一种多级旋流微型燃气轮机燃烧器的制作方法

本发明涉及一种多级旋流微型燃气轮机燃烧器，属于燃气轮机燃烧技术领域。

背景技术：

近年来由于全球经济的迅速发展，各个国家对能源的需求也与日俱增。为了解决当前的能源危机，智能电网、分布式能源的概念应运而生。微型燃气轮机(micro-turbine)作为新能源技术的核心设备，其技术的成熟对推动智能电网、分布式能源系统的发展起着至关重要的作用。微型燃气轮机具备轻便、燃料种类范围广、污染极低、安全可靠等优点，对21世纪人们的生活生产均产生了很大的影响。但由于国际石油市场价格不稳定，且我国缺乏足够的石油资源来支持长远发展，故寻找燃气轮机替代能源成为了我国势在必行的重要任务。醇基燃料由于其高效、清洁、经济且来源广泛而受到人们的推崇。醇基燃料相比较常规的燃油有着诸多的优点，例如粘度低而容易雾化、燃点高而安全性提高，排放量低而减少环境污染等等，并且已有试验和研究表明，醇基燃料在燃气轮机上的应用是完全具有可行性的。

雾化喷嘴是微型燃气轮机的一个关键设备，其燃料雾化质量直接影响到燃烧室的着火、混合、燃烧和燃尽；雾化分散效果越好，雾化粒度越均匀，越有利于颗粒的混合、着火和燃烧。因此为了提高燃气轮机燃烧室的燃烧效率，良好的喷嘴结构必不可少。双油路离心式雾化喷嘴是单路压力雾化喷嘴的改进型，它的突出优点是油量调节范围大，并可保证低工况下依然能够获得较好的雾化质量，因此双路喷嘴在燃气轮机上获得广泛应用。但若将传统的双油路喷嘴和醇基燃料直接应用到微型燃气轮机上，将可能带来以下的问题：

1.双油路离心式雾化喷嘴的主油路刚开始工作时的供油压力很小，无法满足微型燃气轮机机组在启动工况下的雾化性能，从而会导致燃烧效率不理想。

2.因醇基燃料相对于常用的燃油，其汽化潜热很大，造成汽化时吸收的热量多，导致燃烧区温度低，燃烧效率差。传统的双油路在无任何预热措施或改进的情况下，可能会出现雾化效果差，冷启动困难等问题。

3.由于雾化喷嘴喷孔前端燃料浓度较高，让其充分燃烧的氧气含量不足，从而可能会导致燃烧效率低，燃烧室产生排气冒烟等现象。

4.由于雾化喷嘴燃烧时空气一次性给入，会增大液体燃料的着火热，导致无法着火或淌油、析碳等问题。

因此，有必要对雾化喷嘴的各个方面进行更进一步的的改进，使得微型燃气轮机在有效的应用醇基燃料或其他液体燃料的同时使其燃烧室在各种工况下都能获得良好的雾化效果，从而使整个燃烧室能够满足高效低污染燃烧技术的要求。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有的双油路离心式雾化喷嘴存在的冷启动困难、易发生无法着火的情况以及燃烧效率低的问题，进而提供了一种多级旋流微型燃气轮机燃烧器。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种多级旋流微型燃气轮机燃烧器，它包括同轴布置的点火塞、雾化网、基准件、主油路隔板及外壳，其中所述点火塞为变直径圆柱段，基准件套装在点火塞上，基准件的中部与点火塞之间形成环腔，基准件的外表面加工有若干轴向导流叶片；

所述雾化网为空心圆柱形结构，其设置在基准件与点火塞之间的环腔内，雾化网的内表面与点火塞之间存在环向间隙，

所述主油路隔板包括隔板主体及同轴盘设在隔板主体上的盘管，所述隔板主体为空心圆柱形结构且套设在基准件上，外壳上远离燃烧室的一端部同轴套设在主油路隔板上，若干轴向导流叶片位于隔板主体与基准件之间形成根部风流动通道；

基准件上靠近燃烧室的一端部为渐缩段，所述渐缩段与点火塞之间形成副油路收敛通道，副油路收敛通道中靠近燃烧室的一端为副油路燃料喷口，

外壳中部的内表面与基准件的渐缩段外表面之间形成主油路收敛通道，主油路收敛通道中靠近燃烧室的一端为主油路燃料喷口，

盘管的一端为主油路入口端且延伸至外壳外部，盘管的另一端为出口端且靠近主油路收敛通道布置，基准件上插装有副油路管段，所述副油路管段远离燃烧室设置且副油路管段的端部与雾化网所在环腔连通，

