CN107062307B - 一种燃气轮机燃烧室 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃气轮机技术领域，公开了一种燃气轮机燃烧室，以改善燃烧室的燃烧状态，降低燃烧室发生震荡燃烧的概率，从而提升燃气轮机的输出功率、输出稳定性和使用寿命。该燃气轮机燃烧室包括燃料喷管、多级旋流器组、火焰筒和轮机机匣，所述多级旋流器组呈空心圆柱状，所述燃料喷管中段侧壁具有第一燃料喷孔，所述燃料喷管出料一侧末端具有第二燃料喷孔，所述燃料喷管以位置可调的方式插设于所述多级旋流器组内并通过所述第二燃料喷孔与火焰筒连通，所述燃料喷管的第一燃料喷孔与多级旋流器组连通并通过预混腔管和火焰筒连通，所述轮机机匣以间隙配合的方式包覆于燃料喷管、多级旋流器组和火焰筒外侧，且所述轮机机匣侧壁至少开有一个进气槽。

Description

一种燃气轮机燃烧室
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，特别涉及一种燃气轮机燃烧室。
背景技术
燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是典型的高新技术密集型产品。作为高科技的载体，燃气轮机代表了多理论学科和多工程领域发展的综合水平，是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一，具有十分突出的战略地位。燃气轮机的三大部件为燃烧室、压气机和涡轮，燃烧室的性能会直接影响燃气轮机的总体性能。燃气轮机燃烧产物中含有NOx(氮氧化物)，NOx主要包含NO和NO2。NO是一种无色无臭的气体，大气中的NO浓度如果达到了一定的程度，就会与血液中的血色素结合，造成血液缺氧从而引起中枢神经麻痹。NO2是一种红色有毒气体，对人体呼吸器官有刺激作用，容易引起肺气肿和肺癌，NO2还能破坏臭氧形成臭氧空洞。
现有燃气轮机中，低NOx排放的燃烧室主要为贫油预混预蒸发燃烧室。然而目前的贫油预混预蒸发燃烧室容易引起高强度的震荡燃烧，震荡燃烧能够限制燃气轮机整机的输出功率，能够导致火焰筒损坏，能够引发滑动摩擦和各种裂纹。这是因为贫燃预混燃烧相当接近熄火状态，系统本身就处于临界状态附近，外界的轻微扰动就能够导致燃烧能量释放发生很大的变化，从而形成震荡燃烧。
发明内容
本发明提供了一种燃气轮机燃烧室，以改善燃烧室的燃烧状态，降低燃烧室发生震荡燃烧的概率，从而提升燃气轮机的输出功率、输出稳定性和使用寿命。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种燃气轮机燃烧室，包括燃料喷管、多级旋流器组、火焰筒和轮机机匣，其中，所述多级旋流器组呈空心圆柱状，所述燃料喷管中段侧壁具有第一燃料喷孔，所述燃料喷管出料一侧末端具有第二燃料喷孔，所述燃料喷管以位置可调的方式插设于所述多级旋流器组内并通过所述第二燃料喷孔与火焰筒连通，所述燃料喷管的第一燃料喷孔与多级旋流器组连通并通过预混腔管和火焰筒连通，所述轮机机匣以间隙配合的方式包覆于所述燃料喷管、多级旋流器组和火焰筒外侧，且所述轮机机匣侧壁至少开有一个进气槽。
优选的，所述多级旋流器组包括旋流器安装板及堆叠安装于所述旋流器安装板上的一级旋流器、二级旋流器和三级旋流器；所述一级旋流器、二级旋流器和三级旋流器均呈空心柱状，所述一级旋流器的外径大于所述二级旋流器的内径，所述二级旋流器的外径大于所述三级旋流器的内径，且所述一级旋流器、二级旋流器和三级旋流器同轴并在轴向方向上呈阶梯状错位设置。
优选的，所述一级旋流器包括一级旋流器进气口、一级旋流器进料口和一级旋流器底板；所述二级旋流器包括二级旋流器进气口、二级旋流器进料口和二级旋流器底板；所述三级旋流器包括三级旋流器进气口、三级旋流器进料口和三级旋流器底板。
