[发明专利]一种双旋流贫预混喷嘴及其应用

说明书

本发明涉及一种双旋流贫预混喷嘴及其应用，喷嘴包括燃气分流腔帽罩、开设在燃气分流腔帽罩顶部的燃气分流腔、悬垂设置在燃气分流腔下方的中心纺锤体、位于中心纺锤体底部的贫预混腔以及将燃气分流腔与贫预混腔、外界空气相连通的环形导流单元。在工作状态下，燃气经燃气分流腔分流后，经环形导流单元一部分进入贫预混腔，剩余部分喷出至外界空气中，实现对燃气的被动式分级；所述的喷嘴应用于以气体为燃料的微型燃气轮机的燃烧室中。与现有技术相比，本发明采用两级轴向旋流器配合被动式燃气分级和多点喷射措施，形成贫预混气体并扩大火焰体积、降低局部高温，进而达到降低压力损失和氮氧化物排放，以提高燃烧效率。

技术领域

本发明属于燃气轮机技术领域，涉及一种双旋流贫预混喷嘴及其应用。

背景技术

在分布式能源系统中，微型燃气轮机因其具备启停快、燃料适应性好、体积轻巧等特点而被大量采用为系统的原动机。微型燃气轮机具有多台集成扩容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振动、低维修率、可遥控和诊断等一系列先进技术特征，除了分布式发电外，还可用于备用电站、热电联产、并网发电、尖峰负荷发电等，是提供清洁、可靠、高质量、多用途、小型分布式发电及热电联供的最佳方式，无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。此外，微型燃气轮机在民用交通运输(混合动力汽车)以及军车以及陆海边防方面均具有优势，受到美、俄等军事大国的关注，因此，从国家安全看发展微型燃气轮机也是非常重要的。

燃烧室作为微型燃气轮机三大核心部件之一，其喷嘴结构设计对燃烧室的燃烧效率、火焰结构、氮氧化物的排放有重要影响。目前，燃气轮机燃烧室设计中，喷嘴多采用空燃分级配合旋流结构的设计理念。其中，微型燃气轮机的燃烧室设计中以多级径向旋流器配合主/值班燃气的方式来实现空燃分级燃烧。使用径向旋流器主要参考的是航空发动机燃烧室的设计，其原设计宗旨是体积小、推力大，这与地面燃机所需要的高效率、低排放的目标并不完全一致。因此，径向旋流器虽然体积较小且易于装配，但流动阻力高，导致燃烧室压力损失大。在实际的微型燃气轮机加载运行中，使用径向旋流器不易得到较高的整体循环效率。使用主/值班燃气进行燃气分级的初衷是主动调控燃气分级时燃气的流量，从而稳定火焰的结构，防止熄火或回火。在低负荷时只用小流量的值班燃气燃烧，随着燃气负荷的增加，主燃气流量才会随之增加，直至满负荷。因此，这种结构在低负荷时燃烧室内是按照扩散火焰的方式运行的，面临着氮氧化物高、燃烧效率低等多种问题。

授权公告号为CN 101206029 B的中国发明专利公布了一种微型燃气轮机燃烧室喷嘴，包括燃油油路、雾化器通道及燃烧器根部风喷入通道三部分，燃油油路是一个不锈钢管，前端与内置式离心雾化装置过度配合，外壁与雾化器通道的内环管的内壁过度配合；雾化器通道的外环管外壁为喷嘴外壁面，外壁面在喷嘴出口附近渐凸起延伸成圆台状燃烧器根部，燃烧器根部设有多数个风喷入通道，该风喷入通道用于提供补充雾化和冷却的空气；雾化器通道中设有轴向旋流器，雾化器通道的出口为环状缩口，环状缩口围于喷嘴喷口的周圆；燃油油路、雾化器通道及圆台状燃烧器根部同一轴线，喷嘴喷口的中心位于轴线上；喷嘴外壁面直径不大于15毫米，燃烧器根部风喷入通道外壁直径不大于25mm。上述专利公开的技术方案适用于以燃油为燃料的燃烧室，并不能直接燃用天然气，为辅助液体燃料雾化，其需要从压气机中单独配置并控制一股压缩空气用以形成油雾，这将增加这部分空气的压力损失，且增加经济和技术成本。另外，上述专利主要采用扩散式燃烧，仍然不能避免在燃烧室中产生高温集中区，促使NO_x的大量生成，NO_x排放仍然较高。其未采用燃气分级，火焰体积未充分扩大，NO_x的排放将较高。同时，该喷嘴中各空气通道较小，在燃气轮机加载至高负荷时，进入喷嘴的空气量将减少，容易导致主燃烧区助燃空气量不足，并且小通道的旋流空气通道将导致燃烧室中的压力损失增大。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于空气、燃气分级，燃气多点多级喷射的双旋流贫预混喷嘴，用以解决微型燃气轮机燃烧室压力损失高的问题，并协调燃烧效率与氮氧化物排放之间的矛盾。