CN112128800A - 一种用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器，包括自下而上连接贯通的缓冲腔、预混进气管和火焰筒，空气经燃烧器底部进入缓冲腔，预混进气管中设置有主燃料喷管和低旋流燃烧器，主燃料喷管通过中心输气管连接主燃料，低旋流燃烧器位于主燃料喷管上方，贫燃直喷管沿轴向设置于预混进气管和缓冲腔中，其底端连接值班燃料，顶端高于低旋流燃烧器并朝向火焰筒，预混气经低旋流燃烧器的旋流通道和直流通道与从贫燃直喷管下游喷出的值班燃料混合燃烧。本发明在增大叶片几何角和孔板阻塞比的同时保证了弱旋流流场，并提高了燃料/空气的预混均匀性，降低NOx的形成，降低自燃、回火、贫燃熄火、燃烧振荡出现的风险，提高燃烧效率，适用于多种燃烧模式。

Description

一种用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器

技术领域

本发明属于燃气轮机结构设计技术领域，特别涉及一种用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器。

背景技术

燃气轮机作为最先进的热功转换装置，已经在世界范围的能源动力和电力系统中发挥了不可或缺的重要作用。为了使燃气轮机稳定工作，作为燃气轮机三大核心部件之一的燃烧室广泛采用强旋流实现火焰稳定，在主燃区形成中心回流区，为新鲜混气燃烧提供持续的点火源，保证了燃烧室的稳定工作范围，但所产生的大尺度湍流结构也降低了容积释热率。而且在强旋流作用下贫油预混火焰容易产生振荡燃烧，当振荡达到一定振幅时会影响发动机运转，甚至导致燃烧室和涡轮等严重损坏。同时，强旋流延长了混气在高温区内的停留时间，导致污染物尤其是热力型NOx排放量大大增加。

低旋流燃烧技术(旋流数一般在0.4到0.55之间)规避了传统的依靠回流区实现火焰稳定的方式，在精心组织的旋流强度下组织燃烧，在混合均匀的条件下具有高的容积释热率。同时低旋流燃烧器下游会形成速度持续衰减的扩张流，流场中不存在强剪切区域，无回流区，能有效抑制振荡燃烧，火焰稳定性大大增强，且火焰温度低，因而在基本不增加CO的情况下具有极低的NOx排放能力。低旋流火焰也是一种抬升火焰，可以减弱对壁面的传热，所以外壁温度较低，降低了燃烧器对材料的要求。湍流火焰刷的位置可根据来流速度自适应调节，有助于避免回火和贫油熄火问题。同时低旋流燃烧的流动、燃烧具有自相似的特性，可以燃烧氢气、甲烷等不同组分气体燃料。而且结构简单，比较容易与现有的燃气轮机技术相结合，不需要全面地重新设计燃气轮机。但燃料/空气在低旋流喷嘴内的掺混受到旋流/直流通量比例以及外环气流剪切强度的共同影响，通过增大孔板阻塞比或叶片几何角的方式能够强化旋流作用，进而提高燃料/空气的预混均匀性，降低污染物的排放。但需要注意的是，由于弱旋流燃烧是依靠中心速度衰减的发散流场，而不是回流区来稳焰的，如果中心直流通量不足，弱旋流流场可能会逐步向传统的强旋流结构转变，超出临界条件后，喷嘴出口不再形成稳定的脱体火焰，从而失去弱旋流燃烧的相关优势。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器，在燃气轮机上利用将值班燃料直接喷射燃烧技术，通过间接增加直流通道截面积，进而增加燃料直流通量，可在合理增大叶片几何角和孔板阻塞比的同时，消除中心直流通量不足的风险，保证了弱旋流流场并强化了旋流作用，提高了燃料、空气的预混均匀性，降低NOx排放。而且这种贫燃直喷燃烧方式采用多点直接喷射把燃料喷入燃烧室内，与空气强烈混合与燃烧，由于多点喷射可大大增加燃料与空气接触面积，促使燃料与空气快速混合形成均匀贫燃混气进行燃烧，消除局部过热点，降低燃气温度，从而进一步抑制NOx的排放，并且燃料是直接喷射入火焰区，因此不会出现自燃和回火问题，降低了燃烧不稳定性出现的风险，使得排放和燃烧稳定性都能够满足要求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器，包括自下而上连接贯通的缓冲腔1、预混进气管7和火焰筒16，空气经燃烧器底部进入缓冲腔1，其特征在于，所述预混进气管7中设置有主燃料喷管4和低旋流燃烧器12，主燃料喷管4通过中心输气管2连接主燃料，低旋流燃烧器12位于主燃料喷管4上方，贫燃直喷管13沿轴向设置于预混进气管7和缓冲腔1中，其底端连接值班燃料，顶端高于低旋流燃烧器12并朝向火焰筒16。

