一种使用气体燃料的燃气轮机低排放燃烧室的制作方法

本发明属于燃气轮机燃烧室技术领域，具体涉及一种使用气体燃料的燃气轮机低排放燃烧室。

背景技术：

燃气轮机起源于20世纪60年代，它能利用气体燃料、液体燃料等多种燃料，具有热效率高、污染排放量小、体积小、起动快、用水少及适宜燃用多种燃料等优点，因此受到各国的重视。它是一种广泛应用于航空、船舶、电力等诸多工业领域的动力机械，在国民经济的发展中起到至关重要的作用。与其他发动机相比，燃气轮机具备极多优点，在燃料消耗率，噪音，排放，振动等方面均有巨大优势，在用于传统的分布式发电的同时，还可以用于并网发电等多种方式，它即适用于城市，又适用于偏远地区。并且由于自身所具备清洁可靠的优点受到行业以及社会的推崇。近年来燃气轮机作为先进的动力机械设备使用范围非常广泛，除了海陆边防等交通运输上，在机电加工，金属材料等多领域均有应用。

近年来，环境保护、可持续发展等理念能深入人心，全球对于雾霾，温室效应等环境问题也日益关注。由燃烧引起的环境问题引起了全世界的关注，为了解决这方面的问题，世界各国开展了低污染燃烧技术研究。其中，贫燃料预混燃烧技术为一种主要的低排放燃烧技术，已在先进低排放燃气轮机中得到了应用。但这种技术存在如下几方面的问题：

1.可燃极限窄，尤其是在发动机低工况下易出现熄火现象；

2.预混过程中易出现自燃和回火问题，造成发动机燃烧室的损坏；

3.对于热值在一定范围内波动的气体燃料缺乏适应性，不能保证主燃区当量比保持在0.6-0.8范围内。

技术实现要素：

本发明提供了可应用气体燃料的中心分级燃烧和贫燃预混燃烧的低排放燃烧室，该技术方案能够在保证燃气轮机使用气体燃料燃料时的稳定运行；同时，还可以有效降低燃烧室的排放污染。针对预混燃烧存在回火、自燃的问题提出了增加渐缩隔板来增加混气速度。对于燃料热值的波动，提出了在燃烧室头部增加空气调节装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种使用气体燃料的燃气轮机低排放燃烧室，所述燃烧室头部包括按照同心方式布置的值班级和主燃级，且值班级在中心，主燃级布置在值班级外围，所述值班级包括一级轴向旋流器和值班级燃料喷口，一级轴向旋流器安装于火焰筒头部的中心孔内，火焰筒外机匣安装在火焰筒外部，且火焰筒与火焰筒外机匣同轴设置，火焰筒外壁和火焰筒外机匣内壁之间形成空气通道，所述火焰筒外机匣和一级旋流器中心处安装有高压点火器，火焰筒外机匣头部或火焰筒外机匣靠近一级轴向旋流器处以及一级旋流器尾部均设置有值班级燃料喷口，所述主燃级包括二级径向旋流器、主燃级燃料喷口和隔板，二级径向旋流器安装于火焰筒头部，在二级径向旋流器的头部和中心处分别沿周向均匀设置有主燃级燃料喷口，所述火焰筒头部的主燃级燃料管路贯穿火焰筒外机匣头部，且主燃级燃料管路进口端通过主燃级气体燃料管路与主燃级燃料总管出气端相连，所述火焰筒外机匣头部分别设置有一号值班级燃料管路和二号值班级燃料管路，一号值班级燃料管路通过一号值班级气体燃料管路与一号值班级燃料总管出气端相连，二号值班级燃料管路通过二号值班级气体燃料管路与二号值班级燃料总管出气端相连，所述一号值班级燃料管路、二号值班级燃料管路和主燃级燃料管路通过法兰固定安装在燃烧室头部，所述主燃级燃料总管、二号值班级燃料总管及一号值班级燃料总管进气端均与气源相连，且主燃级燃料总管、一号值班级燃料总管和二号值班级燃料总管均安装于管路支架上，且管路支架安装于压气机壳体上，火焰筒的出气端通过承力机匣与涡轮导向器连接，扩压器一端和压气机壳体连接，另一端固定在火焰筒外机匣出口段，所述火焰筒和涡轮导向器共同组成排气出口，在二级径向旋流器尾部安装隔板，火焰筒内壁安装有位于隔板尾部一端的空气调节装置，在火焰筒尾部分布若干掺混孔。

