CN104791846B - 一种燃气轮机低污染燃烧室的低旋流预混喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气轮机低污染燃烧室的低旋流预混喷嘴，分别采用在旋流器流道内和中心流道内喷射燃料，保证了喷嘴出口处空气与燃料的充分预混，结构紧凑、流阻损失小；由于喷嘴工作在贫预混状态，工作的当量比在0.6‑0.8附近，此时火焰温度较低，降低了热力型NOx的生成；由于喷嘴出口气流的旋流强度较低，在喷嘴的下游回流区较弱，或基本不形成回流区，缩短了高温反应物在燃烧室内的滞留时间，减小了NOx的形成，降低燃烧污染物的排放；由于在喷嘴出口处增加了锥段稳焰罩，使得喷嘴的出口气流免于受到喷嘴出口漩涡的影响，增加了火焰稳定性。同时，该稳焰罩还可以降低喷嘴出口的速度脉动，提高预混喷嘴的热声稳定性。

Description

一种燃气轮机低污染燃烧室的低旋流预混喷嘴

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，具体是一种适用于燃气轮机低污染燃烧室的低旋流预混喷嘴。

背景技术

随着环保意识的不断增强，人们对排放的要求也越来越高。尤其是排放物中的NOx含量，有着严格的规定。这就迫使燃气轮机制造商引入新的技术，研制能够满足排放要求的燃烧室。过去十年，引入燃气轮机燃烧技术的新概念包括：贫预混燃烧(lean-premixedcombustion,LPM)，富燃-淬熄-贫燃燃烧(rich-burn quick-quench lean-burncombustion,RQL)和催化燃烧(catalytic combustion)。在这三种方法中，烟粒的生成及富燃产物与空气的不完全混合阻碍了RQL的广泛应用，催化燃烧则受到费用、寿命和安全的限制。因而，就目前而言，贫预混燃烧是应用在实际燃烧***中最具潜力的技术。在贫预混燃烧中，燃料和空气在燃烧器的上游进行预混，避免了化学恰当比燃烧区的形成。并且，燃烧是在过量空气的条件下进行的，从而可以降低火焰温度，达到降低热力型NOx的目的。

由于旋流燃烧对火焰稳定有着巨大作用，所以在现代燃烧设备中，旋流燃烧器已经成为必不可少的部件。传统的高旋流燃烧器利用旋流产生的回流区加快高温燃烧产物与新鲜反应物的混合，从而稳定火焰。但是存在高温反应物在燃烧室内的滞留时间长，导致NOx排放较高。低旋流燃烧指的是以较低的旋流数(旋流数一般在0.4到0.55之间)维持火焰稳定燃烧，与高旋流燃烧相比，低旋流流场不存在剧烈的回流区，流线在喷嘴出口处扩张，导致气流速度降低，火焰就稳定在火焰传播速度等于当地气流速度的位置。同时，低旋流燃烧在基本不增加CO的情况下维持极低的NOx排放。

