[发明专利]一种用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器

说明书

一种用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器，包括自下而上连接贯通的缓冲腔、预混进气管和火焰筒，空气经燃烧器底部进入缓冲腔，预混进气管中设置有主燃料喷管和低旋流燃烧器，主燃料喷管通过中心输气管连接主燃料，低旋流燃烧器位于主燃料喷管上方，贫燃直喷管沿轴向设置于预混进气管和缓冲腔中，其底端连接值班燃料，顶端高于低旋流燃烧器并朝向火焰筒，预混气经低旋流燃烧器的旋流通道和直流通道与从贫燃直喷管下游喷出的值班燃料混合燃烧。本发明在增大叶片几何角和孔板阻塞比的同时保证了弱旋流流场，并提高了燃料/空气的预混均匀性，降低NOx的形成，降低自燃、回火、贫燃熄火、燃烧振荡出现的风险，提高燃烧效率，适用于多种燃烧模式。

技术领域

本发明属于燃气轮机结构设计技术领域，特别涉及一种用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器。

背景技术

燃气轮机作为最先进的热功转换装置，已经在世界范围的能源动力和电力系统中发挥了不可或缺的重要作用。为了使燃气轮机稳定工作，作为燃气轮机三大核心部件之一的燃烧室广泛采用强旋流实现火焰稳定，在主燃区形成中心回流区，为新鲜混气燃烧提供持续的点火源，保证了燃烧室的稳定工作范围，但所产生的大尺度湍流结构也降低了容积释热率。而且在强旋流作用下贫油预混火焰容易产生振荡燃烧，当振荡达到一定振幅时会影响发动机运转，甚至导致燃烧室和涡轮等严重损坏。同时，强旋流延长了混气在高温区内的停留时间，导致污染物尤其是热力型NOx排放量大大增加。

低旋流燃烧技术(旋流数一般在0.4到0.55之间)规避了传统的依靠回流区实现火焰稳定的方式，在精心组织的旋流强度下组织燃烧，在混合均匀的条件下具有高的容积释热率。同时低旋流燃烧器下游会形成速度持续衰减的扩张流，流场中不存在强剪切区域，无回流区，能有效抑制振荡燃烧，火焰稳定性大大增强，且火焰温度低，因而在基本不增加CO的情况下具有极低的NOx排放能力。低旋流火焰也是一种抬升火焰，可以减弱对壁面的传热，所以外壁温度较低，降低了燃烧器对材料的要求。湍流火焰刷的位置可根据来流速度自适应调节，有助于避免回火和贫油熄火问题。同时低旋流燃烧的流动、燃烧具有自相似的特性，可以燃烧氢气、甲烷等不同组分气体燃料。而且结构简单，比较容易与现有的燃气轮机技术相结合，不需要全面地重新设计燃气轮机。但燃料/空气在低旋流喷嘴内的掺混受到旋流/直流通量比例以及外环气流剪切强度的共同影响，通过增大孔板阻塞比或叶片几何角的方式能够强化旋流作用，进而提高燃料/空气的预混均匀性，降低污染物的排放。但需要注意的是，由于弱旋流燃烧是依靠中心速度衰减的发散流场，而不是回流区来稳焰的，如果中心直流通量不足，弱旋流流场可能会逐步向传统的强旋流结构转变，超出临界条件后，喷嘴出口不再形成稳定的脱体火焰，从而失去弱旋流燃烧的相关优势。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器，在燃气轮机上利用将值班燃料直接喷射燃烧技术，通过间接增加直流通道截面积，进而增加燃料直流通量，可在合理增大叶片几何角和孔板阻塞比的同时，消除中心直流通量不足的风险，保证了弱旋流流场并强化了旋流作用，提高了燃料、空气的预混均匀性，降低NOx排放。而且这种贫燃直喷燃烧方式采用多点直接喷射把燃料喷入燃烧室内，与空气强烈混合与燃烧，由于多点喷射可大大增加燃料与空气接触面积，促使燃料与空气快速混合形成均匀贫燃混气进行燃烧，消除局部过热点，降低燃气温度，从而进一步抑制NOx的排放，并且燃料是直接喷射入火焰区，因此不会出现自燃和回火问题，降低了燃烧不稳定性出现的风险，使得排放和燃烧稳定性都能够满足要求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于燃气轮机低排放的低旋流直喷燃烧器，包括自下而上连接贯通的缓冲腔1、预混进气管7和火焰筒16，空气经燃烧器底部进入缓冲腔1，其特征在于，所述预混进气管7中设置有主燃料喷管4和低旋流燃烧器12，主燃料喷管4通过中心输气管2连接主燃料，低旋流燃烧器12位于主燃料喷管4上方，贫燃直喷管13沿轴向设置于预混进气管7和缓冲腔1中，其底端连接值班燃料，顶端高于低旋流燃烧器12并朝向火焰筒16。