CN113719858B - 基于高低旋流匹配的天然气高效稳燃低排放燃烧室头部 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃气轮机燃烧室应用技术领域，具体涉及一种基于高低旋流匹配的天然气高效稳燃低排放燃烧室头部。本发明采用高旋流主燃级和低旋流值班级结合的设计，利用主燃级的高旋流提高燃烧效率，值班级的低旋流用来在全工况范围内稳定燃烧，低旋流值班级燃烧区中更短的烟气停留时间使得产生的NOx排放极低，低旋流值班级形成的托举火焰也不易出现回火、吹熄和烧蚀等情况。本发明中主燃级使用贫预混同轴分级燃烧方式，值班级采用低旋流预混燃烧方式，塔式旋流器的设计降低了旋流通道内的压力损失，先进的燃料供应方式可以提高燃料/空气掺混均匀性，还能提高燃烧室头部空间利用率，使燃烧室头部更加轻量化。

Description

基于高低旋流匹配的天然气高效稳燃低排放燃烧室头部

技术领域

本发明属于燃气轮机燃烧室应用技术领域，具体涉及一种基于高低旋流匹配的天然气高效稳燃低排放燃烧室头部。

背景技术

随着环境污染问题的日益突出和世界各国环保意识的不断增强，国际组织对燃烧系统制定了严格的大气污染物排放标准，要求不断降低燃气轮机污染物的排放水平。因此低排放燃烧技术成为了限制产业发展前景的关键技术之一，新一代燃气轮机燃烧室设计和研发向着分级分区的贫燃预混燃烧技术发展，由此带来的是燃烧不稳定引起的燃烧室寿命下降等一系列问题，国内迫切需要一种全工况下都稳定燃烧的低排放燃气轮机燃烧室。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于高低旋流匹配的天然气高效稳燃低排放燃烧室头部。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

包括燃料进口管组1、主燃级第一级3、主燃级第二级2和低旋流值班级4；所述的燃料进口管组1包括值班级燃料进口管1-1、主燃级第二级燃料进口管1-2和主燃级第一级燃料进口管1-3；

所述的主燃级第二级2包括主燃级第二级外轮毂2-13和主燃级第二级内轮毂2-15；所述的主燃级第二级内轮毂2-15设置在主燃级第二级外轮毂2-13内侧，在主燃级第二级外轮毂2-13和主燃级第二级内轮毂2-15之间均布有主燃级第二级叶片2-14；所述的主燃级第二级叶片2-14内部设有主燃级第一级第一燃料导管3-2和主燃级第二级燃料导管2-7，在主燃级第二级叶片2-14表面开设有主燃级第二级燃料孔2-8，主燃级第二级燃料孔2-8与主燃级第二级燃料导管2-7连通；

所述的第二级外轮毂2-13内部开设有主燃级第一级第一燃料环腔2-1、主燃级第二级第一燃料环腔2-2、主燃级第二级第二燃料环腔2-3、主燃级第一级第二燃料环腔2-4、主燃级第一级第三燃料环腔2-5、主燃级第二级燃料环腔2-6；所述的主燃级第二级燃料进口管1-2与主燃级第二级第一燃料环腔2-2连通；所述的主燃级第一级燃料进口管1-3与主燃级第一级第一燃料环腔2-1连通；所述的主燃级第二级第一燃料环腔2-2与主燃级第二级第二燃料环腔2-3之间通过主燃级第二级第一燃料环腔连接2-9连通；所述的主燃级第一级第一燃料环腔2-1与主燃级第一级第二燃料环腔2-4之间通过主燃级第一级第一燃料环腔连接2-10连通；所述的主燃级第二级第二燃料环腔2-3与主燃级第二级燃料环腔2-6之间通过主燃级第二级第二燃料环腔连接2-11连通；所述的主燃级第一级第二燃料环腔2-4通过主燃级第一级第三燃料环腔2-5之间通过主燃级第一级第二燃料环腔连接2-12连通；所述的主燃级第二级燃料环腔2-6与各主燃级第二级叶片2-14内部的主燃级第二级燃料导管2-7连通；

