CN115342379A - 一种具有波瓣旋流叶片的天然气同轴分级低排放燃烧室头部 - Google Patents

一种具有波瓣旋流叶片的天然气同轴分级低排放燃烧室头部 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃气轮机燃烧室，具体涉及一种具有波瓣旋流叶片的天然气同轴分级低排放燃烧室头部。本发明在波瓣上游的波旋流叶片的两侧设置非对称的燃料喷孔，可充分利用两侧波瓣形成的涡脱落来进一步强化掺混；在波瓣旋流叶片的下游设置渐缩旋流流道和文氏管结构，增加天然气/空气掺混距离，并防止回火现象发生。与传统的无波瓣旋流头部相比，本发明可实现天然气/空气短距离快速掺混，降低燃烧污染物排放。

Description

一种具有波瓣旋流叶片的天然气同轴分级低排放燃烧室头部
技术领域
本发明属于燃气轮机燃烧室，具体涉及一种具有波瓣旋流叶片的天然气同轴分级低排放燃烧室头部。
背景技术
燃气轮机的污染物排放来源于燃烧室内的燃烧化学反应，主要污染物包括一氧化碳、未燃碳氢、氮氧化物、碳烟等。其中，由于燃烧室内温度较高，氮氧化物成为最难控制的污染物。由于燃烧室内的氮氧化物主要经热力型路径生成，因此降低燃烧温度是降低氮氧化物排放的有力手段。贫预混燃烧技术主要通过降低燃烧当量比来降低燃烧温度，可有效抑制氮氧化物生成。
燃料/空气掺混均匀性直接决定贫预混燃烧室的燃烧温度和污染物排放，实现燃料/空气短距离高效掺混成为贫预混燃烧室的关建核心技术。在旋流器内部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。
国内近年也有许多关于波瓣旋流器的专利申请。专利201180008674.0公开了一种燃气轮机燃料喷射器和旋流器组件，其中燃料喷孔布置在旋流器叶片的外表面，用以强化掺混的波瓣结构位于旋流叶片下游。专利201710446949.8公开了一种具有波瓣旋流叶片的旋流器，其中旋流叶片采用流线型结构，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，并在波瓣处设置劈缝燃料开孔。专利200910009771.6公开了一种用于燃料和气体喷射的波瓣式喷嘴，其中燃料喷嘴位于波瓣后端。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有波瓣旋流叶片的天然气同轴分级低排放燃烧室头部。
一种具有波瓣旋流叶片的天然气同轴分级低排放燃烧室头部，其特征在于：包括旋流器轮毂、中心级、波瓣旋流叶片；所述旋流器轮毂包括内级旋流器轮毂与外级旋流器轮毂，在内级旋流器轮毂、外级旋流器轮毂内分别设有内级环形燃料腔、外级环形燃料腔；所述中心级布置于内级旋流器轮毂中心位置，并与内级旋流器轮毂、外级旋流器轮毂同轴嵌套；所述波瓣旋流叶片具有波浪形波瓣结构，在波瓣旋流叶片的压力面开设有压力面燃料喷孔，吸力面开设有吸力面燃料喷孔，内部开设有叶片燃料腔；所述波瓣旋流叶片包括内级波瓣旋流叶片和外级波瓣旋流叶片，内级波瓣旋流叶片安装在中心级与内级旋流器轮毂之间，外级波瓣旋流叶片安装在内级旋流器轮毂与外级旋流器轮毂之间；
天然气依次流经旋流器轮毂中的波瓣旋流叶片、叶片燃料腔，并从压力面燃料喷孔和吸力面燃料喷孔喷出，与来流空气初步掺混，来流空气在波瓣旋流叶片的作用下形成旋流，并在波瓣旋流叶片末端的波浪形波瓣结构位置产生局部涡脱落，强化天然气与空气之间的掺混。
