一种低污染燃烧室的贫预混旋流喷嘴及全环燃烧室的制作方法

本发明属于燃气轮机燃烧室领域，涉及一种低污染燃烧室的贫预混旋流喷嘴及全环燃烧室，具体是一种用于低污染燃烧室的贫预混旋流喷嘴方案。

背景技术：

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。

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。虽然“湿”低排放燃烧技术能有效降低nox排放，但其也有致命的缺陷，例如co排放量增加，燃烧效率下降，降低了燃烧室寿命，同时增加供水系统，增大了机组复杂性和成本；催化燃烧技术在低污染燃烧方面具有很大的潜力，但是目前该技术仍处于开发阶段，解决发动机宽工作温度范围和催化床为保证高催化性和机械完整性所需的相对狭窄温度范围之间的矛盾是催化燃烧的发展瓶颈。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。“干”低排放燃烧技术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，从而达到降低nox排放的目的。

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201510117272.4公开了一种燃气轮机低污染燃烧室头部结构，其采用在旋流器流道内和中心流道内同时喷射燃料，保证了头部结构出口处燃料和空气的均匀混合；专利201610400254.1公开了一种以天然气为燃料的贫油半预混燃烧室，其燃料喷射孔开在旋流器与文氏管之间，沿径向喷射，在此区域形成燃料/空气预混段，增加燃料/空气混合均匀度。通过分析发现上述头部方案的旋流器均采用直叶片，易发生流动分离，流动损失大，且无防止回火和自燃的措施。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种低污染燃烧室的贫预混旋流喷嘴及全环燃烧室，是一种适用于燃气轮机低污染燃烧室的旋流喷嘴方案，该方案既能保证燃料/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和自燃的风险。

技术方案

一种低污染燃烧室的贫预混旋流喷嘴，包括旋流器外壁和轴向旋流器；其特征在于：轴向旋流器2中心的旋流器内壁5为燃料进口3，旋流器内壁5上设有多个燃料喷射孔4；使得燃料自燃料管路入口3进入，通过旋流器内壁5，经由多个燃料喷射孔4进入预混段8；轴向旋流器2与出口收敛段9之间预混段8的旋流器外壁上设有多个壁面发散小孔11，出口收敛段9之后为喷嘴出口10；所述轴向旋流器9的叶片为曲叶片，沿周向均匀分布；所述的喷嘴出口10的内径d为25mm～40mm，预混段长度l与内径d之比为0.7～1.2。

所述轴向旋流器2的叶片为6-20个，与燃料喷射孔4的数目相等。

所述低旋流轴向旋流器9的曲叶片的叶片角度为30°～60°。

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。

所述的旋流器出口收敛段与水平方向夹角α为35°-55°。

所述的旋流喷嘴的燃烧区当量比为0.55-0.75。

一种利用所述低污染燃烧室的贫预混旋流喷嘴构成的全环燃烧室，包括外火焰筒13、内火焰筒14和头部法兰12；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。

所述同一组的贫预混模喷嘴共用一个供燃料管。

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。

有益效果

本发明提出的一种低污染燃烧室的贫预混旋流喷嘴及全环燃烧室，采用贫预混燃烧技术，燃料喷射口位于旋流器内轮毂上，燃料与空气在旋流流道开始相遇混合并在预混段进一步混合，提高燃料/空气混合均匀度，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无局部热点，从而有效减少氮氧化物的生成；旋流喷嘴出口收敛段可加速燃料/空气混合物流动，减小回火风险；旋流器外壁上壁面冷却孔能降低壁温和附面层燃料/空气比，减少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。

本发明与现有技术相比所具有的优点如下：

旋流喷嘴方案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；采用旋流器内壁径向喷射燃料和预混方式，能提高燃料/空气混合均匀度，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

