CN106523156B - 一种气体燃料混合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体燃料混合器，涉及燃气轮机技术领域，包括燃料管、空气管和喷嘴，所述空气管套设于所述燃料管外侧，所述喷嘴设置在所述燃料管和所述空气管前端；所述喷嘴上设有若干个第一混合通道和第二混合通道，所述第一混合通道及第二混合通道的前端用于喷射混合气体，尾端用于进入空气，本发明的气体燃料混合器能够缩短燃料与空气在第一混合通道和第二混合通道内的混合时间，均匀的混合气体降低了局部热点出现的概率和NOX污染物的排放，并且提高了燃烧的稳定性，减少混合器的损坏。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，特别是涉及一种气体燃料混合器。
背景技术
燃气轮机作为把热能转换为机械能的旋转机械，通常包括压气机、燃烧室、透平、控制***和辅助设备。燃烧室作为燃气轮机的重要组成部分，位于压气机与透平之间，其作用在于使燃料与压气机送来的高压空气进行很好的混合和燃烧，以求最有效地把燃料的化学能转换成高温燃气的热能，进而提高透平前燃气的做功能力。设计一个可靠、经济、低污染工作的燃烧室与燃气轮机的稳定高效低污染工作息息相关。
随着对燃气轮机参数及排放要求的提高，同时为节省燃料，贫预混燃烧成为了通过降低平均火焰温度来降低NOX排放、降低透平进口温度的有效手段。贫预混燃烧指的是在燃料与氧化剂的供应关系比较稀释的条件下，二者在进入燃烧室前已经混合均匀，从而降低局部热点出现的可能性，维持较低的火焰温度，降低NOX的排放。可见燃料与氧化剂在进入燃烧室之前混合完全对NOX排放的重要性。燃料与氧化剂的混合是通过混合器完成的。混合器的混合性能好坏直接影响着局部热点出现的概率，也就影响着NOX的排放。除此之外，燃料与氧化剂的混合程度还影响着燃烧稳定性，稳定的燃烧有利于降低回火、熄火的可能性，实现能源的高效转换，同时也有利于保护燃烧室设备长期有效运行。很多学者针对贫预混燃烧的火焰稳定性进行了研究，发现在贫预混燃烧中由于混合不均匀引起的当量比波动是诱发燃烧不稳定的首要因素。目前增强混合的技术主要有两大类：对液体燃料来说通常会在喷嘴后增加旋流器以增强雾化及混合；而对气体燃料来说，混合器的结构通常采用微尺度交叉射流的方式实现高效混合。人们基于以上两大技术设计各种结构来满足燃料和氧化剂充分混合的要求。针对于气体燃料而言，现有的技术为将空气和燃料分别通过单独设置的空气室和燃料室注入到气体燃料通道中实现混合，该结构不仅复杂，而且还需要较大空间和较长时间才能较好的混合空气和气体燃料。
因此，为了降低采用气体燃料的燃气轮机的NOX的排放，设计一种混合效率高的气体燃料混合器尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种气体燃料混合器，以解决上述现有技术存在的问题，使燃气轮机的气体燃料和空气能够在混合器中被更好地混合，以降低局部热点出现的概率，减少NOX的排放。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种气体燃料混合器，包括燃料管、空气管和喷嘴，所述空气管套设于所述燃料管外侧，所述喷嘴设置在所述燃料管和所述空气管前端。
所述喷嘴上设有若干个第一混合通道和第二混合通道，所述第一混合通道及第二混合通道的前端用于喷射混合气体，尾端用于进入空气；所述第一混合通道位于所述喷嘴的径向外周，所述第二混合通道位于所述第一混合通道径向内侧；所述第一混合通道和所述第二混合通道之间及所述第二混合通道内侧设有若干个冷却孔；所述冷却孔与所述空气管连通。
