燃气轮机燃烧室喷嘴及使用该喷嘴的方法
【专利摘要】本发明涉及燃气轮机领域，公开了一种燃用气态燃料的燃气轮机燃烧室喷嘴，其包括第一燃料通道、第一空气通道、第二燃料通道、第二空气通道、第一燃料输送组件、第二燃料输送组件以及衬套，所述第一燃料输送组件的内部空间形成所述第一燃料通道，所述第二燃料输送组件套设在第一燃料输送组件的外部，且两者之间留有间隙，所述第二燃料输送组件上设有多个通孔，多个通孔和所述间隙共同构成所述第一空气通道，所述衬套的一端套装在第二燃料输送组件上，所述衬套的另一端延伸出第二燃料输送组件，且两者之间留有间距，所述第二燃料通道和第二空气通道设置在衬套与第二燃料输送组件所围成的空间内。本发明能够获得燃烧稳定性的同时，排放较低的污染物。
【专利说明】燃气轮机燃烧室喷嘴及使用该喷嘴的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃气轮机【技术领域】，特别是涉及一种低污染的燃用气态燃料的燃气轮机燃烧室喷嘴。
【背景技术】
[0002]随着全世界对环境保护问题的重视,各国对燃气轮机燃烧室的氮氧化物(N0X)排放要求越来越严格。
[0003]为了达到低N0X排放的目的，贫预混燃烧技术(Lean Premixed combust1n)被广泛采用。为达到极低的N0X排放((9ppmvdil5% 02)，最佳的情况是火焰工作于贫可燃边界附近。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N0X排放性能的折衷措施，即利用稳定性好但N0X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N0X排放也随之增大。这样的燃烧组织形式，要求燃烧室设计师在进行低污染燃烧室喷嘴设计时，应谨慎处理扩散火焰对N0X排放和对主燃级火焰稳定能力的矛盾。
【发明内容】
[0004](一 )要解决的技术问题
[0005]本发明的目的是提供一种低污染的燃烧室喷嘴，并具有良好的燃烧稳定性。
[0006]( 二 )技术方案
[0007]为了解决上述技术问题，本发明提供一种燃用气态燃料的燃气轮机燃烧室喷嘴，其包括第一燃料通道、第一空气通道、第二燃料通道、第二空气通道、第一燃料输送组件、第二燃料输送组件以及衬套，所述第一燃料输送组件呈筒状，其两端分别为燃料入口和燃料出口，所述第一燃料输送组件的内部空间形成所述第一燃料通道，所述第二燃料输送组件呈筒状，所述第二燃料输送组件套设在所述第一燃料输送组件的外部，且两者之间留有间隙，所述第二燃料输送组件上靠近所述燃料入口的一端的圆周上设有多个通孔，所述多个通孔和所述间隙共同构成所述第一空气通道，所述衬套的一端套装在所述第二燃料输送组件上，所述衬套的另一端延伸出所述第二燃料输送组件，且所述衬套的内壁与第二燃料输送组件的外壁之间留有间距，所述第二燃料通道和所述第二空气通道设置在所述衬套与第二燃料输送组件所围成的空间内。
[0008]进一步地，所述衬套与第二燃料输送组件所围成的空间内设有绕所述第二燃料输送组件的周向设置的多个旋流叶片，所述旋流叶片与所述衬套的内壁以及第二燃料输送组件的外壁分别连接，所述旋流叶片设置在靠近所述衬套的一端处，沿所述旋流叶片的长度方向设有通槽，所述旋流叶片的头部设有与所述通槽连通的燃料输送管，所述燃料输送管的外壁上设有多个燃料通孔。
[0009]进一步地，多个所述旋流叶片之间的间隙形成所述第二空气通道。
[0010]进一步地，所述第一燃料输送组件包括沿燃料的输送方向依次连接的第一燃料头部圆管段、第一燃料中间扩张段、第一燃料中间圆管段、第一燃料端部扩张段，所述第一燃料端部扩张段的端部设有第一燃烧端壁，所述第一燃烧端壁上设有若干个燃料喷孔，若干个所述燃料喷孔形成所述燃料出口。
[0011]进一步地，所述第二燃料输送组件包括顺次连接的第二燃料圆管段和第二燃料端部扩张段，所述第二燃料端部扩张段的端部超出所述第一燃料端部扩张段的端部。
