一种基于燃油喷嘴改型燃气喷嘴的方法和系统与流程

1.本发明属于发动机设计领域，涉及一种基于燃油喷嘴改型燃气喷嘴的方法和系统。


背景技术：

2.随着工业市场对燃气轮机需求的增大，考虑环保要求，以清洁能源天然气为燃料的燃气轮机具有广阔的应用前景。喷嘴是燃气轮机燃烧室的重要组成部分，也是燃烧室设计中的重要项目，其性能的好坏对燃烧过程影响很大。燃料通过喷嘴射入燃烧室，与进入的空气掺混成可燃混合气，保证燃烧室内稳定燃烧。改型后的工业燃气轮机以天然气为燃料，燃料由液体改为气体，对应的喷嘴也需要进行改型设计，使得设计的新型喷嘴能够将燃料合适地喷入燃烧区，很好地组织燃烧，达到原型机的燃烧效率和功率。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服上述现有技术中，燃气轮机的喷嘴均为液体燃料喷嘴，气体燃料无法有效喷入燃烧区的缺点，提供一种基于燃油喷嘴改型燃气喷嘴的方法和系统。
4.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
5.一种基于燃油喷嘴改型燃气喷嘴的方法，包括如下步骤：
6.基于预选的工况选择燃气喷嘴的设计点，获取燃气喷嘴压降，计算得到燃气喷射速度；
7.基于燃油喷嘴尺寸和燃气喷射速度，获取燃气喷嘴上的喷口的总面积，计算得到喷口的数量和直径；
8.基于燃烧空间中燃气的浓度分布，获取喷口的布局，结合喷口的数量和直径，得到燃气喷嘴的结构；
9.在不同工况下对燃气喷嘴的结构进行校验。
10.优选地，燃气喷嘴压降为供气压力的8％～12％。
11.优选地，燃气喷射速度为13～270m/s。
12.优选地，燃气喷射速度的计算过程中，还要获取燃气的喷射角度、喷口的位置度、喷嘴精度及喷口边缘状况。
13.优选地，燃气喷射速度的计算过程为：
14.基于燃气喷嘴压降得到燃气流量，结合燃气温度、燃气气体常数和燃烧室压力，得到燃气喷射速度。
15.优选地，喷口的总面积的获取过程为：
16.基于燃气温度、燃气气体常数和燃烧室压力，计算得到燃气密度；
17.根据燃气密度、喷口形式和壁厚，得到喷口的流阻系数；
18.基于燃气喷嘴压降、燃气喷射速度和喷口的流阻系数，计算得到喷口的总面积。
19.进一步优选地，喷口形式具体是指，喷口为平直小孔。
20.优选地，喷口的数量和直径的计算过程为：
21.基于喷口的总面积和燃油喷嘴的喷口直径，计算得到单个喷口的面积和喷口数量；
22.基于喷口数量和单个喷口的面积，计算得到单个喷口的直径。
23.优选地，校验的过程是：
24.在不同工况下，计算燃气喷嘴的喷射速度和喷嘴压降，基于预设的喷嘴压降阈值和喷射速度阈值，判断燃气喷嘴是否正常工作。
25.一种基于燃油喷嘴改型燃气喷嘴的系统，包括：
26.数据获取单元，用于获取燃气喷嘴压降和燃烧空间中燃气的浓度分布；
27.数据处理单元，与数据获取单元相交互，基于燃气喷嘴压降，计算得到燃气喷射速度，基于燃气喷射速度计算得到燃气喷嘴上的喷口的总面积，进而得到喷口的数量和直径；基于燃烧空间中燃气的浓度分布，获取喷口的布局，结合喷口的数量和直径，得到燃气喷嘴的结构；
28.校验单元，用于在不同工况下对燃气喷嘴的结构进行校验。
29.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
