CN218064968U - 一种燃烧喷嘴及内外混燃机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃烧喷嘴，包括相套设的蒸汽管和燃料管，燃料管出口与蒸汽管出口同侧设置；还包括混合腔、进气通道以及连通进气通道和混合腔的旋流通道，混合腔位于蒸汽管出口的外侧，进气通道设在混合腔的壳体外侧。本实用新型还公开了一种具有该燃烧喷嘴的内外混燃机，包括燃气轮机和蒸汽发生器，燃气轮机的排气端与蒸汽发生器的进气端连接；蒸汽发生器的出汽端与燃气轮机连接；所述燃气轮机的燃烧室内设有燃烧喷嘴。本实用新型的燃烧喷嘴，可使得喷出的混合气外层有水蒸气保护，能控制燃料的燃烧速率，并能防止燃料燃烧回火烘烤喷嘴。本实用新型的内外混燃机，可对尾气的余热进行有效回收，实现燃气轮机的燃气、蒸汽联合利用。

Description

一种燃烧喷嘴及内外混燃机

技术领域

本实用新型涉及一种燃烧喷嘴及内外混燃机，属于发动机技术领域。

背景技术

燃气轮机以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功，是一种旋转叶轮式热力发动机。其主要包括压气机、燃烧室、涡轮三大部件：压气机从外界大气环境吸入空气，并压缩使之增压，同时空气温度也相应提高；压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体；然后再进入到涡轮中膨胀做功，推动涡轮带动压气机和外负荷转子高速旋转，可实现气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功和热能，并可通过连接发电机输出电能。

燃气轮机具有结构紧凑、功率高、易安装等优点，已经成为一种广泛使用的动力机械。然而单独的燃气轮机具有有限的效率，并且尾气排到周围环境中时浪费了大量有用的能量，造成能源浪费，且其尾气中的余热会对环境产生一定的影响。

燃烧室是燃气轮机的重要组成部件之一，来自压气机的工质(一般为压缩空气)被引入燃烧室内并与燃料混合燃烧。目前的燃气轮机燃烧室中，燃料喷出后与空气直接接触，由于反应剧烈，常常会出现回火现象，当反应不完全时，产生的碳氮化合物可能会导致火焰熄灭，且由于反应不完全，排放污染物较多，对环境产生不利影响。

发明内容

针对上述现有技术，本实用新型提供了一种具有特殊结构的燃烧喷嘴，以及具有该燃烧喷嘴的内外混燃机。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种燃烧喷嘴，包括相套设的蒸汽管和燃料管，所述燃料管具有燃料通道和燃料管出口，所述蒸汽管具有蒸汽通道和蒸汽管出口，燃料管出口与蒸汽管出口同侧设置；

所述燃烧喷嘴还包括混合腔、进气通道，以及连通进气通道和混合腔的旋流通道，其中，混合腔位于蒸汽管出口的外侧，进气通道设在混合腔的壳体外侧(可以环绕蒸汽管设置)，旋流通道设在混合腔的壳体上。

进一步地，所述蒸汽管和燃料管可以为同轴设置，以保证喷出气体混合均匀性。

进一步地，所述蒸汽管出口相比燃料管出口更靠近混合腔，如此可使得燃料进入混合腔之前被水蒸气包裹住。

进一步地，所述混合腔背向蒸汽管出口的一侧呈扩口状，以便于混合气向燃烧室内部旋转喷出。

进一步地，所述旋流通道的数量可以为多个，多个旋流通道可以沿周向均匀排布，以实现均匀旋流。

进一步地，所述旋流通道出口端背向蒸汽管出口倾斜(即：从轴向方向上，旋流通道的进口端相比旋流通道的出口端更靠近蒸汽管出口)，如此，能够沿喷嘴喷出方向加速混合气并且尽量不阻碍旋流的形成，且防止气体回流和堵气。

进一步地，所述旋流通道在轴向方向的截面中心线延长线相交于混合腔内，如此可使得混合气旋流在混合腔内形成，尽量避免混合气在混合腔外被吹散而影响旋流。

进一步地，所述旋流通道在径向方向的截面中心线延长线围绕燃料管的径向截面圆心同侧偏心设置，优选为偏心角度一致，如此可有利于旋流的形成。

进一步地，所述旋流通道的进口端开口大于出口端开口(比如：旋流通道的进口端开口、出口端开口均呈圆形，则进口端开口的直径大于出口端开口的直径)，如此可便于进气以及气流的加速。