所述缓冲腔1通过渐缩渐扩管3与预混进气管7连接，火焰筒16通过文丘里管14与预混进气管7连接，火焰筒16的进气端通过燃烧器头部端壁15与所述文丘里管14的出气端连通，贫燃直喷管13的顶端与火焰筒16的头部端臂15平齐，且贫燃直喷管13的顶端开有若干值班燃料喷射孔17。

所述火焰筒16的直径D1＝1.3D～1.5D，D为渐缩渐扩管3和文丘里管14之间的预混进气管7管径；所述渐缩渐扩管3和文丘里管14均设有喉部，所述喉部将渐缩渐扩管3和文丘里管14分别分隔成收缩区域和扩张区域，收缩区域与燃烧器中轴线的夹角为20°～65°，扩张区域与燃烧器中轴线的夹角为15°～40°，所述渐缩渐扩管3和文丘里管14沿气体的流动方向半径先减小再增大，所述主燃料喷管4设置于渐缩渐扩管3的收缩区域。带有喉部的渐缩渐扩管3可以降低上游空气的扰流对下游流场、燃烧的影响。并且有利于增强空气和燃料掺混，加速气流形成速度梯度，抑制边界层增长，预防回火。带有喉部的文丘里管14有助于防止回火，提高了火焰稳定范围以及整个燃烧室的稳定工作范围。

所述预混进气管7中位于主燃料喷管4和低旋流燃烧器12之间设置有带均匀分布整流孔5的整流板6，整流板6的外径等于预混进气管7的内径，所述贫燃直喷管13贯穿整流板6的中心。

所述整流板6位于渐缩渐扩管3的扩张段下游端部内侧、贫燃直喷管13的外侧；所述整流孔5的直径为5mm～6mm，沿周向均布在整流板6上，预混进气管7、中心输气管2与贫燃直喷管13同轴设置，缓冲腔1、预混进气管7、主燃料喷管4、中心输气管2以及贫燃直喷管13配合构成气体流动通道。

所述低旋流燃烧器12主体由轴向均匀排布的低旋流叶片9和中心直流通道11组成，所述中心直流通道11为筒状结构，贫燃直喷管13从其中穿过且同轴设置，中心直流通道11的外壁与预混进气管7的内壁之间形成旋流通道10，低旋流叶片9设置在中心直流通道11的外壁下部，并位于旋流通道10内。

所述低旋流叶片9的数量在18～24片之间，旋流强度在0.5～0.55之间，在这个旋流强度范围内，燃料和空气能够更好的预混，所以NOx排放量低，燃烧效率高，所述中心直流通道11设在所述贫燃直喷管13的外圈，旋流通道10的内圈，中心直流通道11的直径D2＝0.7D～0.8D；中心直流通道11入口处安装有薄板8，薄板8上沿周向均布有直通孔21，薄板8的阻塞比即薄板在流道截面上的投影面积与直流通道截面积之比为85％～95％。带孔薄板8的作用在于调节通过低旋流燃烧器12的中心直流通道11和旋流通道10预混气的通量，同时在低旋流燃烧器12的中心直流通道11内产生适当强度的湍流，增加燃烧器头部出口处预混火焰的传播速度，防止脱火。同时较高的孔板阻塞比能够强化燃料、空气的预混均匀性，降低NOx排放。所述低旋流燃烧器12位于整流板6的下游，所述低旋流燃烧器12进口与整流板6出口之间的距离h2＝0.7D～1D，所述中心直流通道11出口和头部端壁15之间的距离h1＝0.5D～0.7D，所述预混进气管7、低旋流燃烧器12与所述贫燃直喷管13同轴设置，所述缓冲腔1、预混进气管7、主燃料喷管4、中心输气管2以及低旋流燃烧器12配合构成空气、主燃料以及空气与主燃料预混气的进气以及流动通道，所述贫燃直喷管13构成值班燃料的进气以及流动通道，以体积百分比计，通往中心输气管2的主燃料量占总燃料量的比例为80％～90％，通往贫燃直喷管13的值班燃料量占总燃料量的比例为10％～20％。

