一種燃氣輪機雙燃料燃燒室噴嘴的制作方法
【專利摘要】一種燃氣輪機雙燃料燃燒室噴嘴，屬于燃氣輪機【技術領域】。本發(fā)明包括軸向中心燃料通道和與該軸向中心燃料通道同軸布置的外圍軸向環(huán)形燃料通道、外圍軸向環(huán)形稀釋氣體通道、第一級外圍徑向環(huán)形空氣通道及第二級外圍徑向環(huán)形空氣通道。該噴嘴分兩級向燃燒室頭部供入新鮮空氣，同時稀釋劑分三股，一股供給燃料，一股供給第一級空氣，另外一股供給第二級空氣，三股稀釋劑的比例可以按燃燒室性能最優(yōu)化結(jié)果調(diào)整，使得燃料有足夠的空氣支持燃燒，從而獲得高效燃燒和降低火焰溫度的良好平衡；其次，稀釋劑在與燃料及空氣進行良好混合后進入火焰筒內(nèi)參與燃燒，故稀釋劑的加入不會擾亂燃燒室的內(nèi)部流場，從而保證燃燒的穩(wěn)定性和良好的出口溫度分布。
【專利說明】一種燃氣輪機雙燃料燃燒室噴嘴
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種燃氣輪機燃燒室噴嘴，尤其涉及能夠使用雙燃料的燃氣輪機低污染燃燒室噴嘴。
【背景技術】
[0002]在我國當前的能源結(jié)構(gòu)中，采用傳統(tǒng)燃煤技術的火力發(fā)電占據(jù)了絕大部分份額。但是這種傳統(tǒng)的發(fā)電技術存在發(fā)電效率低，污染物排放高(尤其是NOx排放)，耗費淡水資源多等缺點。IGCC(整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng))作為一種新型“綠色”燃煤技術，為煤的清潔高效利用提供了一種新的途徑。
[0003]IGCC系統(tǒng)中的燃氣輪機，采用氣化爐產(chǎn)生的中低熱值合成氣為燃料，與壓氣機輸送來的高壓空氣在燃燒室中進行快速混合和燃燒，高溫高壓的氣流經(jīng)透平做功，進而帶動電機發(fā)電。由于合成氣(主要成份是0)和氏)有別于常規(guī)燃料，所以燃氣輪機燃燒室中通常所采用的如擴散燃燒和預混燃燒技術均不再適用。因此，需根據(jù)IGCC系統(tǒng)和合成氣燃料成分的特點，開發(fā)更加適合的低污染燃燒技術。
[0004]合成氣中主要成分為CO和H2，其過高的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，過高的絕熱火焰溫度和過寬的可燃極限和爆炸邊界，使得擴散燃燒方式為最佳燃燒策略。但是，采用擴散燃燒方式時，也帶來了擴散燃燒方式所固有的缺點，即燃燒區(qū)中永遠存在化學恰當比的火焰鋒面，過高的峰值火焰溫度，將會極大地促使NOx快速生成。為解決此問題，人們嘗試將稀釋劑，如氮氣(N2),水蒸氣(H2O)和二氧化碳(CO2)等惰性氣體，注入到燃燒區(qū)這使得燃燒區(qū)峰值火焰溫度大幅度降低，從而降低污染物排放。對于注入稀釋劑，方法之一是采用外部預先燃料稀釋，但是這需要購置額外設備，故工程中并不常用；而采用空氣伴隨稀釋時，稀釋劑一方面會阻塞空氣流道，同時會降低氧化劑的濃度，進而難以維持高效率燃燒；而采用燃料伴隨稀釋時，這會大幅度降低單位體積燃料熱值，同樣會導致燃燒效率難以提高；而將稀釋劑直接噴入燃燒區(qū)則會擾亂燃燒室內(nèi)流場，不利于火焰穩(wěn)定，同時會惡化出口溫度分布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明提供一種燃氣輪機雙燃料燃燒室噴嘴，該技術方案能夠在保證良好稀釋的同時，保持火焰穩(wěn)定；此外，該技術方案還能夠抑制大體積流量的燃料和稀釋劑對空氣氣流的阻塞，同時稀釋劑的注入不會擾亂燃燒室內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)，從而保證燃燒的穩(wěn)定性和良好的出口溫度分布。
