一种用于双燃料燃气轮机的双级同旋式头部装置的制作方法

本发明属于燃气轮机技术领域，具体涉及一种用于双燃料燃气轮机的双级同旋式头部装置。

背景技术：

可使用气态和液态两种燃料燃烧的燃气轮机燃烧室，即为双燃料燃烧室。由于其能够兼顾两种燃料燃烧，因此具有比单燃料燃气轮机更为广阔的应用领域。

双燃料燃烧室需要在液体及气体燃料进行燃烧的情况下，都具备良好的性能。燃烧室头部装置包括涡流器及燃料喷嘴，由于需要兼顾液态和气态燃料，对其的要求如下：

1、采用液态燃料时，需要考虑雾化蒸发，需要喷嘴具备良好的雾化性能来保证点熄火及燃烧效率；

2、采用气态燃料时，需要考虑预混效果降低排放的同时，还需要考虑燃烧振荡的防治问题；

3、液态燃料需要考虑防回火、防结焦烧蚀和防积碳；

4、涡流器需要兼顾与气态燃料及液态燃料的同时匹配，需要在气态燃料燃烧或液态燃料燃烧时都要形成合理的燃料分布。

目前，国内成熟型号的双燃料燃烧室，都还采用的是以扩散燃烧为主的传统燃烧模式，这种方式具备良好的燃烧稳定性和点熄火性能。但目前排放需求日益严苛，特别是气态燃料燃烧时的高标准，这种燃烧方式由于主燃区温度高，热力型nox不易控制，已经不能满足需求。

除此之外，由于液态燃料与气态燃料的密度差距较大，燃料的穿透和分布需要考虑兼顾，需要考虑不同燃料喷射精细化设计，才能实现在不同燃料下都能保持良好的点熄火及稳定性能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供了一种用于双燃料燃气轮机的双级同旋式头部装置，用以解决现有技术中存在的上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于双燃料燃气轮机的双级同旋式头部装置，包括双级轴向同旋旋流器、燃料喷嘴和预混段，所述燃料喷嘴包括离心喷嘴和喷杆；所述预混段的前端连接于双级轴向同旋旋流器出气端，用以通过双级轴向同旋旋流器向预混段内输入空气和气态主级燃料；所述喷杆的进气端设置于双级轴向同旋旋流器外，喷杆的出气管贯穿双级轴向同旋旋流器并延伸至预混段内部靠近后端的一侧，用以通过喷杆向预混段的后端输入气态值班级燃料；所述离心喷嘴设置于喷杆的出气端，用以通过离心喷嘴向预混段内输入液态主级燃料，并通过离心喷嘴向预混段的后端输入液态值班级燃料。

进一步优选的是，所述双级轴向同旋旋流器内设置有内环叶片通道和外环叶片通道，用以外部通过内环叶片通道和外环叶片通道输入预混段内。

更进一步优选的是，所述双级轴向同旋旋流器内设置有外环涡流器叶片和内环涡流器叶片，外环涡流器叶片和内环涡流器叶片均为设置有内腔的空心叶片，且外环涡流器叶片和内环涡流器叶片上均设置有连通双级轴向同旋旋流器外部和各自内腔的气态主级燃料入口，外环涡流器叶片上设置有连通其内腔的第一气态主燃料孔，内环涡流器叶片上设置有连通其内腔的第二气态主燃料孔，用以通过第一气态主燃料孔和第二气态主燃料孔向预混段内输入气态主级燃料。

更进一步优选的是，所述外环涡流器叶片的叶片扭转角大于55°，任意两个相邻的外环涡流器叶片之间的透光率大于15%；所有外环涡流器叶片的叶片旋转方向为同向旋转。

更进一步优选的是，所述内环涡流器叶片的叶片扭转角大于55°，任意两个相邻的内环涡流器叶片之间的透光率均为0；所有内环涡流器叶片的叶片旋转方向为同向旋转。

更进一步优选的是，所述喷杆的进气端设置有气态值班燃料入口，喷杆的出气端设置有沿其轴向布置的多个周向气态燃料喷射孔，气态值班燃料入口连通所有的周向气态燃料喷射孔，用以以扩散的方式向预混段的后端输入气态值班级燃料。

