一种设置在燃气轮机燃烧室喷嘴中的空气旋流装置

摘要

一种设置在燃气轮机燃烧室喷嘴中的空气旋流装置，属于燃气轮机技术领域。本发明包括中心燃料通道和外围环形空气通道。外围轴向环形空气通道在中心锥体外部沿轴向布置有一级空气旋流装置，空气旋流装置的叶片设有切口部，起始位置位于叶片吸力侧叶片弯曲角度的变化点，切口部的切面同叶片吸力侧的交线垂直于叶片轴线所在的水平面，且切面的方向沿叶片吸力侧弯曲角度变化点的切线方向，切口部长度贯穿至叶片尾部。本发明可保证空气通道外周侧的旋流强度，增大空气通道内周侧的气流速度，匹配喷嘴出口速度分布和燃料空气的掺混效果，合理控制燃烧区域，维持燃烧室内部流场结构，从而保证燃烧的稳定性和良好的出口温度分布。

说明书

技术领域

本发明涉及一种设置在燃气轮机燃烧室喷嘴中的空气旋流装置，尤其涉及使用天然气燃料的燃气轮机低污染燃烧室喷嘴。

背景技术

在我国当前的能源结构中，采用传统燃煤技术的火力发电占据了绝大部分份额。但是这种传统的发电技术存在发电效率低，污染物排放高(尤其是NOx排放)，耗费淡水资源多等缺点。以天然气为燃料的燃气轮机发电技术作为清洁能源技术之一，可以在满足发电负荷要求的同时，有效的降低污染物的排放，这其中燃气轮机燃烧室喷嘴的设计对于组织燃烧、降低污染物排放尤为重要。

燃气轮机燃烧室中，燃料气和空气通过喷嘴实现预混和速度型的改变，在喷嘴出口达到合理的速度分布，并匹配合理的燃料空气混合比例，进入燃烧室组织燃烧。当前，对燃气轮机燃烧室喷嘴的设计形式，例如专利CN 100567823C，采用底部带缺口的空气旋流叶片，提高空气通道内周侧的速度，匹配喷嘴出口速度型和燃料空气混合比例。

但是，由于空气旋流叶片底部存在缺口，通道内周侧的气流偏转角度小，旋流强度弱，导致这一侧燃料和空气的掺混效果变差，影响燃烧的组织和污染物的生成。因此，仍然需要更加合理有效的燃气轮机燃烧室喷嘴形式来组织燃烧和控制污染物排放。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种设置在燃气轮机燃烧室喷嘴中的空气旋流装置，使其一方面可保证通道外周侧气流的旋流强度，同时将通道内周侧气流方向引导回轴向，增大空气通道内周侧的气流速度，保证喷嘴出口速度分布合理、燃料空气掺混均匀。另一方面还能匹配喷嘴出口速度分布、燃料和空气的掺混效果，合理控制燃烧区域，维持燃烧室内部流场结构，从而保证燃烧的稳定性和良好的出口温度分布。

本发明所采用的技术方案如下：一种设置在燃气轮机燃烧室喷嘴中的空气旋流装置，该空气旋流装置采用轴向叶片式结构，其特征在于：空气旋流装置的叶片设有切口部，该切口部的起始位置位于叶片吸力侧弯曲角度变化点，该切口部的切面同叶片吸力侧的交线垂直于叶片轴线所在的水平面，且切面的方向沿叶片吸力侧弯曲角度的切线方向，切口部长度贯穿至叶片尾部，切口部径向深度为叶片高度的20％～95％。

上述技术方案中，所述的叶片沿外围环形空气通道均匀布置，叶片个数在6～12之间。

所述的空气旋流装置采用中空轴向叶片式结构，并通过燃料喷射孔与中心燃料通道相连通。

所述的切口部叶片吸力侧的内周侧弯曲角度从α变化至0度。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：①本发明可保证通道外周侧气流的旋流强度，同时将通道内周侧气流方向引导回轴向，将空气通道内周侧的旋流空气轴向速度增大，减少中心锥体附面层对喷嘴出口速度型的影响，保证空气通道内周侧速度型和燃料空气掺混匹配，中心锥体下游不产生回流区，提高燃烧可靠性。②本发明的叶片切口部的起始位置、切口长度、切口径向深度的调整能够为喷嘴空气旋流装置提供更宽的设计空间，满足不同燃料和空气掺混的需要，能够改善喷嘴中心锥体至喷嘴出口部分的速度分布。

