CN104566473B - 一种燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴 - Google Patents
一种燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及燃气轮机技术领域，提供了一种燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴。该喷嘴在内层空气旋流器或外层空气旋流器的叶片下游端开设环形缝槽通道，且环形缝槽通道与空气旋流器的叶片上的燃料油中空通道连通，以供应燃料油；内层空气旋流器和外层空气旋流器中，叶片上开设有连通的燃料气中空管道，和与所述燃料气中空管道连通的燃料喷射孔，以供应燃料气。其中，所述环形缝槽通道具有预成膜作用，为燃油进入燃烧区后形成合适的液滴大小和良好分布提供条件。上述燃料油和燃料气相互配合，满足在不同负荷下对燃料的要求；在此基础上，空气旋流器和双燃料供应相互配合，得到合理的喷嘴出口速度分布和出口温度分布，最终保证燃烧的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴。
背景技术
在我国当前的能源结构中，采用传统燃煤技术的火力发电占据了绝大部分份额。但是这种传统的发电技术存在发电效率低，污染物排放高(尤其是NOx排放)，耗费淡水资源多等缺点。以天然气为燃料的燃气轮机发电技术作为清洁能源技术之一，可以在满足发电负荷要求的同时，有效的降低污染物的排放，这其中燃气轮机燃烧室喷嘴的设计对于组织燃烧、降低污染物排放尤为重要。
燃气轮机燃烧室中，燃料和空气通过喷嘴实现预混合和速度型的改变，在喷嘴出口达到合理的速度分布，并匹配合理的燃料空气混合比例，进入燃烧室组织燃烧，形成稳定的流场和燃烧场。双燃料喷嘴要求在不同的负荷下采用不同的燃料进行燃烧，保证火焰稳定和良好的燃烧性能。当前，对燃气轮机燃烧室双燃料喷嘴的设计形式，例如专利CN102261673A，采用喷嘴中心安装离心式燃油喷嘴的形式，并通过雾化器雾化燃油，保证燃油进入燃烧室以后具有良好的燃烧性能。
但是，离心式燃油喷嘴在某些负荷条件下的燃油分布效果不如预膜式喷嘴的效果理想：离心式燃油喷嘴燃油的分布以喷嘴中心区域为中心向四周扩散，需要通过雾化器使燃油在燃烧前达到适合的液滴大小和分布，而雾化器向喷嘴中心引气的难度较高。
有鉴于此，亟待提供一种要更加合理有效的燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴，从而组织燃烧并控制污染物排放。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题就是如何提供一种更加合理有效的燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴，包括环形喷嘴管道；所述环形喷嘴管道内部设置有环形分隔管道；在所述环形分隔管道内的上游端设置有环形燃气管道，以及位于所述环形燃气管道内部的中心燃油管道；所述环形燃气管道和中心燃油管道的下游端连接一个旋转体堵头；
所述环形喷嘴管道和环形分隔管道之间的上游端设置有外层空气旋流器；所述外层空气旋流器的内侧，环形分隔管道和环形燃气管道之间设置有内层空气旋流器；所述内、外层空气旋流器的叶片上开设有连通的燃料气中空通道，以及与所述燃料气中空通道连通且互成角度的燃料喷射孔；所述燃料气中空通道与所述环形燃气管道上开设的燃料气通孔连通；
所述内层空气旋流器或者外层空气旋流器的叶片的下游端开设有环形缝槽通道，且所述中心燃油管道上开设有燃料油通孔；所述燃料油通孔通过燃料油中空通道与所述环形缝槽通道连通。
优选地，所述环形喷嘴管道、环形分隔管道、环形燃气管道以及中心燃油管道同轴分布。
优选地，所述旋转体堵头为圆锥形，所述堵头与所述中心燃油管道同轴分布，且圆锥的顶点位于下游端。
优选地，所述环形缝槽通道起始于所述燃料油中空通道的轴向位置，并延续至所述叶片的尾端。
优选地，所述环形缝槽通道的高度从上游端到下游端保持一致，为0.5mm～1mm。
