一种喷嘴及燃气轮机.pdf

本发明涉及动力装备技术领域，具体涉及一种喷嘴及燃气轮机。该喷嘴包括中心体、环形壁和旋流装置；环形壁与中心体之间形成外围混合通道，中心体内部开有中心体混合通道，且在中心体上还分别设有独立的预混燃料通道和扩散燃料通道，预混燃料通道分别向中心体混合通道和外围混合通道喷射燃料，形成燃料空气混合气，扩散燃料通道直接向火焰筒轴向喷射燃料，最终在喷嘴出口处形成中间为扩散燃烧火焰、内外层均为预混燃烧火焰的火焰形式。在扩散燃烧的作用下，在较低负荷下，喷嘴的火焰稳定性以及燃烧效率得到极大地改善；同时，由于主要是对喷嘴出口处的结构改进，可实现结构易加工维修的效果。

权利要求书
1.  一种喷嘴，包括中心体(1)、环形壁(2)及旋流装置(3)，所述中心体(1)内设有中心体混合通道(22)；所述中心体混合通道(22)的进口端设有旋流孔板(6)，出口端设有头部端壁(5)；所述环形壁(2)同轴设置在中心体(1)的外围，在所述环形壁(2)与环形壁(2)之间形成外围混合通道(23)；所述旋流装置(3)位于外围混合通道(23)上靠近中心体(1)进口的一端；其特征在于：所述中心体(1)上设有预混燃料通道(8)和扩散燃料通道(13)；所述预混燃料通道(8)通过中心体预混燃料喷射孔(12)与中心体混合通道(22)连通；所述头部端壁(5)上设有朝向火焰筒点火区域的环形燃料出口(16)，所述环形燃料出口(16)与扩散燃料通道(13)连通。

2.  根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述扩散燃料通道(13)通过集油腔(14)与环形燃料出口(16)连通。

3.  根据权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，所述集油腔(14)与环形燃料出口(16)之间设有节流孔(15)。

4.  根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述的中心体混合通道(22)上设有中心体内收缩段(19)和中心体内扩张段(20)，且中心体内扩张段(20)位于中心体内收缩段(19)的下游。

5.  根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述中心体(1)上靠近头部端壁(5)的一端设有中心体外扩张段(18)；所述头部端壁(5)上设有端壁喷射孔(17)，所述端壁喷射孔(17)穿过所述中心体外扩张段(18)与外围混合通道(23)连通。

6.  根据权利要求5所述的喷嘴，其特征在于，所述中心体预混燃料喷射孔(12)和端壁喷射孔(17)为直孔或斜孔。

7.  根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述头部端壁(5)的轴向位置位于环形壁(2)的轴向范围内。

8.  根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述旋流装置(3) 包括沿中心体(1)周向设置的旋流叶片(4)，所述旋流叶片(4)内设有叶片内部通道(9)，所述叶片内部通道(9)上设置有叶片预混燃料喷射孔(10)，所述叶片内部通道(9)与预混燃料通道(8)连通。

