CN111365734A - 一种混合分级超低排放火焰筒 - Google Patents

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李名家
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Abstract

一种混合分级超低排放火焰筒，它涉及能源与动力工程领域。本发明解决了现有的火焰筒采用气膜冷却形式，存在难以同时实现高效冷却和低一氧化碳排放量的问题。本发明的混合分级超低排放燃烧器、火焰筒衬套、混合器和座圈由左至右依次连接，火焰筒衬套一端与混合分级超低排放燃烧器末端连接；火焰筒衬套另一端与混合器连接；前机匣套设在混合分级超低排放燃烧器上，前机匣一端与燃烧器的机匣前法兰连接；第一衬套套设在火焰筒衬套上，第一衬套左端与前机匣连接，第二衬套套设在混合器上，第二衬套左端与第一衬套连接，第二衬套右端与座圈连接。本发明用于实现火焰筒同时兼顾高效冷却和低一氧化碳排放量。

Description

一种混合分级超低排放火焰筒
技术领域
本发明涉及能源与动力工程领域，具体涉及一种混合分级超低排放火焰筒。
背景技术
燃气轮机是一种能够将燃料的化学能转化为机械能的动力装置，在航空航天、船舶交通、石油化工、能源电力方面均有广泛的应用。近年来由于煤炭、石油等化石能源的大量使用，世界范围内环境污染问题日趋严峻，各国政府纷纷制定了越来越严格的污染物排放标准，这催生了市场对低排放工业燃气轮机的需求。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火焰筒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。申请号为CN201911037199.4，公开(公告)号为CN110594786A的中国发明专利公开了一种混合分级超低排放燃烧器。该燃烧器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。以往常规火焰筒采用气膜冷却形式，壁面冷却气容易造成近壁面火焰淬熄，在影响燃烧效率的同时，又增加了一氧化碳的排放量。所以采用气膜冷却技术的低排放火焰筒设计需要在冷却效果和一氧化碳排放量之间达成一种微妙的平衡。
综上所述，现有的火焰筒采用气膜冷却形式，存在难以同时实现高效冷却和低一氧化碳排放量的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的火焰筒采用气膜冷却形式，存在难以同时实现高效冷却和低一氧化碳排放量的问题，进而提供一种混合分级超低排放火焰筒。
本发明的技术方案是：
一种混合分级超低排放火焰筒，它包括混合分级超低排放燃烧器1，所述混合分级超低排放火焰筒还包括火焰筒衬套2、混合器3、座圈4、前机匣5和冷却衬套6，混合分级超低排放燃烧器1、火焰筒衬套2、混合器3和座圈4由左至右依次连接，所述火焰筒衬套2为圆形筒状结构，火焰筒衬套2一端通过插接的方式与混合分级超低排放燃烧器1末端连接；混合器3的横截面为变扭形横截面，所述变扭形横截面由左侧的圆形截面逐渐过渡为右侧的扇形截面，火焰筒衬套2另一端通过搭接的方式与混合器3连接；前机匣5套设在混合分级超低排放燃烧器1上，前机匣5一端与燃烧器1的机匣前法兰9连接；冷却衬套6包括第一衬套和第二衬套，第一衬套为圆形筒状结构，第一衬套套设在火焰筒衬套2上，第一衬套左端与前机匣5连接，第二衬套的横截面为变扭形横截面，所述变扭形横截面由左侧的圆形截面逐渐过渡为右侧的扇形截面，第二衬套套设在混合器3上，第二衬套左端与第一衬套连接，第二衬套右端与座圈4连接。
进一步地，火焰筒衬套2外表面沿周向均匀布置若干散热翅片15。
进一步地，火焰筒衬套2右端沿轴向向右延伸有混合器搭接外板16，所述混合器搭接外板16为环形筒状结构，混合器搭接外板16的壁厚小于火焰筒衬套2的壁厚，混合器搭接外板16的外径与火焰筒衬套2的外径相等。
