一種燃氣輪機氣體燃料干式低氮燃燒裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種燃氣輪機氣體燃料干式低氮燃燒裝置，該燃燒裝置包括沿圓周向均勻排列的多個結構相同的圓管形燃燒單元；每個所述燃燒單元包括：燃燒室端蓋、燃燒室小機匣、燃料噴嘴、排氣缸、火焰筒鋼筒、多個隔熱瓦、頂蓋、空氣導流襯套、燃氣導管外殼、空氣導管、多個擾流環(huán)、燃氣導管內殼、燃氣出口。本發(fā)明燃燒裝置在燃氣輪機運轉時可以實現(xiàn)：氣體燃料和空氣在燃燒前均勻混合形成稀預混氣，避免混合過程中可能發(fā)生的自燃和回火，從而穩(wěn)定地低氮燃燒；在整個燃氣輪機工作范圍內燃燒加熱均勻，降低火焰擾動；燃燒邊界加強隔熱散熱和對燃燒噪聲的吸收。
【專利說明】一種燃氣輪機氣體燃料干式低氮燃燒裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及熱力學【技術領域】，尤其是一種燃氣輪機氣體燃料干式低氮燃燒裝置?！颈尘凹夹g】
[0002]現(xiàn)代發(fā)電用大功率燃氣輪機以燃用氣體燃料為主，其燃燒裝置普遍采用分管型燃燒室，即多個相同的圓筒形燃燒單元安裝在燃氣輪機的壓氣機排氣缸上。
[0003]圖1示出現(xiàn)有技術中普遍應用的燃氣輪機分管型干式低氮燃燒室的一個燃燒單元的例子，圖1A為燃燒單元的側剖視圖，圖1B為燃料噴嘴組40的結構示意圖。如圖1A所示，當燃燒單元工作時，氣體燃料從燃燒室端蓋I引入并分配到與其內部相通的燃料噴嘴組40，所述燃料噴嘴組40包括中央燃料噴嘴2和在中央燃料噴嘴2周邊排布一圈的多個燃料噴嘴3 (如圖1B所示);空氣通過外部壓氣機9進入排氣缸10，再從多孔的燃氣導管冷卻罩6流入冷卻罩6與燃氣導管5之間的環(huán)形通道，在對燃氣導管5形成沖擊冷卻后流向火焰筒4與空氣導流襯套7之間的環(huán)形通道，在對火焰筒4進行沖刷冷卻后流入燃燒室端蓋1、燃燒室機殼11、火焰筒頂蓋8圍成的空間，其中，部分空氣經由多孔的火焰筒頂蓋8流入火焰筒4，大部分空氣進入中央燃料噴嘴2和燃料噴嘴3 ;氣體燃料和空氣在中央燃料噴嘴2和燃料噴嘴3內混合后流入火焰筒4，在燃燒區(qū)13內建立火焰并燃燒，燃燒產生的高溫燃氣流向燃氣導管5，被燃氣導管5引入燃氣出口 12輸出到透平機。
[0004]發(fā)電用燃氣輪機對燃燒室性能的要求是高燃氣溫度、低污染、長壽命，一個例子是作為現(xiàn)代燃氣輪機電站主力設備的F級燃氣輪機燃燒室出口燃氣溫度需達到1400°C、煙氣中氮氧化物濃度< 25ppm (折算到15%氧濃度)、檢修間隔> 8000小時。
[0005]參考圖1所示的燃燒單元，為了達到所述的性能指標，燃燒單元采用干式低氮燃燒技術，即氣體燃料和空氣在進入火焰筒4燃燒前，在中央燃料噴嘴2和燃料噴嘴3內進行摻混，形成燃料/空氣比低于化學當量比的貧預混氣，從而降低燃燒區(qū)的最高溫度，抑制氮氧化物的生成。為了在所述貧預混氣低氮燃燒的狀態(tài)下實現(xiàn)燃燒室負荷的調節(jié)，采用燃料分級的燃燒控制技術，即對應燃燒室負荷的不同范圍，采用相應的燃燒模態(tài)，對于每一種燃燒模態(tài)，中央燃料噴嘴2和燃料噴嘴3中的一個單獨著火或幾個聯(lián)合工作。
