阅读说明：本技术 燃气轮机轴向分级燃烧室及其控制方法 (Gas turbine axial staged combustion chamber and control method thereof ) 是由 熊燕 郑祥龙 朱子儒 曾洁玙 肖云汉 于 2018-09-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种燃气轮机轴向分级燃烧室及其控制方法,其包括燃烧室结构组件、一级预混射流喷嘴组件、一级值班喷嘴组件和二级预混射流喷嘴组件。一级燃烧室头部挡板和燃烧室机匣前壁构成燃烧室头部,一级值班喷嘴组件设置在燃烧室头部的中心；一级预混射流喷嘴组件设置在燃烧室头部的以燃烧室头部中心为圆心的圆周上；二级预混射流喷嘴组件位于二级燃烧室头部挡板以一级燃烧室火焰筒轴线为圆心的圆周上。本发明提供的轴向分级燃烧室通过燃料的分级注入,在保证燃烧效率的同时,缩短了燃料在高温区的停留时间,并实现了两级柔和燃烧,大大降低了燃气轮机燃烧室的氮氧化物排放,并可进一步提高燃烧室出口温度。(The invention discloses an axial staged combustion chamber of a gas turbine and a control method thereof. The first-stage combustion chamber head baffle and the front wall of the combustion chamber casing form a combustion chamber head, and the first-stage on-duty nozzle assembly is arranged in the center of the combustion chamber head; the primary premixing jet nozzle component is arranged on the circumference of the combustion chamber head part by taking the center of the combustion chamber head part as the circle center; the secondary premixing jet nozzle component is positioned on the circumference of the head baffle of the secondary combustion chamber with the axis of the flame tube of the primary combustion chamber as the center of a circle. The axial staged combustion chamber provided by the invention has the advantages that through staged injection of the fuel, the combustion efficiency is ensured, meanwhile, the retention time of the fuel in a high-temperature area is shortened, two-stage soft combustion is realized, the emission of nitrogen oxides in the combustion chamber of the gas turbine is greatly reduced, and the outlet temperature of the combustion chamber can be further improved.)

燃气轮机轴向分级燃烧室及其控制方法

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轴向分级燃烧室及其控制方法。

背景技术

为了提升燃气轮机动力循环效率，且随着透平材料及冷却技术的发展，燃烧室出口温度在近几十年来有了显著的提高并逐步逼近热力型NO排放急剧增加的温度下限。已有研究表明，当燃烧室温度超过1800K时，由于热力型NO的快速增长，常规燃烧室的低NO_x排放潜力将会被挖掘殆尽，因此亟需探索更为先进的燃烧室设计方案，以实现更高燃烧室出口温度下的低NO_x排放。

此外，常规燃气涡轮发动机燃烧室的排放特性一般在满负荷设计工况下表现较佳，而在非设计工况下，CO和NO_x排放量往往会有明显的增加。因此燃烧室在低负荷工况下的燃烧稳定性和排放特性也显得十分重要。常规涡轮发动机燃烧室由于在低负荷下空气体积流量基本保持不变，容易导致燃烧不稳定和CO排放的增加，而若增加值班喷嘴燃料比例，又会导致NO_x排放的上升。因此，如何在保证燃烧室低排放水平的前提下，尽可能地提高燃烧室出口温度，并拓宽燃烧室的负荷调节范围，是燃气轮机燃烧室设计的重点和难点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种燃气轮机轴向分级燃烧室及其控制方法，用于实现燃气轮机燃烧室在高出口温度、宽负荷范围条件下的稳定、低污染物排放。

