掺混管的半径之差；

所述第二掺混管的半径小于所述筒体半径的四分之一，所述第二掺混管的长度小于所述筒体半径的二分之一，所述第二掺混管的偏心距离小于所述筒体与所述第二掺混管的半径之差。

6.根据权利要求4所述的分级燃烧室掺混器，其特征在于，所述第一掺混管的中心线与所述气体入口之间的距离满足关系式：R1<B1<(L-R1-2*R2)，且所述第二掺混管的中心线与所述气体入口之间的距离满足关系式：(B1+R1+R2)<B2<(L-R2)，其中R1为第一掺混管的半径，B1为第一掺混管的中心线与气体入口之间的距离，L为筒体的长度，R2为第二掺混管的半径，B2为第二掺混管的中心线与气体入口之间的距离。

7.根据权利要求1所述的分级燃烧室掺混器，其特征在于，所述第一掺混管与所述筒体可拆连接；

或者所述第一掺混管与所述筒体一体成型。

8.根据权利要求1所述的分级燃烧室掺混器，其特征在于，所述第二掺混管与所述筒体可拆连接；

或者所述第二掺混管与所述筒体一体成型。

9.根据权利要求1所述的分级燃烧室掺混器，其特征在于，所述第一掺混管的截面形状为圆形、椭圆形或多边形；

所述第二掺混管的截面形状为圆形、椭圆形或多边形。

10.根据权利要求1-9任一项所述的分级燃烧室掺混器，其特征在于，所述第一掺混管和所述第二掺混管均为多个，多个所述第一掺混管和多个所述第二掺混管沿所述筒体的轴向交替排布；

或者，多个所述第一掺混管沿所述筒体的轴向依次排布，多个所述第二掺混管沿所述筒体的轴向依次排布。

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