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一种燃料从叶片喷射的贫预混模喷嘴及全环燃烧室

阅读：545发布：2021-02-23

IPRDB可以提供一种燃料从叶片喷射的贫预混模喷嘴及全环燃烧室专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种燃料从叶片喷射的贫预混模喷嘴及全环燃烧室，采用贫预混燃烧技术，燃料喷射口沿径向均匀分布在轴向旋流器叶片上，提高燃料/空气比在径向分布的均匀性，另外旋流喷嘴的燃烧当量比为0.55‑0.75，保证燃烧区温度较低且均匀分布无热点，有效减少热力型氮氧化物的生成；轴向旋流器为低旋流，既能缩短高温燃气的停留时间，减少氮氧化物生成，又能降低旋转气流湍流脉动，降低发生回火和振荡燃烧风险；旋流器外壁上壁面发散孔能降低壁温和附面层燃料/空气比，降低发生自燃和回火风险；在实际燃烧室中，通过合理布置一定数量的相同尺寸的旋流喷嘴形成多点贫预混燃烧室头部，并采用主模燃料分级供应，可实现燃烧室在全工况范围内的低污染排放水平。，下面是一种燃料从叶片喷射的贫预混模喷嘴及全环燃烧室专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种燃料从叶片喷射的贫预混模喷嘴，包括旋流器外壁和轴向旋流器；其特征在于：

所述轴向旋流器为低旋流轴向旋流器，低旋流轴向旋流器(7)中心的旋流器内壁(6)为燃料管路入口(7)，低旋流轴向旋流器(9)的叶片之间的旋流器内壁(6)上设有矩形孔形成叶片燃料流路入口(8)，低旋流轴向旋流器(9)的每个叶片的叶背上，设有多个喷射孔(13)，使得燃料自燃料管路入口(7)进入，通过叶片燃料流路入口(8)，经由喷射孔(13)进入预混段(2)；低旋流轴向旋流器(9)与出口收敛段(11)之间预混段(2)的旋流器外壁上设有多个壁面发散小孔(10)，出口收敛段(11)之后为低旋流喷嘴出口(12；所述低旋流轴向旋流器(9)的叶片为曲叶片，沿周向均匀分布，叶片角度为30°～45°；所述的低旋流喷嘴出口(12)的内径D为25mm～60mm，预混段长度S与内径D之比为0.5～1.2。

2.根据权利要求1所述燃料从叶片喷射的贫预混模喷嘴，其特征在于：所述低旋流轴向旋流器(9)的叶片为6-20个，与叶片之间的叶片燃料流路入口(8)数目相等。

3.根据权利要求1或2所述燃料从叶片喷射的贫预混模喷嘴，其特征在于：所述叶背上的喷射孔(13)为2-5个。

4.根据权利要求1或2所述燃料从叶片喷射的贫预混模喷嘴，其特征在于：所述低旋流轴向旋流器(9)的曲叶片的叶片角度为30°～45°。

5.根据权利要求1所述燃料从叶片喷射的贫预混模喷嘴，其特征在于：所述的壁面发散小孔(10)沿轴向和周向均匀地分布，发散小孔的轴向间距和周向间距为4mm～7mm。

6.根据权利要求1所述燃料从叶片喷射的贫预混模喷嘴，其特征在于：所述的旋流器出口收敛段与水平方向夹角α为35°-55°。

7.根据权利要求1所述燃料从叶片喷射的贫预混模喷嘴，其特征在于：所述低旋流喷嘴方案的燃烧区当量比为0.55-0.75。

8.一种利用权利要求1～7所述任一项燃料从叶片喷射的贫预混模喷嘴构成的全环燃烧室，包括外火焰筒(15)、内火焰筒(19)和头部法兰(14)；其特征在于：多个从叶片喷射的贫预混模喷嘴，沿径向由内及外分三层排布在头部法兰(14)上，沿径向三个喷嘴一组主模与两个喷嘴一组的副模间隔分布。

