CN107687652A - 一种双燃料燃气轮机贫预混低污染燃烧室头部结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双燃料燃气轮机贫预混低污染燃烧室头部结构，由中心旋流空气流路、外壁非旋流空气流路、中心气体燃料流路、外壁气体燃料流路、中心燃油流路、外壁燃油流路、燃料‑空气混合腔以及头部出口收敛段组成；中心旋流空气与中心气体燃料、中心燃油混合，外壁非旋空气与外壁气体燃料、外壁燃油混合，随后在燃料‑空气混合腔中充分混合，然后预混均匀的混合物由头部出口收敛段流向下游并进行稳定燃烧；整个头部结构的工作当量比在0.6‑0.8之间，能满足污染物排放要求；本发明既可以气体燃料或燃油单独工作，也可以气体燃料和燃油混合工作，拓宽了该头部方案的适用燃料范围。

Description

一种双燃料燃气轮机贫预混低污染燃烧室头部结构

技术领域

本发明属于地面燃机燃烧室领域，涉及一种双燃料燃气轮机贫预混低污染燃烧室头部结构，既可气体燃料或燃油单独工作，也可气体燃料和燃油混合工作。

背景技术

提高地面燃机燃烧室的多燃料适应性是地面燃机燃烧室的一个重要发展方向。一方面可以在维修一种燃料管路时，使用另一种燃料进行工作，保证燃机不间断工作，提高地面燃机的工作效率；另一方面还可以合理地利用地球上各种气态、液态燃料，节约能源，改善燃机的经济性和市场竞争力。

与单燃地面燃机燃烧室相比，双燃低污染燃烧室设计研发有其鲜明的特点。一方面是污染物排放问题：对于双燃低污染燃烧室，低污染要求意味着在气体燃料工作时，要满足气体燃料的污染物排放要求；以燃油工作时，要满足燃油的污染物排放要求；在气体燃料和燃油混合工作时也要满足污染物排放要求。另一方面是贫燃预混技术问题：对双燃低污染燃烧室，要确保在气体燃料工作时没有自燃和回火，同时确保在燃油工作时也没有自燃回火；更重要的是如果气体燃料工作时，没有严重的振荡燃烧，必须在燃油工作时也没有严重的振荡燃烧，这就要求在用燃油时其燃料-空气比分布、燃烧释热分布、火焰形状与用气体燃料时的燃料-空气比分布、释热分布、火焰形状要十分相近。

关于双燃低污染燃烧室的文献和专利在国内并不多，但其设计研发可以以单燃低污染燃烧室的设计理念为基础。国内关于低污染燃烧室的申请专利有很多：专利201510673156.0公开了一种低污染燃烧室设计方案，预燃级采用扩散燃烧和预混燃烧相结合的方式，主燃级采用预混预蒸发燃烧方式，有利于均匀燃烧并降低污染物排放；专利201410643105.9公开了一种主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室，值班级采用扩散燃烧，主燃级采用贫油预混燃烧，在大工况时，值班级和主燃级同时工作，主燃区处于贫油状态，能够显著降低NOx的排放。

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，本发明提出一种双燃料燃气轮机贫预混低污染燃烧室头部结构，运用贫燃预混低污染燃烧技术，在满足气体燃料或燃油工作时污染物排放要求的同时，降低气体燃料或燃油工作时发生自燃、回火以及振荡燃烧的风险。

