CN109404967A - 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技术领域，公开了一种燃气轮机的燃烧室及燃气轮机，该燃烧室包括机匣以及设置在机匣内的火焰筒，且火焰筒的头部设有主燃级燃料组件以及预燃级燃料组件，其中，主燃级燃料组件包括主燃级管道以及设置在主燃级管道与火焰筒之间的主燃级旋流器，主燃级旋流器的空气入口与机匣上的进风口连通，主燃级旋流器的燃料入口与主燃级管道连通；预燃级燃料组件包括预燃级管道，预燃级管道朝向火焰筒的一端设有预燃级喷头，预燃级喷头上沿周向设有多个喷孔，每个喷孔的轴线与预燃级喷头的轴线之间具有开口背离火焰筒的夹角，且该夹角为锐角。

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技术领域，尤其涉及一种燃气轮机的燃烧室及燃气轮机。

背景技术

在微型燃气轮机中，燃烧室内燃气燃烧时的温度对NOx的影响非常大，NOx的产量和生成速度随着燃烧温度的升高呈指数增长。所以降低微型燃气轮机NOx的排放量，关键在于将燃烧室内的温度控制在较低水平(一般为1700K-1900K，若温度更低会影响燃烧效率)，同时使燃烧室内温度分布均匀。

目前低NOx排放燃烧室主要有燃油分级燃烧室、贫油预混预蒸发燃烧室、贫油直接喷射燃烧室、富油燃烧-淬熄-贫油燃烧燃烧室，其中，贫油预混预蒸发燃烧室较其他燃烧室在降低NOx上有更大的极限，可以将NOx排放降到很低的程度，燃烧分为主燃级和预燃级，其中，预燃级占少量燃料，为扩散燃烧，起到稳定的点火源的作用，点燃主燃级使其稳定燃烧，主燃级占大部分燃料，为贫燃预混燃烧，燃烧温度低，有利于降低氮氧化物的排放。

预燃级贫燃熄火极限很大程度上决定了能够分配至预混主燃级的燃气量，参与预混的燃气比例越高，则降低NOx的潜力越大。而现有技术中，预混级燃气喷注通常为扩散式喷注，造成燃气过于分散，无法进一步降低值班级熄火当量比。

发明内容

本发明提供一种燃气轮机的燃烧室及燃气轮机，用以降低预燃级熄火当量比，从而使更多的燃气分配给预混主级，进一步降低NOx的排放。

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机匣内的火焰筒，且所述火焰筒的头部设有主燃级燃料组件以及预燃级燃料组件，其中，

所述主燃级燃料组件包括主燃级管道以及设置在所述主燃级管道与所述火焰筒之间的主燃级旋流器，所述主燃级旋流器的空气入口与所述机匣上的进风口连通，所述主燃级旋流器的燃料入口与所述主燃级管道连通；

所述预燃级燃料组件包括预燃级管道，所述预燃级管道朝向所述火焰筒的一端设有预燃级喷头，所述预燃级喷头上沿周向设有多个喷孔，每个喷孔的轴线与所述预燃级喷头的轴线之间具有开口背离所述火焰筒的夹角，且所述夹角为锐角。

上述实施例中，通过在预燃级喷头上沿周向设置多个喷孔，并使这些喷孔的轴线与预燃级喷头的轴线之间具有开口方向背离火焰筒的夹角，且该夹角为锐角，这样使得由预燃级喷头能够形成聚集式喷注，提高了预燃级燃料的集中度，降低了预燃级熄火当量比，从而使更多燃料分配给预混主级，进一步降低了NOx的排放。

具体设置时，所述预燃级喷头包括底壁以及一端固定连接于所述底壁的侧壁，所述多个喷孔设置在所述底壁上，且所述底壁沿背离所述火焰筒的方向向内凹陷形成凹腔。

可选的，所述主燃级旋流器为径向旋流器，包括旋流器顶板、旋流器底板以及设置在所述旋流器顶板与所述旋流器底板之间的多个叶片；

还包括与所述旋流器顶板连接的内套筒以及与所述旋流器底板连接的外套筒，所述内套筒与所述外套筒之间的环形间隙形成主燃级预混腔。空气经叶片进入主燃级预混腔后，流速进一步提高，可以有效防止回火。

