CN116336501B - 一种燃气轮机燃烧室防回火低排放喷嘴 - Google Patents
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Abstract
本申请属于航空发动机技术领域，特别涉及一种燃气轮机燃烧室防回火低排放喷嘴，喷杆，套在喷杆外侧的筒罩以及喷杆上的安装法兰；其中，喷杆通过多个周向分布的支柱与筒罩连接；筒罩的内壁面具有周向分布的叶片形成的旋流器；旋流器位于所述支柱的下游处，筒罩与喷杆之间形成预混室，喷杆前端具有值班燃料喷嘴，以及联通值班燃料喷嘴的值班燃料通道；喷杆的上游半段具有预混燃料通道，预混燃料通道与支柱上具有的预混燃料喷嘴联通；喷杆的下游半段具有清吹气通道，清吹气通道通过喷杆壁面上的清吹气入口通入空气，清吹气通道通过喷杆前端面具有的清吹气喷嘴喷出，通过设计旋流器叶根清吹通道和喷嘴头部清吹通道的方案解决预混段内回火技术问题。
Description
技术领域
本申请属于航空发动机技术领域，特别涉及一种燃气轮机燃烧室防回火低排放喷嘴。
背景技术
降低燃气轮机污染物排放水平(主要是针对NOx)已成为燃气轮机的关键技术之一。目前最成熟的贫油预混低排放燃烧技术，就是基于NOx的生成机理，将燃料和空气预先混合之后供入燃烧室燃烧区进行燃烧，将火焰温度控制在合理的范围(明显低于常规扩散燃烧的火焰温度)，实现降低NOx排放量的目的，同时实现CO排放和燃烧稳定性等性能同时满足燃气轮机设计要求。由此，燃料和空气的混合均匀程度对贫油预混低排放燃烧室设计至关重要，良好的燃料和空气混合将显著降低火焰温度，减少火焰燃烧区局部高温区域，达到降低燃气轮机NOx排放的目的。同时，贫油预混燃烧室在燃料/空气的预混段内易发生回火，导致燃烧室预混段结构烧蚀。其中，由于预混段内存在低速区或者回流区导致的回火问题是贫油预混燃烧室设计过程中必须要解决的问题。达到在实现低排放的同时，不发生回火，安全运行的设计目标。
本发明提供一种燃气轮机燃烧室防回火低排放喷嘴方案，采取新的结构方案，可以有效地避免燃烧室预混段因回流区或低速区存在导致的回火问题，同时显著改善了燃烧室燃料和空气的混合均匀程度，进而达到了降低燃气轮机NOx排放的设计要求。
现有技术相比本次发明主要存在以下缺点：
1、预混段内易发生回火：现有燃烧室预混段内的旋流器叶根附近通道的空气流通能力差，空气流速低，有的方案还存在回流区，导致预混段内易发生回火。
2、NOx污染物排放高：由于现有的燃烧室喷嘴中值班级燃料流量与预混级的燃料流量分配比例固定，导致值班级燃料不可调，部分状态下值班级喷嘴的燃料流量高，导致局部火焰温度过高、NOx污染物排放高。
3、NOx排放稳定性差：现有的燃烧室燃料喷射结构(喷嘴)和空气流通结构(旋流器通道)之间不是刚性连接，而是通过装配定位控制喷嘴和旋流器通道之间的相对位置，由于装配或者是长期运行引起的结构变形，导致喷嘴和旋流器通道之间的相对位置发生变化，引起燃料空气混合均匀性发生改变，稳定性变差。最终影响燃气轮机的NOx排放性能稳定性变差。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供了一种燃气轮机燃烧室防回火低排放喷嘴：
喷杆，套在喷杆外侧的筒罩以及喷杆上的安装法兰；
其中，喷杆通过多个周向分布的支柱与筒罩连接；筒罩的内壁面具有周向分布的叶片形成的旋流器；旋流器位于所述支柱的下游处，筒罩与喷杆之间形成预混室，喷杆前端具有值班燃料喷嘴，以及联通值班燃料喷嘴的值班燃料通道；喷杆的上游半段具有预混燃料通道，预混燃料通道与支柱上具有的预混燃料喷嘴联通；
