CN102889616B - 一种基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室 - Google Patents
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Abstract
一种基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室：燃烧室的头部由位于外圈的主燃级和位于中心的预燃级组成；主燃级由多个主燃级喷嘴构成，主燃级喷嘴绕火焰筒轴向中心线周向均匀布置，安装在燃烧室的头部端壁中；主燃级喷嘴采用基于文丘里预混的中心喷雾，为外圈双级旋流的结构，包括油嘴、轴向空气旋流器和文丘里预混段三部分，其中轴向空气旋流器为双级旋流结构；油嘴、轴向空气旋流器和文丘里预混段三者同轴心，轴向空气旋流器与文丘里预混段相连，油嘴安装在轴向空气旋流器中心，且油嘴出口端面布置在文丘里预混段的喉部处；预燃级由单个预燃级喷嘴构成，安装在燃烧室的头部端壁中，且与主燃级同轴心；主燃级和预燃级的燃油由供油装置分配提供。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用单管形式的微型燃气轮机燃烧室技术，特别涉及一种基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室。
背景技术
单管燃烧室由于刚性好、装拆维护方便等优点，通常在微型燃气轮机燃烧室设计中得以应用。美国著名的Honeywell公司推出的75kW微型燃气轮机燃油燃烧室即采用了单管形式。
燃气轮机燃烧室主要发展趋势是低污染燃烧。新发展的燃气轮机燃烧室必须满足日益严格的污染物排放标准。
燃气轮机燃烧室污染排放物主要为氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、未燃碳氢(UHC)和冒烟(Soot)。目前技术条件下冒烟问题已得到很好解决，余下三大排气污染物可分为两类：
一类是由于高的火焰温度而产生的污染物-NOx，一类是由于低的火焰温度而产生的污染物-CO和UHC。根据污染物产生的机理以及实验结果可知：燃烧室燃烧区当量比在很小的一个范围(0.6～0.8)内，上述两类污染物排放才达到最小。
对于常规微型单管燃油燃烧室来说，通常采用中心单喷嘴结构，这种结构进行的是液雾扩散燃烧方式，燃烧区当量比总是在1附近，远超过上述低污染燃烧所需当量比的范围要求，这样虽然CO和UHC排放较小，但NOx排放量则非常大，因此无法满足污染物排放要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室，以改进公知技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供的基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室，所述燃烧室为单管结构，燃烧室的火焰筒外包覆有隔热罩，隔热罩与火焰筒之间形成一环腔；其中：
所述燃烧室的头部由位于外圈的主燃级和位于中心的预燃级组成；
主燃级由多个主燃级喷嘴构成，所述的主燃级喷嘴绕火焰筒轴向中心线周向均匀布置，安装在燃烧室的头部端壁中；
主燃级喷嘴采用基于文丘里预混的中心喷雾，为外圈双级旋流的结构，其包括油嘴、轴向空气旋流器和文丘里预混段三部分，其中轴向空气旋流器为双级旋流结构；油嘴、轴向空气旋流器和文丘里预混段三者同轴心，轴向空气旋流器与文丘里预混段相连，油嘴安装在轴向空气旋流器中心，且油嘴出口端面布置在文丘里预混段的喉部处；
所述预燃级由单个预燃级喷嘴构成，安装在燃烧室的头部端壁中，且与主燃级同轴心；
主燃级和预燃级所需燃油由供油装置分配提供。
所述基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室，其中，所述主燃级喷嘴的个数大于或等于3。
所述基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室，其中，所述油嘴为压力雾化结构、气动雾化结构或组合式结构。
