一种旋流器及燃烧室
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种旋流器及燃烧室。
背景技术
燃烧污染排放对人类的健康和环境造成越来越严重的危害受到大量关注，并且有关控制污染排放的法律法规和相关政策也不断出台，对于燃气轮机和航空发动机的污染排放问题也提出了一定要求。
燃气轮机及航空发动机燃烧产物中含有NOx(氮氧化物)，NOx主要包含NO和NO2，其中，NO是一种无色无臭的气体，大气中的NO浓度如果达到了一定的程度，就会与血液中的血色素结合，造成血液缺氧从而引起中枢神经麻痹；NO2是一种红色有毒气体，对人体呼吸器官有刺激作用，容易引起肺气肿和肺癌，NO2还能破坏臭氧形成臭氧空洞。鉴于NOx对人体以及环境的危害，要尽可能采取技术措施降低NOx的排放量。
在燃气轮机和航空发动机中，燃烧室内燃料燃烧时的温度对NOx的影响非常大，NOx的产量和生成速度随着燃烧温度的升高呈指数增长。所以降低NOx的排放量，关键在于使燃料与空气充分混合，从而将燃烧室内的温度控制在较低水平(一般为1700K-1900K，若温度更低会影响燃烧效率)。当前燃用液体燃料的贫燃预混预蒸发低排放燃烧室中，主要采用空气助雾化技术，使液体燃料在空气流的作用下破碎形成细小的微粒，但仅经空气助雾化技术无法达到良好的雾化效果，从而影响液体燃料与空气的充分混合。
发明内容
本发明提供一种旋流器及燃烧室，通过自击雾化与空气助雾化增强了液体燃料的雾化效果，使燃料与空气充分混合，以降低NOx的排放。
本发明实施例提供了一种旋流器，该旋流器包括多个沿圆周分布的叶片，且相邻两个叶片之间的间隙形成空气通道；
针对每一个空气通道，还包括与所述空气通道对应设置的多个燃料通道，所述多个燃料通道包括朝向所述空气通道设置的进料口；所述多个燃料通道的轴线至少两两相交，且轴线相交的燃料通道的进料口朝向对应的交点设置。
上述实施例中，由于多个燃料通道的轴线至少两两相交，则液体燃料由轴线相交的一组燃料通道喷出时会相互撞击，并在撞击作用的影响下发生一次雾化，燃料在空气通道内与空气混合，并在空气流的作用下发生二次雾化，通过两次雾化作用增强了液体燃料的雾化效果，使液体燃料与空气充分混合，进而降低了NOx的排放。
可选的，所述多个燃料通道的轴线相交于一点。
可选的，每个叶片具有空心结构，且与燃料输送管路连通，所述每个叶片内设有所述多个燃料通道。
可选的，所述旋流器为径向旋流器，且还包括旋流器顶板以及旋流器底板，所述叶片设置于所述旋流器顶板与所述旋流器底板之间，其中：
所述旋流器顶板内设有环形通道，所述环形通道与燃料输送管路连通；
所述旋流器顶板上每介于相邻的两个叶片之间的区域设有所述多个燃料通道，每个燃料通道与所述环形通道连通。
可选的，针对每一个空气通道，还包括与所述空气通道一一对应的燃料喷嘴，所述燃料喷嘴位于所述空气通道的进气口，且所述燃料喷嘴上设有所述多个燃料通道。
可选的，所述旋流器为径向旋流器或轴线旋流器。
可选的，所述多个燃料通道分为多组，每组燃料通道的轴线相交，且多组燃料通道在对应的叶片上均匀分布。
可选的，所述旋流器为径向旋流器，包括旋流器顶板以及旋流器底板，所述叶片设置于所述旋流器顶板与所述旋流器底板之间，其中：
所述叶片介于所述旋流器顶板与所述旋流器底板之间的跨度为h，所述多个燃料通道的进料口分布在对应的叶片表面(1/8h，7/8h)的范围内。使进料口分布在叶片表面(1/8h，7/8h)的范围内，如1/4h、3/8h、1/2h、5/8h等，这样，可以防止由进料口喷出的燃料贴在旋流器顶板或旋流器底板表面。
可选的，所述旋流器顶板的直径为d，轴线相交的一组燃料通道中，轴线的交点到所述旋流器的轴线的距离介于(1/3d，4/5d)的范围内，如2/5d、3/5d2/3d等。
本发明实施例还提供了一种燃烧室，包括上述任一种技术方案所述的旋流器，通过自击雾化与空气助雾化增强了液体燃料的雾化效果，使燃料与空气充分混合，以降低NOx的排放。
附图说明
图1为本发明实施例提供的旋流器的剖视图；
图2为本发明实施例提供的旋流器的叶片的排布示意图；
图3为本发明实施例提供的旋流器叶片部分的局部剖视图。
附图标记：
10-叶片 101-轴向通道
20-空气通道
30-燃料通道 301-进料口
40-旋流器顶板 401-环形通道
50-旋流器底板
60-主燃级燃料输送管路
70-预燃级燃料输送管路
80-预燃级燃料喷嘴
