CN114877373B - 一种用于预防回火的组合喷嘴装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气轮机低污染燃烧室防回火技术，尤其涉及一种用于预防回火的组合喷嘴装置，其具有旋流器，预混通道筒，中心体；中心体通过旋流器安装在预混通道筒的筒内，中心体的外壁与预混通道筒的壁面形成环状的预混通道，所述前通道内具有插入中心体外壁上的气体燃料喷射装置，中心体的前端面具有环槽，环槽与气体燃料喷射装置联通；中心体空腔的后端面为多个周向分布的倾斜小孔，所述倾斜小孔由前向后逐渐向远离中心线方向倾斜，从而达到防回火的目的。

Description

一种用于预防回火的组合喷嘴装置

技术领域

本发明涉及燃气轮机低污染燃烧室防回火技术，尤其涉及一种用于预防回火的组合喷嘴装置。

背景技术

随着人们对环境保护问题的重视，世界各国对燃气轮机燃烧室排放标准的要求越来越严格，一般要求燃气轮机在50％及以上负荷区间，燃烧室排放能维持在较低水平，同时保持较高的燃烧效率。燃烧室排放的污染物主要有氮氧化物、一氧化碳和未燃碳氢化合物，其中，氮氧化物NOx为污染物排放的重要指标，为了达到低NOx排放的目的，贫油预混燃烧技术被广泛采用。

贫油预混燃烧，目的是将主燃区温度控制在1670K-1900K之间这样一个狭窄的温度区间内，但是仅控制总的燃料/空气当量比，并不等于就能实现低NOx的目标。由于NOx排放对燃烧温度具有较高的敏感性，因此要保证在空间上，可燃混合物中不存在局部的高燃料浓度区域点，即局部的燃料/空气当量比十分接近平均燃料浓度值。因此，在较短的时间内实现燃料与空气较为均匀的预先混合，是干式低排放燃烧设计过程中面临的技术挑战之一。

预混燃烧技术大多采用旋流混合技术来实现燃料和氧化剂的良好混合，如果预混通道内旋流流场组织不好，极容易引起回火，造成预混段烧蚀问题，严重威胁整机运行安全。为了解决这一问题，工程上对旋流器设计进行了大量研究和试验，通常认为旋流越强，燃料和空气的掺混均匀性越好，但是在旋流器出口段易出现气流附着，易发生回火烧蚀等问题，因此，为了解决低排放燃烧室在预混气环境下极易发生回火的问题，设计掺混性能好且能够解决回火烧蚀问题的喷嘴装置成为低排放燃烧室的关键技术。

本发明涉及燃气轮机低污染燃烧室防回火技术，尤其涉及一种用于预防回火的组合喷嘴装置，在预混通道内形成合理的气流速度分布，即提高内轮毂侧的气流流动速度，避免旋流器内轮毂下游附近形成局部回流，解决回火烧蚀问题；同时在喷嘴端部设置清吹小孔，对回流区火焰形成托举，进一步预防喷嘴头部烧蚀；同时燃料和空气通过旋流装置后形成较为均匀的混合物。

在现有技术中，对喷嘴装置的设计形式多种多样，但大多都是旋流装置与喷嘴单独设计，不能很好地进行技术集成；且旋流装置主要是采用单级旋流器、并在旋流叶片造型上进行大量研究和设计，如曲叶片、螺旋叶片、倾斜叶片等，大多叶片形状复杂，加工难度大，调节难度也比较大。

目前，回火问题是低排放燃烧室设计过程中的关键问题，普遍采用的防回火技术为控制旋流强度、局部流动加速、控制空气和燃料混合物的初温及当量比的脉动程度。控制旋流强度主要通过对旋转主气流施加一定干扰，如在旋流器中心引入一股无旋隙缝环流来实现，这会造成空气和燃料掺混均匀性变差，不利于低排放性能；局部流动加速主要通过逐渐减小预混通道的横断面积，以形成气流加速效应，此项措施单一实施效果并不明显；控制空气和燃料混合物的初温及当量比的脉动程度需要燃气轮机整机参数的配合，在低排放燃烧室设计阶段也不应成为依赖的防回火措施。