所述燃料管前端封闭，所述燃料管周向设有若干第一燃料混合孔，所述第一混合通道的侧壁上设有若干个第一空气混合孔，所述第一燃料混合孔和所述第一空气混合孔径向对齐，所述燃料管上设有第一混合管，所述第一混合管一端连通所述第一燃料混合孔，另一端延伸至所述第一空气混合孔的端部，且所述第一混合管的外径小于所述第一空气混合孔的内径。
所述燃料管周向且位于所述第一燃料混合孔前部设有若干第二燃料混合孔，所述第二混合通道的侧壁上设有若干个第二空气混合孔，所述第二燃料混合孔和所述第二空气混合孔径向对齐，所述燃料管上设有第二混合管，所述第二混合管一端连通所述第二燃料混合孔，另一端延伸至所述第二空气混合孔的端部，且所述第二混合管的外径小于所述第二空气混合孔的内径。
优选地，所述第一混合管的另一端与所述第一混合通道的外壁相切；所述第二混合管的另一端与所述第二混合通道的外壁相切。
优选地，所述第一空气混合孔的直径和所述第一混合管的内径相等，所述第一混合管的内径与所述第一空气混合孔的直径之比为0.2～0.4；所述第二空气混合孔的直径和所述第二混合管的内径相等，所述第二混合管的内径与所述第二空气混合孔的直径之比为0.2～0.4。
优选地，每个所述第一混合通道均对应着两个所述第一空气混合孔、两个所述第一混合管和两个所述第一燃料混合孔，且两个所述第一混合管的内径之和与所述第一混合通道的截面积比为0.1～0.2；每个所述第二混合通道均对应着一个所述第二空气混合孔、一个所述第二混合管和一个所述第二燃料混合孔，且所述第二混合管的内径与所述第二混合通道的截面积比为0.1～0.2。
优选地，所述冷却孔的面积之和与所述第一混合通道和所述第二混合通道的截面积之和的比为0.4～0.6。
优选地，所述第一混合通道和所述第二混合通道的数量相等且均匀交错分布。
优选地，所述第一混合通道和所述第二混合通道的数量均为10个。
优选地，还包括设置于所述燃料管和所述空气管尾端的安装座，所述安装座的中部设有燃料进口，所述燃料进口与所述燃料管连通，所述空气管的尾端周向设有若干个空气进口。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的气体燃料混合器的第一混合管和第二混合管喷射出的气体燃料会对空气管内的部分空气形成引射，在进入第一混合通道和第二混合通道前，燃料就已经和部分空气进行了一次混合，与此同时，在第一混合通道和第二混合通道内，燃料径向流动，空气轴向流动，二者为横向交叉的形式，燃料和空气以微尺度交叉射流形式二次混合，这两次混合强化了燃料与空气的混合程度，缩短了燃料与空气在第一混合通道和第二混合通道内的混合时间；均匀的混合气体降低了局部热点出现的概率和污染物NOX的排放，且提高了燃烧的稳定性，减少了混合器的损坏。本发明气体燃料混合器的适应性较强，能够适应天然气、合成气、纯氢气等多种气体燃料，在燃气轮机领域具有重要的推广应用价值。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明气体燃料混合器的剖视示意图一；
图2为本发明气体燃料混合器的剖视示意图二；
图3为本发明气体燃料混合器的立体剖视示意图；
图4为图3的局部放大图；
其中，1-燃料管，2-空气管，3-喷嘴，4-第一混合通道，5-第二混合通道，6-冷却孔，7-第一燃料混合孔，8-第一空气混合孔，9-第一混合管，10-第二燃料混合孔，11-第二空气混合孔，12-第二混合管，13-安装座，14-燃料进口，15-空气进口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种气体燃料混合器，以解决上述现有技术存在的问题，使燃气轮机的气体燃料和空气能够在混合器中被更好地混合，以降低局部热点出现的概率，减少NOX的排放。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：如图1-4所示，本实施例提供了一种气体燃料混合器，包括燃料管1、空气管2、喷嘴3和安装座13，所述空气管2套设于所述燃料管1外侧，所述喷嘴3设置在所述燃料管1和所述空气管2前端，所述安装座13设置于所述燃料管1和所述空气管2尾端，所述安装座13用于将气体燃料混合器固定到燃气轮机上，所述安装座13的中部设有燃料进口14，所述燃料进口14与所述燃料管1连通，所述空气管2的尾端周向均匀设有四个空气进口15。
