CN101307915A - 一种燃用乙醇燃料的燃气轮机预蒸发燃烧室 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃用乙醇燃料的燃气轮机预蒸发燃烧室，采用单管圆筒燃烧室结构，由燃烧室机匣和火焰筒构成；燃烧室进口用于引入空气流，与燃烧室机匣焊接，乙醇供应路采用直射孔作为乙醇喷嘴，将液体乙醇供入预蒸发管，利用预蒸发管内气流的温度和气动力完成乙醇的雾化蒸发掺混；空气从一次射入孔和二次旋流孔进入管内，一次射入孔可分为径向和轴向两种方案，一次射流都不产生旋流，旋流全部由从二次旋流孔进入的气流产生；经一次流和二次旋流作用后，液体乙醇蒸发，并与空气混合，混合后的可燃气从预蒸发管出口进入火焰筒，依靠电火花点火器在火焰筒中完成乙醇的燃烧；本发明采用预蒸发管能够充分发挥乙醇燃料的特性，提高燃烧室的效率，降低污染排放。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机燃烧室，特别涉及一种燃用乙醇燃料的燃气轮机预蒸发燃烧室。
背景技术
迫于全球化石燃料储备供应有限以及环境污染问题的压力，生物质燃料如乙醇和生物柴油等的应用受到大力提倡。其中，乙醇是可再生能源，可通过发酵糖等工艺来生产，从而减少对不可再生的化石燃料的依赖，有利于人类的可持续发展。乙醇燃料的应用对于全球应对能源危机具有一定的战略意义。另外，利用生物酶技术以及农产品发酵技术可以用粮食、蔗糖、纤维等各种生物材料制取乙醇，在很大程度上可以调节粮食供需矛盾，在全球能源经济体系中将占有重要地位。
目前，国内外对乙醇燃料的研究主要集中在汽车内燃机方面。在车用内燃机中，乙醇作为含氧燃料添加剂，与柴油和汽油混合形成混合燃料，在很大程度上解决了化石燃料的消耗问题，并且对提高燃烧性能和降低污染排放也具有实际意义，因此乙醇又被称为21世纪绿色能源。
而乙醇燃料在燃气轮机上的应用则不多见，这方面的研究也很少。如果乙醇燃料能在该领域成功应用，特别是配合分布式能源的核心技术——微型燃气轮机推广应用，将大大扩大其燃料适应性，无论在能源经济性方面还是在环境污染控制方面都会产生长远影响。
预蒸发管来源于低污染燃烧技术，特别是贫油预蒸发预混合燃烧技术(Lean PremixedPrevaporized Combustor简称为LPP)在降低污染排放方面具有巨大潜力，而且该技术已经进入实用阶段。预蒸发预混合燃烧技术是在燃料进入燃烧室前使用蒸发装置，使燃料在该装置中进行预蒸发并与空气预混合，形成均匀油气混合物，然后进入燃烧室进行燃烧方式。但已有的预蒸发预混合燃烧技术主要针对航空煤油，对乙醇燃料的低沸点、易挥发和高蒸发潜热特点并不完全适用，需要适当优化改进。
目前的燃气轮机大多采用煤油、柴油、天然气或合成气等为燃料，由于燃料性质的不同，采用不同燃料的燃气轮机燃烧室并不能完全通用。用现有的燃气轮机燃烧室燃用乙醇燃料，不但不能充分发挥乙醇燃料的优势，还会带来燃烧不稳定、燃烧效率低、污染排放严重以及结构强度不够等问题。因此，必须根据乙醇燃料特点设计一种能充分发挥乙醇燃料特点的燃气轮机燃烧室，这正是本发明所解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种可高效燃烧乙醇燃料的燃气轮机燃烧室，采用预蒸发管结构充分发挥乙醇燃料的低沸点、易挥发、高蒸发潜热特性，允许液体乙醇燃料直接喷入，从而降低对乙醇喷嘴的苛刻要求，具有一定燃料扩展性，结构简单，乙醇蒸发率高，与空气混合均匀，从而提高燃烧效率，降低污染排放，为生物质燃料的推广应用提供了技术支持。