CN220103186U - 一种燃气轮机燃烧室及燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及燃气轮机技术领域，公开了一种燃气轮机燃烧室及燃气轮机，该燃气轮机燃烧室中，机匣设有空气入口，火焰筒的外壁与机匣的内壁之间形成有第一空气通道。第一旋流器组件包括基板、外筒体和多个第一叶片，各第一叶片均固定于基板与外筒体之间；外筒体背离基板的一端伸入火焰筒的敞口端，并与敞口端搭接；多个第一叶片沿基板的周向分布，相邻的两个叶片之间为第二空气通道；基板设有环形进料腔，各第一叶片均设有连通环形进料腔与火焰筒内腔的连接孔，第一进料管与环形进料腔连通，各连接孔的燃料出口分别位于对应的第一叶片朝向第一旋流器组件轴线的一面。该燃气轮机燃烧室及燃气轮机能够降低微型燃气轮机的NO_x排放量。

Description

一种燃气轮机燃烧室及燃气轮机

技术领域

本实用新型涉及燃气轮机技术领域，特别涉及一种燃气轮机燃烧室及燃气轮机。

背景技术

现有技术中，微型燃气轮机因结构紧凑、重量轻，维护费用低等优点而得到广泛应用。然而，微型燃气轮机燃烧产物中含有有害物质——NO_x(氮氧化物)，例如，NO和NO₂。为了降低微型燃气轮机燃烧产物中NO_x对人类和环境的不利影响，需尽可能采取措施降低微型燃气轮机的NO_x排放量。

实用新型内容

本实用新型提供了一种燃气轮机燃烧室及燃气轮机，能够降低微型燃气轮机的NO_x排放量。

为达到上述目的，本实用新型提供以下技术方案：

一种燃气轮机燃烧室包括机匣、火焰筒、第一旋流器组件和用于向所述第一旋流器组件通入燃料的第一进料管，所述火焰筒及所述第一旋流器组件均位于所述机匣中，且所述火焰筒和所述第一旋流器组件位于同侧的一端均与所述机匣位于该侧的一端固接；所述机匣设有空气入口，所述火焰筒的外壁与所述机匣的内壁之间形成有第一空气通道；

所述火焰筒与所述机匣连接的一端为敞口端；所述第一旋流器组件包括基板、外筒体和多个第一叶片，各所述第一叶片均固定于所述基板与所述外筒体之间；所述外筒体背离所述基板的一端伸入所述火焰筒的敞口端，并与所述敞口端搭接；所述多个第一叶片沿所述基板的周向分布，相邻的两个所述第一叶片之间为第二空气通道；所述基板设有环形进料腔，各所述第一叶片均设有连通所述环形进料腔与所述火焰筒内腔的连接孔，所述第一进料管与所述环形进料腔连通，各所述连接孔的燃料出口分别位于对应的所述第一叶片朝向所述第一旋流器组件轴线的一面。

该方案中，空气由机匣与火焰筒之间的第一空气通道进入各组相邻的第一叶片之间形成的第二空气通道，再由各第二空气通道进入火焰筒的内腔。燃料由第一进料管至基板的环形进料腔，再由基板的环形进料腔至各第一叶片上的连接孔，由各第一叶片上的连接孔至火焰筒的内腔。空气和燃料均是分为多路再进入火焰筒内腔(通常是进入火焰筒的头部)，从而便于进入火焰筒内腔的空气和燃料在燃烧前的充分混合，能够使燃气轮机燃烧室内的温度处于较低水平(例如：1700K-1900K)。而NO_x的产量和生成速度随着燃气轮机燃烧室温度的降低而降低，因而，本实施例提供的燃气轮机燃烧室能够使NO_x的生成和排放均较低。

可选地，所述火焰筒与所述第一旋流器组件同轴设置，所述多个第一叶片沿所述基板的周向均匀分布。

可选地，以所述第一旋流器组件的轴线方向为第一方向，所述连接孔的燃料出口的中心与所述基板之间的距离为对应的所述第一叶片在所述第一方向上长度的1/8～4/5。

可选地，所述连接孔的燃料出口的中心位于对应的所述第一叶片在所述第一方向上的长度的中部。

可选地，各所述连接孔均包括相互连通的第一段和第二段，其中，所述第一段远离所述第二段的一端与所述环形进料腔连通，且所述第一段的延伸方向与所述第一旋流器组件的轴线的延伸方向平行；所述第二段的延伸方向垂直于所述第一段的延伸方向，并平行于所述基板。