附图说明

图1为布置有空气旋流装置的燃气轮机燃烧室喷嘴的结构原理示意图。

图2为图1的三维结构剖视图。

图3为本发明的空气旋流装置的三维结构示意图。

图4为本发明的空气旋流装置的叶片结构的单个旋流叶片的三维结构示意图(表示切口部在叶片吸力面的位置)。

图5为本发明的空气旋流装置的叶片结构的单个旋流叶片三维三维结构示意图(表示出切口部在压力面的位置)。

图6为本发明的空气旋流装置的叶片结构的单个旋流叶片俯视图。

图中符号说明如下：1-中心燃料通道；2-外围环形空气通道；3-中心锥体；4-空气旋流装置；5-切口部；6-燃料喷射孔；7-叶片吸力侧弯曲角度变化点；8-交线；9-喷嘴收缩段；10-叶片吸力侧弯曲角度切线；11-叶片吸力侧；12-叶片压力侧；13-切面；14-水平面。

具体实施方式

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。

图1、图2和图3为布置有空气旋流装置的燃气轮机燃烧室喷嘴的结构原理示意图，空气旋流装置设置在外围环形空气通道2内的中心锥体3的上游，该空气旋流装置4采用轴向叶片式结构，最好采用中空轴向叶片式结构，并沿外围环形空气通道2均匀布置，通过燃料喷射孔6与中心燃料通道1相连通，叶片个数一般在6～12之间。

空气旋流装置4的叶片设有切口部5，起始位置位于叶片吸力侧弯曲角度变化点7，切口部5的切面13同叶片吸力侧11的交线8垂直于叶片轴线所在的水平面14，且切面13的方向沿叶片吸力侧弯曲角度变化点7的切线10方向，切口部5长度贯穿至叶片尾部，切口部5径向深度为叶片高度的20％～95％。

空气旋流装置4在设计过程中根据具体的空气动力学要求和燃料掺混的不同要求，叶片吸力侧弯曲角度α也有所不同。叶片在整体铸造成型后，通过切割加工出切口部成为本发明的结构。叶片整体铸造时的模具在不同的叶高方向，弯曲角度均从0增加至α，再从α减小至0。叶片吸力侧弯曲角度的变化点7为起始位置，切割从起始位置所在的交线8开始沿叶片吸力侧弯曲角度变化点7的切线10方向切割出切面13，切面13同叶片吸力侧11的交线8垂直于叶片轴线所在的水平面14。(参见图4、图5和图6)

叶片切口部5吸力侧11的内周侧弯曲角度从α变化至0度。

本发明的工作原理如下：

天然气燃料进入轴向中心燃料通道1，通过中心锥体3壁面开孔进入空气旋流装置4的叶片上右侧位置，从叶片两侧燃料喷射孔6喷出。空气进入外围轴向环形空气通道2，在空气旋流装置4前端同燃料进行混合，并经过空气旋流装置4作用产生旋流，混合效果增强。远离中心锥体3的空气通道外周侧的燃料和空气混合气到达切口部5位置后，保持原有的旋流强度至空气旋流装置4出口；贴近中心锥体3的空气通道内周侧的燃料和空气混合气到达切口部5位置后，叶片弯曲角度反向，混合气速度方向偏转回轴向至空气旋流装置4出口。空气通道内、外周测燃料和空气混合气在空气旋流装置4出口处掺混，经过喷嘴收缩段9直至喷嘴出口。从而形成匹配的喷嘴出口速度分布和燃料空气掺混效果，保证燃烧的稳定性和良好的出口温度分布。