可选的，所述旋流器顶板内设有环形的腔体，并形成主燃级第一通道，所述主燃级第一通道与所述主燃级管道连通；

每个叶片具有空心结构，并形成主燃级第二通道，且所述主燃级第二通道与所述主燃级第一通道连通；

所述每个叶片的表面设有至少一个所述燃料入口，且所述燃料入口与相应的主燃级第二通道连通。通过将燃料入口设置在叶片上，提高了燃料与空气的混合效果。

通过合理的设置燃料入口的位置，可以进一步提高燃料与空气的混合效果，具体的，针对每一个叶片，所述燃料入口设置在所述叶片平行于所述主燃级旋流器轴向方向的中心线上；

沿所述叶片内主燃级燃料的流动方向，所述叶片依次设有第一端和第二端，所述第一端与所述第二端之间的距离为h，所述燃料入口距所述第一端的距离d介于的范围内。

可选的，所述预燃级燃料组件还包括预燃级旋流器，所述预燃级旋流器为轴向旋流器，且所述预燃级旋流器的空气入口与所述机匣上的进风口连通；

所述主燃级旋流器与所述预燃级旋流器同轴设置，且所述主燃级旋流器的内套筒的直径大于所述预燃级旋流器的外套筒的直径。

可选的，所述主燃级旋流器的内套筒与所述预燃级旋流器的外套筒之间设有间隙，并形成环形的空气冷却通道，且所述空气冷却通道与所述机匣上的进风口连通；

所述主燃级旋流器的内套筒与所述预燃级旋流器的外套筒朝向所述火焰筒的一端通过连接板固定连接，且所述连接板上设有多个预燃级冷却孔。燃烧室在工作时，一部分空气进入主燃级旋流器与预燃级旋流器之间的空气冷却通道中，并由预燃级冷却孔喷出，从而起到冷却的作用，保护预燃级旋流器的外套筒不被烧毁。

具体的，所述预燃级旋流器的外套筒朝向所述火焰筒的一端位于所述主燃级旋流器的内套筒以内，所述连接板形成开口朝向所述火焰筒的喇叭状结构。

为了保护火焰筒的头部不被烧毁，所述火焰筒头部的侧壁上设有多个头部冷却孔。

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，通过预燃级燃料聚集式喷注，实现更低的熄火当量比，使得更多燃料参与预混燃烧，进一步降低了NOx的排放。

附图说明

图1为本发明实施例提供的燃烧室的剖视图；

图2为本发明实施例提供的主燃级燃料组件以及预燃级燃料组件组装后的剖视图；

图3为图2中所示的主燃级燃料组件以及预燃级燃料组件组装后的半剖图；

图4为本发明实施例提供的预燃级喷头的剖视图；

图5为本发明实施例提供的火焰筒的剖视图。

附图标记：

10-机匣 11-进风口

20-火焰筒 21-头部冷却孔 22-掺混孔

30-主燃级管道 40-主燃级旋流器

401-燃料入口 41-旋流器顶板 42-旋流器底板 43-叶片

44-主燃级预混腔 45-主燃级第一通道

50-预燃级管道 60-预燃级喷头 61-底壁 62-侧壁 601-喷孔

70-预燃级旋流器 80-空气冷却通道 90-连接板 91-预燃级冷却孔

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，该燃烧室为一种贫油预混预蒸发燃烧室，并且，通过预燃级燃料在火焰筒内聚集式喷注，实现了更低的熄火当量比，并使得更多的燃料参与到主级预混燃烧，进一步降低了NOx的排放。

具体的，该燃烧室包括机匣以及设置在机匣内的火焰筒，且火焰筒的头部设有主燃级燃料组件以及预燃级燃料组件，其中，

主燃级燃料组件包括主燃级管道以及设置在主燃级管道与火焰筒之间的主燃级旋流器，主燃级旋流器的空气入口与机匣上的进风口连通，主燃级旋流器的燃料入口与主燃级管道连通；

预燃级燃料组件包括预燃级管道，预燃级管道朝向火焰筒的一端设有预燃级喷头，预燃级喷头上沿周向设有多个喷孔，每个喷孔的轴线与预燃级喷头的轴线之间具有开口背离火焰筒的夹角，且该夹角为锐角。

