一种低污染燃烧室喷嘴结构及方法
阅读说明：本技术 一种低污染燃烧室喷嘴结构及方法 (Low-pollution combustion chamber nozzle structure and method ) 是由 林俊光 孙士恩 汪玉明 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：本发明涉及低污染燃烧室喷嘴结构,包括喷嘴单元,每个独立的喷嘴单元主要由喷嘴本体、燃料腔体和空气板组成；喷嘴本体内设有燃料腔体,燃料腔体由喷嘴杆内腔体和喷嘴突扩内腔体相连组成；喷嘴本体外侧壁设有空气板,空气板由空气门洞和空气板壁面组成,空气板壁面上均匀分布有空气门洞；喷嘴本体上设有燃料孔,燃料孔位于空气门洞下游,并且燃料孔与空气门洞相对应；若干个喷嘴单元呈向心分布形式,组成多喷嘴结构。本发明的有益效果是：本发明采用多个喷嘴单元组合工作,在拆装上的难度会有所降低；当某个喷嘴单元出现故障时,可以只更换这一个喷嘴单元,对其他的喷嘴单元没有影响,维护成本大大减小。(The invention relates to a low-pollution combustion chamber nozzle structure, which comprises nozzle units, wherein each independent nozzle unit mainly comprises a nozzle body, a fuel cavity and an air plate; the nozzle body is internally provided with a fuel cavity, and the fuel cavity is formed by connecting an inner cavity of the nozzle rod and an inner cavity of the nozzle sudden expansion; the outer side wall of the nozzle body is provided with an air plate, the air plate consists of air door holes and an air plate wall surface, and the air door holes are uniformly distributed on the air plate wall surface; the nozzle body is provided with a fuel hole, the fuel hole is positioned at the downstream of the air door opening, and the fuel hole corresponds to the air door opening; the plurality of nozzle units are distributed in a centripetal mode to form a multi-nozzle structure. The invention has the beneficial effects that: the invention adopts a plurality of nozzle units to work in a combined way, so that the difficulty in disassembly and assembly can be reduced; when a certain nozzle unit breaks down, only the nozzle unit can be replaced, other nozzle units are not affected, and maintenance cost is greatly reduced.)
技术领域
本发明涉及一种喷嘴结构，具体涉及一种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7(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(天然气、氢气等)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，不仅能够降低火焰温度，还能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。
但该喷嘴结构均位于环状部上，必须整环进行装配，拆装较为困难；当某个喷嘴出现故障或损坏后，必须整个环状部一起维修、更换，维护成本较大。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种低污染燃烧室喷嘴结构及方法。
这种低污染燃烧室喷嘴结构，包括喷嘴单元，每个独立的喷嘴单元主要由喷嘴本体、燃料腔体和空气板组成；喷嘴本体内设有燃料腔体，燃料腔体由喷嘴杆内腔体和喷嘴突扩内腔体相连组成；喷嘴本体外侧壁设有空气板，空气板由空气门洞和空气板壁面组成，空气板壁面上均匀分布有空气门洞；喷嘴本体上设有燃料孔，燃料孔位于空气门洞下游，并且燃料孔与空气门洞相对应；若干个喷嘴单元呈向心分布形式，组成多喷嘴结构。
作为优选：喷嘴本体由喷嘴杆壁面、喷嘴突扩壁面、喷嘴腔体壁面和喷嘴端部壁面依次相连组成。
作为优选：喷嘴杆壁面围合成喷嘴杆内腔体，喷嘴突扩壁面、喷嘴腔体壁面和喷嘴端部壁面围合成喷嘴突扩内腔体。
作为优选：燃料孔位于喷嘴腔体壁面上。
作为优选：空气板呈圆形布置在喷嘴本体外壁上形成圆形喷嘴单元，一个圆形喷嘴单元上有6-14组空气门洞和燃料孔。
作为优选：若干个圆形喷嘴单元呈向心分布形式，组成圆形多喷嘴结构。
作为优选：空气板呈六边形布置在喷嘴本体外壁上形成六边形喷嘴单元，一个六边形喷嘴单元上有6或12组空气门洞和燃料孔。
作为优选：若干个六边形喷嘴单元呈向心分布形式，组成六边形多喷嘴结构。
这种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，并在喷嘴端部壁面前形成回流涡，并最后从燃料孔流出喷嘴结构；另外一部分直接从燃料孔流出喷嘴结构；
