一种燃气轮机低污染燃烧室双旋流头部结构的制作方法

本发明属于气体燃料地面燃气轮机低污染燃烧室领域，涉及一种燃气轮机低污染燃烧室双旋流头部结构，具体是一种双旋流贫燃预混的低污染燃烧室头部方案。

背景技术：

随着人们环保意识的加强，世界各国都相应地制定了环境保护条例，对各种燃烧设备和动力装置的污染物排放量进行严格的限量规定。燃料在燃烧过程中产生的污染物包括nox、co、uhc未燃碳氢化合物等，通常人们特别关注nox的污染排放问题。1979年，美国法定要求燃气轮机的nox排放量不能超过75ppm体积分数，干态，近年来则把nox排放量降低到25ppm体积分数，干态。2011年我国实施的火电厂大气污染物排放标准要求工业燃气轮机的nox排放量低于25ppm体积分数，干态。

污染物的排放与燃烧室的设计、所使用的燃料种类以及运行工况参数密切相关。为了达到日益严格的环保要求，世界各燃气轮机制造商都发展了各自的控制污染物排放的技术，并不断地持续改进。nox的污染排放水平已成为燃气轮机市场激烈竞争的焦点和燃机市场的准入门槛。目前世界上有几项重点研究的低污染燃烧室方案，如贫油预混燃烧室、富油急冷贫油燃烧室等。美国ge公司采用lppleanpremixedprevaporised技术研制了taps系列低污染燃烧室，其燃烧组织方式是预燃级采用扩散燃烧、主燃级采用预混燃烧，能有效降低大工况下的nox排放，tapsⅱ低污染燃烧室的nox排放比caep6的规定降低60％。美国pw公司采用rqlrichburn-quench-leanburn低污染燃烧技术设计了talonⅱ系列燃烧室，采用的头部结构是pw公司发展的空气雾化喷嘴，燃烧室为单环腔，其nox排放水平刚能满足caep6的要求。

国内对燃气轮机低污染燃烧室的研发设计进行得也是如火如荼，近年来有许多关于低污染燃烧室的专利。专利201510673156.0公开了一种低污染燃烧室设计方案，预燃级采用扩散燃烧和预混燃烧相结合的方式，主燃级采用预混预蒸发燃烧方式，有利于均匀燃烧并降低污染物排放；专利201410643105.9公开了一种主燃级贫预混的分层部分预混低污染燃烧室，值班级采用扩散燃烧，主燃级采用贫油预混燃烧，在大工况时，值班级和主燃级同时工作，主燃区处于贫油状态，能够显著降低nox的排放。

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，本发明提出一种燃气轮机低污染燃烧室双旋流头部结构，运用贫燃预混低污染燃烧技术，提供了一种适用于气体燃料地面燃机低污染燃烧室的双旋流头部方案，主燃级和预燃级均采用旋流空气和非旋流空气相结合的进气方式，既能提高燃料-空气的混合均匀度来保证污染物生成量符合排放要求，同时又能减小头部出口混合气流的旋流强度以降低贫燃预混燃烧室发生振荡燃烧的风险。

技术方案

一种燃气轮机低污染燃烧室双旋流头部结构，其特征在于：采用双旋流中心分级方案，包括预燃级1和主燃级19；所述主燃级19包括主燃级旋流器25、集气环21和主燃级预混腔28；主燃级旋流器25的叶片构成主燃级旋流空气进口24；中空的集气环21置于主燃级旋流器25的主燃级外壁31，主燃级内壁23、主燃级外壁31的平直段以及主燃级收敛段29构成主燃级预混腔28；集气环21上设有主燃级气体燃料进口20，与主燃级外壁31与主燃级预混腔28之间的主燃级气体燃料喷孔22连通，构成主燃级气体燃料通道；设在主燃级内壁23与主燃级预混腔28连通的主燃级非旋空气进口26构成主燃级非旋空气通道；主燃级外壁31上设有沿周均布的主燃级切向进气孔27；

所述预燃级1包括预燃级旋流器6、预燃级气体燃料进口2、预燃级气体燃料喷孔9、预燃级非旋空气进口15和预燃级预混腔13；预燃级旋流器6置于预燃级外壁14之内，其叶片构成预燃级旋流空气进口5；预燃级气体燃料管3置于旋流器的预燃级旋流器轴心内壁4构成预燃级气体燃料进口2；预燃级气体燃料管3的燃料出口端面为带斜面的预燃级中心凸台10，斜面上沿周向均匀分布设有预燃级气体燃料喷孔9；凸台与叶片之间设有预燃级旋流器出口挡板8，与预燃级旋流空气进口5形成旋流空气通道；预燃级预混腔13由预燃级壁14的平直段和延伸的预燃级收敛段16构成，预燃级切向进气孔12沿周向均布预燃级壁14的平直段；预燃级壁14的收敛段连接预燃级出口扩张段18，头部冷却孔17设在扩张段上；

