CN102777934B - 驻涡柔和燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驻涡柔和燃烧室，涉及燃气轮机技术，位于燃气轮机压缩机和燃气轮机的透平之间，来自燃气轮机压缩机的空气进入燃烧室燃烧，形成的烟气进入燃气轮机透平。燃烧室由火焰筒、燃气导管及燃烧室外壳组成。火焰筒为带凹腔的筒形，在火焰筒的前端和后端分别设置空气入口，燃料直接进入凹腔。通过合理设置凹腔，在凹腔中形成驻涡，从而形成驻涡燃烧室；通过合理分配进入凹腔的空气、燃料以及燃烧室主流方向的空气，使得驻涡燃烧室的凹腔中通过流动的掺混形成柔和燃烧的条件，实现柔和燃烧；通过凹腔中燃烧完的烟气与主流空气与燃料的混合使得主流也同样达到柔和燃烧的条件，形成柔和燃烧。本发明是一种低污染、低噪声的燃气轮机燃烧室。

Description

驻涡柔和燃烧室

技术领域

本发明涉及燃气轮机燃烧室及其他绝热燃烧室的技术领域，是一种驻涡柔和燃烧室。

背景技术

我国能源以煤为主、电力依赖于煤电的格局将长期持续，自主发展以IGCC为基础的煤炭清洁综合利用技术对国民经济可持续发展意义重大。

燃气轮机是IGCC系统的动力核心，是实现能量梯级利用的关键设备。目前工业上使用的燃机普遍采用结构复杂的旋流稳焰燃烧室，这种旋流燃烧室适合燃用以甲烷为主要成分的天然气。但存在火焰不稳定、局部高温、NOx排放高等问题。

好的燃烧室应具有点火性能好、燃烧稳定、出口温度分布均匀、流阻损失小、排气污染少、燃料适应性广、以及结构紧凑等基本特征。

驻涡燃烧器(Trapped Vortex Combustor-TVC)是一种在新型的燃烧室结构，其在燃烧室主流来流方向的周围设置凹腔，当主流经过时，会在腔内形成驻涡。向腔内喷入空气和燃料，不仅能够加强驻涡的形成和稳定，还能够产生一个稳定燃烧的热源，燃烧后的烟气会进入主气流与其掺混，从而稳定主流的燃烧。

柔和燃烧(Mild Combustion)被定义为一种反应物温度高于混合物的自燃温度，而燃烧过程中的最高温升小于其自燃温度的燃烧过程。柔和燃烧中，入口反应物温度高于混合物的自燃温度，不存在燃烧稳定性的问题；温升小，因此火焰温度低和火焰面弥散，NOx排放和噪声都很低。同时柔和燃烧的一些特点也使其适用于燃气轮机燃烧室：火焰的最高温度可控制在材料的耐受温度范围内，减少燃烧室的冷却；不存在火焰稳定性问题，可采用多种流动组织方式来实现；火焰面分散，温度场分布均匀，燃烧室和涡轮叶片的热应力大大降低。

但是目前柔和燃烧至今还没有在燃烧室中的实现，结合驻涡燃烧室和柔和燃烧的特点，可以看出驻涡燃烧室中从驻涡中出来的烟气可以提供和主流的掺混从而有可能到达柔和燃烧的特点。

发明内容

本发明的目的是提供一种驻涡柔和燃烧室，在驻涡燃烧室中实现柔和燃烧。为现阶段燃气轮机燃烧室中面临的火焰稳定性差、NO_x排放高、噪声大等问题提供一个有效解决方案，实现安全、稳定、低污染、低噪声燃烧。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种驻涡柔和燃烧室，在驻涡燃烧室中实现柔和燃烧，其包括燃烧室外壳、火焰筒、燃气导管，其中，燃烧室外壳位于燃气轮机压缩机和燃气轮机透平之间，燃烧室外壳内腔与压缩机出口相通连，火焰筒位于内腔中；

火焰筒为筒形或环形，火焰筒前端中部设有一空气入口，后端中部设有一掺混空气入口，两空气入口共一中心轴线，两空气入口之间的火焰筒周圆径向增大，形成环状凹腔；在环状凹腔后侧外端周圆上设有多个空气入口，在环状凹腔后侧内端，靠近掺混空气入口根部，设有一燃料入口，燃料入口与燃料管固接通连，燃料经燃料管、燃料入口直接进入凹腔；

