一种燃料喷嘴旋流数自适应调整的燃烧系统的制作方法

1.本发明涉及一种干式低氮分级燃烧系统，尤其涉及一种燃料喷嘴旋流数自适应调整的干式低氮分级燃烧系统。


背景技术：

2.旋流燃料喷嘴可在下游产生旋进射流，在增强空气和燃料混合的同时，也可形成稳定的高温烟气回流区，起到稳定火焰的作用；另因旋流燃料喷嘴可实现预混燃烧，可调整火焰面当量比接近贫燃熄火极限，大幅度降低火焰面温度，进而有效控制热力型nox污染物生成。
3.一般用旋流数来衡量旋流燃料喷嘴下游旋进射流的强度，旋流数的定义是指气流旋转动量通量与轴向动量通量的比值。根据旋流数的大小可将旋流燃料喷嘴分为强旋流燃料喷嘴和弱旋流燃料喷嘴。气流经强旋流燃料喷嘴后可在下游形成稳定的回流区，而经弱旋流燃料喷嘴，由于气流的旋转动量通量较小，不能在喷嘴下游形成稳定的回流区，旋转射流仅能降低中心气流的速度，形成一个中心发散的低速流场区域，使火焰稳定在当地湍流火焰传播速度等于当地气流速度的位置。相对于强旋流燃料喷嘴，由于弱旋流燃料喷嘴下游不存在高温烟气回流区，可减小烟气在燃烧室高温区的停留时间，在nox排放性能方面更具有优势，但低负荷时弱旋流燃料喷嘴的点火稳定性交差。
4.弱旋流燃烧是一种兴起于上世纪90年代、新颖的贫预混燃烧技术，尚未在重型燃气轮机上得到应用，主要是由于弱旋流燃料喷嘴在燃气轮机低负荷时燃烧稳定性较差。目前在役重型燃气轮机仍普遍采用回流区稳焰的强旋流燃料喷嘴，通过对燃料进行轴向或径向分级，值班燃料采用扩散或预混燃烧、主燃料采用预混燃烧的方式控制nox排放。但由于强旋流燃料喷嘴下游存在高温烟气回流区，这会延长部分高温烟气在燃烧室内的停留时间，增加热力型nox的生成，进而抵消预混燃烧降低nox排放的优势。