优选地，所述燃料气中空通道位于燃料油中空通道的上游，且两者互相平行。
优选地，所述环形缝槽通道的径向位置为叶片中心径向位置。
优选地，所述外层空气旋流器采用轴向叶片式结构，且叶片沿着所述环形喷嘴管道的内圆周均匀布置；所述外层空气旋流器包括6～8个叶片，且旋流角度为0～45度。
优选地，所述内层空气旋流器采用轴向叶片式结构，且叶片沿着所述环形分隔管道的内圆周均匀布置；所述内层空气旋流器包括6～8个叶片，且旋流角度为0～15度。
(三)有益效果
本发明的技术方案具有以下优点：本发明的燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴，在内层空气旋流器或外层空气旋流器的叶片下游端开设环形缝槽通道，且环形缝槽通道与空气旋流器的叶片上的燃料油中空通道连通，以供应燃料油；内层空气旋流器和外层空气旋流器中，叶片上开设有连通的燃料气中空管道，和与所述燃料气中空管道连通的燃料喷射孔，以供应燃料气。其中，所述环形缝槽通道具有预成膜作用，为燃油进入燃烧区后形成合适的液滴大小和良好分布提供条件。上述燃料油和燃料气相互配合，满足在不同负荷下对燃料的要求；在此基础上，空气旋流器和双燃料供应相互配合，得到合理的喷嘴出口速度分布和出口温度分布，最终保证燃烧的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一的燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴的截面示意图；
图2是本发明实施例一的燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴的结构三维剖视示意图；
图3是本发明实施例二的燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴的截面示意图；
图4是本发明实施例二的燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴的结构三维剖视示意图；
图中：1、环形喷嘴管道；2、环形分隔管道；3、环形燃气管道；4、中心燃油管道；5、旋转体堵头；6、外层空气旋流器；7、内层空气旋流器；8、燃料气中空通道；9、燃料喷射孔；10、环形缝槽通道；11a、燃料油中空通道；11b、燃料油中空通道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“前”、“后”、“内”、“外”、“轴向”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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件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发明的限制。
本发明的一种燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴，包括环形喷嘴管道1；所述环形喷嘴管道1内部设置有环形分隔管道2，以将环形喷嘴管道1内部分隔出多个气流通道；所述多个气流通道最终在环形分隔管道2的尾端汇合。在所述环形分隔管道2内部的上游端设置有环形燃气管道3，以及位于所述环形燃气管道3内部的中心燃油管道4；其中，环形燃气管道3的作用在于输入燃料气，中心燃油管道4的作用在于输入燃料油。为了避免燃料气和燃料油直接沿着喷嘴的轴向进入喷嘴的下游端，在环形燃气管道3和中心燃油管道4的下游端连接一个旋转体堵头5。由此，环形喷嘴管道1和环形分隔管道2之间形成外层气流通道，而环形分隔管道2，与环形燃气管道3和旋转体堵头5之间形成内层气流通道。