可选地，各所述第一叶片均包括多个所述连接孔；

或者，所述连接孔包括多个所述第二段，多个所述第二段均与所述第一段连通，且多个所述第二段在对应的所述第一叶片上、沿所述第一旋流器组件的轴线的延伸方向均布。

可选地，所述基板为环形板，所述第一旋流器组件还包括连接于所述基板的环孔中的第一筒体，所述第一筒体位于所述外筒体中，并与所述外筒体之间形成有气流通道；所述气流通道包括收敛段；沿所述第一旋流器组件指向所述火焰筒的方向，在所述收敛段所述外筒体的内壁与所述第一筒体的外壁之间的距离逐渐减小。

可选地，还包括第二旋流器组件及用于向所述第二旋流器组件通入燃料的第二进料管，所述第一旋流器组件与所述第二旋流器组件同轴设置，且所述第一旋流器组件围设于所述第二旋流器组件的外部。

可选地，所述第二旋流器组件包括第二筒体和多个第二叶片，所述多个第二叶片沿所述第二筒体的周向在所述第二筒体的内壁均布；

所述第二筒体朝向所述火焰筒的一端与所述第一筒体朝向所述火焰筒的一端通过连接板连接，所述连接板设有多个第一冷却孔；

和/或，所述火焰筒包括第三筒体和端板，所述端板盖设于所述第三筒体，且所述端板的中部具有第一通孔，所述第一通孔形成所述火焰筒的敞口；所述端板上均布有多个第二冷却孔。

本实用新型还提供一种燃气轮机包括压缩机和上述技术方案中提供的任意一种燃气轮机燃烧室，所述压缩机的压缩气出口与所述机匣的空气入口连通。该燃气轮机包括上述燃气轮机燃烧室，因而至少能够达到上述燃气轮机燃烧室所能够达到的技术效果，故此处不再赘述。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种燃气轮机燃烧室的剖视图；

图2为图1的局部结构示意图，其中，盖体与基体进行了分解；

图3为图1所示燃气轮机燃烧室的分解图；

图4为图2的A处放大图；

图5为本实用新型实施例提供的一种燃气轮机燃烧室中基板的剖视图；

图6为本实用新型实施例提供的一种燃气轮机燃烧室中第一叶片的示意图；

图7为本实用新型实施例提供的另一种燃气轮机燃烧室中第一叶片的示意图。

图标：1-机匣；11-空气入口；2-火焰筒；21-第三筒体；22-端板；221-第二冷却孔；23-冷却斜孔；24-掺混孔；3-第一旋流器组件；31-基板；311-环形进料腔；312-基体；3121-环形槽；313-盖体；32-第一叶片；321-连接孔；3211-第一段；3212-第二段；33-第一筒体；4-第一进料管；5-外筒体；6-第二旋流器组件；61-第二筒体；62-第二叶片；7-第二进料管；8-连接板；81-第一冷却孔；100-第一空气通道；200-第二空气通道；300-气流通道。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实施例提供的一种燃气轮机燃烧室的剖视图，图2为图1的局部结构示意图，图3为图1所示燃气轮机燃烧室的分解图，如图1-图3所示，本实施例提供的燃气轮机燃烧室包括机匣1、火焰筒2、第一旋流器组件3和用于向该第一旋流器组件3通入燃料的第一进料管4，火焰筒2及第一旋流器组件3均位于该机匣1中，且火焰筒和第一旋流器组件位于同侧的一端均与机匣位于该侧的一端固定连接。该机匣1设有空气入口11，火焰筒2的外壁与机匣1的内壁之间形成有第一空气通道100，空气能够由机匣1的空气入口11进入上述第一空气通道100，然后经上述第一空气通道100进入第一旋流器组件3。具体地，火焰筒2与机匣1连接的一端为敞口端，第一旋流器组件3包括基板31、外筒体5及多个第一叶片32，各第一叶片32均固定于基板31与上述外筒体之间。外筒体背离基板的一端伸入火焰筒的敞口端，并与火焰筒的敞口端搭接，从而满足火焰筒在高温作用下膨胀的空间需求。多个第一叶片沿基板的周向分布，如此一来，相邻的两个叶片之间形成第二空气通道200，第一旋流器组件3通过各第二空气通道200连通第一空气通道100与火焰筒2的内腔，如图1中的虚线箭头a所示。进一步地，请结合图1、图2和图4，其中，图4为图2的A放大图。基板31设有环形进料腔311，各第一叶片32均设有连通环形进料腔311与火焰筒2内腔的连接孔321，第一进料管4与环形进料腔311连通，各连接孔321的燃料出口分别位于对应的第一叶片32朝向第一旋流器组件3轴线的一面。

