CN104696986A - 一种用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴 - Google Patents

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方子文
耿杰峰
吕煊
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Abstract

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴。该用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴包括法兰、旋流器及中心体；所述法兰上设置有燃料进口，所述中心体内设置有与所述燃料进口连通的轴向燃料通道，所述旋流器上设置有旋流叶片，所述旋流叶片上设置有与所述轴向燃料通道连通的径向燃料通道，所述径向燃料通道上设置有燃料出口，所述中心体上设置有防回火装置。本发明提供的用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴中设置有防回火装置，可以及时阻止火焰向头部蔓延，保护了头部结构。从而有效降低燃气轮机燃烧室的使用和维护成本；当回火被顺利阻止之后，燃烧模式也恢复为预混燃烧，可以降低污染物排放。

Description

一种用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴，具体的是一种能够保护头部结构且降低污染物排放的用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴。
背景技术
随着环境污染的日益严重，环保法规的要求与执行也越来越严格。空气中N2与O2起化学反应而生成NOx的起始温度约为1650°，当燃烧室温度高于1650°时，就会有NOx产生。对于传统的扩散燃烧燃烧室，扩散燃烧方式的火焰面温度总是等于化学当量比为1的理论燃烧温度，它不因燃料与空气总掺混比的浓或稀而异，尽管该理论燃烧温度因燃料组分不同而稍有不同，但总是高于1650°，因而传统扩散燃烧燃烧室的NOX排放量总是很高的。现代干式低污染燃烧室采用预混燃烧的方式，可以有效地降低污染物排放。干式低污染燃烧室设计的基本原理是：使燃料与空气预先混合为均相的、稀释的可燃混合物，并使其以火焰传播的方式燃烧，以把火焰温度控制在1650°以下，从而降低NOx的生成量。
预混燃烧燃烧室面临的一个很大的危险是回火。由于燃烧过程中存在一些不稳定因素，当火焰传播速度大于燃料-空气混合物的流速时，火焰会从燃烧区向上游传播到燃料-空气预混区域，这会导致喷嘴甚至头部其他结构被烧坏，进而导致燃气轮机工作停止。防回火的有效方式很有限，从目前已经公布的专利来看，主要有三种原理：第一种是通过设计合适的结构优化流动来减少回火。第二种是通过传感器实时监控燃烧状况，当发生回火时，通过改变燃烧模式或者改变燃料流路来实现对回火的主动控制。第三种是利用材料的热熔断属性，例如安装热熔断装置，当发生回火时，热熔断装置融化，改变燃料流路从而防止回火的深入。对于不同的燃烧室，由于喷嘴结构和功能的具体要求，防回火装置的使用会有一定的局限性。
第一种原理可以在一定程度上预防回火，但当回火发生时没有办法阻止。第二种原理需要布置传感器，使得燃烧室的控制更加复杂。利用第三种原理可以设计出简便可靠的防回火装置。例如GE公司的专利US005685139A，通过将喷嘴尖端特定位置的壁厚减薄，当回火发生时，薄壁部分首先被烧坏从而改变燃料流路，燃料流路改变，相应地也改变了燃烧模式，回火被及时阻止。但是，喷嘴尖端在防回火的过程中被烧毁，导致喷嘴尖端报废。由于喷嘴结构复杂，制造及维修难度高，燃气轮机使用者往往需要向特定的供应商或维修商购买或维修喷嘴，不仅价格昂贵，而且周期长。
鉴于上述现有技术的缺陷，需要提供一种能够保护头部结构且降低污染物排放的用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是现在技术中通过将喷嘴尖端特定位置的壁厚减薄，当回火发生时，薄壁部分首先被烧坏从而改变燃料流路。但是，喷嘴尖端在防回火的过程中被烧毁，导致喷嘴尖端报废。由于喷嘴结构复杂，制造及维修难度高，燃气轮机使用者往往需要向特定的供应商或维修商购买或维修喷嘴，不仅价格昂贵，而且周期长的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴，包括法兰、旋流器及中心体；所述法兰上设置有燃料进口，所述中心体内设置有与所述燃料进口连通的轴向燃料通道，所述旋流器上设置有旋流叶片，所述旋流叶片上设置有与所述轴向燃料通道连通的径向燃料通道，所述径向燃料通道上设置有燃料出口，所述中心体上设置有防回火装置。
