CN102889618A - 一种基于文丘里预混双旋喷嘴的环形燃烧室 - Google Patents

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一种基于文丘里预混双旋喷嘴的环形燃烧室，燃烧室为单环腔结构；环形燃烧室头部设有若干组燃烧头，其中每组燃烧头设置一个预燃级喷嘴和多个主燃级喷嘴；预燃级喷嘴安装在中间，主燃级喷嘴以预燃级喷嘴为中心沿环形燃烧室径向对称布置；主燃级喷嘴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，包括主油嘴、轴向空气旋流器和文丘里预混段；主油嘴、轴向空气旋流器和文丘里预混段三者同轴心，轴向空气旋流器采用双级旋流结构，与文丘里预混段相连，主油嘴安装在轴向空气旋流器中心，且主油嘴出口端面布置在文丘里预混段的喉部处；预燃级喷嘴和主燃级喷嘴燃油通过双通道燃油接嘴供应。

Description

一种基于文丘里预混双旋喷嘴的环形燃烧室
技术领域
本发明涉及一种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环形燃烧室。
背景技术
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。目前，民用航空燃气轮机燃烧室执行的现行标准CAEP6(Committee on Aviation Environmental Protection)已经非常严格，特别是关于氮氧化物(NOx)的排放要求，而即将实施(2014年1月1日实施)的最新标准CAEP8更是要求NOx排放要在CAEP6标准的基础上再降低15％以上。工业发电用燃气轮机关于污染物排放标准亦是如此，旧版GB 13223-2003标准规定燃油燃气轮机NOx排放限值为150mg/m3，天然气燃气轮机NOx排放限值为80mg/m3，而新版GB 13223-2011标准(2012年1月1日实施)规定的燃油燃气轮机NOx排放限值则降低至120mg/m3，天然气燃气轮机NOx排放限值降低至为50mg/m3。
燃气轮机燃烧室污染排放物主要为NOx、一氧化碳(CO)、未燃碳氢(UHC)和冒烟(Soot)。当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。
对于常规燃烧室来说，通常采用液雾扩散燃烧方式，在高功率状态时，燃烧区附近当量比在1附近，远超过上述低污染燃烧所需当量比区间，此时CO和UHC排放虽然较小，但NOx排放量则非常大；在低功率状态时，燃烧区当量比又很低，远低于上述低污染燃烧所需当量比区间，此时NOx排放虽较低，但CO和UHC排放则很高，因此对于常规燃烧室来说，无法满足在整个燃气轮机工作范围内的低污染排放要求。
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环形燃烧室，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环形燃烧室，其中：燃烧室为单环腔结构，包括扩压器、外机匣、内机匣、火焰筒外壁、火焰筒内壁和燃烧室头部，由火焰筒外壁、火焰筒内壁和燃烧室头部组成燃烧区域；
所述环形燃烧室头部设有若干组燃烧头，其中每组燃烧头设置一个预燃级喷嘴和多个主燃级喷嘴；
预燃级喷嘴安装在燃烧头的中间；
主燃级喷嘴以预燃级喷嘴为中心沿环形燃烧室径向对称布置；
燃烧头安装在燃烧室头部的端壁上；
主燃级喷嘴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，包括主油嘴、轴向空气旋流器和文丘里预混段；主油嘴、轴向空气旋流器和文丘里预混段三者同轴心，轴向空气旋流器采用双级旋流结构，与文丘里预混段相连，主油嘴安装在轴向空气旋流器中心，且主油嘴出口端面布置在文丘里预混段的喉部处；
预燃级喷嘴和主燃级喷嘴燃油通过双通道燃油接嘴供应。
所述基于文丘里预混双旋喷嘴的环形燃烧室，其中，若干组燃烧头为等角度地安装在环形燃烧室内。
所述基于文丘里预混双旋喷嘴的环形燃烧室，其中双通道燃油接嘴设有预燃级燃油通道和主燃级燃油通道两个独立燃油通道，预燃级燃油通道为预燃级喷嘴供油，主燃级燃油通道为主燃级喷嘴供油，主燃级喷嘴与预燃级喷嘴燃油量分别进行控制。
所述基于文丘里预混双旋喷嘴的环形燃烧室，其中每组燃烧头的主燃级喷嘴个数大于或等于2。
所述基于文丘里预混双旋喷嘴的环形燃烧室，其中主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环形燃烧室，其中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环形燃烧室，其中预燃级喷嘴可以采用与主燃级喷嘴相同结构形式。
所述基于文丘里预混双旋喷嘴的环形燃烧室，其中预燃级喷嘴与相邻主燃级喷嘴沿轴向间的距离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环形燃烧室，其中所述燃烧头沿周向均匀布置，个数为12～60个。
所述基于文丘里预混双旋喷嘴的环形燃烧室，其中火焰筒外壁和火焰筒内壁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。
本发明与现有技术相比的优点如下：
1)本发明主燃级喷嘴沿燃烧室径向采用多喷嘴布置方式，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，通过控制主燃级喷嘴和预燃级喷嘴的燃油流量，以满足不同负荷下燃气轮机的污染物排放要求。
3)本发明主燃级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是燃气轮机结构示意图；
图2是本发明的燃烧室结构剖视图；
图3是本发明的燃烧室结构剖视图(A-A截面)；
图4是本发明的燃烧室的燃烧头剖视图(B-B截面)；
图5是本发明的主燃级喷嘴示意图；
图6是本发明的双通道燃油接嘴立体图。
图中：
