CN104807042A - 一种燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及重型燃机干低排放燃烧室设计，具体涉及一种燃烧室。本发明的燃烧室包括中心体、燃烧室外壁和文丘里管；文丘里管的内部形成环状的冷却空气通道；其下游段的外环形壁上开有下游空气进口，燃烧室外壁上开有相对应的通孔；冷却空气通道在下游出口处封闭；上游段的内环形壁上开有上游空气出口；冷却空气从下游空气进口进入冷却空气通道，对下游段的内环形壁进行冲击冷却，再从上游空气出口流出，对壁面进行冷却后进入环形预混合区参与预混。本发明的燃烧室能够在满足较高的燃烧室出口温度的同时降低NOx排放；减少文丘里管下游CO的生成量；解决文丘里冷却空气量与燃烧区火焰温度之间的矛盾，增加燃烧室文丘里管部件的寿命。

Description

一种燃烧室

技术领域

本发明涉及重型燃机干低排放燃烧室设计，具体涉及一种燃烧室。

背景技术

涡轮的进口温度是影响燃气涡轮发动机的效率的一个重要因素，因此随着燃气涡轮发动机功率、效率要求的不断提高，涡轮进口温度要求也逐渐升高，导致涡轮热负荷增加以及燃烧室NOx排放的增加。

近年来，国家对空气污染的控制更加重视，国家法规对燃气轮机的NOx排放限制也愈加严格。控制燃气轮机的NOx排放关键，在于控制燃烧区的火焰温度，随着燃机发展，燃烧室出口温度不断提高，预混合气与冷却空气之间的矛盾更加难以平衡，需要更优的燃烧室空气流动组织方式。

公开号为CN101349425B中国专利，涉及用于冷却低NOx燃烧器中的燃烧室/文丘里管的装置/方法，在该专利中，该装置从二次空气通道中吸入空气，在文丘里管内壁面收敛和扩张段形成冲击冷却，然后冷却空气向下游流动，通过下游的多个紊流器与冷却空气相互作用产生紊流冷却作用。但是，该装置在文丘里管出口处形成局部低温区，导致CO排放量增加；下游紊流冷却效果弱于冲击冷却，导致文丘里管内壁面平直段壁温较高；另外，文丘里管冷却空气直接排至燃烧区下游，不能作用预混空气使用来调整燃烧区预混当量比。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃烧室，以解决上述至少一个技术问题。

本发明的技术方案是：

一种燃烧室，包括中心体、燃烧室外壁和文丘里管，所述文丘里管包括从上游至下游依次连接的上游段、收敛段、扩张段以及下游段，并在所述文丘里管的内部形成环状的冷却空气通道；

所述上游段的内环形壁上开有上游空气出口，与所述冷却空气通道连通；所述下游段的外环形壁上开有下游空气进口，与所述冷却空气通道连通；所述冷却空气通道在下游出口处封闭；所述燃烧室外壁上开有与所述下游空气进口相对应的通孔。

可选地，所述上游段的内环形壁的型面呈柱状。

可选地，所述上游段的内环形壁的直径由上游至下游逐渐缩小。

可选地，所述收敛段与所述扩张段通过紊流器进行紊流冷却。

可选地，所述紊流器为同轴设置在所述收敛段和所述扩张段的内环形壁上的多个环状凸起。

可选地，所述收敛段与所述扩张段的外环形壁上开设有多圈外环形壁孔排，所述收敛段与所述扩张段通过所述外环形壁孔排形成冲击冷却。

可选地，所述燃烧室外壁上与所述外环形壁孔排相对应的位置处开设有文丘里进气口。

本发明的有益效果：

本发明的燃烧室中，冷却空气能够从下游空气进口进入冷却空气通道，对下游段的内环形壁进行冲击冷却，由于文丘里下游出口处封闭，冷却空气会向上游流动，从冷却空气在上游段的内环形壁的上游空气出口流出，对壁面进行冷却后不再直接进入主燃烧区，而是进入环形预混合区参与预混，一方面能够使得燃烧室在满足较高的燃烧室出口温度的同时降低NOx排放，同时能够防止主燃烧区局部火焰温度骤降甚至猝熄，减少CO的生成量；另外，文丘里冷却空气在冷却文丘里管后直接进入环形预混合区参与预混，能够调节火焰温度，成功地解决了文丘里冷却空气量与燃烧区火焰温度之间的矛盾；进一步，文丘里管下游段属于燃烧室中壁温较高的部分，使用冲击冷却的冷却效果更明显，能够增加燃烧室文丘里管部件的寿命。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是现有技术燃气轮机燃烧室的截面的简化视图；