所述一号值班级燃料喷口和二号值班级燃料喷口内径均为0.1-0.5mm，个数为16-24个。

所述一号值班级燃料喷口轴线与一级轴向旋流器轴线之间的夹角为0-60°。

所述二号值班级燃料喷口的轴线与一级轴向旋流器轴线之间的夹角为0-60°。

所述一号主燃料喷口和二号主燃料喷口内径均为0.1-0.5mm，个数为16-24个。

所述火焰筒的中心线与发动机中心线安装角度为0-30°。

火焰筒主燃区当量比为0.6-0.8的贫油燃烧，它同时兼有贫燃预混和贫燃直接喷射的双重优点，全面降低主燃级的温度，且火焰筒主燃区燃烧温度低于1800k，有效抑制nox尤其是热力型nox的生成。

本发明的有益效果为：

1、本发明装置燃烧室采用燃料中心分级供应方式，气体燃料分成两路进入燃烧室，其中一路气体燃料从中心值班级喷口进入燃烧室，值班级采用扩散+预混燃烧；第二路的气体燃料通过主燃级燃料喷口直接轴向和径向射入主混合区的空腔内，在空腔内燃料与从二级径向旋流器进来的空气均匀掺混；混合均匀的可燃气经隔板流出混合区，由于引入了隔板，使流通面积缩小，一方面避免了因为中心逆压梯度形成的低速区，控制了可燃混合物的旋流强度，混合效果更好，另一方面可预防回火、自然及振荡燃烧，避免发动机燃烧室的损坏，可燃混合气进入火焰筒头部，形成均匀的预混可燃气体混合物在外侧回流区中燃烧，实现气体燃料的稳定燃烧，同时保证了高效率、低污染的特点，值班级在提供稳火源，主燃级实现低污染燃烧，在降低污染排放的同时可确保燃气轮机燃烧室的稳定性。

2、火焰筒主燃区空气可用空气调节装置调节，保证使用不同热值燃料时主燃区当量比保持在0.6-0.8范围内，全面降低主燃级的温度，使火焰筒主燃区燃烧温度控制在1800k以下，有效抑制nox、co尤其是热力型nox的生成。

3、在燃气轮机处于启动等小负荷状态时仅值班级单独工作，在启动以上等大负荷时，值班级和主燃级共同工作，值班级燃料的扩散燃烧对主燃区而言提供了稳定的点火源，既保证了低排放要求，又充分考虑到燃烧稳定性、燃烧效率等，全面满足燃烧室的性能要求。

4、通过采用贫燃预混燃烧技术来实现气体燃料燃烧室的低排放，以控制燃烧室内燃烧区的当量比和混合均匀度的方式来达到降低污染物排放的目的。采用中心分级燃烧方案，气体燃料通过值班级喷嘴进入燃烧室，采用扩散燃烧保证整个燃烧室的燃烧稳定性，确保主燃级在宽的当量比范围内燃烧完全，而通过主燃级的燃料喷口进入主燃区的气体燃料，在主燃区与空气掺混，给燃烧室提供均匀可燃混气，从而控制整个燃烧区的当量比和均匀性，实现燃烧室的低排放。

5、所述一号值班级燃料喷口和二号值班级燃料喷口内径均为0.1-0.5mm，个数为16-24个；所述一号主燃料喷口和二号主燃料喷口内径均为0.1-0.5mm，个数为16-24个；燃料与空气在进口处的射流相对速度越大，也就是初始速度场不均匀程度越高，动量交换越强，对混合过程越有利。在流量不变的条件下改变喷嘴直径，即可实现初始射流相对速度的变化。选择0.1-0.5mm的孔径范围可以保证燃料的射流速度足够大能充分与来流空气预混，高于此范围会导致燃料射流深度不够，燃料与空气的预混均匀性较差导致燃烧效率降低，低于此范围导致燃料喷射到火焰筒壁面上，燃料与空气预混均匀性较差，导致主燃区当量比不佳，污染物排放增加且可燃混合物容易在壁面处燃烧损坏火焰筒；增加喷嘴数目能够提高预混段的混合能力，主要是喷嘴数目增加后，喷嘴到所处截面上任意点的距离都缩短了，燃料扩散能够在更短的预混段长度内完成。但是喷嘴数目的增加，也会对浓度场的结构产生影响。单喷嘴时表现出来的混合效率在喷嘴数目增多后线性程度变差，所以喷嘴数目不能太多。6-24个喷口可以保证燃料的射流速度足够，同时利用旋流流动和强湍流效应促进燃料的对流扩散，消除局部低速涡流结构，优化预混通道内空气流动，保持均匀流动，与燃料供给量相匹配，并避免低速区域发生回火、低于此范围，燃料分布不均匀，无法充分利用空气可能出现局部空气过量或者局部燃料浓度过高现象，超过此范围，无法保证燃料的射流深度，导致预混效率大幅度下降。