技术实现要素：

5.为了进一步降低重型燃气轮机nox排放，解决弱旋流燃料喷嘴在燃气轮机低负荷时易发生燃烧不稳定的问题，本发明提出了一种燃料喷嘴旋流数自适应调整的燃烧系统。本发明结合强旋流和弱旋流燃料喷嘴各自的优点，旋流燃料喷嘴的旋流数可根据燃气轮机的负荷大小自适应调整，在低负荷时调大燃料喷嘴的旋流数，增强燃烧稳定性，而在高负荷时则调小燃料喷嘴的旋流数，降低nox排放。旋流燃料喷嘴旋流数自适应调整的原理是：燃气轮机负荷变化时，旋流叶片所受到的气动力会跟随变化，在低负荷时气动力较小，在高负荷时气动力较大，本发明将旋流叶片设计成弹簧活性铰支连接结构，则旋流叶片的角度可跟随气动力大小而变化，进而改变气流经旋流叶片后旋转动量通量与轴向动量通量的比值，达到自适应调整旋流数的目的。
6.本发明采用如下技术方案来实现的：
7.一种燃料喷嘴旋流数自适应调整的燃烧系统，包括燃料喷嘴外壁、预混燃料外壁、
值班空气外壁、值班燃料外壁、吹扫空气外壁、预混旋流叶片、值班旋流叶片、环形预混燃料隔板和环形值班燃料隔板；其中，燃料喷嘴外壁、预混燃料外壁、值班空气外壁、值班燃料外壁和吹扫空气外壁均为同心圆形截面薄壁结构；
8.预混旋流叶片位于燃料喷嘴外壁和预混燃料外壁构成的环形通道内，用于将燃料喷嘴外壁和预混燃料外壁所构成的环形通道分隔成上游的主燃空气流道和下游的主燃料预混腔；
9.值班旋流叶片位于值班空气外壁和值班燃料外壁构成的环形通道内，用于将值班空气外壁和值班燃料外壁所构成的环形通道分隔成上游的值班空气流道和下游的值班燃料预混腔；
10.环形预混燃料隔板位于预混燃料外壁和值班空气外壁之间，用于将预混燃料外壁和值班空气外壁所构成的环形通道分隔成上游预混燃料流道和下游预混燃烧冷却空气流道；
11.环形值班燃料隔板位于值班燃料外壁和吹扫空气外壁之间，用于将值班燃料外壁和吹扫空气外壁所构成的环形通道分隔成上游值班燃料流道和下游值班燃烧冷却空气流道；
12.吹扫空气外壁位于燃料喷嘴中心，吹扫空气外壁内部为吹扫空气流道。
13.本发明进一步的改进在于，预混旋流叶片由叶片直段、旋流叶片和旋转扭簧构成，叶片直段为中空结构，旋流叶片和叶片直段之间通过旋转扭簧连接。
14.本发明进一步的改进在于，叶片直段前缘开设有预混燃料喷射孔。
15.本发明进一步的改进在于，叶片直段后部开设有预混燃烧冷却空气孔。
16.本发明进一步的改进在于，根据旋流叶片所受气动力的变化情况，旋流叶片能够自由转动，自适应改变燃料喷嘴的旋流数。
17.本发明进一步的改进在于，值班旋流叶片上开设有值班燃料喷射孔和值班燃烧冷却空气孔。
18.本发明进一步的改进在于，预混燃烧冷却空气流道、值班燃烧冷却空气流道和吹扫空气流道下游断面开设有冷却空气喷射孔。
19.本发明进一步的改进在于，预混燃烧冷却空气流道、值班燃烧冷却空气流道和吹扫空气流道下游断面开设有吹扫空气喷射孔。
20.本发明至少具有如下有益的技术效果：
21.本发明提供的一种燃料喷嘴旋流数自适应调整的燃烧系统，将预混燃料喷嘴设计成叶片直段和旋流叶片两部分，旋流叶片与叶片直段间通过旋转扭簧连接。这种设计可使旋流叶片围绕扭簧中心自适应旋转，当燃气轮机负荷增加时，旋流叶片所受气动力增加，旋流叶片往叶背方向旋转，旋流叶片与叶片直段间的夹角增加，气流经旋流叶片后的旋转动量通量减小，轴向动量通量增加，因而旋流数跟随负荷自适应变小；相反，当燃气轮机负荷减小时，燃料喷嘴的旋流数会跟随负荷自适应增加。因此这种燃料喷嘴旋流数自适应调整的燃烧系统，结合了强旋流燃料喷嘴和弱旋流燃料喷嘴的优势，在燃气轮机低负荷时，燃料喷嘴的旋流数较大，具有燃气轮机点火和燃烧稳定性好的优势，在燃气轮机高负荷时，燃料喷嘴旋流数变小，可减小高温烟气在燃烧室内的停留时间，具有进一步降低nox排放的优势。
附图说明
22.图1是本发明一种燃料喷嘴旋流数自适应调整的燃烧系统结构示意图。
23.图2是本发明一种燃料喷嘴旋流数自适应调整的燃烧系统中预混旋流叶片的结构示意图。
24.图3是本发明旋流叶片的可自适应调整的最大和最小位置示意图。
25.附图标记说明：
26.1、燃料喷嘴外壁；2、预混燃料外壁；3、值班空气外壁；4、值班燃料外壁；5、吹扫空气外壁；6、预混旋流叶片；7、值班旋流叶片；8、预混燃料喷射孔；9、预混燃烧冷却空气孔；10、值班燃料喷射孔；11、值班燃烧冷却空气孔；12、环形预混燃料隔板；13、环形值班燃料隔板；14、主燃空气流道；15、主燃料预混腔；16、预混燃料流道；17、预混燃烧冷却空气流道；18、值班燃料流道；19、值班燃烧冷却空气流道；20、值班空气流道；21、值班燃料预混腔；22、吹扫空气流道；23、预混燃烧冷却空气喷射孔；24、值班燃烧冷却空气喷射孔；25、吹扫空气喷射孔；26、叶片直段；27、扭簧；28、旋流叶片。
具体实施方式
27.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
28.请参阅图1，本发明提供的一种燃料喷嘴旋流数自适应调整的燃烧系统，包括燃料喷嘴外壁1、预混燃料外壁2、值班空气外壁3、值班燃料外壁4、吹扫空气外壁5、预混旋流叶片6和值班旋流叶片7。
