一种燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置.pdf

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置。该燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置包括中心喷嘴、中心喷嘴外侧同心设置的环形外围喷嘴，在中心喷嘴前端设置冷却气引入单元，从压气机、燃压缸或者外部气源引入少量冷却气，冷却气进入中心喷嘴外壁内的空心管道，从末端的斜孔或斜缝喷出，在中心喷嘴下游形成一个固定角度的锥形冷却气流，可以有效分隔中心喷嘴和外围喷嘴的流动，在中心喷嘴下游形成一个扩张区，使中心喷嘴的流动减速增压，形成一个稳定的回流区，增强中心喷嘴的稳焰性能；引入的冷却气流向下游流动，最终仍参与燃烧，减少了单纯冷却气的浪费，提高了燃烧室总体性能。

1.  一种燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置，其特征在于：其包括中心喷嘴、中心喷嘴外侧同心设置的环形外围喷嘴，以及第一冷却气引入单元，所述中心喷嘴的外壁为空心管道，所述中心喷嘴的的出口端为斜孔或斜缝，所述中心喷嘴的的进口端与第一冷却气引入单元连通。

2.  根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置，其特征在于：所述斜孔或斜缝向外倾斜，以喷出向外张开的锥形冷却气流。

3.  根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置，其特征在于：所述环形外围喷嘴包括内层环形外围喷嘴和外层环形外围喷嘴，内层环形外围喷嘴的外壁为空心管道，内层环形外围喷嘴的空心管道的出口端为斜孔或斜缝；外层环形外围喷嘴的旋流角大于内层环形外围喷嘴的旋流角。

4.  根据权利要求3所述的燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置，其特征在于：还包括第二冷却气引入单元，所述内层环形外围喷嘴进口端连接第二冷却气引入单元。

5.  根据权利要求4所述的燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置，其特征在于：所述第一冷却气引入单元的前段连通有冷却气源，中段为一个收缩喷管或拉瓦尔喷管，后段与中心喷嘴外壁的空心管道连通；所述第二冷却气引入单元的前段连通有冷却气源，中段为一个收缩喷管或拉瓦尔喷管，后段与内层环形外围喷嘴的空心管道连通。

6.  根据权利要求5所述的燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置，其特征在于：所述第一冷却气引入单元和第二冷却气引入单元的前段与中段之间还设置有加压部件；所述前段与中段内的冷却气压比为亚临界值。

7.  根据权利要求6所述的燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置，其特征在于：所述拉瓦尔喷管产生超声速气流。

8.  根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置，其特 征在于：所述环形外围喷嘴的旋流角大于中心喷嘴的旋流角。

9.  根据权利要求1-8任一项所述的燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置，其特征在于：所述斜孔或斜缝与中心喷嘴中轴线的夹角在20°～45°之间，喷嘴末端端面的开孔面积或斜缝面积占喷嘴末端端面总面积的20％～50％，斜孔孔径或斜缝宽度在2～5mm之间。

