CN107781848A - 一种燃气轮机的燃烧室及燃气轮机 - Google Patents

一种燃气轮机的燃烧室及燃气轮机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃气轮机领域，公开了一种燃气轮机的燃烧室及燃气轮机，该燃烧室包括机匣，机匣内设有火焰筒，机匣内沿火焰筒的设置方向还设有燃料输送装置以及燃料喷头，且燃料喷头介于燃料输送装置以及火焰筒之间；其中，燃料喷头沿火焰筒的设置方向设有第一通孔，并围绕第一通孔还设有多个第二通孔，每个第二通孔的轴线与第一通孔的轴线之间具有设定的距离，且每个第二通孔与机匣的空气入口连通；燃料输送装置通过第一通孔向火焰筒内输送值班级燃料，并通过多个第二通孔向火焰筒内输送主级燃料。上述实施例中，通过改进燃烧室的结构，使燃料在燃烧室内能够形成无焰燃烧，无焰燃烧温度低、效率高，NOx和CO的产量都较少。

Description

一种燃气轮机的燃烧室及燃气轮机
技术领域
本发明涉及燃气轮机领域，尤其涉及一种燃气轮机的燃烧室及燃气轮机。
背景技术
目前，燃烧污染排放对人类的健康和环境造成越来越严重的危害，微型燃气轮机燃烧产物中含有NOx(氮氧化物)，燃料燃烧时的温度对NOx的影响非常大，NOx的产量和生成速度随着燃烧温度的升高呈指数增长，所以降低微型燃气轮机NOx的排放量，关键在于将燃烧室内的温度控制在较低水平(一般为1700K-1900K，若温度更低会影响燃烧效率)，同时使燃烧室内温度分布均匀。
微型燃气轮机燃烧产物中也含有CO，CO过高则表明燃烧效率不高，CO和NOx都为有毒气体，因此，应尽量降低微型燃气轮机的CO和NOx的排放。然而目前燃烧技术下CO排放与NOx排放相互矛盾，CO低时NOx高，NOx低时CO高。
发明内容
本发明提供一种燃气轮机的燃烧室及燃气轮机，以降低NOx和CO的排放。
本发明实施例提供了一种燃气轮机的燃烧室，包括机匣，所述机匣内设有火焰筒，所述机匣内沿所述火焰筒的设置方向还设有燃料输送装置以及燃料喷头，且所述燃料喷头介于所述燃料输送装置以及所述火焰筒之间；其中，
所述燃料喷头沿所述火焰筒的设置方向设有第一通孔，并围绕所述第一通孔还设有多个第二通孔，每个第二通孔的轴线与所述第一通孔的轴线之间具有设定的距离，且所述每个第二通孔与所述机匣的空气入口连通；
所述燃料输送装置通过所述第一通孔向所述火焰筒内输送值班级燃料，并通过所述多个第二通孔向所述火焰筒内输送主级燃料。
上述实施例中，一方面，由于第二通孔的约束，使得燃料和空气的混合物由第二通孔喷出后形成射流，气体流动速度快，使得了大量的高温燃气能够回流与未燃混合物进行混合；另一方面，第二通孔围绕第一通孔设置，第二通孔与第一通孔之间的距离越大，则形成的回流区越大，保证了从第二通孔喷出的未燃混合物与高温燃气的充分混合，提高了未燃混合物的温度，同时混合后其氧气含量较低，从而在火焰筒内形成无焰燃烧，无焰燃烧产生的NOx和CO低，降低了有害气体的排放。
在一个具体的实施例中，所述燃料输送装置包括：
值班级燃料输送管，所述值班级燃料输送管穿设在所述第一通孔内；
主级燃料输送管；
主级燃料分配器，所述主级燃料分配器上设有与所述每个第二通孔一一对应的主级燃料喷孔，所述主级燃料喷孔与所述主级燃料输送管连通，所述主级燃料分配器用于将所述主级燃料输送管中的燃料分配到所述每个第二通孔内。
具体设置时，每个主级燃料喷孔与对应的第二通孔间隔设置，且所述每个主级燃料喷孔上还连接有主级燃料喷管，所述主级燃料喷管伸入对应的第二通孔内。
优选的，所述主级燃料分配器为环形的盘体，所述盘体内设有分配腔，所述分配腔分别与所述主级燃料输送管以及所述主级燃料喷孔连通；
所述燃料喷头背离所述火焰筒的一侧设有凸台，所述主级燃料分配器套装在所述凸台上。
优选的，所述凸台上设有台阶结构，所述主级燃料分配器固定在台阶面上。
