CN215892445U - 一种实现预混燃烧和扩散燃烧的燃料喷嘴 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种实现预混燃烧和扩散燃烧的燃料喷嘴，包括燃料供入管、外壳、涡流器及中心体；本实用新型解决了现有贫油预混燃烧方式喷嘴存在的贫燃熄火和回火问题，采用具有预混和扩散双回路燃烧室的喷嘴，预混燃烧用于降低污染物排放，扩散燃烧提供值班火焰，防止火焰吹熄。

Description

一种实现预混燃烧和扩散燃烧的燃料喷嘴

技术领域

本实用新型涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种用于燃气轮机中并且能够实现预混燃烧和扩散燃烧的燃料喷嘴。

背景技术

近半个世纪以来，燃气轮机作为一种能源转换的动力装置，始终在军事、航空和发电等领域占据着主导的地位。人们为改善燃气轮机的工作性能进行了不懈的努力，使得现代的燃气轮机具备了热效率髙、功率密度大、工作可靠性好和成本低等优点，且燃气轮机技术仍在不断进步和提升。

燃气轮机广泛使用的同时给能源供给和环境污染也带来了巨大的考验，提高燃气轮机的能源利用率，降低污染物排放是现阶段燃气轮机研发工作迫切需要解决的关键问题。长期以来，作为对燃气轮机能源利用效率及污染物排放的重要影响因素，燃料的喷射和雾化过程一直都受到国内外研究者的关注。高质量的燃料喷射和雾化过程可实现燃气轮机更为高效和洁净的燃烧，从而达到节能和减排的目的。

国内的排放标准要求航空发动机和工业燃气轮机必须降低氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和未燃尽的碳氢化合物(UHC)等的排放量；低排放燃烧室最主要的目标是控制NOx的排放，尤其是热力型NOx的排放。目前，控制热力型NOx排放的方法有两大类，一类是主动控制主燃区的温度，使其保持在合理的范围内；另一类是对燃烧室的排气进行处理。

对燃烧室的排气进行处理的方法比较容易理解，就是采用催化还原法，在排气中加入可以与NOx发生反应的化学物质以达到降低排放的目的，可以加入的化学物质有：氨、尿素、氰尿酸及过氧化氢等。但是催化还原法必须在燃烧室外安装辅助设备，并且不同的化学物质都有不同的反应温度，只能在稳定工况的条件下使用，其运行费用高昂，因此适用范围较小。

主动控制主燃区温度的方法分湿式和干式两种，湿法是指在主燃区喷入水蒸气或水雾来降低温度的方法，喷入主燃区的水与燃烧反应中生成的O原子基反应生成OH根，这会消耗大量的O原子基，从反应机理上减少了O原子与N或N₂反应生成NOx的可能性，而且生成的OH根基本不与N₂反应，因此湿法是降低热力型NOx的重要手段。但是在主燃区喷水也会带来一系列的问题，如必须对燃烧室进行改造使其能够喷入水蒸气，使燃烧室结构复杂，增加了维护成本；另外有研究表明，加入水蒸气会增加CO和UHC的生成量，这也是难以接受的。

由于催化还原法和湿式低排放法均存在着种种不足，所以干式低排放法成为了研究的主体。目前正在研究的干式低排放燃烧室有：富油燃烧-焠熄-贫油燃烧室(RQL)、贫油直喷燃烧室(LDI)、贫油预混预蒸发燃烧室(LPP)、双环预混旋流燃烧室(TAPS)和可变几何燃烧室(VGC)等。其中，贫油预混燃烧是实现干式低排放的主要技术措施之一，然而采用该燃烧技术时，机组运行中总会出现低工况下燃烧室贫燃熄火和回火等问题，因此拓宽稳定运行范围已成为贫油预混燃烧技术的重要研究方向。

发明内容

本实用新型提供了一种实现预混燃烧和扩散燃烧的燃料喷嘴，解决了现有贫油预混燃烧方式喷嘴存在的贫燃熄火和回火问题，采用具有预混和扩散双回路燃烧室的喷嘴，预混燃烧用于降低污染物排放，扩散燃烧提供值班火焰，防止火焰吹熄。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：

