一种燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴的制作方法
【专利摘要】一种燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴，涉及具有轴向旋流的喷嘴结构。本发明的技术方案是在渐缩型中心体和轴向旋流器之间布置有渐缩型环形管，该渐缩型环形管与渐缩型中心体之间成环形通道，环形通道的前端设有内层空气进口，并在环形通道内布置导流叶片，导流叶片上设有内层燃料出口和内层燃料通道，内层燃料通道与中心气体燃料进口和外层燃料通道相连通。本发明针对预混燃烧由于低速区的存在容易发生回火的特点，通过在渐缩型中心体外侧，轴向旋流器内侧增加一层无旋流或者弱旋流的流通通道，有效地消除了由于旋流器旋转离心力导致的中心部的低速区，从而可以预防预混燃烧的回火问题，延长预混合喷嘴的寿命，降低燃气轮机燃烧室的使用和维护成本。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及使用气体燃料预混燃烧的燃气轮机燃烧室结构，特别涉及了一种具有 轴向旋流的喷嘴结构。 一种燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴
【背景技术】
[0002] 由于环境保护的要求越来越严格，在近年来的燃气轮机燃烧器中越来越多地使用 预混燃烧的方式来降低氮氧化物（NOx)的排放。预混燃烧燃烧室多采用旋流混合技术来实 现燃料与氧化剂的良好混合，从而达到低NOx燃烧的需要。
[0003] 这种旋流混合技术通过在喷嘴混合段上游设置多个叶片结构从而给气流施加一 定的切向动量，由此产生的湍流扰动使得燃料与氧化剂能够在下游空间实现快速并且均匀 的混合效果。通常认为，旋流强度越大，越能够实现均匀混合。但是，切向动量的引入，会在 混合段轴线附近的区域产生轴向速度较低的区域，并且随着旋流强度的增大，这一低速区 也会迅速扩大，甚至产生回流。由于在混合段内燃料和氧化剂已经开始混合，回流带入的高 温气体很可能使得燃料-氧化剂的混合物燃烧，甚至使得火焰驻定在混合段的低速区内， 进而导致喷嘴的烧毁。因此，对于采用旋流混合技术的燃烧室而言，需要采用特殊设计手段 来避免这一现象的发生。
[0004] 现有技术通常采用较低旋流强度的喷嘴叶片设计和调整燃料喷嘴方式，来达到消 除混合段内火焰存在可能性的目的。在早期设计中，通过采用大直径高压比的燃料喷射，使 得燃料远离中心低速区；在改进设计，通过采用叶片表面喷射，调整喷射孔的位置，实现燃 料在混合段中心较贫，难以形成有效燃烧。这两种方法都是通过将低速区内的燃料浓度减 小到燃烧极限以下从而降低回火的可能性，但是都没有从本质上消除低速区。当上游或者 下游气流条件变化时，原本精心设计的燃料和氧化剂在混合器内的分布很容易受到扰乱， 依然存在较大的回火风险。另外，降低低速区的燃料浓度使得混合段中的混合空间没有得 到有效的利用。
[0005] 专利ZL02802306. 4中提出了在旋流器叶片轮毂的内周面和喷嘴轴之间设有气体 通过的空间，该方法可以减少低速区的范围。但是，由于轮毂只是在旋流叶片的高度范围内 增加了气体流通的通道，并且其提供的通道是直通道，其能够达到的减少低速区的效果非 常有限，回火的问题依然存在。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是针对现有技术的不足和缺陷，提出一种燃气轮机燃烧室的预混合 喷嘴结构，旨在消除喷嘴混合段内低流速区存在的可能性，从而抑制回火的产生，延长预混 合喷嘴的寿命，降低燃气轮机燃烧室的使用和维护成本。
[0007] 本发明的技术方案如下：一种燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴，该预混合喷嘴含有 轴向旋流器，渐缩型中心体和混合段；在所述的轴向旋流器的前端设有外层空气进口，在轴 向旋流器的旋流叶片上设置有外层燃料出口和外层燃料通道，在渐缩型中心体前端设有中 心气体燃料进口，其特征在于：在渐缩型中心体和轴向旋流器之间设有与渐缩型中心体同 轴布置的渐缩型环形管，该渐缩型环形管由环形管直筒段、环形管渐缩段和环形管出口直 段组成，渐缩型环形管与渐缩型中心体之间成环形通道，环形通道的前端设有内层空气进 口，并在环形通道的直段内布置有导流叶片，导流叶片上设有内层燃料出口和内层燃料通 道，内层燃料通道与中心气体燃料进口和外层燃料通道相连通。
[0008] 上述技术方案中，所述导流叶片的旋流角度优选为0?10°。