S2、空气从空气进口进入空气门洞，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。
这种低污染燃烧室喷嘴结构的多喷嘴结构组合工作方法，在部分负荷时，只开启一个或多个喷嘴单元，喷嘴单元的开启数量根据燃烧室负荷的要求动态调整，包括以下步骤：
S1、点火器位于第一层中心喷嘴单元的圆心位置，在点火器放电点火后，只给中心喷嘴单元供给燃料，中心喷嘴单元开始被点燃，随着燃料的增加燃烧室的功率增加，燃气轮机的转速也逐渐提升；当转速升高至额定转速时，此时燃气轮机的做功和耗功相互抵消，此时继续增加燃料流量，继续保持中心喷嘴单元燃烧；
S2、当燃气轮机的做功为额定负载的25％，打开第二层喷嘴单元的控制阀门，使第一层和第二层喷嘴单元同时保持燃烧状态；
S3、当燃气轮机的做功为额定负载的50％时，打开第三层喷嘴单元的控制阀门，使第一层、第二层和第三层喷嘴单元同时保持燃烧状态；
S4、当燃气轮机的做功为额定负载的75％时，打开第四层喷嘴单元的控制阀门，使所有喷嘴单元同时保持燃烧状态。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用多个喷嘴单元组合工作，在拆装上的难度会有所降低；当某个喷嘴单元出现故障时，可以只更换这一个喷嘴单元，对其他的喷嘴单元没有影响，维护成本大大减小。
2、对于多喷嘴单元组合工作模式，在部分负荷时，可以只开启一个或多个喷嘴单元，喷嘴单元的开启数量可以根据负荷的要求动态调整，减小了燃烧室负荷调节难度，有助于在燃烧稳定的前提下不恶化燃烧室的出口温度分布。
附图说明
图1是低污染燃烧室喷嘴结构示意图；
图2是低污染燃烧室喷嘴结构剖视图；
图3是低污染燃烧室喷嘴结构(圆形实施方式)示意图；
图4是低污染燃烧室喷嘴结构(六边形实施方式)示意图；
图5是低污染燃烧室喷嘴结构(圆形多喷嘴实施方式)示意图；
图6是低污染燃烧室喷嘴结构(六边形多喷嘴实施方式)示意图；
图7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、喷嘴腔体壁面；14、喷嘴端部壁面；15、燃料孔；2、燃料腔体；21、喷嘴杆内腔体；22、喷嘴突扩内腔体；3、空气板；31、空气门洞；32、空气板壁面。
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。
本专利的低污染燃烧室喷嘴结构，燃烧室喷嘴拆装难度、维护成本大大降低，减小燃烧室负荷调节难度，适应燃烧室功率变化。
实施例一
本申请实施例一提供一种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。该喷嘴单元可以单独拆装，在多喷嘴结构中可以拆装任意一个或多个喷嘴单元。当某个喷嘴单元出现故障时，可以在不影响其他喷嘴单元的前提下进行拆装维护，操作简便，维护成本较低。
喷嘴本体1由喷嘴杆壁面11、喷嘴突扩壁面12、喷嘴腔体壁面13和喷嘴端部壁面14依次相连组成；燃料腔体2由喷嘴杆内腔体21和喷嘴突扩内腔体22相连组成；喷嘴腔体壁面13外侧壁设有一圈空气板3，空气板3由空气门洞31和空气板壁面32组成，空气板壁面32上均匀分布有空气门洞31；喷嘴腔体壁面13上设有燃料孔15，燃料孔15位于空气门洞31下游，并且燃料孔15与空气门洞31相对应。
实施例二
图2是低污染燃烧室喷嘴结构剖视图，燃料(天然气/氢气/任意比例下氢气和天然气的合成气)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14，并在喷嘴端部壁面14前形成回流涡，并最后从燃料孔15流出喷嘴结构；另外一部分直接从燃料孔15流出喷嘴结构。空气从空气进口进入空气门洞31，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，形成微混合的效果。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。
实施例三
图3是一个喷嘴单元上多个空气门洞的圆形分布形式，空气孔和燃料孔一一对应，燃料孔位于空气孔的下游。对于圆形分布形式，一个喷嘴单元上有6-14组空气门洞和燃料孔。燃料孔和空气门洞的结构形式和尺寸不做特殊限定，能满足上述效果的不做原创性的结构均在本发明限定范围内。
图5是一种低污染燃烧室喷嘴结构的圆形多喷嘴实施方式，呈现向心分布形式。第一层为中心喷嘴单元，第二层为外侧的6个相同的喷嘴单元，第三层为12个相同的喷嘴单元，第四层为18个相同的喷嘴单元……，具体层数根据燃烧室尺寸以及能量密度来决定。
实施例四
图4是一个喷嘴单元上多个空气门洞的六边形分布形式，一个喷嘴单元上有6或12组空气孔和燃料孔。燃料孔和空气门洞的结构形式和尺寸不做特殊限定，能满足上述效果的不做原创性的结构均在本发明限定范围内。
图6是一种低污染燃烧室喷嘴结构的六边形多喷嘴实施方式，呈现向心分布形式。第一层为中心喷嘴单元，第二层为外侧的6个相同的喷嘴单元，第三层为12个相同的喷嘴单元，第四层为18个相同的喷嘴单元……，具体层数根据燃烧室尺寸以及能量密度来决定。
实施例五
对于多喷嘴单元组合工作模式，在部分负荷时，可以只开启一个或多个喷嘴单元，喷嘴单元的开启数量可以根据燃烧室负荷的要求动态调整。举个例子，点火器(图中未显示)位于第一层中心喷嘴单元的圆心位置，在点火器放电点火后，只给中心喷嘴单元供给燃料，中心喷嘴单元开始被点燃，随着燃料的增加燃烧室的功率慢慢增加，燃气轮机的转速也逐渐提升。当转速升高至额定转速时，此时燃气轮机的做功和耗功刚好抵消，此时继续增加燃料流量，继续保持中心喷嘴单元燃烧。当燃气轮机的做功为额定负载的25％，打开第二层喷嘴单元的控制阀门，使第一层和第二层喷嘴单元同时保持燃烧状态；当燃气轮机的做功为额定负载的50％时，打开第三层喷嘴单元的控制阀门，使第一层、第二层和第三层喷嘴单元同时保持燃烧状态；燃气轮机的做功为额定负载的75％时，打开第四层喷嘴单元的控制阀门，使所有喷嘴单元同时保持燃烧状态。通过喷嘴开启数量的变化，可以制定有效的分级策略来降低燃烧室的负荷调节难度，可以保证燃烧室在不同负荷下均能保持稳定燃烧且能保持较低的污染排放和较好的出口温度分布。