CN107631323B - 燃气轮机的喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气轮机的喷嘴，所述喷嘴包括燃料空气混合器，所述燃料空气混合器包括空气分配体和燃料分配体，所述空气分配体的外周面上设有多个沿所述空气分配体的轴向延伸贯通所述空气分配体的空气槽；所述燃料分配体内具有燃料通道、与所述燃料通道连通的预混分配通道以及与所述预混分配通道连通的射流孔，所述燃料分配体与所述空气分配体相连以便所述预混分配通道与所述空气槽连通。本发明燃气轮机的喷嘴的燃料空气混合器结构简单，可以在小尺度空间内部完成燃料与空气的微混合，提高了燃料和空气的掺混效果，有效地降低污染物的排放。

Description

燃气轮机的喷嘴

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，具体地涉及一种喷嘴，更具体地涉及一种用于燃气轮机的喷嘴。

背景技术

压缩空气和燃料的混合物在燃气轮机的燃烧器内燃烧，产生高温烟气推动透平做功，其中燃烧器通过其喷嘴(通常也称为燃料喷嘴)将燃料和空气混合并喷射至燃烧区域。相关技术中，燃料喷嘴内设有混合管、空气分配歧管或燃料分配歧管，燃料和空气通过混合管、空气分配歧管或燃料分配歧管进行预混合再喷射入燃烧区域，从而降低污染物排放。然而，上述燃料喷嘴在燃烧温度进一步升高后，无法达到更低的污染物排放水平以满足环保指标。由此，需要在燃料和空气的混合过程中控制污染物排放。

发明内容

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。

为此，本发明提出一种燃气轮机的喷嘴，该喷嘴结构简单，可以在小尺度空间内部完成燃料与空气的微混合，提高了燃料和空气的掺混效果，有效地降低污染物的排放。

根据本发明实施例的燃气轮机的喷嘴包括燃料空气混合器，所述燃料空气混合器包括：空气分配体，所述空气分配体的外周面上设有多个空气槽，多个所述空气槽沿所述空气分配体的周向间隔分布，所述空气槽沿所述空气分配体的轴向延伸贯通所述空气分配体；燃料分配体，所述燃料分配体内具有燃料通道、预混分配通道和用于将燃料和空气的混合物从所述预混分配通道喷出的射流孔，所述预混分配通道与所述燃料通道连通，所述射流孔与所述预混分配通道连通，所述燃料通道和所述预混分配通道分别从所述燃料分配体的后端面朝向所述燃料分配体的前端面延伸，所述射流孔从所述燃料分配体的前端面朝向所述燃料分配体的后端面延伸，所述燃料分配体与所述空气分配体相连以便所述预混分配通道与所述空气槽连通。

根据本发明的燃气轮机的喷嘴，其燃料空气混合器结构简单，通过空气分配体和燃料分配体的设置，可以在小尺度空间内部完成燃料与空气的微混合，提高了燃料和空气的掺混效果，有效地降低污染物的排放。

在一些实施例中，在所述空气分配体的横截面上，所述空气槽的延伸方向偏离所述空气分配体的中心。

在一些实施例中，多个所述空气槽绕所述空气分配体的中心均匀间隔布置。

在一些实施例中，所述空气槽为四个，在所述空气分配体的横截面上，相邻两个空气槽的延伸方向彼此正交。

在一些实施例中，所述空气分配体内具有沿所述空气分配体的轴向方向延伸且贯通所述空气分配体的中心通道，所述中心通道与所述燃料通道连通。

在一些实施例中，所述燃料通道与所述中心通道同轴。

在一些实施例中，所述燃料通道位于所述燃料分配体的中心，所述预混分配通道围绕所述燃料通道间隔布置。

在一些实施例中，在所述燃料分配体的横截面上，所述预混分配通道沿所述燃料分配体的径向延伸。

在一些实施例中，相邻两个预混分配通道沿所述燃料分配体的径向延伸的长度不同。

在一些实施例中，所述射流孔包括内圈射流孔和外圈射流孔，在所述燃料分配体的前端面上，所述内圈射流孔分成绕所述燃料通道周向间隔分布的多排，所述外圈射流孔分成围绕所述内圈射流孔间隔分布的多排，所述内圈射流孔的每一排沿所述燃料分配体的径向间隔布置，所述外圈射流孔的两排与所述内圈射流孔的相邻两排之间的区域对应。

