CN114838386B - 一种用于低污染燃烧室的气体燃料喷嘴 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机领域，特别涉及一种用于低污染燃烧室的气体燃料喷嘴，本方案将喷嘴进入的气体燃料进行节流‑分配‑节流‑喷射四个步骤处理，通过设置节流装置，减小并控制喷嘴的流量系数，弱化喷嘴喷口孔径尺寸对燃料流量的影响，以保证不同喷嘴之间、喷嘴不同喷射孔之间燃料流量分配的均匀性，同时增大喷嘴压降，降低喷嘴燃料流量对燃烧室内压力波动的敏感性，提高燃烧稳定性。

Description

一种用于低污染燃烧室的气体燃料喷嘴

技术领域

本申请属于航空发动机领域，特别涉及一种用于低污染燃烧室的气体燃料喷嘴。

背景技术

随着人们对环保问题的重视，世界各国对工业燃气轮机的污染物排放提出严格的要求，为了使污染物排放能维持在较低水平，贫油预混燃烧技术被广泛采用，但该燃烧组织方式极易出现燃烧不稳定，尤其是燃用气态燃料的单管燃烧室或环管燃烧室(通常由6～20个火焰筒和喷嘴等组成)，每个燃烧室都是一个相对独立的燃烧系统，如果空气分配和燃料分配过程中出现不均匀，会极易导致某一燃烧室出现燃烧温度场发生变化，燃烧变得不稳定，燃烧室内出现压力波动，而并联在燃料总管上的各喷嘴的燃料流量对燃烧室内压力的波动非常敏感，因此各喷嘴的燃料流量会随之波动，燃料供给的波动将会进一步恶化燃烧的稳定性，造成燃烧室出现振荡燃烧、回火等问题。同时对于设置值班级燃料的喷嘴，值班级燃料的变化也直接影响了燃烧室污染物NOx的排放，进而影响了燃气轮机燃烧室的污染物排放性能、燃烧稳定性及使用寿命。

目前，气态燃料喷嘴为了控制同一批次不同喷嘴间的流量一致性，对喷嘴喷口尺寸的加工精度要求非常高，这大大增加了喷嘴加工及维护的难度。同时最为关键的是，目前通过严格控制喷嘴喷口尺寸加工精度的方法，并不能有效解决燃烧室在较低工况状态及燃烧不稳定时燃料分配不均匀、喷嘴燃料流量不稳定的问题。

本发明涉及燃气轮机低污染燃烧室气体燃料喷嘴设计技术，通过在喷嘴内部设计节流装置，目的是通过节流装置和喷口共同控制喷嘴不同喷口的流量系数，降低并联在燃料总管上的各喷嘴燃料分配对喷口尺寸的过度依赖，同时增大喷嘴压降，降低了喷嘴燃料流量对燃烧室内不稳定燃烧的敏感性，保证了各喷嘴燃料流量的均匀性。同时为了解决燃烧稳定性和喷嘴端面过热的问题，本发明在喷嘴内设计空气引流通道，将引入的空气在喷嘴内部与值班级燃料进行换热，提高值班燃料的温度，增强值班级燃料值班稳燃的作用，同时其自身温度的降低使其在喷嘴端面的清吹效果更出色，有效防止喷嘴端面的烧蚀。

现有气态燃料喷嘴仅通过喷口尺寸的高加工精度来控制不同喷嘴间的流量一致性，尤其对于预混燃烧室喷嘴，主要存在以下问题：

(1)喷口尺寸的加工精度要求非常高，大大增加了喷嘴加工及维护的难度；

(2)喷嘴上喷口数量较多，喷口的分布位置不同，工作环境不同，而喷口尺寸较小，在燃烧室热环境中，极易受到燃烧热变形、燃料腐蚀及结焦积碳等复杂环境影响；

(3)由于并联在燃料总管上的各喷嘴燃料分配对喷口尺寸的过度依赖，喷口有效面积的如果受到影响，直接导致喷口喷射燃料的流量改变，进而影响了燃气轮机燃烧室的污染物排放性能、燃烧稳定性及使用寿命；

(4)目前仅仅依靠控制喷嘴喷口燃料射流速度的方式并不能有效控制各喷嘴对燃烧室内不稳定燃烧的敏感性，在个别燃烧室内发生不稳定燃烧时喷嘴流量分配将随之恶化，易造成燃烧室振荡燃烧、回火等问题。