[0006]圖1所示的燃燒單元在產品開發(fā)和運行中發(fā)現(xiàn)以下問題:(I)中央燃料噴嘴2和燃料噴嘴3內燃料和空氣摻混不夠均勻，為了保持燃燒穩(wěn)定，要求進入燃燒區(qū)的預混氣的總體燃料/空氣比與燃燒稀限之間留有足夠的裕量(可參考圖7);為加強燃料和空氣摻混，中央燃料噴嘴2和燃料噴嘴3預混氣通道的旋流器安裝在空氣入口一側，遠離火焰，消弱了火焰穩(wěn)定機制；燃料和空氣摻混的均勻程度和預混氣流的擾動對燃料噴射速度(與燃料華白數(shù)關聯(lián))反應敏感；燃料和空氣摻混發(fā)生在環(huán)形通道的受限旋流流動過程中，沒有其他的控制機制，氣流擾動和間歇性大，并且可能發(fā)生自燃和回火。上述的局限帶來氮氧化物排放、燃燒振動和噪聲之間協(xié)調的困難，使這些指標難以進一步降低，燃燒調整和控制的難度增加，燃料適應范圍狹窄；(2)在燃料噴嘴組40多噴嘴的配置方式中，中央燃料噴嘴2和燃料噴嘴3的外緣之間的距離使噴嘴外緣接近火焰筒4，加劇了噴嘴火焰對火焰筒4內壁面的灼燒；中央燃料噴嘴2和周邊燃料噴嘴3具有不同的結構，增加了產品開發(fā)、燃燒調整與控制的復雜程度；(3)多噴嘴配置和燃燒控制方式使某些燃燒模態(tài)下著火的噴嘴非均勻排布，火焰筒4被噴嘴火焰偏燒；(4)火焰筒4在承受高溫的同時承受支撐結構的應力，壽命很難達到F級燃氣輪機要求的8000小時；外壁沖刷冷卻要求的空氣流速高，并且要求火焰筒4外壁設有擾流肋片，為此增加的流阻降低燃氣輪機的效率；(5)燃氣導管5外壁沖擊冷卻引起的空氣流阻大，并且在接近火焰筒4的位置因沿壁面方向流速加快沖擊冷卻被消弱，只能依靠加厚鈷基高溫合金制成的燃氣導管5的厚度達到壽命要求，進一步提升性能的可能性不大。
[0007]同時，燃氣輪機的發(fā)展已經對燃燒室性能又提出進一步的要求，即出口燃氣溫度達到1500-1700°C、煙氣中氮氧化物濃度< 10ppm(折算到15%氧濃度)、檢修間隔在8000小時基礎上進一步延長。所述現(xiàn)有技術的干式低氮燃燒室及燃燒控制技術所存在的問題將更加尖銳，甚至完全不能滿足進一步發(fā)展的要求。

【發(fā)明內容】

[0008]為了解決上述現(xiàn)有技術所存在的問題，本發(fā)明提出一種燃氣輪機氣體燃料干式低氮燃燒裝置。
[0009]本發(fā)明提出的一種燃氣輪機氣體燃料干式低氮燃燒裝置包括沿圓周向均勻排列的多個結構相同的燃燒單元，每個所述燃燒單元包括:燃燒室端蓋14、燃燒室小機匣41、燃料噴嘴15、排氣缸10、火焰筒鋼筒16、多個隔熱瓦18、頂蓋17、空氣導流襯套19、燃氣導管外殼20、空氣導管21、多個擾流環(huán)22、燃氣導管內殼23、燃氣出口 12，其中:
[0010]所述燃燒室端蓋14位于所述燃燒單元的一端，用于作為氣體燃料的入口 ；
[0011]所述燃氣出口 12位于所述燃燒單元的另一端，并與透平機的燃氣入口相通，用于將氣體燃料與空氣燃燒后產生的燃氣輸入到所述透平機中；
[0012]所述燃燒室端蓋14、燃燒室小機匣41、空氣導流襯套19、燃氣導管外殼20依次連接，且所述燃燒室小機匣41與排氣缸10的一端通過法蘭連接，所述燃氣導管外殼20與所述燃氣出口 12的外周連接；
[0013]位于所述燃燒單元內部的火焰筒鋼筒16與所述燃燒室小機匣41之間形成有第一環(huán)形通道，所述火焰筒鋼筒16與空氣導流襯套19之間形成有第二環(huán)形通道，所述燃氣導管外殼20與位于燃燒單元內部的燃氣導管內殼23之間形成有第三環(huán)形通道，上述三個環(huán)形通道相通；
[0014]所述多個隔熱瓦18依次分排吊裝在火焰筒鋼筒16的內壁面上，與火焰筒鋼筒16一同組成火焰筒；
[0015]所述燃料噴嘴15的外表面通過頂蓋17與所述火焰筒靠近所述燃燒室端蓋14的一端的內表面連接；
[0016]所述火焰筒的另一端與燃氣導管內殼23的一端連接，燃氣導管內殼23的另一端與所述燃氣出口 12連接；
[0017]多個擾流環(huán)22固定在所述燃氣導管內殼23的外表面上；
