一种自吸式空气辅助雾化双燃料喷嘴的制作方法

本实用新型属于燃气轮机设备技术领域，具体涉及一种自吸式空气辅助雾化双燃料喷嘴。

背景技术：
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随着我国海洋战略的不断推进，海洋原油勘探和开采力度不断加大，海洋原油产量迅速提高。在开采原油的过程中，常伴有大量的石油伴生气产出，这种伴生气具有易燃易爆不易储存和输运的特点，出于安全考虑自开采之初就会被直接燃用处理，造成了严重能源浪费，国家海洋战略对解决该问题提出了迫切的需求。双燃料燃气轮机就是一种可以有效解决该问题的动力设备，不仅能够为原油开发提供动力，而且可以采用石油伴生气为气态燃料进行工作，在不停机的情况下，实现原液态燃料与石油伴生气之间的无扰动在线切换，提高了燃气轮机对燃料的适应性，有效利用了石油伴生气，解决了原油开发过程中不同状态下的多种燃料需求。

双燃料喷嘴是双燃料燃气轮机最重要的核心部件，随着海洋战略对高功率燃气轮机需求的不断提升，对喷嘴的设计也提出了更高的要求。满足高功率则需要更多的液态燃料量，因此喷嘴喷口的孔径设计较大，这样便带来慢车工况条件下液态燃料雾化效果差，燃烧不均匀，积碳严重，进而影响燃烧效率，造成排气冒黑烟等现象，喷嘴的寿命甚至整台燃气轮机的正常运行都受到严重威胁。目前采用较多的解决办法就是采用双液态燃料路，设计为不同流量，以满足燃气轮机从启动慢车至高工况不同阶段液态燃料量需求，但由此也带来的配套设备增加，附属系统复杂，严重影响燃气轮机体积小、重量轻的先天优势，给双燃料燃气轮机的应用带来了局限性。

技术实现要素：
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本实用新型的目的是提供一种可使燃气轮机应用液态燃料在慢车工况及高工况运行过程中均能高效燃烧且兼顾气态燃料使用的自吸式空气辅助雾化双燃料喷嘴，以解决燃气轮机慢车工况运行时因液态燃料雾化效果不佳造成的燃烧效率过低的问题，并以多燃料方式拓宽燃气轮机应用范围。

本实用新型采用的技术方案为：一种自吸式空气辅助雾化双燃料喷嘴，包括液态燃料旋流雾化组件、空气辅助旋流雾化组件、可拆卸压紧固定组件、防止积碳气冷组件、中部侧罩、上部侧罩、外罩、气态燃料接口、液态燃料接口和雾化空气接口及喷嘴壳体；所述液态燃料旋流雾化组件包括液态燃料旋流器和液态燃料喷口；所述空气辅助旋流雾化组件包括雾化空气旋流器和空气喷口；所述液态燃料旋流器安装于雾化空气旋流器内；所述可拆卸压紧固定组件包括封盖、垫片和螺塞；所述防止积碳气冷组件包括隔热内罩、喷嘴壳体前部的翅片和翅片式流道；所述液态燃料接口的液态燃料入口和雾化空气接口的雾化空气入口内分别安装有气液两用滤芯和可拆卸止动环。

进一步地，所述外罩与隔热内罩焊接，外罩上设有10个气态燃料出口，气态燃料出口的轴线方向与液态燃料喷口的轴线方向的夹角为30°；所述气态燃料出口每2个为1组，每组的2个气态燃料出口成12.5°角，且围绕液态燃料喷口的中心轴周向均布。

进一步地，所述液态燃料旋流器通过插接嵌套于雾化空气旋流器的内腔，二者通过可拆卸压紧固定组件按额定力矩的方式固定于喷嘴壳体内；所述可拆卸压紧固定组件的螺塞采用双头直螺纹的连接方式，其一端与喷嘴壳体固定，以挤压方式压紧并固定液态燃料旋流器和雾化空气旋流器，另一端与垫片和封盖按额定力矩的方式连接至喷嘴壳体的端面，共同组成液态燃料旋流通道和辅助旋流雾化空气通道；所述液态燃料旋流器与雾化空气旋流器的内壁形成了第二液态燃料通道。