进一步地，还包括渐缩流道与文氏管；所述渐缩流道分别布置于内级旋流器轮毂与外级旋流器轮毂下游；所述文氏管分别布置于内级旋流器轮毂、外级旋流器轮毂下游的渐缩流道末端；所述旋流器轮毂之间的旋流通道、渐缩流道与文氏管组成空气流路，渐缩流道与文氏管用于加速气流，防止回火。
进一步地，所述内级波瓣旋流叶片、外级波瓣旋流叶片为平直叶片，平直叶片前端设有导流结构；所述波浪形波瓣结构位于平直叶片后端。
进一步地，所述压力面燃料喷孔与吸力面燃料喷孔均位于导流结构与波浪形波瓣结构之间。
进一步地，所述波浪形波瓣结构的波峰数量为2～5个，波谷的数量为2～5个，波形为正弦波。
进一步地，所述波浪形波瓣结构的波高占内级波瓣旋流叶片、外级波瓣旋流叶片高度的20％～60％。
进一步地，所述压力面燃料喷孔与吸力面燃料喷孔在波瓣旋流叶片两侧非对称布置，压力面燃料喷孔与吸力面燃料喷孔的孔径大小沿波瓣旋流叶片的叶根至叶顶呈递增趋势。
进一步地，所述压力面燃料喷孔与吸力面燃料喷孔的数量为单侧3～5个，喷孔孔径大小为0.8mm～1.5mm。
进一步地，所述叶片燃料腔的横截面呈矩形。
进一步地，所述内级环形燃料腔、外级环形燃料腔的截面为矩形。
本发明的有益效果在于：
本发明在波瓣上游的波旋流叶片的两侧设置非对称的燃料喷孔，可充分利用两侧波瓣形成的涡脱落来进一步强化掺混；在波瓣旋流叶片的下游设置渐缩旋流流道和文氏管结构，增加天然气/空气掺混距离，并防止回火现象发生。与传统的无波瓣旋流头部相比，本发明可实现天然气/空气短距离快速掺混，降低燃烧污染物排放。
附图说明
图1为本发明中一种具有波瓣旋流叶片的天然气同轴分级低排放燃烧室头部的示意图。
图2为本发明中波瓣旋流叶片的结构示意图。
图3为本发明中波瓣旋流叶片的压力面示意图。
图4为本发明中波瓣旋流叶片的吸力面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明的目的在于提供一种可以实现天然气/空气短距离快速掺混的同轴分级头部。
一种具有波瓣旋流叶片的天然气同轴分级低排放燃烧室头部，包括旋流器轮毂、中心级2、波瓣旋流叶片；所述旋流器轮毂包括内级旋流器轮毂1a与外级旋流器轮毂1b，在内级旋流器轮毂1a、外级旋流器轮毂1b内分别设有内级环形燃料腔4a、外级环形燃料腔4b；所述中心级2布置于内级旋流器轮毂1a中心位置，并与内级旋流器轮毂1a、外级旋流器轮毂1b同轴嵌套；所述波瓣旋流叶片具有波浪形波瓣结构9，在波瓣旋流叶片的压力面开设有压力面燃料喷孔7a，吸力面开设有吸力面燃料喷孔7b，内部开设有叶片燃料腔10；所述波瓣旋流叶片包括内级波瓣旋流叶片3a和外级波瓣旋流叶片3b，内级波瓣旋流叶片3a安装在中心级2与内级旋流器轮毂1a之间，外级波瓣旋流叶片3b安装在内级旋流器轮毂1a与外级旋流器轮毂1b之间；
天然气依次流经旋流器轮毂中的波瓣旋流叶片、叶片燃料腔10，并从压力面燃料喷孔7a和吸力面燃料喷孔7b喷出，与来流空气8初步掺混，来流空气8在波瓣旋流叶片的作用下形成旋流，并在波瓣旋流叶片末端的波浪形波瓣结构9位置产生局部涡脱落，强化天然气与空气之间的掺混。
实施例1：
优选地，还包括渐缩流道5与文氏管；所述渐缩流道5分别布置于内级旋流器轮毂1a与外级旋流器轮毂1b下游；所述文氏管包括内级文氏管6a、外级文氏管6b，内级文氏管6a布置于内级旋流器轮毂1a下游的渐缩流道末端，外级文氏管6b布置于外级旋流器轮毂1b下游的渐缩流道末端；所述旋流器轮毂之间的旋流通道、渐缩流道5与文氏管组成空气流路，渐缩流道5与文氏管用于加速气流，防止回火。