[0012]进一步地，所述衬套包括依次连接的衬套起始圆管段、衬套中间扩张段和衬套末尾圆管段。
[0013]进一步地，还包括喷嘴基座，所述喷嘴基座固定套装在所述第一燃料头部圆管段的位于燃料入口处的端部，所述第二燃料圆管段的一端与所述喷嘴基座的一端对接，所述第二燃料圆管段的外壁圆周上套设有与所述喷嘴基座连接的辅助基座，所述辅助基座呈锥台状，所述辅助基座的大端与所述喷嘴基座的端面连接。
[0014]进一步地，所述第二燃料圆管段的内壁上与所述辅助基座对应的位置处设有环形凸台，所述环形凸台的内壁与所述第一燃料头部圆管段的外壁之间留有间隙，所述辅助基座和环形凸台的周向设有与所述第二燃料输送通道上的通孔连通的倾斜通孔，所述倾斜通孔的倾斜角度朝向所述燃料入口处倾斜。
[0015]进一步地，所述第二燃料圆管段的内部还设有第二燃料辅助圆管段，所述第二燃料辅助圆管段的一端与所述环形凸台的端部对接，所述第二燃料辅助圆管段的另一端设有与所述第二燃料圆管段的内壁连接的端壁，所述端壁与所述第二燃料圆管段连接的位置超过所述燃料输送管与所述第二燃料圆管段连接的位置。
[0016]进一步地，所述燃料输送管与所述第二燃料圆管段连通，所述第二燃料辅助圆管段与所述第二燃料圆管段所围成的空间、所述燃料输送管以及与所述燃料输送管连通的通槽共同构成所述第二燃料通道。
[0017]本发明还提供一种使用上述技术方案所述的燃用气态燃料的燃气轮机燃烧室喷嘴的方法，根据燃气轮机对污染物排放的要求，选择喷嘴的工作模式，首先从所述第一空气通道和第二空气通道分别连续吹入空气，当喷嘴工作在全扩散燃烧模式时，燃气完全从所述第一燃料通道通入，当喷嘴工作在扩散预混燃烧模式时，燃气从所述第一燃料通道和第二燃料通道按比例通入，当喷嘴工作在全预混燃烧模式时，燃气只从所述第二燃料通道通入，并从所述第一燃料通道吹入空气；衬套中间扩张段和衬套末尾圆管段所在的空间内形成燃气和空气的回流区，空气和燃气经过所述回流区之后排进燃气轮机的燃烧区充分燃
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[0018](三)有益效果
[0019]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0020]本发明提供的一种燃用气态燃料的燃气轮机燃烧室喷嘴以及使用该喷嘴的方法，该喷嘴设计有第一燃料通道、第一空气通道、第二燃料通道、第二空气通道、第一燃料输送组件、第二燃料输送组件以及衬套，形成有全扩散燃烧、扩散预混燃烧和全预混燃烧三种模式，存在多种燃烧模式的组合，用于不同的燃气轮机负荷区间，并且能够依照各负荷区间燃气轮机性能的要求作较大幅度的调整，能够给燃气轮机提供更为宽广的高效、稳定、低排放的工作负荷范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明一种燃用气态燃料的燃气轮机燃烧室喷嘴的结构原理图；
[0022]图2为本发明一种燃用气态燃料的燃气轮机燃烧室喷嘴的整体结构剖视图；
[0023]图3为图2中I部分的局部放大图。
[0024]图中:1:第一燃料输送组件；11:第一燃料头部圆管段；12:第一燃料中间扩张段；13:第一燃料中间圆管段；14:第一燃料端部扩张段；15:第一燃烧端壁；16:燃料喷孔；2:第二燃料输送组件；21:第二燃料圆管段；22:第二燃料端部扩张段；23:通孔；3:衬套；31:衬套起始圆管段；32:衬套中间扩张段；33:衬套末尾圆管段；4:喷嘴基座；5:辅助基座；51:倾斜通孔；6:燃料输送管；61:燃料通孔；7:旋流叶片；8:环形凸台；9:第二燃料辅助圆管段；91:端壁。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0026]在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0027]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0028]此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。
