CN109945234A - 一种单筒燃烧室及燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气轮机技术领域，公开了一种单筒燃烧室及燃气轮机，单筒燃烧室包括火焰筒和机匣，其中：火焰筒的头部设有用于空气和燃气预混合的预混器，且火焰筒的尾部开口；机匣套设于火焰筒外侧，且机匣内部形成容置空间；机匣的侧壁设有总空气入口和燃气通道；机匣侧壁与火焰筒之间设有隔板以将机匣内部容置空间分隔成第一腔室和第二腔室；总空气入口与其中一个腔室连通，且第一腔室和第二腔室之间设有进气旁通管路，进气旁通管路中设有进气量控制组件。本发明提供的单筒燃烧室，通过利用进气量控制组件来调节第一腔室内的空气量，使得燃气轮机在部分负荷运转时仍能维持较低的一氧化碳CO和未燃尽燃氢化合物UHC污染物排放。

Description

一种单筒燃烧室及燃气轮机

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，特别涉及一种单筒燃烧室及燃气轮机。

背景技术

燃气轮机具有结构紧凑、重量轻，维护费用低等特点可以广泛用于分布式发电领域，然而，燃烧污染排放对人类的健康和环境而造成越来越严重的危害也不断被关注。

燃气轮机燃烧产物中含有氮氧化物NOx，一氧化碳CO和未燃尽燃氢化合物UHC，其中，尤其是排放物氮氧化物NOx，氮氧化物NOx主要包含一氧化氮NO和二氧化氮NO₂，不仅会对人体健康带来威胁，也会污染大气环境。

在燃气轮机的燃烧过程中，燃烧室内燃气燃烧时的温度对氮氧化物NOx的影响非常大，氮氧化物NOx的产量和生成速度随着燃烧温度的升高呈指数增长。因此，针对氮氧化物NOx的排放设计了低氮氧化物NOx排放燃气轮机燃烧室。然而，在非设计点或者非满载工况运行时，需要减少燃料流量，而如果没有采用可变几何的情况下，空气流量分配是不会变化的，这样就直接导致主燃区燃烧温度下降，进而导致一氧化碳CO和未燃尽燃氢化合物UHC呈指数上升。

发明内容

本发明提供了一种单筒燃烧室及燃气轮机，使得燃气轮机在部分负荷运转时仍能维持较低的一氧化碳CO和未燃尽燃氢化合物UHC污染物排放，同时氮氧化物NO_x排放不会剧烈增加。

为了达到上述目的，本发明提供了一种单筒燃烧室，包括火焰筒和机匣，其中：

所述火焰筒的头部设有用于空气和燃气预混合的预混器，所述预混器具有燃气入口和空气入口，且所述火焰筒的尾部开口；

机匣，所述机匣套设于所述火焰筒外侧，且所述机匣内部形成容置空间，所述火焰筒的头部位于所述容置空间内；所述机匣的侧壁设有总空气入口和燃气通道；

所述机匣侧壁与所述火焰筒之间设有隔板以将所述机匣内部所述容置空间分隔成沿所述火焰筒的头部指向尾部方向排列的第一腔室和第二腔室，所述火焰筒的头部位于第一腔室中，所述火焰筒位于所述第二腔室中的部分表面设有混掺孔；

所述总空气入口与所述第一腔室和第二腔室中的一个连通，且所述第一腔室和所述第二腔室之间设有进气旁通管路，所述进气旁通管路中设有进气量控制组件。

上述单筒燃烧室，通过在机匣侧壁和火焰筒之间设置隔板将机匣内部容置空间分隔成第一腔室和第二腔室，利用进气旁通管路连通第一腔室和第二腔室，将总空气入口和其中任意一个腔室连通，使得从总空气入口进入的空气能够在第一腔室和第二腔室内流动。当该单筒燃烧室从满负荷工况变成部分负荷工况时，由于燃气量的减少，通过设置进气量控制组件来减少进入第一腔室内的空气，从而使得燃烧区的当量比近似不变，即保持燃烧温度近似不变。此外，火焰筒上设置混掺孔，使得第二腔室内的部分空气进入火焰筒，可以调节燃烧室出口的温度，即有利于保持燃烧温度近似不变。