预燃级1嵌入主燃级旋流器25的主燃级内壁23，预燃级气体燃料管3与集气环平齐，预燃级出口扩张段18与主燃级外壁31端面相平齐。

工作时：预燃级气体燃料喷孔9喷出的气体燃料先与预燃级旋流空气进口2流入的旋流空气在预燃级预混腔13发生初始混合，再与预燃级非旋空气进口15流入的非旋空气进行二次混合，形成均匀的燃料-空气混合物，随后再由预燃级收敛段16加速流出；主燃级的集气环21中的气体燃料从主燃级气体燃料喷孔22喷入主燃级预混腔28中，先与主燃级旋流空气进口24流入的旋流空气进行初步混合，随后与主燃级非旋空气进口26流入的非旋空气进行二次混合，形成均匀的燃料-空气混合物，然后经主燃级收敛段29加速流出；主燃级19和预燃级1在其各自的预混腔内均二次混合，能提高燃料-空气的混合均匀度，实现燃烧室的低污染排放。

在预燃级旋流器6与主燃级内壁23沿周向设有多个支撑肋7。

所述预燃级旋流器6叶片数为6-16，旋流角为30°-50°。

所述预燃级气体燃料喷孔9的喷射方向与预燃级旋流器出口挡板8平行，与轴线夹角α取40°-50°。

所述预燃级气体燃料喷孔9与预燃级旋流器6叶片数相等或为预燃级旋流器6叶片数的半数。

所述预燃级非旋空气进口15数目为6-12。

所述主燃级旋流器25叶片数为8-16个，角度为40°-60°。

所述主燃级气体燃料喷孔22与主燃级旋流器25叶片数相等。

所述主燃级非旋空气进口26数目为8-16。

所述主燃级19的主燃级收敛29与预燃级1的预燃级收敛段16的收敛角β相等，为40°-50°。

当预燃级1的空气包括预燃级旋流空气进口2流入的旋流空气和预燃级非旋空气进口15流入的非旋空气，通过控制预燃级旋流空气进口2面积以及预燃级非旋空气进口15直径面积和个数，使得非旋空气量与旋流空气量的比例为1/4-1/2。

当主燃级空气量包括主燃级旋流空气进口24流入的旋流空气和主燃级非旋空气进口26流入的非旋空气，通过控制主燃级旋流空气进口24面积以及主燃级非旋空气进口26的直径面积和个数，使得非旋空气量与旋流空气量的比例为1/4-1/2。

通过控制预燃级旋流空气进口2面积、预燃级非旋空气进口15的直径面积和个数以及主燃级旋流空气进口24面积、主燃级非旋空气进口26的直径面积和个数，使得预燃级空气量与主燃级空气量之比取值范围为1/3-1/2。

有益效果

本发明提出的一种燃气轮机低污染燃烧室双旋流头部结构，由位于中心的预燃级和外围的主燃级构成；其中预燃级包括预燃级旋流器、预燃级气体燃料喷孔、预燃级非旋空气进口和预燃级预混腔，主燃级包括主燃级旋流器、主燃级气体燃料喷孔、主燃级非旋空气进口和主燃级预混腔；主燃级和预燃级均是气体燃料与旋流空气、非旋空气先在预混腔内形成均匀的可燃气，然后再流向头部下游；主燃级和预燃级均采用预混燃烧，能保证燃烧室污染物排放大大降低；另外主燃级和预燃级均采用旋流空气和非旋空气相结合的进气方式，能减小头部出口气流的旋流强度，降低发生振荡燃烧的的风险。

本发明与现有技术相比所具有的优点如下：

头部结构采用双旋流，分为预燃级和主燃级，且均为贫燃预混燃烧。预燃级和主燃级是旋流空气先和气体燃料进行初步混合，随后再喷入非旋空气进行二次混合，能进一步提高燃料-空气的混合均匀度，避免燃烧区热点的出现，降低污染物生成量。预燃级和主燃级均采用旋流空气和非旋空气相结合的供气方式，能减小头部出口气流的旋流强度，降低贫燃预混燃烧发生振荡燃烧的风险；预燃级和主燃级外壁上均开有切向进气孔，能防止发生自燃；头部收敛段能使出口气流加速以避免发生回火。因此，本发明在满足低污染排放要求的条件下，降低了贫燃预混发生回火、自燃以及振荡燃烧的风险。

