CN113739208A - 一种用于低污染燃气轮机的混合冷却火焰筒 - Google Patents

一种用于低污染燃气轮机的混合冷却火焰筒 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于低污染燃气轮机的混合冷却火焰筒，包括整流罩、内壁、外壁和头部结构，整流罩设置于燃烧室内并与燃烧室的内壁之间形成有气体流通通道；头部结构靠近燃烧室的燃烧室外廊一侧设置；内壁的一端和外壁的一端均连接于头部结构上，内壁设置于靠近燃烧室入口的一侧；整流罩的一端为朝向燃烧室出口设置的开口端，内壁的中部与外壁的中部均与整流罩的开口端相连接；整流罩上分布有若干排冲击孔；头部结构内设置有旋流喷嘴。本发明对火焰筒进行分段式冷却，达到了良好的冷却效果，不易出现CO污染物超标。

Description

一种用于低污染燃气轮机的混合冷却火焰筒
技术领域
本发明属于燃烧室技术领域，具体涉及一种用于低污染燃气轮机的混合冷却火焰筒。
背景技术
燃气轮机是一种清洁性好、效率高的装置，具有体积小、重量低等优点，被广泛应用于发电、独立能源系统、机械驱动等领域。但是，燃气轮机在工作过程中，会产生氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)及未燃烧的碳氢化合物(UHC)等污染物，主要和燃烧室内燃烧火焰温度、当量比、进气压力及燃气与空气的混合均匀程度有关。
近些年来低排放燃烧技术发展迅速，各种新技术不断涌现，发展了一批低排放燃烧技术，研制了多种低污染燃烧室。贫燃预混燃烧技术是各种低污染燃烧技术中比较具有代表性的，其主要思路包括：
1、使燃料和空气在进入燃烧室之前充分掺混，油气比偏低，使得燃烧充分且燃烧温度偏低，以削弱热力型NOx和UHC的生成。
2、在火焰筒头部不供入或少供入掺混和冷却空气，避免火焰猝熄时生成CO。
其中，第1条带来的问题是：回火和燃烧不稳定。回火是带有预混合的燃烧装置常见到的一个问题，即火焰缩回到燃料喷射与空气预混合位置，需要在设计时予以考虑。
第2条带来的问题是：火焰筒头部冷却困难，壁面容易超温。这就需要通过合理的冷却结构去解决。
目前设计中存在的问题：
(1)此处参考专利：CN110131750A-一种使用气体燃料的燃气轮机低排放燃烧室。
以该专利为例，这是一种低污染燃烧室设计，它采用了火焰筒外机匣和火焰筒之间构成的气流通道来冷却火焰筒壁面，但这种对流冷却方式换热效率非常低，难以真正使壁面达到合理的温度。第二个问题是在火焰筒尾部分布若干掺混孔，其作用是降低燃烧室出口温度，使其满足涡轮入口要求，这样在燃烧室内大量供入冷却空气的方式会导致大量CO的生成。第三个问题是由于预混燃烧非常容易产生回火问题，该专利中没有防回火措施。
(2)此处参考专利：CN102393028B-天然气燃料燃气轮机干式低排放燃烧室。
以该专利为例，这也是一种低污染燃烧室设计，其重点考虑了头部预混燃烧问题，有效降低了NOx排放，但仍采用传统气膜冷却，未考虑壁面的CO生成问题。第二，该专利同样未考虑回火问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于低污染燃气轮机的混合冷却火焰筒，用以解决现有技术中存在的至少一个上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于低污染燃气轮机的混合冷却火焰筒，设置于燃烧室内，包括整流罩、内壁、外壁和头部结构，整流罩设置于燃烧室内并与燃烧室的内壁之间形成有气体流通通道；所述内壁、外壁和头部结构均安装于整流罩内，且头部结构靠近燃烧室的燃烧室外廊一侧设置；所述内壁的一端和外壁的一端均连接于头部结构上，内壁设置于靠近燃烧室入口的一侧，内壁、外壁和头部结构之间形成内腔，内腔远离头部结构的一端为与燃烧室出口相对应的开口端；所述整流罩的一端为朝向燃烧室出口设置的开口端，内壁的中部与外壁的中部均与整流罩的开口端相连接，用以在整流罩、头部结构、内壁和外壁之间形成中间通道；所述整流罩上分布有若干排冲击孔；所述头部结构内设置有旋流喷嘴。