(二)技术方案

本发明提供了一种燃气轮机轴向分级燃烧室，包括：燃烧室结构组件、一级预混射流喷嘴组件、一级值班喷嘴组件和二级预混射流喷嘴组件，其中，

燃烧室结构组件包括：一二级燃烧室火焰筒，固定于一燃烧室机匣内壁，一二级燃烧室头部挡板，固定于二级燃烧室火焰筒头部，一一级燃烧室火焰筒，其末端与二级燃烧室头部挡板相连，一一级燃烧室头部挡板，固定于一级燃烧室火焰筒进口端，该一级燃烧室火焰筒进口端上附有若干喷嘴组件，燃烧室机匣前端进口连接压气机排气缸，一燃烧室过渡段一端连接燃烧室火焰筒出口端，另一端连接透平进口；

一级预混射流喷嘴组件包括：N个一级预混喷嘴贯穿一一级燃料分配环腔，且满足N≥3，该N个一级预混喷嘴沿周向均匀穿过一级燃烧室头部挡板并***一定的深度H₁，满足：2R₃≤H₁≤R₁，其中，R₃为各一级预混喷嘴内径，R₁为一级燃烧区火焰筒内径；

一级值班喷嘴组件位于一级燃烧室头部挡板中心位置，包括：一外侧值班空气旋流喷嘴和一中心值班燃料喷嘴；

二级预混射流喷嘴组件包括：K个二级预混喷嘴贯穿一二级燃料环腔，并沿周向均匀分布在二级燃烧室头部挡板之上，满足K≥6，同时二级燃料导管连接二级燃料环腔，供二级燃料的导入。

进一步的，各一级预混喷嘴的喷嘴入射方向与燃烧室轴向平行。

进一步的，各一级预混喷嘴壁面开有两排周向分布的燃料孔，两排孔的间距L₁视实际燃烧室尺寸而定，每排燃料孔个数为P，满足P≥4。

进一步的，N个一级预混喷嘴所处圆周半径R₂满足：R₁/2≤R₂≤5R₁/6。

进一步的，一级值班喷嘴组件的外侧值班空气旋流喷嘴入口设有径向旋流器，该径向旋流器结构为具有M个旋流角为θ₁的旋流槽道，满足M≥4，30°≤θ₁≤60°，该外侧值班空气旋流喷嘴出口设有张角为θ₂的锥罩，满足30°≤θ₂≤45°，且锥罩高度H₁满足：2R₃≤H₁≤R₁。

进一步的，一级值班喷嘴组件根据实际需求选择安装或者不安装。

进一步的，二级预混喷嘴壁面开有两排燃料孔。

进一步的，二级燃料射流速度为100m/s-200m/s。

进一步的，二级燃烧区为环形燃烧室所围成的环形空间，该环形空间的高度H₂满足3/2R₁≤H₂≤8R₁。

本发明还提供了一种燃气轮机轴向分级燃烧室的控制方法，用于控制上述燃烧室燃烧，包括：

步骤A：点火时，空气进入外侧值班空气旋流喷嘴和一级预混喷嘴，向中心值班燃料喷嘴供入燃料，开启点火器点燃中心值班燃料喷嘴，燃烧室进入点火状态，点火后进一步增加中心值班燃料喷嘴燃料量以维持燃烧室稳定燃烧；

步骤B：随着负荷提升，向一级预混喷嘴供入燃料，当一级预混喷嘴燃料量增大至可在一级燃烧区形成独立稳定的柔和燃烧时，降低中心值班燃料喷嘴燃料量直至为零；

步骤C：进一步提高一级预混喷嘴供入的燃料量，直至其燃料量达到一级燃烧区的预定负荷；

步骤D：开启二级燃料供应，进一步提高燃烧室热负荷，直至达到满负荷运行；

步骤E：当燃烧室需要在变负荷工况条件下运行时，在保持一级燃料量固定的情况下，调节二级燃料供应量以响应负荷变化，若燃烧室负荷低至一级预定负荷时，关闭二级燃料供应，进一步降低一级燃料量供应以实现燃烧室的低负荷运行；

步骤F：当燃烧室需要熄火时，参考步骤E关闭二级燃料供应并降低一级主燃燃料供应，然后开启值班喷嘴，进一步减小并关闭一级主燃燃料供应，最后减小并关闭值班燃料供应，完成熄火。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的燃气轮机轴向分级燃烧室有如下有益效果：

