CN101307916B - 一种燃用乙醇燃料的燃气轮机燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃用乙醇燃料的燃气轮机燃烧室，采用单管圆筒结构，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，用于引入空气流；火焰筒在出口处与燃烧室机匣之间采用焊接或螺纹联接；乙醇供应路将液体乙醇供入燃烧室，并与旋流装置构成燃料准备系统，完成乙醇的雾化蒸发；电火花点火器插入火焰筒，实现乙醇燃烧室的点火启动；整个乙醇燃烧过程在火焰筒中完成，由其后的出口排出高温燃气；再通过对燃气轮机燃烧室的气流分配进行调节，最大程度的适应和发挥乙醇燃料的特点与优势，提高乙醇燃烧的燃烧效率并降低其污染排放，宜于实现节能环保的目标；本发明是生物质燃料微型燃气轮机的核心部件，能扩大其燃料适应性，便于其推广应用。

Description

一种燃用乙醇燃料的燃气轮机燃烧室

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。

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，包括燃料成分、热值及化学恰当比等有很大区别，采用不同燃料的燃气轮机之间的部件技术，特别是燃烧室，不能完全通用。用现有的燃气轮机燃烧室直接燃用乙醇燃料的话，会导致燃烧不稳定、燃烧效率低、污染排放严重以及结构强度不够等缺陷。因此，必须根据乙醇燃料特点设计一种能适用于乙醇燃烧的燃气轮机燃烧室，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，提供一种可燃用乙醇燃料的燃气轮机燃烧室，根据乙醇燃料的特性，对燃气轮机燃烧室的气流分配和结构进行全新设计，最大程度的适应和发挥乙醇燃料的特点与优势，提高乙醇燃烧的燃烧效率并降低其污染排放。

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燃烧室，其特征在于：采用单管圆筒结构，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燃烧室，并与旋流装置构成燃料准备系统，完成乙醇的雾化蒸发；乙醇供应路和电火花点火器采用螺钉和螺纹联接固定在燃烧室机匣上，且乙醇供应路与火焰筒浮动联接，电火花点火器通过火焰筒上的浮动安装座与火焰筒连接，实现乙醇燃烧室的点火启动；整个乙醇燃烧过程在火焰筒中完成，由其后的出口排出高温燃气；火焰筒在出口处与燃烧室机匣之间采用焊接或螺纹联接；火焰筒的头部有旋流装置安装座、头部安装座和挡溅板，旋流装置用压片安装在旋流装置安装座上，旋流装置安装座上开有旋流装置安装座冷却孔，头部安装座上开有头部冷却孔；火焰筒筒身依靠螺钉与头部安装座联接；火焰筒筒身上的相应位置开有主燃孔、掺混孔和气膜冷却孔；在气膜冷却孔下方装有气膜缝槽舌片，以最大程度发挥冷却气的冷却效果。

所述乙醇供应路的材料为不锈钢，防止含水乙醇腐蚀；乙醇供应路包含供油杆与乙醇喷嘴，且它们之间螺纹联接，喷嘴可灵活采用直射开孔式或离心压力式雾化喷嘴，在保证燃料供应性能的同时提供一定的燃料适应性。

所述燃烧室进口进入燃烧室的空气量与乙醇供应路供应的乙醇流量之间的油气比范围0.015～0.06。

所述燃烧室进口的进口直径和机匣的机匣直径之间的比例0.3～0.9。

所述燃烧室进口至火焰筒的距离与机匣直径之间的比例范围0.5～2。

所述火焰筒的直径与机匣直径的比例为0.5～0.85。

所述旋流装置安装座出口到主燃孔之间的区域为主燃区，主燃区长度与火焰筒的直径之间的比例为0.3～1。

所述主燃孔与掺混孔之间区域为补燃区，补燃区长度与火焰筒的直径之间的比例为0.3～0.9。

所述掺混孔采用单排或双排开孔结构，交叉开孔，双排掺混孔之间的掺混孔排距与火焰筒的直径之间的比例为0.12～0.3。

所述掺混孔至火焰筒出口间的区域为掺混区，掺混区长度与火焰筒的直径之间的比例为0.5～1.5。

所述旋流装置安装座出口到主燃孔之间主燃区的空气量包括旋流装置进气量、旋流装置安装座冷却孔进气量、头部冷却孔进气量、气膜冷却孔进气量的主燃区部分的一半以及主燃孔进气量的一半，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，以保证主燃区乙醇稳定高效燃烧，同时降低污染的排放。

