專利名稱：駐渦柔和燃燒室的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃氣輪機燃燒室及其他絕熱燃燒室的技術領域，是一種駐渦柔和燃燒室。
背景技術：
我國能源以煤為主、電力依賴于煤電的格局將長期持續，自主發展以IGCC為基礎的煤炭清潔綜合利用技術對國民經濟可持續發展意義重大。燃氣輪機是IGCC系統的動力核心，是實現能量梯級利用的關鍵設備。目前工業上使用的燃機普遍采用結構復雜的旋流穩焰燃燒室，這種旋流燃燒室適合燃用以甲烷為主要成分的天然氣。但存在火焰不穩定、局部高溫、NOx排放高等問題。
好的燃燒室應具有點火性能好、燃燒穩定、出口溫度分布均勻、流阻損失小、排氣污染少、燃料適應性廣、以及結構緊湊等基本特征。駐潤燃燒器(Trapped Vortex Combustor-TVC)是一種在新型的燃燒室結構，其在燃燒室主流來流方向的周圍設置凹腔，當主流經過時，會在腔內形成駐渦。向腔內噴入空氣和燃料，不僅能夠加強駐渦的形成和穩定，還能夠產生一個穩定燃燒的熱源，燃燒后的煙氣會進入主氣流與其摻混，從而穩定主流的燃燒。柔和燃燒(Mild Combustion)被定義為一種反應物溫度高于混合物的自燃溫度，而燃燒過程中的最高溫升小于其自燃溫度的燃燒過程。柔和燃燒中，入口反應物溫度高于混合物的自燃溫度，不存在燃燒穩定性的問題；溫升小，因此火焰溫度低和火焰面彌散，NOx排放和噪聲都很低。同時柔和燃燒的一些特點也使其適用于燃氣輪機燃燒室火焰的最高溫度可控制在材料的耐受溫度范圍內，減少燃燒室的冷卻；不存在火焰穩定性問題，可采用多種流動組織方式來實現；火焰面分散，溫度場分布均勻，燃燒室和渦輪葉片的熱應力大大降低。但是目前柔和燃燒至今還沒有在燃燒室中的實現,結合駐渦燃燒室和柔和燃燒的特點，可以看出駐渦燃燒室中從駐渦中出來的煙氣可以提供和主流的摻混從而有可能到達柔和燃燒的特點。
發明內容
本發明的目的是提供一種駐渦柔和燃燒室，在駐渦燃燒室中實現柔和燃燒。為現階段燃氣輪機燃燒室中面臨的火焰穩定性差、NOx排放高、噪聲大等問題提供一個有效解決方案，實現安全、穩定、低污染、低噪聲燃燒。為達到上述目的，本發明的技術解決方案是一種駐渦柔和燃燒室,在駐渦燃燒室中實現柔和燃燒,其包括燃燒室外殼、火焰筒、燃氣導管，其中，燃燒室外殼位于燃氣輪機壓縮機和燃氣輪機透平之間，燃燒室外殼內腔與壓縮機出口相通連，火焰筒位于內腔中；火焰筒為筒形或環形，火焰筒前端中部設有一空氣入口，后端中部設有一摻混空氣入口，兩空氣入口共一中心軸線，兩空氣入口之間的火焰筒周圓徑向增大，形成環狀凹腔；在環狀凹腔后側外端周圓上設有多個空氣入口，在環狀凹腔后側內端，靠近摻混空氣入口根部，設有一燃料入口，燃料入口與燃料管固接通連，燃料經燃料管、燃料入口直接進入凹腔；摻混空氣入口后端與燃氣導管前端固接，燃氣導管后端與燃氣輪機透平相通連；進入火焰筒的空氣和燃料在凹腔中形成駐渦，從而形成駐渦燃燒室；然后分配進入凹腔的空氣、燃料及燃燒室主流方向的空氣，使得駐渦燃燒室的凹腔中通過流動的摻混形成柔和燃燒的條件，從而實現柔和燃燒。所述的駐渦柔和燃燒室，其所述火焰筒前端中部的空氣入口，是在空氣進口處設有隔斷與鈍體，鈍體為同心圓狀塊體，多個板狀隔斷呈輻射式固接于鈍體與空氣入口內壁之間，使得凹腔中的煙氣均勻的與前端進入的空氣進行摻混；進入的空氣在鈍體后形成旋渦區，同時，燃氣沿隔斷進入空氣中，更有利于燃氣摻混。