[0018]所述空氣導管21 —端固接在所述燃氣導管外殼20上，另一端插接于擾流環(huán)22上，并與所述第三環(huán)形通道相通；[0019]所述燃氣導管內殼23和所述燃氣導管外殼20之間焊接有多個帶有波紋緩沖結構的連接柱；
[0020]所述排氣缸10的另一端與壓氣機9的出口相通，所述排氣缸10的內部空間與空氣導管21相通，所述壓氣機9的排氣流經空氣導管21、第三環(huán)形通道、第二環(huán)形通道、第一環(huán)形通道、燃料噴嘴15、火焰筒內部以及燃氣導管內殼23的內部，輸入到所述燃氣出口 12。
[0021]所述燃燒單元工作時，氣體燃料從燃燒室端蓋14引入并分配到帶有列陣預混器的燃料噴嘴15的燃料通道中；同時空氣從壓氣機9進入排氣缸10，從與排氣缸10相通的空氣導管21流入第三環(huán)形通道中的擾流環(huán)22，對燃氣導管內殼23的外壁面形成沖擊冷卻后流向第二環(huán)形通道，對火焰筒鋼筒16的外壁面進行沖刷冷卻后，大部分空氣流入燃燒室端蓋14、火焰筒鋼筒16、火焰筒頂蓋17圍成的空間后經由燃料噴嘴15的空氣通道，在燃料噴嘴15內部與燃料混合后流入火焰筒內部，少量空氣經由隔熱瓦18與火焰筒鋼筒16之間的縫隙流入火焰筒內部，燃料和空氣的混合氣體在火焰筒內部建立火焰并燃燒，燃燒產生的高溫燃氣流向燃氣導管內殼23，被燃氣導管內殼23引入燃氣出口 12進入透平機。
[0022]本發(fā)明在燃氣輪機運轉時可以穩(wěn)定地低氮燃燒；在整個燃氣輪機工作范圍內燃燒裝置的加熱均勻，能夠降低火焰擾動；且燃燒邊界能夠加強隔熱和對燃燒噪聲的吸收。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是現(xiàn)有技術中普遍應用的燃氣輪機分管型干式低氮燃燒室的一個燃燒單元的結構示意圖。
[0024]圖2是根據本發(fā)明一實施例的干式低氮燃燒裝置的一個燃燒單元的結構示意圖。
[0025]圖3是根據本發(fā)明一實施例的燃燒單元的燃燒模態(tài)示意圖。
[0026]圖4是根據本發(fā)明一實施例的帶有列陣式預混器的單個燃料噴嘴的結構示意圖。
[0027]圖5是根據本發(fā)明一實施例的隔熱瓦的結構示意圖。
[0028]圖6是根據本發(fā)明一實施例的燃氣導管和擾流環(huán)的結構示意圖。
[0029]圖7是噴嘴燃料-空氣混合均勻性、預混氣總體燃料/空氣比與燃燒稀限的關系的計算結果。
【具體實施方式】
[0030]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0031]本發(fā)明所提出的燃氣輪機氣體燃料干式低氮燃燒裝置由沿圓周向均勻排列的多個結構相同的圓管形燃燒單元組成，圖2是根據本發(fā)明一實施例的干式低氮燃燒裝置的一個燃燒單元的結構示意圖，圖2A為燃燒單元的側剖視圖，圖2B為燃料噴嘴15的結構示意圖。如圖2A所示，每個所述燃燒單元包括:燃燒室端蓋14、燃燒室小機匣41、燃料噴嘴15、排氣缸10、火焰筒鋼筒16、多個隔熱瓦18、頂蓋17、空氣導流襯套19、燃氣導管外殼20、空氣導管21、多個擾流環(huán)22、燃氣導管內殼23、燃氣出口 12，其中:
[0032]所述燃燒室端蓋14位于所述燃燒單元的一端，用于作為氣體燃料的入口 ；
[0033]所述燃氣出口 12位于所述燃燒單元的另一端，并與透平機的燃氣入口相通，用于將氣體燃料與空氣燃燒后產生的燃氣輸入到所述透平機中；[0034]所述燃燒室端蓋14、燃燒室小機匣41、空氣導流襯套19、燃氣導管外殼20依次連接，且所述燃燒室小機匣41與排氣缸10的一端通過法蘭連接，所述燃氣導管外殼20與所述燃氣出口 12的外周連接；