技术方案

一种双燃料燃气轮机贫预混低污染燃烧室头部结构，其特征在于包括燃料-空气混合腔15、离心喷嘴2、旋流器、集油环4、集气环22、进入燃料-空气混合腔的空气通道、由中部进入的燃油通道和燃气通道和侧向进入的燃油通道和燃气通道；旋流器外壁13与其延伸段的头部出口收敛段16构成燃料-空气混合腔15，旋流器内壁8中设有中心燃油进口1，内壁的端面为斜面结构的中心气体燃料喷射凸台20，离心喷嘴2置于凸台上，中心燃油进口1通过离心喷嘴2和凸台上的通孔构成进入燃料-空气混合腔的中部燃油通道；中心燃油进口1与旋流器内壁8之间为中心气体燃料进口19，通过凸台斜面沿周向均布的中心气体燃料喷孔21构成进入燃料-空气混合腔的中部燃气通道；集油环4和集气环22置于旋流器外壁13，集油环4上设有外壁燃油进口28，集油环4与旋流器外壁13连接有多个外壁燃油管5，连通旋流器外壁13上的外壁燃油喷孔6构成侧向进入燃料-空气混合腔的燃油通道；集气环22上设有外壁燃油进口28，集气环22与旋流器外壁13连接有多个外壁气体燃料管23，连通旋流器外壁13上的外壁气体燃料喷孔24构成侧向进入燃料-空气混合腔的燃气通道；沿旋流器外壁13周向均布的外壁非旋助混合空气进口25和外壁非旋助雾化空气进口7构成飞旋混合空气进入燃料-空气混合腔的通道；旋流器叶片9、中心旋流空气平直段10和中心旋流空气收敛段11构成旋流空气进入燃料-空气混合腔的通道；所述旋流器外壁13上沿周向均布多排切向进气小孔14；所述中心气体燃料喷射凸台20底边设有旋流器出口挡板29。

在外壁非旋助雾化空气进口7部位设有外壁非旋助雾化空气出口收敛段12；在外壁非旋助混合空气进口25部位设有外壁非旋助混合空气出口收敛段26。

所述的中心气体燃料喷孔21数目为5-12。

所述中心气体燃料喷孔21喷射方向与旋流器出口挡板29平行，并且其喷射方向与整个结构中心线的夹角α等于离心喷嘴2雾化锥角的半角，为40°-50°。

所述外壁气体燃料管23、外壁气体燃料喷孔24和外壁非旋助混合空气进口25数目为5-20。

所述离心喷嘴2的雾化锥角为80°-100°。

所述外壁燃油管5、外壁燃油喷孔6和外壁非旋助雾化空气进口7数目为5-20。

所述的外壁非旋助混合空气出口收敛段26、外壁非旋助雾化空气出口收敛段12的收敛角度δ为40°-50°。

所述头部出口收敛段16的收敛角度β为40°-50°。

所述的旋流器叶片9个数为5-20，角度为40°-60°。

通过控制中心气体燃料喷孔21和外壁气体燃料喷孔24的直径面积和数量，使从中心气体燃料喷孔21喷出的气体燃料总量与外壁气体燃料喷孔24喷出的气体燃料总量的比值为0.3-0.6。

过控制外壁燃油喷孔6的直径面积、个数以及离心喷嘴2的流量数，使离心喷嘴2喷出的燃油量与外壁燃油喷孔6喷出的燃油量之比为0.3-0.6。

所述的外壁非旋助雾化空气进口7和外壁非旋助混合空气进口25沿旋流器外壁13相间分布且其面积相等，保证外壁周向进气的均匀性；通过控制外壁非旋助雾化空气进口7和外壁非旋助混合空气进口25的面积和数量，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助雾化空气进口7、外壁非旋助混合空气进口25流入的非旋空气总量之比为1-3，能降低头部出口气流的旋流强度。

所述的切向进气小孔14叉排分布于旋流器外壁13，能有效地避免自燃。

从中心气体燃料喷孔21、外壁气体燃料喷孔24喷出的气体燃料总量或从离心喷嘴2、外壁燃油喷孔6喷出的燃油总量，与从中心旋流空气进口3、外壁非旋助雾化空气进口7、外壁非旋助混合空气进口25流入的空气总量的比值为0.035-0.045，保证在下游以贫油状态燃烧。