[0029]如图1和图2所示，为本发明提供的一种燃用气态燃料的燃气轮机燃烧室喷嘴，其包括第一燃料通道、第一空气通道、第二燃料通道、第二空气通道、第一燃料输送组件1、第二燃料输送组件2以及衬套，所述第一燃料输送组件1呈筒状，其两端分别为燃料入口和燃料出口，所述第一燃料输送组件1与所述喷嘴同轴设置，所述第一燃料输送组件1的内部空间形成所述第一燃料通道，所述第二燃料输送组件2也呈与所述第一燃料输送组件1相匹配的筒状，所述第二燃料输送组件2套设在所述第一燃料输送组件1的外部，且两者之间留有间隙，所述第二燃料输送组件2上靠近所述燃料入口的一端的圆周上设有多个通孔23，用于通入空气，所述多个通孔23和所述间隙共同构成所述第一空气通道，所述衬套3的一端套装在所述第二燃料输送组件2上，且所述衬套3的一端与所述第二燃料输送组件2的靠近燃料入口的一端留有一段距离，所述衬套3的另一端延伸出所述第二燃料输送组件2，且所述衬套3的内壁与第二燃料输送组件2的外壁之间留有间距，所述第二燃料通道和所述第二空气通道设置在所述衬套3与第二燃料输送组件2所围成的空间内。图1中箭头所示的方向为空气和/或燃气流动的方向，可以分别从第一空气通道和第二空气通道通入空气，并可以分别从第一燃料通道和第二燃料通道单独通入燃料，或者从所述第一燃料通道和第二燃料通道按比例同时通入燃料，以便于能够用于不同的燃气轮机负荷区间，并且能够依照各负荷区间燃气轮机性能的要求作较大幅度的调整，能够给燃气轮机提供更为宽广的高效、稳定、低排放的工作负荷范围。
[0030]所述衬套与第二燃料输送组件2所围成的空间内设有绕所述第二燃料输送组件2的周向设置的多个旋流叶片7，所述旋流叶片7可以沿所述第二燃料输送组件2的径向或轴向设置；所述旋流叶片7的每一片叶片呈头部大、尾部小的类似树叶的形状，所述旋流叶片7与所述衬套的内壁以及第二燃料输送组件2的外壁分别连接，所述旋流叶片7设置在靠近所述衬套的一端处，沿所述旋流叶片7的长度方向设有通槽，所述旋流叶片7的头部(靠近衬套的端部处)设有与所述通槽连通的燃料输送管6，所述燃料输送管6在所述第二燃料输送组件2的周向等角度分布，所述燃料输送管6的外壁上设有多个燃料通孔61，用于通入燃料。
[0031 ] 相邻叶片之间的间隙形成空气流通的通道，多个所述旋流叶片7之间的间隙形成所述第二空气通道，以便于从旋流叶片7的通槽进入的燃料与从所述第二空气通道进入的空气充分混合。
[0032]优选地，所述第一燃料输送组件1可以包括沿燃料的输送方向依次连接的第一燃料头部圆管段11、第一燃料中间扩张段12、第一燃料中间圆管段13以及第一燃料端部扩张段14，所述第一燃料端部扩张段14的端部设有第一燃烧端壁15，所述第一燃烧端壁15上设有密集分布的若干个燃料喷孔16，若干个所述燃料喷孔16形成所述燃料出口，用于喷射出燃料。
[0033]优选地，所述第二燃料输送组件2包括顺次连接的第二燃料圆管段21和第二燃料端部扩张段22，所述第二燃料端部扩张段22的端部超出所述第一燃料端部扩张段14的端部，用于使得燃料和空气充分混合。
[0034]优选地，所述衬套3包括依次连接的衬套起始圆管段31、衬套中间扩张段32和衬套末尾圆管段33，优选地，所述第一燃料端部扩张段14、第二燃料端部扩张段22和所述衬套中间扩张段32的起始位置在同一个竖直平面内。
[0035]进一步地，该喷嘴还包括喷嘴基座4，所述喷嘴基座4固定套装在所述第一燃料头部圆管段11的位于燃料入口处的端部，具体地，所述喷嘴基座4与所述第一燃料头部圆管段11之间采用螺纹或者焊接的方式连接，所述第二燃料圆管段21的一端与所述喷嘴基座4的一端对接，所述第二燃料圆管段21的外壁圆周上套设有与所述喷嘴基座4连接的辅助基座5，所述辅助基座5呈锥台状，所述辅助基座5的大端与所述喷嘴基座4的端面连接。