优选的，所述值班级燃料输送管的端部连接有喷嘴，所述喷嘴上设有多个值班级燃料喷孔，且每个值班级燃料喷孔的轴线与所述值班级燃料输送管的轴线成设定的夹角。
优选的，所述燃料喷头朝向所述火焰筒的一侧设有凹槽，所述第一通孔设置在所述凹槽的底壁上。减小了高温燃气在回流时与燃料喷头朝向火焰筒一侧的接触面积，避免燃料喷头受高温的灼蚀。
优选的，所述凹槽的直径介于50～80mm之间，所述凹槽的深度介于25～80mm之间。
优选的，所述每个第二通孔的直径介于15～22mm之间，所述每个第二通孔沿轴线的长度为直径的2～4倍。
本发明实施例还提供了一种燃气轮机，包括上述任一种所述的燃烧室。通过在燃烧室使大量的高温燃气回流，并点燃未燃混合物，形成无焰燃烧，从而降低了NOx和CO等有害气体的排放。
附图说明
图1为本发明实施例提供的燃气轮机的剖面图；
图2为本发明实施例提供的燃气轮机中头部进气装置的剖面图；
图3为本发明实施例提供的燃气轮机中头部进气装置的轴测图。
附图标记：
10-机匣 11-空气入口
20-火焰筒 21-掺混孔 22-烟气出口
30-燃料输送装置 31-值班级燃料输送管 32-主级燃料输送管
33-主级燃料分配器 34-主级燃料喷管 35-喷嘴
40-燃料喷头 41-第一通孔 42-第二通孔 43-凹槽 44-凸台
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种燃气轮机的燃烧室，该燃烧室包括机匣、机匣内设有火焰筒，并且机匣内沿火焰筒的设置方向还设有燃料输送装置以及燃料喷头，且燃料喷头介于燃料输送装置以及火焰筒之间；其中，
燃料喷头沿火焰筒的设置方向设有第一通孔，并围绕第一通孔还设有多个第二通孔，每个第二通孔的轴线与第一通孔的轴线之间具有设定的距离，且每个第二通孔与机匣的空气入口连通；
燃料输送装置通过第一通孔向火焰筒内输送值班级燃料，并通过多个第二通孔向火焰筒内输送主级燃料。
上述实施例中，一方面，由于第二通孔的约束，使得燃料和空气的混合物由第二通孔喷出后形成射流，气体流动速度快，使得了大量的高温燃气能够回流与未燃混合物进行混合；另一方面，第二通孔围绕第一通孔设置，第二通孔与第一通孔之间的距离越大，则形成的回流区越大，保证了从第二通孔喷出的未燃混合物与高温燃气的充分混合，提高了未燃混合物的温度，同时混合后其氧气含量较低，从而在火焰筒内形成无焰燃烧，无焰燃烧产生的NOx和CO低，降低了有害气体的排放。
为了更加清楚的了解本发明实施例提供的燃烧室的结构，现结合附图进行详细的描述。
如图1所示，该燃气轮机的燃烧室包括机匣10，机匣10内设有火焰筒20，机匣10内沿火焰筒20的设置方向还设有燃料输送装置30以及燃料喷头40，且燃料喷头40介于燃料输送装置30以及火焰筒20之间，燃料输送装置30通过燃料喷头40向火焰筒20内输送燃料，其中，一小部分为值班级燃料，值班级燃料起到引燃的作用，大部分为主级燃料，主级燃料用于在火焰筒内燃烧并产生大量的高温燃气，高温燃气进入透平中膨胀做功，使热能转化为机械能。具体的，燃料喷头40沿火焰筒20的设置方向设有第一通孔41，并围绕第一通孔41还设有多个第二通孔42，每个第二通孔42的轴线与第一通孔41的轴线之间具有设定的距离，即多个第二通孔42围成圆形并沿圆周分布，第一通孔41与第二通孔42之间的距离与高温燃气在火焰筒20内形成的回流区有关，距离越大，则形成的回流区越大；燃料输送装置30通过第一通孔41向火焰筒20内输送值班级燃料，并通过多个第二通孔42向火焰筒20内输送主级燃料。另外，每个第二通孔42与机匣10的空气入口11连通，即每个第二通孔42用于向火焰筒20内输送主级燃料以及空气的混合物，第二通孔42对气流能够形成约束作用，以提高喷出时气体的流速，这有助于增加高温燃气的回流量。本实施例通过改进燃烧室的结构，使燃料在燃烧室内能够形成无焰燃烧，无焰燃烧温度低、效率高，NOx和CO的产量都较少。