本发明的工作原理：空气从燃烧室进口通过减速扩压进入燃烧室机匣，从而减小气流进入火焰筒的压力损失。气流从旋流装置、主燃孔、掺混孔以及众多冷却孔进入火焰筒。乙醇通过乙醇供应路喷入火焰筒，在旋流作用下充分雾化蒸发，以备燃烧。由于乙醇燃料的沸点低、挥发性强、蒸发潜热大，能够有效降低燃烧温度，同时它属含氧燃料，能有效抑制冒烟的生成。在旋流和主燃孔射流的共同作用下在主燃区形成回流区，稳定火焰燃烧。主燃区内的乙醇与空气的设计油气比非常重要，应将该值控制在合理范围内，实现优良的点火与熄火性能，拓宽燃烧稳定性，提高燃烧效率。但头部气量，主要是旋流装置气量，不宜过大，否则影响燃烧室的熄火性能。作为燃烧室的重要参考截面，为了保证燃烧室的性能，机匣横截面和火焰筒横截面必须足够大，保证空气流速不至太高。同时，主燃区和补燃区长度必须保证燃气有足够的驻留时间，确保完全燃烧，但驻留时间又不能太长，以减少污染排放，特别是NOx的排放。掺混区的长度则主要是要保证掺混孔射流与上游燃气充分掺混，不至出现明显热斑。

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，为其在燃气轮机上的应用提供了前提条件，扩展了该类生物质燃料的应用前景，作为化石燃料的替代能源，能更有效地实现节能减排；

(2)本发明的燃烧室采用乙醇燃料，根据乙醇燃料的特性，优化了燃烧室各部件的气量分配，使乙醇在燃烧室内完全燃烧，同时具有良好的点火与熄火性能，加之乙醇燃料本身特点，能够减少碳黑冒烟的生成，降低污染排放；

(3)本发明的燃烧室采用单管形式的乙醇燃烧室，结构简单，安装拆卸方便，维护费用低，应用方式灵活。

附图说明

图1为本发明的乙醇燃料燃烧室结构示意图；

图2为本发明的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为本发明的双旋流器示意图。

图中：1燃烧室进口，2燃烧室机匣，3乙醇供应路，4旋流装置，5电火花点火器，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旋流装置安装座，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旋流装置安装座冷却孔，19头部冷却孔，20主燃孔，21掺混孔，22气膜冷却孔，23火焰筒的直径，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供油杆，29乙醇喷嘴，30喷嘴安装孔，31内旋流器，32外旋流器，33内旋流文氏管，34旋流器出口套筒。

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。

本实施例的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机燃烧室，采用单管圆筒结构，易于安装拆卸及维护，由燃烧室机匣2和火焰筒6构成；如图1所示，燃烧室进口1与压气机来流对接，将空气流引入燃烧室；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将液体乙醇供入燃烧室，并与旋流装置4构成燃料准备系统，完成乙醇的雾化蒸发；。电火花点火器5实现乙醇燃烧室的点火启动；整个乙醇燃烧过程在火焰筒6中完成，由其后的出口排出高温燃气；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。空气流从燃烧室进口1进入燃烧室机匣2中时需实现减速扩压功能进口直径7和机匣直径8之间满足一定的比例范围0.3～0.9。燃烧室进口1与火焰筒6的轴向距离9和机匣直径8之间也满足一定的比例范围0.5～2，给乙醇供应路3提供足够的安装空间，并且减小气流的流动损失。从燃烧室进口1进入燃烧室的空气量与乙醇供应路3供应的乙醇流量之间满足一定的油气比范围0.015～0.06，这样才能达到燃烧室的燃烧性能及温升要求。

如图2所示，火焰筒6的头部有旋流装置安装座11、头部安装座10和挡溅板13，旋流装置4用压片12安装在火焰筒头部的旋流装置安装座11上，具有一定的浮动余量。旋流装置安装座11上开有旋流装置安装座冷却孔18，头部安装座10上也开有头部冷却孔19，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。电火花点火器5通过火焰筒上的浮动安装座15安装在火焰筒6上；点火器浮动安装座15与火焰筒筒身17焊接而成；火焰筒6上的相应位置开有主燃孔20、掺混孔21和气膜冷却孔22。火焰筒直径23与机匣直径8的比例为0.5～0.85，确保整个燃烧室的性能；所述旋流装置安装座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，它与火焰筒的直径23之间的比例为0.3～1，保证主燃区合适的燃烧时间。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，气膜缝槽出口高度1.5～3mm，由于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，气量分配占燃烧室总气量的8％～40％。主燃区空气量包括旋流装置4进气量、旋流装置安装座冷却孔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，该气量分配占燃烧室总气量的15％～50％，与乙醇燃料的油气比为0.02～0.15，这样才能保证主燃区乙醇稳定高效燃烧，同时污染排放低；其中旋流装置空气量占燃烧室总气量的6％～25％，主燃孔气量占燃烧室总气量的8％～40％，掺混孔气量占燃烧室总气量的20％～50％；掺混孔21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与火焰筒的直径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与火焰筒的直径23之间的比例为0.5～1.5，降低燃烧室出口温度分布系数。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，实现乙醇完全燃烧。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由供油杆28和乙醇喷嘴29构成，它们之间螺纹联接，可灵活拆卸组合，如图3所示，乙醇喷嘴29可选用直射开孔式或离心压力式喷嘴。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。从乙醇喷嘴29喷出的乙醇进入旋流装置后，在旋流作用下雾化蒸发。