因此，本发明提供的单筒燃烧室，通过设置隔板将机匣内部容置空间分隔成第一腔室和第二腔室，并利用进气旁通管路和进气量控制组件来调节燃烧区的空气，使得燃气轮机部分负荷时的一氧化碳CO和未燃尽燃氢化合物UHC污染物排放在较低水平。

优选地，所述进气量控制组件为旁通阀门。

优选地，所述预混器包括主燃旋流器和主燃级燃气通道，所述主燃旋流器具有空气入口、用于与主燃级燃气通道内端连通的主燃级燃气入口、以及与火焰筒的主燃区连通的预混气出口，所述主燃级燃气通道贯穿所述机匣中第一腔室的侧壁以使所述主燃级燃气通道的外端位于所述机匣外侧。

优选地，所述火焰筒的头部还设有预燃旋流器以及预燃级燃气通道，所述预燃级旋流器具有预燃烧腔，所述预燃旋流器具有空气入口，所述预燃级燃气通道贯穿所述机匣中第一腔室的侧壁，且所述预燃级燃气通道的内端与所述预燃烧腔连通、且所述预燃级燃气通道的外端位于所述机匣外侧。

优选地，所述主燃旋流器具有的空气入口的横截面和所述预燃旋流器具有的空气入口的横截面的面积比例为10:1-4:1。

优选地，所述主燃旋流器环绕所述预燃级燃气进气管道设置。

优选地，所述总空气入口与所述第一腔室连通、且所述总空气入口与所述火焰筒的主燃区相对。

优选地，所述总空气入口与所述第二腔室连通。

优选地，所述混掺孔沿所述火焰筒壁圆周均匀分布。

一种燃气轮机，包括上述任一项的单筒燃烧室。

附图说明

图1为本发明提供的单筒燃烧室的进气示意图；

图2为本发明提供的单筒燃烧室的头部空气流量调节示意图(图1的侧视图)；

图3为本发明提供的单筒燃烧室的旁通阀门的开度规律示意图；

图4为本发明提供的单筒燃烧室的调节前后污染物排放数值模拟结果示意图。

图中：

1-机匣；2-火焰筒；21-火焰筒的头部；211-预燃旋流器；22-混掺孔；

3-预混器；31-主燃旋流器；32-主燃级燃气通道；33-预混气出口；

4-总空气入口；5-预燃级燃气通道；6-隔板；7-第一腔室；

8-第二腔室；9-进气旁通管路；91-旁通阀门。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。

请参考图1及图2，本发明提供了一种单筒燃烧室，包括火焰筒2和机匣1，其中：

火焰筒的头部21设有用于空气和燃气预混合的预混器3，该预混器3具有燃气入口和空气入口，且火焰筒2的尾部开口；

机匣1套设于火焰筒2外侧，且机匣1内部形成容置空间，火焰筒的头部21位于容置空间内，火焰筒2的尾端位于容置空间外；机匣1的侧壁设有总空气入口4和燃气通道；

机匣1侧壁与火焰筒2之间设有隔板6以将机匣1内部容置空间分隔成沿火焰筒的头部21指向尾部方向排列的第一腔室7和第二腔室8，火焰筒的头部21位于第一腔室7中，火焰筒2位于第二腔室8中的部分表面设有混掺孔22；

总空气入口4与第一腔室7和第二腔室8中的一个连通，且第一腔室7和第二腔室8之间设有进气旁通管路9，该进气旁通管路9中设有进气量控制组件。

上述单筒燃烧室，通过在机匣1侧壁和火焰筒2之间设置隔板6将机匣1内部容置空间分隔成第一腔室7和第二腔室8，利用进气旁通管路9连通第一腔室7和第二腔室8，将总空气入口4和其中任意一个腔室连通，使得从总空气入口4进入的空气能够在进气旁通管路9内流动。当该单筒燃烧室从满负荷工况变成部分负荷工况时，由于燃气量的减少，通过设置进气量控制组件来减少进入第一腔室7内的空气，从而使得燃烧区的当量比近似不变，即保持燃烧温度近似不变。此外，火焰筒2上设置混掺孔22，使得第二腔室8内的部分空气进入火焰筒2，可以调节燃烧室出口的温度，即有利于保持燃烧温度近似不变。