该方案中，空气由机匣1与火焰筒2之间的第一空气通道100进入各组相邻的第一叶片32之间形成的第二空气通道200，再由各第二空气通道200进入火焰筒2的内腔(如图1中虚线箭头所示)。燃料由第一进料管4至基板的环形进料腔311，再由基板的环形进料腔311至各第一叶片32上的连接孔321，由各第一叶片32上的连接孔321至火焰筒2的内腔(如图2中实线箭头所示)。空气和燃料均是分为多路再进入火焰筒2内腔(通常是进入火焰筒2的头部)，从而便于进入火焰筒2内腔的空气和燃料在燃烧前的充分混合，能够使燃气轮机燃烧室内的温度处于较低水平(例如：1700K-1900K)。而NO_x的产量和生成速度随着燃气轮机燃烧室温度的降低而降低，因而，本实施例提供的燃气轮机燃烧室能够使NO_x的生成和排放均较低。

示例性地，火焰筒2和基板均可以通过法兰实现与机匣1之间的上述连接。

请参照图2和图3，具体设置上述基板31时，一种可选的实现方式中，基板31可以包括用于与各第一叶片32连接的基体312和固定于基体312背离各第一叶片32一侧的盖体313，基体312上设有环形槽3121，盖体313覆盖上述环形槽3121，以与上述基体312配合限定出上述环形进料腔311。第一进料管4插设于盖体313上，并与环形进料腔311连通。示例性地，基体312与各第一叶片32可以为一体成型结构。

具体设置上述第一旋流器组件3时，一种可选的实现方式中，火焰筒2与第一旋流器组件3同轴设置，多个第一叶片32沿基板31的周向均匀分布，这使得上述各连接孔321的燃料出口沿基板31的周向均布分布，各组相邻的第一叶片32之间形成的第二空气通道200也沿基板31的周向均布分布，进而使得空气及燃料的进入均更加均匀，有利于空气和燃料在燃烧前更充分的混合，从而进一步减少NO_x的生成和排放。上述多个第一叶片32的设置不限于沿基板31的周向均匀分布，也可以是沿基板31的周向非均匀分布，本实施例中不做限定。

一种具体的实现方式中，第一旋流器组件3的旋流数可以为0.4～0.6，以降低贫燃预混燃烧时振荡风险发生的几率。

以第一旋流器组件3的轴线m的方向为第一方向，一种可选的实现方式中，连接孔321的燃料出口的中心与基板31之间的距离为对应的第一叶片32在第一方向上的长度的1/8～4/5，以使得燃料能够更均匀的进入火焰筒2的内腔中。示例性地，连接孔321的燃料出口的中心位于对应的第一叶片32在第一方向上的长度的中部，以使得进入火焰筒2内腔中的燃料的均匀性更为理想。显然，该方案是针对于第一叶片包括一个连接孔的情况。

请参照图4和图5，具体在各第一叶片上设置上述连接孔321时，一种具体的实现方式中，各连接孔321均包括相互连通的第一段3211和第二段3212，其中，第一段3211远离第二段3212的一端与基板上的环形进料腔311连通，且第一段3211的延伸方向与第一旋流器组件3的轴线m的延伸方向平行；第二段3212的延伸方向垂直于第一段3211的延伸方向，且平行于基板31，以便于连接孔321在相应的第一叶片32上的加工。

一种可选的实现方式中，如图6所示，各第一叶片均包括多个连接孔。

另一种可选的实现方式中，如图7所示，各连接孔321可以包括多个第二段3212，该多个第二段3212均与第一段3211连通，且多个第二段3212在对应的第一叶片32上、沿第一旋流器组件3的轴线m的延伸方向等间隔分布(也就是均匀分布)。示例性地，各连接孔321均可以包括2～5个第二段3212。

当然，第一段3211和第二段3212的延伸方向均不限定于上述情况，第二段3212的延伸方向也不限定于垂直第一段3211的延伸方向，例如，第一段3211的延伸方向可以与第一旋流器组件3的轴线m的延伸方向呈夹角，第二段3212的延伸方向可以与基板31呈夹角。

请继续参照图2，一种可选的实现方式中，基板31为环形板，第一旋流器组件3还包括连接于基板31的环孔中的第一筒体33，第一筒体33位于外筒体5中，并与外筒体5之间形成有气流通道300。进一步地，气流通道300包括收敛段，沿第一旋流器组件3指向火焰筒2的方向，在收敛段内外筒体5的内壁与第一筒体33的外壁之间的距离逐渐减小。该方案中，在收敛段的作用下，空气和燃料的混合气向火焰筒2内腔中流动时加速，可达60m/s～90m/s。因而，收敛段的设置能够减少空气和燃料的混合气在气流通道300中的停留时间，而空气和燃料的混合气在气流通道300中停留时间的缩短能够降低空气和燃料的混合气在气流通道300中自燃的可能性，同时，防止气流通道300中发生回火。