上述实施例中，通过在预燃级喷头上沿周向设置多个喷孔，并使这些喷孔的轴线与预燃级喷头的轴线之间具有开口方向背离火焰筒的夹角，且该夹角为锐角，即在设置时使这些喷孔的喷射方向都朝向火焰筒内某一点聚集，形成聚集式喷注，提高了预燃级燃料的集中度，降低了预燃级熄火当量比，从而使更多燃料分配给预混主级，进一步降低了NOx的排放。

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

如图1所示，该燃烧室包括机匣10以及设置在机匣10内的火焰筒20，机匣10以间隙配合的方式包覆于火焰筒20，并在侧壁62上设有至少一个进风口11；火焰筒20的头部设有主燃级燃料组件以及预燃级燃料组件，其中，主燃级燃料组件包括主燃级管道30以及设置在主燃级管道30与火焰筒20之间的主燃级旋流器40，主燃级旋流器40的空气入口与机匣10上的进风口11连通，主燃级旋流器40的燃料入口401与主燃级管道30连通，主燃级管道30用于输送主燃级燃料，主燃级燃料由燃料入口401进入主燃级旋流器40后，与从空气入口流入的空气进行预混合，预混气流进入火焰筒20中进行燃烧反应；预燃级燃料组件包括预燃级管道50，用于向火焰筒20中输送预燃级燃料，预燃级管道50朝向火焰筒20的一端设有预燃级喷头60，预燃级喷头60上沿周向设有多个喷孔601，为了增加预燃级燃料由喷孔601中射出时的集中度，每个喷孔601的轴线与预燃级喷头60的轴线之间具有开口背离火焰筒20的夹角，且该夹角为锐角，即，在设置时，使这些喷孔601的喷射方向都朝向火焰筒20内的某一点聚集，形成聚集式喷注，使预燃级燃料由喷孔601中射出时更加集中，从而降低了预燃级熄火当量比，使更多燃料分配给预混主级，有利于进一步减小NOx的排放。

该燃烧室中，分别设置了独立的主燃级以及预燃级，其中，主燃级采用预混燃烧的组织型式，燃料与空气在主燃级旋流器40中预混后进入火焰筒20，并在预燃级火焰的引燃下进行燃烧。具体设置时，一并参考图2、图3，主燃级旋流器40为径向旋流器，包括旋流器顶板41、旋流器底板42以及设置在旋流器顶板41与旋流器底板42之间的多个叶片43，这些叶片43沿周向排布，且相邻两个叶片43之间的间隙形成主燃级旋流器40的空气入口。空气和燃料分别由相应的入口进入主燃级旋流器40后进行预混，并在叶片43的作用下形成旋流，进一步强化了混合效果，同时，为提高预混气流的流速，防止燃烧过程中回火的发生，该主燃级旋流器40还包括与旋流器顶板41连接的内套筒以及与旋流器底板42连接的外套筒，内套筒与外套筒同轴设置，且内套筒与外套筒之间的环形间隙形成主燃级预混腔44，主燃级预混腔44与火焰筒20连通，预混气流在主燃级预混腔44中流速得到进一步提高，并在主燃级预混腔44的出口形成高速旋转射流，有效防止了回火的发生。

继续参考图2、图3，其中，旋流器顶板41内设有环形的腔体，并形成主燃级第一通道45，主燃级第一通道45与主燃级管道30连通；每个叶片43具有空心结构，并形成主燃级第二通道，且主燃级第二通道与主燃级第一通道45连通，每个叶片43的表面还设有至少一个燃料入口401，每个燃料入口401与相应的主燃级第二通道连通。这样，主燃级燃料由主燃级管道30进入主燃级第一通道45后，沿周向被分配在位于每个叶片43内的主燃级第二通道中，最后由燃料入口401射出，进入叶片43之间的间隙，并与从空气入口流入的空气进行混合，提高了燃料与空气的混合效果。具体的，针对每一个叶片43，燃料入口401设置在叶片43平行于主燃级旋流器40轴向方向的中心线上，并且，沿叶片43内主燃级燃料的流动方向，每个叶片43依次设有第一端和第二端，第一端与第二端之间的距离为h，这些燃料入口401距第一端的距离d介于的范围内，每个叶片43上可以设置1～5个燃料入口401，通过合理的设置燃料入口401的位置以及数量，可以进一步提高燃料与空气的混合效果。