9.  根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述旋流孔板(6)上开设多个切向孔(7)。

10.  一种燃气轮机，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的喷嘴。

说明书一种喷嘴及燃气轮机
技术领域
本发明涉及动力装备技术领域，尤其涉及一种喷嘴及燃气轮机，具体涉及一种具有中间夹层扩散火焰的喷嘴。
背景技术
随着能源紧缺及全世界对环境保护问题的重视，各国对燃气轮机燃烧室排放和燃烧效率的要求越来越严格，一般要求燃气轮机在50％及以上负荷区间，燃烧室排放能维持在较低水平，同时保持较高的燃烧效率。为了达到低排放的目的，预混燃烧技术被广泛采用。因此，喷嘴需要实现燃料与空气的预先混合，并在喷嘴出口处形成混合均匀及有一定速度型的燃料空气混合气，进而进入火焰筒内参与燃烧。
由于从喷嘴喷射出的燃料在燃烧室内以预混火焰的方式燃烧，为达到极低的污染排放，火焰工作在可燃边界附近，加上喷嘴喷射出的燃料空气混合气体射流速度较大，预混火焰的稳定是比较困难的，现有技术中解决方法通常是中心体轴向长度小于喷嘴外壁面的长度，使得燃料空气混合气从环形预混通道流出时先向中心体头部端壁下游的中心区域扩张，在中心体头部端壁下游的中心区域形成回流区，然后进入火焰筒内在火焰筒内进一步扩张，进而在火焰筒内形成较大的回流区域，用于预混火焰的稳定，但这两个回流区域易受火焰筒内其他气流的影响作用，这种方法是单纯的从形成稳定回流区的气动角度来改善预混火焰的稳定性，在较大负荷的工况参数下，由于进口压力、进口温度以及燃料空气混合气当量比较高，喷嘴尚可容易的实现可靠的火焰稳定和较高的燃烧效率，而在较低负荷的工况参数下，由于进口压力、进口温度以及燃料空气混合气当量比较低，不利于预混火焰的稳定、高效燃烧，使得预混火焰存在不能稳定或稳定性差以及燃烧 效率低的风险。
为了提高火焰的稳定性，现有专利文献(CN1704574)中，采用了在喷嘴出口中心体附近制造与主流流动方向相反的撞击空气流动，形成再循环涡流，减少了喷射到回流区中的空气量，从而降低喷嘴出口附近射流速度，提高了火焰稳定性。这种方法只是从气动的角度提高了局部回流区的稳定性，只会对预混火焰的稳定有一定作用，且由于预混燃烧的本质，这种方法并不能可靠地改善喷嘴的稳火性能，更不能保证预混火焰在较低负荷下具有较高的燃烧效率；此外，从加工工艺角度来看，这种预混喷嘴内层挡板等结构加工连接等较为复杂，且不易于维修更换。
因此，针对以上不足，需要一种具有中间夹层扩散火焰，可提高稳火性能和燃烧效率的喷嘴及燃气轮机。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供了一种喷嘴及燃气轮机，该喷嘴具有中间夹层扩散火焰，可有效提高稳火性能和燃烧效率。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供的喷嘴包括中心体、环形壁及旋流装置，所述中心体内设有中心体混合通道；所述中心体混合通道的进口端设有旋流孔板，出口端设有头部端壁；所述环形壁同轴设置在中心体的外围，在所述环形壁与环形壁之间形成外围混合通道；所述旋流装置位于外围混合通道上靠近中心体进口的一端；所述中心体上设有预混燃料通道和扩散燃料通道；所述预混燃料通道通过中心体预混燃料喷射孔与中心体混合通道连通；所述头部端壁上设有朝向火焰筒点火区域的环形燃料出口，所述环形燃料出口与扩散燃料通道连通。
其中，所述扩散燃料通道通过集油腔与环形燃料出口连通。
其中，所述集油腔与环形燃料出口之间设有节流孔。
其中，所述的中心体混合通道上设有中心体内收缩段和中心体内扩张段，且中心体内扩张段位于中心体内收缩段的下游。
其中，所述中心体上靠近头部端壁的一端设有中心体外扩张段；所述头部端壁上设有端壁喷射孔，所述端壁喷射孔穿过所述中心体外扩张段与外围混合通道连通。
其中，所述中心体预混燃料喷射孔和端壁喷射孔为直孔或斜孔。