一种实现预混燃烧和扩散燃烧的燃料喷嘴，包括燃料供入管、外壳、涡流器及中心体；所述外壳的一端为空气入口端，另一端为喷射端；中心体设于外壳内并与外壳同轴设置，燃料供入管及涡流器均靠近空气入口端设置，其中涡流器设于外壳与中心体之间的环形空间内，涡流器与喷射端之间的环形空间为预混通道；所述涡流器由多个旋流叶片组成；所述中心体的中部设中央通道作为燃气腔，中央通道的外围设环形通道作为空气腔，燃气腔在对应喷射端设多个燃气喷射孔；空气腔在对应空气入口端设多个空气进入孔，在对应喷射端设多个空气喷射孔；燃料供入管设中心通道作为预混燃料通道，中心通道外围的环形通道作为扩散燃料通道；靠近空气入口端的外壳内设扩散环形通道和预混环形通道，所述旋流叶片中设扩散连通通道和预混连通通道；扩散燃料通道通过扩散环形通道、扩散连通通道连接燃气腔；预混燃料通道通过预混环形通道、预混连通通道连接预混通道。

所述外壳在空气入口端设紊流段，紊流段的外壳具有阶梯状的孔壁。

所述预混通道为变截面通道，且横截面面积自涡流器一端向空气喷射端逐渐减小。

对应预混通道处，外壳的外径不变，中心体为锥体结构，且锥度为5°～7°。

所述燃气喷射孔、空气喷射孔均为向外倾斜的斜孔，孔中心线与外壳轴线之间的夹角为30°～60°。

所述燃气喷射孔、空气喷射孔的直径为1.0～3.0mm。

所述旋流叶片为n个，n个旋流叶片中均设有预混连通通道，预混连通通道的一端直接与预混环形通道连通，另一端通过设于旋流叶片上的多个连通孔与预混通道连通；m个旋流叶片中设有扩散连通通道，且m≤n，扩散连通通道的一端直接与扩散环形通道连通，另一端直接与燃气腔连通。

所述旋流叶片沿纵向分为平行段及涡流段，平行段与外壳的轴线方向平行，涡流段与外壳轴线方向的夹角为45°并且具有螺旋形状。

所述平行段的截面宽度大于涡流段的截面宽度，扩散连通通道及预混连通通道均设于平行段。

所述多个旋流叶片沿环向均匀设置。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1)燃料喷嘴为双回路喷嘴，能够在喷嘴的喷射端形成2个独立的燃烧区：值班燃烧区和主要燃烧区，通过2个燃烧区内的相互辅助燃烧，确保在整个工作范围内稳定燃烧，有效解决了现有贫油预混燃烧方式喷嘴存在的贫燃熄火和回火问题；

2)空气入口端设紊流段，能够降低输入速度场不均匀性的影响；

3)旋流叶片分2段设计，平行段用于调整来流空气，涡流段用于燃料与空气的充分预混；旋流叶片中设2个气流通道，通过2个气流通道实现预混燃料及扩散燃料的定向输送，结构简单紧凑。

附图说明

图1是本实用新型所述燃料喷嘴的主视图。

图2是图1的侧视剖面图。

图3是本实用新型所述燃料喷嘴的轴侧剖视图。

图4是本实用新型所述旋流叶片的横截面视图。

图5是本实用新型所述燃料喷嘴的气流轨迹图。

图中：1.燃料供入管 11.预混燃料通道 12.扩散燃料通道 2.外壳 21.紊流段22.预混环形通道 23.扩散环形通道 24.预混通道 3.涡流器 31.旋流叶片 32.扩散连通通道 33.连通孔 34.预混连通通道 35.平行段 36.涡流段 4.中心体 41.燃气腔 42.空气腔 43.空气进入孔 44.燃气喷射孔 45.空气喷射孔

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：

如图1-图3所示，本实用新型所述一种实现预混燃烧和扩散燃烧的燃料喷嘴，包括燃料供入管1、外壳2、涡流器3及中心体4；所述外壳2的一端为空气入口端，另一端为喷射端；中心体4设于外壳2内并与外壳2同轴设置，燃料供入管1及涡流器3均靠近空气入口端设置，其中涡流器3设于外壳2与中心体4之间的环形空间内，涡流器3与喷射端之间的环形空间为预混通道24；所述涡流器3由多个旋流叶片31组成；所述中心体4的中部设中央通道作为燃气腔41，中央通道的外围设环形通道作为空气腔42，燃气腔41在对应喷射端设多个燃气喷射孔44；空气腔42在对应空气入口端设多个空气进入孔43，在对应喷射端设多个空气喷射孔45；燃料供入管1设中心通道作为预混燃料通道11，中心通道外围的环形通道作为扩散燃料通道12；靠近空气入口端的外壳2内设扩散环形通道23和预混环形通道22，所述旋流叶片31中设扩散连通通道32和预混连通通道34；扩散燃料通道12通过扩散环形通道23、扩散连通通道32连接燃气腔41；预混燃料通道11通过预混环形通道22、预混连通通道34连接预混通道24。