1扩压器；2外机匣；3内机匣；4火焰筒外壁；5火焰筒内壁；6燃烧室头部；7燃烧头；8外掺混孔；9内掺混孔；10预燃级喷嘴；11主燃级喷嘴；12端壁；13a主油嘴；13b副油嘴；14轴向空气旋流器；15文丘里预混段；16预燃级燃油通道；17主燃级燃油通道；18预燃级喷嘴与相邻主燃级喷嘴沿轴向间的距离；19预燃级喷嘴与相邻主燃级喷嘴沿径向间的距离；20冷却孔；21双通道燃油接嘴；22预燃级接嘴；23主燃级接嘴；24低压压气机；25高压压气机；26燃烧室；27高压涡轮；28低压涡轮。
具体实施方式
本发明提供了一种可以解决公知技术中不足之处的基于文丘里预混双旋喷嘴的环形燃烧室，该燃烧室上主燃级喷嘴沿燃烧室径向采用多喷嘴布置方式，有利于燃油与空气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；同时主燃级喷嘴采用了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；此外燃烧室采用了燃油分级控制方式，控制主燃级喷嘴和预燃级喷嘴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：一种基于文丘里预混双旋喷嘴的环形燃烧室，其中：燃烧室为单环腔结构，它包括扩压器1、外机匣2、内机匣3、火焰筒外壁4、火焰筒内壁5和燃烧室头部6，其中火焰筒外壁4、火焰筒内壁5和燃烧室头部6组成燃烧区域。外界空气通过扩压器1进入，燃烧用空气全部由燃烧室头部6进入火焰筒，掺混空气由火焰筒外壁4上的外掺混孔8和火焰筒内壁5上的内掺混孔9进入火焰筒。所述燃烧室头部6设有若干组燃烧头7，其中每组燃烧头7设置一个预燃级喷嘴10和多个主燃级喷嘴11；预燃级喷嘴10安装在燃烧头7的中间，预燃级喷嘴10对应地安装有副油嘴13b；主燃级喷嘴11以预燃级喷嘴10为中心沿环形燃烧室径向对称布置；燃烧头7安装在燃烧室头部的端壁12上；主燃级喷嘴11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，包括主油嘴13a、轴向空气旋流器14和文丘里预混段15。主油嘴13a、轴向空气旋流器14和文丘里预混段15三者同轴心，轴向空气旋流器14采用双级旋流结构，与文丘里预混段15相连，主油嘴13a安装在轴向空气旋流器14中心，且油嘴出口端面布置在文丘里预混段15的喉部处。预燃级喷嘴10和主燃级喷嘴11燃油通过双通道燃油接嘴21供应。双通道燃油接嘴21设有预燃级燃油通道16和主燃级燃油通道17两个独立燃油通道。预燃级燃油通道16为预燃级喷嘴10供油。主燃级燃油通道17为主燃级喷嘴11供油。
所述若干组燃烧头7为等角度地安装在环形燃烧室内。
所述双通道燃油接嘴21设有预燃级燃油通道16和主燃级燃油通道17两个独立燃油通道，预燃级燃油通道16为预燃级喷嘴10供油，主燃级燃油通道17为主燃级喷嘴11供油，主燃级喷嘴11与预燃级喷嘴10燃油量根据负荷变化分别进行控制。
所述每组燃烧头7的主燃级喷嘴11个数大于或等于2。
所述主油嘴13a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14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。
所述预燃级喷嘴10可以采用与主燃级喷嘴11相同结构形式。
所述预燃级喷嘴10与相邻主燃级喷嘴11沿轴向间的距离18x与径向间的距离19y之间的关系是：x＜y。
所述燃烧头7沿周向均匀布置，个数为12～60个。
所述火焰筒外壁4和火焰筒内壁5上没有主燃孔，只有冷却孔20、外掺混孔8和内掺混孔9。
所述火焰筒外壁4和火焰筒内壁5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)；主燃级喷嘴沿燃烧室径向采用多喷嘴布置方式，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；主燃级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，控制主燃级喷嘴和预燃级喷嘴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是燃气轮机结构示意图，包括低压压气机24，高压压气机25，燃烧室26，高压涡轮27和低压涡轮28。燃气轮机工作时，空气先经过低压压气机24，再经过高压压气机25压缩后形成高压空气，然后进入燃烧室26中与喷射的燃油混合进行燃烧形成高温高压燃气，高温高压燃气进入高压涡轮27和低压涡轮28，从而推动涡轮做功。图2和图3是燃烧室结构剖视图，燃烧室为单环腔结构，包括扩压器1、外机匣2、内机匣3、火焰筒外壁4、火焰筒内壁5和燃烧室头部6，其中火焰筒外壁4、火焰筒内壁5和燃烧室头部6组成燃烧区域。火焰筒外壁4和火焰筒内壁5上分别安排有外掺混孔8和内掺混孔9，用于调整燃烧室出口温度场的分布；另外火焰筒外壁4和火焰筒内壁5上还分别安排冷却孔20，用于冷却火焰筒壁面，保证燃烧室的寿命。外界空气通过扩压器1进入燃烧室后，除了通过冷却孔20、外掺混孔8和内掺混孔9进入火焰筒外，其余空气均为燃烧用气，全部由燃烧室头部6进入火焰筒。燃烧室头部为贫油头部，有利于减少NOx的产生。
本实施例中，燃烧室头部6设有18组燃烧头7，其中每组燃烧头7设置一个预燃级喷嘴10和两个主燃级喷嘴11；预燃级喷嘴10安装在燃烧头7的中间，预燃级喷嘴10对应地安装有副油嘴13b；主燃级喷嘴11以预燃级喷嘴10为中心沿环形燃烧室径向对称布置；燃烧头7安装在燃烧室头部的端壁12上；预燃级喷嘴10和主燃级喷嘴11轴向间距18小于径向间距19。主燃级喷嘴11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，包括主油嘴13a、轴向空气旋流器14和文丘里预混段15三部分，主油嘴13a为压力雾化结构；轴向空气旋流器14为叶片式双级反旋结构；主油嘴13a、轴向空气旋流器14和文丘里预混段15三者同轴心，轴向空气旋流器14与文丘里预混段15相连，主油嘴13a安装在轴向空气旋流器14中心，且主油嘴出口端面布置在文丘里预混段15的喉部处。预燃级喷嘴10采用与主燃级喷嘴11相同结构形式。预燃级喷嘴10和主燃级喷嘴11燃油通过双通道燃油接嘴21供应。双通道燃油接嘴21设两路独立供油系统：一路为预燃级接嘴22和预燃级燃油通道16为预燃级喷嘴10供油，另一路为主燃级接嘴23和主燃级燃油通道17为主燃级喷嘴11供油。火焰筒外壁4和火焰筒内壁5采用气膜冷却方式。