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种旋流器，使燃料在喷出时多股射流相互撞击，形成自击雾化，自击雾化后燃料在空气流的作用下再次雾化，通过两次雾化增强了燃料与空气的混合效果，保证了燃料的充分燃烧。
具体的，该旋流器包括多个沿圆周分布的叶片，且相邻两个叶片之间的间隙形成空气通道；
针对每一个空气通道，还包括与空气通道对应设置的多个燃料通道，该多个燃料通道包括朝向空气通道设置的进料口；该多个燃料通道的轴线至少两两相交，且轴线相交的燃料通道的进料口朝向对应的交点设置。
上述实施例中，由于多个燃料通道的轴线至少两两相交，则液体燃料由轴线相交的一组燃料通道喷出时会形成撞击，并在撞击作用的影响下发生一次雾化，燃料在空气通道内与空气的混合过程中，在空气流的作用下发生二次雾化，通过两次雾化作用增强了液体燃料的雾化效果，使液体燃料与空气充分混合，从而保证了燃料在火焰筒内充分燃烧，进而降低了NOx的排放。
为了更加清楚的了解本发明实施例提供的旋流器的结构，现结合附图进行详细的描述。
如图1、图2所示，该旋流器包括多个沿圆周分布的叶片10，且相邻两个叶片10之间的间隙形成空气通道20，该旋流器可以为径向旋流器，也可以为轴向旋流器，其中，径向旋流器还包括旋流器顶板40、旋流器底板50，叶片10设置在旋流器顶板40与旋流器底板50之间，轴向旋流器包括内管、外管，叶片10设置在内管与外管之间。具体设置时，叶片10沿切向成15°～65°的角度排列，空气经叶片10之间的通道后由于切向角度(或者称之为偏心)而旋转形成漩涡，一方面有利于强化与燃料混合，另外一方面形成漩涡后，漩涡中心形成低速甚至负速度区，有利于燃烧及火焰稳定。
如图3所示，针对每一个空气通道20，还包括与空气通道20对应设置的多个燃料通道30，该多个燃料通道30的进料口301朝向空气通道20设置，且该多个燃料通道30的轴线至少两两相交，交点位于进料口301靠近空气通道20的一侧，可以将这些燃料通道30分为多组，每组燃料通道30的轴线相交于一点，或者，也可以使这些燃料通道30的轴线均相交于一点，轴线相交的一组燃料通道30的进料口301朝向对应的交点设置，即轴线相交的一组燃料通道30均朝向同一点喷射燃料，燃料在由进料口301射出后发生撞击，破碎成细小的微粒，形成一次雾化，燃料进入空气通道20后与空气混合，在空气流的作用下破碎成更加细小的微粒，形成二次雾化，这样，通过两次雾化作用增强了液体燃料的雾化效果，使液体燃料与空气充分混合，从而保证了燃料在火焰筒内充分燃烧，进而降低了NOx的排放。
该旋流器中，每个空气通道20对应一组或多组轴线相交的燃料通道30，每一组燃料通道30的进料口301均朝向交点设置。燃料通道30的设置有多种形式，在一个具体的实施例中，如图3所示，每个叶片10具有空心结构，且与燃料输送管路连通，每个叶片10内设有上述多个燃料通道30，这些燃料通道30分为一组或多组，每组燃料通道30的轴线相交，且每组燃料通道30的进料口301均设置在对应叶片10的表面，这样，燃料在旋流器内被分配到每个叶片10中，并由叶片10内的燃料通道30喷出，在喷出时多股燃料射流相互撞击形成自击雾化，燃料进入空气通道20后受空气流的作用再次发生雾化，形成更细小的微粒，从而增强了液体燃料的雾化效果，保证了燃料与空气的充分混合。当叶片10上设置有多组轴线相交的燃料通道30时，多组燃料通道30在叶片10上均匀分布。
进一步的，一并参考图1、图3，该旋流器为径向旋流器，且还包括旋流器顶板40以及旋流器底板50，叶片10设置于旋流器顶板40与旋流器底板50之间，旋流器顶板40内设有环形通道401，环形通道401与燃料输送管路连通，且与每个叶片10均连通，燃料依次经过燃料输送管路、旋流器顶板40内的环形通道401后被分配到每个叶片10中，并从进料口301喷出形成自击雾化。为了防止因进料口301离旋流器顶板40以及旋流器底板50太近而使燃料在喷出后贴在旋流器顶板40以及旋流器底板50表面，使进料口301分布在叶片10上(1/8h，7/8h)的范围内，如1/4h、3/8h、1/2h、5/8h等，其中，h为叶片10介于旋流器顶板40与旋流器底板50之间的高度，也可以使进料口301分布在叶片其他适当的区域内来防止燃料贴壁，具体根据实际结构以及效果而定。若将旋流器顶板40的直径记为h，在轴线相交的一组燃料通道30中，使轴线的交点距离旋流器的轴线的距离介于(1/3d，4/5d)的范围内，如2/5d、3/5d、2/3d等，其中，d为旋流器顶板40的直径，这样可以防止进料口301过于集中而造成燃油聚集，不利于雾化，同理，也可以使燃料通道30的轴线相交的点分布在其他适当的范围内来防止燃料聚集，具体根据实际结构以及效果而定。
