一种用于燃气轮机的多级分区式燃烧结构

技术领域

本发明属于燃气轮机技术领域，具体涉及一种用于燃气轮机的多级分区式燃烧结构。

背景技术

燃气轮机是一种清洁性好、效率高的装置，具有体积小、重量低等优点，被广泛应用于发电、独立能源系统、机械驱动等领域。但是，燃气轮机在工作过程中，会产生氮氧化物（NO

近些年来低排放燃烧技术发展迅速，各种新技术不断涌现，发展了一批低排放燃烧技术，研制了多种低污染燃烧室。贫燃预混燃烧技术是各种低污染燃烧技术中比较具有代表性的，其主要思路是使燃气和氧化剂在进入燃烧室之前充分掺混，避免由于燃气与空气混合不均匀而产生的局部高温区，而且主燃烧区域空气过量，也保证了燃烧反应靠近化学恰当比，进而使燃烧更加完全，以降低NO

燃气轮机燃烧室作为燃气轮机的核心部件，其点熄火性能与排放性能的兼顾平衡是燃气轮机燃烧室的重要性能指标。目前，国内燃气轮机多采用预混燃气燃烧的方式，能够有效提高燃气的燃烧效率，并且采用完全预混的方式污染物排放更低；但这种完全预混的燃烧方式，在燃气轮机的点火起动和熄火停车阶段往往容易出现点熄火性能不佳、燃烧稳定性较差的问题，使得燃气轮机在低排放和稳定燃烧之间难以兼顾。在燃气轮机性能要求日益增长的形势下，目前的燃烧组织方式难以满足对高性能燃气轮机的发展需求，提出一种新型的兼顾燃烧稳定性和低排放性的燃烧结构，成为了行业人员急需解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中燃气轮机燃烧过程中存在的燃烧稳定性和低排放性之间不能良好兼顾的问题，本方案提供了一种用于燃气轮机的多级分区式燃烧结构，对燃烧室的燃烧区域进行多级分区并进行精细化分区控制，实现大部分燃气在合理低排放标准的要求下进行燃烧，实现高效稳定燃烧的同时，减小燃烧室NOx排放，实现燃烧稳定性与低排放的良好兼顾。

本发明所采用的技术方案为：

一种用于燃气轮机的多级分区式燃烧结构，包括：

燃烧室机匣，所述燃烧室机匣内具有环形的槽腔；

火焰筒，安装于所述槽腔内并具有环槽状的燃烧室；

多个旋流器，设置于所述燃烧室内，并用于将空气和燃气引入到燃烧室内，旋流器分为值班旋流器、传焰旋流器、第一主燃旋流器和第二主燃旋流器，在每个旋流器处均设置有第一燃气通道，该第一燃气通道用于输送用于预混燃烧的燃气；在值班旋流器处还设置有第二燃气通道，所述第二燃气通道输送用于扩散燃烧的燃气；

值班旋流器、传焰旋流器、第一主燃旋流器和第二主燃旋流器，各旋流器的叶片安装角度不同，气流通过各旋流器后产生的偏转角也各不相同，且各旋流器产生的旋转气流流场之间相对独立，以使各旋流器参与独立的分区燃烧；

分流器，设置于所述燃烧室内，并能够喷出气流以形成分隔气膜，用于辅助分隔各个燃烧区。

可选的：所述旋流器包括有旋流壳罩、中心锥体和旋流叶片，所述旋流壳罩呈筒状，中心锥体设置于旋流壳罩的中心处，旋流叶片连接于旋流壳罩与中心锥体之间。

可选的：与传焰旋流器相比，所述值班旋流器的所产生的旋转气流的偏转角更大；与主燃旋流器相比，传焰旋流器所产生的旋转气流的偏转角更大。

可选的：第二燃气通道设置于值班旋流器的中心锥体内，该中心锥体端部延伸至旋流壳罩的出风口处，在该中心锥体的端部处设置有扩散燃气喷孔，第二燃气通道的燃气通过该扩散燃气喷孔喷入燃烧室中。

可选的：值班旋流器、传焰旋流器、第一主燃旋流器和第二主燃旋流器呈矩形阵列状分布并组成一个旋流器组；在燃烧室内设置有多个旋流器组。

可选的：每个旋流器组按照起动功率分为点火状态工作模式、小状态工作模式、过渡状态工作模式和大负荷状态工作模式；在点火状态工作模式时，各个旋流器组仅由其值班旋流器的第二燃气通道输送燃气进行扩散燃烧；在小状态工作模式时，各个旋流器组主要由其值班旋流器的第二燃气通道输送燃气进行扩散燃烧，由值班旋流器的第一燃气通道输送燃气进行部分预混燃烧；在过渡状态工作模式时，值班旋流器的第一燃气通道和第二燃气通道输送燃气，且传焰旋流器和第一主燃旋流器随功率提升而依次输送燃气；在大负荷状态工作模式时，值班旋流器、传焰旋流器、第一主燃旋流器和第二主燃旋流器都由各自的第一燃烧通道输送燃气进行全预混燃烧。

