CN104566470A - 分布式火焰的燃烧室头部结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气轮机燃烧室技术领域，公开了一种分布式火焰的燃烧室头部结构，包括：主喷嘴和中心值班喷嘴、燃烧室外壁和燃烧端板，所述主喷嘴包括多个主燃料管，所述燃烧端板固定在所述燃烧室外壁的后端；所述中心值班喷嘴设置在所述燃烧端板的中心；多个主燃料管穿过所述燃烧端板，伸入所述燃烧室外壁中，且排列在所述中心值班喷嘴的外侧周围；所述主燃料管伸入所述燃烧室外壁的部分设有至少一个径向燃料管，且所述径向燃料管位于所述中心值班喷嘴前端的上游；每个所述径向燃料管上设有主燃料喷孔；所述燃烧端板设有多个主空气进口。本发明建立“分布式”火焰，避免热释放不均匀所带来的缺点，有利于抑制氮氧化物生成的速率。

Description

分布式火焰的燃烧室头部结构

技术领域

本发明涉及燃气轮机燃烧室技术领域，特别是涉及一种分布式火焰的燃烧室头部结构。

背景技术

燃烧室是工业燃气轮机三大核心部件之一，其直接决定了燃气轮机的污染物是否满足环保法规的强制要求。工业重型燃气轮机燃烧室有多种燃烧组织形式，其核心在于将燃料与空气在诸多限制因素下以恰当方式充分燃烧。这里所述的限制因素主要包括通过燃烧室的压降、燃烧室金属壁温、燃烧室出口温度分布以及燃烧室的振动等。就现代工业重型燃气轮机中的主流燃烧室-环管型燃烧室而言，燃烧基本发生在一个直径约为400mm、长度约为1m的环管内，燃烧室的出口平均温度在1400～1600℃，远高于高温合金的长期工作温度(约1000℃)；在该种环境下，在保证冷却的前提下追求小于10ppm的CO_X、NO_X排放是燃烧室研发的目标与任务。在工业燃气轮机燃烧室发展的不同阶段，不同燃烧技术分别成为了不同时代的代表；其基本发展趋势为从单喷嘴发展至多喷嘴，从扩散燃烧发展至贫预混燃烧。现有技术中，无论采用单喷嘴还是多喷嘴，预混燃烧还是扩散燃烧，其具有共有特征均是燃烧室内部存在一个或多个火焰面，热量集中从火焰面中释放。导致燃烧室内部各个部位热量释放不均匀，因此存在着以下几个问题：

(1)热释放不均匀过程带来热斑变化对火焰筒冷却的影响，燃烧室冷却设计需要考虑所有热斑出现位置的冷却布置，增大冷却的消耗，不利于燃烧室等级提高；

(2)热释放不均匀导致局部热释放集中，产生热声振荡。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种分布式火焰的燃烧室头部结构，建立“分布式”火焰，避免热释放不均匀所带来的缺点，有利于抑制氮氧化物生成的速率。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种分布式火焰的燃烧室头部结构，包括：主喷嘴、中心值班喷嘴、燃烧室外壁和燃烧端板，所述主喷嘴包括多个主燃料管，所述燃烧端板固定在所述燃烧室外壁的后端；所述中心值班喷嘴设置在所述燃烧端板的中心；多个主燃料管穿过所述燃烧端板，伸入所述燃烧室外壁中，且排列在所述中心值班喷嘴的外侧周围；所述主燃料管伸入所述燃烧室外壁的部分设有至少一个径向燃料管，且所述径向燃料管位于所述中心值班喷嘴前端的上游；每个所述径向燃料管上设有主燃料喷孔；所述燃烧端板设有多个主空气进口。

其中,所述中心值班喷嘴包括中心喷嘴外壁、中心燃料管和多个旋流叶片；所述中心燃料管设置在所述燃烧端板的中心；所述中心喷嘴外壁设置在中心燃料管外侧，多个所述旋流叶片安装在所述中心燃料管上；所述旋流叶片设有多个中心旋流喷孔，所述中心旋流喷孔与所述中心燃料管连通。

其中，所述主燃料喷孔的孔径为5～10mm。

其中，所述径向燃料管与中心值班喷嘴前端的轴向距离为100～200mm。

其中，每个所述主燃料管上的径向燃料管为两个。

其中，多个所述旋流叶片沿中心燃料管的周向均匀排列。

其中，所述旋流叶片固定在中心燃料管的外壁与中心喷嘴外壁的内壁之间。

其中，所述主燃料管均匀排布在所述中心值班喷嘴的周围。

其中，每个所述径向燃料管上的所述主燃料喷孔为多个。

(三)有益效果

本发明提供的分布式火焰的燃烧室头部结构，通过设置轴向分布的中心值班喷嘴和主喷嘴，建立“分布式”火焰，避免热释放不均匀所带来的缺点，减少因热释放不均匀过程带来的热斑变化对火焰筒冷却的影响，减少冷却气的消耗。当提高燃烧室等级时，由于此燃烧方法热释放较为均匀，可以有效抑制热声振荡的产生。同时，更多的空气参与燃烧，燃烧较为充分，有利于抑制氮氧化物生成的速率。此外，“分布式”火焰化学反应特征时间尺度与湍流混合时间尺度相近，基元反应化学路径改变，也有利于抑制氮氧化物生成速率。此头部结构可组合成多种分级方式，有更广泛的燃料适应范围。

