CN111271732A - 一种分布式多喷嘴燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气轮机技术领域，公开了一种分布式多喷嘴燃烧室，该分布式多喷嘴燃烧室包括：火焰筒、多个喷嘴和多个渐扩段；每个所述喷嘴均设有与其对应且同轴设置的所述渐扩段，所述喷嘴通过与其对应的所述渐扩段的小径端连接，所述渐扩段的大径端与所述火焰筒的端壁连接，所述渐扩段的扩张角小于等于喷嘴火焰在所述火焰筒中的自然扩张角度。本发明提供的分布式多喷嘴燃烧室，通过设置小于等于自然扩张角度的渐扩段，通过渐扩段连通喷嘴和火焰筒，抑制火焰的非定常脉动，削弱不同喷嘴火焰间的相互作用，从而起到抑制分布式多喷嘴燃烧室中常见的燃烧不稳定性问题。具有抑制效果显著、结构简单、适用范围广、无需额外调控装置等优点。

Description

一种分布式多喷嘴燃烧室

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，特别是涉及一种分布式多喷嘴燃烧室。

背景技术

燃气轮机在火力发电、电网调峰、天然气管道加压运输、船舶动力等方面发挥了重要作用，其具有启动迅速，输出功率大，燃料灵活等优点。但随着越来越严格的环保法规，对燃气轮机的污染排放提出了更高的要求，特别是氮氧化物排放。为了减少氮氧化物排放，燃气轮机更多地开始采用贫油预混燃烧技术，但这种技术会产生严重的燃烧不稳定性问题，造成燃烧室内的大幅压力脉动，容易引起回火，甚至造成燃气轮机的结构损坏，危害燃气轮机的安全运行。

究其原理，是因为贫油预混燃烧技术的火焰对外界扰动比以前的富油扩散火焰更敏感，会在外界扰动下产生非定常释热脉动，当非定常释热脉动与燃烧室系统的声波耦合时，则会造成脉动的迅速放大，最终达到压力大幅脉动的极限环状态。

因此，要抑制燃烧不稳定性，更本质的办法是减小火焰本身对外界扰动的响应，从根本上消除燃烧不稳定性的来源，才能有效地抑制燃烧不稳定性。

发明内容

鉴于上述技术缺陷和应用需求，本发明实施例提供一种分布式多喷嘴燃烧室，用于解决分布式多喷嘴燃烧室中由于使用贫油预混燃烧技术带来的燃烧不稳定性问题。

为解决上述问题，本发明提供一种分布式多喷嘴燃烧室，包括：火焰筒、多个喷嘴和多个渐扩段；每个所述喷嘴均设有与其对应且同轴设置的所述渐扩段，所述喷嘴通过与其对应的所述渐扩段的小径端连接，所述渐扩段的大径端与所述火焰筒的端壁连接，所述渐扩段的扩张角小于等于喷嘴火焰在所述火焰筒中的自然扩张角度。

进一步地，多个所述喷嘴包括：值班级喷嘴和多个主燃喷嘴；所述值班级喷嘴和各所述主燃喷嘴相互平行布置，各所述主燃喷嘴均布在所述值班级喷嘴的周围；所述值班级喷嘴和各所述主燃喷嘴均通过与其对应的所述渐扩段与所述火焰筒的端壁连通。

进一步地，所述主燃喷嘴的直径是所述值班级喷嘴的直径的0.5-3倍。

进一步地，所述主燃喷嘴的数量为3-10个。

进一步地，所述喷嘴包括：燃料管、空气管和旋流叶片；所述空气管连接在所述渐扩段的小径端；所述燃料管穿过所述空气管的入口端，套设在所述空气管内，所述旋流叶片布置在所述空气管的入口端内，安装在所述空气管和所述燃料管之间；所述燃料管上设有朝所述空气的内壁面设置的燃料喷孔。

进一步地，所述空气管与所述渐扩段的小径端之间还设有圆滑过渡结构。

进一步地，所述渐扩段的长度为所述空气管的直径的0.2-5倍。

进一步地，所述渐扩段为锥形管，所述渐扩段的扩张角为50-130°。

进一步地，所述渐扩段上设有多个渐扩段冷却孔。

进一步地，所述火焰筒与所述渐扩段连接的端壁上设有端壁冷却孔。

本发明提供的分布式多喷嘴燃烧室，从预混火焰产生释热脉动的物理机制出发，通过设置小于等于自然扩张角度的渐扩段，通过渐扩段连通喷嘴和火焰筒，减小了流动分离，让燃料和空气的预混气贴合渐扩段内壁流动，从而让火焰也依附渐扩段存在，进而限制了火焰面的非定常脉动。削弱了不同喷嘴火焰间的相互作用，从而起到抑制分布式多喷嘴燃烧室中常见的燃烧不稳定性问题。具有抑制效果显著、结构简单、适用范围广、无需额外调控装置等优点。此外，本发明通过在喷嘴和空气管之间设置圆滑过渡结构，减少了漩涡脱落强度，避免脱落的漩涡与火焰面发生相互作用，产生非定常释热。渐扩段的使用，大幅削弱了燃烧室的多个喷嘴火焰之间相互作用，避免出现切向或径向的燃烧不稳定性模态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的分布式多喷嘴燃烧室的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的喷嘴与渐扩段的剖面示意图；

