CN220524157U - 一种燃气轮机及其喷嘴 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种燃气轮机及其喷嘴，涉及燃气轮机技术领域。包括径向旋流器、端盖、设置于所述端盖的气态燃料管、液态燃料管、开设于所述端盖内部的第二空气流道和第一气态燃料流道。所述径向旋流器的内部形成有第一空气流道。端盖与所述径向旋流器相连接；且所述端盖和所述径向旋流器的轴心线平行；所述端盖内部形成有燃气腔，所述燃气腔与所述径向旋流器相连通。本申请中的燃气轮机使用时，可以根据燃气轮机的工况状态选取与其需求燃料量相当的预混气进行燃烧，相对于只能通过调节气态燃料的喷射速度来调节燃气轮机需求燃料量的喷嘴来说，本申请的喷嘴采用气态燃料时可以进行点火启动，并且低工况状态下燃气轮机的燃烧也较为稳定。

Description

一种燃气轮机及其喷嘴

技术领域

本申请涉及燃气轮机技术领域，具体为一种燃气轮机及其喷嘴。

背景技术

燃气轮机是一种依靠燃料与空气在燃烧室中燃烧产生高温燃气推动涡轮做功的机械。而随着技术的发展，市面上出现了双燃料燃气轮机。双燃料燃气轮机是指既能够使用液态燃料(一般为柴油)，也能够使用气态燃料(一般为天然气)的燃气轮机。由于技术限制，双燃料燃气轮机不论采用液态燃料或者气态燃料都需要使用液态燃料进行启动。在燃气轮机的使用过程中，若液态燃料不足，则无法启动燃气轮机，或者在燃气轮机低工况状态下燃烧不稳定。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种燃气轮机及其喷嘴，以解决现有技术中部分燃气轮机无法利用气态燃料进行启动或者低工况状态下燃烧不稳定的技术问题。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

第一方面，本申请提出一种喷嘴，该喷嘴包括径向旋流器、端盖、设置于所述端盖的气态燃料管、液态燃料管、开设于所述端盖内部的第二空气流道和第一气态燃料流道。所述径向旋流器的内部形成有第一空气流道。端盖与所述径向旋流器相连接；且所述端盖和所述径向旋流器的轴心线平行；所述端盖内部形成有燃气腔，所述燃气腔与所述径向旋流器相连通。所述气态燃料管与所述燃气腔相连通。所述液态燃料管的末端设置有喷油结构。所述第二空气流道和所述第一气态燃料流道相连通，所述第二空气流道贯穿所述端盖的末端。

本申请实施例中的一个实施方式，所述喷油结构包括液态燃料旋流器，所述液态燃料旋流器与所述液态燃料管相连通，且所述液态燃料旋流器设置有多个第一喷孔。

本申请实施例中的一个实施方式，所述液态燃料管还连通有雾化空气管。

本申请实施例中的一个实施方式，所述第二空气流道呈圆环状，且所述第二空气流道第一设置有多个燃气喷杆，各个燃气喷杆均与所述第一气态燃料流道相连通，每个燃气喷杆均设置有多个第二喷孔。

本申请实施例中的一个实施方式，所述第二空气流道还设置有轴向旋流器；沿所述第二空气流道中流体的流动方向，燃气喷杆和所述轴向旋流器依次设置。

本申请实施例中的一个实施方式，所述端盖内还形成有第二气态燃料流道，所述端盖的末端形成有多个第三喷孔，各个第三喷孔均与所述第二气态燃料流道相连通。

本申请实施例中的一个实施方式，所述端盖的末端设置有第一文丘里管。

本申请实施例中的一个实施方式，所述径向旋流器的末端形成有第二文丘里管，所述第一文丘里管位于所述第二文丘里管内，且所述第一文丘里管和所述第二文丘里管之间形成有第三气态燃料流道。