实施例2：
优选地，所述内级波瓣旋流叶片3a、外级波瓣旋流叶片3b为平直叶片，平直叶片前端设有导流结构；所述波浪形波瓣结构9位于平直叶片后端。所述压力面燃料喷孔7a与吸力面燃料喷孔7b均位于导流结构与波浪形波瓣结构9之间。所述波浪形波瓣结构9的波峰数量为2～5个，波谷的数量为2～5个，波形为正弦波。所述波浪形波瓣结构9的波高占内级波瓣旋流叶片3a、外级波瓣旋流叶片3b高度的20％～60％。
实施例3：
优选地，所述压力面燃料喷孔7a与吸力面燃料喷孔7b在波瓣旋流叶片两侧非对称布置，压力面燃料喷孔7a与吸力面燃料喷孔7b的孔径大小沿波瓣旋流叶片的叶根至叶顶呈递增趋势。所述压力面燃料喷孔7a与吸力面燃料喷孔7b的数量为单侧3～5个，喷孔孔径大小为0.8mm～1.5mm。
波瓣旋流叶片两侧的燃料喷孔非对称布置，保证了每个燃料喷孔喷出的大部分天然气流入波浪形波瓣结构产生的漩涡中，进一步强化天然气/空气之间的掺混。
实施例4：
参照图1、图2，本实施例的主体部分由内级、外级旋流器轮毂，中心级，波瓣旋流叶片，渐缩流道及文氏管组成。中心级和内级、外级旋流器轮毂之间同轴嵌套。各级旋流器轮毂中设置的环形燃料腔，波瓣旋流叶片内设置的叶片燃料腔和燃料喷孔组成燃料流路。旋流器轮毂之间的旋流通道、渐缩流道和文氏管组成空气流路。
本实施例中，对于内级，天然气依次流经内级环形燃料腔4a、内级内级波瓣旋流叶片3a的燃料腔，并从内级波瓣旋流叶片3a两侧的压力面/吸力面燃料喷孔喷出；对于外级，天然气依次经外级环形燃料腔4b、外级波瓣旋流叶片3b的燃料腔，并从外级波瓣旋流叶片3b的两侧的压力面/吸力面燃料喷孔喷出。
从压力面燃料喷孔7a与吸力面燃料喷孔7b喷出的天然气同来流空气8初步掺混。来流空气8在波瓣旋流叶片的作用下形成旋流，并在波瓣旋流叶片末端的波浪形波瓣结构9位置产生局部涡脱落，强化天然气/空气之间的掺混。
本实施例中，波高h与叶片高度H之间的比值为40％，可同时保证高天然气/空气掺混均匀性和低流动阻力损失。
本实施例中，中心级2只在点火工况或低工况条件下提供扩散燃料稳定火焰。
本发明公开了一种具有波瓣旋流叶片的天然气同轴分级低排放燃烧室头部，由波瓣旋流叶片、旋流器轮毂、中心级、渐缩流道、文氏管等结构组成。其中，中心级位于旋流器轮毂中心；旋流器轮毂分为内、外两级，内部分别设有内级、外级环形燃料腔；中心级与旋流器轮毂之间同轴嵌套；波瓣旋流叶片布置在旋流器轮毂间，内部设有燃料喷孔和叶片燃料腔，末端设置波浪形的波瓣结构；波瓣结构含2～5个波峰和2～5个波谷，波峰方向为旋流器周向方向，波高占波瓣旋流叶片高度的20％～60％；燃料喷孔非对称地布置在波瓣结构上游的波瓣旋流叶片两侧；渐缩流道位于波瓣旋流叶片下游；文氏管位于渐缩流道末端。该具有波瓣旋流叶片的天然气同轴分级低排放燃烧室头部可实现天然气/空气短距离快速掺混，降低燃烧污染物排放。