图1：本发明贫预混旋流喷嘴剖视图

图2：本发明贫预混旋流喷嘴轴测图

图3：本发明贫预混头部旋流器轴测图

图4：本发明实施例多点贫预混全环燃烧室头部轴测图

图5：本发明实施例多点贫预混全环燃烧室头部左视图

图中：1-旋流喷嘴，2-轴向旋流器，3-燃料进口，4-燃料喷射孔，5-旋流器内壁，6-旋流器外壁，7-旋流流道，8-预混段，9-收敛段，10-喷嘴出口，11-壁面发散小孔，12-头部法兰，13-外火焰筒，14-内火焰筒，15-副模，16-主模，17-燃烧室头部局部图，18-喷嘴局部图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明采用以下技术方案：一种适用于燃气轮机低污染燃烧室的贫预混旋流喷嘴结构，包括轴向旋流器、燃料进口、燃料喷射孔、旋流器内壁、旋流器外壁、旋流流道、预混段、收敛段、喷嘴出口和壁面发散小孔。所述旋流流道是由轴向旋流器、旋流器内壁和旋流器外壁围成的，预混段位于旋流流道下游，紧接着是收敛段。燃料进口位于旋流流道内侧，在旋流器内壁上开有径向燃料喷射孔。空气经旋流器叶片产生旋转运动，在旋流流道内与燃料喷射孔喷出的燃料相遇混合，然后在预混段内进一步混合，最终经由收敛段加速流出。所述喷嘴出口是整个头部结构的最小流通面积，在实际燃烧室中可以通过改变喷嘴出口面积来调节头部空气量。所述的旋流器外壁上的壁面发散小孔起到隔热和降低附面层燃料/空气比的作用，进而能降低发生回火和自燃的风险。所述的一定数量的相同的头部方案通过合理的排布方式能应用在实际燃烧室上。

所述的旋流喷嘴方案的燃烧区当量比为0.55-0.75。

所述的旋流器叶片为曲叶片，叶片数为6-20个。

所述的旋流器叶片角度为30°-60°。

所述的燃料喷射孔位于旋流器内壁上，孔数与旋流器叶片数相同，为6-20个。

所述的旋流器出口收敛段与水平方向夹角α为35°-55°。

所述的旋流喷嘴方案的内径d为25mm-40mm,预混段长度l与内径d之比为0.7-1.2。

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，两个一组的为副模，三个一组的为主模，同一组的头部共用一个供燃料管。

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。

具体实施例：

如图1-3所示，本发明实施例提供了一种适用于燃气轮机低污染燃烧室的贫预混旋流喷嘴结构，包括轴向旋流器2、燃料进口3、燃料喷射孔4、旋流器内壁5、旋流器外壁6、旋流流道7、预混段8、收敛段9、喷嘴出口10和壁面发散小孔11，所述旋流流道7由轴向旋流器2、旋流器内壁5和旋流器外壁6围成，所述轴向旋流器叶片2为曲叶片，叶片数为6-20个，叶片角度为30°-60°，所述燃料进口3位于旋流流道7内侧，所述燃料喷射孔4开在两旋流器叶片间的旋流器内壁5上，喷射方向沿径向向外，喷孔数与旋流器叶片数保持一致，为6-20个，所述预混段8位于旋流流道7下游及在收敛段9之前，预混段长度l与喷嘴直径d之比为0.7-1.2，而喷嘴直径d为25mm-40mm，空气经轴向旋流器叶片2产生旋转流动，在旋流流道7内与从燃料喷射孔4喷出的燃料相遇混合，然后在预混段8中，空气和燃料进一步混合，紧接着空气和燃料的均匀混合物经收敛段9加速流动，进而从喷嘴出口10流向下游燃烧，喷嘴下游燃烧区当量比为0.55-0.75，所述喷嘴出口10是整个喷嘴结构的最小流通面积，在实际燃烧室中可以通过改变喷嘴出口面积来调节旋流喷嘴进气量，所述壁面发散小孔11位于旋流器外壁6上，一部分空气经壁面发散小孔在旋流器外壁贴壁流动，一方面降低了旋流器外壁壁温，另一方面降低了附面层燃料/空气比，从而减小了发生自燃和回火的风险。

如图4-5所示，在实际燃气轮机燃烧室中，可以通过合理布置多个相同尺寸的旋流喷嘴形成多点贫预混燃烧室头部，所述的旋流喷嘴1可以沿径向由内及外分三层分布在头部法兰12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15，沿径向三个旋流喷嘴组成燃烧室主模16，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1距外火焰筒13的距离s1与内层旋流喷嘴1距内火焰筒14的距离s4取4mm-8mm，相邻旋流喷嘴1的径向间距s2和s3取3mm-5mm，周向间距d1取10mm-30mm。

本发明的工作过程如下：

空气经轴向旋流器叶片2产生旋转流动，在旋转流道6内与从燃料喷射孔4喷出的燃料相遇混合，在预混段8中进一步混合，紧接着混合均匀的燃料/空气混合物经过收敛段9加速，最终从旋流喷嘴出口10流向下游进行贫燃料燃烧。冷却空气从位于旋流器外壁7上的壁面发散小孔11流入，在旋流器外壁7内侧形成紧贴壁面的气膜，用来降低壁温及附面层燃料/空气比。