现有的用于低排放燃烧室的喷嘴装置，其中的旋流装置单独设计，叶型设计和结构设计上形式复杂多样，虽然部分组合喷嘴装置能够同时解决掺混性能和回火等问题，但是在工程设计、工程实施及优化调节等方面依然存在很多缺点。

1)目前普遍采用的旋流装置为单级旋流叶片，当旋流数较大、旋流较强时，气流的切向分速度增大，叶片偏转角度较大，而由于内外轮毂比固定，内轮毂侧容易造成气流堵塞，气流速度过低，容易导致在中心体内壁面侧出现局部回流的现象，是引发主流回火的重要风险点；

2)低排放燃烧室中的中心体结构具有稳定火焰的作用，但火焰容易附着在中心体端面上，造成过热甚至烧蚀。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种用于预防回火的组合喷嘴装置，包括：

旋流器，预混通道筒，具有空腔的中心体；中心体通过旋流器安装在预混通道筒的筒内，中心体的外壁与预混通道筒的壁面形成环状的预混通道，旋流器将预混通道分为前通道与后通道；

所述前通道内具有插入中心体外壁上的气体燃料喷射装置，中心体具有空腔，空腔的前端敞口，所述敞口边缘与中心体的前端面边缘之间具有环槽，环槽与气体燃料喷射装置插入中心体外壁的一端联通；空腔的后端具有多个周向分布的倾斜小孔，所述倾斜小孔由前向后逐渐向远离中心线方向倾斜。

优选的是，旋流器由内轮毂、中间轮毂、外轮毂、内轮毂与中间轮毂之间具有内旋流叶片；中间轮毂与外轮毂之间具有外旋流叶片，内轮毂与中心体连接，外轮毂与预混通道筒连接。

优选的是，气体燃料喷射装置由燃料进气槽和燃料喷杆组成。气体燃料喷射装置具有将环槽内的燃油喷洒于预混通道的燃料喷孔，所述喷孔包括靠近轴线的小燃料喷孔与远离轴线的大燃料喷孔，大燃料喷孔与小燃料喷孔的出口面积比大于1，用于燃料喷射并帮助形成燃料在空间上的初始分布，为预混通道内的掺混提供优秀的“初场”，帮助在预混通道的出口获取良好的掺混均匀性。

优选的是，预混通道筒包括前端的预混通道进口壁与后端的预混通道出口壁，预混通道进口壁与后端的预混通道出口壁通过旋流器连接。

优选的是，所述倾斜小孔包括周向分布的内圈孔与外圈孔，两圈倾斜角度不同的倾斜小孔，形成冷却气膜和对火焰进行托举，预防喷嘴头部的烧蚀。

优选的是，内圈孔与中心线的夹角为20°～30°，外圈孔与中心线的夹角相比于内圈孔与中心线的夹角径向增加5°～10°。

优选的是，所述旋流器上的内旋流叶片和外旋流叶片均为轴向旋流，内旋流叶片和外旋流叶片的旋流数差值不超过0.2，内旋流叶片和外旋流叶片的叶片交错分布，通过旋流器上内外两级不同的旋流叶片使空气和燃料的混合物产生旋流，获得预防回火的最佳的气流速度分布。中间轮毂将旋流器分为内外两级，保证内外两级旋流叶片的内轮毂直径/外轮毂直径不小于0.5，以使得旋流强度较大时，即使叶片偏转角较大，在靠近内轮毂处依然有足够的气流流动空间，从而提高内轮毂侧的气流速度，避免低速区甚至局部回流的出现，以达到防回火的目的。

优选的是，预混通道筒的前端面与气体燃料喷射装置的距离不少于5mm。

优选的是，预混通道出口壁由前向后逐渐收敛，预混通道出口壁的母线与中心体的轴线的夹角为0°～20°，有助于加速空气和燃料气流，降低回火风险。。

优选的是，气体燃料喷射装置具有多个，沿中心体周向均匀分布。

本申请的优点包括：本申请为能够预防回火和喷嘴烧蚀、实现空气/燃料预混合的组合喷嘴装置，燃料和空气通过旋流器实现下游速度分布的改变，获取有利于防回火的气流速度分布，有效解决旋流器下游局部回流问题；燃料喷射装置与旋流器组合设计，可以获取最优的掺混均匀性，有利于低排放性能的实现；同时喷嘴头部的倾斜小孔有效预防了喷嘴头部的烧蚀。且该组合喷嘴装置结构相对简单，技术风险低、符合工程要求。通过该装置可以实现：

