CN202813441U - 一种用于化学回热循环的裂解气燃料喷射装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的目的在于提供一种用于化学回热循环的裂解气燃料喷射装置，包括内轮毂、中轮毂、外轮毂、内级旋流叶片、外级旋流叶片、中心体帽罩，内级旋流叶片安装在内轮毂和中轮毂之间，外级旋流叶片安装在中轮毂和外轮毂之间，内轮毂内设置中央通孔，内轮毂与中央通孔之间形成燃料供入通道，中心体帽罩将燃料供入通道封闭，内轮毂上设置裂解气燃料的进口通道，中轮毂上设置裂解气环腔，进口通道连通裂解气环腔，裂解气环腔端部为喷嘴，内级旋流叶片和外级旋流叶片形成渐扩通道，从喷嘴中喷出的气体经渐扩通道进入燃烧室。本实用新型能够很好的混合裂解气燃料和空气，使得火焰长度进一步缩短，可缩短燃烧室长度，进一步使得燃气轮机结构趋于紧凑。

Description

一种用于化学回热循环的裂解气燃料喷射装置

技术领域

本实用新型涉及的是一种燃气轮机，具体地说是燃气轮机的燃料喷射装置。

背景技术

随着技术的进步，人们对燃气轮机性能的要求也越来越高。为了提高燃机的性能，许多先进的循环方式被不断的提出，而其中化学回热循环是一种先进循环方式。化学回热循环燃气轮机CRGT的工作方式决定其燃烧室必需采用双燃料系统，液体燃料的喷射一般采用离心雾化喷嘴，而气态燃料的混合则是难点之一。

随着世界各国对环境保护的进一步重视，使燃气轮机能够高效的运转，并能够减少在工作过程中所产生的一系列污染，是设计者最求的目标。对于燃烧传统烃类燃料的燃烧室来说，氮氧化物是其中的一项重要的污染物，而如果能够控制燃烧过程的最高温度，就能够控制这项污染物的数量，但前提是将燃料和空气进行贫混合燃烧，未参与反应的过量气体吸收燃烧产生的热量，从而将燃烧的温度降低到不会大量形成氮氧化物的水平，从而实现低排放。

在该领域中已存在的一些方法如下：双环形对转式旋流器燃料喷射器DACRS的方法在设计中有很多的应用，这种方法能够能够形成较强的剪切流场和湍流流场，能够产生良好的混合特性比如说美国专利No.5165241、No.5251447、5351477、No.5599529、No.5638682、No.5680766。这些设计不能够在燃烧区域的中心线上产生强大的回流区域，不能够稳定燃烧，为了解决这一问题而补充的未预混燃料，将极大的提高燃烧的温度，抵消了为了降低污染所做的努力。虽然DACRS技术是一项沿用已久的技术，但是由于过去的设计无法能够解决预混燃烧稳定性的问题，因而还有很大的提升空间。

而在工程中还有一种比较常用的方法，即将预混燃料燃烧器合并位于旋流器叶片之间或其表面上的燃料喷嘴装置，这些横向注入的方式会造成燃烧室内燃料浓度的高低不均匀，在一些位置温度过高，产生热点，在一些位置燃料浓度过低，造成熄火，另外这种横向流动注入也会导致燃烧过程中的波动，需要设计人员的更进一步的设计改善。

在燃烧流场的组织过程中，也经常利用一种柯恩达效应来进行喷嘴的设计。这是一种流体力学中的现象，即从喷嘴中流出来的气体从离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向。当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时，流体的流速会减慢。只要物体表面的曲率不是太大，依据流体力学中的伯努利原理，流速的减缓会导致流体被吸附在物体表面上流动，这时物体的表面对流体就会产生导向作用，在本设计中就是利用这一点来对传统的设计进行一定的改进的。

在专利CN 101153558A中，美国的通用公司采用了一种叫柯恩达异型燃料喷射翼片的环形阵列喷射装置，设计中采用该构造以提供柯恩达效应，能够实现有效的燃料预混和稳定燃烧。然而该专利中使用的是将燃料喷口设计到一些异型叶片上，这样的叶片生产的成本会比较高，结构也会比较复杂，而在其他专利，比如说意大利的一项专利申请CN100447432C，该专利巧妙的应用柯恩达效应，采用极为两个活动元件结构，就实现了气流的三自由度调节。美国约翰津克公司的专利申请CN101135442B中，在锅炉的出口处采用了柯恩达效应表面，用于促进分级燃烧区的形成。柯恩达效应是比较简洁的气流方向调节手段，虽然被使用多年，确很少使用到燃气轮机燃烧室的设计中。通用电气公司的一些专利，如CN 101201176A中，在一种混装置中应用了柯恩达效应，用来调节收缩-扩张管道的喉部的结构，来调节不同工况下的气流和燃料的混合情况。但该结构中没有旋流叶片结构，没有将旋流叶片能够产生的剪切流场应用到燃烧室头部的燃料混合中去。

