CN109404965A - 一种燃气轮机的燃烧室及燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气轮机领域，公开了一种燃气轮机的燃烧室及燃气轮机，该燃气轮机的燃烧室包括机匣以及设置在机匣内的火焰筒，火焰筒的一端设有端盖，另一端设有燃气出口；火焰筒的筒壁上沿周向同向设有多个喷嘴，针对这些喷嘴中的每一个喷嘴，喷嘴的喷射方向与该喷嘴所在的横截面的圆心之间的距离介于(0，r)之间，其中，r为火焰筒的半径；这些喷嘴用于向火焰筒内输送空气以及燃料，并使喷射出的空气以及燃料在火焰筒内形成旋流。上述实施例中，通过在火焰筒的筒壁上沿周向设置多个喷嘴，并使这些喷嘴喷出的空气以及燃料在火焰筒内形成旋流，从而代替了传统燃气轮机燃烧室中的旋流器，简化了燃烧室的结构。

Description

一种燃气轮机的燃烧室及燃气轮机

技术领域

本发明涉及燃气轮机领域，尤其涉及一种燃气轮机的燃烧室及燃气轮机。

背景技术

燃气轮机是一种把燃料的化学能转化为机械能、电能及热能的高端能源装备，具有热效率高、功率密度大、污染物排放低等特点，广泛应用在分布式能源、热电联产、飞机坦克动力等领域。

燃气轮机由压气机、燃烧室、涡轮及辅机几大部分组成，其中，燃烧室内发生燃料和空气的燃烧反应，产生高温燃气推动涡轮做功。燃烧过程产生的污染物排放主要取决于燃烧室内的燃烧组织情况。现有技术主要采用旋流器结构在火焰筒内产生旋流，强化空气与燃料的混合，形成回流区稳定火焰。旋流器安装于火焰筒的头部，由叶片等结构组成的，现有的低排放燃烧室通常采用多个旋流器组合安装的形式，结构较为复杂，给设计、加工和装配增加了难度。

发明内容

本发明提供一种燃气轮机的燃烧室及燃气轮机，用以代替传统燃气轮机燃烧室中的旋流器，简化燃烧室的结构。

本发明实施例提供了一种燃气轮机的燃烧室，该燃烧室包括机匣以及设置在所述机匣内的火焰筒，所述火焰筒的一端设有端盖，另一端设有燃气出口；

所述火焰筒的筒壁上沿周向同向设有多个喷嘴，这些喷嘴可以分布在同一横截面上或不同的横截面上；针对所述多个喷嘴中的每一个喷嘴，所述喷嘴的喷射方向与所述喷嘴所在的横截面的圆心之间的距离介于(0，r)之间，其中，r为火焰筒的半径；

所述多个喷嘴用于向所述火焰筒内输送空气以及燃料，并使喷射出的空气以及燃料在所述火焰筒内形成旋流。

上述实施例中，通过在火焰筒的筒壁上沿周向设置多个喷嘴，并使这些喷嘴喷出的空气以及燃料在火焰筒内形成旋流，从而代替了传统燃气轮机燃烧室中的旋流器，简化了燃烧室的结构。

可选的，所述多个喷嘴至少分布在所述火焰筒两个不同的横截面上，且每个横截面上至少有两个喷嘴。沿轴向方向，不同横截面上的喷嘴分布在火焰筒筒壁的不同位置，这样使火焰筒内部的反应区分布更加均匀，提高了火焰筒空间的利用率。

可选的，位于同一横截面上的喷嘴沿周向均匀分布。

可选的，所述多个喷嘴在所述火焰筒横截面上的投影互不重合，即不同横截面上的喷嘴交错设置。

可选的，所述端盖为凸形端盖，如半球形端盖或蝶形端盖。

具体的，针对最靠近所述端盖的一组喷嘴，所述喷嘴所在的横截面到所述端盖顶部的高度H与所述火焰筒的直径D之间的比值H/D不大于1.5。H过大时，火焰筒头部将形成一些无反应区域，造成头部空间的浪费。

