一种轴向分级低污染燃烧室的制作方法

本发明属于燃气轮机燃烧室领域，涉及一种轴向分级低污染燃烧室，具体是一种值班级、主燃级均采用多点喷射贫油预混预蒸发的轴向分级低污染燃烧室。

背景技术：

近年来，由于燃气轮机单机功率大、参与联合循环的燃气轮机组使整个系统达到更高的热效率，因此燃气轮机在电力、石化、冶金等领域的应用越来越广泛。燃气轮机在工作中要产生大量的污染物，环境问题的日益严重使得对燃气轮机污染排放的要求越来越严格，在15％的o2浓度下，对于天然气燃料来说，nox排放小于25ppm，co排放小于50ppm，对于柴油燃料来说，nox排放小于65ppm，co排放小于100ppm，低污染燃烧技术成为先进地面燃气轮机的发展趋势，但燃气轮机总体性能的提升对主燃绕室设计提出了更高的要求。

目前地面燃气轮机，常用的燃烧污染物控制技术主要包括向燃烧室喷水/喷蒸汽的“湿”低排放技术、“干”低noxdln排放技术、催化燃烧等。“湿”低排放技术由于喷水、喷蒸汽进一步降低nox排放的方法会对燃机循环性能、部件寿命等产生影响，同时一氧化碳、未燃碳氢化合物的排放量也开始增加。目前应用较多、发展最为成熟的是“干”式低nox燃烧技术，这是根据热力nox的生成机理，通过将主燃烧区的火焰温度控制在1670-1900k之间来实现降低nox的排放，采用预混预蒸发方式，燃料在进入燃烧区之前与空气混合形成均匀的油气混合物，通过调节油气比来达到控制燃烧温度，进而控制nox的排放水平。rr公司的rb211工业燃气轮机采用的dln燃烧室，包含9个径向安装的逆流单管燃烧室，每个火焰筒有一个2级燃烧室组件，在两极间的供油和供气是独立的，分级的目的是在部分负荷下维持高油气比和降低排放量；rr公司的trent干低排放燃烧室包含串联的贫油预混燃油喷射系统，在不同的工况下不改变空气分配比，而是调节从一个区到另一个区的燃料分配，从而维持一个相对恒定的燃烧温度，以降低污染排放水平；ge公司的lm6000燃气轮机采用环形dln燃烧室，通过燃料分级和超贫油火焰温度来降低污染排放，其中环包括30个预混燃烧器，在整个发动机工作范围内工作，内环和外环各有15个和30个预混燃烧器，实现可调，保证燃烧室在狭窄的温度范围内工作；pw公司发展的低排放燃烧室主要采用径向分级、分段燃烧、燃料预混和预燃来降低污染排放水平，比如e3发动机燃烧室、vorbix燃烧室、ft8-2燃气轮机燃烧室等。

国内针对地面燃气轮机燃烧室也进行了相关的研究，南京航空航天大学的专利201610054669.8发明了一种地面燃机单管燃烧室，以天然气为燃料，带有旋转方向相反的双级斜切径向旋流器，加强空气和天然气的混合；西北工业大学的专利201610016396.8涉及一种地面燃机燃烧室结构及其分级燃烧组织方式，值班级燃烧区单独在前部采用末端带有收敛段的小火焰筒，后部主燃区采用带有火焰稳定器的大火焰筒，值班级形成稳定的点火源，主燃级预混合提高燃烧效率。

通过国内外研究现状可以看出，现在使用的轻型燃气轮机大多都是航改燃气轮机，其燃烧室基本上沿用了航空发动机的环形结构，但做了相应的改动，以满足地面污染排放的要求。地面燃气轮机燃烧室既要保证稳定工作，又要保证在整个工作范围内有很低的污染排放水平。燃烧室的稳定工作包括拓宽贫油熄火边界、避免自燃、回火、燃烧不稳定性的产生；燃烧室低污染排放水平通过避免燃烧区以化学恰当比燃烧、消除局部高温区、控制燃烧区当量比、减小燃气在高温区的停留时间等方法来降低整个工作范围的污染排放。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种轴向分级低污染燃烧室，有效的控制值班燃烧区和主燃烧区的当量比，提高油气混合程度，降低降低了燃烧室不同工况下的污染排放水平，而且预混模采用合理的结构设计防止自燃、回火等问题的产生。