在一些实施例中，所述空气分配体和所述燃料分配体均为圆柱体。

在一些实施例中，所述空气分配体的直径小于或等于所述燃料分配体的直径。

在一些实施例中，所述空气分配体和所述燃料分配体紧密贴合设置。

在一些实施例中，所述空气分配体和所述燃料分配体通过钎焊焊接。

在一些实施例中，所述空气分配体和所述燃料分配体一体成型。

在一些实施例中，所述燃气轮机的喷嘴还包括燃料管，所述燃料管与所述燃料通道相连通，用以向所述燃料通道供应燃料。

附图说明

图1是本发明实施例的燃气轮机的燃烧器的示意图；

图2是根据本发明的实施例的燃料空气混合器的整体示意图；

图3是根据本发明的实施例的燃料空气混合器的空气分配体的截面图；

图4是根据本发明的实施例的燃料空气混合器的燃料分配体的后端面的示意图；

图5是根据本发明的实施例的燃料空气混合器的燃料分配体的前端面的示意图；

图6是根据本发明的实施例的燃气轮机的组成示意图。

附图标记：

燃料空气混合器100，空气分配体1，燃料分配体2，燃料分配体的后端面21，燃料分配体的前端面22，空气槽3，燃料通道4，预混分配通道5，第一组预混分配通道51，第二组预混通道52，射流孔6，内圈射流孔61，外圈射流孔62，中心通道7，燃料管8，安装法兰9，空气10，燃料11，外部空气12，高压燃气13，压气机14，透平15，发电机16，燃气轮机的喷嘴200，燃烧器300，燃气轮机400。

具体实施方式

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。

如图1-5所示，根据本发明实施例的燃气轮机的喷嘴200包括燃料空气混合器100，该燃料空气混合器100包括空气分配体1和燃料分配体2。

空气分配体1的外周面上设有多个空气槽3，多个空气槽3沿空气分配体2的周向间隔分布，空气槽3沿空气分配体1的轴向(图2所示的左右方向)延伸贯通空气分配体1。换言之，每个空气槽3形成在空气分配体1的整个长度上，如图2所示，空气槽3由空气分配体1的左端面延伸至空气分配体1的右端面。

燃料分配体2内具有燃料通道4、预混分配通道5以及射流孔6，其中，燃料通道4和预混分配通道5分别从燃料分配体2的后端面21(图2中燃料分配体2的左端面)朝向燃料分配体2的前端面22(图2中燃料分配体2的右端面)延伸(这里，“前”是指燃料和空气的混合物的喷射方向，如图2所示的从左向右的方向，与喷射方向背离的方向为后)。射流孔6从燃料分配体2的前端面22朝向燃料分配体2的后端面21延伸，换言之，如图2所示，射流孔6从燃料分配体2的右端面向燃料分配体2的左端面延伸。

预混分配通道5与燃料通道4连通，射流孔6与预混分配通道5连通，燃料和空气的混合物从预混分配通道5通过射流孔6喷出，燃料分配体2与空气分配体1相连以便预混分配通道5与空气槽3连通，通过预混分配通道5与空气槽3和燃料通道4连通，空气槽3内的空气10和燃料通道4内的燃料11可以分别进入预混分配通道5内，在预混分配通道5内完成空气和燃料的混合。

换言之，如图2中所示，空气分配体1设于燃料分配体2左侧，为便于空气分配体1中的空气槽3与预混分配通道5相连通，预混分配通道5从燃料分配体2的左端面向右延伸；为便于将预混分配通道5中的燃料11和空气10的混合物喷射至右边的燃烧区域，射流孔6从燃料分配体2的右端面向左延伸，由此燃料11和空气10的混合物通过燃料分配体2的右端面上的射流孔6喷射至燃烧区域内。

可以理解的是，通过设有空气槽3的空气分配体1和设有预混分配通道5和燃料通道4的燃料分配体2，可以实现燃料11和空气10的混合，在预混分配通道5的径向尺寸较小或预混分配通道5的从左向右延伸距离较短的情况下，燃料和空气也可以充分混合，从而实现在小尺度空间内燃料11和空气10的微混合。这里，“微混合”中的“微”是指燃料和空气的混合空间小，可以实现燃料11和空气10的微混合，由此根据本发明实施例的燃气轮机的喷嘴的燃料空气混合器为微混合器。

根据本发明的燃气轮机的喷嘴，其燃料空气混合器结构简单，通过空气分配体和燃料分配体，可以实现在小尺度空间内部的燃料与空气的微混合，提高了燃料和空气的掺混效果，有效地降低污染物的排放。