一种燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置。
背景技术
由于环境保护的要求越来越严格，在近年来的燃气轮机燃烧室中越来越多地使用预混燃烧的方式来降低氮氧化物(NOx)的排放。在典型的采用预混燃烧方式的燃烧室头部结构中，一般包含一个布置在中心的中心喷嘴和多个均匀地布置在中心喷嘴四周的外围喷嘴。外围喷嘴一般采用预混燃烧模式以减少污染物排放，中心喷嘴采用扩散燃烧模式或者预混燃烧模式，喷嘴下游形成稳定的火焰，作为外围喷嘴生成预混火焰的火种使用，由此维持预混燃烧。
现有燃气轮机燃烧室在中心喷嘴下游设置锥形稳焰板，以创造一个减速扩压区形成回流区来稳定火焰。然而，锥形稳焰板内部存在燃烧，锥形稳焰板的壁面温度会大幅上升，因此需要对该壁面进行冷却。专利US8113000在锥形稳焰板外侧引入冷却气对该壁面进行冷却，当燃烧室性能提升时，锥形稳焰板的冷却气量会增加，减少了燃烧用气体，同时会造成头部流量分配的变化。
因此，针对以上不足，本发明提供了一种燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种可节省传统稳焰装置设置、减少冷却气消耗及提高燃烧室的态燃烧稳定性的燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置，其包括中心喷嘴、中心喷嘴外侧同心设置的环形外围喷嘴，以及第一冷却气引入单元，所述中心喷嘴的外壁为空心管道，所述中心喷嘴的的出口端为斜孔或斜缝，所述中心喷嘴的的进口端与第一冷却气引入单元连通。
其中，所述斜孔或斜缝向外倾斜，以喷出向外张开的锥形冷却气流。
其中，所述环形外围喷嘴包括内层环形外围喷嘴和外层环形外围喷嘴，内层环形外围喷嘴的外壁为空心管道，内层环形外围喷嘴的空心管道的出口端为斜孔或斜缝；外层环形外围喷嘴的旋流角大于内层环形外围喷嘴的旋流角。
其中，还包括第二冷却气引入单元，所述内层环形外围喷嘴进口端连接第二冷却气引入单元。
其中，所述第一冷却气引入单元的前段连通有冷却气源，中段为一个收缩喷管或拉瓦尔喷管，后段与中心喷嘴外壁的空心管道连通；所述第二冷却气引入单元的前段连通有冷却气源，中段为一个收缩喷管或拉瓦尔喷管，后段与内层环形外围喷嘴的空心管道连通。
其中，所述第一冷却气引入单元和第二冷却气引入单元的前段与中段之间还设置有加压部件；所述前段与中段内的冷却气压比为亚临界值。
其中，所述拉瓦尔喷管产生超声速气流。
其中，所述环形外围喷嘴的旋流角大于中心喷嘴的旋流角。
其中，所述斜孔或斜缝与中心喷嘴中轴线的夹角在20°～45°之间，喷嘴末端端面的开孔面积或斜缝面积占喷嘴末端端面总面积的20％～50％，斜孔孔径或斜缝宽度在2～5mm之间。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的燃气轮机燃 烧室冷却气稳焰装置中，在中心喷嘴前端设置第一冷却气引入单元，从压气机、燃压缸或者外部气源引入少量冷却气，经过第一冷却气引入单元加速，进入中心喷嘴外壁内的空心管道，最终从中心喷嘴外壁末端的斜孔或斜缝喷出，在中心喷嘴下游形成一个固定角度的锥形冷却气流，该气流代替传统的固体椎板稳焰板，可以有效分隔中心喷嘴和外围喷嘴的流动，在中心喷嘴下游形成一个扩张区，使中心喷嘴的流动减速增压，形成一个稳定的回流区，增强中心喷嘴的稳焰性能；引入的冷却气流向下游流动，最终仍参与燃烧，减少了单纯冷却气的浪费，提高了燃烧室总体性能；采用此结构还节省了传统稳焰装置的冷却设计，提高了燃烧室头部结构的寿命，增强了内外喷嘴的适应性；此燃烧模式采用周向均匀分布的多层旋流燃烧的结构，降低了燃烧室周向燃烧震荡，提高了燃烧室的动态燃烧稳定性。
附图说明
图1是包含本发明燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置的燃烧室头部结构示意图；
图2是本发明燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置的剖视图。
