CN104048325A - 一种双凹腔无焰燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种双凹腔无焰燃烧器，包括；头部区，具有一顶盖和锥形段，一主凹腔的上游侧通过直筒段与头部区的锥形段相连，下游侧与筒形的出口段相连，主凹腔上游侧和下游侧的壁上各开有交错布置的轴向空气喷射孔，下游侧的壁上设有多个燃油喷嘴安装孔，主凹腔上游侧和下游侧的内壁上设有多个周向空气喷杆，每个周向空气喷杆上开有多个沿圆周方向的空气喷射孔；主凹腔包围的区域形成主凹腔区，出口段包围的区域形成无焰燃烧区；一中心体，其两端为锥形，中间为圆柱形，中心体通过星形体固定在双凹腔驻涡无焰燃烧器中心；中心体的圆柱形直径小于两端锥形底端的直径，在两个锥形之间形成一个次凹腔区，次凹腔区与主凹腔区之间为掺混区。

Description

一种双凹腔无焰燃烧器

技术领域

本发明属于燃气轮机燃烧室技术领域，具体地涉及一种双凹腔无焰燃烧器，是一种无焰燃烧与双凹腔驻涡燃烧的结合，最终实现无焰燃烧，达到低污染物排放。

背景技术

随着人们环保意识的加强，燃气轮机的环保性能在燃机各应用领域的要求越来越突出：降低污染、延长寿命是燃气轮机的发展目标。传统的低污染燃烧技术和旋流器稳焰技术已经不能完全满足先进燃气轮机对NO_X等污染物排放提出的越来越苛刻的要求，为此世界各国都对低污染燃烧室进行了广泛研究。

目前，对燃气轮机低NO_X燃烧技术已经有了很多的研究。燃气轮机低NO_X燃烧技术分为贫预混技术(LP)、贫预混预蒸发技术(LPP)、富油-急冷-贫油(RQL)技术、催化燃烧技术以及LDI燃烧等。贫预混(LP)和贫预混预蒸发(LPP)燃烧技术即把预先混合蒸发的混气送入燃烧区，并在很贫的当量比下工作，稳定燃烧与熄火的裕度越小，产生的NO_X也越少。LP技术是早期工业燃气轮机的热点技术。它面临的问题是对于液体燃料的自点燃和回火问题，这局限了LPP在航空发动机的可靠性；另一个问题是在充分混合燃烧系统中热声振荡问题，这两个问题是LP技术在未来发展中必需要克服的。富油-急冷-贫油(RQL)燃烧技术最初是为了降低含燃料氮的燃料的低污染燃烧而提出的，仍处于研究阶段。一般由富燃区、淬熄混合区(或快速冷却区)和贫燃区组成。RQL的关键是空气与未烧完的燃料快速均匀混合。催化燃烧技术可以保证很低的燃烧温度而且可以避免温度峰值的出现，从而保证NOx在一个很低的水平上。它的主要问题是在高温条件下催化剂的寿命和消耗。LDI燃烧是将燃油多点直接喷射入高速旋转气流中，保证燃料和空气可以快速均匀混合，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NO_X产生。该项技术目前也正在研究阶段。

适用于燃气轮机燃烧室的无焰燃烧技术的研究兴起于20世纪90年代末，无焰燃烧与传统的燃烧方式相比，从直观上看无明显的火焰锋面，从而消除了高温区域，达到了极低NO_X排放(<15ppm)，同时将CO限制在一个合理的水平内。与传统的燃烧相比，无焰燃烧的最主要的不同是高温的燃烧产物与空气和燃料反应物的掺混，从而使无焰燃烧具有独特的特性。无焰燃烧燃烧室设计的主要难点是如何有效的利用燃烧室结构来掺混燃气到空气中，传统的燃烧室设计都是利用旋流器产生一个回流区。沿用传统燃烧室设计来设计无焰燃烧室，往往都需要无焰燃烧室有复杂的结构。