掺混空气入口后端与燃气导管前端固接，燃气导管后端与燃气轮机透平相通连；

进入火焰筒的空气和燃料在凹腔中形成驻涡，从而形成驻涡燃烧室；然后分配进入凹腔的空气、燃料及燃烧室主流方向的空气，使得驻涡燃烧室的凹腔中通过流动的掺混形成柔和燃烧的条件，从而实现柔和燃烧。

所述的驻涡柔和燃烧室，其所述火焰筒前端中部的空气入口，是在空气进口处设有隔断与钝体，钝体为同心圆状块体，多个板状隔断呈辐射式固接于钝体与空气入口内壁之间，使得凹腔中的烟气均匀的与前端进入的空气进行掺混；进入的空气在钝体后形成旋涡区，同时，燃气沿隔断进入空气中，更有利于燃气掺混。

所述的驻涡柔和燃烧室，其所述钝体上，设有多个贯通孔，多个贯通孔中，至少在圆心有一贯通孔。

所述的驻涡柔和燃烧室，其所述环状凹腔后侧外端周圆上的多个空气入口，为通孔，均布于后侧外周圆内一周。

所述的驻涡柔和燃烧室，其所述环状凹腔后侧壁，为环状平板，或环状凹凸板，为环状凹凸板时，内凹外凸。

所述的驻涡柔和燃烧室，其还包括一多头燃料管，设于火焰筒前端，燃料管密封穿设于燃烧室外壳上，燃料管内端固接有多个出口，多个出口置于火焰筒前端中部的空气入口内，位于相邻隔断之间。

所述的驻涡柔和燃烧室，其所述分配进入凹腔的空气、燃料及燃烧室主流方向的空气，是根据空气入口的面积自动分配，包括：

a)根据空气量的分配比例和进入燃烧室的速度，确定前端空气入口和后端空气入口合适的尺寸和形状；

b)根据速度的需要，调整燃料入口喷孔的尺寸和形状；

c)通过凹腔中燃烧完的烟气与主流空气与燃料的混合，使得主流达到柔和燃烧的条件，从而在主流中形成柔和燃烧。

所述的驻涡柔和燃烧室，其所述燃料，为液体燃料、气体燃料。

所述的驻涡柔和燃烧室，其所述液体燃料，为柴油、重油、甲醇其中之一；气体燃料，为天然气、各种煤制燃料气、氢气、焦炉煤气、高炉煤气其中之一，或他们的混合物。

本发明的一种驻涡柔和燃烧室，其结构简单、控制运行简单、低污染排放、低噪声。

附图说明

图1为本发明的一种驻涡柔和燃烧室结构图；

图2、图3及图4为本发明的燃气轮机驻涡柔和燃烧室的不同实现方式示意图；其中：

图2为不同凹腔结构的驻涡柔和燃烧室示意图；

图3为不同掺混方式的燃气轮机驻涡柔和燃烧室示意图；

图4为燃气轮机驻涡柔和环形燃烧室示意图；

图5(a)、图5(b)为图1、图2所示燃烧室的前端空气和后端空气入口结构示意图；

图6为图3所示燃烧室的前端空气入口结构示意图。

标号说明：

101燃气轮机压缩机    102燃气轮机透平    103燃气轮机燃烧室

201前端空气入口      202后端空气入口    203燃料入口

204燃料环腔          205燃料管          206燃烧室外壳

207掺混空气入口      208火焰筒          209燃气导管

301来自压缩机进入燃烧室的空气

302从后端空气入口进入燃烧室的空气

303从前端空气入口进入燃烧室的空气

304回流烟气          305燃料            306燃烧完的烟气

307烟气与空气混合物

308燃烧区            309进入燃气轮机透平的烟气

401弧形凹腔，        402燃料出口

501驻涡燃烧区        502主流燃烧区

601空气入口隔断      602中心钝体

具体实施方式

本发明的燃烧室安装在燃气轮机压缩机和燃气轮机的透平之间，来自燃气轮机压缩机的空气进入燃烧室燃烧，形成的烟气进入燃气轮机透平。燃烧室由火焰筒、燃气导管及燃烧室外壳组成。火焰筒为本发明的关键所在，为带凹腔的筒形火焰筒，在火焰筒的前端和后端分别设置空气入口，燃料直接进入凹腔。

