專利名稱：一種用于化學回熱循環的裂解氣燃料噴射裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種燃氣輪機，具體地說是燃氣輪機的燃料噴射裝置。
背景技術：
隨著技術的進步，人們對燃氣輪機性能的要求也越來越高。為了提高燃機的性能，許多先進的循環方式被不斷的提出，而其中化學回熱循環是一種先進循環方式。化學回熱循環燃氣輪機CRGT的工作方式決定其燃燒室必需采用雙燃料系統，液體燃料的噴射一般采用離心霧化噴嘴，而氣態燃料的混合則是難點之一。隨著世界各國對環境保護的進一步重視，使燃氣輪機能夠高效的運轉，并能夠減少在工作過程中所產生的一系列污染，是設計者最求的目標。對于燃燒傳統烴類燃料的燃燒室來說，氮氧化物是其中的一項重要的污染物，而如果能夠控制燃燒過程的最高溫度，就能夠控制這項污染物的數量，但前提是將燃料和空氣進行貧混合燃燒，未參與反應的過量氣體吸收燃燒產生的熱量，從而將燃燒的溫度降低到不會大量形成氮氧化物的水平，從而實現低排放。在該領域中已存在的一些方法如下雙環形對轉式旋流器燃料噴射器DACRS的方法在設計中有很多的應用，這種方法能夠能夠形成較強的剪切流場和湍流流場，能夠產生良好的混合特性比如說美國專利No. 5165241、No. 5251447、5351477、No. 5599529、No. 5638682,No. 5680766。這些設計不能夠在燃燒區域的中心線上產生強大的回流區域，不能夠穩定燃燒，為了解決這一問題而補充的未預混燃料，將極大的提高燃燒的溫度，抵消了為了降低污染所做的努力。雖然DACRS技術是一項沿用已久的技術，但是由于過去的設計無法能夠解決預混燃燒穩定性的問題，因而還有很大的提升空間。而在工程中還有一種比較常用的方法，即將預混燃料燃燒器合并位于旋流器葉片之間或其表面上的燃料噴嘴裝置，這些橫向注入的方式會造成燃燒室內燃料濃度的高低不均勻，在一些位置溫度過高，產生熱點，在一些位置燃料濃度過低，造成熄火，另外這種橫向流動注入也會導致燃燒過程中的波動，需要設計人員的更進一步的設計改善。在燃燒流場的組織過程中，也經常利用一種柯恩達效應來進行噴嘴的設計。這是一種流體力學中的現象，即從噴嘴中流出來的氣體從離開本來的流動方向，改為隨著凸出的物體表面流動的傾向。當流體與它流過的物體表面之間存在表面摩擦時，流體的流速會減慢。只要物體表面的曲率不是太大，依據流體力學中的伯努利原理，流速的減緩會導致流體被吸附在物體表面上流動，這時物體的表面對流體就會產生導向作用，在本設計中就是利用這一點來對傳統的設計進行一定的改進的。在專利CN 101153558A中，美國的通用公司采用了一種叫柯恩達異型燃料噴射翼片的環形陣列噴射裝置，設計中采用該構造以提供柯恩達效應，能夠實現有效的燃料預混和穩定燃燒。然而該專利中使用的是將燃料噴口設計到一些異型葉片上，這樣的葉片生產的成本會比較高，結構也會比較復雜，而在其他專利，比如說意大利的一項專利申請CN100447432C，該專利巧妙的應用柯恩達效應，采用極為兩個活動元件結構，就實現了氣流的三自由度調節。美國約翰津克公司的專利申請CN101135442B中，在鍋爐的出口處采用了柯恩達效應表面，用于促進分級燃燒區的形成。柯恩達效應是比較簡潔的氣流方向調節手段，雖然被使用多年，確很少使用到燃氣輪機燃燒室的設計中。通用電氣公司的一些專利，如CN 101201176A中，在一種混裝置中應用了柯恩達效應，用來調節收縮-擴張管道的喉部的結構，來調節不同工況下的氣流和燃料的混合情況。但該結構中沒有旋流葉片結構，沒有將旋流葉片能夠產生的剪切流場應用到燃燒室頭部的燃料混合中去。
