CN111520747B - 一种柔和燃气轮机燃烧室 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种柔和燃气轮机燃烧室，涉及燃气轮机技术领域。基于传统燃气轮机燃烧室工作环境恶劣，热负荷大、高温高速及流场复杂等缺点，将燃油单点喷射燃烧器改为火焰筒壁面多点喷射，可以实现燃油与空气的多点混合，建立柔和燃烧区，实现稳定高效燃烧；将火焰筒壁面设计为双层壁结构，中间设计为蜂窝夹层结构，可以对火焰筒内部高温气流进行合理冷却，又保证燃油支管内的燃油充分预热，同时还能起到降低燃烧室工作过程中产生的噪声的作用；在火焰筒内设计凸台结构，可以使火焰筒分区，且能快速将火焰从富油燃烧区淬熄到柔和燃烧区，减少氮氧化物的排放，且实现火焰筒内燃料的稳定燃烧。

Description

一种柔和燃气轮机燃烧室
技术领域
本发明属于燃气轮机能源利用及污染控制技术领域，具体涉及一种柔和燃气轮机燃烧室。
背景技术
燃气轮机作为一种重要的热功转换装置，在航空、航海等领域得到日益广泛的应用，在国民经济与国防建设中具有不可替代的作用和地位。燃气轮机循环效率的提高主要依靠燃烧室排气温度的增加，而与之相矛盾的是燃烧室内氮氧化物的排放也将随着排气温度的提高而增加，同时燃气轮机燃烧室的工作环境也十分恶劣，如燃烧室内部压力较高、热负荷大、高温高速、流场复杂，因此，保证在燃烧室高燃烧效率的基础上提高燃气轮机性能是现阶段燃气轮机需要解决的问题和难点。
在对燃气轮机污染排放要求日益严格的今天，发展新型的低污染燃烧技术尤为重要。柔和燃烧由高温空气发展而来，以其燃烧温度场均匀且峰值温度低的特点有效地抑制了污染排放，所以受到各国燃气轮机研究者的关注。柔和燃烧被定义为一种反应物温度高于混合物的自燃温度，而燃烧过程中的最高温升小于其自燃温度的燃烧过程。柔和燃烧中，火焰的最高温度可控制在材料的耐受温度范围内，减少燃烧室的冷却，不存在燃烧稳定性的问题，且其具有燃烧稳定高效、温度分布均匀、燃烧室和涡轮叶片的热应力大大降低、污染物排放较低等特点，正显现出在新型燃气轮机低污染燃烧室上的应用潜力。在燃气轮机燃烧室中实现柔和燃烧，将会为现阶段燃气轮机燃烧室中面临的火焰稳定性、氮氧化物排放高、噪声大等问题提供一个有效解决方案，实现安全、稳定、低污染、低噪声燃烧。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种柔和燃气轮机燃烧室。与现有的技术结构相比，本发明的优点是对火焰筒的结构进行了合理改进，对火焰筒上层壁面，将燃油管路填入双层火焰筒壁面内，燃油总管位于火焰筒头部双层壁面内，可对进入燃烧室的燃油进行初步预热，燃油经过燃油总管分别进入18根燃油分管，18根分管均匀分别在火焰筒壁面上，同理对火焰筒下层壁面同样进行这样设计，故上下两层共有36根支管，支管在火焰筒内流过时，依靠火焰筒内高温可对燃油进行进一步加热，利于燃油蒸发。当燃油达到气流孔稍前端位置，支管再一次分支，将燃油引入下一级支管即次级支管，燃油次级支管管径进一步缩小，并从火焰筒夹层壁内以斜向下30°角方向向火焰筒内层壁延伸，气流孔以每两个为一组单位，最后一个燃油喷口出口方向同两个气流孔方向各呈120°角，促使燃油与外壁流入的空气流呈一定角度混合，可以提高混合程度。这种方法可以实现燃油与空气的多点混合，每一点控制空气量和燃油量，可实现燃油空气的充分混合。另外，本发明将火焰筒壁面设计为两层，外层与火焰筒机匣形成空气流外流道，内层与火焰筒内部燃烧区接触，内外两层间设计为蜂窝夹层，蜂窝夹层面上布置一系列不规则小孔，压气机流入的气流一部分通过火焰筒头部壁面进入蜂窝夹层，在夹层内流过火焰筒，这种方式可以对火焰筒内部高温气流进行合理冷却，又保证燃油支管内的燃油充分预热，同时还能起到降低燃烧室工作过程中产生的噪声的作用，具有很多的应用优势。