可选的：所述火焰筒包括筒体后段和筒体前段，在筒体前段的侧壁内设置有夹层通道，在筒体前段的外壁处设置有冲击冷却孔，在筒体前段的内底部设置有用于安装旋流器的安装部；进入燃烧室机匣的一部分空气能够经冲击冷却孔和夹层通道流动至安装部处。

可选的：在筒体后段的内侧设置有缝槽，缝槽的槽底处设置有连通筒体后段外侧的缝槽冷却孔，进入燃烧室机匣的另一部分空气经缝槽冷却孔喷射至燃烧室的燃烧出口。

可选的：在机匣主体的侧壁上设置有空气扩压段，在空气扩压段处设置有空气进口；空气进口与火焰筒斜向相对。

可选的：所述分流器呈环形，在分流器内设置有与其同轴的增压环孔，在增压环孔背离燃烧室一侧的侧壁上设置有空气引入孔，在增压环孔朝向燃烧室一侧的侧壁上设置有空气喷射孔，空气喷射孔喷出空气以形成分隔气膜。

本发明的有益效果为：

1.本方案中，通过旋流器、火焰筒、燃烧室机匣等结构合理搭配，以及多个旋流器的组合，解决了天然气燃气轮机燃烧室仅为单级分区或者两级分区时燃烧排放的NOx较高、纯预混燃烧稳定性不佳、排放达标与燃烧稳定性难以兼顾的技术难题；本方案的技术能够使燃气轮机的燃烧室实现高效稳定燃烧，并减小燃烧室NOx排放，实现熄火性能与低排放的良好兼顾的效果；

2.本方案在燃烧室中搭配了功能和结构的旋流器，可以利用旋流器在轴向上不同的气流速度燃烧区域的分区，从而实现多分区的精细化燃烧，这种多分区细化组织燃烧的方式，能够很好地实现燃气与空气的合理混合匹配，在保证了大量燃气在高效掺混的同时，还能保证燃气不发生回火烧蚀，进而保证了高效燃烧与防止烧蚀的兼顾；

3.本方案中，将相邻的四个旋流器进行分组搭配，并且分为值班旋流器、传焰旋流器、第一主燃旋流器和第二主燃旋流器，四个旋流器通过旋流气流的不同或气膜的隔离进行分区，通过不同分级和分区所对应不同的旋流组织模式来实现燃气与空气的精细化匹配，从而实现各个分区处燃气的精细化燃烧；

4.本方案中，利用多个旋流器的搭配及分区，充分考虑实际燃烧室运行中的各种工况，设计了四种不同工作模式，分别为点火状态工作模式、小状态工作模式、过渡状态工作模式和大负荷状态工作模式；可以实现燃烧室全工况性能的兼顾，保证燃烧室高效良好工作；四种模式相互搭配和组合，保证燃烧室高效良好工作；

5.本方案中考虑了燃烧室头部热负荷情况及分区细化需求，采用了致密多孔分流器形式，辅助实现了燃气精细化分区，从而保证燃烧分区匹配燃烧方法的实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本方案中多级分区式燃烧结构的截面结构图；

图2是值班旋流器的结构图；

图3是值班旋流器的剖面图；

图4是传焰旋流器或第一或第二主燃旋流器的结构示意图；

图5是分流器的截面结构图；

图6是火焰筒的截面结构图；

图7是燃烧室机匣的截面结构图。

图中：1-值班旋流器；11-旋流壳罩；12-中心锥体；13-旋流叶片；14-第二燃气通道；141-扩散燃气喷孔；15-第一燃气通道；151-环向通道；152-预混燃气喷孔；153-径向燃气通孔，2-传焰旋流器；3-第一主燃旋流器；4-第二主燃旋流器；5-火焰筒；51-筒体前段；511-冲击冷却孔；512-前段内壁；513-前段外壁；514-夹层通道；52-筒体后段；521-缝槽冷却孔；53-安装部；54-燃烧出口；6-分流器；61-空气引入孔；62-空气喷射孔；63-增压环孔；8-燃烧室机匣；81-空气扩压段；82-机匣主体；83-空气进口；84-槽腔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-图7所示，本实施例设计了一种用于燃气轮机的多级分区式燃烧结构，包括有燃烧室机匣8、火焰筒5、多个旋流器以及分流器6等结构。

