CN117803949A - 一种低污染排放燃烧室的头部结构、燃烧室及燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低污染排放燃烧室的头部结构、燃烧室及燃气轮机，该头部结构包括预燃级装置和主燃级装置，主燃级装置包括主燃级外壳和主燃级内壳，主燃级外壳、主燃级内壳及预燃级装置由外至内依次同轴分布。本发明的有益效果是采用中心分级贫燃预混的燃烧模式，即预燃级在中心，一级主燃级与预燃级共轴在其外围，二级主燃级与一级主燃级共轴在其外围；预燃级采用扩散燃烧的组织方式，用于保证起动、贫燃稳定燃烧边界及小工况的燃烧效率等燃烧性能，大工况下，起辅助燃烧和为主燃级提供稳定的点火源的作用；两级主燃级的燃烧均是贫燃预混燃烧的模式，用于满足大工况下的NOx排放及温度场分布的要求。

Description

一种低污染排放燃烧室的头部结构、燃烧室及燃气轮机

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，具体涉及一种低污染排放燃烧室的头部结构、燃烧室及燃气轮机。

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。

贫燃预混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。针对贫燃低排放燃烧室，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。

随着我国燃气轮机国产化逐渐发展，我国已经开始进行DLE燃烧室基础研究工作，在国产燃机CGT25-D燃气轮机上应用了干式低排放燃烧室设计，虽然与国外存在一定差距，但是各项技术已经相对成熟，具备自主开发改造现有燃机燃烧室的能力。

从国内外开展低排放燃烧室发展的经历来看，贫燃预混技术已经成为干式低排放燃烧室的主流技术。同时，低排放燃烧室不是传统扩散燃烧室的简单改进，而是针对应用环境的全新设计，涉及气动、结构、控制等多方面的因素，需要解决燃烧振荡、污染、熄火、回火等多方面的问题，并没有公开的成熟经验可以借鉴。这使得低排放燃烧室的设计者面临更多的挑战，不仅要熟悉燃烧室本身的技术，还要了解燃气轮机总体、部件以及控制等方面的知识。只有将低排放燃烧室的设计融入到燃气轮机整体的系统中考虑，才能设计出满足要求的燃烧室。

发明内容

本发明提供一种低污染排放燃烧室的头部结构、燃烧室及燃气轮机，旨在解决现有技术中的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种低污染排放燃烧室的头部结构，包括预燃级装置和主燃级装置，所述主燃级装置包括主燃级外壳和主燃级内壳，所述主燃级内壳同轴固定套设在所述预燃级装置外，所述主燃级外壳同轴固定套设在所述主燃级内壳外，所述主燃级内壳将所述主燃级外壳与所述预燃级装置之间的区域由内至外分隔成一级喷嘴和二级喷嘴。

本发明的有益效果是：本发明采用中心分级贫燃预混的燃烧模式，即预燃级在中心，一级主燃级与预燃级共轴在其外围，二级主燃级与一级主燃级共轴在其外围；预燃级采用扩散燃烧的组织方式，用于保证起动、贫燃稳定燃烧边界及小工况的燃烧效率等燃烧性能，大工况下，起辅助燃烧和为主燃级提供稳定的点火源的作用；两级主燃级的燃烧均是贫燃预混燃烧的模式，用于满足大工况下的NOx排放及温度场分布的要求。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述主燃级外壳和/或所述主燃级内壳分别呈圆筒状结构，且其两端均敞口。

采用上述进一步方案的有益效果是主燃级外壳和主燃级内壳的形状设计合理，整齐美观。

进一步，所述一级喷嘴呈环状结构，其内固定安装有一级旋流器。

采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，设计合理，一级喷嘴方便燃气流通，一级旋流器用于将燃气混合均匀，燃烧更加充分。

进一步，所述二级喷嘴呈环状结构，其内固定安装有二级旋流器。

采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，设计合理，二级喷嘴方便燃气流通，二级旋流器用于将燃气混合均匀，燃烧更加充分。

