CN102384473B - 一种燃气轮机无焰驻涡燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种燃气轮机无焰驻涡燃烧器，结合了无焰燃烧技术和驻涡燃烧技术，利用无焰燃烧技术压力波动小、噪声小的优点，解决驻涡燃烧技术噪声大的缺点；驻涡燃烧作为值班火焰，利用其容积紧凑、燃烧稳定的优点，可以进一步降低无焰燃烧的熄火当量比，产生的高温烟气可以稀释并加热新鲜混合气，拓宽无焰燃烧的稳定燃烧范围。本发明的燃烧器同时拥有无焰燃烧与驻涡燃烧技术的优点，温度场均匀、污染物排放低、燃烧稳定。

Description

一种燃气轮机无焰驻涡燃烧器

技术领域

本发明涉及燃气轮机燃烧室技术，是一种无焰燃烧、驻涡凹腔燃烧的结合，同时实现两种燃烧技术的燃烧器结构。

背景技术

燃气轮机作为人类最广泛应用的动力机械，已经渗入到各个主要的经济部门，应用领域宽广涉及海、陆、空，服务对象惠及军用、民用，发展高性能、稳定的、低污染燃气轮机燃烧室永远是燃气轮机研究者追求的目标。目前，高性能燃气轮机燃烧室超低污染燃烧技术主要有：富燃-淬熄-贫燃燃烧(Rich burn，Quick quench，Lean burn，简称RQL)、贫预混预蒸发燃烧(Lean Premixed Prevaporized简称LPP)、贫预混直接喷射燃烧(Lean Direct Injection简称LDI)等。

RQL燃烧技术，一方面在富油状态下，由于燃烧过程中缺氧，燃烧温度很低，可以抑制热力NO生成，另一方面，为了燃烧完全，必须继续掺混空气进行燃烧，为了减少向贫油区过渡时空气在高温产物中的停留时间，在富油与贫油之间，设置了一个快速淬熄通道，目前该项技术正在研究之中。

也有将驻涡燃烧与RQL技术结合的RQL-TVC燃烧室结构，驻涡燃烧(Trapper vortex combustion简称TVC)是通过在燃烧室主流下游设置凹腔，凹腔内布置燃气与空气通道，空气从主流方向流入与凹腔内气体相交，流向燃烧室主燃区，同时在凹腔内形成沿凹腔径向的漩涡，由于凹腔内火焰受周围主流气体的影响很小，可以在凹腔内形成稳定的值班火焰，并且该种燃烧室具有超紧凑的结构，减小了燃烧室的存在空间。但这种燃烧技术的突出缺点是由于凹腔的存在，容易形成流动特性与燃烧室放热耦合产生的噪声。

LPP燃烧技术是将油完全蒸发并混合均匀然后供入燃烧室，在燃烧区进行贫油燃烧，这种燃烧的一个重要缺点是均匀混合的燃烧过程与燃烧室的声学特性容易耦合起来，产生燃烧不稳定性问题。而且又要防止其在预混预蒸发阶段的自燃与回火问题。

LDI燃烧是将燃油多点直接喷射入高速旋转气流中，形成贫油燃烧，在喷嘴附近区域，由于富油可以形成稳定的燃烧，远离喷嘴处贫油燃烧，抑制热力型NOx产生。该项技术目前也正在研究之中。

燃气轮机无焰燃烧技术源自于高温空气燃烧技术在工业炉上的成功应用，助燃空气被换热装置加热到1300K时，可以在氧浓度为2-5％的工况下与燃料反应形成一种低强度、无明显火焰锋面的弥散燃烧，而且炉内的温度均匀，由于燃料与氧化剂的反应都是在局部氧浓度较低的工况下进行，所以形成的峰值温度也比较低，可以实现低NOx排放，最高温度与平均温度之差小于200K，同时，由于燃烧区布满整个燃烧空间，可以保证燃料充分燃烧。后来该技术被引入到燃烧轮机燃烧室中，研究表明：在无需换热器的情况下，通过一定的结构组织燃烧室内烟气与新鲜空气掺混，稀释氧的浓度至10％左右，并依靠烟气的掺混加热氧化剂到燃料的自燃点之上，也可以形成一种无火焰锋面的弥散燃烧。正是这种分布式的火焰，使得燃烧室内的压力波动很小。对于富氢燃料，传统燃烧时，由于氢气相对碳氢燃料火焰传播速度快、点火延迟时间短，造成最后生成物NOx排放高，但由于无焰燃烧中氧化剂温度被烟气加热到燃点以上，而且氧浓度较低，可以消除不同火焰传播速度与点火延迟时间带来的影响，所以无焰燃烧具有燃料适应性广的优点。

