CN109708148B - 一种燃气轮机燃烧器双级径向旋流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气轮机燃烧器双级径向旋流器，属于燃气轮机技术领域。本发明的一种燃气轮机燃烧器双级径向旋流器，包括第一级径向旋流器和第二级径向旋流器，第一级径向旋流器和第二级径向旋流器均包括径向旋流器及设置于其气流下游的导流环和预混腔，导流环位于径向旋流器和预混腔之间，连通径向旋流器和预混腔，第二级径向旋流器的旋流叶片底部和第一级径向旋流器的圆形端板连接。采用本发明的一种燃气轮机燃烧器双级径向旋流器，能够实现稳定燃烧，防止回火，抑制燃烧振荡的有益技术效果，并在低负荷时分级供应燃料，扩大了燃机的调整调节范围，更有利于燃烧稳定。

Description

一种燃气轮机燃烧器双级径向旋流器

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机零部件，特别是一种燃气轮机燃烧器双级径向旋流器，属于燃气轮机技术领域。

背景技术

干式低NOx（DLN）燃烧技术（DLN）是当今国际上重型燃气轮机普遍采用的控制污染物排放的成熟技术。在干式低NOx燃烧技术中，最关键的是实现燃料和空气的均匀混合以及稀相预混燃烧。稀相预混燃烧最实质的优点就是其火焰温度低，直接影响NOx的生成。但是除了控制燃料和空气的比例外，NOx生成的水平还对系统能够达到的燃料空气混合均匀度非常敏感。通过旋流器使空气和燃料均匀混合，是实际中最常用的方法。

相比传统的扩散燃烧室，DLN技术在污染控制方面具有不可比拟的优势。但同时，由于燃烧方式的转变，也给设计燃烧器带来一系列挑战，如燃烧稳定性差、回火、负荷调节范围变小、燃烧振荡等问题。

相比传统的单级旋流器，双级径向旋流器在低负荷时可以分级供燃料，扩大燃烧机调节范围，更有利于燃烧稳定。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种燃气轮机燃烧器双级径向旋流器，本发明可以保障稳定燃烧，防止回火，抑制燃烧振荡，并在低负荷时分级供应燃料，扩大燃烧机调节范围，更有利于燃烧稳定。

本发明采用的技术方案如下：

一种燃气轮机燃烧器双级径向旋流器，包括第一级径向旋流器和第二级径向旋流器；

所述第一级径向旋流器和第二级径向旋流器均包括径向旋流器及设置于其气流下游的导流环和预混腔，导流环位于径向旋流器和预混腔之间，连通径向旋流器和预混腔；

所述径向旋流器，包括布置成圈的多个旋流叶片，旋流叶片顶部与圆形端板固定连接，圆形端板上设有同心的中心孔；旋流叶片沿径向延伸，相邻旋流叶片之间形成沿中心孔切线方向延伸的旋流槽道，旋流槽道设有燃料喷管，燃料喷管上设有燃料喷孔；

所述第二级径向旋流器的旋流叶片底部和第一级径向旋流器的圆形端板连接。

燃料喷管位于燃烧器头部端板上，当燃烧器端板与第一级径向旋流器连接时，一部分喷管插入第一级径向旋流器的旋流槽道，作为第一级径向旋流器的燃料喷管；另一部分穿过第一级径向旋流器插入第二级径向旋流器的旋流槽道作为第二级径向旋流器的燃料喷管。

