[发明专利]燃气轮机轴向分级燃烧室及其控制方法

说明书

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。

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插入一定的深度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。