所述贫燃直喷管13沿轴向套设在低旋流燃烧器12的中心直流通道11的内圈，其中轴线与燃烧器中轴线重合，贫燃直喷管13靠近值班燃料出口的一端设有钝体22，钝体22斜边与燃烧器中心轴线的夹角为10°～14°，此角度较小，所以低旋流直喷火焰流场不会出现回流区，保证了弱旋流流场，钝体22顶部沿周向均布有值班燃料喷射孔17，所述钝体22顶部的阻塞比与带孔薄板8的阻塞比一致，含贫燃直喷管13的低旋流直喷燃烧器相比常规低旋流燃烧器增加了燃料的直流通量，可在合理增大叶片几何角和孔板阻塞比的同时消除中心直流通量不足的风险，使火焰依然保持着悬浮的低旋流火焰18，有效抑制振荡燃烧，火焰稳定性增强，且火焰温度低，因而具有极低的NOx排放能力。

所述中心输气管2同轴设置在贫燃直喷管13外，中心输气管2顶端为收缩段，并开有第二主燃料喷射孔20，收缩段与燃烧器中轴线的夹角为20°～50°，所述主燃料喷管4有多根，沿周向均布连接在中心输气管2的侧壁，每根主燃料喷管4的侧面开有第一主燃料喷射孔19。

所述第二主燃料喷射孔20直径为3mm～4mm，在收缩段上沿周向均布60～90个，第二主燃料喷射孔20的中轴线与燃烧器中轴线平行，部分主燃料经中心输气管2末端收缩段上的第二主燃料喷射孔20沿顺流方向喷出，填补至中心区域，进一步提高空气、燃料的预混均匀性，降低了NOx的排放，亦不会对下游的弱旋流流场造成任何影响。每根所述主燃料喷管4的一端与中心输气管2的下游收缩段端部相连通，另一端与渐缩渐扩管3喉部的内壁相连接；每根主燃料喷管4的中轴线位于所述渐缩渐扩管3喉部的1/2处，与燃烧器的中轴线垂直；对于均匀来流，每根所述主燃料喷管4的前、后按“上密下疏”、“上大下小”的规则布置有24～40个第一主燃料喷射孔19，即靠近渐缩渐扩管3的第一主燃料喷射孔19较大且密集地布置，实验表明，大小孔或者疏密孔方案比等孔距等孔径的方案有更好的预混均匀性；所述第一主燃料喷射孔19的形状为圆形，与渐缩渐扩管3最接近的第一主燃料喷射孔19的直径为4mm～5mm，远离渐缩渐扩管3的第一主燃料喷射孔19的直径按照0.85～0.95倍的比例逐渐缩小；靠近渐缩渐扩管3的第一主燃料喷射孔19与其相邻第一主燃料喷射孔19的距离按1.1～1.2倍的关系逐渐增大。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明提供一种用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器，通过在预混进气管上游布置带有喉部的渐缩渐扩管，可以降低上游空气的扰流对下游流场、燃烧的影响。同时，喉部使空气加速，以快速带出燃料，并且有利于增强空气和燃料掺混，加速气流形成速度梯度，抑制边界层增长，预防回火。

2.预混机构中布置有多根周向均布的主燃料喷管，气态主燃料沿中心输气管进入，大部分主燃料由主燃料喷管前、后两侧按“上密下疏”、“上大下小”规则布置的多个主燃料喷射孔喷出，主燃料通过多点预分散方式，在喷射截面形成良好的初始分布，与空气垂直掺混，提高了与空气主流掺混均匀性，同时小部分主燃料经中心输气管末端收缩段上的主燃料喷射孔沿顺流方向喷出，填补至中心区域。空气卷吸燃料在渐缩渐扩管部分减速，经整流板、预混段、增大了叶片几何角和孔板阻塞比的低旋流燃烧器后进一步预混，最终由文丘里管和贫燃直喷管下游钝体形成的环形出口流出，在火焰筒进口处得到预混均匀的燃气，降低了NOx的排放。