喷杆的下游半段具有清吹气通道，清吹气通道通过喷杆壁面上的清吹气入口通入空气，清吹气通道通过喷杆前端面具有的清吹气喷嘴喷出。
优选的是，旋流器的叶片一端固定在筒罩内壁面上，另一端与喷杆具有预设间隙。
优选的是，值班燃料通道位于喷杆中心处，预混燃料通道为位于值班燃料通道外侧的环腔，预混燃料通道底部具有联通预混燃料喷嘴的孔道。
优选的是，值班燃料通道位于喷杆中心处，清吹气通道为位于值班燃料通道外侧的环腔，清吹气喷嘴为多个周向分布的小孔。
优选的是，叶根清吹气通道与喷杆外壁面的径向缝隙高度为1～3mm，旋流器的叶片角为30～50度。
优选的是，预混燃料喷嘴沿所述支柱径向分布有多个，沿径向向外的预混燃料喷嘴直径逐渐变大。
优选的是，清吹气喷嘴的数量为8～20个，清吹气喷嘴喷口直径为0.7～1.5mm，值班燃料喷嘴的数量为1～4个。
优选的是，旋流器叶片的自由端之间通过多个支板连接。
优选的是，整个喷嘴采用3D打印加工
本申请的优点包括：
1、通过设计旋流器叶根清吹通道和喷嘴头部清吹通道的方案解决预混段内回火技术问题。
2、通过燃料空气的高均匀性混合和控制值班级喷嘴的流量实现低NOx排放。
3、通过将燃料喷嘴、预混室、旋流器等结构一体设计，实现NOx排放稳定。
附图说明
图1是本申请一优选实施方式喷嘴结构示意图；
图2是本申请一优选实施方式喷嘴结构立体图；
图3是本申请一优选实施方式喷嘴结构轴向视图；
图4是本申请一优选实施方式喷嘴结构剖视图；
图5是本申请一优选实施方式喷嘴结构具有清吹气入口的剖视图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
如图1-4所示，本发明提供的一种燃气轮机燃烧室防回火低排放喷嘴结构，主要由值班燃料喷嘴1、值班燃料通道2、预混燃料喷嘴3、预混燃料通道4、旋流器5、空气通道6、清吹气喷嘴7、清吹气入口8、清吹气通道9、叶根清吹气通道10和预混室11组成。具体为：
值班燃料通道2与值班燃料喷嘴1连通，预混燃料通道4与预混燃料喷嘴3连通，值班燃料通道2与预混燃料通道4同轴设置，值班燃料通道2位于预混燃料通道4内部，预混燃料喷嘴3位于预混室11内部、旋流器5的上游位置，清吹气入口8位于空气通道6上游的外部位置，清吹气通道9连通清吹气入口8和清吹气喷嘴7，值班燃料喷嘴1设置在清吹气喷嘴7的中心，叶根清吹气通道10设置在旋流器5的根部位置。整个喷嘴采用3D打印加工。
该发明的一种燃气轮机燃烧室防回火低排放喷嘴结构，设置旋流器叶根清吹通道和喷嘴头部清吹通道的方案解决预混段内回火技术问题，通过燃料空气的高均匀性混合和控制值班级喷嘴的流量实现低NOx排放，通过将燃料喷嘴、预混室、旋流器等结构一体设计，实现NOx排放稳定。其中：叶根清吹气通道10的径向缝隙高度为1～3mm，旋流器5的旋流强度较强，旋流器5的叶片角为30～50度，预混燃料喷嘴3的数量为16～32个，预混燃料喷嘴3的喷口直径不同，越靠近预混室11径向外侧的喷口直径越大，清吹气喷嘴7的数量为8～20个，喷口直径为0.7～1.5mm，值班燃料喷嘴1的数量为1～4个。
本发明要解决的技术问题：
1、预混段内回火抑制技术：抑制预混段内的回火发生，对于保证低排放燃烧室的安全运行至关重要，预混燃料空气经过旋流器后会在旋流器叶片的根部区域出现低速区、甚至是回流区，低速区的存在与否与旋流器的结构设计参数、预混通道的结构形式、预混通道的流通面积、预混通道内的速度分布等因素有关，因此本发明通过设计旋流器叶根清吹通道和喷嘴头部清吹通道的方案解决预混段内回火技术问题。
