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CN107143881B - 一种用于燃气轮机低污染燃烧室的多点直接喷射头结构 - Google Patents

一种用于燃气轮机低污染燃烧室的多点直接喷射头结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于燃气轮机低污染燃烧室的多点直接喷射头结构，采用多个相同结构的副燃级旋流喷嘴模和主燃级旋流喷嘴模依燃烧室头部法兰中心周向均布固连，主燃级旋流喷嘴模沿周向位于副燃级旋流喷嘴模外围；空气进口、旋流通道、环形旋流空气平直通道、环形旋流空气收敛通道和旋流空气出口组成旋流喷嘴模的空气流路，在旋流空气出口形成沿径向内侧低外侧高的速度分布。燃油进口、喷嘴和喷嘴出口组成燃油流路；喷嘴出口与旋流空气出口平齐，喷嘴模以非预混燃烧方式工作，避免自燃和回火现象的发生，降低振荡燃烧的风险；燃烧区温度较低、燃烧稳定，有效降低热力型氮氧化物的生成。污染物排放少，适用于燃气轮机低污染燃烧室。

Description

一种用于燃气轮机低污染燃烧室的多点直接喷射头结构
技术领域
本发明涉及燃气轮机燃烧室技术领域，具体地说，涉及一种用于燃气轮机低污染燃烧室的多点直接喷射头结构。
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。贫油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。
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。但是，该技术研发过程中遇到自燃、回火和严重的燃烧不稳定性等技术障碍，这些问题严重制约了该技术的实际应用。针对预混燃烧遇到的问题，又提出了贫油直接喷射燃烧技术，该技术中燃油不经过预混而是直接喷射到主燃区内与空气快速混合并充分燃烧，同样可以有效降低氮氧化物的生成量，并且完全避免了自燃和回火的问题，同时降低了燃烧不稳定性的程度。因此贫油直接喷射燃烧技术是低污染燃烧技术发展的重要方向之一。
国内近年也有许多关于低污染燃烧室的文献发表。专利201510673156.0、201510674145.4公开了两种低污染燃烧室，其中副燃级采用旋流稳定的扩散燃烧与旋流预混燃烧相结合的方式，可在小状态下稳定燃烧的同时降低污染物；主燃级采用预混预蒸发的燃烧方式，可在大状态下实现均匀燃烧以降低NOx排放。专利201410643105.9公开了一种主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室，值班级采用扩散燃烧，主燃级采用贫油预混燃烧，在大工况时，值班级和主燃级同时工作，主燃区处于贫油状态，能够显著降低NOx的排放。但是主燃级采用预混预蒸发的方式有可能产生燃烧不稳定现象，严重影响燃烧性能，甚至导致结构性的破坏。专利CN104791847A提出了“一种适用于燃气轮机低污染燃烧室的低旋流多喷嘴燃烧室结构”，该燃烧室由六个外侧低旋流喷嘴和一个中心低旋流喷嘴组成，采用气态燃料和预混燃烧方式，可有效降低污染物排放。气态燃料可直接快速与空气混合，但是液态燃料必须经过良好雾化并和空气混合后才能形成可燃混气，因此该燃烧器不适用于液态燃料，不能解决使用液态燃料燃气轮机的低污染燃烧问题。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种用于燃气轮机低污染燃烧室的多点直接喷射头结构，该喷射头结构能使燃烧室在全工况范围内稳定高效工作，有效抑制燃烧不稳定性的发生，同时降低污染物排放。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括燃烧室头部法兰、四个副燃级旋流喷嘴模、八个主燃级旋流喷嘴模、空气进口、旋流通道、环形旋流空气平直通道、环形旋流空气收敛通道、旋流空气出口、燃油进口、喷嘴、喷嘴出口，所述副燃级旋流喷嘴模和主燃级旋流喷嘴模依燃烧室头部法兰中心周向均布固连，主燃级旋流喷嘴模沿周向均布在副燃级旋流喷嘴模外围，空气进口、旋流通道、环形旋流空气平直通道、环形旋流空气收敛通道和旋流空气出口组成旋流喷嘴模的空气流路，旋流通道内安装有旋流叶片，空气流过旋流通道形成旋转流动，在旋流空气出口形成沿径向内侧低外侧高的速度分布；所述燃油进口、喷嘴和喷嘴出口组成燃油流路，所述喷嘴出口与旋流空气出口平齐，从喷嘴出口喷出的油雾在旋流空气剪切作用下破碎形成均匀分布的小液滴并与空气混合形成均匀可燃混气，以非预混方式燃烧反应；主燃级旋流喷嘴模和副燃级旋流喷嘴模可独立工作或同时工作。
所述副燃级旋流喷嘴模周向相邻喷嘴模中心距S1为1.5～2.0d。
所述主燃级旋流喷嘴模周向相邻喷嘴模中心距S2为1.5～2.0d。