[0036]如图3所示，所述第二燃料圆管段21的内壁上与所述辅助基座5对应的位置处设有环形凸台8，所述环形凸台8的内壁与所述第一燃料头部圆管段11的外壁之间留有间隙，所述辅助基座5和环形凸台8的周向设有与所述第二燃料输送通道上的通孔连通的倾斜通孔51，所述倾斜通孔51的倾斜角度朝向所述燃料入口。
[0037]所述第二燃料圆管段21的内部还设有第二燃料辅助圆管段9，所述第二燃料辅助圆管段9的一端与所述环形凸台8的端部对接，所述第二燃料辅助圆管段9的另一端设有与所述第二燃料圆管段21的内壁连接的端壁91，所述端壁91与所述第二燃料圆管段21连接的位置超过所述燃料输送管6与所述第二燃料圆管段21连接的位置，以便于将所述燃料输送管6的端部包裹在所述第二燃料辅助圆管段9所在的空间内。
[0038]所述燃料输送管6与所述第二燃料圆管段21连通，所述第二燃料辅助圆管段9与所述第二燃料圆管段21所围成的空间、所述燃料输送管6以及与所述燃料输送管6连通的通槽共同构成所述第二燃料通道，当燃料从燃料通孔61进入燃料输送管6之后，沿所述燃料输送管6的径向进入第二燃料辅助圆管段9，在到达所述端壁之后，沿所述燃料输送管6的径向折返，均匀地进入旋流叶片7。该喷嘴能与其他现有技术的喷嘴相组合形成不同的低污染燃烧室方案。
[0039]本发明还提供一种使用上述技术方案所述的燃用气态燃料的燃气轮机燃烧室喷嘴的方法，根据燃气轮机对污染物排放的要求，选择喷嘴的工作模式，首先从所述第一空气通道和第二空气通道分别连续吹入空气，当喷嘴工作在全扩散燃烧模式时，燃气完全从所述第一燃料通道通入，当喷嘴工作在扩散预混燃烧模式时，燃气从所述第一燃料通道和第二燃料通道按比例通入，当喷嘴工作在全预混燃烧模式时，燃气只从所述第二燃料通道通入，并从所述第一燃料通道吹入空气；所述衬套中间扩张段32和衬套末尾圆管段33所在的空间内形成燃气和空气的回流区，所述回流区空间小，能同时满足燃烧室低排放和高稳定性的需要，空气和燃气经过所述回流区之后排进燃气轮机的燃烧区充分燃烧，能够获得极低的N0X排放，可满足严格的N0X排放标准。
[0040]本发明结构设计巧妙，使用方便，能够满足燃烧稳定性的同时，获得较低的N0X排放，解决了目前燃气轮机的难题，具有广阔的应用前景。
[0041]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种燃用气态燃料的燃气轮机燃烧室喷嘴，其特征在于，包括第一燃料通道、第一空气通道、第二燃料通道、第二空气通道、第一燃料输送组件(I)、第二燃料输送组件(2)以及衬套(3)，所述第一燃料输送组件(I)呈筒状，其两端分别为燃料入口和燃料出口，所述第一燃料输送组件(I)的内部空间形成所述第一燃料通道，所述第二燃料输送组件(2)呈筒状，所述第二燃料输送组件(2)套设在所述第一燃料输送组件(I)的外部，且两者之间留有间隙，所述第二燃料输送组件(2)上靠近所述燃料入口的一端的圆周上设有多个通孔(23)，所述多个通孔(23)和所述间隙共同构成所述第一空气通道，所述衬套(3)的一端套装在所述第二燃料输送组件(2)上，所述衬套(3)的另一端延伸出所述第二燃料输送组件(2)，且所述衬套(3)的内壁与第二燃料输送组件(2)的外壁之间留有间距，所述第二燃料通道和所述第二空气通道设置在所述衬套(3)与第二燃料输送组件(2)所围成的空间内。
2.如权利要求1所述的燃用气态燃料的燃气轮机燃烧室喷嘴，其特征在于，所述衬套(3)与第二燃料输送组件(2)所围成的空间内设有绕所述第二燃料输送组件(2)的周向设置的多个旋流叶片(7)，所述旋流叶片(7)与所述衬套(3)的内壁以及第二燃料输送组件(2)的外壁分别连接，所述旋流叶片(7)设置在靠近所述衬套(3)的一端处，沿所述旋流叶片(7)的长度方向设有通槽，所述旋流叶片(7)的头部设有与所述通槽连通的燃料输送管(6)，所述燃料输送管￠)的外壁上设有多个燃料通孔(61)。
