喷嘴及燃烧器

本发明的至少一种实施例涉及燃气轮机，更具体地，涉及一种喷嘴及燃烧器。

背景技术：

1、燃气轮机是一种高效、可靠的发电设备，其利用燃料燃烧产生的高温高压气体推动涡轮机转动，进而驱动发电机发电。燃气轮机所使用的燃料种类多样，包括天然气、柴油、重油以及近年来备受关注的氢气等清洁燃料。

2、传统的燃气轮机主要使用化石燃料，但这类燃料在燃烧过程中产生大量的二氧化碳，会加剧大气环境中的温室效应。此外，燃烧过程中还会产生少量的氮氧化物和硫氧化物，这些物质在大气中能够形成酸雨，对生态环境和建筑物造成损害。同时，颗粒物的排放也会对空气质量产生负面影响，对人类健康构成威胁。

3、氢气作为一种高热值的清洁能源，在燃气轮机领域的应用逐渐受到关注。相关技术中，燃气轮机的燃烧器将氢气与空气混合，并将得到的高浓度氢混合燃料进行燃烧，以显著降低燃气轮机的碳排放，但由于氢混合燃料的燃烧温度高，相较于化石燃料会排放出较多的氮氧化物，因此，如何在降低碳排放的同时，降低氮氧化物的排放，成为亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供了一种喷嘴及燃烧器，能够提高燃料与空气混合的均匀程度，降低高浓度混合燃料燃烧时的氮氧化物排放量。

2、为了实现上述目的，作为本发明提供一种喷嘴，包括：管体，上述管体的一端为进料端，另一端为输出端；喷射部，设置在上述进料端的内侧；以及旋流混合部，设置在上述输出端的内侧，其中，上述喷射部和旋流混合部之间形成混合腔，燃料由上述喷射部轴向进入上述管体，并在上述混合腔处与由上述管体的侧壁沿径向方向进入上述混合腔的空气实现初步混合形成第一混合燃料；上述空气流截面的延伸方向与上述轴向方向的夹角为锐角；上述第一混合燃料以旋流方式在上述旋流混合部进一步混合，以形成第二混合燃料，并经上述输出端喷出。

3、在一种示意性的实施例中，上述输出端的外周壁上形成有气体通道，适用于将空气引导至位于上述输出端外侧的燃烧区，以减弱上述第二混合燃料燃烧时产生的热声振荡现象。

4、在一种示意性的实施例中，多个上述气体通道沿周向间隔布置于上述输出端，以减少相邻的上述输出端喷出的上述第二混合燃料燃烧时产生的热声振荡的影响。

5、在一种示意性的实施例中，上述喷射部包括连接至上述管体内壁的基部、以及从上述基部朝向上述管体内部轴向延伸的分隔体，上述基部和分隔体内形成连通的燃料通道；上述分隔体上沿周向布置多个通孔，适用于将上述燃料通道内的燃料加速进入上述混合腔与空气混合。

6、在一种示意性的实施例中，上述通孔的延伸方向与轴向方向之间夹角为锐角。

7、在一种示意性的实施例中，上述管体在上述输出端的内径被形成为由上述进料端向上述输出端逐渐收缩，以提升上述管体内部混合燃料流速。

8、在一种示意性的实施例中，上述管体的位于上述混合腔的侧壁上开设有多个沿周向分布的进气孔，上述进气孔在周向方向上倾斜延伸；优选地，穿过上述进气孔的中心并在径向方向上延伸的直线、与上述通孔的轴线的空间交点大约位于上述管体的内壁与上述分隔体之间的径向距离的二分之一处。

9、在一种示意性的实施例中，上述旋流混合部包括：引导轴；多个旋流叶片，沿周向布置于上述引导轴和上述管体的内壁之间，以引导上述第一混合燃料在上述旋流混合部实现旋流混合。