进一步，所述预燃级装置包括预燃级管和预燃级旋流器，所述预燃级管同轴分布在所述主燃级内壳内，其两端均敞口，且内部空间形成预燃级气腔；所述预燃级旋流器安装在所述预燃级气腔内。

采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，设计合理，预燃级管方便燃气流通，预燃级旋流器用于将燃气混合均匀，燃烧更加充分。

进一步，所述预燃级装置还包括预燃级喷嘴，所述预燃级喷嘴同轴固定安装在所述预燃级管内，其上均匀间隔分布有多个贯穿的喷孔；所述预燃级旋流器位于所述预燃级喷嘴与所述预燃级管之间。

采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，设计合理，预燃级喷嘴可将利用自身设计的多个喷孔将燃气送至预燃级管内的各个部位。

进一步，还包括三根燃气进气杆，三根所述燃气进气杆的两端均敞口，其一端分别与所述预燃级喷嘴的进气端以及所述一级喷嘴和所述二级喷嘴的进气端连通。

采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，设计合理，通过三根燃气进气杆分别将燃气送至预燃级喷嘴、一级喷嘴和二级喷嘴内。

进一步，还包括燃烧腔，所述燃烧腔的一端与所述主燃级外壳的出气端连通，且所述燃烧腔的一端内壁上固定安装有防震环。

采用上述进一步方案的有益效果是预燃级喷嘴、一级主燃级机构和二级主燃级机构内的燃气最后均送入燃烧腔内进行燃烧，燃烧方便。

本发明还涉及一种燃烧室，包括如上所述的低污染排放燃烧室的头部结构。

采用上述进一步方案的有益效果是本发明还提供一种燃烧室，该燃烧室采用中心分级贫燃预混的燃烧模式，即预燃级在中心，一级主燃级与预燃级共轴在其外围，二级主燃级与一级主燃级共轴在其外围；预燃级采用扩散燃烧的组织方式，用于保证起动、贫燃稳定燃烧边界及小工况的燃烧效率等燃烧性能，大工况下，起辅助燃烧和为主燃级提供稳定的点火源的作用；两级主燃级的燃烧均是贫燃预混燃烧的模式，用于满足大工况下的NOx排放及温度场分布的要求。

本发明还涉及一种燃气轮机，包括如上所述的燃烧室。

采用上述进一步方案的有益效果是本发明还提供一种燃气轮机，该燃气轮机采用中心分级贫燃预混的燃烧模式，即预燃级在中心，一级主燃级与预燃级共轴在其外围，二级主燃级与一级主燃级共轴在其外围；预燃级采用扩散燃烧的组织方式，用于保证起动、贫燃稳定燃烧边界及小工况的燃烧效率等燃烧性能，大工况下，起辅助燃烧和为主燃级提供稳定的点火源的作用；两级主燃级的燃烧均是贫燃预混燃烧的模式，用于满足大工况下的NOx排放及温度场分布的要求。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的部分结构示意图；

图3为本发明中主燃级内壳、主燃级外壳和预燃级管的装配图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、主燃级外壳；2、二级喷嘴；3、主燃级内壳；4、一级喷嘴；5、预燃级管；6、预燃级气腔；7、预燃级喷嘴；8、防震环；9、预燃级旋流器；10、一级旋流器；11、二级旋流器；12、燃气进气杆；13、燃烧腔。

具体实施方式

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

如图1至图3所示，本实施例提供一种低污染排放燃烧室的头部结构，包括预燃级装置和主燃级装置，所述主燃级装置包括主燃级外壳1和主燃级内壳3，所述主燃级内壳3同轴固定套设在所述预燃级装置外，所述主燃级外壳1同轴固定套设在所述主燃级内壳3外，所述主燃级内壳3将所述主燃级外壳1与所述预燃级装置之间的区域由内至外分隔成一级喷嘴和二级喷嘴构。

本实施例采用中心分级贫燃预混的燃烧模式，即预燃级在中心，一级主燃级与预燃级共轴在其外围，二级主燃级与一级主燃级共轴在其外围；预燃级采用扩散燃烧的组织方式，用于保证起动、贫燃稳定燃烧边界及小工况的燃烧效率等燃烧性能，大工况下，起辅助燃烧和为主燃级提供稳定的点火源的作用；两级主燃级的燃烧均是贫燃预混燃烧的模式，用于满足大工况下的NOx排放及温度场分布的要求。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例中，所述主燃级外壳1和/或所述主燃级内壳3分别呈圆筒状结构，且其两端均敞口。

