CN110056906B - 用于气态燃料燃烧室的同轴分级旋流和掺混一体化头部 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种用于气态燃料燃烧室的同轴分级旋流和掺混一体化头部。包含三级掺混/旋流一体化旋流器、燃料导管、燃料腔和燃料支板，三级掺混/旋流一体化旋流器呈宝塔状排列，气体燃料由燃料导管进入燃料腔，并通过在圆周上对称分布的燃料支板和第一级掺混/旋流一体化旋流器内部通道按工况自动分配给各级掺混/旋流一体化旋流器和值班级，通往各个工作部件的燃料通道由燃料分配器控制，在头部出口处安装有一扩张型锥体稳焰罩。本发明具有结构紧凑、工况过度平稳、出口温度场均匀性好、工作范围宽、燃烧稳定性好、排放低、负荷适应性强、可在轻型燃机和重型燃机上通用等优点。

Description

用于气态燃料燃烧室的同轴分级旋流和掺混一体化头部

技术领域

本发明涉及的是一种燃气轮机分级低污染燃烧室，具体地说是一种应用于燃用气态燃料的贫燃预混燃烧室之上的头部。

背景技术

天然气是燃气轮机工业应用的主要燃料，低排放燃烧是其核心技术。然而，这一关键技术我国尚未掌握——国产机组的燃烧室尺寸较大，预混段长，难以满足轻型燃机的结构限制，且无法达到排放标准，国内市场几乎被国外燃机厂商垄断。目前，我国迫切需要一种能够满足需要的小尺寸天然气燃机燃烧室的低排放预混燃烧技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑、燃烧稳定性好、排放低、负荷适应性强的用于气态燃料燃烧室的同轴分级旋流和掺混一体化头部。

本发明的目的是这样实现的：

包含三级掺混/旋流一体化旋流器、燃料导管、燃料腔和燃料支板，所述的三级掺混/旋流一体化旋流器呈宝塔状排列，塔尖为第一级掺混/旋流一体化旋流器，塔底为第三级掺混/旋流一体化旋流器，气体燃料由燃料导管进入燃料腔，并通过在圆周上对称分布的燃料支板和第一级掺混/旋流一体化旋流器燃料流路按工况自动分配给各级掺混/旋流一体化旋流器和值班级，通往各个工作部件的燃料流路由燃料分配器控制，当低工况时，只有第一级掺混/旋流一体化旋流器燃料流路的开关打开；当工况逐渐升高，第二级、第三级掺混/旋流一体化旋流器燃料流路的开关也将依次开启，在头部出口处安装有一扩张型锥体稳焰罩。

本发明还可以包括：

1.第一级掺混/旋流一体化旋流器内有吹扫通道，吹扫通道的空气由贯穿燃料通道侧面的两条相互垂直的孔路引入，该孔路不与燃料通道相交。

2.吹扫通道沿主流方向是渐扩的。

3.三级掺混/旋流一体化旋流器的轮毂中空作为燃料通道，掺混孔开于轮毂之上，沿周向均匀分布，气体燃料通过轮毂再由掺混孔喷出，燃料喷出孔洞后在叶间流道内与来流空气发生混合。

4.三级掺混/旋流一体化旋流器的中心轴线重合，下一级的叶片和上一级的轮毂内环完全相接。

5.所述的稳焰罩由一直筒段和一扩张段组成。

6.燃料支板呈三角形，与燃料腔和三级掺混/旋流一体化旋流器紧密连接，值班级燃料经由第一级掺混/旋流一体化旋流器燃料流路进入值班级。

本发明设计了一种气态燃料低污染燃烧室的同轴分级旋流/掺混一体化头部，同轴分级低污染燃烧组织方法属于DLN技术范畴。这种方案具有结构紧凑、工况过度平稳、出口温度场均匀性好、工作范围宽、燃烧稳定性好、排放低、负荷适应性强、可在轻型燃机和重型燃机上通用等优点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.该方案用于轻型燃机燃烧室时，不需改动燃机轴系长度和机匣的径向尺寸，燃烧室周向的头部数量可以保持不变。

2.其工况过渡由燃料分配器自动控制，燃烧室工况变化可以通过每个头部单元的燃料逐级自动分配实现平稳过渡。

3.该方案用于重型燃机燃烧室时，重型燃机本体不需进行任何改动，可根据燃烧室的径向尺寸进行多个头部单元阵列或缩放，以满足重型燃机燃烧室的负荷需求，工况变化时同样可通过每个头部单元的燃料逐级自动分配实现平稳过渡。

4.能够降低了分层火焰间的耦合作用，加上稳焰罩，提升了燃烧稳定性。

5.使用掺混/旋流一体化结构，显著缩小了传统贫燃预混燃烧室所占空间。且因为没有预混腔的存在，避免了回火、自燃的危险；

6.由于喷嘴工作状态的贫预混状态，火焰温度位于污染物大量生成的温度区间之外，显著降低了排放量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的横剖示意图；