所述基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室，其中，所述轴向空气旋流器为叶片式双级反旋结构、叶片式双级同旋结构、斜切孔式双级反旋结构、斜切孔式双级同旋结构或组合式双级旋流结构。
所述基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室，其中，预燃级喷嘴与主燃级喷嘴结构相同或为其它常规扩散燃烧结构。
所述基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室，其中，所述主燃级与预燃级沿轴向间的距离x与径向间的距离y之间的关系是：x＜y。
所述基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室，其中，所述供油装置为套管结构，其内管为预燃级供油通道，外管为主燃级供油通道。
所述基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室，其中，所述主燃级供油通道连接均分进油管，并通过燃油分配环连接均分出油管，均分进油管和均分出油管与燃油分配环连接时采用相间均匀布置。
所述基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室，其中，所述火焰筒的冷却方式为气膜冷却、发散冷却或复合冷却方式。
本发明与现有技术相比的优点如下：
1)本发明采用多点喷射技术，使燃油与空气分别在燃烧区横截面上均匀分布，加速燃烧区上油气的混合，从而有效降低了燃烧室污染物的排放。
2)本发明采用燃油分级燃烧技术，通过控制主燃级和预燃级的燃油流量，以保证满足不同负荷下燃气轮机的污染物排放要求。
3)本发明单元喷嘴采用基于文丘里预混的双级旋流结构，该结构有助于雾化燃油和加强油气混合的作用，有利于减少污染物的产生。
4)本发明的燃烧室燃烧用气量全部由头部供入，火焰筒上只有必要的冷却孔和掺混孔，在增加燃烧室功效的同时简化了燃烧室的结构。
附图说明
图1是本发明的燃烧室剖视图；
图2是本发明的燃烧室头部前视立体图；
图3是本发明的燃烧室头部后视立体图；
图4是本发明的燃烧室头部剖视图。
图5是本发明的燃烧室的主燃级喷嘴示意图。
图6是本发明的燃烧室的供油装置的立视图；
图7是本发明的燃烧室的供油装置剖视图；
图中：
1隔热罩；2火焰筒；3隔热罩与火焰筒间环腔；4燃烧室头部；5燃烧室内流区；6主燃级；7预燃级；8主燃级喷嘴；9预燃级喷嘴；10隔热罩上进气孔；11隔热罩与火焰筒间环腔的尾部环面；12掺混孔；13火焰筒上冷却孔；14头部端壁；15外扩件；16燃烧室头部上冷却孔；17油嘴；18轴向空气旋流器；19文丘里预混段；20供油装置；21主燃级供油接嘴；22主燃级供油通道；23均分进油管；24燃油分配环；25均分出油管；26预燃级供油接嘴；27预燃级供油通道；28主燃级与预燃级沿轴向间的距离；29主燃级与预燃级沿径向间的距离。
具体实施方式
本发明要解决的技术问题是：针对公知技术中的不足，提供一种可以解决上述不足的技术-基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室，该燃烧室上的单元喷嘴采用基于文丘里预混的双级旋流结构，该结构具有辅助雾化液雾和加强油气混合的作用，有利于减少污染物的产生；同时燃烧室运用了多点喷射技术，使燃油与空气分别在燃烧区横截面上均匀分布，加速了燃烧区上油气的混合，从而有效降低燃烧室污染物的排放；此外燃烧室运用了燃油分级控制技术，控制主燃级和预燃级保持合适的燃油量分配，从而保证不同负荷下的燃烧室的污染物排放要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室为单管结构，外界空气通过隔热罩1上进气孔10以及隔热罩1与火焰筒2之间的环腔3的尾部环面11进入，进入的空气在环腔3内朝燃烧室头部4方向流动，一部分空气作为掺混空气通过火焰筒上掺混孔12进入燃烧室内流区5，一部分空气作为