由于燃气轮机的无焰燃烧需要依靠烟气回流来保证氧化剂中氧的浓度被稀释到10％左右，并使氧化剂温度大于燃料的自燃温度，这就限制了无焰燃烧的应用范围，在油量减小时，由于氧化剂中氧浓度很低，易产生熄火现象，引起运行事故。根据航空发动机的不同工况下飞行参数与无焰燃烧的实验结果发现：在飞机起飞、爬升、着陆工况下通过调节回流的烟气量可以达到无焰燃烧的氧浓度和温度要求，但是在慢车工况下，无法通过调节循环烟量实现无焰燃烧需要的氧浓度和温度，在这种油量小，而空气中氧浓度又低的情况下，很容易使发动机熄火。

目前美国辛辛那提大学与德国柏林工业大学已开始将无焰燃烧与驻涡燃烧结合进行研究，侧重于通过无焰燃烧减少驻涡燃烧产生的压力波动和燃烧噪声，但是还没有将凹腔内的火焰做周向运动，利用其低速烟气加热掺混主流燃烧气体，拓展无焰燃烧稳定性的研究。国内还未发现将无焰燃烧与驻涡燃烧结合在一起进行的研究。国内驻涡燃烧技术的研究成果，主要有北京航空航天大学的切向驻涡燃烧室(CN1858498A)，单涡燃烧室(CN101070961A)，双涡燃烧室(CN101566353A)，都是单独的驻涡燃烧技术，以上三种燃烧室都是全环形燃烧室结构，燃烧产生的烟气直接进入涡轮做功，而且燃料喷嘴都是在圆周上开孔，从剖面图上观察到喷嘴总有一段长度暴露于烟气之中，容易受烟气辐射热量影响，损坏喷嘴或者使燃油结渣，本发明中主燃烧室为圆柱形无焰燃烧室，驻涡凹腔火焰稳定器起值班火焰作用，没有全环形燃烧室的内壁结构，燃烧产生的烟气被夹带进入主流燃烧室，燃料喷管沿轴向深入凹腔，径向开孔，且燃料喷管位于切向的空气喷管之后，可以受到空气冷却作用的保护。燃气轮机无焰燃烧器有中国科学院工程热物理研究所的专利CN101625130A，为本发明人2008年的专利。原燃烧器头部回流结构为筒形回流结构，不利于空气与高温回流结构的换热，且筒形结构增加沿程和局部阻力损失，压缩空气进气通道为圆柱形，不利于收集从压缩机进来的空气，喷嘴结构复杂，为单一的无焰燃烧技术。

发明内容

本发明的目的是公开一种燃气轮机无焰驻涡燃烧器，结合了无焰燃烧技术和驻涡凹腔燃烧技术，克服无焰燃烧本身一些不足，如：稳定燃烧当量比范围受到氧化剂温度和氧浓度的影响大；同时解决驻涡凹腔易产生的噪声和压力波动等问题；并保持无焰燃烧和驻涡燃烧的优点，燃烧噪声小，低NOx、CO排放，稳定宽广的燃烧范围。

本发明对原有专利做了进一步改进，将驻涡燃烧作为无焰燃烧的低负荷稳定器，增强了燃烧稳定性。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种燃气轮机无焰驻涡燃烧器，其包括一个无焰燃烧室和一个驻涡凹腔火焰稳定器；其中，

头部包括缩放喷管、碗状回流结构、驻涡凹腔火焰稳定器、空气导管；п形环状凹腔前端面中心部有一环形凸台，环形凸台前端面中心部向前凸设一碗状回流结构，碗状回流结构外侧面周圆与缩放喷管后端周圆固接，缩放喷管后端内侧壁与碗状回流结构外侧面形成一环形空气通道；