10、在一种示意性的实施例中，上述引导轴沿水平方向延伸，且在靠近上述输出端的端部形成向上述管体内凹陷的凹陷部。

11、本发明还提供了一种，包括：平行布置的第一端板和第二端板；至少一个如上述任一实施例中的喷嘴，上述喷嘴的进料端安装于上述第一端板，输出端安装于上述第二端板；壳体，被构造成中空管状结构，且套设于上述第一端板和上述第二端板外侧；上述壳体与上述第一端板围成的区域被配置为燃料区；上述壳体、上述第一端板和上述第二端板围成的区域被配置为预混区，上述壳体与上述第二端板围成的区域被配置为燃烧区；上述喷嘴被配置为接收上述燃料区的燃料及上述预混区的空气进行混合，并喷射至上述燃烧区。

12、本发明所提供的喷嘴，通过使空气与燃料对冲交叉混合，以及进一步的旋流混合，两种混合方式结合，提高空气与燃料混合的均匀度。并且，由于空气流截面的延伸方向与轴向方向的夹角为锐角，使得空气能够更大程度的填充混合腔，以有利于沿轴向方向进入管体的燃料与空气流在混合腔内充分交叉冲击混合，较为有效的减少局部燃烧温度过高的现象，从而降低燃烧时氮氧化物的排放量。

技术特征：

1.一种喷嘴，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述输出端(7)的外周壁上形成有气体通道(3)，适用于将空气引导至位于所述输出端(7)外侧的燃烧区(83)，以减弱所述第二混合燃料燃烧时产生的热声振荡现象。

3.根据权利要求2所述的燃烧器，其特征在于，多个所述气体通道(3)沿周向间隔布置于所述输出端(7)，以减少相邻的所述输出端(7)喷出的所述第二混合燃料燃烧时产生的热声振荡的影响。

4.根据权利要求1-3任一项所述的喷嘴，其特征在于，所述喷射部(4)包括连接至所述管体内壁的基部(41)、以及从所述基部(41)朝向所述管体内部轴向延伸的分隔体(42)，所述基部(41)和分隔体(42)内形成连通的燃料通道；

5.根据权利要求4所述的喷嘴，其特征在于，所述通孔(43)的延伸方向与轴向方向之间夹角为锐角。

6.根据权利要求1-4任一项所述的喷嘴，其特征在于，所述管体在所述输出端(7)的内径被形成为由所述进料端(6)向所述输出端(7)逐渐收缩，以提升所述管体内部混合燃料流速。

7.根据权利要求1-4任一项所述的喷嘴，其特征在于，所述管体的位于所述混合腔的侧壁上开设有多个沿周向分布的进气孔(44)，所述进气孔(44)在周向方向上倾斜延伸；

8.根据权利要求1-4任一项所述的喷嘴，其特征在于，所述旋流混合部(5)包括：

9.根据权利要求8所述的喷嘴，其特征在于，所述引导轴(51)沿水平方向延伸，且在靠近所述输出端(7)的端部形成向所述管体内凹陷的凹陷部(53)。

10.一种燃烧器，其特征在于，包括：

技术总结
本发明涉及燃气轮机技术领域，具体提供了一种喷嘴及燃烧器，喷嘴包括管体，管体的一端为进料端，另一端为输出端。喷射部设置在进料端的内侧，旋流混合部设置在输出端的内侧。其中，喷射部和旋流混合部之间形成混合腔，燃料由喷射部轴向进入管体，并在混合腔处与由管体的侧壁沿径向方向进入混合腔的空气实现初步混合形成第一混合燃料，空气流截面的延伸方向与轴向方向的夹角为锐角。第一混合燃料以旋流方式再旋流混合部进一步混合，以形成第二混合燃料，并经输出端喷出。燃烧器包括平行布置的第一端板和第二端板、至少一个如上述任一实施例中的喷嘴，以及壳体。

技术研发人员：王博涵,胡宏斌,姜磊,吴海霞
受保护的技术使用者：中国科学院工程热物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29