CN205447829U - 用于燃气轮机的燃烧器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于燃气轮机的燃烧器，包括相连接的中心值班燃烧器和主预混燃烧器；中心值班燃烧器包括值班燃烧器本体；值班燃烧器本体上设有中心值班喷嘴，值班燃烧器本体的出气口上设有火焰控制管道，火焰控制管道的内壁为向内凸起的弧形结构；沿着值班燃烧器本体的内壁的周向设有凹腔，凹腔处于中心值班喷嘴与火焰控制管道之间，凹腔上设有腔体燃料口和腔体进气口；值班燃烧器本体的内部还设有中心钝体，中心钝体处于中心值班喷嘴与凹腔之间，中心钝体与值班燃烧器本体的内壁之间设有钝体通气间隙，钝体通气间隙与凹腔连通。本实用新型值班级火焰和主预混火焰处于不同的区域中，避免两种火焰的交互作用，增强燃烧稳定性。

Description

用于燃气轮机的燃烧器

技术领域

本实用新型涉及燃气轮机燃烧室技术领域，特别是涉及一种用于燃气轮机的燃烧器。

背景技术

当前采用干式低污染和干式低NOx排放的燃烧技术的贫预混燃烧室均采用扩散或者部分预混值班喷嘴，值班级与主燃级分级燃烧，即在燃烧器中心通过中心值班喷嘴形成稳定小火焰或者使用钝体等稳焰结构来稳定预混主火焰的燃烧。通过扩散中心值班喷嘴形成稳定小火焰是早期重型燃气轮机热点技术，它面临的问题是扩散燃烧火焰温度高，从而产生较多的NOx排放。采用部分预混值班设计可以降低NOx排放，但其存在燃烧稳定性、回火等问题。此外，值班级与预混级分级但不分区，容易使得均匀混合的燃烧过程与燃烧室的声学特性耦合起来，产生燃烧不稳定的问题。现有的驻涡燃烧技术可以在凹腔内形成稳定的值班火焰，具有污染排放低，燃烧稳定范围宽，贫燃料熄火性能高等特点，但这种燃烧技术的突出缺点是由于凹腔的存在，容易形成流动特性与燃烧室放热耦合产生的噪声。

如何设计一种能够实现值班级与预混级的火焰燃烧分级且分区，保持火焰稳定，NOx排放低，且噪音小的燃烧器是本领域技术人员需要解决的问题。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型要解决的技术问题在于提供一种能够实现值班级火焰和主预混火焰分级且分区燃烧，提高稳燃能力的用于燃气轮机的燃烧器。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于燃气轮机的燃烧器，包括相连接的中心值班燃烧器和主预混燃烧器；所述中心值班燃烧器包括值班燃烧器本体；所述值班燃烧器本体的进气口上设有中心值班喷嘴，所述值班燃烧器本体的出气口上设有火焰控制管道，所述火焰控制管道与所述主预混燃烧器连通，所述火焰控制管道的内壁为向内凸起的弧形结构；沿着所述值班燃烧器本体的内壁的周向设有凹腔，所述凹腔处于所述中心值班喷嘴与所述火焰控制管道之间，所述凹腔上设有腔体燃料口和腔体进气口；所述值班燃烧器本体的内部还设有中心钝体，所述中心钝体处于所述中心值班喷嘴与所述凹腔之间，所述中心钝体与所述值班燃烧器本体的内壁之间设有钝体通气间隙，所述钝体通气间隙与所述凹腔连通。

优选地，所述主预混燃烧器包括预混器本体，所述预混器本体的值班燃烧产物流入通道沿着值班燃烧产物的流通方向尺寸逐渐增大。

进一步地，所述火焰控制管道包括相连接的收缩管部和扩张管部，所述扩张管部和所述值班燃烧产物流入通道连接，形成锥形外扩通道。

进一步地，所述预混器本体的预混气进气口上设有旋流器，所述旋流器包括多个旋流叶片，所述旋流叶片上设有燃料喷孔。

更进一步地，所述值班燃烧产物流入通道的中轴线与所述预混气进气口的中轴线所形成的夹角小于等于90°。

进一步地，所述预混器本体包括相连通的主火焰燃烧腔和预混气输入腔，所述预混气输入腔内设有分流板。

进一步地，所述火焰控制管道包括相连接的收缩管部和扩张管部，所述扩张管部和所述值班燃烧产物流入通道连接，形成锥形外扩通道；所述值班燃烧产物流入通道的中轴线与所述预混气进气口的中轴线所形成的夹角小于等于90°；所述预混器本体的预混气进气口上设有旋流器。