在一些实施例中，在空气分配体1的横截面上，空气槽3的延伸方向偏离空气分配体1的中心，例如，在图3所示的横截面上，每个空气槽3从空气分配体1的外周面向空气分配体1内部延伸的方向均偏离空气分配体1的中心，从而使得空气进入空气分配体1上的空气槽3后形成旋流，进一步提高空气10与燃料11的混合均匀性。

在一些实施例中，多个空气槽3绕空气分配体1的中心均匀间隔布置。

在一些实施例中，如图3所示，空气槽3为四个，在空气分配体1的横截面上，相邻两个空气槽3的延伸方向彼此正交，使空气10分别进入四个空气槽3后形成旋流，可以理解的是，本发明并不限于此，例如空气槽3为六个，只要空气10进入空气槽3后形成旋流即可。

在一些实施例中，空气分配体1内具有与燃料通道4连通中心通道7，该中心通道7沿空气分配体1的轴向方向延伸且贯通空气分配体1，换言之，中心通道7位于空气分配体1的中心，且从空气分配体1的左端面延伸至空气分配体1的右端面以与空气分配体1右侧的燃料分配体2上的燃料通道4相连通，便于向燃料通道4中供应燃料。

在一些实施例中，燃料通道4位于燃料分配体2的中心，燃料通道4与中心通道7同轴，换言之，由于中心通道7和燃料通道4分别位于空气分配体1的中心和燃料分配体2的中心，空气分配体1和燃料分配体2同轴。

在一些实施例中，预混分配通道5设有多个，多个预混分配通道5围绕燃料通道4间隔布置。换言之，燃料分配体2内可以具有多个预混分配通道5(这里“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等)，与燃料通道4连通的多个预混分配通道5围绕燃料通道4的周向间隔布置，燃料和空气在燃料分配体2内的多位置实现混合，提高燃料11和空气10的掺混效果。

在一些实施例中，在燃料分配体2的横截面上，预混分配通道5沿燃料分配体2的径向延伸，如图4所示，预混分配通道5的一端与燃料通道4连通，预混分配通道5的另一端沿燃料分配体2的径向向外延伸。

在一些实施例中，相邻两个预混分配通道5沿燃料分配体2的径向延伸的长度不同，沿径向延伸长度不同的预混分配通道5可以分别应用于不同燃烧负荷。

更进一步地，如图4所示，预混分配通道5包括第一组预混分配通道51和第二组预混分配通道52，第二组预混分配通道52沿燃料分配体2的径向延伸的长度长于第一组预混分配通道51沿燃料分配体2的径向延伸的长度。第一组预混分配通道51和第二组预混分配通道52分别与燃料通道4相连通，燃料和空气可分别在第一组预混分配通道51和第二组预混分配通道52中进行预混合，从而适应不同的燃烧负荷。

进一步地，第一组预混分配通道51和第二组预混分配通道52分别具有多个，优选地，第一组预混分配通道51和第二组预混分配通道52分别具有四个，第一组预混分配通道51的一个设于第二组预混通道52的相邻两个之间。可以理解的是，本发明并不限于此，预混分配通道55的个数以及设置形式可以根据实际需要而选择。

在一些实施例中，射流孔6包括多组，多组射流孔6与多个预混分配通道5一一对应，以将不同预混分配通道5内的燃料11和空气10的混合物喷射到燃烧区域。更进一步地，如图5所示，射流孔6包括内圈射流孔61和外圈射流孔62，在燃料分配体2的前端面22上，内圈射流孔61分成绕燃料通道4周向间隔分布的多排，外圈射流孔62分成围绕内圈射流孔61间隔分布的多排，内圈射流孔61的每一排沿燃料分配体1的径向间隔布置，外圈射流孔62的两排与内圈射流孔61的相邻两排之间的区域对应。

换言之，射流孔6包括两组，一组射流孔沿燃料分配板2的径向位于另一组射流孔的外侧，则该一组射流孔即为外圈射流孔62，该另一组射流孔即为内圈射流孔61，内圈射流孔61和外圈射流孔62分别分成围绕燃料通道4的周向间隔分布的多排，且两排外圈射流孔62对应于相邻两排内圈射流孔61之间的区域，可以理解的是，两排外圈射流孔62在内圈射流孔61的相邻两排的向外延伸处之间的区域内。