主燃级外壳1和主燃级内壳3的形状设计合理，整齐美观。

实施例3

在实施例2的基础上，本实施例中，所述一级喷嘴4呈环状结构，其内固定安装有一级旋流器10。

该方案结构简单，设计合理，一级喷嘴4方便燃气流通，一级旋流器10用于将燃气混合均匀，燃烧更加充分。

优选地，本实施例中，上述一级旋流器10包括多片一级旋流叶片，多片一级旋流叶片沿一级喷嘴4的周向均匀间隔的固定安装在一级喷嘴4内，用于引导空气旋流，进入燃烧室内进行燃烧。

优选地，本实施例中，一级旋流器10为空气顺时针旋向，叶片数为12～14个，旋流数为0.6～0.8，叶片角度为40～45°，一级旋流器10出口的外径范围为70～80mm。

实施例4

在实施例2至实施例3任一项的基础上，本实施例中，所述二级喷嘴2呈环状结构，其内固定安装有二级旋流器11。

该方案结构简单，设计合理，二级喷嘴2方便燃气流通，二级旋流器11用于将燃气混合均匀，燃烧更加充分。

优选地，本实施例中，上述二级旋流器11包括多片二级旋流叶片，多片二级旋流叶片沿二级喷嘴2的周向均匀间隔的固定安装在二级喷嘴2内，用于引导空气旋流，进入燃烧室内进行燃烧。

优选地，本实施例中，二级旋流器11为空气顺时针旋向，叶片数为18～320个，旋流数为0.5～0.7，叶片角度为36～40°，二级旋流器11出口的外径范围为90～100mm。

实施例5

在实施例2至实施例4任一项的基础上，本实施例中，所述预燃级装置包括预燃级管5和预燃级旋流器9，所述预燃级管5同轴分布在所述主燃级内壳3内，其两端均敞口，且内部空间形成预燃级气腔6；所述预燃级旋流器9安装在所述预燃级气腔6内。

该方案结构简单，设计合理，预燃级管方便燃气流通，预燃级旋流器用于将燃气混合均匀，燃烧更加充分。

优选地，本实施例中，上述预燃级旋流器9包括多片预燃级旋流叶片，多片预燃旋流叶片沿预燃级管5的周向均匀间隔的固定安装在预燃级管5内，用于引导空气旋流，进入燃烧室内进行燃烧。

优选地，本实施例中，上述预燃级管5优选文氏管。

另外，上述预燃级管5进气端的尺寸大于其出气端的尺寸。

预燃级空气一部分通过预燃级旋流叶片进入预混通道，另一部分经过预燃喷嘴流入，在与预燃级燃气充分混合后通过预燃级喷嘴喷气孔流出。整个旋流燃烧器依靠下游点火电极点燃预燃级的燃料，之后通过预燃级火焰引燃主燃级的燃料，从而实现燃烧器的启动，开始加热，燃烧过程均在燃烧室中进行。

优选地，本实施例中，上述预燃级旋流器9的旋流数为0.4～0.6，叶片数为8～10个，叶片角度为40～45°。

优选地，本实施例中，所述预燃级旋流器9出口的外径范围为20～30mm。

实施例6

在实施例5的基础上，本实施例中，所述预燃级装置还包括预燃级喷嘴7，所述预燃级喷嘴7同轴固定安装在所述预燃级管5内，其上均匀间隔分布有多个贯穿的喷孔；所述预燃级旋流器9位于所述预燃级喷嘴7与所述预燃级管5之间。