缩放喷管后端直径小于环形凸台的直径，环形凸台直径小于凹腔的直径；

环形空气通道底面均布多个主流空气导管，缩放喷管外侧环形凸台上均布多个混合管，混合管前端内套有主流燃料喷管，后端伸入凹腔内，主流空气导管向后伸出环形空气通道底面后径向延伸，与混合管一一对应连通；

驻涡凹腔火焰稳定器包括凹腔、空气支管、燃料支管；凹腔圆侧面均布多个曲形空气支管，在空气支管与环形凸台之间的凹腔前端面上设有燃料支管，空气支管与燃料支管一一对应，燃料支管沿轴向伸入凹腔内；

尾部为无焰燃烧室，凹腔后端面与无焰燃烧室前端周圆固接，无焰燃烧室直径与环形凸台直径相同，使多个混合管位于无焰燃烧室侧壁的环围之中；

工作时，缩放喷管内空气来自于压气机出口的压缩空气，空气支管内空气来自于缩放喷管，或来自于压气机出口；主流燃料喷管、燃料支管内燃料来自于燃料箱，但二者通道不同，以保证驻涡凹腔火焰稳定器内燃料流量不随主流燃料流量变化。

所述的无焰驻涡燃烧器，其所述缩放喷管、碗状回流结构、无焰燃烧室、凹腔和凹腔的环形凸台共一中心轴线。

所述的无焰驻涡燃烧器，其所述多个主流空气导管、主流燃料喷管和混合管都为十二个；空气支管、燃料支管都为六个。

所述的无焰驻涡燃烧器，其所述曲形空气支管切向进入凹腔，其延长线与燃料支管和燃烧室中心轴线所成平面夹角等于60°；燃料支管伸入凹腔内的部分，其长度小于凹腔的内宽。

所述的无焰驻涡燃烧器，其所述燃料支管，其伸入凹腔内的部分内侧面上，均匀布置有多个小孔，燃料射流从小孔中沿径向射出，与空气支管中的空气射流以60度角相交进行扩散燃烧。

所述的无焰驻涡燃烧器，其内部流场为：

由压气机出来的压缩空气经环形空气通道进入主流空气导管，经过混合管时，与来自主流燃料喷管的燃料在混合管中混合后，在凹腔的环形凸台侧壁面附近沿轴向高速进入燃烧室；

受燃烧室内壁面阻挡，同时由于头部碗状回流结构内低速区的影响，燃烧产生的高温烟气向头部的碗状回流结构回流；

碗状回流结构中的烟气与混合管中高速射流的新鲜混合气形成大速度差同轴射流，回流烟气将被新鲜混合气夹带流向下游；

同时另一路燃料从燃料支管进入凹腔，燃料通过燃料支管上的小孔射入由空气支管进入凹腔的空气射流中，凹腔内燃烧产生的烟气在凹腔内沿逆时针方向做周向流动，其中一部分烟气不断被主流混合气卷吸，但由于烟气速度较低不能改变主流混合气的流动方向；

由于燃料支管位于空气支管下游，空气支管中射出的空气射流有效降低高温烟气对燃料支管的热辐射。

所述的无焰驻涡燃烧器，其所述内部流场，在改变燃料支管中燃料射流或空气支管中空气射流的速度时，调整凹腔内烟气的流场结构。

本发明的燃烧器，具有无焰燃烧的优点：分布式燃烧，燃料燃烧完全，压力波动与燃烧噪声小，峰值温度低，温度均匀，NOx排放低，燃料适应性广，消除贫预混燃烧常有的回火问题；兼具有驻涡燃烧的稳定性好，减小了贫油熄火当量比。

