采用中心点火的天然气同轴分级燃烧室及燃烧方法

1.本发明涉及燃气轮机燃烧室领域，具体涉及一种采用中心点火的天然气同轴分级燃烧室及燃烧方法。


背景技术：

2.现代低污染燃气轮机广泛采用贫预混燃烧技术来控制氮氧化物排放，该技术主要通过增加头部空气进气量、强化燃料与空气的掺混均匀性来降低燃烧当量比和燃烧温度，从而降低热力型氮氧化物的生成速率。
3.由于贫预混燃烧室头部进气量较大、燃烧当量比较低，在远离头部位置进行点火较为困难，且火焰稳定性较差。为提高贫预混燃烧室的燃烧稳定性，人们提出分级、分区燃烧的概念来稳定火焰，即在燃烧室内同时存在相对低当量比和相对高当量比燃烧区。实现可靠点火、稳定燃烧成为贫预混燃烧室的关建核心技术。其中，在燃烧室头部中心点火具有较高的点火可靠性，在头部出口末端设置台阶结构形成台阶回流区是实现分区燃烧的有效手段。
4.国内近年也有许多关于同轴分级燃烧室专利的申请。专利号为201910312864.x公开了一种用于气体燃料燃烧室的同轴分级旋流和掺混一体化头部，主体部分为三级掺混/旋流一体化的塔式旋流器，其并未设置出口台阶结构，不能实现燃料的分区燃烧。专利号为202010034769.0公开了一种中心分级贫油预混低污染燃烧室，其头部由位于中心的中心级和同轴嵌套的主燃级组成，其中中心级由成膜式空气雾化喷嘴和两级旋流器组成，主燃级由多个带环形空气的直射式喷嘴和主燃级旋流器组成，该燃烧室燃料为液态燃油，且不能在头部中心位置布置点火器电极。专利号为202110747716.8公开了一种基于自激发扫掠振荡燃油喷嘴的中心分级燃烧室，由外壳体和与外壳体同轴的主燃级、预燃级组成，该燃烧室燃料为燃油，点火位置不在头部中心位置。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种采用中心点火的天然气同轴分级燃烧室及燃烧方法，提高点火稳定性，实现燃料分级、分区燃烧，降低污染物排放，防止头部烧蚀。
6.上述的目的通过以下的技术方案实现：一种采用中心点火的天然气同轴分级燃烧室，包括：扩压器、外机匣、同轴分级头部和火焰筒，所述扩压器和外机匣为一体化结构，所述扩压器与所述火焰筒末端焊接，所述火焰筒与所述同轴分级头部连接；所述同轴分级头部包括内级轮毂、外级轮毂、点火器固定座、外级旋流叶片、内级旋流叶片、燃料棒、内级燃料管、外级燃料管，所述内级轮毂、外级轮毂、点火器固定座呈同轴嵌套，所述点火器固定座位于同轴分级头部中心位置；外级旋流叶片位于所述外级轮毂与所述内级轮毂之间；内级旋流叶片位于所述内级轮毂与所述点火器固定座之间；
燃料棒位于所述内级轮毂与所述点火器固定座之间，并位于内级旋流叶片上游。
7.进一步地，所述外级轮毂设有外级燃料环腔，所述外级燃料环腔与外级燃料管相通，所述外级旋流叶片设有叶片燃料腔，所述外级旋流叶片上具有一组叶片燃料喷孔，燃料从外级燃料环腔流入叶片燃料腔，并从所述叶片燃料喷孔喷出。
8.进一步地，所述内级轮毂设有内级燃料环腔，所述内级燃料环腔与内级燃料管相通，中空的燃料棒与所述内级燃料环腔相连。
9.进一步地，所述燃料棒在靠近所述内级旋流叶片的方向布置2~5个燃料棒燃料喷孔，所述燃料棒燃料喷孔的孔径0.8~1.5mm，燃料从内级燃料环腔流入燃料棒，并从燃料棒燃料喷孔喷出，燃料棒的数量与内级旋流叶片数量相同。
10.进一步地，所述内级轮毂分为两层壳体，两层壳体之间设置中空结构；所述内级轮毂末端设置台阶结构，所述台阶结构用来形成台阶回流区使内、外两级燃料实现分区燃烧，所述台阶结构上布置台阶冷却孔，来冷却头部出口端面。
11.进一步地，所述台阶结构沿两层内级轮毂的中心线对称，使得内、外两级气流在该位置加速，防止回火。
12.进一步地，所述台阶结构高度为同轴分级头部最大直径的10%~20%。
13.进一步地，所述台阶冷却孔孔径为1.0~2.0mm，沿径向分布2~5排，沿周向分布12~48排。
14.进一步地，所述外机匣上开有孔洞用来安装同轴分级头部和布置燃料管路、点火器电缆。
15.一种利用上述的采用中心点火的天然气同轴分级燃烧室的燃烧方法，外级燃料从外级燃料管流入外级燃料环腔再流入叶片燃料腔，并从叶片燃料喷孔喷出；内级燃料从内级燃料管流入内级燃料环腔再流入燃料棒，并从燃料棒燃料喷孔喷出，台阶结构形成台阶回流区，使得内级火焰和外级火焰分区。
