CN113776084A - 一种一体化低污染燃烧室喷嘴结构及方法 - Google Patents

一种一体化低污染燃烧室喷嘴结构及方法 Download PDF

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汪玉明
孙士恩
林俊光
林钢
秦刚华
鲍听
马聪
俞李斌
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    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
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Abstract

本发明涉及一体化低污染燃烧室喷嘴结构，包括喷嘴本体、燃料腔体和空气板；空气板焊接在喷嘴本体上形成一体化结构，并且空气板和喷嘴本体采用相同材料；喷嘴本体的喷嘴端部壁面内壁上设有喷嘴导流壁面；燃料腔体主要由喷嘴杆内腔体和喷嘴突扩内腔体相连组成，喷嘴突扩内腔体外侧设有喷嘴导流孔腔体；空气板由空气孔和空气板壁面组成，空气板壁面上均匀分布有空气孔；喷嘴导流孔腔体外侧设有燃料孔。本发明的有益效果是：本发明采用一体式喷嘴结构形式，将空气孔和燃料喷嘴进行结构集成，并采用同种材料加工，能保证在不同的工况下，空气孔和燃料喷嘴保持一致的膨胀变形，保持主要设计尺寸的一致性，使燃料和空气的混合特性与设计结果保持一致。

Description

一种一体化低污染燃烧室喷嘴结构及方法
技术领域
本发明涉及一种喷嘴结构，具体涉及一种一体化低污染燃烧室喷嘴结构及方法。
背景技术
随着能源紧缺及全世界对环境问题的重视，各国对燃气轮机的污染排放性能和燃烧效率要求日趋严格，一般要求燃气轮机在50％以上负荷区间，燃烧室排放能维持在较低水平，同时保持较高的燃烧效率。对于气态燃料(如甲烷)，为了达到低排放水平，预混燃烧技术被广泛采用。虽然预混燃烧能达到较低的排放水平，但在机组运行过程中，容易因为各种故障(喷嘴堵塞、污垢或设计缺陷)造成混气速度小于火焰速度，进而发生回火引起燃烧器损坏等。
专利CN106461211A公开了一种燃气涡轮发动机的燃烧装置，包括基于MMX(Micro-Mix)燃烧原理的喷嘴和燃烧器。其包括多个用于燃料喷射的环状部和用于空气引导的环状部，燃料喷射部件和空气引导部件呈同心状交替地配置，具体喷嘴结构见图5(其中包括燃料供给管66、中间环状管道84、喷嘴孔36、喷嘴孔37、燃料流通路径73)。其中燃料(氢气)由中间环状管道84进入喷嘴，并经过喷嘴孔36和37喷射进入下游火焰筒；空气经由内外两侧分布的空气孔A进入下游火焰筒；燃料和空气方向相互垂直，充分混合，经点火器点燃后在下游形成多个独立的小火焰结构，能够减小火焰的停留时间，理论上能极大降低NOx排放，并且能避免回火的发生。该喷嘴结构可以用于多种燃料的燃烧，比如天然气、氢气、合成气等。但该喷嘴燃料喷射部和空气引导部属于不同的部件，在发生热膨胀时变形位移和方向可能不一致，出现较大的相对位移，造成空气和燃料的混合性能出现较大的偏差，进而造成火焰形态发生改变，火焰稳定性和排放性能发生恶化。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种一体化低污染燃烧室喷嘴结构及方法。
这种一体化低污染燃烧室喷嘴结构，包括喷嘴本体、燃料腔体和空气板；空气板焊接在喷嘴本体上形成一体化结构，并且空气板和喷嘴本体采用相同材料；喷嘴本体的喷嘴端部壁面内壁上设有喷嘴导流壁面；燃料腔体主要由喷嘴杆内腔体和喷嘴突扩内腔体相连组成，喷嘴突扩内腔体外侧设有喷嘴导流孔腔体；空气板由空气孔和空气板壁面组成，空气板壁面上均匀分布有空气孔；喷嘴导流孔腔体外侧设有燃料孔，燃料孔位于空气孔下游，并且燃料孔与空气孔相对应；空气板的外缘设有一圈进气环。
作为优选：喷嘴本体主要由喷嘴杆壁面、喷嘴突扩壁面和喷嘴端部壁面依次相连组成。
作为优选：导流孔腔体均匀布置在喷嘴突扩内腔体的外侧。
作为优选：导流孔腔体为圆柱腔体或方形腔体。
作为优选：圆柱腔体的直径为喷嘴端部壁面直径的5％-15％，圆柱腔体的深度为喷嘴端部壁面直径的20％-30％。
作为优选：燃料孔与导流孔腔体的外壁面成一定角度的锐角或者相互垂直。
作为优选：空气孔和燃料孔数量的比例关系是1:1或1:2或1:3。
这种一体化低污染燃烧室喷嘴结构的工作方法，包括以下步骤：
S1、燃料从燃料进口进入喷嘴杆内腔体，接着进入喷嘴突扩内腔体后分成两部分，一部分沿直线流动撞击喷嘴端部壁面，并在喷嘴端部壁面和喷嘴导流壁面的角落处形成回流涡，并流向喷嘴导流孔腔体，最后从导流孔腔体外侧的燃料孔流出喷嘴结构；另外一部分直接流向喷嘴导流孔腔体，最后从导流孔腔体外侧的燃料孔流出喷嘴结构；
S2、空气从空气进口经过进气环进入空气孔，流速增加，与从燃料孔流出的燃料相互混合，燃料速度方向与空气速度方向相互垂直；