进一步地，所述中心体包括主体段及尖端段，所述尖端段一端与所述主体段连接，另一端设置有端面，所述端面上设置有能够与所述轴向燃料通道连通的尖端燃料出口，所述防回火装置设置于所述尖端段上。
进一步地，所述尖端段为波纹管，所述防回火装置包括第一密封段及第二密封段，所述第二密封段一端与所述波纹管固定连接，另一端与所述第一密封段连接，所述第一密封段对应于所述尖端燃料出口设置。
进一步地，所述第二密封段能够沿所述轴向燃料通道的轴向移动，使所述第二密封段与所述第一密封段之间形成燃料缝，所述尖端燃料出口与所述燃料缝连通。
进一步地，所述波纹管的总长度为20～200mm。
进一步地，所述波纹管的壁厚为0.5～3mm。
进一步地，所述法兰上还设置有空气进口，所述中心体内设置有与所述空气进口连通的空气通道，所述端面上设置有与所述空气通道连通的空气出口。
进一步地，所述空气出口与所述尖端燃料出***错布置。
进一步地，所述尖端燃料出口的总面积为旋流器上燃料出口总面积的20％～50％。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴中的法兰上设置有燃料进口，中心体内设置有与燃料进口连通的轴向燃料通道，旋流器上设置有旋流叶片，旋流叶片上设置有与轴向燃料通道连通的径向燃料通道，径向燃料通道上设置有燃料出口，中心体上设置有防回火装置。本发明提供的用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴中设置有防回火装置，燃烧模式由预混燃烧变为扩散燃烧，这样可以及时阻止火焰向头部蔓延，保护了头部结构。燃烧模式改变之后，不会影响燃烧室的继续运行；从而有效降低燃气轮机燃烧室的使用和维护成本；当回火被顺利阻止之后，燃烧模式也恢复为预混燃烧，可以降低污染物排放。
附图说明
图1是本发明实施例用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴的剖视图；
图2是本发明实施例用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴的立体结构示意图；
图3是本发明实施例用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴中的中心体尖端段工作时的示意图；
图4是本发明实施例用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴中的中心体尖端段回火时的结构示意图；
图5是本发明实施例用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴的空气出口和尖端燃料出口的结构示意图。
图中：1：法兰；2：旋流器；3：中心体；11：燃料进口；12：空气进口；21：旋流叶片；22：径向燃料通道；23：燃料出口；31：主体段；311：空气通道；312：轴向燃料通道；32：尖端段；320：防回火装置；321：尖端板；322：空气出口；323：波纹管；324：第一密封段；325：第二密封段；326：尖端燃料出口；327：燃料缝。
具体实施方式
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”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机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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1至图5所示，本发明提供的一种用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴，包括法兰1、旋流器2及中心体3；所述法兰1上设置有燃料进口11，所述中心体3内设置有与所述燃料进口11连通的轴向燃料通道312，所述旋流器2上设置有旋流叶片21，旋流叶片21位于旋流器2与中心体3之间形成的空腔内。本实施例中所述旋流叶片21上设置有与所述轴向燃料通道312连通的径向燃料通道22，所述径向燃料通道22上设置有燃料出口23。也可以在旋流器2与中心体3之间形成的空腔内沿上下方向设置单独的径向燃料通道22，径向燃料通道22与左右向的轴向燃料通道312连通。所述中心体3上设置有防回火装置320。