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种燃用乙醇燃料的燃气轮机预蒸发燃烧室，其特征在于：采用单管圆筒燃烧室结构，由燃烧室机匣和火焰筒构成；燃烧室进口与燃烧室机匣焊接而成，用于将空气流引入燃烧室；乙醇供应路将液体乙醇供入预蒸发管，利用预蒸发管内气流的温度和气动力完成乙醇的雾化蒸发掺混；预蒸发管上有喷嘴安装孔，空气从一次射入孔和二次旋流孔进入管内，并且一次射入孔可分为径向和轴向两种方案，但一次射流都不产生旋流，旋流全部由从二次旋流孔进入的气流产生；经一次流和二次旋流的作用后，液体乙醇蒸发，并与空气混合，混合后的可燃气从预蒸发管出口进入火焰筒；依靠电火花点火器实现乙醇燃烧室的点火启动，整个乙醇燃烧过程都在火焰筒中完成，高温燃气由其后的出口排出。
所述的乙醇供应路的材料为不锈钢，其前端开有2～4个直径0.4～1mm的直射孔作为乙醇喷嘴，直射孔的张角为0°～180°。
所述预蒸发管用压片将预蒸发管安装边安装在火焰筒头部的预蒸发管安装座上，压片与预蒸发管安装座之间通过钢丝绑定；预蒸发管的材料为导热性良好的不锈钢，预蒸发管的预蒸发管直径与火焰筒直径之间的比例为0.15～0.4。
所述预蒸发管的一次空气射入孔和二次旋流孔之间的距离与预蒸发管直径的比例为0.2～1。
所述预蒸发管的二次旋流孔可分为3～10排，并且相邻两排孔交叉排列，二次流持续距离与预蒸发管直径的比例为0.3～1.6。
所述预蒸发管的二次旋流孔与出口的距离是预蒸发管直径的1～3倍。
所述预蒸发管的一次空气射入孔和二次旋流孔之间的空气流量分配比例为0.5～2。
所述预蒸发管的二次旋流偏置长度与预蒸发管直径之间的比例为0～0.5。
所述预蒸发管的一次空气径向入射方案的一次流射入孔为1～3排，相邻两排孔交叉排列，每排个数4～12个。
所述预蒸发管的一次空气轴向入射方案的一次流射入孔分为内外两排，内孔分布直径和外孔分布直径分别为预蒸发管直径的0.5～0.7和0.7～0.9。
本发明的工作原理：乙醇从直射孔喷入预蒸发管后，由于燃气轮机燃烧室进口空气具有一定的压力和温度，而乙醇的挥发性很强，沸点也很低，只要有足够的蒸发时间和空间，就能蒸发完全。一部分乙醇在预蒸发管的一次流和二次旋流的共同作用下雾化蒸发，另一部分直接打在管壁上，既有管壁本身温度的作用，又有气流温度和气动力的作用，进一步雾化蒸发。由于旋流的存在，预混合管内的湍流度强，乙醇蒸汽在气动力的作用下能与空气均匀掺混。乙醇与空气的均匀混合气以一定旋流强度进入火焰筒进行燃烧，实现稳定和完全的燃烧，并且由于乙醇燃料本身低热值和高蒸发潜热特点，能限制污染物的生成，特别是针对NOx污染物。
本发明与现有技术相比具有的优点如下：
(1)本发明的燃烧室采用乙醇燃料的预蒸发燃烧室，能更有效地实现生物质乙醇燃料的稳定高效燃烧，同时进一步降低污染排放；
(2)本发明的燃烧室采用乙醇燃料的预蒸发燃烧室，由于乙醇燃料沸点低，蒸发潜热大，采用预蒸发管能够使乙醇蒸发完全，并且与空气混合均匀，在有限的空间内易于实现预混燃烧，加之乙醇本身含氧和低碳氢比特点，能够明显减少碳黑冒烟和NOx生成，提高燃烧效率；
(3)本发明的燃烧室采用乙醇燃料的预蒸发燃烧室，乙醇在预蒸发管内能充分雾化、蒸发并混合，不需要另外附加雾化装置，喷嘴形式和结构简单，维护费用低，同时既适用于无水乙醇也适用于含水乙醇，具有很宽的燃料适应性，形成的乙醇-水-空气混合气，具有进一步减少污染排放的潜力。
附图说明
图1为本发明的乙醇预蒸发燃烧室结构示意图；
图2为乙醇燃料燃烧室火焰筒结构示意图；
图3为本发明的乙醇燃料供应路示意图；
