阅读说明：本技术 一种一体化低污染燃烧室喷嘴结构及方法 (Integrated low-pollution combustion chamber nozzle structure and method ) 是由 汪玉明 孙士恩 林俊光 林钢 秦刚华 鲍听 马聪 俞李斌 于 2021-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一体化低污染燃烧室喷嘴结构,包括喷嘴本体、燃料腔体和空气板；空气板焊接在喷嘴本体上形成一体化结构,并且空气板和喷嘴本体采用相同材料；喷嘴本体的喷嘴端部壁面内壁上设有喷嘴导流壁面；燃料腔体主要由喷嘴杆内腔体和喷嘴突扩内腔体相连组成,喷嘴突扩内腔体外侧设有喷嘴导流孔腔体；空气板由空气孔和空气板壁面组成,空气板壁面上均匀分布有空气孔；喷嘴导流孔腔体外侧设有燃料孔。本发明的有益效果是：本发明采用一体式喷嘴结构形式,将空气孔和燃料喷嘴进行结构集成,并采用同种材料加工,能保证在不同的工况下,空气孔和燃料喷嘴保持一致的膨胀变形,保持主要设计尺寸的一致性,使燃料和空气的混合特性与设计结果保持一致。(The invention relates to an integrated low-pollution combustion chamber nozzle structure, which comprises a nozzle body, a fuel cavity and an air plate, wherein the fuel cavity is formed by a plurality of fuel holes; the air plate is welded on the nozzle body to form an integrated structure, and the air plate and the nozzle body are made of the same material; a nozzle flow guide wall surface is arranged on the inner wall of the nozzle end part wall surface of the nozzle body; the fuel cavity is mainly formed by connecting an inner cavity of the nozzle rod with an inner cavity of the nozzle sudden expansion, and a nozzle diversion hole cavity is arranged outside the inner cavity of the nozzle sudden expansion; the air plate consists of air holes and an air plate wall surface, and the air holes are uniformly distributed on the air plate wall surface; the outer side of the cavity of the nozzle diversion hole is provided with a fuel hole. The invention has the beneficial effects that: the invention adopts an integrated nozzle structure form, structurally integrates the air hole and the fuel nozzle, adopts the same material for processing, can ensure that the air hole and the fuel nozzle keep consistent expansion deformation under different working conditions, keeps the consistency of main design dimensions, and ensures that the mixing property of fuel and air keeps consistent with the design result.)

一种一体化低污染燃烧室喷嘴结构及方法

技术领域

本发明涉及一种喷嘴结构，具体涉及一种一体化低污染燃烧室喷嘴结构及方法。

背景技术

随着能源紧缺及全世界对环境问题的重视，各国对燃气轮机的污染排放性能和燃烧效率要求日趋严格，一般要求燃气轮机在50％以上负荷区间，燃烧室排放能维持在较低水平，同时保持较高的燃烧效率。对于气态燃料(如甲烷)，为了达到低排放水平，预混燃烧技术被广泛采用。虽然预混燃烧能达到较低的排放水平，但在机组运行过程中，容易因为各种故障(喷嘴堵塞、污垢或设计缺陷)造成混气速度小于火焰速度，进而发生回火引起燃烧器损坏等。

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)燃烧原理的喷嘴和燃烧器。其包括多个用于燃料喷射的环状部和用于空气引导的环状部，燃料喷射部件和空气引导部件呈同心状交替地配置，具体喷嘴结构见图5(其中包括燃料供给管66、中间环状管道84、喷嘴孔36、喷嘴孔37、燃料流通路径73)。其中燃料(氢气)由中间环状管道84进入喷嘴，并经过喷嘴孔36和37喷射进入下游火焰筒；空气经由内外两侧分布的空气孔A进入下游火焰筒；燃料和空气方向相互垂直，充分混合，经点火器点燃后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，并且能避免回火的发生。该喷嘴结构可以用于多种燃料的燃烧，比如天然气、氢气、合成气等。但该喷嘴燃料喷射部和空气引导部属于不同的部件，在发生热膨胀时变形位移和方向可能不一致，出现较大的相对位移，造成空气和燃料的混合性能出现较大的偏差，进而造成火焰形态发生改变，火焰稳定性和排放性能发生恶化。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种一体化低污染燃烧室喷嘴结构及方法。