最后，本发明还在火焰筒两层壁面上设置了凸台，将火焰筒设计为部分收缩—扩张段结构，火焰筒收缩—扩张段结构前的平行段形成预燃段，燃油一部分从火焰筒中心喷嘴喷出同旋流器进入的空气燃烧，一部分从火焰筒预燃段壁面喷油孔喷出同预混孔流入的空气混合燃烧，此过程主要将混合燃气进行初步燃烧，通过降低燃烧温度来减少富油燃烧区的氮氧化物，产生大量的油烟即中间产物；中间产物向下游流动进入收缩—扩张段部分即淬熄段，此段使富油燃烧快速转换成贫油燃烧，中间过程很短，即高氮氧化物产生过程极短，在空间和时间两方面都极大地压缩化学恰当比燃烧的存在，就能降低氮氧化物的排放；最后燃气进入柔和燃烧区，同时火焰筒壁面喷出的燃油及空气与富油燃气混合补燃，火焰的最高温度可控制在材料的耐受温度范围内，也减少燃烧室的冷却，不存在燃烧稳定性的问题，且燃烧稳定高效，温度分布均匀，燃烧室和涡轮叶片的热应力大大降低，产生的噪声更低，污染物排放更低，具有很好的应用前景。
技术方案
本发明的目的在于提供一种柔和燃气轮机燃烧室，可以使火焰在燃烧室内稳定燃烧，实现高效率、低排放的燃烧要求。
本发明技术方案如下：
一种柔和燃气轮机燃烧室，由改进后的燃油管路结构和火焰筒内部结构组合而成。其特征在于：基于传统燃气轮机燃烧室工作环境恶劣，热负荷大、高温高速、高过量空气系数及流场复杂等缺点，将原有燃油单点喷射燃烧器改为多点喷射，将火焰筒壁面设计为双层壁结构，中间设计为蜂窝夹层结构；将燃油管路布置在火焰筒双层壁面内，每个喷油孔与气流孔相匹配；火焰筒内设计凸台，形成收缩—扩张段结构，将火焰筒分为预燃区、淬熄区、柔和燃烧区三个区域。
所述火焰筒壁面，其特征在于：壁面分为两层，外层与火焰筒机匣形成空气流外流道，内层与火焰筒内部燃烧区接触，内外两层间设计为蜂窝夹层，蜂窝夹层面上布置一系列不规则小孔，压气机流入的气流一部分通过火焰筒头部壁面进入蜂窝夹层，在夹层内流过火焰筒。
所述燃油管路，其特征在于：管路均布在火焰筒上下两层壁面内，靠近燃烧室外机匣的上层壁面中，燃油总管设计在环形火焰筒头部夹层内，总管每隔20°角设计一根支管，18根支管均匀分布，每根支管在预混去、淬熄区、柔和燃烧区各有一个喷油孔，每一个喷油孔出口与各区域每两个气流孔各成120°角；同理，靠近中心轴承的下层壁面进行同样的设计，一共具有36根支管。
所述火焰筒内凸台，其特征在于：凸台设计在环形火焰筒内两侧壁面中间位置，将火焰筒设计为部分收缩—扩张段结构，该结构中间存在一小段平行段，火焰筒收缩—扩张段结构前的平行段形成预燃段，收缩—扩张段部分形成淬熄段，收缩—扩张段结构后的部分收缩段形成柔和燃烧区。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明采用火焰筒双层壁面结构，可以对火焰筒内部高温气流进行合理冷却，又保证燃油支管内的燃油充分预热，同时还能起到降低燃烧室工作过程中产生的噪声的作用。
2.本发明采用燃油管路填入火焰筒壁面的结构，可以对进入燃烧室的燃油进行充分预热，利于燃油蒸发，同时可以实现燃油与空气的多点混合，实现燃油空气的充分混合，使得火焰筒内温度分布均匀，实现稳定高效燃烧，且污染物排放更低。
3.本发明采用火焰筒内设计凸台的结构，可以使火焰筒分区，且能快速将火焰从富油燃烧区淬熄到柔和燃烧区，使火焰筒内温度分布均匀，减小燃烧室的热应力，实现火焰筒内燃料的稳定燃烧。
附图说明
图1：柔和燃烧室整体结构示意图
图2：燃油管道结构示意图
图3：喷油孔和气流孔匹配关系示意图
图4：喷油孔细节示意图
图5：蜂窝夹层结构示意图
