CN103104936B - 一种用于组织大流量中低热值燃料燃烧的单元喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种用于组织大流量中低热值燃料燃烧的单元喷嘴，涉及一种燃料喷嘴。本发明的目的是为了使燃料喷嘴能够安全、稳定、高效地运行。所述中心油喷嘴置于锥形外壳内且二者同轴，锥形外壳的出口端外壁设有锥形壳体空气旋流器，锥形壳体空气旋流器的外表面呈渐缩状且与锥形外壳的渐缩方向一致；叶冠固接在锥形壳体空气旋流器出口端外缘，二者同轴，端面平齐；锥形外壳出口端置于套管内且二者之间通过叶冠连接在一起，位于锥形外壳出口端上部的套管的内部空间为压缩空气和中低热值气的混合区域。本发明利用对于燃料的第一旋流与对于空气的第二旋流相配合，产生来至于燃料喷嘴的燃料-空气混合物。本发明所述燃料喷嘴能够安全、稳定、高效地运行。

Description

一种用于组织大流量中低热值燃料燃烧的单元喷嘴

技术领域

本发明涉及一种燃料喷嘴，具体涉及整体气化联合循环(IGCC)发电***中燃气轮机使用的燃料喷嘴。

背景技术

一些已知的燃气轮机的燃烧***燃烧中低热值燃料以产生驱动涡轮的排气。然而与其它燃料(如天然气)相比，大部分已知的中低热值燃料热值低，以及因此而产生的与其它燃料相比也可能较低的沃泊指数。另外，大部分已知的中低热值燃料具有较大含氢量，导致燃料流特征化学时间非常短，燃料反应性很高。由于低沃泊指数和高燃料反应性的这种组合，为了燃料喷嘴能够安全、稳定、高效地运行，那么控制燃料与空气的混合对于燃烧室的性能和排放都将具有很重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种结合燃烧室使用的组织大流量中低热值燃料燃烧的单元喷嘴，以使燃料喷嘴能够安全、稳定、高效地运行。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明所述的一种用于组织大流量中低热值燃料燃烧的单元喷嘴包括中心油喷嘴、锥形外壳、叶冠和套管，所述中心油喷嘴置于锥形外壳内且二者同轴，锥形外壳出口端内壁与中心油喷嘴的出口端外壁卡接在一起，锥形外壳的出口端外壁设有锥形壳体空气旋流器，锥形壳体空气旋流器的外表面呈渐缩状且与锥形外壳的渐缩方向一致；叶冠固接在锥形壳体空气旋流器出口端外缘，二者同轴，端面平齐；锥形外壳出口端置于套管内且二者之间通过叶冠连接在一起，位于锥形外壳出口端上部的套管的内部空间为压缩空气和中低热值气的混合区域；锥形外壳的燃料开口端设有第一组沿周向隔开的燃料开口和第二组沿周向隔开的燃料开口，其中第一组沿周向隔开的燃料开口位于锥形壳体空气旋流器下游，第二组沿周向隔开的燃料开口位于锥形壳体空气旋流器内部，锥形外壳与中心油喷嘴之间空隙为中低热值气通道，第一组沿周向隔开的燃料开口用于允许大体积流量的中低热值气射入到燃烧室混合区域中；锥形壳体空气旋流器上设有多个沿周向隔开的空气开口，用以允许压缩空气射入到燃烧室混合区域中；第二组沿周向隔开的燃料开口用于将中低热值气先与压缩空气初步混合后再进入燃烧室混合区域中。

所述中低热值燃料流量在60kg/s至80kg/s之间，主要成分为H2(氢气)和CO，其中H2体积分数约为35％，CO体积分数约为45％，由于氢气自燃温度低，火焰传播速度快，喷嘴采用扩散燃烧方式，保证空气与燃料射流速度，避免回火产生，且由于CO燃烧速度较慢，应在头部构建足够强的回流区域，增强燃料与空气的掺混性能，避免火焰长度过长。

