本实用新型属于燃气轮机低污染燃烧室喷嘴技术领域，具体涉及一种燃用气态燃料的燃烧室径向多级旋流喷嘴。
背景技术：
随着能源紧缺及全世界对环境保护问题的重视，各国对燃气轮机燃烧室排放和燃烧效率的要求越来越严格，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。
燃烧室排放中有一项很重要的指标即为氮氧化物NOx，为了达到低NOx排放的目的，预混燃烧技术被广泛采用。预混燃烧室多采用旋流混合技术来实现燃料和氧化剂的良好混合，但是工作于这一状态的燃烧室极其容易产生燃烧不稳定现象。为解决这一问题，工程上通常采用牺牲NOx排放性能的折衷措施，即利用稳定性好但NOx排放性能差的扩散火焰，来稳定预混火焰。一般来讲，用于扩散燃烧的燃料量占比越大，燃烧越稳定，但NOx排放也随之增大。这样的燃烧组织形式，要求燃烧室在进行低污染燃烧室喷嘴设计时，应谨慎处理扩散火焰对NOx排放和对火焰稳定能力的矛盾。
在我国当前的能源结构中，采用传统燃煤技术占据了绝大部分份额。但是这种传统技术存在效率低，污染物排放高(尤其是NOx排放)，耗费淡水资源多等缺点。以天然气等气态燃料作为燃料的燃烧技术作为清洁能源技术之一，可以在满足燃烧需求的同时，有效的降低污染物的排放。同样，这其中燃烧室喷嘴的设计对于组织燃烧、降低污染物排放尤为重要。
燃烧室中，燃料和空气通过喷嘴实现预混合和速度型的改变，在喷嘴出口达到合理的速度分布，并匹配合理的燃料空气混合比例，进入燃烧室组织燃烧，形成稳定的流场和燃烧场。现有技术中，对燃烧室喷嘴的设计形式，可以采用多个燃烧路径，给予每个燃烧路径单独调整负载和燃料类型的可能性，以实现多种燃烧模式及组合，实现不同的负荷需求，但实际上这种实施方法结构复杂，调节难度也比较大。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种新型的燃用气态燃料的燃烧室径向多级旋流喷嘴，其能够降低污染物排放，流场和燃烧场稳定并且易于调节。通过以下技术方案实现。
一种燃用气态燃料的燃烧室径向多级旋流喷嘴，所述喷嘴包括燃料通道和同轴由内向外依次设置的中心通道、第二级通道、第三级通道、第四级通道；所述燃料通道包括主级燃料通道和副级燃料通道；所述中心通道内设置有中心通道旋流装置；所述第二级通道内设置有第二级通道旋流装置；所述第三级通道内设置有第三级通道旋流装置；所述第四级通道内设置有第四级通道旋流装置；所述主级燃料通道对应所述中心通道；所述副级燃料通道设置有内环喷射口和外环喷射口，所述内环喷射口对应所述第二级通道和所述第三级通道，所述外环喷射口对应所述第四级通道。
其中，内环喷射口的数目可设置为多个，外环喷射口的数目也可以设置为多个。
进一步地，所述内环喷射口喷射出的气态燃料根据所述副级燃料通道的燃料流量设置为单独喷射入所述第三级通道，或者设置为同时喷射入所述第二级通道和所述第三级通道。
其中，上述气态燃料的喷射优选通过出射动量比控制。小动量比时燃料出射速度低，射流轨迹短，燃料受横向气流影响后完全进入第三级通道；大动量比时燃料出射速度高，射流轨迹长，燃料一部分进入第三级通道，另一部分进入第二级通道。
进一步地，所述中心通道旋流装置与所述主级燃料通道呈环形同轴交错配置。
进一步地，所述中心通道旋流装置与所述主级燃料通道均优选为月牙槽道型空气通道。
进一步地，所述中心通道的通道下游外壁面设置有径向助旋孔。
其中，所述径向助旋孔可设置多个，沿所述中心通道外壁面的周向均匀布置。
进一步地，所述径向助旋孔(14)的气流出射角度范围设置为径向助旋孔气流出射方向与轴线法向方向成0至60°。
进一步地，所述中心通道的通道出口形状为收缩式或扩张式，所述第二级通道的通道出口形状为收缩式或扩张式，所述第三级通道的通道出口形状为收缩式或扩张式，所述第四级通道的通道出口形状为收缩式或扩张式。
进一步地，所述中心通道旋流装置包括设置在所述中心通道的通道上游外壁面的与所述第二级通道连通的孔。
进一步地，所述第二级通道旋流装置、所述第三级通道旋流装置和所述第四级通道旋流装置均优选为叶片式。所述第二级通道旋流装置、所述第三级通道旋流装置和所述第四级通道旋流装置也可设置为斜切孔式。
进一步地，所述内环喷射口和外环喷射口在副级燃料通道的轴向上错开布置。所述内环喷射口和外环喷射口均优选为孔式，也可以均设置为斜槽式。
进一步地，所述第二级通道旋流装置、第三级通道旋流装置及第四级通道旋流装置均设置为轴向旋流或径向旋流；所述第二级通道旋流装置、第三级通道旋流装置及第四级通道旋流装置的旋流旋向均优选为顺时针，也可均设置为逆时针。
本实用新型的有益效果：