图2是本发明燃气轮机燃烧室的截面的简化视图；

图3是图2中的文丘里管收敛段和扩张段采用紊流冷却的截面的视图

图4是图2中的文丘里管收敛段和扩张段采用冲击冷却的截面的视图。

附图标记：

燃烧室        10，48；

环形预混合区  11，49；

主燃烧区      12，50；

中心预混合区  13，51；

次燃烧区      14，52；

文丘里管      15，53；

内环形壁      16，54；

外环形壁      17，55；

收敛段        18，56；

扩张段        19，57；

喉道          20，58；

下游段        21，59；

冷却空气通道  22，60；

下游出口      23，61；

下游空气进口  24；

紊流器        25，62；

外环形壁孔排  26，63；

上游段        27；

上游空气出口  28；

燃料喷嘴      29，43；

燃料          30，44；

孔            31，45；

头部进气口    32，46；

文丘里进气口  33，47；

燃烧室外壁    34，42；

通孔          41；

中心体        36，40。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。

如图1所示，大致显示了现有的燃气轮机燃烧室10结构。

该燃烧室10包括中心体36、燃烧室外壁34和文丘里管15，形成用于预混燃料和空气的环形预混合区11和中心预混合区13、文丘里后的主燃烧区12和中心次燃烧区14。

燃烧室10的形状是围绕燃烧室中心线的大致圆柱形，且被燃烧室外壁34所包围。压气机(图中未示出)向燃烧室10提供压缩气流，部分压缩气流通过多个头部进气口32进入环形预混合区11与中心预混合区13；另一部分压缩气流通过一个或多个孔31进入环形预混合区11；燃料30(图中虚线)经过一个或多个燃料喷嘴29喷入环形预混合区11和中心预混合区13，与压缩气流掺混后分别流入主燃烧区12与次燃烧区14进行预混燃烧。

如图1中箭头方向所示，燃料-空气混合物向下游移动至主燃烧区12。文丘里管15的内环形壁16与外环形壁17同轴放置，并与燃烧室外壁34使用铆钉连接。文丘里管收敛段18与扩张段19形成喉道20，燃料-空气混合物在喉道20处加速，防止回火。

压气机通过文丘里进气口33向文丘里管15提供冷却空气，冷却空气通过外环形壁孔排26进入冷却空气通道22，并对内环形壁16的收敛段18与扩张段19进行冲击冷却，之后沿冷却空气通道22向下游流动，通过紊流器25对下游段21进行紊流冷却，通过下游出口23排入燃气轮机燃烧室10内。

如图2所示，是本发明实施例的燃气轮机燃烧室示为48。

燃烧室48包括中心体40、燃烧室外壁42和文丘里管53，形成用于预混燃料和空气的环形预混合区49和中心预混合区51、文丘里后的主燃烧区50和中心次燃烧区52。

预混合区49用于实现环形区燃料与空气的均匀掺混；主燃烧区50用于燃料与空气的预混燃烧；中心预混合区51用于实现中心区燃料和空气的均匀掺混；和次燃烧区52用于燃料与空气的预混燃烧。

文丘里管53设置在环形预混合区49下游，可以包括从上游至下游(图2所示视图方向从左往右)依次连接的上游段27、收敛段56、扩张段57以及下游段59。该文丘里管53还具有同轴放置的内环形壁54与外环形壁55，两者与燃烧室外壁42之间紧固连接，且内环形壁54与外环形壁55之间形成冷却空气通道60。