附图说明

图1是本发明无焰驻涡燃烧器三维半剖视图；

图2是本发明中无焰燃烧室与驻涡凹腔火焰稳定器内燃气与空气喷管的局部大样图；

图3是本发明无焰驻涡燃烧器内部流场示意图。

图4是本发明的无焰燃烧室中截面的速度矢量场；

图5是本发明的驻涡凹腔火焰稳定器中截面的速度矢量场。

具体实施方式

本发明一种燃气轮机无焰驻涡燃烧器中，凹腔内值班火焰的存在可以极大的降低无焰燃烧的贫油熄火当量比，即使油量很小，由值班火焰产生的高温烟气，也能保证氧化剂很高的温度和低氧氛围，保持无焰燃烧。

本发明中驻涡凹腔火焰稳定器的凹腔呈环形结构，其截面与轴向垂直，位于燃烧室主流气体入口下游。凹腔周围布置6个低速空气喷射管和6个低速燃料喷管，空气喷射方向与水平方向呈15度角，凹腔内燃料供给通道与主流区域的燃料供给通道互相独立，以保证在油量小时凹腔内的值班火焰不受影响。驻涡燃烧室内燃料占全部燃料供应的1/10，燃料喷射方向指向环形凹腔的中心轴线，与切向空气射流呈60度角相交，通过改变空气或者燃料的速度可以改变燃烧产物在凹腔内的流场分布，燃气喷管位于空气喷管后方，避免燃烧产物直接吹向燃料喷管，高温燃烧产物在凹腔内做周向运动，并不断加热主流方向沿轴向的高速燃料空气混合物，产生的烟气不断被主流气体卷吸。

本发明中驻涡凹腔火焰稳定器，一方面可以为主流气体提供稳定的点火源，降低该燃烧器的贫油熄火当量比，另一方面，由于凹腔中的火焰以低速沿周向运动，并不会破坏高速主流气体的流动结构，而且凹腔内产生的高温烟气可以加热主流气体并稀释氧浓度，为无焰燃烧创造条件。由于凹腔内有6组燃料空气喷管，前一组燃烧产生的烟气与后一组氧化剂掺混稀释，也属于无焰燃烧。

为解决驻涡燃烧技术中存在的压力波动和燃烧噪声，本发明的主燃烧室采用无焰燃烧技术，无焰燃烧是一种分布式反应的高温低氧燃烧，化学反应速率较传统燃烧要慢，所以火焰传播速度也低，产生的压力波动较小，由于燃烧充满整个空间，可以保证所有燃料得到充分的反应，而且这种燃烧方式减少了局部高温区的存在，抑制热力型NO的产生。

本发明中无焰燃烧室的头部有一个碗状回流区，受燃烧室结构影响，产生的高温烟气不断回流到燃烧室头部，回流区背部由于受到从压气机进入的低温空气冲刷，可以降低高温烟气对碗部的导热与辐射换热。主流空气从碗状回流区与喷管中间布置的12根空气导管进入混合管并与燃料预混，然后进入主燃烧室燃烧，研究表明：无焰燃烧技术采用预混与扩散、部分预混相比，由于燃料与空气在燃烧前进行均匀掺混，更易于反应的发生，温升速度较快，燃烧室内的温度场也更趋于均匀，产生的NO小于10ppm15％O₂。预混燃烧产生的回流区位置、流场结构与扩散燃烧、部分预混燃烧是一样的。

当混合管中燃料与空气混合气体流经驻涡凹腔时，由于主流气体沿轴向运动，且速度远大于凹腔内周向运动的气体，受凹腔内高温烟气的辐射与换热，可以使主流的混合气体被进一步加热，且凹腔内产生的烟气被主流气体卷吸，稀释了混合气中氧浓度；同时，由于主流预混气体的12个混合管喷嘴位于圆柱形燃烧室周围，燃烧室头部有碗状回流结构，受这种结构的影响，在燃烧室中央形成低速回流区，烟气不断的回流到头部的碗状结构，并与预混的新鲜气体掺混。上述方案中，氧化剂既受到碗状回流结构内的高温烟气掺混加热，又受驻涡凹腔的高温烟气掺混加热，这种局部低氧环境中的燃烧可以降低燃烧的峰值温度，抑制NOx产生。

由于凹腔内燃料供给是单独一路，始终保持稳定的燃烧而不受主燃烧室中油量的影响。

下面结合实施例和附图详细叙述本发明，实施例是以本发明技术方案为前提进行的实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明权利要求的保护范围不限于下述的实施例。

