CN105674330B - 一种地面燃气轮机单管燃烧室装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种地面燃气轮机单管燃烧室装置，包括机匣和设置在机匣内的火焰筒，火焰筒的顶部设有外接的天然气进口管道，火焰筒的颈部位置由上而下依次设置有旋转方向相反的一级斜切孔旋流器和二级径向旋流器，一级斜切孔旋流器呈圆台状结构，以及斜切孔旋流器上设有联通侧壁面与底面的通孔；两级旋流器分别配有文氏管；火焰筒侧壁由上而下依次设有点火器组件、主燃孔、掺混孔，火焰筒表面设有若干全覆盖气膜冷却小孔；机匣侧壁设有一对对称的空气进口，火焰筒尾部设有收敛出口。通过在火焰筒颈部设置两级旋流器，以及火焰筒上主燃孔、掺混孔、冷却小孔的布置，能产生合理的燃烧流场、出口温度和壁面温度分布、燃烧室温升，提高火焰筒寿命。

Description

一种地面燃气轮机单管燃烧室装置

技术领域

本发明属于地面燃气轮机领域，涉及一种以天然气为燃料的，带有双级斜切径向旋流器、主燃孔、掺混孔和壁面冷却孔等结构的地面燃气轮机单管燃烧室。

背景技术

在国外、国内近十年来，地面燃气轮机的使用价值已经被充分证明，其应用方向是富有前景的。随着能源消耗的日益增加，分布式电源逐渐得到了重视。分布式供电有不需要远距离输配电设备、就近利用能源、按照用户要求方便实现热、电、冷三联产和满足特殊应用环境的动力和用电需求等优点。而地面燃气轮机是将燃料的化学能转变为电能的最为快速、稳定和方便的具有高功率密度的能量转换装置之一。地面燃气轮机可以是燃用气体燃料和液体燃料，其中气体燃料以天然气为多，液体燃料包括柴油和重油等。地面燃气轮机技术的发展与应用受到航空燃机技术和理论的发展、地面燃机自身技术的发展、相关学科技术的发展以及市场需求的激励。

目前国内对地面燃气轮机燃烧室的研究，主要参考国外较为成熟的技术。气体燃料不同于液体和固体燃料，燃烧过程包含三个阶段：燃料与空气混合、混合气体加热着火和完成燃烧化学反应。燃气轮机燃烧室大多采用扩散式燃烧，混合后的可燃气体是靠外部点火源点燃，为了防止脱火、熄火，除了应保证气体的喷出速度和火焰传播速度相适应外，还应该采取措施构成强有力的点火源，靠自身产生的热量实现连续稳定的燃烧。为了提高地面燃气轮机的整体性能，其燃烧室一般采用高温合金材料，采用多级旋流的方式形成回流区稳定火焰，结合主燃孔和掺混孔形成较为均匀的出口温度场，采用合理的冷却方式冷却火焰筒壁面，从而保证火焰筒的寿命。对于地面燃气轮机，大多采用回流环形和折流形式的燃烧室，尺寸相对于航空燃气轮机燃烧室来讲较长，具有对压气机出口流场不敏感和出口温度较为均匀等优点，且不用过分考虑燃烧室的复杂结构和重量。但是回流式燃烧室存在着火焰筒冷却面积大、转弯附加压力损失和不对称流动等缺点。尤其以天然气为燃料的地面燃气轮机，由于不同地区的天然气的甲烷等含量不尽相同，这就导致了燃料的热值等参数有一定的变化，这就要求其燃烧室应该具有一定宽度的燃料热值适应性。在地面燃气轮机燃烧室的设计过程中应该充分考虑上述特点进行设计，发挥其长处，克服其短处。

发明内容

发明目的：为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种地面燃气轮机单管燃烧室装置，能够产生合理的燃烧流场、出口温度分布、壁面温度分布和燃烧室温升等，满足设计要求。

