燃气轮机及其燃烧室用喷嘴

技术领域

本发明涉及燃气轮机的喷嘴技术领域，具体地，涉及一种燃烧室用喷嘴和具有该喷嘴的燃气轮机。

背景技术

燃气轮机主要包括压气机、燃烧室、透平三大部件，燃烧室内设有火焰筒，火焰筒的进口端设有喷嘴，燃料和压气机产生的气体可以经由喷嘴导入火焰筒内，燃料和气体会在火焰筒内燃烧，生成的热燃气会被输送至透平处做功。

相关技术中，为了保证燃烧的稳定性，喷嘴包括主喷嘴和值班喷嘴，值班喷嘴设在主喷嘴的头部，值班喷嘴用于提供扩散火焰以提高燃烧的稳定性，但是，燃烧过程中会产生较多的氮氧化物，使得燃气轮机的氮氧化物的排放容易超标。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

相关技术中，扩散火焰的温度较高，较高的火焰温度会造成热力型氮氧化物的大量生成，从而造成了燃气轮机的氮氧化物排放超标的情况。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明实施例提出一种燃烧室用喷嘴，该燃烧室用喷嘴能够实现燃料和清吹空气的预混合，并能够形成火焰温度较低的预混值班火焰，从而降低了热力型氮氧化物的生成，降低了污染物排放。

本发明实施例还提出一种应用上述燃烧室用喷嘴的燃气轮机。

根据本发明实施例的燃烧室用喷嘴包括喷嘴本体，所述喷嘴本体具有第一端部、第二端部和位于所述第一端部和第二端部之间的中间段，所述喷嘴本体内设有值班燃料通道、冷却通道、主燃料通道和预混通道，所述值班燃料通道的进口、所述冷却通道的进口、所述主燃料通道的进口均设在所述喷嘴本体的第一端部，所述冷却通道的出口和所述预混通道的出口均设在所述喷嘴本体的第二端部的端面上，所述主燃料通道的出口设在所述喷嘴本体的中间段，所述预混通道设在所述喷嘴本体的第二端部内，所述预混通道具有与所述冷却通道连通的进口，所述值班燃料通道的出口与所述预混通道连通。

根据本发明实施例的燃烧室用喷嘴，实现了燃料和清吹空气的预混合，并能够形成火焰温度较低的预混值班火焰，从而降低了热力型氮氧化物的生成，降低了污染物排放。

在一些实施例中，所述喷嘴本体包括外筒、第一管、第二管和值班喷头，所述第一管设在所述外筒内且所述第一管的内腔构成所述值班燃料通道，所述第二管设在所述外筒内且套设在所述第一管的外周侧，所述冷却通道包括形成在所述第一管与所述第二管之间的第一冷却通道段和形成在所述第一管与所述外筒之间的第二冷却通道段，所述预混通道与所述第二冷却通道段连通，所述主燃料通道形成在所述第二管和所述外筒之间，所述值班喷头设在所述外筒的第二端部，所述值班喷头密封环绕在所述第一管的外周侧，且所述值班喷头的外周壁与所述外筒的内周壁密封相连，所述预混通道设在所述值班喷头内。

在一些实施例中，所述值班喷头内设有多个第一通孔，所述第一通孔沿着所述值班喷头的轴向延伸并贯通所述值班喷头，所述冷却通道与所述第一通孔连通。

在一些实施例中，所述预混通道沿着所述值班喷嘴的轴向延伸并贯通所述值班喷头，所述预混通道有多个，多个所述预混通道设在所述第一管的外周侧且沿着所述第一管的周向间隔布置。

在一些实施例中，所述喷嘴本体的第二端部内设有第二通孔，所述第二通孔沿着所述值班喷头的径向延伸，所述预混通道和所述值班燃料通道通过所述第二通孔连通，所述第二通孔有多个，多个所述第二通孔沿着所述值班喷头的周向间隔布置，且多个所述第二通孔一一对应地连通在多个所述预混通道和所述值班燃料通道之间。

在一些实施例中，所述喷嘴本体还包括连通管，所述值班喷头内设有第三通孔，所述第三通孔沿着所述值班喷头的轴向延伸，所述冷却通道与所述第三通孔的进口连通，所述连通管设在所述冷却通道内，所述连通管的第一端与值班燃料通道连通，所述连通管的第二端延伸至所述第三通孔的进口位置处。