进一步地，混合器3左端沿轴向向左延伸有衬套搭接内板17，所述衬套搭接内板17为环形筒状结构，衬套搭接内板17的外径小于混合器搭接外板16的内径，衬套搭接内板17的内径大于火焰筒衬套2的内径。
进一步地，混合器3左端的衬套搭接内板17插装在火焰筒衬套2右端的混合器搭接外板16内，所述衬套搭接内板17的外圆与混合器搭接外板16的内圆之间存在间隙。
进一步地，前机匣5另一端设有机匣后法兰13。
进一步地，混合器3与冷却衬套6之间以环形阵列的方式设有若干定位翅片14，所述定位翅片14下端与混合器3外表面固接，所述定位翅片14上端与冷却衬套6内表面固接。
进一步地，座圈4上开有若干发散冷却孔，座圈4通过焊接的方式与混合器3连接。
进一步地，混合分级超低排放燃烧器1包括等离子体点火器7、机匣前法兰9、第一燃料腔壳体、第一级燃烧器10、第二燃料腔壳体、第二级燃烧器11、第三级燃烧器12和四个燃料气接头8，等离子体点火器7安装在机匣前法兰9左侧的中部，四个燃料气接头8沿周向均布安装在机匣前法兰9上，且四个燃料气接头8位于机匣前法兰9的外侧，机匣前法兰9、第一燃料腔壳体、第一级燃烧器10、第二燃料腔壳体、第二级燃烧器11和第三级燃烧器12由左至右依次连接，第一级燃烧器10、第二级燃烧器11和第三级燃烧器12均采用预混燃烧。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1、本发明的混合分级超低排放火焰筒采用了冲击冷却方式，壁面为封闭式设计，增大冷却气量的同时不会造成近壁面淬熄，摆脱了气膜冷却难以同时实现高效冷却和低一氧化碳排放量的问题，本发明的混合分级超低排放火焰筒的冷却衬套结构上开设若干冲击冷却孔，空气通过冲击冷却孔进入火焰筒，有效冷却了混合器和火焰筒衬套，提高使用寿命；
2、本发明的混合分级超低排放火焰筒的混合器与火焰筒衬套之间以搭接相连，保证混合器与火焰筒衬套可发生一定的相对滑动，能够补偿火焰筒衬套和混合器的热膨胀；
3、本发明的混合分级超低排放火焰筒结合了轴向分级、径向分级和周向分级，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；
4、本发明的混合分级超低排放火焰筒的第一级、第二级、第三级燃烧器均采用预混燃烧，可降低燃烧区温度，降低NOx生成；
5、本发明的混合分级超低排放火焰筒可应用于能源电力、石油化工等以天然气为燃料的工业燃气轮机上。
附图说明
图1是本发明的混合分级超低排放火焰筒的结构示意图；
图2是图1在A-A处的剖视图；
图3是图1在B处的局部方法图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的一种混合分级超低排放火焰筒，它包括混合分级超低排放燃烧器1，所述混合分级超低排放火焰筒还包括火焰筒衬套2、混合器3、座圈4、前机匣5和冷却衬套6，混合分级超低排放燃烧器1、火焰筒衬套2、混合器3和座圈4由左至右依次连接，所述火焰筒衬套2为圆形筒状结构，火焰筒衬套2一端通过插接的方式与混合分级超低排放燃烧器1末端连接；混合器3的横截面为变扭形横截面，所述变扭形横截面由左侧的圆形截面逐渐过渡为右侧的扇形截面，火焰筒衬套2另一端通过搭接的方式与混合器3连接；前机匣5套设在混合分级超低排放燃烧器1上，前机匣5一端与燃烧器1的机匣前法兰9连接；冷却衬套6包括第一衬套和第二衬套，所述第一衬套和第二衬套结构上均开设若干冲击冷却孔，第一衬套为圆形筒状结构，第一衬套套设在火焰筒衬套2上，第一衬套左端与前机匣5连接，第二衬套的横截面为变扭形横截面，所述变扭形横截面由左侧的圆形截面逐渐过渡为右侧的扇形截面，第二衬套套设在混合器3上，第二衬套左端与第一衬套连接，第二衬套右端与座圈4连接。