这种一体化低污染燃烧室喷嘴结构，包括喷嘴本体、燃料腔体和空气板；空气板焊接在喷嘴本体上形成一体化结构，并且空气板和喷嘴本体采用相同材料；喷嘴本体的喷嘴端部壁面内壁上设有喷嘴导流壁面；燃料腔体主要由喷嘴杆内腔体和喷嘴突扩内腔体相连组成，喷嘴突扩内腔体外侧设有喷嘴导流孔腔体；空气板由空气孔和空气板壁面组成，空气板壁面上均匀分布有空气孔；喷嘴导流孔腔体外侧设有燃料孔，燃料孔位于空气孔下游，并且燃料孔与空气孔相对应；空气板的外缘设有一圈进气环。

作为优选：喷嘴本体主要由喷嘴杆壁面、喷嘴突扩壁面和喷嘴端部壁面依次相连组成。

作为优选：导流孔腔体均匀布置在喷嘴突扩内腔体的外侧。

作为优选：导流孔腔体为圆柱腔体或方形腔体。

作为优选：圆柱腔体的直径为喷嘴端部壁面直径的5％-15％，圆柱腔体的深度为喷嘴端部壁面直径的20％-30％。

作为优选：燃料孔与导流孔腔体的外壁面成一定角度的锐角或者相互垂直。

作为优选：空气孔和燃料孔数量的比例关系是1:1或1:2或1:3。

这种一体化低污染燃烧室喷嘴结构的工作方法，包括以下步骤：

S1、燃料从燃料进口进入喷嘴杆内腔体，接着进入喷嘴突扩内腔体后分成两部分，一部分沿直线流动撞击喷嘴端部壁面，并在喷嘴端部壁面和喷嘴导流壁面的角落处形成回流涡，并流向喷嘴导流孔腔体，最后从导流孔腔体外侧的燃料孔流出喷嘴结构；另外一部分直接流向喷嘴导流孔腔体，最后从导流孔腔体外侧的燃料孔流出喷嘴结构；

S2、空气从空气进口经过进气环进入空气孔，流速增加，与从燃料孔流出的燃料相互混合，燃料速度方向与空气速度方向相互垂直；

S3、充分混合后的燃气经点火器点燃后，在燃料孔下游形成多个独立分散的小火焰。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用一体式喷嘴结构形式，将空气孔和燃料喷嘴进行结构集成，并采用同种材料加工，能保证在不同的工况下，空气孔和燃料喷嘴保持一致的膨胀变形，保持主要设计尺寸的一致性，使燃料和空气的混合特性与设计结果保持一致。

2、本发明采用一体式喷嘴结构，一个喷嘴单元内的多个燃料孔会共享一个燃料进口，通过燃料通道内部流动结构的精细设计，可以使通过每个燃料孔的燃料量基本一致，燃料均匀性大大提高。

附图说明

图1是一体化低污染燃烧室喷嘴结构示意图；

图2是一体化低污染燃烧室喷嘴结构剖视图；

图3是空气孔和燃料孔周向分布示意图；

图4是带有进气环的一体化低污染燃烧室喷嘴结构示意图；

图5是背景技术中喷嘴结构示意图。

附图标记说明：1、喷嘴本体；11、喷嘴杆壁面；12、喷嘴突扩壁面；13、喷嘴端部壁面；14、喷嘴导流壁面；15、燃料孔；2、燃料腔体；21、喷嘴杆内腔体；22、喷嘴突扩内腔体；23、喷嘴导流孔腔体；3、空气板；31、空气孔；32、空气板壁面；33、进气环。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

本专利的一体化低污染燃烧室喷嘴结构，能够保证空气孔和燃料孔的变形一致性，在各个工况下的燃料混合特性与设计结果一致，并且通过对一体化喷嘴燃料通道内部流动结构的精细设计，可以大大提高每个燃料喷口的燃料均匀性。

