一种预燃级凹腔值班主燃级贫油直混的燃烧室及工作方法
阅读说明：本技术 一种预燃级凹腔值班主燃级贫油直混的燃烧室及工作方法 (Pre-combustion-stage concave cavity class main-combustion-stage lean-oil direct-mixing combustion chamber and working method ) 是由 李明玉 王谦 肖建昆 于 2021-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种预燃级凹腔值班主燃级贫油直混的燃烧室及工作方法,包括燃烧室,所述的燃烧室包括机匣、火焰筒和火焰筒壁面,所述的火焰筒与火焰筒壁面之间形成凹腔,包括内凹腔和外凹腔,所述的外凹腔上连接有电嘴,所述的火焰筒壁面上阵列有多个旋流器和与之匹配的主燃级喷嘴。本发明通过对预燃级与主燃级的特殊的结构设计和布置,使得预燃级中的流动状态及几乎不受主燃级的流动影响,提高点火性能,拓宽火焰稳定范围；使进入主燃级的燃油和空气均匀混合,降低了NOx等污染物的排放；结构简单,燃烧室头部更加紧凑,减轻燃烧室重量；火焰筒壁面可以使更多的空气参与到壁面冷却,减少火焰筒壁面的热负荷,延长火焰筒寿命。(The invention discloses a pre-combustion-stage concave cavity class main-combustion-stage lean-oil direct-mixing combustion chamber and a working method thereof. According to the invention, through the special structural design and arrangement of the pre-combustion stage and the main combustion stage, the flow state in the pre-combustion stage is hardly influenced by the flow of the main combustion stage, the ignition performance is improved, and the flame stability range is widened; the fuel oil entering the main combustion stage is uniformly mixed with the air, so that the emission of pollutants such as NOx is reduced; the structure is simple, the head of the combustion chamber is more compact, and the weight of the combustion chamber is reduced; the wall surface of the flame tube can enable more air to participate in the wall surface cooling, the heat load of the wall surface of the flame tube is reduced, and the service life of the flame tube is prolonged.)
技术领域
本发明涉及一种分级燃烧室及燃烧过程，尤其涉及一种预燃级凹腔值班主燃级贫油直混的燃烧室及工作方法。
背景技术
降低污染物排放和提高燃烧室性能作为现代燃气轮机的最基本要求，一直备受人们关注。基于此，当前研究面临着以下技术挑战：1、在更宽广的范围内稳定工作，主要解决在低功率状态下的燃烧稳定性以及高功率状态下不可见排气冒烟燃烧2、大状态下降低污染物的排放，主要解决氮氧化物NOx的排放。解决上述问题的途径可以分为两类，一类是采取合理措施优化常规的旋流稳定燃烧室，可行的措施主要包括贫油预混预蒸发，贫油直混以及多级旋流等；另一类则是在掌握基本原理的基础上探索全新的燃烧组织方式、发展新概念燃烧室，例如驻涡燃烧室(Trapped vortex combustor,TVC)、超紧凑燃烧室(Ultracompact combustor,UCC)等。