更进一步地，所述预混器本体的预混气进气口上设有旋流器，所述旋流器包括多个旋流叶片，所述旋流叶片的旋流数为0.6-0.8。

如上所述，本实用新型的用于燃气轮机的燃烧器，具有以下有益效果：

本实用新型将凹腔驻涡和中心钝体设置于值班燃烧器本体中，值班燃烧器本体与主预混燃烧器配合使用来稳定主预混火焰，利用凹腔驻涡燃烧NOx排放低、燃烧稳定性强的特点，显著改善贫预混燃烧技术的火焰稳定性和NOx排放性能；本实用新型值班级火焰处于中心值班燃烧器的火焰控制管道中，而主预混火焰处于主预混燃烧器中，两种火焰处于不同的区域中，避免两种火焰的交互作用，增强燃烧稳定性；由于凹腔设置于值班燃烧器本体的内部，流入凹腔和从值班燃烧器本体的进气口进入且流过凹腔的空气量仅占燃烧室总空气量的10％左右，与传统凹腔驻涡燃烧室有约80％的空气流经凹腔的内部和外部相比，能够有效降低噪音。

附图说明

图1显示为实施例1的结构示意图。

图2显示为实施例2的结构示意图。

图3显示为实施例2的值班燃烧器本体的放大结构示意图。

附图标号说明

100中心值班燃烧器

110值班燃烧器本体

120中心值班喷嘴

130火焰控制管道

131收缩管部

132扩张管部

140凹腔

141腔体进气口

150中心钝体

151钝体通气间隙

160第二值班回流区

170第一值班回流区

190中心回流区

200主预混燃烧器

210预混器本体

211值班燃烧产物流入通道

212预混气进气口

213主火焰燃烧腔

214预混气输入腔

220旋流叶片

221燃料喷孔

230分流板

310锥形外扩通道

α锥形外扩通道的外扩角度

β值班燃烧产物流入通道的中轴线与预混气进气口的中轴线所形成的夹角

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

实施例1

如图1所示，本实施例的用于燃气轮机的燃烧器，包括相连接的中心值班燃烧器100和主预混燃烧器200；

中心值班燃烧器100包括值班燃烧器本体110；值班燃烧器本体110的进气口111上设有中心值班喷嘴120，值班燃烧器本体110的出气口上设有火焰控制管道130，火焰控制管道130与主预混燃烧器200连通，火焰控制管道130的内壁为向内凸起的弧形结构；

沿着值班燃烧器本体110的内壁的周向设有凹腔140，凹腔140即为圆环形结构，沿着值班燃烧器本体110的中轴线方向，凹腔140处于中心值班喷嘴120与火焰控制管道130之间，凹腔140上设有腔体燃料口和腔体进气口141；

值班燃烧器本体110的内部还设有中心钝体150，沿着值班燃烧器本体110的中轴线方向，中心钝体150处于中心值班喷嘴120与凹腔140之间，中心钝体150与值班燃烧器本体110的内壁之间设有钝体通气间隙151，钝体通气间隙151与凹腔140连通。

用于燃气轮机的燃烧器使用时，值班燃烧器本体110的进气口111通入的空气通过钝体通气间隙151，在中心钝体后150后，形成第二值班回流区160；凹腔140的腔体进气口141通入的空气和从值班燃烧器本体110的进气口111通入且卷入凹腔140的空气形成第一值班回流区170；

凹腔140的腔体燃料口中通入的燃料和第一值班回流区170中的空气混合后被点火器点燃，在凹腔140中形成腔内火焰和腔内燃烧产物，腔内燃烧产物流入火焰控制管道130中；从中心值班喷嘴120中喷入的燃气和第二值班回流区160中的物质混合后，被腔内燃烧产物点燃，形成值班级火焰和值班级燃烧产物，本实施例中，从中心值班喷嘴120中喷入的燃气为天然气；

火焰控制管道130的内壁为向内凸起的弧形结构，值班级火焰无法从火焰控制管道130的内壁的弧形结构的凸起处通过，值班级火焰被限制在中心值班燃烧器100中，值班级火焰无法通过弧形结构的凸起处，只有值班级燃烧产物从火焰控制管道130流入主预混燃烧器200；值班级燃烧产物进入主预混燃烧器200，引燃主预混燃烧器200中的空气和燃料，形成主预混火焰。

