一种贫燃料多孔喷射燃烧***
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域,特别涉及一种贫燃料多孔喷射燃烧***。
背景技术
图1为一种典型的燃烧室头部结构,值班喷嘴布置于中心,多个主喷嘴环形均匀布置于值班喷嘴外侧。值班喷嘴采用扩散或预混燃烧模式,值班喷嘴下游设置锥形稳焰板,目的在于增强整个燃烧室头部的稳焰性能,值班喷嘴承担点火以及主要的稳焰功能。从端盖引出多个燃料喷管,分别深入对应主喷嘴中轴线区域,燃料喷管上设置辐射状的燃料喷注装置及旋流器34,喷注燃料并增强掺混。主喷嘴采用这种结构装置时,当量比一般沿主喷嘴中轴线对称分布,主喷嘴设计时,如果靠近值班喷嘴当量比高(如图2a),则靠近火焰筒壁面区域的当量比增加,导致火焰筒壁面区域超温;如果靠近值班喷嘴的当量比低(如图2b),值班喷嘴对主喷嘴的点火动作不易实现,导致主喷嘴燃烧不充分;图2c是较为理想的当量比分布,但这种情况往往需要通过增加喷嘴的旋流强度的方式来增强掺混,增加喷嘴旋流强度,会引起喷嘴下游的回流区,进而导致氮氧化物排放增加。
图3为一种主喷嘴出口为圆形的结构,这种结构存在冷却难度较大的问题。图4为一种主喷嘴出口为扇形的结构,该结构冷却范围较少,结构设计方面主喷嘴处还需要设置一个圆扇转接段。
现有技术中,靠近燃烧***中轴线区域的主喷嘴出口当量比较低,燃烧性能较差,燃烧温度低,无法向外侧点燃,导致靠近火焰筒壁面区域的流动燃烧不充分,污染物浓度较高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是:为解决现有燃烧***喷嘴当量比分布不够合理,向外点燃不易实现,导致外侧燃烧不充分、污染物浓度较高的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种贫燃料多孔喷射燃烧***,包括:位于燃烧***中心的值班喷嘴、环形均匀布置于值班喷嘴外侧的多个主喷嘴、以及设置在多个主喷嘴外侧的罩帽和导流衬套,多个所述主喷嘴的进出口均为扇形,多个所述主喷嘴内均设有燃料喷注装置,所述燃料喷注装置上均设有燃料喷注孔;环形均匀分布的多个主喷嘴的内侧或外侧设有燃料供给通道,所述燃料供给通道分别与多个所述燃料喷注装置连接,所述燃料供给通道上连接有至少一个燃料喷管。
其中,所述燃料喷注孔包括沿燃烧***的径向分布在燃料喷注装置两侧的多对小孔,每对小孔的直径相同;沿燃烧***的径向由内向外,小孔的直径沿逐渐增大。
其中,每个所述燃料喷注装置上均设有N个燃料喷注孔,N个所述燃料喷注孔沿燃烧***的径向向外,依次记为1、2……N,对应存在N个燃料喷注孔控制的区域1、2……N,每排燃料喷注孔控制区域的当量比为φ1,φ2…φn;
主喷嘴平均当量比为
其中,φ1比φaver高5%~15%,φn比φaver低5%~15%;从φ1到φn,所述当量比阶梯递减。
其中,多个所述主喷嘴包括至少两层,每层包括多个主喷嘴,相邻两层主喷嘴交错布置。
其中,每层主喷嘴均设有燃料供给通道,所述燃料供给通道上连接有一根或多根燃料喷管。
其中,相邻两层主喷嘴连接于同一燃料供给通道上,所述燃料供给通道上连接有一根或多根燃料喷管。
其中,相邻两层主喷嘴的燃料供给通道通过管道汇聚后,与燃料喷管连接,所述燃料喷管包括一根或多根。
(三)有益效果
上述技术方案具有如下优点:本发明一种贫燃料多孔喷射燃烧***,通过在值班喷嘴与主喷嘴之间的环形区域设置主喷嘴燃料喷管,避免出现沿主喷嘴中心对称的旋流区域;主喷嘴进口设置为扇形,与值班喷嘴和罩帽形成的环形腔室结构相配合,方便布局;主喷嘴出口设置为扇形,减少了需要冷却区域的面积,同时由于进口扇形的结构一致性,简化了主喷嘴进出口转接段的设计;主喷嘴当量比沿值班喷嘴径向方向逐渐降低,提供了呈阶梯分布的主喷嘴出口当量比分布,当值班喷嘴具有点火与稳焰功能时,可以将主喷嘴层层点燃,提高了主喷嘴的燃烧性能;主喷嘴靠近值班喷嘴的区域当量比最高,方便值班喷嘴点燃主喷嘴;主喷嘴靠近火焰筒壁面的区域当量比最低,燃烧温度最低,降低火焰筒的超温范围。