进一步地，所述喷嘴壳体上设有第一液态燃料通道和第一雾化空气通道，喷嘴壳体的内腔内壁面与雾化空气旋流器外壁面形成了第二雾化空气通道。

进一步地，所述上部侧罩、中部侧罩和喷嘴壳体形成了第一气态燃料通道、第二气态燃料通道和第三气态燃料通道。

进一步地，所述隔热内罩上设有防积碳空气入口和与防积碳空气入口垂直相间排布的6个第四气态燃料通道。

进一步地，所述液态燃料旋流器的旋流槽旋向与雾化空气旋流器的旋流槽旋向相同。

进一步地，所述气态燃料接口、液态燃料接口和雾化空气接口采用内锥面外螺纹的密封连接方式。

进一步地，所述的可拆卸压紧固定组件由封盖垫片和螺塞采用双头直螺纹的方式进行与喷嘴壳体连接，方便核心工作部件的修整、清洗与更换，缩短喷嘴研制周期，延长喷嘴使用寿命。所述的防止积碳气冷组件由带法向进气口的隔热内罩采用焊接的方式固定于喷嘴壳体前部形成翅片式气冷通道，有效降低核心工作部件温度；所述的气态燃料供给通道与隔热内罩法向进口相间排布，与外罩采用焊接的方式进行连接，可在满足供给量要求的同时有效减小整个喷嘴占用的空间。

本实用新型的有益效果：将空气辅助旋流雾化设计有效结合至液态燃料路，其特点是慢车工况下通过喷嘴空气路主动供入辅助雾化空气，改善此时点火性能及燃烧效率；高工况通过液态燃料强旋流形成负压区，将燃烧室内的空气在压差作用下自动吸入至喷嘴空气路，加强了液态燃料的雾化，进一步提高燃烧效率，可在单液态燃料路条件下方便有效地解决点火及慢车工况下雾化效果不佳的问题，同时满足双燃料使用需求，具有重要应用价值。

所述的可拆卸压紧固定组件由封盖垫片和螺塞采用双头直螺纹的方式进行与喷嘴壳体连接，方便核心工作部件的修整、清洗与更换，缩短喷嘴研制周期，延长喷嘴使用寿命。所述的防止积碳气冷组件由带法向进气口的隔热内罩采用焊接的方式固定于喷嘴壳体前部形成翅片式气冷通道，有效降低核心工作部件温度；所述的气态燃料供给通道与隔热内罩法向进口相间排布，与外罩采用焊接的方式进行连接，可在满足供给量要求的同时有效减小整个喷嘴占用的空间。其主要优点如下：

（1）、所述的液态燃料接口和雾化空气接口采用错位对排的布置方式，节省安装空间；

（2）、所述的液态燃料入口和雾化空气入口通道内都安装有气、液两用通用过滤组件，可有效去除来流介质内的杂质，提高喷嘴的可靠性和使用寿命，且通过可拆卸止动环固定，方便更换清洗；

（3）、所述的液态燃料接口、雾化空气接口和气态燃料接口均采用内锥面外螺纹的密封连接方式，安全可靠，拆装便捷；

（4）、所述的气态燃料出口轴线方向与液态燃料喷口轴线方向成30°角，气态燃料出口数量为10个，每2个一组，成12.5°角，围绕液态燃料喷口中心轴周向均布，可获得良好燃烧效果；