所述的駐渦柔和燃燒室，其所述鈍體上，設有多個貫通孔，多個貫通孔中，至少在圓心有一貫通孔。所述的駐渦柔和燃燒室，其所述環狀凹腔后側外端周圓上的多個空氣入口，為通孔，均布于后側外周圓內一周。所述的駐渦柔和燃燒室，其所述環狀凹腔后側壁，為環狀平板，或環狀凹凸板，為環狀凹凸板時，內凹外凸。所述的駐渦柔和燃燒室，其還包括一多頭燃料管，設于火焰筒前端，燃料管密封穿設于燃燒室外殼上，燃料管內端固接有多個出口，多個出口置于火焰筒前端中部的空氣入口內，位于相鄰隔斷之間。所述的駐渦柔和燃燒室，其所述分配進入凹腔的空氣、燃料及燃燒室主流方向的空氣，是根據空氣入口的面積自動分配，包括a)根據空氣量的分配比例和進入燃燒室的速度，確定前端空氣入口和后端空氣入口合適的尺寸和形狀；b)根據速度的需要，調整燃料入口噴孔的尺寸和形狀；c)通過凹腔中燃燒完的煙氣與主流空氣與燃料的混合，使得主流達到柔和燃燒的條件，從而在主流中形成柔和燃燒。所述的駐渦柔和燃燒室，其所述燃料，為液體燃料、氣體燃料。所述的駐渦柔和燃燒室，其所述液體燃料，為柴油、重油、甲醇其中之一；氣體燃料，為天然氣、各種煤制燃料氣、氫氣、焦爐煤氣、高爐煤氣其中之一，或他們的混合物。本發明的一種駐渦柔和燃燒室，其結構簡單、控制運行簡單、低污染排放、低噪聲。
圖I為本發明的一種駐渦柔和燃燒室結構圖；圖2、圖3及圖4為本發明的燃氣輪機駐渦柔和燃燒室的不同實現方式示意圖；其中圖2為不同凹腔結構的駐渦柔和燃燒室示意圖；圖3為不同摻混方式的燃氣輪機駐渦柔和燃燒室示意圖4為燃氣輪機駐渦柔和環形燃燒室示意圖；圖5(a)、圖5(b)為圖I、圖2所示燃燒室的前端空氣和后端空氣入口結構示意圖；圖6為圖3所示燃燒室的前端空氣入口結構示意圖。標號說明101燃氣輪機壓縮機 102燃氣輪機透平 103燃氣輪機燃燒室201前端空氣入口202后端空氣入口 203燃料入口204燃料環腔205燃料管206燃燒室外殼207摻混空氣入口208火焰筒209燃氣導管 301來自壓縮機進入燃燒室的空氣302從后端空氣入口進入燃燒室的空氣303從前端空氣入口進入燃燒室的空氣304回流煙氣305燃料306燃燒完的煙氣307煙氣與空氣混合物308燃燒區309進入燃氣輪機透平的煙氣401弧形凹腔，402燃料出口501駐渦燃燒區502主流燃燒區601空氣入口隔斷602中心鈍體
具體實施例方式本發明的燃燒室安裝在燃氣輪機壓縮機和燃氣輪機的透平之間，來自燃氣輪機壓縮機的空氣進入燃燒室燃燒，形成的煙氣進入燃氣輪機透平。燃燒室由火焰筒、燃氣導管及燃燒室外殼組成。火焰筒為本發明的關鍵所在，為帶凹腔的筒形火焰筒，在火焰筒的前端和后端分別設置空氣入口，燃料直接進入凹腔。通過合理設置凹腔，在凹腔中形成駐渦，從而形成駐渦燃燒室；然后通過合理分配進入凹腔的空氣、燃料以及燃燒室主流方向的空氣，從而使得駐渦燃燒室的凹腔中通過流動的摻混形成柔和燃燒的條件，從而實現柔和燃燒；另外通過凹腔中燃燒完的煙氣與主流空氣與燃料的混合使得主流也同樣可以達到柔和燃燒的條件，從而形成柔和燃燒。具體工作流程如下首先來自燃氣輪機壓縮機的空氣分別通過燃燒室火焰筒的前、后端空氣入口進入燃燒室，從火焰筒前端空氣入口進入燃燒的空氣首先與沿凹腔前壁流出的煙氣進行摻混形成高溫低氧的空氣，高溫低氧的空氣進一步流動后沖擊到凹腔的后壁，一部分進入凹腔，一部分進入火焰筒的摻混段；進入凹腔的高溫低氧空氣與沿凹腔后壁流入的燃料相遇并混合，然后進一步與從后端空氣入口進入的空氣混合形成柔和燃燒所需要的高溫低氧條件，然后進行柔和燃燒形成煙氣，煙氣沿凹腔前壁流出凹腔并與從火焰筒前端空氣入口進入的空氣摻混；進入摻混段的煙氣與從摻混孔進入的空氣摻混后形成合適的煙氣進入燃氣輪機透平。