[0006]本發(fā)明所采用的技術方案如下:一種燃氣輪機雙燃料燃燒室噴嘴，該噴嘴包括軸向中心燃料通道和與該軸向中心燃料通道同軸布置的外圍軸向環(huán)形燃料通道，其特征在于:外圍軸向環(huán)形燃料通道外還設置有與軸向中心燃料通道同軸布置的外圍軸向環(huán)形稀釋氣體通道；噴嘴的空氣通道也與軸向中心燃料通道同軸布置，并分為第一級外圍徑向環(huán)形空氣通道與第二級外圍徑向環(huán)形空氣通道；所述軸向中心燃料通道出口端的壁面上開有密集小孔；所述外圍軸向環(huán)形燃料通道出口處設置有外圍燃料旋流裝置；所述外圍軸向環(huán)形稀釋氣體通道內(nèi)壁面上設有燃料稀釋孔，燃料稀釋孔與外圍軸向環(huán)形燃料通道連通；所述外圍軸向環(huán)形稀釋氣體通道出口端的壁面上分別設有第一級空氣稀釋孔和第二級空氣稀釋孔，第一級空氣稀釋孔與第一級外圍徑向環(huán)形空氣通道相連通，第二級空氣稀釋孔與第二級外圍徑向環(huán)形空氣通道相連通；所述第一級外圍徑向環(huán)形空氣通道內(nèi)設置有第一級空氣旋流裝置，第二級外圍徑向環(huán)形空氣通道內(nèi)設置有第二級空氣旋流裝置。
[0007]上述技術方案中，所述的第一級空氣旋流裝置采用斜切孔，該斜切孔從噴嘴的外壁面穿入第一級外圍徑向環(huán)形空氣通道內(nèi)，且沿第一級外圍徑向環(huán)形空氣通道的壁面均勻布置，孔的個數(shù)在6?12之間。
[0008]所述的外圍燃料旋流裝置采用軸向葉片式結(jié)構(gòu)或軸向葉柵式結(jié)構(gòu)，葉片個數(shù)或葉柵通道個數(shù)在6?12之間。
[0009]稀釋劑通入燃料稀釋孔、第一級空氣稀釋孔和第二級空氣稀釋孔的流量比范圍為1:0.1 ?0.5:0.4 ?I。
[0010]該發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點及突出性效果:
[0011](I)本發(fā)明的稀釋劑供入方式不同于現(xiàn)有技術，稀釋劑能夠進行多股燃料稀釋和多股空氣稀釋，稀釋劑向各燃料通道和空氣通道的供入比例可以通過改變各稀釋孔的面積比來進行優(yōu)化調(diào)整，避免了現(xiàn)有技術采用單一稀釋法所帶來的稀釋不均勻現(xiàn)。
[0012](2)本發(fā)明的稀釋劑采用多個噴射孔供入，能夠強化稀釋劑與燃料或空氣的混合，一方面強化稀釋劑與燃料和空氣摻混效果，另一方面也能夠減低大體積流量的稀釋劑氣流對空氣射流的阻塞作用，從而保證燃燒室頭部的空氣供應，進而提升燃燒穩(wěn)定性。
[0013](3)本發(fā)明所采用的稀釋劑輸送方法不會擾亂燃燒室的內(nèi)部流場，從而保證稀釋劑的的注入不會對燃燒穩(wěn)定性和出口溫度分布有不良影響。