附图说明

图1为本发明实施例1的剖视图；

图2为本发明实施例2的剖视图。

图中，10：中心值班喷嘴；11：主喷嘴；101：中心喷嘴外壁；102：中心燃料管；103：旋流叶片；104：中心连接法兰；105：前端板；106：分隔挡板；107：中心空气管；108：小燃料导管；1031：中心旋流喷孔；1041：第一中心燃料通道；1042：第二中心燃料通道；1043：中心空气通道；1051：前端燃料喷孔；1052：前端空气喷孔；110：燃烧室外壁；111：主空气进口；112：主燃料管；113：径向燃料管；114：主燃料喷孔；115：燃烧端板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“前端”指头部结构燃料出口的一端；“后端”指头部结构燃料进口的一端。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1：

参照图1所示，本发明的分布式火焰的燃烧室头部结构，包括：主喷嘴11、中心值班喷嘴10、燃烧室外壁110和燃烧端板115，主喷嘴11包括多个主燃料管112。燃烧端板115固定在燃烧室外壁110的后端，燃烧室外壁110和燃烧端板115构成一个前端为敞口的圆筒结构。中心值班喷嘴10设置在燃烧端板115的中心。多个主燃料管112的一端均与燃料端板115上的燃料气通孔连接，另一端均穿过燃烧端板115，伸入燃烧室外壁110中，且均匀地排列在中心值班喷嘴10的外侧周围，每个主燃料管112伸入燃烧室外壁110的部分设有一个径向燃料管113，且径向燃料管113位于中心值班喷嘴10前端的上游。径向燃料管113沿燃烧室外壁110的径向延伸，每个径向燃料管113上设有主燃料喷孔114，主燃料喷孔114的个数为一个或者多个。多个主燃料喷孔114沿径向燃料管113的轴向均匀排布。燃烧端板115设有多个主空气进口111，用于通入高速的空气。

使用时，主空气进口111的速度保持在0.5～0.8Ma之间，保证空气流动的速度远大于湍流火焰传播速度，使燃料空气在满足化学反应条件之前进入主燃区，进而确保中心值班喷嘴10上游的掺混区不会发生燃烧。中心值班喷嘴10采用径向分级方式，而与主喷嘴11组合时采用轴向分级方式，同时通过更改不同燃料喷管的流量可以进一步实现主喷嘴11的分级，具有多种灵活的分级方式，可以针对不同应用情况，更改燃烧室的工作模式，使整个燃烧室具有更广泛的燃料适应性及更稳定的工作范围，而主喷嘴11采用高速射流，使得燃料喷管112喷出燃料在点燃前，与高速射流空气完成掺混，在一定区域空间内形成可燃混合物，中心旋流的预混火焰为该充满可燃混合物的空间提供热量来维持点火所需要的最小能量，最终形成整体火焰，将传统火焰面转化为分布式火焰，从而避免了由于传统火焰面的热释放不均匀所带来的冷却问题及热声震荡问题，同时分布式火焰的化学反应特征时间尺度与湍流混合时间尺度相近，基元反应化学路径改变，有利于抑制氮氧化物生成的速率，减少污染物排放。

其中，中心值班喷嘴10包括中心喷嘴外壁101、中心燃料管102和多个旋流叶片103。中心喷嘴外壁101的两端通透，中心燃料管102固定在燃烧端板115的中心，中心喷嘴外壁101设置在中心燃料管102的外侧，与中心燃料管102同心布置，使中心喷嘴外壁101固定在燃烧端板115的中心，在燃烧端板115的中心部位设有一个通孔，供中心喷嘴外壁101穿过，并固定在一起，制造过程中，可以采用一体形成制成。多个旋流叶片103安装在中心燃料管102上；旋流叶片103设有多个中心旋流喷孔1031，中心旋流喷孔1031与中心燃料管102连通。中心旋流喷孔1031沿旋流叶片103径向方向均匀排列。燃气通过中心燃料管后，由中心旋流喷孔1031喷出，形成旋流喷射的燃气，与空气混合，形成旋流火焰。

进一步的，本实施例中，中心燃料管102的前端设有前端板105，中心燃料管102的后端设有一个中心连接法兰104。中心燃料管102中还设有分隔挡板106，分隔挡板106将中心燃料管102分隔为前腔室和后腔室。中心连接法兰104设有第一中心燃料通道1041、第二中心燃料通道1042和中心空气通道1043；第一中心燃料通道1041与后腔室连通；中心空气通道1043通过中心空气管107与前腔室连通；前端板105设有前端燃料喷孔1051和前端空气喷孔1052；前端燃料喷孔1051通过小燃料导管108与第二中心燃料通道1042连通。多个旋流叶片103安装在中心燃料管102上；旋流叶片103设有多个中心旋流喷孔1031，中心旋流喷孔1031与后腔室连通。中心值班喷嘴10承担燃烧室5～15％负荷，平均当量比为0.5～0.8，确保中心旋流火焰占整个分布式火焰的小部分，起到点火及稳焰作用，尽可能降低由旋流火焰带来的污染物排放问题。