9.根据权利要求8所述全环燃烧室，其特征在于：所述同一组的从叶片喷射的贫预混模喷嘴共用一个供燃料管。

10.根据权利要求8所述全环燃烧室，其特征在于：所述外层旋流喷嘴与外火焰筒间距离S1和内层旋流喷嘴与内火焰筒距离S4为4mm-8mm，旋流喷嘴间径向距离S2和S3为3mm-

5mm，旋流喷嘴间周向间距D1为10mm-30mm。

说明书全文

一种燃料从叶片喷射的贫预混模喷嘴及全环燃烧室

技术领域

[0001] 本发明属于燃气轮机燃烧室领域，涉及一种燃料从叶片喷射的贫预混模喷嘴及全环燃烧室，具体是一种适用于低污染燃烧室并基于贫预混燃烧技术的低旋流喷嘴方案。

背景技术

[0002] 近年来，随着环境污染问题的愈加严峻，人们环保意识也越来越强，无论对于航空发动机或是地面燃气轮机，其污染物排放要求日益严格。例如国际民航组织(ICAO)下属环境保护委员会(CAEP)制定的一系列标准对一氧化碳、未燃碳氢和氮氧化物的排放做出了严格规定，只有符合排放要求的发动机才能取得适航认证；而针对地面燃气轮机，虽然没有统一的污染排放标准，但由于其长时间在地面工作的特点，各地也相继制定了本地区的污染物排放准则，并且其排放准则相比航空发动机更加苛刻，因此必须大力发展低污染燃烧技术以降低燃气轮机污染物排放水平，从而满足现在和未来更高的排放要求。

[0003] 目前，地面燃气轮机低污染燃烧技术主要包括：“湿”低排放燃烧技术、催化燃烧超低排放技术及“干”低排放燃烧技术。由于“湿”低排放燃烧技术对CO排放和部件寿命的负面影响以及催化燃烧技术所遇到的技术瓶颈，因此干式低排放燃烧技术仍是以后燃气轮机的主要发展方向。由于苛刻的污染物排放要求，目前“干”低排放燃烧技术主要是采用预混燃烧方式，燃料与过量空气充分混合之后再进入燃烧区燃烧，通过调节燃料-空气混合物的当量比来控制燃烧区火焰温度，并避免局部热点，从而达到降低NOx排放的目的。

[0004] 旋流器是燃气轮机燃烧室的重要组成部件，其作用是用来稳定火焰和促进燃料/空气混合。以前为了追求燃料/空气掺混均匀度和燃烧稳定的效果，通常采用高旋流强度的旋流器。但经过近些年的理论和试验研究，高旋流强度旋流器一方面会增大高温燃气在燃烧室内的停留时间，增大氮氧化物的生成量，另一方面会增大燃烧室内的气体湍流脉动，增加贫预混方式发生回火和振荡燃烧的风险，因此采用低旋流喷嘴是低污染燃烧室的发展趋势。

[0005] 国内近年有许多关于贫预混低污染燃烧室的专利申请。专利201410697493.9公开了一种燃气轮机燃烧室旋射流喷嘴，包括射流喷嘴组件和旋流喷嘴组件，其通过增加射流喷嘴组件混合物的比例来降低燃烧室气体的旋流强度，降低火焰温度和燃气停留时间，从而减少氮氧化物排放；专利2011510117272.4公开了一种燃气轮机低污染燃烧室的低旋流预混喷嘴，其采用弱旋流强度的径向旋流器，降低高温燃气停留时间，并采用旋流器流道和中心流道共同喷射燃料的方式来提高燃料/空气混合均匀度。通过分析发现上述燃烧室喷嘴结构均采用燃料组合喷射方式来增强燃料/空气混合，结构复杂，再者旋流器均采用直叶片，易发生流动分离，流动损失大，且无明确的防止回火和自燃的措施。

发明内容

[0006] 要解决的技术问题

[0007] 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种燃料从叶片喷射的贫预混模喷嘴及全环燃烧室，适用于燃气轮机低污染燃烧室的燃料从叶片喷射的贫预混模喷嘴，该方案结构简单，既能保证燃料/空气的充分混合，还能减少流动分离，降低流阻损失，同时采取措施降低发生回火、自燃和振荡燃烧的风险。该方案通过合理的排布方式和分级方式能应用在大、中、小功率的燃气轮机燃烧室上。

