一种基于火焰筒凹腔结构的轴向分级燃烧室的制作方法

本发明属于燃气轮机技术领域，尤其涉及一种基于火焰筒凹腔结构的轴向分级燃烧室。

背景技术：

燃气轮机是目前应用最为广泛的旋转机械之一，应用领域涉及电力、石化、舰船等各领域，涉及军用和民用，更高性能、更稳定、更宽运行范围、更低污染物的燃气轮机燃烧室是研发人员一直在追求的目标。目前，分级燃烧技术是燃气轮机设计人员研究和应用最多的燃烧技术，包括径向分级，轴向分级以及与凹腔驻涡相结合的分级燃烧技术。

现有的燃气轮机的燃烧器采用凹腔结构代替值班燃烧器，稳定主燃烧火焰，可以认为是一种燃烧室头部的轴向分级燃烧。该专利主要是对值班燃烧器的替代，稳定主燃烧火焰，由于值班燃烧器的空气和燃料量较小，并不能实现不同负荷范围内的分级燃烧。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种基于火焰筒凹腔结构的轴向分级燃烧室，旨在解决现有燃气机轮燃烧器不能实现不同负荷范围内的分级燃烧的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种基于火焰筒凹腔结构的轴向分级燃烧室，包括燃烧室机匣，所述基于火焰筒凹腔结构的轴向分级燃烧室还包括火焰筒、主预混旋流器、值班旋流器和辅助进料件，主预混燃烧器和值班燃烧器位于燃烧室头部，主预混旋流器外吼道壳体和主预混旋流器内吼道壳体及主预混旋流器组成主预混通道，主预混旋流器外吼道壳体与火焰筒相连接，值班旋流器位于主预混旋流器内吼道壳体中心位置，辅助进料件固定在火焰筒的外壁上，用于混合空气和辅助燃料并将混合后的气体喷射至火焰筒内。

优选的，所述辅助进料件为第一火焰筒凹腔结构，第一火焰筒凹腔结构包括环形的凹腔结构壳体，凹腔结构壳体中部设置有环形的混合腔，混合腔与火焰筒内腔连通，凹腔结构壳体靠近燃烧室机匣的一侧开有多个与混合腔连通的凹腔空气导流斜槽，凹腔结构壳体位于混合腔的两侧分别设置有凹腔结构左侧燃料腔和凹腔结构右侧燃料腔，凹腔结构左侧燃料腔和凹腔结构右侧燃料腔分别通过凹腔结构左侧燃料射流孔和凹腔结构右侧燃料射流孔与混合腔连通，凹腔结构左侧燃料腔和凹腔结构右侧燃料腔上分别设置有凹腔结构左侧燃料控制阀和凹腔结构右侧燃料控制阀。

优选的，所述辅助进料件为分段式火焰筒凹腔结构，分段式火焰筒凹腔结构包括分段式凹腔结构壳体，分段式凹腔结构壳体沿火焰筒外径均布设置有多组，且分布间隔小于10°，分段式凹腔结构壳体中部设置有环形的混合腔，混合腔与火焰筒内腔连通，分段式凹腔结构壳体靠近燃烧室机匣的一侧开有多个与混合腔连通的凹腔空气导流斜槽，分段式凹腔结构壳体位于混合腔的两侧分别设置有凹腔结构左侧燃料腔和凹腔结构右侧燃料腔，凹腔结构左侧燃料腔之间和凹腔结构右侧燃料腔之间均通过管道连通，凹腔结构左侧燃料腔和凹腔结构右侧燃料腔分别通过凹腔结构左侧燃料射流孔和凹腔结构右侧燃料射流孔与混合腔连通，凹腔结构左侧燃料腔和凹腔结构右侧燃料腔上分别设置有凹腔结构左侧燃料控制阀和凹腔结构右侧燃料控制阀。

优选的，所述混合腔靠近火焰筒的一侧宽度逐渐减小。

优选的，所述辅助进料件为第二火焰筒凹腔结构，第二火焰筒凹腔结构包括环形的凹腔结构壳体，凹腔结构壳体中部设置有环形的混合腔，混合腔与火焰筒内腔连通，凹腔结构壳体靠近燃烧室机匣的一侧开有多个与混合腔连通的凹腔空气导流斜槽，凹腔结构壳体位于混合腔的两侧分别设置有凹腔结构左侧燃料腔和凹腔结构右侧燃料腔，凹腔结构左侧燃料腔和凹腔结构右侧燃料腔分别通过凹腔结构左侧燃料射流孔和凹腔结构右侧燃料射流孔与混合腔连通，凹腔结构左侧燃料腔和凹腔结构右侧燃料腔上分别设置有凹腔结构左侧燃料控制阀和凹腔结构右侧燃料控制阀，混合腔由燃烧室机匣一侧向火焰筒一侧的宽度不变，混合腔与火焰筒连接处设置有凹腔结构出口火焰筒收缩段。

