CN114459055B - 一种多层孔板式预混燃气轮机燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种多层孔板式预混燃气轮机燃烧器，属于燃气轮机燃烧领域。解决了现有的预混燃烧器存在的燃料、空气分配不均匀，燃料和空气在预混腔内预混效果差的问题。本发明采用空气分配板和空气注入管分割引导来流空气，燃料导流板分割引导燃料，将空气和燃料共同引导至预混板内预混腔，位于预混板内预混腔内的燃料和空气混合物被引导至预混管束，进一步加强混合后喷出。通过上述的燃料和空气分配方案，可以实现空气和燃料的均匀预混，避免燃烧过程中的局部高温区，从而实现低NOx排放。

Description

一种多层孔板式预混燃气轮机燃烧器

技术领域

本发明属于燃气轮机燃烧领域，特别是涉及一种多层孔板式预混燃气轮机燃烧器。

背景技术

近年来由于全球经济的迅速发展，各个国家对能源的需求也与日俱增，燃气轮机具有占地面积小、运行效率高、污染物排放低等优点，因而受到了广泛的关注。在以扩散燃烧的方式组织火焰的燃气轮机中，燃料与空气在火焰锋面处以化学恰当比的条件进行燃烧，因此在主燃区存在局部高温区，在局部高温区内会生成热力型NOx，从而导致尾气含有较高浓度的NOx。而预混燃烧可以实现尽可能接近贫燃极限的贫预混燃烧，使得混合物在燃烧腔内以较低的温度均匀燃烧，避免局部高温区，从而降低NOx的排放。在以GE公司、三菱公司等为代表的商用燃机公司在地面重型燃气轮机设计中，越来越多采用预混燃烧的方式组织火焰。GE公司的DLN燃烧技术从1.0发展到2.6+的过程中，以全预混的燃烧模式取代了值班级扩散燃烧模式，并改进了旋流预混喷嘴。

燃烧腔是燃气轮机的核心设备，燃料在燃烧腔中的燃烧过程，直接影响到燃气轮机的运行效率、运行稳定性、污染物排放等问题。燃烧器是燃烧腔内的主体设备，燃烧器的设计会直接关系到燃烧过程的好坏。传统的燃气轮机的单一燃烧器主体主要包含燃料管道和较少(通常是个位数)的燃料喷嘴，燃料通过燃料喷嘴喷出，在周围气体环境中扩散燃烧。在此基础上，已有对该类喷嘴的改进(喷嘴数量一般不变)，加入空气管路，同时对喷嘴进行改进，使得空气和燃料以旋流预混的方式喷出进行燃烧。这样的旋流预混喷嘴存在预混效果差、易发生回火等问题。因此，将燃料和空气流进行分割和再分配，形成小股的空气和燃料，并在一定的预混腔内进行预混合，并通过成百上千的喷孔喷出，实现了较好的预混效果，进一步降低了NOx的排放。

在预混燃烧器中，存在如何将大股的空气和燃料均匀的分割为相对均匀的小股空气和燃料，并均匀再分配到预混腔内，并在预混腔内实现较好的预混合效果的问题。因此有必要设计预混燃烧器的燃料和空气的切割和再分配结构，以及对应的预混腔结构，以实现预混技术预期的预混效果的同时，使燃烧腔都能获得良好的燃烧效果，从而使整个燃烧腔能够满足高效低污染燃烧技术的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种多层孔板式预混燃气轮机燃烧器，以解决现有的预混燃烧器存在的燃料、空气分配不均匀，燃料和空气在预混腔内预混效果差的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种多层孔板式预混燃气轮机燃烧器，包括一级燃料管、端盖、二级燃料管、火焰筒、机匣、空气分配板、空气注入管、燃气导流板、预混板、预混管束、端板、二级燃料腔、分隔辐板和一级燃料腔，

所述端盖上设置有若干一级燃料管，所述一级燃料管用于将燃料输运至一级燃料腔，所述二级燃料管将燃料从一级燃料腔输运至由空气分配板和燃气导流板所围成限定的位于空气注入管外侧的二级燃料腔内，所述一级燃料腔后连接有机匣和火焰筒，所述机匣内安装有火焰筒，所述机匣与火焰筒围成的环腔流过空气，所述火焰筒上设置有开孔段和非开孔段，所述开孔段用于引导空气至由端盖后板、火焰筒开孔段和空气分配板所围成限定的位于二级燃料管外侧的空气腔，所述非开孔段内设置有预混区和燃烧区域，所述火焰筒内设置有分隔辐板，所述分隔辐板的每个预混扇区内固定有预混组件。