所述喷嘴3上设有十个第一混合通道4和第二混合通道5，所述第一混合通道4及第二混合通道5的前端用于喷射混合气体，尾端用于进入空气；所述第一混合通道4位于所述喷嘴3的径向外周，所述第二混合通道5位于所述第一混合通道4径向内侧，所述第一混合通道4和所述第二混合通道5的数量相等且均匀交错分布。所述第一混合通道4和所述第二混合通道5之间及所述第二混合通道5内侧设有若干个均匀分布的冷却孔6；所述第一混合通道4和所述第二混合通道5之间的冷却孔6呈三个同心圆布置，第二混合通道5内侧的冷却孔6也呈三个同心圆布置，所述冷却孔6与所述空气管2连通。冷空气经冷却孔6进入燃烧室，作为混合气体燃烧时的冷却气体，可以有效降低喷嘴3出口的温度，防止喷嘴3出现火焰驻定及回火的情况。
所述燃料管1周向设有若干第一燃料混合孔7，所述第一混合通道4的侧壁上设有若干个第一空气混合孔8，所述第一燃料混合孔7和所述第一空气混合孔8径向对齐，所述燃料管1上设有第一混合管9，所述第一混合管9一端连通所述第一燃料混合孔7，另一端延伸至所述第一空气混合孔8的端部，且所述第一混合管9的外径小于所述第一空气混合孔8的内径。
所述燃料管1周向且位于所述第一燃料混合孔7前部设有若干第二燃料混合孔10，所述第二混合通道5的侧壁上设有若干个第二空气混合孔11，所述第二燃料混合孔10和所述第二空气混合孔11径向对齐，所述燃料管1上设有第二混合管12，所述第二混合管12一端连通所述第二燃料混合孔10，另一端延伸至所述第二空气混合孔11的端部，且所述第二混合管12的外径小于所述第二空气混合孔11的内径；所述第一混合管9的另一端与所述第一混合通道4的外壁相切；所述第二混合管12的另一端与所述第二混合通道5的外壁相切。所述燃料管1前端封闭，使燃料仅能够从第一燃料混合孔7和第二燃料混合孔10中射出。
所述第一空气混合孔8的直径和所述第一混合管9的内径相等，所述第一混合管9的内径与所述第一空气混合孔8的直径之比为0.2～0.4；所述第二空气混合孔11的直径和所述第二混合管12的内径相等，所述第二混合管12的内径与所述第二空气混合孔11的直径之比为0.2～0.4。每个所述第一混合通道4均对应着两个所述第一空气混合孔8、两个所述第一混合管9和两个所述第一燃料混合孔7，且两个所述第一混合管9的内径之和与所述第一混合通道4的截面积比为0.1～0.2；每个所述第二混合通道5均对应着一个所述第二空气混合孔11、一个所述第二混合管12和一个所述第二燃料混合孔10，且所述第二混合管12的内径与所述第二混合通道5的截面积比为0.1～0.2。所述冷却孔6的面积之和与所述第一混合通道4和所述第二混合通道5的截面积之和的比为0.4～0.6。
可以理解的是：所述空气为本实施例为方便阐述工作原理，所采用的一种气体助燃剂，这不应理解为对本发明结构的限制。所述第一混合通道4和所述第二混合通道5的数量不局限于十个，凡是能够均匀分布的任意数量均可；所述空气进口15的数量也不局限于四个，只要空气进口15能够满足喷嘴3对进气量的要求即可。
