CN107543202A - 一种燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部结构，首先是中心旋流空气与中心天然气混合、外壁非旋空气与外壁天然气混合，然后旋流空气、非旋空气、中心天然气、外壁天然气在天然气‑空气混合腔中进一步混合，能提高天然气‑空气的混合均匀度，能够避免热点出现，有效降低氮氧化物的生成；中心旋流和外壁非旋流相结合的供气方式能降低头部出口气流的旋流强度，降低出现振荡燃烧的风险；中心天然气和外壁天然气相结合的方式，既能改善NOx‑CO比例，也能帮助火焰稳定；头部出口收敛段能提高天然气‑空气混合气流的速度，有效地防止回火的发生；旋流器外壁上的切向进气小孔能降低头部结构内部发生自燃的风险。
Description
技术领域
本发明属于燃气轮机燃烧室头部结构，涉及一种燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部结构，具体是一种以天然气为燃料的低污染燃烧室的贫燃预混单旋流头部方案。
背景技术
近年来，随着雾霾、全球气温变暖等环境问题的日益严重和人们的环保意识越来越强，对航空发动机和地面燃气轮机的污染物排放要求越来越严格，尤其对地面燃气轮机的污染物排放要求更为严格。目前大多数场合下对以天然气为燃料的地面燃气轮机的污染物排放要求为：NOx<25ppm，CO<50ppm(换算成排气浓度15％O2下的ppm值)，且要求在50％工况到100％工况范围内的任一工况点，NOx和CO排放要同时满足上述要求。
低污染燃烧室的设计研发是航空发动机和地面燃气轮机发展的主流趋势。早在1974年，美国就制定了试验清洁燃烧室计划(ECCP)，提出了高效节能发动机(E3)方案，燃烧室结构有许多创新性变化，通过试验研究获得了大量可贵的结果。70-90年代低污染燃烧技术一直是航空发动机和地面燃气轮机研究的重大课题。1992年美国的ATS计划及美国和欧洲国家的CAGT计划，其中都将低污染燃烧技术作为重点内容，并列出了几项重点研究的低污染燃烧室方案，如贫油预混燃烧室、催化燃烧室、富油急冷贫油燃烧室等。目前，美国GE公司基于LPP(Lean Premixed Prevaporised，贫油预混预蒸发)低污染技术设计研发了TAPS系列低污染燃烧室，该系列燃烧室头部结构的预燃级采用扩散燃烧、主燃级采用非预混燃烧，使NOx排放量大大降低，其中TAPSⅡ系列燃烧室的NOx比CAEP6降低60％。
国内关于低污染燃烧室专利的申请有很多。北京航空航天大学申请的201010623917.9低污染燃烧室专利，采用的方案是分级燃烧方案，主燃级采用预混燃烧方式，预燃级采用扩散燃烧和预混燃烧相结合的方式，该方案既能保证小工况下的燃烧稳定，又能保证大工况下的污染物排放；西北工业大学申请的201610034299.1低污染燃烧室专利，采用的方案是燃烧室的主燃级和预燃级都采用预混燃烧，能大大提高油气混合均匀性，降低污染物排放。缺陷是：存在出现振荡燃烧的风险，头部出口存在回火的发生和头部结构内部发生自燃的风险。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部结构，运用贫燃预混低污染燃烧技术，提供了一种以天然气为燃料的燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部方案，采用中心旋流与外壁非旋流相结合、中心天然气喷射和外壁天然气喷射相结合的贫燃预混方式，既能降低污染物排放，又能降低发生振荡燃烧的风险。
技术方案
一种燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部结构，包括旋流器；其特征在于还包括天然气集气环7；所述旋流器中心的旋流器内壁5通孔为中心天然气进口2，由旋流器叶片4形成中心旋流空气进口3，旋流空气进口的另一端设有中心天然气喷射凸台20，凸台上设有中心天然气喷口13，凸台两侧设有旋流器出口挡板12；与旋流器叶片4相邻的空腔为空气-天然气混合腔16，空腔的出口为混合气体出口18，出口两端的内壁为出口收敛段15，旋流器外壁6与混合腔相应的部位，沿周向设有多个外壁天然气喷口10和外壁非旋流空气进口8，以及多排沿周向均布的外壁切向进气孔14；中空的天然气集气环7固定于旋流器外壁6叶片4的一端，上平面设有外壁天然气进口1，下平面的多个孔通过外壁天然气管9和旋流器外壁6的外壁天然气喷口10与空气-天然气混合腔16连通；所述外壁天然气喷口10位于助混合非旋流空气进口11内侧，两者同心；工作时，从中心天然气喷孔13喷出的天然气与中心旋流空气先混合、外壁天然气喷孔10喷出的天然气与外壁非旋空气先混合，然后所有天然气-空气混合物在天然气-空气混合腔16中进一步混合，提高天然气-空气混合均匀度。