附图说明

图1本发明实施例头部方案剖视图

图2本发明实施例预燃级结构示意图

图3本发明实施例预燃级剖视图

图4本发明实施例主燃级结构示意图

图5本发明实施例主燃级剖视图

图中：1-预燃级，2-预燃级气体燃料进口，3-预燃级气体燃料管，4-预燃级旋流器轴心内壁，5-预燃级旋流空气进口，6-预燃级旋流器，7-支撑肋，8-预燃级旋流器出口挡板，9-预燃级气体燃料喷孔，10-预燃级中心凸台，11-预燃级出口收敛段，12-预燃级切向进气孔，13-预燃级预混腔，14-预燃级外壁，15-预燃级非旋空气进口，16-预燃级收敛段，17-头部冷却孔，18-预燃级出口扩张段，19-主燃级，20-主燃级气体燃料进口，21-集气环，22-主燃级气体燃料喷孔，23-主燃级内壁，24-主燃级旋流空气进口；25-主燃级旋流器，26-主燃级非旋空气进口，27-主燃级切向进气孔，28-主燃级预混腔，29-主燃级收敛段，30-主燃级出口，31-主燃级外壁

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种适用于气体燃料地面燃机低污染燃烧室的双旋流贫燃预混头部方案，由位于中心的预燃级和外围的主燃级两部分组成。预燃级主要包括预燃级气体燃料进口、预燃级气体燃料管、预燃级旋流进口、预燃级旋流器、预燃级气体燃料喷孔、预燃级预混腔、预燃级非旋空气进口、预燃级收敛段；所述的预燃级气体燃料管通过焊接固定在预燃级内壁内侧，预燃级气体燃料管末端为预燃级中心凸台，凸台上开有沿周向均匀分布的预燃级气体燃料喷孔；所述的预燃级非旋空气进口均匀分布在在预燃级收敛段处的预燃级外壁上；预燃级旋流空气进口流入的旋流空气、预燃级非旋空气进口流入的非旋空气以及预燃级气体燃料喷孔喷入的气体燃料在预燃级预混腔内进行掺混，形成均匀的燃料-空气混合物，随后经预燃级收敛段加速流出。主燃级主要包括主燃级气体燃料进口、集气环、主燃级气体燃料喷口、主燃级旋流空气进口、主燃级旋流器、主燃级非旋空气进口、主燃级预混腔和主燃级收敛段；主燃级与预燃级靠其间的支撑肋相连；所述的集气环位于主燃级外壁外侧，在集气环内开有主燃级气体燃料喷孔，喷孔位于两个主燃级旋流器叶片之间；所述的主燃级非旋空气进口开在主燃级内壁上，位于主燃级旋流器下游；主燃级旋流空气进口流入的旋流空气、主燃级非旋空气进口流入的非旋流空气和主燃级气体燃料喷口喷入的气体燃料在主燃级预混腔内进行混合，随后经过主燃级收敛段加速流出。

优选的，所述的预燃级旋流器叶片数为6-16，旋流角为30°-50°。

优选的，所述的预燃级气体燃料喷孔数与预燃级旋流器叶片数相等或为预燃级旋流器叶片数的半数；预燃级气体燃料喷孔的喷射方向与预燃级旋流器出口挡板平行，夹角α取40°-50°。

优选的，所述的预燃级非旋空气进口均匀分布在预燃级收敛段处的预燃级外壁上，个数为6-12。

优选的，所述的预燃级非旋空气量与旋流空气量的比例为1/4～1/2。

优选的，所述的主燃级旋流器25叶片数为8-16个，角度为40°-60°。

优选的，所述的主燃级气体燃料喷孔位于两个主燃级旋流器叶片之间，喷孔数与主燃级旋流器叶片数相等，喷射方向由主燃级外壁31沿径向向内喷射。

优选的，所述的主燃级非旋空气进口沿周向均匀分布于主燃级外壁上，个数为8-16。

优选的，所述的主燃级非旋空气量与旋流空气量的比例为1/4～1/2。

优选的，所述的预燃级气体燃料喷孔喷出的气体燃料量与主燃级气体燃料喷孔喷出的气体燃料量之比为1/3～1/2，预燃级空气量与主燃级空气量之比与气体燃料量之比相等，取值范围也为1/3～1/2。