图中，1：中心喷嘴；2：内层环形外围喷嘴；3：外层环形外围喷嘴；4：第一冷却气引入单元；5；加压部件；6：收缩喷管；7：斜缝；101：中心喷嘴外壁；201：内层环形外围喷嘴外壁。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1和图2所示，本发明提供的燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置中心喷嘴1、中心喷嘴1外侧同心设置的环形外围喷嘴，以及第一冷却气引入单元4，所述中心喷嘴1的外壁为空心管道，空心管道的出口端为斜孔或斜缝7，空心管道的进口端与第一冷却气引入单元4连通。其中，所述斜孔或斜缝7向外倾斜，以喷出向外张开的锥形冷却气流。
上述实施例中，在中心喷嘴1的空心管道的进口端设置第一冷却气引入单元4，从压气机、燃压缸或者其他外部气源引入少量冷却气，进入中心喷嘴外壁101内的空心管道，最终从中心喷嘴外壁101空心管道的出口端的斜孔或斜缝7喷出，在中心喷嘴1下游形成一个固定角度的锥形冷却气流，该气流代替传统的固体椎板稳焰板，可以有效分隔中心喷嘴1和外围喷嘴的流动，在中心喷嘴1下游形成一个扩张区，使中心喷嘴1的流动减速增压，形成一个稳定的回流区，增强中心喷嘴1的稳焰性能；而引入的冷却气流向下游流动，最终参与燃烧，减少了单纯冷却气的浪费，提高了燃烧室总体性能，此外采用此结构还节省了传统稳焰装置的冷却设计，提高了燃烧室头部结构的寿命，增强了内外喷嘴的适应性；另外，环形外围喷嘴与中心喷嘴1同心设置，结构紧凑，且可为中心喷嘴1提供稳定的外焰环境。
进一步地，本实施例提供的燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置中环形外围喷嘴包括内层环形外围喷嘴2和外层环形外围喷嘴3，两者在中心喷嘴1的外侧均同心设置，内层环形外围喷嘴外壁201为空心管道，内层环形外围喷嘴外壁201末端设置斜缝7，内层环形外围喷嘴2前端设置第二冷却气引入单元，该第二冷却气引入单元与第一冷却气引入单元4结构相同，内层环形外围喷嘴2的旋流角大于中心喷嘴1的旋流角，外层环形外围喷嘴3的旋流角大于内层环形外围喷嘴2的旋流角，以避免中心喷嘴1、内层环形外围喷嘴2及外层环形外围喷嘴3喷出冷却气或火焰的相互干扰；此燃烧模式采用周向均匀分布的多层旋流燃烧的结构，降低了燃烧室周向燃烧震荡，提高了燃烧室的动态燃烧稳定性。
具体地，所述第一冷却气引入单元4的前段连通有冷却气源，中段为一个收缩喷管6或拉瓦尔喷管，后段与中心喷嘴外壁101的空心管道连通；所述第二冷却气引入单元的前段连通有冷却气源，中段为一个收缩喷管6或拉瓦尔喷管，后段与内层环形外围喷嘴2的空心管道连通；所述第一冷却气引入单元4和第二冷却气引入单元的前段与 中段之间还设置有加压部件5；所述前段与中段内的冷却气压比为亚临界值，从而可喷射出高速冷却气，从中心喷嘴1末端喷出的气流流速为亚声速，尽管速度比较高，但燃烧特性未改变，不会对燃烧场有本质的影响。第二冷却气引入单元与第一冷却气引入单元4引入的冷却气流量占燃烧室总流量的2％～8％，冷却气量较低，对燃烧组织及分配影响较小，可直接应用与已经设计好的燃气轮机燃烧室。
优选地，中心喷嘴外壁101以及内层环形外围喷嘴外壁201末端的斜缝7与该装置中轴线的夹角在20°～45°之间，斜缝7的宽度在2～5mm之间，喷嘴末端端面的开孔面积或斜缝7面积占喷嘴末端端面总面积的20％～50％。从中心喷嘴1以及内层环形外围喷嘴2末端喷出的气流形成的锥角在20°～45°之间，可以起到较好的稳焰效果。同时，通过限制斜缝7的宽度和面积，可以以最小的冷气量达到需要的稳焰效果。
本发明的燃气轮机燃烧室冷却气稳焰装置的工作过程如下：第一冷却气引入单元4和第二冷却气引入单元可以从燃压缸抽气或者由外部气源供应；冷却气经加压部件5加压后，进入收缩喷管6或者拉瓦尔喷管，气流在高压条件下加速，最终经中心喷嘴外壁101和内层环形外围喷嘴外壁201的空心管道高速喷出中心喷嘴外壁101末端，形成锥形稳焰气流，主流气流分别从中心喷嘴1和两层外围喷嘴进入，最终被锥形稳焰气流分隔成内、中、外三层流动；其具有以下优点及突出性的技术效果：锥形稳焰气流流动速度很高，在化学反应时间内冲出较远的距离，有效分隔中心喷嘴1与外围喷嘴的流动，在中心喷嘴1下游形成一个回流区，增强中心喷嘴1的稳焰性能，而该气流最终会参与一定距离下游的燃烧反应，一方面简化稳焰结构的冷却设计，另一方面没有造成冷却气的浪费，因此提高了整个燃烧室的燃烧性能；此燃烧模式采用周向均匀分布的多层旋流燃烧的结构，降低了燃烧室周向燃烧震荡，提高了燃烧室的动态燃烧稳定性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。