燃烧室的废气排放物主要有氮氧化物NOx、一氧化碳CO、碳氢CH以及碳颗粒等，氮氧化物NOx排放则是低排放技术的重中之重。已知氮氧化物(NOx)的生成及消耗条件，为了获得更低的氮氧化物NOx，就必须保证温度尽可能低的燃烧环境。低温燃烧环境可通过贫油工作条件来实现。其中最具有代表性的便是贫油预混预蒸发LPP(Lean PremixedPrevaporised)燃烧技术和贫油直混LDI(Lean Directly Injection)燃烧技术。
LPP燃烧技术通过将预先蒸发好的燃油与过量的空气提前均匀混合，再供入燃烧室进行燃烧，使得整个燃烧室都处于贫油燃烧状态。通过降低油气比和燃烧温度，可以大大降低氮氧化物(NOx)的排放。但是LPP燃烧技术存在一些技术难题，由于燃油与空气混合需要一定时间，故而在温度较高的燃烧室上游可能会发生自燃和回火。
LDI燃烧技术在LPP燃烧技术的基础上发展，通过直接将燃油喷入燃烧室，省略了提前将燃油蒸发以及与空气混合的步骤，解决了自燃和回火等LPP燃烧技术难题。同时LDI燃烧技术面临着油气混合不均匀和火焰燃烧不稳定等技术挑战。对此，采用旋流器与供油喷嘴一体化设计来解决油气混合不均匀的问题。经过旋流器的空气既是燃烧空气，也是助雾化和促进油雾散布的空气。可有效实现燃油良好雾化以及油气快速混合，在燃烧室头部形成均匀偏贫的可燃混合气。火焰不稳定这一难题可通过合理组织进入凹腔内的射流形成稳定火焰来解决。已知驻涡燃烧室作为一种新概念燃烧室目前被广泛应用。驻涡燃烧室其燃烧区分为凹腔区和主燃区。凹腔为值班级，负责稳定火焰和小状态下的燃烧组织。通过合理地组织凹腔前/后壁的射流，在凹腔内形成稳定的旋涡流动结构。由于该旋涡受到凹腔的保护，所以可以在很宽的工况范围内稳定火焰。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种预燃级凹腔值班主燃级贫油直混的燃烧室及工作方法，在保持火焰燃烧稳定的同时，进一步降低NOx的排放。
技术方案：本发明包括燃烧室，所述的燃烧室包括机匣、火焰筒和火焰筒壁面，所述的火焰筒与火焰筒壁面之间形成凹腔，包括内凹腔和外凹腔，所述的外凹腔上连接有电嘴，所述的火焰筒壁面上阵列有多个旋流器和与之匹配的主燃级喷嘴。
所述的旋流器为单级轴向旋流器。
所述单级轴向旋流器的出口与单路离心喷嘴的出口平齐。
所述单级轴向旋流器之间的距离为1.2～1.5倍的旋流器直径。
所述单级轴向旋流器的叶片安装角度在25°到35°之间，叶片数量在10～12个之间，保障旋流器的旋流数处于0.4～0.6之间，不会产生回流区，缩短主燃级燃油的驻留时间，减少NOx的生成。
所述的主燃级喷嘴为单路离心喷嘴。
所述的主燃级喷嘴与主燃级供油管连接。
所述的火焰筒壁面与凹腔之间设有凹腔前壁进气缝，火焰筒与凹腔之间设有凹腔后壁进气缝，其中，凹腔后壁进气缝位于凹腔前壁进气缝上方。
所述的凹腔前壁进气缝处安装有值班级喷嘴与值班级供油管。
一种预燃级凹腔值班主燃级贫油直混的工作方法，包括以下步骤：
(1)空气从凹腔前壁进气缝进入凹腔形成射流，在凹腔后壁的限制下，该射流流向发生弯曲，在凹腔后壁进气缝的射流作用下发生回流，形成凹腔旋涡；
(2)值班级燃油从值班级喷嘴喷出，与凹腔前壁射流一起进入凹腔，形成可燃混合气；
(3)电嘴将其附近的混合气点燃，火焰向四周传播，在凹腔旋涡的涡心形成稳定的点火源，该点火源反过来不断加热并点燃新鲜混气；
(4)主燃级燃油自离心喷嘴射出与旋流器流出的空气充分混合，达到贫油燃烧状态，在火焰筒壁面的作用下，被外凹腔的火焰迅速点燃并持续燃烧；
(5)内凹腔与外凹腔内的混合气在主燃级中相遇，外凹腔的已燃高温燃气点燃内凹腔的混气，使整个驻涡燃烧室的混气被点燃。
有益效果：
(1)本发明通过对预燃级与主燃级的特殊的结构设计和布置，使得预燃级中的流动状态及几乎不受主燃级的流动影响，提高点火性能，拓宽火焰稳定范围；
(2)本发明进入主燃级的燃油和空气均匀混合，降低了NOx等污染物的排放；
(3)本发明结构简单，燃烧室头部更加紧凑，减轻燃烧室重量；