冷却空气通过火焰筒上冷却孔13和燃烧室头部上安排在外扩件15上冷却孔16进入燃烧室内流区5，剩余空气作为燃烧用空气全部通过燃烧室头部4进入燃烧室内流区5；所述燃烧室头部4采用分级燃烧方案，分为外圈主燃级6和中心预燃级7；外圈主燃级6由多个主燃级喷嘴8构成，所有主燃级喷嘴8绕火焰筒2轴向中心线周向均匀布置，安装在燃烧室的头部端壁14中；主燃级喷嘴8采用基于文丘里预混的中心喷雾，外圈双级旋流的结构形式，包括油嘴17、轴向空气旋流器18和文丘里预混段19三部分，轴向空气旋流器18采用双级旋流结构，油嘴17、轴向空气旋流器18和文丘里预混段19三者同轴心，轴向空气旋流器18与文丘里预混段19相连，油嘴17安装在轴向空气旋流器18中心，且油嘴出口端面布置在文丘里预混段的喉部处。所述中心预燃级7由单个预燃级喷嘴9构成，安装在燃烧室的头部端壁14中，且与主燃级6同轴心。主燃级6和预燃级7所需燃油由供油装置20提供，供油装置20由主燃级供油接嘴21、主燃级供油通道22、均分进油管23、燃油分配环24、均分出油管25、预燃级供油接嘴26和预燃级供油通道27构成，外界燃油通过主燃级供油接嘴21进入主燃级供油通道22，然后通过均分进油管23进入燃油分配环24，之后通过均分出油管25从而进入各个主燃级喷嘴8内的油嘴中进行雾化。均分进油管23与均分出油管25相间均匀地与燃油分配环24连接，从而保证进入各个主燃级喷嘴8的燃油量相同；预燃级7油嘴与预燃级供油通道27相连，外界燃油通过预燃级供油接嘴26为预燃级7供油。
所述主燃级6采用多个主燃级喷嘴8，主燃级喷嘴8个数大于或等于3。
所有主燃级喷嘴8均相同。
所述油嘴17为压力雾化结构、气动雾化结构或组合式结构。
所述轴向空气旋流器18为叶片式双级反旋结构、叶片式双级同旋结构、斜切孔式双级反旋结构、斜切孔式双级同旋结构或组合式双级旋流结构。
预燃级喷嘴9可以采用与主燃级喷嘴8相同结构形式：基于文丘里预混的中心喷雾，外圈双级旋流的结构形式，或常规扩散燃烧结构形式。
主燃级6与预燃级7沿轴向间的距离28x与径向间的距离29y之间的关系是：x＜y。
主燃级6与预燃级7燃油量分别进行控制，主燃级燃油量与预燃级燃油量的分配问题根据负荷变化调节。
所述均分进油管23和均分出油管25在与燃油分配环24连接时采用相间均匀布置。
燃烧用气量全部从燃烧室头部4供入，其余空气用作冷却空气从燃烧室头部上冷却孔16和火焰筒上冷却孔13进入，以及用作掺混空气从火焰筒上掺混孔12进入。
所述火焰筒2的冷却方式采用气膜冷却、发散冷却或复合冷却方式，以对壁面温度进行控制延长火焰筒的寿命。
本发明的工作原理是：通过控制燃烧区的当量比和提高燃烧区内燃油与空气的混合均匀度来达到降低污染物排放的目的。燃烧室火焰筒上没有主燃孔，只有冷却孔和掺混孔，燃烧用空气全部从燃烧室头部进入，控制燃烧用空气与燃油总体当量比保持在低污染排放的区间内(0.6～0.8)；运用多点喷射技术，使燃油与空气分别在燃烧区横截面上均匀分布，加速燃烧区上油气的混合，从而有效降低燃烧室污染物的排放。燃烧室上的单元喷嘴采用基于文丘里预混的双级旋流结构，该结构具有辅助雾化液雾和加强油气混合的作用，有利于减少污染物的产生。采用燃油分级燃烧技术，控制主燃级和预燃级保持合适的燃油量分配，以适应燃气轮机不同负荷下污染物的排放要求。
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
图1是燃烧室剖视图，燃烧室为单管结构，由隔热罩1、火焰筒2和燃烧室头部4构成。隔热罩1上开有进气孔10，火焰筒2上安排有掺混孔12和冷却孔13。隔热罩上进气孔10和隔热罩与火焰筒间环腔3的尾部环面11用作燃烧室的空气入口。掺混孔12用于调整燃烧室出口温度场的分布，冷却孔13用于冷却火焰筒壁面，保证燃烧室的寿命。燃烧室头部4下游以及火焰筒2内部区域为燃烧室内流区5。图4是燃烧室头部剖视图，燃烧室头部4包括外圈主燃级6、中心预燃级7、头部端壁14和供油装置20，主燃级6和预燃级7分别安装在头部端壁14中，主燃级6与预燃级7同心，主燃级6与预燃级7轴向间距28小于径向间距29。