附图说明
图1为现有技术的燃烧室头部结构示意图;
图2a为现有技术中主喷嘴常见的当量比分布图一;
图2b为现有技术中主喷嘴常见的当量比分布图二;
图2c为现有技术中主喷嘴常见的当量比分布图三;
图3为现有技术的主喷嘴出口结构示意图一;
图4为现有技术的主喷嘴出口结构示意图二;
图5为本发明实施例一的主喷嘴截面示意图;
图6为本发明实施例一的主喷嘴后视示意图;
图7a为本发明实施例一主喷嘴的设计当量比分布图;
图7b为本发明实施例一主喷嘴出口的真实当量比分布图一;
图7c为本发明实施例一主喷嘴出口的真实当量比分布图二;
图8为本发明实施例二的主喷嘴出口结构示意图。
其中,1、燃料喷注孔;2、值班喷嘴;3、主喷嘴;31、燃料喷管;32、燃料供给通道;33、燃料喷注装置;34、旋流器;35、主喷嘴出口;4、罩帽;5、导流衬套。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
实施例一:
如图5和图6所示,本发明一种贫燃料多孔喷射燃烧***包括:位于燃烧***中心的值班喷嘴2、环形均匀布置于值班喷嘴2外侧的多个主喷嘴3、以及设置在多个主喷嘴3外侧的罩帽4、导流衬套5以及火焰筒;值班喷嘴2采用扩散或预混燃烧模式,值班喷嘴2下游设置锥形稳焰板,承担点火以及主要的稳焰功能;多个所述主喷嘴3的进出口均为扇形,与主喷嘴3进出口的环形几何结构相适应,方便布局;多个所述主喷嘴3内均设有燃料喷注装置33,所述燃料喷注装置33上均设有燃料喷注孔1;所述值班喷嘴2与主喷嘴3之间或主喷嘴3与罩帽4之间的环形区域内设有燃料供给通道32,所述燃料供给通道32分别与多个所述燃料喷注装置33连接,所述燃料供给通道32上连接有至少一个燃料喷管31;燃料喷管31自贫燃料多孔喷射燃烧***的端盖引出。
空气从罩帽4与导流衬套5之间的环形区域逆流向上游流动,经主喷嘴3进口进入主喷嘴3内,燃料从燃烧***的端盖引入,经燃料喷管31进入下游的燃料供给通道32,然后流入与燃料供给通道32连接的燃料喷注装置33,通过燃料喷注孔1喷出,与流经燃料喷注装置33的主喷嘴3内的空气混合,在主喷嘴3通道内形成混合气,流出主喷嘴3,被值班喷嘴点燃。
所述燃料喷注孔1包括沿燃烧***的径向分布在燃料喷注装置33两侧的多对小孔,每对小孔的直径相同;沿燃烧***的径向由内向外,小孔的直径逐渐增大。
优选的,燃烧喷注装置为4~12个,每个燃料喷注装置33顺气流方向的两侧开等直径的燃料喷注孔1,每一侧燃料喷注孔1的数目在4~8之间,燃料喷注孔1直径为1mm~2mm,确保燃料喷出燃烧喷注装置时具有较高的贯穿深度,与空气混合较为均匀;燃料喷管31的数目设置为4~8个,以保证燃料气流一致性;燃料喷管31的数目与主喷嘴3数目一致,保证燃料气流方向的一致性;燃料供给通道32与燃料喷注装置33设置于相同的轴向位置。
通过控制该贫燃料多孔喷射燃烧***主喷嘴3上燃料喷注孔1的孔径,调节每排燃料喷注孔1所在环形环腔的当量比;主喷嘴3的当量比沿燃烧***径向方向逐渐降低;具体过程如下:
主喷嘴3每个燃料喷注装置33上设置N个燃料喷注孔1,N个所述燃料喷注孔1沿燃烧***的径向向外,依次记为1、2……N,对应存在N个燃料喷注孔1控制的区域1、2……N,
其中,第i个燃料喷注孔1直径为面积为流量系数为密度为燃料喷射速度为对应的燃料喷注孔1控制区域i的空气流通面积为流量系数为密度为燃料喷射速度为则所述第i个燃料喷注孔1孔控制区域的当量比为