發明內容本實用新型的目的在于提供應用于燃氣輪機化學回熱循環燃燒室中的一種用于化學回熱循環的裂解氣燃料噴射裝置。本實用新型的目的是這樣實現的本實用新型一種用于化學回熱循環的裂解氣燃料噴射裝置，其特征是包括內輪轂、中輪轂、外輪轂、內級旋流葉片、外級旋流葉片、中心體帽罩，內級旋流葉片安裝在內輪轂和中輪轂之間，外級旋流葉片安裝在中輪轂和外輪轂之間，內輪轂內設置中央通孔，內輪轂與中央通孔之間形成燃料供入通道，中心體帽罩將燃料供入通道封閉，內輪轂上設置裂解氣燃料的進口通道，中輪轂上設置裂解氣環腔，進口通道連通裂解氣環腔，裂解氣環腔端部為噴嘴，內級旋流葉片和外級旋流葉片形成漸擴通道，從噴嘴中噴出的氣體經漸擴通道進入燃燒室。本實用新型還可以包括I、所述的內級旋流葉片和外級旋流葉片的旋流方向不同。2、所述的噴嘴為出口上下均為鈍體形狀的科恩達噴嘴。3、所述的外級旋流葉片的徑向高度大于內級旋流葉片，外級旋流葉片的軸向長度長于內級旋流葉片。本實用新型的優勢在于I、本實用新型能夠很好的混合裂解氣燃料和空氣，使得火焰長度進一步縮短，這樣就使得燃燒室長度的縮短成為可能，從而進一步使得燃氣輪機結構趨于緊湊。2、本實用新型外級旋流器的尺寸較大，能夠承擔下游流場組織的作用，提高燃燒的穩定性，克服了傳統的DACRS設計中存在的燃燒不穩定、不易形成穩定的回流區、需要補充其他結構來達到要求的不足。3、本實用新型中柯恩達型燃料噴嘴的設計，相比直接將裂解氣供入高速氣流中的方式，能夠有效的防止燃料噴射混合中帶來的流場波動，使裂解氣燃料和空氣能夠平穩預混，以形均勻的燃料氣混合物，且不造成較明顯的邊界層分離流動。
圖I為本實用新型的結構示意圖；圖2為本實用新型的剖視圖；圖3為圖2的剖切位置示意圖；圖4為本實用新型的俯視半剖圖；圖5為圖4半剖圖的剖切位置示意圖；[0024]圖6為本實用新型左視半剖圖的示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖舉例對本實用新型做更詳細地描述結合圖I 6，該旋流器包括燃料供入通道1，葉片內氣體通道2，旋流器外輪轂3，漸擴通道4，內級旋流葉片5，中心體帽罩6，中央通孔7，柯恩達噴嘴8，旋流器葉片9，裂解氣環腔10，旋流器中輪轂11，旋流器內輪轂12。此外還包括裂解氣燃料流向示意曲線13和漸擴通道大體示意曲線14。圖I和圖2共同說明了該裂解氣燃料環形噴射口的工作原理，裂解氣首先通過燃料供入通道I進入噴嘴中，在遇到中心體帽罩6的阻擋后，通過葉片氣體通道2進入裂解氣環腔10中，進行一定的穩流，再通過柯恩達噴嘴8噴射出去。空氣通過內級旋流葉片5與外級旋流葉片9進入燃燒室。由于葉片的旋流方向不同，使得在葉片出口處存在著旋轉方向不同的環形氣流。旋流葉片與通常設計中所采用的葉片不同，外級旋流葉片9和內級旋流葉片5與中間輪轂11靠近的一端長度比較短，因此在靠近中間輪轂11的位置，氣流由于慣性沖出旋流葉片，和柯恩達效應的噴嘴相互配合，達到預混燃料的目的，而外級旋流葉片遠離中間輪轂的位置，能夠將氣流進行充分的旋轉，在下游的位置形成較強的回流，能夠起到穩定火焰、防止不穩定燃燒的作用。圖3說明了圖I和圖2所選擇的剖切位置。圖4進一步說明了裂解氣進入柯恩達效應噴嘴的通道。圖中所示的葉片內氣體通道2和燃料供入通道I的相對位置可以是相切，也可以是相貫，開設的孔徑應以燃燒室工作時的最大流量為準來進行設計。圖5表明了圖4半剖圖的剖切位置。圖6中裂解氣燃料流向示意曲線13表示了裂解氣燃料通過所設計的氣流通道進入燃燒區的途徑，而漸擴通道大體示意曲線14示意了由內級旋流葉片的葉尖與外級旋流葉片的葉根的外輪廓線所形成的漸擴的環形氣流通道。柯恩達效應噴嘴所噴出的一部分氣流會隨著預定壁面輪廓偏轉，即沿著鈍體表面偏轉而流動，且沿內側壁形成燃料邊界層，并由于附面層的效應，這種混合相比直接將裂解氣供入高速氣流中的方式，能夠有效的防止燃料噴射混合中帶來的流場波動，使裂解氣燃料和空氣能夠平穩預混，以形均勻的燃料氣混合物，且不造成較明顯的邊界層分離流動。燃料氣體不是射入主氣流中，而是逐漸由支流匯入主流中，造成的波動必然就會小很多。簡單說來，就是柯恩達表面的預混合裝置則能夠有效的減少橫向流動帶來的氣流壓力的明顯的波動。圖6中也示意了由外級旋流葉片組葉根部和內級旋流葉片組葉尖部連線所形成的環形漸擴區域。環形通道的設計主要是為裂解氣燃料和空氣提供一個良好的混合方式。