其次，在环形喷嘴管道1和环形分隔管道2之间(也即外层气流通道中)的上游端设置有外层空气旋流器6；所述外层空气旋流器6的内侧，环形分隔管道2和环形燃气管道3之间(也即内层气流通道中)设置有内层空气旋流器7。所述内、外层空气旋流器6的叶片上开设有连通的燃料气中空通道8，以及与所述燃料气中空通道8连通且互成角度的燃料喷射孔9。所述燃料气中空通道8与所述环形燃气管道3上开设的燃料气通孔连通。环形燃气管道3中的燃料气从燃料气通孔进入燃料气中空通道8，并在空气旋流器的作用下，从燃料喷射孔9进入内层气流通道和外层气流通道。本发明中，所述燃料喷射孔9的直径优选为0.5mm～1mm。
为了实现双燃料供应，本发明在内层空气旋流器7或者外层空气旋流器6的叶片下游端开设有环形缝槽通道10；且所述中心燃油管道4上开设有燃料油通孔；所述燃料油通孔通过燃料油中空通道与所述环形缝槽通道10连通。
下面根据环形缝槽通道10开设位置的不同，提供两个实施例对本发明的双燃料喷嘴进行说明。
实施例一
请参见图1和图2，本实施例一的燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴，所述环形缝槽通道10开设在内层空气旋流器7的叶片下游端。与此对应，在内层空气旋流器7的叶片上开设有燃料油中空通道11a；所述环形缝槽通道10与所述燃料油中空通道11a连通，并与所述中心燃油管道4上开设的燃料油通孔连通。中心燃油管道4中的燃料油从燃料油通孔进入燃料油中空通道11a，然后沿着环形缝槽通道10进入内层气流通道，并沿着内层气流通道进入喷嘴的尾端。
需要注意的是，为了避免环形缝槽通道10和燃料气中空通道8之间发生干涉，优选所述环形缝槽通道10起始于所述燃料油中空通道11a的轴向位置，并延续至叶片的尾端，此处的叶片是指所述环形缝槽通道10所在的叶片；并且所述燃料气中空通道8位于燃料油中空通道11a的上游。此外，优选所述燃料气中空通道8和所述燃料油中空通道11a平行。
值得强调的是，环形缝槽通道10具有预成膜作用，为燃油进入燃烧区后形成合适的液滴大小和良好分布提供条件。经过预成膜作用之后的燃料油，从环形缝槽通道10的出口进入内层气流通道。优选环形缝槽通道10的高度从前端到后端保持一致，为0.5mm～1mm。
本实施例中，环形燃气管道3、中心燃油管道4和旋转体堵头5优选但不必须为一体式结构。所述旋转体堵头5优选但不局限于设置为导流效果好的圆锥形堵头，且圆锥的顶点位于下游端。除此以外，所述环形燃气管道3、中心燃油管道4、旋转体堵头5、环形分隔管道2和环形喷嘴管道1优选同轴设置。
需要注意的是，本实施例中，空气旋流器的叶片上开设的燃料气中空通道8和燃料油中空通道11a的数量，并不受本实施例的视图的限制。并且优选所述外层空气旋流器6、环形分隔管道2和内层空气旋流器7为一体式结构，从而可以直接通过铸造工艺一体成型。
本实施例中，空气分两层进入双燃料喷嘴，外层空气经过外层气流通中的外层空气旋流器6，与喷入的燃料气掺混并形成强旋流；内层空气经过内层气流通道内的内层空气旋流器7，与喷入的燃料气掺混并形成弱旋流。两层空气在环形分隔管道2的出口处汇合，并对预成膜后的燃料油进行雾化和掺混，形成匹配燃料气和燃料油两种燃料空气掺混效果。其中，出口指的是下游端靠近燃烧区的端口。
本实施例的双燃料喷嘴，内层空气旋流器7的旋流角度较小，以防止喷嘴内部低速区的出现；外层空气旋流器6的旋流角度较大，保证燃料气和空气的良好掺混。具体地，内层空气旋流器7优选采用轴向叶片式结构，叶片沿着所述环形分隔管道2的内圆周均匀布置，其中叶片数量为6～8片，且旋流角度为0～15度；外层空气旋流器6除了旋流角度为0～45度以外，其他参数和内层空气旋流一样。本发明的内、外层气流通道通过空气旋流器的旋流角度的调整，配合燃料油和燃料气的供应，形成合理的燃料分布和速度分布。
本实施例的燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴，燃料气和燃料两种燃料相互配合，满足在不同负荷下对燃料的要求。在不同负荷要求下选用不同的燃料供应方式，燃料气和燃料油可以同时供应也可以单独使用。进入双层气流通道(包括内层气流通道和外层气流通道)中的燃料气和燃料油，同内外两层的旋流空气发生剧烈的掺混作用，燃料油达到适合的液滴大小和分布，到达喷嘴出口时，两种燃料均可达到适合的燃料分布和匹配的速度分布。本实施例中，空气旋流器和双燃料供应相互配合，得到合理的喷嘴出口速度分布和出口温度分布，最终保证燃烧的稳定性。