实施例一

本申请实施例一提供一种一体化低污染燃烧室喷嘴结构，包括喷嘴本体1、燃料腔体2和空气板3，形成一个独立的喷嘴单元，该喷嘴单元可以独立工作，也可以和其他的喷嘴单元共同工作形成多喷嘴结构。其中，空气板3焊接在喷嘴本体1上，并采用相同材料(不锈钢、高温合金等)，也可以通过3D打印技术将喷嘴本体1、燃料腔体2和空气板3集成打印。这样可以保证喷嘴本体1和空气板3的热变形基本一致，不会随着进口条件的变化而产生相对位移，造成空气和燃料的掺混性能发生恶化。

喷嘴本体1主要由喷嘴杆壁面11、喷嘴突扩壁面12和喷嘴端部壁面13依次相连组成；喷嘴端部壁面13内壁上设有喷嘴导流壁面14；燃料腔体2主要由喷嘴杆内腔体21和喷嘴突扩内腔体22相连组成，喷嘴突扩内腔体22外侧设有喷嘴导流孔腔体23；喷嘴本体1外侧壁设有一圈空气板3，空气板3由空气孔31和空气板壁面32组成，空气板壁面32上均匀分布有空气孔31；喷嘴导流孔腔体23外侧设有燃料孔15，燃料孔15位于空气孔31下游，并且燃料孔15与空气孔31相对应。在空气板3的外缘设有一圈进气环33。

图3是一个喷嘴单元上多个空气孔的圆形分布形式，空气孔和燃料孔相对应，燃料孔位于空气孔的下游。图4中空气孔和燃料孔的比例关系是1:1，空气孔和燃料孔的比例关系也可以是1:2或1:3，在此不做限定。

图4是带有进气环的一体化喷嘴结构，在空气板3的外缘增加了一圈进气环33，该进气环能使进入空气孔31的气流更均匀，流向更加规则。且该进气环能提高整个喷嘴装配时的容错率，在整个喷嘴受热发生整体变形时，进气环的存在能增加喷嘴与燃烧室的接触面积，使喷嘴不至于发生错位，进而造成火焰形态发生较大变化。

实施例二

导流孔腔体23均匀布置在喷嘴突扩内腔体22的外侧。导流孔腔体可以为圆柱腔体，也可为方形腔体。优选圆柱腔体，更优选地，圆柱腔体的直径为喷嘴直径的5％-15％，腔体的深度为喷嘴直径的20％-30％。导流孔腔体23的外壁面开有燃料孔15，相对位置可以成一定角度的锐角，也可相互垂直。由于导流孔腔体直径大于燃料孔直径，因此在燃料分配时，能提升不同燃料孔之间的燃料均匀性；导流孔腔体23位于喷嘴突扩内腔体22的外侧，且深度大于直径，燃料在流入导流孔腔体时流动方向较为规则，在燃料分配均匀性上会有较大的提升。

实施例三

图2是一种一体化低污染燃烧室喷嘴结构剖视图，燃料(甲烷/氢气)从燃料进口进入喷嘴杆内腔体21，接着进入喷嘴突扩内腔体22后分成两部分，一部分沿直线流动撞击喷嘴端部壁面13，并在喷嘴端部壁面13和喷嘴导流壁面14的角落处形成回流涡，并流向喷嘴导流孔腔体23，最后从导流孔腔体23末端的燃料孔15流出喷嘴结构；另外一部分直接流向喷嘴导流孔腔体23，最后从导流孔腔体23末端的燃料孔15流出喷嘴结构。导流孔腔体23与燃料孔15相对应，导流孔腔体23可以为圆柱体，也可以为方体等。在一个喷嘴单元中有一个燃料进口，通过对导流孔腔体23的精细设计可以提高不同燃料孔15之间的流量均匀性。本实例中的喷嘴结构通过回流涡和导流孔腔体23相结合，大大提高了不同燃料孔15之间的流量均匀性，进而保证了喷嘴下游的局部当量比，防止出现高温热点进而造成局部NOx偏高。

空气从空气进口进入空气孔31，流速增加，与从燃料孔15流出的燃料相互混合，由于燃料速度方向与空气速度方向相互垂直，能加强燃料和空气之间的掺混，形成类似于预混的效果。充分混合后的燃气经点火器点燃后，在燃料孔15下游形成多个独立分散的小火焰，能极大减小NOx的排放，且由于燃料和空气位于不同的通道，能避免回火现象的产生。