作为优选，所述第一级径向旋流器的旋流槽道和第二级径向旋流器的旋流槽道进气面积比为1:1-1.6，通过控制旋流槽道进气面积比来控制进入两级旋流器的空气量。

作为优选，所述第一级径向旋流器的旋流叶片旋向和第二级径向旋流器的旋流叶片旋向同向或反向布置。

作为优选，所述旋流叶片为直叶片或曲叶片，旋流叶片的外端两侧有倒角。

作为优选，旋流叶片数目4-24片，安装角度30-60°。

作为优选，所述燃料喷管位于旋流槽道进气端两侧的旋流叶片倒角处，燃料喷孔向旋流槽道入口处喷出燃料。

作为优选，所述燃料喷管位于旋流槽道进气端中间，燃料喷孔向两侧旋流叶片喷出燃料。

作为优选，所述导流环与圆形端板的中心孔固定连通，导流环呈喇叭口状，导流环的进气口直径大于导流环的出气口直径，导流环的进气口到导流环的出气口的直径逐渐递减。

作为优选，所述第一级径向旋流器的预混腔位于第二级径向旋流器的旋流叶片形成的圈内。

作为优选，所述第一级径向旋流器的预混腔为圆柱体或预混腔的进气口直径大于出气口直径的锥形结构。

作为优选，所述锥形结构预混腔的母线与轴线的夹角为0~25°。

作为优选，所述第二级径向旋流器的预混腔为圆柱体结构。

本发明的一种燃气轮机燃烧室旋流器及组件的工作过程如下：高压空气经第一级径向旋流器和第二级径向旋流器的旋流槽道入口端流入，在旋流叶片的作用下产生强烈旋流，与旋流槽道入口端燃料喷孔喷出的燃料混合均匀；第一级径向旋流器的混合燃料通过第一级径向旋流器的导流环和预混腔，来到第二级径向旋流器，并与通过第二级径向旋流器的混合气体再次混合，最后混合燃料经过第二级径向旋流器的导流环，稳定的进入第二级径向旋流器的预混腔最后来到火焰筒。

需要说明的是，双级径向旋流器的第一级径向旋流器与第二级径向旋流器的空气流量比例在1:1-1.6之间，在低负荷的时候燃料供应量较少，燃料全供给第一级径向旋流器，随着负荷的增大，慢慢增加第二级径向旋流器的燃料供应量。这样就能达到在低负荷和高负荷工况下都稳定燃烧的目的，使燃机的调节范围增大。

需要说明的是，燃气喷管有两种设置方式，一种是设置于旋流槽道入口端的中间，燃料喷孔向两侧喷出燃料；另一种是设置于旋流槽道入口端两侧旋流叶片倒角处，有两根燃料喷管，燃料喷孔向旋流槽道中部喷出燃料。两种技术方案都是向两个方向喷出燃料，与单方向喷出燃料的技术方案相比，本发明的技术方案能使燃料和空气混合更均匀，达到稳定燃烧，降低局部火焰温度，降低NOx排放。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：径向旋流器使燃气与空气充分混合均匀，导流环使混合燃料转弯时不会分离壁面，防止混合燃料在转弯处形成涡流，保持气流稳定，可以稳定燃烧，抑制燃烧振荡；预混腔加长了燃气和空气的混合距离，使燃料和空气混合更充分，通过调整第一级旋流器预混段出口的直径，可以改变此处的气流速度，防止发生回火现象，抑制燃烧振荡；双级径向旋流器可以在低负荷时分级供应燃料，扩大燃机调节范围，更有利于燃烧稳定。本发明使空气和燃料充分混合均匀并稳定传送到火焰筒，实现稳定燃烧，防止回火，抑制燃烧振荡的有益技术效果，并在低负荷时分级供应燃料，扩大燃机调节范围，更有利于燃烧稳定。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是第一级径向旋流器的预混腔为圆柱体的剖面示意图；

图2是第一级径向旋流器的预混腔为锥形的剖面示意图；

图3是双级径向旋流器的立体图；

图4是双级径向旋流器另一立体图；

图5是双级径向旋流器又一立体图；

图6是燃料喷管的位置示意图；

图7是燃料喷管另一位置示意图。

图中标记：1-第一级径向旋流器、2-第二级径向旋流器、3-第一级径向旋流器的导流环、4-第一级径向旋流器的预混腔、5-第二级径向旋流器的导流环、6-第二级径向旋流器的预混腔、7-燃料喷管、11-第一级径向旋流器的圆形端板、12-第一级径向旋流器的旋流叶片、13-第一级径向旋流器的旋流槽道、21-第二级径向旋流器的圆形端板、22-第二级径向旋流器的旋流叶片、23-第二级径向旋流器的旋流槽道。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