所述旋流喷嘴模燃烧当量比为0.6～0.8。
所述旋流通道内的旋流叶片数量为8～16个，旋流叶片安装角度为35～40°。
有益效果
本发明提出的用于燃气轮机低污染燃烧室的多点直接喷射头结构，燃烧区采用贫油设计，工作当量比在0.6～0.8之间，此时火焰温度较低，可有效抑制由热力型机理生成的氮氧化物。燃油喷雾在旋流空气作用下迅速雾化并与空气良好混合，确保燃烧均匀充分不产生局部热点。
燃烧室在相同的入口条件下，多点喷射较常规燃烧室单点喷射而言，每个喷嘴的流量减小，因此可选用流量数较小的喷嘴，从而保证较高的供油压力，达到更好的雾化水平，更快更均匀的进行燃烧反应。同时，多点喷射较单点喷射能够获得更加均匀的出口温度场。
贫油多点直接喷射采用非预混燃烧，极大降低了发生燃烧不稳定性的几率，并且可通过调整喷嘴间距控制各喷嘴之间干涉作用，有效抑制燃烧噪声。
本发明采用分级燃烧技术，将燃烧分为主燃级和副燃级，其目的是为了拓宽燃烧室稳定工作边界。在小功率状态下，仅需要副燃级供油燃烧，主燃级不供油，副燃级工作当量比在0.6～0.8之间，保证燃烧室稳定工作，随着功率状态的增加，可逐渐打开主燃级并关闭副燃级；同样主燃级工作当量比在0.6～0.8之间，在最大功率状态下，主燃级和副燃级同时工作仍保持燃烧当量比在0.6～0.8之间。可保证在所有工作状态下，燃烧室均能稳定工作并有效降低污染物排放水平。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种用于燃气轮机低污染燃烧室的多点直接喷射头结构作进一步详细说明。
图1为本发明多点直接喷射头结构示意图。
图2为本发明多点直接喷射头结构布置示意图。
图3为本发明的旋流喷嘴模轴测图。
图4为本发明的旋流喷嘴模剖视图。
图5为本发明应用于环管型燃烧室示意图。
图中:
1.燃烧室头部 2.燃烧室头部法兰 3.副燃级旋流喷嘴模 4.主燃级旋流喷嘴模5.空气进口 6.旋流通道 7.环形旋流空气平直通道 8.环形旋流空气收敛通道 9.旋流空气出口 10.燃油进口 11.喷嘴 12.喷嘴出口 13.锥形油雾 14.流线
3a、3b、3c、3d为副燃级旋流喷嘴模
4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h为主燃级旋流喷嘴模
具体实施方式
本实施例是一种用于燃气轮机低污染燃烧室的多点直接喷射头结构。
如图1～图4，本实施例用于燃气轮机低污染燃烧室的多点直接喷射头结构，由燃烧室头部1、燃烧室头部法兰2、四个副燃级旋流喷嘴模3、八个主燃级旋流喷嘴模4、空气进口5、旋流通道6、环形旋流空气平直通道7、环形旋流空气收敛通道8、旋流空气出口9、燃油进口10、喷嘴11、喷嘴出口12组成；其中，副燃级旋流喷嘴模3包括旋流喷嘴模3a、旋流喷嘴模3b、旋流喷嘴模3c、旋流喷嘴模3d；主燃级旋流喷嘴模4包括旋流喷嘴模4a、旋流喷嘴模4b、旋流喷嘴模4c、旋流喷嘴模4d、旋流喷嘴模4e、旋流喷嘴模4f、旋流喷嘴模4g、旋流喷嘴模4h；副燃级旋流喷嘴模3和主燃级旋流喷嘴模4依燃烧室头部1的燃烧室头部法兰中心周向均布固连，主燃级旋流喷嘴模4沿周向均布在副燃级旋流喷嘴模3外围；主燃级旋流喷嘴模4和副燃级旋流喷嘴模3可独立工作或同时工作。副燃级旋流喷嘴模周向相邻喷嘴模中心距S1为1.5～2.0d。主燃级旋流喷嘴模周向相邻喷嘴模中心距S2为1.5～2.0d。
本实施例中，空气进口5、旋流通道6、环形旋流空气平直通道7、环形旋流空气收敛通道8和旋流空气出口9组成旋流喷嘴模的空气流路；旋流通道6内安装有旋流叶片，旋流通道6内的旋流叶片数量为8～16个，旋流叶片安装角度为35°～40°；空气流过旋流通道6形成旋转流动，在旋流空气出口9形成沿径向内侧低外侧高的速度分布。燃油进口10、喷嘴11和喷嘴出口12组成燃油流路；喷嘴出口12与旋流空气出口9平齐，从喷嘴出口12喷出的油雾在旋流空气剪切作用下破碎形成均匀分布的小液滴并与空气混合形成均匀可燃混气，以非预混方式燃烧反应。
燃烧室工作过程:
燃烧室点火时，仅中心四个副燃级旋流喷嘴模燃烧，随着工作状态的增加，供油量也逐渐增加，当达到四个副燃级旋流喷嘴模工作上限时，打开外围八个主燃级旋流喷嘴模，中心火焰迅速引燃外围可燃混气，随后保持副燃级旋流喷嘴模和主燃级旋流喷嘴模同时工作。
旋流喷嘴模工作过程:
空气从空气进口5进入旋流通道6形成旋流流动，然后流过环形旋流空气平直通道7以消除旋流叶片尾迹的影响；再流过环形旋流空气收敛通道8，在旋流空气出口9形成沿径向内侧低外侧高的速度分布，最终旋流器下游流线14扩张形成回流区。燃油从燃油进口10进入喷嘴11，从喷嘴出口12喷出锥形喷雾13，燃油锥形喷雾13和旋流空气混合后在下游以贫油状态稳定燃烧。旋流喷嘴模燃烧当量比为0.6～0.8。
图5是应用于环管型燃烧室的布局，在实际应用时，根据燃气轮机的具体结构和尺寸调整单管燃烧室数量。