发明内容

本发明之前，喷嘴内部无节流装置，喷嘴各喷射孔燃料流量控制完全由喷口高精度加工尺寸决定，喷嘴内部无空气和燃料的换热。

本方案将喷嘴进入的气体燃料进行节流-分配-节流-喷射四个步骤处理，通过设置节流装置，减小并控制喷嘴的流量系数，弱化喷嘴喷口孔径尺寸对燃料流量的影响，以保证不同喷嘴之间、喷嘴不同喷射孔之间燃料流量分配的均匀性，同时增大喷嘴压降，降低喷嘴燃料流量对燃烧室内压力波动的敏感性，提高燃烧稳定性。

在喷嘴引入内部引入空气，引入的空气与值班燃料进行换热，提高值班级燃料温度，增强值班级燃料稳燃的作用，提高燃烧稳定性，同时降低了空气温度，加强了空气对喷嘴端面的清吹冷却作用，以解决喷嘴端面过热的问题，该流道容腔体积可控，其固有频率与燃烧室某一特征频率耦合，能够抑制该频率下的振荡燃烧，本申请提供了一种用于低污染燃烧室的气体燃料喷嘴，包括：

喷嘴壳体，喷嘴壳体具有内腔，所述内腔具有内塞体，内塞体包括前端与后端，所述后端与喷嘴壳体形成清吹空气换热流道，所述前端与喷嘴壳体形成清吹空气流道；清吹空气流道与清吹空气换热流道连通，清吹空气换热流道与喷嘴壳体后端面具有的清吹空气喷射口连通；清吹空气流道与喷嘴壳体壁面具有的清吹空气进气口连通；清吹气体通过清吹空气进气口进入，并通过清吹空气流道进入清吹空气换热流道，从而使内塞体的后端壁面与清吹冷却气体接触，达到冷却的效果。

内塞体的前端具有燃料分配腔道，后端具有值班级燃料流道，燃料分配腔道与值班级燃料流道连通，值班级燃料流道与喷嘴壳体后端面具有的值班级燃料喷射孔连通；内塞体的前端具有径向设置的预混喷杆，预混喷杆具有与燃料分配腔道连通的预混级燃料流道，预混级燃料流道与预混喷杆端部具有的预混级燃料喷射孔连通；

喷嘴壳体的前端连接有安装边，安装边具有与燃料分配腔道连通的燃料进口接口；

其中：燃料分配腔道具有位于预混级燃料流道前端的总节流装置，值班级燃料流道具有值班级节流装置，总节流装置为燃料分配腔道内壁凸起形成的节流孔，节流装置为值班级燃料流道内壁凸起形成的节流孔，从而实现节流-分配-节流-喷射四个步骤，也就是燃油经历节流装置-燃料分配腔道-节流装置-值班级燃料喷射孔的整个流程，通过设置节流装置，减小并控制喷嘴的流量系数，弱化喷嘴喷口孔径尺寸对燃料流量的影响，以保证不同喷嘴之间、喷嘴不同喷射孔之间燃料流量分配的均匀性，同时增大喷嘴压降，降低喷嘴燃料流量对燃烧室内压力波动的敏感性，提高燃烧稳定性。

优选的是，预混喷杆的数量为多个，多个预混喷杆沿喷嘴壳体周向均匀分布，预混喷杆具有多个预混级燃料喷射孔，多个预混级燃料喷射孔沿预混喷杆周向布置，预混级燃料喷射孔将燃油直接喷洒在火焰筒中，多个角度的预混级燃料喷射孔实现燃油的均匀喷洒。

优选的是，清吹空气流道的数量为多个，每个清吹空气流道位于相邻两个预混喷杆之间。

优选的是，预混级燃料流道具有内壁凸起形成的节流孔，同样的，燃料在通过预混喷杆喷出时，其过程为先通过总节流装置之后为预混级燃料流道15最后是预混喷杆的节流孔，实现了节流-分配-节流的过程。

优选的是，总节流装置的节流孔以及值班级燃料流道的节流孔的截面形状包括：圆形、矩形或者十字形。

优选的是，清吹空气换热流道为喷嘴壳体内壁与内塞体的后端外壁形成的环形腔。

优选的是，清吹空气换热流道一轴向位置处具有阻隔装置，阻隔装置为具有中心孔的环形圈，所述中心孔套在内塞体的后端外壁上，阻隔装置的外缘与喷嘴壳体内壁接触，阻隔装置环形面具有周向分布的通孔，阻隔装置在内塞体的后端能够调节器轴向的位置，使得该清吹空气换热流道容腔体积可控，其固有频率与燃烧室某一特征频率耦合，能够抑制该频率下的振荡燃烧。