图3为本发明实施例提供的喷嘴的结构示意图；

附图标记说明：1、喷嘴；2、主燃喷嘴；3、端壁；4、火焰筒；5、渐扩段；6、端壁冷却孔；8、空气管；9、燃料管；10、旋流叶片；11、燃料喷孔；12、渐扩段冷却孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

使用贫油预混燃烧技术的燃气轮机能够有效减少氮氧化物的排放，但是容易产生燃烧不稳定性现象，造成燃烧室内压力的大幅脉动，甚至造成结构损坏，危害燃气轮机的安全运行。产生燃烧不稳定性的核心机理是火焰的非定常释热与燃烧室内的声波耦合，因此抑制燃烧不稳定性的方法大多从破坏热声耦合或增大阻尼的角度。

常见的抑制方法可以分为主动控制和被动控制。主动控制需要额外的传感器和作动系统，根据燃烧室内实时的压力脉动，产生相位相反的脉动，从而破坏热声耦合。但主动控制系统复杂，可靠性低，目前还停留在实验室阶段，鲜有用于真实工业场景。被动控制方法则是通过增加固定的结构件，大多数是增大系统声学阻尼的声学元件，如亥姆霍兹共振器或声衬。另一种被动控制方法则是基于火焰动力学，通过直接改变火焰的结构或响应，起到破坏热声耦合的作用，本发明就是提供了用于配合被动控制的分布式多喷嘴燃烧室，用于抑制燃烧不稳定。

如图1、图2和图3所示，该分布式多喷嘴燃烧室包括：火焰筒4、多个喷嘴和多个渐扩段5。每个喷嘴均设有与其对应且同轴设置的渐扩段5，喷嘴通过与其对应的渐扩段5的小径端连接，渐扩段5的大径端与火焰筒4的端壁3连接，渐扩段5的扩张角小于等于喷嘴火焰在火焰筒4中的自然扩张角度。

实际工作过程中，喷嘴火焰在渐扩段5的作用下，稳定喷嘴出口并贴附渐扩段5上燃烧，从而起到限制火焰面脉动、减小非定常释热、抑制燃烧不稳定性的作用。

为达到最佳的效果，渐扩段5的扩张角需要略小于喷嘴火焰在火焰筒4中的自然扩张角度。例如，当喷嘴火焰在火焰筒4中的自然扩张角度为65度，为达到最佳的效果渐扩段5的扩张角需要设置为60度。自然扩张角度随来流参数而变，在设置渐扩段5前需要之前测量或通过计算模型获取喷嘴火焰在火焰筒4中的自然扩张角度。通过测量或计算的结果来设计渐扩段5，从而起到限制火焰面脉动、减小非定常释热、抑制燃烧不稳定性的作用。

本发明实施例提供的分布式多喷嘴燃烧室，从预混火焰产生释热脉动的物理机制出发，通过设置小于等于自然扩张角度的渐扩段，通过渐扩段连通喷嘴和火焰筒，减小了流动分离，让燃料和空气的预混气贴合渐扩段内壁流动，从而让火焰也依附渐扩段存在，进而限制了火焰面的非定常脉动。削弱了不同喷嘴火焰间的相互作用，从而起到抑制分布式多喷嘴燃烧室中常见的燃烧不稳定性问题。具有抑制效果显著、结构简单、适用范围广、无需额外调控装置等优点。

本发明实施例还提供一种分布式多喷嘴燃烧室，如图1、图2和图3所示，多个喷嘴包括：值班级喷嘴1和多个主燃喷嘴2。值班级喷嘴1和各主燃喷嘴2相互平行布置，各主燃喷嘴2均布在值班级喷嘴1的周围。值班级喷嘴1和各主燃喷嘴2均通过与其对应的渐扩段5与火焰筒4的端壁3连通。值班级喷嘴1和多个主燃喷嘴2的进出口方向相同，燃料与空气的预混气和燃烧后的燃气则进入火焰筒4。

其中，主燃喷嘴2的直径R是值班级喷嘴1的直径r的0.5-3倍。当需要小功率或需要点火的情况下，仅需要开启值班级喷嘴1即可。若需要大功率，则可同时打开值班级喷嘴1和多个主燃喷嘴2。主燃喷嘴2和值班级喷嘴1的具体尺寸根据实际情况综合选定。火焰筒4与渐扩段5连接的端壁3上设有端壁冷却孔6，用于冷却端壁3，避免烧蚀。主燃喷嘴2的数量根据燃烧情况可进行调整，一般为3-10个。