本发明的有益效果：在锥形外壳上设有第一、二组多个沿周向隔开的燃料开口，用以引导中低热值燃料至燃烧室内的混合区域中；锥形壳体空气旋流器上设有多个沿周向隔开的空气开口，用以将压缩空气射入混合区域，该多个空气开口定向成有助于在混合区域内产生大于0.6的旋流数。内锥形的叶冠与多个空气开口共同形成定向倾斜的矩形空气流道，增强空气开口的内切定向性。本发明利用对于燃料的第一旋流与对于空气的第二旋流相配合，产生来至于燃料喷嘴的燃料-空气混合物。本发明所述燃料喷嘴能够安全、稳定、高效地运行。

附图说明

图1是本发明的一种大流量中低热值燃料单元喷嘴的主视剖视图；图2显示了一种大流量中低热值燃料单元喷嘴的锥形壳体主视图；图3显示了一种大流量中低热值燃料单元喷嘴的俯视图；图4显示了一种大流量中低热值燃料单元喷嘴的立体图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～4所示，本实施方式所述的用于组织大流量中低热值燃料燃烧的单元喷嘴包括中心油喷嘴42，所述单元喷嘴还包括锥形外壳21、叶冠31和套管41，所述中心油喷嘴42置于锥形外壳21内且二者同轴，锥形外壳21出口端(小端)内壁与中心油喷嘴42的出口端(小端)外壁卡接在一起，锥形外壳21的出口端外壁设有锥形壳体空气旋流器25，锥形壳体空气旋流器25的外表面呈渐缩状且与锥形外壳21的渐缩方向一致；叶冠31固接在锥形壳体空气旋流器25出口端外缘，二者同轴，端面平齐；锥形外壳21出口端置于套管41内且二者之间通过叶冠31连接在一起，位于锥形外壳21出口端上部的套管41的内部空间为压缩空气和中低热值气的混合区域11；锥形外壳21的燃料开口端设有第一组沿周向隔开的燃料开口23和第二组沿周向隔开的燃料开口24，其中第一组沿周向隔开的燃料开口23位于锥形壳体空气旋流器25下游，第二组沿周向隔开的燃料开口24位于锥形壳体空气旋流器(25)内部，第一组沿周向隔开的燃料开口23比第二组沿周向隔开的燃料开口24更接近混合区域11，锥形外壳21与中心油喷嘴42之间空隙为中低热值气通道，第一组沿周向隔开的燃料开口23用于允许大体积流量的中低热值气(燃料)射入到燃烧室混合区域11中；锥形壳体空气旋流器25上设有多个沿周向隔开的空气开口22，用以允许压缩空气射入到燃烧室混合区域11中；第二组沿周向隔开的燃料开口24用于将中低热值气先与压缩空气混合后再进入燃烧室混合区域11中。

所述锥形外壳燃料开口23、24用以引导中低热值燃料至燃烧室内的混合区域11中，所述锥形外壳空气旋流器25包含一组多个沿周向隔开的空气开口22，用以将压缩空气射入混合区域11中，各个空气开口截面形状为矩形，矩形各个拐角处需倒圆角；以及连接在空气开口上的叶冠31，该叶冠用以增强旋流空气内切的导向性，亦包含流通压缩空气至混合区域的多个沿周向隔开的空气开口32，其中各个空气开口为矩形的截面形状。

