CN115264531B

CN115264531B - 一种适用于气体燃料的分体式波瓣旋流叶片及旋流器

Info

Publication number: CN115264531B
Application number: CN202210763709.1A
Authority: CN
Inventors: 郑洪涛; 高珊; 罗绍文; 赵宁波; 杨洪磊; 孙继昊; 朱秋乐
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2022-06-30
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2042-06-30
Also published as: CN115264531A

Abstract

一种适用于气体燃料的分体式波瓣旋流叶片及旋流器，涉及燃气轮机燃烧室，目的是为了解决现有的燃气轮机旋流器波瓣结构无法兼顾燃料/空气掺混均匀性和燃烧稳定性的问题。上述分体式波瓣旋流叶片的导流旋流波瓣叶片包括前端的导流结构和末端的波瓣结构，导流结构与波瓣结构所围成的空间作为叶片燃料腔，导流旋流波瓣叶片上设置有若干个燃料喷孔；旋流平直叶片位于导流波瓣旋流叶片下游，二者间距大于0；导流结构与波瓣结构叶形线的夹角大于90度，波瓣结构叶形线与导流结构的夹角为钝角、与旋流平直叶片的夹角为0。上述旋流器中，若干个分体式波瓣旋流叶片沿圆周方向均匀布置在外轮毂内部，导流结构的压力面平行于空气来流方向。

Description

一种适用于气体燃料的分体式波瓣旋流叶片及旋流器

技术领域

本发明涉及燃气轮机燃烧室领域，具体涉及一种适用于气体燃料旋流器的旋流叶片。

背景技术

现代低污染燃气轮机广泛采用贫预混燃烧技术来控制氮氧化物NO_x的排放，其中燃料/空气掺混均匀性直接决定了燃烧当量比、燃烧温度和热力型NO_x生成速率，实现燃料/空气短距离快速掺混成为贫预混燃烧室的关建核心技术。

在燃气轮机旋流器的旋流叶片上设置波瓣等扰流结构可形成局部涡脱落，从而起到强化掺混的作用，例如：(1)将旋流叶片设计为流线型结构，波瓣位于叶片下游位置，燃料喷孔布置在波瓣上游的叶片表面；(2)将喷射器设置为波瓣状，喷射器包括前缘和波瓣状后缘，二者为一体化结构，燃料喷嘴位于波瓣状后缘；(3)将波瓣设置在旋流叶片下游端的旋流器轮毂上，旋流叶片不具有波瓣结构；(4)将混合器布置在燃料输送管的下游端部处，混合器设置有用于喷射燃料的波瓣，混合器的旋流叶片为整体结构，但旋流叶片上未设置波瓣结构。

以上方案中，旋流叶片未设置波瓣结构会导致燃料/空气掺混均匀性较差，而波瓣结构靠近旋流器出口，那么波瓣结构形成的涡脱落又会影响流动稳定性，从而影响燃烧稳定性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的燃气轮机旋流器波瓣结构设置不合理，导致无法兼顾燃料/空气掺混均匀性和燃烧稳定性的问题，提供了一种适用于气体燃料的分体式波瓣旋流叶片及旋流器。

根据本发明的一个方面，提供了一种适用于气体燃料的分体式波瓣旋流叶片包括导流波瓣旋流叶片和旋流平直叶片；

所述导流旋流波瓣叶片包括前端的导流结构和末端的波瓣结构，所述导流结构与所述波瓣结构所围成的空间作为叶片燃料腔，所述叶片燃料腔通过两侧与外界相连通，所述导流旋流波瓣叶片上设置有若干个燃料喷孔；

所述旋流平直叶片位于所述导流波瓣旋流叶片下游，所述旋流平直叶片与所述导流波瓣旋流叶片的间距大于0；

所述导流结构与所述波瓣结构叶形线的夹角大于90度，所述波瓣结构叶形线与所述旋流平直叶片的夹角为0。

可选地，所述导流结构前端端面为弧面。

可选地，所述燃料喷孔的数量为所述波瓣结构的波峰及波谷总数量的整数倍。

可选地，各燃料喷孔的轴线与所述导流结构前端的距离相等。

可选地，所述燃料喷孔的轴线方向为所述燃料喷孔外端面的法线方向。

可选地，所述旋流平直叶片末端端面为弧面。

可选地，所述导流结构的长度为所述旋流平直叶片长度的5％～15％，所述波瓣结构的长度为所述旋流平直叶片长度的5％～20％，所述波瓣结构与所述旋流平直叶片的距离为所述旋流平直叶片长度的10％～20％。

根据本发明的另一个方面，提供了一种旋流器，所述旋流器包括中心级燃料管、预混级燃料导管、外轮毂、中心级钝体以及若干个如权利要求1所述的分体式波瓣旋流叶片；

所述中心级钝体位于所述外轮毂内部，且二者同轴，所述中心级钝体为中空结构，其前端与所述中心级燃料管的末端连通，其末端布置有若干个中心级燃料喷孔；

所述若干个分体式波瓣旋流叶片沿圆周方向均匀布置在所述外轮毂内部，所述导流结构的压力面平行于空气来流方向；

所述预混级燃料导管的末端与所述分体式波瓣旋流叶片的叶片燃料腔连通。

可选地，所述外轮毂的侧壁内部设置有环形燃料腔，所述导流波瓣旋流叶片固定在所述外轮毂的侧壁上，且所述叶片燃料腔与所述环形燃料腔连通，所述环形燃料腔与所述预混级燃料导管的末端连通。