本发明提供的用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴中设置有防回火装置，燃烧模式由预混燃烧变为扩散燃烧。燃烧模式改变之后，不会影响燃烧室的继续运行，但是扩散燃烧污染物排放高。当回火完全消失，燃烧室恢复到正常燃烧工况时，喷嘴尖端温度降低，波纹管323收缩至初始形状，第一密封段与第二密封段贴合，燃烧模式由扩散燃烧变回污染物排放较低的预混燃烧。这种设计的好处在于：当防回火发生时可以有效阻止，并且不损坏喷嘴结构，从而有效降低燃气轮机燃烧室的使用和维护成本；当回火被顺利阻止之后，燃烧模式也恢复为预混燃烧，可以降低污染物排放。本发明可以及时阻止火焰向头部蔓延，保护了头部结构。燃烧模式改变之后，不会影响燃烧室的继续运行；从而有效降低燃气轮机燃烧室的使用和维护成本；当回火被顺利阻止之后，燃烧模式也恢复为预混燃烧，可以降低污染物排放。
本发明提供的用于燃气轮机燃烧室中的所述中心体3包括主体段31及尖端段32，所述防回火装置320设置于所述尖端段32上，所述尖端段32一端与所述主体段31连接，另一端设置有端面，所述端面上设置有能够与所述轴向燃料通道312连通的尖端燃料出口326。需要注意的是：本发明提出了一种尖端燃料出口326与轴向燃料通道312由正常工作情况下的隔绝到回火状态下的连通之间转化的实现方式，但需要注意的是其他类似转化方式也在本发明的保护范围之内。
本实施例中所述尖端段32为波纹管323，所述防回火装置320包括第一密封段324及第二密封段325，所述第二密封段325一端与所述波纹管323固定连接，另一端与所述第一密封段324连接，所述第一密封段324对应于所述尖端燃料出口326设置。第一密封段324沿竖直方向设置于所述轴向燃料通道312的内壁上，第二密封段325沿轴向燃料通道312的轴向，即左右方向设置于波纹管323上。波纹管323产生的膨胀位移量与波纹管323总长有关。波纹管323越长，回火时第一密封段325与第二密封段325之间的燃料缝327越大。为了保证波纹管323能在回火时产生足够的膨胀，优选的，波纹管323总长度范围为20～200mm。为了保证波纹管323有足够的强度，优选的，波纹管323壁厚范围为0.5～3mm。
所述第二密封段325能够沿所述轴向燃料通道312的轴向移动，使所述第二密封段325与所述第一密封段324之间形成燃料缝327，所述尖端燃料出口326与所述燃料缝327连通。
当回火发生时，高温致使波纹管323膨胀，使得尖端燃料出口326与轴向燃料通道312连通，气体燃料从尖端燃料出口326喷出。由于流经喷嘴的燃料流量是一定的，当一部分气体燃料从尖端燃料出口326喷出时，旋流器产生的燃料-空气混合物中燃料的浓度将会下降，可燃性降低。另一方面，从尖端燃料出口326喷出的气体燃料与周围的空气产生扩散燃烧。扩散燃烧的稳定性更好，于是燃烧室的工作模式由预混燃烧转化为扩散燃烧，及时制止回火火焰向头部蔓延。当回火完全消失，燃烧室恢复到正常燃烧工况时，喷嘴尖端段32温度降低，波纹管323收缩至初始形状，此时，尖端燃料出口326与轴向燃料通道312分离，燃料只从旋流器2上的燃料出口23喷出，燃烧时的工作模式由扩散燃烧转回污染物排放较低的预混燃烧。通过燃烧室方式的自动切换可以及时阻止回火，并且最大程度地减小扩散燃烧带来的污染物的排放。
为了防止正常工作条件下火焰在喷嘴尖端段32上附着，所述法兰1上还设置有空气进口12，所述中心体3内设置有与所述空气进口12连通的空气通道311，所述端面上设置有与所述空气通道311连通的空气出口322。来空气由空气进口12流经空气通道311，在空气出口322喷出，从而对尖端段32进行清吹。为了保证回火时，清吹空气不影响扩散燃烧，优选的，空气出口322和尖端燃料出口326交错布置。
为了保证回火时预混燃烧到扩散燃烧的顺利切换，优选的，尖端燃料出口326的总面积为旋流器2上燃料出口23总面积的20％～50％。燃料-空气混合物可燃条件下当量比的范围一般为0.4～2，预混燃烧设计的燃料-空气混合物当量比一般在0.5左右。尖端燃料出口326的总面积为旋流器2上燃料出口23总面积的20％～50％时将旋流器2中燃料-空气混合物当量降到0.4以下的可能性比较大。
本发明用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴使用时，来自法兰1上燃料进口11的气体燃料，经过轴向燃料通道312和径向燃料通道22之后在燃料出口23喷出，并与来自旋流器2上游的空气混合，利用波纹管受热膨胀的原理设计的防回火装置，当发生回火时波纹管323膨胀导致第一密封段324与第二密封段325分离，燃料通过两段之间的燃料缝327流经尖端燃料出口至喷嘴下游，燃烧模式由预混燃烧变为扩散燃烧，这样可以及时阻止火焰向头部蔓延，保护了头部结构。