目前美国辛辛那提大学和德国柏林大学都已将无焰燃烧与凹腔驻涡燃烧相结合，侧重于气体燃料的无焰燃烧室研究，通过无焰燃烧减少热声振荡，增加燃烧稳定性，但是国内外还没有专门适用于燃烧液体燃料的凹腔驻涡无焰燃烧室，而且国内外还未发现双凹腔结构的驻涡无焰燃烧的研究。北京航空航天大学切向驻涡燃烧室(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。

发明内容

本发明的目的是提供一种双凹腔无焰燃烧器，以改进公知技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供的双凹腔无焰燃烧器，包括；

一头部区(1)，具有一顶盖(10)和锥形段(11)，顶盖(10)和锥形段(11)上开有多个使空气进入燃烧器的圆孔(13)，顶盖(10)上设有多个主喷嘴安装孔(14)；

一主凹腔(6)，为一圆筒，其中上游侧通过直筒段(12)与头部区(1)的锥形段(11)相连，下游侧与筒形的出口段(9)相连，出口段(9)的壁上设有用于降低壁面温度的气膜冷却孔(19)；

主凹腔(6)上游侧和下游侧的壁上各开有交错布置的轴向空气喷射孔(15)；主凹腔(6)下游侧的壁上设有多个燃油喷嘴安装孔(16)，主凹腔(6)上游侧和下游侧的内壁上设有多个周向空气喷杆(17)，每个周向空气喷杆(17)上开有多个沿圆周方向的空气喷射孔(18)；

主凹腔(6)的直径大于直筒段(12)和出口段(9)，主凹腔(6)包围的区域形成主凹腔区(2)，出口段(9)包围的区域形成无焰燃烧区(5)；

一中心体(7)，其两端为锥形，中间为圆柱形，中心体(7)通过星形体(8)固定在双凹腔驻涡无焰燃烧器中心；中心体(7)的圆柱形直径小于两端锥形底端的直径，在两个锥形之间形成一个次凹腔区(4)，次凹腔区(4)与主凹腔区(2)相对，次凹腔区(4)与主凹腔区(2)之间为掺混区(3)。

所述的双凹腔无焰燃烧器，其中，顶盖和锥形段上的圆孔直径为1mm。

所述的双凹腔无焰燃烧器，其中，主凹腔上游侧和下游侧壁的轴向空气喷射孔的直径为2mm。

所述的双凹腔无焰燃烧器，其中，固定中心体的星形体由六根肋板组成。

所述的双凹腔无焰燃烧器，其中，出口段设有两排气膜冷却孔，气膜冷却孔的直径为1mm。

本发明的有益效果是：

1)本发明的双凹腔无焰燃烧器，燃烧室达到无焰燃烧室状态，火焰温度分布均匀，可以有效的降低污染物排放。

2)本发明的双凹腔无焰燃烧器，由于设计了次凹腔区，可以增加主凹腔高温烟气与主流的掺混，有利于无焰燃烧状态的形成。

3)本发明的双凹腔无焰燃烧器，燃料为煤油等液体燃料，该燃烧室不仅可以在地面燃气轮机使用，也可以用于航空发动机。

附图说明：

图1是本发明双凹腔驻涡无焰燃烧器的技术方案示意图；

图2是本发明双凹腔驻涡无焰燃烧器的剖面结构图；

附图中主要组件符号说明：

1头部区，2主凹腔区，3掺混区，4次凹腔区，5无焰燃烧区，6主凹腔，7中心体，8星形体，9出口段，10顶盖，11锥形段，12直筒段，13圆孔，14主喷嘴安装孔，15轴向空气喷射孔，16喷嘴安装孔，17周向空气喷杆，18空气喷射孔，19气膜冷却孔。

具体实施方式

本发明结合无焰燃烧与凹腔驻涡燃烧的优点，公开了一种适用于燃气轮机的双凹腔驻涡无焰燃烧器。

本发明双凹腔无焰燃烧器，包含主凹腔和次凹腔两个区域，少量空气和燃油喷入主凹腔，燃烧生成高温烟气，高温烟气流出主凹腔区后，进入掺混区在次凹腔区的扰动作用下，与来自头部区的燃料空气混合物掺混，达到无焰燃烧条件，在下游形成无焰燃烧，达到降低污染物排放的目的。