技术方案

一种轴向分级低污染燃烧室，包括短突扩扩压器、燃烧室火焰筒、燃烧室机匣、值班级10和主燃级12；其特征在于：所述值班级10为多个预混模沿周向均布在燃烧室头部端壁11上，预混模收敛段出口与燃烧室头部端壁内侧平齐；所述主燃级12为多个预混模的组合，组合形式为：在下游火焰筒内壁13和火焰筒外壁14上多排设置预混模，预混模收敛段出口与火焰筒壁内侧平齐，一排预混模与值班级预混模在同一周向位置；所述值班级10预混模的数目与设置在下游火焰筒内壁13和火焰筒外壁14上每排的预混模的数目相等；所述每个预混模上设有燃油管路，值班级所有预混模由一条燃油管路供油；所述主燃级所有预混模由另外一条燃油管路供油。

所述多排设置预混模为1～5排。

所述值班级10和主燃级12的预混模采用多点喷射贫油预混预蒸发结构，包括燃油喷嘴15、旋流器17，集油环18，燃油喷孔21和预混环腔22；旋流器17的后端设有由平直段19和收敛段20组成的预混环腔22，燃油喷嘴15通过燃油喷嘴安装座16安装在旋流器17的轴心，且喷嘴出口与旋流器出口平齐；旋流器17的外部设有集油环18，在旋流器下游3-5mm处，沿周向在平直段19上均布10-30个燃油喷孔21，连通集油环18与预混环腔22，喷孔直径0.2～0.8mm；所述预混环腔22的长度为环腔平均流速与燃料自燃时间乘积的0.25～0.75倍，收敛段与轴向夹角30°～45°。

所述旋流器17采用轴向旋流器，叶片形状采用直叶片，叶片个数6～18个，叶片角度30°～60°。

所述相邻值班级预混模中心距为预混模直径的1.25～2.5倍，且不大于125mm。

所述第一排预混模距值班级的轴向距离为火焰筒直径的0.75～1.5倍。

所述相邻两排预混模之间的轴向距离为预混模直径的1.25～2.5倍。

有益效果

本发明提出的一种轴向分级低污染燃烧室，采用轴向分级燃烧技术，将燃烧室分为值班级和主燃级，值班级和主燃级均采用多个预混模，有效的控制值班燃烧区和主燃烧区的当量比，提高油气混合程度，降低降低了燃烧室不同工况下的污染排放水平，而且预混模采用合理的结构设计防止自燃、回火等问题的产生。

本发明与现有技术相比所具有的优点如下：

1、本发明提供了一种轴向分级低污染燃烧室，采用轴向分级燃烧技术将燃烧室分为主燃级和值班级，小工况下只有值班级工作，值班级采用多点喷射贫油预混预蒸发结构，降低小工况下的污染排放水平，采用轴向分级避免了值班级、主燃级之间的相互干扰，确保了值班燃烧区的火焰稳定性。

2、随着工况的增大，主燃级开始工作，值班级位于主燃级上游，值班燃烧区的高温燃气有利于主燃级的油气混合以及主燃级的点火，轴向分级改善了径向分级头部高温区集中的问题，主燃级采用多点喷射贫油预混预蒸发结构使主燃烧区油气混合均匀，避免了局部高温区，同时大量空气沿机匣从主燃级进入，导致火焰筒内燃气流速加快，缩短了燃气在高温区的停留时间，大大降低了大工况下的污染物排放水平。

3、主燃级多个预混模沿周向均布在火焰筒内外壁上，改善了燃烧室出口温度分布，从而省略了掺混孔，使更多的空气参与燃烧，增大了燃气轮机的功率。

附图说明

图1：本发明实施例轴向分级低污染燃烧室示意图

图2：本发明实施例适用于不同工作范围的燃烧室火焰筒结构示意图

图3：本发明实施例值班级、主燃级预混模分布结构示意图

图4：本发明实施例轴向分级全环燃烧室结构示意图

图5：本发明实施例预混模结构示意图

图中：1-前置扩压器内壁，2-前置扩压器外壁，3-前置扩压器流道，4-突扩段，5-燃烧室外机匣，6-外环腔，7-火焰筒支撑板，8-燃烧室内机匣，9-内环腔，10-值班级，11-燃烧室头部端壁，12-主燃级，13-火焰筒内壁，14-火焰筒外壁，15-燃油喷嘴，16-喷嘴安装座，17-旋流器，18-集油环，19-平直段，20-收敛段，21-燃油喷孔，22-预混环腔