有益效果

本发明提出的一种双燃料燃气轮机贫预混低污染燃烧室头部结构，由中心旋流空气流路、外壁非旋流空气流路、中心气体燃料流路、外壁气体燃料流路、中心燃油流路、外壁燃油流路、燃料-空气混合腔以及头部出口收敛段组成；中心旋流空气与中心气体燃料、中心燃油混合，外壁非旋空气与外壁气体燃料、外壁燃油混合，随后在燃料-空气混合腔中充分混合，然后预混均匀的混合物由头部出口收敛段流向下游并进行稳定燃烧；整个头部结构的工作当量比在0.6-0.8之间，能满足污染物排放要求；本发明既可以气体燃料或燃油单独工作，也可以气体燃料和燃油混合工作，拓宽了该头部方案的适用燃料范围。

本发明与现有技术相比具有的优点如下：

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；中心燃料和外壁燃料相结合的方式，既能改善NO_x-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。另外中心燃油喷射雾化锥角的半角与中心气体燃料喷射角相等、外壁燃油喷射孔与外壁气体燃料喷射孔沿周向相间均匀分布、外壁非旋助雾化空气进口面积与外壁非旋助混合空气进口面积相等，使得气体燃料与空气的混合和燃油与气体的混合很类似，从而确保气体燃料或燃油单独工作时燃料-空气比分布、燃烧释热分布、火焰形状都类似，燃烧室的各项性能都能符合要求，能实现气体燃料和燃油工作的实时切换。

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1

图4b剖视图中标号32处放大图

图5a本发明实施例头部结构剖视图2

图5b剖视图中标号31处放大图

图6本发明实施例头部结构的周向展开图

图中：1-中心燃油进口，2-离心喷嘴，3-中心旋流空气进口，4-集油环，5-外壁燃油管，6-外壁燃油喷孔，7-外壁非旋助雾化空气进口，8-旋流器内壁，9-旋流器叶片，10-中心旋流空气平直段，11-中心旋流空气收敛段，12-外壁非旋助雾化空气出口收敛段，13-旋流器外壁，14-切向进气小孔，15-燃料-空气混合腔，16-头部出口收敛段，17-头部出口，18-外壁气体燃料进口，19-中心气体燃料进口，20-中心气体燃料喷射凸台，21-中心气体燃料喷孔，22-集气环，23-外壁气体燃料管，24-外壁气体燃料喷孔，25-外壁非旋助混合空气进口，26-外壁非旋助混合空气出口收敛段，27-中心扩张段，28-外壁燃油进口，29-旋流器出口挡板，30-中心燃油管壁

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：一种适用于双燃料地面燃机低污染燃烧室的贫预混头部方案，包括中心旋流空气供气部分、中心燃油供油部分、中心气体燃料供气部分、外壁非旋助混合空气供气部分、外壁燃油供油部分、外壁非旋助雾化空气供气部分、外壁气体燃料供气部分、燃料-空气混合腔、头部出口收敛段、头部混合气体出口。中心旋流空气供气部分由中心旋流空气进口、中心旋流空气平直段、中心旋流空气收敛段组成；中心燃油供油部分由中心燃油进口和离心喷嘴组成，离心喷嘴通过焊接固定在中心燃油管壁上；中心气体燃料供气部分由中心气体燃料进口、中心气体燃料喷射凸台、中心气体燃料喷孔组成，中心气体燃料喷孔在中心气体燃料喷射凸台侧壁上沿周向均匀分布，位于离心喷嘴外围；从中心旋流空气进口流入的空气经过中心旋流空气平直段、中心旋流空气收敛段形成旋转运动，与由离心喷嘴喷出的燃油或中心气体燃料喷孔喷出的气体燃料进行初步混合。外壁非旋助雾化空气供气部分由外壁非旋助雾化空气进口、外壁非旋助雾化空气出口收敛段组成；外壁燃油供油部分由外壁燃油进口、集油环、外壁燃油管、外壁燃油喷孔组成，集油环与外壁燃油管、外壁燃油管与外壁燃油喷孔通过焊接相连，另外外壁燃油管通过焊接固定在旋流器外壁上；外壁非旋助雾化空气从进口流入，经过出口收敛段加速，然后将外壁燃油喷孔喷出的燃油破碎成细小液滴并形成初步均匀的油气混合物。外壁非旋助混合空气供气部分由外壁非旋助混合空气进口、外壁非旋助混合空气出口收敛段组成；外壁气体燃料供气部分由外壁气体燃料进口、集气环、外壁气体燃料管、外壁气体燃料喷孔组成，集气环与外壁气体燃料管、外壁气体燃料管与外壁气体燃料喷孔也是通过焊接相连；非旋助混合空气从进口流入，经过出口收敛段加速，然后与外壁气体燃料喷口喷出的气体燃料进行初步混合。中心旋流空气与中心燃油和中心气体燃料、外壁非旋助雾化空气与外壁燃油、外壁非旋助混合空气与外壁气体燃料的初步混合物在燃料-空气混合腔中进一步雾化混合，形成均匀的油气混合物，然后经过头部出口收敛段加速，从头部出口流向下游，以贫燃料状态进行燃烧。