此外，内圈射流孔61可以与第一组预混分配通道51相连通，外圈射流孔62可以与第二组预混分配通道52相连通，以将第一组预混分配通道51和第二组预混分配通道52中预混合的燃料11和空气10分别喷射到燃烧区域。可以理解的是，本发明并不限于此，射流孔6个设置形式可以根据实际需要具体选择，不同射流孔6与不同预混分配通道5的连通形式也可以根据实际需要具体选择。

在一些实施例中，如图3-5所示，空气分配体1和燃料分配体2均为圆柱体，更进一步地，空气分配体1的直径小于或等于燃料分配体2的直径。

在一些实施例中，空气分配体1和燃料分配体2紧密贴合设置，如图2所示，空气分配体1的右端面与燃料分配体2的左端面21紧密贴合，以便于中心通道7与燃料通道4的连通以及空气槽3与预混分配通道5的连通。可以理解的是，为了实现空气分配体1和燃料分配体2的紧密贴合，空气分配体1和燃料分配体2通过钎焊焊接，或者空气分配体1和燃料分配体2一体成型，例如通过3D打印技术实现空气分配体1和燃料分配体2的一体成型。

在一些实施例中，燃气轮机的喷嘴200还包括燃料管8，燃料管8与燃料通道4相连通，用以向燃料通道4中供应燃料11。可以理解的是，燃料管8穿过空气分配体1内的中心通道7伸入燃料分配体2内的燃料通道4内，用以连通燃料通道4。

在一些实施例中，燃料管8的后端设有安装法兰9，以便于将燃气轮机的喷嘴200安装于燃气轮机的燃烧器300内。

下面参考附图1-5描述根据本发明具体实施例的燃气轮机的喷嘴200。

如图1-5所示，根据本发明实施例的燃气轮机的喷嘴200包括燃料管8、安装法兰9和燃料空气混合器100，该燃料空气混合器100包括空气分配体1和燃料分配体2。空气分配体1的左侧连接且紧密贴合燃料分配体2，空气分配体1和燃料分配体2均为圆柱体，且空气分配体1的直径小于燃料分配体2的直径，优选地，二者同轴地彼此连接。

空气分配体1的外周面上设有四个空气槽3，四个空气槽3沿空气分配体2的周向且绕空气分配体1的中心均匀间隔布置，空气槽3沿空气分配体1的轴向延伸贯通空气分配体1，在空气分配体1的横截面上，空气槽3的延伸方向偏离空气分配体1的中心且相邻两个空气槽3的延伸方向彼此正交，使空气10分别进入四个空气槽3后形成旋流。空气分配体1内具有中心通道7，该中心通道7沿空气分配体1的轴向方向延伸且贯通空气分配体1。

燃料分配体2内具有与中心通道7相连通的燃料通道4、与空气槽3相连通的预混分配通道5以及与预混分配通道相连通的射流孔6，其中，燃料通道4和预混分配通道5分别从燃料分配体2的后端面(左端面)21朝向燃料分配体2的前端面22(右端面)延伸，射流孔6从燃料分配体2的前端面(右端面)22朝向燃料分配体2的后端面(左端面)21延伸。

燃料通道4位于燃料分配体2的中心，预混分配通道5包括第一组预混分配通道51和第二组预混分配通道52，第一组预混分配通道51和第二组预混分配通道52分别围绕燃料通道4的周向均匀间隔布置，且第二组预混分配通道52沿燃料分配体2的径向延伸的长度长于第一组预混分配通道51沿燃料分配体2的径向延伸的长度。第一组预混分配通道51和第二组预混分配通道52分别具有四个，第一组预混分配通道51的一个设于第二组预混通道52的相邻两个之间。

射流孔6包括与第一组预混分配通道51相连通的内圈射流孔61和与第二组预混分配通道52相连通的外圈射流孔62，在燃料分配体2的前端面22上，内圈射流孔61分成绕燃料通道4周向间隔分布的八排，外圈射流孔62分成围绕内圈射流孔61间隔分布的十六排，每一排的内圈射流孔61沿燃料分配体1的径向间隔布置，两排外圈射流孔62对应于相邻两排内圈射流孔61之间的区域。

