LM航改型燃气轮机低污染燃烧室结构演变

LM航改型燃气轮机低污染燃烧室结构演变

张子君 陈斌 黄陈一帆

（上海华电闵行能源有限公司，上海 201111）

摘要：本文总结归纳了GE公司航改型燃气轮机低污染燃烧室的结构演变过程，在低污染排放方面采用的预混结构及燃烧分级模式，同时对最新的DLE2.0技术进行了展望，对比分析了DLE1.0/1.5/2.0控制策略上的差异。

关键词：航改型燃气轮机；DLE；燃烧分级

1干式低污染（DLE）燃烧室设计特点

LM（Land & Marine）系列燃机为航改型燃气轮机，俗称轻型燃气轮机，主要用于陆地驱动或是发电，或是船舶动力。其燃烧系统分为双燃料的单环腔燃烧室（SAC）和多喷嘴低污染燃烧室（DLE），目前DLE燃烧室的NOx排放水平普遍在25 ppm（@15%O2）以内，LM6000PF/PH机型可达15 ppm（@15%O2）。

新的DLE燃烧室容积大约为常规SAC燃烧室的2倍，为CO和UHC的充分燃烧提供必需的燃气停留时间。整个燃烧室周向布置30个独特的燃烧器，其中15个为3杯设计（含3个预混器），15个为2杯设计（含2个预混器），共计75个燃料预混器。布置方式上，靠近中心的称为C环，共15个预混器。中间一圈称为B环，共30个预混器。靠最外侧的称为A环，共30个预混器[1]。其结构布置如图1.1所示。

通过燃气管线上布置的分级阀，可以根据负荷将预混器以可调的数量点燃，进行不同燃烧模式间的切换。对于DLE燃烧室，整个压气机出口空气流量的约80%通过预混器进入燃烧室燃烧，用于控制燃烧温度，确保低NOx排放。DLE燃烧室的改进优化主要体现在预混器结构的改进上。

2DLE燃烧室燃料预混器结构设计改进

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2.1DACRS I 燃料预混器

DACRS的含义是“双环反向旋流预混器（DoubleAnnualCounterRotatingSwirler）”，即由内外两个旋向相反的旋流器组成。内旋流器叶片数5，叶片角55°，逆时针旋转；外旋流器叶片数量为10，叶片角45°，顺时针旋转。双旋流可增加沿中心体附近区域的轴向气流传播速度，同时引起强烈的剪切强化了混合过程。内外侧空气流量的分配比约为1:4。预混通道长76mm，直径渐缩，坡度2:1，加速气流以抑制边界层生长，也可防止自燃和回火。其第一代设计如图2.1所示[2,3]，燃料通过中心体周向分布的喷射孔喷射。

图2.1双环反向旋流预混器I代（DACRS I）剖视示意[3]

此种结构燃料穿透不足，预混效果不佳。在某种燃烧模式下排放可以很低，NOx达到个位值9ppm，而在其它模式下可增至100 ppm[3]。

2.2DACRS II 燃料预混器

这是在第一代预混器基础上，将燃料喷射方式改为在原有的喷射孔位置装设径向导管，各导管上开设三个燃料小孔，燃料喷射方向与气流方向垂直,其结构如2.2所示。

图2.2双环反向旋流预混器II代（DACRS II）剖视示意[3]

DACRSII同时也对中心体的顶端冷却进行了优化，通过燃料进行对流冲击冷却，以延长部件的寿命。

2.3DACRS III 燃料预混器

第三代预混器进一步优化了结构，外旋流器采用中空叶片设计，在旋流叶片的出气边上布置3个燃料小孔，顺气流方向喷入。同时对于2杯喷嘴的A环和B环预混器，在杯壁出口处增加ELBO孔（Enhanced Lean Blow Out-增强型贫燃熄火预防）,以防止在低负荷模式下发生贫燃熄火，改善燃烧脉动。ELBO燃料来自于B环值班气，燃料占比约10%，为扩散燃烧火焰。中心体内的冷却改为引一路空气冷却，此举还可以消除中心区域尾部小的回流区。中心体相对杯体内缩，以防止中心体超温。如图2.3[3,4]。

图2.3 双环反向旋流预混器III代（DACRS III）剖视示意[3,4]

对于3杯燃烧器，燃料分三路引入，对应A/B/C通道。对于2杯燃烧器，同样为三路燃料接入口，对应A/B/ELBO通道。

2.4TAPS-环腔预混旋流器

20世纪90年代中期，为进一步降低NOx排放值，GE公司在双环腔燃烧室（DAC）的基础上，发展了双环腔预混旋流（TAPS）燃烧室，图2.5展示了发展历程[1,5]。

图2.5 GE航空发动机低排放燃烧室的发展[1,5]

TAPS燃烧室由预燃级和主燃级组成，内外两组旋流器同轴布置，产生两股共轴的环形反向旋转射流。预燃级（值班级）位于中心，主要确保在点火和低功率工作状态下燃烧的持续稳定。图2.6所示的主混合器包括一个径向旋流器和一个环腔。预燃级旋流首先由燃油喷嘴的结构布置形式控制，并通过一定台阶与预混级主涡流相互作用，通过一定的烟气回流保证燃烧室中心稳定燃烧所需的热环境。空气一部分用于冷却燃烧室头部和火焰筒，剩余一次空气流过预燃级和主燃级旋流器进入主燃区[6]。

