值班燃料喷嘴头、值班喷嘴和燃气轮机的制作方法

1.本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种值班燃料喷嘴头、值班喷嘴和燃气轮机。


背景技术：

2.燃气轮机是一种以连续流动的气体作为工质带动叶轮高速旋转，将燃料热能转换为机械功的热力发动机。燃气轮机核心部件包括压气机、燃烧室、透平三个主体部分，空气经由压气机增压后，进入燃烧室与燃料混合后进行燃烧，生成的热燃气推动透平做功。
3.燃烧室作为三大核心部件之一，对整个燃气轮机的性能起着决定性作用。随着环保标准的逐步提高，对燃气轮机的污染物排放的限制越来越严格。为了降低氮氧化物(nox)等污染物的排放，通常主流的重型燃气轮机燃烧室多采用贫预混燃烧技术，预混燃烧即在燃烧之前，燃料和空气预先混合，燃烧时温度较低且分布较为均匀，因此可以有效降低热力型nox排放。但贫预混燃烧技术在燃机部分负荷时，由于预混通道气流速度高，而当量比较低，燃烧温度低，火焰稳定性不好，并且会带来热声振荡问题，影响部件寿命。


技术实现要素：

4.本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
5.相关技术中，在预混喷嘴的基础上增设值班喷嘴直接喷射燃料，以形成扩散火焰来提高燃烧稳定性。然而，值班喷嘴的扩散火焰稳定性虽好，但是其局部富燃的特点导致其燃烧温度高、热释放较为集中，因此又带来nox排放升高问题，尤其在部分负荷时，燃机运行较为依赖值班喷嘴，nox排放超标问题凸显。
6.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
7.为此，本发明的实施例提出一种值班燃料喷嘴头，该值班燃料喷嘴头具有火焰稳定、热释放分散的特点。
8.本发明还提出一种值班喷嘴，该值班喷嘴具有nox排放量低的特点。
9.本发明还提出一种燃气轮机，该燃气轮机具有工作范围广的特点。
10.本发明实施例的值班燃料喷嘴头包括喷头本体，所述喷头本体具有气体通道、环绕所述气体通道设置的燃料通道以及与所述气体通道连通的预混通道，所述预混通道位于所述气体通道的下游，所述气体通道的周壁上设有多个燃料孔，所述燃料通道经所述燃料孔与所述气体通道相连通，其中，所述燃料孔的延伸方向与所述气体通道的延伸方向之间具有夹角，所述夹角大于45
°
且小于90
°
，所述燃料孔与所述燃料通道连通的一端位于所述燃料孔与所述气体通道连通的一端的上游，和/或，所述夹角为90
°
。
11.本发明实施例的值班燃料喷嘴头，通过在气体通道的周壁上设置多个燃料孔，以将气体通道和燃料通道连通，从而使气体燃料通过燃料孔喷入气体通道内，使气体燃料与空气快速掺混以实现浓预混或部分预混，然后进入预混通道内进一步地掺混后喷入燃气轮机的燃烧室内，将纯燃料扩散燃烧变为部分预混的扩散燃烧，以解决热释放集中的问题，进
而降低nox排放。
12.由此，本发明实施例的值班燃料喷嘴头解决了热释放较为集中的问题。
13.在一些实施例中，所述喷头本体包括：第一筒体、第二筒体、环形封板和第三筒体，所述第一筒体的中心通道为所述气体通道，所述燃料孔设在所述第一筒体的周壁上，所述第二筒体套设在所述第一筒体外，所述第一筒体和所述第二筒体在内外方向上间隔开，所述第一筒体与所述第二筒体限定出所述燃料通道，所述环形封板设在所述第一筒体和所述第二筒体之间，以封堵所述燃料通道的位于下游的一端，所述第三筒体的中心通道为所述预混通道，所述第三筒体的位于上游的一端与所述第一筒体的位于下游的一端相连，以使所述气体通道与所述预混通道相连通。
14.在一些实施例中，多个所述燃料孔沿所述第一筒体的周向间隔分布。
15.在一些实施例中，所述燃料孔的直径为0.1-2mm。
16.在一些实施例中，所述第三筒体包括依次相连的第一平直段、收缩段和第二平直段，所述收缩段的横截面积小于所述第一平直段和\或所述第二平直段的横截面积。
17.在一些实施例中，所述第一平直段的横截面积与所述第二平直段的横截面积相同。
18.在一些实施例中，所述第一平直段的内径为1-5mm。
19.在一些实施例中，所述收缩段的最小内径为所述第一平直段的内径的25％-75％。
20.本发明实施例的值班喷嘴包括上述任一项实施例中所述的值班燃料喷嘴头。
21.本发明实施例的燃气轮机包括上述实施例中所述的值班喷嘴。
附图说明
22.图1是本发明实施例的值班燃料喷嘴头的示意图。
23.附图标记：
24.喷头本体1、
25.第一筒体11、气体通道111、燃料孔112、
26.第二筒体12、燃料通道121、
27.环形封板13、
28.第三筒体14、预混通道141、第一平直段142、收缩段143、第二平直段144。
具体实施方式
29.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
30.下面结合附图描述本发明实施例的值班燃料喷嘴头。
31.如图1所示，本发明实施例的值班燃料喷嘴头包括喷头本体1，喷头本体1具有气体通道111、环绕气体通道111设置的燃料通道121以及与气体通道111连通的预混通道141，预混通道141位于气体通道111的下游。