图中：1-蜂窝夹层结构，2-环形燃油总管，3-燃油支管，4-喷油孔，5-凸台，6-气流孔，7-输油管，8-次级支管。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步描述：
结合图1-5，本发明提供一种柔和燃气轮机燃烧室的技术方案。图1为柔和燃烧室整体结构示意图，图2为燃油管道结构示意图，图3为喷油孔和气流孔匹配关系示意图，图4为喷油孔细节示意图，图5为蜂窝夹层结构示意图。
当燃气轮机工作时，燃油从输油管7流入环形燃油总管2，燃油布满整个环腔后，靠压力作用均匀进入燃油支管3，可以保证燃油支管内的燃油在火焰筒壁面内充分预热，每根支管上安装有三根次级支管8，根据流量分配原则设计喷油孔4孔径，燃油经过喷油孔4斜喷处支管，同气流孔6斜流入的气流呈一定角度混合，即每一个区域存在两层燃油管共36个喷油孔，即存在36处油气混合点，多点混合使得整个火焰筒内油气混合十分充分。火焰筒内设置凸台5，将火焰筒分为三个区域，在预燃区内，燃油分别从火焰筒中心喷嘴和火焰筒预燃段壁面喷油孔喷出，与进入的空气流进行初步燃烧，此过程通过降低燃烧温度来减少富油燃烧区的氮氧化物；在淬熄区内，流入的燃油和空气使富油燃烧产物快速淬熄，中间过程很短，即高氮氧化物产生过程极短，降低氮氧化物的排放；在柔和燃烧区内，火焰筒壁面喷出的燃油及空气与富油燃气混合补燃，使燃烧稳定高效，温度分布均匀，产生的噪声更低，污染物排放更低。同时，火焰筒壁的蜂窝夹层结构1使得从压气机进入的气流一部分进入火焰筒双层壁面内，对火焰筒内部高温气流进行合理冷却，同时还能起到降低燃烧室工作过程中产生的噪声的作用。

Claims (4)

1.一种柔和燃气轮机燃烧室，由改进后的燃油管路结构和火焰筒内部结构组合而成，其特征在于：基于传统燃气轮机燃烧室工作环境恶劣，热负荷大、高温高速、高过量空气系数及流场复杂等缺点，将燃油单点喷射燃烧器改为多点喷射，将火焰筒壁面设计为双层壁结构，中间设计为蜂窝夹层结构；将燃油管路布置在火焰筒双层壁面内，每个喷油孔与气流孔相匹配；火焰筒内设计凸台，形成收缩—扩张段结构，将火焰筒分为预燃区、淬熄区、柔和燃烧区三个区域。
2.根据权利要求1所述的一种柔和燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述火焰筒壁面分为两层，外层与火焰筒机匣形成空气流外流道，内层与火焰筒内部燃烧区接触，内外两层间设计为蜂窝夹层，蜂窝夹层面上布置一系列不规则小孔，压气机流入的气流一部分通过火焰筒头部壁面进入蜂窝夹层，在夹层内流过火焰筒。
3.根据权利要求1所述的一种柔和燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述燃油管路均布在火焰筒上下两层壁面内，靠近燃烧室外机匣的上层壁面中，燃油总管设计在环形火焰筒头部夹层内，总管每隔20°角设计一根支管，18根支管均匀分布，每根支管在预混去、淬熄区、柔和燃烧区各有一个喷油孔，每一个喷油孔出口与各区域每两个气流孔各成120°角；同理，靠近中心轴承的下层壁面进行同样的设计，一共具有36根支管。
4.根据权利要求1所述的一种柔和燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述火焰筒内设计凸台，凸台设计在环形火焰筒内两侧壁面中间位置，将火焰筒设计为部分收缩—扩张段结构，该结构中间存在一小段平行段，火焰筒收缩—扩张段结构前的平行段形成预燃段，收缩—扩张段部分形成淬熄段，收缩—扩张段结构后的部分收缩段形成柔和燃烧区。
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