所述外壳2在空气入口端设紊流段21，紊流段21的外壳2具有阶梯状的孔壁。

所述预混通道24为变截面通道，且横截面面积自涡流器3一端向空气喷射端逐渐减小。

对应预混通道24处，外壳2的外径不变，中心体4为锥体结构，且锥度为5°～7°。

所述燃气喷射孔44、空气喷射孔43均为向外倾斜的斜孔，孔中心线与外壳2轴线之间的夹角为30°～60°。

所述燃气喷射孔44、空气喷射孔43的直径为1.0～3.0mm。

所述旋流叶片31为n个，n个旋流叶片31中均设有预混连通通道34，预混连通通道34的一端直接与预混环形通道22连通，另一端通过设于旋流叶片31上的多个连通孔33与预混通道24连通；m个旋流叶片31中设有扩散连通通道32，且m≤n，扩散连通通道32的一端直接与扩散环形通道23连通，另一端直接与燃气腔41连通。

如图4所示，所述旋流叶片31沿纵向分为平行段35及涡流段36，平行段35与外壳2的轴线方向平行，涡流段36与外壳2轴线方向的夹角为45°并且具有螺旋形状。

所述平行段35的截面宽度大于涡流段36的截面宽度，扩散连通通道32及预混连通通道34均设于平行段35。

所述多个旋流叶片31沿环向均匀设置。

维持贫燃预混燃烧室内的正常燃烧，关键在于避免火焰的吹熄与振荡燃烧。本发明采用具有预混和扩散双回路燃烧室的喷嘴实现预混燃烧和扩散燃烧，其中预混燃烧用于降低污染物排放，扩散燃烧作为值班燃烧方式，防止火焰吹熄。

喷嘴的喷射端具有两个独立的燃烧区：值班燃烧区和主要燃料燃烧区。主要燃烧区域设有带轴向涡流器的环形预混通道，用于供给主燃料气体。喷嘴的空气入口端设有紊流段，用于降低输入速度场不均匀性的影响。主燃料气体进入预混通道后，在紊流回旋流中形成匀质的燃料空气混合气。自预混通道输出的燃料空气混合气用于形成具有稳定中心区的圆锥形火焰，并通过燃烧产物回流的方式维持燃烧。

如图5所示，本实用新型所述燃料喷嘴中，扩散燃料的输送路径(气流轨迹)为：扩散燃料通过燃料供入管中的扩散燃料通道进入壳体内部的扩散环形通道，穿过多个旋流叶片中的扩散连通通道进入中心体内的燃气腔，最后穿过中心体端壁上的燃气喷射孔射流掺混到自预混通道输出的旋流中。预混燃料的输送路径(气流轨迹)为：预混燃料通过燃料供入管中的预混燃料通道进入壳体内部的预混环形通道，穿过旋流叶片中的预混连通通道通过旋流叶片上的多个连通孔进入中心体外侧的预混通道，与自空气入口端进入的空气混合，在紊流回旋流中形成匀质的燃料空气混合气。

预混回路中燃料燃烧所需要的热，可通过扩散燃烧和预混燃烧的回流提供。通过两个燃烧区的相互辅助燃烧，可以确保在整个工作范围内稳定燃烧。在额定工况下，预混回路的燃料因与空气充分掺混，具有较大的过量空气系数，燃烧后几乎会耗尽，而扩散燃烧在工作时逐渐减少，这样可确保将有害物质的排放降至最低水平。

在燃气轮机的燃烧室中，火焰筒纵截面内的温度场在喷嘴的中心体后面具有最高温度。温度高于1850K的火焰筒中的贮气罐是形成氮氧化物的地方，氮氧化物的量一直保存至发动机出口。在低排燃烧室的火焰筒中，唯一具有高温的地方是喷嘴中中心体后面的尾流。因此，燃烧室内氮氧化物的形成仅由喷嘴的性能决定。本实用新型所述燃料喷嘴实现了氮氧化物低排放，在保证喷嘴中过剩空气系数不小于α＝1.8(由压气机中增压比确定)，且值班燃料的消耗不多于5％的前提下，可用于任意场合的环形燃烧室。在具有不同热力学循环参数发动机的燃烧室中，采用本实用新型所述燃料喷嘴能够将NOx排放降低至30mg/m³。

