CN116066857A - 一种燃气轮机燃烧喷嘴结构及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气轮机燃烧喷嘴结构及工作方法，通过设置依次连通的燃料杆、燃料腔和喷嘴端盖，在喷嘴端盖上设置若干保护凹槽，保护凹槽内设有连通燃料腔的燃料喷孔，燃料依次经过燃料杆、燃料腔，并经由燃料喷孔进入保护凹槽，降低流速，燃料在保护凹槽内形成涡旋，并朝向端盖侧开口前进；燃料腔外侧设置喷嘴罩帽和空气导流板，空气经由空气导流板以及喷嘴罩帽上的空气门洞朝向保护凹槽流动；保护凹槽在低动量通量比运行期间保护燃料射流免受横向流动空气的直接冲击，保护凹槽通过充当障碍物来保护射流交叉点附近的燃料射流免受从空气横流的影响，在动量通量比J较低的运行状态下，保证了燃料射流的穿透深度，从而实现火焰锚定和稳定燃烧。

Description

一种燃气轮机燃烧喷嘴结构及工作方法

技术领域

本发明属于燃气轮机燃烧喷嘴技术领域，尤其涉及一种燃气轮机燃烧喷嘴结构及工作方法。

背景技术

在碳中和的背景下，为了应对能源结构体系的变化以及未来能源的布局，需要逐步提高燃气轮机燃料中的含氢比例，直到完成纯氢燃烧，即燃料的灵活性将是未来燃气轮机组的一项重要的性能体现。各燃机制造商的设计经验和实践与已有的研究结果表明，通过天然气加氢，可以提高天然气的燃烧速率，扩展燃料的贫燃稳定极限。与此同时，燃料成分变化也带来了一系列不利影响，首当其冲便是燃烧器，燃用高混合比例的氢混燃料及纯氢燃料，需要面对回火、燃烧不稳定和氮氧化物排放等几大技术挑战。为解决这些难题，在燃烧组织方式上，大多采用微混燃烧、阵列驻涡、低旋流燃烧器等新型燃烧方式或扩散稀释燃烧。

专利CN106461211A公开了一种燃气涡轮发动机的燃烧装置，包括基于MMX(Micro-Mix)微混合燃烧原理的喷嘴和燃烧器，见图7。其依靠(Jet-In-Crossflow，JICF)非预混合型交叉射流来实现混合，具有防止回火的固有安全性。在下游形成多个独立的小火焰结构，能够减小火焰的停留时间，理论上能极大降低NOx排放。具体地，JICF中燃料流垂直于空气流喷射，形成一个反向旋转涡流对(Counter-Rotating Vortex Pair，CRVP)，这对于燃料和氧化剂的混合至关重要，并且由于没有额外的屏障，可以减少空气动力损失。空气导流板(Air Guiding Panels，AGP)和燃料段的几何形状，作为钝体，导致涡流对的形成。较大的扇形涡流将热燃烧气体输送到反应区的起始点，火焰在这两个漩涡之间稳定。

为衡量微混合燃烧时射流进入横流中的射流深度，定义动量通量比J＝(ρv²)_jet/(ρv²)_air；其中ρ是密度，v分别是燃料射流和空气横流的速度。适当的动量通量比J可防止燃料渗透到APG涡流中，形成稀薄火焰燃烧，有利于控制氮氧化物的生成。在半速或怠速运行条件下，动量通量比水平明显低于满载条件，这是由于燃料流量随着燃气轮机功率显着降低，而空气流量几乎保持不变。

需要指出的是微混合燃烧最初是为纯氢燃料而开发的，随着燃料中氢气占比从100％到0％的逐步减小，动量通量比J呈现先增大后减小的趋势，约85％ H2(V％)左右时达到最大值，这说明燃料的射流深度将随着成分的改变而改变。同时混合燃料的绝热火焰温度、火焰传播速度和扩散系数均有较大影响，反应性有着显著不同，微预混燃烧中稀薄火焰熄火的风险加大，在这种情况下实现火焰锚定及稳定燃烧的压力增大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种燃气轮机燃烧喷嘴结构及工作方法，技术方案为：