一种具体的实现方式中，燃气轮机燃烧室还包括第二旋流器组件6及用于向第二旋流器组件6通入燃料的第二进料管7，第一旋流器组件3与第二旋流器组件6同轴设置，且第一旋流器组件3围设于第二旋流器组件6的外部。该方案中，第二旋流器组件6能够用于燃气轮机燃烧室的扩散燃烧，使得燃气轮机燃烧室中的燃烧更为稳定可靠。

示例性地，第二旋流器组件6包括第二筒体61和多个第二叶片62，多个第二叶片62沿第二筒体61的周向在第二筒体61的内壁均匀分布。进一步地，第二筒体61朝向火焰筒2的一端与第一筒体33朝向火焰筒2的一端通过连接板8连接，连接板8设有多个第一冷却孔81。示例性地，该多个第一冷却孔81在上述连接板8上均匀设置，各第一冷却孔81的孔径可以为0.8mm至1.5mm。

如图2所示，第二旋流器组件6还可以包括与第二筒体61同轴的内圈，内圈位于第二筒体61的内部，第二进料管7插设于内圈中，各第二叶片62均一端与第二筒体61连接，另一端与内圈连接。

以基板31、第一筒体33、外筒体5及各第一叶片32构成的整体作为主燃级(即预混模)，第二筒体61、内圈及各第二叶片62构成的整体作为预燃级，预燃级中的燃烧是扩散燃烧，燃烧时燃料较少，在燃烧时起到点火作用，保证燃烧时燃烧室中的火焰不熄灭和燃烧稳定；主燃级是降低NO_x产生的重点，空气和大部分燃料在主燃级充分混合后再燃烧，这样会控制整个燃烧室内的温度处于较低水平(1700K-1900K)，以保证不会生成大量的NO_x。

一种可选的实现方式中，火焰筒2包括第三筒体21和端板22，端板22盖设于第三筒体21，且端板22的中部具有第一通孔，第一通孔形成火焰筒2的敞口。端板22上均布有多个第二冷却孔221。示例性地，该多个第二冷却孔221在上述端板22上均匀设置，各第二冷却孔221的孔径可以为0.8mm至1.5mm。

具体设置上述火焰筒2时，火焰筒2的侧壁可以设有多个掺混孔24。示例性地，多个掺混孔24可以沿火焰筒2的周向均匀分布，掺混孔24的数量可以为6至12个，掺混孔24的孔径可以为8mm至20mm。

值的说明的是，使用本实施例提供的燃气轮机燃烧室时，可以采用贫燃预混工艺，以更好的实现低NO_x排放。

火焰筒2靠近第一旋流器组件3的一段为高温区，一种可选的实现方式中，火焰筒2的高温区可以为有多个冷却斜孔23，以增加火焰筒2的阻尼，降低贫燃预混燃烧时振荡风险发生的几率。

本实施例提供的火焰筒2无主燃孔，且能够精确控制燃气的停留时间，将燃烧效率保持在99.9％以上。

具体工作时，经压缩机压缩的高压空气从空气入口进入机匣，随后，从主燃级旋流器空气入口(亦即上述第二空气通道100)和预燃级旋流器空气入口(亦即各组相邻的第二叶片之间的通道)分别进入主燃级和预燃级，主燃级和预燃级空气进气比例为10:1至4:1范围内，其余空气一部分经过各第二冷却孔221和各第一冷却孔81以起到冷却作用，保护火焰筒头部和第二筒体61不被烧毁；剩下的空气从掺混孔24进入，用来调节燃烧室出口温度的分布。燃料从第二进料管7进入预燃级，并从第二进料管7上的喷孔喷出；之后燃料和进入预燃级的空气混合燃烧，直到微型燃气轮机达到指定工况的时候，燃料从第一进料管4进入主燃级环形进料腔311，并经由各第一叶片上的连接孔321喷出与进入主燃级的空气(即，进入上述气流通道300的空气)进行混合，混合气从气流通道300喷出，然后燃烧。稳定燃烧后主燃级和预燃级燃料比例为7:1至4:1范围内，也可以停止预燃级的燃料供应，只有主燃级燃烧。