6、所述一号值班级燃料喷口轴线与一级轴向旋流器轴线之间的夹角为0-60°；所述二号值班级燃料喷口的轴线与一级轴向旋流器轴线之间的夹角为0-60°。单纯的空气旋流并不会改变这个预混段的混合能力，旋流对混合效率的影响，主要是通过改变轴向平均速度和燃料与空气的湍流度来实现的。所以燃料射流方向与空气旋流方向存在一个角度变化对预混效果的影响规律。0-60°能够优化空气均匀流动以及减小燃料喷管下游局部涡流，空气与燃料有足够的旋流强度，燃料浓度分布均匀保证了充分燃烧，当量比为所希望得到的范围之内；低于此范围，一方面扩大了喷管下游的低速涡流区，直接削弱了气流对燃料的扩散作用；另一方面，使来自相邻两个喷口的燃料流更加聚集，使局部浓度更高同样会降低燃料预混均匀性；超过此范围，燃料的射流速度并未受到空气的旋流影响此外，较高的燃料射流动量将会影响燃料喷管附近的局部流动，改变涡流结构以及空气流量，从而影响燃料的浓度分布，导致预混均匀性较差燃料无法充分燃烧。

7、所述火焰筒的中心线与发动机中心线安装角度为0-30°，在此范围内安装，火焰筒安装便利，易于维修保养，且火焰筒的排气段能充分利用扩压器扩压效果；低于范围，燃气轮机整体布局不合理，火焰筒尾气需经过过大转折排出；高于此范围，尾气容易冲击排气段与扩压器结构，可能造成危险。

附图说明

图1是本发明实施例1燃气轮机低排放燃烧室的燃气轮机示意图；

图2是本发明实施例1燃气轮机低排放燃烧室示意图；

图3是本发明实施例1燃气轮机低排放燃烧室a处放大示意图；

图4是本发明实施例1燃气轮机低排放燃烧室b处放大示意图；

图5是本发明实施例2燃气轮机低排放燃烧室示意图；

图6是本发明实施例2燃气轮机低排放燃烧室c处放大示意图；

1、压气机壳体，2、一号值班级燃料喷口，3、二号值班级燃料喷口，4、一号主燃级燃料喷口，5、二号主燃级燃料喷口，6、一级轴向旋流器，7、高压点火器，8、隔板，9、掺混孔，10、排气出口，11、承力机匣，12、火焰筒，13、二级径向旋流器，14、火焰筒外机匣，15、法兰，16、一号值班级气体燃料管路，17、主燃级气体燃料管路，18、主燃级燃料总管，19、一号值班级燃料总管，20、管路支架，21、二号值班级燃料总管，22、二号值班级气体燃料管路，23、空气调节装置，24、一号值班级燃料槽，25、二号值班级燃料槽，26、主燃级燃料槽，27-扩压器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

如图1-图4所示，一种使用气体燃料的燃气轮机低排放燃烧室，所述燃烧室头部包括按照同心方式布置的值班级和主燃级，且值班级在中心，主燃级布置在值班级外围，通过调节值班级、主燃级的燃料分配和不同喷嘴之间的协调配合来实现使用气体燃料时的燃烧稳定性和低排放，所述值班级包括一级轴向旋流器6和值班级燃料喷口，一级轴向旋流器6安装于火焰筒12的头部的中心孔内，火焰筒外机匣14安装在火焰筒12外部，且火焰筒12与火焰筒外机匣14同轴设置，火焰筒外机匣14上分别设置有一号值班级燃料槽24和二号值班级燃料槽25，火焰筒12外壁和火焰筒外机匣14内壁之间形成空气通道，所述火焰筒外机匣14和一级轴向旋流器6的中心处安装有高压点火器7，所述值班级燃料喷口有两个，分别是一号值班级燃料喷口2和二号值班级燃料喷口3，二号值班级燃料喷口3在火焰筒外机匣14头部沿周向均匀设置，所述二号值班级燃料喷口3的轴线与一级轴向旋流器6轴线平行，在安装于火焰筒12头部的一级轴向旋流器6内环上沿周向均匀设置有一号值班级燃料喷口2，所述主燃级包括二级径向旋流器13、主燃级燃料喷口和隔板8，二级径向旋流器13安装于火焰筒12头部，且两者之间形成的空间为主燃级燃料槽26，所述主燃级燃料喷口有两个，分别为一号主燃级燃料喷口4和二号主燃级燃料喷口5，二级径向旋流器13的头部和中心处分别沿周向均匀设置有一号主燃级燃料喷口4和二号主燃级燃料喷口5，一号主燃级燃料喷口4射流方向与来流空气同向，二号主燃级燃料喷口5射流方向与来流空气方向垂直，所述火焰筒12头部的主燃级燃料管路贯穿火焰筒外机匣14头部，且主燃级燃料管路进口端与主燃级气体燃料管路17出气端相连，主燃级气体燃料管路17进气端与主燃级燃料总管18出气端相连，所述火焰筒外机匣14头部分别设置有一号值班级燃料管路和二号值班级燃料管路，一号值班级燃料管路与一号值班级气体燃料管路16出气端相连，一号值班级气体燃料管路16进气端与一号值班级燃料总管19出气端相连，二号值班级燃料管路与二号值班级气体燃料管路22出气端相连，二号值班级气体燃料管路22进气端与二号值班级燃料总管21出气端相连，所述一号值班级燃料管路、二号值班级燃料管路和主燃级燃料管路通过安装于燃气轮机外壳上的法兰15固定安装在燃烧室头部，所述主燃级燃料总管18、二号值班级燃料总管21及一号值班级燃料总管19进气端均与气源相连，且主燃级燃料总管18、一号值班级燃料总管19和二号值班级燃料总管21均安装于管路支架20上，且管路支架20安装于压气机壳体1上，火焰筒12的出气端通过承力机匣11与涡轮导向器连接，扩压器27一端和压气机壳体1连接，另一端固定在火焰筒外机匣14出口段，所述火焰筒12和涡轮导向器共同组成排气出口10，在二级径向旋流器13尾部安装隔板8，可燃混合气经过隔板8增速后保证不会回火，火焰筒12内壁安装有位于隔板8尾部一端的空气调节装置23，可用于调节火焰筒12主燃区空气流量，以改变火焰筒12主燃区当量比，在火焰筒12尾部分布若干掺混孔9，所述火焰筒12的中心线与发动机中心线安装角度为0°。