由于葉片的尾緣是漸擴的，因此靠近中間輪轂的氣流先從葉片中流出，內外兩級旋流葉片的旋流方向相反，產生了比較強烈的剪切流場，與夾在其中的裂解氣燃料進行強烈的混合，使得第一步通過柯恩達效應進行預混的燃料混合氣再次進行強烈的摻混，避免局部裂解氣含量過高或者過低的現象，使得燃燒趨于穩定。本實用新型中，裂解氣燃料首先經內部的氣體燃料管道進入最內側輪轂之內，在內側輪轂的壁面上處分布著裂解氣燃料的進口通道，裂解氣通過這些通道流經內級旋流器葉片，進入中間輪轂的氣體腔室內進行穩壓，再通過利用柯恩達效應設計的裂解氣燃料環形噴射口。由于柯恩達效應，燃料會附著在壁面上，然后匯入經過旋流器葉片的高速空氣中，這是第一次摻混。兩級旋流器葉片組靠近中間輪轂的地方好像被撕去了一部分，缺少葉片的空間在外形上構成了一個漸擴的環形通道，因而旋流器外級葉片靠近中央輪轂處的高速氣流，沒有葉片的約束且本身具有的慣性，流動截面和速度方向發生改變，會出現一定的發散的現象，向漸擴環形通道內處擴散；同樣的，內級旋流器葉片上部的氣流同樣出現擴散的效果。這樣會在兩者交界處產生剪切流場，該流場將先前沒有隨柯恩達噴嘴壁面發生偏轉的裂解氣燃料和已經匯入高速氣流中的燃料-空氣混氣進行摻混，從而達到良好的摻混效果，這是第二次摻混。由于葉片里部和外部的扭曲程度和結構尺寸不同，外部旋流葉片組的每一個葉片的扭曲較大,尺寸也較大,氣流流量較大,氣體的旋流系數較大，而內部旋流葉片組的每一個葉片相比而言則扭曲較小，氣流流量較少，旋流系數相對較小，無法形成較明顯的回流區，僅僅只是為了造成底部氣流方向和上部氣流方向不同，形成剪切流場以強化摻混；外級旋流器所產生的氣流，其靠中間輪轂的部分和內級旋流相互剪切混合，相互抵消，而外側旋流部分則保持著高速的氣流，能夠在軸線處形成較強的回流區，起到組織燃燒場的作用。本實用新型雖然是為裂解氣燃料所設計的噴嘴的氣體部分，但該結構中可通入液體燃料，同樣能夠實現對液體燃料的霧化和混合。
權利要求1.一種用于化學回熱循環的裂解氣燃料噴射裝置，其特征是包括內輪轂、中輪轂、夕卜輪轂、內級旋流葉片、外級旋流葉片、中心體帽罩，內級旋流葉片安裝在內輪轂和中輪轂之間，外級旋流葉片安裝在中輪轂和外輪轂之間，內輪轂內設置中央通孔，內輪轂與中央通孔之間形成燃料供入通道，中心體帽罩將燃料供入通道封閉，內輪轂上設置裂解氣燃料的進口通道，中輪轂上設置裂解氣環腔，進口通道連通裂解氣環腔，裂解氣環腔端部為噴嘴，內級旋流葉片和外級旋流葉片形成漸擴通道，從噴嘴中噴出的氣體經漸擴通道進入燃燒室。
2.根據權利要求I所述的一種用于化學回熱循環的裂解氣燃料噴射裝置，其特征是所述的內級旋流葉片和外級旋流葉片的旋流方向不同。
3.根據權利要求I或2所述的一種用于化學回熱循環的裂解氣燃料噴射裝置，其特征是所述的噴嘴為出口上下均為鈍體形狀的科恩達噴嘴。
4.根據權利要求I或2所述的一種用于化學回熱循環的裂解氣燃料噴射裝置，其特征是所述的外級旋流葉片的徑向高度大于內級旋流葉片，外級旋流葉片的軸向長度長于內級旋流葉片。
5.根據權利要求3所述的一種用于化學回熱循環的裂解氣燃料噴射裝置，其特征是所述的外級旋流葉片的徑向高度大于內級旋流葉片，外級旋流葉片的軸向長度長于內級旋流葉片。
專利摘要本實用新型的目的在于提供一種用于化學回熱循環的裂解氣燃料噴射裝置，包括內輪轂、中輪轂、外輪轂、內級旋流葉片、外級旋流葉片、中心體帽罩，內級旋流葉片安裝在內輪轂和中輪轂之間，外級旋流葉片安裝在中輪轂和外輪轂之間，內輪轂內設置中央通孔，內輪轂與中央通孔之間形成燃料供入通道，中心體帽罩將燃料供入通道封閉，內輪轂上設置裂解氣燃料的進口通道，中輪轂上設置裂解氣環腔，進口通道連通裂解氣環腔，裂解氣環腔端部為噴嘴，內級旋流葉片和外級旋流葉片形成漸擴通道，從噴嘴中噴出的氣體經漸擴通道進入燃燒室。本實用新型能夠很好的混合裂解氣燃料和空氣，使得火焰長度進一步縮短，可縮短燃燒室長度，進一步使得燃氣輪機結構趨于緊湊。
文檔編號F23R3/38GK202813441SQ201220302180
公開日2013年3月20日 申請日期2012年6月26日 優先權日2012年6月26日
發明者康振亞, 鄭洪濤, 李智明, 楊仁, 楊洪磊, 劉倩, 張智博, 潘福敏 申請人:哈爾濱工程大學