(4)本发明火焰筒壁面没有常规的掺混孔和主燃孔，可以使更多的空气参与到壁面冷却，减少火焰筒壁面的热负荷，延长火焰筒寿命。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图；
图2为本发明的工作原理图；
图3为本发明的旋流器、离心喷嘴和主燃级供油管结构示意图；
图4为本发明的旋流器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明包括燃烧室1，燃烧室1包括机匣、火焰筒19和火焰筒壁面10，机匣包括外机匣3及内机匣4，机匣头部连接有扩压器2。火焰筒壁面10与火焰筒19之间形成凹腔，包括外凹腔15和内凹腔16，其中，外凹腔15顶部连接有电嘴11。内外凹腔与火焰筒壁面10之间分别形成凹腔前壁进气缝12，内外凹腔与火焰筒19之间分别形成凹腔后壁进气缝13，其中，凹腔后壁进气缝13位于凹腔前壁进气缝12上方。凹腔前壁进气缝12处安装有值班级喷嘴6和与之匹配的值班级供油管5，与空气一起进入凹腔中参与燃烧，值班级供油管5和值班级喷嘴6分别为外凹腔15和内凹腔16提供燃料。
火焰筒壁面10上矩形阵列有多个旋流器9和与之匹配的单路离心喷嘴8，旋流器9采用单级轴向旋流器，与火焰筒壁面10直接连接，轴向旋流器之间的距离为1.2～1.5倍的旋流器9直径，单路离心喷嘴8与主燃级供油管7连通。如图3和图4所示，旋流器9的叶片安装角度在25°到35°之间，叶片数量在10～12个之间，保障旋流数稳定在0.6以下，不会产生回流区，缩短主燃级燃油的驻留时间，减少NOx的生成。主燃级供油管7、单路离心喷嘴8和旋流器9串联设计，且单路离心喷嘴8的出口和旋流器9的出口齐平，保证雾化锥角控制在45°～120°之间。
空气从扩压器2进入燃烧室1，经过扩压器2减速增压后到达火焰筒19的头部，以利于燃烧的组织。离开扩压器2后，空气分为内外环气流和主流气流，内外环气流分别沿内环道18和外环道17流动，并分别从凹腔前壁进气缝12和凹腔后壁进气缝13进入外凹腔15和内凹腔16。主流空气通过旋流器9的流通面积进入火焰筒19，凹腔空气和主流空气流量比例为3/7。外凹腔15和内凹腔16均包括前后外三个壁面，其中，前壁在偏离主流气流一侧开孔进气，后壁在靠近主流气流一侧开孔进气，前后壁面的开孔面积比例为3/2，进气流量比例为5/3。
本发明的工作过程如图2所示，空气从凹腔前壁进气缝12进入凹腔形成射流，在凹腔后壁的限制下，该射流流向发生弯曲，然后在凹腔后壁进气缝13射流作用下发生回流，形成驻定的凹腔旋涡14。值班级燃油从值班级喷嘴6喷出，与凹腔前壁射流一起进入凹腔，形成可燃混合气。电嘴11释放出高能电火花，将电嘴11附近的混合气点燃，火焰开始向四周传播，在凹腔旋涡14涡心形成一个稳定的点火源，该点火源反过来不断加热并点燃新鲜混气。主燃级燃油自单路离心喷嘴8射出与旋流器9流出的空气快速充分混合，达到贫油燃烧状态。在火焰筒壁面10的作用下，被外凹腔15稳定的火焰迅速点燃并持续燃烧。内外凹腔内的混合气将在主燃级中相遇，外凹腔15的已燃高温燃气将点燃内凹腔16的混气。随着火焰进一步传播，整个驻涡燃烧室的混气将被点燃。值班级外凹腔经高能点火电嘴点燃形成稳定的火焰，经火焰筒壁面、主燃级将火焰顺利传递至值班级内凹腔，即点火顺利完成。
旋流器9引入了大量新鲜空气，能使气流加速并增加新鲜空气与燃气的接触面积，达到快速掺混的目的。由于大量新鲜空气的加入，当量比降低到0.5-0.8。主燃级油气混合物进入火焰筒四周都会有高温燃气及火焰，可以得到充分燃烧，使主燃级燃油将在贫油条件下进行燃烧，从而形成了贫油燃烧区，能够有效降低氮氧化物(NOx)排放。本发明通过驻涡燃烧技术与贫油直混燃烧技术的结合，不仅可以有效地降低NOx的排放，而且可以在更宽的工况范围内稳定燃烧，具有良好的贫油熄火性能。值班级凹腔内稳定的火焰沿着火焰筒壁面传递，为主燃级提供连续稳定的点火源，从而弥补贫油直混技术带来的燃烧不稳定这一缺陷。本发明的分级燃烧室在慢车和进场状态下仅值班级工作，在起飞、爬升、巡航状态下主燃级和值班级同时工作。
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