作为一种优选的具体实施方案，在本方案中，所述整流罩包括内整流罩(9)和外整流罩，内整流罩与外整流罩通过第一螺钉连接，每个冲击孔均贯穿内整流罩与外整流罩。
作为一种优选的具体实施方案，在本方案中，所述内整流罩与头部结构通过第二螺钉连接；所述外壁上设置有L型法兰边，头部结构上设置有L型安装座，L型法兰边与L型安装座通过第三螺钉连接。
作为一种优选的具体实施方案，在本方案中，所述内整流罩上设置有限位凸起(13)，头部结构上设置有卡槽，限位凸起匹配的卡接于卡槽内。
作为一种优选的具体实施方案，在本方案中，所述旋流喷嘴设置有两个，两个旋流喷嘴之间的头部结构上设置有分流器。
作为一种优选的具体实施方案，在本方案中，所述头部结构上设置有头部气膜孔。
作为一种优选的具体实施方案，在本方案中，内壁一侧所对应的头部结构处设置有内挡板，内挡板与整流罩之间留有间隙，内挡板所对应的头部结构处设置有连通气体流通通道和旋流喷嘴的通孔；外壁一侧所对应的头部结构处设置有外挡板，外挡板与整流罩之间留有间隙，外挡板所对应的头部结构处也设置有连通气体流通通道和旋流喷嘴的通孔。
作为一种优选的具体实施方案，在本方案中，所述内壁的中部设置有内U型槽，外壁的中部设置有外U型槽，整流罩的开口端设置有连接环，连接环卡接于内U型槽和外U型槽内；所述连接环上设置有缝槽，缝槽连通中间通道，连接环上还设置有缝槽气膜孔，缝槽气膜孔连通缝槽和气体流通通道。
作为一种优选的具体实施方案，在本方案中，所述内壁靠近燃烧室出口的一端设置有内环气膜孔。
作为一种优选的具体实施方案，在本方案中，所述外壁靠近燃烧室出口的一端设置有外环气膜孔。
有益效果：1、本专利火焰筒的主燃区采用了冲击-对流冷却方式，火焰筒后段采用气膜冷却。这种混合冷却方式可以充分利用有限的冷却空气，在减少传统气膜冷却带来的CO污染物的生成的同时，在火焰筒上实现良好的冷却效果。在气量分配上，冲击-对流冷却所用气量为85％-90％，足以实现预期的冷却效果，同时这部分气都从头部进入主燃区，形成较低的油气比，使得燃烧室主燃区为贫油燃烧，降低NOx污染物的生成；气膜冷却所用的气量只占10％-15％，可以在有效降低燃烧室出口平均温度，减小涡轮的热负荷的基础上，不易出现CO污染物超标的情况。
2、在头部结构上设置有头部气膜孔，可以扰乱角涡、降低火焰温度，进而防止因火焰沿壁面低速区进入旋流喷嘴导致的回火现象的发生。由于该处气流较小，只占燃烧室进口空气流量的1％左右，对CO污染物的生成影响不大。在设计阶段，还可以通过调节头部气膜孔的尺寸来调节头部的燃烧组织，进而调节NOx的排放。
3、冲击孔两侧的总压差为2％-4％，冲击孔至壁面的距离与冲击孔孔径之比为5-8，可以保证冲击-对流冷却获得较高的冷却效率。冲击孔设置为漏斗型结构，可以增加气流流经冲击孔时的速度，提升冷却效果。
4、头部结构在中间通道位置设置有内/外挡板，可以减弱气流在中间通道中流动时在突扩结构处形成的涡旋，降低气流流经该结构时的总压损失。
5、内/外U型槽轴向开口，便于连接环末端安装进U型槽中，实现径向连接，而轴向限位和周向限位由螺钉1处的连接实现。连接环末端与U型槽之间在轴向留有间隙应对热膨胀。内/外缝槽气膜孔可以对连接结构进行冷却，减小热膨胀。这种连接方式可以保证内/外整流罩有效固定的同时，可以防止因热膨胀变形而影响结构强度与连接可靠性。