[0035]位于所述燃燒單元內部的火焰筒鋼筒16與所述燃燒室小機匣41之間形成有第一環(huán)形通道，所述火焰筒鋼筒16與空氣導流襯套19之間形成有第二環(huán)形通道，所述燃氣導管外殼20與位于燃燒單元內部的燃氣導管內殼23之間形成有第三環(huán)形通道，上述三個環(huán)形通道相通；
[0036]所述多個隔熱瓦18依次分排吊裝在火焰筒鋼筒16的內壁面上，與火焰筒鋼筒16一同組成火焰筒；
[0037]所述燃料噴嘴15的外表面通過頂蓋17與所述火焰筒靠近所述燃燒室端蓋14的一端的內表面連接；
[0038]其中，所述燃料噴嘴15包括燃料通道和空氣通道，所述燃料通道的一端與所述燃燒室端蓋14通過管道相通，另一端通過列陣預混器與火焰筒的入口相通；所述空氣通道的一端經由所述燃燒室端蓋14、燃燒室小機匣41、火焰筒頂蓋17圍成的空間與第一環(huán)形通道相通，另一端亦通過列陣預混器與火焰筒的入口相通；
[0039]所述火焰筒的另一端與燃氣導管內殼23的一端連接，燃氣導管內殼23的另一端與所述燃氣出口 12連接；
[0040]多個擾流環(huán)22固定在所述燃氣導管內殼23的外表面上；
[0041]所述空氣導管21 —端固接在所述燃氣導管外殼20上，另一端插接于擾流環(huán)22上，并與所述第三環(huán)形通道相通；
[0042]所述燃氣導管內殼23和所述燃氣導管外殼20之間焊接有多個帶有波紋緩沖結構的連接柱；
[0043]所述排氣缸10的另一端與壓氣機9的出口相通，所述排氣缸10的內部空間與空氣導管21相通，所述壓氣機9的排氣流經空氣導管21、第三環(huán)形通道、第二環(huán)形通道、第一環(huán)形通道、燃料噴嘴15、火焰筒內部以及燃氣導管內殼23的內部，輸入到所述燃氣出口 12。
[0044]當所述燃燒單元工作時，氣體燃料從燃燒室端蓋14引入并分配到帶有列陣預混器(圖中未不出)的燃料噴嘴15的燃料通道中；同時空氣從壓氣機9進入排氣缸10,從與排氣缸10相通的空氣導管21流入第三環(huán)形通道中的擾流環(huán)22，對燃氣導管內殼23的外壁面形成沖擊冷卻后流向第二環(huán)形通道，對火焰筒鋼筒16的外壁面進行沖刷冷卻后，大部分空氣流入燃燒室端蓋14、火焰筒鋼筒16、火焰筒頂蓋17圍成的空間后經由燃料噴嘴15的空氣通道，在燃料噴嘴15內部與燃料混合后流入火焰筒內部，少量空氣經由隔熱瓦18與火焰筒鋼筒16之間的縫隙流入火焰筒內部，燃料和空氣的混合氣體在火焰筒內部建立火焰并燃燒，燃燒產生的高溫燃氣流向燃氣導管內殼23，被燃氣導管內殼23引入燃氣出口 12進入透平機。
[0045]如圖2B所示，所述燃料噴嘴15包括七個結構相同的燃料噴嘴，所述燃料噴嘴都為圓管形，這七個燃料噴嘴按照中心一個、周邊六個、且外緣相切的方式集束排列，每個燃料噴嘴內均帶有列陣式燃料-空氣預混器和一個位于氣流出口處的旋流器。這多個燃料噴嘴可根據燃氣輪機的工況范圍選擇性的開啟工作。
[0046]圖3示出在燃氣輪機整個工作范圍內根據本發(fā)明一實施例的干式低氮燃燒裝置的一個燃燒單元的燃燒模態(tài)示意圖。當燃氣輪機啟動到空載全轉速的工況范圍時，七個燃料噴嘴都工作，每個燃料噴嘴均處于燃料供應量相同的擴散燃燒模式，該燃燒模態(tài)標記為D7，如圖3A所示；當燃氣輪機空載全轉速到輸出15%軸功的工況范圍時，七個燃料噴嘴都處于燃料供應量相同的擴散燃燒模式，其中沿圓周均勻分布的三個周邊燃料噴嘴附加燃料供應量相同的預混燃燒模式，該燃燒模態(tài)標記為D7+PM3，如圖3B所示；當燃氣輪機輸出15%到40%軸功的工況范圍時，中心燃料噴嘴處于擴散燃燒模式，六個周邊燃料噴嘴處于燃料供應量相同的預混燃燒模式，該燃料模態(tài)標記為PM3+PM3’+D1，如圖3C所示；當燃氣輪機輸出40%到100%軸功的工況范圍時，七個燃料噴嘴都處于燃料供應量相同的預混燃燒模式，該燃燒模式標注為PM3+PM3’ +PM1，如圖3D所示。