基准件上靠近渐缩段的位置周向加工有若干一级旋流孔，外壳的中部为渐扩段，其上加工有若干二级旋流孔及若干三级旋流孔，其中若干二级旋流孔靠近主油路隔板布置，若干三级旋流孔靠近燃烧室布置。

进一步地，基准件上远离燃烧室的一端部与点火塞之间螺纹连接，雾化网的外表面与基准件内表面之间以及雾化网的一端与点火塞上的轴肩之间均为紧密接触。

进一步地，所述盘管的环绕圈数为4～10圈，盘管的内径及外径均为1～3mm，盘管内旋流方向与空气进入一级旋流孔的旋转方向相同。

进一步地，轴向导流叶片的数量为4～8个，且沿基准件的周向均布，每个轴向导流叶片的轴向长度小于或等于隔板主体轴向长度的2/3。

进一步地，一级旋流孔的数量为8～12个，且沿基准件周向均布，一级旋流孔为边长1～3mm的矩形孔，每个一级旋流孔的中轴线与基准件中轴线之间的夹角在剖面上的投影为30～60°。

进一步地，二级旋流孔的数量为8～16个，且沿外壳周向均布，二级旋流孔为直径1～3mm的圆孔。

进一步地，三级旋流孔的数量为16～24个，且沿外壳周向均布，三级旋流孔为边长1～3mm矩形孔，每个三级旋流孔的中轴线与壳体中轴线之间的夹角在剖面上的投影为30～60°。

进一步地，一级旋流孔、二级旋流孔及三级旋流孔的中心轴线朝向相同设置。

进一步地，主油路入口端的内径及外径均为1～3mm，副油路管段的内径及外径均为0.5～1.5mm。

进一步地，主油路燃料喷口的内、外环直径间距以及副油路燃料喷口的内、外环直径间距均为0.25～1mm。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本申请采用主油路和副油路分开的双油路供油方式，采用点火塞预热并点燃副油路醇基燃料，使其在雾化网中有效吸热蒸发并点燃，同时提供主油路燃料的点火热源，从而有效解决醇基燃料的冷启动困难问题；

主油路燃料通过主油路隔板上的盘管环绕结构，经过多次旋流实现切向给油，一方面使主油路燃料延迟给入，同时获得一定程度的预热，有助于主油路燃料的着火燃烧；

采用多级旋流孔结构将全部空气分为根部风和两级旋流风来加强醇基燃料与空气的分级混合，使得醇基燃料与空气混合均匀，有利于燃烧过程的稳定、出口温度分布均匀及nox排放降低。

附图说明

图1为本申请的立体结构示意图(局部剖视)；

图2为本申请的主视示意图；

图3为图2的c-c向剖视示意图；

图4为盘管的结构示意图；

图5为本申请的立体结构示意图(壳体及主油路隔板未示出)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～5说明本实施方式，一种多级旋流微型燃气轮机燃烧器，它包括同轴布置的点火塞1、雾化网2、基准件3、主油路隔板4及外壳5，其中所述点火塞1为变直径圆柱段，基准件3套装在点火塞1上，基准件3的中部与点火塞1之间形成环腔，基准件3的外表面加工有若干轴向导流叶片17；

所述雾化网2为空心圆柱形结构，其设置在基准件3与点火塞1之间的环腔内，雾化网2的内表面与点火塞1之间存在环向间隙，

所述主油路隔板4包括隔板主体10及同轴盘设在隔板主体10上的盘管9，所述隔板主体10为空心圆柱形结构且套设在基准件3上，外壳5上远离燃烧室的一端部同轴套设在主油路隔板4上，若干轴向导流叶片17位于隔板主体10与基准件3之间形成根部风流动通道；

基准件3上靠近燃烧室的一端部为渐缩段，所述渐缩段与点火塞1之间形成副油路收敛通道7，副油路收敛通道7中靠近燃烧室的一端为副油路燃料喷口6，

外壳5中部的内表面与基准件3的渐缩段外表面之间形成主油路收敛通道12，主油路收敛通道12中靠近燃烧室的一端为主油路燃料喷口13，

盘管9的一端为主油路入口端11且延伸至外壳5外部，盘管9的另一端为出口端且靠近主油路收敛通道12布置，基准件3上插装有副油路管段14，所述副油路管段14远离燃烧室设置且副油路管段14的端部与雾化网2所在环腔连通，

