CN218565477U

CN218565477U - 一种燃气轮机组合燃烧室

Info

Publication number: CN218565477U
Application number: CN202221449535.3U
Authority: CN
Inventors: 葛正好; 邵卫卫; 柴鹏; 朱涛; 郭巍; 岳威阳; 刘宇
Original assignee: Jiangsu Zhongke Energy And Power Research Center; Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Jiangsu Zhongke Energy And Power Research Center; Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2022-06-11
Filing date: 2022-06-11
Publication date: 2023-03-03
Anticipated expiration: 2032-06-11

Abstract

一种燃气轮机组合燃烧室，属于燃气轮机燃烧室技术领域。包括外壳体，外壳体内安装有燃烧装置，燃烧装置外壁与外壳体内壁之间构成空气进气腔，外壳体上设有空气进气口；燃烧装置包括燃烧器和火焰筒，燃烧器上设有与空气进气腔相通的喷嘴管束区，火焰筒设置在喷嘴管束区的外周，外壳体上设有与火焰筒相通的烟气出口；喷嘴管束区的外周设有包裹喷嘴管束区的配气腔，配气腔与空气进气腔相通，喷嘴管束靠近燃料供给区的前部为预混段，靠近火焰筒的后部为分流段，分流段包括中间主流区和设置在主流区外周的环状稳焰区，主流区和稳焰区均与预混段相通；所预混段的端部设有与燃料供给区相通的燃料进口，预混段的外周壁上设有与配气腔相通的进气孔。

Description

一种燃气轮机组合燃烧室

技术领域

本实用新型涉及燃气轮机燃烧室技术领域，尤其是一种燃气轮机组合燃烧室。

背景技术

燃气轮机因其高效清洁特性已经成为工业生产中不可或缺的动力来源，随着技术迭代更新，燃气轮机不断朝着更高效率以及更宽负荷调节范围方向发展，而如何在宽负荷工况范围内实现稳定、低排放燃烧是燃气轮机燃烧室的重要性能目标。

现有燃机燃机大都采用干式低氮氧化物(Dry Low NOx，DLN)燃烧技术的燃烧器，此类燃烧器主要采用将过量空气和燃料混合成贫预混气体，从而抑制氮氧化物的生成，但燃机发展到J级，其温度水平已经接近DLN有效工作范围(1670-1900K)的临界值，若温度进一步升高，一方面即使空气和燃料实现完全预混，氮氧化物排放也将会大幅度增加，另一方面采用常规旋流预混燃烧方式，则存在回火、自点火、热声振荡等风险，因此干式低氮氧化物(Dry Low NOx，DLN)燃烧技术已无法满足燃气轮机发展。

与传统旋流燃烧器相比，微预混燃烧技术将空气和燃料在微小的管道内混合，提高了燃气混合均匀度，且火焰结构小，燃气流速较高，加之管径的淬熄效应，微预混燃烧技术不仅可以降低NOX排放而且具有很好的抗回火能力。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足提供一种能够提高燃气混合均匀度且火焰结构小，燃气流速较高的燃气轮机组合燃烧室。

本实用新型所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，本实用新型是一种燃气轮机组合燃烧室，其特征在于：包括外壳体，外壳体内安装有燃烧装置，所述燃烧装置外壁与外壳体内壁之间构成空气进气腔，外壳体上设有与空气进气腔相通的空气进气口；所述燃烧装置包括燃烧器和火焰筒，所述燃烧器上设有喷嘴管束区，喷嘴管束区内安装有喷嘴管束，喷嘴管束包括设置在燃烧器中间的值班级喷嘴管束和设置在值班级喷嘴管束外周的主燃级喷嘴管束，所述火焰筒上设置有上口和下口，火焰筒的上口设置在喷嘴管束区的外周，外壳体上设有与火焰筒下口相通的烟气出口；

