燃气轮机柔和燃烧室的射流喷嘴的制作方法

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其是一种燃气轮机柔和燃烧室的射流喷嘴。

背景技术：

氮氧化物包括一氧化二氮、一氧化氮和二氧化氮等。氮氧化物作为主要的大气污染物，能对动植物造成毒害，也是形成酸雨、酸雾和光化学烟雾的主要原因之一。燃气轮机作为重要的动力设备，一方面需要不断提高燃烧室出口温度以提升燃气轮机效率，另一方面同时需要在宽工况范围内进一步降低氮氧化物排放。

在保持燃烧效率和性能的前提下，降低其氮氧化物的排放一直是从事燃气轮机燃烧科研人员重点追求的目标。对于燃烧室出口温度高于1500℃的燃气轮机来说，传统扩散燃烧技术、预混燃烧技术面临巨大挑战。扩散燃烧技术降低氮氧化物排放潜力有限；天然气贫预混燃烧随着燃机级别提高其喷嘴及控制系统越来越复杂，低负荷工况下氮氧化物排放不达标，随着燃机参数的提高，进一步降低氮氧化物也越来越困难，燃烧煤制合成气的贫预混技术还不成熟。

相对于传统的nox排放控制技术，柔和燃烧技术具有火焰稳定、噪音低、负荷范围较宽和燃烧效率高等优点。如何在燃气轮机燃烧室受限空间内高效实现柔和燃烧条件是关键和难点，现有柔和燃烧的实现主要使得燃料和烟气燃烧之前发生充分掺混，利用高速射流在燃烧室内形成回流区来实现。一般情况下，为了保证燃料和空气掺混均匀，喷嘴采用强旋流设计，一方面这样的设计往往会引起压力损失大，反应区靠近喷嘴出口，易引发喷嘴局部超温等缺点，另一方面，喷嘴强旋流射流会使得回流区变弱，使得烟气回流比减少，从而不利于柔和燃烧的建立和实现。因此，本领域还缺乏一种高效实现柔和燃烧的射流喷嘴，在实现高效率掺混的基础上，有利于降低压损和保证燃烧室内部烟气回流比，进而实现柔和燃烧，降低nox排放。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种燃气轮机柔和燃烧室的射流喷嘴，可以实现低压损、高效掺混、出口混合物靠近壁面组分浓度低和射流喷嘴出口射流旋流数低等目标。

(二)技术方案

本发明提供了一种燃气轮机柔和燃烧室的射流喷嘴，所述射流喷嘴包含燃料内部喷嘴、燃料外侧喷孔、多个旋流槽通道、外侧管道和内侧管道，所述外侧管道固定在燃烧室头部挡板，所述内侧管道的前端部分地伸入所述外侧管道，所述内侧管道和所述外侧管道之间形成环形通道，所述燃料内部喷嘴设置在所述内侧管道中，所述多个旋流槽通道沿周向均匀分布在所述内侧管道的管壁上，所述燃料外侧喷孔设置在所述内侧管道后端的管壁上，所述燃料内部喷嘴的后端位于所述燃料外侧喷孔和所述旋流槽通道之间。

靠近射流喷嘴的内侧空气通过所述旋流槽通道进入所述内侧管道，并在所述内侧管道内与所述燃料内部喷嘴喷出的燃料形成第一混合气体。

部分燃料通过所述燃料外侧喷孔喷向燃烧室头部密闭空间，并在所述环形通道与外侧空气混合形成稀薄的第二混合气，所述第一混合气和所述第二混合气在所述外侧管道内混合成弱旋混合气。

优选地，所述内侧管道的面积与内侧管道和外侧管道的面积之和的比例在30-80％之间。

优选地，所述内侧管道与射流喷嘴出口的距离为内侧管道内径的0.5-3.0倍。

优选地，燃料外侧喷孔喷出的燃料与燃料内部喷嘴和燃料外侧喷孔喷出的燃料之和的比例为0-50％之间。

优选地，所述旋流槽通道的数量为m个，所述旋流槽通道具有切向旋流角θ，其中m≥4，60°≥θ≥30°。

优选地，所述旋流槽通道的横截面积之和与内侧管道的横截面积之比范围：0.9-1.1。

优选地，所述外侧管道的内径do为25-35mm，所述外侧管道伸出燃烧室头部挡板的距离l2为15-25mm，所述内侧管道的前端与射流喷嘴出口的距离l为20-60mm。