本申请实施例中的一个实施方式，所述端盖内还形成有第三空气流道，所述端盖的末端设置有多个第四喷孔，各个第四喷孔分别于所述第三空气流道相连通。

第二方面，本申请提出一种燃气轮机，该燃气轮机包括如第一方面中任意一项所述的喷嘴。

与现有技术相比，本申请的有益效果是：

喷嘴中设置的气态燃料管、燃气腔、第一空气流道和径向旋流器用于形成第一预混气，设置的第一气态燃料流道和第二空气流道用于形成第二预混气。使用时，可以根据燃气轮机的工况状态选取与其需求燃料量相当的预混气进行燃烧，相对于只能通过调节气态燃料的喷射速度来调节燃气轮机需求燃料量的喷嘴来说，本申请的喷嘴采用气态燃料时可以进行点火启动，并且低工况状态下燃气轮机的燃烧也较为稳定。

附图说明

图1为本申请实施例所提出的喷嘴的立体图；

图2为本申请实施例所提出的喷嘴的主视图；

图3为本申请实施例所提出的喷嘴的剖视图；

图4为本申请实施例所提出的各种流体在喷嘴中流动的示意图。

图中：1、端盖；2、径向旋流器；3、第一文丘里管；4、第二文丘里管；5、液态燃料管；6、液态燃料旋流器；7、雾化空气管；8、气态燃料管；9、燃气腔；10、第一空气流道；11、第一气态燃料流道；12、第三气态燃料流道；13、第二空气流道；14、轴向旋流器；15、燃气喷杆；16、第二喷孔；17、第三空气流道；18、第四喷孔；19、第二气态燃料流道；20、第三喷孔；21、第一喷孔。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“第一”、“第二”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件所必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此第二，应当理解，为了便于描述，附图中所示出的各个部件的尺寸并不按照实际的比例关系绘制，例如某些层的厚度或宽度可以相对于其他层有所夸大。

应注意的是，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义或说明，则在随后的附图的说明中将不需要再对其进行进一步的具体讨论和描述。

在了解本申请之前，需要清楚的是，现有的燃气轮机大多采用贫油燃烧。贫油燃烧是指在燃烧过程中，控制燃料与空气形成的混合气中燃料所占的比例，一般低于燃料燃烧的化学当量比，进而控制火焰燃烧温度，降低燃烧过程中所产生的污染物。贫油燃烧由于燃料燃烧的化学当量比较低，其火焰本身易受空气影响熄灭或者燃烧不稳定。并且在气态燃料燃烧的过程中，若空气的速度太快，或者气态燃料的速度太慢都会破坏燃烧平衡，而导致火焰熄灭或者燃烧不稳定。也就是说，在气态燃料和空气分别送入燃烧室进行燃烧时，如果气态燃料的喷出速度过大，或者喷出速度过小，都可能导致火焰熄灭或者燃烧不稳定。

具体的，在燃气轮机工作过程中，燃气轮机中燃烧室燃料量的多少决定了燃气轮机工况的大小。而燃烧室的燃料量又取决于喷嘴喷出的燃料量，也就是说，若燃气轮机处于低工况，则燃料的喷出量小，若燃气轮机处于高工况，则燃料的喷出量大。需要清楚的是，喷嘴喷出的燃料量取决于喷嘴上喷孔的横截面积和燃料的喷出速度。正常情况下，喷孔的横截面积是固定的，可以通过控制燃料的喷出速度来控制燃料的喷出量。也即，若燃气轮机处于低工况，则燃料的喷出速度慢，若燃气轮机处于高工况，则燃料的喷出速度快。容易理解的是，在燃气轮机燃烧过程中，空气的喷出速度基本是不变的，由前文可知，若气态燃料的喷出速度相对于空气的喷出速度过快或者过慢都容易导致火焰熄灭或者燃烧不稳定。在燃气轮机启动时，由于空气速度过快，而气态燃料速度较慢，因此也无法利用气态燃料启动燃气轮机。