优选的，所述一级旋流器进气口、二级旋流器进气口和三级旋流器进气口的气流量比为1:1:8～1:3:6。
优选的，所述第一燃料喷孔和第二燃料喷孔的燃料流量比为3:1～7:1。
优选的，所述燃气轮机燃烧室还包括燃料喷管调节装置，所述燃料喷管调节装置用于调节燃料喷管插设入所述多级旋流器的位置深度。
可选的，所述燃料喷管插设于所述多级旋流器组并穿过所述预混腔管，所述燃料喷管穿过所述预混腔管的长度小于15mm，所述旋流器组沿所述燃料喷管轴向的厚度为15～40mm，所述预混腔管沿所述燃料喷管轴向的长度为20～35mm。
优选的，所述火焰筒侧壁具有掺混孔，且所述掺混孔对应所述进气槽设置。
优选的，所述火焰筒进气口至掺混孔之间的侧壁均匀分布有冷却孔，所述冷却孔的孔径为0.8mm～1.5mm。
优选的，所述火焰筒进气口至掺混孔之间的侧壁具有主燃孔。
本发明实施例提供的燃气轮机燃烧室，该燃烧室包括多级旋流器组和位置深度可调的燃料喷管，通过调节燃料喷管插入多级旋流器组的深度从而调整燃料和空气混合的位置和程度，形成较为稳定的燃烧过程，降低燃烧室发生震荡燃烧的概率，从而提升燃气轮机的输出功率、输出稳定性和使用寿命。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的燃气轮机燃烧室的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的燃气轮机燃烧室局部结构示意图；
图3为本发明一具体实施例提供的燃气轮机燃烧室局部结构示意图；
图4为本发明另一实施例提供的燃气轮机燃烧室的结构示意图。
附图标记：
1-燃料喷管
11-第一燃料喷孔
12-第二燃料喷孔
2-多级旋流器组
20-旋流器安装板
21-一级旋流器
211-一级旋流器进气口
212-一级旋流器进料口
213-一级旋流器底板
221-二级旋流器进气口
222-二级旋流器进料口
223-二级旋流器底板
231-三级旋流器进气口
232-三级旋流器进料口
233-三级旋流器底板
22-二级旋流器
23-三级旋流器
3-火焰筒
31-掺混孔
32-冷却孔
33-主燃孔
4-轮机机匣
41-进气槽
5-预混腔管
具体实施方式
为改善燃烧室的燃烧状态，降低燃烧室发生震荡燃烧的概率，从而提升燃气轮机的输出功率、输出稳定性和使用寿命，本发明实施例提供了一种燃气轮机燃烧室。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明作进一步详细说明。
参考图1，本发明一实施例提供的燃气轮机燃烧室，包括燃料喷管1、多级旋流器组2、火焰筒3和轮机机匣4，其中，多级旋流器组2呈空心圆柱状，燃料喷管1中段侧壁具有第一燃料喷孔11，燃料喷管1出料一侧末端具有第二燃料喷孔12，燃料喷管1以位置可调的方式插设于多级旋流器组2内并通过第二燃料喷孔12与火焰筒3连通，燃料喷管1的第一燃料喷孔11与多级旋流器组2连通并通过预混腔管5和火焰筒3连通，轮机机匣4以间隙配合的方式包覆于燃料喷管1、多级旋流器组2和火焰筒3外侧，且轮机机匣4侧壁至少开有一个进气槽41。
本发明实施例提供的燃气轮机燃烧室，该燃烧室包括多级旋流器组和位置深度可调的燃料喷管，通过调节燃料喷管插入多级旋流器组的深度从而调整燃料和空气混合的位置和程度，形成较为稳定的燃烧过程，降低燃烧室发生震荡燃烧的概率，从而提升燃气轮机的输出功率、输出稳定性和使用寿命。