更进一步优选的是，所述喷杆的进气端设置有液态主燃料入口，喷杆的中部设置有多个周向液态燃料喷射孔，液态主燃料入口连通所有的周向液态燃料喷射孔，用以通过周向液态燃料喷射孔倾斜的向预混段内输入液态主级燃料。

更进一步优选的是，所述喷杆的进气端设置有液态值班燃料进口，液态值班燃料进口连通离心喷嘴，用以通过离心喷嘴将液态值班级燃料经过旋转雾化后输入预混段内。

更进一步优选的是，所述离心喷嘴内设置有依次连通的切向孔（221）、过渡段、旋流槽、旋流室和离心喷口，切向孔的进气端连通液态值班燃料进口。

更进一步优选的是，所述预混段包括相互连接的收敛壁面段和出口喉道段，收敛壁面段的一端与双级轴向同旋旋流器出气端相连接；所述出口喉道段上开设有周向冷却孔。

有益效果：

（1）本发明中的方案通过合理的技术措施，解决了双燃料燃气轮机液态与气态燃料浓度场良好分布难以兼顾、气态燃料采用扩散燃烧排放难以实现、涡流器匹配双燃料均需实现稳定燃烧的技术难题，实现两种燃料燃烧工作模式下均能实现良好的燃料浓度分布，同时实现燃用天然气燃料模式下的低nox排放，同时兼顾两种燃料工作模式下实现良好点熄火性能。

（2）本发明中的方案通过液态燃料大状态贫油预混燃烧小状态扩散燃烧、气态燃料大状态预混小状态扩散燃烧的方式，充分考虑了燃料排放要求，很好地实现了两种燃料的低排放燃烧。

（3）本发明中的方案通过双级轴向同旋旋流器，外圈大叶片扭转角结合叶片透光、同时通道出口喉道段的节流调节方式，在保证了旋流强度足够的同时，实现了预混段出口截面高流速，这样既能够保证火焰稳定，也能够保证不出现回火自燃。

（4）本发明中的技术方案，充分考虑了离心喷嘴和直射式喷孔两种燃料供给方式的优劣，液态燃料采用离心喷嘴 直射式喷孔方式进行供给，保证了雾化蒸发；气态燃料考虑其密度低，掺混主要依赖动量，采用直射式喷孔进行供给，最大程度的保证了使用两种燃料下的高效稳定工作。

（5）本发明中，通过周向液态燃料喷射孔带角度的喷射形式，在实现液态燃料与预混段良好预混匹配的同时；根据设计时保证合适的动量比，保证了燃油液滴不发生碰壁现象，能够有效防回火、防结焦烧蚀、防积碳。

（6）本发明中的技术方案，使用气态燃料进入双级同旋式头部装置，可以通过调节扩散燃料供给路的燃油比例，对燃烧脉动量进行调节，实现振荡燃烧的防控。

（7）本发明中小状态的点熄火通过扩散燃料的供给燃烧，气态及液态扩散燃料的供给通过给定合理的特征尺寸，以及通过合理的控制燃料穿透掺混，保证了使用两种不同燃料时，都能具备良好的点熄火性能。

附图说明

图1为本发明双级同旋式头部装置的立体结构示意图；

图2为本发明双级同旋式头部装置的剖视图；

图3为本发明中双级轴向同旋旋流器的立体结构示意图；

图4为本发明图3中双级轴向同旋旋流器的a-a向剖视图；

图5为本发明图3中双级轴向同旋旋流器的b-b向剖视图；

图6为本发明图3中双级轴向同旋旋流器的c-c向剖视图；

图7为本发明中燃料喷嘴的剖视图；

图8为本发明中预混段的立体结构示意图；

图9为本发明中预混段的剖视图；

图10为本发明中离心喷嘴的剖视图；

图11为本发明中喷杆的立体结构示意图；

图12为本发明中喷杆的剖视图。

图中：1-双级轴向同旋旋流器；11-内环叶片通道；12-外环叶片通道；13-外环涡流器叶片；14-内环涡流器叶片；15-气态主级燃料入口；131-第一气态主燃料孔；141-第二气态主燃料孔；2-燃料喷嘴；21-喷杆；211-气态值班燃料入口；212-周向气态燃料环腔；213-周向气态燃料喷射孔；214-液态主燃料入口；215-液态主燃料环形通道；216-周向液态燃料喷射孔；217-液态值班燃料进口；22-离心喷嘴；221-切向孔；222-过渡段；223-旋流槽；224-旋流室；225-离心喷口；3-预混段；31-收敛壁面段；32-出口喉道段；321-周向冷却孔。