S3、充分混合后的燃气经点火器点燃后，在燃料孔下游形成多个独立分散的小火焰。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用一体式喷嘴结构形式，将空气孔和燃料喷嘴进行结构集成，并采用同种材料加工，能保证在不同的工况下，空气孔和燃料喷嘴保持一致的膨胀变形，保持主要设计尺寸的一致性，使燃料和空气的混合特性与设计结果保持一致。
2、本发明采用一体式喷嘴结构，一个喷嘴单元内的多个燃料孔会共享一个燃料进口，通过燃料通道内部流动结构的精细设计，可以使通过每个燃料孔的燃料量基本一致，燃料均匀性大大提高。
附图说明
图1是一体化低污染燃烧室喷嘴结构示意图；
图2是一体化低污染燃烧室喷嘴结构剖视图；
图3是空气孔和燃料孔周向分布示意图；
图4是带有进气环的一体化低污染燃烧室喷嘴结构示意图；
图5是背景技术中喷嘴结构示意图。
附图标记说明：1、喷嘴本体；11、喷嘴杆壁面；12、喷嘴突扩壁面；13、喷嘴端部壁面；14、喷嘴导流壁面；15、燃料孔；2、燃料腔体；21、喷嘴杆内腔体；22、喷嘴突扩内腔体；23、喷嘴导流孔腔体；3、空气板；31、空气孔；32、空气板壁面；33、进气环。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
本专利的一体化低污染燃烧室喷嘴结构，能够保证空气孔和燃料孔的变形一致性，在各个工况下的燃料混合特性与设计结果一致，并且通过对一体化喷嘴燃料通道内部流动结构的精细设计，可以大大提高每个燃料喷口的燃料均匀性。
实施例一
本申请实施例一提供一种一体化低污染燃烧室喷嘴结构，包括喷嘴本体1、燃料腔体2和空气板3，形成一个独立的喷嘴单元，该喷嘴单元可以独立工作，也可以和其他的喷嘴单元共同工作形成多喷嘴结构。其中，空气板3焊接在喷嘴本体1上，并采用相同材料(不锈钢、高温合金等)，也可以通过3D打印技术将喷嘴本体1、燃料腔体2和空气板3集成打印。这样可以保证喷嘴本体1和空气板3的热变形基本一致，不会随着进口条件的变化而产生相对位移，造成空气和燃料的掺混性能发生恶化。
喷嘴本体1主要由喷嘴杆壁面11、喷嘴突扩壁面12和喷嘴端部壁面13依次相连组成；喷嘴端部壁面13内壁上设有喷嘴导流壁面14；燃料腔体2主要由喷嘴杆内腔体21和喷嘴突扩内腔体22相连组成，喷嘴突扩内腔体22外侧设有喷嘴导流孔腔体23；喷嘴本体1外侧壁设有一圈空气板3，空气板3由空气孔31和空气板壁面32组成，空气板壁面32上均匀分布有空气孔31；喷嘴导流孔腔体23外侧设有燃料孔15，燃料孔15位于空气孔31下游，并且燃料孔15与空气孔31相对应。在空气板3的外缘设有一圈进气环33。
图3是一个喷嘴单元上多个空气孔的圆形分布形式，空气孔和燃料孔相对应，燃料孔位于空气孔的下游。图4中空气孔和燃料孔的比例关系是1:1，空气孔和燃料孔的比例关系也可以是1:2或1:3，在此不做限定。
图4是带有进气环的一体化喷嘴结构，在空气板3的外缘增加了一圈进气环33，该进气环能使进入空气孔31的气流更均匀，流向更加规则。且该进气环能提高整个喷嘴装配时的容错率，在整个喷嘴受热发生整体变形时，进气环的存在能增加喷嘴与燃烧室的接触面积，使喷嘴不至于发生错位，进而造成火焰形态发生较大变化。
实施例二
导流孔腔体23均匀布置在喷嘴突扩内腔体22的外侧。导流孔腔体可以为圆柱腔体，也可为方形腔体。优选圆柱腔体，更优选地，圆柱腔体的直径为喷嘴直径的5％-15％，腔体的深度为喷嘴直径的20％-30％。导流孔腔体23的外壁面开有燃料孔15，相对位置可以成一定角度的锐角，也可相互垂直。由于导流孔腔体直径大于燃料孔直径，因此在燃料分配时，能提升不同燃料孔之间的燃料均匀性；导流孔腔体23位于喷嘴突扩内腔体22的外侧，且深度大于直径，燃料在流入导流孔腔体时流动方向较为规则，在燃料分配均匀性上会有较大的提升。
实施例三
图2是一种一体化低污染燃烧室喷嘴结构剖视图，燃料(甲烷/氢气)从燃料进口进入喷嘴杆内腔体21，接着进入喷嘴突扩内腔体22后分成两部分，一部分沿直线流动撞击喷嘴端部壁面13，并在喷嘴端部壁面13和喷嘴导流壁面14的角落处形成回流涡，并流向喷嘴导流孔腔体23，最后从导流孔腔体23末端的燃料孔15流出喷嘴结构；另外一部分直接流向喷嘴导流孔腔体23，最后从导流孔腔体23末端的燃料孔15流出喷嘴结构。导流孔腔体23与燃料孔15相对应，导流孔腔体23可以为圆柱体，也可以为方体等。在一个喷嘴单元中有一个燃料进口，通过对导流孔腔体23的精细设计可以提高不同燃料孔15之间的流量均匀性。本实例中的喷嘴结构通过回流涡和导流孔腔体23相结合，大大提高了不同燃料孔15之间的流量均匀性，进而保证了喷嘴下游的局部当量比，防止出现高温热点进而造成局部NOx偏高。
空气从空气进口进入空气孔31，流速增加，与从燃料孔15流出的燃料相互混合，由于燃料速度方向与空气速度方向相互垂直，能加强燃料和空气之间的掺混，形成类似于预混的效果。充分混合后的燃气经点火器点燃后，在燃料孔15下游形成多个独立分散的小火焰，能极大减小NOx的排放，且由于燃料和空气位于不同的通道，能避免回火现象的产生。