技术方案：一种地面燃气轮机单管燃烧室装置，包括机匣和设置在机匣内的火焰筒，所述火焰筒的顶部设有外接的天然气进口管道，所述火焰筒的颈部位置由上而下依次设置有一级斜切孔旋流器和二级径向旋流器，所述一级斜切孔旋流器与所述二级径向旋流器的旋转方向相反；所述一级斜切孔旋流器呈圆台状结构、以及斜切孔旋流器上设有联通侧壁面与底面的通孔；所述一级斜切孔旋流器连接第一文氏管，所述二级径向旋流器连接第二文氏管；所述火焰筒侧壁由上而下依次设有点火器安装组件、主燃孔、掺混孔，所述火焰筒表面设有一个以上均匀排列的全覆盖气膜冷却小孔；所述机匣侧壁设有一对对称的空气进口，所述火焰筒尾部设有出口。

进一步的，还包括端盖、机匣法兰；所述机匣顶部通过螺栓连接所述端盖，所述机匣与所述端盖之间设有波纹薄板；所述火焰筒的尾部设有支撑板，所述支撑板通过机匣法兰支撑所述火焰筒。

进一步的，所述天然气进口管道位于火焰筒的一端设有天然气烧嘴。

有益效果：本发明提供了一种地面燃气轮机单管燃烧室装置，通过在火焰筒的颈部设置带有若干斜切孔的一级斜切孔旋流器，二级径向旋流器，空气从两级旋流器进去，与烧嘴喷出的天然气进行充分混合，在两级旋流气流作用下形成稳定的回流区，经壁面上点火器点燃后，形成稳定的燃烧火焰；空气从主燃孔进入主流区，通过主燃孔的射流来截断头部高温回流区，从而控制回流区长度，并补充新鲜空气，使烧嘴喷出的天然气完全燃烧；从掺混孔进入的空气可以调节出口温度分布，提高涡轮的寿命；从小孔进入火焰筒内的空气在火焰筒内壁面上形成全覆盖气膜，提高火焰筒寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为地面燃气轮机燃烧室旋流器结构示意图；

其中，图2a为燃烧室旋流器的剖视图，图2b为一级旋流器的结构示意图，图2c为二级旋流器的结构示意图；

图3为一级斜切孔旋流器三维结构图；

其中，图3a和图3b均为一级斜切孔旋流器的三维结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种地面燃气轮机单管燃烧室装置，包括机匣16和设置在机匣16内的火焰筒，火焰筒的顶部设有外接的天然气进口管道1，火焰筒的颈部位置由上而下依次设置有一级斜切孔旋流器4和二级径向旋流器5，一级斜切孔旋流器4与二级径向旋流器5的旋转方向相反，二级径向旋流器5的螺旋叶片范围覆盖一级斜切孔旋流器4底面上的通孔所在位置；一级斜切孔旋流器4呈圆台状结构，以及斜切孔旋流器上设有联通侧壁面与底面的通孔；一级斜切孔旋流器4连接第一文氏管19，二级径向旋流器5连接第二文氏管20；火焰筒侧壁由上而下依次设有点火器安装组件17、主燃孔15、掺混孔13，火焰筒表面设有一个以上均匀排列的全覆盖气膜冷却小孔7；机匣16侧壁设有一对对称的空气进口14，火焰筒尾部设有出口12。还包括端盖2、机匣法兰11；机匣16顶部通过螺栓连接端盖2，机匣16与端盖2之间设有波纹薄板3；火焰筒的尾部设有支撑板10，支撑板10通过机匣法兰11支撑火焰筒。天然气进口管道1位于火焰筒的一端设有天然气烧嘴18。