图4为本发明的径向一次流预蒸发管三维图；
图5为本发明的径向一次流预蒸发管结构示意图；
图6为本发明的轴向一次流预蒸发管三维图；
图7为本发明的轴向一次流预蒸发管结构示意图。
图中：1燃烧室进口，2燃烧室机匣，3乙醇供应路，4预蒸发管，5点火器，6火焰筒，7进口直径，8机匣直径，9进口至火焰筒距离，10头部安装座，11预蒸发管安装座，12压片，13挡溅板，14螺钉，15点火器浮动安装座，16气膜缝槽舌片，17火焰筒筒身，18预蒸发管安装座冷却孔，19头部冷却孔，20主燃孔，21掺混孔，22气膜冷却孔，23火焰筒直径，24主燃区长度，25补燃区长度，26掺混孔排距，27掺混区长度，28直射孔，29喷嘴安装孔，30一次流射入孔，31二次旋流孔，32预蒸发管安装边，33一次流与二次旋流距离，34二次流持续距离，35二次流与预蒸发管出口距离，36预蒸发管直径，37二次旋流偏置长度。38内孔分布直径，39外孔分布直径。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
本实施例所述的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机预蒸发燃烧室，采用单管圆筒燃烧室结构，由燃烧室机匣2和火焰筒6构成；空气流从燃烧室进口1进入燃烧室，通过预蒸发管4和火焰筒6上开孔进入火焰筒内；液体乙醇燃料通过乙醇供应路3上的直射孔28喷入预蒸发管4内，在一次流和二次旋流的作用下，液体乙醇蒸发，并与空气混合，混合后的可燃气从预蒸发管4出口进入火焰筒6；依靠电火花点火器5实现乙醇燃烧室的点火启动，整个乙醇燃烧过程都在火焰筒6中完成，高温燃气由其后的出口排出。
如图1所示，燃烧室进口1与燃烧室机匣2焊接而成，火焰筒6在出口处与燃烧室机匣2之间采用焊接或螺纹联接；乙醇供应路3和电火花点火器5采用螺钉和螺纹联接固定在燃烧室机匣2上，且乙醇供应路3与火焰筒6浮动联接，电火花点火器5通过点火器浮动安装座15与火焰筒6连接；因此易于安装，并且避免了热应力。预蒸发管4用压片12将预蒸发管安装边32安装在火焰筒6的预蒸发管安装座11上，压片12与预蒸发管安装座11之间通过钢丝绑定。
如图2所示，火焰筒6的头部有头部安装座10、预蒸发管安装座11和挡溅板13焊接在一起；预蒸发管安装座11上开有预蒸发管安装座冷却孔18，头部安装座10上有头部冷却孔19，它们均为直径1.5～2.5mm小孔，开孔数60～120个。头部安装座10与火焰筒筒身17之间用4～8个螺钉14连接固定。点火器浮动安装座15与火焰筒筒身17焊接而成。火焰筒直径23与机匣直径8的比例为0.5～0.85；火焰筒筒身17上开有主燃孔20、掺混孔21和气膜冷却孔22；火焰筒筒身17上的气膜冷却分为主燃区、补燃区和掺混区三段，气膜冷却孔22均为直径2～4mm的小孔，个数总共为100～300，乙醇在火焰筒内燃烧产生高温燃气，为了利用覆壁冷却气膜保护火焰筒，在火焰筒上的气膜冷却孔22下方装有气膜缝槽舌片16，最大程度发挥冷却气的冷却效果；气膜缝槽出口高度1.5～3mm，气膜缝槽舌片16与火焰筒筒身17点焊固定；火焰筒主燃孔20由均匀分布的4～8个直径8～16mm大孔构成；所述预蒸发管安装座11出口到主燃孔20之间的区域为主燃区，是乙醇燃料燃烧的主要区域，其轴向距离是主燃区长度24，它与火焰筒直径23之间的比例为0.3～1；主燃区空气量包括预蒸发管4进气量、预蒸发管安装座冷却孔18和头部冷却孔19进气量、壁面气膜冷却孔22进气量的主燃区部分的一半以及主燃孔20进气量的一半，以上所述主燃区总空气量占燃烧室总气量的15％～50％，与乙醇燃料的油气比为0.02～0.15，也能保证主燃区乙醇稳定高效燃烧，同时污染排放低。