可选的，所述喷嘴包括内套筒以及套装在所述内套筒上的外套筒，所述内套筒与燃气管路连通，用于向所述火焰筒内输送燃料；所述外套筒与位于所述机匣以及所述火焰筒之间的空气通道连通，用于向所述火焰筒内输送空气。

具体的，所述内套筒与所述外套筒同轴设置。

具体的，所述内套筒朝向所述火焰筒的一端位于所述外套筒内或与所述外套筒平齐。当内套筒的头部位于外套筒内时，燃料由内套筒喷出后与空气首先发生预混合，再进入火焰筒中；当内套筒的头部与外套筒的头部平齐时，燃气与空气在火焰筒内边扩散边燃烧。

具体的，所述火焰筒的筒壁靠近所述燃气出口的一端还设有多个掺混孔，所述多个掺混孔与所述空气通道连通。新鲜空气由掺混孔进入火焰筒中，以降低由燃气出口射出的燃气的温度。

本发明实施例还提供了一种燃气轮机，包括上述任一项所述的燃烧室。该燃烧室中，通过在火焰筒的筒壁上沿周向设置多个喷嘴，使喷出的空气以及燃料在火焰筒中形成旋流，从而代替传统燃气轮机燃烧室中的旋流器，简化了燃烧室的结构，方便了安装。

附图说明

图1为本发明实施例提供的火焰筒的正视图；

图2为图1所示的火焰筒的侧视图；

图3为图1所示的火焰筒的仰视图。

附图标记：

10-火焰筒 11-燃料出口

20-喷嘴 30-端盖 40-掺混孔

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种燃气轮机的燃烧室，包括机匣以及设置在机匣内的火焰筒，火焰筒的一端设有端盖，另一端设有燃气出口；

火焰筒的筒壁上沿周向同向设有多个喷嘴，这些喷嘴可以分布在同一横截面上或不同的横截面上；针对这些喷嘴中的每一个喷嘴，喷嘴的喷射方向与该喷嘴所在的横截面的圆心之间的距离介于(0，r)之间，其中，r为火焰筒的半径；

这些喷嘴用于向火焰筒内输送空气以及燃料，并使喷射出的空气以及燃料在火焰筒内形成旋流。

上述实施例中，通过在火焰筒的筒壁上沿周向设置多个喷嘴，并使这些喷嘴喷出的空气以及燃料能够在火焰筒内形成旋流，用以强化空气与燃料的混合，降低氮氧化物以及一氧化碳等污染物的排放，从而代替了传统燃气轮机燃烧室中的旋流器，简化了燃烧室的结构。

为了更加清楚的了解本发明实施例提供的燃烧室的具体结构，现结合附图进行详细的描述。

该燃烧室包括机匣以及设置在机匣内的火焰筒10，火焰筒10的结构如图1～图3所示，其中，图1为火焰筒10的正视图，图2为火焰筒10的侧视图，图3为火焰筒10的仰视图。参考图1、图2，火焰筒10的一端设有端盖30，另一端设有燃气出口11，并且，火焰筒10的筒壁上沿周向同向设置有多个喷嘴20，这些喷嘴20可以形成一排，分布在火焰筒10的同一横截面上，或者，还可以形成两排或多排，分布在火焰筒10不同的横截面上；针对这些喷嘴20中的每一个喷嘴20，该喷嘴20的喷射方向与该喷嘴20所在的横截面的圆心之间的距离介于(0,r)之间，r为火焰筒10的半径，即这些喷嘴20沿火焰筒10的筒壁倾斜设置，每个喷嘴20的喷射方向与该喷嘴20所在的径向方向之间的夹角α介于0～90°之间；这些喷嘴20可以沿顺时针排列或逆时针排列，用于向火焰筒10内输送空气以及燃料，并使喷射出的空气以及燃料在火焰筒10内形成旋流。从功能上看，这些喷嘴20的设置强化了空气与燃料的混合，使火焰筒10内燃料的燃烧反应更加充分，有利于减少燃烧过程中氮氧化物及一氧化碳等污染物的排放，并且，通过打开或关闭部分喷嘴20可以实现燃烧分级，有助于燃烧室在变负荷操作时依然保持高效稳定的燃烧；从结构上看，这些喷嘴20代替了传统燃气轮机燃烧室中的旋流器，简化了燃烧室的结构，便于设计安装。