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明采用以下技术方案：一种轴向分级低污染燃烧室，包括前置扩压器内壁、前置扩压器外壁、前置扩压器流道、突扩段、燃烧室外机匣、外环腔、火焰筒支撑板、燃烧室内机匣、内环腔、值班级、燃烧室头部端壁、主燃级、火焰筒内壁、火焰筒外壁，所述的前置扩压器流道由前置扩压器内壁和前置扩压器外壁围成，所述的前置扩压器和突扩段构成了短突扩扩压器，起到减速增压的作用，有利于点火和火焰稳定，所述的外环腔由燃烧室外机匣和火焰筒外壁围成，所述的内环腔由燃烧室内机匣和火焰筒内壁围成，主燃级空气和火焰筒冷却空气从外环腔和内环腔进入，所述的值班级和主燃级由多个预混模组成，值班级预混模沿周向均布在燃烧室头部端壁上，主燃级预混模沿周向均布在值班级下游火焰筒外壁和火焰筒内壁上，值班级和主燃级独立控制，满足燃烧室不同工况要求，所述的预混模由燃油喷嘴、喷嘴安装座、旋流器、集油环、平直段、收敛段、燃油喷孔、预混环腔组成，所述的预混环腔由平直段和收敛段围成，燃油和空气在预混环腔中预混预蒸发，形成均匀的油气混合物，通过合适的预混环腔长度防止自燃的产生，所述的收敛段增加油气混合物轴向速度，产生脱体火焰，防止回火的发生。

进一步的，所述的值班级位于燃烧室头部端壁上，预混模收敛段出口与燃烧室头部端壁内侧平齐，主燃级位于火焰筒外壁以及火焰筒内壁上，预混模收敛段与火焰筒外壁内侧和火焰筒内壁外侧平齐，保证预混模的使用寿命。

进一步的，值班级预混模沿周向均布在燃烧室头部端壁上，相邻预混模中心距为预混模直径的1.25～2.5倍，且不大于125mm，保证相邻预混模之间不会干扰，又能保证正常联焰。

进一步的，主燃级预混模沿周向均布在值班级下游火焰筒外壁和火焰筒内壁上，预混模沿火焰筒方向布置1～5排，每排的预混模个数与值班级预混模个数相同，主燃级第一排预混模距值班级的轴向距离为火焰筒直径的0.75～1.5倍，并且与值班级预混模在同一周向位置，相邻两排预混模之间的轴向距离为预混模直径的1.25～2.5倍，保证相邻两排预混模之间不会相互干扰，相邻两排预混模采用叉排的方式布置，保证出口温度分布均匀性。

进一步的，所述的预混模采用多点喷射贫油预混预蒸发结构，旋流器采用轴向旋流器，叶片形状为直叶片，叶片个数6～18个，叶片角度30°～60°，收敛段与轴向夹角30°～45°，预混环腔的长度为环腔平均流速与燃料自燃时间乘积的0.25～0.75倍，喷嘴采用单油路离心喷嘴，喷嘴出口与旋流器出口平齐，燃油喷孔在旋流器下游3～5mm处，沿周向均布在平直段上，喷孔个数10～30个，喷孔直径0.2～0.8mm。

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明

如图1所示，本实施例的一种轴向分级低污染燃烧室示意图，燃烧室外机匣5与前置扩压器外壁2焊接，通过尾部火焰筒支撑板7与火焰筒外壁14连接，围成外环腔6，燃烧室内机匣8与前置扩压器内壁1焊接，通过尾部火焰筒支撑板7与火焰筒内壁13连接，围成内环腔9，火焰筒内壁13和火焰筒外壁14通过燃烧室头部端壁11连接，值班级预混模10沿周向均布在头部端壁11上，预混模收敛段出口与燃烧室头部端壁内侧平齐，主燃级预混模12沿周向均布在值班级下游火焰筒内壁和火焰筒外壁上，预混模收敛段与火焰筒外壁内侧和火焰筒内壁外侧平齐，保证预混模的使用寿命。