优选的是，内塞体的后端外壁面具有凸起形成的换热肋片，换热肋片能够增大与清吹空气换热流道内的冷却空气的接触面积，提高冷却效果。

优选的是，值班级节流装置包括轴向分布的第一节流装置与第二节流装置，第二节流装置与第一节流装置的轴向距离大于第一节流装置与预混喷杆的轴向距离，值班级燃料喷射孔与第二节流装置的轴向距离大于第二节流装置与第一节流装置的轴向距离，根据值班级燃料流道的燃油压力在值班级燃料流道轴向方向依次变化，以及根据值班级燃料流道的燃油温度在值班级燃料流道轴向方向依次变化，根据变化压力与温度的梯度变化设置节流装置能够充分发挥节流装置的作用。

本申请的优点包括：综上，本发明设计的一种用于低污染燃烧室的气体燃料喷嘴，主要解决的技术问题如下：

通过在喷嘴内部设计节流装置，分别控制喷嘴不同喷口的流量系数，保证了各喷嘴燃料流量的均匀性，同时也降低了喷口因热变形、燃料腐蚀及轻微结焦积碳的敏感性；

增大喷嘴压降，降低了喷嘴燃料流量对燃烧室内不稳定燃烧的敏感性；

在喷嘴内设计空气引流通道，将引入的空气在喷嘴内部与值班级燃料进行换热，提高值班燃料的温度，增强值班级燃料稳燃的作用，提高燃烧稳定性；

在喷嘴内设计空气引流通道，空气经燃料冷却后温度降低，对喷嘴端面的清吹冷却作用增强，解决了喷嘴端面过热的问题。

在喷嘴内设计空气引流通道，该流道容腔体积可根据节流板控制，其固有频率与燃烧室某一特征频率耦合，能够抑制该频率下的振荡燃烧。

本发明结构简单，能够有方向有策略地解决燃料均匀分配、不稳定燃烧、喷嘴热防护等问题，符合工程要求。

附图说明

图1是气体燃料喷嘴的结构示意图；

图2是气体燃料喷嘴的A-A剖视图；

图3是气体燃料喷嘴的B-B剖面图；

图4是气体燃料喷嘴的C-C剖面图。

其中，1-燃料进口接口；2-安装边；3-清吹空气进气口；4-预混喷杆；5-喷嘴壳体；6-清吹空气流道；7-总节流装置；8-预混级节流装置；9-预混级燃料喷射孔；10-值班级节流装置；11-阻隔装置；12-换热肋片；13-清吹空气喷射口；14-值班级燃料喷射孔；15-燃料分配腔道；16-预混级燃料流道；17-值班级燃料流道；18-清吹空气换热流道，19-内塞体。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本方案将喷嘴进入的气体燃料进行节流-分配-节流-喷射四个步骤处理，通过设置节流装置，减小并控制喷嘴的流量系数，弱化喷嘴喷口孔径尺寸对燃料流量的影响，以保证不同喷嘴之间、喷嘴不同喷射孔之间燃料流量分配的均匀性，同时增大喷嘴压降，降低喷嘴燃料流量对燃烧室内压力波动的敏感性，提高燃烧稳定性。在喷嘴引入内部引入空气，引入的空气与值班燃料进行换热，提高值班级燃料温度，增强值班级燃料稳燃的作用，提高燃烧稳定性，同时降低了空气温度，加强了空气对喷嘴端面的清吹冷却作用，以解决喷嘴端面过热的问题。着重要求的是喷嘴内部引入空气的容腔，该容腔体积可根据燃烧室某一特有频率下的振荡燃烧进行调整，其作用是能够吸收燃烧室振荡燃烧时的特定频率，抑制燃烧室在该频率下发生振荡燃烧。

下面结合附图对本发明的原理、结构和具体实施方式做进一步的说明。

如图1～4所示喷嘴的结构原理示意图：

喷嘴壳体5，喷嘴壳体5具有内腔，所述内腔具有内塞体19，内塞体19包括前端与后端，所述后端与喷嘴壳体5形成清吹空气换热流道18，所述前端与喷嘴壳体5形成清吹空气流道6；清吹空气流道6与清吹空气换热流道18连通，清吹空气换热流道18与喷嘴壳体5后端面具有的清吹空气喷射口13连通；清吹空气流道6与喷嘴壳体5壁面具有的清吹空气进气口3连通；清吹气体通过清吹空气进气口进入，并通过清吹空气流道6进入清吹空气换热流道18，从而使内塞体19的后端壁面与清吹冷却气体接触，达到冷却的效果。