本实施例提供的一种燃气轮机包括压缩机和上述燃气轮机燃烧室，压缩机的压缩气出口与机匣1的空气入口11连通。

该方案中，空气由机匣1与火焰筒2之间的第一空气通道100进入各组相邻第一叶片32之间形成的第二空气通道200，再由各第二空气通道200进入火焰筒2的内腔(如图1中虚线箭头所示)。燃料由第一进料管4至基板的环形进料腔311，再由基板的环形进料腔311至各第一叶片32上的连接孔321，由各第一叶片32上的连接孔321至火焰筒2的内腔(如图2中实线箭头所示)。空气和燃料均是分为多路再进入火焰筒2内腔(通常是进入火焰筒2的头部)，从而便于进入火焰筒2内腔的空气和燃料在燃烧前的充分混合，使燃烧室内的温度处于较低水平(例如：1700K-1900K)。而NO_x的产量和生成速度随着燃烧室温度的降低而降低，因而，本实施例提供的燃气轮机能够使NO_x的生成和排放均较低。

值的说明的是，本实施例中提到的燃气轮机包括但不限于微型燃气轮机。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种燃气轮机燃烧室，其特征在于，包括机匣、火焰筒、第一旋流器组件和用于向所述第一旋流器组件通入燃料的第一进料管，所述火焰筒及所述第一旋流器组件均位于所述机匣中，且所述火焰筒和所述第一旋流器组件位于同侧的一端均与所述机匣位于该侧的一端固接；所述机匣设有空气入口，所述火焰筒的外壁与所述机匣的内壁之间形成有第一空气通道；

所述火焰筒与所述机匣连接的一端为敞口端；所述第一旋流器组件包括基板、外筒体和多个第一叶片，各所述第一叶片均固定于所述基板与所述外筒体之间；所述外筒体背离所述基板的一端伸入所述火焰筒的敞口端，并与所述敞口端搭接；所述多个第一叶片沿所述基板的周向分布，相邻的两个所述第一叶片之间为第二空气通道；所述基板设有环形进料腔，各所述第一叶片均设有连通所述环形进料腔与所述火焰筒内腔的连接孔，所述第一进料管与所述环形进料腔连通，各所述连接孔的燃料出口分别位于对应的所述第一叶片朝向所述第一旋流器组件轴线的一面。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述火焰筒与所述第一旋流器组件同轴设置，所述多个第一叶片沿所述基板的周向均匀分布。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，以所述第一旋流器组件的轴线方向为第一方向，所述连接孔的燃料出口的中心与所述基板之间的距离为对应的所述第一叶片在所述第一方向上长度的1/8～4/5。

4.根据权利要求3所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述连接孔的燃料出口的中心位于对应的所述第一叶片在所述第一方向上的长度的中部。

5.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，各所述连接孔均包括相互连通的第一段和第二段，其中，所述第一段远离所述第二段的一端与所述环形进料腔连通，且所述第一段的延伸方向与所述第一旋流器组件的轴线的延伸方向平行；所述第二段的延伸方向垂直于所述第一段的延伸方向，并平行于所述基板。

6.根据权利要求5所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，各所述第一叶片均包括多个所述连接孔；

或者，所述连接孔包括多个所述第二段，多个所述第二段均与所述第一段连通，且多个所述第二段在对应的所述第一叶片上、沿所述第一旋流器组件的轴线的延伸方向均布。

7.根据权利要求1-6任一项所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述基板为环形板，所述第一旋流器组件还包括连接于所述基板的环孔中的第一筒体，所述第一筒体位于所述外筒体中，并与所述外筒体之间形成有气流通道；所述气流通道包括收敛段；沿所述第一旋流器组件指向所述火焰筒的方向，在所述收敛段所述外筒体的内壁与所述第一筒体的外壁之间的距离逐渐减小。

8.根据权利要求7所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，还包括第二旋流器组件及用于向所述第二旋流器组件通入燃料的第二进料管，所述第一旋流器组件与所述第二旋流器组件同轴设置，且所述第一旋流器组件围设于所述第二旋流器组件的外部。

9.根据权利要求8所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述第二旋流器组件包括第二筒体和多个第二叶片，所述多个第二叶片沿所述第二筒体的周向在所述第二筒体的内壁均布；

所述第二筒体朝向所述火焰筒的一端与所述第一筒体朝向所述火焰筒的一端通过连接板连接，所述连接板设有多个第一冷却孔；

和/或，所述火焰筒包括第三筒体和端板，所述端板盖设于所述第三筒体，且所述端板的中部具有第一通孔，所述第一通孔形成所述火焰筒的敞口；所述端板上均布有多个第二冷却孔。

10.一种燃气轮机，其特征在于，包括压缩机和权利要求1-9任一项所述的燃气轮机燃烧室，所述压缩机的压缩气出口与所述机匣的空气入口连通。