在一些实施例中，所述连通管有多个，多个所述连通管沿着所述第一管的周向间隔布置，所述第三通孔有多个，多个所述第三通孔沿着所述值班喷头的周向间隔布置，多个所述连通管的第二端均一一对应地延伸至多个所述第三通孔的进口位置处，所述预混通道有多个，多个所述预混通道沿着所述值班喷头的周向间隔布置，且多个所述预混通道和多个所述第三通孔在所述值班喷头的周向交替排布。

在一些实施例中，所述喷嘴本体还包括多个旋叶和第三管，所述第三管环绕在所述外壳的外周侧，多个所述旋叶设在所述第三管和所述外壳之间，且多个所述旋叶沿着所述外壳的周向间隔布置，所述旋叶内设有旋叶通道，所述旋叶通道和所述主燃料通道连通，所述旋叶通道通过设在所述旋叶上的多个第四通孔与外界连通。

在一些实施例中，所述喷嘴本体还包括连接法兰，所述连接法兰设在所述喷嘴本体的第一端部，所述第一管穿过所述连接法兰，且所述第一管的外周壁和所述连接法兰密封相连，所述连接法兰内设有第五通孔和第六通孔，所述第二管与所述连接法兰密封相连，所述冷却通道和所述第五通孔连通，所述第三管与所述连接法兰密封相连，所述主燃料通道和所述第六通孔连通。

根据本发明实施例的燃气轮机包括压气机、燃烧室、燃料管和喷嘴，至少部分所述喷嘴配合在所述燃烧室的火焰筒内，所述喷嘴为上述任一实施例所述的燃烧室用喷嘴，所述值班燃料通道和所述燃料管连通，所述主燃料通道和所述燃料管连通，所述冷却通道和所述压气机连通。

附图说明

图1是根据本发明实施例的燃烧室用喷嘴的整体结构剖视示意图。

图2是图1中燃烧室用喷嘴的部分结构剖视示意图。

图3是图1中第一管和值班喷头装配示意图。

图4是图1中值班喷头内预混通道示意图。

图5是根据本发明另一实施例的值班喷头内预混通道示意图。

图6是图5中值班喷头的端面示意图。

图7是根据本发明又一实施例的连通管布置示意图。

附图标记：

燃烧室用喷嘴100；

外筒1；冷却通道11；第一冷却通道段111；第二冷却通道段112；主燃料通道12；

第一管2；值班燃料通道21；

第二管3；

值班喷头4；预混通道41；第一预混通道411；第二预混通道412；第一通孔42；第二通孔43；第三通孔44；连通管45；

旋叶5；旋叶通道51；第四通孔52；

第三管6；

连接法兰7；第五通孔71；第六通孔72。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1至图4所示，根据本发明实施例的燃烧室用喷嘴100包括喷嘴本体，喷嘴本体具有第一端部、第二端部和位于第一端部和第二端部之间的中间段，喷嘴本体内设有值班燃料通道21、冷却通道11、主燃料通道12和预混通道41，值班燃料通道21的进口、冷却通道11的进口、主燃料通道12的进口均设在喷嘴本体的第一端部，冷却通道11的出口和预混通道41的出口均设在喷嘴本体的第二端部的端面上，主燃料通道12的出口设在喷嘴本体的中间段，预混通道41设在喷嘴本体的第二端部内，预混通道41具有与冷却通道11连通的进口，值班燃料通道21的出口与预混通道41连通。

具体地，如图1所示，喷嘴本体大体为圆柱型，喷嘴本体沿着前后方向延伸，喷嘴本体在其轴向延伸方向上可以大体分为第一端部、中间段和第二端部，其中喷嘴本体的第一端部即为喷嘴本体的后端部，喷嘴本体的第二端部即为喷嘴本体的前端部，中间段即为喷嘴本体第一端部和第二端部之间的部分。