燃烧室48的形状是围绕燃烧室中心线的大致圆柱形，且被燃烧室外壁42所包围。压气机(图中未示出)向燃烧室48提供压缩气流，部分压缩气流通过多个头部进气口46进入环形预混合区49与中心预混合区51；另一部分压缩气流通过一个或多个孔45进入环形预混合区49；燃料44经过一个或多个燃料喷嘴43喷入环形预混合区49和中心预混合区51，与压缩气流掺混后分别流入主燃烧区50与次燃烧区52进行预混燃烧。

如图2中箭头方向所示，燃料-空气混合物向下游移动至主燃烧区50。文丘里管53的内环形壁54与外环形壁55同轴放置，并与燃烧室外壁42使用铆钉连接。文丘里管53的收敛段56与扩张段57形成喉道58，燃料-空气混合物在喉道58处加速，防止回火。

进一步，文丘里管53的上游段27的内环形壁54上开有上游空气出口28，与冷却空气通道60连通。其中，上游段27的内环形壁54的型面可以呈柱状，或者上游段27的内环形壁54的直径由上游至下游逐渐缩小，其型面可以呈类似“喇叭状”。

压气机通过文丘里进气口47与下游空气进口24向文丘里管53提供冷却空气，文丘里进气口47与下游空气进口24为一个或多个通孔。部分冷却空气通过下游空气进口24进入冷却空气通道60，对下游段59进行冲击冷却；其余冷却空气通过外环形壁孔排63进入冷却空气通道60。其中，特别如图4所示，外环形壁孔排63为多排呈环状布置的孔，并对内环形壁54的收敛段56与扩张段57进行冲击冷却。

由于文丘里管53的下游出口61封闭，冷却空气会沿冷却空气通道60向上游流动，通过文丘里管53的上游空气出口28流出，形成冷却气膜，对文丘里管53的上游段27进行保护，同时进入环形预混合区49，与燃料-空气混合物继续掺混。上游空气出口28为多排孔径不一的孔，孔径较小的孔用于形成冷却气膜保护壁面，孔径较大的孔用于增强掺混效果。

本发明的文丘里管53除了上述图4所示的冷却方式以外，还可以采用其他适合的冷却方式。如图3所示，可以采用紊流器62进行紊流冷却，此时上述冷却方式中的文丘里进气口47可以取消。紊流器62可以是为同轴设置在收敛段56和扩张段57的内环形壁54上的多个环状凸起(或环形肋板)。具体地，冷却空气沿冷却空气通道60向上游流动，通过紊流器62对文丘里管53的收敛段56与扩张段57进行紊流冷却，使冷却空气与文丘里管53的内环形壁54与外环形壁55更多的接触，促进冷却空气与金属壁面之间的换热。此时，文丘里管53的下游段59采用冲击冷却，上游部分采用紊流冷却，能够强化换热效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种燃烧室，包括中心体(40)、燃烧室外壁(42)和文丘里管(53)，其特征在于，所述文丘里管(53)包括从上游至下游依次连接的上游段(27)、收敛段(56)、扩张段(57)以及下游段(59)，并在所述文丘里管(53)的内部形成环状的冷却空气通道(60)；

所述上游段(27)的内环形壁(54)上开有上游空气出口(28)，与所述冷却空气通道(60)连通；

所述下游段(59)的外环形壁(55)上开有下游空气进口(24)，与所述冷却空气通道(60)连通；

所述冷却空气通道(60)在下游出口(61)处封闭；

所述燃烧室外壁(42)上开有与所述下游空气进口(24)相对应的通孔(41)。

2.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述上游段(27)的内环形壁(54)的型面呈柱状。

3.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述上游段(27)的内环形壁(54)的直径由上游至下游逐渐缩小。

4.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述收敛段(56)与所述扩张段(57)通过紊流器(62)进行紊流冷却。

5.根据权利要求4所述的燃烧室，其特征在于，所述紊流器(62)为同轴设置在所述收敛段(56)和所述扩张段(57)的内环形壁(54)上的多个环状凸起。

6.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述收敛段(56)与所述扩张段(57)的外环形壁(55)上开设有多圈外环形壁孔排(63)，所述收敛段(56)与所述扩张段(57)通过所述外环形壁孔排(63)形成冲击冷却。

7.根据权利要求6所述的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室外壁(42)上与所述外环形壁孔排(63)相对应的位置处开设有文丘里进气口(47)。