图3为图1的纵剖示意图；

图4为第一级掺混/旋流一体化旋流器结构示意图；

图5为第二级掺混/旋流一体化旋流器结构示意图；

图6为第三级掺混/旋流一体化旋流器结构示意图；

图7a-图7b为本发明的头部与燃烧室装配示意图；

图7c是图7a的A部放大图；

图7d是图7b的B部放大图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合图1-图6，本发明的用于气态燃料低污染燃烧室的同轴分级旋流/掺混一体化头部包括：1-1.燃料导管，1-2.燃料腔，1-3.燃料支板，1-4.第一级掺混/旋流一体化旋流器，1-5.第二级掺混/旋流一体化旋流器，1-6.第三级掺混/旋流一体化旋流器，1-7.吹扫空气入口，1-8.第一级掺混/旋流一体化旋流器燃料入口燃料分配器，1-9.第二级掺混/旋流一体化旋流器燃料入口燃料分配器，1-10.第三级掺混/旋流一体化旋流器燃料入口燃料分配器，1-11，稳焰罩，2-1.值班级燃料通道，2-2.值班级燃料喷口，2-3.第一级掺混/旋流一体化旋流器燃料通道，2-4.第一级掺混/旋流一体化旋流器掺混孔，2-5.第一级掺混/旋流一体化旋流器叶片，2-6.第一级掺混/旋流一体化旋流器轮毂内环，2-7.吹扫通道，3-1.第二级掺混/旋流一体化旋流器燃料通道，3-2.第二级掺混/旋流一体化旋流器掺混孔，3-3.第二级掺混/旋流一体化旋流器叶片，3-4.第二级掺混/旋流一体化旋流器轮毂内环，4-1.第三级掺混/旋流一体化旋流器燃料通道，4-2.第三级掺混/旋流一体化旋流器掺混孔，4-3.第三级掺混/旋流一体化旋流器叶片，4-4.第三级掺混/旋流一体化旋流器轮毂内环，4-5.第三级掺混/旋流一体化旋流器轮毂外环，5.燃烧室机匣，5-1.来流空气入口，5-2.已燃混气出口。

三级掺混/旋流一体化旋流器呈宝塔状排列，塔尖为第一级掺混/旋流一体化旋流器1-4，塔底为第三级掺混/旋流一体化旋流器1-6。在实际应用中，吹扫通道2-7和三级掺混/旋流一体化旋流器1-4、1-5、1-6所进空气量从大到小依次为：第三级1-6、第二级1-5、第一级1-4、吹扫通道2-7。值班级2-2因为是扩散火焰所以不考虑当量比，吹扫通道2-7所进的空气是为了吹扫壁面且产生推举火焰，降低第一级旋流器壁面温度，并不与值班燃料发生剧烈的横向射流掺混。

气体燃料由燃料导管1-1进入燃料腔1-2，并通过在圆周上对称分布的燃料支板1-3和第一级掺混/旋流一体化旋流器1-4燃料通道2-3按工况自动分配给各级掺混/旋流一体化旋流器和值班级。这是因为，不同工况下的燃烧室操作压力不同，通往各个工作部件的燃料通道由燃料分配器控制。当低工况时，压力不够高，只有第一级掺混/旋流一体化旋流器燃料通道的开关2-3打开，这时第二级燃料通道3-1、第三级燃料通道4-1关闭，燃料只能从第一级的掺混孔2-4喷出和流经第一级掺混/旋流一体化旋流器1-4的空气混合；当工况逐渐升高，压力逐渐升高，第二级1-5、第三级1-6的开关也将依次开启，这样就达到了依工况自动分配燃料的目的。在头部出口处安装有一扩张型锥体稳焰罩1-11，用以提高火焰稳定性和控制旋转流动的扩张程度。

三级掺混/旋流一体化旋流器都基于塔式旋流器改造而成，其轮毂2-6、3-4、4-4中空，是燃料流通的区域，掺混孔开于轮毂之上，沿周向均匀分布。气体燃料通过轮毂再由掺混孔喷出。燃料喷出孔洞后，在叶间流道内与来流空气发生混合，至出口时混合均匀。

当从上俯视时，掺混孔2-4、3-2、4-2应全部被旋流器壁面遮盖，防止燃料分散至机匣空间内而无法沿既定路径进入火焰筒。

三级掺混/旋流一体化旋流器的中心轴线重合，下一级的叶片和上一级的轮毂内环完全相接，叶片旋向可随意组合。

吹扫通道2-7的空气由贯穿燃料通道侧面的两条相互垂直的孔路1-7引入，该孔路1-7不与燃料通道相交。吹扫通道2-7沿主流方向是渐扩的，使出口速度既不太大以免吹散值班级火焰，又具有一定的正向速度来形成脱体火焰。

稳焰罩1-11由一直筒段和一扩张段组成，提供更大的混合空间以利于均匀混合和稳定燃烧。

燃料通过燃料分配器1-8、1-9、1-10，经由燃料支板1-3内的独立通道分配给三级掺混/旋流一体化旋流器1-4、1-5、1-6。燃料支板1-3近似于三角形，与燃料腔1-2和三级掺混/旋流一体化旋流器1-4、1-5、1-6紧密连接。值班级燃料经由第一级掺混/旋流一体化旋流器通道——值班级燃料通道2-1进入值班级喷口2-2，不与主流空气和吹扫空气发生剧烈的横向射流掺混。