为了解决上述的技术问题，如图1至图4所示，本申请提供一种喷嘴，如图3所示，该喷嘴包括：端盖1、径向旋流器2、气态燃料管8和液态燃料管5。

具体的，如图3所示，径向旋流器2的内部形成有第一空气流道10。在本申请的实施例中，大量的空气主要从第一空气流道10进入燃烧室。由径向旋流器2进入燃烧室的空气的流动路径如图4中的路线A所示。如图3所示，端盖1与径向旋流器2相连接，且端盖1和径向旋流器2轴心线平行，端盖1内部形成有燃气腔9，燃气腔9与径向旋流器2相连通。气态燃料管8与端盖1相连接，并且气态燃料管8与燃气腔9相连通。如图4所示，在本申请的实施例中，大量的气态燃料可以依次通过气态燃料管8、燃气腔9和径向旋流器2进入燃烧室。大量的气态燃料进入燃烧室的流动路径如图4中的路线B所示。需要清楚的是，如图4所示，大量的空气和大量的气态燃料在进入燃烧室的过程中，空气和气态燃料能够在径向旋流器2进行预混，形成第一预混气，在喷嘴的末端形成预混燃烧。具体的，预混燃烧是指气态燃料从喷孔喷出后在一定的区域中先进行混合，形成混合气之后再进入燃烧室进行的燃烧。

需要清楚的是，在本申请的实施例中，液态燃料管5的末端设置有喷油结构。设置液态燃料管5的主要作用是使得该喷嘴能够向燃气轮机的燃烧室中输送液态燃料。具体的，在本申请的实施例中，气态燃料包括但不仅限于天然气、液化石油气和煤层气，液态燃料包括但不仅限于柴油、重油和原油。

在本申请的一个实施例中，喷油结构可以为在液态燃料管5末端开设的喷孔。为了使得燃油能够均匀的在燃烧室中分散，在本申请的另一个实施例中，喷油结构包括液态燃料旋流器6，液态燃料旋流器6与液态燃料管5相连通，且液态燃料旋流器6设置有多个第一喷孔21。液态燃料在经过液态燃料旋流器6后旋转喷出，能够均匀的在燃烧室中进行分散燃烧。

在本申请的一个实施例中，为了便于对液态燃料进行点火，以及使得液态燃料能够充分燃烧。如图3所示，液态燃料管5还连通有雾化空气管7。雾化空气管7的主要作用是向液态燃料管5输入高压的空气，以使液态燃料管5中喷出的液态燃料能够被雾化喷出。被雾化的液态燃料不但利于点火，而且能够更好地与燃烧室中的空气混合，增加燃烧面积，使燃烧更充分和更高效。具体的，液态燃料在液态燃料管5中的流动路径如图4中的路线E所示，高压空气在雾化空气管7和液态燃料管5中的流动路径如图4中的路线D所示。高压空气能够与液态燃料在液态燃料旋流器6中被均匀混合后呈雾状喷出。由于通过旋流器雾化燃油为较为成熟的现有技术，因此不做过多赘述。

在本申请的实施例中，在端盖1的内部还开设有第二空气流道13和第一气态燃料流道11。第二空气流道13和第一气态燃料流道11相连通，并且第二空气流道13贯穿端盖1的末端。在理解本技术特征之前，需要清楚的是，在本申请的实施例中，我们将用于液态燃料或者气态燃料输送的零部件定义出首端和末端，其中，首端代表燃料从该零部件进入的端部，而末端代表燃料从该零部件输出的端部。例如：液态燃料管5的末端是指燃料从液态燃料管5内输出的端部；端盖1的末端是指燃料从端盖内输出的端部。

具体的，第一气态燃料流道11主要用于向燃烧室中输送少量的气态燃料。第二空气流道13用于向燃烧室中输送少量的空气。由于第二空气流道13贯穿端盖1的末端，因此位于第二空气流道13中的空气能够按照如图4所示中的路径C进入燃烧室。由于第一气态燃料流道11和第二空气流道13相连通，因此位于第一气态燃料流道11中的气态燃料能够按照如图4所示中的路线H进入燃烧室。容易理解的是，气态燃料由第一气态燃料流道11进入第二空气流道13后能够与第二空气流道13中的空气进行预混，形成第二预混气，在喷嘴的末端形成预混燃烧。

