燃气轮机燃烧室头部结构及其燃烧组织方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃气轮机燃烧室技术领域，特别是涉及一种燃气轮机燃烧室头部结构及其燃烧组织方法。
【背景技术】
[0002]对于工业重型燃气轮机而言，数十年间发展目标始终为更高的燃烧室出口平均温度(标定燃气轮机技术等级)以及更低污染物排放；上述技术指标与燃烧室紧密相关且自身互相矛盾，更高的燃烧室出口平均温度意味着更多燃料参与燃烧过程，燃烧室内平均温度更高，而作为燃烧室主要污染物的氮氧化物与燃烧室内部热力过程密切相关。燃气轮机燃烧室的基本功能为在有限空间内高强度的通过组织燃料与空气流动并发生化学反应，将燃料中化学能转化为燃气中热能从而推动透平做功。其核心为湍流混合过程与化学反应动力过程的交互作用。现有燃烧室采用旋流预混结构，随着燃烧室平均出口温度的进一步升高，该种燃烧室头部结构对于控制燃烧室氮氧化物排放作用有限。比较国际上20世纪90年代与现在最新的燃烧室产品可知，其出口平均温度增加约200°C，虽然燃烧室经过一系列优化与改进，然而其氮氧化物的排放水平持平甚至略有升高，这说明了目前燃烧室设计结构针对未来更高参数燃烧室时，其潜力有限，面临着不能满足排放标准的风险。
【发明内容】
[0003](一 )要解决的技术问题
[0004]本发明的目的是提供一种燃气轮机燃烧室头部结构及其燃烧组织方法，解决现有技术的燃烧室氮氧化物超标，不适用于更高参数燃烧室的技术问题。
[0005]( 二)技术方案
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提供一种燃气轮机燃烧室头部结构，包括头部端板、中心旋流喷嘴模块、多个高速射流喷嘴模块和多个低速射流喷嘴模块，所述中心旋流喷嘴模块安装在所述头部端板上；多个所述高速射流喷嘴模块和多个所述低速射流喷嘴模块安装在所述中心旋流喷嘴模块的周围，形成一个内喷嘴圈和一个外喷嘴圈。
[0007]其中，多个所述高速射流喷嘴模块均匀排列形成所述外喷嘴圈；多个所述低速射流喷嘴模块均匀排列形成所述内喷嘴圈。
[0008]其中，所述内喷嘴圈和外喷嘴圈均由多个所述高速射流喷嘴模块和多个所述低速射流喷嘴模块交错均匀排列而成。
[0009]其中，每个所述高速射流喷嘴模块包括高速射流筒和高速射流燃料管，所述高速射流筒的后端与所述高速射流燃料管连接，所述高速射流筒的前端设有第一出口挡板，所述高速射流筒中设有第一入口挡板；所述第一入口挡板将所述高速射流筒分成第一前腔室和第一后腔室；所述第一出口挡板设有第一燃料喷射孔和第一空气喷射孔；所述第一燃料喷射孔通过第一小燃料管与第一后腔室连通；所述第一前腔室的侧壁设有第一空气入口 ；
[0010]每个所述低速射流喷嘴模块包括低速射流筒和低速射流燃料管，所述低速射流筒的后端与所述低速射流燃料管连接；所述低速射流筒的前端设有第二出口挡板，所述低速射流筒中设有第二入口挡板；所述第二入口挡板将所述低速射流筒分成第二前腔室和第二后腔室；所述第二出口挡板设有第二燃料喷射孔和第二空气喷射孔；所述第二燃料喷射孔通过第二小燃料管与第二后腔室连通；所述第二前腔室的侧壁设有第二空气入口 ；
[0011 ] 所述第一空气入口的总面积大于第二空气入口的总面积。
[0012]其中，所述高速射流喷嘴模块的平均当量比为0.3?0.6 ;所述低速射流喷嘴模块的平均当量比为0.5?1.0。
