中心分级与轴向分级耦合式燃烧室

1.本发明涉及燃烧室技术领域，尤其涉及一种中心分级与轴向分级耦合式燃烧室。


背景技术：

2.燃气轮机是当今能源动力领域的重要装备之一，其中燃烧室作为燃气轮机的核心部件和动力来源，也是燃气轮机主要的污染排放来源，而污染排放要求对燃气轮机燃烧产生的氮氧化物(nox)，一氧化碳(co)，未燃碳氢(uhc)和冒烟(smoke)等排放物有严格的限制。
3.为满足燃烧室低排放要求，现有技术采用中心预燃级、外环主燃级的中心低排放燃烧室。目前，对于低排放燃气轮机的燃烧室，要求其在大的工况范围内实现高效率低排放燃烧。然而在燃气轮机整个运行工况范围内，总油气比存在较大的变化，当处于小工况时，总油气比过低，若采用现有技术中的中心分级低排放方案会使得主燃级当量比过低，燃烧效率及污染物排放水平无法达到设计指标。也即，现有技术采用的中心预燃级、外环主燃级的中心低排放燃烧室，难以满足燃气轮机在宽工况范围内，尤其是低工况的高效率低排放燃烧需求。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
5.为此，本发明提出一种中心分级与轴向分级耦合式燃烧室，能够使燃气轮机在宽工况油气比范围内，达到高效率、低排放燃烧需求。
6.本发明提供一种中心分级与轴向分级耦合式燃烧室，包括火焰筒、预燃级装置、中心主燃级装置以及轴向主燃级装置，所述预燃级装置和所述中心主燃级装置分别设置于所述火焰筒的前端，且所述中心主燃级装置套设于所述预燃级装置的外侧；所述轴向主燃级装置设置于所述火焰筒的周向外围，且所述轴向主燃级装置与所述火焰筒相连通。
7.根据本发明提供的一种中心分级与轴向分级耦合式燃烧室，所述轴向主燃级装置设有多个，多个所述轴向主燃级装置呈环状均匀分布于所述火焰筒的周向外围。
8.根据本发明提供的一种中心分级与轴向分级耦合式燃烧室，所述预燃级装置包括由内至外依次设置的预燃级喷嘴和预燃级外环，在所述预燃级喷嘴与所述预燃级外环之间设有第一旋流叶片。
9.根据本发明提供的一种中心分级与轴向分级耦合式燃烧室，在所述预燃级外环的管壁中设有冷却气孔，所述冷却气孔的一端与外部相连通，所述冷却气孔的另一端与所述火焰筒相连通。
10.根据本发明提供的一种中心分级与轴向分级耦合式燃烧室，所述中心主燃级装置包括由内至外依次设置的主燃级内环和主燃级外环，所述主燃级内环与所述主燃级外环之间形成主燃级预混通道，在所述主燃级预混通道中设有第二旋流叶片。
11.根据本发明提供的一种中心分级与轴向分级耦合式燃烧室，所述主燃级内环的管
壁中设有集油腔，所述集油腔的一端与外部相连通，所述集油腔的另一端通过通油孔与所述主燃级预混通道相连通。
12.根据本发明提供的一种中心分级与轴向分级耦合式燃烧室，在所述主燃级外环与所述火焰筒的连接处设有主燃级挡板。
13.根据本发明提供的一种中心分级与轴向分级耦合式燃烧室，在所述主燃级外环上靠近所述主燃级挡板的位置处设有吹扫气孔，所述吹扫气孔的一端与外部相连通，所述吹扫气孔的另一端与所述主燃级预混通道相连通。
14.根据本发明提供的一种中心分级与轴向分级耦合式燃烧室，所述轴向主燃级装置包括由内至外依次设置的轴向喷嘴和预混气管道，在所述预混气管道中设有静态混合器。
15.根据本发明提供的一种中心分级与轴向分级耦合式燃烧室，所述预混气管道包括直管段和弯管段，所述直管段的轴向方向与所述火焰筒的轴向方向相互平行，所述弯管段的一端与所述直管段相连通，所述弯管段的另一端与所述火焰筒相连通；所述轴向喷嘴设置于所述直管段中远离所述弯管段的位置处。
16.本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
17.本发明提供的一种中心分级与轴向分级耦合式燃烧室，包括火焰筒、预燃级装置、中心主燃级装置以及轴向主燃级装置，其中预燃级装置和中心主燃级装置分别设置于火焰筒的前端，且中心主燃级装置套设于预燃级装置的外侧；通过在火焰筒的周向外围设置轴向主燃级装置，且轴向主燃级装置与火焰筒相连通，从而实现中心分级与轴向分级相耦合的分级策略，可以随着工况增大依次开启各级装置。在启动点火等小工况下，只开启预燃级装置工作，预燃级装置采用扩散燃烧模式；随着工况增大，开启中心主燃级装置工作，中心主燃级装置采用预混燃烧模式，从而降低燃烧室排放水平；当工况继续增大，开启轴向主燃级装置工作，轴向主燃级装置采用预混燃烧模式，用以进一步降低燃烧室排放水平。由此，采用本发明提供的中心分级与轴向分级耦合式燃烧室，能够使各个工况下燃烧区都能维持在较为合适的当量比，从而平衡污染排放和燃烧效率，实现较好的燃烧性能，进而使燃气轮机在宽工况油气比范围内，达到高效率、低排放燃烧需求。