30.本发明公开了一种基于燃油喷嘴改型燃气喷嘴的方法，根据设计点所要求的性能参数，如压力、流量、喷雾角度等，计算确定燃气喷嘴的主要几何尺寸。当确定了燃气压差后，选择喷口形式以给出流阻系数和喷射速度，然后根据燃气流量算出总面积和单个喷口的尺寸。改型后的燃气轮机与原燃油喷嘴的轮机功率相当，效率不低于原型机的效率，改型后的燃烧室性能与原型机一致，如燃烧效率、出口温度场等，喷嘴改型后，燃烧室内燃料浓度分布规律与原型机相似，喷嘴数量一致，因此燃油喷嘴单位时间内燃料的放热量与燃气喷嘴单位时间内燃料的放热量一致，燃气喷嘴与燃油喷嘴出口压力一致，燃气的喷射速度与燃油喷射速度接近，喷嘴的喷射角度也相同。本发明方法保证喷嘴数量和安装尺寸不变时，天然气的放热量与燃油的放热量相同。
31.进一步地，喷嘴压降为供气压力的8％～12％，以保证稳定、高效燃烧并且满足出口温度分布的要求，同时考虑到了喷嘴的使用寿命。压降过高易导致喷嘴不稳定工作，且易喷射到近壁处造成过高的壁温；压降过低，天然气和空气的混合不好，会导致燃烧不完全。
32.进一步地，燃烧空间中燃气的浓度分布与燃油的浓度分布相同。
33.进一步地，因为过大的散射会影响燃烧效率，为使喷射更均匀，在保证结构可靠的条件下可选择稍小的直径。
附图说明
34.图1为喷嘴头部喷口布局示意图；
35.其中：1
‑
中心喷口；2
‑
圆周喷口。
具体实施方式
36.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
37.实施例1
38.一种基于燃油喷嘴改型燃气喷嘴的方法，包括如下步骤：
39.步骤1)选择某一工况为燃气喷嘴的设计点，获取燃气喷嘴压降，计算得到燃气喷射速度；
40.步骤2)基于燃油喷嘴尺寸和燃气喷射速度，获取燃气喷嘴上的喷口的总面积，计算得到喷口的数量和直径；
41.喷口的总面积的获取过程为：
42.基于燃气温度、燃气气体常数和燃烧室压力，计算得到燃气密度；
43.根据燃气密度、喷口形式和壁厚，得到喷口的流阻系数；
44.基于燃气喷嘴压降、燃气喷射速度和喷口的流阻系数，计算得到喷口的总面积。
45.步骤3)基于燃烧空间中燃气的浓度分布，获取喷口的布局，结合喷口的数量和直径，得到燃气喷嘴的结构；
46.步骤4)在不同工况下对燃气喷嘴的结构进行校验。
47.在不同工况下，计算燃气喷嘴的喷射速度和喷嘴压降，基于预设的喷嘴压降阈值和喷射速度阈值，判断燃气喷嘴是否正常工作。
48.实施例2
49.除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。
50.燃气喷射速度的计算过程为：基于燃气喷嘴压降得到燃气流量，结合燃气温度、燃气气体常数和燃烧室压力，得到燃气喷射速度。
51.喷口的数量和直径的计算过程为：基于喷口的总面积和燃油喷嘴的喷口直径，计算得到单个喷口的面积和喷口数量；基于喷口数量和单个喷口的面积，计算得到单个喷口的直径。
52.实施例3
53.一种基于燃油喷嘴改型燃气喷嘴的方法，包括如下步骤：
54.步骤1)：燃气喷嘴的设计选在1.0工况为喷嘴设计点。设计应保证使用天然气时单位时间的放热量与使用柴油时相同；保证喷嘴数量不变和安装尺寸不变。
55.根据燃气喷嘴的设计资料和实际使用经验，重要的设计参数是喷嘴压降，推荐的喷嘴压降约为供气压力的10％，以保证稳定、高效燃烧并且满足出口温度分布的要求，同时考虑使用寿命。压降过高易导致喷嘴不稳定工作，且易喷射到近壁处造成过高的壁温；压降过低，天然气和空气的混合不好，会导致燃烧不完全。当决定了压降和喷口尺寸后燃气喷射速度亦可确定。根据试验经验，燃气喷射速度从13～270m/s，喷嘴都可以正常工作，经验指出喷射速度在100m/s左右都能得到良好的燃烧效果。