3.在渐缩渐扩管的扩张段下游端部内侧布置整流板，可进一步提高预混燃气的混合均匀程度。

4.本发明在直预混进气管下游出口处设置文丘里管，有助于防止回火，提高了稳火范围以及整个燃烧室的稳定工作范围。

5.由于燃烧器工作在贫预混燃烧状态，工作的当量比在0.5～0.8附近，所以火焰温度较低，进一步降低了热力型NOx的生成。

6.本发明采用低旋流燃烧与贫燃直喷燃烧相结合的燃烧技术，间接增加低旋流燃烧器直流通量，保证弱旋流流场，进一步抑制振荡燃烧、回火、自燃、贫燃熄火等现象的发生，能在超贫预混气中稳定燃烧，使火焰的稳定性大大增强，提高燃烧效率，并实现超低排放。此外，本发明提供的低旋流直喷低排放燃烧室具有较好的适用性，能够适用气态或液态燃料，适用于多种燃烧模式。

附图说明

图1为本发明优选实施例中提供的一种用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器示意图。

图2为本发明优选实施例中提供的一种用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器的三维结构剖视图。

图3为本发明优选实施例中提供的6～10根周向均布的主燃料喷管和中心输气管的三维结构示意图。

图4为本发明优选实施例中提供的单根主燃料喷管的三维结构示意图。

图5为本发明优选实施例中提供的单根主燃料喷管的主视图。

图6为本发明优选实施例中提供的整流板的三维结构示意图。

图7为本发明优选实施例中提供的低旋流燃烧器的三维结构示意图。

图8为本发明优选实施例中提供的低旋流燃烧器的主视图。

图9为本发明优选实施例中提供的低旋流燃烧器的左视图。

图10为本发明优选实施例中提供的贫燃直喷管的三维结构示意图。

图中，1为缓冲腔，2为中心输气管，3为渐缩渐扩管，4为主燃料喷管，5为整流孔，6为整流板，7为预混进气管，8为带孔薄板，9为低旋流叶片，10为旋流通道，11为中心直流通道，12为低旋流燃烧器，13为贫燃直喷管，14为文丘里管，15为头部端壁，16为火焰筒，17为值班燃料喷射孔，18为低旋流悬浮火焰，19第一主燃料喷射孔，20第二主燃料喷射孔，21直通孔，22钝体。

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的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。

本发明为一种用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器，将低旋流燃烧技术与贫燃直喷燃烧技术相结合，能够使燃料和空气在燃烧器内充分混合，大幅降低NOx排放，同时避免自燃、回火、贫燃熄火、燃烧振荡出现的风险，提高燃烧效率，并且该燃烧器结构简单，易于加工。

如图1和图2所示，本发明主要结构包括缓冲腔1、预混机构、低旋流燃烧器12、贫燃直喷管13以及火焰筒16。其中：

缓冲腔1位于燃烧器底部，空气经燃烧器底部进入缓冲腔1。

预混机构包括预混进气管7、主燃料喷管4、中心输气管2和整流板6，主燃料喷管4和低旋流燃烧器12设置在预混进气管7中，主燃料喷管4通过中心输气管2连接主燃料，低旋流燃烧器12位于主燃料喷管4上方。

中心输气管2同轴设在贫燃直喷管13的外圈，贫燃直喷管13沿轴向设置于预混进气管7和缓冲腔1中，其底端连接值班燃料，顶端高于低旋流燃烧器12并朝向火焰筒16。缓冲腔1、预混进气管7和火焰筒16自下而上连接贯通，在火焰筒16中有低旋流悬浮火焰18。

其中，预混进气管7带有渐缩渐扩管3和文丘里管14，缓冲腔1通过渐缩渐扩管3与预混进气管7连接，火焰筒16通过文丘里管14与预混进气管7连接，火焰筒16的进气端通过燃烧器头部端壁15与文丘里管14的出气端连通，贫燃直喷管13的顶端与火焰筒16的头部端臂15平齐，且贫燃直喷管13的顶端开有若干值班燃料喷射孔17。

