CN115342383B - 一种采用混合旋流器的燃气轮机低污染燃烧室头部结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃气轮机分级低污染燃烧室技术领域，具体涉及一种采用混合旋流器的燃气轮机低污染燃烧室头部结构。本发明中主燃级采用塔式旋流器和贫油预混预蒸发技术，通过控制倾斜段的等效流通面积大于平直段的等效流通面积，在主燃级出口部分不使用收敛结构的情况下，使得主燃级空气气流产生加速效果，避免了使用预混燃烧技术所产生的回火问题，由于不使用收敛结构，有效避免了横向射流燃油液滴与收敛结构相撞的情况，产生油滴聚集的情况，同时保证了主燃级出口气流的均匀性，有利于均匀燃烧。本发明采用分级燃烧概念，预燃级提供稳火源，主燃级实现低污染燃烧，在降低污染排放的同时可确保燃烧室的稳定性。

Description

一种采用混合旋流器的燃气轮机低污染燃烧室头部结构

技术领域

本发明属于燃气轮机分级低污染燃烧室技术领域，具体涉及一种采用混合旋流器的燃气轮机低污染燃烧室头部结构。

背景技术

燃气轮机污染物排放的源头来自燃烧室，因此发展低污染燃烧技术是降低燃气轮机污染排放的关键。燃烧室的主要污染物包括氮氧化物、一氧化碳和未燃碳氢，其中最重要的是减少氮氧化物的生成量。在燃烧室中，热力型氮氧化物生成机理起到主导作用，因此降低燃烧区燃烧温度是降低氮氧化物生成量的有效手段之一。贫油燃烧技术可有效降低燃烧区燃烧温度，从而减少氮氧化物的生成量。先进低排放燃烧室的降低污染排放的能力，在很大程度上要归功于先进头部组织燃烧的技术设计。针对贫油低排放燃烧室，由于空气分区燃油分级燃烧的需要，大部分先进的低排放燃烧室喷嘴主要由值班级喷嘴(离心式)和主燃级(直射式)喷嘴组成。针对贫油燃烧技术，国外研究者们提出了贫油预混预蒸发燃烧技术，并对其开展了广泛研究，该技术可有效控制主燃区燃烧温度，在降低氮氧化物方面具有很大的潜力。

GE公司的TAPS燃烧室就已申请了多项美国专利，专利号为US6453660B1、US6381964B1、US6389815B1等的低排放燃烧室头部专利提出的技术方案是：值班级由离心喷嘴、两级轴向旋流器、文氏管和套筒构成，主燃级由直射式喷嘴和一级或两级径向旋流构成。头部大喷嘴由值班级单油路离心喷嘴和主燃级直射式喷嘴组成。北京航空航天大学和中国燃气涡轮研究院也申请了多种贫油部分预混预蒸发燃烧室的专利，如专利CN101169252A、CN101275751A、CN101275750A、CN202032612U、CN202032613U和CN202082953U等，NOx是燃气轮机燃烧室设计人员需要重点考虑的污染物之一，在燃烧室中，NOx主要由燃烧区火焰温度和燃气停留时间决定。目前已有低污染燃烧室采用中心分级的贫油预混预蒸发技术来降低污染排放，这种低排放燃烧室的头部分为值班级和环绕值班级外的主燃级组成，这种头部组织燃烧技术在工程应用中显示出了巨大的潜力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用混合旋流器的燃气轮机低污染燃烧室头部结构。

一种采用混合旋流器的燃气轮机低污染燃烧室头部结构，包括主燃级和值班级；所述主燃级包括主燃级旋流器、主燃级环形集油腔、主燃级喷油孔；所述值班级包括值班级一级旋流器、值班级二级旋流器、离心喷嘴；

