一种微预混式燃气轮机燃烧室

1.本发明涉及燃气轮机燃烧室技术领域，尤其是一种微预混式燃气轮机燃烧室。


背景技术：

2.燃气轮机因其高效清洁特性已经成为工业生产中不可或缺的动力来源，随着技术迭代更新，燃气轮机不断朝着更高效率以及更宽负荷调节范围方向发展，而提高循环效率的方法主要是通过提高燃烧温度和压力实现，与此相矛盾的是，随着燃烧温度和压力的升高，使得氮氧化物的生成量快速增加，因此，如何在宽负荷工况范围内实现稳定、低排放燃烧是燃气轮机燃烧室的重要性能目标。
3.现有燃机燃机大都采用干式低氮氧化物(dry low nox，dln)燃烧技术的燃烧器，此类燃烧器主要采用将过量空气和燃料混合成贫预混气体，从而抑制氮氧化物的生成，但燃机发展到j级，其温度水平已经接近dln有效工作范围(1670-1900k)的临界值，若温度进一步升高，一方面即使空气和燃料实现完全预混，氮氧化物排放也将会大幅度增加，另一方面采用常规旋流预混燃烧方式，则存在回火、自点火、热声振荡等风险，因此干式低氮氧化物(dry low nox，dln)燃烧技术已无法满足燃气轮机发展，此背景下微混燃烧技术应运而生。
4.申请号为202010772045 .6和202021949562 .8两篇发明专利提出了一种微预混燃烧室结构，该结构燃烧器主体都采用值班级和主燃级分级燃烧技术，但是两级空气供给没有独立，由于主燃级喷嘴微预混管束围绕着值班级喷嘴微预混管束空间布置方式，导致主燃级和值班级空气供给相互影响，实际流量分配偏离设计值，从而使得燃烧器性能下降，无法实现宽范围工况下稳定、低排放的燃烧性能需求。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足提供一种能够提高燃烧器性能，实现宽范围工况下稳定、低排放的燃烧性能需求的燃气轮机微混燃烧室。
6.本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，本发明是一种微预混式燃气轮机燃烧室，其特点是，包括外壳体，外壳体内设有内腔，内腔内安装有燃烧装置，所述燃烧装置外壁与外壳体内壁之间构成空气进气腔，外壳体上设有与空气进气腔相通的空气进气口；所述燃烧装置包括燃烧器和火焰筒，所述燃烧器上设有喷嘴管束区，喷嘴管束区包括设置在中间的值班级喷嘴管束区和设置在值班级喷嘴管束区外周的主燃级喷嘴管束区，火焰筒上设置有上口和下口，火焰筒的上口设置在喷嘴管束区的外周，外壳体上设有与火焰筒下口相通的烟气出口；所述喷嘴管束区的外周设有包裹喷嘴管束区的配气腔，配气腔内的管束上设有进气孔，所述燃烧装置和外壳体之间设有配气系统，所述配气系统包括设置在空气进气腔内的配气隔板，配气隔板将空气进气腔分为内进气通道和外进气通道，内进气通道与配气腔相通；所述燃烧器的前端设有端盖，端盖上表面放射性设有若干个提高外进气通道气流强
度的径向旋流叶片；所述值班级喷嘴管束区与主燃级喷嘴管束区之间设有与外进气通道相通的值班级进气通道，值班级进气通道与配气腔相通，所述值班级进气通道内设有若干个提高值班级进气通道气流强度的轴向旋流叶片；所述燃烧器在正对喷嘴管束区的方向设有燃料供给区，所述燃料供给区包括向值班级喷嘴管束区提供燃料的值班级燃料腔以及向主燃级喷嘴管束区提供燃料的主燃级燃料腔，所述值班级燃料腔内安装有值班级燃料管，主燃级燃料腔内安装有主燃级燃料管。
7.本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述喷嘴管束区内喷嘴管束的内径为5～12mm。
8.本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述值班级燃料管设有1根，所述主燃级燃料管至少设有2根。