32.为方便理解本发明的技术方案，将上游至下游的方向规定为如图1中从左到右的方向。其中，如图1所示，燃料通道121环绕在气体通道111外，通过气体通道111的周壁将两者隔开。气体通道111和燃料通道121均位于预混通道141的左侧，气体通道111的右端与预
混通道141的左端相连，以使气体通道111与预混通道141相连通。预混通道141右端的出口即是本发明实施例的值班燃料喷嘴头的出口。
33.可选地，如图1所示，气体通道111的周壁上设有多个燃料孔112，燃料通道121经燃料孔112与气体通道111相连通。可以理解的是，气体通道111内用于通入空气，燃料通道121内用于通入燃料(天然气、氢气等气体燃料)。气体燃料通过多个燃料孔112喷入气体通道111内，以使燃料气体与空气进行掺混。掺混后的燃料和空气的混合气体进入预混通道141内，混合气体在预混通道141内流动的过程中进一步地掺混，最终通过预混通道141的出口喷入燃气轮机的燃烧室(图中未示出)内。
34.其中，燃料通道121内的压力大于气体通道111内的压力。因此将燃料通道121设置在气体通道111的外侧，以使气体燃料进入气体通道111内与空气进行掺混。而不是将气体通道111设置在燃料通道121的外侧，使空气进入燃料通道121内与气体燃料进行掺混。并且，通过燃料孔112喷入气体通道111内的气体燃料的速度远大于气体通道111内空气的流速，以使两者快速掺混。然后在预混通道141内进一步地掺混，最终喷入燃烧室内。由此，使本发明实施例的值班燃料喷嘴头实现浓预混或部分预混，以将纯燃料扩散燃烧变为部分预混的扩散燃烧，从而缓解热释放较为集中的问题，进而降低nox排放。
35.进一步地，燃料孔112的延伸方向与气体通道111的延伸方向之间具有夹角。两者之间的夹角根据实际工况进行确定，但通过燃料孔112的气体燃料不可逆向喷入气体通道111，以与空气进行掺混，虽然这样会使气体燃料与空气混合的更为均匀，但会使燃料与空气的混合气体在本发明实施例的值班燃料喷嘴头内掺混的时间过长，容易造成回火现象的发生。
36.可选地，如图1所示，燃料孔112的延伸方向与气体通道111的延伸方向之间的夹角大于45
°
且小于90
°
，燃料孔112与燃料通道121连通的一端位于燃料孔112与气体通道111连通的一端的上游。
37.可以理解的是，如图1所示，燃料孔112的外端指的是距离燃料通道121更近的一端，燃料孔112的内端指的是距离气体通道111更近的一段。燃料孔112的外端与燃料通道121相连通，燃料孔112的内端与气体通道111相连通。燃料孔112的外端位于燃料孔112的内端的上游，也即是，燃料孔112的外端位于燃料孔112的内端的左侧，气体燃料通过燃料孔112后顺着空气的流动方向喷入气体通道111内。
38.可选地，燃料孔112的延伸方向与气体通道111的延伸方向之间的夹角为90
°
。可以理解的是，此种情况的气体燃料通过燃料孔112后垂直空气的流动方向喷入气体通道111内。
39.此外，由于燃料孔112的数量具有多个，可设置多个燃料孔112的其中一部分燃料孔112的延伸方向与气体通道111的延伸方向之间的夹角大于45
°
且小于90
°
，多个燃料孔112的另一部分燃料孔112的延伸方向与气体通道111的延伸方向之间的夹角为90
°
。
40.具体地，如图1所示，燃料孔112的延伸方向与气体通道111的延伸方向之间的夹角为60
°
，多个燃料孔112均位于气体通道111的右端。燃料通道121内的气体燃料通过燃料孔112喷入气体通道111内，在经过与气体通道111内的空气快速掺混后就直接进入预混通道141内并进一步地掺混，然后通过预混通道141右端的出口喷入燃气轮机的燃烧室内，以将纯燃料扩散燃烧变为部分预混的扩散燃烧，从而缓解热释放集中的问题，进而降低nox排
放，拓宽燃机的工作范围。
41.并且，气体燃料的所占份额高于该燃料可燃极限上限的燃料比例，其目的是，为了防止回火现象的发生，以及保证较浓预混，以实现喷出后值班火焰稳定燃烧。
42.本发明实施例的值班燃料喷嘴头，通过在气体通道111的周壁上设置多个燃料孔112，以将气体通道111和燃料通道121连通，从而使气体燃料通过燃料孔112喷入气体通道111内，使气体燃料与空气快速掺混以实现浓预混或部分预混，然后进入预混通道141内进一步地掺混后喷入燃气轮机的燃烧室内，将纯燃料扩散燃烧变为部分预混的扩散燃烧，以解决热释放集中的问题，进而降低nox排放。
43.在一些实施例中，如图1所示，喷头本体1包括：第一筒体11、第二筒体12、环形封板13和第三筒体14。
44.第一筒体11的中心通道为气体通道111，燃料孔112设在第一筒体11的周壁上。第二筒体12套设在第一筒体11外，第一筒体11和第二筒体12在内外方向上间隔开，第一筒体11与第二筒体12限定出燃料通道121。环形封板13设在第一筒体11和第二筒体12之间，以封堵燃料通道121的位于下游的一端。第三筒体14的中心通道为预混通道141，第三筒体14的位于上游的一端与第一筒体11的位于下游的一端相连，以使气体通道111与预混通道141相连通。