优选的，所述的中心气体燃料喷孔沿周向均匀分布在中心气体燃料喷射凸台侧壁上，中心气体燃料喷孔喷射方向与旋流器出口挡板平行，并且其喷射方向与整个结构中心线的夹角α等于离心喷嘴雾化锥角的半角，为40°-50°。

优选的，所述的外壁燃油管和外壁气体燃料管沿着旋流器外壁周向相间均匀分布，个数均为5-20。

优选的，所述的外壁非旋助雾化空气进口和外壁非旋助混合空气进口的面积相等，保证外壁周向进气的均匀性。

优选的，所述的从中心旋流空气进口流入的旋流空气量与从外壁非旋助雾化空气进口、外壁非旋助混合空气进口流入的非旋空气总量之比为1-3，能降低头部出口气流的旋流强度。

优选的，所述的从中心气体燃料喷孔喷出的气体燃料总量与从外壁气体燃料喷孔喷出的气体燃料总量之比为0.3-0.6。

优选的，所述的从离心喷嘴喷出的燃油量与从外壁燃油喷孔喷出的燃油总量之比为0.3-0.6。

优选的，所述的外壁非旋助混合空气出口收敛段、外壁非旋助雾化空气出口收敛段的收敛角度δ为40°-50°。

优选的，所述的头部出口收敛段的收敛角度β为40°-50°。

优选的，所述的旋流器叶片个数为5-20，角度为40°-60°。

优选的，所述的整个头部结构的工作当量比为0.6-0.8。

如图1-6所示，本发明实施例提供了一种双燃料燃气轮机贫预混低污染燃烧室头部方案，包括中心燃油进口1、离心喷嘴2、中心旋流空气进口3、集油环4、外壁燃油管5、外壁燃油喷孔6、外壁非旋助雾化空气进口7、旋流器内壁8、旋流器叶片9、中心旋流空气平直段10、中心旋流空气收敛段11、外壁非旋助雾化空气出口收敛段12、旋流器外壁13、切向进气小孔14、燃料-空气混合腔15、头部出口收敛段16、头部出口17、外壁气体燃料进口18、中心气体燃料进口19、中心气体燃料喷射凸台20、中心气体燃料喷孔21、集气环22、外壁气体燃料管23、外壁气体燃料喷孔24、外壁非旋助混合空气进口25、外壁非旋助混合空气出口收敛段26、中心扩张段27、外壁燃油进口28、旋流器出口挡板29、中心燃油管壁30；所述的中心旋流空气平直段10由旋流器外壁13、旋流器叶片9和旋流器内壁8围成；所述的中心旋流空气收敛段11由旋流器外壁13、旋流器叶片9和旋流器出口挡板29围成；所述的旋流器叶片5的个数为5-20个，叶片为直叶片，角度为40°-60°；所述的离心喷嘴2通过焊接固定在中心燃油管壁30上，中心气体燃料喷孔21沿周向均匀分布在位于离心喷嘴2外围的中心气体燃料喷射凸台20侧壁上，并且其喷射方向与整个结构中心线的夹角α等于离心喷嘴雾化锥角的半角，为40°-