优选的，所述主预混旋流器外吼道壳体和主预混旋流器内吼道壳体端部翘起，端部与主预混旋流器外吼道壳体和主预混旋流器内吼道壳体的轴线夹角在15°至20°之间。

优选的，所述凹腔结构左侧燃料射流孔和凹腔结构右侧燃料射流孔的数量均不小于36个。

本发明实施例提供的一种基于火焰筒凹腔结构的轴向分级燃烧室，结构简单，设计合理，主要有益效果有以下几点：

(1)通过设计的辅助进料件能够实现在低负荷时旁通部分空气，降低主燃烧区域空燃比，稳定燃烧；

(2)在高负荷时，将燃料从主燃烧区域后部投入火焰筒，使得主燃烧区域当量比恒定，降低nox排放。

(3)凹腔结构靠近火焰筒一侧设置有收缩结构，空气与燃料进入辅助进料件后混合充分，喷入火焰筒内形成均匀燃烧区域，防止回火。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于火焰筒凹腔结构的轴向分级燃烧室的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种第一火焰筒凹腔结构的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种设有第一火焰筒凹腔结构的火焰筒的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种第一火焰筒凹腔结构的剖视图；

图5为本发明实施例提供的另一种第一火焰筒凹腔结构的火焰筒的剖视图；

图6为本发明实施例提供的另一种第一火焰筒凹腔结构的剖视图；

图7为本发明实施例提供的一种设有第二火焰筒凹腔结构的火焰筒的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种第二火焰筒凹腔结构的结构示意图。

附图中：1、燃烧室机匣；2、第一火焰筒凹腔结构；3、火焰筒；4、主预混旋流器；5、燃烧室端盖法兰；6、值班燃烧器；7、值班旋流器；8、主预混旋流器外吼道壳体；9、主预混旋流器内吼道壳体；10、凹腔结构壳体；11、凹腔结构收缩段；12、凹腔结构左侧燃料控制阀；13、凹腔结构右侧燃料控制阀；14、凹腔结构右侧燃料腔；15、凹腔结构左侧燃料射流孔；16、凹腔结构右侧燃料射流孔；17、凹腔结构左侧燃料腔；18、凹腔空气导流斜槽；19、分段式火焰筒凹腔结构；20、第二火焰筒凹腔结构；21、凹腔结构出口火焰筒收缩段；100、燃烧室入口空气；101、主预混空气；102、值班旋流器入口空气；103、主预混旋流器燃料；104、值班燃烧器扩散燃料；105、值班燃烧器部分预混燃料；106、凹腔结构入口空气；107、凹腔结构左侧燃料；108、凹腔结构右侧燃料；109、凹腔结构出口预混气体；22、值班火焰；23、预混火焰；24、二次燃烧区域。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种基于火焰筒凹腔结构的轴向分级燃烧室的结构示意图，包括燃烧室机匣1，所述基于火焰筒凹腔结构的轴向分级燃烧室还包括火焰筒3、主预混旋流器4、值班旋流器7和辅助进料件，主预混燃烧器4和值班燃烧器7位于燃烧室头部，主预混旋流器外吼道壳体8和主预混旋流器内吼道壳体9及主预混旋流器4组成主预混通道，主预混旋流器外吼道壳体8与火焰筒3相连接，值班旋流器7位于主预混旋流器内吼道壳体9中心位置，辅助进料件固定在火焰筒3的外壁上，用于混合空气和辅助燃料并将混合后的气体喷射至火焰筒3内。