附图说明
18.图1是本发明实施例提供的中心分级与轴向分级耦合式燃烧室的结构示意图；
19.图2是本发明实施例提供的中心分级与轴向分级耦合式燃烧室的轴测图；
20.图3至图8是发明实施例提供的中心分级与轴向分级耦合式燃烧室的工作过程示意图；
21.图9是本发明实施例提供的中心分级与轴向分级耦合式燃烧室开启轴向主燃级装置后的火焰状态示意图；
22.图10是本发明实施例提供的中心分级与轴向分级耦合式燃烧室中轴向主燃级装置的气流角度示意图。
23.附图标记：
24.1：预燃级喷嘴；2：第一旋流叶片；3：预燃级外环；4：主燃级内环；5：集油腔；6：第二旋流叶片；9：主燃级外环；10：吹扫气孔；11：主燃级挡板；12：主燃级预混通道；13：冷却气孔；14：火焰筒；15：预燃级装置；16：中心主燃级装置；17：轴向主燃级装置；21：轴向喷嘴；
22：预混气管道；221：直管段；222：弯管段；23：静态混合器。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
26.下面结合图1至图10描述本发明的中心分级与轴向分级耦合式燃烧室的具体实施例。
27.本发明实施例的中心分级与轴向分级耦合式燃烧室，包括火焰筒14、预燃级装置15、中心主燃级装置16以及轴向主燃级装置17，其中预燃级装置15和中心主燃级装置16分别设置于火焰筒14的前端，且中心主燃级装置16套设于预燃级装置15的外侧。轴向主燃级装置17设置于火焰筒14的周向外围，且轴向主燃级装置17与火焰筒14相连通。其中，预燃级装置15采用扩散燃烧模式，中心主燃级装置16和轴向主燃级装置17均采用预混燃烧模式。
28.本发明实施例的中心分级与轴向分级耦合式燃烧室，在启动点火等小工况下，只开启预燃级装置15工作，预燃级装置15采用扩散燃烧稳定火焰；随着工况增大，开启中心主燃级装置16工作，中心主燃级装置16采用预混燃烧，从而降低燃烧室排放水平；当工况继续增大，开启轴向主燃级装置17工作，轴向主燃级装置17采用预混燃烧，从而进一步降低燃烧室排放水平。如图9所示为开启轴向主燃级装置17后燃烧室的火焰状态示意图。
29.由此，本发明实施例的中心分级与轴向分级耦合式燃烧室，采用中心分级与轴向分级相耦合的分级策略，可以随着工况增大依次开启各级装置，能够使各个工况下燃烧区都能维持在较为合适的当量比，从而平衡污染排放和燃烧效率，实现较好的燃烧性能。进一步来说，将该燃烧室应用于燃气轮机，能够使燃气轮机在宽工况油气比范围内，达到高效率、低排放燃烧需求。
30.具体来说，根据实际使用需求，轴向主燃级装置17可以设置一个或多个。
31.当轴向主燃级装置17设有多个时，多个轴向主燃级装置17呈环状均匀分布于火焰筒14的周向外围。由此，在工作时，可以根据实际工况的增大，逐次开启各个轴向主燃级装置17工作，从而使各个工况下燃烧区都能维持在较为合适的当量比，从而平衡污染排放和燃烧效率，实现较好的燃烧性能。
32.如图3-图8所示，下面以轴向主燃级装置17设有四个为例，对本实施例的中心分级与轴向分级耦合式燃烧室的工作过程进行具体描述，其中附图中的填充部分表示装置处于开启工作状态。
33.如图3所示，在启动点火等小工况下，只开启预燃级装置15工作。
34.如图4所示，随着工况增大，开启中心主燃级装置16工作，也即，此时预燃级装置15和中心主燃级装置16一同工作。
35.如图5所示，随着工况继续增大，开启一个轴向主燃级装置17工作，也即，此时预燃级装置15、中心主燃级装置16和一个轴向主燃级装置17一同工作。
36.如图6所示，随着工况继续增大，再开启一个轴向主燃级装置17工作，也即，此时预燃级装置15、中心主燃级装置16和两个轴向主燃级装置17一同工作。
37.如图7所示，随着工况继续增大，再开启一个轴向主燃级装置17工作，也即，此时预燃级装置15、中心主燃级装置16和三个轴向主燃级装置17一同工作。
38.如图8所示，随着工况继续增大，再开启一个轴向主燃级装置17工作，也即，此时预燃级装置15、中心主燃级装置16和四个轴向主燃级装置17一同工作。
39.由此，采用本发明实施例的中心分级与轴向分级耦合式燃烧室，使得在各个工况下燃烧区都能维持在较为合适的当量比，从而平衡污染排放和燃烧效率，实现较好的燃烧性能。
