一种燃气轮机燃烧室的制作方法

本发明涉及燃气轮机技术领域，特别涉及一种燃气轮机燃烧室。

背景技术：

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是典型的高新技术密集型产品。作为高科技的载体，燃气轮机代表了多理论学科和多工程领域发展的综合水平，是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一，具有十分突出的战略地位。燃气轮机的三大部件为燃烧室、压气机和涡轮，燃烧室的性能会直接影响燃气轮机的总体性能。燃气轮机燃烧产物中含有nox(氮氧化物)，nox主要包含no和no2。no是一种无色无臭的气体，大气中的no浓度如果达到了一定的程度，就会与血液中的血色素结合，造成血液缺氧从而引起中枢神经麻痹。no2是一种红色有毒气体，对人体呼吸器官有刺激作用，容易引起肺气肿和肺癌，no2还能破坏臭氧形成臭氧空洞。

现有燃气轮机中，燃烧室内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。目前低nox排放燃烧室主要为结构复杂的贫油预混预蒸发燃烧室，该贫油预混预蒸发燃烧室的燃料和空气在预混模内混合的不够均匀充分，导致燃烧温度过高，生成大量的nox,而且在燃烧过程中容易产生有回火和自燃问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种燃气轮机燃烧室，以改善燃烧室的燃料和空气预混结构，使其混合更均匀，降低燃烧温度以减少nox生成量，还可以减少燃烧过程中的回火和自燃概率，并简化燃烧室结构。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种燃气轮机燃烧室，包括主燃级燃料管、预燃级燃料管、主燃级旋流器、预燃级旋流器、火焰筒和轮机机匣，其中，所述主燃级燃料管的出料口与所述主燃级旋流器连通，所述预燃级燃料管的出料口与所述预燃级旋流器连通，所述主燃级旋流器和预燃级旋流器均呈空心柱状，所述主燃级旋流器的内径大于所述预燃级旋流器的外径，且所述主燃级旋流器和预燃级旋流器同轴并在轴向方向上错位设置，所述主燃级旋流器和预燃级旋流器的出口处设置有预混腔管，所述预混腔管呈漏斗状环绕于预燃级旋流器外侧，所述预混腔管与所述火焰筒的入口处的火焰筒头部连通，所述轮机机匣以间隙配合的方式包覆于所述主燃级燃料管、预燃级燃料管、主燃级旋流器、预燃级旋流器和火焰筒外侧，且所述轮机机匣侧壁至少开有一个进气槽。

优选的，该燃气轮机燃烧室还包括燃烧模式切换装置，所述燃烧模式切换装置分别与预燃级燃料管和主燃级燃料管连接，用于当燃烧室燃烧达到指定工况时，控制预燃级燃料管和主燃级燃料管的燃料供应。

优选的，所述燃烧模式切换装置具体用于：所述燃烧室启动时，预燃级燃料管的燃料经由预燃级旋流器喷出，并与经由预燃级旋流器排出的空气混合燃烧；当预燃达到指定工况时，燃烧模式切换装置控制主燃级燃料管供应燃料，并经由主燃级旋流器喷出与主燃级旋流器排出的空气混合燃烧。

优选的，所述燃烧模式切换装置还用于：当预燃达到指定工况时，燃烧模式切换装置控制预燃级燃料管停止供应燃料。

优选的，所述主燃级燃料管的燃料流量为预燃级燃料管的4～7倍。

优选的，所述主燃级旋流器进气口的空气流量为预燃级旋流器进气口处的4～10倍。

优选的，所述预燃级旋流器具有预燃级冷却孔。

优选的，所述火焰筒头部侧壁具有头部冷却孔。

优选的，所述预燃级冷却孔和头部冷却孔的孔径为0.8mm～1.5mm。

优选的，所述火焰筒筒壁上具有多个掺混孔，所述掺混孔的孔径为8mm～20mm。

本发明实施例提供的燃气轮机燃烧室，主燃级燃料管和预燃级燃料管分别通过主燃级旋流器、预燃级旋流器进行预混，混合后后混合气体经漏斗状预混腔管进入火焰筒燃烧。通过分别独立设置主燃级和预燃级，从而改善燃烧室的燃料和空气预混结构，使其混合更均匀，降低燃烧温度以减少nox的生成，同时还可以减少燃烧过程中的回火和自燃概率，并简化燃烧室结构。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的燃气轮机燃烧室的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的燃气轮机燃烧室的结构示意图；

图3为本发明又一实施例提供的燃气轮机燃烧室的结构示意图。

附图标记：

1-主燃级燃料管

2-预燃级燃料管

3-主燃级旋流器

4-预燃级旋流器

41-进气槽

5-火焰筒

51-火焰筒头部

52-头部冷却孔

53-掺混孔

6-轮机机匣

7-预混腔管

8-燃烧模式切换装置

具体实施方式

为改善燃烧室的进气方式，使得空气和高温烟气混合更均匀，从而提高燃烧室出口气流温度的均匀程度和燃烧室的能量利用率，本发明实施例提供了一种燃气轮机燃烧室。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明作进一步详细说明。

参考图1，本发明一种实施例提供的燃烧室，包括主燃级燃料管1、预燃级燃料管2、主燃级旋流器3、预燃级旋流器4、火焰筒5和轮机机匣6，其中，主燃级燃料管1的出料口与主燃级旋流器3连通，预燃级燃料管2的出料口与预燃级旋流器4连通，主燃级旋流器3和预燃级旋流器4均呈空心柱状，主燃级旋流器3的内径大于预燃级旋流器4的外径，且主燃级旋流器3和预燃级旋流器4同轴并在轴向方向上错位设置，主燃级旋流器3和预燃级旋流器4的出口处设置有预混腔管7，该预混腔管7呈漏斗状环绕于预燃级旋流器4外侧，预混腔管7与火焰筒5的入口处的火焰筒头部51连通，轮机机匣6以间隙配合的方式包覆于主燃级燃料管1、预燃级燃料管2、主燃级旋流器3、预燃级旋流器4和火焰筒5外侧，且轮机机匣6侧壁至少开有一个进气槽61。