29.请参阅图1，本实施例中燃料喷嘴外壁1长500mm，外径220mm，内径216mm；预混燃料外壁2长500mm，外径118mm，内径114mm；值班空气外壁3长500mm，外径94mm，内径90mm；值班燃料外壁4长500mm，外径44mm，内径40mm；吹扫空气外壁5长500mm，外径24mm，内径20mm；燃料喷嘴外壁1、预混燃料外壁2、值班空气外壁3、值班燃料外壁4与吹扫空气外壁5呈同轴心布置；预混旋流叶片6布置在由燃料喷嘴外壁1和预混燃料外壁2构成的环形流道内，轴向位置距燃料喷嘴左端面197.5mm，叶片数量为10，呈周向均匀布置，叶片直段前缘叶背和叶盆均等间距开设有7个直径为1.5mm的预混燃料喷射孔8，叶片直段后部开设有长5mm、宽3mm的方形截面预混燃烧冷却空气孔9；值班旋流叶片7布置在由值班空气外壁3和值班燃料外壁4构成的环形流道内，轴向位置距燃料喷嘴左端面348mm，叶片数量为6，呈周向均匀布置，叶片直段前缘叶背和叶盆均等间距开设有4个直径为1.5mm的值班燃料喷射孔10，叶片直段后部开设有长5mm、宽3mm的方形截面值班燃烧冷却空气孔11。环形预混燃料隔板12布置在由预混燃料外壁2和值班空气外壁3构成的环形流道内，轴向位置距燃料喷嘴左端面220mm；环形值班燃料隔板13布置在由值班燃料外壁4和吹扫空气外壁5构成的环形流道内，轴向位置距燃料喷嘴左端面365mm。预混旋流叶片6将燃料喷嘴外壁1与预混燃料外壁2构成的环形通道分成两部分，一是位于预混旋流叶片6上游的主燃空气流道14，二是位于预混旋流叶片6下游的主燃料预混腔15。值班旋流叶片7将值班空气外壁3与值班燃料外壁4构成的环形通
道分成两部分，一是位于值班旋流叶片7上游的值班空气流道20，二是位于值班旋流叶片7下游的值班燃料预混腔21。环形预混燃料隔板12将预混燃料外壁2与值班空气外壁3构成的环形通道分成两部分，一是位于环形预混燃料隔板12上游的预混燃料流道16，二是位于环形预混燃料隔板12下游的预混燃烧冷却空气流道17。环形值班燃料隔板13将值班燃料外壁4与吹扫空气外壁5构成的环形通道分成两部分，一是位于环形值班燃料隔板13上游的值班燃料流道18，二是位于环形值班燃料隔板13下游的值班燃烧冷却空气流道19。吹扫空气外壁5包裹的空间为吹扫空气流道22。在预混燃烧冷却空气流道17、值班燃烧冷却空气流道19和吹扫空气流道22的右端面上分别开设有直径为1mm的预混燃烧冷却空气喷射孔23、值班燃烧冷却空气喷射孔24和吹扫空气喷射孔25。
30.请参阅图2，本实施例中预混旋流叶片6主要由叶片直段26、扭簧27和旋流叶片28构成。
31.请参阅图3，本实施例中预混旋流叶片6的旋流叶片28的可自适应调整的最大和最小位置分别为位置31和位置29，位置30位于位置29和位置31之间。
32.本实施例一种燃料喷嘴旋流数自适应调整的燃烧系统的具体工作方式如下：
33.参与燃烧的空气分别经主燃空气流道14、值班空气流道20、吹扫空气流道22和预混燃烧冷却空气孔9进入燃料喷嘴；参与燃烧的燃料分别经预混燃料流道16和值班燃料流道18进入燃料喷嘴。预混燃料经预混燃料流道16进入预混旋流叶片6内部的中空结构，并经预混燃料喷射孔8喷入主燃空气流道14，与进入主燃空气流道14的主燃空气进行掺混。主燃空气和预混燃料边掺混边流过预混旋流叶片6，经预混旋流叶片6后形成旋转气流，主燃空气和预混燃料在主燃料预混腔15内进一步掺混，掺混后的可燃混气以旋转射流方式进入下游的燃烧室进行燃烧。
34.值班燃料经值班燃料流道18进入值班旋流叶片7内部的中空结构，并经值班燃料喷射孔10喷入值班空气流道20，与进入值班空气流道20的值班空气进行掺混。值班空气和值班燃料边掺混边流过值班旋流叶片7，经值班旋流叶片7后形成旋转气流，值班空气和值班燃料在值班燃料预混腔21内进一步掺混，掺混后的可燃混气以旋转射流方式进入下游的燃烧室进行燃烧。
35.用于冷却燃料喷嘴的冷却空气由预混旋流叶片6上的预混燃烧冷却空气孔9进入燃料喷嘴，然后分成两路，一路经预混燃烧冷却空气流道17，由预混燃烧冷却空气喷射孔23喷出，对主燃料预混腔15和值班燃料预混腔21间的壁面进行冷却；另一路经值班旋流叶片7上的值班燃烧冷却空气孔11进入值班燃烧冷却空气流道19，并由值班燃烧冷却空气喷射孔24喷出，对值班燃料预混腔21和吹扫空气流道22间的壁面进行冷却。吹扫空气经吹扫空气流道22，由吹扫空气喷射孔25喷入燃烧室，通过控制吹扫空气的流量可调整燃烧室内回流区的轴向位置，防止高温回流区前移烧损燃料喷嘴。
36.燃烧系统启动时，预混旋流叶片6的旋流叶片28位于最小位置29，主燃空气经预混旋流叶片6后形成的旋转射流最强，在燃烧室头部形成强回流区，有利于燃烧室点火启动；待点火成功后，随着燃烧空气和燃料流量的增加，燃烧室温度逐渐升高，燃烧室的稳定性燃烧边界变宽，此时旋流叶片28所受的气动力也跟随空气流量增加而增加，在气动力作用下，旋流叶片28逐渐克服扭簧27的弹性力，旋流叶片28的位置自适应逐渐往大的方向调整至位置30。当空气流量增加到最大时，旋流叶片28自适应调整至最大位置31处，此时燃料喷嘴旋
流数最小，主燃空气经预混旋流叶片6后形成的旋转射流较弱，在燃烧室头部不形成回流区，可降低高温烟气在燃烧室内的停留时间，进一步降低nox排放。燃烧系统停止工作时，工作流程刚好相反，预混旋流叶片6的旋流叶片28的位置从最大位置31处逐渐自适应调整至最小位置29处。
37.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。