一種用於燃氣輪機低汙染燃燒室的貧油多點直接噴射頭的製作方法

2023-11-09 17:17:43

本發明涉及燃氣輪機燃燒室技術領域，具體地說，涉及一種用於燃氣輪機低汙染燃燒室的貧油多點直接噴射頭。

背景技術：

燃氣輪機汙染物排放的源頭來自燃燒室，因此發展低汙染燃燒技術是降低燃氣輪機汙染排放的關鍵。燃燒室的主要汙染物包括氮氧化物、一氧化碳和未燃碳氫，其中最重要的是減少氮氧化物的生成量。在燃燒室中，熱力型氮氧化物生成機理起到主導作用，因此降低燃燒區燃燒溫度是降低氮氧化物生成量的有效手段之一。貧油燃燒技術可有效降低燃燒區燃燒溫度，從而減少氮氧化物的生成量。

針對貧油燃燒技術，國外研究者們提出了貧油預混預蒸發燃燒技術，並對其開展了廣泛研究，該技術可有效控制主燃區燃燒溫度，在降低氮氧化物方面具有很大的潛力。但是，該技術研發過程中遇到自燃、回火和嚴重的燃燒不穩定性等技術障礙，這些問題嚴重製約了該技術的實際應用。針對預混燃燒遇到的問題，又提出了貧油直接噴射燃燒技術，該技術中燃油不經過預混而是直接噴射到主燃區內與空氣快速混合併充分燃燒，同樣可以有效降低氮氧化物的生成量，並且完全避免了自燃和回火的問題，同時降低了燃燒不穩定性的程度。因此貧油直接噴射燃燒技術是低汙染燃燒技術發展的重要方向之一。

國內近年也有許多關於低汙染燃燒室的專利申請。專利201510673156.0、201510674145.4公開了兩種低汙染燃燒室，其中預燃級採用旋流穩定的擴散燃燒與旋流預混燃燒相結合的方式，可在小狀態下穩定燃燒的同時降低汙染物；主燃級採用預混預蒸發的燃燒方式，可在大狀態下實現均勻燃燒以降低nox排放。專利201410643105.9公開了一種主燃級貧預混的分層部分預混低汙染燃燒室，值班級採用擴散燃燒，主燃級採用貧油預混燃燒，在大工況時，值班級和主燃級同時工作，主燃區處於貧油狀態，能夠顯著降低nox的排放。但是主燃級採用預混預蒸發的方式有可能產生燃燒不穩定現象，嚴重影響燃燒性能，甚至導致結構性的破壞。專利cn104791847a提出了「一種適用於燃氣輪機低汙染燃燒室的低旋流多噴嘴燃燒室結構」，該燃燒器由六個外側低旋流噴嘴和一個中心低旋流噴嘴組成，採用氣態燃料和預混燃燒方式，可以有效降低汙染物排放。氣態燃料可直接快速與空氣混合，但是液態燃料必須經過良好霧化並和空氣混合後才能形成可燃混氣，因此該燃燒器不適用於液態燃料，不能解決使用液態燃料燃氣輪機的低汙染燃燒問題。

技術實現要素：

為了避免現有技術存在的不足，本發明提出一種用於燃氣輪機低汙染燃燒室的貧油多點直接噴射頭，該噴射頭可使燃燒室在全工況範圍內能穩定高效工作，有效地抑制燃燒不穩定性的發生，同時降低汙染物排放。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:包括燃燒室頭部法蘭、副燃級旋流噴嘴模、主燃級旋流噴嘴模、空氣進口、旋流通道、環形旋流空氣平直通道、環形旋流空氣收斂通道、旋流空氣出口、燃油進口、噴嘴、噴嘴出口，採用多個相同結構的旋流噴嘴模組成，且固定在燃燒室頭部法蘭上，所述副燃級旋流噴嘴模由位於中心的旋流噴嘴模和依中心旋流噴嘴模等間距周向均布的三個旋流噴嘴模組成，所述主燃級旋流噴嘴模由位於與副燃級的三個旋流噴嘴模相間的旋流噴嘴模組成，主燃級旋流噴嘴模和副燃級旋流噴嘴模可獨立控制；其中,空氣進口、旋流通道、環形旋流空氣平直通道、環形旋流空氣收斂通道和旋流空氣出口形成旋流噴嘴模的空氣流路，所述旋流通道內安裝有旋流葉片，空氣流過旋流通道形成旋轉流動，所述環形旋流空氣平直流道位於旋流通道下遊用以消除葉片尾跡的影響，所述環形旋流空氣收斂通道位於旋流空氣平直流道下遊用來增加空氣軸向速度，在旋流空氣出口形成沿徑向內側低外側高的速度分布；燃油進口、噴嘴和噴嘴出口組成燃油流路，所述噴嘴出口與旋流空氣出口平齊，從噴嘴出口噴出的油霧在旋流空氣剪切作用下快速破碎形成均勻分布的小液滴並與空氣混合形成均勻的可燃混氣，並以非預混方式進行燃燒反應。

旋流噴嘴模燃燒當量比為0.6～0.8。

旋流噴嘴模內旋流葉片數量為8～16個，旋流葉片安裝角度為35°～45°。

中心旋流噴嘴模與周向均布的旋流噴嘴模中心距s1為1.5～2.0d。

周向相鄰旋流噴嘴模中心距s2為1.5～2.0d。

有益效果

本發明提出的一種用於燃氣輪機低汙染燃燒室的貧油多點直接噴射頭與現有技術相比:

燃燒區採用貧油設計，燃燒當量比在0.6～0.8之間，此時火焰溫度較低，可有效抑制由熱力型機理生成的氮氧化物。燃油噴霧在旋流空氣作用下迅速霧化並與空氣良好混合，確保燃燒均勻充分不產生局部熱點。