如图1,6所示，本发明给出了一种用于气态燃料低污染燃烧室的同轴分级旋流/掺混一体化头部1。该结构包含由三级掺混/旋流一体化旋流器1-4、1-5、1-6、燃料导管1-1、燃料腔1-2、燃料支板1-3。所述的三级掺混/旋流一体化旋流器呈宝塔状排列，塔尖为第一级掺混/旋流一体化旋流器1-4，塔底为第三级掺混/旋流一体化旋流器1-6。在实际应用中，吹扫通道和三级掺混/旋流一体化旋流器所进空气量从大到小依次为：第三级1-6、第二级1-5、第一级1-4、吹扫通道2-7所进的空气是为了吹扫壁面且产生推举火焰，并不与值班燃料发生剧烈的横向射流掺混。气体燃料由燃料导管1-1进入燃料腔1-2，并通过在圆周上对称分布的燃料支板1-3和第一级掺混/旋流一体化旋流器1-4燃料通道2-3按工况自动分配。这是因为，不同工况下的燃烧室操作压力不同，通往各个工作部件的燃料通道由燃料分配器1-8、1-9、1-10控制。当低工况时，压力不够高，只有第一级掺混/旋流一体化旋流器燃料通道2-3的开关打开，这时第二级通道3-1、第三级通道4-1关闭，燃料只能从第一级的掺混孔2-4喷出和流经第一级掺混/旋流一体化旋流器1-4的空气混合；当工况逐渐升高，压力逐渐升高，第二级1-5、第三级1-6的开关也将依次开启，这样就达到了依工况自动分配燃料的目的。在头部出口处安装有一扩张型锥体稳焰罩1-11，用以提高火焰稳定性和控制旋转流动的扩张程度；三级旋流器都基于塔式旋流器改造而成，其轮毂2-6、3-4、4-4中空，是燃料流通的区域，掺混孔开于轮毂之上，沿周向均匀分布。气体燃料通过轮毂再由掺混孔喷出。如果以空气主流方向为Z轴正方向建立圆柱坐标系，其出射方向垂直于轴线向外。燃料喷出孔洞后，在叶间流道内与来流空气发生混合，至出口时混合均匀；值班级燃料通过在第一级掺混/旋流一体化旋流器轮毂内环2-6中的通道2-1上均匀分布的燃料孔2-2直接喷射而出，不与主流空气和吹扫空气发生剧烈的横向射流掺混。图7a-图7d体现的是燃烧器实际布置，在具体布置中，可以根据具体燃气轮机的结构将该头部布置在环形、环管、重型燃烧室上。

以上对本发明实施例进行了描述，需要理解的是，本发明不局限于上述特定实施方式和参数，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种用于气态燃料燃烧室的同轴分级旋流和掺混一体化头部，包含三级掺混/旋流一体化旋流器、燃料导管、燃料腔和燃料支板，其特征是：所述的三级掺混/旋流一体化旋流器呈宝塔状排列，塔尖为第一级掺混/旋流一体化旋流器，塔底为第三级掺混/旋流一体化旋流器，气体燃料由燃料导管进入燃料腔，并通过在圆周上对称分布的燃料支板和第一级掺混/旋流一体化旋流器燃料流路按工况自动分配给各级掺混/旋流一体化旋流器和值班级，通往各个工作部件的燃料流路由燃料分配器控制，当低工况时，只有第一级掺混/旋流一体化旋流器燃料流路的开关打开；当工况逐渐升高，第二级、第三级掺混/旋流一体化旋流器燃料流路的开关也将依次开启，在头部出口处安装有一扩张型锥体稳焰罩。

2.根据权利要求1所述的用于气态燃料燃烧室的同轴分级旋流和掺混一体化头部，其特征是：吹扫通道沿主流方向是渐扩的。

3.根据权利要求1所述的用于气态燃料燃烧室的同轴分级旋流和掺混一体化头部，其特征是：三级掺混/旋流一体化旋流器的轮毂中空作为燃料流路，掺混孔开于轮毂之上，沿周向均匀分布，气体燃料通过轮毂再由掺混孔喷出，燃料喷出孔洞后在叶间流道内与来流空气发生混合。

4.根据权利要求1所述的用于气态燃料燃烧室的同轴分级旋流和掺混一体化头部，其特征是：三级掺混/旋流一体化旋流器的中心轴线重合，下一级的叶片和上一级的轮毂内环完全相接。

5.根据权利要求1所述的用于气态燃料燃烧室的同轴分级旋流和掺混一体化头部，其特征是：所述的稳焰罩由一直筒段和一扩张段组成。

6.根据权利要求1所述的用于气态燃料燃烧室的同轴分级旋流和掺混一体化头部，其特征是：燃料支板呈三角形，与燃料腔和三级掺混/旋流一体化旋流器紧密连接，值班级燃料经由第一级掺混/旋流一体化旋流器燃料流路进入值班级。

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