基准件3上靠近渐缩段的位置周向加工有若干一级旋流孔8，外壳5的中部为渐扩段18，其上加工有若干二级旋流孔15及若干三级旋流孔16，其中若干二级旋流孔15靠近主油路隔板4布置，若干三级旋流孔16靠近燃烧室布置。

盘管9为焊接在隔板主体10外表面的，所述盘管9盘设在外壳5与隔板主体10之间形成的环腔中。盘管9为呈螺旋的管状结构，也可用矩形螺纹、梯形螺纹或其他截面型式的外螺纹等与盘管9起相同作用的结构来替代。所述盘管9紧密盘设在外壳5与隔板主体10之间形成的环腔中。

盘管9内通主油路的燃油，沿周向旋转后通过隔板主体10与外壳5所围成的主油路通道19后，流经主油路收敛通道12，从主油路燃料喷口13喷入燃烧室。盘管9的出口端与外壳5内壁面紧密接触。盘管9入口端不在主油路通道19的覆盖范围内以保证油路连接，燃油通过其出口端旋转喷入到主油路收敛通道12内，且其旋流方向与空气进入一级旋流孔8的旋转方向相同。

雾化网2为空心圆柱型金属丝网或烧结型空心圆柱结构，其末端位置不能超过基准件3上一级旋流孔8中心线，其末端位置即为靠近燃烧室的一端。

副油路管段14为钢管直段，在靠近点火塞1前端位置处沿副油路通道20内圆的切向插入并直抵雾化网2，安装时先在基准件3上开孔后焊接；所述副油路通道20即为雾化网2所在环腔。

副油路管段14即为副油路入口端，主油路入口端11与副油路入口端平行布置。

若干轴向导流叶片17沿基准件3周向均布形成环形气路21。第一级空气通过环形气路21，从一级旋流孔8切向进入副油路通道20，在空气切向剪切力的作用下，强化醇基燃料的雾化及点燃。

基准件3的中部与点火塞1之间形成环腔，作为副油路燃油雾化网2的安装空间和蒸发雾化及着火燃烧的空间；基准件3与点火塞1沿同一轴线布置；

所述副油路燃料喷口6是位于基准件3与点火塞1的环隙，其前侧为副油路收敛通道7，副油路燃料喷口6的中心以及主油路燃料喷口13的中心均位于燃烧器的轴线上；在启动工况下，采用点火塞1预热并点燃从副油路油路入口端切向供给的醇基燃料，使其在雾化网2中有效吸热蒸发并点燃，再流经副油路收敛通道7，从副油路燃料喷口6喷出；

主油路燃料喷口13位于基准件3末端，与副油路燃料喷口6平齐。

所述点火塞1将所述雾化网2中的副油路燃料蒸发雾化，并为雾化燃油提供点火热源；其末端指向燃烧室一侧，与副油路燃料喷口6端面平齐或露出一定长度；

所述一级旋流孔8即为根部风的入口，隔板主体10与基准件3之间形成的根部风流动通道，可使进入该通道的第一级空气沿切向入口旋转进入点火塞1所在的环腔；

二级旋流孔15和三级旋流孔16作为剩余空气的进入通道，实现燃油的分级旋流燃烧；二级旋流孔15和三级旋流孔16，可以只选用其中一级或两级，开孔型式可以是具有相同流通面积的圆孔、矩形孔或其他型式的旋转叶片。

所述主油路收敛通道12为基准件3和渐缩段与外壳5内表面形成的渐缩的环腔结构。

外壳5上靠近燃烧室的一端部为平直段，其外表面的加工精度可保证与燃烧室的圆形入口安装时的密封及固定。

本申请应用于燃用醇基燃料及其他液体燃料的微型燃气轮机燃烧室，具有高效稳定且低污染的特点。

本申请采用主油路和副油路分开的双油路供油方式，采用点火塞1预热并点燃副油路醇基燃料，使其在雾化网2中有效吸热蒸发并点燃，同时提供主油路燃料的点火热源，从而有效解决醇基燃料的冷启动困难问题；

主油路燃料通过主油路隔板4上的盘管9环绕结构，经过多次旋流实现切向给油，一方面使主油路燃料延迟给入，同时获得一定程度的预热，有助于主油路燃料的着火燃烧；

采用多级旋流孔结构将全部空气分为根部风和两级旋流风来加强醇基燃料与空气的分级混合，使得醇基燃料与空气混合均匀，有利于燃烧过程的稳定、出口温度分布均匀及nox排放降低。