6、火焰筒主要部件连接均有合理的限位和便于安装的设计。首先内整流罩和头部结构通过卡槽进行径向限位，通过第二螺钉紧固和进行其他方向的限位，卡槽开口方向为轴向，便于从轴向进行装配和定位；头部结构和外壁在第三螺钉处连接，外壁最前端为L型法兰边，与头部结构上的L型安装座配合，提供轴向和径向的限位以及装配定位；内整流罩和外整流罩通过第一螺钉连接，连接处各自有相互配合的半开口结构，可以从轴向相互铆合，提供轴向和径向的限位以及装配定位。在内连接处和外连接处也均可从轴向进行安装。整体来看，该火焰筒各主要部分可以便利且可靠地从轴向进行装配。
附图说明
图1为本发明的剖视图；
图2为本发明的气体流向图；
图3为本发明的内壁与整流罩的连接环处连接时的局部示意图；
图4为本发明的外壁与整流罩的连接环处连接时的局部示意图。
附图标记：1-燃烧室；101-气体流通通道；102-燃烧室外廊；103-燃烧室出口；104-燃烧室入口；2-内壁；3-外壁；301-外U型槽；302-外环气膜孔；4-头部结构；5-第三螺钉；6-中间通道；7-冲击孔；8-旋流喷嘴；9-内整流罩；10-外整流罩；11-第一螺钉；12-第二螺钉；13-限位凸起；14-缝槽气膜孔；141-内U型槽；142-内环气膜孔；15-分流器；16-头部气膜孔；17-内挡板；18-外挡板；19-缝槽；20-内腔。
具体实施方式
实施例：
如图1-4所示，本实施例提供了一种用于低污染燃气轮机的混合冷却火焰筒，设置于燃烧室1内，包括整流罩、内壁2、外壁3和头部结构4，整流罩设置于燃烧室1内并与燃烧室1的内壁之间形成有气体流通通道101；所述内壁2、外壁3和头部结构4均安装于整流罩内，且头部结构4靠近燃烧室1的燃烧室外廊102一侧设置；所述内壁2的一端和外壁3的一端均连接于头部结构4上，内壁2设置于靠近燃烧室入口104的一侧，内壁2、外壁3和头部结构4之间形成内腔20，内腔20远离头部结构4的一端为与燃烧室出口103相对应的开口端；所述整流罩的一端为朝向燃烧室出口103设置的开口端，内壁2的中部与外壁3的中部均与整流罩的开口端相连接，用以在整流罩、头部结构4、内壁2和外壁3之间形成中间通道6；所述整流罩上分布有若干排冲击孔7；所述头部结构4内设置有旋流喷嘴8。
工作流程：
空气从燃烧室1的燃烧室入口104进入，首先通过冲击孔7冲击到高温的内壁2上，然后沿中间通道6向旋流喷嘴8方向流动，以对流换热的形式带走高温内壁2上的热量，这种冲击-对流冷却方式，其冷却效果要明显优于对流冷却，同时由于内壁2前段上没有气膜孔，避免了传统气膜冷却带来的易生成CO污染物的问题。同样的，气流通过燃烧室内的整流罩上的冲击孔7形成冷却火焰筒的外壁3前段靠近旋流喷嘴8的一端的冲击-对流冷却结构，进一步提高了冷却效果。
作为一种优选的具体实施方案，在本方案中，所述整流罩包括内整流罩9和外整流罩10，内整流罩9与外整流罩10通过第一螺钉11连接，每个冲击孔7均贯穿内整流罩9与外整流罩10。进一步的，所述内整流罩9与头部结构4通过第二螺钉12连接；所述外壁3上设置有L型法兰边，头部结构4上设置有L型安装座，L型法兰边与L型安装座通过第三螺钉5连接。更进一步的，所述内整流罩9上设置有限位凸起13，头部结构4上设置有卡槽，限位凸起13匹配的卡接于卡槽内。本方案的火焰筒主要部件连接均有合理的限位和便于安装的设计。首先整流罩和头部结构通过卡槽进行径向限位，通过第二螺钉12紧固和进行其他方向的限位，卡槽开口方向为如图1所示，优选为轴向，便于从轴向进行装配和定位；头部结构和外壁在第三螺钉5处连接，外壁最前端为L型法兰边，与头部结构上的L型安装座配合，提供轴向和径向的限位以及装配定位；内整流罩和外整流罩通过第一螺钉11连接，连接处各自有相互配合的半开口结构，可以从轴向相互铆合，提供轴向和径向的限位以及装配定位。在内连接处和外连接处也均可从轴向进行安装。整体来看，该火焰筒各主要部分可以便利且可靠地从轴向进行装配。