所以，值班级火焰处于中心值班燃烧器100的火焰控制管道130中，而主预混火焰处于主预混燃烧器200中，两种火焰处于不同的区域中，避免两种火焰的交互作用，增强燃烧稳定性。

本实用新型利用凹腔140驻涡和中心钝体150设置于值班燃烧器本体110中，值班燃烧器本体110与主预混燃烧器200配合使用来稳定主预混火焰，利用凹腔140驻涡燃烧NOx排放低、燃烧稳定性强的特点，显著改善贫预混燃烧技术的火焰稳定性和NOx排放性能。

由于凹腔140设置于值班燃烧器本体110的内部，这与现有的常规驻涡燃烧室的凹腔位于燃烧室火焰筒壁面上或与火焰筒成一整体的结构存在较大差异，本实用新型的值班燃烧器本体110中流入和流过凹腔140的空气量只占总空气量的10％以下与传统凹腔驻涡燃烧室有约80％的空气流经凹腔的内部和外部相比，能够有效降低噪音。总空气量是值班燃烧器本体110的进气口111通入的空气量加上凹腔140的腔体进气口141中通入的空气量，再加上主预混燃烧器200中通入的空气量的总和。

实施例2

如图2和图3所示，本实施例与实施例1的区别在于，腔体燃料口和腔体进气口141均设置于凹腔140的靠近火焰控制管道130的一侧，即为凹腔140的后缘，凹腔140中燃料与空气的当量比为实际燃料空气比值除以完全燃烧的燃料空气比值；凹腔140中燃料与空气的当量比为1.2至1.4；该实际燃料空气比值为凹腔140的腔体燃料口中实际通入的燃料质量与所述腔体进气口141中实际通入的空气质量的比值；完全燃烧的燃料空气比为该绕料充分燃烧时，所用燃料的质量与所需的空气的质量的比值。该比例保证凹腔140中形成富燃。燃料从设置在凹腔140上的燃料环管引入，通过分布在燃料环管上的多个燃料喷杆的腔体燃料口喷入凹腔140中，空气从分布在凹腔140后缘上的腔体进气口141进入，进入凹腔140的燃料和空气在凹腔140中形成单涡，经点火器点燃后在凹腔140内形成稳定火焰。通过腔体燃料口进入凹腔140的燃料一般为天然气。

主预混燃烧器200包括预混器本体210，预混器本体210的值班燃烧产物流入通道211沿着值班燃烧产物的流通方向尺寸逐渐增大；火焰控制管道130包括相连接的收缩管部131和扩张管部132，扩张管部132和值班燃烧产物流入通道211连接，形成锥形外扩通道310，本实施例中，锥形外扩通道310的外扩角度α为15°至30°。

火焰控制管道130就是尺寸逐渐减小的收缩管部131与尺寸逐渐增大的扩张管部132连通的文氏管，收缩管部131和扩张管部132的连接处就是内壁的向内凸起处，扩张管部132的外扩角度的取值范围，使得扩张管部132具有的气动性能能够提高火焰稳定性。文氏管长度值与文氏管的最大内径值之比为2.2～3，以保证值班级火焰不能延伸出文氏管外，使得值班级火焰与主预混火焰处于两个区域燃烧，实现分级分区燃烧，减弱值班级火焰与主预混火焰的相互干扰，保证值班级火焰高效稳定燃烧。锥形外扩通道310的结构使得从预混器本体210的值班燃烧产物流入通道211流出的值班级燃烧产物能够朝着向外扩张的方向移动，在预混器本体210中形成主预混火焰剪切层，且值班级燃烧产物能够快速进入预混器本体210中，便于值班级燃烧产物在预混器本体210中与空气和燃料混合。

预混器本体210的预混气进气口212上设有旋流器，旋流器包括多个旋流叶片220，旋流叶片220上设有燃料喷孔221；旋流叶片220数目为18～24个，旋流数在0.6至0.8。每个旋流器叶片压力面和吸力面分别设有多个燃料喷孔221，用于喷射燃料，喷射的燃料一般为天然气，每个压力面或吸力面上的喷孔个数为3～10个。旋流器的设置使得空气和燃料能够快速进入预混器本体210，且使得空气和燃料在沿着预混器本体210的轴向移动的过程中能够形成回流，即在主预混火焰剪切层内部形成中心回流区190。