如图2所示，为本实施例适用于不同工作范围的三种燃烧室火焰筒结构示意图，如图2a～c所示，主燃级预混模沿轴向布置1～5排，其工作范围依次增大，主燃级第一排预混模距值班级的轴向距离为火焰筒直径的0.75～1.5倍，并且与值班级预混模在同一周向位置，相邻两排预混模之间的轴向距离为预混模直径的1.25～2.5倍，保证相邻两排预混模之间不会相互干扰，相邻两排预混模采用叉排的方式布置，保证出口温度分布均匀性。

本发明实施例值班级、主燃级预混模分布结构示意图如图3所示，值班级预混模均布在头部端壁11上，相邻值班级预混模中心距为预混模直径的1.25-2.5倍，且不大于125mm，既能保证相邻预混模之间不会干扰，又能保证正常联焰，主燃级第一排预混模与值班级预混模在同一周向位置。

图4是实施例轴向分级全环燃烧室结构示意图，值班级预混模10沿周向均布在头部端壁11上，主燃级预混模12沿周向均布在值班级下游火焰筒内壁13和火焰筒外壁14上，保证全环燃烧室油气混合均匀、燃烧效率高、燃烧室出口温度分布均匀、污染排放水平低。

图5是预混模结构示意图，采用多点喷射预混预蒸发结构，包括燃油喷嘴15，喷嘴安装座16，旋流器17，集油环18，平直段19，收敛段20，燃油喷孔21，预混环腔22，所述的预混环腔22由平直段19和收敛段20组成，旋流器16采用轴向旋流器，叶片形状为直叶片，叶片个数6～18个，叶片角度30°～60°，收敛段与轴向夹角30°～45°，预混环腔22的长度为环腔平均流速与燃料自燃时间乘积的0.25～0.75倍，燃油分两路进入预混环腔，一路从燃油喷嘴15喷出，燃油喷嘴采用单油路离心喷嘴，喷嘴出口与旋流器出口平齐，一路经集油环18沿燃油喷孔21径向喷入预混环腔，燃油和空气在预混环腔22内形成均匀的油气混合物，燃油喷孔在旋流器下游3～5m处，沿轴向均布在平直段19上，喷孔个数10～30个，喷孔直径0.2～0.8mm。

本发明的工作过程如下：

本发明的轴向分级低污染燃烧室，采用轴向分级燃烧技术将燃烧室分为值班级和主燃级，从扩压器出来的空气分为三路，分别进入外环腔、头部值班级、内环腔，内环腔和外环腔空气大部分通过主燃级进入火焰筒参与燃烧，小部分空气用来进行火焰筒冷却。

小工况下，只有值班级工作，值班级采用多点喷射贫油预混预蒸发结构，燃油与值班级空气在值班级预混模中进行预混，形成均匀的油气混合物，在值班燃烧区燃烧，保证小工况下的污染排放水平，轴向分级避免了值班级和主燃级的相互干扰，拓宽了燃烧室的贫油熄火边界，保证了值班燃烧区火焰的稳定性。

随着工况的增加，值班级和主燃级同时工作，主燃级预混模均布在全环燃烧室火焰筒内壁和火焰筒外壁上，预混模采用多点喷射贫油预混预蒸发结构，使得主燃区油气混合更加均匀，形成的均匀油气混合物被上游值班燃烧区的高温燃气点燃，在上游高温燃气的加热下以更高效率燃烧，同时大量空气沿内环腔和外环腔从主燃级进入燃烧室，导致火焰筒内燃气流速加快，缩短了燃气在高温区的停留时间，从而大大降低了大工况下的污染物排放水平。

本发明中预混模采用多点喷射预混预蒸发结构，通过合理设计预混段结构，避免了燃烧室自燃、回火问题的产生，保证了燃烧室的稳定工作。