CN115978587A - 一种带驻涡微混组合喷嘴的燃烧室 - Google Patents
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Abstract
一种带驻涡微混组合喷嘴的燃烧室，燃烧室包括喷嘴主体、火焰筒和燃烧室机匣；其中，所述喷嘴主体设置于燃烧室头部，并与所述火焰筒相连共同设置于所述燃烧室机匣内，所述火焰筒包裹形成的内部柱形区域即为燃烧室燃烧区，所述火焰筒和燃烧室机匣形成压缩空气流动腔道。相比传统燃烧室，本发明喷嘴主体采用分级燃烧技术，并兼顾了微混燃烧器和驻涡燃烧器技术优势，在保证低工况稳定燃烧基础上，有效降低高工况下污染物排放，从而拓宽了燃气轮机燃烧室稳定运行范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机燃烧室技术领域，特别是一种带驻涡微混组合喷嘴的燃烧室。
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。
现有燃气轮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，但是由于没有旋流结构，且燃气流速高于传统燃烧器，微预混燃烧技术稳定性相对较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出了一种保证低工况稳定燃烧基础上，有效降低高工况下污染物排放的带驻涡微混组合喷嘴的燃烧室。
本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，一种带驻涡微混组合喷嘴的燃烧室，其特点是包括喷嘴主体、火焰筒和燃烧室机匣，其中：
所述喷嘴主体设置于燃烧室头部，并与所述火焰筒相连共同设置于所述燃烧室机匣内；所述燃烧室机匣底部设置有空气进气通道，所述燃烧室机匣与所述火焰筒筒体形成空气流动腔道，所述火焰筒包裹形成的内部柱形区域即为燃烧室燃烧区；
所述喷嘴主体采用分级燃烧技术，包括值班级和主燃级，所述值班级设置在所述主燃级外侧；
所述主燃级包括主燃级燃料进气管、主燃级燃料腔、喷嘴微预混管束、喷嘴端盖；
所述主燃级燃料进气管与所述主燃级燃料腔连通，所述主燃级燃料腔与所述喷嘴微预混管束连通，为其提供主燃级燃料；
所述喷嘴微预混管束侧壁上和前端端面上分别设置有空气进气孔和燃料进气孔；
所述喷嘴端盖设置在喷嘴微预混管束出口，在所述喷嘴端盖侧壁上设置有冷却孔；
所述值班级包括值班级燃料进气管、值班级燃料环管、值班级燃料进气支管、值班级燃料腔、凹腔；
所述值班级燃料进气管与所述值班级燃料环管连通，所述值班级燃料环管与所述值班级燃料腔通过所述值班级燃料进气支管相连通；
所述凹腔包括凹腔前壁、凹腔后壁以及凹腔上壁；
所述值班级燃料腔设置于所述凹腔上壁，所述凹腔上壁还设置有值班级燃料进气孔，所述值班级燃料进气孔贯穿所述值班级燃料腔和所述凹腔；
所述凹腔前壁和凹腔后壁上分别设置有空气前进气孔和空气后进气孔，所述空气前进气孔靠近所述凹腔上壁，所述空气后进气孔远离所述凹腔上壁。
本发明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，所述喷嘴微预混管束内径d为5～12mm。
本发明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，所述喷嘴微预混管束长度为15～120mm。
本发明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，所述空气进气孔为圆孔或条形孔，周向均匀布置。
本发明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，沿管束轴线方向进气孔排数为1~2排。
本发明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，所述值班级燃料进气支管数量≥4根，沿值班级燃料环管均匀布置。
本发明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，所述值班级燃料进气孔在所述凹腔上壁均匀布置，环数≥2环。
本发明与现有技术相比，有益效果为：
（一）相比传统燃烧器，该燃烧器主喷嘴各个微预混管相对独立，根据负荷需求进行模块化阵列扩展，因此有较好的扩展性。
（二）微混管喷嘴均为毫米级设置，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，因此，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。
（三）微混管喷嘴均为毫米级设置，微混管内流速较高，可有效避免回火问题，并缩短高温烟气驻留时间，降低氮氧化物排放。
（四）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。