本实施例中，渐缩渐扩管3和文丘里管14设有喉部，喉部将渐缩渐扩管3以及文丘里管14分别分隔成收缩区域和扩张区域，收缩区域与低旋流直喷燃烧器中轴线的夹角为20°～65°，扩张区域与低旋流直喷燃烧器的中轴线的夹角为15°～40°，渐缩渐扩管3和文丘里管14沿气体的流动方向半径先减小再增大。带有喉部的渐缩渐扩管3可以降低上游空气的扰流对下游流场、燃烧的影响。并且有利于增强空气和燃料掺混，加速气流形成速度梯度，抑制边界层增长，预防回火。带有喉部的文丘里管14有助于防止回火，提高了火焰稳定范围以及整个燃烧室的稳定工作范围。

参考图3、图4和图5，主燃料喷管4设在中心输气管2的外圈、渐缩渐扩管3的喉部的内圈(即渐缩渐扩管3的收缩区域)，本实施例中，主燃料喷管4有6～10根，沿周向均布连接在中心输气管2的侧壁，每根主燃料喷管4的侧面开有第一主燃料喷射孔19。每根主燃料喷管4的一端与中心输气管2的下游收缩段端部相连通，另一端与渐缩渐扩管3喉部的内壁相连接；各主燃料喷管4的中轴线位于渐缩渐扩管3喉部的1/2处，与低旋流直喷燃烧器的中轴线垂直；对于均匀来流，每根主燃料喷管4的前、后按“上密下疏”、“上大下小”的规则布置有24～40个第一主燃料喷射孔19，即靠近渐缩渐扩管3的第一主燃料喷射孔19较大且较为密集地布置，实验表明，大小孔或者疏密孔方案比等孔距等孔径的方案有更好的预混均匀性。并且适当减小喷射孔径可以提高射流动量，从而得到较好的初始燃料场。第一主燃料喷射孔19的形状为圆形，与渐缩渐扩管3最接近的第一主燃料喷射孔19的直径为4mm～5mm，远离渐缩渐扩管3的第一主燃料喷射孔19的直径按照0.85～0.95倍的关系逐渐缩小；靠近渐缩渐扩管3的第一主燃料喷射孔19与其相邻第一主燃料喷射孔19的距离按1.1～1.2倍的关系逐渐增大。

本实施例中，中心输气管2靠近主燃气出口的一端即顶端设有收缩段，收缩段与燃烧器中轴线的夹角为20°～50°。收缩段上沿周向均布有60～90个直径为3mm～4mm的第二主燃料喷射孔20。第二主燃料喷射孔20的中轴线与低旋流直喷燃烧器中轴线平行。少部分主燃料经中心输气管2末端收缩段上的第二主燃料喷射孔20沿顺流方向喷出，填补至中心区域，进一步提高空气、燃料的预混均匀性，降低了NOx的排放，亦不会对下游的弱旋流流场造成任何影响。

整流板6位于预混进气管7中主燃料喷管4和低旋流燃烧器12之间的位置，具体布置在渐缩渐扩管3的扩张段下游端部内侧、贫燃直喷管13的外侧，整流板6的外径等于预混进气管7的内径，贫燃直喷管13贯穿整流板6的中心。参考图6，整流板6上若干有整流孔5，整流孔5的直径为5mm～6mm，沿周向均布在整流板6上。预混进气管7、中心输气管2与贫燃直喷管13同轴设置，缓冲腔1、预混进气管7、主燃料喷管4、中心输气管2以及贫燃直喷管13配合构成气体流动通道。预混机构与低旋流燃烧器12通过预混进气管7连接。