该方案结构简单，设计合理，预燃级喷嘴7可将利用自身设计的多个喷孔将燃气送至预燃级管内的各个部位。

优选地，本实施例中，预燃级喷嘴7、一级喷嘴4及二级喷嘴2均为直射喷嘴。

优选地，本实施例中，上述多个喷孔个数为8～12个，喷孔直径为1.8～2.2mm。

实施例7

在实施例6的基础上，本实施例还包括三根燃气进气杆12，三根所述燃气进气杆12的两端均敞口，其一端分别与所述预燃级喷嘴7的进气端以及所述一级喷嘴4和所述二级喷嘴2的进气端连通。

该方案结构简单，设计合理，通过三根燃气进气杆12分别将燃气送至预燃级喷嘴7、一级喷嘴4和二级喷嘴2内，即三根燃气进气杆12的一端分别与预燃级喷嘴7的进气端、二级喷嘴2的进气端以及一级喷嘴4进气端连通。

优选地，本实施例中，其中一根与预燃级管5的进气端连通的燃气进气杆12垂直于预燃级管5设置；余下两根燃气进气杆12可以沿燃气流动的方向延伸设置。

另外，三根燃气进气杆12呈左中右排布，进一步增加了燃气分布的均匀性，使燃烧室具有很大的低排放的潜力。

基于上述方案，上述一级喷嘴4和一级旋流器10构成一级主燃级机构，且上述二级喷嘴2和二级旋流器11构成二级主燃级机构。

实施例8

在上述各实施例的基础上，本实施例还包括燃烧腔13，所述燃烧腔13的一端与所述主燃级外壳1的出气端连通，且所述燃烧腔13的一端内壁上固定安装有防震环8。

预燃级喷嘴7、一级喷嘴4和二级喷嘴2内的燃气最后均送入燃烧腔内进行燃烧，燃烧方便。

基于上述方案，上述防震环8固定安装在燃烧腔13的内壁上，且其靠近燃烧腔13的一端。

为避免预混燃烧引气的震荡，在头部出口设计了防震环结构，燃烧室头部冷却为冲击发散冷却方式、火焰筒壁面计划采用多斜孔发散冷却方式。

需要说明的是，上述燃烧腔13采用的是现有技术，其具体结构及原理在此不再进行赘述。

实施例9

在上述各实施例的基础上，本实施例还提供一种燃烧室，包括如上所述的低污染排放燃烧室的头部结构。

本实施例还提供一种燃烧室，该燃烧室采用中心分级贫燃预混的燃烧模式，即预燃级在中心，一级主燃级与预燃级共轴在其外围，二级主燃级与一级主燃级共轴在其外围；预燃级采用扩散燃烧的组织方式，用于保证起动、贫燃稳定燃烧边界及小工况的燃烧效率等燃烧性能，大工况下，起辅助燃烧和为主燃级提供稳定的点火源的作用；两级主燃级的燃烧均是贫燃预混燃烧的模式，用于满足大工况下的NOx排放及温度场分布的要求。

本实施例中，整个燃烧室的机匣内流道、长度以及安装方式均与原机型保持一致。

实施例10

在实施例9的基础上，本实施例还涉及一种燃气轮机，包括如上所述的燃烧室。

本实施例还提供一种燃气轮机，该燃气轮机采用中心分级贫燃预混的燃烧模式，即预燃级在中心，一级主燃级与预燃级共轴在其外围，二级主燃级与一级主燃级共轴在其外围；预燃级采用扩散燃烧的组织方式，用于保证起动、贫燃稳定燃烧边界及小工况的燃烧效率等燃烧性能，大工况下，起辅助燃烧和为主燃级提供稳定的点火源的作用；两级主燃级的燃烧均是贫燃预混燃烧的模式，用于满足大工况下的NOx排放及温度场分布的要求。

本发明的工作原理如下：

利用中心分级的思想将燃烧室设计为预燃级和主燃级两部分。预燃级为了达到良好的旋流以及掺混效果，采用了一级二级两级旋流叶片。预燃级采用双级旋流叶片的结构，具有三个作用：一是预燃级一级和二级旋流叶片的混合气可以相互混合，增强掺混；二是在保证总体当量比偏小的情况下，预燃级内层叶片流出的混合气当量比偏高，比较容易点火和稳火，而整体的当量比偏低，可以降低火焰温度，从而降低污染物的排放；三是预燃级采用双级旋流结构，预燃级的两级旋流叶片的旋流数可调，从而可以进一步控制流场的结构和形状，进而获得想要的火焰结构和燃烧效果。

