分级驻涡环形燃烧室

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分级驻涡环形燃烧室
申请号	CN201310086067.7	申请日	2013-03-18	公开(公告)号	CN103196159B	公开(公告)日	2015-03-11
申请人	哈尔滨工程大学;			发明人	张智博; 郑洪涛; 陈曦; 刘倩; 潘刚; 潘福敏;
摘要	本发明的目的在于提供分级驻涡环形燃烧室，包括外机匣和内机匣，外机匣和内机匣均为具有大口端和小口端的环形结构，外机匣的内壁和内机匣的内壁形成火焰筒，外机匣的大口端和内机匣的大口端构成燃烧室出口，外机匣的小口端和内机匣的小口端构成空气进口，火焰筒里安装燃烧头部，燃烧头部包括燃油喷嘴和三级轴向旋流器，外机匣上设置燃油导管进口，燃油导管进口连通燃油喷嘴，火焰筒上设置主燃孔、掺混孔、冷却多斜孔，主燃孔位于在燃油喷嘴下游位置，主燃孔的中心线与火焰筒圆周切线的倾角为15°-75°。本发明比常规环形燃烧室更适合于高速度旋流进口条件下的燃烧，产生了多重驻涡效果，能提高火焰稳定性，拓展了稳定燃烧工作范围。
权利要求	1.分级驻涡环形燃烧室，其特征是：包括外机匣和内机匣，外机匣和内机匣均为具有大口端和小口端的环形结构，外机匣的内壁和内机匣的内壁形成火焰筒，外机匣的大口端和内机匣的大口端构成燃烧室出口，外机匣的小口端和内机匣的小口端构成空气进口，火焰筒里安装燃烧头部，燃烧头部包括燃油喷嘴和三级轴向旋流器，外机匣上设置燃油导管进口，燃油导管进口连通燃油喷嘴，火焰筒上设置主燃孔、掺混孔、冷却多斜孔，主燃孔位于在燃油喷嘴下游位置，主燃孔的中心线与火焰筒圆周切线的倾角为15°-75°；所述的三级轴向旋流器包括一二级轮毂和三级轮毂，一二级轮毂安装在三级轮毂上，一二级轮毂上安装内级旋流叶片和中间级旋流叶片，内级旋流叶片位于中间级旋流叶片里，三级轮毂上安装外级旋流叶片，三级轮毂里设置内级文氏管和中间级文氏管，内级旋流叶片连接内级文氏管，中间级旋流叶片连接中间级文氏管，内级文氏管位于中间级文氏管里。 2.根据权利要求1所述的分级驻涡环形燃烧室，其特征是：掺混孔位于燃烧室出口前的位置，数量为10-100个，掺混孔的中心线与燃烧头部之间的倾角为15°-75°。 3.根据权利要求1或2所述的分级驻涡环形燃烧室，其特征是：冷却多斜孔孔径大小为0.5-1.2mm，单位面积火焰筒壁上开孔个数为3000-12000，冷却多斜孔和主燃孔之间有 0°-90°的偏角，冷却多斜孔的中心线与燃烧头部之间的倾角为20°-60°。 4.根据权利要求1或2所述的分级驻涡环形燃烧室，其特征是：空气进口处设置扩压器，燃油喷嘴位于三级轴向旋流器前，气流从空气进口经扩压器进入燃烧头部，2％-20％的气量从三级轴向旋流器进入火焰筒，2％-25％的气量从主燃孔进入火焰筒，20％-70％的气量从掺混孔进入火焰筒，20％-60％的气量从冷却多斜孔进入火焰筒。 5.根据权利要求3所述的分级驻涡环形燃烧室，其特征是：空气进口处设置扩压器，燃油喷嘴位于三级轴向旋流器前，气流从空气进口经扩压器进入燃烧头部，2％-20％的气量从三级轴向旋流器进入火焰筒，2％-25％的气量从主燃孔进入火焰筒，20％-70％的气量从掺混孔进入火焰筒，20％-60％的气量从冷却多斜孔进入火焰筒。