经过对现有技术文献的检索发现专利WO2012141982A1对应用于燃气轮机燃烧室的一种低旋流结构进行了描述，中国发明专利申请号201410073564.8，专利名称：一种低旋流燃烧室喷嘴以和中国发明专利申请号201410073523.9，专利名：一种燃气轮机燃烧室低旋流喷嘴阐述了一种应用于燃气轮机具有不同预混结构的低旋流喷嘴。通过分析发现上述低旋流喷嘴均采用轴向旋流器产生旋流运动，并且采用安装在旋流器上游的预混喷管实现燃料与空气的预混。这种预混方式能够实现燃料与空气的充分预混，但是流动阻力较大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种燃气轮机低污染燃烧室的低旋流预混喷嘴，该喷嘴可以保证燃料与空气在喷嘴内充分预混，降低NOx排放，同时具有流动阻力小、结构紧凑的特点。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种燃气轮机低污染燃烧室的低旋流预混喷嘴，包括空气进口、旋流器空气入口段、燃料入口管、燃料集气腔、径向旋流器、环形旋流通道、旋流叶片、旋流器流道、稳焰罩、喷嘴出口，所述喷嘴出口一端设有稳焰罩，提高了火焰的稳定性，所述喷嘴出口内设有环形旋流通道和中心非旋流流道，所述环形旋流通道包裹在所述中心非旋流流道外，所述环形旋流通道外间隔设有旋流器流道和旋流叶片，所述旋流器流道和旋流叶片间隔形成径向旋流器，所述旋流器流道上设有旋流预混燃料喷射孔，在环形旋流通道内，入口的一部分空气经过径向旋流器产生旋流运动，燃料从旋流器流道内的喷射小孔喷入，完成空气/燃料的预混，所述中心非旋流流道内安装有多孔板，用于调节进入旋流流道和中心流道的空气量，起到调节喷嘴旋流数和稳定预混火焰的作用，所述多孔板上设有若干小孔，所述环形旋流通道设有径向旋流器，所述径向旋流器的旋流器流道上设有旋流预混燃料喷射孔，所述旋流预混燃料喷射孔一侧设有燃料集气腔，所述燃料集气腔一侧连接有燃料入口管。所述燃料集气腔的内侧设有中心流道燃料喷射孔，燃料集气腔内的部分燃料可以从中心流道燃料喷射孔进入中心非旋流流道与空气完成混合。中心非旋流气流和环形旋流通道气流混合后，在喷嘴出口处形成低旋流预混火焰。

优选的，所述的旋流叶片的个数为8-16个

优选的，所述的旋流预混燃料喷射孔开设在旋流器流道内，所述旋流预混燃料喷射孔的个数与旋流叶片的个数一致，所述的旋流预混燃料喷射孔的形状为圆形。

优选的，所述中心流道燃料喷射孔距所述多孔板的轴向距离为0.2-0.8d之间，其中，d为喷嘴的出口直径，所述中心流道燃料喷射孔的数量为8-16个，沿轴向均匀分布，所述中心流道燃料喷射孔的形状为圆形。

优选的，所述的多孔板的阻塞比为35％-75％。

优选的，所述的中心非旋流流道的直径di与嘴出口段直径d之比为0.6-0.8。

优选的，所述的中心非旋流流道与喷嘴出口的距离h为1d-1.5d。

优选的，所述的稳焰罩的张角α的范围为25°-45°，所述的稳焰罩的长度h0的范围为0.4d-0.7d。

其中，旋流预混燃料和中心通道预混燃料之比与通过旋流器的空气量和通过中心流道的空气量之比一致，燃料为甲烷/合成气/氢气等气体燃料。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

分别采用在旋流器流道内和中心流道内喷射燃料，保证了喷嘴出口处空气与燃料的充分预混，结构紧凑、流阻损失小；由于喷嘴工作在贫预混状态，工作的当量比在0.6-0.8附近，此时火焰温度较低，降低了热力型NOx的生成；由于喷嘴出口气流的旋流强度较低，在喷嘴的下游回流区较弱，或基本不形成回流区，缩短了高温反应物在燃烧室内的滞留时间，减小了NOx的形成，降低燃烧污染物的排放；由于在喷嘴出口处增加了锥段稳焰罩，使得喷嘴的出口气流免于受到喷嘴出口漩涡的影响，增加了火焰稳定性。同时，该稳焰罩还可以降低喷嘴出口的速度脉动，抑制预混喷嘴的燃烧不稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例低旋流喷嘴结构示意图。