掺混孔21则由一排或两排均匀分布的8～20个直径6～16mm大孔构成，两排掺混孔交叉分布，双排掺混孔之间的轴向距离掺混孔排距26与火焰筒直径23之间的比例为0.12～0.3，气量分配占燃烧室总气量的20％～50％。掺混孔21至火焰筒出口间的区域为掺混区，其轴向距离27为掺混区长度，为实现均匀掺混，掺混区长度27与火焰筒直径23之间的比例为0.5～1.5。主燃孔20与掺混孔21之间区域为补燃区，补燃区长度25与火焰筒直径23之间的比例为0.3～0.9。火焰筒出口则根据其后的联接段形状和大小由圆管型筒身17逐渐过渡而成，可以减小流动损失。
乙醇供应路3前端开有2～4个直径0.4～1mm的直射孔28，其张角为0°～180°，如图3所示。乙醇直接喷入预蒸发管4内，不需要太高的供油压力，不容易堵塞。需要注意的是乙醇供应路3的材料应选用不锈钢，防止含水乙醇腐蚀。
直射孔28的位置位于预蒸发管4的一次流射入孔30和二次旋流孔31之间。预蒸发管4的径向一次流方案射入孔30可分为1～3排，相邻两排孔交叉排列，每排个数4～12个，直径均为2～6mm，如图4和图5所示。预蒸发管4的轴向一次流方案射入孔30分内外两排，个数分别为6～15个和15～30个，直径均为1.5～4mm，如图6和图7所示。一次空气射入孔30和二次旋流孔31之间的距离33与预蒸发管直径36的比例为0.2～1。预蒸发管4的二次旋流孔31可分为3～10排，并且相邻两排孔交叉排列，每排个数8～16个，二次流持续距离34与预蒸发管直径36的比例为0.3～1.6。预蒸发管4的旋流强度可通过两个途径调节：一是一次空气射入孔30和二次旋流孔31之间的空气流量分配，该比例范围为0.5～2；二是二次旋流孔31的二次旋流偏置长度37，它与预蒸发管直径36之间的比例为0～0.5。预蒸发管4的二次旋流孔31与出口距离35是预蒸发管直径36的1～3倍，太短不能使乙醇充分蒸发并与空气掺混，太长则容易造成回火或自燃。预蒸发管4的一次空气轴向入射方案的射入孔30可分为内外两排，内孔分布直径38和外孔分布直径39分别为预蒸发管直径36的0.5～0.7和0.7～0.9，可增加一次入射空气的均匀性。预蒸发管4的空气量占燃烧室总气量的6％～25％，预蒸发管4内的乙醇空气油气比范围为0.06～1，可以提供良好的液体乙醇预蒸发效果和贫油熄火效果，保证乙醇高效稳定燃烧，降低污染排放。预蒸发直径36与火焰筒直径23之间的比例为0.15～0.4，保证管内空气流速不至太低，防止回火，整个预蒸发管4的材料采用导热性良好的不锈钢。
Claims (11)
1、一种燃用乙醇燃料的燃气轮机预蒸发燃烧室，其特征在于：采用单管圆筒燃烧室结构，由燃烧室机匣(2)和火焰筒(6)构成；燃烧室进口(1)与燃烧室机匣(2)焊接而成，用于将空气流引入燃烧室；乙醇供应路(3)将液体乙醇供入预蒸发管(4)，利用预蒸发管(4)内气流的温度和气动力完成乙醇的雾化蒸发掺混；预蒸发管(4)上有喷嘴安装孔(29)，空气从一次射入孔(30)和二次旋流孔(31)进入管内，并且一次射入孔(30)可分为径向和轴向两种方案，但一次射流都不产生旋流，旋流全部由从二次旋流孔(31)进入的气流产生；经一次流和二次旋流的作用后，液体乙醇蒸发，并与空气混合，混合后的可燃气从预蒸发管(4)出口进入火焰筒(6)；依靠电火花点火器(5)实现乙醇燃烧室的点火启动，整个乙醇燃烧过程都在火焰筒(6)中完成，高温燃气由其后的出口排出。