所述主燃级旋流器采用塔式旋流器结构，包括倾斜段与平直段；所述倾斜段为旋流器入口，包括主燃级旋流器入口和值班级旋流器入口；所述主燃级环形集油腔布置于主燃级旋流器的平直段内环；所述主燃级喷油孔开设在主燃级旋流器的平直段内环尾部，与主燃级环形集油腔连通；所述值班级二级旋流器与主燃级旋流器同心布置，值班级二级旋流器通过级间段与主燃级旋流器连接；所述值班级一级旋流器布置于值班级二级旋流器内侧，值班级一级旋流器的外环为文氏管，值班级二级旋流器的旋流叶片布置于值班级二级旋流器的外环与文氏管之间；所述离心喷嘴布置于值班级一级旋流器内侧，并与值班级旋流器入口连通，值班级一级旋流器的旋流叶片布置于文氏管与离心喷嘴之间；

主燃级燃油由主燃级旋流器入口进入，经过主燃级喷油孔喷射后与空气在主燃级预混通道中进行充分掺混；值班级燃油由值班级旋流器入口进入，通过离心喷嘴之形成油雾，在文氏管内壁面上形成油膜，在经过值班级空气的来流作用下进行雾化，在值班级出口进行扩散燃烧。

进一步地，所述主燃级旋流器具有沿周向均布20～36个1.0～2.0mm厚度的旋流叶片，高度为10～20mm，旋流数为0.5～1.5，用于形成旋流空气。

进一步地，所述主燃级旋流器入口与燃烧室中心线方向夹角为40°～70°，主燃级旋流器的倾斜段间距为12～24mm，平直段高度为10～20mm。.

进一步地，所述值班级一级旋流器具有沿周向均布8～12个0.5～2mm厚度的旋流叶片，高度为4～8mm，旋流数为0.5～1.5，用于形成强旋流。

进一步地，所述值班级二级旋流器具有沿周向均布8～16个0.5～2mm厚度的旋流叶片，高度为10～20mm，旋流数为0.2～1.0，用于形成弱旋流。

进一步地，所述离心喷嘴的喷射锥角为60°～90°；所述主燃级喷油孔处布置有直射喷嘴，数量8～12个，直射喷嘴出口直径为0.01～0.8mm，喷射方向与轴向夹角范围为45°～135°，直射喷嘴通过主燃级环形集油腔供油，直射喷嘴与主燃级旋流器出口的轴向距离为10～20mm。

进一步地，所述主燃级环形集油腔的圆环径向宽度为2～6mm，轴向长度为20～35mm，主燃级燃油占总燃油量的比例为50％～90％。

进一步地，所述主燃级旋流器的倾斜段、主燃级环形集油腔、值班级一级旋流器、值班级二级旋流器组成一体化空气燃油组合喷嘴，主燃级旋流器的平直段与一体化空气燃油组合喷嘴间隙配合，主燃级旋流器的平直段与火焰筒相连。

进一步地，值班级二级旋流器的外环的出口扩张段尾部与主燃级旋流器的平直段内环高度平齐；所述级间段开设有沿周向分布的冷却小孔用于通过冷却气流。

进一步地，所述冷却小孔的轴线与燃烧室中心线方向夹角为0°～30°，小孔直径为0.4～0.6mm，数量50～70个。

本发明的有益效果在于：

本发明中主燃级采用塔式旋流器和贫油预混预蒸发技术，塔式旋流器将轴向旋流器低流阻和径向旋流器轴向长度短的优点结合，通过控制倾斜段的等效流通面积大于平直段的等效流通面积，在主燃级出口部分不使用收敛结构的情况下，使得主燃级空气气流产生加速效果，避免了使用预混燃烧技术所产生的回火问题，由于不使用收敛结构，有效避免了横向射流燃油液滴与收敛结构相撞的情况，产生油滴聚集的情况，同时保证了主燃级出口气流的均匀性，有利于均匀燃烧。

本发明采用值班级二级旋流器外环出口扩张段尾部与主燃级内环高度平齐的设计，航空发动机的级间段通常有高度3～5mm左右的台阶结构，通过级间段结构形成台阶回流区，有助于拓宽贫油熄火极限范围，由于燃气轮机燃烧室相较航空发动机燃烧室贫油熄火极限范围要求较低，因此无需形成台阶回流区，采用本发明设计可以避免形成台阶回流区，减小阻力损失，同时还可以避免台阶回流区形成的高温区对级间段和值班级二级旋流器外环出口的烧蚀，延长头部使用寿命。