在本发明一优选地实施例中，如图2所示，该燃气轮机燃烧室的多级旋流器组2包括旋流器安装板20及堆叠安装于旋流器安装板20上的一级旋流器21、二级旋流器22和三级旋流器23；所述一级旋流器21、二级旋流器22和三级旋流器23均呈空心柱状，该一级旋流器21的外径大于二级旋流器22的内径，二级旋流器22的外径大于三级旋流器23的内径，且一级旋流器21、二级旋流器22和三级旋流器23同轴并在轴向方向上呈阶梯状错位设置。多级旋流器的设置能够使得燃烧室内燃料和空气的混合程度细分为多次，从而提高燃料和空气的预混效率和效果，提高燃烧室的工作效率。具体地，在该优选实施例中，每级旋流器包括旋流器进气口，旋流器进料口和旋流器底板。参考图3，即一级旋流器21包括一级旋流器进气口211、一级旋流器进料口212和一级旋流器底板213；二级旋流器22包括二级旋流器进气口221、二级旋流器进料口222和二级旋流器底板223；三级旋流器23包括三级旋流器进气口231、三级旋流器进料口232和三级旋流器底板233。本发明实施例在燃烧室内设置多级旋流器组，气流在通过旋流器组时会依次从旋流器进气口进入与从旋流器进料口进入的燃料预混产生预混气，并在燃烧室内形成低速回流区，这样可以使预混气燃烧时气体速度与火焰传播速度一致，从而保证燃烧的稳定，回流区的形成还可以保证燃烧的安全。本发明实施例中优选采用三级旋流器组，能够更好的保证燃烧室燃烧时的稳定性和安全性。
在本发明一个具体实施例中，燃气轮机具体工作时经燃气轮机的压缩机压缩的高压空气从轮机机匣进气槽进入轮机机匣内，然后空气从每级旋流器进气口进入在预混腔管中进行预混；同时燃料喷管中的燃料从第一燃料喷孔第二燃料喷孔中喷出；第一燃料喷孔喷出的燃料与每级旋流器进气口进入的空气混合，并从预混腔管喷出燃烧。第二燃料喷孔喷出的燃料与从预混腔管喷出的预混合物中进行扩散燃烧，形成一股稳定的火焰，该火焰反过来点燃预混腔管喷出的燃料-空气混合物，最终使得燃烧继续稳定的进行下去。
在该具体实施例中优选燃气轮机燃烧室的一级旋流器进气口、二级旋流器进气口和三级旋流器进气口的气流量比为1:1:8～1:3:6。第一燃料喷孔和第二燃料喷孔的燃料流量比为3:1～7:1。旋流器进气比例逐级增大，有利于燃料空气充分混合，第一燃料喷孔比第二燃料喷孔的燃料要多很多，这样大部分燃料参与混合后燃烧，是贫燃燃烧状态，有利于减少NOx排放。
在本发明另一具体的实施例中，燃气轮机燃烧室还包括燃料喷管调节装置，该燃料喷管调节装置用于调节燃料喷管插设入所述多级旋流器的位置深度。若燃烧时发生了震荡燃烧，可以将燃料喷管往火焰筒一侧移动，这样可以使得燃料喷管提供的燃料燃烧更为充分，从而减弱甚至消除燃烧震荡现象。燃料喷管调节装置可以通过操作人员判定发生了震荡燃烧然后再进行调整，也可以通过燃气轮机的控制系统安装自动调节的燃料喷管调节装置，本发明实施例不对此作具体限定。通过位置可调的燃料喷管本发明实施例的燃气轮机燃烧室只有一个燃料喷管即可实现了稳定的贫燃预混燃烧，结构简单，使得燃气轮机所需的控制系统更为简化。
在本发明另一实施例中，如图4所示，该燃气轮机燃烧室的火焰筒3侧壁具有掺混孔31，且该掺混孔31对应进气槽41设置。火焰筒筒壁上具有多个掺混孔，轮机机匣侧壁至少开有一个进气槽，且多个掺混孔对应进气槽设置，进气槽中的掺混空气横向掺入火焰筒中的高温烟气，使得空气和高温烟气混合更均匀，从而提高燃烧室出口气流温度的均匀程度和燃烧室的能量利用率。进一步优选轮机机匣侧壁相对设置有两个进气槽，能够减少进气气流之间的干扰，从而形成稳定的掺混空气流，进一步提高燃烧室出口气流温度的均匀程度和燃烧室的能量利用率。火焰筒侧壁的掺混孔为间隔环绕设置的多个多个，如此设置的多个掺混孔能够使得掺混空气较为均匀地进入到火焰筒中，使得空气和高温烟气混合更均匀，从而提高燃烧室出口气流温度的均匀程度和燃烧室的能量利用率。
在本发明又一实施例中，参考图4，火焰筒3进气口至掺混孔31之间的侧壁均匀分布有冷却孔32，该冷却孔32的孔径为0.8mm～1.5mm。冷却孔能够平衡火焰筒内外的压力，并平衡火焰筒内外温差防止过热损坏，从而进一步提高燃烧室工作性能和使用寿命。经发明人大量实验验证，冷却孔孔径处于0.8mm～1.5mm之间冷却效果最好，能够在稳定燃烧的同时降低燃烧室的损伤，从而提高燃烧室使用寿命。