本发明实施例提供的燃气轮机燃烧室，主燃级燃料管和预燃级燃料管分别通过主燃级旋流器、预燃级旋流器进行预混，混合后混合气体经漏斗状预混腔管进入火焰筒燃烧。通过分别独立设置主燃级和预燃级，从而改善燃烧室的燃料和空气预混结构，使其混合更均匀，降低燃烧温度以减少nox的生成量，而且还可以减少燃烧过程中的回火和自燃概率，并简化燃烧室结构。

参考图2，在本发明另一实施例中，燃气轮机燃烧室的预燃级旋流器4具有预燃级冷却孔41。在预燃燃烧时释放热量，防止骤热的过程中损坏预燃级旋流器。进一步的，燃烧室的火焰筒头部51侧壁具有头部冷却孔52。头部冷却孔能够保护火焰筒头部和预燃级旋流器外圈不被烧毁。经过发明人大量的实验验证，预燃级冷却孔和头部冷却孔的孔径为0.8mm～1.5mm。孔径太小无法有效的形成气膜冷却，不能达到保护预燃级旋流器和火焰筒头部的目的；孔径太大则会淬熄部分燃烧过程，从而降低燃烧室最终的工作效率。气膜冷却基本原理为：从高温环境的壁面上的孔向高温主流引入冷却气流，这股冷却气流在高温主流的压力和摩擦力作用下向下游弯曲，附着在壁面一定区域上，形成温度较低的冷气膜将壁面同高温燃气隔离，并带走部分高温燃气，从而对壁面起到良好的冷却保护作用。

更进一步的，在本发明的优选实施例中，火焰筒5筒壁上具有多个掺混孔53，掺混孔53的孔径为8mm～20mm。燃烧室的多个掺混孔间隔环绕设置于火焰筒侧壁。火焰筒侧壁间隔环绕设置多个掺混孔，如此设置的多个掺混孔能够使得掺混空气较为均匀地进入到火焰筒中，使得空气和高温烟气混合更均匀，从而提高燃烧室出口气流温度的均匀程度和燃烧室的能量利用率。

在实际应用中，可选的，燃烧室的进气槽为两个且相对设置于轮机机匣侧壁。轮机机匣侧壁相对设置有两个进气槽，能够减少进气气流之间的干扰，从而形成稳定的掺混空气流，进一步提高燃烧室出口气流温度的均匀程度和燃烧室的能量利用率。燃烧室的火焰筒的中段筒壁上可设置主燃孔，主燃孔能够提高火焰筒中的燃烧效率并平衡火焰筒内外的压力，从而提高燃烧室工作性能和使用寿命。火焰筒筒壁还可选择设置环绕阵列排布的冷却孔，冷却孔能够平衡火焰筒内外的压力，并平衡火焰筒内外温差防止过热损坏，从而进一步提高燃烧室工作性能和使用寿命。

本发明实施例中的主燃级旋流器和预燃级旋流器均包括旋流器进气口、旋流器底板和旋流器叶片。在燃烧室内设置旋流器组，气流在通过旋流器组时会在燃烧室内形成低速回流区，这样可以使气体速度与火焰传播速度一致，从而保证燃烧的稳定，回流区的形成还可以保证燃烧的安全。本发明实施例中优选采用主燃级和预燃级旋流器堆叠成的二级旋流器组，能够更好的保证燃烧室燃烧时的稳定性和安全性。

在本发明又一实施例中，如图3所示，该燃气轮机燃烧室还包括燃烧模式切换装置8，燃烧模式切换装置8分别与预燃级燃料管2和主燃级燃料管1连接，用于当燃烧室燃烧达到指定工况时，控制预燃级燃料管和主燃级燃料管的燃料供应。燃烧模式切换装置可以为操作人员根据燃烧工况进行操作切换，也可以通过自动检测控制系统检测出指定工况自动切换，本发明实施例不此次进行具体的限定。

该燃烧模式切换装置具体用于：所述燃烧室启动时，预燃级燃料管的燃料经由预燃级旋流器喷出，并与经由预燃级旋流器排出的空气混合燃烧；当预燃达到指定工况时，燃烧模式切换装置控制主燃级燃料管供应燃料，并经由主燃级旋流器喷出与主燃级旋流器排出的空气混合燃烧。上述指定工况为预燃燃烧温度达到燃烧室稳定燃烧温度时的情况。本发明实施例的燃烧室通过控制预燃级燃料管和主燃级燃料管的工作分为三种工作模式：预燃模式、主燃模式和混合燃烧模式。预燃模式下达到指定工况时，燃烧转为主燃模式或混合燃烧模式，能够降低燃料的浪费并提高燃料的燃烧效率，还能够减少燃烧尾气中污染物(碳颗粒、co、nox等)的含量。当预燃模式转变为主燃模式时，燃烧模式切换装置控制预燃级燃料管停止供应燃料。

在本发明再一实施例中，经发明人大量实验验证，优选主燃级燃料管的燃料流量为预燃级燃料管的4～7倍。主燃级旋流器进气口的空气流量为预燃级旋流器进气口处的4～10倍。由于预燃模式下开始燃烧时容易造成燃料的浪费，预燃级燃料管的燃料流量较小，能够满足点火预燃预热即可；达到指定工况时，主燃模式或混合燃烧模式需要大量的能量来支持燃烧室工作，则主燃级燃料管需要提供较大的燃料流量。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例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。