所述一号值班级燃料喷口2和二号值班级燃料喷口3内径均为0.1-0.5mm，个数为16-24个。

所述一号主燃料喷口4和二号主燃料喷口5内径均为0.1-0.5mm，个数为16-24个。所述火焰筒12主燃区当量比为0.6-0.8的贫油燃烧，它同时兼有贫燃预混和贫燃直接喷射的双重优点，全面降低主燃级的温度，且火焰筒12主燃区燃烧温度低于1800k，有效抑制nox尤其是热力型nox的生成。

本发明的工作原理为：

采用中心分级燃烧方式，从气源出口流出的气体燃料分别进入主燃级燃料总管18、一号值班级燃料总管19和二号值班级燃料总管21，主燃级燃料总管18内的气体经过主燃级气体燃料管路17和主燃级燃料管路进入主燃级，进入主燃级的气体通过一号主燃级燃料喷口4和二号主燃级燃料喷口5直接轴向和径向射入主混合区的空腔内，在主混合区内燃料和从二级径向旋流器13进来的空气均匀掺混后经过隔板8增速，可提高可燃混合气体速度，保证不发生回火，确保了安全性，可燃混合气体进入火焰筒12头部，均匀的预混可燃气体在燃烧室中燃烧，形成贫预混的主燃区，实现燃烧室的低排放；一号值班级燃料总管19内的气体燃料经过一号值班级气体燃料管路16和一号值班级燃料管路进入值班级，同时二号值班级燃料总管21内的气体燃料经过二号值班级气体燃料管路22和二号值班级燃料管路也进入值班级，进入值班级的气体燃料通过一号值班级燃料喷口2和二号值班级燃料喷口3进入燃烧室，在燃烧室内进行扩散+预混燃烧，通过采用扩散燃烧与预混燃烧的有效组合确保宽的当量比范围内具有较高的燃烧稳定性；值班级和主燃级在燃烧区内形成两个同轴的环形旋转射流，值班级和主燃级的燃料分别在位于值班燃烧区和外部的预混燃烧区内完成，值班燃烧区的功用是改善起动和低功率工况下点火、起动、提高燃烧稳定性；预混燃烧区的功用是形成均匀分布的预混混合气，实现低排放燃烧；火焰筒12内的空气分四股进入燃烧室，第一股为冷却燃烧室头部和火焰筒12所需的空气，第二股空气流经一级轴向旋流器6和二级径向旋流器13进入火焰筒12的燃烧区,第三股空气由位于火焰筒12头部的空气调节装置23进入燃烧室的主燃区，用于在使用不同热值气体燃料时满足燃烧区的当量比处于低排放范围，第四股空气由位于火焰筒12尾部的掺混孔9进入燃烧室，使燃烧室出口温度满足涡轮入口要求，气体燃料在燃烧室火焰筒12内经过充分燃烧，在火焰筒12尾部与经掺混孔9进入的空气掺混降温后最终进入涡轮做功。

实施例2

如图5和图6所示，所述火焰筒外机匣14位于高压点火器7外环部分且靠近一级轴向旋流器6一端沿周向均匀设置有二号值班级燃料喷口3，且二号值班级燃料喷口3轴线与一级轴向旋流器6轴向夹角为60°。其他结构及连接方式与实施例1相同。

实施例3

所述火焰筒12的中心线与发动机中心线安装角度为30°。其他结构及连接方式与实施例1或实施例2相同。