16.本发明的有益效果：本发明采用中心点火的天然气同轴分级燃烧室在燃烧室中心位置布置点火器电极，可实现中心点火，提高点火可靠性。
17.本发明在同轴分级头部出口设置带有台阶冷却孔的台阶结构，可形成台阶回流区实现分区燃烧，并防止头部出口端面被烧蚀。
18.本发明燃料棒燃料喷孔布置在内级轮毂和点火器固定座之间的燃料棒上，与燃料喷孔布置在叶片或轮毂相比，该方法可增加燃料/空气掺混距离，强化掺混。
附图说明
19.附图1是本发明的结构示意图。
20.附图2是本发明同轴分级头部的结构示意图。
21.附图3是本发明同轴分级头部与火焰筒安装方法示意图。
22.附图4是本发明燃料棒的结构示意图。
23.附图中：1：扩压器；2a：外机匣；2b：密封盖板；3：同轴分级头部；4：火焰筒；5a：内级火焰；5b：外级火焰；6a：内级轮毂；6b：外级轮毂；6c：台阶结构；7a：点火器固定座；7b：点火器电极；7c：点火器电缆；8a：内级燃料环腔；8b：外级燃料环腔；9：叶片燃料腔；10：叶片燃料
喷孔；11：燃料棒；12：台阶冷却孔；13a：内级旋流叶片；13b：外级旋流叶片；14：两层内级轮毂的中心线；15：点火器定位螺丝孔；16a：内级燃料管；16b：外级燃料管；17：头部安装螺丝/销钉定位孔；18：燃料棒燃料喷孔；h：台阶高度；附图1中箭头方向为气流方向。
具体实施方式
24.下面结合附图和实施方式进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
27.本发明提供一种采用中心点火的天然气同轴分级燃烧室，如附图1所示，其组成包括：扩压器1、外机匣2、同轴分级头部3、火焰筒4。其中，扩压器1和外机匣2为一体化结构，外机匣2在火焰筒4末端与火焰筒连接，同轴分级头部3在外级轮毂6b位置与火焰筒4利用3或5个螺丝或销钉连接，定位位置为头部安装螺丝/螺钉定位孔17，并保证同轴分级头部出口端面和火焰筒入口端面平齐。
28.如附图2所示，同轴分级头部由内级轮毂6a、外级轮毂6b、点火器固定座7a、内级旋流叶片13a、外级旋流叶片13b、台阶结构6c、内级燃料管16a、外级燃料管16b组成，其中内级轮毂6a、外级轮毂6b和点火器固定座7a呈同轴嵌套，点火器固定座位于中心位置并设有点火器定位螺丝孔15，点火器电极与点火器固定座7a之间用3个定位螺丝连接。
29.本实施例中，内级轮毂6a、外级轮毂6b内分别设有内级燃料环腔8a和外级燃料环腔8b，外级旋流叶片13b设有叶片燃料腔9和叶片燃料喷孔10，内级轮毂6a和点火器固定座7a之间设置中空的燃料棒11，燃料棒11位于内级旋流叶片13a上游，与内级轮毂和点火器固定座为一体结构；燃料棒朝向内级旋流叶片位置设有2~5个燃料棒燃料喷孔18，孔径0.8~1.5mm，燃料棒数量与内级旋流叶片数量相同。外级燃料从外级燃料管16b流入外级燃料环腔7b再流入叶片燃料腔8，并从叶片燃料喷孔10喷出；内级燃料从内级燃料管16a流入内级燃料环腔8a再流入燃料棒11，并从燃料棒燃料喷孔18喷出，这可以增加内级燃料/空气的掺混距离，强化掺混。
30.本实施例中，内级轮毂6a末端设置台阶结构6c，台阶结构6c沿两层内级轮毂的中心线14对称，台阶高度h为同轴分级头部3最大外径的10%~20%，台阶上布置台阶冷却孔12，台阶冷却孔孔径为1.0~2.0mm，沿径向分布2~5排，沿周向分布12~48排。台阶结构的作用是
形成台阶回流区，使得内级火焰5a和外级火焰5b分区，台阶冷却孔12可冷却同轴分级头部的出口端面；台阶结构还可以增加内级和外级的气流速度，防止回火。点火工况下由位于头部中心位置的点火器电极提供点火源点燃内级燃料/空气混合物，点火成功后点火器电极不再工作。
31.本实施例中，所述外机匣2a上开有孔洞用来安装同轴分级头部和布置燃料管路、点火器电缆等，并用密封盖板2b来密封，所述密封盖板2b与所述外机匣2a之间用螺丝连接。
32.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。