CN112815356A - 一种可自适应调节的富氢燃料低排放微焰燃烧室 - Google Patents

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CN112815356A CN202011621901.4A CN202011621901A CN112815356A CN 112815356 A CN112815356 A CN 112815356A CN 202011621901 A CN202011621901 A CN 202011621901A CN 112815356 A CN112815356 A CN 112815356A
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Abstract

本发明的目的在于提供一种可自适应调节的富氢燃料低排放微焰燃烧室，包括机匣、火焰筒、两级可调导叶头部、燃料导管、多孔板，火焰筒固定在机匣里，机匣里设置多孔板、两级可调导叶头部、燃料导管，燃料导管穿过多孔板连接两级可调导叶头部。本发明自动调整燃烧室头部环形空气通道内可调导叶的角度，可以控制不同含氢比例富氢燃料燃烧时的火焰面位置，使火焰不会被吹熄，也不会附着在燃烧室头部灼烧头部壁面，从而实现不同含氢比例富氢燃料稳定、高效、清洁的燃烧，没有预混腔存在，避免了回火、自燃和燃烧振荡的危险。

Description

一种可自适应调节的富氢燃料低排放微焰燃烧室
技术领域
本发明涉及的是一种燃气轮机，具体地说是燃气轮机的燃烧室。
背景技术
近年来，氢能作为最环保的燃料成为了能源界备受关注的热点。作为向纯氢燃机轮机发展过程中的过渡，燃用富氢燃料的燃气轮机在发电端的应用优势逐渐凸显。通过气体燃料加氢，可以提高其燃烧速率，扩展稳定稀燃极限，大幅降低二氧化碳和氮氧化物等污染物排放。但是富氢燃料的特性显著异于天然气及其他石油伴生气，当燃料中氢气含量发生变化时，燃料的火焰传播速度和点火延迟时间等特性有明显改变，容易出现燃烧振荡、自燃和回火等现象。此外，各个国家和地区富氢燃料的含氢比例存在较大差异，在向氢燃料燃气轮机过渡时，燃烧室需要根据富氢燃料不同的含氢比例快速做出变化以实现富氢燃料的稳定燃烧，只能燃用固定含氢比例富氢燃料的燃气轮机无法满足全球市场需求。随着可再生能源的综合利用及节能减排的深度发展，能够清洁高效的燃烧氢及富氢灵活燃料的燃气轮机将对能源利用和工程节能减排意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供可以控制不同含氢比例富氢燃料燃烧时的火焰面位置，使火焰不会被吹熄，也不会附着在燃烧室头部灼烧头部壁面，从而实现不同含氢比例富氢燃料稳定、高效、清洁燃烧的一种可自适应调节的富氢燃料低排放微焰燃烧室。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种可自适应调节的富氢燃料低排放微焰燃烧室，其特征是：包括机匣、火焰筒、两级可调导叶头部、燃料导管、多孔板，火焰筒固定在机匣里，机匣里设置多孔板、两级可调导叶头部、燃料导管，燃料导管穿过多孔板连接两级可调导叶头部；
所述燃料导管包括壳体，壳体里设置中心管，中心管外部为值班级燃料管路，值班级燃料管路外部为主燃级燃料管路，值班级燃料管路连接值班级燃料导管，主燃级燃料管路连接主燃级燃料导管；