所述的主燃级第一级3包括主燃级第一级内轮毂3-6；所述的主燃级第一级内轮毂3-6设置在主燃级第二级内轮毂2-15内侧，在主燃级第一级内轮毂3-6与主燃级第二级内轮毂2-15之间均布有主燃级第一级叶片3-5；所述的主燃级第一级叶片3-5内部设有主燃级第一级第二燃料导管3-4，在主燃级第一级叶片3-5表面开设有主燃级第一级燃料孔3-3，主燃级第一级燃料孔3-3与主燃级第一级第二燃料导管3-4连通；所述的主燃级第二级内轮毂2-15内部开设有主燃级第一级燃料环腔3-1；所述的主燃级第一级燃料环腔3-1通过主燃级第一级第一燃料导管3-2与主燃级第一级第三燃料环腔2-5连通；所述的主燃级第一级燃料环腔3-1与各主燃级第一级叶片3-5内部的主燃级第一级第二燃料导管3-4连通；

所述的低旋流值班级4包括低旋流值班级内轮毂4-5；所述的低旋流值班级内轮毂4-5设置在主燃级第一级内轮毂3-6内侧，在低旋流值班级内轮毂4-5表面均布有低旋流值班级叶片4-2，在低旋流值班级内轮毂4-5前端设有低旋流值班级多孔板4-3；所述的主燃级第一级内轮毂3-6内部开设有低旋流值班级燃料环腔4-4，在主燃级第一级内轮毂3-6内侧开设有低旋流值班级燃料喷孔4-1，低旋流值班级燃料喷孔4-1与低旋流值班级燃料环腔4-4连通；所述的值班级燃料进口管1-1与低旋流值班级燃料环腔4-4连通。

本发明的有益效果在于：

本发明采用高旋流主燃级和低旋流值班级结合的设计，利用主燃级的高旋流提高燃烧效率，值班级的低旋流用来在全工况范围内稳定燃烧，低旋流值班级燃烧区中更短的烟气停留时间使得产生的NOx排放极低，低旋流值班级形成的托举火焰也不易出现回火、吹熄和烧蚀等情况。本发明中主燃级使用贫预混同轴分级燃烧方式，主燃级燃料先通过轮毂内多级环腔通道进入叶片中，然后从叶片上的燃料孔进入叶间流道，并与空气进行均匀掺混；值班级采用低旋流预混燃烧方式，值班级燃料通过燃料进口管直接进入值班级燃料环腔，经燃料环腔上周向均布的小孔喷入值班级空气通道后与空气进行预先掺混。本发明采用的塔式旋流器的设计降低了旋流通道内的压力损失，先进的燃料供应方式可以提高燃料/空气掺混均匀性，还能提高燃烧室头部空间利用率，使燃烧室头部更加轻量化。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图。

图2为本发明的纵剖示意图。

图3为本发明的横剖示意图。

图4为本发明中低旋流值班级结构示意图。

图5为本发明中主燃级第一级结构示意图。

图6为本发明中主燃级第二级结构示意图。

图7为本发明与燃烧室装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明设计了一种基于高低旋流匹配的天然气高效稳燃低排放燃烧室头部，结合高旋流提高燃烧效率和低旋流降低燃烧不稳定效应的理念，提出了一种低排放燃烧室高效稳定燃烧的流场组织形式和方法，这种方案具有结构轻巧、空间利用率高、全工况范围燃烧稳定、容积热强度高、污染物排放低、出口温度均匀、通用性好、加工维护简单等优点。

一种基于高低旋流匹配的天然气高效稳燃低排放燃烧室头部，包括燃料进口管组1、主燃级第一级3、主燃级第二级2和低旋流值班级4；所述的燃料进口管组1包括值班级燃料进口管1-1、主燃级第二级燃料进口管1-2和主燃级第一级燃料进口管1-3；