本发明采用分级燃烧概念，预燃级提供稳火源，主燃级实现低污染燃烧，在降低污染排放的同时可确保燃烧室的稳定性。

附图说明

图1为本发明中一种采用混合旋流器的燃气轮机低污染燃烧室头部结构的示意图。

图2为本发明中一种采用混合旋流器的燃气轮机低污染燃烧室头部结构与火焰筒装配的示意图。

图3为本发明中一体化空气燃油组合喷嘴的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提出一种采用混合旋流器的燃气轮机低污染燃烧室头部结构，该头部可使燃烧室在全工况范围内能稳定高效工作，有效地抑制燃烧不稳定性的发生，同时这种方案具有结构紧凑、工况过度平稳、出口温度场均匀性好、工作范围宽、燃烧稳定性好、排放低、负荷适应性强、可在轻型燃机和重型燃机上通用等优点。

如图1所示，一种采用混合旋流器的燃气轮机低污染燃烧室头部结构，采用了直射/离心喷嘴11和中心分级结构，包括主燃级和值班级；所述主燃级包括主燃级旋流器、主燃级环形集油腔5、主燃级喷油孔3；主燃级旋流器包括主燃级外壳1、主燃级旋流叶片2、主燃级平直段内环4、主燃级倾斜段内环13；值班级包括值班级一级旋流器6、文氏管7、值班级二级旋流器8、值班级二级旋流器外环9、冷却小孔10、离心喷嘴11；

所述主燃级旋流器采用塔式旋流器结构，包括倾斜段与平直段；所述倾斜段为旋流器入口，包括主燃级旋流器入口和值班级旋流器入口；所述主燃级环形集油腔5布置于主燃级旋流器的平直段内环4；所述主燃级喷油孔3开设在主燃级旋流器的平直段内环4尾部，与主燃级环形集油腔5连通；所述值班级二级旋流器8与主燃级旋流器同心布置，值班级二级旋流器8通过级间段12与主燃级旋流器连接；所述值班级一级旋流器6布置于值班级二级旋流器8内侧，值班级一级旋流器6的外环为文氏管7，值班级二级旋流器8的旋流叶片布置于值班级二级旋流器8的外环9与文氏管7之间；所述离心喷嘴11布置于值班级一级旋流器6内侧，并与值班级旋流器入口连通，值班级一级旋流器6的旋流叶片布置于文氏管7与离心喷嘴11之间；

主燃级燃油由主燃级旋流器入口进入，经过主燃级喷油孔3喷射后与空气在主燃级预混通道中进行充分掺混；值班级燃油由值班级旋流器入口进入，通过离心喷嘴11之形成油雾，在文氏管7内壁面上形成油膜，在经过值班级空气的来流作用下进行雾化，在值班级出口进行扩散燃烧。

实施例1：

作为优选，所述主燃级采用塔式旋流器结构，具有沿周向均布20～36个1.0～2.0mm厚度的旋流叶片，高度为10～20mm，旋流数为0.5～1.5，用于形成旋流空气；主燃级旋流器入口与燃烧室中心线方向夹角为40°～70°，旋流器倾斜段间距12～24mm，平直段高度10～20mm。控制倾斜段的等效流通面积大于平直段的等效流通面积，使得主燃级空气气流产生加速效果，避免回火问题和燃油撞壁问题。

实施例2：

作为优选，所述值班级一级旋流器6具有沿周向均布8～12个0.5～2mm厚度的旋流叶片，高度为4～8mm，旋流数为0.5～1.5，用于形成强旋流。所述的值班级二级旋流器8具有沿周向均布8～16个0.5～2mm厚度的旋流叶片，高度为10～20mm，旋流数为0.2～1.0，用于形成弱旋流。