本实用新型的技术方案能够实现全预混燃烧模式。主级燃料与空气在径向和轴向混合出射，并采用助旋的旋流空气径向入射进行二次掺混，能够达成均匀度很高的燃料空气混合物，能够获得优良的点火熄火性能，同时保证大工况下的抑制冒烟的产生和局部热点的形成，获得良好的出口温度分布特性；副级燃料沿径向向内和向外喷射，通过调节燃料流量，能够灵活控制多级旋流空气与燃料的混合当量比，有利于达到不同工况下的燃烧污染排放要求。
附图说明
图1本实用新型具体实施方式的燃用气态燃料的燃烧室径向多级旋流喷嘴的结构原理示意图。
图2本实用新型具体实施方式的燃用气态燃料的燃烧室径向多级旋流喷嘴的中心通道结构三维剖视图。
图3本实用新型具体实施方式的燃用气态燃料的燃烧室径向多级旋流喷嘴的正向视图。
图4本实用新型具体实施方式的燃用气态燃料的燃烧室径向多级旋流喷嘴的三维剖视图。
具体实施方式
下面结合附图1-4对本实用新型的燃用气态燃料的燃烧室径向多级旋流喷嘴做详细说明。
如图1-4所示，本实用新型的燃用气态燃料的燃烧室径向多级旋流喷嘴包括燃料通道1和同轴由内向外依次设置的中心通道2、第二级通道3、第三级通道4、第四级通道5，燃料通道1包括主级燃料通道10和副级燃料通道11，中心通道2内设置有中心通道旋流装置6，第二级通道3内设置有第二级通道旋流装置7，第三级通道4内设置有第三级通道旋流装置8，第四级通道5内设置有第四级通道旋流装置9，主级燃料通道10对应中心通道2，副级燃料通道11设置有内环喷射口12和外环喷射口13，内环喷射口12对应第二级通道3和第三级通道4，外环喷射口13对应第四级通道5。
其中，内环喷射口12喷射出的气态燃料根据副级燃料通道11的燃料流量设置为单独喷射入第三级通道4，或者设置为同时喷射入第二级通道3和第三级通道4。上述气态燃料的喷射通过出射动量比控制。小动量比时燃料出射速度低，射流轨迹短，燃料受横向气流影响后完全进入第三级通道4；大动量比时燃料出射速度高，射流轨迹长，燃料一部分进入第三级通道4，另一部分进入第二级通道3。
如图1所示，燃用气态燃料的燃烧室径向多级旋流喷嘴的副级燃料通道11的相对于燃料入口端(图示左端)的相对端延伸至所述径向多级旋流喷嘴的轴向中部位置，内环喷射口12和外环喷射口13错开配置。内环喷射口12配置在副级燃料通道11的轴向前半段，外环喷射口13配置在副级燃料通道11的轴向后半段。主级燃料通道10开设在中心通道2内。副级燃料通道11开设在第三级通道4的壁面内。第二级通道3同样具有壁面。第四级通道5也具有壁面。第四级通道5的壁面在轴向上的长度小于第三级通道4的壁面在轴向上的长度(但大于第三级通道4的壁面在轴向上的长度的二分之一)，第四级通道5的壁面在轴向上的长度大于第二级通道3的壁面在轴向上的长度。外环喷射口13设置在第三级通道4的外壁面，内环喷射口12设置在第三级通道4的内壁面。内环喷射口12和外环喷射口13在轴向错开布置，内环喷射口12和外环喷射口13均为多个，例如均为4个，并且内环喷射口12和外环喷射口13均沿第三通道4的壁面的周向均匀配置。
如图2所示，中心通道旋流装置6与主级燃料通道10呈环形同轴交错配置。中心通道旋流装置6与主级燃料通道10均为月牙槽道型空气通道。中心通道旋流装置6包括设置在中心通道2的通道上游外壁面的与第二级通道3连通的孔。中心通道旋流装置6的上述孔在轴向上与上述内环喷射口12错开布置。中心通道2的通道下游外壁面设置有多个径向助旋孔14，这些径向助旋孔14沿中心通道2的壁面的周向均匀配置。所述径向助旋孔(14)的气流出射角度范围设置为径向助旋孔气流出射方向与轴线法向方向成0至60°，例如0°，10°，20°，30°，60°等。
如图3-4所示，第二级通道旋流装置7、第三级通道旋流装置8和第四级通道旋流装置9均为叶片式。并且第二级通道旋流装置7的旋流方向为顺时针方向，第三级通道旋流装置8的旋流方向为顺时针方向，第四级通道旋流装置9的旋流方向为逆时针方向。由图2-3可以看出，本实施方式中，中心通道2的中心通道旋流装置6的旋流方向为顺时针方向。
如图4所示，中心通道2的下游通道出口形状为收缩式，第二级通道3的下游通道出口形状为扩张式，第三级通道4的下游通道出口形状为收缩式，第四级通道5的下游通道出口形状为收缩式。本实用新型的燃用气态燃料的燃烧室径向多级旋流喷嘴的整体形状为圆筒状。
显然，上述实施方式仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本实用新型的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。