本实施例中，喷嘴包括：燃料管9、空气管8和旋流叶片10。空气管8连接在渐扩段5的小径端。燃料管9穿过空气管8的入口端，燃料管9套设在空气管8内，旋流叶片10布置在空气管8的入口端内，旋流叶片10安装在空气管8和燃料管9之间。燃料管9上设有朝空气的内壁面设置的燃料喷孔11。燃料从燃料喷孔11喷出，与经过旋流叶片10的空气进行混合，形成预混气。

其中，空气管8与渐扩段5的小径端之间还设有圆滑过渡结构，使得空气管8与渐扩段5之间为圆角。从而能够让预混气贴合渐扩段5内壁流动，减少漩涡脱落强度。渐扩段5上设有多个渐扩段冷却孔12，用于冷却渐扩段内壁，避免烧蚀。

本实施例中，渐扩段5为锥形管，渐扩段5的扩张角为50-130°，优选为60°。其具体的数值的选取与喷嘴火焰的自然扩张角度相关，以增强火焰贴合渐扩段5内壁的效果，限制火焰的非定常脉动。

本实施例中，渐扩段5的长度L选取应包喷嘴火焰的大部分，一般情况下渐扩段5的长度L为空气管8的直径A的0.2-5倍，以在较大范围内限制火焰的非定常脉动。例如当喷嘴火焰的长度为0.2m时，渐扩段5的长度L可选取为0.15m。

综上所述，本发明实施例提供的分布式多喷嘴燃烧室，从预混火焰产生释热脉动的物理机制出发，通过设置小于等于自然扩张角度的渐扩段，通过渐扩段连通喷嘴和火焰筒，减小了流动分离，让燃料和空气的预混气贴合渐扩段内壁流动，从而让火焰也依附渐扩段存在，进而限制了火焰面的非定常脉动。削弱了不同喷嘴火焰间的相互作用，从而起到抑制分布式多喷嘴燃烧室中常见的燃烧不稳定性问题。具有抑制效果显著、结构简单、适用范围广、无需额外调控装置等优点。

此外，本实施例通过在喷嘴和空气管之间设置圆滑过渡结构，减少了漩涡脱落强度，避免脱落的漩涡与火焰面发生相互作用，产生非定常释热。渐扩段的使用，大幅削弱了燃烧室的多个喷嘴火焰之间相互作用，避免出现切向或径向的燃烧不稳定性模态。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分布式多喷嘴燃烧室，其特征在于，包括：

火焰筒、多个喷嘴和多个渐扩段；每个所述喷嘴均设有与其对应且同轴设置的所述渐扩段，所述喷嘴通过与其对应的所述渐扩段的小径端连接，所述渐扩段的大径端与所述火焰筒的端壁连接，所述渐扩段的扩张角小于等于喷嘴火焰在所述火焰筒中的自然扩张角度。

2.根据权利要求1所述的分布式多喷嘴燃烧室，其特征在于，多个所述喷嘴包括：

值班级喷嘴和多个主燃喷嘴；所述值班级喷嘴和各所述主燃喷嘴相互平行布置，各所述主燃喷嘴均布在所述值班级喷嘴的周围；所述值班级喷嘴和各所述主燃喷嘴均通过与其对应的所述渐扩段与所述火焰筒的端壁连通。

3.根据权利要求2所述的分布式多喷嘴燃烧室，其特征在于，所述主燃喷嘴的直径是所述值班级喷嘴的直径的0.5-3倍。

4.根据权利要求2所述的分布式多喷嘴燃烧室，其特征在于，所述主燃喷嘴的数量为3-10个。

5.根据权利要求1所述的分布式多喷嘴燃烧室，其特征在于，所述喷嘴包括：

燃料管、空气管和旋流叶片；

所述空气管连接在所述渐扩段的小径端；所述燃料管穿过所述空气管的入口端，套设在所述空气管内，所述旋流叶片布置在所述空气管的入口端内，安装在所述空气管和所述燃料管之间；所述燃料管上设有朝所述空气的内壁面设置的燃料喷孔。

6.根据权利要求5所述的分布式多喷嘴燃烧室，其特征在于，所述空气管与所述渐扩段的小径端之间还设有圆滑过渡结构。

7.根据权利要求6所述的分布式多喷嘴燃烧室，其特征在于，所述渐扩段的长度为所述空气管的直径的0.2-5倍。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的分布式多喷嘴燃烧室，其特征在于，所述渐扩段为锥形管，所述渐扩段的扩张角为50-130°。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的分布式多喷嘴燃烧室，其特征在于，所述渐扩段上设有多个渐扩段冷却孔。

10.根据权利要求1-7中任一项所述的分布式多喷嘴燃烧室，其特征在于，所述火焰筒与所述渐扩段连接的端壁上设有端壁冷却孔。

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