所述的外壁天然气喷口10位于旋流器下游2-5mm处，且与外壁环形空气出口收敛段17进口平齐。
外壁天然气管9与外壁天然气喷口10个数为5-20。
所述外壁天然气喷口10直径为2-5mm。
所述中心天然气喷孔13喷射方向与旋流器出口挡板12平行，且其与整个结构中心线夹角δ为40°-50°。
所述中心天然气喷孔13个数为5-10个，直径为1-3mm。
所述的旋流器叶片4个数为6-20个，角度为30°-60°。
所述的外壁非旋流空气进口8直径和外壁天然气的助混合非旋流空气进口11直径均为5-12mm，且两者沿旋流器外壁6周向相间分布，数目为5-20个。
所述的外壁切向进气孔14叉排分布于空气-天然气混合腔16的外壁，能有效地避免自燃。
所述的头部出口收敛段15与水平线夹角α为40°-50°。
有益效果
本发明提出的一种燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部结构，首先是中心旋流空气与中心天然气混合、外壁非旋空气与外壁天然气混合，然后旋流空气、非旋空气、中心天然气、外壁天然气在天然气-空气混合腔中进一步混合，能提高天然气-空气的混合均匀度，能够避免热点出现，有效降低氮氧化物的生成；中心旋流和外壁非旋流相结合的供气方式能降低头部出口气流的旋流强度，降低出现振荡燃烧的风险；中心天然气和外壁天然气相结合的方式，既能改善NOx-CO比例，也能帮助火焰稳定；头部出口收敛段能提高天然气-空气混合气流的速度，有效地防止回火的发生；旋流器外壁上的切向进气小孔能降低头部结构内部发生自燃的风险。
附图说明
图1：本发明实施例头部结构结构示意图1
图2：本发明实施例头部结构结构示意图2
图3：本发明实施例头部结构俯视图
图4a：本发明实施例头部结构剖视图
图4b：图4a中21处的局部放大图
图5：本发明实施例头部结构的周向展开图
图中：1-外壁天然气进口，2-中心天然气进口，3-中心旋流空气进口，4-旋流器叶片，5-旋流器内壁，6-旋流器外壁，7-天然气集气环，8-外壁非旋流空气进口，9-外壁天然气管，10-外壁天然气喷口，11-外壁天然气的助混合非旋流空气进口，12-旋流器出口挡板，13-中心天然气喷口，14-外壁切向进气孔，15-头部出口收敛段，16-空气-天然气混合腔，17-外壁环形空气出口收敛段，18-头部混合气体出口，19-天然气喷口流道，20-中心天然气喷射凸台
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种以天然气为燃料的地面燃机低污染燃烧室的贫燃预混单旋流头部方案，包括中心旋流空气供气部分、中心天然气供气部分、外壁非旋流空气供气部分、外壁天然气供气部分、天然气-空气混合腔、头部出口收敛段、头部混合气体出口。其中中心旋流空气部分包括轴流式旋流器、旋流器叶片、中心旋流空气进口、旋流器出口挡板；中心天然气供气部分包括中心天然气进口、中心天然气喷射凸台、中心天然气喷孔；空气经过旋流器产生旋流，随后经过旋流器出口收敛段加速，再与由中心天然气喷射孔喷出的天然气混合。外壁非旋空气供气部分包括外壁非旋空气进口、外壁天然气的助混合非旋空气进口以及外壁非旋空气出口收敛段；外壁天然气供气部分包括天然气集气环、外壁天然气管、外壁天然气喷口，外壁天然气管与天然气集气环相连且紧贴着焊接在旋流器外壁上，外壁天然气喷口焊接在外壁天然气管上；经外壁非旋空气出口收敛段加速的外壁非旋空气与经外壁天然气喷口喷入的天然气混合。在天然气-空气混合腔中，旋流空气、非旋空气、中心天然气、外壁天然气进一步充分混合，然后经过头部出口收敛段加速进入到后面的燃烧区域中，从而形成均匀的贫天然气-空气混合气体。