所述的主燃级第二级2包括主燃级第二级外轮毂2-13和主燃级第二级内轮毂2-15；所述的主燃级第二级内轮毂2-15设置在主燃级第二级外轮毂2-13内侧，在主燃级第二级外轮毂2-13和主燃级第二级内轮毂2-15之间均布有主燃级第二级叶片2-14；所述的主燃级第二级叶片2-14内部设有主燃级第一级第一燃料导管3-2和主燃级第二级燃料导管2-7，在主燃级第二级叶片2-14表面开设有主燃级第二级燃料孔2-8，主燃级第二级燃料孔2-8与主燃级第二级燃料导管2-7连通；

所述的第二级外轮毂2-13内部开设有主燃级第一级第一燃料环腔2-1、主燃级第二级第一燃料环腔2-2、主燃级第二级第二燃料环腔2-3、主燃级第一级第二燃料环腔2-4、主燃级第一级第三燃料环腔2-5、主燃级第二级燃料环腔2-6；所述的主燃级第二级燃料进口管1-2与主燃级第二级第一燃料环腔2-2连通；所述的主燃级第一级燃料进口管1-3与主燃级第一级第一燃料环腔2-1连通；所述的主燃级第二级第一燃料环腔2-2与主燃级第二级第二燃料环腔2-3之间通过主燃级第二级第一燃料环腔连接2-9连通；所述的主燃级第一级第一燃料环腔2-1与主燃级第一级第二燃料环腔2-4之间通过主燃级第一级第一燃料环腔连接2-10连通；所述的主燃级第二级第二燃料环腔2-3与主燃级第二级燃料环腔2-6之间通过主燃级第二级第二燃料环腔连接2-11连通；所述的主燃级第一级第二燃料环腔2-4通过主燃级第一级第三燃料环腔2-5之间通过主燃级第一级第二燃料环腔连接2-12连通；所述的主燃级第二级燃料环腔2-6与各主燃级第二级叶片2-14内部的主燃级第二级燃料导管2-7连通；

所述的主燃级第一级3包括主燃级第一级内轮毂3-6；所述的主燃级第一级内轮毂3-6设置在主燃级第二级内轮毂2-15内侧，在主燃级第一级内轮毂3-6与主燃级第二级内轮毂2-15之间均布有主燃级第一级叶片3-5；所述的主燃级第一级叶片3-5内部设有主燃级第一级第二燃料导管3-4，在主燃级第一级叶片3-5表面开设有主燃级第一级燃料孔3-3，主燃级第一级燃料孔3-3与主燃级第一级第二燃料导管3-4连通；

所述的主燃级第二级内轮毂2-15内部开设有主燃级第一级燃料环腔3-1；所述的主燃级第一级燃料环腔3-1通过主燃级第一级第一燃料导管3-2与主燃级第一级第三燃料环腔2-5连通；所述的主燃级第一级燃料环腔3-1与各主燃级第一级叶片3-5内部的主燃级第一级第二燃料导管3-4连通；

所述的低旋流值班级4包括低旋流值班级内轮毂4-5；所述的低旋流值班级内轮毂4-5设置在主燃级第一级内轮毂3-6内侧，在低旋流值班级内轮毂4-5表面均布有低旋流值班级叶片4-2，在低旋流值班级内轮毂4-5前端设有低旋流值班级多孔板4-3；所述的主燃级第一级内轮毂3-6内部开设有低旋流值班级燃料环腔4-4，在主燃级第一级内轮毂3-6内侧开设有低旋流值班级燃料喷孔4-1，低旋流值班级燃料喷孔4-1与低旋流值班级燃料环腔4-4连通；所述的值班级燃料进口管1-1与低旋流值班级燃料环腔4-4连通；

主燃级第一级燃料先通过主燃级第一级燃料进口管1-3进入主燃级第一级第一燃料环腔2-1，接着从主燃级第一级第一燃料环腔连接2-10进入主燃级第一级第二燃料环腔2-4，再经过主燃级第一级第二燃料环腔连接2-12到达主燃级第一级第三燃料环腔2-5，然后从主燃级第二级叶片2-14中的主燃级第一级第一燃料导管3-2到达主燃级第一级燃料环腔3-1，最后通过主燃级第一级第二燃料导管3-4从主燃级第一级燃料孔3-3喷出；