说明书全文	分级驻涡环形燃烧室技术领域 [0001] 本发明涉及的是一种燃气轮机，具体地说是燃气轮机的燃烧室。背景技术 [0002] 燃气轮机是一种典型的常规燃料动力装置。它具有体积小、功率大、重量轻和启动快等特点，被广泛应用在航空、电力、船舶和天然气输送等工业核心领域中。因此，对常规燃机应用技术进行技术改造和性能优化，成为解决能源危机和环境污染问题的重要课题。化学回热循环是一种先进的燃蒸联合循环方式。它主要利用燃机排气的低端余热产生过热蒸气，利用高端余热来促使部分燃油-蒸汽在催化剂作用下裂解生成甲烷、氢气和一氧化碳等高热值气态燃料，从而提高燃料的平均燃烧低热值。化学回热循环燃气轮机(CRGT)的工作方式决定其燃烧室入口经常具有较高的气流速度，因此，要求化学回热燃气轮机燃烧室能够具有宽广的稳定工作范围。 [0003] 国外目前已有的具有宽广工作范围的先进燃烧技术主要有VRT（Variable Residebce Time）、UCC（Ultra-Compact）和TVC（Trapped Vortex Combustor）几种类型。 [0004] VRT燃烧技术在全环形燃烧室中加大切向进气速度，让所有空气与燃油均切向进入环形火焰筒以加强沿周向的旋流。周向旋流使喷嘴注入的燃油中较大油滴在离心力作用下，沿火焰筒外层圆周旋转，有较长时间进行蒸发掺混，直到燃烧殆尽或被更大油滴代替位置而进入内层燃烧，而较轻油雾则保持在内层圆周燃烧。对于不同大小的油滴在燃烧室中的驻留时间并不一样，从而提高整个燃烧室的燃烧效率，这也正是可变驻留时间VRT燃烧技术的由来。该技术可降低NOX排放，周向掺混旋流降低燃烧室出口径向温度梯度。由于允许气流以较大切向速度进出燃烧室，压气机出口与涡轮前的导向静叶的作用降低，使发动机的尺寸与重量有所减小。但VRT中周向旋流在整个火焰筒内产生，稳定性较差，并不适合于强旋流进口条件下的燃烧组织。 [0005] UCC燃烧技术主要是应用在定温循环(CT)和涡轮内燃烧器(ITB)上，目的是为了补偿燃气在涡轮中膨胀做功驱动压气机的推力损失，其结构是在涡轮静叶机匣外环上制造一个周向空腔，在空腔内供应燃油和空气，产生绕发动机轴线旋转的周向流动气流，并通过涡轮叶片上的径向空腔将火焰传播到轴向主流中。空腔中绕轴线产生大的旋转流动，加强油气和燃气的掺混。在周向空腔中富油燃烧，并且作为稳定的点火源，燃烧产物通过径向空腔传输到主流中，在径向空腔中淬熄，主流中再贫油燃烧，减小了污染排放。在很小的空间内燃气驻留时间较长，燃烧完全。因此UCC中火焰传播速度、燃烧效率、放热率提高，污染排放降低，火焰长度缩短，增强了燃烧稳定性。此外，UCC只是一种类似于加力燃烧室的补偿性燃烧技术，并不能直接应用于主燃烧室。 [0006] TVC依靠分离于主流腔外的空腔机械结构稳定旋涡气流，并在空腔内喷入燃料，主流区通过高速空气，其进口也有燃料喷入，驻涡为主流区提供了一个连续而稳定的值班火焰与点火源。空腔和主燃区形成分级燃烧，燃烧方式可采用富油-淬熄-贫油燃烧方式（RQL）减少污染。与传统旋流器稳定燃烧室相比，TVC地面点火、高空再点火和贫油熄火性能都有所改善，污染排放也有所减少。但TVC只是对常规燃烧室的一种辅助技术，对强旋流进口条件下的燃烧并没有任何作用。发明内容 [0007] 本发明的目的在于提供在加强液雾燃烧、提高燃烧效率的同时，拓展稳定工作范围的适用于高速进口条件下的分级驻涡环形燃烧室。 [0008] 本发明的目的是这样实现的： [0009] 本发明分级驻涡环形燃烧室，其特征是：包括外机匣和内机匣，外机匣和内机匣均为具有大口端和小口端的环形结构，外机匣的内壁和内机匣的内壁形成火焰筒，外机匣的大口端和内机匣的大口端构成燃烧室出口，外机匣的小口端和内机匣的小口端构成空气进口，火焰筒里安装燃烧头部，燃烧头部包括燃油喷嘴和三级轴向旋流器，外机匣上设置燃油导管进口，燃油导管进口连通燃油喷嘴，火焰筒上设置主燃孔、掺混孔、冷却多斜孔，主燃孔位于在燃油喷嘴下游位置，主燃孔的中心线与火焰筒圆周切线的倾角为15°-75°。 [0010] 本发明还可以包括： [0011] 1、所述的三级轴向旋流器包括一二级轮毂和三级轮毂，一二级轮毂安装在三级轮毂上，一二级轮毂上安装内级旋流叶片和中间级旋流叶片，内级旋流叶片位于中间级旋流叶片里，三级轮毂上安装外级旋流叶片，三级轮毂里设置内级文氏管和中间级文氏管，内级旋流叶片连接内级文氏管，中间级旋流叶片连接中间级文氏管，内级文氏管位于中间级文氏管里。 [0012] 2、掺混孔位于燃烧室出口前的位置，数量为10-100个，掺混孔的中心线与燃烧头部之间的倾角为15°-75°。 [0013] 3、冷却多斜孔孔径大小为0.5-1.2mm，单位面积火焰筒壁上开孔个数为3000-12000，冷却多斜孔和主燃孔之间有0°-90°的偏角，冷却多斜孔的中心线与燃烧头部之间的倾角为20°-60°。 [0014] 4、空气进口处设置扩压器，燃油喷嘴位于三级轴向旋流器前，气流从空气进口经扩压器进入燃烧头部，2%-20%的气量从三级轴向旋流器进入火焰筒，2%-25%的气量从主燃孔进入火焰筒，20%-70%的气量从掺混孔进入火焰筒，20%-60%的气量从冷却多斜孔进入火焰筒。 [0015] 本发明的优势在于： [0016] （1）具有比常规环形燃烧室更适合于高速度旋流进口条件下的燃烧组织形式，从技术上解决了常规环形燃烧室斜切径向双级旋流器、双级轴向旋流器、一级径向二三级轴向旋流器造成的仅有单一或对称回流区造成的稳定燃烧范围较窄、燃烧密度低的问题； [0017] （2）头部所采用的离心喷嘴或空气雾化喷嘴有非常好的雾化效果和局部火焰稳定效果； [0018] （3）采用了具有新结构形式的三级轴向旋流器，产生的多重驻涡效果能提高火焰稳定性，拓展了稳定燃烧工作范围。附图说明 [0019] 图1为本发明的结构示意图； [0020] 图2为本发明的纵截面示意图； [0021] 图3为本发明的三级轴向旋流器结构示意图； [0022] 图4为本发明的三级轴向旋流器横截面示意图； [0023] 图5为本发明的分级驻涡示意图。具体实施方式 [0024] 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述： [0025] 结合图1～4，本发明分级驻涡环形燃烧室，采用了全环形火焰筒结构，主要由内外机匣和位于其内的内外火焰筒构成，在外火焰筒沿周向安装有头部、主燃孔6和掺混孔5等结构。其中头部包括供油喷嘴7和三级轴向旋流器9，三级轴向旋流器9的外级旋流器23与内级13和中间级旋流器20之间距离较远，保证了三级旋流器之间的流场不会互相干扰，在其后会产生多级驻涡结构，对于稳定火焰和燃烧更多的燃料十分有利；主燃孔6中心线与圆周切线存在夹角；内外掺混孔5分别位于内外火焰筒燃烧室出口前的位置，保证了良好的出口温度分布。 [0026] 高速气流进入燃烧室内后，在机匣和火焰筒形成的环腔内流动。