CN110594786B - 一种混合分级超低排放燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种混合分级超低排放燃烧器，它涉及一种燃烧器，本发明为解决燃气轮机低工况下燃烧稳定性差和高工况下热力型NOx排放高的问题，它包括点火器、机匣前法兰、第一燃料腔壳体、四个燃料气接头和第二燃料腔壳体，点火器安装在机匣前法兰左侧的中部，四个燃料气接头沿周向均布安装在机匣前法兰上，且四个燃料气接头位于点火器的外侧，第一燃料腔壳体与机匣前法兰连接，本发明还包括第一级子燃烧器、第二级子燃烧器和第三级子燃烧器，所述第一级子燃烧器、第二燃料腔壳体、第二级子燃烧器和第三级子燃烧器由左至右依次连接，且所述第一级子燃烧器与第一燃料腔壳体连接。本发明在低工况下燃烧稳定性好，高工况下可实现超低排放，具有大规模推广应用价值。

Description

一种混合分级超低排放燃烧器

技术领域

本发明涉及一种燃烧器，具体涉及一种混合分级超低排放燃烧器，本发明属于燃气轮机技术领域。

背景技术

燃气轮机作为一种体积小、功率大、启动速度快的先进动力装置，广泛应用于电力、石油化工、冶金、航空航天、船舶等领域。燃气轮机技术自上个世纪三十年代被首次提出，至今经历了八十余年的发展，在功率、效率、可靠性等方面都有了显著提升。近年来，随着环境污染的加剧，各国政府开始制定越来越严格的污染物排放标准，这对燃气轮机技术提出了新的挑战。工业燃气轮机的主要污染物包括氮氧化物、一氧化碳。为降低热力型NOx的生成，一般采用贫预混燃烧技术，降低燃烧区温度。当燃气轮机处于高工况时，燃烧室总体过量空气系数不高，尚可维持火焰稳定；当燃气轮机处于低工况时，燃烧室的总体过量空气系数可达到非常高的水平，远远超出了天然气的可燃极限。采用混合分级、分区燃烧组织技术的燃烧器可以兼顾燃气轮机低工况下的燃烧稳定性和高工况下的低排放特性，此项研究具有重要的应用价值。

发明内容

本发明为解决燃气轮机低工况下燃烧稳定性差和高工况下热力型NOx排放高的问题，进而提出一种混合分级超低排放燃烧器。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

本发明包括点火器、机匣前法兰、第一燃料腔壳体、四个燃料气接头和第二燃料腔壳体，点火器安装在机匣前法兰左侧的中部，四个燃料气接头沿周向均布安装在机匣前法兰上，且四个燃料气接头位于点火器的外侧，第一燃料腔壳体与机匣前法兰连接，所述一种混合分级超低排放燃烧器还包括第一级子燃烧器、第二级子燃烧器和第三级子燃烧器，所述第一级子燃烧器、第二燃料腔壳体、第二级子燃烧器和第三级子燃烧器由左至右依次连接，且所述第一级子燃烧器与第一燃料腔壳体连接。

本发明的有益效果是：

1、本发明结合了轴向分级(通过第一，二，三级相对位置关系体现，在轴向上从左至右依次排布)、径向分级(通过第一级和第二级相对位置关系体现，因为位置上，第二级在第一级外圈)和周向分级(通过第二级子燃烧器的周向布置体现)，实现了分级分区燃烧组织方式，兼顾了低工况下燃烧稳定性和高工况下超低排放特性；

2、第一级、第二级、第三级子燃烧器均采用预混燃烧，可降低燃烧区温度，降低NOx生成；

3、第二级旋流器出口衬套采用旋转气膜冷结构设计，可保护衬套及下游V型钝体不受高温烧蚀，减小燃烧振荡风险；

4、第三级旋流器内轮毂为V型钝体结构，可在下游形成回流区，提高火焰稳定性；

5、本发明的燃烧器结构紧凑，低工况下燃烧稳定性好，高工况下可实现超低排放，具有大规模推广应用价值。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明结构的左视图；