更进一步的，所述端盖包括端盖前板、六辐环板和端盖后板，其内部限定围成一级燃料腔，所述端盖前板设置有对应一级燃料管的开孔，所述端盖后板设置有对应于二级燃料管的开孔，六辐环板内部由辐片将内部空间划分为六个一级燃料腔，中心预留中心管。

更进一步的，所述分隔辐板具有与六辐环板中心辐片相似结构，包括六个预混扇区和中心管。

更进一步的，分隔辐板划分出的六片预混扇区内间隔60°布置有完全相同的六组预混组件。

更进一步的，所述预混组件包括空气分配板、空气注入管、燃气导流板、预混板、预混管束和端板，所述空气分配板将空气分配至空气注入管，所述空气注入管将空气腔内空气注入燃气导流板，所述燃气导流板将空气注入管的来流空气与二级燃料腔的来流燃料引导至预混板的预混腔内，所述预混板接收燃气导流板来流燃料和空气使其在预混腔内进行预混，所述预混管束使预混板流出的燃料和空气的混合物进一步预混。

更进一步的，所述燃气导流板上设置有用于接收空气注入管来流空气的开孔，并围绕每个空气孔周围设置有由四个小型开孔，用于接收二级燃料腔内部的燃料。

更进一步的，所述预混板设置有由圆锥形段开孔和圆柱形段开孔组合而成的通孔，圆锥形段大孔对应燃气导流板的一个空气孔和四个燃料孔，大孔接收空气和燃料，并在由通孔形成的预混腔内进行预混，由圆锥形段通过控制锥度来控制燃料进入到预混腔内速度方向与轴线夹角

更进一步的，预混板由一段十字行孔段和圆柱形空段形成为阶梯形开孔，其中十字形开孔中心部分用于接收空气，十字形的非中心区域接收燃气导流板上燃料孔内燃料，通过这种阶梯形开孔实现燃料流垂直注入空气流内部，强化预混效果。

更进一步的，燃气导流板和预混板围成的锥形预混腔，其形状为圆锥形或基于圆锥形进行流线型亦或阶梯型修改的结构，引导后的燃料流向与中心轴线夹角在0°-90°范围内。

更进一步的，所述端盖上设置有6个一级燃料管，6个一级燃料管间隔60°成环形布置，其中端盖中心为预留空间。

与现有技术相比，本发明所述的多层孔板式预混燃气轮机燃烧器的有益效果是：

(1)本发明采用空气分配板和空气注入管分割引导来流空气，燃料导流板分割引导燃料，将空气和燃料共同引导至预混板内预混腔，位于预混板内预混腔内的燃料和空气混合物被引导至预混管束，进一步加强混合后喷出。

(2)通过上述的燃料和空气分配方案，可以实现空气和燃料的均匀预混，避免燃烧过程中的局部高温区，从而实现低NOx排放。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本申请的立体结构示意图；

图2为本申请的立体结构示意图；

图3为本申请的喷嘴出口示意图；

图4为本申请的端盖示意图；

图5为本申请的预混结构装配示意图；

图6为本申请的具体实施方式一的全剖示意图；

图7为本申请的图6的局部放大图；

图8为本申请的具体实施方式一的燃气导流板位置处剖视图；

图9为本申请的具体实施方式一的预混板中间处剖视图；

图10为本申请的具体实施方式二的全剖示意图；

图11为本申请的图12的局部放大图；

图12为本申请的具体实施方式二的预混板位置处剖视图。

图中：1-一级燃料管，2-端盖，3-二级燃料管，4-火焰筒，5-机匣，6-空气分配板，7-空气注入管，8-燃气导流板，9-预混板，10-预混管束，11-端板，12-燃料，13-空气腔，14-二级燃料腔，15-中心管，16-燃烧区域，17-空气，21-端盖前板，22-六辐环板，23-端盖后板，24-分隔辐板，25-一级燃料腔，91-预混腔。

具体实施方式

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、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

一、具体实施方式一：结合图1-12说明本实施方式。本本实施方式所述的一种多层孔板式预混燃气轮机燃烧器，包括一级燃料管1、端盖2、二级燃料管3、火焰筒4、机匣5、空气分配板6、空气注入管7、燃气导流板8、预混板9、预混管束10、端板11、二级燃料腔14、分隔辐板24和一级燃料腔25，