具体实施方式

实施例：

如图1-12所示，本实施例提供了一种用于双燃料燃气轮机的双级同旋式头部装置，包括双级轴向同旋旋流器1、燃料喷嘴2和预混段3，所述燃料喷嘴2包括离心喷嘴22和喷杆21；所述预混段3的前端连接于双级轴向同旋旋流器1出气端，用以通过双级轴向同旋旋流器1向预混段3内输入空气和气态主级燃料；所述喷杆21的进气端设置于双级轴向同旋旋流器1外，喷杆21的出气管贯穿双级轴向同旋旋流器1并延伸至预混段3内部靠近后端的一侧，用以通过喷杆21向预混段3的后端输入气态值班级燃料；所述离心喷嘴22设置于喷杆21的出气端，用以通过离心喷嘴22向预混段3内输入液态主级燃料，并通过离心喷嘴22向预混段3的后端输入液态值班级燃料，考虑实际燃烧室工况需求，采用不同的工作模式实现全状态高效工作；在保证燃烧室高效低排放燃烧的同时，实现了点熄火、防回火、防结焦烧蚀、防积碳等其它性能的兼顾。

本实施例中进一步说明的是，所述双级轴向同旋旋流器1内设置有内环叶片通道11和外环叶片通道12，通过内环叶片通道11和外环叶片通道12组成，用以外部通过内环叶片通道11和外环叶片通道12输入预混段3内。

本实施例中更进一步说明的是，所述双级轴向同旋旋流器1内设置有外环涡流器叶片13和内环涡流器叶片14，外环涡流器叶片13和内环涡流器叶片14均为设置有内腔的空心叶片，且外环涡流器叶片13和内环涡流器叶片14上均设置有连通双级轴向同旋旋流器1外部和各自内腔的气态主级燃料入口15，外环涡流器叶片13上设置有连通其内腔的第一气态主燃料孔131，内环涡流器叶片14上设置有连通其内腔的第二气态主燃料孔141，用以通过第一气态主燃料孔131和第二气态主燃料孔141向预混段3内输入气态主级燃料。双级轴向同向旋流器1上的内环叶片通道11、外环叶片通道12均为空心叶片，也就是组合成内环叶片通道11的内环涡流器叶片14为空心叶片，组合成外环叶片通道12的外环涡流器叶片13为空心叶片，气态主级燃料通过气态主级燃料入口15进入后，通过第一气态主燃料孔131和第二气态主燃料孔141喷入。

本实施例中更进一步说明的是，所述外环涡流器叶片13的叶片扭转角大于55°，任意两个相邻的外环涡流器叶片13之间的透光率大于15%；所有外环涡流器叶片13的叶片旋转方向为同向旋转。更进一步说明的是，所述内环涡流器叶片14的叶片扭转角大于55°，任意两个相邻的内环涡流器叶片14之间的透光率均为0；所有内环涡流器叶片14的叶片旋转方向为同向旋转。外环涡流器叶片13采用了大叶片扭转角叶片扭转角大于55°结合叶片透光透光率大于15%的结构形式，内环涡流器叶片14采用了大叶片扭转角叶片扭转角大于55°不透光的叶片结构形式，叶片旋转方向为同向旋转，与下文中提到的预混段3的出口喉道段32形成了组合节流形式，同时通过三者的几何特征参数关系将旋流强度控制在所需的水平。