1.通过燃料喷杆上的两排孔径不同的喷孔将燃料喷入预混通道，并在空间上形成均匀的初始分布；

2.通过旋流器上内外两级不同的旋流叶片使空气和燃料的混合物产生旋流，获得预防回火的最佳的气流速度分布；

3.通过旋流器的加速掺混，空气和燃料的混合物预混通道内充分掺混，并在预混通道出口获得最佳的掺混均匀性。

附图说明

图1本申请一优选方式的用于预防回火的组合喷嘴装置示意图；

图2本申请一优选方式的燃料喷杆示意图；

图3本申请一优选方式的旋流器示意图；

图4本申请一优选方式的中心体示意图；

图5本申请一优选方式的用于预防回火的组合喷嘴装置立体图；

图6一种传统的单级旋流器。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

气体燃料喷射装置1、旋流器2和预混通道a安装在一起形成一种组合喷嘴装置，其中气体燃料喷射装置1通过焊接安装在旋流器2之前，预混通道a由预混通道进口壁3-1、预混通道出口壁3-2、中心体4外壁面包围组成，由预混通道进口壁3-1安装在旋流器2之前，预混通道出口壁3-2和中心体4安装在旋流器2之后。主流空气由A进入，燃料由B进入，清吹空气由C进入。

气体燃料喷射装置1由燃料进气槽1-1和燃料喷杆1-2通过焊接固定，燃料由B进入。其中燃料喷杆1-2上包括两排燃料喷孔1-2a、1-2b，用于燃料喷射并形成燃料在空间上的初始分布。

旋流器2由内轮毂2-1、中间轮毂2-2、外轮毂2-3、内旋流叶片2-4和外旋流叶片2-5组成，为一体机加而成。内旋流叶片2-4位于内轮毂2-1和中间轮毂2-2之间，叶根与内轮毂2-1相连，叶尖与中间轮毂2-2相连。外旋流叶片2-5位于中间轮毂2-2和外轮毂2-3，叶根与中间轮毂2-2相连，叶尖与外轮毂2-3相连。内外两级旋流叶片用于帮助空气和燃料掺混并形成旋流，在预混通道a出口获得最佳的气流速度分布。

预混通道a由预混通道进口壁3-1、预混通道出口壁3-2、中心体4外壁面包围组成，其中预混通道进口壁3-1用于引导空气和燃料，使两者进入预混通道。预混通道出口壁3-2呈收缩形式，用于加速空气和燃料气流。中心体4上包括两圈角度不同的倾斜小孔3-3a、3-3b，用于在中心体4端面形成冷却气膜和对火焰进行托举，预防喷嘴头部的烧蚀。

在一些可选实施方案中，气体燃料喷射1上的燃料喷杆1-2为周向均布。

在一些可选实施方案中，气体燃料喷射1上的燃料喷杆1-2中两排燃料喷孔1-2a、1-2b的面积比大于1，以保证外环喷孔的穿透深度大于内环喷孔，从而使得两排喷孔喷出的燃料在空间上更均匀。

在一些可选实施方案中，旋流器2上的内旋流叶片2-4和外旋流叶片2-5均为轴向旋流，两级旋流叶片的旋流数相近，其旋流数差值不超过0.2，避免由于内外两级旋流叶片的气流切向速度相差过大而在预混通道内形成气流分离，造成气流流线不流畅，不利于防回火。其叶片厚度、叶片个数由旋流数确定，叶片须交错分布，叶片交错分布可以帮助空气与燃料掺混，使其掺混更加均匀有利于降低排放。

在一些可选实施方案中，预混通道a上的预混通道进口壁3-1的前缘面超过燃料喷杆1-2不少于5mm，防止燃料脱出预混通道a，造成其它非预混区域出现燃料，造成燃烧效率降低、非燃烧区燃烧等不良后果。