一旦预燃级成功点火，预燃级的火焰便可以成为一个稳定的点火源，从而引燃主燃级的混合气，实现整个流场中的燃烧。进入主燃级的混合气经过旋流叶片可形成强旋流，进入燃烧室，形成扩张火焰，从而实现扩大燃烧火焰的目的，增强了加热面积，缩短了火焰，同时可以依靠强旋流形成的回流区来稳定火焰。级间段的向上导流的结构使得气流向上喷出，迫使主燃级气流获得初始扩张，主燃级气流更快地抵达燃烧室壁面，从而加强了点火性能。

本申请的有益效果在于：

燃烧室机匣内流道、长度以及安装方式均与原方案保持一致。为满足全新的低氮方案头部进气需求，重新设计了四通道扩压器。

头部方案为三级旋流结构，预燃级、一级主燃级和二级主燃级。天然气进气也分成了三路，进气杆呈左中右排布，进一步增加了燃气分布的均匀性，使燃烧室具有很大的低排放的潜力。

为避免预混燃烧引气的震荡，在头部出口设计了防震环结构。

燃烧室头部冷却为冲击发散冷却方式、火焰筒壁面计划采用多斜孔发散冷却方式。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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)

1.一种低污染排放燃烧室的头部结构，其特征在于：包括预燃级装置和主燃级装置，所述主燃级装置包括主燃级外壳(1)和主燃级内壳(3)，所述主燃级内壳(3)同轴固定套设在所述预燃级装置外，所述主燃级外壳(1)同轴固定套设在所述主燃级内壳(3)外，所述主燃级内壳(3)将所述主燃级外壳(1)与所述预燃级装置之间的区域由内至外分隔成一级喷嘴(4)和二级喷嘴(2)。

2.根据权利要求1所述的低污染排放燃烧室的头部结构，其特征在于：所述主燃级外壳(1)和/或所述主燃级内壳(3)分别呈圆筒状结构，且其两端均敞口。

3.根据权利要求2所述的低污染排放燃烧室的头部结构，其特征在于：所述一级喷嘴(4)呈环状结构，其内固定安装有一级旋流器(10)。

4.根据权利要求2所述的低污染排放燃烧室的头部结构，其特征在于：所述二级喷嘴(2)呈环状结构，其内固定安装有二级旋流器(11)。

5.根据权利要求2-4任一项所述的低污染排放燃烧室的头部结构，其特征在于：所述预燃级装置包括预燃级管(5)和预燃级旋流器(9)，所述预燃级管(5)同轴分布在所述主燃级内壳(3)内，其两端均敞口，且内部空间形成预燃级气腔(6)；所述预燃级旋流器(9)安装在所述预燃级气腔(6)内。

6.根据权利要求5所述的低污染排放燃烧室的头部结构，其特征在于：所述预燃级装置还包括预燃级喷嘴(7)，所述预燃级喷嘴(7)同轴固定安装在所述预燃级管(5)内，其上均匀间隔分布有多个贯穿的喷孔；所述预燃级旋流器(9)位于所述预燃级喷嘴(7)与所述预燃级管(5)之间。

7.根据权利要求6所述的低污染排放燃烧室的头部结构，其特征在于：还包括三根燃气进气杆(12)，三根所述燃气进气杆(12)的两端均敞口，其一端分别与所述预燃级喷嘴(7)的进气端以及所述一级喷嘴(4)和所述二级喷嘴(2)的进气端连通。

8.根据权利要求1-4任一项所述的低污染排放燃烧室的头部结构，其特征在于：还包括燃烧腔(13)，所述燃烧腔(13)的一端与所述主燃级外壳(1)的出气端连通，且所述燃烧腔(13)的一端内壁上固定安装有防震环(8)。

9.一种燃烧室，其特征在于：包括如权利要求1-8任一项所述的低污染排放燃烧室的头部结构。

10.一种燃气轮机，其特征在于：包括如权利要求9所述的燃烧室。