具体的，本实施例通过增加高温燃气的回流量，使其与第二通孔42喷出的未燃混合物充分混合，提高未然混合物的温度，使未然混合物的温度高于其自燃温度，从而使燃料在燃烧室内形成无焰燃烧。本实施例中，一方面，在燃料喷头40上设置了第二通孔42，通过第二通孔42的约束作用，使燃料与空气的混合物经第二通孔42喷出时形成射流，由于气体流动速度快，使得大量的高温燃气能够回流与未燃混合物进行混合，并且，气体的流速越快，高温燃气的回流量就越多，其中，气体的流速与第二通孔42的孔径以及长度有关，具体的，每个第二通孔42的直径介于15～22mm之间，如取15mm、18mm、20mm、22mm，每个第二通孔42沿轴线的长度为直径的2～4倍，如设置为2倍、3倍、4倍。另一方面，第二通孔42围绕第一通孔41设置，第二通孔42与第一通孔41之间的距离越大，则形成的回流区越大，从而保证了从第二通孔42喷出的未燃混合物能够与高温燃气充分混合，提高了未燃混合物的温度，同时混合后也降低了氧气含量，从而使得燃料在火焰筒20内形成无焰燃烧，无焰燃烧时温度低、效率高，NOx和CO排放少。
具体设置时，燃料输送装置30包括值班级燃料输送管31，值班级燃料输送管31穿设在第一通孔41内；如图3所示，值班级燃料输送管31的端部连接有喷嘴35，喷嘴35上设有多个值班级燃料喷孔，且每个值班级燃料喷孔的轴线与值班级燃料输送管31的轴线成设定的夹角，如30°、45°、60°等，这样使得燃料由值班级燃料喷孔呈发散状喷出，便于燃料的燃烧。具体的，值班级燃料喷孔的个数介于6～12之间，如6、8、10、12个，每个值班级燃料喷孔的直径介于0.8mm～2.0mm之间，如0.8mm、1.2mm、1.6mm、2.0mm。
燃料输送装置30还包括主级燃料输送管32，主级燃料输送管32连接有主级燃料分配器33，主级燃料分配器33上设有与每个第二通孔42一一对应的主级燃料喷孔，且主级燃料喷孔与主级燃料输送管32连通，主级燃料分配器33用于将主级燃料输送管32中的燃料分配到每个第二通孔42内。如图2所示，主级燃料分配器33为环形的盘体，盘体内设有分配腔，分配腔分别与主级燃料输送管32以及主级燃料喷孔连通，主级燃料输送管32中的燃料进入分配腔后经主级燃料喷孔进入对应的第二通孔42内。
每个第二通孔42还与机匣10上的空气入口11连通，这样，燃料与空气的混合物在第二通孔42内先进行预混合，然后进入火焰筒20内。如图2所示，主级燃料分配器33与第二通孔42间隔设置，空气由主级燃料分配器33与第二通孔42之间的间隙进入第二通孔42内，每个主级燃料喷孔还连接有主级燃料喷管34，每个主级燃料喷管34伸入对应的第二通孔42内，主级燃料喷管34伸入第二通孔42内的长度将影响燃料与空气的混合程度，本实施例中，为了使燃料与空气混合较为均匀，具体的，每个主级燃料喷管34伸入对应的第二通孔42内2～10mm。具体连接时，燃料喷头40背离火焰筒20的一侧设有凸台44，主级燃料分配器33为环形的盘体，主级燃料分配器33套装在凸台44上，并且，为了便于安装，凸台44具有台阶结构，主级燃料分配器33固定在台阶面上。
继续参考图3，燃料喷头40朝向火焰筒20的一侧设有凹槽43，第一通孔41设置在凹槽43的底壁上，这样减小了高温燃气在回流时与燃料喷头40的接触面积，有效降低高温燃气对燃料喷头40的灼蚀。具体的，凹槽43为圆柱形凹槽43，凹槽43的直径介于50-80mm之间，如取50mm、60mm、70mm、80mm，凹槽43的深度介于25～80mm之间，如取25mm、35mm、50mm、60mm、80mm。
具体工作时，值班级燃料输送管31喷射的燃料用于燃烧室点火，点火成功后，主级燃料输送管32喷射燃料，待到一定工况时，值班级燃料输送管31停止供应燃料，只有主级燃料输送管32喷射燃料，高温燃气在火焰筒20内形成回流，与从第二通孔42喷出的未燃混合物充分混合，形成无焰燃烧，无焰燃烧时温度低、效率高，NOx和CO排放少；另外，火焰筒20的侧壁上设有多个掺混孔21，外界空气由掺混孔21进入火焰筒20后可以调节烟气温度场，火焰筒20与头部进气装置30相对的一端设有烟气出口22，用于排放烟气。