进一步地，所述蒸汽管套设于燃料管外侧，此时，燃料管内的燃料可以是氢气，尤其是纯氢气。或：燃料管套设于蒸汽管外侧，此时，燃料管内的燃料可以是掺混有约50％比例氢气的混合燃料气，例如是焦炉煤气。

一种内外混燃机，包括燃气轮机和蒸汽发生器，燃气轮机的排气端与蒸汽发生器的进气端连接；蒸汽发生器的出汽端与燃气轮机连接；所述燃气轮机的燃烧室内设有上述结构的燃烧喷嘴，燃料管的入口端与燃气轮机的燃料罐连通，蒸汽管的入口端与蒸汽发生器的出汽端连通。

进一步地，所述内外混燃机还可包括冷凝器，蒸汽发生器的出汽端与冷凝器的进汽端连接，冷凝器的出水端通过泵与蒸汽发生器的进水端连接。

进一步地，所述燃气轮机为单转子燃气轮机或多转子燃气轮机。

进一步地，所述单转子燃气轮机，包括转轴、压气机、电机、涡轮和燃烧室，压气机、电机和涡轮均套设在转轴上，压气机的出气端与燃烧室的进气端连接，燃烧室的出气端与涡轮的进气端连接，涡轮的排气端与蒸汽发生器的进气端连接。

进一步地，所述多转子燃气轮机，包括第一转子系统和第二转子系统；

所述第一转子系统，包括第一转轴、第一电机、第一压气机、第一涡轮和第一燃烧室，第一电机、第一压气机、第一涡轮依次套设在第一转轴上；第一压气机的出气端与第一燃烧室的进气端连接；第一燃烧室的排气端与第一涡轮的进气端连接；

所述第二转子系统，包括第二转轴、第二涡轮和第二电机，第二涡轮和第二电机均套设在第二转轴上，第一涡轮的排气端与第二涡轮的进气端连接，第二涡轮的排气端与蒸汽发生器的进气端连接；

所述第一转轴和第二转轴同轴设置，且第一转轴设置在第二转轴之前，第一转轴和第二转轴之间解耦(转速不必相同，便于灵活匹配涡轮的气动设计)；所述第一涡轮的排气端与第二涡轮的进气端连接，第一涡轮排出的尾气可推动第二涡轮旋转做功，做功后尾气通过排气端排出。

本实用新型的内外混燃机，工作时，燃气轮机通过排气端将尾气排入蒸汽发生器，尾气在蒸汽发生器内与水换热，生成蒸汽；生成的蒸汽，一部分回注入燃气轮机的燃烧喷嘴(实际应用时可控制回注入燃气轮机的蒸汽的流量，比如控制蒸汽与进入燃气轮机的工质的流量比为2～3:1)，一部分可以注入冷凝器(蒸汽在冷凝器内形成冷凝水，冷凝水通过泵加入蒸汽发生器，以补充蒸发为蒸汽的水)。蒸汽注入燃烧喷嘴的蒸汽管后由蒸汽管出口喷出，喷出的水蒸气与经由燃料管喷出的燃料在混合腔内混合，同时，进入进气通道的气体(通常为空气)经由旋流通道喷入混合腔内形成旋流，并使混合腔内的混合气旋转喷出燃烧喷嘴。旋转喷出的混合气在离心力的作用下至少部分分层，水蒸气位于外层包裹燃料(比如氢气)，从而控制氢气的燃烧速率，使燃烧更稳定，并能防止氢气燃烧回火烘烤喷嘴，并且水蒸气能进一步保护燃烧室内壁，增加燃烧室的使用寿命。

本实用新型的燃烧喷嘴及内外混燃机，在燃料管外设置蒸汽管，喷出的蒸汽在燃料外形成一层保护罩，一方面可以隔绝工质，防止工质与燃料直接接触导致反应过于剧烈，防止回火，并可降低燃烧室内的温度；另一方面，燃料与工质接触之前，先与蒸汽进行预混，之后再与工质混合燃烧，反应稳定又彻底，可减少因燃烧不完全而产生的有毒、有害气体的排放。实际应用时，可控制燃料管中燃料和蒸汽管中蒸汽的流量比例，比如控制燃料和蒸汽的体积比为1:0.1～100；优选0.3～4。燃料管内的燃料可选自氢气。

本实用新型的内外混燃机，蒸汽注入燃气轮机的燃烧室内可参与燃烧(燃料中含有碳元素时)，原理为：水蒸汽与在高温燃烧中的燃料的碳元素发生化学反应生成一氧化碳和氢气，一氧化碳和氢气均是可燃性气体,可以起到明显的助燃作用，使燃烧更加充分,减少了因燃烧不完全而产生的有毒、有害气体的排放,从而大大提高了燃料燃烧的热能利用率。