（5）、所述的隔热内罩采用气态燃料轴向通道方向与防止积碳冷却空气进口方向互相垂直且相间排布的设计形式，有效节约空间；

（6）、所述的喷嘴壳体前部采用翅片式流道设计，可有效提高喷嘴结构强度即抗变形能力的同时强化换热，保持喷嘴内部低温，延长使用寿命；

（7）、所述的液态燃料旋流器的旋流槽旋向与雾化空气旋流器的旋流槽旋向相同，保证良好的气流剪切作用，达到辅助雾化效果。

附图说明：

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的立体示意图；

图3是图1中M-M的截面示意图；

图4是图1中W的局部放大图；

图5是图1中N-N的截面示意图。

具体实施方式：

参照各图，一种自吸式空气辅助雾化双燃料喷嘴，包括液态燃料旋流雾化组件、空气辅助旋流雾化组件、可拆卸压紧固定组件、防止积碳气冷组件、中部侧罩3、上部侧罩5、外罩14、气态燃料接口4、液态燃料接口1和雾化空气接口2及喷嘴壳体8；所述液态燃料旋流雾化组件包括液态燃料旋流器12和液态燃料喷口17；所述空气辅助旋流雾化组件包括雾化空气旋流器13和空气喷口6；所述液态燃料旋流器12安装于雾化空气旋流器13内；所述可拆卸压紧固定组件包括封盖10、垫片9和螺塞11；所述防止积碳气冷组件包括隔热内罩7、喷嘴壳体8前部的翅片32和翅片式流道31；所述液态燃料接口1的液态燃料入口23和雾化空气接口2的雾化空气入口24内分别安装有气液两用滤芯28和可拆卸止动环29；所述外罩14与隔热内罩7焊接，外罩14上设有10个气态燃料出口15，气态燃料出口15的轴线方向与液态燃料喷口17的轴线方向的夹角为30°；所述气态燃料出口15每2个为1组，每组的2个气态燃料出口15成12.5°角，且围绕液态燃料喷口17的中心轴周向均布；所述液态燃料旋流器12通过插接嵌套于雾化空气旋流器13的内腔，二者通过可拆卸压紧固定组件按额定力矩的方式固定于喷嘴壳体8内；所述可拆卸压紧固定组件的螺塞11采用双头直螺纹的连接方式，其一端与喷嘴壳体8固定，以挤压方式压紧并固定液态燃料旋流器12和雾化空气旋流器13，另一端与垫片9和封盖10按额定力矩的方式连接至喷嘴壳体8的端面，共同组成液态燃料旋流通道和辅助旋流雾化空气通道；所述液态燃料旋流器12与雾化空气旋流器13的内壁形成了第二液态燃料通道34；所述喷嘴壳体8上设有第一液态燃料通道25和第一雾化空气通道26，喷嘴壳体8的内腔内壁面与雾化空气旋流器13外壁面形成了第二雾化空气通道33；所述上部侧罩5、中部侧罩3和喷嘴壳体8形成了第一气态燃料通道20、第二气态燃料通道21和第三气态燃料通道22；所述隔热内罩7上设有防积碳空气入口27和与防积碳空气入口27垂直相间排布的6个第四气态燃料通道30；所述液态燃料旋流器12的旋流槽旋向与雾化空气旋流器13的旋流槽旋向相同；所述气态燃料接口4、液态燃料接口1和雾化空气接口2采用内锥面外螺纹的密封连接方式。

自吸式空气辅助雾化双燃料喷嘴具体工作方式说明如下：

如图1所示，液态燃料旋流器12通过插接的方式安装于雾化空气旋流器13的内腔，与其内壁面共同构成第二液态燃料通道34，螺塞11通过双头直螺纹的连接方式，一端与喷嘴壳体8固定，进而以挤压方式压紧并固定液态燃料旋流器12和雾化空气旋流器13，以保证良好的密封性，另一端则与垫片9和封盖10按额定力矩的方式连接至喷嘴壳体8端面，共同组成液态燃料旋流通道和辅助旋流雾化空气通道。

如图2所示，当采用液态燃料工作时，液态燃料通过液态燃料入口23经过气液两用滤芯28过滤除杂进入第一液态燃料流道25，流经第二液态燃料通道34及旋流槽达到旋流状态，最终由液态燃料喷口17喷射而出形成雾化锥，进入至燃烧空间与压缩空气混合燃烧。在此过程中，气态燃料入口19供入压缩空气进行吹扫的同时对喷嘴本体进行冷却，辅助雾化空气路会有以下两种不同的工作状态：