在本实施例中，外圈主燃级6设置六个相同的主燃级喷嘴8，主燃级喷嘴8绕火焰筒2轴向中心线周向均匀布置。主燃级喷嘴8采用基于文丘里预混的中心喷雾，外圈双级旋流的结构形式，包括油嘴17、轴向空气旋流器18和文丘里预混段19三部分，油嘴17为压力雾化结构，轴向空气旋流器18为叶片式双级反旋结构；油嘴17、轴向空气旋流器18和文丘里预混段19三者同轴心，轴向空气旋流器18与文丘里预混段19相连，油嘴17安装在轴向空气旋流器18中心，且油嘴出口端面布置在文丘里预混段的喉部处。中心预燃级7由单个预燃级喷嘴9构成，预燃级喷嘴9采用与主燃级喷嘴8相同结构形式。主燃级6和预燃级7所需燃油由供油装置20提供，供油装置20为双通道结构，可以根据负荷变化分别控制主燃级燃油量和预燃级燃油量。主燃级供油系统由主燃级供油接嘴21、主燃级供油通道22、均分进油管23、燃油分配环24和均分出油管25构成。均分进油管23与均分出油管25相间均匀地与燃油分配环24连接，保证各个主燃级喷嘴8的燃油量相同。预燃级供油系统由预燃级供油接嘴26和预燃级供油通道27构成。火焰筒2的冷却方式采用气膜冷却方式。
Claims (9)
1.一种基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室，所述燃烧室为单管结构，燃烧室的火焰筒外包覆有隔热罩，隔热罩与火焰筒之间形成一环腔；其中：
所述燃烧室的头部由位于外圈的主燃级和位于中心的预燃级组成；
主燃级由多个主燃级喷嘴构成，所述的主燃级喷嘴绕火焰筒轴向中心线周向均匀布置，安装在燃烧室的头部端壁中；
主燃级喷嘴采用基于文丘里预混的中心喷雾，为外圈双级旋流的结构，其包括油嘴、轴向空气旋流器和文丘里预混段三部分，其中轴向空气旋流器为双级旋流结构；油嘴、轴向空气旋流器和文丘里预混段三者同轴心，轴向空气旋流器与文丘里预混段相连，油嘴安装在轴向空气旋流器中心，且油嘴出口端面布置在文丘里预混段的喉部处；
所述预燃级由单个预燃级喷嘴构成，安装在燃烧室的头部端壁中，且与主燃级同轴心；
主燃级和预燃级所需燃油由供油装置分配提供。
2.根据权利要求1所述基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室，其中，所述主燃级喷嘴的个数大于或等于3。
3.根据权利要求1所述基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室，其中，所述油嘴为压力雾化结构、气动雾化结构或组合式结构。
4.根据权利要求1所述基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室，其中，所述轴向空气旋流器为叶片式双级反旋结构、叶片式双级同旋结构、斜切孔式双级反旋结构、斜切孔式双级同旋结构或组合式双级旋流结构。
5.根据权利要求1所述基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室，其中，预燃级喷嘴与主燃级喷嘴结构相同或为其它常规扩散燃烧结构。
6.根据权利要求1所述基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室，其中，所述主燃级与预燃级沿轴向间的距离x与径向间的距离y之间的关系是：x<y。
7.根据权利要求1所述基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室，其中，所述供油装置为套管结构，其内管为预燃级供油通道，外管为主燃级供油通道。
8.根据权利要求7所述基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室，其中，所述主燃级供油通道连接均分进油管，并通过燃油分配环连接均分出油管，均分进油管和均分出油管与燃油分配环连接时采用相间均匀布置。
9.根据权利要求1所述基于文丘里预混双旋喷嘴的多点直喷燃烧室，其中，所述火焰筒的冷却方式为气膜冷却、发散冷却或复合冷却方式。
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