[0014](4)本發(fā)明燃料輸送組件的端部開有密集燃料孔，該孔在燃機工作時，或單獨通入燃料或單獨通入輕吹空氣，這使得噴嘴端壁處，氣流溫度較低、氣流流速較高、燃料空氣比等因素均不適于火焰駐定，進而阻止火焰在端部壁面的附著，從而保護噴嘴端壁不會被燒壞。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明提供的一種燃氣輪機雙燃料燃燒室噴嘴的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0016]圖2為雙燃料燃燒室噴嘴實施例的結(jié)構(gòu)三維剖視圖。
[0017]圖中符號說明如下:1_軸向中心燃料通道；2-外圍軸向環(huán)形燃料通道；3-外圍軸向環(huán)形稀釋氣體通道；4_第一級外圍徑向環(huán)形空氣通道；5_第二級外圍徑向環(huán)形空氣通道；6_密集小孔；7_燃料稀釋孔；8_第一級空氣稀釋孔；9_第二級空氣稀釋孔；10_外圍燃料旋流裝置；11_第一級空氣旋流裝置；12_第二級空氣旋流裝置。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理、結(jié)構(gòu)和【具體實施方式】做進一步的說明。
[0019]圖1為本發(fā)明提供的一種燃氣輪機雙燃料燃燒室噴嘴的結(jié)構(gòu)原理示意圖，該噴嘴包括軸向中心燃料通道I和與該軸向中心燃料通道I同軸布置的外圍軸向環(huán)形燃料通道2，其特征在于:外圍軸向環(huán)形燃料通道2外還設置有與軸向中心燃料通道I同軸布置的外圍軸向環(huán)形稀釋氣體通道3 ;噴嘴的空氣通道也與軸向中心燃料通道I同軸布置，并分為第一級外圍徑向環(huán)形空氣通道4與第二級外圍徑向環(huán)形空氣通道5。
[0020]軸向中心燃料通道I出口端的壁面上開有密集小孔6 ;外圍軸向環(huán)形燃料通道2出口處設置有外圍燃料旋流裝置10，外圍燃料旋流裝置10采用軸向葉片式結(jié)構(gòu)或軸向葉柵式結(jié)構(gòu)，葉片個數(shù)或葉柵通道個數(shù)在6?12之間(參見圖2)。
[0021]外圍軸向環(huán)形稀釋氣體通道3內(nèi)壁面上設有燃料稀釋孔7，燃料稀釋孔7與外圍軸向環(huán)形燃料通道2連通；所述外圍軸向環(huán)形稀釋氣體通道3出口端的壁面上分別設有第一級空氣稀釋孔8和第二級空氣稀釋孔9，第一級空氣稀釋孔8與第一級外圍徑向環(huán)形空氣通道4相連通，第二級空氣稀釋孔9與第二級外圍徑向環(huán)形空氣通道5相連通。
[0022]第一級空氣旋流裝置11采用斜切孔，該斜切孔從噴嘴的外壁面穿入第一級外圍徑向環(huán)形空氣通道4內(nèi)，且沿第一級外圍徑向環(huán)形空氣通道4的壁面均勻布置，孔的個數(shù)在6?12之間。
[0023]第二級外圍徑向環(huán)形空氣通道5內(nèi)設置有第二級空氣旋流裝置12，第二級空氣旋流裝置12采用徑向葉片式結(jié)構(gòu)，葉片個數(shù)在6?16之間(參見圖2)。
[0024]外圍軸向環(huán)形稀釋氣體通道3末端設置有連通外圍軸向環(huán)形燃料通道2的燃料稀釋孔7，連通外圍徑向環(huán)形第一級空氣通道4的第一級空氣稀釋孔8，以及連通外圍徑向環(huán)形第二級空氣通道5的第二級空氣稀釋孔9 (參見圖2)，通過燃料稀釋孔7，第一級空氣稀釋孔8，第二級空氣稀釋孔9的稀釋劑流量比例范圍為1:0.1?0.5:0.4?1，流量比由孔的個數(shù)與開孔面積的不同來保證。
[0025]本發(fā)明的工作原理如下:
[0026]中心燃料作為啟動燃料通過軸向中心燃料通道1，經(jīng)過密集小孔6進入燃燒區(qū)域，與通過第一級外圍徑向環(huán)形空氣通道4和第二級外圍徑向環(huán)形空氣通道5進入的旋流空氣混合和燃燒，噴嘴只供應中心燃料時稱為啟動燃燒模式；噴嘴啟動后，外圍燃料作為基本負荷燃料通過外圍軸向環(huán)形燃料通道2旋流進入燃燒區(qū)域參與燃燒，噴嘴同時供應中心燃料和外圍燃料時稱為過渡燃燒模式，與此同時外圍軸向環(huán)形稀釋氣體通道3通過燃料稀釋孔
7、第一級空氣稀釋孔8和第二級空氣稀釋孔9向燃燒區(qū)域供應旋流稀釋氣體；達到負荷要求后，將軸向中心燃料通道I供應的中心燃料切換成清吹空氣，噴嘴只供應外圍燃料時稱為正常燃燒模式。
【權利要求】
1.一種燃氣輪機雙燃料燃燒室噴嘴，該噴嘴包括軸向中心燃料通道(I)和與該軸向中心燃料通道(I)同軸布置的外圍軸向環(huán)形燃料通道(2)，其特征在于:外圍軸向環(huán)形燃料通道(2)外還設置有與軸向中心燃料通道(I)同軸布置的外圍軸向環(huán)形稀釋氣體通道(3);噴嘴的空氣通道也與軸向中心燃料通道(I)同軸布置，并分為第一級外圍徑向環(huán)形空氣通道(4)與第二級外圍徑向環(huán)形空氣通道(5);所述軸向中心燃料通道(I)出口端的壁面上開有密集小孔(6);所述外圍軸向環(huán)形燃料通道(2)出口處設置有外圍燃料旋流裝置(10);所述外圍軸向環(huán)形稀釋氣體通道(3 )內(nèi)壁面上設有燃料稀釋孔(7 )，該燃料稀釋孔(7 )與外圍軸向環(huán)形燃料通道(2)連通；所述外圍軸向環(huán)形稀釋氣體通道(3)出口端的壁面上分別設有第一級空氣稀釋孔(8)和第二級空氣稀釋孔(9)，第一級空氣稀釋孔(8)與第一級外圍徑向環(huán)形空氣通道(4)相連通，第二級空氣稀釋孔(9)與第二級外圍徑向環(huán)形空氣通道(5)相連通；所述第一級外圍徑向環(huán)形空氣通道(4)內(nèi)設置有第一級空氣旋流裝置(11)，第二級外圍徑向環(huán)形空氣通道(5)內(nèi)設置有第二級空氣旋流裝置(12)。
2.如權利要求1所述的一種燃氣輪機雙燃料燃燒室噴嘴，其特征在于:所述的第一級空氣旋流裝置(11)采用斜切孔，該斜切孔從噴嘴的外壁面穿入第一級外圍徑向環(huán)形空氣通道(4)內(nèi)，且沿第一級外圍徑向環(huán)形空氣通道(4)的壁面均勻布置，孔的個數(shù)在6?12之間。
3.如權利要求1所述的一種燃氣輪機雙燃料燃燒室噴嘴，其特征在于:所述的第二級空氣旋流裝置(12)采用徑向葉片式結(jié)構(gòu)，葉片個數(shù)在6?16之間。
4.如權利要求1所述的一種燃氣輪機雙燃料燃燒室噴嘴，其特征在于:所述的外圍燃料旋流裝置(10)采用軸向葉片式結(jié)構(gòu)或軸向葉柵式結(jié)構(gòu)，葉片個數(shù)或葉柵通道個數(shù)在6?12之間。
5.如權利要求1所述的一種燃氣輪機雙燃料燃燒室噴嘴，其特征在于:稀釋劑通入燃料稀釋孔(7)、第一級空氣稀釋孔(8)和第二級空氣稀釋孔(9)的流量比范圍為1:0.1?0.5:0.4 ?1ο
【文檔編號】F23R3/38GK103672969SQ201310685192
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權日:2013年12月13日
【發(fā)明者】查筱晨, 張珊珊 申請人:北京華清燃氣輪機與煤氣化聯(lián)合循環(huán)工程技術有限公司