其中，所述头部端壁的轴向位置位于环形壁的轴向范围内。
其中，所述旋流装置包括沿中心体周向设置的旋流叶片，所述旋流叶片内设有叶片内部通道，所述叶片内部通道上设置有叶片预混燃料喷射孔，所述叶片内部通道与预混燃料通道连通。
其中，所述旋流孔板上开设多个切向孔。
本发明还提供一种燃气轮机，其包括所述的喷嘴。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明提供了一种喷嘴，通过在喷嘴头部端壁上设置独立的燃料出口，使部分燃料直接喷射进入火焰筒进行扩散燃烧，最终形成中间夹层为扩散燃烧火焰、内外层为预混燃烧火焰的形式，处在喷嘴出口中间夹层的扩散燃烧火焰能够极大地提高喷嘴的稳火性能及保证较高的燃烧效率。该喷嘴结构简单，容易实现，并且不受燃烧室其他部件的限制，没有匹配等问题。
附图说明
图1为本发明实施例喷嘴的结构示意图；
图2为本发明实施例喷嘴出口的局部放大示意图；
图3为本发明实施例喷嘴出口的正面示意图；
图4为本发明实施例喷嘴的立体图；
图5为本发明实施例喷嘴的使用状态示意图。
其中，1：中心体；2：环形壁；3：旋流装置；4：旋流叶片；5： 头部端壁；6：旋流孔板；7：切向孔；8：预混燃料通道；9：叶片内部通道；10：叶片预混燃料喷射孔；11：预混燃料通道内壁面；12：中心体预混燃料喷射孔；13：扩散燃料通道；14：集油腔；15：节流孔；16：环形燃料出口；17：端壁喷射孔；18：中心体外扩张段；19：中心体内收缩段；20：中心体内扩张段；21：中心体混合通道喉道；22：中心体混合通道；23：外围混合通道；24：中心预混火焰；25：中间夹层扩散火焰；26：外围预混火焰。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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。
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“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。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。
如图1-5所示，本实施例的喷嘴包括中心体1、环形壁2及旋流装置3，中心体1内设有中心体混合通道22；中心体混合通道22的进口端设有旋流孔板6，中心体混合通道22出口端设有头部端壁5；环形壁2同轴设置在中心体1的外围，且在环形壁2与环形壁2之间形成外围混合通道23；旋流装置3位于外围混合通道23上靠近中心体1 进口的一端，用于产生旋流空气；而且，中心体1上设有独立的预混燃料通道8和扩散燃料通道13；预混燃料通道8通过中心体预混燃料喷射孔12与中心体混合通道22连通；在头部端壁5上设有朝向火焰筒点火区域的环形燃料出口16，环形燃料出口16与扩散燃料通道13连通，使部分燃料直接喷射进入火焰筒进行扩散燃烧，且扩散燃烧的燃料出口的内外径向空间均为燃料空气混合气的出口，最终形成中间夹层为扩散燃烧火焰、内外层为预混燃烧火焰的形式。处在喷嘴出口中间夹层的扩散燃烧火焰能够极大地提高喷嘴的稳火性能及保证较高的燃烧效率。
如图2所示，扩散燃料通道13通过集油腔14与环形燃料出口16连通。其中，环形燃料出口16的朝向为喷嘴的轴向，即，朝向火焰筒点火区域。而且，在集油腔14与环形燃料出口16之间设有可控制燃料流量的节流孔15，起到降低燃料的喷射速度，使中间夹层扩散火焰25更加稳定的作用。
而且，在中心体混合通道22上设有中心体内收缩段19和中心体内扩张段20，且中心体内扩张段20位于中心体内收缩段19的下游。中心体内收缩段19会提高燃料空气混合气的喷射速度，在中心体混合通道喉道21处达到最大，中心体混合通道喉道21可以防止中心预混火焰24向中心体混合通道22内回火；中心体内扩张段20会对燃料空气混合气进行导流，使得燃料空气混合气不易发生分离且容易被中间夹层扩散火焰25引燃。