实施例：

本发明设计的地面燃气轮机单管燃烧室由天然气烧嘴18、一级斜切孔旋流器4、二级径向旋流器5，机匣16和火焰筒组成，火焰筒由火焰筒头部6、火焰筒中部8和火焰筒尾部9组成。来自离心压气机的高压气体经过两侧对称的空气进口14进入单管燃烧室后，分为五部分流路进入燃烧室火焰筒，分别是流经一级斜切孔旋流器4、二级径向旋流器5、火焰筒上的主燃孔15、掺混孔13以及火焰筒壁面上的全覆盖气膜冷却小孔7。燃烧室端盖2与燃气轮机机匣16通过螺栓连接；头部的天然气进口管道1攻有螺纹，方便与天然气管道连接，可以保证密封，防止漏气，且天然气进口管道1与燃烧室端盖2焊接连接，保证密封，防止燃烧室内的燃气漏出；由于整个燃气轮机总体设计要求，整个燃烧室设计为竖直放置，因此需要考虑其机械应力和热应力的承力件设计，主要由头部的波纹薄板3和尾部的火焰筒支撑板10来固定，其中尾部的火焰筒支撑板10是主要的受力部件，整个火焰筒的重力由火焰筒支撑板传递给机匣法兰11来承受；而波纹薄板3通过螺栓把一级斜切孔旋流器4、二级径向旋流器5，机匣16和燃烧室端盖2一起固定连接，波纹薄板3套在天然气烧嘴上并且有一定的空隙空间，并且波纹薄板3和燃烧室端盖2之间有一定的轴向距离，当火焰筒受热膨胀时，火焰筒支撑板10固定不动，波纹薄板3可以向上移动一定的轴向距离，从而消除燃烧室火焰筒的热应力。考虑到火焰筒受热膨胀和部件加工及安装误差，在火焰筒中部8的前段设计有点火器安装组件17，点火器安装组件17可以沿圆周360°方向均有一定的移动空间，从而方便点火器安装。

大部分空气从主燃孔15、掺混孔13和一级斜切孔旋流器4、二级径向旋流器5进入火焰筒，用于组织燃烧和空气掺混，剩余空气从壁面全覆盖冷却小孔7进入燃烧室，用于冷却火焰筒壁面。燃烧室头部的主要结构为两级旋流器结构，包括一级斜切孔旋流器组件4和二级径向旋流器组件5，两级旋流器分别配有第一文氏管19、第二文氏管20，一级斜切孔旋流器4连接第一文氏管19，二级径向旋流器5连接第二文氏管20，文氏管均设计为先收缩，后扩张，从而保证气流在文氏管内加速流动，防止回火。一级斜切孔旋流器4设计成多个斜切孔结构，二级径向旋流5设计成径向旋流器，其叶片为螺旋形叶片，并且两级旋流器的进气旋向相反，在第一文氏管19出口处相掺混，形成剪切层，保证天然气与空气快速均匀的混合。从一级斜切孔旋流器4、二级径向旋流器5流出的空气流出第一文氏管19、第二文氏管20后开始迅速向外高速旋转扩张，从而造成火焰筒中心部位压力降低，导致后面气流逆流来补充，从而在燃烧室头部形成稳定的回流区，为形成稳定的点火源提供了气动条件；混气在燃烧室头部经点火器组件17点燃后迅速燃烧，释放热量，气流加速，从燃烧室火焰筒出口12高速喷出，推动燃烧室后的涡轮做功，将热能转变为机械能。

一级斜切孔旋流器4可以通过整体铸造或机械加工方式进行加工，二级径向旋流器5可以通过整体机械加工、整体铸造或焊接等方式进行加工，旋流器叶片等部件可以通过焊接方式与旋流器挡板和文氏管进行连接，两级旋流器之间通过焊接连接；一级斜切孔旋流器4、二级径向旋流器5与波纹薄板3，燃烧室端盖2和燃烧室机匣16通过法兰经过螺栓连接；火焰筒头部6、火焰筒中部8和火焰筒尾部9之间通过焊接连接；火焰筒壁面上的全覆盖冷却小孔7通过激光打孔技术进行加工，主燃孔15和掺混孔13等比较大的孔可以通过机械加工的方式进行加工。火焰筒支撑板10通过焊接方式与火焰筒尾部9连接，使得火焰筒整体承重通过支撑板10坐在机匣上后面的法兰11上。