因此，本发明提供的单筒燃烧室，通过设置隔板6将机匣1内部容置空间分隔成第一腔室7和第二腔室8，并利用进气旁通管路9和进气量控制组件来调节燃烧区的空气，使得燃气轮机部分负荷时的一氧化碳CO和未燃尽燃氢化合物UHC污染物排放在较低水平。

具体地，进气量控制组件可以为旁通阀门91，通过设置阀门不仅可以通过调节旁通阀门91的开度以调节进入第一腔室的空气量，进而保持燃烧区的温度，而且可以根据燃气的实际量实现无级调节进入燃烧区的空气量。

具体地，预混器3包括主燃旋流器31和主燃级燃气通道32，主燃旋流器31具有空气入口、用于与主燃级燃气通道32内端连通的主燃级燃气入口、以及与火焰筒的主燃区连通的预混气出口33，主燃级燃气通道32贯穿机匣1中第一腔室7的侧壁以使主燃级燃气通道32的外端位于所述机匣外侧，并通过螺栓安装在机匣1上。设置主燃旋流器31和主燃级燃气通道32能够使得进入机匣1内的空气和燃气在进入火焰筒2内前充分混合，再通过预混气出口33喷入火焰筒2的主燃区，达到低排放的目的。

进一步地，火焰筒的头部21还设有预燃旋流器211以及预燃级燃气通道5，预燃级旋流器211具有预燃烧腔，预燃旋流器211具有空气入口，预燃级燃气通道5贯穿机匣1中第一腔室7的侧壁，且预燃级燃气通道5的内端与预燃烧腔连通、且预燃级燃气通道5的外端位于机匣1外侧，并通过螺栓安装在机匣1上。预燃级燃气通过预燃级燃气通道5进入预燃烧腔，并与通过预燃旋流器211进入预燃烧腔内的空气燃烧，直到燃气轮机达到指定工况时，再开始主燃级的燃烧。由于预燃的过程能够使得燃气轮机的燃烧更加的稳定，进而达到低排放的目的。

其中，主燃旋流器31具有的空气入口的横截面和预燃旋流器211具有的空气入口的横截面的面积比例为10:1-4:1，通过设置主燃旋流器31和预燃旋流器211的空气入口截面积，可以控制燃气轮机主燃级和预燃级的空气量在设计范围内，从而使得燃气轮机的燃烧更加稳定，达到低排放的目的。

具体地，主燃旋流器31环绕预燃级燃气进气管道5设置，环形结构能够使主燃级燃气和空气充分混合，再将预混后的气体通过预混气出口33喷入火焰筒2内燃烧。

其中一种可实施方案是，总空气入口4与第一腔室7连通，且总空气入口4与火焰筒2的主燃区相对，设置总空气入口4与火焰筒2的主燃区相对可以使得空气在进入机匣1后直接冲击火焰筒2的主燃区的筒壁，从而起到冷却的效果；调节旁通阀门91的可实施方案请参照图3，其中，X为负荷，Y为阀门开度，当燃气轮机满负荷运行时，旁通阀门91的开度为全开；当燃气轮机的负荷在100％～25％之间逐渐变小时，旁通阀门91的开度从100％逐渐减小至50％，且阀门开度Y与负荷X在负荷在100％～25％之间的变化是线性的；当负荷在25％～0之间时，旁通阀门91的开度维持在50％。调节旁通阀门91的开度即调节进入第一腔室7的空气量，旁通阀门91的开度减小时，进入第一腔室7的空气量也随之减小，因此可以保证燃烧区的当量比与满负荷工况时近似不变，从而达到低排放的目的。

当然，上述方案只是本发明的一种实施方案，在实际应用中，总空气入口4也可以与第二腔室8连通，此时的旁通阀门5初始的开度小于100％，当燃气轮机的负荷逐渐减小时，逐渐增大旁通阀门91的开度，即增加了进入第二腔室8的空气量，进而保持燃烧区的当量比，达到低排放的目的。

请参照图4，其中，M为主燃级燃气量Nm³/h，N为CO/UHC/NO_x排放量ppm，1为未调节旁通阀门91时一氧化碳CO的排放量，1’为调节旁通阀门91时一氧化碳CO的排放量，2为未调节旁通阀门91时未燃尽燃氢化合物UHC的排放量，2’为调节旁通阀门91时未燃尽燃氢化合物UHC的排放量，3为未调节旁通阀门91时氮氧化物NO_x的排放量，3’为调节旁通阀门91时氮氧化物NO_x的排放量，4为总压损失。