图3是本发明结构的A-A剖视图；

图4是本发明结构的B-B剖视图；

图5是本发明结构的C-C剖视图。

图中，1-点火器、2-机匣前法兰、3-第一燃料腔壳体、3-1-一路燃料环腔、3-2-二路燃料环腔、3-3-三路燃料环腔、3-4-四路燃料环腔；4-燃料气接头、4-1-A路燃料气接头、4-2-B路燃料气接头、4-3-C路燃料气接头和4-4-D路燃料气接头；5-第二燃料腔壳体、5-1-B路燃料环腔、5-2-C路燃料环腔、5-3-D路燃料环腔、5-4-燃料分配器、5-5-冷却气进气口；6-第一径向旋流器、6-1-第一级旋流器叶片、6-1-1-第一燃料喷射孔6-1-2-第一燃料孔道、6-1-3-第二燃料孔道、6-1-4-第三燃料孔道、6-1-5-第四燃料孔道、6-1-6-第一流道、7-第二径向旋流器、7-1-第二旋流器叶片、7-2-旋流器燃料环腔、7-3-第二级旋流器稳定杯、7-1-1-第二燃料喷射孔、7-1-2-第二燃料孔道、7-1-3第二流道、7-4-分配隔板、8-整流罩、9-第三级预混室、9-1-第三级空气进气孔10-第三级级轴流式旋流器、11-V型钝体稳定器、12-末端结构、13-第二级出口衬套、14-旋转气膜冷却结构、15-发散冷却孔。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式包括点火器1、机匣前法兰2、第一燃料腔壳体3、四个燃料气接头4和第二燃料腔壳体5，点火器1安装在机匣前法兰2左侧的中部，四个燃料气接头4沿周向均布安装在机匣前法兰2上，且四个燃料气接头4位于点火器1的外侧，第一燃料腔壳体3与机匣前法兰2连接，所述一种混合分级超低排放燃烧器还包括第一级子燃烧器、第二级子燃烧器和第三级子燃烧器，所述第一级子燃烧器、第二燃料腔壳体5、第二级子燃烧器和第三级子燃烧器由左至右依次连接，且所述第一级子燃烧器与第一燃料腔壳体3连接。

第一燃料腔壳体3由外至内依次设有一路燃料环腔3-1、二路燃料环腔3-2、三路燃料环腔3-3和四路燃料环腔3-4；第二燃料壳体5由外至内依次设有B路燃料环腔5-1、C路燃料环腔5-2和D路燃料环腔5-3，B路燃料环腔5-1、C路燃料环腔5-2的后端设有燃料分配器5-4。

四个燃料气接头4分别为A路燃料气接头4-1、B路燃料气接头4-2、C路燃料气接头4-3和D路燃料气接头4-4，四路燃料分别供应轴向上的第一级子燃烧器、第二级子燃烧器和第三级子燃烧器。第一级旋流器中缩短了点火器探出的距离约70％，解决了点火器烧蚀问题。

具体实施方式二：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式所述第一级子燃烧器由一个第一径向旋流器6组成，第一径向旋流器6上设有多个第一级旋流器叶片6-1，多个所述第一级旋流器叶片6-1沿第一径向旋流器6的圆周方向均布设置。

其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式第一旋流器叶片6-1采用空腔设计，第一旋流器叶片6-1前缘处开有第一燃料喷射孔6-1-1，每个旋流器叶片6上均开有第一燃料叶片孔道6-1-2、第二燃料叶片孔道6-1-3、第三燃料叶片孔道6-1-4和第四燃料叶片孔道6-1-5，每相邻两个第一级旋流器叶片6-1之间设有第一流道6-1-6。

其它组成以连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述第二级子燃烧器包括多个第二径向旋流器7，多个所述第二径向旋流器7沿周向均布设置并安装在第二燃料腔壳体5上。

第二径向旋流器7的内部设有旋流器燃料环腔7-2和第二级旋流器稳定杯7-3。

其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图4说明本实施方式，本实施方式每个第二径向旋流器7上设有多个第二旋流器叶片7-1，多个所述第二旋流器叶片7-1沿第二径向旋流器7的圆周方向均布设置。