所述第一组沿周向隔开的燃料开口23和所述第二组沿周向隔开的燃料开口24构成用以将燃料以关于所述单元喷嘴的中心线100倾斜定向的射流角度射入所述混合区域11中。

所述多个空气开口22用以将压缩空气以关于所述单元喷嘴的中心线100倾斜定向的通流角度射入所述混合区域11中。

具体实施方式二：如图1～4所示，本实施方式所述中心油喷嘴42包括雾化空气喷嘴壳体42-1、油喷嘴壳体42-2、支架42-3和旋流片42-4，雾化空气喷嘴壳体42-1和油喷嘴壳体42-2的外形均呈锥形，油喷嘴壳体42-2置于雾化空气喷嘴壳体42-1内且二者之间的空隙为雾化空气通道，旋流片42-4通过支架42-3安装在油喷嘴壳体42-2的出口端，燃油通过油喷嘴壳体42-2的入口经旋流片42-4从油喷嘴壳体42-2的出口喷出与雾化空气混合。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1～4所示，本实施方式中，第一组沿周向隔开的燃料开口23和第二组沿周向隔开的燃料开口24以关于锥形外壳21的中心线100倾斜地定向的射流角度θ₁射入燃料，射流角度θ₁处在10°至30°之间。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：如图1～4所示，本实施方式所述空气开口22呈矩形截面形状。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：如图1～4所示，本实施方式中，以锥形外壳21的入口端(大端)端面为基准，第一组沿周向隔开的燃料开口23的轴向距离54应大于锥形壳体空气旋流器25顶部轴向距离53；第二组沿周向隔开的燃料开口24的轴向距离52应介于锥形壳体空气旋流器25顶部轴向距离53与锥形壳体空气旋流器25底部轴向距离51之间。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：如图1～4所示，本实施方式所述空气开口22以关于锥形外壳21的中心线100倾斜定向的射流角度θ₂向混合区域11射入压缩空气，射流角度θ₂处在20°至40°之间。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、四或五相同。

具体实施方式七：如图1～4所示，本实施方式所述空气开口22以关于锥形外壳21的中心线100倾斜定向的射流角度θ₂向混合区域11射入压缩空气，射流角度θ₂处在20°至40°之间。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式八：如图1～4所示，本实施方式中，所述第一组沿周向隔开的燃料开口23和第二组沿周向隔开的燃料开口24围绕所述单元喷嘴的中心线100同心；第一组沿周向隔开的燃料开口23和第二组沿周向隔开的燃料开口24定向成有助于在所述混合区域11内产生不小于0.4的旋流数的旋流数。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式九：如图1～4所示，本实施方式所述第一组沿周向隔开的燃料开口23和所述第二组沿周向隔开的燃料开口24处在大约10°到30°之间的射流角度引导燃料，以及所述多个空气开口22处在大约25°到40°之间的射流角度引导压缩空气，定向成有助于在所述混合区域11内产生不小于0.6的旋流数。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式十：如图1～4所示，本实施方式所述叶冠31上开有多个沿周向隔开的空气开口32，其中各个空气开口为矩形的截面形状。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

所述叶冠31为内锥形，用以增强空气开口22的内切定向性，且为了避免空气旋流器25产生应力，在叶冠焊接后，在每个空气旋流槽道中心处开设一处空气开口32。

实施例：在示范性实施例中，单元喷嘴40包括锥形外壳21与叶冠31，叶冠31焊接在锥形壳体空气旋流器25外缘，二者同轴，端面平齐。

在示范性实施例中，锥形壳体燃料开口包括第一组多个沿周向隔开的燃料开口23和第二组多个沿周向隔开的燃料开口24，用以允许大体积流量的燃料射入到燃烧室混合区域11中。燃料开口23和24为圆形，作为备选，开口23和24可以是能够使燃料开口起到文中所述作用的任何截面形状。燃料开口23和24围绕单元喷嘴的中心线100同轴且沿周向间隔开。具体而言，在示范性实施例中，径向上，燃料开口23在第一半径57的圆上，燃料开口24在第二半径58的圆上，第一半径57比第二半径58小；轴向上，燃料开口23在轴向距离54的高度上，燃料开口24在轴向距离52的高度上，轴向距离54大于轴向距离52，表示燃料开口23比燃料开口24更接近混合区11。

在示范性实施例中，燃料开口23和24将燃料射入到燃烧室混合区域11中。具体而言，燃料开口23和24以关于中心线100倾斜地定向的射流角度θ₁射入燃料。在示范性实施例中，射流角度θ₁处在大约10°至30°之间。

在示范性实施例中，锥形壳体空气旋流器25，包括多个沿周向隔开的空气开口22，用以允许压缩空气射入到燃烧室混合区域11中。空气开口22具为矩形截面，作为备选，空气开口22可以是使空气开口22能够起到文中所述作用的任何形状。空气开口22围绕中心线100沿圆周方向隔开，具体而言，径向上，空气开口22从中心线100向外以径向距离59间隔开，外边缘半径为径向距离60，在示范性实施例中，径向距离59介于第一半径57与第二半径58之间，第二半径58介于径向距离60与径向距离59之间；轴向上，空气旋流器25底部轴向距离51，顶部轴向距离53，特别声明的是，燃料开口23轴向距离54应大于空气旋流器25顶部轴向距离53；燃料开口24轴向距离52应介于空气旋流器25顶部轴向距离53与底部轴向距离51之间。