主燃级第二级燃料从主燃级第二级燃料进口管1-2进入主燃级第二级第一燃料环腔2-2，经由主燃级第二级第一燃料环腔连接2-9到达主燃级第二级第二燃料环腔2-3，再通过主燃级第二级第二燃料环腔连接2-11进入主燃级第二级燃料环腔2-6，最后从主燃级第二级燃料导管2-7由主燃级第二级燃料孔2-8喷出

低旋流值班级由低旋流值班级叶片4-2、低旋流值班级多孔板4-3和低旋流值班级内轮毂4-5组成，通过调整低旋流值班级燃料喷孔4-1在低旋流值班级燃料环腔4-4上的位置，低旋流值班级可以从预混燃烧过渡到扩散燃烧，可以满足不同燃机的运行工况要求，在不同燃机上的应用前景广阔；

通过低旋流值班级内轮毂4-5、主燃级第一级内轮毂3-6、主燃级第二级内轮毂2-15和主燃级第二级外轮毂2-13的空气和燃料在低旋流值班级叶片4-2、主燃级第一级叶片3-5和主燃级第二级叶片2-14的旋流作用下形成多个剪切层，在高低旋流配合下剪切层提高了燃烧效率，并且控制了燃烧区最高温度，降低了NOx排放。

气态燃料分别通过值班级燃料进口管1-1、主燃级第一级燃料进口管1-3和主燃级第二级燃料进口管1-2进入燃烧室。采用燃烧室头部侧面开孔的形式供给燃料，相比于传统的肋板式供给方式减少了对头部来流的影响，提高了燃烧室头部内空气流动均匀性，降低了燃料供给引起的压力损失；内级燃料通过外级叶片供给，叶片中互不干涉的多个燃料导管提高了燃料供给效率和周向均匀程度，降低了加工制造成本。

实施例1：

本发明设计了一种基于高低旋流匹配的天然气高效稳燃低排放燃烧室头部，结合高旋流提高燃烧效率和低旋流降低燃烧不稳定效应的理念，提出了一种低排放燃烧室高效稳定燃烧的流场组织形式和方法，这种方案具有结构轻巧、空间利用率高、全工况范围燃烧稳定、容积热强度高、污染物排放低、出口温度均匀、通用性好等优点。使用低旋流值班级的同轴分级燃烧室头部避开了传统燃烧室值班级采用强旋流稳燃时燃烧不稳定隐患及对旋流器出口带来的回火、烧蚀作用，结合高旋流主燃级和低旋流稳燃预混燃烧，提高燃烧效率的同时提供安全稳定的值班级火焰，在污染物低排放水平下保证全工况的燃烧稳定性。在燃烧室头部的各级轮毂布置多级燃料环腔及环腔连接，并通过主燃级叶片内部导管和燃料孔输送燃料，提高燃烧室头部空间利用率，使得燃烧室头部更加轻量化，降低了燃空掺混结构的复杂程度。

如图1～7所示，一种基于高低旋流匹配的天然气高效稳燃低排放燃烧室头部。该结构主要包含低旋流值班级、主燃级第一级和主燃级第二级等，各级进气量根据低旋流值班级内轮毂4-5、主燃级第一级内轮毂3-6、主燃级第二级内轮毂2-15和主燃级第二级外轮毂2-14以及低旋流值班级叶片4-2、主燃级第一级叶片3-5和主燃级第二级叶片2-14的通流能力和流阻系数自动分配，各级燃料由值班级燃料进口管1-1、主燃级第一级燃料进口管1-3和主燃级第二级燃料进口管1-2分别进入后在低旋流值班级燃烧室内部主燃级第一级第一燃料环腔2-1、主燃级第二级第一燃料环腔2-2、主燃级第二级第二燃料环腔2-3、主燃级第一级第二燃料环腔2-4、主燃级第一级第三燃料环腔2-5、主燃级第二级燃料环腔2-6和主燃级第一级燃料环腔3-1及主燃级第二级第一燃料环腔连接2-9、主燃级第一级第一燃料环腔连接2-10、主燃级第二级第二燃料环腔连接2-11和主燃级第一级第二环腔连接稳压，最终沿面法向以相同速度从值班级燃料喷口4-1、主燃级第一级燃料孔3-3和主燃级第二级燃料孔2-8喷出。主燃级第一级和主燃级第二级燃料从燃料孔喷出后与空气在叶片的作用下剧烈流动掺混，流出旋流器时燃料和空气实现均匀掺混，同时低旋流值班级的燃料喷出喷孔后再值班级空气流道掺混，后进行低旋流预混燃烧，控制主燃区温度在污染物大量生成的界限之下的同时杜绝值班级出口的烧蚀和燃烧不稳定现象的发生。高效稳燃低排放燃烧室头部实际应用时,整体处于分级分区的贫预混燃烧状态下,继而能获得更加均匀的温度场分布，燃烧室出口更均匀的温度分布能提高涡轮叶片的使用寿命，低旋流值班级的托举火焰在防止回火和燃料喷口烧蚀的同时全工况范围内提供稳定值班火焰，整体结构良好的低排放性能和燃烧稳定性不随着结构尺寸的变化而下降，具有应用在不同低排放燃气轮机燃烧室上的广阔前景。