优选地，所述内侧管道的内径di为20-25mm，管壁厚度为1-2mm，燃料内部喷嘴与所述内侧管道的前端的距离l1为15-25mm，所述旋流槽通道的轴向高度为8-12mm。

优选地，所述燃料内部喷嘴具有多个燃料喷孔，所述燃料喷孔的直径为1.5-2.5mm，优选地，所述燃料喷孔的个数为3-6个，优选地，所述燃料外侧喷孔沿轴向均布在所述内侧管道的管壁上，所述燃料外侧喷孔的个数为2-4个。

优选地，n个所述射流喷嘴均匀设置于以燃烧室头部中心为圆心的圆周上，优选地，n≥3。

优选地，所述燃料内部喷嘴、所述外侧管道和所述内侧管道的轴心重合。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的燃气轮机柔和燃烧室的单元射流喷嘴有如下有益效：

(1)射流喷嘴出口燃料和空气的混合均匀度有提升，并且外侧燃空当量比较低，有利于火焰根部提升，不易过早着火；

(2)射流喷嘴射流属于弱旋，整体压力损失较小，轴向速度不易衰减，有利于增大燃烧室烟气回流比；

(3)射流喷嘴总体为弱旋流，有效降低了流动过程中的压力损失，在燃烧室的下游形成回流区，抬升了火焰高度，同时在燃烧室下游形成柔和燃烧，降低了燃烧过程中的峰值火焰温度，避免了热声震荡，在保证燃烧室燃烧效率和燃烧室性能的前提下，可在较宽负荷范围内实现超低氮氧化物排放；

(4)射流喷嘴结构紧凑，可直接替换结构相似的燃气轮机燃烧室射流喷嘴，便于实际应用和操作；

(5)针对天然气、煤制合成气等多种工业燃料气，可根据燃料气的点火延迟时间、火焰传播速度、燃料热值等燃料特性调整主燃料喷嘴和射流喷嘴尺寸及相对位置。

附图说明

图1为一般柔和燃烧室的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的射流喷嘴结构示意图；

图3为旋流槽通道的结构示意图。

附图标记说明：

100-柔和燃烧室；

110-燃烧室火焰筒；120-值班旋流喷嘴；

130-射流喷嘴；140-主燃料管道；

150-值班燃料管道；160-燃烧室机匣；

170-燃烧室头部挡板；180-燃烧室过渡段；

130-射流喷嘴：

210-燃料内部喷嘴；220-燃料外侧喷孔；

230-旋流槽通道；240-外侧管道；

250-内侧管道；260-燃料喷孔。

θ-切向旋流角；l-内侧管道与射流喷嘴出口的距离；l1-燃料内部喷嘴前端与内侧管道出口的距离；l2-射流喷嘴伸出燃烧头部挡板的距离；di-内侧管道的内径；do-外侧管道的内径；ai-流入内侧管道的内侧空气；ao-流入外侧管道的外侧空气；fi-燃料内部喷嘴喷出的燃料；fo-燃料外侧喷孔喷出的燃料；h-内侧管道外壁旋流槽通道的轴向高度。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种柔和燃烧室射流喷嘴，若干个射流喷嘴是燃烧室头部喷嘴组件的重要组成部分。一般柔和燃烧室的构成如图1所示：柔和燃烧室100、燃烧室火焰筒110、值班旋流喷嘴120、射流喷嘴130、主燃料管道140、值班燃料管道150、燃烧室机匣160、燃烧室头部挡板170和燃烧室过渡段180。

如图2所示，本发明的射流喷嘴130包含燃料内部喷嘴210，燃料外侧喷孔220，旋流槽通道230，外侧管道240和内侧管道250，外侧管道240固定在燃烧室头部挡板170上，内侧管道250的前端部分地伸入外侧管道240，内侧管道250和外侧管道240之间形成环形通道，燃料内部喷嘴210设置在内侧管道250中，旋流槽通道230沿周向均匀分布在内侧管道250的管壁上，燃料外侧喷孔220设置在内侧管道250后端的管壁上，燃料内部喷嘴210的后端位于燃料外侧喷孔220和旋流槽通道230之间。