[0008] 技术方案

[0009] 一种燃料从叶片喷射的贫预混模喷嘴，包括旋流器外壁和轴向旋流器；其特征在于：所述轴向旋流器为低旋流轴向旋流器，低旋流轴向旋流器7中心的旋流器内壁6为燃料管路入口7，低旋流轴向旋流器9的叶片之间的旋流器内壁6上设有矩形孔形成叶片燃料流路入口8，低旋流轴向旋流器9的每个叶片的叶背上，设有多个喷射孔13，使得燃料自燃料管路入口7进入，通过叶片燃料流路入口8，经由喷射孔13进入预混段2；低旋流轴向旋流器9与出口收敛段11之间预混段2的旋流器外壁上设有多个壁面发散小孔10，出口收敛段11之后为低旋流喷嘴出口12；所述低旋流轴向旋流器9的叶片为曲叶片，沿周向均匀分布，叶片角度为30°～45°；所述的低旋流喷嘴出口12的内径D为25mm～60mm，预混段长度S与内径D之比为0.5～1.2。

[0010] 所述低旋流轴向旋流器9的叶片为6-20个，与叶片之间的叶片燃料流路入口8数目相等。

[0011] 所述叶背上的喷射孔13为2-5个。

[0012] 所述低旋流轴向旋流器9的曲叶片的叶片角度为30°～45°。

[0013] 所述的壁面发散小孔10沿轴向和周向均匀地分布，发散小孔的轴向间距和周向间距为4mm～7mm。

[0014] 所述的旋流器出口收敛段与水平方向夹角α为35°-55°。

[0015] 所述低旋流喷嘴方案的燃烧区当量比为0.55-0.75。

[0016] 一种利用所述燃料从叶片喷射的贫预混模喷嘴构成的全环燃烧室，包括外火焰筒15、内火焰筒19和头部法兰14；其特征在于：多个从叶片喷射的贫预混模喷嘴，沿径向由内及外分三层排布在头部法兰14上，沿径向三个喷嘴一组主模与两个喷嘴一组的副模间隔分布。

[0017] 所述同一组的从叶片喷射的贫预混模喷嘴共用一个供燃料管。

[0018] 所述外层旋流喷嘴与外火焰筒间距离S1和内层旋流喷嘴与内火焰筒距离S4为4mm-8mm，旋流喷嘴间径向距离S2和S3为3mm-5mm，旋流喷嘴间周向间距D1为10mm-30mm。

[0019] 有益效果

[0020] 本发明提出的一种燃料从叶片喷射的贫预混模喷嘴及全环燃烧室，采用贫预混燃烧技术，燃料喷射口沿径向均匀分布在轴向旋流器叶片上，提高燃料/空气比在径向分布的均匀性，另外旋流喷嘴的燃烧当量比为0.55-0.75，保证燃烧区温度较低且均匀分布无热点，有效减少热力型氮氧化物的生成；轴向旋流器为低旋流，既能缩短高温燃气的停留时间，减少氮氧化物生成，又能降低旋转气流湍流脉动，降低发生回火和振荡燃烧风险；旋流器外壁上壁面发散孔能降低壁温和附面层燃料/空气比，降低发生自燃和回火风险；在实际燃烧室中，通过合理布置一定数量的相同尺寸的旋流喷嘴形成多点贫预混燃烧室头部，并采用主模燃料分级供应，可实现燃烧室在全工况范围内的低污染排放水平。