所述的中心天然气喷孔均匀分布在天然气喷射凸台上，中心天然气喷射孔喷射方向与旋流器出口挡板平行，且其与整个头部结构中心线夹角δ为40°-50°。中心天然气喷孔(13)个数为5-10个，直径为1-3mm；通过控制中心天然气喷孔(13)和外壁天然气喷口(10)的直径和数目，使得从中心天然气喷口(13)喷出的天然气量与从外壁天然气喷口(10)喷出的天然气量之比为0.3-0.6。
所述的旋流器叶片个数为6-20个，角度为30°-60°。
所述的外壁非旋流空气进口(8)直径和外壁天然气的助混合非旋流空气进口(11)直径为5-12mm，且两者沿旋流器外壁(6)周向相间分布，个数为5-20个；通过控制外壁非旋流空气进口(8)、外壁天然气的助混合非旋流空气进口(11)直径(面积)和个数以及中心旋流进口的面积，使从中心旋流空气进口(3)流入的旋流空气量与从外壁非旋流空气进口(8)、外壁天然气的助混合非旋流空气进口(11)流入的非旋空气量之比为2-4。
所述的外壁天然气喷口与外壁环形空气出口收敛段进口平齐，能加强外壁环形空气与外壁天然气的混合。
所述的头部出口收敛段与水平线夹角α为40°-50°。
所述的外壁切向进气孔叉排分布于空气-天然气混合腔的外壁，能有效地避免自燃。
所述的整个头部结构的燃烧当量比为0.6-0.8。
从中心天然气喷口(13)、外壁天然气喷口(10)喷出的总天然气量与从中心旋流空气进口(3)、外壁非旋流空气进口(8)、外壁天然气的助混合非旋流空气进口(11)流入的总空气量的比值为0.035-0.045。
如图1-5所示，本发明实施例提供了一种以天然气为燃料的燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部方案，包括外壁天然气进口1、中心天然气进口2、中心旋流空气进口3、旋流器叶片4、旋流器内壁5、旋流器外壁6、天然气集气环7、外壁非旋流空气进口8、外壁天然气管9、外壁天然气喷口10、外壁天然气的助混合非旋流空气进口11、旋流器出口挡板12、中心天然气喷口13、外壁切向进气孔14、头部出口收敛段15、空气-天然气混合腔16、外壁非旋空气出口收敛段17、头部混合气体出口18、天然气喷口流道19、中心天然气喷射凸台20；所述的旋流器叶片4个数为6-20个，叶片为直叶片，角度为30°-60°；所述的中心天然气喷射孔13均匀分布在天然气喷射凸台20上，中心天然气喷射孔13喷射方向与旋流器出口挡板12平行，且其与整个结构中心线夹角δ为40°-50°；中心旋流空气经过中心旋流空气进口3进入旋流器叶片4流道内形成旋流运动，随后与由中心天然气喷口13喷出的天然气进行初始混合。所述的天然气集气环7位于旋流器外壁6外侧；所述的外壁天然气管9与外壁天然气喷口10一一对应，且沿旋流器外壁6均匀分布，个数为5-20，外壁天然气管9分别与天然气集气环7、旋流器外壁6、外壁天然气喷口10通过焊接相连；外壁非旋空气由外壁非旋流空气进口8、外壁天然气的助混合非旋流空气进口11流入，随后与由外壁天然气喷口10喷入的外壁天然气进行初始混合，然后中心天然气-中心旋流空气初始混合物与外壁天然气-外壁非旋空气初始混合物在空气-天然气混合腔16充分混合，再经过头部出口收敛段15加速，最后由头部混合气体出口18流出。所述的从中心旋流空气进口3流入的旋流空气量与从外壁非旋流空气进口8和外壁天然气的助混合非旋流空气进口11流入的非旋空气量之比为2-4，所述的从中心天然气喷口13喷出的天然气量与从外壁天然气喷口10喷出的天然气量之比为0.3-0.6，整个头部结构的燃烧当量比为0.6-0.8；所述的外壁切向进气孔14叉排分布于空气-天然气混合腔16的外壁，能有效地避免自燃。
本发明的工作过程如下：
中心空气经过中心旋流空气进口3进入旋流器叶片4流道内形成旋流运动，随后与由中心天然气喷口13喷出的天然气进行初始混合；外壁非旋空气由外壁非旋流空气进口8、外壁天然气的助混合非旋流空气进口11流入，随后与外壁天然气喷口10喷入的外壁天然气进行初始混合；然后中心天然气-中心旋流空气初始混合物与外壁天然气-外壁非旋空气初始混合物在空气-天然气混合腔16充分混合，再经过头部出口收敛段15加速，最后由头部混合气体出口18流出，在头部结构下游以贫燃状态进行稳定燃烧。一小部分气体从外壁切向进气孔14流入空气-天然气混合腔，在旋流器外壁6内侧形成气膜，能有效地避免自燃。
