CN204717742U - 一种燃烧室冷却气稳焰装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种燃烧室冷却气稳焰装置。该燃烧室冷却气稳焰装置包括中心喷嘴、冷却气引入单元及多个外围喷嘴，在中心喷嘴前端设置冷却气引入单元，从压气机、燃压缸或者外部气源引入少量冷却气，经进入中心喷嘴外壁内的空心管道，最终从中心喷嘴外壁末端的斜孔或斜缝喷出，在中心喷嘴下游形成一个固定角度的锥形冷却气流，该气流代替传统的固体椎板稳焰板，可以有效分隔中心喷嘴和外围喷嘴的气焰流动，在中心喷嘴下游形成一个扩张区，使中心喷嘴的流动减速增压，形成一个稳定的回流区，增强中心喷嘴的稳焰性能；而引入的冷却气流向下游流动，最终参与燃烧，减少了单纯冷却气的浪费，提高了燃烧室总体性能。

Description

一种燃烧室冷却气稳焰装置

技术领域

本实用新型涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种燃烧室冷却气稳焰装置。

背景技术

由于环境保护的要求越来越严格，在近年来的燃气轮机燃烧室中越来越多地使用预混燃烧的方式来降低氮氧化物(NOx)的排放。在典型的采用预混燃烧方式的燃烧室头部结构中，一般包含一个布置在中心的中心喷嘴和多个均匀地布置在中心喷嘴四周的外围喷嘴。外围喷嘴一般采用预混燃烧模式以减少污染物排放，中心喷嘴采用扩散燃烧模式或者预混燃烧模式，喷嘴下游形成稳定的火焰，作为外围喷嘴生成预混火焰的火种使用，由此维持预混燃烧。

现有燃气轮机燃烧室在中心喷嘴下游设置锥形稳焰板，以创造一个减速扩压区形成回流区来稳定火焰。然而，锥形稳焰板内部存在燃烧，锥形稳焰板的壁面温度会大幅上升，因此需要对该壁面进行冷却。专利US8113000在锥形稳焰板外侧引入冷却气对该壁面进行冷却，当燃烧室性能提升时，锥形稳焰板的冷却气量会增加，减少了燃烧用气体，同时会造成头部流量分配的变化。

因此，针对以上不足，本实用新型提供了一种燃烧室冷却气稳焰装置。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型的目的是提供一种结构简单紧凑、可减少冷却气消耗及提高燃烧室的态燃烧稳定性的燃烧室冷却气稳焰装置。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种燃烧室冷却气稳焰装置，其包括中心喷嘴、冷却气引入单元及多个外围喷嘴，中心喷嘴设置于燃烧室头部的中轴线上，多个外围喷嘴环形均匀设置于中心喷嘴外侧，所述中心喷嘴外壁为空心管道，中心喷嘴外壁末端设置斜孔或斜缝，所述中心喷嘴前端设置冷却气引入单元。

其中，所述斜孔或斜缝向外倾斜，以喷出向外张开的锥形冷却气流。

其中，所述外围喷嘴的旋流角大于中心喷嘴的旋流角。

其中，所述冷却气引入单元的前段连通有冷却气源，中段为一个收缩喷管或拉瓦尔喷管，后段与中心喷嘴外壁的空心冷气管道连通。

其中，所述冷却气引入单元的前段与中段之间还设置有加压部件；所述前段与中段内的冷却气压比为亚临界值。

其中，所述拉瓦尔喷管产生超声速气流。

其中，所述斜孔或斜缝与中心喷嘴中轴线的夹角在20°～45°之间

其中，所述斜孔孔径或斜缝宽度范围是2～5mm。

其中，喷嘴末端端面的开孔面积或斜缝面积占喷嘴末端端面面积的20％～50％。

(三)有益效果

本实用新型的上述技术方案具有如下优点：本实用新型提供的燃烧室冷却气稳焰装置中，在中心喷嘴前端设置冷却气引入单元，从压气机、燃压缸或者外部气源引入少量冷却气，经进入中心喷嘴外壁内的空心管道，最终从中心喷嘴外壁末端的斜孔或斜缝喷出，在中心喷嘴下游形成一个固定角度的锥形冷却气流，该气流代替传统的固体椎板稳焰板，可以有效分隔中心喷嘴和外围喷嘴的气焰流动，在中心喷嘴下游形成一个扩张区，使中心喷嘴的流动减速增压，形成一个稳定的回流区，增强中心喷嘴的稳焰性能；而引入的冷却气流向下游流动，最终参与燃烧，减少了单纯冷却气的浪费，提高了燃烧室总体性能，此外，采用此结构还节省了传统稳焰装置的冷却设计，简单紧凑，可提高了燃烧室头部结构的寿命，增强了内外喷嘴的适应性。

附图说明

图1是包含本实用新型燃烧室冷却气稳焰装置的燃烧室头部示意图；

图2是本实用新型燃烧室冷却气稳焰装置的剖视图；

图3是本实用新型燃烧室冷却气稳焰装置的立体结构示意图；

图4是将本实用新型燃烧室冷却气稳焰装置中的收缩喷管替换为拉瓦尔喷管的剖视图。

图中，1：中心喷嘴；2：外围喷嘴；3；中心喷嘴外壁；4；斜缝；5；冷却气引入单元；6；加压部件；7；收缩喷管；8；拉瓦尔喷管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1、图2和图3所示，本实用新型提供的燃烧室冷却气稳焰装置包括中心喷嘴1、冷却气引入单元5及六个外围喷嘴2，中心喷嘴1设置于燃烧室头部的中轴线上，六个外围喷嘴2环形均匀设置于中心喷嘴1外侧，所述中心喷嘴外壁3为空心管道，中心喷嘴外壁3末端设置斜孔或斜缝4(空心管道的出口端)，所述中心喷嘴1前端(空心管道的进口端)设置冷却气引入单元5。当然，上述外围喷嘴2的数量根据实际需求绕中心喷嘴1可以设置为四个或其他数目。