[0021] 本发明与现有技术相比所具有的优点如下：

[0022] 旋流喷嘴方案的旋流器角度为30°-45°，为弱旋，一方面能减弱气流湍流脉动强度，降低发生回火和振荡燃烧的风险，另一方面能缩短高温燃气在燃烧室内的停留时间；采用贫燃料燃烧方式，工作当量比在0.55-0.75之间，此时燃烧区温度较低，有效降低NOx的生成；通过在旋流器叶片上沿径向开一定数量的燃料喷射孔，能提高燃料/空气比沿径向的分布均匀性，从而有效避免燃烧区热点发生，降低NOx排放；旋流器外壁壁面发散小孔能降低壁温及壁面附面层的燃料/空气比，从而有效降低发生自燃和回火的风险；由于空气经收敛段加速流出旋流喷嘴，所以能降低发生回火风险；结构简单紧凑，易于加工和装配，一定数量的相同旋流喷嘴通过合理的排布方式可形成多点贫预混燃烧室头部。

附图说明

[0023] 图1：本发明低旋流贫预混喷嘴剖视图

[0024] 图2：本发明低旋流贫预混喷嘴轴测图

[0025] 图3：本发明低旋流贫预混喷嘴轴向旋流器轴测图

[0026] 图4本发明实施例多点贫预混燃全环燃烧室头部轴测图

[0027] 图5：本发明实施例多点贫预混燃全环燃烧室头部左视图

[0028] 图中：1-低旋流贫预混喷嘴，2-预混段，3-旋流器外壁，4-叶片燃料流路，5-旋流流道，6-旋流器内壁，7-燃料管路入口，8-叶片燃料流路入口，9-低旋流轴向旋流器，10-壁面发散小孔，11-出口收敛段，12-低旋流喷嘴出口，13-燃料喷射孔，14-头部法兰，15-外火焰筒，16-燃烧室头部局部图，17-副模，18-主模，19-内火焰筒，20-低旋流喷嘴局部图。

具体实施方式

[0029] 现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

[0030] 本发明采用以下技术方案：一种燃料从叶片喷射的预混模喷嘴结构，包括低旋流轴向旋流器、旋流器外壁、旋流器内壁、旋流流道、燃料管路入口、叶片燃料流路入口、叶片燃料流路、燃料喷射孔、预混段、出口收敛段、旋流喷嘴出口和壁面发散小孔。所述的旋流流道由旋流器外壁、低旋流轴向旋流器和旋流器内壁围成，旋流流道下游为预混段，紧接着是出口收敛段和旋流喷嘴出口，用于提高燃料/空气混合物流向下游的速度，减小发生会回火的风险。所述的壁面发散小孔位于预混段处的旋流器外壁上，用于降低壁温和附面层内燃料/空气比，减小发生回火和自燃的风险。所述的低旋流轴向旋流器叶片是中空的，为叶片燃料流路，叶片燃料流路入口位于旋流器内壁上。所述的燃料喷射口沿径向由内及外均匀地开在每个旋流器叶片叶背上，能提高燃料/空气比在径向的混合均匀度。所述的一定数量的低旋流贫预混喷嘴通过合理的排布方式和燃料分级方式能应用在大、中及小功率的燃气轮机燃烧室上。

[0031] 所述的低旋流贫预混喷嘴方案的燃烧区当量比为0.55-0.75。

[0032] 所述的旋流器叶片为曲叶片，沿周向均匀分布，叶片数为6-20个。

[0033] 所述的旋流器为低旋流，叶片角度为30°-45°。

[0034] 所述的叶片燃料流路入口和叶片燃料流路与旋流器叶片数保持一致，为6-20个。

[0035] 所述的燃料喷射孔沿径向开在旋流器叶片叶背上，根据旋流器叶片大小，每个旋流器叶片开2-5个喷射孔。

[0036] 所述的旋流器出口收敛段与水平方向夹角α为35°-55°。

[0037] 所述的旋流喷嘴方案的内径D为25mm-60mm,预混段长度S与内径D之比为0.5-1.2。

[0038] 所述的壁面发散小孔沿轴向和周向均匀地分布在预混段处的旋流器外壁上，发散小孔的轴向间距和周向间距为4mm-7mm。

[0039] 所述的旋流喷嘴在全环燃烧室上的排布方式采用由内而外分三层排布，每个旋流喷嘴都相同，沿径向三个一组或两个一组，三个一组的为主模，两个一组的为副模，同一组的旋流喷嘴共用一个供燃料管。