本实施例中更进一步说明的是，所述喷杆21的进气端设置有气态值班燃料入口211，喷杆21的出气端设置有沿其轴向布置的多个周向气态燃料喷射孔213，气态值班燃料入口211连通所有的周向气态燃料喷射孔213，用以以扩散的方式向预混段3的后端输入气态值班级燃料。喷杆21上通过气态值班燃料入口211通入气态值班燃料，在喷杆内设置周向气态燃料环腔212，气态值班燃料入口211与周向气态燃料环腔212形成值班级气态燃料通路，值班级气态燃料通过周向气态燃料喷射孔213喷射进入预混段空气中。

本实施例中更进一步说明的是，所述喷杆21的进气端设置有液态主燃料入口214，喷杆21的中部设置有多个周向液态燃料喷射孔216，液态主燃料入口214连通所有的周向液态燃料喷射孔216，用以通过周向液态燃料喷射孔216倾斜的向预混段3内输入液态主级燃料。在喷杆21上还有由液态主燃料入口214，在喷杆内设置液态主燃料环形通道215，液态主燃料入口214、液态主燃料环形通道215和周向液态燃料喷射孔216组成的液态主级燃料供给通路。

本实施例中更进一步说明的是，所述喷杆21的进气端设置有液态值班燃料进口217，液态值班燃料进口217连通离心喷嘴22，用以通过离心喷嘴22将液态值班级燃料经过旋转雾化后输入预混段3内。

本实施例中更进一步说明的是，所述离心喷嘴22内设置有依次连通的切向孔221、过渡段222、旋流槽223、旋流室224和离心喷口225，切向孔221的进气端连通液态值班燃料进口217。燃料喷嘴2由喷杆21、离心喷嘴22组成。离心喷嘴22通过切向孔221、过渡段222、旋流槽223、旋流室224和离心喷口225组成了值班液态燃料的旋转雾化流路。

本实施例中更进一步说明的是，所述预混段3包括相互连接的收敛壁面段31和出口喉道段32，收敛壁面段31的一端与双级轴向同旋旋流器1出气端相连接；所述出口喉道段32上开设有周向冷却孔321。预混段3位于双级轴向同旋旋流器1的后端，由收敛壁面段31和出口喉道段32组成，气态主级燃料和液态主级燃料与双级同旋式头部装置的头部空气在其中进行高质量掺混，以保证高效的燃烧性能。预混段出口喉道段32上开有周向冷却孔321，对后端壁面进行冷却。

本发明的工作过程如下：双级同旋式头部装置的头部空气通过双级轴向同旋旋流器1的内环叶片通道11和外环叶片通道12进入头部装置，使用气态燃料工作时，气态主级燃料通过外环涡流器叶片13上的第一气态主燃料孔131和内环涡流器叶片14上的第二气态主燃料孔141喷入，在预混段3内与头部空气进行掺混；气态值班级燃料则通过燃料喷嘴2上的气态值班级燃料入口211进入，通过燃料喷嘴2上的周向气态值班级燃料喷射孔213以扩散方式喷射入头部装置后端，也就是预混段3的后端。使用液态燃料工作时，液态主级燃料通过燃料喷嘴2上的液态主级燃料入口214进入，通过周向液态燃料喷射孔216倾斜喷射入预混段3，在预混段3内与头部空气完成掺混；液态值班级燃料则通过燃料喷嘴2上，位于喷杆21前端的液态值班级燃料入口217进入，经离心喷嘴22上的切向孔221流入过渡段222后再经旋流槽223旋转进入旋流室224，最后经离心喷口225旋转雾化以扩散方式喷射入头部装置后端。

本发明的双级同旋式头部装置有以下四种工作模式：

1气态燃料小状态工作模式

指的是燃烧室使用气态燃料进行工作，从点火工作至小负荷的过渡过程，在此过程中，双级同旋式头部装置只有气态值班级燃料进行供给，通过扩散燃烧供给的方式进行燃料和空气的供给。

气态燃料小状态工作模式的原理为：此时燃料供给气量较小，由于气态燃料密度低，因此所有燃料通过周向气态燃料喷射孔213以直射式喷孔带角度的方式喷射进入预混段3，以在双级同旋式头部装置的后端形成浓度较高的燃料分布，保障燃烧室在点火及小状态工作模式下的稳定工作。