如图1 所示，本实施例的一种燃气轮机燃烧器双级径向旋流器：

一种燃气轮机燃烧器双级径向旋流器，包括第一级径向旋流器1和第二级径向旋流器2；

所述第一级径向旋流器1和第二级径向旋流器2均包括径向旋流器及设置于其气流下游的导流环和预混腔，导流环位于径向旋流器和预混腔之间，连通径向旋流器和预混腔；

所述径向旋流器，包括布置成圈的多个旋流叶片，旋流叶片顶部与圆形端板固定连接，圆形端板上设有同心的中心孔；旋流叶片沿径向延伸，相邻旋流叶片之间形成沿中心孔切线方向延伸的旋流槽道，旋流槽道设有燃料喷管7，燃料喷管7上设有燃料喷孔；

所述第二级径向旋流器的旋流叶片22底部和第一级径向旋流器的圆形端板11连接。

燃料喷管7位于燃烧器端板上，当燃烧器端板与第一级径向旋流器1连接时，部分喷管插入第一级径向旋流器的旋流槽道13，作为第一级径向旋流器1的燃料喷管7；另一部分穿过第一级径向旋流器1插入第二级径向旋流器的旋流槽道23作为第二级径向旋流器2的燃料喷管7。

作为优选，所述第一级径向旋流器的旋流槽道13和第二级径向旋流器的旋流槽道23进气面积比为1:1。

作为优选，所述第一级径向旋流器的旋流叶片12旋向和第二级径向旋流器的旋流叶片22旋向同向设置。

作为优选，所述旋流叶片为直叶片，旋流叶片的外端两侧有倒角。

作为优选，所述燃料喷管7位于旋流槽道进气端两侧的旋流叶片倒角处，燃料喷孔向旋流槽道入口处喷出燃料。

作为优选，所述导流环与圆形端板的中心孔固定连通，导流环呈喇叭口状，导流环的进气口直径大于导流环的出气口直径。

作为优选，所述第一级径向旋流器的预混腔4位于第二级径向旋流器的旋流叶片22形成的圈内。

作为优选，所述第一级径向旋流器的预混腔4为圆柱体结构。

作为优选，所述第二级径向旋流器的预混腔6为圆柱体结构。

实施例2

如图2 所示，本实施例的一种燃气轮机燃烧器双级径向旋流器：

一种燃气轮机燃烧器双级径向旋流器，包括第一级径向旋流器1和第二级径向旋流器2；

所述第一级径向旋流器1和第二级径向旋流器2均包括径向旋流器及设置于其气流下游的导流环和预混腔，导流环位于径向旋流器和预混腔之间，连通径向旋流器和预混腔；

所述径向旋流器，包括布置成圈的多个旋流叶片，旋流叶片顶部与圆形端板固定连接，圆形端板上设有同心的中心孔；旋流叶片沿径向延伸，相邻旋流叶片之间形成沿中心孔切线方向延伸的旋流槽道，旋流槽道设有燃料喷管7，燃料喷管7上设有燃料喷孔；

所述第二级径向旋流器的旋流叶片22底部和第一级径向旋流器的圆形端板11连接。

燃料喷管7位于燃烧器端板上，当燃烧器端板与第一级径向旋流器1连接时，部分喷管插入第一级径向旋流器的旋流槽道13，作为第一级径向旋流器1的燃料喷管7；另一部分穿过第一级径向旋流器1插入第二级径向旋流器的旋流槽道23作为第二级径向旋流器2的燃料喷管7。