50°，这样能使气体燃料与空气的混合和燃油与空气的混合很类似，得到相似的燃料-空气比分布；所述的外壁燃油管5、外壁燃油喷孔6、外壁非旋助雾化空气进口7一一对应，外壁气体燃料管23、外壁气体燃料喷孔24、外壁非旋助混合空气进口25也是一一对应；外壁燃油管5和外壁气体燃料管23沿着旋流器外壁13周向相间均匀分布，个数均为为5-20，并且外壁非旋助雾化空气进口7和外壁非旋助混合空气进口25的面积相等，这样也是为了得到气体燃料或燃油与非旋流空气形成相似的燃料-空气比分布，使得气体燃料或燃油单独工作时能获得相似的燃烧性能；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助雾化空气进口7、外壁非旋助混合空气进口25流入的非旋空气总量之比为1-3，能降低头部出口气流的旋流强度；所述的从离心喷嘴2喷出的燃油量与从外壁燃油喷孔6喷出的燃油总量之比为0.3-0.6，从中心气体燃料喷孔21喷出的气体燃料总量与从外壁气体燃料喷孔24喷出的气体燃料总量之比为0.3-0.6；中心旋流空气与中心燃油、中心气体燃料、外壁非旋空气与外壁燃油以及外壁非旋空气与外壁气体燃料的初步混合物在燃料-空气混合腔中进一步雾化，然后由收敛角β为40°-50°的头部出口收敛段16加速流向下游；整个头部结构工作当量比为0.6-0.8，保证在下游以贫油状态燃烧。

本发明的工作过程如下：中心旋流空气从中心旋流空气进口3流入，经过中心旋流空气平直段10、中心旋流空气收敛段11形成旋转运动并加速，将离心喷嘴2喷出的燃油剪切破碎成均匀的小液滴或与中心气体燃料喷孔21喷出的气体燃料掺混并形成初步均匀的油气分布；外壁非旋助雾化空气从外壁非旋助雾化空气进口7流入，经过外壁非旋助雾化空气出口收敛段12加速，然后将外壁燃油喷孔6喷出的燃油破碎成细小液滴并形成初步均匀的油气混合物；外壁非旋助混合空气从外壁非旋助混合空气进口25流入，经过外壁非旋助混合空气出口收敛段26加速，然后与外壁气体燃料喷口24喷出的气体燃料进行初步混合；然后中心旋流空气与中心燃油、中心气体燃料的初步混合物、外壁非旋助雾化空气与外壁燃油的初步混合物、外壁非旋助混合空气与外壁天然气的初步混合物在燃料-空气混合腔15中进一步充分混合，再经过头部出口收敛段16加速由头部出口17流出，在下游以贫燃料状态进行稳定燃烧。在工作过程中，由于气体燃料喷射点、喷射方向、喷射量与燃油的相类似，因此在工作过程中，气体燃料和燃油可以随时进行切换工作，使地面燃机以不同燃料工作时都能满足其燃烧性能。

Claims (10)