旋流数S_N定义：

其中：G_φ表示气流通过旋流器后具有的旋转角动量；G_x表示气流通过旋流器后具有的轴向动量；R_s表示旋流器外半径。

预混器本体210包括相连通的主火焰燃烧腔213和预混气输入腔214；预混气输入腔214内设有分流板230。本实施例中，设置了一个分流板230将预混气输入腔214分隔为双通道，进入预混器本体210中的空气和燃料的混合物能够进行分流，能够调节空气和燃料的混合物的流动方向，且能够对值班燃烧产物和活性自由基进行逐步稀释，提高燃烧稳定性，即实现燃烧稳定性和污染排放的双重控制。

本实施例中，值班燃烧产物流入通道211的中轴线与预混气进气口212的中轴线所形成的夹角β小于等于90°。该结构使得进入主火焰燃烧腔213空气和燃料具有足够长的混合距离。当值班燃烧产物流入通道211的中轴线与预混气进气口212的中轴线所形成的夹角β等于90°时，对应的旋流器为径向旋流器。当值班燃烧产物流入通道211的中轴线与预混气进气口212的中轴线所形成的夹角β小于90°时，对应的旋流器为斜向旋流器。

采用本实施例的用于燃气轮机的燃烧器的火焰燃烧方法，值班燃烧器本体110的进气口111通入的空气通过钝体通气间隙151，在中心钝体150后，形成第二值班回流区160，即为一个单涡流区；凹腔140的腔体进气口141通入的空气和从值班燃烧器本体110的进气口111通入且卷入凹腔140的空气形成第一值班回流区170，即为另一个单涡流区；凹腔140的腔体燃料口中通入的燃料和第一值班回流区170中的空气混合后被点火器点燃，在凹腔140中形成腔内火焰和腔内燃烧产物，由于凹腔140中持续通入燃料和空气，使形成的腔内火焰和腔内燃烧产物需要排出，在值班燃烧器本体110的进气口111流入的空气所形成的气流压力的作用下，腔内燃烧产物向火焰控制管道130的方向流动；从中心值班喷嘴120中喷入的燃气依次通过钝体通气间隙151和凹腔140后，进入火焰控制管道130，与第二值班回流区160中的空气混合，再被腔内燃烧产物点燃，形成值班级火焰和值班级燃烧产物，值班级燃烧产物从火焰控制管道130流入主预混燃烧器200；主预混燃烧器200中通入空气和燃料，值班级燃烧产物引燃主预混燃烧器200中的空气和燃料，形成主预混火焰。

本实用新型的用于燃气轮机的燃烧器将凹腔140驻涡与中心钝体150稳焰技术相结合设置在中心值班燃烧器100中，使中心值班燃烧器100与主预混燃烧器200相配合工作时，值班级火焰和主预混火焰能够轴向分级且分区，减弱值班级火焰与主预混火焰的相互干扰，使值班级火焰高效稳定燃烧、NOx排放、噪音以及燃烧室动态性能都能够提高。

火焰控制管道130包括相连接的收缩管部131和扩张管部132，扩张管部132和值班燃烧产物流入通道211连接，形成锥形外扩通道310；值班燃烧产物流入通道211的中轴线与预混气进气口212的中轴线所形成的夹角小于等于90°；预混器本体210的预混气进气口212上设有旋流器；通入主预混燃烧器200中的空气和燃料，在旋流器的作用下，在所述主预混燃烧器200中形成中心回流区190，中心回流区190的气流方向如图2中箭头方向所示，即中心回流区190的气流方向是由内向外，再由外向内循环流动；通过主预混燃烧器200中的空气和燃料在所述中心回流区190的外围形成主预混火焰剪切层，主预混火焰剪切层的气体流动方向是以预混气输入腔214的中轴线为中心线，沿着中心回流区190的周向流动；通入主预混燃烧器200的值班级燃烧产物沿着所述值班燃烧产物流入通道211向外扩方向流动，流动到预混器本体210的出口端的值班级燃烧产物在所述中心回流区190的回流作用下，被带入所述主预混火焰剪切层，值班级燃烧产物点燃所述主预混火焰剪切层中的空气和燃料，形成主预混火焰。

中心钝体150及凹腔140的后部的值班级燃烧产物和活性自由基从火焰控制管道130排出点燃主预混燃烧器200中的空气和燃料，且值班级燃烧产物与主预混燃烧器200中的空气和燃料在主预混火焰剪切层快速掺混从富氧转变为贫氧，以实现低NOx排放的目的。