本发明的一种燃气轮机燃烧喷嘴结构，包括：

燃料杆；

燃料腔，所述燃料腔的首端与所述燃料杆的尾端连通；

喷嘴端盖，所述喷嘴端盖的首端与所述燃料腔的尾端连通，所述喷嘴端盖的外壁面上设有若干环绕设置且开口沿径向向外的保护凹槽，且所述保护凹槽沿轴向延伸至所述喷嘴端盖的尾部端面形成端盖侧开口，每一所述保护凹槽的底面上均设有连通所述燃料腔的内腔的燃料喷孔；

喷嘴罩帽，套设并连接于所述燃料腔的外壁面，且所述喷嘴罩帽上开设有若干沿轴向设置且一一对应所述保护凹槽的空气门洞；

空气导流板，套设于所述燃料腔并连接至所述喷嘴罩帽的首端，所述空气导流板与所述燃料腔的外壁面配合形成一连通各个所述空气门洞的空气腔。

本发明的燃气轮机燃烧喷嘴结构，所述保护凹槽的内侧壁呈一外扩的拔模角度，所述拔模角度为0°至45°。

本发明的燃气轮机燃烧喷嘴结构，所述保护凹槽靠近所述燃料杆的一侧至所述保护凹槽靠近所述端盖侧开口的一侧呈一外扩的扩张角度，所述扩张角度为5°至40°。

本发明的燃气轮机燃烧喷嘴结构，所述喷嘴端盖的形状为多棱柱，所述多棱柱的各个侧面上分别开设有至少一个所述保护凹槽。

本发明的燃气轮机燃烧喷嘴结构，所述多棱柱的每一所述侧面上均布有两个所述保护凹槽。

本发明的燃气轮机燃烧喷嘴结构，所述喷嘴端盖的形状为六棱柱，所述保护凹槽、所述燃料喷孔和所述空气门洞的数量均为十二个。

本发明的燃气轮机燃烧喷嘴结构，还包括喷嘴导流壁，所述喷嘴导流壁设于所述燃料腔内并连接于所述喷嘴端盖；

所述所述喷嘴导流壁上开设有连通所述燃料腔内腔的后端燃料腔，且所述喷嘴导流壁上开设有若干对应连通所述燃料喷孔和所述燃料腔内腔的燃料分配腔。

本发明的燃气轮机燃烧喷嘴结构，所述燃料腔包括喷嘴导流壁以及连通的燃料输入腔和燃料突扩腔，所述燃料突扩腔的流通截面大于所述燃料输入腔的流通截面；

所述燃料输入腔的首端与所述燃料杆的尾端相连，所述燃料输入腔的内腔为前端燃料腔；所述喷嘴端盖盖设于所述燃料突扩腔的尾端，所述燃料突扩腔的内腔为中间燃料腔；

所述喷嘴导流壁设于所述燃料突扩腔内并连接于所述喷嘴端盖，所述喷嘴导流壁上开设有连通所述中间燃料腔的后端燃料腔，且所述喷嘴导流壁上开设有若干对应连通所述燃料喷孔和所述中间燃料腔的燃料分配腔。

本发明的燃气轮机燃烧喷嘴结构，所述燃料腔外延并与所述喷嘴罩帽一体化连接。

本发明的一种燃气轮机燃烧喷嘴结构的工作方法，包括以下步骤：

S1：燃料从燃料杆进入燃料腔，接着经由燃料喷孔进入保护凹槽并在所述保护凹槽内形成涡旋，并朝向所述端盖侧开口前进；

S2：空气从所述空气腔进入所述空气门洞，并进入所述保护凹槽，降低流速，与燃料混合；

S3：根据所述空气门洞、所述保护凹槽和所述燃料喷孔的环绕排布，在所述喷嘴端盖下游形成周向分布且相互离散的多个小火焰结构。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本发明一实施例通过设置依次连通的燃料杆、燃料腔和喷嘴端盖，并在喷嘴端盖上设置若干保护凹槽，保护凹槽内则是设有连通燃料腔的燃料喷孔，燃料依次经过燃料杆、燃料腔，并经由燃料喷孔进入保护凹槽，降低流速，燃料在保护凹槽内形成涡旋，并朝向端盖侧开口前进；并在燃料腔外侧设置喷嘴罩帽和空气导流板，空气经由空气导流板以及喷嘴罩帽上的空气门洞朝向保护凹槽流动；保护凹槽的设置在低动量通量比运行期间保护燃料射流免受横向流动的空气的直接冲击，保护凹槽通过充当障碍物来保护射流交叉点附近的燃料射流免受从空气门洞来的横流的影响，特别是在动量通量比J较低的运行状态下，该保护作用保证了燃料射流的穿透深度，同时在射流后方形成保护区，，从而实现火焰锚定和稳定燃烧。