参考图7和图8，低旋流燃烧器12主体由轴向均匀排布的低旋流叶片9和中心直流通道11组成，中心直流通道11为筒状结构，贫燃直喷管13从其中穿过并同轴设置，中心直流通道11的外壁与预混进气管7的内壁之间形成旋流通道10，低旋流叶片9设置在中心直流通道11的外壁下部，具体设在中心直流通道11的外圈、预混进气管7的内圈，并位于旋流通道10内，低旋流叶片9的数量在18～24片之间，旋流强度在0.5～0.55之间，在这个旋流强度范围内，燃料和空气能够更好的预混，所以NOx排放量低，燃烧效率高。贫燃直喷管13位于低旋流燃烧器12内与其同轴设置。中心直流通道11设在贫燃直喷管13的外圈，旋流通道10的内圈。中心直流通道11的直径D2＝0.7D～0.8D。中心直流通道11入口处安装有薄板8，薄板8上沿周向均布有直通孔21，薄板8的阻塞比(即薄板在流道截面上的投影面积与直流通道截面积之比)为85％～95％。带孔的薄板8的作用在于调节通过低旋流燃烧器12的中心直流通道11和旋流通道10预混气的通量，同时在中心直流通道11内产生适当强度的湍流，增加燃烧器头部出口处预混火焰的传播速度，防止脱火。同时较高的孔板阻塞比能够强化燃料、空气的预混均匀性，降低NOx排放。低旋流燃烧器12位于整流板6的下游。低旋流燃烧器12进口与整流板6出口之间的距离h2＝0.7D～1D，中心直流通道11出口和头部端壁15之间的距离h1＝0.5D～0.7D。预混进气管7、低旋流燃烧器12与贫燃直喷管13同轴设置。缓冲腔1、预混进气管7、主燃料喷管4、中心输气管2以及低旋流燃烧器12配合构成空气、主燃料以及空气与主燃料的预混气的进气以及流动通道。贫燃直喷管13构成了值班燃料的进气以及流动通道。以体积百分比计，通往中心输气管2的主燃料量占总燃料量的比例为80％～90％，通往贫燃直喷管13的值班燃料量占总燃料量的比例为10％～20％。

参考图9和图10，贫燃直喷管13沿轴向套设在低旋流燃烧器12的中心直流通道11的内圈，其中轴线与燃烧器中轴线重合。贫燃直喷管13靠近值班燃料出口的一端设有钝体22，钝体22的斜边与低旋流直喷燃烧器中心轴线的夹角为10°～14°，此角度较小，所以低旋流直喷火焰流场不会出现回流区，保证了弱旋流流场。值班燃料喷射孔17沿周向均布在钝体22顶部，钝体22顶部的阻塞比与带孔薄板8的阻塞比一致。含贫燃直喷管13的低旋流直喷燃烧器相比常规低旋流燃烧器增加了燃料的直流通量，可在合理增大叶片几何角和孔板阻塞比的同时消除中心直流通量不足的风险，使火焰依然保持着悬浮的低旋流火焰18，并进一步抑制振荡燃烧，火焰稳定性增强，且火焰温度低，具有极低的NOx排放能力。

本发明的工作过程如下:

空气经低旋流直喷燃烧器下部进入缓冲腔1，进而通过预混进气管7上游的渐缩渐扩管3进入预混区。值班燃料经贫燃直喷管13进入燃烧器。主燃料从中心输气管2进入燃烧器，大部分主燃料经主燃料喷管4上的第一主燃料喷射孔19射出，通过多点预分散方式，在喷射截面形成良好的初始分布，与预混进气管7上游的加速空气充分垂直掺混，同时小部分主燃料经中心输气管2末端收缩段上的第二主燃料喷射孔20沿顺流方向喷出，填补至中心区域与空气均匀预混。空气卷吸主燃料在渐缩渐扩管3部分减速，经整流板6，预混段后完成预混。一部分预混燃气经低旋流燃烧器12的旋流通道10形成旋流预混燃气，一部分预混燃气经低旋流燃烧器12的中心直流通道11形成直流预混燃气。两者在文丘里管14出口附近形成掺混均匀的低旋流预混燃气。主燃料、空气预混燃气和从贫燃直喷管13喷射出的值班燃气在火焰筒16下游燃烧形成速度持续衰减的扩张流。低旋流悬浮火焰18就稳定在火焰传播速度等于当地气流速度的位置。

