[發明專利]燃氣輪機燃燒室頭部結構及其燃燒組織方法

有效

• 申請號: 201410727467.6
• 申請日: 2014-12-03
• 公開（公告）號: CN104566476B
• 公開（公告）日: 2018-03-23
• 發明（設計）人: 方子文;呂煊;李珊珊;張永良;陳偉
• 申請（專利權）人: 北京華清燃氣輪機與煤氣化聯合循環工程技術有限公司
• 主分類號: F23R3/42
• 分類號: F23R3/42
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司11002
• 代理人: 湯財寶

技術領域

本發明涉及燃氣輪機燃燒室技術領域，特別是涉及一種燃氣輪機燃燒室頭部結構及其燃燒組織方法。

背景技術

對于工業重型燃氣輪機而言，數十年間發展目標始終為更高的燃燒室出口平均溫度(標定燃氣輪機技術等級)以及更低污染物排放；上述技術指標與燃燒室緊密相關且自身互相矛盾，更高的燃燒室出口平均溫度意味著更多燃料參與燃燒過程，燃燒室內平均溫度更高，而作為燃燒室主要污染物的氮氧化物與燃燒室內部熱力過程密切相關。燃氣輪機燃燒室的基本功能為在有限空間內高強度的通過組織燃料與空氣流動并發生化學反應，將燃料中化學能轉化為燃氣中熱能從而推動透平做功。其核心為湍流混合過程與化學反應動力過程的交互作用。現有燃燒室采用旋流預混結構，隨著燃燒室平均出口溫度的進一步升高，該種燃燒室頭部結構對于控制燃燒室氮氧化物排放作用有限。比較國際上20世紀90年代與現在最新的燃燒室產品可知，其出口平均溫度增加約200℃，雖然燃燒室經過一系列優化與改進，然而其氮氧化物的排放水平持平甚至略有升高，這說明了目前燃燒室設計結構針對未來更高參數燃燒室時，其潛力有限，面臨著不能滿足排放標準的風險。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明的目的是提供一種燃氣輪機燃燒室頭部結構及其燃燒組織方法，解決現有技術的燃燒室氮氧化物超標，不適用于更高參數燃燒室的技術問題。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供一種燃氣輪機燃燒室頭部結構，包括頭部端板、中心旋流噴嘴模塊、多個高速射流噴嘴模塊和多個低速射流噴嘴模塊，所述中心旋流噴嘴模塊安裝在所述頭部端板上；多個所述高速射流噴嘴模塊和多個所述低速射流噴嘴模塊安裝在所述中心旋流噴嘴模塊的周圍，形成一個內噴嘴圈和一個外噴嘴圈。

其中，多個所述高速射流噴嘴模塊均勻排列形成所述外噴嘴圈；多個所述低速射流噴嘴模塊均勻排列形成所述內噴嘴圈。

其中，所述內噴嘴圈和外噴嘴圈均由多個所述高速射流噴嘴模塊和多個所述低速射流噴嘴模塊交錯均勻排列而成。

其中，每個所述高速射流噴嘴模塊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與所述高速射流燃料管連接，所述高速射流筒的前端設有第一出口擋板，所述高速射流筒中設有第一入口擋板；所述第一入口擋板將所述高速射流筒分成第一前腔室和第一后腔室；所述第一出口擋板設有第一燃料噴射孔和第一空氣噴射孔；所述第一燃料噴射孔通過第一小燃料管與第一后腔室連通；所述第一前腔室的側壁設有第一空氣入口；

每個所述低速射流噴嘴模塊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與所述低速射流燃料管連接；所述低速射流筒的前端設有第二出口擋板，所述低速射流筒中設有第二入口擋板；所述第二入口擋板將所述低速射流筒分成第二前腔室和第二后腔室；所述第二出口擋板設有第二燃料噴射孔和第二空氣噴射孔；所述第二燃料噴射孔通過第二小燃料管與第二后腔室連通；所述第二前腔室的側壁設有第二空氣入口；

所述第一空氣入口的總面積大于第二空氣入口的總面積。

其中，所述高速射流噴嘴模塊的平均當量比為0.3～0.6；所述低速射流噴嘴模塊的平均當量比為0.5～1.0。

其中，所述高速射流筒的內徑和低速射流筒的內徑均為4～12cm；所述第一燃料噴射孔和第一空氣噴射孔的直徑均為1～1.5mm；所述第二燃料噴射孔和第二空氣噴射孔的直徑均為2～3mm。

其中，所述高速射流噴嘴模塊的平均當量比為0.45～0.55，所述低速射流噴嘴模塊的平均當量比為0.65～0.75。

其中，所述中心旋流噴嘴模塊包括中心旋流筒、中心旋流燃料管和多個旋流葉片，所述中心旋流燃料管設置在所述中心旋流筒的中心；多個所述旋流葉片安裝在所述中心旋流燃料管與中心旋流筒的內壁之間；每個所述旋流葉片設有多個旋流燃氣噴孔，所述旋流燃氣噴孔與中心旋流燃料管連通。

其中，所述中心旋流燃料管的前端設有堵頭，其后端設有燃料接頭；所述燃料接頭設有第一旋流供氣孔和第二旋流供氣孔；所述第一旋流供氣孔與中心旋流燃料管連通；所述堵頭上設有堵頭噴孔，所述堵頭噴孔通過中心內部空氣管與第二旋流供氣孔連通。

本發明還提供一種使用上述所述的燃氣輪機燃燒室頭部結構的燃燒組織方法，其特征在于，向中心旋流噴嘴模塊通入燃料，建立旋流穩定火焰；向高速射流噴嘴模塊和低速射流噴嘴模塊通入燃料，建立渦結構穩定火焰；控制高速射流噴嘴模塊的平均速度為250～350m/s，控制低速射流噴組模塊的平均速度為100～150m/s。