CN114110662B - 一种燃气轮机低氮燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃气轮机低氮燃烧室，包括火焰筒和燃烧室头部，燃烧室头部连接火焰筒，燃烧室头部包括主燃级径向旋流器，主燃级径向旋流器的输出侧设置有直流通道，直流通道一端连接主燃级径向旋流器，另一端连接火焰筒；直流通道内设有主燃级助燃空气扰流结构和主燃级燃气喷口；直流通道包括扰流段，主燃级助燃空气扰流结构设置在扰流段的输入端，主燃级燃气喷口设置在扰流段中。与现有技术相比，本发明具有燃烧更稳定、安全性强等优点。

Description

一种燃气轮机低氮燃烧室

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机燃烧室技术领域，尤其是涉及一种燃气轮机低氮燃烧室。

背景技术

燃烧室是燃气轮机的三大核心部件之一，其功能是将燃料的化学能转化为热能以推动涡轮的高速旋转，进而转化为机械功。随着国内外对于氮氧化物排放要求逐渐严格，低氮燃烧室的设计研发愈发重要。

目前，贫燃预混燃烧技术是业界主流的一种降低氮氧化物排放的燃烧方式，该技术的核心思想是增加助燃空气的流量，并使燃气与助燃空气在进入燃烧室前充分混合，通过过量的助燃空气吸收燃烧放出的热量以降低燃烧室主燃区的烟气温度，进而降低热力型氮氧化物的生成量。但是现有的低氮燃烧室在燃气、空气的预混程度较高时，仍可能会出现回火现象，导致火焰不稳定并会产生大量氮氧化物，依然存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃气轮机低氮燃烧室。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃气轮机低氮燃烧室，包括火焰筒和燃烧室头部，所述燃烧室头部连接火焰筒，所述燃烧室头部包括主燃级径向旋流器，所述主燃级径向旋流器的输出侧设置有直流通道，所述直流通道一端连接主燃级径向旋流器，另一端连接火焰筒；所述直流通道内设有主燃级助燃空气扰流结构和主燃级燃气喷口；所述直流通道包括扰流段，所述主燃级助燃空气扰流结构设置在扰流段的输入端，所述主燃级燃气喷口设置在扰流段中。

进一步地，所述直流通道连接火焰筒的一端为缩口结构。

进一步地，所述缩口结构的截面面积不小于缩口前截面面积的50％。

进一步地，所述主燃级助燃空气扰流结构为设置在直流通道内壁上的环状凸起。

进一步地，所述主燃级助燃空气扰流结构的截面为矩形、半圆形或三角形。

进一步地，该燃烧室还包括值班级火焰稳定结构，值班级火焰稳定结构包括值班级燃气喷管、值班级径向旋流器和空气流道，所述空气流道一端与值班级径向旋流器连接，另一端与火焰筒连接；所述值班级燃气喷管设置在所述空气流道的一侧，值班级燃气喷管和空气流道通过值班级燃气喷口连接，所述值班级燃气喷口设置在空气流道连接火焰筒的一端。

进一步地，所述空气流道连接火焰筒的一端为扩口结构。

进一步地，该燃烧室包括主燃级燃气喷管、主燃级燃气稳压腔和主燃级燃气均流腔，所述主燃级燃气均流腔一端与主燃级燃气喷管连接，另一端与主燃级燃气稳压腔连接，所述主燃级燃气喷口连接主燃级燃气稳压腔。

进一步地，该燃烧室包括机匣，所述火焰筒设置在机匣内部。

进一步地，所述机匣内壁和所述火焰筒外壁之间形成环缝状流道。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明在主燃级径向旋流器后的直通流道内设置了主燃级助燃空气扰流结构和主燃级燃气喷口，且主燃级燃气喷口位于主燃级助燃空气扰流结构形成的扰流段内。通过扰流段中的周向流速帮助燃气与空气快速混合，提高了燃气轮机燃烧室主燃级空气与燃气的混合效果，有利于降低燃烧室的氮氧化物排放。

2、本发明在直流通道连接火焰筒的一端设置了缩口结构，通过降低流通面积提高主燃级预混燃气的流速，可防止回火并导致弥散燃烧，提高燃烧的稳定性。

3、本发明设置了值班级火焰稳定结构，值班级径向旋流器的一侧设置有空气流道，空气流道连接火焰筒的一端为扩口结构，可以降低值班级助燃空气的流速，延长了值班级燃气与助燃空气的相对停留时间，有利于建立稳定的值班级火焰，提高系统的燃烧稳定性。

