CN104791847A - 一种适用于燃气轮机低污染燃烧室的低旋流多喷嘴燃烧器结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气轮机低旋流多喷嘴燃烧器结构，该燃烧器由六个外侧低旋流喷嘴和一个中心低旋流喷嘴组成，且这七个喷嘴的结构都相同，六个外侧喷嘴等距、周向均匀布置于中心喷嘴四周。本发明采用气体燃料与空气贫预混燃烧，降低火焰温度，在每个喷嘴的出口处安装了锥段稳焰罩，提高了火焰的稳定性。本发明燃烧稳定，排放低，燃烧噪音小，设计合理，结构简单，适用于燃气轮机低污染燃烧室。

Description

一种适用于燃气轮机低污染燃烧室的低旋流多喷嘴燃烧器结构

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，具体是一种适用于燃气轮机低污染燃烧室的低旋流多喷嘴燃烧器结构。

背景技术

燃气轮机燃烧室广泛采用旋流稳定燃烧技术。传统的高旋流燃烧器利用旋流产生的回流区加快高温燃烧产物与新鲜反应物的混合，从而稳定火焰。但是存在高温反应物在燃烧室内的滞留时间长，导致NOx排放较高的问题。低旋流燃烧指的是以较低的旋流数(旋流数一般在0.4到0.55之间)维持火焰稳定燃烧，与高旋流燃烧相比，低旋流流场不存在剧烈的回流区，流线在喷嘴出口处扩张，导致气流速度降低，火焰就稳定在火焰传播速度等于当地气流速度的位置。经过对现有技术文献的检索发现专利WO2012141982A1对应用于燃气轮机燃烧室的低旋流单喷嘴结构进行了描述，中国发明专利申请号201410073564.8，专利名称：一种低旋流燃烧室喷嘴以和中国发明专利申请号201410073523.9，专利名：一种燃气轮机燃烧室低旋流喷嘴阐述了应用于燃气轮机具有不同预混结构的低旋流单喷嘴。

不过，在实际燃气轮机燃烧室中通常采用喷嘴相互紧靠的环形或管形多喷嘴布置结构。多喷嘴结构既可以增加燃烧室的热负荷及负荷调节比，又可以确保一个喷嘴熄火时，相邻的喷嘴能够将它重新点燃，维持火焰稳定。除此之外，多喷嘴燃烧***可以降低燃烧室的磨损，延长检修间隔时间及减少运行费用。同时，多喷嘴燃烧***在抑制燃烧噪声和热声耦合振荡方面具有优越的性能。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种燃气轮机预混低旋流多喷嘴燃烧器的布置结构，该多喷嘴布置结构能够抑制燃烧噪声和热声耦合振荡，提高喷嘴工作的稳定性及负荷调节比，并且降低污染物排放。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种适用于燃气轮机低污染燃烧室的低旋流多喷嘴燃烧器结构，所述多喷嘴燃烧器由七个相同结构的低旋流喷嘴组成，包括外侧低旋流喷嘴和中心低旋流喷嘴，所述六个外侧喷嘴等距、周向均匀布置于中心低旋流喷嘴四周，所述低旋流喷嘴包括低旋流喷嘴外壁、低旋流喷嘴入口和低旋流喷嘴出口，所述低旋流喷嘴入口和低旋流喷嘴出口分别位于所述低旋流喷嘴外壁的两端，所述低旋流喷嘴外壁和低旋流旋流器构成了环形旋流流道和中心流道，所述环形旋流流道内安装有叶片式轴向旋流器，所述旋流器中心流道内安装开有小孔的多孔板，多孔板的作用在于调节通过中心流道和环形旋流流道预混气的流量，同时在中心流道内产生适当强度的湍流，增加喷嘴出口处预混火焰的传播速度，防止脱火，所述低旋流旋流器安装在喷嘴出口上游h处的低旋流喷嘴外壁内，为了提高火焰的稳定性，所述喷嘴出口一端安装有锥段稳焰罩。

优选的，所述的外侧低旋流喷嘴和中心低旋流喷嘴的中心轴线相互平行，所述外侧喷嘴和中心低旋流喷嘴的旋向一致，所述外侧喷嘴的旋向相同。

优选的，所述的外侧低旋流喷嘴和中心低旋流喷嘴旋向相同。

优选的，所述的中心低旋流喷嘴与外侧低旋流喷嘴的间距L为1.5d-2.5d，其中d为低旋流喷嘴直径。

优选的，为了避免喷嘴出口处气体高速射流引起的漩涡对燃烧的不利影响，所述的七个低旋流喷嘴伸入燃烧室一段距离H，所述H为0.5d-2d。

优选的，所述的多喷嘴燃烧器的直径d1为5d-8d。

优选的，所述的轴向旋流器由6-10片旋流叶片组成。

优选的，所述的多孔板的阻塞比为35％-75％。

优选的，所述的低旋流旋流器与喷嘴出口的距离h为1d-1.5d。

优选的，所述的稳焰罩的张角α的范围为25°-45°，所述的稳焰罩长度h₀的范围为0.4d-0.7d。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