预燃级采用扩散燃烧的组织形式，占少量燃料，起到点火作用，保证燃烧时火焰不熄灭和燃烧稳定。预燃级燃料由预燃级喷头60射出，进入火焰筒20后与空气边扩散混合边燃烧，该燃烧室中，预燃级喷头60能够在火焰筒20内形成聚集式喷注，从而降低预燃级熄火当量比，在具体设置时，如图4所示，预燃级喷头60包括底壁61以及一端固定连接于底壁61的侧壁62，侧壁62围成管状并与预燃级管道50连接；其中，喷孔601设置在底壁61上，并沿周向分布，底壁61可以设置成平板状，或者，如图4所示，底壁61沿背离火焰筒20的方向向内凹陷形成凹腔，以进一步提高预燃级燃料的集中度。值得说明的是，除周向设置外，这些喷孔601还可以采用其他类似的设置形式设置，如随机分布等，在此不再一一列举。

为了保证预燃级燃料在火焰筒20内能够充分燃烧，预燃级燃料组件还包括预燃级旋流器70，预燃级旋流器70为轴向旋流器，且预燃级旋流器70的空气入口与机匣10上的进风口11连通；一并参考图1、图2，主燃级旋流器40与预燃级旋流器70同轴设置，且主燃级旋流器40的内套筒的直径大于预燃级旋流器70的外套筒的直径。该燃烧室中，通过主燃级旋流器40和预燃级旋流器70分别为主燃级燃料和预燃级燃料提供所需的空气，其中，主燃级旋流器40和预燃级旋流器70空气进气量的比例应保持在10:1～4:1的范围内。另外，主燃级旋流器40的内套筒与预燃级旋流器70的外套筒之间设有间隙，并形成环形的空气冷却通道80，且空气冷却通道80与机匣10上的进风口11连通；主燃级旋流器40的内套筒与预燃级旋流器70的外套筒朝向火焰筒20的一端通过连接板90固定连接，且连接板90上设有多个预燃级冷却孔91。该燃烧室在工作时，一部分空气进入主燃级旋流器40与预燃级旋流器70之间的空气冷却通道80中，并由预燃级冷却孔91喷出，从而起到冷却的作用，保护预燃级旋流器70的外套筒不被烧毁。具体的，预燃级旋流器70的外套筒朝向火焰筒20的一端位于主燃级旋流器40的内套筒以内，从而使连接板90形成开口朝向火焰筒20的喇叭状结构，进一步起到保护作用。

除预燃级冷却孔91外，如图5所示，该燃烧室中，还可以在火焰筒20的头部侧壁上设置有头部冷却孔21，头部冷却孔21能够保护火焰筒20的头部不被烧毁，预燃级冷却孔91和头部冷却孔21的孔径为0.8mm～1.5mm，孔径太小无法有效的形成气膜冷却，不能达到保护预燃级旋流器70和火焰筒20头部的目的；孔径太大则会淬熄部分燃烧过程，从而降低燃烧室最终的工作效率。继续参考图5，位于火焰筒20的筒身的侧壁上还间隔环绕设置有多个掺混孔22，掺混孔22的个数可以为6至12个孔，孔径在8mm～20mm范围内，这些多个掺混孔22能够使得掺混空气较为均匀地进入到火焰筒20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。

具体工作时，经压缩机压缩的高压空气从进风口11进入机匣10内，然后空气从主燃级旋流器40的空气入口和预燃级旋流器70的空气入口分别进入主燃级和预燃级，主燃级和预燃级的空气进气比例为10:1至4:1范围内，其余空气一部分经过头部冷却孔21和预燃级冷却孔91起到冷却作用，以保护火焰筒20的头部和预燃级旋流器70的外套筒不被烧毁，还有一部分空气从掺混孔22进入，用来调节燃烧室出口温度的分布；预燃级燃料由预燃级管道50进入预燃级，并从预燃级喷孔601射出，预燃级燃料和进入预燃级的空气混合燃烧，直到燃气轮机达到指定工况的时候，燃气从主燃级管道30进入环形的主燃级第一通道45中，经由主燃级叶片43从燃料入口401射出，主燃级燃料和进入主燃级的空气进行混合，经主燃级预混腔44后从出口射出，并在预燃级火焰的引燃下进行燃烧，稳定燃烧后主燃级和预燃级燃气比例为7:1至4:1范围内，也可以将预燃级燃气完全关闭，只有主燃级燃烧。