（五）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。
（六）喷嘴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，因此，拓宽了燃烧室运行工况范围。
（七）值班级设置在主燃级外侧，不占有喷嘴主体截面空间，喷嘴主体可依据负荷需求，布置更多的喷嘴微混管束，拓宽了燃烧室负荷上限；
（八）驻涡与微混燃烧技术相结合，兼顾了驻涡稳定和微混低排放技术优势，在实现低排放性能基础上，提高了燃烧稳定性，拓宽了燃烧室运行边界；
（九）喷嘴端盖侧壁开设冷却孔，冷却气一方面可直接冲击喷嘴管束实现降温，另一方面可在喷嘴端面高温侧形成冷却气膜，将喷嘴端面与火焰隔离，保护喷嘴端面不受高温烟气/火焰烧蚀。
附图说明
图1为本发明燃烧室的三维示意图；
图2为燃烧室结构原理示意图；
图3为喷嘴主体示意图；
图4为值班级燃料环管处放大图；
图5为喷嘴主体主燃级单微预混管二维示意图；
图6为图5预混管剖面图；
附图标记含义如下： 1、燃气轮机燃烧室；2、燃烧室机匣；3、火焰筒；4、喷嘴主体；21、压缩空气进口；22、压缩空气流向；23、压缩空气流动腔道；31、值班级燃烧区；32、主燃级燃烧区；41、主燃级燃料进气管；42、值班级燃料进气管；43、喷嘴微混管束；44、喷嘴端面；411、主燃级燃料腔；412、燃料气流向；413、混合气流向；421、值班级燃料环管；422、值班级燃料进气支管；423、值班级燃料腔；424、值班级燃料进气孔；45、凹腔；451、凹腔前壁；452、凹腔后壁；453、凹腔上壁；454、空气前进气孔；455、空气后进气孔；46、冷却孔；431、空气进气孔；432、燃料进气孔。
具体实施方式
以下进一步描述本发明的具体技术方案，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，而不构成对其权利的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，本实施例公开了驻涡微混组合喷嘴以及包括其的燃烧室包括：2、燃烧室机匣；3、火焰筒；4、喷嘴主体； 41、主燃级燃料进气管；42、值班级燃料进气管；43、喷嘴微混管束；44、喷嘴端面；411、主燃级燃料腔； 421、值班级燃料环管；422、值班级燃料进气支管；423、值班级燃料腔；424、值班级燃料进气孔；45、凹腔；451、凹腔前壁；452、凹腔后壁；453、凹腔上壁；
如图1-2所示，本实施例的燃烧室包括喷嘴主体4，设置于燃烧室1头部，并与火焰筒3相连共同设置于燃烧室机匣2内。燃烧室机匣2与火焰筒4筒体形成空气流动腔道23，燃烧室机匣2底部还开设有空气入口21，压缩空气经空气入口21沿着空气流向22流入燃烧室机匣2内，并沿空气流动腔道23向喷嘴主体4流动，一股空气经凹腔前后壁上空气前进气孔454与空气后进气孔455进入凹腔内参与燃烧，另一股空气经喷嘴微预混管束上空气入口431进入喷嘴微预混管束内，与主燃级燃料混合后形成预混气，流出喷嘴微预混管束43进入主燃区32进行燃烧。
本实施例燃气轮机燃烧室1采用主燃级和值班级分级燃烧模式，火焰筒3包裹形成的内部柱形区域即为燃烧室主燃级燃烧区32，主燃级燃烧区32占据整个火焰筒截面区域；凹腔45形成的环形区域即为值班级燃烧区31，值班级燃烧区31设置在空气流动腔道23内，包裹着主燃级燃烧区32。
如图3所示，主燃级包括主燃级燃料进气管41、主燃级燃料腔411、喷嘴微预混管束43、喷嘴端面44。主燃级燃料进气管41与主燃级燃料腔411连通，主燃级燃料腔411与所述喷嘴微预混管束43连通，为其提供主燃级燃料。所述主燃级喷嘴微预混管束43可根据实际负荷需求进行模块化阵列，层数优选3～8层，本实施例中为4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。
喷嘴端盖44靠近喷嘴微预混管束43出口，将空气腔和火焰筒燃烧区隔离，喷嘴端盖侧壁设置有冷却孔46，压缩空气经冷却孔流出，一方面直接冲击喷嘴微预混管束43实现冲击冷却降温，一方面流出的冷却空气在喷嘴端盖44高温侧形成冷却气膜，冷却气膜将喷嘴端盖44与高温烟气/火焰隔离，从而保护喷嘴端盖44不受高温烟气/火焰烧蚀。
值班级包括值班级燃料进气管42、值班级燃料环管421、值班级燃料进气支管422、值班级燃料腔423、凹腔45。值班级燃料进气管42与值班级燃料环管421连通，值班级燃料环管421与值班级燃料腔423通过值班级燃料进气支管422相连通；值班级燃料进气支管422数量≥4根，本实施例中为6根，沿值班级燃料环管421均匀布置，以确保值班级燃料周向进气均匀；凹腔45包括凹腔前壁451、凹腔后壁452以及凹腔上壁453，值班级燃料腔423设置于凹腔上壁453上，凹腔上壁453还设置有值班级燃料进气孔424，所述值班级燃料进气孔424贯穿值班级燃料腔423和所述凹腔45，值班级燃料进气孔424环数≥2环，本实施例为2环，在凹腔上壁453上均匀布置，以环确保值班级燃料周向均匀计入凹腔45；所述凹腔前壁451和凹腔后壁452上分别设置有空气前进气孔454和空气后进气孔455，其中空气前进气孔454靠近所述凹腔上壁453，空气后进气孔455远离所述凹腔上壁453设置；