与传统的无波瓣旋流叶片的掺混结构相比，本发明能够在波瓣结构位置强化燃料/空气掺混，具有更好的燃料/空气掺混均匀性；与在叶片尾部设置波瓣结构的一体式波瓣旋流叶片掺混结构和叶片后方的旋流器轮毂上设置波瓣掺混结构相比，本发明可在保证燃料/空气掺混均匀性的同时减少波瓣结构对旋流器出口的扰动，提高燃烧稳定性。

本发明可应用于轴流式、径向式以及塔式旋流器，旋流级数可为单级或多级。

附图说明

图1是本申请具体实施方式的适用于气体燃料的分体式波瓣旋流叶片的结构示意图，其中，燃料喷孔位于导流结构上；

图2是本申请具体实施方式的适用于气体燃料的分体式波瓣旋流叶片的结构示意图，其中，燃料喷孔位于波瓣结构上；

图3是本申请具体实施方式的适用于气体燃料的分体式波瓣旋流叶片侧面的结构示意图；

图4是本申请具体实施方式的旋流器的纵向剖面图；

图5是本申请具体实施方式的旋流器的正视图。

具体实施方式

具体实施方式一

下面结合附图和实施方式进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。

本实施方式提出了一种适用于气体燃料的分体式波瓣旋流叶片，所述包括导流波瓣旋流叶片1和旋流平直叶片2。如图1所示，8导流旋流波瓣叶片1包括前端的导流结构11和末端的波瓣结构14，导流结构11与波瓣结构14平滑连接，导流结构11与波瓣结构14所围成的空间作为叶片燃料腔12。

导流结构11的厚度为2～4mm，其前端的端面为弧面。叶片燃料腔12通过两侧与外界相连通。导流旋流波瓣叶片1上设置有若干个燃料喷孔13，燃料喷孔13可以设置在导流结构11上(如图1所示)，也可以设置在波瓣结构14上(如图2所示)，还可以同时设置在导流结构11和波瓣结构14上。燃料喷孔13的数量为波瓣结构14的波峰及波谷总数量的整数倍，并且均匀分布在导流波瓣旋流叶片1的压力面A和吸力面B上，每个波峰、波谷所对应的燃料喷孔13的数量相同，以图1为例，在导流结构11的压力面上，每个波峰对应一个燃料喷孔13，每个波谷也对应一个燃料喷孔13，这样，从每个燃料喷孔13喷出的燃料都会与波峰/波谷相互作用，达到燃料与空气充分混合的效果。通常情况下，导流波瓣旋流叶片1的压力面和吸力面可分别布置1～10个燃料喷孔，孔径为0.6～2mm。如图1和图2所示，导流结构11的压力面和吸力面成长方形，各燃料喷孔13轴线到所述导流结构11前端的距离相等，并且各燃料喷孔13的轴线方向应当与燃料喷孔13端面中心处的法线方向一致，以确保叶片燃料腔12内的燃料能够从燃料喷孔13顺利喷出。

如图3所示为分体式波瓣旋流叶片侧面的结构示意图，即，沿图2所示箭头方向看去得到的结构示意图。如图3所示，旋流平直叶片2为等厚的平直叶片，其厚度与导流结构11的厚度一致。旋流平直叶片2位于导流波瓣旋流叶片1的下游，其末端21为倒圆结构，能够减少阻力损失。需要说明的是，本实施方式中的上游、下游均以气体流动方向为基准，空气先经过的位置为上游，空气后经过的位置为下游。

旋流平直叶片2与导流波瓣旋流叶片1是分体的，二者间距大于0，导流结构11的长度L1为旋流平直叶片2的长度L2的5％～15％，波瓣结构14的长度为L2的5％～20％，波瓣结构14与旋流平直叶片2的距离L12为L2的10％～20％。图3中，各结构的中心线(如图中虚线所示)称为叶形线，导流结构11的叶形线与波瓣结构14的叶形线的夹角为钝角，波瓣结构14的叶形线与旋流平直叶片2的夹角ɑ为锐角，夹角ɑ也称为叶片安装角。

本实施方式还提出了一种旋流器，如图4和图5所示，所述旋流器包括燃料管4、外轮毂5、中心级钝体6以及若干个如权利要求1所述的分体式波瓣旋流叶片，燃料管4进一步包括中心级燃料管41和预混级燃料导管42。