Claims (10)

1.一种基于文丘里预混双旋喷嘴的环形燃烧室，其特征在于：燃烧室为单环腔结构，包括扩压器、外机匣、内机匣、火焰筒外壁、火焰筒内壁和燃烧室头部，由火焰筒外壁、火焰筒内壁和燃烧室头部组成燃烧区域；
所述环形燃烧室头部设有若干组燃烧头，其中每组燃烧头设置一个预燃级喷嘴和多个主燃级喷嘴；
预燃级喷嘴安装在燃烧头的中间；
主燃级喷嘴以预燃级喷嘴为中心沿环形燃烧室径向对称布置；
燃烧头安装在燃烧室头部的端壁上；
主燃级喷嘴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，包括主油嘴、轴向空气旋流器和文丘里预混段；主油嘴、轴向空气旋流器和文丘里预混段三者同轴心，轴向空气旋流器采用双级旋流结构，与文丘里预混段相连，主油嘴安装在轴向空气旋流器中心，且主油嘴出口端面布置在文丘里预混段的喉部处；
预燃级喷嘴和主燃级喷嘴燃油通过双通道燃油接嘴供应。
2.根据权利要求1所述基于文丘里预混双旋喷嘴的环形燃烧室，其中，若干组燃烧头为等角度地安装在环形燃烧室内。
3.根据权利要求1所述基于文丘里预混双旋喷嘴的环形燃烧室，其中，双通道燃油接嘴设有预燃级燃油通道和主燃级燃油通道两个独立燃油通道，预燃级燃油通道为预燃级喷嘴供油，主燃级燃油通道为主燃级喷嘴供油，主燃级喷嘴与预燃级喷嘴燃油量分别进行控制。
4.根据权利要求1所述基于文丘里预混双旋喷嘴的环形燃烧室，其中，每组燃烧头的主燃级喷嘴个数大于或等于2。
5.根据权利要求1所述基于文丘里预混双旋喷嘴的环形燃烧室，其中，主油嘴为压力雾化结构、气动雾化结构或组合式结构。
6.根据权利要求1所述基于文丘里预混双旋喷嘴的环形燃烧室，其中，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。
7.根据权利要求1所述基于文丘里预混双旋喷嘴的环形燃烧室，其中，预燃级喷嘴可以采用与主燃级喷嘴相同结构形式。
8.根据权利要求1所述基于文丘里预混双旋喷嘴的环形燃烧室，其中，预燃级喷嘴与相邻主燃级喷嘴沿轴向间的距离x与径向间的距离y之间的关系是：x＜y。
9.根据权利要求1所述基于文丘里预混双旋喷嘴的环形燃烧室，其中，所述燃烧头沿周向均匀布置，个数为12～60个。
10.根据权利要求1所述基于文丘里预混双旋喷嘴的环形燃烧室，其中，火焰筒外壁和火焰筒内壁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。
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