由于采用了多喷嘴结构，在相同热负荷下相比于单喷嘴燃烧器，降低了通过喷嘴的气流速度，这样可以降低喷嘴与燃烧室的磨损。通过调节喷嘴之间的距离，控制喷嘴间的相互耦合干涉作用，达到抑制噪声和热声振荡的目的。

在实际运行过程中，根据实际情况，可以通过打开和关闭喷嘴实现满负荷运行和部分负荷运行。具体的运行模式为：满负荷运行(七个喷嘴全部工作)，四喷嘴运行(1、2a、2c和2f开启或1、2b、2d和2e开启)、单喷嘴运行(中心喷嘴1开启)三种运行模式。这样在保证喷嘴气流速度基本不变的情况下，通过选择性开启或关闭喷嘴实现负荷调节。提高了喷嘴的负荷调节比，拓宽了喷嘴的工作范围。

由于相邻喷嘴的相互作用，在相邻喷嘴的唇口处存在次回流区，一部分反应物在次回流区内发生反应，产生局部高温区，这个高温区如同一个持续的热源，提高了喷嘴火焰的燃烧稳定。

由于喷嘴工作的贫预混状态，工作的当量比在0.6-0.8附近，此时火焰温度较低，降低了热力型NOx的生成。又由于喷嘴出口气流的旋流强度较低，在喷嘴的下游回流区较弱，或基本不形成回流区，缩短了高温反应物在燃烧室内的滞留时间，减小了NOx的形成，降低燃烧污染物的排放。同时，多喷嘴的布置有利于改善燃烧室的出口温度分布的均匀度。

附图说明

图1为本发明实施例中多喷嘴低旋流燃烧器结构示意图。

图2为本发明实施例中多喷嘴低旋流燃烧器布置示意图。

图3为本发明实施例中单个低旋流喷嘴结构示意图。

图4为本发明实施例中单个低旋流喷嘴剖视图。

图5为本发明实施例中多喷嘴燃烧器中相邻喷嘴流线分布图。

图6为本发明实施例中多喷嘴燃烧器燃烧室布置示意图，(a)是多喷嘴管形燃烧室布置，(b)是多喷嘴环管形燃烧室布置。

图中：1-中心低旋流喷嘴；10-燃烧器头部筒形壁面；2a/2b/2c/2d/2e/2f-外侧低旋流喷嘴；3-低旋流喷嘴入口；4-低旋流喷嘴外壁；5-低旋流喷嘴出口；60-低旋流旋流器；62-轴向旋流器；63-多孔板；64-环形旋流流道；65-旋流器中心流道；7-燃烧器头部端盖；70-锥段稳焰罩；8-悬浮预混火焰；90-次回流区；91-相邻喷嘴出口流线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1、图3和图4所示，本发明实施例提供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器结构，所述多喷嘴燃烧器由七个相同结构的低旋流喷嘴组成，包括外侧低旋流喷嘴2a、2b、2c、2d、2e、2f和中心低旋流喷嘴1，所述六个外侧喷嘴2a、2b、2c、2d、2e、2f等距、周向均匀布置于中心低旋流喷嘴1四周，所述低旋流喷嘴包括低旋流喷嘴外壁4、低旋流喷嘴入口3和低旋流喷嘴出口5，所述低旋流喷嘴入口3和低旋流喷嘴出口5分别位于所述低旋流喷嘴外壁4的两端，所述低旋流喷嘴外壁4内设有环形旋流流道64和中心流道65，所述环形旋流流道64内安装有叶片式轴向旋流器62，所述旋流器中心流道65内安装由开有小孔的多孔板63，多孔板63的作用在于调节通过中心流道65和环形旋流流道64预混气的流量，同时在中心流道65内产生适当强度的湍流，增加喷嘴出口处预混火焰8的传播速度，防止脱火，其中，轴向旋流器的叶片个数为8片，安装角度为37°，多孔板的阻塞比为30％。旋流数为0.55。为了提高火焰的稳定性，在每个喷嘴的出口处安装了锥段稳焰罩70。该实施例中稳焰罩70的张角为α＝45°，长度为h₀＝14mm。所述多孔板63一端连接有低旋流旋流器60，所述低旋流旋流器60安装在喷嘴出口5上游h处，为了提高火焰的稳定性，所述喷嘴出口5一端安装有锥段稳焰罩70，中心喷嘴与四周喷嘴的间距L为34mm。为了避免喷嘴出口处气体高速射流引起的漩涡对燃烧的不利影响，将多个喷嘴伸入燃烧室一段距离H＝45mm。多喷嘴燃烧器的直径d1＝280mm。