作为一种优选的具体实施方案，在本方案中，所述旋流喷嘴8设置有两个，两个旋流喷嘴8之间的头部结构4上设置有分流器15，其作用是通过分流器本身以及分流器上喷射出的高速气流来将两排旋流喷嘴分隔开，形成各自独立的燃烧区域。
作为一种优选的具体实施方案，在本方案中，所述头部结构4上设置有头部气膜孔16。在旋流喷嘴出口处，由于内/外壁和分流器的存在，气流极易在角落处形成角涡，其中往往存在着高温火焰团，火焰会反向进入旋流喷嘴中，造成回火现象，烧坏旋流喷嘴。因此，在头部结构上设置有头部气膜孔，扰乱该处的角涡，降低该处火焰温度，进而防止因火焰沿壁面低速区进入旋流喷嘴导致的回火现象的发生。由于该处气流较小，只占燃烧室进口空气流量的1％左右，对CO污染物的生成影响不大。在设计阶段，还可以通过调节头部气膜孔的尺寸来调节头部的燃烧组织，进而调节NOx的排放。
作为一种优选的具体实施方案，在本方案中，内壁2一侧所对应的头部结构4处设置有内挡板17，内挡板17与整流罩之间留有间隙，内挡板17所对应的头部结构4处设置有连通气体流通通道101和旋流喷嘴8的通孔；外壁3一侧所对应的头部结构4处设置有外挡板18，外挡板18与整流罩之间留有间隙，外挡板18所对应的头部结构4处也设置有连通气体流通通道101和旋流喷嘴8的通孔。头部结构在中间通道位置设置有内/外挡板，其作用是减弱气流在中间通道中流动时在突扩结构处形成的涡旋，降低气流流经该结构时的总压损失。
作为一种优选的具体实施方案，在本方案中，所述内壁2的中部设置有内U型槽141，外壁3的中部设置有外U型槽301，整流罩的开口端设置有连接环18，连接环18卡接于内U型槽141和外U型槽301内；所述连接环18上设置有缝槽19，缝槽19连通中间通道6，连接环18上还设置有缝槽气膜孔14，缝槽气膜孔14连通缝槽19和气体流通通道101。在本优选方案中，气体流通通道101内的气流可以通过缝槽气膜孔14喷入缝槽19，形成沿壁面的气膜，构成气膜冷却。在本方案中，内/外U型槽轴向开口，便于连接环末端安装进U型槽中，实现径向连接，而轴向限位和周向限位由第一螺钉处的连接实现。连接环末端与U型槽之间在轴向留有间隙，防止因热膨胀出现变形。内/外缝槽气膜孔可以对连接结构进行冷却，减小热膨胀。
作为一种优选的具体实施方案，在本方案中，所述内壁2靠近燃烧室出口103的一端设置有内环气膜孔142。更进一步的，所述外壁3靠近燃烧室出口103的一端设置有外环气膜孔302。在本优选方案中，气体流通通道101内的气流可以通过内环气膜孔142和外环气膜孔302形成冷却外壁后段的气膜冷却结构。
本申请分两段采用不同冷却方式的原因如下：
1燃烧室前半部分为主燃烧区，其温度通常高于后半部分，需要更多的考虑冷却，而后半部分主要需要考虑的不是冷却壁面，而是如何降低燃烧产物温度，使得燃烧室出口温度满足设计要求。如果将火焰筒分为两段进行冷却设计，可以更充分地利用有限的冷却气流，以实现不同的冷却目的。
2冲击-对流冷却的冷却效率一般来说低于气膜冷却，如果为了降低污染，燃烧室的所有壁面都采用冲击-对流冷却，很难将高温壁面降低到合适的温度；如果都采用气膜冷却，则CO污染物易超标。因此在容易生成CO污染物的高温前段采用冲击-对流冷却，后段采用气膜冷却是一个合理的选择。