所述端盖2上设置有若干一级燃料管1，所述一级燃料管1用于将燃料12输运至一级燃料腔25，所述二级燃料管3将燃料12从一级燃料腔25输运至由空气分配板6和燃气导流板8所围成限定的位于空气注入管7外侧的二级燃料腔14内，所述一级燃料腔25后连接有机匣5和火焰筒4，所述机匣5内安装有火焰筒4，所述机匣5与火焰筒4围成的环腔流过空气17，所述火焰筒4上设置有开孔段和非开孔段，所述开孔段用于引导空气至由端盖后板23、火焰筒4开孔段和空气分配板6所围成限定的位于二级燃料管3外侧的空气腔13，所述非开孔段内设置有预混区和燃烧区域16，所述火焰筒4内设置有分隔辐板24，所述分隔辐板24的每个预混扇区内固定有预混组件。

所述端盖2包括端盖前板21、六辐环板22和端盖后板23，其内部限定围成一级燃料腔25，所述端盖前板21设置有对应一级燃料管1的开孔，所述端盖后板23设置有对应于二级燃料管3的开孔，六辐环板22内部由辐片将内部空间划分为六个一级燃料腔25，中心预留中心管15。

所述分隔辐板24具有与六辐环板22中心辐片相似结构，包括六个预混扇区和中心管15。

分隔辐板24划分出的六片预混扇区内间隔60°布置有完全相同的六组预混组件。

所述预混组件包括空气分配板6、空气注入管7、燃气导流板8、预混板9、预混管束10和端板11，所述空气分配板6将空气17分配至空气注入管7，所述空气注入管7将空气腔13内空气17注入燃气导流板8，所述燃气导流板8将空气注入管7的来流空气与二级燃料腔14的来流燃料引导至预混板9的预混腔91内，所述预混板9接收燃气导流板8来流燃料12和空气17使其在预混腔91内进行预混，所述预混管束10使预混板9流出的燃料12和空气17的混合物进一步预混。

所述燃气导流板8上设置有用于接收空气注入管7来流空气17的开孔，并围绕每个空气孔周围设置有由四个小型开孔，用于接收二级燃料腔14内部的燃料12。

所述预混板9设置有由圆锥形段开孔和圆柱形段开孔组合而成的通孔，圆锥形段大孔对应燃气导流板8的一个空气孔和四个燃料孔，大孔接收空气17和燃料12，并在由通孔形成的预混腔91内进行预混，由圆锥形段通过控制锥度来控制燃料12进入到预混腔91内速度方向与轴线夹角

预混板9由一段十字行孔段和圆柱形空段形成为阶梯形开孔，其中十字形开孔中心部分用于接收空气17，十字形的非中心区域接收燃气导流板8上燃料孔内燃料12，通过这种阶梯形开孔实现燃料流12垂直注入空气流17内部，强化预混效果。

燃气导流板8和预混板9围成的锥形预混腔91，其形状为圆锥形或基于圆锥形进行流线型亦或阶梯型修改的结构，引导后的燃料流向与中心轴线夹角在0°-90°范围内。用于掺混、分配的主体结构由燃气导流板8和预混板9组成，燃料和空气在所围成的预混腔91内进行掺混。

所述端盖2上设置有6个一级燃料管1，6个一级燃料管1间隔60°成环形布置，其中端盖2中心为预留空间。

在空气注入管7外侧沿周向按圆周分布的位于燃气导流板8上的开孔，将燃料引流至预混腔91内进行预混，预混腔可以作为孔道结束后的渐扩空间，也可以是与孔道一一对应的引流通道，与空气注入管连通后再进行预混。

在空气注入管7外侧沿周向按圆周分布了4个位于燃气导流板8上的开孔，其个数为4个或沿圆周方向分布的多个，其形状为圆形，或槽道，或不限于圆形的其他形状开孔，或具有上述特征的组合。

所述预混板9具有一定的厚度，与位于其后的预混管束配合完成燃料与空气的预混和进一步预混，其中预混板9的厚度和预混管束的长度不限，均在本专利保护范围内。

燃气导流板8和预混板9可以采用如3D打印等一体成型技术加工为整体，并以空气17和燃料12开始预混的平面为分隔面所切割为两部分，两部分分别具有上述权利要求的燃气导流板8和预混板9的保护范围内的结构，也受本专利保护。

本发明采用空气分配板6和空气注入管7分割引导来流空气，燃料导流板8分割引导燃料，将空气和燃料共同引导至预混板9内预混腔91，位于预混板9内预混腔91内的燃料和空气混合物被引导至预混管束10，进一步加强混合后喷出。通过上述的燃料和空气分配方案，可以实现空气和燃料的均匀预混，避免燃烧过程中的局部高温区，从而实现低NOx排放。