45.可选地，如图1所示，第一筒体11沿左右方向设置，第一筒体11的中心轴线和第三筒体14的中心轴线共轴设置。第一筒体11的右端与第三筒体14的左端相连，以使第一筒体11的中心通道与第三筒体14的中心通道连通，也即是，气体通道111的右端与预混通道141的左端相连通。
46.第一筒体11的中心轴线和第二筒体12的中心轴线共轴设置。第二筒体12套设在第一筒体11外，第一筒体11和第二筒体12在内外方向上间隔开，两者间隔的部分即是燃料通道121。
47.环形封板13具有中心通孔，第一筒体11贯穿环形封板13的中心通孔，第一筒体11的中心轴线和环形封板13的中心通孔的中心轴线共轴设置。环形封板13的外端与第二筒体12的右端密封相连，环形封板13的内端与第一筒体11的右端密封相连，以使环形封板13封堵燃料通道121的右端。多个燃料孔112均位于环形封板13的内端的左侧，以使燃料通道121内的气体燃料流至环形封板13时，在环形封板13封堵的作用下，流至燃料孔112处。
48.进一步地，如图1所示，环形封板13的倾斜角度与燃料孔112的倾斜角度相同。例如，燃料孔112的倾斜角度为60
°
，也即是，环形封板13的外端位于环形封板13的内端的左侧，环形封板13与第一筒体11之间的夹角为60
°
。
49.在一些实施例中，如图1所示，多个燃料孔112沿第一筒体11的周向间隔分布。可以理解的是，气体燃料通过等间距分布的倾斜燃料孔112喷入气体通道111内，以提高气体燃料与空气掺混的均匀性。
50.在一些实施例中，燃料孔112的直径为0.1-2mm。
51.可选地，燃料孔112的直径为0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm或2mm。并且，燃料孔112的直径远小于预混通道141的右端的出口的口径，以使燃料始终通过微尺度的快速掺混来实现浓预混或部分预混。
52.在一些实施例中，如图1所示，第三筒体14包括依次相连的第一平直段142、收缩段
143和第二平直段144，收缩段143的横截面积小于第一平直段142和\或第二平直段144的横截面积。
53.可选地，如图1所示，在从左到右的方向上，依次为第一平直段142、收缩段143和第二平直段144。也即是，第一平直段142的左端与第一筒体11的右端相连，第一平直段142的右端与收缩段143的左端相连，收缩段143的右端与第二平直段144的左端相连，第二平直段144的右端的开口即为本发明实施例的值班燃料喷嘴头的出口。
54.可以理解的是，预混通道141的横截面积先缩小后增大，燃料与空气的混合气体依次通过第一平直段142、收缩段143和第二平直段144，通过设置缩小横截面积的收缩段143以进一步地促进掺混。
55.在一些实施例中，如图1所示，第一平直段142的横截面积与第二平直段144的横截面积相同，且第一平直段142和第二平直段144的内径均为1-5mm。
56.可选地，第一平直段142和第二平直段144的内径为1mm、2mm、3mm、4mm或5mm。可以理解的是，若第一平直段142和第二平直段144的内径均为1mm，则燃料孔112的直径为0.1mm。
57.在一些实施例中，收缩段143的最小内径为第一平直段142的内径的25％-75％。
58.可以理解的是，收缩段143横截面积最小的部分的内径即为收缩段143的最小内径，也即是，如图1所示，收缩段143的中间部分的内径为收缩段143的最小内径。
59.本发明实施例的值班喷嘴包括上述任一项实施例中的值班燃料喷嘴头。
60.本发明实施例的值班喷嘴，在整个工作过程中，燃料始终通过微尺度的快速掺混来实现浓预混或部分预混，将纯燃料扩散燃烧变为部分预混的扩散燃烧，从而缓解热释放较为集中的问题，进而降低nox排放。
61.本发明实施例的燃气轮机包括上述实施例中的值班喷嘴。
62.本发明实施例的燃气轮机，通过设置nox排放量较低的值班喷嘴，以拓宽燃机的工作范围。
63.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
64.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
65.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
66.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以
是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
67.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
68.尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。