[0009] 本发明的技术特征还在于：所述渐缩型环形管沿轴向延伸的长度超过渐缩型中心 体的长度，并小于或等于混合管的长度，超过的长度至少为渐缩型中心体直径的〇. 2倍。 [0010] 本发明的另一技术其特征在于：所述环形通道的流通面积的变化范围为〇? 10%。环形通道的流通面积为混合段流通面积的5%?50%。
[0011] 本发明的又一技术其特征在于：在渐缩型中心体下游的混合段的内壁上布置有扰 流器；所述的扰流器呈凸起状结构；所述凸起状结构优选为连续的圆环凸起状结构或离散 的凸起状结构。
[0012] 本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：对于采用渐缩型中心体的 单层旋流混合通道的喷嘴结构，燃料-氧化剂混合气体在旋转的离心力的作用下朝向喷嘴 外侧流动，从而导致喷嘴中心区域产生低速区。低速区的存在容易引发回火从而可能导致 预混合喷嘴的烧毁。本发明的预混合喷嘴，通过在渐缩型中心体外侧、轴向旋流器内侧引入 无旋流或者低旋流的环形通道，使得由于外侧旋流产生的低速区减小；进一步地通过控制 环形通道的流通面积，有效控制气体流速的分布，从而进一步减小低速区。通过对该预混合 喷嘴的三维气动分析表明，通过合理控制导流叶片的旋流角度和环形通道的流通面积，可 以基本上消除中心体下游的低速区，有效地预防回火。另一方面，由于减少了喷嘴内的低速 区，因此可以更加充分地利用喷嘴内部的混合空间。在引入扰流器之后，喷嘴的混合性能得 到进一步的提升。由于燃料和空气在进入火焰筒之前就被充分混合，从而在燃烧时抑制了 局部高温的存在，这样可以有效抑制NOx的排放。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1为本发明提供的一种燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴的结构原理示意图。
[0014] 图2为轴向旋流器立体结构示意图。
[0015] 图3表示出在混合段的内壁上布置有扰流器。
[0016] 图中：1-轴向旋流器；11-外层空气进口；12-旋流叶片；121-外层燃料通道； 122-外层燃料出口；13-旋流器外壁；2-渐缩型中心体；21-燃料进口；3-混合段；4-渐缩 型环形管；5-环形通道；51-内层空气进口；6-导流叶片；61-内层燃料出口；62-内层燃料 通道；7-扰流器；121-外层燃料通道；122-外层燃料出口。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图对本发明的原理，结构和【具体实施方式】做进一步的说明。
[0018] 图1、图2为本发明提供的一种燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴的结构原理示意图。 该喷嘴包括轴向旋流器1，渐缩型中心体2,混合段3,其中，在轴向旋流器1上设置有外层 空气进口 11，旋流叶片12和旋流器外壁13,在旋流叶片12上设置有外层燃料出口 122和 外层燃料通道121，在渐缩型中心体2上设置有中心气体燃料进口 21，在渐缩型中心体2外 侦牝轴向旋流器1内侧设置有与渐缩型中心体2同轴布置的渐缩型环形管4,渐缩型环形管 的内壁与渐缩型中心体2的外壁形成环形通道5,环形通道5的前端形成内层空气进口 51， 并在环形通道5的直段内布置有导流叶片6,导流叶片6上设有内层燃料出口 61和内层燃 料通道62,内层燃料通道62与中心气体燃料进口 21和外层燃料通道121相连通。
[0019] 对于使用轴向旋流器的预混喷嘴结构，中心体是必不可少的结构，它一方面为轴 向旋流器提供中心支撑，另一方面提供气体燃料进口从而保证燃料的供应。本发明采用的 渐缩型中心体2对于减少尾迹区的低速区有较大帮助，但是由于渐缩型中心体2尾迹的影 响以及轴向旋流器1对气流的旋转作用，如果不采取措施，混合段3的中心区域依然会有较 大的低速区。随着轴向旋流器1旋流角的减小，混合段3内的低速区会有一定的减小。但 随着旋流角的减小，燃料与空气的混合性能会下降。基于以上分析，本发明提出了将喷嘴通 道径向分级，即引入环形通道5,通过控制环形通道5的流通面积来控制中心体尾迹区的流 动。由于环形通道5的流通面积较小，一般环形通道的流通面积为混合段流通面积的5%? 50 %，由于较小的流通道可以保证在整个通道内气体的轴向速度较高，从而可以消除渐缩 型中心体2尾迹区的低速区。为了保证环形通道5内的气体在渐缩型中心体2的尾迹区始 终有较高的速度，渐缩型环形管4沿轴向延伸的长度应超过渐缩型中心体2的长度，并小于 或等于混合管的长度，超过的长度至少为渐缩型中心体直径的0. 2倍。另外，导流叶片6的 旋流角度设置为〇?10°，因为当旋流角过大时会引起混合段3的中心段的速度降低，从而 降低较小低速区的效果。将渐缩型环形管4端部削尖也能在局部改善流动性能，减少端部 的低速区。