优选的，所述的主燃级和预燃级均有供混合气体加速防止回火的收敛段，且主燃级收敛和预燃级收敛段的收敛角相等，为40°-50°。

优选的，所述的预燃级外壁和主燃级外壁上分别有防止自燃的预燃级切向进气孔和主燃级切向进气孔。

优选的，所述的预燃级出口扩张段上开有头部冷却孔，用来保护头部结构。

具体为：

图1是头部方案剖面图，头部结构包括位于中心的预燃级1和外围的主燃级19，预燃级1和主燃级19既通过之间的支撑肋7相连，又通过预燃级出口扩张段18与主燃级内壁23焊接相连。空气总共分六路流入头部结构：从预燃级旋流空气进口5流入、从预燃级非旋空气进口15流入、从主燃级旋流空气进口24流入、主燃级非旋空气进口流入、从预燃级切向进气孔12流入以及从主燃级切向进气孔27流入。

图2和图3分别是头部方案预燃级1的结构示意图和剖面图。如图2-3所示，预燃级1包括预燃级气体燃料进口2、预燃级气体燃料管3、预燃级旋流器内壁4、预燃级旋流空气进口5、预燃级旋流器6、支撑肋7、预燃级旋流器出口挡板8、预燃级气体燃料喷孔9、预燃级中心凸台10、预燃级出口收敛段11、预燃级切向进气孔12、预燃级预混腔13、预燃级外壁14、预燃级非旋空气进口15、预燃级收敛段16、头部冷却孔17、预燃级出口扩张段18。所述的预燃级旋流器叶片数为6-16，旋流角为30°-50°；所述的预燃级气体燃料管3通过焊接固定在预燃级旋流器内壁4内侧上，预燃级气体燃料管3末端为预燃级中心凸台10，凸台上开有沿周向均匀分布的预燃级气体燃料喷射孔9，其孔数与预燃级旋流器6叶片数相等或为叶片数的一半，且喷射方向与预燃级旋流器出口挡板平行，夹角α取40°-50°；所述的预燃级非旋空气进口15均匀分布于预燃级外壁14上，进口个数为6-12，流向为径向。预燃级旋流空气进口5流入的预燃级旋流空气先与预燃级气体燃料喷孔9喷出的气体燃料先在预燃级预混腔13进行初步混合，随后再与预燃级非旋空气进口15流入的非旋空气进行二次混合，最后均匀的混合气流经预燃级收敛段16加速流出，其混合气流中预燃级非旋空气量与旋流空气量的比例为1/4～1/2。另外预燃级外壁14上开有防止自燃的预燃级切向进气孔12。

图4和图5分别是头部方案主燃级19的结构示意图和剖面图。如图4-5所示主燃级19包括主燃级气体燃料进口20、集气环21、主燃级气体燃料喷孔22、主燃级内壁23、主燃级旋流空气进口24、主燃级旋流器25、主燃级非旋空气进口26、主燃级切向进气孔27、主燃级预混腔28、主燃级收敛段29、主燃级出口30、主燃级外壁31。所述的主燃级旋流器25叶片数为8-16个，角度为40°-60°。所述的集气环21位于主燃级外壁31外侧，在集气环21内沿主燃级外壁31开有主燃级气体燃料喷孔22，喷孔数与主燃级旋流器25叶片数相等，且喷口位于两旋流器叶片之间，沿径向向内喷射。所述的主燃级非旋空气进口26沿周向均匀分布于主燃级外壁31上，个数为8-16。主燃级旋流空气进口24流入的旋流空气与主燃级气体燃料喷孔喷出的气体燃料先在主燃级旋流器25通道内进行初次混合，随后再在主燃级预混腔28内与主燃级非旋空气进口26流入的非旋空气进行二次混合，提高燃料-空气的混合均匀度，最后由主燃级收敛段29加速流出，其混合气流中非旋空气量与旋转空气量之比为1/4～1/2。另外主燃级外壁31上分别有防止自燃的主燃级切向进气孔27。

本发明的工作过程如下：

在预燃级中，预燃级旋流空气进口5流入的空气经过旋流器产生旋转运动，随后经过预燃级旋流器出口收敛段加速流出；同时预燃级气体燃料从预燃级气体燃料进口2流入预燃级气体燃料管3，随后由预燃级气体燃料喷孔9流出，紧接着两者在预燃级预混腔13中进行初次混合，随后再与预燃级非旋空气进口15流入的非旋空气发生二次混合，最后经过预燃级出口收敛段11加速流出；在主燃级中，主燃级旋流空气进口24流入的空气在主燃级旋流器25流道内与主燃级气体燃料喷孔22喷出的气体燃料发生初步混合，随后与主燃级非旋空气进口26流入的非旋空气在主燃级预混腔28进行二次混合，再经过主燃级收敛段29加速流出。其中预燃级空气量与主燃级空气量之比与气体燃料量之比相等，取值范围为1/3～1/2。