(1)一级燃烧区采用高速射流卷吸回流的方式实现了柔和燃烧，使得燃料在燃烧前与烟气发生强烈的掺混，降低了火焰区的氧浓度和峰值火焰温度，有效降低了一级燃烧区的氮氧化物排放量。

(2)二级燃烧区的高速射流卷吸作用进一步增加了烟气回流比例，同时，二级燃料直接注入一级来流烟气中，其较高的烟气温度可以保证二级燃料的点火和稳定快速燃烧。此外，较低的氧浓度和较短的停留时间也使得二级燃烧区的氮氧化物排放量得到了有效的控制。

(3)通过燃料的分级注入，既可以保证一级在较低的当量比下燃烧，使得其氮氧化物排放量保持较低水平；同时，又通过引入二级燃料进一步提高了燃烧室出口温度，且二级燃烧区高温低氧的燃烧氛围和较短的停留时间降低了二级燃烧区的氮氧化物排放。

(4)由于二级燃料直接在高温烟气中燃烧，其具有更高的燃烧稳定性和更宽当量比范围的运行工况。当燃气轮机负荷发生变化时，可以通过调节二级燃料量实现燃烧室热负荷的快速响应，且一级来流的高温烟气可以保证二级燃料的燃烧稳定性。

(5)本轴向分级燃烧室配合使用双燃料路设计时，通过一二级燃用不同类型的燃料，可以在二级实现燃烧稳定性较差燃料的稳定燃烧。

附图说明

图1是根据本发明实施例的轴向分级燃烧室的结构示意图；

图2是图1所示的轴向分级燃烧室的左视图；

图3是图1所示的轴向分级燃烧室的工作状态示意图；

图4是图1所示的轴向分级燃烧室的全结构示意图；

图5是本发明实施例的轴向分级燃烧室控制方法的流程图。

图中：

轴向分级燃烧室 100

燃烧室机匣 110 一级燃烧室头部挡板 120

一级燃烧室火焰筒 121 二级燃烧室头部挡板 130

二级燃烧室火焰筒 131 外侧值班空气旋流喷嘴 140

一级预混喷嘴 150 一级燃料分配环腔 151

二级燃料环腔 160 二级燃料导管 161

二级预混喷嘴 162 燃烧室过渡段 170

值班切向旋流角 θ₁ 锥罩半张角 θ₂

锥罩的高度 H₁ 二级燃烧区环腔高度 H₂

燃料孔距喷嘴出口距离 L₁ 一级火焰筒半径 R₁

一级预混喷嘴所围圆周半径 R₂ 一级预混喷嘴半径 R₃

具体实施方式

本发明通过一、二级高速射流卷吸回流等形式，在燃烧室内部形成了两级高效低压损回流，促进了未燃物和烟气的掺混，使得燃烧区保持高温低氧氛围且形成两级柔和燃烧。从而减少了燃料在高温区的停留时间，降低了氮氧化物排放。同时，由于二级未燃气直接在高温烟气中燃烧，具有很好的燃烧稳定性和燃尽效率，可以实现较宽的负荷调节范围。因此，本发明在保证燃烧效率和燃烧稳定性的前提下，可以实现燃尽负荷的快速响应，并可以在更宽负荷范围内实现极低的氮氧化物排放。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种燃气轮机轴向分级燃烧室，包括：燃烧室结构组件、一级预混射流喷嘴组件、一级值班喷嘴组件和二级预混射流喷嘴组件，其中，燃烧室结构组件包括：一二级燃烧室火焰筒，固定于一燃烧室机匣内壁，一二级燃烧室头部挡板，固定于二级燃烧室火焰筒头部，一一级燃烧室火焰筒，其末端与二级燃烧室头部挡板相连，一一级燃烧室头部挡板，固定于一级燃烧室火焰筒进口端，该一级燃烧室火焰筒进口端上附有若干喷嘴组件，燃烧室机匣前端进口连接压气机排气缸，一燃烧室过渡段一端连接燃烧室火焰筒出口端，另一端连接透平进口；