[0047]上述七個噴嘴的排列方式及其燃燒控制模態(tài)使在整個燃氣輪機工作范圍內火焰筒被均勻加熱。
[0048]圖4是根據本發(fā)明一實施例的帶有列陣式預混器的單個燃料噴嘴的結構示意圖。如圖4所示，所述單個燃料噴嘴包括:噴嘴機匣31、中心體28、若干排燃料噴射葉片34、燃料噴射孔32、一排旋流葉片27、預混燃料通道30、擴散燃料通道29、擴散燃料噴射孔25、清吹空氣通道33、清吹空氣噴射孔26，其中:
[0049]所述中心體28位于所述燃料噴嘴的中心，噴嘴機匣31位于中心體28的外圍，所述噴嘴機匣31與中心體28之間形成有環(huán)形通道，所述環(huán)形通道中沿軸向依次設置有與中心體28連接的若干排燃料噴射葉片34和一排實心的旋流葉片27，所述環(huán)形通道的其他空間形成所述燃料噴嘴的空氣通道，所述空氣通道與火焰筒內部相通；
[0050]所述燃料噴射葉片34設置有內部通道，所述燃料噴射葉片34的表面設置有燃料噴射孔32 ；
[0051]所述中心體28的末端設置有與火焰筒內部相通的擴散燃料噴射孔25和清吹空氣噴射孔26 ；
[0052]所述中心體28內沿徑向并列設有預混燃料通道30、擴散燃料通道29和清吹空氣通道33 ；
[0053]所述預混燃料通道30與燃料噴射葉片34的內部通道相通，用于將氣體燃料經由位于燃料噴射葉片34表面的燃料噴射孔32、所述空氣通道進入火焰筒內部；
[0054]所述擴散燃料通道29通過所述擴散燃料噴射孔25將燃料噴入火焰筒內部；
[0055]所述清吹空氣通道33通過所述清吹空氣噴射孔26將清吹空氣噴入火焰筒內部，以保護中心體，避免高溫灼傷。
[0056]工作時，空氣通過噴嘴機匣31和中心體28之間的環(huán)形通道流入火焰筒內部。在預混燃燒工作模式下，氣體燃料通過噴嘴中心體28內的預混燃料通道30流入燃料噴射葉片34的內部通道，并從其表面的燃料噴射孔32流入空氣通道，與空氣混合后，進入火焰筒內部進行燃燒。在擴散燃燒工作模式下，氣體燃料通過擴散燃料通道29，從噴嘴中心體28末端的擴散燃料噴射孔25直接噴入火焰筒內部與空氣進行接觸、燃燒。清吹空氣通過清吹空氣通道33，從清吹空氣噴射孔26噴入火焰筒內部。
[0057]圖5是根據本發(fā)明一實施例的隔熱瓦的結構示意圖，圖5A為隔熱瓦的透視圖，圖5B為隔熱瓦的局部剖視圖。如圖5所示，每塊隔熱瓦18在背離火焰的一側設置有若干個安裝結36和若干擾流柱37，所述安裝結36與安裝在其上的浮動環(huán)38配合，將隔熱瓦18柔性地安裝于火焰筒鋼筒16的內壁面處。隔熱瓦18面向火焰的側表面上涂覆有耐高溫涂層35。工作時，高溫燃氣直接沖刷耐高溫涂層35，火焰筒鋼筒16外側的低溫空氣從安裝結36處的間隙流入隔熱瓦18與火焰筒鋼筒16之間的環(huán)縫，經由擾流柱37陣列后，從隔熱瓦之間的間隙處流入火焰筒內部。
[0058]圖6是根據本發(fā)明一實施例的燃氣導管的結構不意圖，圖6A為透視圖，圖6B為局部剖視圖。所述燃氣導管外殼20和所述燃氣導管內殼23組成了燃氣導管，燃氣導管外殼20上安裝有若干個空氣導管21，分別插接于安裝在燃氣導管內殼23外表面的若干排擾流環(huán)22上。排氣缸10內的空氣從空氣導管21的內部流入擾流環(huán)22與內殼23之間的環(huán)形通道內，以冷卻燃氣導管內殼23，而后流入燃氣導管內殼23與外殼20之間的第三環(huán)形通道內。
