一种具有高稳定燃烧特性的燃气轮机燃烧室

本发明涉及燃气轮机燃烧室，特别是涉及一种具有高稳定燃烧特性的燃气轮机燃烧室，也可以称为一种燃气轮机燃烧室及调控方法。

背景技术：

1、涡管燃烧器（vortex tube combustor）是一种在圆管形燃烧室内通过布置多个燃料和氧化剂喷口，利用多股入射射流的相互作用在管内形成涡旋和回流结构以稳定火焰的先进燃烧器构型。与传统依赖旋流器或钝体稳焰的燃烧器不同，涡管燃烧器通过在管内组织特定的气流结构（如回流区、涡对或螺旋涡），使高温已燃烟气持续回流至反应区，形成热力学和流体动力学双重稳定机制，从而在无旋流器、无钝体、无凹腔的条件下实现火焰的稳定锚定。涡管燃烧器具有结构简单、火焰稳定范围宽、燃烧效率高等特点。

2、现有涡管燃烧器的研究普遍集中在上游燃烧区的火焰稳定和燃烧效率提升方面，包括多喷口布置方案优化、射流相互作用与涡结构形成的数值和实验研究、燃料/氧化剂混合特性与燃烧效率的关系研究等。这些方案的共性特点在于设计重心均置于燃烧区的组织与优化，对下游稀释段缺乏系统性考虑。部分方案虽然在管壁下游开设了少量冷却孔，但仅起基本的壁面冷却作用，并未将其作为调控出口温度场和速度场均匀性的功能段进行专门设计。

3、另一方面，燃气轮机燃烧室稀释段技术在传统旋流燃烧室领域已较为成熟，形成了以下几类主要方案：

4、（1）传统稀释孔方案。在旋流燃烧室下游壁面开设圆形稀释孔，冷却空气径向射入主流与高温燃气混合。该方案技术成熟、结构简单、可靠性高，是目前应用最广泛的稀释方式，在传统旋流燃烧室上取得了良好的工程效果。

5、（2）倾斜稀释孔方案。将稀释孔以一定倾斜角度（通常为15至20度）布置，利用倾斜入射增加混合时间和作用距离，兼顾主流混合和壁面保护。该方案混合效果优于纯径向入射，但入射角通常在设计阶段固定，难以根据不同涡管流场结构、负荷状态及涡轮进口品质要求进行适配调节。

6、（3）稀释通道方案。在燃烧室衬里上设置导流通道，控制冷却空气的入射方向和速度，可改善局部混合（参见通用电气公司欧洲专利ep3867555 b1）。

7、（4）rql（rich-quench-lean，富油-熄火-贫油）方案。在燃烧室喉部集中注入大量稀释空气实现快速熄火降温，在低nox燃烧室中应用广泛。

8、上述稀释技术在传统旋流燃烧室上均取得了良好的工程效果，但其设计依据和适用对象主要为旋流器产生的特定流场结构和温度分布特征，尚未针对涡管燃烧器内部多射流涡结构及其出口流场特征进行系统移植和适配。尤其是，现有方案通常侧重出口温度峰值控制，对出口温度场与速度场均匀性的协同调控不足。

9、综合上述现有技术可见：涡管燃烧器路线拥有优异的燃烧性能，但缺乏面向下游涡轮的完整出口品质调控设计；稀释段技术路线具有成熟的降温和掺混手段，但主要服务于传统旋流燃烧室，尚未形成与涡管燃烧技术相匹配的分层燃烧—稀释均匀化一体化方案。现有涡管燃烧器实质上仍停留在“燃烧器”层面，未能实现向具备出口温度场和速度场调控能力的“燃气轮机燃烧室”跨越。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种燃气轮机燃烧室及调控方法，以解决现有技术存在的问题，通过设置上游分层燃烧区和下游稀释区，并由燃料入口、氧化剂入口和稀释入口沿轴向依次构成三级入口系统，将涡管燃烧器从单纯的燃烧器改进为具备出口品质调控能力的燃烧器。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种燃气轮机燃烧室，包括：

3、燃烧室本体，其内部形成轴向贯通的燃烧通道，所述燃烧通道包括上游分层燃烧区和下游稀释区，所述上游分层燃烧区和所述下游稀释区沿所述燃烧通道的轴向依次分布；

4、燃料入口，其开设在所述燃烧室本体的侧壁上，并与所述上游分层燃烧区相连通，且用于向所述上游分层燃烧区内喷入燃料；

5、氧化剂入口，其开设在所述燃烧室本体的侧壁上，并与所述上游分层燃烧区相连通，且用于向所述上游分层燃烧区内喷入氧化剂，所述氧化剂入口与所述上游分层燃烧区的连通处位于所述燃料入口与所述上游分层燃烧区的连通处的下游；以及，