需要清楚的是，本申请实施例的喷嘴内部的流道能够形成两股预混气(也即前文中提出的第一预混气和第二预混气)。在燃气轮机处于点火或者低工况的状态时，通过喷嘴只输出第二预混气(燃料量较少的预混气)而不输出第一预混气(燃料量较多的预混气)。与现有技术不同的是，本申请无需通过降低气态燃料的喷出速度来降低燃烧室中的燃料量，避免了因气态燃料的喷出速度过低，导致燃料无法被点燃或者燃烧不稳定的现象发生。容易理解的是，在燃气轮机处于高工况时，可以通过喷嘴只输出第一预混气，或者同时输出第一预混气和第二预混气。

为了使得位于第二空气流道13中空气和气态燃料能够充分的进行混合。如图3所示，在本申请的一个实施例中，第二空气流道13呈圆环状，且第二空气流道13内设置有多个燃气喷杆15，各个燃气喷杆15均与第一气态燃料流道11相连通，每个燃气喷杆15均设置有多个第二喷孔16。通过燃气喷杆15上的多个第二喷孔16，使得气态燃料能够从多个方向被喷出，不同方向喷出的气态燃料利于形成均匀的第二预混气。预混气混合的越均匀，燃烧则越充分，利用效率越高，产生的污染物越少。

需要清楚的是，在进行燃烧时，混合气旋流有利于混合气中的燃料和空气可以更好地混合，从而提高燃烧效率。同时，混合气旋流可以稳定火焰，减少火焰对燃烧室内部的结构产生的损伤和腐蚀。在本申请的一个实施例中，为了使得第二预混气能够形成旋流，如图3所示，第二空气流道13还设置有轴向旋流器14；沿第二空气流道13中流体的流动方向，燃气喷杆15和轴向旋流器14依次设置。也就是说，在第二空气流道13中气态燃料和空气先形成第二预混气，然后第二预混气再经过轴向旋流器14形成旋流。

在现有技术中，由于中低热值气态燃料燃烧速度过快并且燃烧产生的热量低。因此，一般不会将中低热值气态燃料应用到燃气轮机当中，例如：氢气、甲烷或者焦炉煤气等。但是在炼焦的应用场景中，会产生中低热值气态燃料等副产品，往往将这些副产品直接排放或者燃放，不利于环保。在本申请的一个实施例中，如图3所示，端盖1内还形成有第二气态燃料流道19，端盖1的末端形成有多个第三喷孔20，各个第三喷孔20均与第二气态燃料流道19相连通。第二气态燃料流道19主要用于输送中低热值气态燃料进入燃烧室进行燃烧。具体的，中低热值气态燃料的流动路径如图4中的路线G所示。中低热值气态燃料可以配合第二预混气启动燃气轮机，也可以在燃气轮机处于高工况时，用于增加燃烧室中的燃料量。

需要清楚的是为了所有的燃料均能够进行充分的燃烧。在本申请的一个实施例中，端盖1的末端设置有第一文丘里管3。如图3所示，前文中的第二预混气、雾化燃油和中低热值气态燃料均能够通过第一文丘里管3进入燃烧室。文丘里管的结构使得穿过其内部的气体能够充分的被混合释放，有利于提升燃料的燃烧率，降低污染物的排放。

基于与上述类似的理由，在本申请的另一个实施例中，为了第一预混气也能够被进一步的均匀混合。如图3所示，径向旋流器2的末端形成有第二文丘里管4，第一文丘里管3位于第二文丘里管4内，且第一文丘里管3和第二文丘里管4之间形成有第三气态燃料流道12。如图4所示，径向旋流器2中混合形成的第一预混气在通过第三气态燃料流道12时，能够被进一步的充分混合后输送到燃烧室当中。