1.一种双燃料燃气轮机贫预混低污染燃烧室头部结构，其特征在于包括燃料-空气混合腔(15)、离心喷嘴(2)、旋流器、集油环(4)、集气环(22)、进入燃料-空气混合腔的空气通道、由中部进入的燃油通道和燃气通道和侧向进入的燃油通道和燃气通道；旋流器外壁(13)与其延伸段的头部出口收敛段(16)构成燃料-空气混合腔(15)，旋流器内壁(8)中设有中心燃油进口(1)，内壁的端面为斜面结构的中心气体燃料喷射凸台(20)，离心喷嘴(2)置于凸台上，中心燃油进口(1)通过离心喷嘴(2)和凸台上的通孔构成进入燃料-空气混合腔的中部燃油通道；中心燃油进口(1)与旋流器内壁(8)之间为中心气体燃料进口(19)，通过凸台斜面沿周向均布的中心气体燃料喷孔(21)构成进入燃料-空气混合腔的中部燃气通道；集油环(4)和集气环(22)置于旋流器外壁(13)，集油环(4)上设有外壁燃油进口(28)，集油环(4)与旋流器外壁(13)连接有多个外壁燃油管(5)，连通旋流器外壁(13)上的外壁燃油喷孔(6)构成侧向进入燃料-空气混合腔的燃油通道；集气环(22)上设有外壁燃油进口(28)，集气环(22)与旋流器外壁(13)连接有多个外壁气体燃料管(23)，连通旋流器外壁(13)上的外壁气体燃料喷孔(24)构成侧向进入燃料-空气混合腔的燃气通道；沿旋流器外壁(13)周向均布的外壁非旋助混合空气进口(25)和外壁非旋助雾化空气进口(7)构成飞旋混合空气进入燃料-空气混合腔的通道；旋流器叶片(9)、中心旋流空气平直段(10)和中心旋流空气收敛段(11)构成旋流空气进入燃料-空气混合腔的通道；所述旋流器外壁(13)上沿周向均布多排切向进气小孔(14)；所述中心气体燃料喷射凸台(20)底边设有旋流器出口挡板(29)。

2.根据权利要求1所述双燃料燃气轮机贫预混低污染燃烧室头部结构，其特征在于：在外壁非旋助雾化空气进口(7)部位设有外壁非旋助雾化空气出口收敛段(12)；在外壁非旋助混合空气进口(25)部位设有外壁非旋助混合空气出口收敛段(26)。

3.根据权利要求1所述双燃料燃气轮机贫预混低污染燃烧室头部结构，其特征在于：所述的中心气体燃料喷孔(21)数目为5-12。

4.根据权利要求1或3所述双燃料燃气轮机贫预混低污染燃烧室头部结构，其特征在于：所述中心气体燃料喷孔(21)喷射方向与旋流器出口挡板(29)平行，并且其喷射方向与整个结构中心线的夹角α等于离心喷嘴(2)雾化锥角的半角，为40°-50°。

5.根据权利要求1所述双燃料燃气轮机贫预混低污染燃烧室头部结构，其特征在于：所述外壁气体燃料管(23)、外壁气体燃料喷孔(24)和外壁非旋助混合空气进口(25)数目为5-20。

6.根据权利要求1所述双燃料燃气轮机贫预混低污染燃烧室头部结构，其特征在于：所述离心喷嘴(2)的雾化锥角为80°-100°。

7.根据权利要求1所述双燃料燃气轮机贫预混低污染燃烧室头部结构，其特征在于：所述外壁燃油管(5)、外壁燃油喷孔(6)和外壁非旋助雾化空气进口(7)数目为5-20。

8.根据权利要求1所述双燃料燃气轮机贫预混低污染燃烧室头部结构，其特征在于：所述的外壁非旋助混合空气出口收敛段(26)、外壁非旋助雾化空气出口收敛段(12)的收敛角度δ为40°-50°。

9.根据权利要求1所述双燃料燃气轮机贫预混低污染燃烧室头部结构，其特征在于：所述头部出口收敛段(16)的收敛角度β为40°-50°。

10.根据权利要求1或3所述双燃料燃气轮机贫预混低污染燃烧室头部结构，其特征在于：所述的旋流器叶片(9)个数为5-20，角度为40°-60°。