6、稀释入口，其开设在所述燃烧室本体的侧壁上，并与所述下游稀释区相连通，且用于向所述下游稀释区内通入稀释空气；

7、其中，所述燃料先于所述氧化剂喷入所述上游分层燃烧区内，并在所述上游分层燃烧区内燃料与氧化剂之间形成径向分层结构；所述稀释入口用于对从所述上游分层燃烧区流出的已燃气体进行掺混稀释。

8、可选的，所述燃料入口、所述氧化剂入口和所述稀释入口均至少设有一组，并沿所述燃烧通道轴向依次分布；同一组中的所述燃料入口均设有多个，并沿所述燃烧通道的周向均匀布置，同一组中的所述氧化剂入口均设有多个，并沿所述燃烧通道的周向均匀布置，同一组中的所述稀释入口均设有多个，并沿所述燃烧通道的周向均匀布置。

9、可选的，所述氧化剂入口与所述燃料入口之间的轴向间距小于所述稀释入口与所述氧化剂入口之间的轴向间距。

10、可选的，所述稀释入口的入射方向相对于所述燃烧室本体的壁面切向方向具有入射角，所述入射角能够调节，用于改变稀释空气射入所述下游稀释区后的壁面贴附能力与径向穿透能力的配比。

11、可选的，所述入射角的取值范围为0°至90°；

12、当所述入射角为0°时，稀释空气沿所述燃烧室本体的壁面切向进入所述燃烧通道，用于形成壁面冷却气膜；

13、当所述入射角为90°时，稀释空气沿所述燃烧室本体的径向进入所述燃烧通道，用于强化与高温燃气的掺混；

14、当所述入射角大于0°且小于90°时，稀释空气同时具有沿壁面切向的速度分量和沿径向的速度分量。

15、可选的，各所述稀释入口的所述入射角均相同；或者，至少两个所述稀释入口的所述入射角不同，用于沿所述燃烧室本体的周向形成不同的稀释空气射流方向，适配非均匀出口温度场的调控需求。

16、可选的，各所述稀释入口处设有导流片，所述导流片通过转轴可转动地连接于所述燃烧室本体，且所述导流片至少部分位于所述稀释入口内，用于通过转动改变稀释空气进入所述燃烧通道的入射方向。

17、可选的，各所述稀释入口的所述入射角为预设的固定角度，且各所述稀释入口在所述燃烧室本体上以各自预设的所述入射角开设。

18、可选的，所述燃料入口、所述氧化剂入口和所述稀释入口均为沿所述燃烧室本体的轴向延伸的缝隙状结构。

19、还提供一种应用如上述的燃气轮机燃烧室的调控方法，包括以下步骤：

20、向燃料入口通入燃料，同时向氧化剂入口通入氧化剂，在上游分层燃烧区内形成分层燃烧，产生高温已燃气体；

21、向稀释入口通入稀释空气，使高温已燃气体在下游稀释区内与稀释空气掺混降温；

22、调节稀释入口的入射方向，用于控制高温已燃气体与稀释空气的掺混程度，从而调控燃烧室出口的温度场和速度场。

23、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

24、本发明公开的燃气轮机燃烧室，通过沿轴向依次设置燃料入口、氧化剂入口和稀释入口，使燃料和氧化剂先后进入上游分层燃烧区形成分层燃烧，产生的高温已燃气体随后流入下游稀释区，由稀释入口通入的稀释空气对已燃气体进行掺混降温和均匀化处理，燃料入口、氧化剂入口和稀释入口共同构成三级入口系统，上游分层燃烧区负责将燃料化学能转化为热能，产生高温已燃烟气，下游稀释区负责对烟气进行降温与均温处理，两个功能段在燃烧室轴向上依次衔接，各自完成燃气轮机燃烧室所需功能的一部分，组合后构成完整的燃烧室工作流程，使涡管燃烧器具备了出口流场品质调控能力。以解决现有涡管燃烧器虽燃烧性能优异，但缺乏对出口温度场和速度场的调控能力，无法满足下游涡轮进口品质要求的问题。