火焰筒3进气口至掺混孔31之间的侧壁具有主燃孔33。优选该主燃孔33孔径大于冷却孔32孔径。主燃孔能够提高火焰筒中的燃烧效率并平衡火焰筒内外的压力，从而提高燃烧室工作性能和使用寿命。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种燃气轮机燃烧室，其特征在于，包括燃料喷管、燃料喷管调节装置、多级旋流器组、火焰筒和轮机机匣，其中，所述多级旋流器组呈空心圆柱状，所述燃料喷管中段侧壁具有第一燃料喷孔，所述燃料喷管出料一侧末端具有第二燃料喷孔，所述燃料喷管调节装置用于调节燃料喷管插设入所述多级旋流器的位置深度，所述燃料喷管以位置可调的方式插设于所述多级旋流器组内并通过所述第二燃料喷孔与火焰筒连通，所述燃料喷管的第一燃料喷孔与多级旋流器组连通并通过预混腔管和火焰筒连通，所述燃料喷管穿过所述预混腔管，所述轮机机匣以间隙配合的方式包覆于所述燃料喷管、多级旋流器组和火焰筒外侧，且所述轮机机匣侧壁至少开有一个进气槽；
所述多级旋流器组为多级径向旋流器组。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述多级旋流器组包括旋流器安装板及堆叠安装于所述旋流器安装板上的一级旋流器、二级旋流器和三级旋流器；所述一级旋流器、二级旋流器和三级旋流器均呈空心柱状，所述一级旋流器的外径大于所述二级旋流器的内径，所述二级旋流器的外径大于所述三级旋流器的内径，且所述一级旋流器、二级旋流器和三级旋流器同轴并在轴向方向上呈阶梯状错位设置。
3.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述一级旋流器包括一级旋流器进气口、一级旋流器进料口和一级旋流器底板；所述二级旋流器包括二级旋流器进气口、二级旋流器进料口和二级旋流器底板；所述三级旋流器包括三级旋流器进气口、三级旋流器进料口和三级旋流器底板。
4.根据权利要求3所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述一级旋流器进气口、二级旋流器进气口和三级旋流器进气口的气流量比为1:1:8～1:3:6。
5.根据权利要求4所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述第一燃料喷孔和第二燃料喷孔的燃料流量比为3:1～7:1。
6.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述燃料喷管插设于所述多级旋流器组并穿过所述预混腔管，所述燃料喷管穿过所述预混腔管的长度小于15mm，所述旋流器组沿所述燃料喷管轴向的厚度为15～40mm，所述预混腔管沿所述燃料喷管轴向的长度为20～35mm。
7.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述火焰筒侧壁具有掺混孔，且所述掺混孔对应所述进气槽设置。
8.根据权利要求7所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述火焰筒进气口至掺混孔之间的侧壁均匀分布有冷却孔，所述冷却孔的孔径为0.8mm～1.5mm。
9.根据权利要求8所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述火焰筒进气口至掺混孔之间的侧壁具有主燃孔。
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