每个第二旋流器叶片7-1采用空腔设计，叶片前缘处开有第二燃料喷射孔7-1-1，每个第二旋流器叶片7-1上开有第二燃料孔道7-1-2，每相邻两个第二旋流器叶片7-1之间设有第二流道7-1-3。

其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图5说明本实施方式，本实施方式每相邻两个所述第二径向旋流器7之间设有燃料分配隔板7-4。

燃料分配隔板7-2共有八个，所述燃料分配隔板7-2的作用就是起到把天然气分成8份，每个小腔体内的天然气分别进入每个小旋流器。

其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述第三级子燃烧器包括整流罩8、第三级预混室9和第三级轴流式旋流器10，所述整流罩8的左端与第二燃料腔壳体5的右端连接，第三级预混室9和第三级轴流式旋流器10由左至右安装在整流罩8内，第三级预混室9内设有多个第三级空气进气孔9-1，所述整流罩8的内侧设有第二级出口衬套13，第二级出口衬套13的内壁设有旋转气膜冷却结构14。

其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述第三级轴流式旋流器10的内轮毂是一个V型钝体稳定器11。V型钝体24设计，可在下游形成回流区，保证第三级燃烧稳定性，第三级轴流式旋流器10的外轮毂末端结构12与下游火焰筒实现插接。

其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式每相邻两个所述第二径向旋流器7的出口位置与第二级出口衬套13的连接处开有若干个发散冷却孔15。如此设置，可防止角回流区产生局部高温，避免衬套结构烧蚀，提高使用寿命，降低发生热声振荡风险

其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。

具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述第二环腔壳体5的右端上表面设有冷却气进气口5-5，冷却气进气口5-5的下端与第三级燃料喷口16的上端连接，所述第三级燃料喷口16的下端与第二级出口衬套13的左端连接。

其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。

工作原理：

本发明燃烧器有四路流量可独立控制的燃料气接头，分别为A路燃料气接头4-1、B路燃料气接头4-2、C路燃料气接头4-3和D路燃料气接头4-4，分别供应轴向上的第一级子燃烧器、第二级子燃烧器、第三级子燃烧器，其中第二级子燃烧器包含若干个沿周向分布的第二径向旋流器7，被交叉分为两组，分别由B路燃料和C路燃料独立供应，两组燃烧器可独立工作；燃料气从头部的燃料气接头流入，分别流入第一燃料腔壳体3的四个四个环腔(即一路燃料环腔3-1、二路燃料环腔3-2、三路燃料环腔3-3和四路燃料环腔3-4)；

A路燃料流经旋流器第一燃料叶片孔道6-1-2，从燃料喷孔6-1-1喷出，与经叶片间流道6-1-6进入第一级旋流器6内的第一级空气均匀混合形成预混气，在第一级稳定杯6-2处形成稳定的回流区，保证第一级燃烧的稳定性；B路燃料和C路燃料穿过燃料叶片孔道6-1-3和6-1-4，分别进入下游B路燃料环腔5-1和C路燃料环腔5-2，通过孔板进入燃料分配器5-4，经旋流器燃料环腔7-2进入第二燃料孔道7-1-2，从第二燃料喷射孔7-1-1喷出，与经第二级旋流器叶片流道7-1-3的第二级空气均匀混合成预混气，在第二级旋流器稳定杯7-3处产生稳定的回流区，保证第二级燃烧的稳定性；第二级旋流器7采用无中心体设计，避免了中心体烧蚀问题；第二级相邻旋流器7出口与衬套13之间的角落开有若干发散冷却孔15，可防止角回流区产生局部高温，避免衬套结构烧蚀，提高使用寿命，降低发生热声振荡风险；第三级燃料喷口16可实现第三级燃料气和气膜冷却空气的交叉配气，结构紧凑，提高空间利用效率，减轻了结构重量；衬套13设有旋转气膜冷却结构14，气膜冷却空气从冷却气进气孔5-5进入旋转气膜冷却结构14，可在结构出口处形成一段距离的旋转气膜，将衬套13和V型钝体包覆起来，降低结构的工作温度，提高使用寿命；D路燃料气从环腔5-3，穿过第三级燃料喷口16，进入第三级预混室9，与经第三级空气进气孔9-1进入第三级预混室9的空气均匀混合成预混气；第三级旋流器10内轮毂采用V型钝体24设计，可在下游形成回流区，保证第三级燃烧稳定性；在实际使用过程中，可根据燃气轮机的整体负荷水平，将各级燃烧器分批投入工作，即保证了低工况下燃烧稳定性，又保证了高工况下低排放特性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，