现有技术中，低排放燃烧室通常采用多级旋流器结构，多个旋流器组合安装在火焰筒10的头部，在使用中，旋流器可以在火焰筒10中产生一个较大的回流区，虽有助于稳定火焰，但也造成了火焰筒10空间上的浪费，并且也难以在火焰筒10内形成非常均匀的混合以及反应分布，造成局部温度过高或过低。而本实施例中，可以在火焰筒10的筒壁上沿轴向设置多排喷组，每一排喷嘴20均沿圆周分布，位于火焰筒10的一个横截面上，这样，每个横截面上的一组喷嘴20都相当于一个旋流器，并沿轴向方向上分布在火焰筒10筒壁的不同位置，使火焰筒10内反应区的分布更加均匀，提高了火焰筒10空间的利用率，同时，在使用过程中，不同横截面上的喷嘴20喷出的空气以及燃料在火焰筒10内共同形成旋流，减小了气流沿轴向的分速度，提高了气流在火焰筒10内的停留时间，也使火焰筒10内燃料的混合以及燃烧反应更加充分，有效降低了氮氧化物以及一氧化碳等污染物的排放。

在一个具体的实施例中，这些喷嘴20至少分布在火焰筒10两个不同的横截面上，且每个横截面上至少有两个喷嘴20，以使每个横截面上的一组喷嘴20喷出的空气以及燃料都可以在火焰筒10中形成旋流，具体的，位于同一横截面上的一组喷嘴20沿周向均匀分布，或者，也可以采用随机分布等其它分布方式；另外，为了使不同横截面上的喷嘴20的组合效果更佳，这些喷嘴20在火焰筒10某一横截面上的投影互不重合，即位于不同横截面上的喷嘴20交错设置，更加具体的，这些喷嘴20在火焰筒10某一横截面上的投影沿周向均匀分布，有利于在火焰筒10内产生稳定的旋流。需要说明的是，上述仅仅是一部分实施例，除上述设置方式外，在火焰筒10的筒壁上还可以采用其他类似的设置方式，在此不再详细赘述。

一并参考图1～图3，其中，火焰筒10的筒壁上设有四个喷嘴20，排列成两排，分别设置在两个不同的横截面上，每个横截面上有两个喷嘴20，且沿圆周均匀分布，其中一个横截面上的两个喷嘴20的连线与另一个横截面上的两个喷嘴20的连线相互垂直。该燃烧室中，在火焰筒10上设置的喷嘴20的排数以及每一排喷嘴20的数目与火焰筒10的直径有关，通过一定的组合可以使得火焰筒10内部空气以及燃料的混合效果达到最好，无反应的区域最小，有效提高火焰筒10空间的利用率。

该燃烧室中，喷嘴20用于向火焰筒10内输送空气以及燃料，在具体设置喷嘴20的结构时，本实施例中，喷嘴20包括内套筒以及套装在内套筒上的外套筒，内套筒和外套筒均与火焰筒10连通，并且，内套筒还与燃气管路连通，用于向火焰筒10内输送燃料，外套筒还与位于机匣以及火焰筒10之间的空气通道连通，用于向火焰筒10内输送空气，其中，机匣上设有进风口，高压空气通过该进风口进入机匣以及火焰筒10之间的空气通道中。内套筒与外套筒通过组合的形式实现了燃料以及空气的传输，结构简单，安装方便，具体的，内套筒朝向火焰筒10的一端位于外套筒内或与外套筒平齐，内套筒朝向火焰筒10的一端即为燃料的出口，当该出口位于外套筒内时，燃料由内套筒喷出后与空气首先发生预混合，然后再进入火焰筒10中；当该出口与外套筒平齐时，燃气与空气在火焰筒10内边扩散边燃烧。更加具体的，内套筒和外套筒同轴设置，中心通道为燃料的流通通道，外侧环形通道为空气的流通通道。