如图2所示，该多喷嘴燃烧器可以采用两种不同的旋向组合。一种是七个喷嘴的旋向都相同，如图2(a)所示；另外一种布置方案为喷嘴1、2a、2c和2f的旋向一致，喷嘴2b、2d和2e的旋向相同，但这两组喷嘴的旋向相反，如图2(b)所示。

如图5所示，低旋流单喷嘴的具体工作过程为，气体燃料与空气的预混气流通过低旋流燃烧器，一部分气流通过中心通道不产生旋流，另一部分气流经过装有旋流叶片的环形通道，产生高速旋流。在喷嘴出口处产生扩张型流线91，气流速度逐渐降低，预混火焰8就稳定在火焰传播速度等于当地气流速度的位置上。由于相邻喷嘴的气流的相互作用，在相邻喷嘴的唇口处，存在次回流区90，一部分反应物在次回流区内发生反应，产生局部高温区，这个高温区就如同一个持续的热源，提高了喷嘴火焰的燃烧稳定性。

实施例

图6是多喷嘴燃烧器燃烧室布置示意图。如图所示，在具体布置中，可以根据实际燃气轮机的结构，将该多喷嘴燃烧器布置成管形燃烧室或环管形燃烧室。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种适用于燃气轮机低污染燃烧室的低旋流多喷嘴燃烧器结构，其特征在于，所述多喷嘴燃烧器由七个相同结构的低旋流喷嘴组成，包括外侧低旋流喷嘴(2a、2b、2c、2d、2e、2f)和中心低旋流喷嘴(1)，所述六个外侧喷嘴(2a、2b、2c、2d、2e、2f)等距、周向均匀布置于中心低旋流喷嘴(1)四周，所述低旋流喷嘴包括低旋流喷嘴外壁(4)、低旋流喷嘴入口(3)和低旋流喷嘴出口(5)，所述低旋流喷嘴入口(3)和低旋流喷嘴出口(5)分别位于所述低旋流喷嘴外壁(4)的两端，所述低旋流喷嘴外壁(4)和低旋流旋流器(60)构成了环形旋流流道(64)和中心流道(65)，所述环形旋流流道(64)内安装有叶片式轴向旋流器(62)，所述旋流器中心流道(65)内安装开有小孔的多孔板(63)，所述低旋流旋流器(60)安装在喷嘴出口(5)上游h处的低旋流喷嘴外壁(4)内，所述喷嘴出口(5)一端安装有锥段稳焰罩(70)。

2.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机低污染燃烧室的低旋流多喷嘴燃烧器结构，其特征在于，所述的外侧低旋流喷嘴(2a、2b、2c、2d、2e、2f)和中心低旋流喷嘴(1)的中心轴线相互平行，所述外侧喷嘴(2a、2c、2f)和中心低旋流喷嘴(1)的旋向一致，所述外侧喷嘴(2b、2d、2e)的旋向相同。

3.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机低污染燃烧室的低旋流多喷嘴燃烧器结构，其特征在于，所述的外侧低旋流喷嘴(2a、2b、2c、2d、2e、2f)和中心低旋流喷嘴(1)旋向相同。

4.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机低污染燃烧室的低旋流多喷嘴燃烧器结构，其特征在于，所述的中心低旋流喷嘴(1)与外侧低旋流喷嘴(2a、2b、2c、2d、2e、2f)的间距L为1.5d-2.5d，其中d为低旋流喷嘴直径。

5.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机低污染燃烧室的低旋流多喷嘴燃烧器结构，其特征在于，所述的七个低旋流喷嘴伸入燃烧室一段距离H，所述H为0.5d-2d。

6.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机低污染燃烧室的低旋流多喷嘴燃烧器结构，其特征在于，所述的多喷嘴燃烧器的直径d1为5d-8d。

7.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机低污染燃烧室的低旋流多喷嘴燃烧器结构，其特征在于，所述的轴向旋流器(62)由6-10片旋流叶片组成。

8.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机低污染燃烧室的低旋流多喷嘴燃烧器结构，其特征在于，所述的多孔板(63)的阻塞比为35％-75％。

9.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机低污染燃烧室的低旋流多喷嘴燃烧器结构，其特征在于，所述的低旋流旋流器(60)与喷嘴出口(5)的距离h为1d-1.5d。

10.根据权利要求1所述的一种适用于燃气轮机低污染燃烧室的低旋流多喷嘴燃烧器结构，其特征在于，所述的稳焰罩(70)的张角α的范围为25°-45°，所述的稳焰罩(70)长度h₀的范围为0.4d-0.7d。