3对于低污染燃烧室来说，为了降低火焰温度至1800K左右，遏制热力型NOx的生成，一般会选择较低的主燃区油气比，以保证主燃区的燃烧方式为贫油燃烧，因此，在气量分配上，主燃区空气量一般为80％-90％，由于冲击-对流冷却所用空气都将从头部结构进入主燃区参与燃烧，这就意味着冲击-对流冷却所用空气量同样占80％-90％。根据计算，这样的空气量用冲击-对流冷却的方式冷却主燃区壁面是足够的，可以达到良好的冷却效果。气膜冷却所用的气量只占10％-14％，当气膜冷却孔分布合理时不易出现CO污染物超标的情况。
4在燃烧室出口前采用气膜冷却可以有效降低燃烧室出口平均温度，减小涡轮的热负荷，特别是涡轮叶尖和叶根的热负荷。
为了使冲击-对流冷却获得较高的冷却效率，冲击孔两侧的总压差应为2％-4％，冲击孔至壁面的距离与冲击孔孔径之比应为5-8，这样可以得到合适的冲击射流。冲击孔设置为漏斗型结构，可以增加气流流经冲击孔时的速度，提升冷却效果。
本发明的有益效果：
1、本专利火焰筒的主燃区采用了冲击-对流冷却方式，火焰筒后段采用气膜冷却。这种混合冷却方式可以充分利用有限的冷却空气，在减少传统气膜冷却带来的CO污染物的生成的同时，在火焰筒上实现良好的冷却效果。在气量分配上，冲击-对流冷却所用气量为85％-90％，足以实现预期的冷却效果，同时这部分气都从头部进入主燃区，形成较低的油气比，使得燃烧室主燃区为贫油燃烧，降低NOx污染物的生成；气膜冷却所用的气量只占10％-15％，可以在有效降低燃烧室出口平均温度，减小涡轮的热负荷的基础上，不易出现CO污染物超标的情况。
2、在头部结构上设置有头部气膜孔，可以扰乱角涡、降低火焰温度，进而防止因火焰沿壁面低速区进入旋流喷嘴导致的回火现象的发生。由于该处气流较小，只占燃烧室进口空气流量的1％左右，对CO污染物的生成影响不大。在设计阶段，还可以通过调节头部气膜孔的尺寸来调节头部的燃烧组织，进而调节NOx的排放。
3、冲击孔两侧的总压差为2％-4％，冲击孔至壁面的距离与冲击孔孔径之比为5-8，可以保证冲击-对流冷却获得较高的冷却效率。冲击孔设置为漏斗型结构，可以增加气流流经冲击孔时的速度，提升冷却效果。
4、头部结构在中间通道位置设置有内/外挡板，可以减弱气流在中间通道中流动时在突扩结构处形成的涡旋，降低气流流经该结构时的总压损失。
5、内/外U型槽轴向开口，便于连接环末端安装进U型槽中，实现径向连接，而轴向限位和周向限位由螺钉1处的连接实现。连接环末端与U型槽之间在轴向留有间隙应对热膨胀。内/外缝槽气膜孔可以对连接结构进行冷却，减小热膨胀。这种连接方式可以保证内/外整流罩有效固定的同时，可以防止因热膨胀变形而影响结构强度与连接可靠性。
6、火焰筒主要部件连接均有合理的限位和便于安装的设计。首先内整流罩和头部结构通过卡槽进行径向限位，通过第二螺钉紧固和进行其他方向的限位，卡槽开口方向为轴向，便于从轴向进行装配和定位；头部结构和外壁在第三螺钉处连接，外壁最前端为L型法兰边，与头部结构上的L型安装座配合，提供轴向和径向的限位以及装配定位；内整流罩和外整流罩通过第一螺钉连接，连接处各自有相互配合的半开口结构，可以从轴向相互铆合，提供轴向和径向的限位以及装配定位。在内连接处和外连接处也均可从轴向进行安装。整体来看，该火焰筒各主要部分可以便利且可靠地从轴向进行装配。
最后应说明的是：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的保护范围。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)