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有波瓣旋流叶片的天然气同轴分级低排放燃烧室头部，其特征在于：包括旋流器轮毂、中心级(2)、波瓣旋流叶片；所述旋流器轮毂包括内级旋流器轮毂(1a)与外级旋流器轮毂(1b)，在内级旋流器轮毂(1a)、外级旋流器轮毂(1b)内分别设有内级环形燃料腔(4a)、外级环形燃料腔(4b)；所述中心级(2)布置于内级旋流器轮毂(1a)中心位置，并与内级旋流器轮毂(1a)、外级旋流器轮毂(1b)同轴嵌套；所述波瓣旋流叶片具有波浪形波瓣结构(9)，在波瓣旋流叶片的压力面开设有压力面燃料喷孔(7a)，吸力面开设有吸力面燃料喷孔(7b)，内部开设有叶片燃料腔(10)；所述波瓣旋流叶片包括内级波瓣旋流叶片(3a)和外级波瓣旋流叶片(3b)，内级波瓣旋流叶片(3a)安装在中心级(2)与内级旋流器轮毂(1a)之间，外级波瓣旋流叶片(3b)安装在内级旋流器轮毂(1a)与外级旋流器轮毂(1b)之间；
天然气依次流经旋流器轮毂中的波瓣旋流叶片、叶片燃料腔(10)，并从压力面燃料喷孔(7a)和吸力面燃料喷孔(7b)喷出，与来流空气(8)初步掺混，来流空气(8)在波瓣旋流叶片的作用下形成旋流，并在波瓣旋流叶片末端的波浪形波瓣结构(9)位置产生局部涡脱落，强化天然气与空气之间的掺混。
2.根据权利要求1所述的一种具有波瓣旋流叶片的天然气同轴分级低排放燃烧室头部，其特征在于：还包括渐缩流道(5)与文氏管；所述渐缩流道(5)分别布置于内级旋流器轮毂(1a)与外级旋流器轮毂(1b)下游；所述文氏管分别布置于内级旋流器轮毂(1a)、外级旋流器轮毂(1b)下游的渐缩流道(5)末端；所述旋流器轮毂之间的旋流通道、渐缩流道(5)与文氏管组成空气流路，渐缩流道(5)与文氏管用于加速气流，防止回火。
3.根据权利要求1所述的一种具有波瓣旋流叶片的天然气同轴分级低排放燃烧室头部，其特征在于：所述内级波瓣旋流叶片(3a)、外级波瓣旋流叶片(3b)为平直叶片，平直叶片前端设有导流结构；所述波浪形波瓣结构(9)位于平直叶片后端。
4.根据权利要求3所述的一种具有波瓣旋流叶片的天然气同轴分级低排放燃烧室头部，其特征在于：所述压力面燃料喷孔(7a)与吸力面燃料喷孔(7b)均位于导流结构与波浪形波瓣结构(9)之间。
5.根据权利要求1所述的一种具有波瓣旋流叶片的天然气同轴分级低排放燃烧室头部，其特征在于：所述波浪形波瓣结构(9)的波峰数量为2～5个，波谷的数量为2～5个，波形为正弦波。
6.根据权利要求1所述的一种具有波瓣旋流叶片的天然气同轴分级低排放燃烧室头部，其特征在于：所述波浪形波瓣结构(9)的波高占内级波瓣旋流叶片(3a)、外级波瓣旋流叶片(3b)高度的20％～60％。
7.根据权利要求1所述的一种具有波瓣旋流叶片的天然气同轴分级低排放燃烧室头部，其特征在于：所述压力面燃料喷孔(7a)与吸力面燃料喷孔(7b)在波瓣旋流叶片两侧非对称布置，压力面燃料喷孔(7a)与吸力面燃料喷孔(7b)的孔径大小沿波瓣旋流叶片的叶根至叶顶呈递增趋势。
8.根据权利要求1所述的一种具有波瓣旋流叶片的天然气同轴分级低排放燃烧室头部，其特征在于：所述压力面燃料喷孔(7a)与吸力面燃料喷孔(7b)的数量为单侧3～5个，喷孔孔径大小为0.8mm～1.5mm。
9.根据权利要求1所述的一种具有波瓣旋流叶片的天然气同轴分级低排放燃烧室头部，其特征在于：所述叶片燃料腔(10)的横截面呈矩形。
10.根据权利要求1所述的一种具有波瓣旋流叶片的天然气同轴分级低排放燃烧室头部，其特征在于：所述内级环形燃料腔(4a)、外级环形燃料腔(4b)的截面为矩形。
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