所述两级可调导叶头部从其中心轴由内至外依次包括内轮毂、中轮毂、外轮毂，内轮毂和中轮毂之间设置值班级可调导叶，中轮毂和外轮毂之间设置主燃级可调导叶，值班级可调导叶内部和主燃级可调导叶内部有中空的燃料通道，值班级可调导叶和主燃级可调导叶上分别设置燃料孔，内轮毂内部设置内轮毂内通道和内轮毂外通道，内轮毂外通道连接燃料导管的值班级燃料导管和值班级可调导叶的燃料通道，内轮毂内通道固定点火器头部和连接燃料导管的中心管，中轮毂内部设置中轮毂内通道和中轮毂外通道，中轮毂外通道连接燃料导管的主燃级燃料导管和主燃级可调导叶的燃料通道，中轮毂内通道内布置值班级可调导叶的转动部件，外轮毂内通道内布置主燃级可调导叶的转动部件；
值班级燃料导管连通值班级可调导叶，主燃级燃料导管连通主燃级可调导叶。
本发明还可以包括：
1、值班级可调导叶的转动部件包括值班级液压动作筒，值班级液压动作筒通过其支架固定在中轮毂下壁面上，值班级固定杆和值班级转动圈分别安装在中轮毂下壁面上，值班级转动圈上分别安装值班级长销杆和值班级短销杆，值班级可调导叶连接值班级可调导叶转动杆，值班级液压动作筒推动安装在值班级固定杆上的值班级长位移杆，值班级长位移杆与值班级长销杆配合，值班级短位移杆与值班级短销杆配合，值班级短位移杆连接值班级可调导叶转动杆。
2、主燃级可调导叶的转动部件包括主燃级液压动作筒，主燃级液压动作筒通过其支架固定在外轮毂下壁面上，主燃级固定杆和主燃级转动圈分别安装在外轮毂下壁面上，主燃级转动圈上分别安装主燃级长销杆和主燃级短销杆，主燃级可调导叶连接主燃级可调导叶转动杆，主燃级液压动作筒推动安装在主燃级固定杆上的主燃级长位移杆，主燃级长位移杆与主燃级长销杆配合，主燃级短位移杆与主燃级短销杆配合，主燃级短位移杆连接主燃级可调导叶转动杆。
3、燃料导管的值班级燃料管路里设置值班级燃料分配器，燃料导管的主燃级燃料管路里设置主燃级燃料分配器；值班级转动圈通过值班级限位杆限制其轴向滑动，主燃级转动圈通过主燃级限位杆限制其轴向滑动。
本发明的优势在于：
1、本发明涉及到的一种可自适应调节的富氢燃料低排放微焰燃烧室能根据富氢燃料中不同的含氢比例，自动调整燃烧室头部环形空气通道内可调导叶的角度，当燃用纯氢燃料时，可调导叶的角度为零度，此时的设计流速使火焰稳定的保持在距头部壁面一定距离处，形成以扩散燃烧为主的脱体微焰，当燃用不同含氢比例的富氢燃料时，会根据燃料的含氢比例自动调整燃烧室头部环形空气通道内可调导叶的角度，这相当于在头部空气流量保持不变时改变叶间流道内空气的流通面积，以此达到改变头部空气流速的目的，为了保证燃烧室温升不变，富氢燃料的含氢比例越低，燃料的体积流量也越大，燃料喷射速度变大，燃料燃烧时的火焰传播速度变小，此时逐步增大可调导叶的角度，叶间空气流通面积的减小使空气流速相应变大，能够促进燃料与空气的掺混，总的来说，调节可调导叶的角度可以控制不同含氢比例富氢燃料燃烧时的火焰面位置，使火焰不会被吹熄，也不会附着在燃烧室头部灼烧头部壁面，从而实现不同含氢比例富氢燃料稳定、高效、清洁的燃烧，没有预混腔存在，避免了回火、自燃和燃烧振荡的危险；
2、本发明涉及到的一种可自适应调节的富氢燃料低排放微焰燃烧室通过调整可调导叶的角度使空气产生旋转流动，旋流形成的回流区能增强已燃气与未燃气的掺混传热，从而提高燃烧室的燃烧稳定性；
3、本发明涉及到的一种可自适应调节的富氢燃料低排放微焰燃烧室由两级燃料分配器自动调节燃料流量，使燃烧室在变工况运行时通过燃料逐级加入或退出的方式实现工况的平稳过渡。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2a为两级可调导叶头部示意图，图2b为图2a的局部放大图；