旋流装置4可采用旋流器或旋流管的方式，如图4所示的反向双旋流器，由内旋流器31和外旋流器32构成，均由叶片式或开孔式引气，其中叶片的厚度0.5～1.5mm，个数6～12，内外旋流器之间焊接而成，旋流数均为0.6～1。为了保证乙醇雾化和稳定燃烧，旋流装置4的进气量占整个燃烧室气量的6％～25％。喷嘴安装孔30的直径为12.8mm，与乙醇喷嘴29间隙配合。内旋流器31的叶片宽度为2.5～4mm，叶片切向角60°～90°，内旋流器文氏管33直径8～12mm。外旋流器32的叶片宽度为4～6mm，叶片切向角60°～90°。旋流器出口套筒34的内径为18～24mm，扩张角60°～90°。

本实施例的燃用乙醇燃料的燃气轮机燃烧室，燃烧室进口气流为常温常压时，该燃烧室具有良好的点火与熄火性能。

Claims (11)

1.一种燃用乙醇燃料的燃气轮机燃烧室，其特征在于：采用单管圆筒结构，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)将液体乙醇供入燃烧室，并与旋流装置(4)构成燃料准备系统，完成乙醇的雾化蒸发；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)通过火焰筒上的浮动安装座(15)与火焰筒(6)连接，实现乙醇燃烧室的点火启动；整个乙醇燃烧过程在火焰筒(6)中完成，由其后的出口排出高温燃气；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；火焰筒(6)的头部有旋流装置安装座(11)、头部安装座(10)和挡溅板(13)，旋流装置(4)用压片(12)安装在旋流装置安装座(11)上，旋流装置安装座(11)上开有旋流装置安装座冷却孔(18)，头部安装座(10)上开有头部冷却孔(19)；火焰筒筒身(17)依靠螺钉(14)与头部安装座(10)联接；火焰筒筒身(17)上的相应位置开有主燃孔(20)、掺混孔(21)和气膜冷却孔(22)；在气膜冷却孔(22)下方装有气膜缝槽舌片(16)，以最大程度发挥冷却气的冷却效果。

2.根据权利要求1所述的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机燃烧室，其特征在于：乙醇供应路(3)的材料为不锈钢，防止含水乙醇腐蚀；乙醇供应路(3)包含供油杆(28)与乙醇喷嘴(29)，且它们之间螺纹联接，喷嘴(29)可灵活采用直射开孔式或离心压力式雾化喷嘴，在保证燃料供应性能的同时提供一定的燃料适应性。

3.根据权利要求1所述的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机燃烧室，其特征在于：燃烧室进口(1)进入燃烧室的空气量与乙醇供应路(3)供应的乙醇流量之间的油气比范围0.015～0.06。

4.根据权利要求1所述的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机燃烧室，其特征在于：燃烧室进口(1)的进口直径(7)和机匣(2)的机匣直径(8)之间的比例0.3～0.9。

5.根据权利要求1所述的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机燃烧室，其特征在于：燃烧室进口(1)至火焰筒(6)的距离(9)与机匣直径(8)之间的比例范围0.5～2。

6.根据权利要求1所述的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机燃烧室，其特征在于：火焰筒(6)的直径(23)与机匣直径(8)的比例为0.5～0.85。

7.根据权利要求1所述的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机燃烧室，其特征在于：旋流装置安装座(11)出口到主燃孔(20)之间的区域为主燃区，主燃区长度(24)与火焰筒(6)的直径(23)之间的比例为0.3～1。

8.根据权利要求1所述的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机燃烧室，其特征在于：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(6)的直径(23)之间的比例为0.3～0.9。

9.根据权利要求1所述的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机燃烧室，其特征在于：掺混孔(21)采用单排或双排开孔结构，交叉开孔，双排掺混孔之间的掺混孔排距(26)与火焰筒(6)的直径(23)之间的比例为0.12～0.3。

10.根据权利要求1所述的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机燃烧室，其特征在于：掺混孔(21)至火焰筒出口间的区域为掺混区，掺混区长度(27)与火焰筒(6)的直径(23)之间的比例为0.5～1.5。

11.根据权利要求1所述的一种燃用乙醇燃料的燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述旋流装置安装座(11)出口到主燃孔(20)之间主燃区的空气量包括旋流装置(4)进气量、旋流装置安装座冷却孔(18)进气量、头部冷却孔(19)进气量、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％，所述主燃区总空气量与乙醇燃料的油气比为0.02～0.15，以保证主燃区乙醇稳定高效燃烧，同时降低污染的排放。

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