在其他实施例中，还可以直接将少部分空气与主燃料一起通入中心输气管2内，这部分燃料和空气直接在中心输气管2内预混，而大部分空气依然经低旋流直喷燃烧器下部进入缓冲腔1，进而由渐缩渐扩管3进入预混区，与中心输气管2以及主燃料喷管4上的第一主燃料喷射孔19和第二主燃料喷射孔20喷出的预混燃气再次预混，之后经整流板6、低旋流燃烧器12及文丘里管14与从贫燃直喷管13喷出的值班燃料燃烧形成低旋流悬浮火焰18。

综上，本发明通过将低旋流燃烧技术与贫燃直喷燃烧技术相结合，间接增加了直流通道截面积，可在合理增大叶片几何角和孔板阻塞比的同时消除中心直流通量不足的风险，保证了弱旋流流场，并进一步提高了燃料/空气的预混均匀性，大幅降低NOx的排放，降低自燃、回火、贫燃熄火、燃烧振荡出现的风险，提高燃烧效率；由于燃烧器工作在贫预混燃烧状态，工作当量比在0.5～0.8附近，此时火焰温度较低，降级了热力型NOx的生成；由于燃烧器靠近燃气出口处增设了文丘里管，提高了燃烧器的稳定工作范围，进一步预防回火。此外，本发明提供的低旋流直喷燃烧器具有较好的适用性，能够使用气态或液态燃料，适用于多种燃烧模式。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器，包括自下而上连接贯通的缓冲腔(1)、预混进气管(7)和火焰筒(16)，空气经燃烧器底部进入缓冲腔(1)，其特征在于，所述预混进气管(7)中设置有主燃料喷管(4)和低旋流燃烧器(12)，主燃料喷管(4)通过中心输气管(2)连接主燃料，低旋流燃烧器(12)位于主燃料喷管(4)上方，贫燃直喷管(13)沿轴向设置于预混进气管(7)和缓冲腔(1)中，其底端连接值班燃料，顶端高于低旋流燃烧器(12)并朝向火焰筒(16)。

2.根据权利要求1所述用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器，其特征在于，所述缓冲腔(1)通过渐缩渐扩管(3)与预混进气管(7)连接，火焰筒(16)通过文丘里管(14)与预混进气管(7)连接，火焰筒(16)的进气端通过燃烧器头部端壁(15)与所述文丘里管(14)的出气端连通，贫燃直喷管(13)的顶端与火焰筒(16)的头部端臂(15)平齐，且贫燃直喷管(13)的顶端开有若干值班燃料喷射孔(17)。

3.根据权利要求2所述用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器，其特征在于，火焰筒(16)的直径D1＝1.3D～1.5D，D为渐缩渐扩管(3)和文丘里管(14)之间的预混进气管(7)管径；所述渐缩渐扩管(3)和文丘里管(14)均设有喉部，所述喉部将渐缩渐扩管(3)和文丘里管(14)分别分隔成收缩区域和扩张区域，收缩区域与燃烧器中轴线的夹角为20°～65°，扩张区域与燃烧器中轴线的夹角为15°～40°，所述渐缩渐扩管(3)和文丘里管(14)沿气体的流动方向半径先减小再增大，所述主燃料喷管(4)设置于渐缩渐扩管(3)的收缩区域。

4.根据权利要求1所述用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器，其特征在于，所述预混进气管(7)中位于主燃料喷管(4)和低旋流燃烧器(12)之间设置有带均匀分布整流孔(5)的整流板(6)，整流板(6)的外径等于预混进气管(7)的内径，所述贫燃直喷管(13)贯穿整流板(6)的中心。

5.根据权利要求4所述用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器，其特征在于，所述整流板(6)位于渐缩渐扩管(3)的扩张段下游端部内侧、贫燃直喷管(13)的外侧；所述整流孔(5)的直径为5mm～6mm，沿周向均布在整流板(6)上，预混进气管(7)、中心输气管(2)与贫燃直喷管(13)同轴设置，缓冲腔(1)、预混进气管(7)、主燃料喷管(4)、中心输气管(2)以及贫燃直喷管(13)配合构成气体流动通道。

6.根据权利要求1所述用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器，其特征在于，所述低旋流燃烧器(12)主体由轴向均匀排布的低旋流叶片(9)和中心直流通道(11)组成，所述中心直流通道(11)为筒状结构，贫燃直喷管(13)从其中穿过且同轴设置，中心直流通道(11)的外壁与预混进气管(7)的内壁之间形成旋流通道(10)，低旋流叶片(9)设置在中心直流通道(11)的外壁下部，并位于旋流通道(10)内。