4、本发明主燃级助燃空气扰流结构的结构可设置为矩形、半圆形或三角形，矩形的扰流效果较好，半圆形的压降较好，三角形的扰流效果和压降处于前两者之间，通过不同结构可满足不同情况下的燃烧室需求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明燃烧室头部的结构示意图。

图3为本发明主燃级助燃空气扰流结构横截面为矩形的示意图。

图4为本发明主燃级助燃空气扰流结构横截面为半圆形的示意图。

图5为本发明主燃级助燃空气扰流结构横截面为三角形的示意图。

图6为本发明扰流区流动示意图(虚线箭头表示燃气流向，实线箭头表示空气流向)。

图7为本发明燃烧室头部的流场示意图(虚线箭头表示燃气流向，实线箭头表示空气流向)。

附图标记：

1-机匣；2-机匣上顶盖；3-空气进口；4-火焰筒；5-主燃级燃气喷管；6-燃烧室头部；7-主燃级燃气稳压腔；8-值班级燃气喷管；9-主燃级径向旋流器；10-值班级径向旋流器；11-主燃级助燃空气扰流结构；12-主燃级预混燃气出口；13-值班级助燃空气出口；14-主燃级燃气均流腔；15-火焰筒定位法兰；16-冷却孔；17-掺混孔；18-直流通道；19-主燃级燃气喷口；20-空气流道；21-值班级燃气喷口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供了一种燃气轮机低氮燃烧室，燃烧室剖面图如图1所示，主要包括机匣1、设置在机匣1顶部的机匣上顶盖2、设置在机匣1底部的空气进口3、设置在机匣1内部的火焰筒4、设置在火焰筒4顶部的燃烧室头部6和火焰筒定位法兰15。火焰筒4直壁上开有冷却孔16及掺混孔17。壁面冷却孔16为斜直孔，掺混孔17为平直孔，在周向均匀分布。火焰筒4上部与燃烧室头部6焊接固定，中部与火焰筒定位法兰15焊接固定，并通过火焰筒定位法兰15与机匣1以及机匣上顶盖2固定。空气进口3优选为机匣内壁与火焰筒外壁之间形成的环缝状流道，空气经压气机增压后通过该空气进口3以逆流方式进入燃烧室。

其中，燃烧室头部6的局部放大图如图2所示，包括主燃级燃气喷管5、主燃级燃气稳压腔7、值班级燃气喷管8、主燃级径向旋流器9、值班级径向旋流器10、主燃级助燃空气扰流结构11、主燃级预混燃气出口12和值班级助燃空气出口13。

其中，主燃级径向旋流器9一侧设置有直流通道18，直流通道一端连接主燃级径向旋流器9，另一端连接火焰筒4。直流通道18内依次设置了主燃级助燃空气扰流结构11和主燃级燃气喷口19，主燃级助燃空气扰流结构11为一环状凸起，其凸起的横截面可以为矩形、半圆形和三角形，如图3～图5所示。其中，矩形截面易于加工、尾涡区大，扰流效果最好，但压降较大；半圆形截面流线型好，压降小，但尾涡区也较小，不易加工；三角形截面扰流效果、压降和加工难度均介于上述两种结构之间。可以根据具体情况选用不同的截面形状，本实施例优选为矩形。主燃级助燃空气扰流结构11位于主燃级径向旋流器9叶片后方，其高度不超过直流通道18宽度的50％，使得空气可以正常流通，在本实施例中优选为45％。直流通道18中包含扰流段，如图6所示，当空气从主燃级径向旋流器9输入并经过主燃级助燃空气扰流结构11时会在扰流段内形成扰流区。主燃级燃气喷口19的位置处于扰流段内。主燃级燃气喷口19设置在主燃级燃气稳压腔7的外壁上，主燃级燃气稳压腔7连接主燃级燃气均流腔14，主燃级燃气均流腔14连接主燃级燃气喷管5，在从主燃级燃气喷管5输入主燃级燃气后，经过均流稳压，通过主燃级燃气喷口19进入扰流段。通过主燃级径向旋流器9和扰流区带来的周向流速可帮助主燃级燃气与空气快速混合，有利于降低燃烧室的氮氧化物排放。