9.本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述火焰筒在与值班级喷嘴管束区相通区域形成值班级燃烧区，与主燃级喷嘴管束区相通的区域形成主燃级燃烧区。
10.本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述空气进气口设置在外壳体上靠近烟气出口端。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）相比传统燃烧器，该燃烧器喷嘴管束相对独立，主燃级喷嘴管束围绕值班级喷嘴管束设置，根据负荷需求进行模块化阵列扩展，有较好的扩展性。
12.（2）喷嘴管束的内径均为毫米级设置，通过将燃料和空气在毫米尺度混合，从而可以获得相对传统旋流预混燃烧器更加均匀的燃料和空气预混气，能够降低燃烧过程中的峰值火焰温度，从而实现更优的氮氧化物减排效果；且喷嘴管束内流速较高，可有效避免回火问题，缩短高温烟气驻留时间，降低氮氧化物排放。
13.（3）通过设置以阵列形式分布的喷嘴管束，因此喷出的火焰在径向相对分散，放热相对均匀，同时各主喷嘴微混管可采用不同结构方案，实现固有频率差异，减小了热声耦合几率，可有效避免燃烧不稳定问题。
14.（4）值班级和主燃级设置独立的内外进气通道，有利于降低两级间相互干扰，使得两级实际空气流量分配符合设计值，从而保证燃烧器燃烧性能。
15.（5）通过在燃烧器的前端盖设置径向旋流叶片以及在值班级进气通道内设置轴向旋流叶片，提高了空气湍流强度，既有利于燃空混合，又可以拓宽燃烧器的火焰稳定性，提高值班喷嘴的点火和传焰性能。
附图说明
16.图1为本发明主剖视结构原理示意图；图2为本发明结构示意图；图3为燃烧器剖面示意图；图4为燃烧器三维半剖示图；图5为喷嘴管束区俯视剖视结构示意图；图6为主燃级喷嘴管结构示意图；图7为值班级喷嘴管结构示意图。
17.图中：1、外壳体；2、内腔；3、燃烧器；4、火焰筒；21、空气进气管路；22、空气流向；23、空气进气腔；24、燃烧区；31、主燃级燃料管；32、值班级燃料管；33、主燃级喷嘴管束区；33a、主燃级喷嘴管进气孔；33b、主燃级喷嘴管燃料入口；33c、主燃级喷嘴管燃料出口；34、值班级喷嘴管束区；34a、值班级喷嘴管进气孔；34b、值班级喷嘴管燃料入口；34 c、值班级喷嘴管燃料出口；35、主燃级燃料腔；36、值班级燃料腔；37、外进气通道；38、内进气通道；39、配气隔板；310、燃气流向；311、径向旋流叶片；312、轴向旋流叶片；313、配气腔； 314、分隔板；315、预混气流向。
具体实施方式
18.以下进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。
19.参照图1-图7，一种微预混式燃气轮机燃烧室，包括外壳体，外壳体内设有内腔，内腔内安装有燃烧装置，所述燃烧装置外壁与外壳体内壁之间构成空气进气腔，外壳体上设有与空气进气腔相通的空气进气口；所述燃烧装置包括燃烧器和火焰筒，所述燃烧器上设有喷嘴管束区，喷嘴管束区包括设置在中间的值班级喷嘴管束区和设置在值班级喷嘴管束区外周的主燃级喷嘴管束区，火焰筒上设置有上口和下口，火焰筒的上口设置在喷嘴管束区的外周，外壳体上设有与火焰筒下口相通的烟气出口；所述喷嘴管束区的外周设有包裹喷嘴管束区的配气腔，配气腔内的管束上设有进气孔，所述燃烧装置和外壳体之间设有配气系统，所述配气系统包括设置在空气进气腔内的配气隔板，配气隔板将空气进气腔分为内进气通道和外进气通道，内进气通道与配气腔相通；所述燃烧器的前端设有端盖，端盖上表面放射性设有若干个提高外进气通道气流强度的径向旋流叶片；所述值班级喷嘴管束区与主燃级喷嘴管束区之间设有与外进气通道相通的值班级进气通道，值班级进气通道与配气腔相通，所述值班级进气通道内设有若干个提高值班级进气通道气流强度的轴向旋流叶片；所述燃烧器在正对喷嘴管束区的方向设有燃料供给区，所述燃料供给区包括向值班级喷嘴管束区提供燃料的值班级燃料腔以及向主燃级喷嘴管束区提供燃料的主燃级燃料腔，所述值班级燃料腔内安装有值班级燃料管，主燃级燃料腔内安装有主燃级燃料管。