通过降低流速来增强火焰锚定以实现低反应性燃料的稳定燃烧。流速的降低通过扩大保护凹槽的在轴向上的横截面积来实现。在保护凹槽的下游区域均是流速降低的区域，在低反应燃料运行的情况下，这提高了火焰锚定的可能性。

通过附加涡旋增强燃料和空气的混合过程，保护凹槽的设立，在气流路线上形成一个突扩的结构，并在此处形成涡旋。通过创建的涡旋结构来修改流场结构，可将燃料输送到保护凹槽所形成的的台阶体中，并随着台阶内的流动朝向切口的出口(端盖侧开口)前进，以此增强了燃料和空气的混合。

附图说明

图1为本发明的燃气轮机燃烧喷嘴结构的示意图；

图2为本发明的燃气轮机燃烧喷嘴结构的1/2剖视图；

图3为本发明的燃气轮机燃烧喷嘴结构的从上游观察该喷嘴结构的俯视图；

图4为本发明的燃气轮机燃烧喷嘴结构的从下游端部观察该喷嘴结构的仰视图；

图5为本发明的燃气轮机燃烧喷嘴结构的保护凹槽的局部放大图；

图6为本发明的燃气轮机燃烧喷嘴结构的头部的正视图；

图7为背景技术中喷嘴结构图。

附图标记说明：1：燃料杆；2：燃料腔；2.1：前端燃料腔；2.2：中间燃料腔；2.3：后端燃料腔；3：空气导流板；4：燃料喷孔；5：保护凹槽；6：喷嘴罩帽；7：喷嘴端盖；8：燃料分配腔；9：空气门洞。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种燃气轮机燃烧喷嘴结构及工作方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

参看图1至图6，在一个实施例中，一种燃气轮机燃烧喷嘴结构，包括燃料杆1、燃料腔2、喷嘴端盖7、喷嘴罩帽6和空气导流板3。

燃料腔2的首端与燃料杆1的尾端连通。喷嘴端盖7的首端与燃料腔2的尾端连通，喷嘴端盖7的外壁面上设有若干环绕设置且开口沿径向向外的保护凹槽5，且保护凹槽5沿轴向延伸至喷嘴端盖7的尾部端面形成端盖侧开口，每一保护凹槽5的底面上均设有连通燃料腔2的内腔的燃料喷孔4。

喷嘴罩帽6套设并连接于燃料腔2的外壁面，且喷嘴罩帽6上开设有若干沿轴向设置且一一对应保护凹槽5的空气门洞9。空气导流板3套设于燃料腔2并连接至喷嘴罩帽6的首端，空气导流板3与燃料腔2的外壁面配合形成一连通各个空气门洞9的空气腔。

本实施例通过设置依次连通的燃料杆1、燃料腔2和喷嘴端盖7，并在喷嘴端盖7上设置若干保护凹槽5，保护凹槽5内则是设有连通燃料腔2的燃料喷孔4，燃料依次经过燃料杆1、燃料腔2，并经由燃料喷孔4进入保护凹槽5，降低流速，燃料在保护凹槽5内形成涡旋，并朝向端盖侧开口前进；并在燃料腔2外侧设置喷嘴罩帽6和空气导流板3，空气经由空气导流板3以及喷嘴罩帽6上的空气门洞9朝向保护凹槽5流动；保护凹槽5的设置在低动量通量比运行期间保护燃料射流免受横向流动的空气的直接冲击，保护凹槽5通过充当障碍物来保护射流交叉点附近的燃料射流免受从空气门洞9来的横流的影响，在动量通量比J较低的运行状态下，保证了燃料射流的穿透深度，从而实现火焰锚定和稳定燃烧。