燃烧室机匣8内具有环形的槽腔84；槽腔84的出口朝向燃气轮机的后侧。并且该燃烧室机匣8用于火焰筒5的安装。

火焰筒5设置于燃烧室机匣8的槽腔84内，该火焰筒5具有环槽状的燃烧室。燃烧室的燃烧出口54朝向与燃烧室机匣8的槽腔84的出口相同；燃气在火焰筒5内燃烧后，从该燃烧出口54喷出燃气尾气。

旋流器所述燃烧室内，并用于将空气和燃气引入到燃烧室内；每个旋流器均包括有旋流壳罩11、中心锥体12和旋流叶片13等结构，所述旋流壳罩11呈筒状，中心锥体12设置于旋流壳罩11的中心处，旋流叶片13连接于旋流壳罩11与中心锥体12之间；空气流经旋流器时，能够由旋流叶片13对空气进行导向，并产生旋转的空气流，旋流叶片13的倾斜角度不同则所产生的旋转空气流的偏转角也不相同。

在旋流器包括有第一燃气通道15，该第一燃气通道15包括有环向通道151、预混燃气喷孔152和径向燃气通孔153，环向通道151设置在旋流器空气进口83的周向侧壁处，该环向通道151与旋流器同轴，径向燃气通孔153设置在环向通道151的侧壁上，预混燃气喷孔152设置在旋流叶片13上，燃气在进入环向通道151后经由径向燃气通孔153并从预混燃气喷孔152送入旋流器内，多个旋流器的第一燃气通道15相互独立且连接不同的燃气供应管路。

旋流器可以分为值班旋流器1、传焰旋流器2、第一主燃旋流器3和第二主燃旋流器4；值班旋流器1、传焰旋流器2、第一主燃旋流器3和第二主燃旋流器4各为一个并相互靠近且呈田字形分布；值班旋流器1、传焰旋流器2、第一主燃旋流器3和第二主燃旋流器4四个旋流器可以构成一个旋流器组，在火焰筒5的燃烧室内可以设置多组旋流器组，每个旋流器组均是沿着燃烧室的内底部并列设置。

在值班旋流器1内设置有第二燃气通道14，该第二燃气通道14设置于值班旋流器1的中心锥体12内，该中心锥体12端部延伸至旋流壳罩11的出风口处，在该中心锥体12的端部处设置有扩散燃气喷孔141，第二燃气通道14的燃气通过该扩散燃气喷孔141喷入燃烧室中。

并且值班旋流器1、传焰旋流器2和主燃旋流器这三种旋流器的旋流叶片13倾斜角度各不相同。

值班旋流器1采用双级叶片式结构，值班旋流器1的燃气可通过扩散燃气喷孔141以及预混燃气喷孔152进行供给，用于预混燃烧的燃气经径向燃气通孔153进入后从预混燃气喷孔152处喷射入旋流器内并进行预混。值班旋流器1采用强旋流设计，具有较大的叶片安装角，从而使值班旋流器1所产生的旋转气流的偏转角度较大，使得燃气在轴向上的速度更低；同时，扩散燃气喷孔141能够喷射用于扩散燃烧的燃气，利用扩散燃烧稳定性高的特点，加强值班旋流器1整体的燃烧稳定性。

传焰旋流器2、第一主燃旋流器3、第二主燃旋流器4也都采用双级组合叶片式结构，燃气通过第一燃气通道15的喷射入旋流器内进行预混；传焰旋流器2采用中等旋流设计，其叶片安装角小于值班旋流器1，该传焰旋流器2用于加强火焰传递能力，同时产生NOx排放量较小的旋流，传焰旋流器2所产生的旋转气流的偏转角度小于值班旋流器1；第一主燃旋流器3和第二主燃旋流器4均采用了弱旋流设计，用以满足低排放的需求，其产生的旋转气流的偏转角度小于传焰旋流器2。

分流器6设置于所述燃烧室内，并呈环形，在分流器6内设置有与其同轴的增压环孔63，增压环孔63的截面呈斗状，在增压环孔63背离燃烧室一侧的侧壁上设置有空气引入孔61，在增压环孔63朝向燃烧室一侧的侧壁上设置有空气喷射孔62，空气喷射孔62喷出空气以形成分隔气膜。分流器6被设置在多个旋流器之间处的中间位置，空气从空气引入孔61进入增压环孔63后，被增压后输出，空气沿空气喷射孔62喷射入火焰筒5形成的分隔气膜，能够保障旋流器对应的预混燃烧区不过早的燃烧，同时保证分区的更加准确，从而保证了排放性能。