2气态燃料大状态工作模式

指的是燃烧室使用气态燃料进行工作，大负荷状态下的工作，在这种模式下，燃料只有气态主级燃料进行供给，此时通过预混的方式使得燃料浓度分布均匀，并能够都保持在较低的油气比下，保障燃烧室的排放性能。

气态燃料大状态工作模式的原理为：所有燃料通过预混模式均匀掺混，保证了燃烧室预混火焰的均匀性，同时保证了燃烧室主燃烧区能够在合适的当量比下进行燃烧，有效控制nox的产生，从而辅助燃烧室实现良好的污染排放。

3液态燃料小状态工作模式

指的是燃烧室使用液态燃料进行工作，从点火工作至小负荷的过渡过程，在此过程中，头部装置只有液态燃料值班燃料进行供给，通过扩散燃烧供给的方式进行燃料和空气的供给。

液态燃料小状态工作模式的原理为：所有燃料通过离心喷嘴旋流雾化，以扩散模型与空气进气在双级同旋式头部装置的后端进行掺混，离心喷嘴的高压旋流雾化保证了雾化掺混质量，对燃烧室的点熄火性能起到了有效保障作用。

4液态燃料大状态工作模式

指的是燃烧室使用液态燃料进行工作，大负荷状态下的工作，在这种模式下，燃料主要由液态主级燃料进行供给，液态值班级燃料也在进行供给，但其占比相当低。燃烧室的燃烧主要由预混燃烧占主导，液态值班级燃料的扩散燃烧只占很小的一部分。

液态燃料大状态工作模式的原理为：大部分燃料通过周向液态燃料喷射孔216进行供给，通过带角度的喷射使得其与燃烧空气的掺混性能良好，同时保证了燃料不碰壁，这样实现高效燃烧的同时也避免了燃烧出现回火、结焦烧蚀及积碳等问题；小部分燃料通过离心喷嘴22供给，通过扩散的方式保证了火焰稳定性。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明中的方案通过合理的技术措施，解决了双燃料燃气轮机液态与气态燃料浓度场良好分布难以兼顾、气态燃料采用扩散燃烧排放难以实现、涡流器匹配双燃料均需实现稳定燃烧的技术难题，实现两种燃料燃烧工作模式下均能实现良好的燃料浓度分布，同时实现燃用天然气燃料模式下的低nox排放，同时兼顾两种燃料工作模式下实现良好点熄火性能。

（2）本发明中的方案通过液态燃料大状态贫油预混燃烧小状态扩散燃烧、气态燃料大状态预混小状态扩散燃烧的方式，充分考虑了燃料排放要求，很好地实现了两种燃料的低排放燃烧。

（3）本发明中的方案通过双级轴向同旋旋流器，外圈大叶片扭转角结合叶片透光、同时通道出口喉道段的节流调节方式，在保证了旋流强度足够的同时，实现了预混段出口截面高流速，这样既能够保证火焰稳定，也能够保证不出现回火自燃。

（4）本发明中的技术方案，充分考虑了离心喷嘴和直射式喷孔两种燃料供给方式的优劣，液态燃料采用离心喷嘴 直射式喷孔方式进行供给，保证了雾化蒸发；气态燃料考虑其密度低，掺混主要依赖动量，采用直射式喷孔进行供给，最大程度的保证了使用两种燃料下的高效稳定工作。

（5）本发明中，通过周向液态燃料喷射孔带角度的喷射形式，在实现液态燃料与预混段良好预混匹配的同时；根据设计时保证合适的动量比，保证了燃油液滴不发生碰壁现象，能够有效防回火、防结焦烧蚀、防积碳。

（6）本发明中的技术方案，使用气态燃料进入双级同旋式头部装置，可以通过调节扩散燃料供给路的燃油比例，对燃烧脉动量进行调节，实现振荡燃烧的防控。

（7）本发明中小状态的点熄火通过扩散燃料的供给燃烧，气态及液态扩散燃料的供给通过给定合理的特征尺寸，以及通过合理的控制燃料穿透掺混，保证了使用两种不同燃料时，都能具备良好的点熄火性能。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。