本实用新型的特殊结构的燃烧喷嘴，可使得喷出的混合气外层有水蒸气保护，能控制燃料的燃烧速率，使燃烧更稳定，并能防止燃料燃烧回火烘烤喷嘴，并且水蒸气能进一步保护燃烧室内壁，延长燃烧室使用寿命。本实用新型的燃烧喷嘴，还可以作为单独的水蒸气发生装置进行应用。本实用新型的内外混燃机，可对尾气的余热进行有效回收，实现燃气轮机的燃气、蒸汽联合利用，提高燃气轮机效率，减少能源浪费。同时燃烧的污染物会被蒸汽清洗，避免排放入大气，可以显著提高排放清洁度。

本实用新型使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。

附图说明

图1：本实用新型的燃烧喷嘴的结构示意图。

图2：图1的A-A截面图。

图3：内外混燃机的结构示意图。

图4：单转子燃气轮机的结构示意图。

图5：多转子燃气轮机的结构示意图。

其中，611、蒸汽管；6111、蒸汽管出口；612、燃料管；6121、燃料管出口；613、进气通道；614、混合腔；615、旋流通道。1、燃气轮机；2、蒸汽发生器；3、冷凝器；4、泵；102、压气机；103、电机；104、涡轮；105、燃烧室；106、扩压器。100、第一转轴；200、第一电机；300、第一压气机；400、第一涡轮；500、第一燃烧室；600、第二涡轮；700、第二转轴；800、第二电机。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步的说明。然而，本实用新型的范围并不限于下述实施例。本领域技术人员能够理解，在不背离本实用新型的精神和范围的前提下，可以对本实用新型进行各种变化和修饰。

实施例1

一种燃烧喷嘴，包括相套设的蒸汽管611和燃料管612，蒸汽管611套设于燃料管612外侧；如图1所示，所述燃料管611具有燃料通道和燃料管出口6111，所述蒸汽管612具有蒸汽通道和蒸汽管出口6121，燃料管出口6111与蒸汽管出口6121同侧设置；

所述燃烧喷嘴还包括混合腔614、进气通道613，以及连通进气通道613和混合腔614的旋流通道615，其中，混合腔614位于蒸汽管出口6111的外侧，进气通道615设在混合腔614的壳体外侧(可以环绕蒸汽管611设置)，旋流通道615设在混合腔614的壳体上。

上述结构的燃烧喷嘴，工作时，由蒸汽管出口6111喷出的水蒸汽，与经由燃料管612喷出的燃料在混合腔614内混合，同时，进入进气通道613的气体(通常为空气)经由旋流通道615喷入混合腔614内形成旋流，并使混合腔614内的混合气旋转喷出燃烧喷嘴。旋转喷出的混合气在离心力的作用下至少部分分层，水蒸气位于外层包裹燃料(比如氢气)，从而控制氢气的燃烧速率，使燃烧更稳定，并能防止氢气燃烧回火烘烤喷嘴。

所述蒸汽管611和燃料管612可以为同轴设置，以保证喷出气体混合均匀性。

所述蒸汽管出口6111相比燃料管出口6121更靠近混合腔614，如此可使得燃料进入混合腔614之前被水蒸气包裹住。

所述混合腔614背向蒸汽管出口6111的一侧呈扩口状，当应用于内外混燃机时，可便于混合气向燃烧室内部旋转喷出。

进一步地，所述旋流通道615的数量可以为多个(如图2所示，图中示出为8个)，多个旋流通道615可以沿周向均匀排布，以实现均匀旋流。

进一步地，所述旋流通道615的出口端背向蒸汽管出口6111倾斜(即：从轴向方向上，旋流通道615的进口端相比旋流通道615的出口端更靠近蒸汽管出口6111)，如此，能够沿喷嘴喷出方向加速混合气并且尽量不阻碍旋流的形成，且防止气体回流和堵气。

进一步地，如图1所示，所述旋流通道615在轴向方向的截面中心线延长线相交于混合腔614内，如此可使得混合气旋流在混合腔614内形成，尽量避免混合气在混合腔614外被吹散而影响旋流。

进一步地，如图2所示，所述旋流通道615在径向方向的截面中心线延长线围绕燃料管612的径向截面圆心同侧偏心设置，优选为偏心角度一致，如此可有利于旋流的形成。

进一步地，如图2所示，所述旋流通道615的进口端开口大于出口端开口(比如：旋流通道615的进口端开口、出口端开口均呈圆形，则进口端开口的直径大于出口端开口的直径)，如此可便于进气以及气流的加速。