20.所述喷嘴管束区内喷嘴管束的内径为5～12mm。
21.所述值班级燃料管设有1根，所述主燃级燃料管至少设有2根。
22.所述火焰筒在与值班级喷嘴管束区相通区域形成值班级燃烧区，与主燃级喷嘴管束区相通的区域形成主燃级燃烧区。
23.所述空气进气口设置在外壳体上靠近烟气出口端。
24.如图2所示，本实施例的燃烧室包括燃烧器3，设置于内腔2的前端，并与火焰筒4相连共同设置于外壳体1内；外壳体1与燃烧装置之间形成空气进气腔23，外壳体1底部开设有空气进气口21，压缩空气经空气进气口21流入外壳体1内，并沿空气进气腔23向上游流动，经配气隔板 39分流成内进气通道38和外进气通道37，分别流入主燃级喷嘴管束区33和值班级喷嘴管束区34的配气腔313内。
25.如图3-5所示，燃烧器3采用主燃级和值班级分级燃烧模式，燃烧器3前端设置有两个主燃级燃料管31和一个值班级燃料管32，其中主燃级燃料管31对称分布，值班级燃料管
32处于燃烧器3的中心线上。燃料供给区和配气腔之间用分隔板314将空气和燃料相互隔离。燃烧器后端在喷嘴管束出口位置设有端盖，将配气腔313和火焰筒的燃烧区24隔离。
26.燃料进入燃料管后，沿着燃料流向310分别流入主燃级燃料腔35和值班级燃料腔36，燃料流入燃料腔后均匀散开，随后经主燃级喷嘴管束燃料入口33b和值班级喷嘴管束入口34b分别流入主燃级喷嘴管束区33和值班级喷嘴管束区34。内进气通道内的空气经主燃级喷嘴管进气孔33a进入主燃级喷嘴管束区33；燃烧器前端盖上设置径向旋流叶片311，值班级进气通道内设置轴向旋流叶片312，压缩空气经配气隔板 进入外进气通道37后，先后流经径向旋流叶片311和轴向旋流叶片312，最后从值班级喷嘴管进气孔34a进入值班级喷嘴管束区34，如上所述，值班级和主燃级空气供给相互对立，有利于两级间空气流量分配的控制，因此主燃级和值班级空气流量实际值与设计值更加吻合，从而保证了燃烧室燃烧性能，此外，燃烧器上设置的径向旋流叶片和轴向旋流叶片，大大提高了空气湍流强度，既有利于燃空混合，又可以拓宽燃烧器的火焰稳定性，提高值班喷嘴的点火和传焰性能。
27.主燃级喷嘴管束区33包括若干个主燃级喷嘴管，层数优选3～8层，本实施例中为3层，且每层数量相等，交错排列，以此减小外层管束进气对内层管束进气的影响。值班级喷嘴管束区34包括若干个值班级喷嘴管，层数优选1～2层；本实施例中为2层，且每层数量相等，交错排列，以此减小外层管束进气对内层管束进气的影响。此外，主燃级喷嘴管围绕在值班级喷嘴管周围，将其360
°
包围，有利于传焰和稳焰。
28.如图6-图7所示，主燃级喷嘴管和值班级喷嘴管采用相同的结构，燃料入口皆位于喷嘴管端部，与燃料供给腔相连通；进气孔采用圆形孔结构，在喷嘴管的侧壁上沿轴向位置开设有两排进气孔，且主燃级喷嘴管进气孔33a和值班级喷嘴管进气孔34a的水平位置相同，空气和燃料的混合后沿着预混合气流向315从值班级喷嘴管燃料出口34 c和主燃级喷嘴管燃料出口33c喷入火焰筒内燃烧。
29.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。