值班级工作原理：值班级燃料从值班级燃料进气管42进入值班级燃料环管421，再经值班级燃料进气支管422均匀进入值班级燃料腔423，最后经值班级燃料进气孔424进入凹腔45内，随空气前进气孔454进入的空气在凹腔中边流动边混合，凹腔内燃烧产生的一部分高温烟气在空气后进气孔455进入的空气阻挡下改变流动方向，重新流入凹腔，预热凹腔内新鲜预混气，可作为凹腔连续点火源，另一部分高温烟气顺着空气后进气孔455间隙流入主燃区32，点燃从喷嘴微预混管束43流出的主燃级预混气，从而实现主燃级稳定燃烧。
图4为本实施例中喷嘴微预混管束43。燃料入口432位于喷嘴微预混管束43端部，并与主燃级燃料腔411相连通；空气进气孔432设置在喷嘴微预混管束43侧壁上，可以采用圆形孔或者条形孔等结构，本实施例中选用条形孔，沿着轴线空气孔排数优选1~2排，本实施例中排数为1排。
燃料经主燃级燃料管沿着燃料流向412流入主燃级燃料腔411，燃料在主燃级燃料腔411中均匀散开，随后从喷嘴微预混管束43端部燃料入口432流进喷嘴微预混管束45内，并与从空气进气孔432进入的交叉空气流边混合边向下游流动，最后混合后的预混气沿着流向413流入燃烧室主燃区32参与燃烧。
结合前期的研究发现，凹腔形成的环形值班级燃烧区31内部流场结构基本不受来流条件畸变的影响，具有很好的点熄火性能和很宽的稳定边界，而微预混燃烧技术具有很好的低排放燃烧潜力，本实施例将两种燃烧方式相结合，兼顾两者技术优势，因此可以保证低工况稳定燃烧基础上，有效降低高工况下污染物排放，从而拓宽了燃气轮机燃烧室稳定运行范围。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明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发明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发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种带驻涡微混组合喷嘴的燃烧室，其特征在于：包括喷嘴主体、火焰筒和燃烧室机匣，其中：
所述喷嘴主体设置于燃烧室头部，并与所述火焰筒相连共同设置于所述燃烧室机匣内；所述燃烧室机匣底部设置有空气进气通道，所述燃烧室机匣与所述火焰筒筒体形成空气流动腔道，所述火焰筒包裹形成的内部柱形区域即为燃烧室燃烧区；
所述喷嘴主体采用分级燃烧技术，包括值班级和主燃级，所述值班级设置在所述主燃级外侧；
所述主燃级包括主燃级燃料进气管、主燃级燃料腔、喷嘴微预混管束、喷嘴端盖；
所述主燃级燃料进气管与所述主燃级燃料腔连通，所述主燃级燃料腔与所述喷嘴微预混管束连通，为其提供主燃级燃料；
所述喷嘴微预混管束侧壁上和前端端面上分别设置有空气进气孔和燃料进气孔；
所述值班级包括值班级燃料进气管、值班级燃料环管、值班级燃料进气支管、值班级燃料腔、凹腔；
所述值班级燃料进气管与所述值班级燃料环管连通，所述值班级燃料环管与所述值班级燃料腔通过所述值班级燃料进气支管相连通；
所述凹腔包括凹腔前壁、凹腔后壁以及凹腔上壁；
所述值班级燃料腔设置于所述凹腔上壁，所述凹腔上壁还设置有值班级燃料进气孔，所述值班级燃料进气孔贯穿所述值班级燃料腔和所述凹腔。
2.根据权利要求1所述的带驻涡微混组合喷嘴的燃烧室，其特征在于：所述喷嘴端盖设置在喷嘴微预混管束出口，在所述喷嘴端盖侧壁上设置有冷却孔。
3.根据权利要求1所述的带驻涡微混组合喷嘴的燃烧室，其特征在于：所述凹腔前壁和凹腔后壁上分别设置有空气前进气孔和空气后进气孔，所述空气前进气孔靠近所述凹腔上壁，所述空气后进气孔远离所述凹腔上壁。
4.根据权利要求1所述的带驻涡微混组合喷嘴的燃烧室，其特征在于：所述喷嘴微预混管束内径d为5～12mm。
5.根据权利要求1所述的带驻涡微混组合喷嘴的燃烧室，其特征在于：所述喷嘴微预混管束长度为15～120mm。
6.根据权利要求1所述的带驻涡微混组合喷嘴的燃烧室，其特征在于：所述空气进气孔为圆孔或条形孔，周向均匀布置。
7.根据权利要求6所述的带驻涡微混组合喷嘴的燃烧室，其特征在于：沿管束轴线方向进气孔排数为1~2排。
8.根据权利要求1所述的带驻涡微混组合喷嘴的燃烧室，其特征在于：所述值班级燃料进气支管数量≥4根，沿值班级燃料环管均匀布置。
9.根据权利要求1所述的带驻涡微混组合喷嘴的燃烧室，其特征在于：所述值班级燃料进气孔在所述凹腔上壁均匀布置，环数≥2环。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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