[0040] 所述的旋流喷嘴在全环燃烧室上的排布，外层旋流喷嘴与外火焰筒间距离S1和内层旋流喷嘴与内火焰筒距离S4为4mm-8mm，旋流喷嘴间径向距离S2和S3为3mm-5mm，旋流喷嘴间周向间距D1为10mm-30mm。

[0041] 具体实施例：

[0042] 如图1-3所示，本发明实施例提供了一种燃料从叶片喷射的低旋流贫预混喷嘴，包括包括低旋流轴向旋流器9、旋流器外壁3、旋流器内壁6、旋流流道5、燃料管路入口7、叶片燃料流路入口8、叶片燃料流路4、燃料喷射孔13、预混段2、出口收敛段11、旋流喷嘴出口12和壁面发散小孔10。所述的旋流流道5由旋流器外壁3、低旋流轴向旋流器9和旋流器内壁6围成，所述的低旋流轴向旋流器旋流角度取30°-45°，为弱旋，既能减小旋转气流的湍流脉动，也能缩短高温燃气在燃烧室内停留时间，旋流器叶片数为6-20个。旋流流道5下游为预混段2，紧接着是出口收敛段11和旋流喷嘴出口12，所述的出口收敛段11与水平线夹角α为35°-55°，提高燃料/空气混合物流出速度，降低发生回火风险。所述的燃料喷射孔13沿径向均匀分布在轴向旋流器9叶片上，根据旋流器叶片大小，每个叶片上开2-5个燃料喷射孔，提高燃料/空气混合物在径向的混合均匀度。燃料从燃料管路入口7流入，经旋流器内壁6上的叶片燃料流路入口8流入叶片燃料流路4，最终从位于旋流器叶片上的燃料喷射孔13喷出，与经轴向旋流器产生的旋转气流在旋流流道内相遇混合，然后在预混段处进一步混合均匀，最终经出口收敛段加速，从旋流喷嘴出口流向下游燃烧，低旋流喷嘴下游的燃烧当量比,控制在0.55-0.75之间，为贫预混燃烧，能有效降低氮氧化物的生成量。所述的壁面发散小孔10沿轴向和周向均匀分布旋流器外壁3上，轴向和周向间距为4mm-7mm，能有效降低壁温和壁面附面层的燃料/空气比，减小发生自燃和回火的风险。

[0043] 如图4-5所示，根据实际燃气轮机燃烧室功率和尺寸大小，可以通过合理布置一定数量的相同尺寸的低旋流贫预混喷嘴形成多点贫预混燃烧室头部。所述的低旋流贫预混喷嘴1可以沿径向由内及外分三层分布在头部法兰14上，外层和中间层的旋流喷嘴个数相同，内层旋流喷嘴个数为外层的一半，其中沿径向两个旋流喷嘴组成燃烧室副模17，沿径向三个旋流喷嘴组成燃烧室主模18，所有副模在燃烧室小工况状态下全部喷燃料工作，主模是随着燃烧室工况的增大而分级喷燃料工作，主模分级工作级数根据燃烧室工况范围可选为6-15级，所述外层旋流喷嘴距外火焰筒15的距离S1与内层旋流喷嘴距内火焰筒19的距离S4取4mm-8mm，相邻旋流喷嘴的径向间距S2和S3取3mm-5mm，周向间距D1取10mm-30mm。

[0044] 本发明的工作过程如下：

[0045] 空气经低旋流轴向旋流器9产生弱旋转流动，而燃料从燃料管路入口7流入，依次流过叶片燃料流路入口8和叶片燃料流路4，最后从燃料喷射孔13喷出。喷出的燃料与旋转气流在旋转流道5内相遇混合，在预混段2内进一步混合，紧接着混合均匀的燃料/空气混合物经过出口收敛段11的加速，从低旋流喷嘴出口12流向下游，在下游进行稳定燃烧。另外，一部分空气会通过旋流器外壁3上的壁面发散小孔10流入旋流喷嘴内，在旋流器外壁3内侧形成贴壁的均匀气膜，一方面降低壁温，另一方面降低壁面附面层燃料/空气比，进而减小发生自燃和回火风险。

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