2、低NOx污染物燃烧技术：基于NOx的生成机理和贫油预混低排放燃烧技术原理，控制NOx生成的措施主要是控制燃烧火焰平均温度和减少火焰局部高温区，减少火焰局部高温区就需要燃料和空气在进入燃烧区进行燃烧之间完成高均匀性的混合，同时精细化可调值班级喷嘴的燃料流量，因此本发明可以通过燃料空气的高均匀性混合和控制值班级喷嘴的流量实现低NOx污染物燃烧。
3、提高NOx排放稳定性技术：燃料空气混合均匀性稳定对燃气轮机的NOx排放保持稳定至关重要，燃烧室部件试验验证阶段或者整机运行初期，燃料空气混合均匀性满足设计要求，但是随着燃机的长期运行，燃料空气混合均匀性保持稳定将是一大难题。因此，提高燃料空气混合性能稳定性是本发明需要解决的技术问题之一。本发明通过将燃料喷嘴、预混室、旋流器等结构一体设计，实现NOx排放稳定。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种燃气轮机燃烧室防回火低排放喷嘴，其特征在于：
喷杆，套在喷杆外侧的筒罩以及喷杆上的安装法兰；
其中，喷杆通过多个周向分布的支柱与筒罩连接；筒罩的内壁面具有周向分布的叶片形成的旋流器（5）；旋流器（5）位于所述支柱的下游处，筒罩与喷杆之间形成预混室（11），喷杆前端具有值班燃料喷嘴（1），以及联通值班燃料喷嘴（1）的值班燃料通道（2）；喷杆的上游半段具有预混燃料通道（4），预混燃料通道（4）与支柱上具有的预混燃料喷嘴（3）联通；喷杆的下游半段具有清吹气通道（9），清吹气通道（9）通过喷杆壁面上的清吹气入口（8）通入空气，清吹气通道（9）通过喷杆前端面具有的清吹气喷嘴（7）喷出；叶根清吹气通道（10）设置在旋流器（5）的根部位置；叶根清吹气通道（10）与喷杆外壁面的径向缝隙高度为1～3mm，旋流器（5）的叶片角为30～50度。
2.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧室防回火低排放喷嘴，其特征在于，旋流器（5）的叶片一端固定在筒罩内壁面上，另一端与喷杆具有预设间隙。
3.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧室防回火低排放喷嘴，其特征在于，值班燃料通道（2）位于喷杆中心处，预混燃料通道（4）为位于值班燃料通道（2）外侧的环腔，预混燃料通道（4）底部具有联通预混燃料喷嘴（3）的孔道。
4.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧室防回火低排放喷嘴，其特征在于，值班燃料通道（2）位于喷杆中心处，清吹气通道（9）为位于值班燃料通道（2）外侧的环腔，清吹气喷嘴（7）为多个周向分布的小孔。
5.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧室防回火低排放喷嘴，其特征在于，预混燃料喷嘴（3）沿所述支柱径向分布有多个，沿径向向外的预混燃料喷嘴（3）直径逐渐变大。
6.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧室防回火低排放喷嘴，其特征在于，清吹气喷嘴（7）的数量为8～20个，清吹气喷嘴（7）喷口直径为0.7～1.5mm，值班燃料喷嘴（1）的数量为1～4个。
7.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧室防回火低排放喷嘴，其特征在于，旋流器（5）叶片的自由端之间通过多个支板连接。
8.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧室防回火低排放喷嘴，其特征在于，整个喷嘴采用3D打印加工。
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