在示范性实施例中，空气开口22将压缩空气射入到燃烧室混合区域11中。具体而言，空气开口22以关于中心线100倾斜定向的射流角度θ₂向混合区域11射入压缩空气，射流角度θ₂大约处在20°至40°之间。作为备选，射流角度θ₁和θ₂可处在能使燃料-空气混合物如文中描述的状态的任何角度。

在运行期间，中心油喷嘴42在燃气轮机机启动和低负荷运行期间将燃油射入燃烧室混合区域11。在示范性实施例中，气动燃料为2#蒸馏油。当燃气轮机升至一定负荷时，中心油喷嘴停止喷油，燃料切换至中低热值燃料，中低热值燃料从燃料开口23、24以射流角度θ₁射入混合区域11，压缩空气从空气开口22以射流角度θ₂射入混合区域11，二者旋向相同，在混合区域11中旋转混合，生成大于0.6左右旋流数的较强旋流，较强的旋流有助于中低热值燃料与压缩空气的掺混，缩短掺混时间与行程距离；有助于产生较强的回流区，生成长度较短的稳定火焰。

通过以上具体实施方式对本发明进行了详细描述，但是应当理解，本发明并不限于所公开的实施例，相反，本发明旨在覆盖包括所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。因此，对保留本发明的目的而在细微之处略有不同的其他实例也是适用的。

工作原理简介：

由于富氢燃料(中低热值气)容易回火、自燃，所以为了保证安全，一般都用燃油点燃，燃油通过旋流片从油喷嘴出口高速射流，由高压的雾化空气剪切雾化为油丝，并与压缩空气边混合边燃烧，当机组升高到一定负荷(例如50％)后，逐渐切换到中低热值气(逐渐降低燃油与雾化空气流量，增加相应热值的中低热值气)，直到燃油完全切断，雾化空气通道保留有很少流量的吹扫空气，中低热值燃料从燃料开口23、24倾斜定向地射入混合区域11，压缩空气从空气开口(旋流器)倾斜定向地射入混合区域11，二者旋向相同，在混合区域11中旋转混合，生成大于0.6左右旋流数的较强旋流，较强的旋流有助于中低热值燃料与压缩空气的掺混，缩短掺混时间与行程距离，有助于产生较强的回流区，生成长度较短的稳定火焰。至机组升到满负荷。

Claims (10)

1.一种用于组织大流量中低热值燃料燃烧的单元喷嘴，所述单元喷嘴包括中心油喷嘴(42)，其特征在于：所述单元喷嘴还包括锥形外壳(21)、叶冠(31)和套管(41)，所述中心油喷嘴(42)置于锥形外壳(21)内且二者同轴，锥形外壳(21)出口端内壁与中心油喷嘴(42)的出口端外壁卡接在一起，锥形外壳(21)的出口端外壁设有锥形壳体空气旋流器(25)，锥形壳体空气旋流器(25)的外表面呈渐缩状且与锥形外壳(21)的渐缩方向一致；叶冠(31)固接在锥形壳体空气旋流器(25)出口端外缘，二者同轴，端面平齐；锥形外壳(21)出口端置于套管(41)内且二者之间通过叶冠(31)连接在一起，位于锥形外壳(21)出口端上部的套管(41)的内部空间为压缩空气和中低热值气的混合区域(11)；锥形外壳(21)的燃料开口端设有第一组沿周向隔开的燃料开口(23)和第二组沿周向隔开的燃料开口(24)，其中第一组沿周向隔开的燃料开口(23)位于锥形壳体空气旋流器(25)下游，第二组沿周向隔开的燃料开口(24)位于锥形壳体空气旋流器(25)内部，锥形外壳(21)与中心油喷嘴(42)之间空隙为中低热值气通道，第一组沿周向隔开的燃料开口(23)用于允许大体积流量的中低热值气射入到燃烧室混合区域(11)中；锥形壳体空气旋流器(25)上设有多个沿周向隔开的空气开口(22)，用以允许压缩空气射入到燃烧室混合区域(11)中；第二组沿周向隔开的燃料开口(24)用于将中低热值气先与压缩空气初步混合后再进入燃烧室混合区域(11)中。