喷嘴本体内设有值班燃料通道21、冷却通道11和主燃料通道12，其中值班燃料通道21和主燃料通道12内均用于通入燃料，燃料可以为天然气、汽油、柴油等。冷却通道11则用于通入清吹空气。值班燃料通道21、冷却通道11、主燃料通道12均大体沿着喷嘴本体的轴向(前后方向)延伸，其中，值班燃料通道21的进口、冷却通道11的进口和主燃料通道12的进口均设在喷嘴本体的后端部，值班燃料通道21的出口和冷却通道11的出口均设在喷嘴本体的前端部，主燃料通道12的出口则设在喷嘴本体的中间段上，即主燃料通道12的出口位于值班燃料通道21的出口和冷却通道11的出口的后方。

喷嘴本体内还设有预混通道41，预混通道41设在喷嘴本体的前端部，值班燃料通道21的出口与预混通道41连通，冷却通道11也与预混通道41连通，由此，值班燃料通道21内的燃料和冷却通道11内的部分清吹空气可以流入预混通道41内并在预混通道41内混合，预混合的燃料和清吹空气会从预混通道41的出口喷出并形成值班火焰。

燃烧室用喷嘴100在使用时，从主燃料通道12内喷出的燃料能够与空气混合并形成可燃混合物，然后可燃混合物会流向喷嘴本体的前端，最后可燃混合物会在值班火焰的作用下预混燃烧。

喷嘴本体的前端部还设有冷却通道11的出口，由此，冷却通道11内的一部分清吹空气会从冷却通道11的出口流出，流动的气流具有风冷效果，从而起到了降低喷嘴本体的前端部的温度的效果，一方面避免了喷嘴本体的前端部温度过高的情况，有利于延伸喷嘴本体的使用寿命，另一方面还有利于降低值班火焰的温度，起到进一步控制值班火焰温度的效果。其次，从冷却通道11出口喷出的清吹空气还能够补充燃烧室内的氧气，从而有利于值班火焰的稳定燃烧。

需要说明的是，喷嘴本体具有前端面，喷嘴本体上的前端面上设有冷却通道11的出口和预混通道41的出口。即预混通道41的出口形成的值班火焰向喷嘴本体前方喷出，冷却通道11内的清吹空气也向喷嘴本体前方喷出，值班火焰和清吹空气的喷出方向一致，有利于值班火焰温度的控制和氧气的及时补充。

根据本发明实施例的燃烧室用喷嘴100，由于设计有预混通道41，燃料和清吹空气能够在预混通道41内预混合，预混合后形成的值班火焰温度较低，从而有利于减少热力型氮氧化物的生成，降低了污染物排放。

在一些实施例中，喷嘴本体包括外筒1、第一管2、第二管3和值班喷头4，第一管2设在外筒1内且第一管2的内腔构成值班燃料通道21，第二管3设在外筒1内且套设在第一管2的外周侧，冷却通道11包括形成在第一管2与第二管3之间的第一冷却通道段111和形成在第一管2与外筒1之间的第二冷却通道段112，预混通道41与第二冷却通道段112连通，主燃料通道12形成在第二管3和外筒1之间，值班喷头4设在外筒1的第二端部，值班喷头4密封环绕在第一管2的外周侧，且值班喷头4的外周壁与外筒1的内周壁密封相连，预混通道41设在值班喷头4内。

具体地，如图1和图2所示，喷嘴本体包括外筒1、第一管2、第二管3和值班喷头4，第一管2和第二管3均设在外筒1内，其中第二管3套设在第一管2的外周侧，且第二管3位于外筒1的后半段内，第二管3的前端与外筒1的内周壁密封相连，例如，外筒1内可以设有环形挡板，环形挡板的内周壁与第二管3的外周壁密封相连，环形挡板的外周壁与外筒1的内周壁密封相连。

第一管2的内腔形成值班燃料通道21，冷却通道11包括第一冷却通道段111和第二冷却通道段112，第一冷却通道段111和第二冷却通道段112沿着前后方向依次布置，其中第一冷却通道段111形成在第一管2和第二管3之间，第二冷却通道段112形成在外筒1和第一管2之间。第二冷却通道段112的径向尺寸大于第一冷却通道段111的径向尺寸。主燃料通道12则形成在第二管3和外筒1之间，主燃料通道12环绕着第一冷却通道段111的外周侧。

值班喷头4为圆环柱形并设在外筒1的前端，如图3和图4所示，值班喷头4插入外筒1内，值班喷头4为圆环柱形，值班喷头4的内周壁与第一管2的外周壁密封相连，值班喷头4的外周壁与外筒1的内周壁密封相连。预混通道41设在值班喷头4内，预混通道41沿着前后方向延伸并贯穿值班喷头4的前端面和后端面。