下面对本实施例的燃气轮机燃烧喷嘴结构的具体结构进行进一步说明：

参看图5，在本实施例中，保护凹槽5的内侧壁呈一外扩的拔模角度α，拔模角度α为0°至45°，从而使得保护凹槽5在高度方向上的截面积逐渐扩大(α-保护凹槽5呈现外扩的拔模角度)。

进一步地，保护凹槽5靠近燃料杆1的一侧至保护凹槽5靠近端盖侧开口的一侧呈一外扩的扩张角度β(即保护凹槽5靠近空气门洞9的一侧至端盖侧开口，在轴向上的截面积逐渐扩大)，扩张角度β为5°至40°(β-保护凹槽5上下游扩张角度)。

在高度方向和轴线方向上逐渐扩大的截面积使得燃料由燃料喷孔4喷出后的流速可逐渐降低，在保护凹槽5的下游区域均是流速降低的区域，在低反应燃料运行的情况下，这提高了火焰锚定的可能性。并且，扩张角度的设置在气流路线上形成一个突扩的结构，并在此处形成涡旋，通过创建的涡旋结构来修改流场结构，可将燃料输送到保护凹槽5所形成的的台阶体中，并随着台阶内的流动朝向切口的出口(端盖侧开口)前进，以此增强了燃料和空气的混合。

参看图1、图3和图4，在本实施例中，喷嘴端盖7的形状可为多棱柱，多棱柱的各个侧面上则可分别开设有至少一个保护凹槽5。进一步地，多棱柱的每一侧面上均布有两个保护凹槽5，并对应布置有两个燃料喷孔4。

优选地，喷嘴端盖7的形状可为六棱柱，六棱柱的每个侧面上均设置两个燃料喷孔4，保护凹槽5、燃料喷孔4和空气门洞9的数量也可设为相同，即均为十二个。

参看图2和图3，在本实施例中，燃气轮机燃烧喷嘴结构还可包括喷嘴导流壁，喷嘴导流壁设于燃料腔2内并连接于喷嘴端盖7。

喷嘴导流壁上开设有连通燃料腔2内腔的后端燃料腔2.3，且喷嘴导流壁上开设有若干对应连通燃料喷孔4和燃料腔2内腔的燃料分配腔8。

进一步地，燃料腔2包括喷嘴导流壁以及连通的燃料输入腔和燃料突扩腔，燃料突扩腔的流通截面大于燃料输入腔的流通截面。

燃料输入腔的首端与燃料杆1的尾端相连，燃料输入腔的内腔为前端燃料腔2.1。喷嘴端盖7盖设于燃料突扩腔的尾端，燃料突扩腔的内腔为中间燃料腔2.2。喷嘴导流壁设于燃料突扩腔内并连接于喷嘴端盖7，喷嘴导流壁上开设有连通中间燃料腔2.2的后端燃料腔2.3，且喷嘴导流壁上开设有若干对应连通燃料喷孔4和中间燃料腔2.2的燃料分配腔8。

燃料从燃料杆1进入前端燃料腔2.1，接着进入中间燃料腔2.2后分成两部分，一部分直接流入燃料分配腔8，另一部分沿直线流动进入后端燃料腔2.3并撞击喷嘴端盖7上，并在喷嘴端盖7和喷嘴导流壁的角落处形成回流涡，并流向燃料分配腔8，最终经由燃料喷孔4进入保护凹陷并与空气混合。

在本实施例中，燃料腔2可设置为对应后端燃料腔2.3部分的外壁面外延并与喷嘴罩帽6一体化连接。

在本实施例中，后端燃料腔2.3、燃料分配腔8、燃料喷孔4、喷嘴罩帽6、空气门洞9、喷嘴端盖7等共同形成燃气轮机燃烧喷嘴结构的头部结构。

实施例二

本实施例在上述实施例一的基础上提供一种燃气轮机燃烧喷嘴结构的工作方法，包括以下步骤：

S1：燃料从燃料杆1进入前端燃料腔2.1，接着进入中间燃料腔2.2后分成两部分，一部分直接流入燃料分配腔8，另一部分沿直线流动进入后端燃料腔2.3并撞击喷嘴端盖7上，并在喷嘴端盖7和喷嘴导流壁的角落处形成回流涡，并流向燃料分配腔8，最终经由燃料喷孔4进入保护凹陷，并在保护凹槽5内形成涡旋，并朝向端盖侧开口前进。

