CN106996579B - 一种燃气轮机低污染燃烧室的贫油直接喷射旋流喷嘴模 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃气轮机低污染燃烧室的贫油直接喷射旋流喷嘴模，由轴流式旋流器、环形旋流空气平直流道、环形旋流空气收敛流道和喷嘴组成。采用贫油直接喷射燃烧技术，喷嘴出口和旋流空气出口位于同一平面，喷嘴形成的锥形油雾在旋流空气作用下快速破碎并与空气充分混合。喷嘴模以非预混燃烧方式工作，有效地避免自燃和回火现象的发生，并且降低振荡燃烧出现的风险；喷嘴模燃烧当量比在0.6～0.8之间，保证燃烧区温度较低，从而有效降低热力型氮氧化物的生成。在实际燃气轮机燃烧室中，通过合理布置多个旋流喷嘴模形成多点直接喷射结构，实现分区燃烧功能，既保证宽工作状态下稳定工作，又能有效地降低污染物生成。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机燃烧室技术领域，具体地说，涉及一种燃气轮机低污染燃烧室的贫油直接喷射旋流喷嘴模。
背景技术
近年来，随着人们环保意识越来越强，无论对于航空发动机或是地面燃气轮机，其污染物排放要求日益严格。例如国际民航组织(ICAO)下属环境保护委员会(CAEP)制定的一系列标准对一氧化碳、未燃碳氢和氮氧化物的排放做出了严格规定，只有符合排放要求的发动机才能取得适航认证。因此必须大力发展低污染燃烧技术以降低燃气轮机污染物排放水平，从而满足现在和未来更高的排放要求。
目前，燃气轮机低污染燃烧技术主要包括:富油燃烧-快速淬熄-贫油燃烧技术(Rich burn-Quick quench-Lean burn，RQL)、贫油预混预蒸发燃烧技术(Lean PremixedPrevaporised，LPP)、贫油直接喷射燃烧技术(Lean Direct Injection，LDI)。PW公司低污染燃烧室TALONⅡ采用RQL技术，其NOx排放水平刚能满足CAEP6的要求，但由于RQL技术中，淬熄过程有可能产生接近化学恰当比的反应条件，从而生成大量NOx，因此RQL技术降低污染排放的潜力有限，很难满足未来ICAO更为严格的排放标准。GE公司将LPP技术应用到TAPS系列低污染燃烧室中，TAPSⅠ和TAPSⅡ的NOx排放比CAEP6的规定再降低50％和60％，而用于GE9X的TAPSⅢ的NOx排放比CAEP8的规定还低30％。LDI技术是将燃油直接喷射到燃烧室中与空气混合发生扩散燃烧，由于没有燃油和空气预混，因此不存在自燃和回火的问题，且其燃烧不稳定性问题也没有LPP那样严重。因而近年来许多研究机构开展了关于LDI技术的研究，在NASA ERA项目支持下，Goodrich公司设计了阵列式LDI燃烧室，该方案的NOx排放比CAEP6的规定低75％。Parker公司在NASA UEET项目支持下，提出了多级分区LDI燃烧方案，其污染物排放水平可以满足降低CAEP6规定NOx排放70％的要求。国内也有许多关于低污染燃烧室的研发。
发明专利201510673156.0、201510674145.4公开了两种低污染燃烧室，其中预燃级采用旋流稳定的扩散燃烧与旋流预混燃烧相结合的方式，可在小状态下稳定燃烧的同时降低污染物；主燃级采用预混预蒸发的燃烧方式，可在大状态下实现均匀燃烧以降低NOx排放。发明专利201410643105.9公开了一种主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室，值班级采用扩散燃烧，主燃级采用贫油预混燃烧；在大工况时，值班级和主燃级同时工作，主燃区处于贫油状态，能够显著降低NOx的排放。但是主燃级采用预混预蒸发的方式有可能产生燃烧不稳定现象，严重影响燃烧性能，甚至导致结构性的破坏。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种燃气轮机低污染燃烧室的贫油直接喷射旋流喷嘴模，采用贫油非预混燃烧方式，避免自燃和回火的发生，降低燃烧不稳定性出现的风险，在保证燃烧稳定的同时降低污染物排放。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括旋流器叶片、旋流器内壁、旋流器外壁、旋流器出口平直段、环形旋流空气平直流道、旋流器出口挡板、旋流器出口收敛段、冷却孔、环形旋流空气收敛通道、旋流空气出口、喷嘴、喷嘴出口、喷嘴安装座、燃油入口管、旋流流道，所述旋流器叶片为直叶片，叶片安装角度为35～40°,旋流器叶片数量为8～16片，旋流器叶片沿周向固定在旋流器内壁上，所述旋流器叶片与旋流器内壁和旋流器外壁形成旋流流道；