2、根据权利要求1所述的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机预蒸发燃烧室，其特征在于：所述的乙醇供应路(3)的材料为不锈钢，其前端开有2～4个直径0.4～1mm的直射孔(28)作为乙醇喷嘴，直射孔(28)的张角为0°～180°。
3、根据权利要求1所述的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机预蒸发燃烧室，其特征在于：所述预蒸发管(4)用压片(12)将预蒸发管安装边(32)安装在火焰筒(6)头部的预蒸发管安装座(11)上，压片(12)与预蒸发管安装座(11)之间通过钢丝绑定；预蒸发管(4)的材料为导热性良好的不锈钢，预蒸发管(4)的预蒸发管直径(36)与火焰筒直径(23)之间的比例为0.15～0.4。
4、根据权利要求1所述的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机预蒸发燃烧室，其特征在于：所述预蒸发管(4)的一次空气射入孔(30)和二次旋流孔(31)之间的距离(33)与预蒸发管直径(36)的比例为0.2～1。
5、根据权利要求1所述的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机预蒸发燃烧室，其特征在于：所述预蒸发管(4)的二次旋流孔(31)可分为3～10排，并且相邻两排孔交叉排列，二次流持续距离(34)与预蒸发管直径(36)的比例为0.3～1.6。
6、根据权利要求1所述的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机预蒸发燃烧室，其特征在于：所述预蒸发管(4)的二次旋流孔(31)与出口的距离(35)是预蒸发管直径(36)的1～3倍。
7、根据权利要求1所述的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机预蒸发燃烧室，其特征在于：所述预蒸发管(4)的二次旋流偏置长度(37)与预蒸发管直径(36)之间的比例为0～0.5。
8、根据权利要求1所述的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机预蒸发燃烧室，其特征在于：所述预蒸发管(4)的一次空气径向入射方案的一次流射入孔(30)为1～3排，相邻两排孔交叉排列，每排个数4～12个。
9、根据权利要求1所述的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机预蒸发燃烧室，其特征在于：所述预蒸发管(4)的一次空气轴向入射方案的一次流射入孔(30)分为内外两排，内孔分布直径(38)和外孔分布直径(39)分别为预蒸发管直径(36)的0.5～0.7和0.7～0.9。
10、根据权利要求1所述的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机预蒸发燃烧室，其特征在于：所述预蒸发管(4)的一次空气射入孔(30)和二次旋流孔(31)之间的空气流量分配比例为0.5～2。
11、根据权利要求1所述的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机预蒸发燃烧室，其特征在于：所述预蒸发管(4)的空气量占燃烧室总气量的6％～25％，预蒸发管(4)内的乙醇空气油气比范围为0.06～1，以提供良好的液体乙醇预蒸发效果，保证乙醇高效稳定燃烧，降低污染排放。
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