本发明的一种燃气轮机无焰驻涡燃烧器，由一个无焰燃烧器和一个驻涡凹腔火焰稳定器构成。

图1是本发明无焰驻涡燃烧器三维半剖视图。无焰燃烧器由一个缩放喷管1和碗状回流结构2组成的环形压缩空气通道，缩放喷管1出口处有12根主流空气导管3沿周向均匀布置在缩放喷管1的出口位置，与来自主流燃料喷管4的燃料在混合管5中进行预混，进入圆柱形无焰燃烧室6。每个主流燃料喷管4与主流空气导管3，以及混合管5组成一个预混通道结构，在燃烧室入口端面沿周向共均匀布置12组预混通道结构，无焰燃烧采用空气与燃料预混方式，可以使燃料与空气预先混合均匀，减少未燃碳氢与CO的产生，形成更加均匀的温度场，凹腔9内有6组燃料支管8和空气支管7。

图2是本发明中无焰燃烧室与驻涡凹腔火焰稳定器内燃气与空气喷管的局部大样图。燃料支管8伸入凹腔9内，均匀开有三个小孔，三股燃料射流10从三个小孔中沿径向射出，与空气支管7中空气射流以60度角相交进行扩散燃烧，通过改变燃料射流10或空气射流7的速度，可以调整凹腔内烟气的流场结构。凹腔截面上共布置有6组燃料与空气扩散燃烧结构，且燃料支管8位于空气支管7后方，可以依靠空气的冷却作用，防止燃料支管8的温度过高。

图3是本发明无焰驻涡燃烧器内部流场示意图。由压气机出来的压缩空气11经环形空气通道进入主流空气导管3，与来自主流燃料喷管4的燃料12在混合管5中混合后，在侧壁面附近沿轴向17高速进入燃烧室6，受燃烧室6内壁面和出口渐缩喷管结构以及燃烧室头部低压区的影响，燃烧产生的高温烟气18向头部的碗状回流结构2回流，碗状回流结构2中的烟气与高速射流的新鲜混合气形成大速度差同轴射流，回流烟气19将被新鲜混合气夹带流向下游。同时另一路燃料14从燃料支管8进入驻涡凹腔火焰稳定器的凹腔9，燃料14通过燃料支管8上三个小孔与由空气支管7进入凹腔9的空气气流相交，形成扩散燃烧；凹腔9内燃烧产生的烟气15在凹腔9内沿逆时针方向做周向流动，其中一部分烟气16不断被主流混合气17卷吸，但由于烟气16速度较低并不能改变主流混合气17的流动方向。同时，燃烧室凹腔9内前一组燃料与空气燃烧产生的烟气掺混到下面一组进行的燃烧中，由于燃料支管8位于空气支管7下游后方，可以减少烟气对燃料支管8的热辐射。

由于驻涡凹腔火焰稳定器的存在，一方面拓宽了无焰燃烧的稳定燃烧范围，另一方面，利用凹腔9内的烟气与主流空气掺混，可以将无焰燃烧中氧浓度进一步稀释，同时，氧化剂温度也得到提高；氧浓度的降低，减慢了化学反应速率，火焰厚度增大，燃烧充满整个燃烧室空间，保证燃料的充分燃烧，减少CO，降低了燃烧室6内的峰值温度，减小燃烧过程中的压力波动与噪声。

图4是本发明的无焰燃烧室中截面的速度矢量场。该图4与图5是通过fluent流体计算软件，对无焰驻涡燃烧器求解湍流方程得出的冷态速度矢量图，可以看到无焰燃烧室中心的高温烟气18从尾部流向头部的碗状回流结构2，并与从混合管5中流出的新鲜混合气进行掺混稀释。

图5是本发明的驻涡凹腔火焰稳定器中截面的速度矢量场。凹腔9内产生的烟气15在凹腔内做周向运动，随着凹腔9内气体量的增多，一部分烟气16不断被混合管5中的新鲜混合气卷吸，并与碗状回流结构2中的回流烟气19一起掺混流向燃烧室下游。