在本申请的实施例当中，端盖1的末端为主要的燃烧区域，其温度较高。为了防止端盖1的末端被高温烧蚀，在本申请的一个实施例中，如图3所示，端盖1内还形成有第三空气流道17，端盖1的末端设置有多个第四喷孔18，各个第四喷孔18分别于第三空气流道17相连通。第三空气流道17主要是通入冷却空气的，冷却空气用于对端盖1的末端进行降温。具体的，冷却空气在端盖1内部的流动路径如图4中的路线F所示。在实际的设计过程中，可以根据端盖1的末端燃烧区域的温度调节第四喷孔18位于端盖1的末端位置和数量。

本申请实施例中的喷嘴，设置的气态燃料管、燃气腔、第一空气流道和径向旋流器用于形成第一预混气，设置的第一气态燃料流道和第二空气流道用于形成第二预混气。使用时，可以根据燃气轮机的工况状态选取与其需求燃料量相当的预混气进行燃烧，相对于只能通过调节气态燃料的喷射速度来调节燃气轮机需求燃料量的喷嘴来说，本申请的喷嘴采用气态燃料时，可以进行点火启动，并且低工况状态下，燃气轮机的燃烧也较为稳定。

在介绍完本申请所提出的喷嘴的所有实施例之后，下面介绍本申请所提出的一种燃气轮机，具体的，该燃气轮机包括如上述任意一项喷嘴实施例中的喷嘴。

尽管已经示出和描述了本申请的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本申请的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种喷嘴，其特征在于，包括：

径向旋流器(2)，所述径向旋流器(2)的内部形成有第一空气流道(10)；

端盖(1)，与所述径向旋流器(2)相连接；且所述端盖(1)和所述径向旋流器(2)的轴心线平行；所述端盖(1)内部形成有燃气腔(9)，所述燃气腔(9)与所述径向旋流器(2)相连通；

设置于所述端盖(1)的气态燃料管(8)，所述气态燃料管(8)与所述燃气腔(9)相连通；

液态燃料管(5)，所述液态燃料管(5)的末端设置有喷油结构；

开设于所述端盖(1)内部的第二空气流道(13)和第一气态燃料流道(11)，所述第二空气流道(13)和所述第一气态燃料流道(11)相连通，所述第二空气流道(13)贯穿所述端盖(1)的末端。

2.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述喷油结构包括液态燃料旋流器(6)，所述液态燃料旋流器(6)与所述液态燃料管(5)相连通，且所述液态燃料旋流器(6)设置有多个第一喷孔(21)。

3.根据权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，所述液态燃料管(5)还连通有雾化空气管(7)。

4.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述第二空气流道(13)呈圆环状，且所述第二空气流道(13)第一设置有多个燃气喷杆(15)，各个燃气喷杆(15)均与所述第一气态燃料流道(11)相连通，每个燃气喷杆(15)均设置有多个第二喷孔(16)。

5.根据权利要求4所述的喷嘴，其特征在于，所述第二空气流道(13)还设置有轴向旋流器(14)；沿所述第二空气流道(13)中流体的流动方向，燃气喷杆(15)和所述轴向旋流器(14)依次设置。

6.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述端盖(1)内还形成有第二气态燃料流道(19)，所述端盖(1)的末端形成有多个第三喷孔(20)，各个第三喷孔(20)均与所述第二气态燃料流道(19)相连通。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的喷嘴，其特征在于，所述端盖(1)的末端设置有第一文丘里管(3)。

8.根据权利要求7所述的喷嘴，其特征在于，所述径向旋流器(2)的末端形成有第二文丘里管(4)，所述第一文丘里管(3)位于所述第二文丘里管(4)内，且所述第一文丘里管(3)和所述第二文丘里管(4)之间形成有第三气态燃料流道(12)。

9.根据权利要求8所述的喷嘴，其特征在于，所述端盖(1)内还形成有第三空气流道(17)，所述端盖(1)的末端设置有多个第四喷孔(18)，各个第四喷孔(18)分别于所述第三空气流道(17)相连通。

10.一种燃气轮机，其特征在于，包括如权利要求1至9中任意一项所述的喷嘴。