3.如权利要求2所述的燃用气态燃料的燃气轮机燃烧室喷嘴，其特征在于，多个所述旋流叶片(7)之间的间隙形成所述第二空气通道。
4.如权利要求3所述的燃用气态燃料的燃气轮机燃烧室喷嘴，其特征在于，所述第一燃料输送组件(I)包括沿燃料的输送方向依次连接的第一燃料头部圆管段(11)、第一燃料中间扩张段(12)、第一燃料中间圆管段(13)、第一燃料端部扩张段(14)，所述第一燃料端部扩张段(14)的端部设有第一燃烧端壁(15)，所述第一燃烧端壁(15)上设有若干个燃料喷孔(16)，若干个所述燃料喷孔(16)形成所述燃料出口。
5.如权利要求4所述的燃用气态燃料的燃气轮机燃烧室喷嘴，其特征在于，所述第二燃料输送组件(2)包括顺次连接的第二燃料圆管段(21)和第二燃料端部扩张段(22)，所述第二燃料端部扩张段(22)的端部超出所述第一燃料端部扩张段(14)的端部。
6.如权利要求5所述的燃用气态燃料的燃气轮机燃烧室喷嘴，其特征在于，所述衬套(3)包括依次连接的衬套起始圆管段(31)、衬套中间扩张段(32)和衬套末尾圆管段(33)。
7.如权利要求6所述的燃用气态燃料的燃气轮机燃烧室喷嘴，其特征在于，还包括喷嘴基座(4)，所述喷嘴基座(4)固定套装在所述第一燃料头部圆管段(11)的位于燃料入口处的端部，所述第二燃料圆管段(21)的一端与所述喷嘴基座(4)的一端对接，所述第二燃料圆管段(21)的外壁圆周上套设有与所述喷嘴基座(4)连接的辅助基座(5)，所述辅助基座(5)呈锥台状，所述辅助基座(5)的大端与所述喷嘴基座(4)的端面连接。
8.如权利要求7所述的燃用气态燃料的燃气轮机燃烧室喷嘴，其特征在于，所述第二燃料圆管段(21)的内壁上与所述辅助基座(5)对应的位置处设有环形凸台(8)，所述环形凸台⑶的内壁与所述第一燃料头部圆管段(11)的外壁之间留有间隙，所述辅助基座(5)和环形凸台(8)的周向设有与所述第二燃料输送通道上的通孔连通的倾斜通孔(51)，所述倾斜通孔(51)的倾斜角度朝向所述燃料入口。
9.如权利要求8所述的燃用气态燃料的燃气轮机燃烧室喷嘴，其特征在于，所述第二燃料圆管段(21)的内部还设有第二燃料辅助圆管段(9)，所述第二燃料辅助圆管段(9)的一端与所述环形凸台(8)的端部对接，所述第二燃料辅助圆管段(9)的另一端设有与所述第二燃料圆管段(21)的内壁连接的端壁(91)，所述端壁(91)与所述第二燃料圆管段(21)连接的位置超过所述燃料输送管(6)与所述第二燃料圆管段(21)连接的位置。
10.如权利要求9所述的燃用气态燃料的燃气轮机燃烧室喷嘴，其特征在于，所述燃料输送管(6)与所述第二燃料圆管段(21)连通，所述第二燃料辅助圆管段(9)与所述第二燃料圆管段(21)所围成的空间、所述燃料输送管￠)以及与所述燃料输送管(6)连通的通槽共同构成所述第二燃料通道。
11.一种使用如权利要求1所述的燃用气态燃料的燃气轮机燃烧室喷嘴的方法，其特征在于，根据燃气轮机对污染物排放的要求，选择喷嘴的工作模式，首先从所述第一空气通道和第二空气通道分别连续吹入空气，当喷嘴工作在全扩散燃烧模式时，燃气完全从所述第一燃料通道通入，当喷嘴工作在扩散预混燃烧模式时，燃气从所述第一燃料通道和第二燃料通道按比例通入，当喷嘴工作在全预混燃烧模式时，燃气只从所述第二燃料通道通入，并从所述第一燃料通道吹入空气；衬套中间扩张段和衬套末尾圆管段所在的空间内形成燃气和空气的回流区，空气和燃气经过所述回流区之后排进燃气轮机的燃烧区充分燃烧。
【文档编号】F23R3/28GK104315539SQ201410505649
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】张珊珊, 查筱晨, 谢法 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