具体地，所述冷却气引入单元5的前段连通有冷却气源，中段为一个收缩喷管7，后段与中心喷嘴外壁3的空心管道连通；冷却气引入单元5的前段与中段之间还设置有加压部件6；所述前段与中段内的冷却气压比为亚临界值；拉瓦尔喷管8产生超声速气流；其中，斜孔或斜缝4向外倾斜，以喷出向外张开的锥形冷却气流。

上述实施例中，冷却气引入单元5可以从燃压缸抽气或者由外部气源供应，气体经加压部件6加压后，进入收缩喷管7，气流在高压条件下加速，最终经中心喷嘴外壁3的空心管道高速喷出中心喷嘴外壁3末端，该高速气流由于流动速度很高，在化学反应时间内冲出较远的距离，有效分隔中心喷嘴1与外围喷嘴2的流动，在中心喷嘴1下游形成一个回流区，增强中心喷嘴1的稳焰性能，而该气流最终会参与一定距离下游的燃烧反应，一方面简化稳焰结构的冷却设计，另一方面没有造成冷却气的浪费，因此提高了整个燃烧室的燃烧性能。

优选地，所述外围喷嘴2的旋流角大于中心喷嘴1的旋流角，外围喷嘴2喷出的火焰不会对喷出中心喷嘴外壁3末端外的冷却气造成干扰。

由于前段与中段内的冷却气压比为亚临界值，从中心喷嘴1末端喷出的气流流速为亚声速，尽管速度比较高，但燃烧特性未改变，不会对燃烧场有本质的影响。

优选地，斜孔或斜缝4与中心喷嘴1中轴线的夹角在20°～45°之间，可以起到较好的稳焰效果。

优选地，斜孔孔径或斜缝4宽度范围是2～5mm；喷嘴末端端面的开孔面积或斜缝4面积占喷嘴末端端面面积的20％～50，通过限制斜缝4或斜孔的宽度和面积，可以在以最小的冷气量达到需要的稳焰效果。

一般地，所述冷却气引入单元5引入的冷却气流量占燃烧室总流量的2％～8％，冷却气量较低，对燃烧组织及分配影响较小，可直接应用与已经设计好的燃气轮机燃烧室。

如图4所示，上述实施例中的收缩喷管7当然也可以替换为拉瓦尔喷管8，通过该拉瓦尔喷管8同样可以提到喷出空心管道冷却气的流速。

本发明的燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置的工作过程如下：该冷却气引入单元5可以从燃压缸抽气或者由外部气源供应；冷却气经加压部件6加压后，进入收缩喷管7或者拉瓦尔喷管8，气流在高压条件下加速，最终经中心喷嘴外壁3的空心管道高速喷出中心喷嘴外壁3末端，形成锥形稳焰气流，主流气流分别从中心喷嘴1和外围喷嘴2进入，最终被锥形稳焰气流分隔成内外流动；其具有以下优点及突出性的技术效果：锥形稳焰气流流动速度很高，在化学反应时间内冲出较远的距离，有效分隔中心喷嘴1与外围喷嘴2的流动，在中心喷嘴1下游形成一个回流区，增强中心喷嘴1的稳焰性能，而该气流最终会参与一定距离下游的燃烧反应，一方面简化稳焰结构的冷却设计，另一方面没有造成冷却气的浪费，因此提高了整个燃烧室的燃烧性能。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种燃烧室冷却气稳焰装置，其特征在于：其包括中心喷嘴、冷却气引入单元及多个外围喷嘴，中心喷嘴设置于燃烧室头部的中轴线上，多个外围喷嘴环形均匀设置于中心喷嘴外侧，所述中心喷嘴外壁为空心管道，中心喷嘴外壁末端设置斜孔或斜缝，所述中心喷嘴前端设置冷却气引入单元。

2.根据权利要求1所述的燃烧室冷却气稳焰装置，其特征在于：所述斜孔或斜缝向外倾斜，以喷出向外张开的锥形冷却气流。

3.根据权利要求2所述的燃烧室冷却气稳焰装置，其特征在于：所述外围喷嘴的旋流角大于中心喷嘴的旋流角。

4.根据权利要求3所述的燃烧室冷却气稳焰装置，其特征在于：所述冷却气引入单元的前段连通有冷却气源，中段为一个收缩喷管或拉瓦尔喷管，后段与中心喷嘴外壁的空心冷气管道连通。

5.根据权利要求4所述的燃烧室冷却气稳焰装置，其特征在于：所述冷却气引入单元的前段与中段之间还设置有加压部件；所述前段与中段内的冷却气压比为亚临界值。

6.根据权利要求5所述的燃烧室冷却气稳焰装置，其特征在于：所述拉瓦尔喷管产生超声速气流。

7.根据权利要求1-6任一项所述的燃烧室冷却气稳焰装置，其特征在于：所述斜孔或斜缝与中心喷嘴中轴线的夹角在20°～45°之间。

8.根据权利要求7所述的燃烧室冷却气稳焰装置，其特征在于：所述斜孔孔径或斜缝宽度范围是2～5mm。

9.根据权利要求8所述的燃烧室冷却气稳焰装置，其特征在于：喷嘴末端端面的开孔面积或斜缝面积占喷嘴末端端面面积的20％～50％。