在一些实施例中，值班喷头4内设有多个第一通孔42，第一通孔42沿着值班喷头4的轴向延伸并贯通值班喷头4，冷却通道11与第一通孔42连通。

如图4所示，第一通孔42设在值班喷头4内，且第一通孔42沿着前后方向贯通值班喷头4的前端面和后端面，第一通孔42的后端孔口与冷却通道11连通，冷却通道11内的清吹空气可以经由第一通孔42排出喷嘴本体。第一通孔42的前端孔口可视为冷却通孔设在喷嘴本体前端面上的出口。为了保证清吹空气喷射的均匀性，第一通孔42有多个，多个第一通孔42设在第一管2的外周侧且沿着第一管2的周向等间隔布置。

可以理解的是，在其他一些实施例中，如图4所示，多个第一通孔42可以分为多组，每一组均包括两个以上的第一通孔42，每一组的多个第一通孔42沿着值班喷头4的径向间隔排布。多组第一通孔42则沿着值班喷头4的周向等间隔排布。

在一些实施例中，预混通道41沿着值班喷嘴的轴向延伸并贯通值班喷头4，预混通道41有多个，多个预混通道41设在第一管2的外周侧且沿着第一管2的周向间隔布置。喷嘴本体的第二端部内设有第二通孔43，第二通孔43沿着值班喷头4的径向延伸，预混通道41和值班燃料通道21通过第二通孔43连通，第二通孔43有多个，多个第二通孔43沿着值班喷头4的周向间隔布置，且多个第二通孔43一一对应地连通在多个预混通道41和值班燃料通道21之间。

具体地，如图4所示，预混通道41有多个，多个预混通道41均设在第一管2的外周侧并沿着第一管2的周向方向等间隔排布。在喷嘴本体的前端部内还设有多个第二通孔43，每个第二通孔43均沿着喷嘴本体的径向延伸，且每个第二通孔43的内端均与值班燃料通道21连通，每个第二通孔43的外端一一对应地与预混通道41连通，由此，值班燃料通道21内的燃料可以经由各第二通孔43输送至对应的预混通道41内。

在一些实施例中，如图5和图6所示，预混通道41按照横截面的不同可以分为第一预混通道411和第二预混通道412，第一预混通道411和第二预混通道412均有多个，多个第一预混通道411和多个第二预混通道412沿着值班喷头4的周向一一交替排布，且第一预混通道411和第二预混通道412均通过对应的第二通孔43与值班燃料通道21连通。由此，可以产生不同的值班火焰，有利于增强值班火焰的稳定性。

优选地，第一预混通道411的横截面为圆形，第二预混通道412的横截面为拱形。

优选地，如图6所示，多个第一预混通道411所围成的外周轮廓位于多个第二预混通道412所围成的外周轮廓的外侧。

在一些实施例中，喷嘴本体还包括连通管45，值班喷头4内设有第三通孔44，第三通孔44沿着值班喷头4的轴向延伸，冷却通道11与第三通孔44的进口连通，连通管45设在冷却通道11内，连通管45的第一端与值班燃料通道21连通，连通管45的第二端延伸至第三通孔44的进口位置处。

如图7所示，第三通孔44设在值班喷头4内并沿着前后方向延伸，第三通孔44贯通值班喷头4的前端面和后端面。连通管45为L型弯管，连通管45设在冷却通道11内并位于值班喷头4的后方，连通管45的一端与第一管2相连且连通管45的内腔与第一管2内的值班燃料通道21连通，连通管45的另一端向值班喷头4弯折并延伸至第三通孔44的后侧孔口(进口)位置处。由此，值班燃料通道21内的燃料可以经由连通管45喷入第三通孔44内，由于第三通孔44的进口同时与冷却通道11连通，冷却通道11内的清吹空气也可以进入第三通孔44内，第三通孔44也能够实现燃料和清吹空气的预混合。连通管45的设置则避免了在值班喷头4内钻取第二通孔43的情况，降低了值班喷头4的加工成本。