所述燃烧器在正对喷嘴管束区的方向设有燃料供给区，所述燃料供给区包括向值班级喷嘴管束提供燃料的值班级燃料腔以及向主燃级喷嘴管束提供燃料的主燃级燃料腔；

所述喷嘴管束区的外周设有包裹喷嘴管束区的配气腔，所述配气腔与空气进气腔相通，所述喷嘴管束靠近燃料供给区的前部为预混段，靠近火焰筒的后部为分流段，所述分流段包括中间主流区和设置在主流区外周的环状稳焰区，所述主流区和稳焰区均与预混段相通；所预混段的端部设有与燃料供给区相通的燃料进口，预混段的外周壁上设有与配气腔相通的进气孔。

本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述主燃级喷嘴管束和值班级喷嘴管束的内径为5～12mm，长度为15～120mm。

本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述值班级燃料腔内安装有值班级燃料管，主燃级燃料腔内安装有主燃级燃料管。

本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述稳焰区与预混段的连接处安装有旋流叶片。

本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述旋流叶片轴向角度为5~30°。

本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述火焰筒在与值班级喷嘴管束区相通区域形成值班级燃烧区，与主燃级喷嘴管束区相通的区域形成主燃级燃烧区。

本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述空气进气口设置在外壳体上靠近烟气出口端。

本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述值班级燃料管设有1根，所述主燃级燃料管至少设有2根。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是，

（1）喷嘴微预混管束在下游出口处设置主流区和稳焰区，主流区不改变原有气流流动状态，而稳焰区呈扩张结构，混合气流减速膨胀，既有利于火焰稳定，又有利于下游旋流结构的形成，此外，主流区和稳焰区气流存在较大速度梯度也有利于气流间能量传递，提高了火焰稳定性；

（2）稳焰区入口设置旋流叶片，因此可以在主流区射流周围形成一圈旋流区，一方面强化了主流区和稳焰区气流能量传递，另一方面可以作为主气流稳定点火源，提高了燃烧稳定性，拓宽了燃烧室运行边界；

（3）相比传统燃烧器，该燃烧器主喷嘴各个喷嘴管束相对独立，根据负荷需求进行模块化阵列扩展，因此有较好的扩展性；并且喷嘴管束均为毫米级设置，通过将燃料和空气在毫米尺度混合，从而可以获得相对传统旋流预混燃烧器更加均匀的燃料和空气预混气，能够降低燃烧过程中的峰值火焰温度，从而实现更优的氮氧化物减排效果。

（4）由于微混管所形成火焰较为短小，且温度分布均匀，因此可大大缩短燃烧室火焰筒长度。

（5）由于多个微预混管以阵列形式分布，因此喷出的火焰在径向相对分散，放热相对均匀，同时各主喷嘴微混管可采用不同结构方案，实现固有频率差异，减小了热声耦合几率，可有效避免燃烧不稳定问题。

附图说明

图1为燃烧室结构原理示意；

图2为燃烧室三维结构示意图；

图3为燃烧器剖面示意图；

图4为燃烧器主体俯视图；

图5为喷嘴管束结构示意图；

图中：1、燃烧装置；2、外壳体；3、火焰筒；4、燃烧器；21、空气进气口；22、空气流向；23、空气进气腔；31、值班级燃烧区；32、主燃级燃烧区；41、主燃级燃料管；41A、主燃级燃料进口；42、值班级燃料管；42A、值班级燃料进口；43、主燃级燃料仓；44、值班级燃料仓；45、主燃级喷嘴管束；45A、进气孔；45B、喷嘴管束燃料入口；45C、旋流叶片；45D、分流管；45E、主流区；45F、稳焰区；46、值班级喷嘴管束；47、燃料仓和空气隔板；48、燃烧器主体端盖；49、燃料流向；410、混合气流向。

具体实施方式

以下进一步描述本实用新型的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本实用新型，而不构成对其权利的限制。