实施例2

一种燃烧喷嘴，结构同实施例1，不同之处在于：燃料管套设于蒸汽管外侧，此时，燃料管内的燃料可以是掺混有约50％比例氢气的混合燃料气，例如是焦炉煤气。

实施例3

一种内外混燃机，如图3所示，包括燃气轮机1和蒸汽发生器2，燃气轮机1的排气端与蒸汽发生器2的进气端连接；蒸汽发生器2的出汽端与燃气轮机1连接；所述燃气轮机1的燃烧室105内设有实施例1所示结构的燃烧喷嘴，燃料管612的入口端与燃气轮机1的燃料罐连通，蒸汽管611的入口端与蒸汽发生器2的出汽端连通。

所述内外混燃机还可包括冷凝器3，蒸汽发生器2的出汽端与冷凝器3的进汽端连接，冷凝器3的出水端通过泵4与蒸汽发生器2的进水端连接。

所述燃气轮机1为单转子燃气轮机，如图4所示，包括转轴、压气机102、电机103、涡轮104和燃烧室105，压气机102、电机103和涡轮104均套设在转轴上，压气机102的出气端与燃烧室105的进气端连接，燃烧室105的出气端与涡轮104的进气端连接，涡轮104的排气端与蒸汽发生器2的进气端连接。

工作时，燃气轮机1通过排气端将尾气排入蒸汽发生器2，尾气在蒸汽发生器2内与水换热，生产蒸汽；生成的蒸汽，一部分回注入燃气轮机1，实际应用时，可控制回注入燃气轮机1的蒸汽的流量，比如控制蒸汽与进入燃气轮机1的工质的流量比为2～3:1；一部分可注入冷凝器3，蒸汽在冷凝器3内形成冷凝水，冷凝水通过泵4加入蒸汽发生器2以补充蒸发为蒸汽的水。

所述电机103可以为启发一体式电机，启动时，作为起动机带动微型燃气轮机旋转，待加速到能独立运行后，起动机脱开转化为发电机。

所述压气机102与燃烧室105连接处还可设有扩压器106，工质经压气机102压缩并经扩压器106扩压后，进入燃烧室105。

单转子燃气轮机工作时，压气机102低压端从外界吸入工质(一般为空气)，工质经压气机102压缩增压后，进入到燃烧室105内并与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体，高温气体从燃烧室105出气端进入到涡轮104中并推动涡轮104做功，涡轮104带动同轴的电机103发电，并带动压气机102工作，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械能，并输出电能；高温气体对涡轮104做功后作为尾气从排气端排出，进入蒸汽发生器2，经热交换后，蒸汽发生器2排出的部分蒸汽回注入燃气轮机1。

实施例4

一种内外混燃机，如图3所示，包括燃气轮机1和蒸汽发生器2，燃气轮机1的排气端与蒸汽发生器2的进气端连接；蒸汽发生器2的出汽端与燃气轮机1连接；所述燃气轮机1的燃烧室105内设有实施例1所示结构的燃烧喷嘴，燃料管612的入口端与燃气轮机1的燃料罐连通，蒸汽管611的入口端与蒸汽发生器2的出汽端连通。

所述内外混燃机还可包括冷凝器3，蒸汽发生器2的出汽端与冷凝器3的进汽端连接，冷凝器3的出水端通过泵4与蒸汽发生器2的进水端连接。

所述燃气轮机1为多转子燃气轮机，如图5所示，包括第一转子系统和第二转子系统；

所述第一转子系统，包括第一转轴100、第一电机200、第一压气机300、第一涡轮400和第一燃烧室500，第一电机200、第一压气机300、第一涡轮400依次套设在第一转轴100上；第一压气机300的出气端与第一燃烧室500的进气端连接；第一燃烧室500的排气端与第一涡轮400的进气端连接。

所述第二转子系统，包括第二转轴700、第二涡轮600和第二电机800，如图2所示，第二涡轮600和第二电机800均套设在第二转轴700上，第一涡轮400的排气端与第二涡轮600的进气端连接，第二涡轮600的排气端与蒸汽发生器2的进气端连接。

所述第一转轴100和第二转轴700同轴设置，且第一转轴100设置在第二转轴700之前，第一转轴100和第二转轴700之间解耦(转速不必相同，便于灵活匹配涡轮的气动设计)；所述第一涡轮400的排气端与第二涡轮600的进气端连接，第一涡轮400排出的尾气可推动第二涡轮600旋转做功，做功后尾气通过排气端排出。

所述第一电机200可以为启发一体式电机，第一压气机300启动时，启发一体式电机先作为电动机带动第一压气机300旋转，待加速到能独立运行后脱开，作为发电机，由第一涡轮400转动带动第一转轴100进而带动第一电机200发电。