在本发明实施例中，燃烧室机匣1端部设置有燃烧室端盖法兰5，值班燃烧器6固定在燃烧室端盖法兰5芯部，火焰筒3设置在燃烧室机匣1内，且靠近值班燃烧器6的一端设置有主预混旋流器外吼道壳体8和主预混旋流器内吼道壳体9，火焰筒3远离燃烧室机匣1的一端设置有收缩段，主预混旋流器内吼道壳体9固定在主预混旋流器外吼道壳体8内，值班燃烧器6远离燃烧室端盖法兰5的一端伸入主预混旋流器内吼道壳体9芯部，辅助进料件固定在火焰筒3内的收缩段的外壁上，值班旋流器7设置在主预混旋流器内吼道壳体9内径与值班燃烧器6外径之间。在使用时，从压气机来流的燃烧室入口空气100经过燃烧室机匣1和火焰筒3之间的环腔通道及火焰筒3上的辅助进料件，部分空气从辅助进料件分流，剩余空气流向燃烧室头部。燃烧室头部空气分为两股：主预混空气101通过主预混旋流器4沿预混通道进入火焰筒3；值班旋流器入口空气102通过值班旋流器7进入火焰筒3。值班旋流器入口空气102与值班燃烧器部分预混燃料105部分混合进入值班燃烧器6端部的锥罩，与值班燃烧器扩散燃料104混合燃烧，形成值班火焰22。主预混空气101与主预混旋流器4喷入的主预混旋流器燃料混合进入火焰筒3，形成预混火焰23。值班火焰22和预混火焰23燃烧后的高温烟气在火焰筒3内流动，在火焰筒3后部与辅助进料件内空气/燃料混合气体碰撞掺混燃烧形成二次燃烧区域24。

如图1、2、3和4所示，作为本发明的一种优选实施例，所述辅助进料件为第一火焰筒凹腔结构2，第一火焰筒凹腔结构2包括环形的凹腔结构壳体10，凹腔结构壳体10中部设置有环形的混合腔，混合腔与火焰筒3内腔连通，凹腔结构壳体10靠近燃烧室机匣1的一侧开有多个与混合腔连通的凹腔空气导流斜槽18，凹腔结构壳体10位于混合腔的两侧分别设置有凹腔结构左侧燃料腔17和凹腔结构右侧燃料腔14，凹腔结构左侧燃料腔17和凹腔结构右侧燃料腔14分别通过凹腔结构左侧燃料射流孔15和凹腔结构右侧燃料射流孔16与混合腔连通，凹腔结构左侧燃料腔17和凹腔结构右侧燃料腔14上分别设置有凹腔结构左侧燃料控制阀12和凹腔结构右侧燃料控制阀13。

在本发明实施例中，凹腔结构壳体10为环状，并固定在火焰筒3的外径上；凹腔空气导流斜槽18开孔总面积约为混合腔与火焰筒3连接处出口的1.2～1.6倍。使用时，燃料通过凹腔结构左侧燃料射流孔15和凹腔结构右侧燃料射流孔16进入混合腔内，空气通过凹腔空气导流斜槽18进入混合腔内，燃料与空气在混合腔内混合均匀后喷入火焰筒3内，在火焰筒3后部形成二次燃烧区域24。

如图1、5和6所示，作为本发明的一种优选实施例，所述辅助进料件为分段式火焰筒凹腔结构19，分段式火焰筒凹腔结构19包括分段式凹腔结构壳体，分段式凹腔结构壳体沿火焰筒3外径均布设置有多组，且分布间隔小于10°，分段式凹腔结构壳体中部设置有环形的混合腔，混合腔与火焰筒3内腔连通，分段式凹腔结构壳体靠近燃烧室机匣1的一侧开有多个与混合腔连通的凹腔空气导流斜槽18，分段式凹腔结构壳体位于混合腔的两侧分别设置有凹腔结构左侧燃料腔17和凹腔结构右侧燃料腔14，凹腔结构左侧燃料腔17之间和凹腔结构右侧燃料腔14之间均通过管道连通，凹腔结构左侧燃料腔17和凹腔结构右侧燃料腔14分别通过凹腔结构左侧燃料射流孔15和凹腔结构右侧燃料射流孔16与混合腔连通，凹腔结构左侧燃料腔17和凹腔结构右侧燃料腔14上分别设置有凹腔结构左侧燃料控制阀12和凹腔结构右侧燃料控制阀13。

在本发明实施例中，分段式凹腔结构壳体沿火焰筒3外径均布设置有2～8组，由于主预混旋流器4使火焰筒内气流旋转，因此分段式凹腔结构壳体之间具有一定间隔也不会造成燃烧室出口温度分布不均匀。

