CN104266226A - 一种贫燃料多孔喷射燃烧*** - Google Patents

Abstract

本发明属于燃气轮机领域，公开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。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，增强了主喷嘴的燃烧性能。

Description

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…φ_n；

主喷嘴平均当量比为 ${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{aver}}=\left(\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_f{U}_f{A}_f{\mathrm{Cd}}_f}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Air}}{U}_{\mathrm{Air}}{A}_{\mathrm{Air}}{\mathrm{Cd}}_{\mathrm{Air}}}\right)/{(F/A)}_{\mathrm{stoic}},$

其中，φ₁比φ_aver高5％～15％，φ_n比φ_aver低5％～15％；从φ₁到φ_n，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

${\mathrm{\φ}}_i={\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_f{U}_f{A}_f{\mathrm{Cd}}_f}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Air}}{U}_{\mathrm{Air}}{A}_{\mathrm{Air}}{\mathrm{Cd}}_{\mathrm{Air}}}\right)}_i/{(F/A)}_{\mathrm{stoic}},$

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…φ_n；

主喷嘴3平均当量比为 ${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{aver}}=\left(\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_f{U}_f{A}_f{\mathrm{Cd}}_f}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Air}}{U}_{\mathrm{Air}}{A}_{\mathrm{Air}}{\mathrm{Cd}}_{\mathrm{Air}}}\right)/{(F/A)}_{\mathrm{stoic}}$

其中，φ₁比φ_aver高5％～15％，φ_n比φ_aver低5％～15％，且从φ₁到φ_n，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。

Claims (7)

1.一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)和导流衬套(5)，其特征在于，多个所述主喷嘴(3)的进出口均为扇形，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)；环形均匀分布的多个主喷嘴(3)的内侧或外侧设有燃料供给通道(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)。

2.如权利要求1所述的贫燃料多孔喷射燃烧***，其特征在于，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。

3.如权利要求2所述的贫燃料多孔喷射燃烧***，其特征在于，每个所述燃料喷注装置(33)上均设有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，每排燃料喷注孔(1)控制区域的当量比依次为φ₁,φ₂…φ_n；

主喷嘴(3)平均当量比为 ${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{aver}}=\left(\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_f{U}_f{A}_f{\mathrm{Cd}}_f}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Air}}{U}_{\mathrm{Air}}{A}_{\mathrm{Air}}{\mathrm{Cd}}_{\mathrm{Air}}}\right)/{(F/A)}_{\mathrm{stoic}},$

其中，φ₁比φ_aver高5％～15％，φ_n比φ_aver低5％～15％；从φ₁到φ_n，所述当量比阶梯递减。

4.如权利要求3所述的贫燃料多孔喷射燃烧***，其特征在于，多个所述主喷嘴(3)包括至少两层，每层包括多个主喷嘴(3)，相邻两层主喷嘴(3)交错布置。

5.如权利要求4所述的贫燃料多孔喷射燃烧***，其特征在于，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)。

6.如权利要求4所述的贫燃料多孔喷射燃烧***，其特征在于，相邻两层主喷嘴(3)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)。

7.如权利要求4所述的贫燃料多孔喷射燃烧***，其特征在于，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。