同时，中心体1上靠近头部端壁5的一端设有中心体外扩张段18；在头部端壁5上设有端壁喷射孔17，该端壁喷射孔17穿过中心体外扩张段18与外围混合通道23连通，使部分燃料空气混合气可从端壁喷射孔17喷射，将对头部端壁6有一定的冷却作用。
结合图3、图4所示，中心体预混燃料喷射孔12和端壁喷射孔17为直孔或斜孔。其中，直孔为沿轴向开设的通孔，斜孔为沿轴向与径向的矢量方向开设的通孔，同时，中心体预混燃料喷射孔12和端壁喷 射孔17也可以为用于使燃料旋转通过的切向孔，当然，还可为其他类型的孔，例如，锥形孔等等。
本实施例中头部端壁5的轴向位置在环形壁2的轴向范围内，即头部端壁5处于环形壁2的包覆范围之内。
其中，旋流装置3包括沿中心体1周向设置的旋流叶片4，旋流叶片4内设有叶片内部通道9，叶片内部通道9上设置有叶片预混燃料喷射孔10，叶片内部通道9与预混燃料通道8连通。
而且，旋流孔板6上开设多个切向孔7，用于产生旋流。
此外，本发明提供一种燃气轮机，其包括所述的喷嘴。
本发明的工作原理如下：首先，外部空气分别通过旋流装置3和旋流孔板6形成旋流进入外围混合通道23和中心体混合通道22，燃料通过预混燃料通道8分别进入叶片内部通道9和中心体预混燃料喷射孔12，一部分燃料通过叶片内部通道9上的叶片预混燃料喷射孔10向外围混合通道23中喷射并与空气进行混合，另一部分燃料通过中心体预混燃料喷射孔12向中心体混合通道22中喷射并与空气进行混合。
中心体1中开有独立的扩散燃料通道13，扩散燃料通道13下游开有集油腔14，集油腔14下游开有节流孔15，中心体1的头部端壁6上开有环形燃料出口16，且通过节流孔15与扩散燃料通道13连通，使得燃料可以直接喷射进入火焰筒内发生扩散燃烧，形成中间夹层扩散火焰25；节流孔15的下游设有环形燃料出口16的目的是为了降低燃料的喷射速度，使中间夹层扩散火焰25更加稳定。
中心体混合通道22内部设有中心体内收缩段19、中心体内扩张段20，且中心体内扩张段20在中心体内收缩段19下游，即中心体混合通道22为收缩—扩张通道；中心体内收缩段19、中心体内扩张段20之间形成中心体混合通道喉道21，从中心体混合通道22喷射出的燃料空气混合气被中间夹层扩散火焰25引燃，形成中心预混火焰24；中心体混合通道22内的中心体内收缩段19会提高燃料空气混合气的喷射速度，在中心体混合通道喉道21处达到最大，中心体混合通道喉道21 可以防止中心预混火焰24向中心体混合通道22内回火；中心体内扩张段20会对燃料空气混合气进行导流，使得燃料空气混合气不易发生分离且容易被中间夹层扩散火焰25引燃。外围混合通道23喷射的燃料空气混合气被间夹层扩散火焰25引燃，形成外围预混火焰26；中心体1在头部端壁6上游设有中心体外扩张段18，会提高燃料空气混合气的喷射速度，可以防止外围预混火焰26向外围混合通道23内回火。
头部端壁6上开有端壁喷射孔17，端壁喷射孔17通过中心体外扩张段18与外围混合通道23连通，部分燃料空气混合气从端壁喷射孔17喷射，将对头部端壁6有一定的冷却作用。
如图5所示，最终形成的效果为喷嘴出口的中间为扩散燃烧火焰，内外层均为预混燃烧火焰，在扩散燃烧的作用下，在较低负荷下，喷嘴的火焰稳定性以及燃烧效率得到极大地改善；随着负荷的升高，由于进口温度、进口温度以及燃料空气混合气当量比的增大，预混火焰的稳定性及燃烧效率达到较高水平，且为了达到较低的排放，此时可关闭扩散燃料通道13，只有预混燃料通道8供应燃料，喷嘴采用全预混燃烧的模式。
综上所述，本发明提供了一种喷嘴，通过在喷嘴头部端壁上设置独立的燃料出口，使部分燃料直接喷射进入火焰筒进行扩散燃烧，最终形成中间夹层为扩散燃烧火焰、内外层为预混燃烧火焰的形式，处在喷嘴出口中间夹层的扩散燃烧火焰能够极大地提高喷嘴的稳火性能及保证较高的燃烧效率。该喷嘴结构简单，容易实现，并且不受燃烧室其他部件的限制，没有匹配等问题。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。