外轮毂5横截面呈环形，中心级钝体6位于外轮毂5的内部，且二者同轴。中心级钝体6为中空结构，中心级钝体6的前端与中心级燃料管41的末端连通，中心级钝体6的末端布置有若干个中心级燃料喷孔45，中心级燃料喷孔45位于中心级钝体6的端面或者靠近端面的侧壁上。若干个分体式波瓣旋流叶片沿圆周方向均匀布置在外轮毂5的内部，分体式波瓣旋流叶片的数量应当为偶数，以满足均匀性，优选为6个；导流结构11的压力面平行于空气来流方向，且导流结构11的尺寸、波瓣结构14的尺寸、旋流平直叶片2的尺寸、以及夹角a的大小应当满足透光率为0，以图4为例，光从左向右进入外轮毂5，透光率为0时，进入外轮毂5的光被分体式波瓣旋流叶片全部遮挡，无法从外轮毂5透射出去。预混级燃料导管42的末端与分体式波瓣旋流叶片的叶片燃料腔12连通。

气体燃料分为两部分，一部分通过中心级燃料管41进入中心级钝体6，并从中心级钝体6末端的中心级燃料喷孔45喷出；另一部分通过预混级燃料导管42进入导流结构11的叶片燃料腔12，并从叶片燃料腔12表面的燃料喷孔13喷出。空气以平行于导流结构11压力面和吸力面的方向进入外轮毂5，导流结构11前面的弧面能够降低空气的阻力损失，空气在导流结构11与波瓣结构14的交界处缓慢转折，进一步降低气流方向偏转带来的阻力损失，在导流波瓣旋流叶片1的作用下，空气形成一次旋流，并在波瓣结构14的位置形成局部涡脱落来强化气体燃料与空气的掺混；空气从导流波瓣旋流叶片1流出后可在旋流平直叶片2的作用下继续发生流向偏转，形成旋流，降低了旋流器出口位置的扰动，提高了燃烧稳定性。

为了使气体燃料均匀进入各叶片燃料腔12，预混级燃料导管42可以分为多个支路43，并且多个支路43沿外轮毂5圆周方向均匀分布。如图5所示，预混级燃料导管42分为四个支路43，外轮毂5靠近前端的侧壁内部设置有沿外轮毂5圆周方向的环形燃料腔44，外轮毂5底面上设置有四个第一窗口，环形燃料腔44通过四个第一窗口与预混级燃料导管42的四个支路43连通，旋流平直叶片2固定在外轮毂5和中心级钝体6上。外轮毂5靠近前端的内壁上开有若干个第二窗口，第二窗口的数量与分体式波瓣旋流叶片的数量相同，每个分体式波瓣旋流叶片的导流波瓣旋流叶片1固定在一个第二窗口处，导流波瓣旋流叶片1的叶片燃料腔12通过第二窗口与环形燃料腔44连通。采用以上结构，气体燃料首先进入预混级燃料导管42的各个支路，然后进入环形燃料腔44，最后均匀地进入各个叶片燃料腔12。

本实施例还提出了分体式波瓣旋流叶片及旋流器的优选结构：每个波瓣结构14上波峰和波谷的总数量为3个，导流波瓣旋流叶片1的压力面和吸力面各布置6个燃料喷孔13，各燃料喷孔13的孔径均为1.5mm；旋流平直叶片2的厚度与导流结构11的厚度均为3mm，旋流平直叶片2的长度L2为36mm，叶片安装角ɑ为40°，导流结构11的长度L1为10mm，波瓣结构14与旋流平直叶片2之间的距离L12为5.5mm。采用上述优选结构，能够最大程度确保燃料/空气掺混均匀性和燃烧稳定性。

应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明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：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明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发明的单独实施例。

除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims

1.一种适用于气体燃料的分体式波瓣旋流叶片，其特征在于，包括导流波瓣旋流叶片和旋流平直叶片；

2.根据权利要求1所述的分体式波瓣旋流叶片，其特征在于，所述导流结构前端端面为弧面。

3.根据权利要求1或2所述的分体式波瓣旋流叶片，其特征在于，所述燃料喷孔的数量为所述波瓣结构的波峰及波谷总数量的整数倍。

4.根据权利要求3所述的分体式波瓣旋流叶片，其特征在于，各燃料喷孔的轴线与所述导流结构前端的距离相等。

5.根据权利要求1所述的分体式波瓣旋流叶片，其特征在于，所述燃料喷孔的轴线方向为所述燃料喷孔外端面的法线方向。

6.根据权利要求1所述的分体式波瓣旋流叶片，其特征在于，所述旋流平直叶片末端端面为弧面。

7.根据权利要求1所述的分体式波瓣旋流叶片，其特征在于，所述导流结构的长度为所述旋流平直叶片长度的5％～15％，所述波瓣结构的长度为所述旋流平直叶片长度的5％～20％，所述波瓣结构与所述旋流平直叶片的距离为所述旋流平直叶片长度的10％～20％。

8.一种旋流器，其特征在于，包括中心级燃料管、预混级燃料导管、外轮毂、中心级钝体以及若干个如权利要求1所述的分体式波瓣旋流叶片；

9.根据权利要求8所述的旋流器，其特征在于，所述外轮毂的侧壁内部设置有环形燃料腔，所述导流波瓣旋流叶片固定在所述外轮毂的侧壁上，且所述叶片燃料腔与所述环形燃料腔连通，所述环形燃料腔与所述预混级燃料导管的末端连通。