Claims (7)

1.一种燃气轮机无焰驻涡燃烧器，其特征在于：包括一个无焰燃烧室和一个驻涡凹腔火焰稳定器；其中，

所述无焰驻涡燃烧器的头部包括缩放喷管、碗状回流结构、驻涡凹腔火焰稳定器、空气导管；п形环状凹腔前端面中心部有一环形凸台，环形凸台前端面中心部向前凸设一碗状回流结构，碗状回流结构外侧面周圆与缩放喷管后端周圆固接，缩放喷管后端内侧壁与碗状回流结构外侧面形成一环形空气通道；

缩放喷管后端直径小于环形凸台的直径，环形凸台直径小于凹腔的直径；

环形空气通道底面均布多个主流空气导管，缩放喷管外侧环形凸台上均布多个混合管，混合管前端内套有主流燃料喷管，后端伸入凹腔内，主流空气导管向后伸出环形空气通道底面后径向延伸，与混合管一一对应连通；

驻涡凹腔火焰稳定器包括所述凹腔、空气支管、燃料支管；凹腔圆侧面均布多个曲形空气支管，在空气支管与环形凸台之间的凹腔前端面上设有燃料支管，空气支管与燃料支管一一对应，燃料支管沿轴向伸入凹腔内；

尾部为无焰燃烧室，凹腔后端面与无焰燃烧室前端周圆固接，无焰燃烧室直径与环形凸台直径相同，使多个混合管位于无焰燃烧室侧壁的环围之中；

工作时，缩放喷管内空气来自于压气机出口的压缩空气，空气支管内空气来自于缩放喷管，或来自于压气机出口；主流燃料喷管、燃料支管内燃料来自于燃料箱，但二者通道不同，以保证驻涡凹腔火焰稳定器内燃料流量不随主流燃料流量变化。

2.如权利要求1所述的无焰驻涡燃烧器，其特征在于：所述缩放喷管、碗状回流结构、无焰燃烧室、凹腔和凹腔的环形凸台共一中心轴线。

3.如权利要求1所述的无焰驻涡燃烧器，其特征在于：所述多个主流空气导管、主流燃料喷管和混合管都为十二个；空气支管、燃料支管都为六个。

4.如权利要求1所述的无焰驻涡燃烧器，其特征在于：所述曲形空气支管切向进入凹腔，其延长线与燃料支管和燃烧室中心轴线所成平面夹角等于60°；燃料支管伸入凹腔内的部分，其长度小于凹腔的内宽。

5.如权利要求1所述的无焰驻涡燃烧器，其特征在于：所述燃料支管，其伸入凹腔内的部分内侧面上，均匀布置有多个小孔，燃料射流从小孔中沿径向射出，与空气支管中的空气射流以60度角相交进行扩散燃烧。

6.如权利要求1所述的无焰驻涡燃烧器，其特征在于：内部流场为，

由压气机出来的压缩空气经环形空气通道进入主流空气导管，经过混合管时，与来自主流燃料喷管的燃料在混合管中混合后，在凹腔的环形凸台侧壁面附近沿轴向高速进入燃烧室；

受燃烧室内壁面阻挡，同时由于头部碗状回流结构内低速区的影响，燃烧产生的高温烟气向头部的碗状回流结构回流；

碗状回流结构中的烟气与混合管中高速射流的新鲜混合气形成大速度差同轴射流，回流烟气将被新鲜混合气夹带流向下游；

同时另一路燃料从燃料支管进入凹腔，燃料通过燃料支管上的小孔射入由空气支管进入凹腔的空气射流中，凹腔内燃烧产生的烟气在凹腔内沿逆时针方向做周向流动，其中一部分烟气不断被主流混合气卷吸，但由于烟气速度较低不能改变主流混合气的流动方向；

由于燃料支管位于空气支管下游，空气支管中射出的空气射流有效降低高温烟气对燃料支管的热辐射。

7.如权利要求6所述的无焰驻涡燃烧器，其特征在于：所述内部流场，在改变燃料支管中燃料射流或空气支管中空气射流的速度时，调整凹腔内烟气的流场结构。

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