内塞体19的前端具有燃料分配腔道15，后端具有值班级燃料流道17，燃料分配腔道15与值班级燃料流道17连通，值班级燃料流道17与喷嘴壳体5后端面具有的值班级燃料喷射孔14连通；内塞体19的前端具有径向设置的预混喷杆4，预混喷杆4具有与燃料分配腔道15连通的预混级燃料流道16，预混级燃料流道16与预混喷杆4端部具有的预混级燃料喷射孔9连通；

喷嘴壳体5的前端连接有安装边2，安装边2具有与燃料分配腔道15连通的燃料进口接口1；

其中：燃料分配腔道15具有位于预混级燃料流道16前端的总节流装置7，值班级燃料流道17具有值班级节流装置10，总节流装置7为燃料分配腔道15内壁凸起形成的节流孔，节流装置10为值班级燃料流道17内壁凸起形成的节流孔，从而实现节流-分配-节流-喷射四个步骤，也就是燃油经历节流装置7-燃料分配腔道15-节流装置10-值班级燃料喷射孔的整个流程，通过设置节流装置，减小并控制喷嘴的流量系数，弱化喷嘴喷口孔径尺寸对燃料流量的影响，以保证不同喷嘴之间、喷嘴不同喷射孔之间燃料流量分配的均匀性，同时增大喷嘴压降，降低喷嘴燃料流量对燃烧室内压力波动的敏感性，提高燃烧稳定性。

在一些可选实施方式中，预混喷杆4的数量为多个，多个预混喷杆4沿喷嘴壳体5周向均匀分布，预混喷杆4具有多个预混级燃料喷射孔9，多个预混级燃料喷射孔9沿预混喷杆4周向布置，预混级燃料喷射孔9将燃油直接喷洒在火焰筒中，多个角度的预混级燃料喷射孔9实现燃油的均匀喷洒。

在一些可选实施方式中，清吹空气流道6的数量为多个，每个清吹空气流道6位于相邻两个预混喷杆4之间。

在一些可选实施方式中，预混级燃料流道16具有内壁凸起形成的节流孔，同样的，燃料在通过预混喷杆4喷出时，其过程为先通过总节流装置7之后为预混级燃料流道15最后是预混喷杆4的节流孔，实现了节流-分配-节流的过程。

在一些可选实施方式中，总节流装置7的节流孔以及值班级燃料流道17的节流孔的截面形状包括：圆形、矩形或者十字形。

在一些可选实施方式中，清吹空气换热流道18为喷嘴壳体5内壁与内塞体19的后端外壁形成的环形腔。

在一些可选实施方式中，清吹空气换热流道18一轴向位置处具有阻隔装置11，阻隔装置11为具有中心孔的环形圈，所述中心孔套在内塞体19的后端外壁上，阻隔装置11的外缘与喷嘴壳体5内壁接触，阻隔装置11环形面具有周向分布的通孔，阻隔装置11在内塞体19的后端能够调节器轴向的位置，使得该清吹空气换热流道容腔体积可控，其固有频率与燃烧室某一特征频率耦合，能够抑制该频率下的振荡燃烧。

在一些可选实施方式中，内塞体19的后端外壁面具有凸起形成的换热肋片12，换热肋片12能够增大与清吹空气换热流道18内的冷却空气的接触面积，提高冷却效果。

在一些可选实施方式中，值班级节流装置10包括轴向分布的第一节流装置与第二节流装置，第二节流装置与第一节流装置的轴向距离大于第一节流装置与预混喷杆4的轴向距离，值班级燃料喷射孔14与第二节流装置的轴向距离大于第二节流装置与第一节流装置的轴向距离，根据值班级燃料流道17的燃油压力在值班级燃料流道17轴向方向依次变化，以及根据值班级燃料流道17的燃油温度在值班级燃料流道17轴向方向依次变化，根据变化压力与温度的梯度变化设置节流装置能够充分发挥节流装置的作用。

综上，本发明设计的一种用于低污染燃烧室的气体燃料喷嘴，主要解决的技术问题如下：

1、通过在喷嘴内部设计节流装置，分别控制喷嘴不同喷口的流量系数，保证了各喷嘴燃料流量的均匀性，同时也降低了喷口因热变形、燃料腐蚀及轻微结焦积碳的敏感性；

2、增大喷嘴压降，降低了喷嘴燃料流量对燃烧室内不稳定燃烧的敏感性；

3、在喷嘴内设计空气引流通道，将引入的空气在喷嘴内部与值班级燃料进行换热，提高值班燃料的温度，增强值班级燃料稳燃的作用，提高燃烧稳定性；

4、在喷嘴内设计空气引流通道，空气经燃料冷却后温度降低，对喷嘴端面的清吹冷却作用增强，解决了喷嘴端面过热的问题。

5、在喷嘴内设计空气引流通道，该流道容腔体积可根据节流板控制，其固有频率与燃烧室某一特征频率耦合，能够抑制该频率下的振荡燃烧。

本发明结构简单，能够有方向有策略地解决燃料均匀分配、不稳定燃烧、喷嘴热防护等问题，符合工程要求。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于低污染燃烧室的气体燃料喷嘴，其特征在于，包括：