天然气烧嘴18的孔径在0.6～1.5mm之间，数量在6～20个之间，以及烧嘴喷射的角度在30°～120°之间，甚至是喷嘴的结构形式均可以根据所需的工作状态进行适当的调整，从而达到喷射的燃料尽快与空气混合均匀。一级斜切孔旋流器4的斜切孔23旋流角度在30°～80°之间，斜切孔23的数量在6～20个之间，均可以做出适当的调整，气流旋向沿气流方向可为顺时针或者逆时针，与一级斜切孔旋流器4连接的第一文氏管19的收缩扩张段可以有效的防止回火；二级径向旋流器5设计为径向叶片式旋流器，旋流器叶片24焊接在二级旋流器挡板22上，旋流器叶片24安装角度在30°～80°之间，旋流器叶片24数目在10～25个之间，均可以做出适当的调整。两级旋流器的气流旋向相反，可以形成较强的气流剪切层，有利于燃料与空气的快速混合；火焰筒头部6、火焰筒中部8和火焰筒尾部9上面的全覆盖气膜冷却小孔7与来流壁面之间的夹角在15°～45°之间，根据实际情况进行适当的调整，从而达到最佳冷却效果。

燃烧室头部的空气量占到进口总空气量的12％～30％左右，包括一级斜切孔旋流器4和二级径向旋流器5的进气量、火焰筒头部的冷却小孔7的冷却空气量；燃烧室头部总体为偏富油燃烧，从而保证有较好的燃烧稳定性。

10％～30％左右的空气从两级旋流器进去，与烧嘴喷出的天然气进行充分混合，在两级旋流气流作用下形成稳定的回流区，经壁面上点火器点燃后，形成稳定的燃烧火焰；15％～40％左右的空气从主燃孔进入主流区，通过主燃孔的射流来截断头部高温回流区，从而控制回流区长度，并补充新鲜空气，使烧嘴喷出的天然气完全燃烧；15％～40％左右的空气从掺混孔进入，调节出口温度分布，使其温度场满足涡轮设计要求，从而提高涡轮的寿命；剩余空气从火焰筒上的全覆盖气膜冷却小孔进入，在火焰筒内壁面上形成全覆盖气膜，从而提高火焰筒寿命；燃烧室出口的高温高速燃气进入涡轮，推动涡轮做功。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,本发明所述技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更改和润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (2)

1.一种地面燃气轮机单管燃烧室装置，其特征在于：包括机匣(16)和设置在机匣(16)内的火焰筒，所述火焰筒的顶部设有外接的天然气进口管道(1)，所述火焰筒的颈部位置由上而下依次设置有一级斜切孔旋流器(4)和二级径向旋流器(5)，所述一级斜切孔旋流器(4)与所述二级径向旋流器(5)的旋转方向相反；所述一级斜切孔旋流器(4)呈圆台状结构、以及斜切孔旋流器上设有联通侧壁面与底面的通孔；所述一级斜切孔旋流器(4)连接第一文氏管(19)，所述二级径向旋流器(5)连接第二文氏管(20)；所述火焰筒侧壁由上而下依次设有点火器安装组件(17)、主燃孔(15)、掺混孔(13)，所述火焰筒表面设有一个以上均匀排列的全覆盖气膜冷却小孔(7)；所述机匣(16)侧壁设有一对对称的空气进口(14)，所述火焰筒尾部设有出口(12)；

还包括端盖(2)、机匣法兰(11)；所述机匣(16)顶部通过螺栓连接所述端盖(2)，所述机匣(16)与所述端盖(2)之间设有波纹薄板(3)；所述火焰筒的尾部设有支撑板(10)，所述支撑板(10)通过机匣法兰(11)支撑所述火焰筒。

2.根据权利要求1所述的一种地面燃气轮机单管燃烧室装置，其特征在于：所述天然气进口管道(1)位于火焰筒的一端设有天然气烧嘴(18)。