图3a为两级可调导叶头部值班级示意图，图3b为图3a的局部放大图；
图4a为两级可调导叶头部主燃级示意图，图4b为图4a的局部放大图；
图5a为火焰筒示意图，图5b为图5a的局部放大图；
图6为机匣示意图；
图7为多孔板示意图；
图8为燃料导管示意图；
图9为点火器示意图；
图10为富氢燃料低排放微焰燃烧室燃用纯氢燃料时的示意图。
图11为富氢燃料低排放微焰燃烧室燃用不同含氢比例富氢燃料时的示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-11，本发明一种可自适应调节的富氢燃料低排放微焰燃烧室，包括两级可调导叶头部1、火焰筒2、机匣3、多孔板4、燃料导管5、点火器6六个部分。所述的两级可调导叶头部1，从中心轴线由内至外依次为内轮毂1-1、中轮毂1-27、外轮毂1-24，内轮毂1-1与中轮毂1-27间的值班级环形空气通道1-11内安装了轮毂支撑板1-25和值班级可调导叶1-26，中轮毂1-27和外轮毂1-24间的主燃级环形空气通道1-20内安装了轮毂支撑板1-22和主燃级可调叶片1-23，值班级可调导叶1-26和主燃级可调导叶1-23的内部均有中空的燃料通道1-8和1-18，富氢燃料可以通过可调导叶两侧壁面上的燃料孔1-37和1-47喷出，与叶间来流空气形成横向射流掺混，内轮毂1-1与内轮毂左壁面1-3围成了内通道1-2和外通道1-4，其外通道1-4用以连接燃料导管的值班级燃料导管5-6和值班级可调导叶1-26的内部燃料通道1-8，内通道1-2用以固定点火器头部6-2和连接燃料导管5的中心管5-5，由中轮毂左壁面1-5、中轮毂下壁面1-6、中轮毂上壁面1-9和中轮毂右壁面1-10构成的中轮毂1-27内包含了内通道1-12和外通道1-13，其外通道1-13用以连接燃料导管5的主燃级燃料导管5-8和主燃级可调导叶1-23的内部燃料通道1-18，内通道1-12内布置了值班级可调导叶1-26的转动部件,其转动原理为:值班级液压动作筒1-29通过其支架1-28固定在中轮毂下壁面1-6上，值班级液压动作筒1-29推动安装在固定杆1-30上的长位移杆1-31，使长销杆1-32带动转动圈1-36和短销杆1-35转动，继而带动安装在值班级可调导叶转动杆1-34上的短位移杆1-33转动，最后带动值班级可调导叶1-26转动，转动圈1-36由限位杆1-7限制其轴向滑动，由外轮毂左壁面1-14、外轮毂下壁面1-15、外轮毂上壁面1-16和外轮毂右壁面1-19构成的外轮毂1-24内包含了内部通道1-21，该内部通道1-21内布置了主燃级可调导叶1-23的转动部件,其转动原理为：主燃级液压动作筒1-39通过其支架1-38固定在外轮毂下壁面1-15上，主燃级液压动作筒1-39推动安装在固定杆1-40上的长位移杆1-41，使长销杆1-42带动转动圈1-46和短销杆1-45转动，继而带动安装在主燃级可调导叶转动杆1-44上的短位移杆1-43转动，最后带动主燃级可调导叶1-23转动，转动圈1-46由限位杆1-17限制其轴向滑动。所述的火焰筒2前端2-1与机匣3的端盖3-2上的凹槽3-4相连接，火焰筒2中部支撑环2-4与机匣3上的支撑杆3-6相连接，火焰筒2上均匀布置有可以使空气通过的圆形孔2-2、冷却孔2-3、掺混孔2-6，流经圆形孔2-2的空气主要参与燃烧反应，流经冷却孔2-3的空气冷却火焰筒壁面2-7后由尾孔2-5流出，防止壁面因温度过高而损坏，流经掺混孔2-6的空气与来流已燃混气进行掺混，以改善燃烧室出口温度场的均匀性。