图2为本发明实施例图1的A-A剖面图。

图3为本发明实施例图1的B-B剖面图。

图4为本发明实施例低旋流多喷嘴燃烧器布置图。

图中：1-空气入口；10-旋流器空气入口段；2-燃料入口管；20-燃料集气腔；21-中心流道燃料喷射孔；22-旋流预混燃料喷射孔；3-径向旋流器；30-环形旋流通道；31-旋流叶片；32-旋流器流道；4-多孔板；41-小孔；40-中心流道；5-稳焰罩；6-喷嘴出口段；7-预混火焰；8-低旋流喷嘴；9-值班喷嘴。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-3所示，本发明实施例提供了一种燃气轮机低污染燃烧室的低旋流预混喷嘴，包括空气进口1、旋流器空气入口段10、燃料入口管2、燃料集气腔20、径向旋流器3、环形旋流通道30、旋流叶片31、旋流器流道32、稳焰罩5、喷嘴出口6，所述喷嘴出口6一端设有稳焰罩5，提高了火焰的稳定性，所述喷嘴出口6内设有环形旋流通道30和中心非旋流流道40，所述环形旋流通道30包裹在所述中心非旋流流道40外，所述环形旋流通道30外间隔设有旋流器流道32和旋流叶片31，所述旋流器流道32和旋流叶片31间隔围成圆环形成径向旋流器3，所述旋流器流道32上设有旋流预混燃料喷射孔22，在环形旋流通道30内，入口的一部分空气经过径向旋流器3产生旋流运动，燃料从旋流器流道32内的喷射小孔22喷入，完成空气/燃料的预混，所述中心非旋流流道40内安装有多孔板4，用于调节进入旋流流道30和中心流道40的空气量，起到调节喷嘴旋流数和稳定预混火焰7的作用，所述多孔板4上设有若干小孔41，所述环形旋流通道30设有径向旋流器3，所述径向旋流器3一侧设有旋流预混燃料喷射孔22，所述旋流预混燃料喷射孔22一侧设有燃料集气腔20，所述燃料集气腔20的内侧设有中心流道燃料喷射孔21，所述燃料集气腔20一侧连接有燃料入口管2，中心非旋流气流和环形旋流通道气流混合后，在喷嘴出口6处形成低旋流预混火焰7。所述的旋流叶片31的个数为8-16个。所述的旋流预混燃料喷射孔22开设在旋流器流道32内，所述旋流预混燃料喷射孔22的个数与旋流叶片31的个数一致，所述的旋流预混燃料喷射孔22的形状为圆形。所述中心流道燃料喷射孔21距所述多孔板4的轴向距离为0.2-0.8d之间，其中，d为喷嘴的出口直径，所述中心流道燃料喷射孔21的数量为8-16个，沿轴向均匀分布，所述中心流道燃料喷射孔21的形状为圆形。所述的多孔板4的阻塞比为35％-75％。所述的中心非旋流流道40的直径di与嘴出口段6直径d之比为0.6-0.8。所述的中心非旋流流道40与喷嘴出口6的距离h为1d-1.5d。所述的稳焰罩5的张角α的范围为25°-45°，所述的稳焰罩5的长度h0的范围为0.4d-0.7d。

其中，旋流预混燃料和中心通道预混燃料之比与通过旋流器的空气量和通过中心流道的空气量之比一致，燃料为甲烷/IGCC合成气/氢气等气体燃料。

本发明的工作过程如下：

空气经空气入口1进入喷嘴，一部分空气经过径向旋流器3产生旋流进入环形旋流通道30，另外一部分空气通过多孔板4进入中心流道40。燃料从燃料入口管2进入燃料集气腔20，燃料集气腔20内的燃料分别通过中心流道燃料喷射孔21和旋流预混燃料喷射孔22进入中心流道40和旋流器流道32完成燃料与空气的充分预混。环形旋流通道30内的旋流燃料/空气预混物和中心流道40内的非旋流燃料/空气预混物在喷嘴出口6附近混合形成低旋流气流。燃料/空气预混物经过稳焰器5后流线扩张，流速下降。预混火焰7就稳定在焰传播速度等于当地气流速度的位置。

