一种燃气轮机燃烧室燃烧器的制作方法

本申请属于航空发动机设计技术领域，特别涉及一种燃气轮机燃烧室燃烧器。

背景技术：

依据环保要求的规定，现在对燃气轮机燃烧器的关键要求之一是，在从部分负载状态到额定负载的宽广范围内，都能够进行稳定并且低排放(主要是针对nox)的燃烧。对于目前最成熟的贫油预混低排放燃烧技术，现有的燃烧器通过将燃料和空气预先混合之后供入燃烧室燃烧区进行低温燃烧实现低nox排放的要求。但是，由于在部分负载时由于燃烧温度低，因而产生大量未燃碳氢燃料、未燃co，并产生燃烧震动、点火困难、甚至熄火等问题。

现有的燃烧室燃烧器技术方案是，通过设置至少一个旋流器和至少两路燃料，燃料与空气预先混合之后进入燃烧室燃烧区进行燃烧，在预定负载以下时仅启用副级燃料喷嘴，在预定负载以上时，启用主级燃料喷嘴，即燃料分级的方案。

现有技术主要存在以下缺点：

1、点火困难：现有的低排放燃烧室燃烧器头部参与燃烧室点火过程的空气比例过高，导致燃烧器点火困难，点火边界窄，甚至点火不成功。

2、控制系统复杂：现有的低排放燃烧室燃烧器燃料分级较多，导致控制系统复杂。

3、安全运行风险高：由于控制系统复杂，易发生由于控制系统问题导致的安全运行事故。

技术实现要素：

为解决上述问题之一，本申请提出了一种燃气轮机燃烧室燃烧器，包括设置在燃烧室火焰筒入口的燃料管，所述燃料管与所述燃烧室同轴，其特征在于，所述燃料管包括与所述燃料管同轴的的副级燃料气管，以及副级燃料气管外沿径向依次套接的副级套管、内管及外管，其中，

所述内管及外管之间形成主混合通道，所述主混合通道一端连接有主级燃料喷杆，另一端连接燃烧室火焰筒，所述主混合通道内设置有主级旋流器；

所述副级套管包括沿轴向位于前段的副级旋流器外套及位于后段的文丘里管，所述文丘里管的末端连接在所述内管的末端，所述副级套管与所述副级燃料气管之间形成次混合通道，所述次混合通道内位于所述副级旋流器外套与副级燃料气管之间设置有副级旋流器，副级燃料气管前端设置有副级燃料进口，后端封闭，副级燃料气管在副级旋流器上游沿径向向所述次混合通道内延伸有副级燃料喷杆；

所述副级燃料气管内套设有值班级燃料气管，所述值班级燃料气管前端设置有值班级燃料进口，后端延伸至所述副级燃料气管的封闭端，并通过在所述封闭端上设置的值班级燃料喷嘴向燃烧室火焰筒喷射燃料。

优选的是，所述副级燃料气管封闭的后端沿轴向向后延伸至所述文丘里管的喉道或超过所述文丘里管的喉道。

优选的是，所述主级旋流器的旋流强度比副级旋流器低。

优选的是，所述主级旋流器的叶片角度相对于所述燃料管轴线偏离0～30度，副级旋流器的叶片度相对于所述燃料管轴线偏离40～65度。

优选的是，所述主级旋流器的有效流通面积比副级旋流器的有效流通面积大。

优选的是，所述主级旋流器的有效流通面积是副级旋流器的有效流通面积的3～5倍。

优选的是，所述文丘里管的扩张段与燃烧器轴线的夹角为10～30度。

优选的是，所述主级燃料喷杆喷出燃料的速度方向与燃烧器轴线的夹角为45～90度。

优选的是，所述副级燃料喷杆喷出燃料的速度方向与燃烧器轴线的夹角为45～90度。

优选的是，所述主级燃料喷杆的另一端穿过燃烧室的封盖连接位于燃烧室外部的主级燃料进口。

本申请优化了燃烧室头部的分级效果，在实现低nox排放的同时，改善了燃烧器的点火性能，降低了燃料系统复杂性。

附图说明

图1是本申请燃气轮机燃烧室燃烧器的截面示意图。

其中，1-主级旋流器，2-副级旋流器，3-主级燃料喷杆，4-副级燃料喷杆，5-文丘里管，6-值班级燃料喷嘴，7-值班级燃料气管，8-副级燃料气管，9-值班级燃料进口，10-副级燃料进口，11-主级燃料进口，12-燃料喷嘴盘，13-燃烧室机匣，14-燃烧室火焰筒，15-副级旋流器外套。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请提供了一种燃烧室燃烧器，如图1所示，主要由主级旋流器1、副级旋流器2、副级旋流器外套15、主级燃料喷杆3、副级燃料喷杆4、文丘里管5、值班级燃料喷嘴6、值班级燃料气管7、副级燃料气管8、值班级燃料进口9、副级燃料进口10、主级燃料进口11和燃料喷嘴盘12组成。具体为：