请参见图1至图3，本发明第一实施例提供了一种轴向分级燃烧室100，包括：燃烧室结构组件和一二级喷嘴组件；

本实施例中，燃烧室结构组件包括：燃烧室机匣110、一级燃烧室头部挡板120、一级燃烧室火焰筒121、二级燃烧室头部挡板130、二级燃烧室火焰筒131和燃烧室过渡段170。二级燃烧室火焰筒131固定于燃烧室机匣110内壁，二级燃烧室头部挡板130固定于二级燃烧室火焰筒131头部，一级燃烧室火焰筒121在末端与二级燃烧室头部挡板130相连，一级燃烧室头部挡板120固定于一级燃烧室火焰筒121进口端，其上附有若干喷嘴组件。燃烧室机匣110前端进口连接压气机排气缸，燃烧室过渡段170一端连接燃烧室火焰筒出口端，另一端连接透平进口。

其中，一级燃烧室火焰筒121为圆筒型结构，一级燃烧室头部挡板120为圆形平板，二级燃烧室头部挡板130为环形平板，二级燃烧室火焰筒131为环形腔结构，上述部件均采用高温合金材料制成，燃烧室机匣110前壁采用不锈钢材料制成，其余部分采用碳钢材料制成。

一些实施例中，一级值班喷嘴组件位于一级燃烧室头部挡板中心位置，包括一外侧值班空气旋流喷嘴和一中心值班燃料喷嘴；

如图2所示，本实施例中，喷嘴组件包括：一级值班喷嘴组件、一级预混射流喷嘴组件和二级预混射流喷嘴组件。其中，外侧值班空气旋流喷嘴140设置在一级燃烧室头部挡板中心，包括锥罩、径向旋流器、空气导管和燃料导管。空气经径向旋流器进入空气和燃料导管所围成的环形通道，燃料经燃料导管头部的开孔流出与旋流空气接触并发生扩散燃烧。

一些实施例中，一级预混射流喷嘴组件包括：N个一级预混喷嘴贯穿一一级燃料分配环腔，且满足N≥3，该N个一级预混喷嘴沿周向均匀穿过一级燃烧室头部挡板并***一定的深度H₁，满足：2R₃≤H₁≤R₁，其中，R₃为各一级预混喷嘴内径，R₁为一级燃烧区火焰筒内径；

二级燃料预混喷嘴组件包括：K个二级预混喷嘴贯穿一二级燃料环腔，并沿周向均匀分布在二级燃烧室头部挡板之上，满足K≥6，同时二级燃料导管连接二级燃料环腔，供二级燃料的导入。

一些实施例中，各一级预混喷嘴的喷嘴入射方向与燃烧室轴向平行。

一些实施例中，各一级预混喷嘴壁面开有两排周向分布的燃料孔，两排孔的间距L₁视实际燃烧室尺寸而定，每排燃料孔个数为P，满足P≥4。

本实施例中，一级预混喷嘴150穿过一级燃烧室头部挡板120并***一定的深度H₁，其中H₁满足：2R₃≤H₁≤R₁；一级预混喷嘴壁面开有两排周向分布的燃料孔，两排孔之间的间距L₁需视实际燃烧室的尺寸而定，每排燃料孔个数为P，满足P≥4；一级燃料分配环腔151外接一级燃料进口导管，燃料经进口导管进入一级燃料分配环腔151，然后通过燃料孔垂直射流进入一级预混喷嘴，与来流空气充分预混后以平行高速射流形式进入一级燃烧区并发生预混燃烧。二级预混喷嘴162为较高当量比下的预混喷嘴，其沿圆周方向均匀布置在二级燃烧室头部挡板130之上，为保证二级燃烧区的温度均匀分布，二级预混喷嘴162个数K应满足K≥6，同时二级预混喷嘴162以足够高的平行射流速度进入二级燃烧室，以通过卷吸回流实现二级燃料和来流高温烟气的充分掺混。