Claims (10)
1.一种燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部结构，包括旋流器；其特征在于还包括天然气集气环(7)；所述旋流器中心的旋流器内壁(5)通孔为中心天然气进口(2)，由旋流器叶片(4)形成中心旋流空气进口(3)，旋流空气进口的另一端设有中心天然气喷射凸台(20)，凸台上设有中心天然气喷口(13)，凸台两侧设有旋流器出口挡板(12)；与旋流器叶片(4)相邻的空腔为空气-天然气混合腔(16)，空腔的出口为混合气体出口(18)，出口两端的内壁为出口收敛段(15)，旋流器外壁(6)与混合腔相应的部位，沿周向设有多个外壁天然气喷口(10)和外壁非旋流空气进口(8)，以及多排沿周向均布的外壁切向进气孔(14)；中空的天然气集气环(7)固定于旋流器外壁(6)叶片(4)的一端，上平面设有外壁天然气进口(1)，下平面的多个孔通过外壁天然气管(9)和旋流器外壁(6)的外壁天然气喷口(10)与空气-天然气混合腔(16)连通；所述外壁天然气喷口(10)位于助混合非旋流空气进口(11)内侧，两者同心；工作时，从中心天然气喷孔(13)喷出的天然气与中心旋流空气先混合、外壁天然气喷孔(10)喷出的天然气与外壁非旋空气先混合，然后所有天然气-空气混合物在天然气-空气混合腔(16)中进一步混合，提高天然气-空气混合均匀度。
2.根据权利要求1所述燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部结构，其特征在于：所述的外壁天然气喷口(10)位于旋流器下游2-5mm处，且与外壁环形空气出口收敛段(17)进口平齐。
3.根据权利要求1或2所述燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部结构，其特征在于：外壁天然气管(9)与外壁天然气喷口(10)个数为5-20。
4.根据权利要求1或2或3所述燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部结构，其特征在于：所述外壁天然气喷口(10)直径为2-5mm。
5.根据权利要求1所述燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部结构，其特征在于：所述中心天然气喷孔(13)喷射方向与旋流器出口挡板(12)平行，且其与整个结构中心线夹角δ为40°-50°。
6.根据权利要求1或5所述燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部结构，其特征在于：所述中心天然气喷孔(13)个数为5-10个，直径为1-3mm。
7.根据权利要求1或5所述燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部结构，其特征在于：所述的旋流器叶片(4)个数为6-20个，角度为30°-60°。
8.根据权利要求1所述燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部结构，其特征在于：所述的外壁非旋流空气进口(8)直径和外壁天然气的助混合非旋流空气进口(11)直径均为5-12mm，且两者沿旋流器外壁(6)周向相间分布，数目为5-20个。
9.根据权利要求1所述燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部结构，其特征在于：所述的外壁切向进气孔(14)叉排分布于空气-天然气混合腔(16)的外壁，能有效地避免自燃。
10.根据权利要求1所述燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部结构，其特征在于：所述的头部出口收敛段(15)与水平线夹角α为40°-50°。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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