在外火焰筒表面，沿圆周设置多个头部和主燃孔6，主燃孔6安排在头部下游位置，头部包括供油喷嘴7和三级轴向旋流器9，在不同的供油压力和流量下可采用不同的喷嘴，目前可选的有离心喷嘴和空气雾化喷嘴两种，三级轴向旋流器的外级旋流器23与内级19和中间级旋流器20之间距离较远，保证了三级旋流器9之间的流场不会互相干扰，在其后会产生多级驻涡结构，对于稳定火焰和燃烧更多的燃料十分有利。主燃孔6为富油火焰射流提供充足的空气，气流进入内外火焰筒沿周向形成的空腔沿切向流动，形成环形大旋涡。为了使空腔内的气流产生绕切向大旋涡的次级小旋涡，火焰筒上的冷却多斜孔和主燃孔6与切向大旋涡之间存在一定的偏角，即形成所谓的正交双重旋涡。整个火焰筒11均采用多斜孔冷却方式，冷却多斜孔的主要目的是利用冷气冷却火焰筒11，保护其不受燃气烧蚀。燃油通过喷嘴的雾化后进入三级旋流器9，在三级旋流器9后的局部低速回流区起燃，再进入空腔12内的旋涡中，沿周向和径向传播，高温燃气在掺混孔处与冷空气快速掺混，最后旋流排出燃烧室12。掺混孔5安排在燃烧室12出口前的适当位置，保证其良好的出口温度分布。 [0027] 本发明由燃油导管进口1、空气进口2、内机匣3、外机匣4、掺混孔5、主燃孔6、燃油喷嘴7、扩压器8、三级轴向旋流器9、燃油导管10、火焰筒11、燃烧腔12、燃烧室出口13、内级旋流叶片14、中间级旋流叶片15、1一二级轮毂6、外级旋流叶片17、三级轮毂18、内级轴向旋流器19、中间级轴向旋流器20、中间级文氏管21、内级文氏管22、外级轴向旋流器23构成，在外机匣4沿周向均匀安装有燃油导管进口1，根据不同的进口气量、旋流度和结构尺寸要求，供油头部的数量一般在2-20个之间，在不同的供油压力和流量下可采用不同的喷嘴，目前可选的有离心喷嘴和空气雾化喷嘴两种；主燃孔6位于在燃油喷嘴7下游位置，主燃孔6的中心线与圆周切线的倾角为15°-75°；头部包括燃油喷嘴7和三级轴向旋流器9；掺混孔5位于燃烧室出口13前的位置，保证其良好的出口温度分布，主要根据掺混孔气量决定掺混孔开孔总面积，同时根据掺混射流的穿透深度设计掺混孔的开孔大小，从而可确定掺混孔个数，其数量大致为10-100，掺混孔5的中心线与头部之间的倾角为15°-75°；火焰筒的筒壁上开有多个冷却多斜孔，其孔径到大小为0.5-1.2mm，根据冷却气量决定其开孔总面积，单位面积冷却壁上开孔个数3000-12000，为了产生一定强度的次级小旋涡，冷却多抖孔和主燃孔之间有0°-90°的偏角；冷却多斜孔的倾角为20°-60°。气流从空气进口2经扩压器8进入燃烧室头部，约2%-20%的气量从三级轴向旋流器9进入，并在其后形成多级驻涡，进而形成多个回流区用来稳定气流，使燃烧室内实现稳定燃烧。其余气量分配规则为：主燃孔气量2%-25%，掺混孔气量20%-70%，冷却气量20%-60%。 [0028] 如图3，4所示，旋流器由内级旋流叶片14，中间级旋流叶片15，一二级轮毂16，外级旋流叶片17，三级轮毂18，内级轴向旋流器19，中间级轴向旋流器20，中间级文氏管21，内级文氏管22，外级轴向旋流器23组成。气流经旋流器作用后，在其后形成多级驻涡，进而形成多个回流区用来稳定气流，使燃烧室内实现稳定燃烧。 [0029] 如图5所示，在外级旋流器后，形成了两个小的驻涡式回流区，在中间级和内级旋流器后形成了一对中心回流区。这几个回流区形成的分级驻涡形式会使从进口进入的高速气流速度降低到足以实现火焰稳定的速度值。