通过合理设置凹腔，在凹腔中形成驻涡，从而形成驻涡燃烧室；然后通过合理分配进入凹腔的空气、燃料以及燃烧室主流方向的空气，从而使得驻涡燃烧室的凹腔中通过流动的掺混形成柔和燃烧的条件，从而实现柔和燃烧；另外通过凹腔中燃烧完的烟气与主流空气与燃料的混合使得主流也同样可以达到柔和燃烧的条件，从而形成柔和燃烧。

具体工作流程如下：首先来自燃气轮机压缩机的空气分别通过燃烧室火焰筒的前、后端空气入口进入燃烧室，从火焰筒前端空气入口进入燃烧的空气首先与沿凹腔前壁流出的烟气进行掺混形成高温低氧的空气，高温低氧的空气进一步流动后冲击到凹腔的后壁，一部分进入凹腔，一部分进入火焰筒的掺混段；进入凹腔的高温低氧空气与沿凹腔后壁流入的燃料相遇并混合，然后进一步与从后端空气入口进入的空气混合形成柔和燃烧所需要的高温低氧条件，然后进行柔和燃烧形成烟气，烟气沿凹腔前壁流出凹腔并与从火焰筒前端空气入口进入的空气掺混；进入掺混段的烟气与从掺混孔进入的空气掺混后形成合适的烟气进入燃气轮机透平。

如上所述前端空气入口和后端空气入口的尺寸可以根据空气量的分配比例和进入燃烧室的速度确定合适的尺寸和几何形状，同样的燃料入口也可以根据速度的需要调整喷孔的尺寸和形状。为了使得凹腔中的烟气可以更好的与从前端进入的空气进行掺混，前端空气进口处设置了隔断与钝体，燃气可以沿隔断进入空气中，钝体后形成旋涡区有利于掺混。

另外为了增加凹腔中驻涡的稳定性可以将凹腔的后壁设计成弧形，从而增加掺混，减少压力损失。

为了更好的利用空气，在主流中同样的也实现柔和燃烧，需要在火焰筒的前端空气出口处设置燃料喷嘴，喷入部分燃料，从而使得凹腔中与主流中同时实现柔和燃烧。

本发明通过简单的几何变形可以应用于燃气轮机环形燃烧室。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

参见附图1，为本发明的驻涡柔和燃烧室简图，其中驻涡柔和燃烧室103安装在燃气轮机压缩机101和燃气轮机透平102之间，驻涡柔和燃烧室包括燃烧室外壳206、火焰筒208以及燃气导管209。

来自燃气轮机压缩机的空气301进入燃气轮机燃烧室103燃烧，形成的烟气309进入燃气轮机透平。火焰筒208为本发明的关键所在，为带凹腔的筒形火焰筒，在火焰筒的前端和后端分别设置空气入口201和202，燃料305直接进入凹腔。

具体工作流程如下：首先来自燃气轮机压缩机101的空气301分别通过燃烧室火焰筒208的前端空气入口201、后端空气入口202进入火焰筒208，从火焰筒前端空气入口进入燃烧的空气303首先与沿凹腔前壁流出的烟气306进行掺混形成高温低氧的空气307，高温低氧的空气进一步流动后冲击到凹腔的后壁，一部分进入凹腔304，一部分进入火焰筒的掺混段；进入凹腔的高温低氧空气304与沿凹腔后壁流入的燃料305相遇并混合，然后进一步与从后端空气入口进入的空气302混合形成柔和燃烧所需要的高温低氧条件，然后在燃烧区308进行柔和燃烧形成烟气306，烟气306沿凹腔前壁流出凹腔并与从火焰筒前端空气入口进入的空气303掺混；进入掺混段的烟气与从掺混孔207进入的空气掺混后形成合适的烟气309进入燃气轮机透平102。

如上所述前端空气入口201和后端空气入口202的尺寸可以根据空气量的分配比例和进入燃烧室的速度确定合适的尺寸和几何形状，同样的燃料入口也可以根据速度的需要调整喷孔的尺寸和形状。为了使得凹腔中的烟气可以更好的与从前端进入的空气进行掺混，前端空气进口处设置了隔断601与钝体602(见图5(a)、图5(b)、图6)，燃气可以沿隔断601进入空气中，在钝体602后形成旋涡区有利于掺混。