所述的机匣3由端盖3-2和筒体3-5组成，两者由螺栓3-1连接，端盖3-2上的中心孔3-3与燃料导管5的一端相连，筒体3-5的中部有均匀分布的支撑杆3-6，筒体3-5的尾端有均匀分布的螺丝孔3-7。所述的多孔板4上有均匀分布的圆孔4-2，其中心孔4-1与燃料导管5相连，主要起到整流空气的作用。所述的燃料导管5由内到外依次为中心管5-5、值班级燃料管路5-4、主燃级燃料管路5-3，分别通过值班级燃料导管5-6和主燃级燃料导管5-8与两级可调导叶头部1相连接，两层导管间有燃料导管支撑板5-7起支撑作用，两层燃料管路内分别有值班级燃料分配器5-1和主燃级燃料分配器5-2来控制燃料量。所述的点火器6的点火器线缆6-1布置在燃料导管5的中心管5-5内，点火器头部6-2固定在内轮毂通道1-2上。
如图1、图10、图11所示，一种可自适应调节的富氢燃料低排放微焰燃烧室的工作原理为：压缩空气9由火焰筒2和机匣3之间的环形空气通道进入燃烧室，通过的火焰筒2上的圆形孔2-2、冷却孔2-3和掺混孔2-6进入燃烧腔，由圆形孔2-2进入的空气通过多孔板4整流后流经两级可调导叶头部1内的两级环形空气通道，值班级燃料8与主燃级燃料7分别从值班级可调叶片1-26和主燃级可调叶片1-23上的燃料孔喷出后与叶间来流空气形成横向射流掺混，形成的可燃气通过点火器6点燃后在两级可调导叶头部1的下游以脱体火焰的方式进行燃烧，流经火焰筒2上冷却孔2-3的空气在冷却火焰筒壁面2-7后由尾孔2-5流出，防止壁面因温度过高而损坏，流经火焰筒2上掺混孔2-6的空气与来流已燃混气进行掺混，以改善燃烧室出口温度场的均匀性，最后高温燃气10通过火焰筒2的出口排出燃烧室。液压动作筒通过可调导叶传动部件带动可调导叶沿转动轴转动，当燃用纯氢燃料时，可调导叶的角度为零度，此时的设计流速使火焰稳定的保持在距头部壁面一定距离处，形成以扩散燃烧为主的脱体微焰，当燃用不同含氢比例的富氢燃料时，会根据燃料的含氢比例自动调整燃烧室头部环形空气通道内可调导叶的角度，这相当于在头部空气流量保持不变时改变值班级环形空气通道1-11和主燃级环形空气通道1-20内叶间流道的空气流通面积，以此达到改变头部空气流速的目的，为了保证燃烧室温升不变，富氢燃料的含氢比例越低，燃料的体积流量也越大，燃料喷射速度变大，燃料燃烧时的火焰传播速度变小，此时逐步增大可调导叶的角度，叶间空气流通面积的减小使空气流速相应变大，能够促进燃料与空气的掺混，旋转气流还能在燃烧室头部下游形成回流区来增强燃烧稳定性，总的来说，调节可调导叶的角度可以控制不同含氢比例富氢燃料燃烧时的火焰面位置，使火焰不会被吹熄，也不会附着在燃烧室头部灼烧头部壁面，从而实现不同含氢比例富氢燃料稳定、高效、清洁的燃烧，没有预混腔存在，避免了回火、自燃和燃烧振荡的危险，达到本发明根据富氢燃料的含氢比例自适应调节至稳定燃烧状态的目的。通往两级可调导叶的燃料量分别由值班级燃料分配器5-1和主燃级燃料分配器5-2控制，燃气轮机在启动及低工况工作时，只给值班级供给燃料，燃料只从值班级可调导叶的喷孔1-37喷出，与流经值班级环形空气通道1-11的空气混合后进行燃烧。随着工况的升高逐步增加值班级燃料量，直至工况升高至某工况点后，同时给值班级和主燃级供给燃料，此时值班级和主燃级同时参与燃烧，以此实现燃烧室在不同工况下的分级分区燃烧组织，充分发挥本发明在全工况运行范围内的低排放优势，也使工况过渡更加平稳。