主燃级使用贫预混同轴分级燃烧方式，主燃级燃料先通过轮毂内多级环腔通道进入叶片中，然后从叶片上的燃料孔进入叶间流道，并与空气进行均匀掺混。值班级采用低旋流预混燃烧方式，值班级燃料通过燃料进口管直接进入值班级燃料环腔，经燃料环腔上周向均布的小孔喷入值班级空气通道后与空气进行预先掺混；

值班级采用旋流和射流的组合方式形成低旋流，中心射流和旋流下游形成的内剪切层有较高频率的涡旋结构，而旋流和外部气流下游形成的外剪切层中为较低频率的涡旋，在外剪切层的涡旋没带走燃烧热产物与外部空气掺混前，燃烧高温产物就顺着内剪切层的涡旋旋转掺混并加热新鲜混气，内剪切层接连不断的产生涡旋使得火焰根部一直维持在相对稳定的低速区，实现在全工况运行范围内的高效稳定燃烧。低旋流燃烧区中更短的烟气停留时间使得产生的NOx排放极低，低旋流值班级形成的托举火焰不易出现回火、吹熄和烧蚀等情况；

主燃级和值班级分级分区的燃烧组织方式使得主燃区整体处于贫预混燃烧状态下,继而能获得更加均匀的温度场分布，燃烧室出口更均匀的温度分布能提高涡轮叶片的使用寿命；主燃级采用塔式旋流器的设计能降低旋流通道内的压力损失，先进的燃料供应方式在提高燃料/空气掺混均匀性的同时还能提高燃烧室头部空间利用率，使燃烧室头部更加轻量化；各级叶片为弯叶片，相比于传统的弯扭叶片，设计加工方便。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用高旋流主燃级和低旋流值班级结合的设计，利用主燃级的高旋流提高燃烧效率，值班级的低旋流用来在全工况范围内稳定燃烧，低旋流值班级燃烧区中更短的烟气停留时间使得产生的NOx排放极低，低旋流值班级形成的托举火焰也不易出现回火、吹熄和烧蚀等情况。本发明中主燃级使用贫预混同轴分级燃烧方式，主燃级燃料先通过轮毂内多级环腔通道进入叶片中，然后从叶片上的燃料孔进入叶间流道，并与空气进行均匀掺混。值班级采用低旋流预混燃烧方式，值班级燃料通过燃料进口管直接进入值班级燃料环腔，经燃料环腔上周向均布的小孔喷入值班级空气通道后与空气进行预先掺混。本发明采用的塔式旋流器的设计降低了旋流通道内的压力损失，先进的燃料供应方式可以提高燃料/空气掺混均匀性，还能提高燃烧室头部空间利用率，使燃烧室头部更加轻量化。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (1)

1.一种基于高低旋流匹配的天然气高效稳燃低排放燃烧室头部，其特征在于：包括燃料进口管组(1)、主燃级第一级(3)、主燃级第二级(2)和低旋流值班级(4)；所述的燃料进口管组(1)包括值班级燃料进口管(1-1)、主燃级第二级燃料进口管(1-2)和主燃级第一级燃料进口管(1-3)；