基准件3上远离燃烧室的一端部与点火塞1之间螺纹连接，雾化网2的外表面与基准件3内表面之间以及雾化网2的一端与点火塞1上的轴肩之间均为紧密接触。所述紧密接触是通过过盈配合实现的。

所述盘管9的环绕圈数为4～10圈，盘管的内径及外径均为1～3mm，盘管9内旋流方向与空气进入一级旋流孔8的旋转方向相同。即盘管的最小内径为1mm，最大外径为3mm。

轴向导流叶片17的数量为4～8个，且沿基准件3的周向均布，每个轴向导流叶片17的轴向长度小于或等于隔板主体10轴向长度的2/3。轴向导流叶片17的轴向长度即为轴向导流叶片17指向燃烧室一侧的末端伸展距离，如图5所示，轴向导流叶片中的螺纹线与轴线夹角在上视基准面上的投影为α，且α取值30～60°，且沿其螺旋线上的任一截面的大小为1～3mm的矩形。

一级旋流孔8的数量为8～12个，且沿基准件3周向均布，一级旋流孔8为边长1～3mm的矩形孔，每个一级旋流孔8的中轴线与基准件3中轴线之间的夹角在剖面上的投影为30～60°。

二级旋流孔15的数量为8～16个，且沿外壳5周向均布，二级旋流孔15为直径1～3mm的圆孔。该圆孔按一定的偏心距沿切向布置且与燃烧器轴线成一定角度，其旋流方向与雾化气进入一级旋流孔8的旋流方向相同。

三级旋流孔16的数量为16～24个，且沿外壳5周向均布，三级旋流孔16为边长1～3mm矩形孔，每个三级旋流孔16的中轴线与壳体中轴线之间的夹角在剖面上的投影为30～60°。雾化空气切向进入三级旋流孔16。

一级旋流孔8、二级旋流孔15及三级旋流孔16的中心轴线朝向相同设置。即一级旋流孔8、二级旋流孔15及三级旋流孔16的中心轴线与点火塞1的中心轴线之间所呈夹角相同。通过控制旋流孔与点火塞1轴线之间的不同夹角，来实现旋流孔在不同位置或不同时间点上的给入，以达到精准控制的分级燃烧。

主油路入口端11的内径及外径均为1～3mm，副油路管段14的内径及外径均为0.5～1.5mm。如此设计，可将油泵供油的流量按选定比例分配；所述主、副油路入口端的轴线平行但相距一定距离。

主油路燃料喷口13的内、外环直径间距以及副油路燃料喷口6的内、外环直径间距均为0.25～1mm。

工作原理：

在启动工况下，先启动点火塞1，再启动油泵向缓冲罐供油，燃油或醇基燃料即被分配到主、副油路入口端。由于副油路和主油路的行程有很大差别，首先副油路入口端中的醇基燃料将会沿切向进入燃烧器基准件3，并在雾化网2中快速扩散，在点火塞1所提供的的热量作用下，扩散在雾化网2中的醇基燃料将很快吸收热量并在副油路通道20内迅速蒸发；同时第一级空气经过环形气路21，从一级旋流孔8切向进入副油路通道20，对醇基燃料进行辅助雾化和助燃，在空气切向剪切力的作用下，副油路通道20中的醇基燃料雾化点燃，成为一股经副油路燃料喷口6喷出的旋转火焰，在点燃主油路燃油时可起到值班火焰的作用。主油路入口端11的醇基燃料在盘管9内多次旋流，延迟流入到主油路收敛通道12，并从主油路燃料喷口13喷出，此时盘管9的醇基燃料因延迟给入，使其在副油路燃料喷口6处形成稳定的火焰后再喷出，接受副油路火焰的预热和点燃，可以保证主油路燃料燃烧的稳定性。燃烧器外壳5上加工有二级旋流孔15和三级旋流孔16，剩余空气流经二级旋流孔15和三级旋流孔16，分别对从主、副油路燃料喷口6喷出的醇基燃料进行助燃，并且由于旋流燃烧的稳燃原理，可形成回流区保证主火焰燃烧的稳定性；通过空气的分级给入，可以使掺混过程效果更好、混合更均匀，从而利于燃烧过程的稳定、出口温度分布均匀及nox排放降低。