本实施方式的前机匣5一端通过螺栓与燃烧器1的机匣前法兰9连接。第一衬套和第二衬套为一体式结构，第一衬套与前机匣5之间通过焊接的方式连接，第二衬套与座圈4之间通过焊接的方式连接。火焰筒衬套2为薄壁圆筒。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式的火焰筒衬套2外表面沿周向均匀布置若干散热翅片15。如此设置，通过在火焰筒衬套2外表面布置散热翅片15以增大火焰筒衬套2的散热面积，实现火焰筒衬套2的散热。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的火焰筒衬套2右端沿轴向向右延伸有混合器搭接外板16，所述混合器搭接外板16为环形筒状结构，混合器搭接外板16的壁厚小于火焰筒衬套2的壁厚，混合器搭接外板16的外径与火焰筒衬套2的外径相等。其它组成和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和图3说明本实施方式，本实施方式的混合器3左端沿轴向向左延伸有衬套搭接内板17，所述衬套搭接内板17为环形筒状结构，衬套搭接内板17的外径小于混合器搭接外板16的内径，衬套搭接内板17的内径大于火焰筒衬套2的内径。其它组成和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1和图3说明本实施方式，本实施方式的混合器3左端的衬套搭接内板17插装在火焰筒衬套2右端的混合器搭接外板16内，所述衬套搭接内板17的外圆与混合器搭接外板16的内圆之间存在间隙。如此设置，混合器搭接外板16与衬套搭接内板17径向上留有微小间隙，能保证混合器3与火焰筒衬套2之间发生一定的轴向相对滑动，能够补偿火焰筒衬套2和混合器3的热膨胀。其它组成和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1说明本实施方式，本实施方式的前机匣5另一端设有机匣后法兰13。如此设置，所述机匣后法兰13通过螺栓与外部过渡机匣连接。其它组成和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2说明本实施方式，本实施方式的混合器3与冷却衬套6之间以环形阵列的方式设有若干定位翅片14，所述定位翅片14下端与混合器3外表面固接，所述定位翅片14上端与冷却衬套6内表面固接。如此设置，能够使混合器3与冷却衬套6保持同心。其它组成和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和图2说明本实施方式，本实施方式的座圈4上开有若干发散冷却孔，座圈4通过焊接的方式与混合器3连接。如此设置，燃烧室内空气经所述发散冷却孔对混合器3外表面进行发散冷却。其它组成和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，本实施方式的混合分级超低排放燃烧器1包括等离子体点火器7、机匣前法兰9、第一燃料腔壳体、第一级燃烧器10、第二燃料腔壳体、第二级燃烧器11、第三级燃烧器12和四个燃料气接头8，等离子体点火器7安装在机匣前法兰9左侧的中部，四个燃料气接头8沿周向均布安装在机匣前法兰9上，且四个燃料气接头8位于机匣前法兰9的外侧，机匣前法兰9、第一燃料腔壳体、第一级燃烧器10、第二燃料腔壳体、第二级燃烧器11和第三级燃烧器12由左至右依次连接，第一级燃烧器10、第二级燃烧器11和第三级燃烧器12均采用预混燃烧。如此设置，混合分级超低排放燃烧器1结合了轴向分级、径向分级和周向分级，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。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。
工作原理
结合图1至图3说明本发明的工作原理：本发明的混合分级超低排放火焰筒集成了轴向分级、径向分级、周向分级，构成了一种混合分级策略；火焰筒头部有四路流量可独立控制的燃料气接头8，分别供应轴向上的第一级燃烧器10、第二级燃烧器11、第三级燃烧器12；经扩压器扩压后的空气，从冷却衬套6表面的冲击冷却孔进入火焰筒衬套2间夹层，对混合器3和火焰筒衬套2进行冷却，进入火焰筒头部后，空气分三路，分别进入三级燃烧器，与气态燃料发生均匀混合后燃烧；在机组工况从点火、慢车逐渐上升到1.0的过程中，第一级、第二级、第三级燃烧器依次逐步投入工作，既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。