燃烧室包括燃烧室机匣13，其内设置有与燃烧室同轴的燃烧室火焰筒14，燃烧室机匣前端具有封盖，封盖设置为燃料喷嘴盘13，自燃料喷嘴盘13向燃烧室火焰筒14延伸有燃料管，用于向燃烧室输送燃料、空气或两者的混合物。

所述燃料管与所述燃烧室同轴，燃料管包括最内层的、设置在其轴线位置处的副级燃料气管8，副级燃料气管8外沿径向向外依次套接的副级套管、内管及外管。

所述内管及外管之间形成主混合通道，所述主混合通道一端连接有主级燃料喷杆3，另一端连接燃烧室火焰筒14，所述主混合通道内设置有主级旋流器1。

所述副级套管包括沿轴向位于前段的副级旋流器外套15及位于后段的文丘里管5，所述文丘里管5的末端连接在所述内管的末端，所述副级套管与所述副级燃料气管8之间形成次混合通道，所述次混合通道内位于所述副级旋流器外套15与副级燃料气管8之间设置有副级旋流器2，副级燃料气管8前端设置有副级燃料进口10，后端封闭，副级燃料气管8在副级旋流器2上游沿径向向所述次混合通道内延伸有副级燃料喷杆4；

所述副级燃料气管8内套设有值班级燃料气管7，所述值班级燃料气管7前端设置有值班级燃料进口9，后端延伸至所述副级燃料气管8的封闭端，并通过在所述封闭端上设置的值班级燃料喷嘴6向燃烧室火焰筒14喷射燃料。

需要说明的是，本申请所述前端与后端，或者上游与下游均指相对于燃料或空气的流动方向而言，上游与前端相对应，下游与后端相对应。

本申请中，副级旋流器2固定在副级燃料气管8上；副级燃料喷杆4设置在副级旋流器2上游并与副级燃料气管8连通；值班级燃料气管7与副级燃料气管8同轴设置并且两者一端与值班级燃料喷嘴6连接，一端与值班级燃料进口9连接；副级燃料进口10设置在副级燃料气管8上并与之连通；主级燃料进口11固定在燃料喷嘴盘12上，并通过燃料喷嘴盘12与主级燃料喷杆3连通；燃料喷嘴盘12固定在燃烧室机匣13上；上述零件之间采用焊接或螺栓固定连接。另外，具有主级旋流器1的主混合通道通过插接与燃烧室火焰筒14连接，即图1中外管搭接到火焰筒入口处。

本申请的燃烧室燃烧器，设置了两级轴向旋流器、三级燃料喷嘴/喷杆和文丘里结构实现燃料的预先混合燃烧，降低燃烧温度实现低nox燃烧，并且通过文丘里结构形成的“隐蔽回流区”和值班燃料喷嘴的设置实现稳定燃烧和点火性能的提升。其中：主级旋流器1的旋流强度比副级旋流器2低，主级旋流器1的叶片角为0～30度，副级旋流器2的叶片角为40～65度，主级旋流器1的有效流通面积比副级旋流器2的有效流通面积大，主级旋流器1的有效流通面积是副级旋流器2的有效流通面积的3～5倍，文丘里管5的结构由收缩段、喉道和扩张段组成，其中喉道为截面面积最小的区域，喉道截面轴向位置与值班级燃料喷嘴6的轴向位置齐平，或者值班级燃料喷嘴6的轴向位置位于丘里5的喉道截面的下游，文丘里5扩张段与燃烧器轴线的夹角为10～30度，主级燃料喷杆3位于主级旋流器1的上游，用于实现主级燃料与流经主级旋流器1的空气的预先混合，副级燃料喷杆4位于副级旋流器2的上游，用于实现副级燃料与流经副级旋流器2的空气的预先混合，主级燃料喷杆3和副级燃料喷杆4喷出燃料的速度方向与燃烧器轴线的夹角为45～90度，值班级燃料喷嘴6位于副级旋流器2的下游，值班级燃料喷嘴6的燃料喷射速度方向与燃烧器轴线的夹角为0～45度。燃烧器从启动至某一中间负载，仅由副级燃料喷杆4和值班级燃料喷嘴6供入燃料，从某一中间负载至最大负载，由副级燃料喷杆4、值班级燃料喷嘴6和主级燃料喷杆3同时供入燃料，燃料切换过程简单，控制系统简单且运行安全性高。

本申请通过设计文丘里结构形成的“隐蔽回流区”和值班燃料喷嘴的设置，实现低nox和稳定燃烧的同时，燃烧器的点火性能更佳。另一方面，本申请的燃料控制系统更加简单，燃料切换过程简单，设备费用及运行成本更低，燃烧器运行安全性更高。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。