56.燃气喷射角度取不大的角度较好，但没有给出具体最佳值，过大的散射影响燃烧效率。喷口的面积决定后，就是如何选取喷口的数量和直径。为使喷射更均匀，在保证结构可靠的条件下可选择稍小的直径。另外根据燃气喷嘴的使用经验，可在中心安排一个小孔，这有利于提高燃烧效率和稳定性。为保证喷射均匀，对喷口的位置度、单个喷嘴的精度和喷口边缘状况应严格要求。
57.喷口设计的主要思路是：当确定了燃气压差后，选择喷口形式以给出流阻系数和喷射速度，然后根据燃气流量算出总面积和单个喷口的尺寸。
58.步骤2)：喷口总面积和单个喷口的确定
[0059][0060]
从计算结果看，燃气喷出速度约为100m/s，因此其马赫数小于0.3，可以认为燃气为不可压缩流体，近似取总压为静压，计算燃气密度：
[0061]
ρ
g
＝p
a
/rt
g
＝2000000/(517
×
295)＝13.11kg/m3[0062]
喷口若选择收敛锥孔，孔的精度和均匀度要求较高，因此喷口形式选择相对简单的平直小孔。假设喷口处壁厚为1.5mm，孔径为2.5mm，则根据“水力摩阻手册”可查出该种孔型流阻系数ξ，当不考虑摩擦损失时，
[0063][0064]
当压差取为进口燃气压力10％时
[0065]
δp＝0.22mpa
[0066][0067]
喷口总面积
[0068]
若喷口直径d
s
＝2.5mm，则单个喷口的面积
[0069][0070]
喷口个数n＝a/as＝13.5
[0071]
因此选取喷口数为13，单个喷口直径为：
[0072][0073]
步骤3)：喷嘴结构确定
[0074]
为使燃烧空间中天然气的浓度分布大体上与液体燃料的浓度分布规律相似，孔倾斜角采用40
°
，为了扩大燃烧室可燃范围，提高燃烧稳定性，在中间布置1孔，其余12孔沿圆周均布。喷嘴头部喷口布局如图1所示，喷口设有13个，包括位于喷嘴中心的中心喷口1和均匀分布于圆周面的12个圆周喷口2。
[0075]
步骤4)：天然气喷嘴验算
[0076]
喷嘴的结构和尺寸设计点为1.0工况，选取0.2工况(两种流量)和慢车进行校核，计算喷嘴在这两工况下的喷射速度和喷嘴压降。计算结果见表1。
[0077]
表1 0.2工况和慢车工况的验算结果
[0078][0079][0080]
在ⅰ和ⅲ工况下，喷射速度均在110m/s左右，压降仍保持10％，满足工作时的喷射要求，即在设计的供气压力下，可以保证0.2工况和慢车工况的正常工作，该喷嘴的结构和尺寸可以保证燃气轮机燃用天然气时的性能。
[0081]
需要说明的是，选择的喷嘴设计点，设计点应保证使用天然气时单位时间的放热量与使用柴油时相同，且保证喷嘴数量不变和安装尺寸不变。根据燃气喷嘴的设计资料和实际使用经验，重要的设计参数是喷嘴压降，推荐的喷嘴压降约为供气压力的10％，以保证稳定、高效燃烧并且满足出口温度分布的要求，同时考虑使用寿命。压降过高易导致喷嘴不稳定工作，且易喷射到近壁处造成过高的壁温；压降过低，天然气和空气的混合不好，会导致燃烧不完全。当决定了压降和喷口尺寸后燃气喷射速度亦可确定。根据试验经验，燃气喷射速度从13～270m/s，喷嘴都可以正常工作，经验指出喷射速度在100m/s左右都能得到良好的燃烧效果。
[0082]
燃气喷射角度取不大的角度较好，但没有给出具体最佳值，过大的散射影响燃烧效率。为使喷射更均匀，在保证结构可靠的条件下可选择稍小的直径。另外根据燃气喷嘴的使用经验，可在中心安排一个小孔，这有利于提高燃烧效率和稳定性。为保证喷射均匀，对喷口的位置度、单个喷嘴的精度和喷口边缘状况应严格要求。喷口若选择收敛锥孔，孔的精度和均匀度要求较高，因此喷口形式选择相对简单的平直小孔。
[0083]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。