除此之外，直流通道18连接火焰筒4的一端，即主燃级预混燃气出口12，为缩口结构，缩口的截面面积不小于缩口前截面面积的50％，本实施例优选为55％，可通过降低流通面积提高主燃级预混燃气的流速，可防止回火并导致弥散燃烧，提高燃烧的稳定性与降氮效果。

本实施例还设置了值班级火焰稳定结构，包括值班级燃气喷管8、值班级径向旋流器10和空气流道20。空气流道20一端连接值班级径向旋流器10，另一端连接火焰筒4。值班级燃气喷管8与机匣1同轴布置，平行于空气流道20放置，在值班级燃气喷管8末端设有倒角，角度为30～60°，倒角上设有周向均匀布置的值班级燃气喷口21，用于输送值班级燃气，值班级燃气喷口21的喷气端设置在空气流道20连接火焰筒4的一端。空气流道20连接火焰筒4的一端，即值班级助燃空气出口13，为扩口结构。空气通过值班级径向旋流器10输入空气流道，与喷口输送的值班级燃气混合。该结构通过增大空气流通面积降低值班级空气在值班级燃气喷口附近流速，延长值班级燃气与助燃空气的混合时间，进而稳定值班级火焰，提高系统的燃烧稳定性。

本实施例的总体工作流程如下，首先空气通过空气进口3进入燃烧室头部6，分别流入主燃级径向旋流器9和值班级径向旋流器10，并将主燃级燃气输入主燃级燃气喷管5，将值班级燃气输入值班级燃气喷管8。主燃级燃气通过主燃级燃气喷口19与直流通道18中的空气混合，值班级燃气通过值班级燃气喷口21与空气流道20中的空气混合，将上述混合后的气体输入至火焰筒中，最终完成燃烧。燃烧室头部6的流场图如图7所示。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。本领域的技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种燃气轮机低氮燃烧室，包括火焰筒(4)和燃烧室头部(6)，所述燃烧室头部(6)连接所述火焰筒(4)，其特征在于，所述燃烧室头部(6)包括主燃级径向旋流器(9)，所述主燃级径向旋流器(9)的输出侧设有直流通道(18)，所述直流通道(18)一端连接主燃级径向旋流器(9)，另一端连接火焰筒(4)；所述直流通道(18)内设有主燃级助燃空气扰流结构(11)和主燃级燃气喷口(19)；所述直流通道(18)包括扰流段，所述主燃级助燃空气扰流结构(11)设置在扰流段的输入端，所述主燃级燃气喷口(19)设置在扰流段中；

所述直流通道(18)连接火焰筒(4)的一端为缩口结构；

所述缩口结构的截面面积不小于缩口前截面面积的50％；

所述主燃级助燃空气扰流结构(11)为设置在直流通道(18)内壁上的环状凸起；

所述主燃级助燃空气扰流结构(11)的截面为矩形、半圆形或三角形；

该燃烧室还包括值班级火焰稳定结构，值班级火焰稳定结构包括值班级燃气喷管(8)、值班级径向旋流器(10)和空气流道(20)，所述空气流道(20)一端与值班级径向旋流器(10)连接，另一端与火焰筒(4)连接；所述值班级燃气喷管(8)设置在所述空气流道(20)的一侧，值班级燃气喷管(8)和空气流道(20)通过值班级燃气喷口(21)连接，所述值班级燃气喷口(21)设置在空气流道(20)连接火焰筒(4)的一端；

该燃烧室包括主燃级燃气喷管(5)、主燃级燃气稳压腔(7)和主燃级燃气均流腔(14)，所述主燃级燃气均流腔(14)一端与主燃级燃气喷管(5)连接，另一端与主燃级燃气稳压腔(7)连接，所述主燃级燃气喷口(19)连接主燃级燃气稳压腔(7)。

2.根据权利要求1 所述的一种燃气轮机低氮燃烧室，其特征在于，所述空气流道(20)连接火焰筒(4)的一端为扩口结构。

3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机低氮燃烧室，其特征在于，该燃烧室包括机匣(1)，所述火焰筒(4)设置在机匣(1)内部。

4.根据权利要求3所述的一种燃气轮机低氮燃烧室，其特征在于，所述机匣(1)内壁和所述火焰筒(4)外壁之间形成环缝状流道。

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