[0020] 在上述方案中，为了减小流阻，环形通道5的流通面积变化量应控制在0?10%。
[0021] 由于减少了喷嘴内的低速区，因此可以更加充分地利用喷嘴内部的混合空间。除 了来自外层燃料出口 121的燃料与来自外层空气进口 11的旋流空气发生混合外，来自内层 燃料出口 61的燃料也与来自内层空气进口 51的空气在环形通道5内发生混合。在达到同 样混合效果的情况下，该预混合喷嘴可以拥有更小的体积从而有利于节省成本。
[0022] 通过调整外层燃料出口 121和内层燃料出口 61的面积，可以控制气体燃料在混合 段内的分布，这将有利于在给定的燃烧室中产生操作性、排放等方面的好处。由于燃料和空 气在进入火焰筒之前就达到了较好的混合效果，从而在燃烧时抑制了局部高温的存在，这 样可以有效抑制NOx的排放。
[0023] 参见图3,本发明在渐缩型中心体2的下游的混合段3的内壁上布置有扰流器7， 其作用是改善混合段3内壁面附近的流动性能，加强燃料与空气的混合强度。扰流器7整体 呈凸起状结构，该凸起状结构可以为连续的圆环凸起状结构，也可以是离散的凸起状结构。
【权利要求】
1. 一种燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴，该预混合喷嘴含有轴向旋流器（1)，渐缩型中 心体（2和混合段（3);在所述的轴向旋流器（1)的前端设有外层空气进口（11)，在轴向旋 流器的旋流叶片（12)上设置有外层燃料出口（122)和外层燃料通道（121)，在渐缩型中心 体（2)前端设有中心气体燃料进口（21)，其特征在于：在渐缩型中心体（2)和轴向旋流器 (1)之间设有与渐缩型中心体（2)同轴布置的渐缩型环形管（4)，该渐缩型环形管（4)由环 形管直筒段、环形管渐缩段和环形管出口直段组成，渐缩型环形管与渐缩型中心体（2)之 间成环形通道（5)，环形通道（5)的前端设有内层空气进口（51)，并在环形通道（5)的直段 内布置有导流叶片（6)，导流叶片（6)上设有内层燃料出口（61)和内层燃料通道（62)，内 层燃料通道（62)与中心气体燃料进口（21)和外层燃料通道（121)相连通。
2. 如权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴，其特征在于：所述导流叶 片（6)的旋流角度为0?10°。
3. 如权利要求1或2所述一种燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴，其特征在于：所述渐缩 型环形管（4)沿轴向延伸的长度超过渐缩型中心体（2)的长度，并小于或等于混合管（3) 的长度，超过的长度至少为渐缩型中心体（2)直径的0. 2倍。
4. 如权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴，其特征在于：所述环形通 道（5)的流通面积的变化范围为0?10%。
5. 如权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴，其特征在于：环形通道（5) 的流通面积为混合段（3)流通面积的5%?50%。
6. 如权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴，其特征在于：在渐缩型中 心体（2)的下游的混合段（3)的内壁上布置有扰流器（7)。
7. 如权利要求6所述的一种燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴，其特征在于：所述的扰流 器（7)呈凸起状结构。
8. 如权利要求7所述的一种燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴，其特征在于：所述凸起状 结构为连续的圆环凸起状结构或离散的凸起状结构。
【文档编号】F23R3/38GK104110699SQ201410325716
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2014年7月9日
【发明者】方子文, 张珊珊, 查筱晨 申请人:北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司