一些实施例中，N个一级预混喷嘴所处圆周半径R₂满足：R₁/2≤R₂≤5R₁/6。

一些实施例中，一级值班喷嘴组件的外侧空气旋流值班喷嘴入口设有径向旋流器，该径向旋流器结构为具有M个旋流角为θ₁的旋流槽道，满足M≥4，30°≤θ₁≤60°，所述该外侧值班空气旋流喷嘴出口设有张角为θ₂的锥罩，满足30°≤θ₂≤45°，且锥罩高度H₁满足：2R₃≤H₁≤R₁。

一些实施例中，一级值班喷嘴组件根据实际需求选择安装或者不安装。

一些实施例中，二级预混喷嘴壁面开有两排燃料孔。

一些实施例中，二级燃料射流速度为100m/s-200m/s。

一些实施例中，二级燃烧区为环形燃烧室所围成的环形空间，该环形空间的高度H₂满足3/2R₁≤H₂≤8R₁。

如图3所示，本发明第一实施例的轴向分级燃烧室，为降低氮氧化物排放，一级值班喷嘴组件仅在点火阶段工作。当燃烧室达到预定工况时，由于一级预混喷嘴150高速射流的卷吸作用，在一级燃烧区中心位置形成强烈的内回流区。射流出口的预混燃料与烟气发生掺混形成了高温低氧的混合物，降低了火焰燃烧强度，从而使反应区趋于弥散，形成了一级柔和燃烧区。同时，二级燃料直接射入一级烟气来流中，其氧化剂成分为高温低氧的烟气，可以直接形成柔和燃烧所需的气体氛围；且由于二级燃料/空气高速射流诱导形成了强烈的内回流区，进一步降低了回流烟气的氧浓度，从而大大抑制了二级燃烧区氮氧化物的形成。整体来看，通过燃料的分级注入，可以实现相同燃烧室出口温度下，降低一级燃烧区温度，缩短燃料在高温区的停留时间，使得燃烧室在保证燃烧效率的同时，降低氮氧化物排放；而在此基础之上，该燃烧室也可以在相同氮氧化物排放水平时，进一步提高燃烧室出口温度，从而提高燃气轮机的整体热力循环效率。

本发明第二实施例还提供了一种燃气轮机轴向分级燃烧室的控制方法，用于控制上述轴向分级燃烧室的燃烧，如图5所示，包括：

步骤A：点火时，空气进入外侧值班空气旋流喷嘴和一级预混喷嘴，向中心值班燃料喷嘴供入燃料，开启点火器点燃中心值班燃料喷嘴，燃烧室进入点火状态，点火后进一步增加中心值班燃料喷嘴燃料量以维持燃烧室稳定燃烧；

具体地，在步骤A中，空气进入外侧值班空气旋流喷嘴140和一级预混喷嘴150，向中心值班燃料喷嘴供应的燃料量的范围为总燃料量的5％-10％。

步骤B：随着负荷提升，向一级预混喷嘴供入燃料，当一级预混喷嘴燃料量增大至可在一级燃烧区形成独立稳定的柔和燃烧时，降低中心值班燃料喷嘴燃料量直至为零；

具体地，在步骤B中，将供入中心值班燃料喷嘴的燃料量逐步提高至最大值，然后逐步向一级预混喷嘴150供入燃料，当一级预混喷嘴150的燃料量达到可以独立稳定运行的预定负荷时，逐渐减小中心值班燃料喷嘴的燃料供应，直至为零。