2.根据权利要求1所述的一种用于组织大流量中低热值燃料燃烧的单元喷嘴，其特征在于：所述中心油喷嘴(42)包括雾化空气喷嘴壳体(42-1)、油喷嘴壳体(42-2)、支架(42-3)和旋流片(42-4)，雾化空气喷嘴壳体(42-1)和油喷嘴壳体(42-2)的外形均呈锥形，油喷嘴壳体(42-2)置于雾化空气喷嘴壳体(42-1)内且二者之间的空隙为雾化空气通道，旋流片(42-4)通过支架(42-3)安装在油喷嘴壳体(42-2)的出口端，燃油通过油喷嘴壳体(42-2)的入口经旋流片(42-4)从油喷嘴壳体(42-2)的出口喷出，经雾化空气剪切雾化，与压缩空气在混合区域(11)混合后燃烧。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于组织大流量中低热值燃料燃烧的单元喷嘴，其特征在于：第一组沿周向隔开的燃料开口(23)和第二组沿周向隔开的燃料开口(24)以关于锥形外壳(21)的中心线(100)倾斜地定向的射流角度θ₁射入燃料，射流角度θ₁处在10°至30°之间。

4.根据权利要求3所述的一种用于组织大流量中低热值燃料燃烧的单元喷嘴，其特征在于：所述空气开口(22)呈矩形截面形状。

5.根据权利要求4所述的一种用于组织大流量中低热值燃料燃烧的单元喷嘴，其特征在于：以锥形外壳(21)的入口端端面为基准，第一组沿周向隔开的燃料开口(23)的轴向距离(54)应大于锥形壳体空气旋流器(25)顶部轴向距离(53)；第二组沿周向隔开的燃料开口(24)的轴向距离(52)应介于锥形壳体空气旋流器(25)顶部轴向距离(53)与锥形壳体空气旋流器(25)底部轴向距离(51)之间。

6.根据权利要求1、2、4或5所述的一种用于组织大流量中低热值燃料燃烧的单元喷嘴，其特征在于：所述空气开口(22)以关于锥形外壳(21)的中心线(100)倾斜定向的射流角度θ₂向混合区域(11)射入压缩空气，射流角度θ₂处在20°至40°之间。

7.根据权利要求3所述的一种用于组织大流量中低热值燃料燃烧的单元喷嘴，其特征在于：所述空气开口(22)以关于锥形外壳(21)的中心线(100)倾斜定向的射流角度θ₂向混合区域(11)射入压缩空气，射流角度θ₂处在20°至40°之间。

8.根据权利要求1或2所述的一种用于组织大流量中低热值燃料燃烧的单元喷嘴，其特征在于：所述第一组沿周向隔开的燃料开口(23)和第二组沿周向隔开的燃料开口(24)围绕所述单元喷嘴的中心线(100)同心；第一组沿周向隔开的燃料开口(23)和第二组沿周向隔开的燃料开口(24)定向成有助于在所述混合区域(11)内产生不小于0.4的旋流数。

9.根据权利要求1或2所述的一种用于组织大流量中低热值燃料燃烧的单元喷嘴，其特征在于，所述第一组沿周向隔开的燃料开口(23)和所述第二组沿周向隔开的燃料开口(24)处在10°到30°之间的射流角度引导燃料，以及所述多个空气开口(22)处在25°到40°之间的射流角度引导压缩空气，定向成有助于在所述混合区域(11)内产生不小于0.6的旋流数。

10.根据权利要求1或2所述的一种用于组织大流量中低热值燃料燃烧的单元喷嘴，其特征在于：所述叶冠(31)上开有多个沿周向隔开的空气开口(32)，其中各个空气开口为矩形的截面形状。