1.一种用于低污染燃气轮机的混合冷却火焰筒，设置于燃烧室(1)内，其特征在于，包括整流罩、内壁(2)、外壁(3)和头部结构(4)，整流罩设置于燃烧室(1)内并与燃烧室(1)的内壁之间形成有气体流通通道(101)；所述内壁(2)、外壁(3)和头部结构(4)均安装于整流罩内，且头部结构(4)靠近燃烧室(1)的燃烧室外廊(102)一侧设置；所述内壁(2)的一端和外壁(3)的一端均连接于头部结构(4)上，内壁(2)设置于靠近燃烧室入口(104)的一侧，内壁(2)、外壁(3)和头部结构(4)之间形成内腔(20)，内腔(20)远离头部结构(4)的一端为与燃烧室出口(103)相对应的开口端；所述整流罩的一端为朝向燃烧室出口(103)设置的开口端，内壁(2)的中部与外壁(3)的中部均与整流罩的开口端相连接，用以在整流罩、头部结构(4)、内壁(2)和外壁(3)之间形成中间通道(6)；所述整流罩上分布有若干排冲击孔(7)；所述头部结构(4)内设置有旋流喷嘴(8)。
2.根据权利要求1所述的一种用于低污染燃气轮机的混合冷却火焰筒，其特征在于，所述整流罩包括内整流罩(9)和外整流罩(10)，内整流罩(9)与外整流罩(10)通过第一螺钉(11)连接，每个冲击孔(7)均贯穿内整流罩(9)与外整流罩(10)。
3.根据权利要求2所述的一种用于低污染燃气轮机的混合冷却火焰筒，其特征在于，所述内整流罩(9)与头部结构(4)通过第二螺钉(12)连接；所述外壁(3)上设置有L型法兰边，头部结构(4)上设置有L型安装座，L型法兰边与L型安装座通过第三螺钉(5)连接。
4.根据权利要求2或3所述的一种用于低污染燃气轮机的混合冷却火焰筒，其特征在于，所述内整流罩(9)上设置有限位凸起(13)，头部结构(4)上设置有卡槽，限位凸起(13)匹配的卡接于卡槽内。
5.根据权利要求1所述的一种用于低污染燃气轮机的混合冷却火焰筒，其特征在于，所述旋流喷嘴(8)设置有两个，两个旋流喷嘴(8)之间的头部结构(4)上设置有分流器(15)。
6.根据权利要求5所述的一种用于低污染燃气轮机的混合冷却火焰筒，其特征在于，所述头部结构(4)上设置有头部气膜孔(16)。
7.根据权利要求1所述的一种用于低污染燃气轮机的混合冷却火焰筒，其特征在于，内壁(2)一侧所对应的头部结构(4)处设置有内挡板(17)，内挡板(17)与整流罩之间留有间隙，内挡板(17)所对应的头部结构(4)处设置有连通气体流通通道(101)和旋流喷嘴(8)的通孔；外壁(3)一侧所对应的头部结构(4)处设置有外挡板(18)，外挡板(18)与整流罩之间留有间隙，外挡板(18)所对应的头部结构(4)处也设置有连通气体流通通道(101)和旋流喷嘴(8)的通孔。
8.根据权利要求1所述的一种用于低污染燃气轮机的混合冷却火焰筒，其特征在于，所述内壁(2)的中部设置有内U型槽(141)，外壁(3)的中部设置有外U型槽(301)，整流罩的开口端设置有连接环(18)，连接环(18)卡接于内U型槽(141)和外U型槽(301)内；所述连接环(18)上设置有缝槽(19)，缝槽(19)连通中间通道(6)，连接环(18)上还设置有缝槽气膜孔(14)，缝槽气膜孔(14)连通缝槽(19)和气体流通通道(101)。
9.根据权利要求1所述的一种用于低污染燃气轮机的混合冷却火焰筒，其特征在于，所述内壁(2)靠近燃烧室出口(103)的一端设置有内环气膜孔(142)。
10.根据权利要求1所述的一种用于低污染燃气轮机的混合冷却火焰筒，其特征在于，所述外壁(3)靠近燃烧室出口(103)的一端设置有外环气膜孔(302)。
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