本实施例安装于燃气轮机上，喷嘴3位于燃烧室内。本实施例的气体燃料混合器的第一混合管9和第二混合管12喷射出的气体燃料会对空气管2内的部分空气形成引射，在进入第一混合通道4和第二混合通道5前，燃料就已经和部分空气进行了一次混合，与此同时，在第一混合通道4和第二混合通道5内，燃料径向流动，空气轴向流动，二者为横向交叉的形式，燃料和空气以微尺度交叉射流形式二次混合，这两次混合强化了燃料与空气的混合程度，缩短了燃料与空气在第一混合通道4和第二混合通道5内的混合时间；均匀的混合气体配合从冷却孔6进入的冷空气，可以有效降低喷嘴3出口的温度，降低了局部热点出现的概率和污染物NOX的排放，且提高了燃烧的稳定性，减少了混合器的损坏。本实施例气体燃料混合器的适应性较强，能够适应天然气、合成气、纯氢气等多种气体燃料，在燃气轮机领域具有重要的推广应用价值。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种气体燃料混合器，其特征在于：包括燃料管、空气管和喷嘴，所述空气管套设于所述燃料管外侧，所述喷嘴设置在所述燃料管和所述空气管前端；
所述喷嘴上设有若干个第一混合通道和第二混合通道，所述第一混合通道及第二混合通道的前端用于喷射混合气体，尾端用于进入空气；所述第一混合通道位于所述喷嘴的径向外周，所述第二混合通道位于所述第一混合通道径向内侧；所述第一混合通道和所述第二混合通道之间及所述第二混合通道内侧设有若干个冷却孔；所述冷却孔与所述空气管连通；
所述燃料管前端封闭，所述燃料管周向设有若干第一燃料混合孔，所述第一混合通道的侧壁上设有若干个第一空气混合孔，所述第一燃料混合孔和所述第一空气混合孔径向对齐，所述燃料管上设有第一混合管，所述第一混合管一端连通所述第一燃料混合孔，另一端延伸至所述第一空气混合孔的端部，且所述第一混合管的外径小于所述第一空气混合孔的内径；
所述燃料管周向且位于所述第一燃料混合孔前部设有若干第二燃料混合孔，所述第二混合通道的侧壁上设有若干个第二空气混合孔，所述第二燃料混合孔和所述第二空气混合孔径向对齐，所述燃料管上设有第二混合管，所述第二混合管一端连通所述第二燃料混合孔，另一端延伸至所述第二空气混合孔的端部，且所述第二混合管的外径小于所述第二空气混合孔的内径。
2.根据权利要求1所述的气体燃料混合器，其特征在于：所述第一混合管的另一端与所述第一混合通道的外壁相切；所述第二混合管的另一端与所述第二混合通道的外壁相切。
3.根据权利要求1或2所述的气体燃料混合器，其特征在于：所述第一混合管的内径与所述第一空气混合孔的直径之比为0.2～0.4；所述第二混合管的内径与所述第二空气混合孔的直径之比为0.2～0.4。
4.根据权利要求1或2所述的气体燃料混合器，其特征在于：每个所述第一混合通道均对应着两个所述第一空气混合孔、两个所述第一混合管和两个所述第一燃料混合孔，且两个所述第一混合管的内径之和与所述第一混合通道的截面积比为0.1～0.2；每个所述第二混合通道均对应着一个所述第二空气混合孔、一个所述第二混合管和一个所述第二燃料混合孔，且所述第二混合管的内径与所述第二混合通道的截面积比为0.1～0.2。
5.根据权利要求1所述的气体燃料混合器，其特征在于：所述冷却孔的面积之和与所述第一混合通道和所述第二混合通道的截面积之和的比为0.4～0.6。
6.根据权利要求1所述的气体燃料混合器，其特征在于：所述第一混合通道和所述第二混合通道的数量相等且均匀交错分布。
7.根据权利要求1所述的气体燃料混合器，其特征在于：所述第一混合通道和所述第二混合通道的数量均为10个。
8.根据权利要求1所述的气体燃料混合器，其特征在于：还包括设置于所述燃料管和所述空气管尾端的安装座，所述安装座的中部设有燃料进口，所述燃料进口与所述燃料管连通，所述空气管的尾端周向设有若干个空气进口。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106523156A (zh) | 2017-03-22 |
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