所述喷嘴安装座为中空圆柱结构，端部凸台段有内螺纹，喷嘴安装座与旋流器内壁固连，燃油进口位于喷嘴安装座前端，所述喷嘴安装座与旋流器出口平直段形成环形旋流空气平直流道；
所述喷嘴与喷嘴安装座螺纹连接，所述喷嘴与旋流器出口收敛段形成环形旋流空气收敛流道，旋流空气出口处为空气流道上最小流通面积，通过改变旋流空气出口来调节空气量，旋流器出口收敛段壁面上周向均布若干冷却孔，所述旋流器出口收敛段与旋流器出口挡板水平方向夹角α为40～50°；喷嘴出口与旋流器收敛出口平齐，从喷嘴出口喷出的锥形油雾在旋流空气剪切作用下破碎形成均匀分布的小液滴，且与空气混合形成均匀的油气分布。
所述旋流喷嘴模燃烧当量比为0.6～0.8。
所述环形旋流空气平直流道长度h1与内径d1比值为0.15～0.20。
有益效果
本发明提出的一种燃气轮机低污染燃烧室的贫油直接喷射旋流喷嘴模，采用贫油非预混燃烧方式，避免自燃和回火的发生，降低燃烧不稳定性出现的风险，在保证燃烧稳定的同时降低污染物排放。
本发明与现有技术相比，具有以下特点:旋流喷嘴模为贫油燃烧方式，工作当量比在0.6～0.8之间，此时火焰温度较低，有效降低氮氧化物的生成；采用非预混燃烧方式，有效地避免自燃和回火的发生，降低振荡燃烧出现的风险；采用旋流空气平直流道来消除旋流叶片尾迹的影响，使得旋流器出口的气流分布更加均匀；由于旋流器出口是空气流路最小截面积位置，因此可通过改变出口面积调节旋流器空气流量；旋流喷嘴模结构简单紧凑，易于加工和装配，通过合理设计旋流喷嘴模排布方式可形成多点直接喷射燃烧室头部。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种燃气轮机低污染燃烧室的贫油直接喷射旋流喷嘴模作进一步详细说明。
图1为本发明旋流喷嘴模轴测图。
图2为本发明旋流喷嘴模剖视图。
图3a、图3b为本发明实施例旋流喷嘴模布置示意图。
图中:
1.燃油进口 2.旋流器内壁 3.空气进口 4.旋流器叶片 5.旋流器外壁 6.旋流器出口平直段 7.环形旋流空气平直流道 8.旋流器出口挡板 9.旋流器出口收敛段 10.冷却孔 11.环形旋流空气收敛通道 12.旋流空气出口 13.喷嘴 14.喷嘴出口 15.喷嘴安装座16.燃油入口管 17.旋流流道 18.锥形油雾 19.流线 20.旋流喷嘴模
具体实施方式
本实施例是一种燃气轮机低污染燃烧室的贫油直接喷射旋流喷嘴模。
参阅图1、图2、图3a、图3b，本实施例燃气轮机低污染燃烧室的贫油直接喷射旋流喷嘴模，由燃油进口1、旋流器内壁2、空气进口3、旋流器叶片4、旋流器外壁5、旋流器出口平直段6、环形旋流空气平直流道7、旋流器出口挡板8、旋流器出口收敛段9、冷却孔10、环形旋流空气收敛通道11、旋流空气出口12、喷嘴13、喷嘴出口14、喷嘴安装座15、燃油入口管16、旋流流道17组成；其中,旋流器叶片为直叶片，叶片安装角度为35～40°,旋流器叶片数量为8～16片，旋流器叶片沿周向固定在旋流器内壁2上，所述旋流器叶片4与旋流器内壁2和旋流器外壁5形成旋流流道17。喷嘴安装座15为中空圆柱结构，端部凸台段有内螺纹，喷嘴安装座15与旋流器内壁2固连，燃油进口位于喷嘴安装座前端，所述喷嘴安装座15与旋流器出口平直段6形成环形旋流空气平直流道7。喷嘴13与喷嘴安装座15螺纹连接，所述喷嘴13与旋流器出口收敛段9形成环形旋流空气收敛流道11，旋流空气出口12处为空气流道上最小流通面积，通过改变旋流空气出口来调节空气量，旋流器出口收敛段9壁面上周向均布若干冷却孔10，所述旋流器出口收敛段与旋流器出口挡板8水平方向夹角α为40～50°；喷嘴出口14与旋流器收敛出口12平齐，从喷嘴出口14喷出的锥形油雾18在旋流空气剪切作用下破碎形成均匀分布的小液滴，且与空气混合形成均匀的油气分布。旋流喷嘴模20燃烧当量比为0.6～0.8。环形旋流空气平直流道长度h1与内径d1比值为0.15～0.20。