燃料12通过一级分配至六个主燃扇区内，之后通过二级分配将燃料均匀注入每个预混组件的预混通道的燃气入口侧，空气17通过空气分配板6和空气注入管7均匀注入到每个预混通道的空气入口侧，通过控制燃料12注入空气17流道夹角使得空气17和燃料12在预混通道内达到较好的预混效果，并通过预混管束10强化预混效果。预混气通过预混管束10注入至燃烧区域16后，由于预混气位于出口侧流动速度相近位于同一方向且掺混比例一致，从而减少了烟气在高温回流区内停留时间和燃烧区域内局部高温区的形成，大大降低了热力型NOx的生成，从而降低氮氧化物的排放。

如图1所示，所述一级燃料管1用于将燃料12输运至一级燃料腔25。六个一级燃料管1间隔60°成环形布置，分布于端盖2上，其中端盖2中心为预留空间。端盖上预留有环形布置的开孔，用于定位和固定端盖各个组件。

如图2和图3所示，火焰筒4和机匣5布置于端盖2上，且火焰筒4和机匣5形成的环道用于限定并引导空气17流入。火焰筒4内部围成空间，被分隔辐板24划分为六片扇区用于分布布置预混组件，其中中心预留有中心管15，用于布置火焰探测器\值班喷嘴等组件。

如图4所示，端盖2包含端盖前板21，六辐环板22和端盖后板23，其内部限定围成一级燃料腔25。六辐环板22将内部空间分隔为六片扇形区域和中心区域。所述端盖前板21，六辐环板22和端盖后板23共同围成限定六片扇形空间为一级燃料腔25。端盖前板21设置有六个通孔，用于将一级燃料管1来流燃料12引导至一级燃料腔25。端盖后板23设置有通孔，用于将一级燃料腔25内部燃料引导至二级燃料管3。端盖前板21有对应一级燃料管1的开孔，端盖后板23有对应于二级燃料管3的开孔，六辐孔板内部由辐片将内部空间划分为六个一级燃料腔25，中心预留中心管15。

如图5所示，为预混组件装配示意图，由分隔辐板24划分出的六片扇形空间，间隔60°布置有完全相同的六组预混组件，每组预混组件主要包含二级燃料管3、空气分配板6、空气注入管7、燃气导流板8、预混板9、预混管束10和端板11。其中二级燃料管3、空气注入管5和预混管束10，分别由对应板件上的对应功能的通孔固定。整体预混组件固定于分隔辐板24上。

如图6和图7所示，燃料12通过一级燃料管1进入由端盖2限定围成的一级燃料腔25内，之后由二级燃料管3进入到二级燃料腔14，并由燃气导流板8引导至预混板9的预混腔91内部。空气17通过由火焰筒4和机匣5围成的空气流到内流经至火焰筒4的开孔段，由火焰筒4的开孔段将空气17引导至空气腔13。空气腔13内的空气17，经由空气分配板6引导至空气注入管7，之后由空气注入管7注入至燃气导流板8，并由燃气导流板8将空气17引导至预混板9内的预混腔91内。燃料12和空气17在预混板9的预混腔91内进行预混，并将预混气引导至预混管束10内进行进一步预混，燃料12和空气17在预混管束10内进行充分预混并将其注入燃烧区域16进行均匀的预混燃烧从而降低NOx排放。

如图8和图9所示，燃气导流板8上设置有用于接收空气注入管7来流空气17的开孔，并围绕每个空气孔周围设置有由四个小型开孔，用于接收二级燃料腔14内部的燃料12。预混板9设置有由圆锥形段开孔和圆柱形段开孔组合而成的通孔，圆锥形段大孔对应燃气导流板8的一个空气孔和四个燃料孔，大孔接收空气17和燃料12，并在由通孔形成的预混腔91内进行预混。由圆锥形段通过控制锥度来控制燃料12进入到预混腔91内速度方向与轴线夹角。

具体实施方式二：结合图10-12说明本实施方式。如图10-12所示，与实施例方式一的区别仅在于预混板9的不同，预混板9由一段十字行孔段和圆柱形空段形成为阶梯形开孔，其中十字形开孔中心部分用于接收空气17，十字形的非中心区域接收燃气导流板8上燃料孔内燃料12，通过这种阶梯形开孔实现燃料流12垂直注入空气流17内部，强化预混效果。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (8)

1.一种多层孔板式预混燃气轮机燃烧器，其特征在于：包括一级燃料管(1)、端盖(2)、二级燃料管(3)、火焰筒(4)、机匣(5)、空气分配板(6)、空气注入管(7)、燃气导流板(8)、预混板(9)、预混管束(10)、端板(11)、二级燃料腔(14)、分隔辐板(24)和一级燃料腔(25)，