[0059]相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明存在以下優(yōu)點:
[0060](I)本發(fā)明中的燃料噴嘴帶有列陣式預混器，以此可以實現(xiàn):混合均勻度(即噴嘴預混氣通道出口截面濃度的均方根計算結果)比圖1所示的現(xiàn)有技術的燃燒室的噴嘴2和3提高一倍，進入燃燒區(qū)的預混氣的總體燃料/空氣比與燃燒稀限之間的裕量也可以降低約I倍，具體可參考圖7所示，圖7中，虛線曲線為現(xiàn)有技術的燃燒室的噴嘴2和3所取得的燃空比，實線曲線為本發(fā)明燃料噴嘴15所取得的燃空比；混合不需要旋流，從而可將旋流器安裝在噴嘴出口靠近火焰的一側，從而增強了火焰穩(wěn)定機制；列陣抑制了入口氣流的初始擾動，消除了大尺度流動，出口氣流擾動幅度比圖1所示的現(xiàn)有技術的燃燒室的噴嘴2和3下降一個數(shù)量級，混合均勻度和預混氣流擾動對燃料噴射速度不再敏感；列陣預混氣的通道中不具備著火和火焰穩(wěn)定條件，從而避免了自燃和回火的發(fā)生；
[0061](2)本發(fā)明燃料噴嘴15的多噴嘴配置在幾何學上最大限度地利用了火焰筒截面圓的空間，在保持噴嘴截面積的前提下增加了噴嘴邊緣與火焰筒之間的距離，從而減輕了對火焰筒的灼燒；且相同的噴嘴降低了產品開發(fā)、燃燒調整與控制的復雜程度；另外7噴嘴排列配合燃燒控制方法，使得每個燃燒模態(tài)下著火的噴嘴均勻分布，從而避免了火焰筒偏燒的現(xiàn)象；
[0062](3)本發(fā)明中的火焰筒采用鋼筒內襯隔熱瓦的結構，在出口燃氣溫度1400°C的條件下，火焰筒承力鋼筒的溫度在800°C以下，取消了外壁面空氣沖刷冷卻的擾流肋片，保證了 F級燃氣輪機要求的火焰筒壽命，降低了燃燒室的空氣流阻；
[0063](4)本發(fā)明中的燃氣導管采用由波紋柱連接的雙殼結構，增加了強度；內外殼之間沿空氣流動方向安裝多組帶有空氣導管的擾流環(huán)，破壞內殼外壁面的熱邊界層，空氣從空氣導管在外殼上的入口引入、沖擊內殼外壁面，避免了貼壁氣流對沖擊冷卻的消弱作用；對沖擊冷卻空氣流速的要求降低，從而減小燃燒室空氣流阻；本發(fā)明使得燃氣導管的耐熱性能和壽命有進一步提升的潛力。
[0064]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種燃氣輪機氣體燃料干式低氮燃燒裝置，其特征在于，該燃燒裝置包括沿圓周向均勻排列的多個結構相同的圓管形燃燒單元；每個所述燃燒單元包括:燃燒室端蓋(14)、燃燒室小機匣(41)、燃料噴嘴(15)、排氣缸(10)、火焰筒鋼筒(16)、多個隔熱瓦(18)、頂蓋(17)、空氣導流襯套(19)、燃氣導管外殼(20)、空氣導管(21)、多個擾流環(huán)(22)、燃氣導管內殼(23)、燃氣出口(12)，其中: 所述燃燒室端蓋(14)位于所述燃燒單元的一端，用于作為氣體燃料的入口 ； 所述燃氣出口(12)位于所述燃燒單元的另一端，并與透平機的燃氣入口相通，用于將氣體燃料與空氣燃燒后產生的燃氣輸入到所述透平機中； 所述燃燒室端蓋(14)、燃燒室小機匣(41)、空氣導流襯套(19)、燃氣導管外殼(20)依次連接，且所述燃燒室小機匣(41)與排氣缸(10)的一端通過法蘭連接，所述燃氣導管外殼(20)與所述燃氣出口(12)的外周連接； 位于所述燃燒單元內部的火焰筒鋼筒(16)與所述燃燒室小機匣(41)之間形成有第一環(huán)形通道，所述火焰筒鋼筒(16)與空氣導流襯套(19)之間形成有第二環(huán)形通道，所述燃氣導管外殼(20)與位于燃燒單元內部的燃氣導管內殼(23)之間形成有第三環(huán)形通道，上述三個環(huán)形通道相通； 