步骤C：进一步提高一级预混喷嘴供入的燃料量，直至其燃料量达到一级燃烧区的额定负荷；

具体地，在步骤C中，需逐步提高一级预混喷嘴150燃料供应量，直至达到一级燃烧区的最大负荷，一级燃烧区的最大燃料量比例为满负荷燃料量的30％-50％。

步骤D：开启二级燃料供应，进一步提高燃烧室热负荷，直至达到满负荷运行；

具体地，在步骤D中，当一级燃料量达到满负荷燃料量的50％时，开启二级燃料供应，并逐步增大二级燃料量，直至燃烧室达到满负荷运行。

步骤E：当燃烧室需要在变负荷工况条件下运行时，在保持一级燃料量固定的情况下，调节二级燃料供应量以响应负荷变化，若燃烧室负荷低至一级预定负荷时，关闭二级燃料供应，进一步降低一级燃料量供应以实现燃烧室的低负荷运行；

具体地，在步骤E中，当燃烧室负荷偏离额定负荷时，首先应调节二级燃料供应量以响应负荷变化，此时保持一级燃料供应不变；当燃烧室热负荷低于50％时，关闭二级燃料供应；若需进一步降低燃烧室热负荷，则需调节一级燃料供应量以响应负荷变化。

步骤F：当燃烧室需要熄火时，参考步骤E关闭二级燃料供应并降低一级主燃燃料供应，然后开启值班喷嘴，进一步减小并关闭一级主燃燃料供应，最后减小并关闭值班燃料供应，完成熄火；

具体地，在步骤F中，熄火过程中应在负荷降低至50％时关闭二级燃料供应，随后减小一级主燃燃料供应使燃机负荷降低至30％，此时向中心值班燃料喷嘴供入5％的燃料以维持稳定燃烧，然后逐步减小并关闭一级主燃燃料供应，最后关闭值班喷嘴燃料供应。

其中，一二级燃料供应管路、值班燃料供应管路分别由调节阀控制，向一二级燃料喷嘴和中心值班燃料喷嘴供应燃料，空气流量可随着燃烧室负荷自动调节。

在该实施例中，设置一级预混喷嘴150速度为80m/s-160m/s，一级燃料孔流速为100m/s-200m/s，外侧值班空气旋流喷嘴140环形通道出口速度60m/s-120m/s；一级预混喷嘴高速引射高温烟气并与之高效掺混后再与燃料混合，形成温度1200℃-1600℃、氧浓度5％-10％的未燃混合物，实现了以高温、低氧为特征的一级柔和燃烧区；二级燃料射流速度为100m/s-200m/s，在一级来流烟气和外回流烟气的混合气氛下形成更高温度的二级柔和燃烧区。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)值班旋流喷嘴还可以采用其他构造，只要能够完成相同的功能即可；

(2)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；

(3)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(4)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本发明提供的轴向分级燃烧室及其控制方法，首先通过一级高速射流卷吸回流，在一级燃烧区中心位置形成强烈的内回流区。射流出口的预混燃料与烟气发生掺混形成了高温低氧的混合物，降低了火焰燃烧强度，从而使反应区趋于弥散，形成了一级柔和燃烧区。同时，二级燃料直接射入一级烟气来流中，可以直接满足柔和燃烧所需的气体氛围；且由于二级燃料/空气的高速射流诱导形成了强烈的内回流区，进一步降低了回流烟气的氧浓度，从而大大抑制了二级燃烧区氮氧化物的形成。因此，通过燃料的分级注入，可以实现相同燃烧室出口温度下，降低一级燃烧区温度，缩短燃料在高温区的停留时间，使得燃烧室在保证燃烧效率的同时，降低氮氧化物排放；在相同氮氧化物排放水平时，该燃烧室也可以通过增加二级燃料量，进一步提高燃烧室出口温度，从而提高燃气轮机的整体热力循环效率。此外，在低负荷工况条件下，该燃烧室还可以通过减少甚至关闭二级燃料供应来实现快速、灵活的负荷响应，并保持较低的污染物排放和较高的燃烧效率和燃烧室稳定性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。