以下实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

【实施例】

本实施例中，实现预混燃烧和扩散燃烧的燃料喷嘴由燃料供入管、外壳、涡流器及中心体组成。

涡流器设9片旋流叶片；其中6片旋流叶片中设有用于输送扩散燃料的扩散连通通道；每个旋流叶片中均设有用于输送预混燃料的预混连通通道，每个旋流叶片上设2个连通孔。

旋流叶片的一端与燃料喷嘴的轴线平行，用于调整来流空气，另一端为旋流结构，用于形成涡流使预混燃料与空气充分混合。

中心体与外壳之间形成截面积逐渐减小的预混通道，外壳的外径不变，中心体为椎体结构，锥度为6°。

中心体的中央通道为燃气腔，对应喷射端的燃气腔端壁上开设6个燃气喷射孔，直径为1.5mm，且孔轴线与喷嘴轴线成45°夹角。

燃气腔的外围为环形的空气腔，对应喷射端的空气腔端壁上开设18个空气喷射孔，直径为1.5mm，且孔轴线与喷嘴轴线成45°夹角。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实现预混燃烧和扩散燃烧的燃料喷嘴，其特征在于，包括燃料供入管、外壳、涡流器及中心体；所述外壳的一端为空气入口端，另一端为喷射端；中心体设于外壳内并与外壳同轴设置，燃料供入管及涡流器均靠近空气入口端设置，其中涡流器设于外壳与中心体之间的环形空间内，涡流器与喷射端之间的环形空间为预混通道；所述涡流器由多个旋流叶片组成；所述中心体的中部设中央通道作为燃气腔，中央通道的外围设环形通道作为空气腔，燃气腔在对应喷射端设多个燃气喷射孔；空气腔在对应空气入口端设多个空气进入孔，在对应喷射端设多个空气喷射孔；燃料供入管设中心通道作为预混燃料通道，中心通道外围的环形通道作为扩散燃料通道；靠近空气入口端的外壳内设扩散环形通道和预混环形通道，所述旋流叶片中设扩散连通通道和预混连通通道；扩散燃料通道通过扩散环形通道、扩散连通通道连接燃气腔；预混燃料通道通过预混环形通道、预混连通通道连接预混通道。

2.根据权利要求1所述的一种实现预混燃烧和扩散燃烧的燃料喷嘴，其特征在于，所述外壳在空气入口端设紊流段，紊流段的外壳具有阶梯状的孔壁。

3.根据权利要求1所述的一种实现预混燃烧和扩散燃烧的燃料喷嘴，其特征在于，所述预混通道为变截面通道，且横截面面积自涡流器一端向空气喷射端逐渐减小。

4.根据权利要求3所述的一种实现预混燃烧和扩散燃烧的燃料喷嘴，其特征在于，对应预混通道处，外壳的外径不变，中心体为锥体结构，且锥度为5°～7°。

5.根据权利要求1所述的一种实现预混燃烧和扩散燃烧的燃料喷嘴，其特征在于，所述燃气喷射孔、空气喷射孔均为向外倾斜的斜孔，孔中心线与外壳轴线之间的夹角为30°～60°。

6.根据权利要求1或5所述的一种实现预混燃烧和扩散燃烧的燃料喷嘴，其特征在于，所述燃气喷射孔、空气喷射孔的直径为1.0～3.0mm。

7.根据权利要求1所述的一种实现预混燃烧和扩散燃烧的燃料喷嘴，其特征在于，所述旋流叶片为n个，n个旋流叶片中均设有预混连通通道，预混连通通道的一端直接与预混环形通道连通，另一端通过设于旋流叶片上的多个连通孔与预混通道连通；m个旋流叶片中设有扩散连通通道，且m≤n，扩散连通通道的一端直接与扩散环形通道连通，另一端直接与燃气腔连通。

8.根据权利要求1或7所述的一种实现预混燃烧和扩散燃烧的燃料喷嘴，其特征在于，所述旋流叶片沿纵向分为平行段及涡流段，平行段与外壳的轴线方向平行，涡流段与外壳轴线方向的夹角为45°并且具有螺旋形状。

9.根据权利要求8所述的一种实现预混燃烧和扩散燃烧的燃料喷嘴，其特征在于，所述平行段的截面宽度大于涡流段的截面宽度，扩散连通通道及预混连通通道均设于平行段。

10.根据权利要求1所述的一种实现预混燃烧和扩散燃烧的燃料喷嘴，其特征在于，所述多个旋流叶片沿环向均匀设置。

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