所述多個隔熱瓦(18)依次分排吊裝在火焰筒鋼筒(16)的內壁面上，與火焰筒鋼筒(16)—同組成火焰筒； 所述燃料噴嘴(15)的外表面通過頂蓋(17)與所述火焰筒靠近所述燃燒室端蓋(14)的一端的內表面連接； 所述火焰筒的另一端與燃氣導管內殼(23)的一端連接，燃氣導管內殼(23)的另一端與所述燃氣出口(12)連接； 多個擾流環(huán)(22)固定在所述燃氣導管內殼(23)的外表面上； 所述空氣導管(21) —端固接在所述燃氣導管外殼(20)上，另一端插接于擾流環(huán)(22)上，并與所述第三環(huán)形通道相通； 所述燃氣導管內殼(23)和所述燃氣導管外殼(20)之間焊接有多個帶有波紋緩沖結構的連接柱； 所述排氣缸(10)的另一端與壓氣機(9)的出口相通，所述排氣缸(10)的內部空間與空氣導管(21)相通，所述壓氣機(9)的排氣流經空氣導管(21 )、第三環(huán)形通道、第二環(huán)形通道、第一環(huán)形通道、燃料噴嘴(15)、火焰筒內部以及燃氣導管內殼(23)的內部，輸入到所述燃氣出口(12)； 所述燃燒單元工作時，氣體燃料從燃燒室端蓋(14)引入并分配到帶有列陣預混器的燃料噴嘴(15)的燃料通道中；同時空氣從壓氣機(9)進入排氣缸(10)，從與排氣缸(10)相通的空氣導管(21)流入第三環(huán)形通道中的擾流環(huán)(22)，對燃氣導管內殼(23)的外壁面形成沖擊冷卻后流向第二環(huán)形通道，對火焰筒鋼筒(16)的外壁面進行沖刷冷卻后，大部分空氣流入燃燒室端蓋(14)、火焰筒鋼筒(16 )、火焰筒頂蓋(17 )圍成的空間后經由燃料噴嘴(15 )的空氣通道，在燃料噴嘴(15)內部與燃料混合后流入火焰筒內部，少量空氣經由隔熱瓦(18)與火焰筒鋼筒(16)之間的縫隙流入火焰筒內部，燃料和空氣的混合氣體在火焰筒內部建立火焰并燃燒，燃燒產生的高溫燃氣流向燃氣導管內殼(23)，被燃氣導管內殼(23)引入燃氣出口(12)進入透平機。
2.根據權利要求1所述的燃燒裝置，其特征在于，所述燃料噴嘴(15)包括燃料通道和空氣通道，所述燃料通道的一端與所述燃燒室端蓋(14)通過管道相通，另一端通過列陣預混器與火焰筒的入口相通；所述空氣通道的一端經由所述燃燒室端蓋(14)、燃燒室小機匣(41)、火焰筒頂蓋(17)圍成的空間與第一環(huán)形通道相通，另一端亦通過列陣預混器與火焰筒的入口相通。
3.根據權利要求1所述的燃燒裝置，其特征在于，所述燃料噴嘴(15)包括七個結構相同的燃料噴嘴，所述燃料噴嘴都為圓管形，這七個燃料噴嘴按照中心一個、周邊六個、且外緣相切的方式集束排列。
4.根據權利要求3所述的燃燒裝置，其特征在于，所述七個結構相同的燃料噴嘴的每一個包括:噴嘴機匣(31)、中心體(28)、若干排燃料噴射葉片(34)、燃料噴射孔(32)、一排旋流葉片(27)、預混燃料通道(30)、擴散燃料通道(29)、擴散燃料噴射孔(25)、清吹空氣通道(33)、清吹空氣噴射孔(26)，其中: 所述中心體(28 )位于所述燃料噴嘴的中心，噴嘴機匣(31)位于中心體(28 )的外圍，所述噴嘴機匣(31)與中心體(28)之間形成有環(huán)形通道，所述環(huán)形通道中沿軸向依次設置有與中心體(28)連接的若干排燃料噴射葉片(34)和一排實心的旋流葉片(27)，所述環(huán)形通道的其他空間形成所述燃料噴嘴的空氣通道，所述空氣通道與火焰筒內部相通； 所述燃料噴射葉片(34)設置有內部通道，所述燃料噴射葉片(34)的表面設置有燃料噴射孔(32)； 