发明内容

本实用新型的目的在于提供应用于燃气轮机化学回热循环燃烧室中的一种用于化学回热循环的裂解气燃料喷射装置。

本实用新型的目的是这样实现的：

本实用新型一种用于化学回热循环的裂解气燃料喷射装置，其特征是：包括内轮毂、中轮毂、外轮毂、内级旋流叶片、外级旋流叶片、中心体帽罩，内级旋流叶片安装在内轮毂和中轮毂之间，外级旋流叶片安装在中轮毂和外轮毂之间，内轮毂内设置中央通孔，内轮毂与中央通孔之间形成燃料供入通道，中心体帽罩将燃料供入通道封闭，内轮毂上设置裂解气燃料的进口通道，中轮毂上设置裂解气环腔，进口通道连通裂解气环腔，裂解气环腔端部为喷嘴，内级旋流叶片和外级旋流叶片形成渐扩通道，从喷嘴中喷出的气体经渐扩通道进入燃烧室。

本实用新型还可以包括：

1、所述的内级旋流叶片和外级旋流叶片的旋流方向不同。

2、所述的喷嘴为出口上下均为钝体形状的科恩达喷嘴。

3、所述的外级旋流叶片的径向高度大于内级旋流叶片，外级旋流叶片的轴向长度长于内级旋流叶片。

本实用新型的优势在于：

1、本实用新型能够很好的混合裂解气燃料和空气，使得火焰长度进一步缩短，这样就使得燃烧室长度的缩短成为可能，从而进一步使得燃气轮机结构趋于紧凑。

2、本实用新型外级旋流器的尺寸较大，能够承担下游流场组织的作用，提高燃烧的稳定性，克服了传统的DACRS设计中存在的燃烧不稳定、不易形成稳定的回流区、需要补充其他结构来达到要求的不足。

3、本实用新型中柯恩达型燃料喷嘴的设计，相比直接将裂解气供入高速气流中的方式，能够有效的防止燃料喷射混合中带来的流场波动，使裂解气燃料和空气能够平稳预混，以形均匀的燃料气混合物，且不造成较明显的边界层分离流动。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的剖视图；

图3为图2的剖切位置示意图；

图4为本实用新型的俯视半剖图；

图5为图4半剖图的剖切位置示意图；

图6为本实用新型左视半剖图的示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本实用新型做更详细地描述：

结合图1～6，该旋流器包括燃料供入通道1,叶片内气体通道2,旋流器外轮毂3,渐扩通道4,内级旋流叶片5,中心体帽罩6,中央通孔7,柯恩达喷嘴8,旋流器叶片9,裂解气环腔10,旋流器中轮毂11，旋流器内轮毂12。此外还包括裂解气燃料流向示意曲线13和渐扩通道大体示意曲线14。

图1和图2共同说明了该裂解气燃料环形喷射口的工作原理，裂解气首先通过燃料供入通道1进入喷嘴中，在遇到中心体帽罩6的阻挡后，通过叶片气体通道2进入裂解气环腔10中，进行一定的稳流，再通过柯恩达喷嘴8喷射出去。空气通过内级旋流叶片5与外级旋流叶片9进入燃烧室。由于叶片的旋流方向不同，使得在叶片出口处存在着旋转方向不同的环形气流。旋流叶片与通常设计中所采用的叶片不同，外级旋流叶片9和内级旋流叶片5与中间轮毂11靠近的一端长度比较短，因此在靠近中间轮毂11的位置，气流由于惯性冲出旋流叶片，和柯恩达效应的喷嘴相互配合，达到预混燃料的目的，而外级旋流叶片远离中间轮毂的位置，能够将气流进行充分的旋转，在下游的位置形成较强的回流，能够起到稳定火焰、防止不稳定燃烧的作用。

图3说明了图1和图2所选择的剖切位置。

图4进一步说明了裂解气进入柯恩达效应喷嘴的通道。图中所示的叶片内气体通道2和燃料供入通道1的相对位置可以是相切，也可以是相贯，开设的孔径应以燃烧室工作时的最大流量为准来进行设计。