主预混火焰剪切层是指位于主预混火焰与中心回流区190之间的区域，由于预混器本体210的预混气进气口212上设有旋流器，旋流器包括多个旋流叶片220，旋流叶片220的旋流数为0.6-0.8，在主预混火焰剪切层内，高温燃烧产物和活性自由基与主预混燃烧器200中的空气和燃料在旋流器产生的旋转射流作用下通过切向动量交换进行旋转混合。

凹腔140中燃料与空气的当量比为1.2至1.4。凹腔140中，燃料和空气被点火器点燃，形成富燃。从值班燃烧器本体110的进气口111通入且卷入凹腔140的空气能够调节值班燃烧器本体110中物质的温度，应保证流出值班燃烧器本体110的文氏管的值班级燃烧产物的温度不低于1800K。

本实用新型的用于燃气轮机的燃烧器与扩散值班燃烧器和半预混半扩散值班燃烧器相比，可获得更低的NOx排放和更好的燃烧稳定性，不但能够有效降低污染排放量，减少对环境的污染，还可以减少燃气轮机机组出现跳机或熄火的概率，节约硬件成本。

综上，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种用于燃气轮机的燃烧器，包括相连接的中心值班燃烧器(100)和主预混燃烧器(200)；

其特征在于：

所述中心值班燃烧器(100)包括值班燃烧器本体(110)；所述值班燃烧器本体(110)的进气口(111)上设有中心值班喷嘴(120)，所述值班燃烧器本体(110)的出气口上设有火焰控制管道(130)，所述火焰控制管道(130)与所述主预混燃烧器(200)连通，所述火焰控制管道(130)的内壁为向内凸起的弧形结构；

沿着所述值班燃烧器本体(110)的内壁的周向设有凹腔(140)，所述凹腔(140)处于所述中心值班喷嘴(120)与所述火焰控制管道(130)之间，所述凹腔(140)上设有腔体燃料口和腔体进气口(141)；

所述值班燃烧器本体(110)的内部还设有中心钝体(150)，所述中心钝体(150)处于所述中心值班喷嘴(120)与所述凹腔(140)之间，所述中心钝体(150)与所述值班燃烧器本体(110)的内壁之间设有钝体通气间隙(151)，所述钝体通气间隙(151)与所述凹腔(140)连通。

2.根据权利要求1所述的用于燃气轮机的燃烧器，其特征在于：所述主预混燃烧器(200)包括预混器本体(210)，所述预混器本体(210)的值班燃烧产物流入通道(211)沿着值班燃烧产物的流通方向尺寸逐渐增大。

3.根据权利要求2所述的用于燃气轮机的燃烧器，其特征在于：所述火焰控制管道(130)包括相连接的收缩管部(131)和扩张管部(132)，所述扩张管部(132)和所述值班燃烧产物流入通道(211)连接，形成锥形外扩通道(310)。

4.根据权利要求2所述的用于燃气轮机的燃烧器，其特征在于：所述预混器本体(210)的预混气进气口(212)上设有旋流器，所述旋流器包括多个旋流叶片(220)，所述旋流叶片(220)上设有燃料喷孔(221)。

5.根据权利要求4所述的用于燃气轮机的燃烧器，其特征在于：所述值班燃烧产物流入通道(211)的中轴线与所述预混气进气口(212)的中轴线所形成的夹角小于等于90°。

6.根据权利要求2所述的用于燃气轮机的燃烧器，其特征在于：所述预混器本体(210)包括相连通的主火焰燃烧腔(213)和预混气输入腔(214)，所述预混气输入腔(214)内设有分流板(230)。

7.根据权利要求2所述的用于燃气轮机的燃烧器，其特征在于：所述火焰控制管道(130)包括相连接的收缩管部(131)和扩张管部(132)，所述扩张管部(132)和所述值班燃烧产物流入通道(211)连接，形成锥形外扩通道(310)；所述值班燃烧产物流入通道(211)的中轴线与所述预混气进气口(212)的中轴线所形成的夹角小于等于90°；所述预混器本体(210)的预混气进气口(212)上设有旋流器。

8.根据权利要求7所述的用于燃气轮机的燃烧器，其特征在于：所述预混器本体(210)的预混气进气口(212)上设有旋流器，所述旋流器包括多个旋流叶片(220)，所述旋流叶片(220)的旋流数为0.6-0.8。