所述端盖(2)上设置有若干一级燃料管(1)，所述一级燃料管(1)用于将燃料(12)输运至一级燃料腔(25)，所述二级燃料管(3)将燃料(12)从一级燃料腔(25)输运至由空气分配板(6)和燃气导流板(8)所围成限定的位于空气注入管(7)外侧的二级燃料腔(14)内，所述一级燃料腔(25)后连接有机匣(5)和火焰筒(4)，所述机匣(5)内安装有火焰筒(4)，所述机匣(5)与火焰筒(4)围成的环腔流过空气(17)，所述火焰筒(4)上设置有开孔段和非开孔段，所述开孔段用于引导空气(17)至由端盖后板(23)、火焰筒(4)开孔段和空气分配板(6)所围成限定的位于二级燃料管(3)外侧的空气腔(13)，所述非开孔段内设置有预混区和燃烧区域(16)，所述火焰筒(4)内设置有分隔辐板(24)，所述分隔辐板(24)的每个预混扇区内固定有预混组件；

所述端盖(2)包括端盖前板(21)、六辐环板(22)和端盖后板(23)，其内部限定围成一级燃料腔(25)，所述端盖前板(21)设置有对应一级燃料管(1)的开孔，所述端盖后板(23)设置有对应于二级燃料管(3)的开孔，六辐环板(22)内部由辐片将内部空间划分为六个一级燃料腔(25)，中心预留中心管(15)；

所述预混组件包括空气分配板(6)、空气注入管(7)、燃气导流板(8)、预混板(9)、预混管束(10)和端板(11)，所述空气分配板(6)将空气(17)分配至空气注入管(7)，所述空气注入管(7)将空气腔(13)内空气(17)注入燃气导流板(8)，所述燃气导流板(8)将空气注入管(7)的来流空气与二级燃料腔(14)的来流燃料引导至预混板(9)的预混腔(91)内，所述预混板(9)接收燃气导流板(8)来流燃料(12)和空气(17)使其在预混腔(91)内进行预混，所述预混管束(10)使预混板(9)流出的燃料(12)和空气(17)的混合物进一步预混。

2.根据权利要求1所述的多层孔板式预混燃气轮机燃烧器，其特征在于：所述分隔辐板(24)具有与六辐环板(22)中心辐片相似结构，包括六个预混扇区和中心管(15)。

3.根据权利要求2所述的多层孔板式预混燃气轮机燃烧器，其特征在于：分隔辐板(24)划分出的六片预混扇区内间隔60°布置有完全相同的六组预混组件。

4.根据权利要求1所述的多层孔板式预混燃气轮机燃烧器，其特征在于：所述燃气导流板(8)上设置有用于接收空气注入管(7)来流空气(17)的开孔，并围绕每个空气孔周围设置有由四个小型开孔，用于接收二级燃料腔(14)内部的燃料(12)。

5.根据权利要求1所述的多层孔板式预混燃气轮机燃烧器，其特征在于：所述预混板(9)设置有由圆锥形段开孔和圆柱形段开孔组合而成的通孔，圆锥形段大孔对应燃气导流板(8)的一个空气孔和四个燃料孔，大孔接收空气(17)和燃料(12)，并在由通孔形成的预混腔(91)内进行预混，由圆锥形段通过控制锥度来控制燃料(12)进入到预混腔(91)内速度方向与轴线夹角。

6.根据权利要求1所述的多层孔板式预混燃气轮机燃烧器，其特征在于：预混板(9)由一段十字行孔段和圆柱形空段形成为阶梯形开孔，其中十字形开孔中心部分用于接收空气(17)，十字形的非中心区域接收燃气导流板(8)上燃料孔内燃料(12)，通过这种阶梯形开孔实现燃料流垂直注入空气流内部，强化预混效果。

7.根据权利要求1所述的多层孔板式预混燃气轮机燃烧器，其特征在于：燃气导流板(8)和预混板(9)围成的锥形预混腔(91)，其形状为圆锥形或基于圆锥形进行流线型亦或阶梯型修改的结构，引导后的燃料流向与中心轴线夹角在0°-90°范围内。

8.根据权利要求1所述的多层孔板式预混燃气轮机燃烧器，其特征在于：所述端盖(2)上设置有6个一级燃料管(1)，6个一级燃料管(1)间隔60°成环形布置，其中端盖(2)中心为预留空间。

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