另外为了增加凹腔中驻涡的稳定性可以将凹腔的后壁设计成弧形(如图2中401所示)，从而增加掺混，减少压力损失。

为了更好的利用空气，在主流中同样的也实现柔和燃烧，需要在火焰筒的前端空气出口处设置燃料喷嘴，喷入部分燃料，从而使得凹腔中与主流中同时实现柔和燃烧(如图3所示)。

本发明应用于燃气轮机环形燃烧室的结构如图4所示。

以上所述，仅是根据本发明技术方案提出的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的权利要求保护范围内。

Claims (9)

1.一种驻涡柔和燃烧室，在驻涡燃烧室中实现柔和燃烧，其特征在于，包括燃烧室外壳、火焰筒、燃气导管，其中，燃烧室外壳位于燃气轮机压缩机和燃气轮机透平之间，燃烧室外壳内腔与压缩机出口相通连，火焰筒位于内腔中；

火焰筒为筒形或环形，火焰筒前端中部设有一空气入口，后端中部设有一掺混空气入口，两空气入口共一中心轴线，两空气入口之间的火焰筒周圆径向增大，形成环状凹腔；在环状凹腔后侧外端周圆上设有多个空气入口，在环状凹腔后侧内端，靠近掺混空气入口根部，设有一燃料入口，燃料入口与燃料管固接通连，燃料经燃料管、燃料入口直接进入凹腔；

掺混空气入口后端与燃气导管前端固接，燃气导管后端与燃气轮机透平相通连；

进入火焰筒的空气和燃料在凹腔中形成驻涡，从而形成驻涡燃烧室；然后分配进入凹腔的空气、燃料及燃烧室主流方向的空气，使得驻涡燃烧室的凹腔中通过流动的掺混形成柔和燃烧的条件，从而实现柔和燃烧。

2.根据权利要求1所述的驻涡柔和燃烧室，其特征在于，所述火焰筒前端中部的空气入口，是在空气进口处设有隔断与钝体，钝体为同心圆状块体，多个板状隔断呈辐射式固接于钝体与空气入口内壁之间，使得凹腔中的烟气均匀的与前端进入的空气进行掺混；进入的空气在钝体后形成旋涡区，同时，燃气沿隔断进入空气中，更有利于燃气掺混。

3.根据权利要求2所述的驻涡柔和燃烧室，其特征在于，所述钝体上，设有多个贯通孔，多个贯通孔中，至少在圆心有一贯通孔。

4.根据权利要求1所述的驻涡柔和燃烧室，其特征在于，所述环状凹腔后侧外端周圆上的多个空气入口，为通孔，均布于后侧外周圆内一周。

5.根据权利要求1所述的驻涡柔和燃烧室，其特征在于，所述环状凹腔后侧壁，为环状平板，或环状凹凸板，为环状凹凸板时，内凹外凸。

6.根据权利要求2所述的驻涡柔和燃烧室，其特征在于，所述燃烧室内还包括一个多头燃料管，该多头燃料管设于火焰筒前端，且该多头燃料管密封穿设于燃烧室外壳上，该多头燃料管内端固接有多个出口，多个出口置于火焰筒前端中部的空气入口内，位于相邻隔断之间。

7.根据权利要求1所述的驻涡柔和燃烧室，其特征在于，所述分配进入凹腔的空气、燃料及燃烧室主流方向的空气，是根据空气入口的面积自动分配，包括：

a)根据空气量的分配比例和进入燃烧室的速度，确定前端空气入口和后端空气入口合适的尺寸和形状；

b)根据速度的需要，调整燃料入口喷孔的尺寸和形状；

c)通过凹腔中燃烧完的烟气与主流空气与燃料的混合，使得主流达到柔和燃烧的条件，从而在主流中形成柔和燃烧。

8.根据权利要求1所述的驻涡柔和燃烧室，其特征在于，所述燃料，为液体燃料、气体燃料。

9.根据权利要求8所述的驻涡柔和燃烧室，其特征在于，所述液体燃料，为柴油、重油、甲醇其中之一；气体燃料，为天然气、各种煤制燃料气、氢气、焦炉煤气、高炉煤气其中之一，或他们的混合物。