由图4可以看出，当主燃级燃气量逐渐减少时，调节旁通阀门91比未调节时的一氧化碳CO排放量有明显减少，未燃尽燃氢化合物UHC的排放在负荷30％之前也有明显减少，之后趋于一致，氮氧化物NO_x的排放量基本维持一致，除此之外，总压损失也减少了。

因此，通过设置第一腔室7和第二腔室8以及旁通阀门91，当燃气轮机处于部分工况时，可以有效地降低一氧化碳CO和未燃尽燃氢化合物UHC污染物排放，也保证氮氧化物NO_x排放不会剧烈增加，同时，燃气轮机的效率也得到了提高。

进一步地，混掺孔22沿火焰筒2壁圆周均匀分布，通过均匀排布混掺孔22，能够使得进入第二腔室8内的一部分空气更好地进入火焰筒2内部，从而可以调节燃烧室出口温度分布。

此外，本发明还提供了一种燃气轮机，包括上述的单筒燃烧室，该燃气轮机通过调节燃烧区的当量比，使得燃气轮机在部分负荷运转时仍能维持较低的一氧化碳CO和未燃尽燃氢化合物UHC污染物排放，同时氮氧化物NO_x排放不会剧烈增加。

以上所述，以上实施例仅用以对本申请的技术方案进行了详细介绍，但以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明实施例的方法，不应理解为对本发明实施例的限制。本技术领域的技术人员可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单筒燃烧室，其特征在于，包括火焰筒和机匣，其中：

所述火焰筒的头部设有用于空气和燃气预混合的预混器，所述预混器具有燃气入口和空气入口，且所述火焰筒的尾部开口；

机匣，所述机匣套设于所述火焰筒外侧，且所述机匣内部形成容置空间，所述火焰筒的头部位于所述容置空间内；所述机匣的侧壁设有总空气入口和燃气通道；

所述机匣侧壁与所述火焰筒之间设有隔板以将所述机匣内部所述容置空间分隔成沿所述火焰筒的头部指向尾部方向排列的第一腔室和第二腔室，所述火焰筒的头部位于第一腔室中，所述火焰筒位于所述第二腔室中的部分表面设有混掺孔；

所述总空气入口与所述第一腔室和第二腔室中的一个连通，且所述第一腔室和所述第二腔室之间设有进气旁通管路，所述进气旁通管路中设有进气量控制组件。

2.根据权利要求1所述的单筒燃烧室，其特征在于，所述进气量控制组件为旁通阀门。

3.根据权利要求1所述的单筒燃烧室，其特征在于，所述预混器包括主燃旋流器和主燃级燃气通道，所述主燃旋流器具有空气入口、用于与主燃级燃气通道内端连通的主燃级燃气入口、以及与火焰筒的主燃区连通的预混气出口，所述主燃级燃气通道贯穿所述机匣中第一腔室的侧壁以使所述主燃级燃气通道的外端位于所述机匣外侧。

4.根据权利要求3所述的单筒燃烧室，其特征在于，所述火焰筒的头部还设有预燃旋流器以及预燃级燃气通道，所述预燃级旋流器具有预燃烧腔，所述预燃旋流器具有空气入口，所述预燃级燃气通道贯穿所述机匣中第一腔室的侧壁，且所述预燃级燃气通道的内端与所述预燃烧腔连通、且所述预燃级燃气通道的外端位于所述机匣外侧。

5.根据权利要求4所述的单筒燃烧室，其特征在于，所述主燃旋流器具有的空气入口的横截面和所述预燃旋流器具有的空气入口的横截面的面积比例为10:1-4:1。

6.根据权利要求4所述的单筒燃烧室，其特征在于，所述主燃旋流器环绕所述预燃级燃气管道设置。

7.根据权利要求1所述的单筒燃烧室，其特征在于，所述总空气入口与所述第一腔室连通。

8.根据权利要求1所述的单筒燃烧室，其特征在于，所述总空气入口与所述第二腔室连通。

9.根据权利要求1所述的单筒燃烧室，其特征在于，所述混掺孔沿所述火焰筒壁圆周均匀分布。

10.一种燃气轮机，其特征在于，包括权利要求1-9任一项的单筒燃烧室。