实施例3：

作为优选，所述离心喷嘴11喷射锥角60°～90°；所述主燃级喷油孔3处布置有直射喷嘴，数量8～12个，直射喷嘴出口直径为0.01～0.8mm，喷射方向与轴向夹角范围为45°～135°，直射喷嘴通过主燃级环形集油腔5供油，主燃级环形集油腔5放置于主燃级内环4，集油腔圆环径向宽度2～6mm，轴向长度20～35mm，主燃级燃油占总燃油量的比例为50％～90％；所述主燃级内直射喷孔与旋流器出口的轴向距离为10～20mm。

实施例4：

作为优选，所述主燃级旋流器的倾斜段、主燃级环形集油腔5、值班级一级旋流器6、值班级二级旋流器8组成一体化空气燃油组合喷嘴，主燃级旋流器的平直段与一体化空气燃油组合喷嘴间隙配合，主燃级旋流器的平直段与火焰筒通过焊接相连。图3所示的一体化空气燃油组合喷嘴在安装维护时不需要拆装火焰筒，间隙配合使得不需要借助工具即可完成头部与火焰筒的分离，方便单独进行喷嘴的更换或维护。

实施例5：

值班级通过级间段12与主燃级连接，并与主燃级同心，值班级二级旋流器外环9出口扩张段尾部与主燃级内环4高度平齐，级间段12有沿周向分布的冷却小孔10用于通过冷却气流，冷却小孔10轴线与燃烧室中心线方向夹角为0°～30°，小孔直径0.4～0.6mm，数量50～70个。

本发明公开了一种采用混合旋流器的燃气轮机低污染燃烧室头部结构。由值班级、主燃级等结构组成，其中值班级由两级轴向旋流器、文氏管和离心喷嘴构成；主燃级由塔式旋流器、环形集油腔、直射式喷嘴构成。主燃级使用塔式旋流器，塔式旋流器结合了径向和轴向旋流器的优点，可以在保证旋流强度的同时，减少旋流器头部轴向长度。主燃级采用离散多点直射式喷嘴进行初始压力雾化，之后进行空气剪切气动雾化，燃油在旋流通道充分预混，能够使污染物排放大幅度降低，进而实现超低排放；该燃烧室头部结构上做成一体化设计，便于更换维修。

本发明的工作原理是：值班级采用扩散燃烧模式，保证燃烧室低工况下的稳定工作，同时加强了燃烧室点火性能；主燃级采用贫油部分预混预蒸发燃烧技术，能大幅度降低NOx、UHC、CO和烟粒子等污染物的排放；主燃级旋流器的设计考虑了预防回火自燃现象的出现，通过使用塔式旋流器，控制倾斜段的等效流通面积大于平直段的等效流通面积，使得主燃级空气气流产生加速效果，将轴向旋流器低流阻和径向旋流器轴向长度短的优点结合；燃烧室头部的设计考虑了进气均匀性和主燃级燃油气动雾化以及头部装拆的问题，将值班级与主燃级内环4组成一体化空气燃油组合喷嘴，主燃级旋流器的平直段与一体化空气燃油组合喷嘴间隙配合，一体化空气燃油组合喷嘴在安装维护时不需要拆装火焰筒，间隙配合使得不需要借助工具即可完成头部与火焰筒的分离，具有很高的实用价值。NOx排放能在0.5～1.0工况内保持在60ppm以下。

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 (9)

1.一种采用混合旋流器的燃气轮机低污染燃烧室头部结构，其特征在于：包括主燃级和值班级；所述主燃级包括主燃级旋流器、主燃级环形集油腔(5)、主燃级喷油孔(3)；所述值班级包括值班级一级旋流器(6)、值班级二级旋流器(8)、离心喷嘴(11)；