如图1、5和6所示，作为本发明的一种优选实施例，所述混合腔靠近火焰筒3的一侧宽度逐渐减小。

在本发明实施例中，由于混合腔的出口逐步减小，空气与燃料混合后的气体通过混合腔后，喷射速度将增大，从而避免了火焰回到混合腔内。

如图7和8所示，作为本发明的一种优选实施例，所述辅助进料件为第二火焰筒凹腔结构20，第二火焰筒凹腔结构20包括环形的凹腔结构壳体10，凹腔结构壳体10中部设置有环形的混合腔，混合腔与火焰筒3内腔连通，凹腔结构壳体10靠近燃烧室机匣1的一侧开有多个与混合腔连通的凹腔空气导流斜槽18，凹腔结构壳体10位于混合腔的两侧分别设置有凹腔结构左侧燃料腔17和凹腔结构右侧燃料腔14，凹腔结构左侧燃料腔17和凹腔结构右侧燃料腔14分别通过凹腔结构左侧燃料射流孔15和凹腔结构右侧燃料射流孔16与混合腔连通，凹腔结构左侧燃料腔17和凹腔结构右侧燃料腔14上分别设置有凹腔结构左侧燃料控制阀12和凹腔结构右侧燃料控制阀13，混合腔由燃烧室机匣1一侧向火焰筒3一侧的宽度不变，混合腔与火焰筒3连接处设置有凹腔结构出口火焰筒收缩段21。

在本发明实施例中，凹腔结构出口火焰筒收缩段21为板状结构，用于减少混合腔与火焰筒3之间的连通面积，从而防止火焰回到混合腔内。

如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，所述主预混旋流器外吼道壳体8和主预混旋流器内吼道壳体9端部翘起，端部与主预混旋流器外吼道壳体8和主预混旋流器内吼道壳体9的轴线夹角在15°至20°之间。

如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，所述凹腔结构左侧燃料射流孔15和凹腔结构右侧燃料射流孔16的数量均不小于36个。

在本发明实施例中，凹腔结构左侧燃料射流孔15和凹腔结构右侧燃料射流孔16均设置有多个，从而能够将燃料分为多股喷出，保证了燃料喷出的雾化程度，使得燃料喷出后可以快速与空气混合均匀，以利于后期的燃烧。

本发明在使用时，凹腔空气导流斜槽18进入的凹腔结构入口空气106约占总空气流量的20～25％。60％的空气流量从燃烧室头部主预混燃烧器和值班燃烧器6进入火焰筒3。燃气轮机在启动工况燃烧室点火时，只有值班燃烧器扩散燃料104喷入，整个燃烧室为扩散燃烧。随着燃气轮机转速增加，扩散燃料不断增加，直到燃气轮机达到满转速。

当燃气轮机进入升负荷阶段，保持值班燃烧器扩散燃料104不变，增加值班燃烧器部分预混燃料105，推动燃气轮机负荷上升，直到燃气轮机达到约20％负荷。此时，将值班燃烧器扩散燃料104切换为主预混旋流器燃料103，值班燃烧器扩散燃料104维持约1.0％的总燃料量。此时，主预混旋流器燃料103形成的预混火焰23在值班燃烧器扩散燃料104和值班燃烧器部分预混燃料105形成的值班火焰22稳定作用下稳定燃烧，燃烧室进入预混燃烧模式，污染物排放较低。继续增加主预混旋流器燃料103，推动燃气轮机负荷上升至约60％负荷。在此过程中，辅助进料件内没有燃料喷入，凹腔结构可以旁通燃烧室总空气流量约20％～25％，降低主燃烧区域空气/燃料比值，维持主燃烧区域火焰稳定。

燃气轮机达到60％负荷之后，如果再增加主预混旋流器燃料103，会造成主燃烧区域火焰平均燃烧温度超过1800k，导致nox排放增加。燃气轮机60％负荷之后，维持主预混空气/燃料比值不变，多余的燃料通过凹腔结构左侧燃料射流孔15、凹腔结构右侧燃料射流孔16喷入辅助进料件内。凹腔结构入口空气与凹腔结构左侧燃料107、凹腔结构右侧燃料108在辅助进料件内充分混合形成凹腔结构出口预混气体109进入火焰筒3。由于空气与燃料在辅助进料件内充分混合，进入火焰筒3之后与主燃烧区域燃烧之后的高温烟气掺混，在火焰筒3后部形成均匀的二次燃烧区域24。二次燃烧区域24内预混气体与高温烟气形成均相反应，没有火焰锋面，不会产生nox排放。燃气轮机在60％负荷至满负荷仍能保持低污染物排放。

辅助进料件在燃气轮机高负荷工况时喷入燃料，辅助进料件内空气燃料当量比范围在0～0.45之间。辅助进料件在预混火焰23之后，凹腔结构出口预混气体109进入火焰筒3之后与主燃烧区域燃烧完成的高温烟气混合反应，辅助进料件内燃料多少并不会对主燃烧区域产生影响。在燃气轮机高负荷工况，燃烧室出现燃烧不稳定，可以通过调节辅助进料件燃料量来稳定主预混火焰。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。