通过上述实施例可以看出，本发明实施例中，一方面，通过第二通孔42的约束，使得燃料和空气的混合物由第二通孔42喷出后形成射流，气体流动速度快，使得了大量的高温燃气能够回流与未燃混合物进行混合；另一方面，通过第二通孔42与第一通孔41之间的距离形成较大的回流区，保证了从第二通孔42喷出的未燃混合物与高温燃气的充分混合，提高了未燃混合物的温度，同时混合后其氧气含量较低，从而在火焰筒20内形成无焰燃烧，无焰燃烧产生的NOx和CO低，降低了有害气体的排放。
本发明实施例还提供了一种燃气轮机，包括上述燃烧室，通过在燃烧室使大量的高温燃气回流，并点燃未燃混合物，形成无焰燃烧，从而降低了NOx和CO等有害气体的排放。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种燃气轮机的燃烧室，包括机匣，所述机匣内设有火焰筒，其特征在于，所述机匣内沿所述火焰筒的设置方向还设有燃料输送装置以及燃料喷头，且所述燃料喷头介于所述燃料输送装置以及所述火焰筒之间；其中，
所述燃料喷头沿所述火焰筒的设置方向设有第一通孔，并围绕所述第一通孔还设有多个第二通孔，每个第二通孔的轴线与所述第一通孔的轴线之间具有设定的距离，且所述每个第二通孔与所述机匣的空气入口连通；
所述燃料输送装置通过所述第一通孔向所述火焰筒内输送值班级燃料，并通过所述多个第二通孔向所述火焰筒内输送主级燃料。
2.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述燃料输送装置包括：
值班级燃料输送管，所述值班级燃料输送管穿设在所述第一通孔内；
主级燃料输送管；
主级燃料分配器，所述主级燃料分配器上设有与所述每个第二通孔一一对应的主级燃料喷孔，所述主级燃料喷孔与所述主级燃料输送管连通，所述主级燃料分配器用于将所述主级燃料输送管中的燃料分配到所述每个第二通孔内。
3.如权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，每个主级燃料喷孔与对应的第二通孔间隔设置，且所述每个主级燃料喷孔上还连接有主级燃料喷管，所述主级燃料喷管伸入对应的第二通孔内。
4.如权利要求3所示的燃烧室，其特征在于，所述主级燃料分配器为环形的盘体，所述盘体内设有分配腔，所述分配腔分别与所述主级燃料输送管以及所述主级燃料喷孔连通；
所述燃料喷头背离所述火焰筒的一侧设有凸台，所述主级燃料分配器套装在所述凸台上。
5.如权利要求4所述的燃烧室，其特征在于，所述凸台上设有台阶结构，所述主级燃料分配器固定在台阶面上。
6.如权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，所述值班级燃料输送管的端部连接有喷嘴，所述喷嘴上设有多个值班级燃料喷孔，且每个值班级燃料喷孔的轴线与所述值班级燃料输送管的轴线成设定的夹角。
7.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述燃料喷头朝向所述火焰筒的一侧设有凹槽，所述第一通孔设置在所述凹槽的底壁上。
8.如权利要求7所述的燃烧室，其特征在于，所述凹槽的直径介于50～80mm之间，所述凹槽的深度介于25～80mm之间。
9.如权利要求1～8任一项所述的燃烧室，其特征在于，所述每个第二通孔的直径介于15～22mm之间，所述每个第二通孔沿轴线的长度为直径的2～4倍。
10.一种燃气轮机，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的燃烧室。
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