Claims (5)

1.一种用于燃气轮机低污染燃烧室的多点直接喷射头结构，其特征在于:包括燃烧室头部法兰、四个副燃级旋流喷嘴模、八个主燃级旋流喷嘴模、空气进口、旋流通道、环形旋流空气平直通道、环形旋流空气收敛通道、旋流空气出口、燃油进口、喷嘴、喷嘴出口，所述副燃级旋流喷嘴模和主燃级旋流喷嘴模依燃烧室头部法兰中心周向均布固连，主燃级旋流喷嘴模沿周向均布在副燃级旋流喷嘴模外围，空气进口、旋流通道、环形旋流空气平直通道、环形旋流空气收敛通道和旋流空气出口组成旋流喷嘴模的空气流路，旋流通道内安装有旋流叶片，空气流过旋流通道形成旋转流动，在旋流空气出口形成沿径向内侧低外侧高的速度分布；所述燃油进口、喷嘴和喷嘴出口组成燃油流路，所述喷嘴出口与旋流空气出口平齐，从喷嘴出口喷出的油雾在旋流空气剪切作用下破碎形成均匀分布的小液滴并与空气混合形成均匀可燃混气，以非预混方式燃烧反应；主燃级旋流喷嘴模和副燃级旋流喷嘴模可独立工作或同时工作。
2.根据权利要求1所述的用于燃气轮机低污染燃烧室的多点直接喷射头结构，其特征在于:所述副燃级旋流喷嘴模周向相邻喷嘴模中心距S1为1.5～2.0d，其中，d为旋流喷嘴模外部直径。
3.根据权利要求1所述的用于燃气轮机低污染燃烧室的多点直接喷射头结构，其特征在于:所述主燃级旋流喷嘴模周向相邻喷嘴模中心距S2为1.5～2.0d，其中，d为旋流喷嘴模外部直径。
4.根据权利要求1所述的用于燃气轮机低污染燃烧室的多点直接喷射头结构，其特征在于:所述旋流喷嘴模燃烧当量比为0.6～0.8。
5.根据权利要求1所述的用于燃气轮机低污染燃烧室的多点直接喷射头结构，其特征在于:所述旋流通道内的旋流叶片数量为8～16个，旋流叶片安装角度为35°～40°。
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