通过以上描述可以看出，本发明实施例中，通过在预燃级喷头60上沿周向设置多个喷孔601，并使这些喷孔601的轴线与预燃级喷头60的轴线之间具有开口方向背离火焰筒20的夹角，且该夹角为锐角，这样使得由预燃级喷头60能够形成聚集式喷注，提高了预燃级燃料的集中度，降低了预燃级熄火当量比，从而使更多燃料分配给预混主级，进一步降低了NOx的排放。

本发明实施例还提供了一种燃气轮机，该燃气轮机包括上述任一项所述的燃烧室，该燃烧室中，通过预燃级燃料聚集式喷注，实现更低的熄火当量比，使得更多燃料参与预混燃烧，进一步降低了NOx的排放。

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，且所述火焰筒的头部设有主燃级燃料组件以及预燃级燃料组件，其中，

所述主燃级燃料组件包括主燃级管道以及设置在所述主燃级管道与所述火焰筒之间的主燃级旋流器，所述主燃级旋流器的空气入口与所述机匣上的进风口连通，所述主燃级旋流器的燃料入口与所述主燃级管道连通；

所述预燃级燃料组件包括预燃级管道，所述预燃级管道朝向所述火焰筒的一端设有预燃级喷头，所述预燃级喷头上沿周向设有多个喷孔，每个喷孔的轴线与所述预燃级喷头的轴线之间具有开口背离所述火焰筒的夹角，且所述夹角为锐角。

2.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述预燃级喷头包括底壁以及一端固定连接于所述底壁的侧壁，所述多个喷孔设置在所述底壁上，且所述底壁沿背离所述火焰筒的方向向内凹陷形成凹腔。

3.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述主燃级旋流器为径向旋流器，包括旋流器顶板、旋流器底板以及设置在所述旋流器顶板与所述旋流器底板之间的多个叶片；

还包括与所述旋流器顶板连接的内套筒以及与所述旋流器底板连接的外套筒，所述内套筒与所述外套筒之间的环形间隙形成主燃级预混腔。

4.如权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，所述旋流器顶板内设有环形的腔体，并形成主燃级第一通道，所述主燃级第一通道与所述主燃级管道连通；

每个叶片具有空心结构，并形成主燃级第二通道，且所述主燃级第二通道与所述主燃级第一通道连通；

所述每个叶片的表面设有至少一个所述燃料入口，且所述燃料入口与相应的主燃级第二通道连通。

5.如权利要求4所述的燃烧室，其特征在于，针对每一个叶片，所述燃料入口设置在所述叶片平行于所述主燃级旋流器轴线方向的中心线上；

沿所述叶片内主燃级燃料的流动方向，所述叶片依次设有第一端和第二端，所述第一端与所述第二端之间的距离为h，所述燃料入口距所述第一端的距离d介于的范围内。

6.如权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，所述预燃级燃料组件还包括预燃级旋流器，所述预燃级旋流器为轴向旋流器，且所述预燃级旋流器的空气入口与所述机匣上的进风口连通；

所述主燃级旋流器与所述预燃级旋流器同轴设置，且所述主燃级旋流器的内套筒的直径大于所述预燃级旋流器的外套筒的直径。

7.如权利要求6所述的燃烧室，其特征在于，所述主燃级旋流器的内套筒与所述预燃级旋流器的外套筒之间设有间隙，并形成环形的空气冷却通道，且所述空气冷却通道与所述机匣上的进风口连通；

所述主燃级旋流器的内套筒与所述预燃级旋流器的外套筒朝向所述火焰筒的一端通过连接板固定连接，且所述连接板上设有多个预燃级冷却孔。

8.如权利要求7所述的燃烧室，其特征在于，所述预燃级旋流器的外套筒朝向所述火焰筒的一端位于所述主燃级旋流器的内套筒以内，所述连接板形成开口朝向所述火焰筒的喇叭状结构。

9.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述火焰筒头部的侧壁上设有多个头部冷却孔。

10.一种燃气轮机，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的燃烧室。