Claims (9)

1.一种混合分级超低排放火焰筒，它包括混合分级超低排放燃烧器(1)，其特征在于：所述混合分级超低排放火焰筒还包括火焰筒衬套(2)、混合器(3)、座圈(4)、前机匣(5)和冷却衬套(6)，混合分级超低排放燃烧器(1)、火焰筒衬套(2)、混合器(3)和座圈(4)由左至右依次连接，所述火焰筒衬套(2)为圆形筒状结构，火焰筒衬套(2)一端通过插接的方式与混合分级超低排放燃烧器(1)末端连接；混合器(3)的横截面为变扭形横截面，所述变扭形横截面由左侧的圆形截面逐渐过渡为右侧的扇形截面，火焰筒衬套(2)另一端通过搭接的方式与混合器(3)连接；前机匣(5)套设在混合分级超低排放燃烧器(1)上，前机匣(5)一端与燃烧器1的机匣前法兰(9)连接；冷却衬套(6)包括第一衬套和第二衬套，第一衬套为圆形筒状结构，第一衬套套设在火焰筒衬套(2)上，第一衬套左端与前机匣(5)连接，第二衬套的横截面为变扭形横截面，所述变扭形横截面由左侧的圆形截面逐渐过渡为右侧的扇形截面，第二衬套套设在混合器(3)上，第二衬套左端与第一衬套连接，第二衬套右端与座圈(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种混合分级超低排放火焰筒，其特征在于：火焰筒衬套(2)外表面沿周向均匀布置若干散热翅片(15)。
3.根据权利要求2所述的一种混合分级超低排放火焰筒，其特征在于：火焰筒衬套(2)右端沿轴向向右延伸有混合器搭接外板(16)，所述混合器搭接外板(16)为环形筒状结构，混合器搭接外板(16)的壁厚小于火焰筒衬套(2)的壁厚，混合器搭接外板(16)的外径与火焰筒衬套(2)的外径相等。
4.根据权利要求3所述的一种混合分级超低排放火焰筒，其特征在于：混合器(3)左端沿轴向向左延伸有衬套搭接内板(17)，所述衬套搭接内板(17)为环形筒状结构，衬套搭接内板(17)的外径小于混合器搭接外板(16)的内径，衬套搭接内板(17)的内径大于火焰筒衬套(2)的内径。
5.根据权利要求4所述的一种混合分级超低排放火焰筒，其特征在于：混合器(3)左端的衬套搭接内板(17)插装在火焰筒衬套(2)右端的混合器搭接外板(16)内，所述衬套搭接内板(17)的外圆与混合器搭接外板(16)的内圆之间存在间隙。
6.根据权利要求5所述的一种混合分级超低排放火焰筒，其特征在于：前机匣(5)另一端设有机匣后法兰(13)。
7.根据权利要求6所述的一种混合分级超低排放火焰筒，其特征在于：混合器(3)与冷却衬套(6)之间以环形阵列的方式设有若干定位翅片(14)，所述定位翅片(14)下端与混合器(3)外表面固接，所述定位翅片(14)上端与冷却衬套(6)内表面固接。
8.根据权利要求7所述的一种混合分级超低排放火焰筒，其特征在于：座圈(4)上开有若干发散冷却孔，座圈(4)通过焊接的方式与混合器(3)连接。
9.根据权利要求1所述的一种混合分级超低排放火焰筒，其特征在于：混合分级超低排放燃烧器(1)包括等离子体点火器(7)、机匣前法兰(9)、第一燃料腔壳体、第一级燃烧器(10)、第二燃料腔壳体、第二级燃烧器(11)、第三级燃烧器(12)和四个燃料气接头(8)，等离子体点火器(7)安装在机匣前法兰(9)左侧的中部，四个燃料气接头(8)沿周向均布安装在机匣前法兰(9)上，且四个燃料气接头(8)位于机匣前法兰(9)的外侧，机匣前法兰(9)、第一燃料腔壳体、第一级燃烧器(10)、第二燃料腔壳体、第二级燃烧器(11)和第三级燃烧器(12)由左至右依次连接，第一级燃烧器(10)、第二级燃烧器(11)和第三级燃烧器(12)均采用预混燃烧。
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