值班旋流器1、传焰旋流器2和第一、第二主燃旋流器所产生的旋转气流的轴向流速各不相同，各旋流器产生的旋转气流流场通过分流器6产生的分隔气膜进行辅助分隔，从而能够以每个旋流器为单位进行燃气分区，每个旋流器所产生的燃气的旋转气流即为形成一个燃气分区，燃烧时实现多分区的精细化燃烧，这种多分区细化组织燃烧的方式，能够很好地实现燃气与空气的合理混合匹配，在保证了大量燃气在高效掺混的同时，还能保证燃气不发生回火烧蚀，进而保证了高效燃烧与防止烧蚀的兼顾。

实施例2

本实施例为实施例1中的用于燃气轮机的多级分区式燃烧结构设计了多种工作模式，分别为点火状态工作模式、小状态工作模式、过渡状态工作模式和大负荷状态工作模式，四种工作模式是每个旋流器组的工作模式按照起动功率进行划分的。

在点火状态工作模式时，各个旋流器组仅由其值班旋流器1的第二燃气通道14输送燃气进行扩散燃烧；点火状态工作模式的原理为：在这种工作模式时，燃气供应量及进气量较小，并且排放标准对点火状态的排放没有规定和要求，所有燃气都集中在值班旋流器1处，并由值班旋流器1的第二燃气通道14进行喷射，利用扩散燃烧的稳定性高的优点，使燃烧室内获得更合适于该点火阶段燃烧的油气比，保障点火的成功率及稳定性。

在小状态（低于50%额定功率）工作模式时，各个旋流器组主要由其值班旋流器1的第二燃气通道14输送燃气进行扩散燃烧，由值班旋流器1的第一燃气通道15输送燃气进行部分预混燃烧；小状态工作模式的原理为：此时燃气供应量及进气量较小，排放标准对小状态的排放没有规定和要求，因此主要考虑燃烧的稳定过程，此时是以值班旋流器1的第二燃气通道14输送燃气进行扩散燃烧占为主，同时值班旋流器1的第一燃气通道15输送燃气进行部分预混燃烧进行补充，利用扩散燃烧稳定性好、不易产生燃烧振荡和压力脉动的优点，在气流压力、温度较低的小状态工况下，获得良好的燃烧稳定性；小状态时油气比例较低，大量燃气由值班旋流器1喷出用于扩散燃烧，同时还能够引燃喷入主要燃烧区域的预混燃气，小状态的燃烧效率能够得到较大的提高和保证。

在过渡状态工作模式时，值班旋流器1的第一燃气通道15和第二燃气通道14输送燃气，且传焰旋流器2和第一主燃旋流器随功率提升而依次输送燃气；过渡状态工作模式的原理为：通过扩散燃烧的火焰保证燃烧室的不熄火，而大量燃气则通过传焰旋流器2和主燃旋流器与空气进行预混，保证了预混火焰的均匀性；燃烧室内部通过分区燃烧的方式，保证各个分区都能够在合适的当量比下进行燃烧，有效控制NOx的产生，从而实现良好的污染排放。

在大负荷状态工作模式时，值班旋流器1、传焰旋流器2、第一主燃旋流器和第二主旋流器都由各自的第一燃烧通道输送燃气，进行全预混燃烧。大负荷状态工作模式的原理为：所有燃气通过预混，而使燃烧室内的多个分区处的预混燃气均匀掺混，保证了预混火焰的均匀性；燃烧室内部通过分区燃烧的方式，保证各个分区都能够在合适的当量比下进行燃烧，有效控制NOx的产生，从而实现良好的污染排放。

实施例3

如图1-图7所示，在实施例1的结构基础上，本实施例对火焰筒5和机匣主体82的结构进行细化。

火焰筒5包括筒体后段52和筒体前段51，筒体前段51为双层结构，内层为前段内壁512，外层为前段外壁513，前段内壁512与前段外壁513之间具有夹层通道514。在筒体前段51的外壁处设置有冲击冷却孔511，在筒体前段51的内底部设置有用于安装旋流器的安装部53。

在筒体后段52的内侧设置有缝槽，缝槽朝向燃烧出口54，缝槽的槽底处设置有连通筒体后段52外侧的缝槽冷却孔521，缝槽冷却孔521位于缝槽的槽底处。

在机匣主体82的侧壁上设置有空气扩压段81，在空气扩压段81处设置有空气进口83；空气进口83与火焰筒5斜向相对。扩压段主要实现来流空气的减速扩压，空气进口83进入的空气能够配合火焰筒5的筒体外壁合理的形成二股流流道；其中一股空气流经冲击冷却孔511和夹层通道514流动至安装部53处，并供旋流器预混燃气和供分流器6形成分隔气膜；另一股空气流经缝槽冷却孔521喷射至燃烧室出口。

上述实施例仅仅是为了清楚地说明所做的举例，而并非对实施方式的限定；对于所属领域的技术人员来说，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。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围内。