所述中心體(28)的末端設置有與火焰筒內部相通的擴散燃料噴射孔(25)和清吹空氣噴射孔(26)； 所述中心體(28)內沿徑向并列設有預混燃料通道(30)、擴散燃料通道(29)和清吹空氣通道(33)； 所述預混燃料通道(30)與燃料噴射葉片(34)的內部通道相通，用于將氣體燃料經由位于燃料噴射葉片(34)表面的燃料噴射孔(32)、所述空氣通道進入火焰筒內部； 所述擴散燃料通道(29)通過所述擴散燃料噴射孔(25)將燃料噴入火焰筒內部； 所述清吹空氣通道(33)通過所述清吹空氣噴射孔(26)將清吹空氣噴入火焰筒內部，以保護中心體，避免高溫灼傷。
5.根據權利要求4所述的燃燒裝置，其特征在于，所述七個結構相同的燃料噴嘴的每一個燃料噴嘴工作時，空氣通過噴嘴機匣(31)和中心體(28)之間的環(huán)形通道流入火焰筒內部；在預混燃燒工作模式下，氣體燃料通過噴嘴中心體(28)內的預混燃料通道(30)流入燃料噴射葉片(34)的內部通道，并從其表面的燃料噴射孔(32)流入空氣通道，與空氣混合后，進入火焰筒內部進行燃燒；在擴散燃燒工作模式下，氣體燃料通過擴散燃料通道(29)，從噴嘴中心體(28)末端的擴散燃料噴射孔(25)直接噴入火焰筒內部與空氣進行接觸、燃燒；清吹空氣通過清吹空氣通道(33)，從清吹空氣噴射孔(26)噴入火焰筒內部。
6.根據權利要求3所述的燃燒裝置，其特征在于，所述七個結構相同的燃料噴嘴根據燃氣輪機的工況范圍選擇性的開啟工作: 當燃氣輪機啟動到空載全轉速的工況范圍時，七個燃料噴嘴都工作，每個燃料噴嘴均處于燃料供應量相同的擴散燃燒模式； 當燃氣輪機空載全轉速到輸出15%軸功的工況范圍時，七個燃料噴嘴都處于燃料供應量相同的擴散燃燒模式，其中沿圓周均勻分布的三個周邊燃料噴嘴附加燃料供應量相同的預混燃燒模式； 當燃氣輪機輸出15%到40%軸功的工況范圍時，中心燃料噴嘴處于擴散燃燒模式，六個周邊燃料噴嘴處于燃料供應量相同的預混燃燒模式； 當燃氣輪機輸出40%到100%軸功的工況范圍時，七個燃料噴嘴都處于燃料供應量相同的預混燃燒模式。
7. 根據權利要求1所述的燃燒裝置，其特征在于，所述隔熱瓦(18)在背離火焰的一側設置有若干個安裝結(36)和若干擾流柱(37)，所述安裝結(36)與安裝在其上的浮動環(huán)(38)配合，將隔熱瓦(18)柔性地安裝于火焰筒鋼筒(16)的內壁面處；隔熱瓦(18)面向火焰的側表面上涂覆有耐高溫涂層(35 )。
8.根據權利要求7所述的燃燒裝置，其特征在于，所述隔熱瓦工作時，高溫燃氣直接沖刷耐高溫涂層(35)，火焰筒鋼筒(16)外側的低溫空氣從安裝結(36)處的間隙流入隔熱瓦(18)與火焰筒鋼筒(16)之間的環(huán)縫，經由擾流柱(37)陣列后，從隔熱瓦之間的間隙處流入火焰筒內部。
9.根據權利要求1所述的燃燒裝置，其特征在于，所述燃氣導管外殼(20)和所述燃氣導管內殼(23)組成了燃氣導管。
10.根據權利要求9所述的燃燒裝置，其特征在于，所述燃氣導管工作時排氣缸(10)內的空氣從空氣導管(21)的內部流入擾流環(huán)(22)與內殼(23)之間的環(huán)形通道內，以冷卻燃氣導管內殼(23),而后流入燃氣導管內殼(23)與外殼(20)之間的第三環(huán)形通道內。
【文檔編號】F23R3/42GK103528094SQ201310288860
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年7月10日 優(yōu)先權日:2013年7月10日
【發(fā)明者】李振中, 張宏濤, 王岳, 袁德, 徐楊, 于宗明, 陳曉利 申請人:遼寧省燃燒工程技術中心（有限公司）