40.在本发明的一些实施例中，预燃级装置15包括由内至外依次设置的预燃级喷嘴1和预燃级外环3，在预燃级喷嘴1与预燃级外环3之间设有第一旋流叶片2。预燃级装置15工作时，预燃级燃料从预燃级喷嘴1喷射，与经第一旋流叶片2进入的预燃级空气混合进行扩散燃烧。
41.其中，根据实际使用需求，第一旋流叶片2可以采用单级旋流器叶片或多级旋流器叶片。
42.具体来说，在预燃级外环3的管壁中设有冷却气孔13，冷却气孔13的一端与外部相连通，冷却气孔13的另一端与火焰筒14相连通。也即，通过设置冷却气孔13，能够为预燃级外环3进行冷却降温。
43.在本发明的一些实施例中，中心主燃级装置16包括由内至外依次设置的主燃级内环4和主燃级外环9，主燃级内环4与主燃级外环9之间形成主燃级预混通道12，在主燃级预混通道12中设有第二旋流叶片6。
44.其中，根据实际使用需求，第二旋流叶片6可以采用单级旋流器叶片或多级旋流器叶片。
45.其中，主燃级内环4的管壁中设有集油腔5，集油腔5的一端与外部相连通，集油腔5的另一端通过通油孔与主燃级预混通道12相连通。
46.中心主燃级装置16工作时，主燃级燃料经过集油腔5和通油孔进入主燃级预混通道12，并与经过第二旋流叶片6进入的主燃级来流空气在主燃级预混通道12内进行充分掺混形成油气混合物，然后进入火焰筒14中进行预混燃烧。
47.具体来说，在主燃级外环9与火焰筒14的连接处设有主燃级挡板11。还可以在主燃级外环9上靠近主燃级挡板11的位置处设置多个吹扫气孔10，多个吹扫气孔10呈环状均匀分布于主燃级外环9上。各吹扫气孔10的一端分别与外部相连通，各吹扫气孔10的另一端分别与主燃级预混通道12相连通。也即，通过设置吹扫气孔10，能够对主燃级预混通道12的末端进行吹扫，从而防止主燃级预混通道12发生回火。
48.在本发明的一些实施例中，轴向主燃级装置17包括由内至外依次设置的轴向喷嘴21和预混气管道22，在预混气管道22中设有静态混合器23。轴向主燃级装置17工作时，轴向主燃级燃料经轴向喷嘴21喷射入预混气管道22内，并与预混气管道22内的空气经静态混合器23搅拌掺混，得到均匀的油气混合物，然后进入火焰筒14中预混燃烧。也即，通过在预混气管道22中设置静态混合器23，能够预混气管道22内的空气和轴向主燃级燃料在进入火焰筒14前充分掺混。
49.其中，预混气管道22包括直管段221和弯管段222，直管段221的轴向方向与火焰筒14的轴向方向相互平行，弯管段222的一端与直管段221相连通，弯管段222的另一端与火焰
筒14相连通。轴向喷嘴21设置于直管段221中远离弯管段222的位置处，通过轴向喷嘴21喷入的轴向主燃级燃料能够与进入预混气管道22中的空气经静态混合器23混合均匀后进入火焰筒14。
50.如图10所示，轴向主燃级装置17向火焰筒14内的进气方向，可以沿火焰筒14的表面法向，也可以沿与火焰筒14的表面法向成0～90
°
角切向进气，其中图10中的箭头指示进气方向。
51.具体来说，定义轴向主燃级装置17与火焰筒14相连通的轴向位置系数为：连通处的轴向位置除以火焰筒14总长度，则轴向主燃级装置17与火焰筒14相连通的轴向位置系数为0.3～0.9。
52.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
53.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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，或一体连接；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。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实施例中的具体含义。
54.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，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”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
55.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
56.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。