如上所述前端空氣入口和后端空氣入口的尺寸可以根據空氣量的分配比例和進入燃燒室的速度確定合適的尺寸和幾何形狀，同樣的燃料入口也可以根據速度的需要調整噴孔的尺寸和形狀。為了使得凹腔中的煙氣可以更好的與從前端進入的空氣進行摻混，前端空氣進口處設置了隔斷與鈍體，燃氣可以沿隔斷進入空氣中，鈍體后形成旋渦區有利于摻混。另外為了增加凹腔中駐渦的穩定性可以將凹腔的后壁設計成弧形，從而增加摻混，減少壓力損失。為了更好的利用空氣，在主流中同樣的也實現柔和燃燒，需要在火焰筒的前端空氣出口處設置燃料噴嘴，噴入部分燃料，從而使得凹腔中與主流中同時實現柔和燃燒。本發明通過簡單的幾何變形可以應用于燃氣輪機環形燃燒室。為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。參見附圖1，為本發明的駐渦柔和燃燒室簡圖，其中駐渦柔和燃燒室103安裝在燃氣輪機壓縮機101和燃氣輪機透平102之間，駐渦柔和燃燒室包括燃燒室外殼206、火焰筒 208以及燃氣導管209。來自燃氣輪機壓縮機的空氣301進入燃氣輪機燃燒室103燃燒，形成的煙氣309進入燃氣輪機透平。火焰筒208為本發明的關鍵所在，為帶凹腔的筒形火焰筒，在火焰筒的前端和后端分別設置空氣入口 201和202，燃料305直接進入凹腔。具體工作流程如下首先來自燃氣輪機壓縮機101的空氣301分別通過燃燒室火焰筒208的前端空氣入口 201、后端空氣入口 202進入火焰筒208，從火焰筒前端空氣入口進入燃燒的空氣303首先與沿凹腔前壁流出的煙氣306進行摻混形成高溫低氧的空氣307，高溫低氧的空氣進一步流動后沖擊到凹腔的后壁，一部分進入凹腔304，一部分進入火焰筒的摻混段；進入凹腔的高溫低氧空氣304與沿凹腔后壁流入的燃料305相遇并混合，然后進一步與從后端空氣入口進入的空氣302混合形成柔和燃燒所需要的高溫低氧條件，然后在燃燒區308進行柔和燃燒形成煙氣306，煙氣306沿凹腔前壁流出凹腔并與從火焰筒前端空氣入口進入的空氣303摻混；進入摻混段的煙氣與從摻混孔207進入的空氣摻混后形成合適的煙氣309進入燃氣輪機透平102。如上所述前端空氣入口 201和后端空氣入口 202的尺寸可以根據空氣量的分配比例和進入燃燒室的速度確定合適的尺寸和幾何形狀，同樣的燃料入口也可以根據速度的需要調整噴孔的尺寸和形狀。為了使得凹腔中的煙氣可以更好的與從前端進入的空氣進行摻混，前端空氣進口處設置了隔斷601與鈍體602 (見圖5 (a)、圖5 (b)、圖6)，燃氣可以沿隔斷601進入空氣中，在鈍體602后形成旋渦區有利于摻混。另外為了增加凹腔中駐渦的穩定性可以將凹腔的后壁設計成弧形(如圖2中401所示)，從而增加摻混，減少壓力損失。為了更好的利用空氣，在主流中同樣的也實現柔和燃燒，需要在火焰筒的前端空氣出口處設置燃料噴嘴，噴入部分燃料，從而使得凹腔中與主流中同時實現柔和燃燒(如圖3所示)。本發明應用于燃氣輪機環形燃燒室的結構如圖4所示。以上所述，僅是根據本發明技術方案提出的較佳實施例，并非對本發明作任何形式上的限制，凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明的權利要求保護范圍內。
權利要求