喷嘴壳体(5)，喷嘴壳体(5)具有内腔，所述内腔具有内塞体(19)，内塞体(19)包括前端与后端，所述后端与喷嘴壳体(5)形成清吹空气换热流道(18)，所述前端与喷嘴壳体(5)形成清吹空气流道(6)；清吹空气流道(6)与清吹空气换热流道(18)连通，清吹空气换热流道(18)与喷嘴壳体(5)后端面具有的清吹空气喷射口(13)连通；清吹空气流道(6)与喷嘴壳体(5)壁面具有的清吹空气进气口(3)连通；

内塞体(19)的前端具有燃料分配腔道(15)，后端具有值班级燃料流道(17)，燃料分配腔道(15)与值班级燃料流道(17)连通，值班级燃料流道(17)与喷嘴壳体(5)后端面具有的值班级燃料喷射孔(14)连通；内塞体(19)的前端具有径向设置的预混喷杆(4)，预混喷杆(4)具有与燃料分配腔道(15)连通的预混级燃料流道(16)，预混级燃料流道(16)与预混喷杆(4)端部具有的预混级燃料喷射孔(9)连通；

喷嘴壳体(5)的前端连接有安装边(2)，安装边(2)具有与燃料分配腔道(15)连通的燃料进口接口(1)；

其中：燃料分配腔道(15)具有位于预混级燃料流道(16)前端的总节流装置(7)，值班级燃料流道(17)具有值班级节流装置(10)，总节流装置(7)为燃料分配腔道(15)内壁凸起形成的节流孔，节流装置(10)为值班级燃料流道(17)内壁凸起形成的节流孔。

2.如权利要求1所述的用于低污染燃烧室的气体燃料喷嘴，其特征在于，预混喷杆(4)的数量为多个，多个预混喷杆(4)沿喷嘴壳体(5)周向均匀分布。

3.如权利要求2所述的用于低污染燃烧室的气体燃料喷嘴，其特征在于，清吹空气流道(6)的数量为多个，每个清吹空气流道(6)位于相邻两个预混喷杆(4)之间。

4.如权利要求1所述的用于低污染燃烧室的气体燃料喷嘴，其特征在于，预混级燃料流道(16)具有内壁凸起形成的节流孔。

5.如权利要求1所述的用于低污染燃烧室的气体燃料喷嘴，其特征在于，总节流装置(7)的节流孔以及值班级燃料流道(17)的节流孔的截面形状包括：圆形、矩形或者十字形。

6.如权利要求1所述的用于低污染燃烧室的气体燃料喷嘴，其特征在于，清吹空气换热流道(18)为喷嘴壳体(5)内壁与内塞体(19)的后端外壁形成的环形腔。

7.如权利要求6所述的用于低污染燃烧室的气体燃料喷嘴，其特征在于，清吹空气换热流道(18)一轴向位置处具有阻隔装置(11)，阻隔装置(11)为具有中心孔的环形圈，所述中心孔套在内塞体(19)的后端外壁上，阻隔装置(11)的外缘与喷嘴壳体(5)内壁接触，阻隔装置(11)环形面具有通孔。

8.如权利要求1所述的用于低污染燃烧室的气体燃料喷嘴，其特征在于，内塞体(19)的后端外壁面具有凸起形成的换热肋片(12)。

9.如权利要求1所述的用于低污染燃烧室的气体燃料喷嘴，其特征在于，值班级节流装置(10)包括轴向分布的第一节流装置与第二节流装置，第二节流装置与第一节流装置的轴向距离大于第一节流装置与预混喷杆(4)的轴向距离，值班级燃料喷射孔(14)与第二节流装置的轴向距离大于第二节流装置与第一节流装置的轴向距离。

10.如权利要求1所述的用于低污染燃烧室的气体燃料喷嘴，其特征在于，预混喷杆(4)具有多个预混级燃料喷射孔(9)，多个预混级燃料喷射孔(9)沿预混喷杆(4)周向布置。

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