[发明专利]一种燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部结构

说明书

本发明涉及一种燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部结构，首先是中心旋流空气与中心天然气混合、外壁非旋空气与外壁天然气混合，然后旋流空气、非旋空气、中心天然气、外壁天然气在天然气‑空气混合腔中进一步混合，能提高天然气‑空气的混合均匀度，能够避免热点出现，有效降低氮氧化物的生成；中心旋流和外壁非旋流相结合的供气方式能降低头部出口气流的旋流强度，降低出现振荡燃烧的风险；中心天然气和外壁天然气相结合的方式，既能改善NOx‑CO比例，也能帮助火焰稳定；头部出口收敛段能提高天然气‑空气混合气流的速度，有效地防止回火的发生；旋流器外壁上的切向进气小孔能降低头部结构内部发生自燃的风险。

技术领域

本发明属于燃气轮机燃烧室头部结构，涉及一种燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部结构，具体是一种以天然气为燃料的低污染燃烧室的贫燃预混单旋流头部方案。

背景技术

近年来，随着雾霾、全球气温变暖等环境问题的日益严重和人们的环保意识越来越强，对航空发动机和地面燃气轮机的污染物排放要求越来越严格，尤其对地面燃气轮机的污染物排放要求更为严格。目前大多数场合下对以天然气为燃料的地面燃气轮机的污染物排放要求为：NO_x<25ppm，CO<50ppm(换算成排气浓度15％O₂下的ppm值)，且要求在50％工况到100％工况范围内的任一工况点，NO_x和CO排放要同时满足上述要求。

低污染燃烧室的设计研发是航空发动机和地面燃气轮机发展的主流趋势。早在1974年，美国就制定了试验清洁燃烧室计划(ECCP)，提出了高效节能发动机(E³)方案，燃烧室结构有许多创新性变化，通过试验研究获得了大量可贵的结果。70-90年代低污染燃烧技术一直是航空发动机和地面燃气轮机研究的重大课题。1992年美国的ATS计划及美国和欧洲国家的CAGT计划，其中都将低污染燃烧技术作为重点内容，并列出了几项重点研究的低污染燃烧室方案，如贫油预混燃烧室、催化燃烧室、富油急冷贫油燃烧室等。目前，美国GE公司基于LPP(Lean Premixed Prevaporised，贫油预混预蒸发)低污染技术设计研发了TAPS系列低污染燃烧室，该系列燃烧室头部结构的预燃级采用扩散燃烧、主燃级采用非预混燃烧，使NO_x排放量大大降低，其中TAPSⅡ系列燃烧室的NO_x比CAEP6降低60％。

国内关于低污染燃烧室专利的申请有很多。北京航空航天大学申请的201010623917.9低污染燃烧室专利，采用的方案是分级燃烧方案，主燃级采用预混燃烧方式，预燃级采用扩散燃烧和预混燃烧相结合的方式，该方案既能保证小工况下的燃烧稳定，又能保证大工况下的污染物排放；西北工业大学申请的201610034299.1低污染燃烧室专利，采用的方案是燃烧室的主燃级和预燃级都采用预混燃烧，能大大提高油气混合均匀性，降低污染物排放。缺陷是：存在出现振荡燃烧的风险，头部出口存在回火的发生和头部结构内部发生自燃的风险。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部结构，运用贫燃预混低污染燃烧技术，提供了一种以天然气为燃料的燃气轮机低污染燃烧室单旋流头部方案，采用中心旋流与外壁非旋流相结合、中心天然气喷射和外壁天然气喷射相结合的贫燃预混方式，既能降低污染物排放，又能降低发生振荡燃烧的风险。

技术方案