所述主燃级旋流器采用塔式旋流器结构，包括倾斜段与平直段；所述倾斜段为旋流器入口，包括主燃级旋流器入口和值班级旋流器入口；所述主燃级环形集油腔(5)布置于主燃级旋流器的平直段内环(4)；所述主燃级喷油孔(3)开设在主燃级旋流器的平直段内环(4)尾部，与主燃级环形集油腔(5)连通；所述值班级二级旋流器(8)与主燃级旋流器同心布置，值班级二级旋流器(8)通过级间段(12)与主燃级旋流器连接；所述值班级一级旋流器(6)布置于值班级二级旋流器(8)内侧，值班级一级旋流器(6)的外环为文氏管(7)，值班级二级旋流器(8)的旋流叶片布置于值班级二级旋流器(8)的外环(9)与文氏管(7)之间；所述离心喷嘴(11)布置于值班级一级旋流器(6)内侧，并与值班级旋流器入口连通，值班级一级旋流器(6)的旋流叶片布置于文氏管(7)与离心喷嘴(11)之间；

主燃级燃油由主燃级旋流器入口进入，经过主燃级喷油孔(3)喷射后与空气在主燃级预混通道中进行充分掺混；值班级燃油由值班级旋流器入口进入，通过离心喷嘴(11)之形成油雾，在文氏管(7)内壁面上形成油膜，在经过值班级空气的来流作用下进行雾化，在值班级出口进行扩散燃烧；

所述主燃级旋流器入口与燃烧室中心线方向夹角为40°～70°，主燃级旋流器的倾斜段间距为12～24mm，平直段高度为10～20mm。

2.根据权利要求1所述的一种采用混合旋流器的燃气轮机低污染燃烧室头部结构，其特征在于：所述主燃级旋流器具有沿周向均布20～36个1.0～2.0mm厚度的旋流叶片，高度为10～20mm，旋流数为0.5～1.5，用于形成旋流空气。

3.根据权利要求1所述的一种采用混合旋流器的燃气轮机低污染燃烧室头部结构，其特征在于：所述值班级一级旋流器(6)具有沿周向均布8～12个0.5～2mm厚度的旋流叶片，高度为4～8mm，旋流数为0.5～1.5，用于形成强旋流。

4.根据权利要求1所述的一种采用混合旋流器的燃气轮机低污染燃烧室头部结构，其特征在于：所述值班级二级旋流器(8)具有沿周向均布8～16个0.5～2mm厚度的旋流叶片，高度为10～20mm，旋流数为0.2～1.0，用于形成弱旋流。

5.根据权利要求1所述的一种采用混合旋流器的燃气轮机低污染燃烧室头部结构，其特征在于：所述离心喷嘴(11)的喷射锥角为60°～90°；所述主燃级喷油孔(3)处布置有直射喷嘴，数量8～12个，直射喷嘴出口直径为0.01～0.8mm，喷射方向与轴向夹角范围为45°～135°，直射喷嘴通过主燃级环形集油腔(5)供油，直射喷嘴与主燃级旋流器出口的轴向距离为10～20mm。

6.根据权利要求1所述的一种采用混合旋流器的燃气轮机低污染燃烧室头部结构，其特征在于：所述主燃级环形集油腔(5)的圆环径向宽度为2～6mm，轴向长度为20～35mm，主燃级燃油占总燃油量的比例为50％～90％。

7.根据权利要求1所述的一种采用混合旋流器的燃气轮机低污染燃烧室头部结构，其特征在于：所述主燃级旋流器的倾斜段、主燃级环形集油腔(5)、值班级一级旋流器(6)、值班级二级旋流器(8)组成一体化空气燃油组合喷嘴，主燃级旋流器的平直段与一体化空气燃油组合喷嘴间隙配合，主燃级旋流器的平直段与火焰筒相连。

8.根据权利要求1所述的一种采用混合旋流器的燃气轮机低污染燃烧室头部结构，其特征在于：值班级二级旋流器(8)的外环(9)的出口扩张段尾部与主燃级旋流器的平直段内环(4)高度平齐；所述级间段(12)开设有沿周向分布的冷却小孔(10)用于通过冷却气流。

9.根据权利要求8所述的一种采用混合旋流器的燃气轮机低污染燃烧室头部结构，其特征在于：所述冷却小孔(10)的轴线与燃烧室中心线方向夹角为0°～30°，小孔直径为0.4～0.6mm，数量50～70个。

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