实施例

如图4所示，在实际燃气轮机燃烧室中通常采用喷嘴相互紧靠的环形或管形多喷嘴布置结构。多喷嘴结构既可以增加燃烧室的热负荷及负荷调节比，又可以确保一个喷嘴熄火时，相邻的喷嘴能够将它重新点燃，维持火焰稳定。如图所示，在具体布置中，可以根据实际燃气轮机的结构，采用本发明所述的低旋流喷嘴，组成具有多喷嘴结构的燃气轮机燃烧器。中心喷嘴为值班喷嘴9；外侧为本发明所述的低旋流喷嘴8，喷嘴沿着中心喷嘴的轴向均匀布置，外侧喷嘴的数量个数为4-8个。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种燃气轮机低污染燃烧室的低旋流预混喷嘴，其特征在于，包括空气进口(1)、旋流器空气入口段(10)、燃料入口管(2)、燃料集气腔(20)、径向旋流器(3)、环形旋流通道(30)、旋流叶片(31)、旋流器流道(32)、稳焰罩(5)、喷嘴出口，所述喷嘴出口一端设有稳焰罩(5)，所述喷嘴内设有环形旋流通道(30)和中心非旋流流道(40)，所述环形旋流通道(30)包裹在所述中心非旋流流道(40)外，所述环形旋流通道(30)外间隔设有旋流器流道(32)和旋流叶片(31)，所述旋流器流道(32)和旋流叶片(31)间隔围成圆环形成径向旋流器(3)，所述旋流器流道(32)上设有旋流预混燃料喷射孔(22)，所述中心非旋流流道(40)内安装有多孔板(4)，所述多孔板(4)上设有若干小孔(41)，所述环形旋流通道(30)外侧设有一个径向旋流器(3)，所述径向旋流器(3)的旋流器流道(32)上设有旋流预混燃料喷射孔(22)，所述旋流预混燃料喷射孔(22)一侧设有燃料集气腔(20)，所述燃料集气腔一侧连接有燃料入口管(2),所述燃料集气腔(20)的内侧设有中心流道燃料喷射孔(21)，燃料集气腔(20)内的部分燃料可以从中心流道燃料喷射孔(21)进入中心非旋流流道(40)与空气完成混合。

2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机低污染燃烧室的低旋流预混喷嘴，其特征在于，所述的旋流叶片(31)的个数为8-16个 。

3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机低污染燃烧室的低旋流预混喷嘴，其特征在于，所述的旋流预混燃料喷射孔(22)开设在旋流器流道(32)内，所述旋流预混燃料喷射孔(22)的个数与旋流叶片(31)的个数一致，所述的旋流预混燃料喷射孔(22)的形状为圆形。

4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机低污染燃烧室的低旋流预混喷嘴，其特征在于，所述中心流道燃料喷射孔(21)距所述多孔板(4)的轴向距离为0.2-0.8d之间，其中，d为喷嘴的出口直径，所述中心流道燃料喷射孔(21)的数量为8-16个，沿轴向均匀分布，所述中心流道燃料喷射孔(21)的形状为圆形。

5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机低污染燃烧室的低旋流预混喷嘴， 其特征在于，所述的多孔板(4)的阻塞比为35％-75％。

6.根据权利要求1所述的一种燃气轮机低污染燃烧室的低旋流预混喷嘴，其特征在于，所述的中心非旋流流道(40)的直径di与喷嘴出口段(6)直径d之比为0.6-0.8。

7.根据权利要求1所述的一种燃气轮机低污染燃烧室的低旋流预混喷嘴，其特征在于，所述的中心非旋流流道(40)与喷嘴出口的距离h为1d-1.5d，d是喷嘴出口段(6)直径。

8.根据权利要求1所述的一种燃气轮机低污染燃烧室的低旋流预混喷嘴，其特征在于，所述的稳焰罩(5)的张角α的范围为25°-45°，所述的稳焰罩(5)的长度h₀的范围为0.4d-0.7d，d是喷嘴出口段(6)直径。