参照图1-图5，一种燃气轮机组合燃烧室，包括外壳体，外壳体内安装有燃烧装置，所述燃烧装置外壁与外壳体内壁之间构成空气进气腔，外壳体上设有与空气进气腔相通的空气进气口；所述燃烧装置包括燃烧器和火焰筒，所述燃烧器上设有喷嘴管束区，喷嘴管束区内安装有喷嘴管束，喷嘴管束包括设置在燃烧器中间的值班级喷嘴管束和设置在值班级喷嘴管束外周的主燃级喷嘴管束，所述火焰筒上设置有上口和下口，火焰筒的上口设置在喷嘴管束区的外周，外壳体上设有与火焰筒下口相通的烟气出口；

所述主燃级喷嘴管束和值班级喷嘴管束的内径为5～12mm，长度为15～120mm，喷嘴管束均为毫米级设置，通过将燃料和空气在毫米尺度混合，从而可以获得相对传统旋流预混燃烧器更加均匀的燃料和空气预混气，能够降低燃烧过程中的峰值火焰温度，从而实现更优的氮氧化物减排效果。

所述值班级燃料腔内安装有值班级燃料管，主燃级燃料腔内安装有主燃级燃料管。

所述喷嘴管束后端的截面积大于前端，稳焰区呈扩张结构，混合气流减速膨胀，既有利于火焰稳定，又有利于下游旋流结构的形成，此外，主流区和稳焰区气流存在较大速度梯度也有利于气流间能量传递，提高了火焰稳定性。

所述稳焰区与预混段的连接处安装有旋流叶片，可以在主流区射流周围形成一圈旋流区，一方面强化了主流区和稳焰区气流能量传递，另一方面可以作为主气流稳定点火源，提高了燃烧稳定性，拓宽了燃烧室运行边界；

所述旋流叶片轴向角度为5~30°。

所述火焰筒在与值班级喷嘴管束区相通区域形成值班级燃烧区，与主燃级喷嘴管束区相通的区域形成主燃级燃烧区，燃烧器主体采用分级燃烧技术：小状态时只值班级工作，大状态值班级和主燃级同时工作。

所述空气进气口设置在外壳体上靠近烟气出口端。

所述值班级燃料管设有1根，所述主燃级燃料管至少设有2根。

本实施例的燃烧室包括燃烧器4，设置于外壳体2的头部，并与火焰筒3相连共同设置于外壳体2内。燃烧装置1与火焰筒4筒体形成空气进气腔23，燃烧室2底部开设有空气进气口21，空气经空气进气口21沿着空气流向22流入外壳体2内，并沿空气进气腔23向燃烧器4流动，最后经喷嘴管束上进气孔45A进入喷嘴管束内。火焰筒包裹形成的内部柱形区域即为燃烧室燃烧区，所述燃烧室燃烧区分为值班级燃烧区31和主燃级燃烧区32。

如图3-4所示，燃烧器主体4采用主燃级和值班级分级燃烧模式，燃烧器主体4前端设置有两个主燃级燃料管41和一个值班级燃料管42，其中主燃级燃料管41对称分布，值班级燃料管42处于燃烧器主体4中心线上。所述主燃级喷嘴管束层数优选3～8层，本实施例中为3层，交错排列，以此减小外层管束进气对内层管束进气的影响，值班喷嘴微预管束层数优选1～2层；本实施例中为1层，主燃级喷嘴管束45围绕在值班级喷嘴管束46周围，将其360°包围，有利于传焰和稳焰。此外，燃料仓和空气分隔板47将空气进气腔和燃料供给区相互隔离，燃烧器主体端盖48靠近喷嘴管束的出口，将空气进气腔和火焰筒燃烧区24隔离开。

燃料经主燃级燃料进口41A和值班级燃料进口42A沿着燃料流向49分别流入主燃级燃料仓43和值班级燃料仓44，燃料在燃料仓中均匀散开，随后从喷嘴管束端部喷嘴管束燃料入口45B分别流进主燃级喷嘴管束45和值班级喷嘴管束46内，并与管内空气混合后向下游流动，混合后的预混气流入火焰筒的燃烧区，分别在主燃级燃烧区32和值班级燃烧区31参与燃烧。