依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种混合分级超低排放燃烧器，它包括点火器(1)、机匣前法兰(2)、第一燃料腔壳体(3)、四个燃料气接头(4)和第二燃料腔壳体(5)，点火器(1)安装在机匣前法兰(2)左侧的中部，四个燃料气接头(4)沿周向均布安装在机匣前法兰(2)上，且四个燃料气接头(4)位于点火器(1)的外侧，第一燃料腔壳体(3)与机匣前法兰(2)连接，其特征在于：所述一种混合分级超低排放燃烧器还包括第一级子燃烧器、第二级子燃烧器和第三级子燃烧器，所述第一级子燃烧器、第二燃料腔壳体(5)、第二级子燃烧器和第三级子燃烧器由左至右依次连接，且所述第一级子燃烧器与第一燃料腔壳体(3)连接；

所述第二级子燃烧器包括多个第二径向旋流器(7)，多个所述第二径向旋流器(7)沿周向均布设置并安装在第二燃料腔壳体(5)上；所述每个第二径向旋流器(7)上设有多个第二旋流器叶片(7-1)，多个所述第二旋流器叶片(7-1)沿第二径向旋流器(7)的圆周方向均布设置，每个第二旋流器叶片(7-1)前缘处开有第二燃料喷射孔(7-1-1)，每个第二旋流器叶片(7-1)上开有第二燃料孔道(7-1-2)，每相邻两个第二旋流器叶片(7-1)之间设有第二流道(7-1-3)；每相邻两个所述第二径向旋流器(7)之间设有燃料分配隔板(7-4)；

所述第三级子燃烧器包括整流罩(8)、第三级预混室(9)和第三级轴流式旋流器(10)，所述整流罩(8)的左端与第二燃料腔壳体(5)的右端连接，第三级预混室(9)和第三级轴流式旋流器(10)由左至右安装在整流罩(8)内，第三级预混室(9)内设有多个第三级空气进气孔(9-1)，所述整流罩(8)的内侧设有第二级出口衬套(13)，第二级出口衬套(13)的内壁设有旋转气膜冷却结构(14)。

2.根据权利要求1所述的一种混合分级超低排放燃烧器，其特征在于：所述第一级子燃烧器由一个第一径向旋流器(6)组成，第一径向旋流器(6)上设有多个第一旋流器叶片(6-1)，多个所述第一旋流器叶片(6-1)沿第一径向旋流器(6)的圆周方向均布设置。

3.根据权利要求2所述的一种混合分级超低排放燃烧器，其特征在于：所述第一旋流器叶片(6-1)前缘处开有第一燃料喷射孔(6-1-1)，每个第一旋流器叶片(6-1)上均开有第一燃料叶片孔道(6-1-2)、第二燃料叶片孔道(6-1-3)、第三燃料叶片孔道(6-1-4)和第四燃料叶片孔道(6-1-5)，每相邻两个第一旋流器叶片(6-1)之间设有第一流道(6-1-6)。

4.根据权利要求1所述的一种混合分级超低排放燃烧器，其特征在于：所述第三级轴流式旋流器(10)的内轮毂是一个V型钝体稳定器(11)。

5.根据权利要求1所述的一种混合分级超低排放燃烧器，其特征在于：每相邻两个所述第二径向旋流器(7)的出口位置与第二级出口衬套(13)的连接处开有若干个发散冷却孔(15)。

6.根据权利要求1所述的一种混合分级超低排放燃烧器，其特征在于：所述第二燃料腔壳体(5)的右端上表面设有冷却气进气口(5-5)，冷却气进气口(5-5)的下端与第三级燃料喷口(16)的上端连接，所述第三级燃料喷口(16)的下端与第二级出口衬套(13)的左端连接。

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