本发明针对公知无焰燃烧器设计的主要难点是实现高温烟气与新鲜的燃料空气混合物的迅速掺混，从而达到无焰燃烧的条件。公知燃烧器设计都是利用旋流器产生一个回流区，很难高效地实现上述掺混过程，因此要实现无焰燃烧往往需要采用较为复杂的结构。本发明公开的双凹腔结构，将无焰燃烧与凹腔驻涡燃烧结合在一起，能够实现高温烟气与新鲜燃料空气混合物的迅速掺混，从而在下游形成无焰燃烧。

本发明的适用于燃气轮机的双凹腔无焰燃烧器，主要包括头部、主凹腔、中心体、星形体和出口段五个部分，燃料为煤油等液体燃料。燃烧器的空间分成五个区域：头部区、主凹腔区、掺混区、次凹腔区和无焰燃烧区共五个区域。少量空气和燃料进入主凹腔区燃烧后形成高温燃气，进入掺混区，在次凹腔区的扰动作用下与从头部区来的燃料和空气混合物充分混合，达到无焰燃烧状态，一起进入无焰燃烧区，进一步燃烧。

头部用于提供大部分的燃料和空气。优选地，头部包括顶盖、锥形段和直筒段三部分。顶盖和锥形段上开有大量直径为1mm的圆孔，大部分空气通过这些孔进入燃烧器。顶盖上还开有沿圆周均布的4个主喷嘴安装孔。

主凹腔为一个前后分别与头部直筒段和出口段相连的、直径大于头部直筒段和出口段的圆筒，其所包围的区域形成主凹腔区。一部分燃料和空气进入该区域燃烧形成高温烟气。

优选地，主凹腔内前后壁面各开有2排交错布置的直径为2mm的轴向空气喷射孔。后壁面开有4个喷嘴安装孔，用于安装燃油喷嘴。后壁面还有装有4组8个周向空气喷杆，每个喷杆上开有4个沿圆周方向的直径为2mm的空气喷射孔，用于在主凹腔内形成沿圆周方向的流动，增强燃料和空气的掺混，增加燃料在凹腔内的停留时间，提高燃烧效率。

中心体为一个位于燃烧器中心、两端为锥形、中间为圆柱的结构。中间圆柱的直径小于两端锥形的底端直径，在两个锥形之间形成一个次凹腔区。次凹腔区与主凹腔区相对，中间为掺混区。

星形体将中心体固定在主凹腔的前壁面上。优选地，星形体由六根肋板构成。

出口段为一段位于主凹腔下游的筒形结构，其包围的区域形成无焰燃烧区。优选地，该段壁面上开有两排直径为1mm的气膜冷却孔19用于降低壁面温度。

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

图1是本发明双凹腔驻涡无焰燃烧器的技术方案示意图。如图所示，燃烧器的空间可以划分为头部区1、主凹腔区2、掺混区3、次凹腔区4和无焰燃烧区5共五个区域。少量空气和燃料进入主凹腔区2燃烧后形成高温燃气，进入掺混区3，在次凹腔区4的扰动作用下与从头部区1来的燃料和空气混合物充分混合，达到无焰燃烧状态，一起进入无焰燃烧区5，进一步燃烧。

图2是本发明双凹腔驻涡无焰燃烧器一个具体实现形式的剖面结构图。如图所示，燃烧器总体为筒形结构，主要包括头部、主凹腔6、中心体7、星形体8和出口段9五个部分。

头部包括顶盖10、锥形段11和直筒段12三部分。顶盖和锥形段上开有大量直径为1mm的圆孔13，大部分空气通过这些孔进入燃烧器。顶盖上还开有沿圆周均布的4个主喷嘴安装孔14，用于供应头部区燃料。