其中,(F/A)stoic为燃料的化学当量油气比,对于一种固定成分的燃料该值为定值,例如CH4的(F/A)stoic=0.58。当燃料特性以及主喷嘴3结构一定时,通过控制燃料喷注孔1的面积(直径)可以控制每排燃料孔控制区域的当量比,每排燃料喷注孔1控制区域的当量比为φ1,φ2…φn;
主喷嘴3平均当量比为
其中,φ1比φaver高5%~15%,φn比φaver低5%~15%,且从φ1到φn,当量比阶梯递减,最终保证总平均当量比不变。图7a为设计当量比分布,由于在主喷嘴3预混通道内,各层燃料掺混扩散,图7b、7c为真实主喷嘴3出口35当量比分布。
在现有技术中,主喷嘴3出口35当量比靠近燃烧***中轴线区域较低,燃烧性能较差,燃烧温度低,不能向外侧点燃外侧燃料,导致靠近火焰筒壁面区域的流动燃烧不充分,污染物浓度较高。
本发明主喷嘴3出口35当量比呈彩虹型分布,即主喷嘴3被分为N层区域,每层区域当量比逐渐降低,具体工作中,值班喷嘴2首先被点燃(由其他外部设备点燃,如点火器),然后值班喷嘴2逐层点燃主喷嘴3,主喷嘴3靠近值班喷嘴2的区域当量比最高,方便值班喷嘴2点燃主喷嘴3;主喷嘴3的当量比逐渐降低,保证靠近点火点的内层燃料量不会有较低不易点燃的区域,保证主喷嘴3每层燃料都可以被点燃并稳定的燃烧,燃烧充分,提高了主喷嘴3的燃烧效率,显著降低了污染物浓度。
实施例二:
本实施例与实施例一基本相同,区别在于:所述主喷嘴3包括至少两层,每层包括多个环形分布的主喷嘴3,相邻两层主喷嘴3的出***错布置(如图8)。每层主喷嘴3均设有燃料供给通道32,所述燃料供给通道32上连接有一根或多根燃料喷管31,当燃烧***总尺寸较大时,可采用此类布局方式,避免主喷嘴3的尺寸过大,不利于加工及安装。
实施例三:
本实施例与实施例二基本相同,区别在于:相邻两层主喷嘴3通过管道连接于同一燃料供给通道32上,所述燃料供给通道32上连接有一根或多根燃料喷管31,此布局方式可以有效解决主喷嘴间空间不足的问题,降低结构复杂性。
实施例四:
本实施例与实施例二基本相同,区别在于:相邻两层主喷嘴3的燃料供给通道32通过管道汇聚后,与燃料喷管31连接,所述燃料喷管31包括一根或多根,此布局方式可以减少燃料喷管31的层数,避免过多的燃料喷管31对安装造成不便。
由以上实施例可以看出,本发明通过在值班喷嘴2周围设置多个主喷嘴3,主喷嘴3被分为N层区域,每层区域当量比逐渐降低,值班喷嘴2逐层点燃主喷嘴3,保证主喷嘴3每层燃料都可以稳定的燃烧,燃烧充分,显著降低了污染物浓度;通过在值班喷嘴2与主喷嘴3之间的环形区域设置主喷嘴3燃料喷管31,避免出现沿主喷嘴中心对称的旋流区域;主喷嘴3进口设置为扇形,与值班喷嘴2和罩帽4形成的环形腔室结构相配合,方便布局;主喷嘴3出口35设置为扇形,减少了需要冷却区域的面积,同时由于进口扇形的结构一致性,简化了主喷嘴3进出口转接段的设计;主喷嘴3当量比沿值班喷嘴2径向方向逐渐降低,提供了呈阶梯分布的主喷嘴3出口35当量比分布,当值班喷嘴2具有点火与稳焰功能时,可以将主喷嘴3层层点燃,提高了主喷嘴3的燃烧性能;主喷嘴3靠近值班喷嘴2的区域当量比最高,方便值班喷嘴2点燃主喷嘴3;主喷嘴3靠近火焰筒壁面的区域当量比最低,燃烧温度最低,降低火焰筒的超温范围。
本发明有效解决现有技术中结构布局、冷却设计方面的难题;改变了当量比分布曲线,降低了火焰筒超温区的范围,增强了主喷嘴3的燃烧性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和替换,这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。