GE公司曾研制过单环腔（SAC）和双环腔（DAC）两种TAPS

燃烧室。其中单环腔燃烧室-SACTAPS用于CFM56发动机（CFM56-7B）（图2.5所示）；双环腔燃烧室-DACTAPS用于先进亚音速运输机（AST）研究计划下研制的GE90发动机（GE90-94B）（图2.6所示）[1,5]

图2.6 GE90 DAC TAPS燃烧室系统[5]

目前最新的LMS100燃气轮机借鉴GE90航空发动机DACTAPS设计技术，研制出了适用于地面的DLE 2.0燃烧室。该燃烧室采用双环腔燃烧室设计，单个燃烧器采用2杯燃料预混器设计，如图2.7所示。周向共布置15个燃烧器。每个燃料预混器包含独立的内外环预混器（值班预燃级/主燃级），以达到燃料和空气的高度预混。

图2.8为值班级与预混级的布置示意图。在低负荷阶段，燃烧模式为值班模式。随着负荷的不断升高，内外环旋流器按顺序通入燃料以维持火焰温度在允许的范围内。燃料母管共分为6路，包括内圈值班母管，内圈主燃母管，外圈值班母管，外圈主燃母管，内圈ELBO母管，外圈ELBO母管。

3DLE 2.0燃烧系统

DLE 2.0系统应用于目前最新的LMS100和LM6000PH航改型燃气轮机，采用环形燃烧室，周向布置15个CAPP预混燃烧器，共配置6个燃料调节阀，分别称为外圈主预混燃料调节阀（A），内圈值班燃料调节阀（B），内圈ELBO燃料调节阀（C），外圈ELBO燃料调节阀（D），外圈值班燃料调节阀（E），内圈主预混燃料调节阀（F），每个预混燃烧器对应6路燃料软管接入。从点火至满负荷主要经历表3.1三种燃烧模式。

表3.1 DLE 2.0燃烧模式

4三种DLE燃烧系统的异同

对于DLE 1.0和DLE 1.5，由于都采用了DACRS系列燃料预混器，因此主要在燃料调节分配和分级模式上加以优化，新增2个独立的燃料调节阀（B2和B3）对2杯和3杯燃料喷嘴的B环流量加以控制 。同时分级阀的应用，可以使散点分级根据需要进行配置，以适应不同负荷段的燃烧要求。

DLE 2.0采用新型的CAPP燃料预混器，燃烧模式相比前两类更加简单，同时可以在更低的负荷段下实现全预混燃烧，改善部分负荷段下的排放特性。三种DLE燃烧系统的硬件配置及燃烧分级方式对比如表3.3所示。

表4.1 三种DLE燃烧系统配置对比

5小结

适用于航改机的DLE系列预混器自上世纪90年代开始开发，最早运用于LM6000系列燃机，期间预混器设计共经过三次重大结构改型。主要针对燃料的掺混方式进行优化，最终采用了中空旋流叶片上布置燃料孔的掺混形式，以获得良好的燃料空气预混均匀度。而最新的DLE 2.0则借鉴航空发动机的TAPS喷嘴设计理念，采用内值班外主预混的形式，通过一定的烟气回流在燃烧温度不太高的情况下保证燃料充分燃尽。相比重型燃气轮机，航改型燃气轮机在设计上有以下特点：

1)燃烧室多为环形燃烧室，结构更加紧凑，且空气多为直流喷入燃烧室，减少了逆流布置产生的压损。

2)燃烧预混器多采用内外环腔设计结构，且一般配置独立的扩散火焰，如ELBO燃气用于火焰稳定。

3)通过独立的分级阀可以控制单个预混器的工作状态，使得燃烧分级模式更加多样，保证在极低的负荷率下排放物仍然达标。

参考文献

参考文献

[1]金如山，索建泰.先进燃气轮机燃烧室，北京:航空工业出版社，2016.08

[2]Narendra D. Joshi, Hukam C. Mongia, Gary Leonard, et al. Dry Low Emissions Combustor Development. ASME: 98-GT-310, V003T06A027

[3]Narendra D. Joshi, Michael J. Epstein, Susan. Durlak, et al. Development of a Fuel Air Premixer for Aero-Derivative Dry Low Emissions Combustors. ASME: 94-GT-253, V003T06A011.

[4]冯冲，祁海鹰，谢刚，等.干式低NO_x燃气轮机燃烧室的燃料/空气预混均匀性问题分析[J].中国电机工程学报

，2011,31(17):9-19.

[5]Hukam C. Mongia. GE Aviation Low Emissions Combustion Technology Evolution. SAE International: AeroTech Congress & Exhibition Los Angeles, California September 17-20, 2007

[6]N. GUELLOUH, Z. SZAMOSI, Z. SIMENFALVI. Combustors with Low Emission Levels for Aero Gas Turbine Engines. (IJEMS) Vol. 4. (2019). No. 1