主凹腔6为一个前后分别与头部直筒段12和出口段9相连的、直径大于头部直筒段12和出口段9的圆筒。主凹腔内前后壁面各开有2排交错布置的直径为2mm的轴向空气喷射孔15。后壁面开有4个喷嘴安装孔16，用于安装燃油喷嘴。后壁面还有装有4组8个周向空气喷杆17，每个喷杆17上开有4个沿圆周方向的直径为2mm的空气喷射孔18，用于在主凹腔内形成沿圆周方向的流动，增强燃料和空气的掺混，增加燃料在凹腔内的停留时间，提高燃烧效率。

中心体7为一个位于燃烧器中心、两端为锥形、中间为圆柱的结构，两端的锥形可以减少流动的损失。中间圆柱的直径小于两端锥形的底端直径，在两个锥形之间形成一个次凹腔区4。次凹腔区4与主凹腔区2相对，中间为掺混区3。次凹腔区4的存在强化了来自于头部区1的燃料和空气混合物与来自于主凹腔区2的高温烟气的掺混，有利于在下游形成无焰燃烧。

星形体8由六根肋板组成，将中心体7固定在主凹腔6的前壁面上。星形体8的存在提高了来自于头部区1的燃料和空气混合物的湍流度，有利于改善掺混区3的掺混效果。

出口段9为一段位于主凹腔6下游的筒形结构，其包围的区域形成无焰燃烧区5。该段壁面上开有两排直径为1mm的气膜冷却孔19(每排60个)用于降低壁面温度。

本发明的双凹腔驻涡无焰燃烧器，在低负荷时，燃烧器工作在凹腔模式。高负荷时，凹腔为主流提供高温烟气，掺混主流空气燃油，达到无焰燃烧状态。随着入口空气温度升高，燃烧器内火焰形态由爆燃逐渐过渡到无焰燃烧状态。在高负荷时，燃烧室工作在稳定的无焰燃烧状态，此时燃烧室的出口NO_X和CO都小于30ppm(15％O₂)，燃烧效率接近100％。在低负荷时，燃烧室工作在凹腔模式，能够保持燃烧的稳定。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双凹腔无焰燃烧器，包括；

一头部区(1)，具有一顶盖(10)和锥形段(11)，顶盖(10)和锥形段(11)上开有多个使空气进入燃烧器的圆孔(13)，顶盖(10)上设有多个主喷嘴安装孔(14)；

一主凹腔(6)，为一圆筒，其中上游侧通过直筒段(12)与头部区(1)的锥形段(11)相连，下游侧与筒形的出口段(9)相连，出口段(9)的壁上设有用于降低壁面温度的气膜冷却孔(19)；

主凹腔(6)上游侧和下游侧的壁上各开有交错布置的轴向空气喷射孔(15)；主凹腔(6)下游侧的壁上设有多个燃油喷嘴安装孔(16)，主凹腔(6)上游侧和下游侧的内壁上设有多个周向空气喷杆(17)，每个周向空气喷杆(17)上开有多个沿圆周方向的空气喷射孔(18)；

主凹腔(6)的直径大于直筒段(12)和出口段(9)，主凹腔(6)包围的区域形成主凹腔区(2)，出口段(9)包围的区域形成无焰燃烧区(5)；

一中心体(7)，其两端为锥形，中间为圆柱形，中心体(7)通过星形体(8)固定在双凹腔驻涡无焰燃烧器中心；中心体(7)的圆柱形直径小于两端锥形底端的直径，在两个锥形之间形成一个次凹腔区(4)，次凹腔区(4)与主凹腔区(2)相对，次凹腔区(4)与主凹腔区(2)之间为掺混区(3)。

2.根据权利要求1所述的双凹腔无焰燃烧器，其中，顶盖和锥形段上的圆孔直径为1mm。

3.根据权利要求1所述的双凹腔无焰燃烧器，其中，主凹腔上游侧和下游侧壁的轴向空气喷射孔的直径为2mm。

4.根据权利要求1所述的双凹腔无焰燃烧器，其中，固定中心体的星形体由六根肋板组成。

5.根据权利要求1所述的双凹腔无焰燃烧器，其中，出口段设有两排气膜冷却孔，气膜冷却孔的直径为1mm。