Claims (8)

1.一种一体化低污染燃烧室喷嘴结构，其特征在于：包括喷嘴本体(1)、燃料腔体(2)和空气板(3)；空气板(3)焊接在喷嘴本体(1)上形成一体化结构，并且空气板(3)和喷嘴本体(1)采用相同材料；喷嘴本体(1)的喷嘴端部壁面(13)内壁上设有喷嘴导流壁面(14)；燃料腔体(2)主要由喷嘴杆内腔体(21)和喷嘴突扩内腔体(22)相连组成，喷嘴突扩内腔体(22)外侧设有喷嘴导流孔腔体(23)；空气板(3)由空气孔(31)和空气板壁面(32)组成，空气板壁面(32)上均匀分布有空气孔(31)；喷嘴导流孔腔体(23)外侧设有燃料孔(15)，燃料孔(15)位于空气孔(31)下游，并且燃料孔(15)与空气孔(31)相对应；空气板(3)的外缘设有一圈进气环(33)。
2.根据权利要求1所述的一体化低污染燃烧室喷嘴结构，其特征在于：喷嘴本体(1)主要由喷嘴杆壁面(11)、喷嘴突扩壁面(12)和喷嘴端部壁面(13)依次相连组成。
3.根据权利要求1所述的一体化低污染燃烧室喷嘴结构，其特征在于：导流孔腔体(23)均匀布置在喷嘴突扩内腔体(22)的外侧。
4.根据权利要求1所述的一体化低污染燃烧室喷嘴结构，其特征在于：导流孔腔体(23)为圆柱腔体或方形腔体。
5.根据权利要求4所述的一体化低污染燃烧室喷嘴结构，其特征在于：圆柱腔体的直径为喷嘴端部壁面(13)直径的5％-15％，圆柱腔体的深度为喷嘴端部壁面(13)直径的20％-30％。
6.根据权利要求1所述的一体化低污染燃烧室喷嘴结构，其特征在于：燃料孔(15)与导流孔腔体(23)的外壁面成一定角度的锐角或者相互垂直。
7.根据权利要求1所述的一体化低污染燃烧室喷嘴结构，其特征在于：空气孔(31)和燃料孔(15)数量的比例关系是1:1或1:2或1:3。
8.一种如权利要求1所述的一体化低污染燃烧室喷嘴结构的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、燃料从燃料进口进入喷嘴杆内腔体(21)，接着进入喷嘴突扩内腔体(22)后分成两部分，一部分沿直线流动撞击喷嘴端部壁面(13)，并在喷嘴端部壁面(13)和喷嘴导流壁面(14)的角落处形成回流涡，并流向喷嘴导流孔腔体(23)，最后从导流孔腔体(23)外侧的燃料孔(15)流出喷嘴结构；另外一部分直接流向喷嘴导流孔腔体(23)，最后从导流孔腔体(23)外侧的燃料孔(15)流出喷嘴结构；
S2、空气从空气进口经过进气环(33)进入空气孔(31)，流速增加，与从燃料孔(15)流出的燃料相互混合，燃料速度方向与空气速度方向相互垂直；
S3、充分混合后的燃气经点火器点燃后，在燃料孔(15)下游形成多个独立分散的小火焰。
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