在一些实施例中，连通管45有多个，多个连通管45沿着第一管2的周向间隔布置，第三通孔44有多个，多个第三通孔44沿着值班喷头4的周向间隔布置，多个连通管45的第二端均一一对应地延伸至多个第三通孔44的进口位置处，预混通道41有多个，多个预混通道41沿着值班喷头4的周向间隔布置，且多个预混通道41和多个第三通孔44在值班喷头4的周向交替排布。

如图7所示，第三通孔44和预混通道41均设有多个，多个第三通孔44和多个预混通道41沿着值班喷头4的周向一一交替排布。连通管45有多个，多个连通管45设在第一管2的外周侧，且多个连通管45均一一对应地延伸至每个第三通孔44的进口位置处。由此，可以使得第三通孔44值班火焰均匀分布。

在一些实施例中，喷嘴本体还包括多个旋叶5和第三管6，第三管6环绕在外壳的外周侧，多个旋叶5设在第三管6和外壳之间，且多个旋叶5沿着外壳的周向间隔布置，旋叶5内设有旋叶通道，旋叶通道和主燃料通道12连通，旋叶通道通过设在旋叶5上的多个第四通孔52与外界连通。

具体地，如图1和图2所示，多个旋叶5和第三管6均设在喷嘴本体的中部，第三管6套设在外筒1的外周侧，多个旋叶5均设在外筒1和第三管6之间，各旋叶5的内端均与外筒1固定连接，各旋叶5的外端均与第三管6固定相连，且多个旋叶5沿着外筒1的周向等间隔排布。各旋叶5内均设有旋叶通道，旋叶通道沿着旋叶5的延伸方向延伸，且各旋叶5内的旋叶通道均与主燃料通道12连通，各旋叶5上还设有多个第四通孔52，各第四通孔52均与旋叶通道连通，由此，主燃料通道12内的燃料可以流入旋叶通道内，然后从各第四通孔52处流出。旋叶5具有导流效果，从而使得主燃料通道12流出的燃料能够均匀分布。

在一些实施例中，喷嘴本体还包括连接法兰7，连接法兰7设在喷嘴本体的第一端部，第一管2穿过连接法兰7，且第一管2的外周壁和连接法兰7密封相连，连接法兰7内设有第五通孔71和第六通孔72，第二管3与连接法兰7密封相连，冷却通道11和第五通孔71连通，第三管6与连接法兰7密封相连，主燃料通道12和第六通孔72连通。

如图1和图2所示，连接法兰7设在喷嘴本体的后端，外筒1、第一管2、第二管3均与连接法兰7密封相连，其中连接法兰7的中间位置设有通孔，第一管2的后端配合在该通孔内，第二管3的后端和外筒1的后端则均直接与连接法兰7的前端密封相连。

连接法兰7内设有第五通孔71和第六通孔72，第五通孔71沿着连接法兰7的径向延伸，第五通孔71与第一管2和第二管3之间的第一冷却通道段111连通。第六通孔72沿着连接法兰7的轴向(前后方向)延伸，且第六通孔72与第二管3和外筒1之间的主燃料通道12连通。

优选地，第六通孔72有多个，多个第六通孔72沿着连接法兰7的周向等间隔排布。第五通孔71设在相邻两个第六通孔72之间。

下面描述根据本发明实施例的燃气轮机。

根据本发明实施例的燃气轮机包括压气机、燃烧室、燃料管和喷嘴，至少部分喷嘴配合在燃烧室的火焰筒内，喷嘴可以为上述实施例中描述的燃烧室用喷嘴100，值班燃料通道21和燃料管连通，主燃料通道12和燃料管连通，冷却通道11和压气机连通。

具体地，燃烧室用喷嘴100设有值班喷头4的前端伸入燃烧室的火焰筒内，燃烧室用喷嘴100的后端通过连接法兰7与燃料管密封相连，由此，经由燃料管输送的燃料可以直接流入值班燃料通道21和主燃料通道12内，压气机的出口则与第四孔连通，压气机产生的清吹空气可以直接经由第四孔排入冷却通道11内。

根据本发明实施例的燃气轮机，燃气轮机的燃烧室用喷嘴100实现了燃料和清吹空气的预混合，并能够形成火焰温度较低的预混值班火焰，从而降低了热力型氮氧化物的生成，降低了污染物排放。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。