实施例二
本实施例二提供一种燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴，请参见图3和图4。本实施例二和实施例一不同之处在于，环形缝槽通道10开设在外层空气旋流器6的叶片的下游段，并延续至所述环形缝槽通道10所在叶片的尾端。与此对应，在内、外层空气旋流器的叶片上均开设有连通的燃料油中空通道11b，并且所述燃料油中空通道11b与所述环形缝槽通道10连通，从而将燃料油最终引导进入环形缝槽通道10之中。本实施例二其他的结构和原理，都和实施例一相同，此处不再赘述。
上述实施例中，环形缝槽通道10的开设位置根据双燃料喷嘴要实现的主要功能进行设定。当喷嘴主要功能用于火焰稳定时，则将所述环形缝槽通道10开设在内层空气旋流器7的叶片内部；当喷嘴的主要功能用于保证燃烧负荷以及火焰筒之间联焰的需要时，则将所述环形缝槽通道10开设在外层空气旋流器6的叶片内部。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴，其特征在于，包括环形喷嘴管道；所述环形喷嘴管道内部设置有环形分隔管道；在所述环形分隔管道内的上游端设置有环形燃气管道，以及位于所述环形燃气管道内部的中心燃油管道；所述环形燃气管道和中心燃油管道的下游端连接一个旋转体堵头；
所述环形喷嘴管道和环形分隔管道之间的上游端设置有外层空气旋流器；所述外层空气旋流器的内侧，环形分隔管道和环形燃气管道之间设置有内层空气旋流器；所述内、外层空气旋流器的叶片上开设有连通的燃料气中空通道，以及与所述燃料气中空通道连通且互成角度的燃料喷射孔；所述燃料气中空通道与所述环形燃气管道上开设的燃料气通孔连通；
所述内层空气旋流器或者外层空气旋流器的叶片的下游端开设有环形缝槽通道，且所述中心燃油管道上开设有燃料油通孔；所述燃料油通孔通过燃料油中空通道与所述环形缝槽通道连通。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴，其特征在于，所述环形喷嘴管道、环形分隔管道、环形燃气管道以及中心燃油管道同轴分布。
3.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴，其特征在于，所述旋转体堵头为圆锥形，所述堵头与所述中心燃油管道同轴分布，且圆锥的顶点位于下游端。
4.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴，其特征在于，所述环形缝槽通道起始于所述燃料油中空通道的轴向位置，并延续至所述叶片的尾端。
5.根据权利要求4所述的燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴，其特征在于，所述环形缝槽通道的高度从上游端到下游端保持一致，为0.5mm～1mm。
6.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴，其特征在于，所述燃料气中空通道位于燃料油中空通道的上游，且两者互相平行。
7.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴，其特征在于，所述环形缝槽通道的径向位置为内层空气旋流器叶片或外层空气旋流器叶片中心径向位置。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴，其特征在于，所述外层空气旋流器采用轴向叶片式结构，且叶片沿着所述环形喷嘴管道的内圆周均匀布置；所述外层空气旋流器包括6～8个叶片，且旋流角度为0～45度。
9.根据权利要求1至7中任意一项所述的燃气轮机燃烧室的双燃料喷嘴，其特征在于，所述内层空气旋流器采用轴向叶片式结构，且叶片沿着所述环形分隔管道的内圆周均匀布置；所述内层空气旋流器包括6～8个叶片，且旋流角度为0～15度。
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