如图5所示，本实施例中主燃级喷嘴管束45和值班级喷嘴管束46采用相同的结构，因此下文将以主燃级喷嘴管束45为例进行详细说明。燃料入口45B位于主燃级喷嘴管束45上端部，并与主燃级燃料仓43相连通；空气进气孔45A设置在主燃级喷嘴管束45侧壁上，可以采用圆形孔或者条形孔等结构，本实施例中选用圆形孔，沿着轴线空气孔排数优选1~2排，本实施例中排数为1排。在靠近喷嘴管束出口位置，设置有分流管45D，分流管45D将喷嘴管束内区域分割成主流区45E和稳焰区45F，主流区45E在内部，稳焰区45F靠近壁面，为了防止回火，稳焰区入口直壁段腔道高度要足够小，从而利用壁面的淬熄作用防止回火，本实施例中主流区和稳焰区入口面积比为100。此外，在稳焰区45F入口处还设置有旋流叶片45C，旋流叶片轴向角度为20°，由于直壁段腔道高度很小，难以形成旋流结构，为了在出口顺利形成旋流结构，稳焰区45F外壁采用扩张结构，本实施例中扩张比为1.5。

燃料和空气分别从喷嘴管束燃料入口45B和进气孔45A流入主燃级喷嘴管束45内，随后在喷嘴管束内边混合边沿着混合气流向410向下游流动，流经分流管45D后，混合气被分成两股气流，分别流入主流区45E和稳焰区45F，其中，主流区45F内气流保持原有流动状态继续向下游流动，最后流出喷嘴管束；稳焰区45F内气流首先经入口旋流叶片扰动后，在稳焰区内旋转流动，并逐步膨胀减速，最终流出喷嘴管束，在主流四周形成旋流结构，和主流区混合气一起在燃烧室燃烧区参与燃烧。

本实施例中主燃级喷嘴管束45和值班级喷嘴管束46上游结构未发生改变，且主流区空间占比远远大于稳焰区，而主流区域未改变上游混合气流动状态，因此，本公开保留了微预混燃烧器所有技术优势；稳焰区入口采用旋流叶片结构，在扩张结构的辅助作用下，稳焰区混合气最终围绕主流形成旋流结构，起到了稳定点火源作用，因此，本公开又兼顾了常规旋流燃烧室优越稳定性能。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种燃气轮机组合燃烧室，其特征在于：包括外壳体，外壳体内安装有燃烧装置，所述燃烧装置外壁与外壳体内壁之间构成空气进气腔，外壳体上设有与空气进气腔相通的空气进气口；

所述燃烧装置包括燃烧器和火焰筒，所述燃烧器上设有喷嘴管束区，喷嘴管束区内安装有喷嘴管束，喷嘴管束包括设置在燃烧器中间的值班级喷嘴管束和设置在值班级喷嘴管束外周的主燃级喷嘴管束，所述火焰筒上设置有上口和下口，火焰筒的上口设置在喷嘴管束区的外周，外壳体上设有与火焰筒下口相通的烟气出口；

2.根据权利要求1所述的燃气轮机组合燃烧室，其特征在于：所述主燃级喷嘴管束和值班级喷嘴管束的内径为5～12mm，长度为15～120mm。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机组合燃烧室，其特征在于：所述值班级燃料腔内安装有值班级燃料管，主燃级燃料腔内安装有主燃级燃料管。

4.根据权利要求1所述的燃气轮机组合燃烧室，其特征在于：所述稳焰区与预混段的连接处安装有旋流叶片。

5.根据权利要求4所述的燃气轮机组合燃烧室，其特征在于：所述旋流叶片轴向角度为5~30°。

6.根据权利要求1所述的燃气轮机组合燃烧室，其特征在于：所述火焰筒在与值班级喷嘴管束区相通区域形成值班级燃烧区，与主燃级喷嘴管束区相通的区域形成主燃级燃烧区。

7.根据权利要求1所述的燃气轮机组合燃烧室，其特征在于：所述空气进气口设置在外壳体上靠近烟气出口端。

8.根据权利要求3所述的燃气轮机组合燃烧室，其特征在于：所述值班级燃料管设有1根，所述主燃级燃料管至少设有2根。