上述径向旋流器中，除了将燃料通道30设置在叶片10内，还可以将燃料通道30设置在旋流器顶板40上，具体的方案为：在旋流器顶板40上每介于相邻的两个叶片10之间的区域设置多个燃料通道30，每个燃料通道30与环形通道401连通，这些燃料通道30分为一组或多组，每组燃料通道30的轴线相交，且每组燃料通道30的进料口301均朝向对应的交点，这样，使每组燃料通道30均向同一点喷射燃料，从而使燃料射流相互撞击形成自击雾化。此时，应保证进料口301分布在顶板上距离旋流器轴线适当的区域内，以防止燃油聚集而不利于雾化。
在另一个具体的实施例中，针对每一个空气通道20，还包括与空气通道20一一对应的燃料喷嘴，且燃料喷嘴位于空气通道20的进气口，燃料喷嘴上设有上述多个燃料通道30。该旋流器可以为径向旋流器或轴线旋流器，在一种径向旋流器中(未示出)，还包括旋流器顶板40以及旋流器底板50，叶片10设置于旋流器顶板40与旋流器底板50之间，旋流器顶板40内设有环形通道401，环形通道401与燃料输送管路连通，并与每个燃料喷嘴连通，燃料喷嘴围设在叶片10的周围，在一种具体的实施形式中，燃料喷嘴为管状，且在朝向空气通道20设置的侧壁上设有一组或多组燃料通道30，每组燃料通道30喷出的燃料射流相互撞击形成自击雾化，随后，燃料与空气流混合进入旋流器，在空气流的作用下再次雾化，混合气流由旋流器流出后形成旋流，这种结构中，燃料在进入旋流器之前便与空气发生接触，并随空气流一同进入旋流器，这样设置延长了燃料与空气的雾化距离，提高了雾化效果。
在一个具体的实施例中，一并参考图1、图3，该旋流器为径向旋流器，预燃级与主燃级共用该径向旋流器，该径向旋流器包括旋流器顶板40以及旋流器底板50，叶片10设置于旋流器顶板40与旋流器底板50之间，叶片10内设有轴向通道101以及一组或多组燃料通道30，旋流器顶板40内设有环形通道401，环形通道401与主燃级燃料输送管路60连通，并与叶片10内的轴向通道101连通，旋流器底板50的一部分沿旋流器轴线方向延伸形成预混腔体，预燃级燃料输送管路70穿过旋流器顶板40的中心位置并露出，且头部设置有预燃级燃料喷嘴80，预燃级燃料喷嘴80可以采用单油路或者双油路离心喷嘴，其燃烧时燃料较少，在燃烧时起到点火作用，保证燃烧时火焰不熄灭和燃烧稳定；主燃级是降低NOx环节的重点，空气和大部分燃料在主燃级充分混合后再燃烧，这样会控制整个燃烧室内的温度处于较低水平(1700K-1900K)，以保证不会生成大量的NOx。
预燃级燃料进入预燃级燃料输送管路70后由预燃级燃料喷嘴80喷出，在喷孔处压力雾化，雾化后的燃料和进入共用旋流器的空气混合燃烧，燃气轮机达到指定工况的时候，主燃级燃料经主燃级燃料输送管路60进入环形通道401，经由叶片10内的一组或几组燃料通道30喷出，如图3所示，该叶片10内设有一组燃料通道30，包括两个轴线相交的燃料通道30，燃料由进料口301喷出后相互撞击，破碎形成雾化，其中，进料口301分布在叶片10叶高的1/8至7/8的位置，且两个燃料通道30的轴线交点到旋流器轴线的距离介于(1/3d，4/5d)的范围内，d为旋流器顶板40的直径，这样可以防止进料口301过于集中而造成燃油聚集，不利于雾化。雾化后的燃料和空气进行预混预蒸发，然后燃烧，稳定燃烧后主燃级和预燃级燃料比例为10:1至4:1范围内，也可以将预燃级燃料完全关闭，只有主燃级燃烧。
该旋流器除了适用于液体燃料外，也适用于气体燃料，气体燃料经轴线相交的燃料通道喷出后可增强与空气的混合效果。
本发明实施例还提供了一种燃烧室，包括上述任一中旋流器，通过自击雾化与空气助雾化增强了液体燃料的雾化效果，使燃料与空气充分混合，以降低NOx的排放。上述方案可以用于燃气轮机，也可以用于航空发动机。
通过以上描述可以看出，本发明实施例通过使燃料在喷出时多股射流相互撞击，形成自击雾化，自击雾化后燃料在空气流的作用下再次雾化，通过两次雾化增强了燃料与空气的混合效果，保证了燃料的充分燃烧。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