作为优选，所述第一级径向旋流器的旋流槽道13和第二级径向旋流器的旋流槽道23进气面积比为1:1.6。

作为优选，所述第一级径向旋流器的旋流叶片12旋向和第二级径向旋流器的旋流叶片22旋向反向布置。

作为优选，所述旋流叶片为曲叶片，旋流叶片的外端两侧有倒角。

作为优选，所述燃料喷管7位于旋流槽道进气端中间，燃料喷孔向两侧旋流叶片喷出燃料。

作为优选，所述导流环与圆形端板的中心孔固定连通，导流环呈喇叭口状，导流环的进气口直径大于导流环的出气口直径，导流环的进气口到导流环的出气口的直径逐渐递减。

作为优选，所述第一级径向旋流器的预混腔4位于第二级径向旋流器的旋流叶片22形成的圈内。

作为优选，所述第一级径向旋流器的预混腔4为进气口直径大于出气口直径的锥形结构。

作为优选，所述锥形预混段的母线与轴线的夹角为25°。

作为优选，所述第二级径向旋流器的预混腔6为圆柱体结构。

需要说明的是，锥形结构的预混腔的母线与轴线的夹角是根据不同的燃烧器设计的，这样的设计可以更有利于防止回火和燃烧震荡。

本发明的一种燃气轮机燃烧室旋流器及组件的工作过程如下：高压空气经第一级径向旋流器和第二级径向旋流器的旋流槽道入口端流入，在旋流叶片的作用下产生强烈旋流，与旋流槽道入口端燃料喷孔喷出的燃料混合均匀；第一级径向旋流器的混合气体通过第一级径向旋流器的导流环和预混腔，来到第二级径向旋流器，并与通过第二级径向旋流器的混合气体再次混合，最后混合气体经过第二级径向旋流器的导流环，稳定的进入第二级径向旋流器的预混腔最后来到火焰筒。

需要说明的是，双级径向旋流器的第一级径向旋流器与第二级径向旋流器的空气流量比例在1:1-1.6之间，在低负荷的时候燃料供应量比较少，燃料可以全供给第一级径向旋流器，随着负荷的增大，慢慢增加第二级径向旋流器的燃料供应量。这样就能达到在低负荷和高负荷工况下都稳定燃烧的目的，使燃机的调节范围增大。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种燃气轮机燃烧器双级径向旋流器，其特征在于：包括第一级径向旋流器（1）和第二级径向旋流器（2）；

所述第一级径向旋流器（1）和第二级径向旋流器（2）均包括径向旋流器及设置于其气流下游的导流环和预混腔，导流环位于径向旋流器和预混腔之间，连通径向旋流器和预混腔；所述导流环与圆形端板的中心孔固定连通，导流环呈喇叭口状，导流环的进气口直径大于导流环的出气口直径，导流环的进气口到导流环的出气口的直径逐渐递减；

所述径向旋流器，包括布置成圈的多个旋流叶片，旋流叶片顶部与圆形端板固定连接，圆形端板上设有同心的中心孔；旋流叶片沿径向延伸，相邻旋流叶片之间形成沿中心孔切线方向延伸的旋流槽道，旋流槽道设有燃料喷管（7），燃料喷管（7）上设有燃料喷孔；

第二级径向旋流器的旋流叶片（22）底部和第一级径向旋流器的圆形端板（11）连接；

第一级径向旋流器的旋流槽道（13）和第二级径向旋流器的旋流槽道（23）进气面积比为1:1-1.6，使第一级径向旋流器（1）与第二级径向旋流器（2）的空气流量比例在1:1-1.6之间，在低负荷的时候燃料供应量较少，燃料全供给第一级径向旋流器（1），随着负荷的增大，慢慢增加第二级径向旋流器（2）的燃料供应量，在低负荷和高负荷工况下都稳定燃烧，增大燃机的调节范围。

2.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧器双级径向旋流器，其特征在于：第一级径向旋流器的旋流叶片（12）旋向和第二级径向旋流器的旋流叶片（22）旋向同向或反向布置。

3.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧器双级径向旋流器，其特征在于：所述旋流叶片为直叶片或曲叶片，旋流叶片的外端两侧有倒角。

4.如权利要求3所述的燃气轮机燃烧器双级径向旋流器，其特征在于：所述燃料喷管（7）位于旋流槽道进气端两侧的旋流叶片倒角处，燃料喷孔向旋流槽道入口处喷出燃料。

5.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧器双级径向旋流器，其特征在于：第一级径向旋流器的预混腔（4）位于第二级径向旋流器的旋流叶片（22）形成的圈内。

6.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧器双级径向旋流器，其特征在于：第一级径向旋流器的预混腔（4）为圆柱体或预混腔的进气口直径大于出气口直径的锥形结构。

7.如权利要求6所述的燃气轮机燃烧器双级径向旋流器，其特征在于：所述锥形结构预混腔的母线与轴线的夹角为0-25°。

8.如权利要求1所述的燃气轮机燃烧器双级径向旋流器，其特征在于：第二级径向旋流器的预混腔（6）为圆柱体结构。

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