靠近射流喷嘴130的内侧空气ai通过旋流槽通道230进入内侧管道250，并在内侧管道250内与燃料内部喷嘴喷210出的燃料形成第一混合气体。

外侧空气通过环形通道进入喷嘴，为了加强混合效率，部分燃料通过燃料外侧喷孔喷220向燃烧室头部密闭空间，并在环形通道与外侧空气ao混合形成稀薄的第二混合气，第一混合气和第二混合气在外侧管道240内混合成弱旋混合气，弱旋混合气中心燃料分布比较均匀，靠近外侧管道240的管壁附近燃料浓度较低。

通过调整内侧管道250内径di和外侧管道240内径do，使得内侧管道250的面积与内侧管道250和外侧管道240的面积之和的比例在30-80％之间。

为了控制喷嘴出口掺混均匀度，内侧管道250与射流喷嘴130出口的距离l为内侧管道250内径di的0.5-3.0倍。

燃料外侧喷孔220喷出的燃料fo与燃料内部喷嘴210和燃料外侧喷孔220喷出的燃料之和(fo+fi)的比例为0-50％之间。

如图3所示，旋流槽通道230的数量为m个，旋流槽通道230具有切向旋流角θ，内侧管道250通过旋流槽通道230与集气腔相连通，其中m≥4，60°≥θ≥30°。

旋流槽通道230的横截面积之和与内侧管道250的横截面积之比的范围：0.9-1.1。

外侧管道240的内径do为25-35mm，外侧管道240伸出燃烧室头部挡板170的距离l2为15-25mm，内侧管道250的前端与射流喷嘴出口的距离l为20-60mm。优选地，do＝30mm，l2＝20mm，l＝50mm。

内侧管道250的内径di为20-25mm，管壁厚度为1-2mm，燃料内部喷嘴210与内侧管道250的前端的距离l1为15-25mm，旋流槽通道230的轴向宽度为8-12mm。优选地，di＝22mm，l1＝20mm，h＝10mm，内侧管道250的管壁厚度1.5mm。

燃料内部喷嘴210具有多个燃料喷孔260，燃料喷孔260的直径为1.5-2.5mm，优选地，燃料喷孔260的个数为3-6个，优选地，燃料外侧喷孔220沿轴向均布在内侧管道250的管壁上，燃料外侧喷孔220的个数为2-4个。

n个射流喷嘴均匀设置于以燃烧室头部中心为圆心的圆周上，优选地，n≥3。

燃料内部喷嘴210、外侧管道240和内侧管道250的轴心重合。

射流喷嘴出口产生低压损、低旋流、掺混均匀的燃料/空气混合气，射流喷嘴出口靠近壁面的混合气燃料浓度相对较低，多个射流喷嘴射流在燃烧室内部形成回流卷吸烟气，利于柔和燃烧的建立。

在燃烧室火焰筒110内，值班喷嘴组件形成的第一回流区位于值班喷嘴组件出口端的下游位置，n个射流喷嘴130形成的第二回流区位于第一回流区的下游位置，射流喷嘴130燃烧产生的高速混合气卷吸周围的高温低氧混合物，在燃烧室火焰筒110的下游区实现柔和燃烧。

如图2所示，本发明实施例的柔和燃烧室射流喷嘴工作时，fi和ai在喷嘴内侧管道内进行混合，fo和ao在外部通道进行混合形成相对稀薄的混合气。内侧混合气在内侧通道出口之后在l距离之内与外侧混合气继续混合。最终形成混合均匀的高速低旋流射流，高速混合气不会直接快速燃烧，有利于提升着火点位置，多个射流喷嘴组成的低旋射流在燃烧室形成烟气回流，增加了烟气停留时间，保证了燃烧充分，有利于建立柔和燃烧，从而实现低nox排放。针对天然气、煤制合成气等多种工业燃料气，可根据燃料气的点火延迟时间、火焰传播速度、燃料热值等燃料特性调整内侧外侧燃料(fi，fo)分配，内外侧空气(ai，ao)分配，掺混距离l等，能够适应多种工业燃料气。

在一实施例中，设置射流喷嘴混合气出口速度为80m/s～160m/s，主燃料喷嘴速度为120m/s～200m/s，射流喷嘴射流引射高温烟气并与之高效掺混后，形成温度1200℃～1700℃、氧浓度5％～10％的未燃混合物，实现了以高温、低氧为特征的柔和燃烧。

本发明在实现高效率掺混的基础上，降低喷嘴压损，减少喷嘴出口旋流数，保证燃烧室内部烟气回流比，进而实现柔和燃烧，降低nox排放。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)射流喷嘴还可以采用其他构造，只要能够完成相同的功能即可；

(2)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；

(3)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(4)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。