综上所述，本发明具有以下优点：本发明提供了一种用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴中的法兰上设置有燃料进口，中心体内设置有与燃料进口连通的轴向燃料通道，旋流器上设置有旋流叶片，旋流叶片上设置有与轴向燃料通道连通的径向燃料通道，径向燃料通道上设置有燃料出口，中心体上设置有防回火装置。本发明提供的用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴中设置有防回火装置，燃烧模式由预混燃烧变为扩散燃烧，这样可以及时阻止火焰向头部蔓延，保护了头部结构。燃烧模式改变之后，不会影响燃烧室的继续运行；从而有效降低燃气轮机燃烧室的使用和维护成本；当回火被顺利阻止之后，燃烧模式也恢复为预混燃烧，可以降低污染物排放。
另外，本发明的用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴为了防止正常工作条件下火焰在喷嘴尖端段上附着，法兰上还设置有空气进口，中心体内设置有与空气进口连通的空气通道。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴，其特征在于：包括法兰(1)、旋流器(2)及中心体(3)；所述法兰(1)上设置有燃料进口(11)，所述中心体(3)内设置有与所述燃料进口(11)连通的轴向燃料通道(312)，所述旋流器(2)上设置有旋流叶片(21)，所述旋流叶片(21)上设置有与所述轴向燃料通道(312)连通的径向燃料通道(22)，所述径向燃料通道(22)上设置有燃料出口(23)，所述中心体(3)上设置有防回火装置(320)。
2.根据权利要求1所述的用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴，其特征在于：所述中心体(3)包括主体段(31)及尖端段(32)，所述尖端段(32)一端与所述主体段(31)连接，另一端设置有端面，所述端面上设置有能够与所述轴向燃料通道(312)连通的尖端燃料出口(326)，所述防回火装置(320)设置于所述尖端段(32)上。
3.根据权利要求2所述的用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴，其特征在于：所述尖端段(32)为波纹管(323)，所述防回火装置(320)包括第一密封段(324)及第二密封段(325)，所述第二密封段(325)一端与所述波纹管(323)固定连接，另一端与所述第一密封段(324)连接，所述第一密封段(324)对应于所述尖端燃料出口(326)设置。
4.根据权利要求3所述的用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴，其特征在于：所述第二密封段(325)能够沿所述轴向燃料通道(312)的轴向移动，使所述第二密封段(325)与所述第一密封段(324)之间形成燃料缝(327)，所述尖端燃料出口(326)与所述燃料缝(327)连通。
5.根据权利要求3所述的用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴，其特征在于：所述波纹管(323)的总长度为20～200mm。
6.根据权利要求3所述的用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴，其特征在于：所述波纹管(323)的壁厚为0.5～3mm。
7.根据权利要求2所述的用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴，其特征在于：所述法兰(1)上还设置有空气进口(12)，所述中心体(3)内设置有与所述空气进口(12)连通的空气通道(311)，所述端面上设置有与所述空气通道(311)连通的空气出口(322)。
8.根据权利要求7所述的用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴，其特征在于：所述空气出口(322)与所述尖端燃料出口(326)交错布置。
9.根据权利要求1所述的用于燃气轮机燃烧室的防回火喷嘴，其特征在于：所述尖端燃料出口(326)的总面积为旋流器(2)上燃料出口(23)总面积的20％～50％。
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