该燃烧室中，如图1、图2所示，端盖30在火焰筒10的一端形成封堵，由设置在火焰筒10筒壁上的喷嘴20为火焰筒10提供空气与燃料，具体的，端盖30为凸形端盖30，如半球形端盖30或蝶形端盖30等，火焰筒10靠近端盖30的一端可以沿筒壁设置一组或多组喷嘴20，每组喷嘴20沿周向分布，针对最靠近端盖30的一组喷嘴20，喷嘴20所在的横截面到端盖30顶部的高度H与火焰筒10的直径D之间的比值H/D不大于1.5，H过大时，火焰筒10头部将形成一些无反应区域，造成头部空间的浪费。另外，火焰筒10的筒壁靠近燃气出口11的一端还设有多个掺混孔40，这些掺混孔40与位于机匣以及火焰筒10之间的空气通道连通，排列成一排或两排，用于向火焰筒10内补充新鲜空气，降低燃料出口位置燃气的温度，并且，燃料出口是收敛的，如果出口直径过大，则出口的中心部分会出现回流，造成燃气轮机无法正常工作。

通过以上描述可以看出，本发明实施例中，通过在火焰筒10的筒壁上沿周向设置多个喷嘴20，并使这些喷嘴20喷出的空气以及燃料在火焰筒10内形成旋流，从而代替了传统燃气轮机燃烧室中的旋流器，简化了燃烧室的结构，方便了安装。

本发明实施例还提供了一种燃气轮机，包括上述任一项所述的燃烧室；除燃烧室外，燃气轮机还包括压气机、涡轮等部件，其中，燃烧室中发生燃料与空气的燃烧反应，该燃烧室中，火焰筒10的筒壁上沿周向设置有多个喷嘴20，这些喷嘴20可以分布在同一个横截面上或不同的横截面上，这些喷嘴20用于向火焰筒10内输送空气以及燃料，使喷射出的空气以及燃料在火焰筒10内形成旋流，强化空气与燃料的混合，使反应更加充分，燃烧反应产生的燃气由火焰筒10上的燃料出口射出，并推动涡轮做功，将化学能转化为机械能。

显然，本领域的技术人员可以对本发明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 (10)

1.一种燃气轮机的燃烧室，其特征在于，包括机匣以及设置在所述机匣内的火焰筒，所述火焰筒的一端设有端盖，另一端设有燃气出口；

所述火焰筒的筒壁上沿周向同向设有多个喷嘴，针对所述多个喷嘴中的每一个喷嘴，所述喷嘴的喷射方向与所述喷嘴所在的横截面的圆心之间的距离介于(0，r)之间，其中，r为火焰筒的半径；

所述多个喷嘴用于向所述火焰筒内输送空气以及燃料，并使喷射出的空气以及燃料在所述火焰筒内形成旋流。

2.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述多个喷嘴至少分布在所述火焰筒两个不同的横截面上，且每个横截面上至少有两个喷嘴。

3.如权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，位于同一横截面上的一组喷嘴沿周向均匀分布。

4.如权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，所述多个喷嘴在所述火焰筒横截面上的投影互不重合。

5.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述端盖为凸形端盖。

6.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，针对最靠近所述端盖的一组喷嘴，所述喷嘴所在的横截面到所述端盖顶部的高度H与所述火焰筒的直径D之间的比值H/D不大于1.5。

7.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述喷嘴包括内套筒以及套装在所述内套筒上的外套筒，所述内套筒与燃气管路连通，用于向所述火焰筒内输送燃料；所述外套筒与位于所述机匣以及所述火焰筒之间的空气通道连通，用于向所述火焰筒内输送空气。

8.如权利要求7所述的燃烧室，其特征在于，所述内套筒朝向所述火焰筒的一端位于所述外套筒内或与所述外套筒平齐。

9.如权利要求7所述的燃烧室，其特征在于，所述火焰筒的筒壁靠近所述燃气出口的一端还设有多个掺混孔，所述多个掺混孔与所述空气通道连通。

10.一种燃气轮机，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的燃烧室。