①、当燃气轮机在点火工况及慢车工况运行时，辅助雾化空气由雾化空气入口24主动供入，雾化空气接口2采用内锥面外螺纹的密封连接方式，经过气液两用滤芯28过滤除杂，进入至第一雾化空气通道26，再经过由喷嘴壳体8的内腔内壁面与雾化空气旋流器12外壁面构成的第二雾化空气通道33及旋流槽达到旋流状态，最终经过雾化空气出口18和雾化空气喷口6旋转射流而出，对液态燃料雾化锥液膜进行旋转剪切辅助液滴破碎，达到良好雾化效果，解决燃气轮机慢车工况及点火工况运行时液态燃料雾化质量不佳的问题；

②、当燃气轮机在高工况条件下运行时，液态燃料供应量较大，通过液态燃料喷口17高速强旋流喷出后，会在该喷口后形成很强烈的负压区，进而会造成辅助的雾化空气出口处18附近的压力低于燃烧室壳体内的压力，此时燃烧室壳体内的压缩空气就会在压差的作用下“自动”由雾化空气入口2进入，经第一雾化空气通道26、旋流的第二雾化空气通道33及旋流槽强化旋流后由雾化空气出口18和雾化空气喷口6旋转射流而出，对液态燃料雾化锥液膜进行旋转剪切辅助液滴破碎，完成雾化空气自吸辅助雾化过程，减小雾化颗粒细度，强化燃烧，提高效率。

如图3所示，当采用气态燃料工作时，气态燃料从气态燃料入口19进入，经过上部侧罩5、中部侧罩3以及喷嘴壳体8形成的第一气态燃料通道20、第二气态燃料通道21和第三气态燃料通道22进入防积碳空气入口27垂直相间排布的6个第四气态燃料通道30，有效减少喷嘴占用空间，接着进入由外罩14和隔热内罩7构成的环形空间，最后由轴线方向与液态燃料喷口17轴线方向成30°角围绕液态燃料喷口17中心轴周向每2个成12.5°角为一组均布的10个气态燃料出口15喷出，进入燃烧空间，保证良好燃烧效果。此时，液态燃料路供入压缩空气进行吹扫同时的对喷嘴本体进行冷却，延长使用寿命。

如图1所示，防止积碳气冷组件由隔热内罩7和喷嘴壳体8的前部翅片32与翅片式流道31构成，二者采用焊接的方式进行连接。这种翅片结构的优势在于提高喷嘴结构强度即抗变形能力的同时强化换热，保持喷嘴内部低温，延长使用寿命。冷却空气经过6个法向防积碳空气入口27进入至喷嘴壳体8的翅片式流道31和隔热内罩7构成的流通空间，最后由冷却空气出口16喷射而出形成隔热保护气模，防止积碳形成。

应用该双料喷嘴的燃气轮机采用液态燃料在启动及慢车工况运行时，通过辅助雾化空气路主动供入空气，可实现单液态燃料路条件下液态燃料的良好雾化，改善此时点火性能及燃烧效率，避免额外额附属系统；在高工况运行时，通过液态燃料旋流雾化组件和空气辅助旋流雾化组件的有效结合设计，液态燃料强旋流后可在出口处形成负压区，燃烧室内的空气即可从燃烧室壳体内在压差作用下自动进入空气辅助雾化旋流组件，对已喷出且雾化的液态燃料通过气流的剪切作用进行强化雾化，实现“自吸式”空气辅助雾化，进一步提高燃烧效率。经过慢车工况及高工况运行时液态燃料均良好雾化的有效结合，以及兼顾气态燃料使用的整体设计，实现燃气轮机全工况多燃料的高效运行，保持燃气轮机体积小、重量轻的先天优势，拓宽燃气轮机的应用范围，实现能源的合理有效利用。