在中心值班喷嘴10上，具有中心喷射和旋流喷射，中心喷射的燃料从第二中心燃料通道1042进入小燃料导管108中，并从前端燃料喷孔1051喷出，中心喷射的空气由中心空气通道1043进入中心空气管107，并进入前腔室，再从前端板105的前端空气喷孔1052喷出，与从前端燃料喷孔1051喷出的燃料进行混合。旋流喷射的燃料从第一中心燃料通道1041进入后腔室，再从中心旋流喷孔1031喷出，与从中心喷嘴外壁101后端进入的空气进行混合。

优选的，旋流叶片103沿中心燃料管102的周向均匀排列，且位于中心燃料管102的同一径向截面上。旋流叶片103固定在中心燃料管102外壁与中心喷嘴外壁101的内壁之间。

进一步的，主燃料喷孔114的孔径为5～10mm。确保燃料喷孔喷出的燃料速度不至于过高，影响掺混效果。

进一步的，径向燃料管113位于中心值班喷嘴10前端的上游，且径向燃料管113与中心值班喷嘴10前端的轴向距离为100～200mm。高速喷射的燃料和高速空气在该段距离内进行掺混，保证合适的掺混长度。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，所不同之处在于：参照图2所示，本实施例中，每个主燃料管112上的径向燃料管113为两个，两个径向燃料管113位于同一径向截面上。另外，径向燃料管113也可以采用3个以上。

本发明的工作过程如下：部分空气燃料进入中心值班喷嘴10，形成中心扩散火焰和中心预混火焰，为主喷嘴燃料空气混合物提供点火能量，部分空气从主空气进口111高速进入燃烧室外壁110中，形成高速射流空气，部分燃料从端盖进入主燃料管112，并从径向燃料管113的主燃料喷孔114喷出，与高速射流空气混合形成高速射流混合物，在中心值班喷嘴10下游被中心扩散火焰和中心预混火焰点燃，形成燃烧室整体分布式火焰。

本发明通过设置中心值班喷嘴和主喷嘴，建立“分布式”火焰，避免热释放不均匀所带来的缺点，减少因热释放不均匀过程带来的热斑变化对火焰筒冷却的影响，减少冷却气的消耗，提高燃烧室等级，热释放较为均匀，抑制热声振荡的产生。同时，更多的空气参与燃烧，燃烧较为充分，有利于抑制氮氧化物生成的速率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种分布式火焰的燃烧室头部结构，其特征在于，包括：主喷嘴、中心值班喷嘴、燃烧室外壁和燃烧端板，所述主喷嘴包括多个主燃料管，所述燃烧端板固定在所述燃烧室外壁的后端；所述中心值班喷嘴设置在所述燃烧端板的中心；多个主燃料管穿过所述燃烧端板，伸入所述燃烧室外壁中，且排列在所述中心值班喷嘴的外侧周围；所述主燃料管伸入所述燃烧室外壁的部分设有至少一个径向燃料管，且所述径向燃料管位于所述中心值班喷嘴前端的上游；每个所述径向燃料管上设有主燃料喷孔；所述燃烧端板设有多个主空气进口。

2.如权利要求1所述的分布式火焰的燃烧室头部结构，其特征在于，所述中心值班喷嘴包括中心喷嘴外壁、中心燃料管和多个旋流叶片；所述中心燃料管设置在所述燃烧端板的中心；所述中心喷嘴外壁设置在中心燃料管外侧，多个所述旋流叶片安装在所述中心燃料管上；所述旋流叶片设有多个中心旋流喷孔，所述中心旋流喷孔与所述中心燃料管连通。

3.如权利要求1或2所述的分布式火焰的燃烧室头部结构，其特征在于，所述主燃料喷孔的孔径为5～10mm。

4.如权利要求1或2所述的分布式火焰的燃烧室头部结构，其特征在于，所述径向燃料管与中心值班喷嘴前端的轴向距离为100～200mm。

5.如权利要求1或2所述的分布式火焰的燃烧室头部结构，其特征在于，每个所述主燃料管上的径向燃料管为两个。

6.如权利要求1或2所述的分布式火焰的燃烧室头部结构，其特征在于，多个所述旋流叶片沿中心燃料管的周向均匀排列。

7.如权利要求6所述的分布式火焰的燃烧室头部结构，其特征在于，所述旋流叶片固定在中心燃料管的外壁与中心喷嘴外壁的内壁之间。

8.如权利要求1或2所述的分布式火焰的燃烧室头部结构，其特征在于，所述主燃料管均匀排布在所述中心值班喷嘴的周围。

9.如权利要求1或2所述的分布式火焰的燃烧室头部结构，其特征在于，每个所述径向燃料管上的所述主燃料喷孔为多个。