本实施例中，空气经过空气进口3进入旋流流道17形成旋流运动，在环形旋流空气平直流道7中消除旋流叶片尾迹的影响，随后经过环形旋流空气收敛通道11加速流动，在旋流器出口12形成沿径向内侧低外侧高的速度分布，随后在下游流线19扩张形成回流区。旋流空气出口12是空气流路上最小流通面积位置，在实际燃烧室中，可通过改变旋流空气出口12面积来调节空气量。冷却孔10均匀布置在旋流器出口收敛段9上面，小部分旋流空气流经冷却孔10来冷却出口收敛段9。喷嘴出口14与旋流器收敛出口12平齐，从喷嘴出口14喷出的锥形油雾18在旋流空气剪切作用下快速破碎形成均匀分布的小液滴，随后与空气混合形成均匀的油气分布，保证燃烧以贫油非预混方式快速进行，燃烧区当量比为0.6～0.8。
在实际燃气轮机燃烧室中，通过合理布置多个旋流喷嘴模形成多点直接喷射结构，实现分区燃烧功能，既能保证宽工作状态下稳定工作，又能有效降低污染物生成。具体的喷嘴模数目和布置方式可根据实际工况需求和燃烧室限制尺寸来确定，本实施例中的旋流喷嘴模可组成中心一点、周围六点的七点喷射头部结构；也可组成中心四点、周围八点的十二点喷射头部结构。
工作过程:
本实施例中,燃油从燃油进口进入喷嘴安装座，然后流入喷嘴，从喷嘴出口喷出形成锥形喷雾。燃油锥形喷雾和旋流空气混合后在下游以贫油状态稳定燃烧。环形旋流空气收敛流道是由喷嘴外壁和旋流器出口收敛段围成的，空气经过轴流式旋流器产生旋流运动，在平直流道中消除旋流叶片尾迹的影响，随后经过收敛通道加速流动，在旋流器出口形成沿径向内侧低外侧高的速度分布；旋流空气出口是空气流路上最小流通面积位置，在实际燃烧室中可通过改变旋流空气出口来调节空气量。旋流器挡板通过焊接与旋流器外壁连接在一起，起到装配定位作用。喷嘴安装座通过焊接固定在旋流器轮毂上，燃油进口位于喷嘴安装座上游，喷嘴通过螺纹连接固定在喷嘴安装座上，喷嘴出口与旋流器收敛出口平齐，从喷嘴喷出的锥形油雾在旋流空气剪切作用下快速破碎形成均匀分布的小液滴，随后与空气混合形成均匀的油气分布，保证燃烧以贫油非预混方式快速进行。
Claims (3)
1.一种燃气轮机低污染燃烧室的贫油直接喷射旋流喷嘴模，其特征在于:包括旋流器叶片、旋流器内壁、旋流器外壁、旋流器出口平直段、环形旋流空气平直流道、旋流器出口挡板、旋流器出口收敛段、冷却孔、环形旋流空气收敛通道、旋流空气出口、喷嘴、喷嘴出口、喷嘴安装座、燃油入口管、旋流流道，所述旋流器叶片为直叶片，叶片安装角度为35～40°,旋流器叶片数量为8～16片，旋流器叶片沿周向固定在旋流器内壁上，所述旋流器叶片与旋流器内壁和旋流器外壁形成旋流流道；
所述喷嘴安装座为中空圆柱结构，端部凸台段有内螺纹，喷嘴安装座与旋流器内壁固连，燃油进口位于喷嘴安装座前端，所述喷嘴安装座与旋流器出口平直段形成环形旋流空气平直流道；
所述喷嘴与喷嘴安装座螺纹连接，所述喷嘴与旋流器出口收敛段形成环形旋流空气收敛流道，旋流空气出口处为空气流道上最小流通面积，通过改变旋流空气出口来调节空气量，旋流器出口收敛段壁面上周向均布若干冷却孔，所述旋流器出口收敛段与旋流器出口挡板水平方向夹角α为40～50°；喷嘴出口与旋流器收敛出口平齐，从喷嘴出口喷出的锥形油雾在旋流空气剪切作用下破碎形成均匀分布的小液滴，且与空气混合形成均匀的油气分布。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机低污染燃烧室的贫油直接喷射旋流喷嘴模，其特征在于:所述旋流喷嘴模燃烧当量比为0.6～0.8。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机低污染燃烧室的贫油直接喷射旋流喷嘴模，其特征在于:所述环形旋流空气平直流道长度h1与内径d1比值为0.15～0.20。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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