[0013]其中，所述高速射流筒的内径和低速射流筒的内径均为4?12cm ;所述第一燃料喷射孔和第一空气喷射孔的直径均为I?1.5mm ;所述第二燃料喷射孔和第二空气喷射孔的直径均为2?3mm。
[0014]其中，所述高速射流喷嘴模块的平均当量比为0.45?0.55，所述低速射流喷嘴模块的平均当量比为0.65?0.75。
[0015]其中，所述中心旋流喷嘴模块包括中心旋流筒、中心旋流燃料管和多个旋流叶片，所述中心旋流燃料管设置在所述中心旋流筒的中心；多个所述旋流叶片安装在所述中心旋流燃料管与中心旋流筒的内壁之间；每个所述旋流叶片设有多个旋流燃气喷孔，所述旋流燃气喷孔与中心旋流燃料管连通。
[0016]其中，所述中心旋流燃料管的前端设有堵头，其后端设有燃料接头；所述燃料接头设有第一旋流供气孔和第二旋流供气孔；所述第一旋流供气孔与中心旋流燃料管连通；所述堵头上设有堵头喷孔，所述堵头喷孔通过中心内部空气管与第二旋流供气孔连通。
[0017]本发明还提供一种使用上述所述的燃气轮机燃烧室头部结构的燃烧组织方法，其特征在于，向中心旋流喷嘴模块通入燃料，建立旋流稳定火焰；向高速射流喷嘴模块和低速射流喷嘴模块通入燃料，建立涡结构稳定火焰；控制高速射流喷嘴模块的平均速度为250?350m/s，控制低速射流喷组模块的平均速度为100?150m/s。
[0018](三)有益效果
[0019]本发明提供的燃气轮机燃烧室头部结构及其燃烧组织方法，采用多个高速射流喷嘴和低速射流喷嘴模块，在喷嘴模块间通过剪切作用形成稳定的回流区进而形成火焰稳定区/点火区；燃料空气高速射流进入反应区，在反应区完成掺混燃烧，高速射流区域会卷吸已燃烟气至低速射流区域，从而利用高速射流区域的烟气(惰性物质)对低速区进行稀释，形成局部不断“熄灭-再燃”的分布式火焰，在更高出口平均温度下降低火焰峰值温度，从而控制燃烧室的污染物排放。除此之外，燃料喷射与空气喷射在每个喷嘴模块中分开，燃烧区远离头部罩帽区域，节省了头部罩帽部分的冷却结构设计，节约冷却面积，保证更多空气可以参与燃烧，满足更高等级燃烧室需求。燃料喷射与空气喷射在每个喷嘴模块中分开，在喷嘴模块下游需要一定的区域进行掺混，减小回火发生的可能性。本发明属于极弱旋流燃烧室设计，只有中间旋流喷嘴模块的火焰有旋流，周围喷嘴模块完全没有旋流，对透平冷却设计负荷较小，有利于透平工作在更高参数下。
【附图说明】
[0020]图1为本发明实施例1燃气轮机燃烧室头部结构的立体结构图；
[0021]图2为本发明实施例1燃气轮机燃烧室头部结构的前端面结构示意图及燃烧示意图；
[0022]图3为本发明实施例1燃气轮机燃烧室头部结构的高速射流喷嘴模块立体结构图；
[0023]图4为本发明实施例1燃气轮机燃烧室头部结构的高速射流喷嘴模块剖视图；
[0024]图5为本发明实施例1燃气轮机燃烧室头部结构的低速射流喷嘴模块剖视图；
[0025]图6为本发明实施例1燃气轮机燃烧室头部结构的中心旋流喷嘴模块剖视图；
[0026]图7为本发明实施例2燃气轮机燃烧室头部结构的前端面结构示意图及燃烧示意图。
[0027]图中，1:头部端板；10:中心旋流喷嘴模块；11:高速射流喷嘴模块；12:低速射流喷嘴模块；100:中心旋流筒；101:中心旋流燃料管；102:旋流叶片；103:旋流燃料喷孔；104:燃料接头；105:第一旋流供气孔；106:第二旋流供气孔；107:堵头；108:堵头喷孔；109:中心内部空气管；110:高速射流筒；111:第一空气入口 ；112:高速射流燃料管；113:第一入口挡板；114:第一小燃料管道；115:第一出口挡板；116:第一燃料喷射孔；117