[发明专利]一种燃料喷嘴旋流数自适应调整的燃烧系统

说明书

本发明公开了一种燃料喷嘴旋流数自适应调整的燃烧系统，包括燃料喷嘴外壁、预混燃料外壁、值班空气外壁、值班燃料外壁、吹扫空气外壁、预混旋流叶片、值班旋流叶片、环形预混燃料隔板和环形值班燃料隔板；其中，燃料喷嘴外壁、预混燃料外壁、值班空气外壁、值班燃料外壁和吹扫空气外壁均为同心圆形截面薄壁结构。本发明结合强旋流和弱旋流燃料喷嘴各自的优点，旋流燃料喷嘴的旋流数可根据燃气轮机的负荷大小自适应调整，在低负荷时调大燃料喷嘴的旋流数，增强燃烧稳定性，而在高负荷时则调小燃料喷嘴的旋流数，降低NOx排放。

技术领域

本发明涉及一种干式低氮分级燃烧系统，尤其涉及一种燃料喷嘴旋流数自适应调整的干式低氮分级燃烧系统。

背景技术

旋流燃料喷嘴可在下游产生旋进射流，在增强空气和燃料混合的同时，也可形成稳定的高温烟气回流区，起到稳定火焰的作用；另因旋流燃料喷嘴可实现预混燃烧，可调整火焰面当量比接近贫燃熄火极限，大幅度降低火焰面温度，进而有效控制热力型NOx污染物生成。

一般用旋流数来衡量旋流燃料喷嘴下游旋进射流的强度，旋流数的定义是指气流旋转动量通量与轴向动量通量的比值。根据旋流数的大小可将旋流燃料喷嘴分为强旋流燃料喷嘴和弱旋流燃料喷嘴。气流经强旋流燃料喷嘴后可在下游形成稳定的回流区，而经弱旋流燃料喷嘴，由于气流的旋转动量通量较小，不能在喷嘴下游形成稳定的回流区，旋转射流仅能降低中心气流的速度，形成一个中心发散的低速流场区域，使火焰稳定在当地湍流火焰传播速度等于当地气流速度的位置。相对于强旋流燃料喷嘴，由于弱旋流燃料喷嘴下游不存在高温烟气回流区，可减小烟气在燃烧室高温区的停留时间，在NOx排放性能方面更具有优势，但低负荷时弱旋流燃料喷嘴的点火稳定性交差。

弱旋流燃烧是一种兴起于上世纪90年代、新颖的贫预混燃烧技术，尚未在重型燃气轮机上得到应用，主要是由于弱旋流燃料喷嘴在燃气轮机低负荷时燃烧稳定性较差。目前在役重型燃气轮机仍普遍采用回流区稳焰的强旋流燃料喷嘴，通过对燃料进行轴向或径向分级，值班燃料采用扩散或预混燃烧、主燃料采用预混燃烧的方式控制NOx排放。但由于强旋流燃料喷嘴下游存在高温烟气回流区，这会延长部分高温烟气在燃烧室内的停留时间，增加热力型NOx的生成，进而抵消预混燃烧降低NOx排放的优势。

发明内容

为了进一步降低重型燃气轮机NOx排放，解决弱旋流燃料喷嘴在燃气轮机低负荷时易发生燃烧不稳定的问题，本发明提出了一种燃料喷嘴旋流数自适应调整的燃烧系统。本发明结合强旋流和弱旋流燃料喷嘴各自的优点，旋流燃料喷嘴的旋流数可根据燃气轮机的负荷大小自适应调整，在低负荷时调大燃料喷嘴的旋流数，增强燃烧稳定性，而在高负荷时则调小燃料喷嘴的旋流数，降低NOx排放。旋流燃料喷嘴旋流数自适应调整的原理是：燃气轮机负荷变化时，旋流叶片所受到的气动力会跟随变化，在低负荷时气动力较小，在高负荷时气动力较大，本发明将旋流叶片设计成弹簧活性铰支连接结构，则旋流叶片的角度可跟随气动力大小而变化，进而改变气流经旋流叶片后旋转动量通量与轴向动量通量的比值，达到自适应调整旋流数的目的。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种燃料喷嘴旋流数自适应调整的燃烧系统，包括燃料喷嘴外壁、预混燃料外壁、值班空气外壁、值班燃料外壁、吹扫空气外壁、预混旋流叶片、值班旋流叶片、环形预混燃料隔板和环形值班燃料隔板；其中，燃料喷嘴外壁、预混燃料外壁、值班空气外壁、值班燃料外壁和吹扫空气外壁均为同心圆形截面薄壁结构；

预混旋流叶片位于燃料喷嘴外壁和预混燃料外壁构成的环形通道内，用于将燃料喷嘴外壁和预混燃料外壁所构成的环形通道分隔成上游的主燃空气流道和下游的主燃料预混腔；

值班旋流叶片位于值班空气外壁和值班燃料外壁构成的环形通道内，用于将值班空气外壁和值班燃料外壁所构成的环形通道分隔成上游的值班空气流道和下游的值班燃料预混腔；

环形预混燃料隔板位于预混燃料外壁和值班空气外壁之间，用于将预混燃料外壁和值班空气外壁所构成的环形通道分隔成上游预混燃料流道和下游预混燃烧冷却空气流道；