所述第一压气机300与第一燃烧室500的连接处还可设有扩压器106，即：第一压气机300的出气端与扩压器106连通，扩压器106的排气端与第一燃烧室500的进气端连通；工质经第一压气机300压缩并经扩压器106扩压后，进入第一燃烧室500。

多转子燃气轮机工作时，第一压气机300从外界吸入工质(一般为空气)，工质经第一压气机300压缩增压后，进入到第一燃烧室500内并与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体，高温气体从第一燃烧室500的出气端进入到第一涡轮400中并推动第一涡轮400做功，第一涡轮400带动同轴的第一电机200发电，并带动第一压气机300工作，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械能，并输出电能；高温气体对第一涡轮400做功后，继续对第二涡轮600做功，第二涡轮600带动同轴的第二电机800发电；对第二涡轮600做功后的气体作为尾气从排气端排出，进入蒸汽发生器2，经热交换后，蒸汽发生器2排出的部分蒸汽回注入燃气轮机1。第一转轴100和第二转轴700均可转动做功，均为发电轴，且两根发电轴之间解耦，转速不必相同，便于灵活匹配涡轮的气动设计。

给本领域技术人员提供上述实施例，以完全公开和描述如何实施和使用所主张的实施方案，而不是用于限制本文公开的范围。对于本领域技术人员而言显而易见的修饰将在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种燃烧喷嘴，其特征在于：包括相套设的蒸汽管和燃料管，所述燃料管具有燃料通道和燃料管出口，所述蒸汽管具有蒸汽通道和蒸汽管出口，燃料管出口与蒸汽管出口同侧设置；

所述燃烧喷嘴还包括混合腔、进气通道，以及连通进气通道和混合腔的旋流通道，其中，混合腔位于蒸汽管出口的外侧，进气通道设在混合腔的壳体外侧，旋流通道设在混合腔的壳体上。

2.根据权利要求1所述的燃烧喷嘴，其特征在于：所述蒸汽管出口相比燃料管出口更靠近混合腔。

3.根据权利要求1所述的燃烧喷嘴，其特征在于：所述混合腔背向蒸汽管出口的一侧呈扩口状。

4.根据权利要求1所述的燃烧喷嘴，其特征在于：所述旋流通道的数量为多个，多个旋流通道沿周向均匀排布。

5.根据权利要求1所述的燃烧喷嘴，其特征在于：所述旋流通道出口端背向蒸汽管出口倾斜。

6.根据权利要求1所述的燃烧喷嘴，其特征在于：所述旋流通道在轴向方向的截面中心线延长线相交于混合腔内；

所述旋流通道在径向方向的截面中心线延长线围绕燃料管的径向截面圆心同侧偏心设置。

7.根据权利要求1所述的燃烧喷嘴，其特征在于：所述旋流通道的进口端开口大于出口端开口。

8.根据权利要求1所述的燃烧喷嘴，其特征在于：所述蒸汽管套设于燃料管外侧，或：燃料管套设于蒸汽管外侧。

9.一种内外混燃机，其特征在于：包括燃气轮机和蒸汽发生器，燃气轮机的排气端与蒸汽发生器的进气端连接；蒸汽发生器的出汽端与燃气轮机连接；所述燃气轮机的燃烧室内设有权利要求1～8中任一项所述的燃烧喷嘴，燃料管的入口端与燃气轮机的燃料罐连通，蒸汽管的入口端与蒸汽发生器的出汽端连通。

10.根据权利要求9所述的内外混燃机，其特征在于：所述燃气轮机为单转子燃气轮机或多转子燃气轮机；

所述单转子燃气轮机，包括转轴、压气机、电机、涡轮和燃烧室，压气机、电机和涡轮均套设在转轴上，压气机的出气端与燃烧室的进气端连接，燃烧室的出气端与涡轮的进气端连接，涡轮的排气端与蒸汽发生器的进气端连接；

所述多转子燃气轮机，包括第一转子系统和第二转子系统；

所述第一转子系统，包括第一转轴、第一电机、第一压气机、第一涡轮和第一燃烧室，第一电机、第一压气机、第一涡轮依次套设在第一转轴上；第一压气机的出气端与第一燃烧室的进气端连接；第一燃烧室的排气端与第一涡轮的进气端连接；

所述第二转子系统，包括第二转轴、第二涡轮和第二电机，第二涡轮和第二电机均套设在第二转轴上，第一涡轮的排气端与第二涡轮的进气端连接，第二涡轮的排气端与蒸汽发生器的进气端连接。

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