所述的主燃级第二级(2)包括主燃级第二级外轮毂(2-13)和主燃级第二级内轮毂(2-15)；所述的主燃级第二级内轮毂(2-15)设置在主燃级第二级外轮毂(2-13)内侧，在主燃级第二级外轮毂(2-13)和主燃级第二级内轮毂(2-15)之间均布有主燃级第二级叶片(2-14)；所述的主燃级第二级叶片(2-14)内部设有主燃级第一级第一燃料导管(3-2)和主燃级第二级燃料导管(2-7)，在主燃级第二级叶片(2-14)表面开设有主燃级第二级燃料孔(2-8)，主燃级第二级燃料孔(2-8)与主燃级第二级燃料导管(2-7)连通；

所述的第二级外轮毂(2-13)内部开设有主燃级第一级第一燃料环腔(2-1)、主燃级第二级第一燃料环腔(2-2)、主燃级第二级第二燃料环腔(2-3)、主燃级第一级第二燃料环腔(2-4)、主燃级第一级第三燃料环腔(2-5)、主燃级第二级燃料环腔(2-6)；所述的主燃级第二级燃料进口管(1-2)与主燃级第二级第一燃料环腔(2-2)连通；所述的主燃级第一级燃料进口管(1-3)与主燃级第一级第一燃料环腔(2-1)连通；所述的主燃级第二级第一燃料环腔(2-2)与主燃级第二级第二燃料环腔(2-3)之间通过主燃级第二级第一燃料环腔连接(2-9)连通；所述的主燃级第一级第一燃料环腔(2-1)与主燃级第一级第二燃料环腔(2-4)之间通过主燃级第一级第一燃料环腔连接(2-10)连通；所述的主燃级第二级第二燃料环腔(2-3)与主燃级第二级燃料环腔(2-6)之间通过主燃级第二级第二燃料环腔连接(2-11)连通；所述的主燃级第一级第二燃料环腔(2-4)与主燃级第一级第三燃料环腔(2-5)之间通过主燃级第一级第二燃料环腔连接(2-12)连通；所述的主燃级第二级燃料环腔(2-6)与各主燃级第二级叶片(2-14)内部的主燃级第二级燃料导管(2-7)连通；

所述的主燃级第一级(3)包括主燃级第一级内轮毂(3-6)；所述的主燃级第一级内轮毂(3-6)设置在主燃级第二级内轮毂(2-15)内侧，在主燃级第一级内轮毂(3-6)与主燃级第二级内轮毂(2-15)之间均布有主燃级第一级叶片(3-5)；所述的主燃级第一级叶片(3-5)内部设有主燃级第一级第二燃料导管(3-4)，在主燃级第一级叶片(3-5)表面开设有主燃级第一级燃料孔(3-3)，主燃级第一级燃料孔(3-3)与主燃级第一级第二燃料导管(3-4)连通；所述的主燃级第二级内轮毂(2-15)内部开设有主燃级第一级燃料环腔(3-1)；所述的主燃级第一级燃料环腔(3-1)通过主燃级第一级第一燃料导管(3-2)与主燃级第一级第三燃料环腔(2-5)连通；所述的主燃级第一级燃料环腔(3-1)与各主燃级第一级叶片(3-5)内部的主燃级第一级第二燃料导管(3-4)连通；

所述的低旋流值班级(4)包括低旋流值班级内轮毂(4-5)；所述的低旋流值班级内轮毂(4-5)设置在主燃级第一级内轮毂(3-6)内侧，在低旋流值班级内轮毂(4-5)表面均布有低旋流值班级叶片(4-2)，在低旋流值班级内轮毂(4-5)前端设有低旋流值班级多孔板(4-3)；

所述的主燃级第一级内轮毂(3-6)内部开设有低旋流值班级燃料环腔(4-4)，在主燃级第一级内轮毂(3-6)内侧开设有低旋流值班级燃料喷孔(4-1)，低旋流值班级燃料喷孔(4-1)与低旋流值班级燃料环腔(4-4)连通；所述的值班级燃料进口管(1-1)与低旋流值班级燃料环腔(4-4)连通。

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