燃燒室在相同的入口條件下，多點噴射較常規燃燒室單點噴射而言，每個噴嘴的流量減小，因此可選用流量數較小的噴嘴，從而保證較高的供油壓力，達到更好的霧化水平，更快更均勻的進行燃燒反應。同時，多點噴射較單點噴射能夠獲得更加均勻的出口溫度場。

貧油多點直接噴射採用非預混燃燒，極大降低了發生燃燒不穩定性的機率，並且通過調整噴嘴間距控制各噴嘴之間幹涉作用，有效抑制燃燒噪聲。

採用分級燃燒技術，多點直接噴射將燃燒分為主燃級和副燃級，其目的是為了拓寬燃燒室穩定工作邊界。在小功率狀態下，僅需要副燃級供油燃燒，主燃級不供油，副燃級燃燒當量比在0.6～0.8之間，保證燃燒室穩定工作，隨著功率狀態的增加，可逐漸打開主燃級，同樣主燃級燃燒當量比在0.6～0.8之間，在最大功率狀態下，主燃級和副燃級同時工作，仍然保持燃燒當量比在0.6～0.8之間。這樣可保證在所有工作狀態下，燃燒室均能夠穩定工作並有效降低汙染物排放水平。

附圖說明

下面結合附圖和實施方式對本發明一種用於燃氣輪機低汙染燃燒室的貧油多點直接噴射頭作進一步詳細說明。

圖1為本發明用於燃氣輪機低汙染燃燒室的貧油多點直接噴射頭示意圖。

圖2為本發明用於燃氣輪機低汙染燃燒室的貧油多點直接噴射頭結構圖。

圖3為本發明的旋流噴嘴模示意圖。

圖4為本發明的旋流噴嘴模剖視圖。

圖5為本發明應用於環管型燃燒室示意圖。

圖中:

1.燃燒室頭部2.燃燒室頭部法蘭3.副燃級旋流噴嘴模4.主燃級旋流噴嘴模5.空氣進口6.旋流通道7.環形旋流空氣平直通道8.環形旋流空氣收斂通道9.旋流空氣出口10.燃油進口11.噴嘴12.噴嘴出口13.錐形油霧14.流線

副燃級旋流噴嘴模包括旋流噴嘴模3a、旋流噴嘴模3b、旋流噴嘴模3c、旋流噴嘴模3d

主燃級旋流噴嘴模包括旋流噴嘴模4a、旋流噴嘴模4c、旋流噴嘴模4h

具體實施方式

本實施例是一種用於燃氣輪機低汙染燃燒室的貧油多點直接噴射頭。

參閱圖1～圖4，本實施例用於燃氣輪機低汙染燃燒室的貧油多點直接噴射頭,採用多個相同結構的旋流噴嘴模組成，副燃級旋流噴嘴模3由位於中心的旋流噴嘴模3a和依中心旋流噴嘴模等間距周向均布的三個旋流噴嘴模3b、旋流噴嘴模3c、旋流噴嘴模3d組成；主燃級旋流噴嘴模4由位於與副燃級的三個旋流噴嘴模相間的旋流噴嘴模4a、旋流噴嘴模4c、旋流噴嘴模4h組成，主燃級旋流噴嘴模4和副燃級旋流噴嘴模3可獨立控制，保證燃燒室在寬工作狀態下能穩定工作。主燃級旋流噴嘴模4和副燃級旋流噴嘴模3固定安裝在燃燒室頭部1的燃燒室頭部法蘭2上；其中,中心旋流噴嘴模與周向均布的旋流噴嘴模中心距s1為1.5～2.0d。周向相鄰旋流噴嘴模中心距s2為1.5～2.0d。

本實施例中,空氣進口5、旋流通道6、環形旋流空氣平直通道7、環形旋流空氣收斂通道8和旋流空氣出口9形成旋流噴嘴模的空氣流路；旋流通道6內安裝有旋流葉片，旋流葉片數量為8～16個，旋流葉片安裝角度為35°～45°,空氣流過旋流通道6形成旋轉流動。環形旋流空氣平直流道7位於旋流通道6下遊用以消除旋流葉片尾跡的影響。環形旋流空氣收斂通道8位於環形旋流空氣平直流道7下遊用來增加空氣軸向速度，在旋流空氣出口9形成沿徑向內側低外側高的速度分布。燃油進口10、噴嘴11和噴嘴出口12組成燃油流路；噴嘴出口12與旋流空氣出口9平齊，從噴嘴出口12噴出的油霧在旋流空氣剪切作用下快速破碎形成均勻分布的小液滴並與空氣混合形成均勻的可燃混氣，並以非預混方式進行燃燒反應。

燃燒室的具體工作過程是:

燃燒室點火時僅副燃級旋流噴嘴模供油燃燒，隨著工作狀態的增加，供油量也逐漸增加，當達到副燃級工作上限時，打開主燃級旋流噴嘴模，副燃級火焰迅速引燃主燃級可燃混氣，隨後保持主燃級和副燃級同時工作。

旋流噴嘴模的具體工作過程是:

空氣從空氣入口5進入旋流通道6形成旋流流動，然後流過環形旋流空氣平直通道7以消除旋流葉片尾跡的影響，再流過環形旋流空氣收斂通道8，在旋流空氣出口9形成沿徑向內側低外側高的速度分布，最終旋流器下遊流線14擴張形成回流區。燃油從燃油進口10進入噴嘴11，從噴嘴出口12噴出錐形噴霧13。燃油錐形噴霧13和旋流空氣混合後在下遊以貧油狀態穩定燃燒。

圖5是應用於環管型燃燒室實例,在實際應用時，根據燃氣輪機的具體結構和尺寸調整單管燃燒室數量。