1.一種駐渦柔和燃燒室，在駐渦燃燒室中實現柔和燃燒，其特征在于，包括燃燒室外殼、火焰筒、燃氣導管，其中，燃燒室外殼位于燃氣輪機壓縮機和燃氣輪機透平之間，燃燒室外殼內腔與壓縮機出口相通連，火焰筒位于內腔中； 火焰筒為筒形或環形，火焰筒前端中部設有一空氣入口，后端中部設有ー摻混空氣入ロ，兩空氣入口共一中心軸線，兩空氣入口之間的火焰筒周圓徑向増大，形成環狀凹腔；在環狀凹腔后側外端周圓上設有多個空氣入ロ，在環狀凹腔后側內端，靠近摻混空氣入ロ根部，設有ー燃料入ロ，燃料入ロ與燃料管固接通連，燃料經燃料管、燃料入ロ直接進入凹腔； 摻混空氣入口后端與燃氣導管前端固接，燃氣導管后端與燃氣輪機透平相通連； 進入火焰筒的空氣和燃料在凹腔中形成駐渦，從而形成駐渦燃燒室；然后分配進入凹腔的空氣、燃料及燃燒室主流方向的空氣，使得駐渦燃燒室的凹腔中通過流動的摻混形成柔和燃燒的條件，從而實現柔和燃燒。
2.根據權利要求I所述的駐渦柔和燃燒室，其特征在于，所述火焰筒前端中部的空氣入口，是在空氣進ロ處設有隔斷與鈍體，鈍體為同心圓狀塊體，多個板狀隔斷呈輻射式固接于鈍體與空氣入口內壁之間，使得凹腔中的煙氣均勻的與前端進入的空氣進行摻混；進入的空氣在鈍體后形成旋渦區，同時，燃氣沿隔斷進入空氣中，更有利于燃氣摻混。
3.根據權利要求I所述的駐渦柔和燃燒室，其特征在于，所述鈍體上，設有多個貫通孔，多個貫通孔中，至少在圓心有ー貫通孔。
4.根據權利要求I所述的駐渦柔和燃燒室，其特征在于，所述環狀凹腔后側外端周圓上的多個空氣入ロ，為通孔，均布于后側外周圓內一周。
5.根據權利要求I所述的駐渦柔和燃燒室，其特征在于，所述環狀凹腔后側壁，為環狀平板，或環狀凹凸板，為環狀凹凸板時，內凹外凸。
6.根據權利要求I或2所述的駐渦柔和燃燒室，其特征在于，還包括ー多頭燃料管，設于火焰筒前端，燃料管密封穿設于燃燒室外売上，燃料管內端固接有多個出口，多個出口置于火焰筒前端中部的空氣入口內，位于相鄰隔斷之間。
7.根據權利要求I所述的駐渦柔和燃燒室，其特征在于，所述分配進入凹腔的空氣、燃料及燃燒室主流方向的空氣，是根據空氣入ロ的面積自動分配，包括 a)根據空氣量的分配比例和進入燃燒室的速度，確定前端空氣入口和后端空氣入口合適的尺寸和形狀； b)根據速度的需要，調整燃料入口噴孔的尺寸和形狀； c)通過凹腔中燃燒完的煙氣與主流空氣與燃料的混合，使得主流達到柔和燃燒的條件，從而在主流中形成柔和燃燒。
8.根據權利要求I所述的駐渦柔和燃燒室，其特征在于，所述燃料，為液體燃料、氣體燃料。
9.根據權利要求8所述的駐渦柔和燃燒室，其特征在于，所述液體燃料，為柴油、重油、甲醇其中之一；氣體燃料，為天然氣、各種煤制燃料氣、氫氣、焦爐煤氣、高爐煤氣其中之一，或他們的混合物。
全文摘要
本發明公開了一種駐渦柔和燃燒室，涉及燃氣輪機技術，位于燃氣輪機壓縮機和燃氣輪機的透平之間，來自燃氣輪機壓縮機的空氣進入燃燒室燃燒，形成的煙氣進入燃氣輪機透平。燃燒室由火焰筒、燃氣導管及燃燒室外殼組成。火焰筒為帶凹腔的筒形，在火焰筒的前端和后端分別設置空氣入口，燃料直接進入凹腔。通過合理設置凹腔，在凹腔中形成駐渦，從而形成駐渦燃燒室；通過合理分配進入凹腔的空氣、燃料以及燃燒室主流方向的空氣，使得駐渦燃燒室的凹腔中通過流動的摻混形成柔和燃燒的條件，實現柔和燃燒；通過凹腔中燃燒完的煙氣與主流空氣與燃料的混合使得主流也同樣達到柔和燃燒的條件，形成柔和燃燒。本發明是一種低污染、低噪聲的燃氣輪機燃燒室。
文檔編號F23R3/58GK102777934SQ20111011997
公開日2012年11月14日 申請日期2011年5月10日 優先權日2011年5月10日
發明者張哲巔, 肖云漢 申請人:中國科學院工程熱物理研究所