S2：空气从空气腔进入空气门洞9，并进入保护凹槽5，降低流速，与燃料混合。

S3：根据空气门洞9、保护凹槽5和燃料喷孔4的环绕排布，在喷嘴端盖7下游形成周向分布且相互离散的多个小火焰结构。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种燃气轮机燃烧喷嘴结构，其特征在于，包括：

燃料杆；

燃料腔，所述燃料腔的首端与所述燃料杆的尾端连通；

喷嘴端盖，所述喷嘴端盖的首端与所述燃料腔的尾端连通，所述喷嘴端盖的外壁面上设有若干环绕设置且开口沿径向向外的保护凹槽，且所述保护凹槽沿轴向延伸至所述喷嘴端盖的尾部端面形成端盖侧开口，每一所述保护凹槽的底面上均设有连通所述燃料腔的内腔的燃料喷孔；

喷嘴罩帽，套设并连接于所述燃料腔的外壁面，且所述喷嘴罩帽上开设有若干沿轴向设置且一一对应所述保护凹槽的空气门洞；

空气导流板，套设于所述燃料腔并连接至所述喷嘴罩帽的首端，所述空气导流板与所述燃料腔的外壁面配合形成一连通各个所述空气门洞的空气腔。

2.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧喷嘴结构，其特征在于，所述保护凹槽的内侧壁呈一外扩的拔模角度，所述拔模角度为0°至45°。

3.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧喷嘴结构，其特征在于，所述保护凹槽靠近所述燃料杆的一侧至所述保护凹槽靠近所述端盖侧开口的一侧呈一外扩的扩张角度，所述扩张角度为5°至40°。

4.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧喷嘴结构，其特征在于，所述喷嘴端盖的形状为多棱柱，所述多棱柱的各个侧面上分别开设有至少一个所述保护凹槽。

5.如权利要求4所述的燃气轮机燃烧喷嘴结构，其特征在于，所述多棱柱的每一所述侧面上均布有两个所述保护凹槽。

6.如权利要求4所述的燃气轮机燃烧喷嘴结构，其特征在于，所述喷嘴端盖的形状为六棱柱，所述保护凹槽、所述燃料喷孔和所述空气门洞的数量均为十二个。

7.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧喷嘴结构，其特征在于，还包括喷嘴导流壁，所述喷嘴导流壁设于所述燃料腔内并连接于所述喷嘴端盖；

所述所述喷嘴导流壁上开设有连通所述燃料腔内腔的后端燃料腔，且所述喷嘴导流壁上开设有若干对应连通所述燃料喷孔和所述燃料腔内腔的燃料分配腔。

8.如权利要求7所述的燃气轮机燃烧喷嘴结构，其特征在于，所述燃料腔包括喷嘴导流壁以及连通的燃料输入腔和燃料突扩腔，所述燃料突扩腔的流通截面大于所述燃料输入腔的流通截面；

所述燃料输入腔的首端与所述燃料杆的尾端相连，所述燃料输入腔的内腔为前端燃料腔；所述喷嘴端盖盖设于所述燃料突扩腔的尾端，所述燃料突扩腔的内腔为中间燃料腔；

所述喷嘴导流壁设于所述燃料突扩腔内并连接于所述喷嘴端盖，所述喷嘴导流壁上开设有连通所述中间燃料腔的后端燃料腔，且所述喷嘴导流壁上开设有若干对应连通所述燃料喷孔和所述中间燃料腔的燃料分配腔。

9.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧喷嘴结构，其特征在于，所述燃料腔外延并与所述喷嘴罩帽一体化连接。

10.一种燃气轮机燃烧喷嘴结构的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：燃料从燃料杆进入燃料腔，接着经由燃料喷孔进入保护凹槽并在所述保护凹槽内形成涡旋，并朝向所述端盖侧开口前进；

S2：空气从所述空气腔进入所述空气门洞，并进入所述保护凹槽，降低流速，与燃料混合；

S3：根据所述空气门洞、所述保护凹槽和所述燃料喷孔的环绕排布，在所述喷嘴端盖下游形成周向分布且相互离散的多个小火焰结构。

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