图5表明了图4半剖图的剖切位置。

图6中裂解气燃料流向示意曲线13表示了裂解气燃料通过所设计的气流通道进入燃烧区的途径，而渐扩通道大体示意曲线14示意了由内级旋流叶片的叶尖与外级旋流叶片的叶根的外轮廓线所形成的渐扩的环形气流通道。柯恩达效应喷嘴所喷出的一部分气流会随着预定壁面轮廓偏转，即沿着钝体表面偏转而流动，且沿内侧壁形成燃料边界层，并由于附面层的效应，这种混合相比直接将裂解气供入高速气流中的方式，能够有效的防止燃料喷射混合中带来的流场波动，使裂解气燃料和空气能够平稳预混，以形均匀的燃料气混合物，且不造成较明显的边界层分离流动。燃料气体不是射入主气流中，而是逐渐由支流汇入主流中，造成的波动必然就会小很多。简单说来，就是柯恩达表面的预混合装置则能够有效的减少横向流动带来的气流压力的明显的波动。

图6中也示意了由外级旋流叶片组叶根部和内级旋流叶片组叶尖部连线所形成的环形渐扩区域。环形通道的设计主要是为裂解气燃料和空气提供一个良好的混合方式。由于叶片的尾缘是渐扩的，因此靠近中间轮毂的气流先从叶片中流出，内外两级旋流叶片的旋流方向相反，产生了比较强烈的剪切流场，与夹在其中的裂解气燃料进行强烈的混合，使得第一步通过柯恩达效应进行预混的燃料混合气再次进行强烈的掺混，避免局部裂解气含量过高或者过低的现象，使得燃烧趋于稳定。

本实用新型中，裂解气燃料首先经内部的气体燃料管道进入最内侧轮毂之内，在内侧轮毂的壁面上处分布着裂解气燃料的进口通道，裂解气通过这些通道流经内级旋流器叶片，进入中间轮毂的气体腔室内进行稳压，再通过利用柯恩达效应设计的裂解气燃料环形喷射口。由于柯恩达效应，燃料会附着在壁面上，然后汇入经过旋流器叶片的高速空气中，这是第一次掺混。

两级旋流器叶片组靠近中间轮毂的地方好像被撕去了一部分，缺少叶片的空间在外形上构成了一个渐扩的环形通道，因而旋流器外级叶片靠近中央轮毂处的高速气流，没有叶片的约束且本身具有的惯性，流动截面和速度方向发生改变，会出现一定的发散的现象，向渐扩环形通道内处扩散；同样的，内级旋流器叶片上部的气流同样出现扩散的效果。这样会在两者交界处产生剪切流场，该流场将先前没有随柯恩达喷嘴壁面发生偏转的裂解气燃料和已经汇入高速气流中的燃料-空气混气进行掺混，从而达到良好的掺混效果，这是第二次掺混。

由于叶片里部和外部的扭曲程度和结构尺寸不同，外部旋流叶片组的每一个叶片的扭曲较大，尺寸也较大，气流流量较大，气体的旋流系数较大，而内部旋流叶片组的每一个叶片相比而言则扭曲较小，气流流量较少，旋流系数相对较小，无法形成较明显的回流区，仅仅只是为了造成底部气流方向和上部气流方向不同，形成剪切流场以强化掺混；外级旋流器所产生的气流，其靠中间轮毂的部分和内级旋流相互剪切混合，相互抵消，而外侧旋流部分则保持着高速的气流，能够在轴线处形成较强的回流区，起到组织燃烧场的作用。

本实用新型虽然是为裂解气燃料所设计的喷嘴的气体部分，但该结构中可通入液体燃料，同样能够实现对液体燃料的雾化和混合。

Claims (5)

1.一种用于化学回热循环的裂解气燃料喷射装置，其特征是：包括内轮毂、中轮毂、外轮毂、内级旋流叶片、外级旋流叶片、中心体帽罩，内级旋流叶片安装在内轮毂和中轮毂之间，外级旋流叶片安装在中轮毂和外轮毂之间，内轮毂内设置中央通孔，内轮毂与中央通孔之间形成燃料供入通道，中心体帽罩将燃料供入通道封闭，内轮毂上设置裂解气燃料的进口通道，中轮毂上设置裂解气环腔，进口通道连通裂解气环腔，裂解气环腔端部为喷嘴，内级旋流叶片和外级旋流叶片形成渐扩通道，从喷嘴中喷出的气体经渐扩通道进入燃烧室。

2.根据权利要求1所述的一种用于化学回热循环的裂解气燃料喷射装置，其特征是：所述的内级旋流叶片和外级旋流叶片的旋流方向不同。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于化学回热循环的裂解气燃料喷射装置，其特征是：所述的喷嘴为出口上下均为钝体形状的科恩达喷嘴。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于化学回热循环的裂解气燃料喷射装置，其特征是：所述的外级旋流叶片的径向高度大于内级旋流叶片，外级旋流叶片的轴向长度长于内级旋流叶片。

5.根据权利要求3所述的一种用于化学回热循环的裂解气燃料喷射装置，其特征是：所述的外级旋流叶片的径向高度大于内级旋流叶片，外级旋流叶片的轴向长度长于内级旋流叶片。

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