7.根据权利要求6所述用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器，其特征在于，所述低旋流叶片(9)的数量在18～24片之间，旋流强度在0.5～0.55之间，在这个旋流强度范围内，燃料和空气能够更好的预混，所以NOx排放量低，燃烧效率高，所述中心直流通道(11)设在所述贫燃直喷管(13)的外圈，旋流通道(10)的内圈，中心直流通道(11)的直径D2＝0.7D～0.8D；中心直流通道(11)入口处安装有薄板(8)，薄板(8)上沿周向均布有直通孔(21)，薄板(8)的阻塞比即薄板在流道截面上的投影面积与直流通道截面积之比为85％～95％；所述低旋流燃烧器(12)位于整流板(6)的下游，所述低旋流燃烧器(12)进口与整流板(6)出口之间的距离h2＝0.7D～1D，所述中心直流通道(11)出口和头部端壁(15)之间的距离h1＝0.5D～0.7D，所述预混进气管(7)、低旋流燃烧器(12)与所述贫燃直喷管(13)同轴设置，所述缓冲腔(1)、预混进气管(7)、主燃料喷管(4)、中心输气管(2)以及低旋流燃烧器(12)配合构成空气、主燃料以及空气与主燃料预混气的进气以及流动通道，所述贫燃直喷管(13)构成值班燃料的进气以及流动通道，以体积百分比计，通往中心输气管(2)的主燃料量占总燃料量的比例为80％～90％，通往贫燃直喷管(13)的值班燃料量占总燃料量的比例为10％～20％。

8.根据权利要求6或7所述用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器，其特征在于，所述贫燃直喷管(13)沿轴向套设在低旋流燃烧器(12)的中心直流通道(11)的内圈，其中轴线与燃烧器中轴线重合，贫燃直喷管(13)靠近值班燃料出口的一端设有钝体(22)，钝体(22)斜边与燃烧器中心轴线的夹角为10°～14°，钝体(22)顶部沿周向均布有值班燃料喷射孔(17)，所述钝体(22)顶部的阻塞比与带孔薄板(8)的阻塞比一致。

9.根据权利要求1所述用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器，其特征在于，所述中心输气管(2)同轴设置在贫燃直喷管(13)外，中心输气管(2)顶端为收缩段，并开有第二主燃料喷射孔(20)，收缩段与燃烧器中轴线的夹角为20°～50°，所述主燃料喷管(4)有多根，沿周向均布连接在中心输气管(2)的侧壁，每根主燃料喷管(4)的侧面开有第一主燃料喷射孔(19)。

10.根据权利要求9所述用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器，其特征在于，所述第二主燃料喷射孔(20)直径为3mm～4mm，在收缩段上沿周向均布60～90个，第二主燃料喷射孔(20)的中轴线与燃烧器中轴线平行，部分主燃料经中心输气管(2)末端收缩段上的第二主燃料喷射孔(20)沿顺流方向喷出，填补至中心区域；每根所述主燃料喷管(4)的一端与中心输气管(2)的下游收缩段端部相连通，另一端与渐缩渐扩管(3)喉部的内壁相连接；每根主燃料喷管(4)的中轴线位于所述渐缩渐扩管(3)喉部的1/2处，与燃烧器的中轴线垂直；对于均匀来流，每根所述主燃料喷管(4)的前、后按“上密下疏”、“上大下小”的规则布置有24～40个第一主燃料喷射孔(19)，即靠近渐缩渐扩管(3)的第一主燃料喷射孔(19)更加密集地布置；所述第一主燃料喷射孔(19)的形状为圆形，与渐缩渐扩管(3)最接近的第一主燃料喷射孔(19)的直径为4mm～5mm，远离渐缩渐扩管(3)的第一主燃料喷射孔(19)的直径按照0.85～0.95倍的比例逐渐缩小；靠近渐缩渐扩管(3)的第一主燃料喷射孔(19)与其相邻第一主燃料喷射孔(19)的距离按1.1～1.2倍的关系逐渐增大。

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