燃料管8穿过空气分配体1内的中心通道7伸入燃料分配体2内的燃料通道4，用以向燃料分配体2中供应燃料11。

安装法兰9设于燃料管8的左端，以便于将喷嘴200安装于在燃气轮机的燃烧器300内。

下面描述根据本发明另一方面实施例的燃气轮机400。如图6所示，燃气轮机400包括参考上述实施例描述的喷嘴200。换言之，燃气轮机400包括燃烧器300，如图5所示，燃烧器300包括喷嘴200。可以理解的是，燃气轮机400还包括压气机14和透平15，外部空气12在压气机14内经近乎绝热过程被压缩成高压的空气10，高压的空气10进入燃烧器300的喷嘴200内与燃料11混合并燃烧，燃烧后产生的高温高压燃气13进入透平15做功，产生的功一部分带动压气机14，另一部分功对外输出，例如图6中所示的带动发电机16输出功率。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，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，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (16)

1.一种燃气轮机的喷嘴，其特征在于，包括燃料空气混合器，所述燃料空气混合器包括：

空气分配体，所述空气分配体的外周面上设有多个空气槽，多个所述空气槽沿所述空气分配体的周向间隔分布，所述空气槽沿所述空气分配体的轴向延伸贯通所述空气分配体；

燃料分配体，所述燃料分配体内具有燃料通道、预混分配通道和用于将燃料和空气的混合物从所述预混分配通道喷出的射流孔，所述预混分配通道与所述燃料通道连通，所述射流孔与所述预混分配通道连通，所述燃料通道和所述预混分配通道分别从所述燃料分配体的后端面朝向所述燃料分配体的前端面延伸，所述射流孔从所述燃料分配体的前端面朝向所述燃料分配体的后端面延伸，所述燃料分配体与所述空气分配体相连以便所述预混分配通道与所述空气槽连通。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机的喷嘴，其特征在于，在所述空气分配体的横截面上，所述空气槽的延伸方向偏离所述空气分配体的中心。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机的喷嘴，其特征在于，多个所述空气槽绕所述空气分配体的中心均匀间隔布置。

4.根据权利要求3所述的燃气轮机的喷嘴，其特征在于，所述空气槽为四个，在所述空气分配体的横截面上，相邻两个空气槽的延伸方向彼此正交。

5.根据权利要求1所述的燃气轮机的喷嘴，其特征在于，所述空气分配体内具有沿所述空气分配体的轴向方向延伸且贯通所述空气分配体的中心通道，所述中心通道与所述燃料通道连通。

6.根据权利要求5所述的燃气轮机的喷嘴，其特征在于，所述燃料通道与所述中心通道同轴。

7.根据权利要求1所述的燃气轮机的喷嘴，其特征在于，所述燃料通道位于所述燃料分配体的中心，所述预混分配通道为多个，多个所述预混分配通道围绕所述燃料通道间隔布置。

8.根据权利要求7所述的燃气轮机的喷嘴，其特征在于，在所述燃料分配体的横截面上，所述预混分配通道沿所述燃料分配体的径向延伸。

9.根据权利要求8所述的燃气轮机的喷嘴，其特征在于，相邻两个预混分配通道沿所述燃料分配体的径向延伸的长度不同。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的燃气轮机的喷嘴，其特征在于，所述射流孔包括内圈射流孔和外圈射流孔，在所述燃料分配体的前端面上，所述内圈射流孔分成绕所述燃料通道周向间隔分布的多排，所述外圈射流孔分成围绕所述内圈射流孔间隔分布的多排，所述内圈射流孔的每一排沿所述燃料分配体的径向间隔布置，所述外圈射流孔的两排与所述内圈射流孔的相邻两排之间的区域对应。

11.根据权利要求1-9中任一项所述的燃气轮机的喷嘴，其特征在于，所述空气分配体和所述燃料分配体均为圆柱体。

12.根据权利要求11所述的燃气轮机的喷嘴，其特征在于，所述空气分配体的直径小于或等于所述燃料分配体的直径。

13.根据权利要求1-9中任一项所述的燃气轮机的喷嘴，其特征在于，所述空气分配体和所述燃料分配体紧密贴合设置。

14.根据权利要求13所述的燃气轮机的喷嘴，其特征在于，所述空气分配体和所述燃料分配体通过钎焊焊接。

15.根据权利要求13所述的燃气轮机的喷嘴，其特征在于，所述空气分配体和所述燃料分配体一体成型。

16.根据权利要求1-9中任一项所述的燃气轮机的喷嘴，其特征在于，还包括燃料管，所述燃料管与所述燃料通道相连通，用以向所述燃料通道供应燃料。