在一些可选实施方案中，预混通道a上的预混通道出口壁3-2与中心线的夹角在0°～20°之间，夹角过大会导致气流在预混通道出口处发生分离，容易引起火焰在分离处的驻定燃烧，从而引发烧蚀。

在一些可选实施方案中，预混通道a上的中心体4上的倾斜小孔3-3a、3-3b，每圈孔的数量为8～12个，内圈孔3-3b与中心线的夹角在20°～30°之间，外圈孔3-3a与中心线的夹角相比于内圈孔3-3b与中心线的夹角增加5°～10°，内圈孔的夹角较小，是为了更好地将火焰吹离中心体4端面，外圈孔的夹角稍大，一是内圈孔承担了大部分的吹离火焰的功能，二是夹角较大有助于在端面形成冷却气膜，进一步保护喷嘴不被高温燃气烧蚀。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于预防回火的组合喷嘴装置，包括：

旋流器（2），预混通道筒（3），具有空腔（c）的中心体（4）；中心体（4）通过旋流器（2）安装在预混通道筒（3）的筒内，中心体（4）的外壁与预混通道筒（3）的壁面形成环状的预混通道（a），旋流器（2）将预混通道（a）分为前通道与后通道；

其特征在于：所述前通道内具有插入中心体（4）外壁上的气体燃料喷射装置（1），中心体（4）具有空腔（c），空腔（c）的前端敞口，所述敞口边缘与中心体（4）的前端面边缘之间具有环槽（b），环槽（b）与气体燃料喷射装置（1）插入中心体（4）外壁的一端联通；空腔（c）的后端具有多个周向分布的倾斜小孔，所述倾斜小孔由前向后逐渐向远离中心线方向倾斜；

气体燃料喷射装置（1）具有将环槽（b）内的燃油喷洒于预混通道（a）的燃料喷孔，所述喷孔包括靠近轴线的小燃料喷孔（1-2a）与远离轴线的大燃料喷孔（1-2b），大燃料喷孔（1-2b）与小燃料喷孔（1-2a）的出口面积比大于1。

2.如权利要求1所述的用于预防回火的组合喷嘴装置，其特征在于，旋流器（2）由内轮毂（2-1）、中间轮毂（2-2）、外轮毂（2-3）、内轮毂（2-1）与中间轮毂（2-2）之间具有内旋流叶片（2-4）；中间轮毂（2-2）与外轮毂（2-3）之间具有外旋流叶片（2-5），内轮毂（2-1）与中心体（4）连接，外轮毂（2-3）与预混通道筒（3）连接。

3.如权利要求1所述的用于预防回火的组合喷嘴装置，其特征在于，预混通道筒（3）包括前端的预混通道进口壁（3-1）与后端的预混通道出口壁（3-2），预混通道进口壁（3-1）与后端的预混通道出口壁（3-2）通过旋流器（2）连接。

4.如权利要求1所述的用于预防回火的组合喷嘴装置，其特征在于，所述倾斜小孔包括周向分布的内圈孔（3-3b）与外圈孔（3-3a）。

5.如权利要求4所述的用于预防回火的组合喷嘴装置，其特征在于，内圈孔（3-3b）与中心线的夹角为20°～30°，外圈孔（3-3a）与中心线的夹角相比于内圈孔（3-3b）与中心线的夹角径向增加5°～10°。

6.如权利要求2所述的用于预防回火的组合喷嘴装置，其特征在于，所述旋流器（2）上的内旋流叶片（2-4）和外旋流叶片（2-5）均为轴向旋流，内旋流叶片（2-4）和外旋流叶片（2-5）的旋流数差值不超过0.2，内旋流叶片（2-4）和外旋流叶片（2-5）的叶片交错分布。

7.如权利要求1所述的用于预防回火的组合喷嘴装置，其特征在于，预混通道筒（3）的前端面与气体燃料喷射装置（1）的距离不少于5mm。

8.如权利要求3所述的用于预防回火的组合喷嘴装置，其特征在于，预混通道出口壁（3-2）由前向后逐渐收敛，预混通道出口壁（3-2）的母线与中心体（4）的轴线的夹角为0°～20°。

9.如权利要求1所述的用于预防回火的组合喷嘴装置，其特征在于，气体燃料喷射装置（1）具有多个，沿中心体（4）周向均匀分布。