两级可调导叶头部，主要由两个同轴共心布置的内环值班级和外环主燃级构成，从中心轴线由内至外依次为内轮毂、中轮毂、外轮毂。内轮毂中包含内外两圈中空通道，其内通道用以固定点火器头部和连接燃料导管的中心管，外通道用以连接燃料导管的值班级燃料导管和值班级可调导叶的内部燃料通道。中轮毂中包含内外两圈中空通道，其内通道用以布置值班级液压动作筒和值班级可调导叶传动部件，外通道用以连接燃料导管的主燃级燃料导管和主燃级可调导叶的内部燃料通道。外轮毂的中空通道用以布置主燃级液压动作筒和主燃级可调导叶传动部件。值班级可调导叶和轮毂支撑板均匀布置在内轮毂和中轮毂围成的值班级环形空气通道内，主燃级可调导叶和轮毂支撑板均匀布置在中轮毂和外轮毂围成的主燃级环形空气通道内。值班级可调导叶和主燃级可调导叶的内部有中空的燃料通道，富氢燃料可以通过可调导叶两侧壁面上的燃料孔喷出，与叶间来流空气形成横向射流掺混，混合气在燃烧室内被点火器点燃后在两级可调导叶头部的下游以脱体火焰的方式进行燃烧。液压动作筒通过可调导叶传动部件带动可调导叶沿转动轴转动，当燃用纯氢燃料时，可调导叶的角度为零度，此时的设计流速使火焰稳定的保持在距头部壁面一定距离处，形成以扩散燃烧为主的脱体微焰，当燃用不同含氢比例的富氢燃料时，会根据燃料含氢比例自动调整燃烧室头部环形空气通道内可调导叶的角度，这相当于在头部空气流量保持不变时改变叶间流道内空气的流通面积，以此达到改变头部空气流速的目的，为了保证燃烧室温升不变，富氢燃料的含氢比例越低，燃料的体积流量也越大，燃料喷射速度变大，燃料燃烧时的火焰传播速度变小，此时逐步增大可调导叶的角度，叶间空气流通面积的减小使空气流速相应变大，能够促进燃料与空气的掺混，旋转气流还能在燃烧室头部下游形成回流区来增强燃烧稳定性，总的来说，调节可调导叶的角度可以控制不同含氢比例富氢燃料燃烧时的火焰面位置，使火焰不会被吹熄，也不会附着在燃烧室头部灼烧头部壁面，从而实现不同含氢比例富氢燃料稳定、高效、清洁的燃烧，没有预混腔的存在，避免了回火、自燃和燃烧振荡的危险，达到本发明根据富氢燃料的含氢比例自适应调节至稳定燃烧状态的目的。通往两级可调导叶的燃料量由两个燃料分配器控制，燃气轮机在启动及低工况工作时，只给值班级供给燃料，燃料只从值班级可调导叶的燃料孔喷出，与流经值班级环形空气通道的空气混合后进行燃烧。随着工况的升高逐步增加值班级燃料量，直至工况升高至某工况点后，同时给值班级和主燃级供给燃料，此时值班级和主燃级同时参与燃烧，以此实现燃烧室在不同工况下的分级分区燃烧组织，充分发挥本发明在全工况工作范围内的低排放优势，工况过渡也能更加平稳。
火焰筒由支撑杆固定在机匣上，空气可以通过火焰筒上的圆形孔、冷却孔、掺混孔进入到燃烧腔。流经圆形孔的空气主要参与燃烧反应，流经冷却孔的空气主要用以冷却火焰筒壁面，防止火焰筒壁面因温度过高而损坏，流经掺混孔的空气与来流已燃混气进行掺混，以改善燃烧室出口温度场的均匀性。
机匣其一端含有燃料导管接口和火焰筒接口，分别与燃料导管和火焰筒相连接，机匣与火焰筒配合形成了外环形空气通道和内圆形空气通道，来自压气机的压缩空气由外环形空气通道入口流入，通过火焰筒壁面上的圆形孔、冷却孔和掺混孔进入内圆形空气通道内，燃烧后的高温燃气由内圆形空气通道出口流出。
多孔板布置在燃料导管和火焰筒之间，多孔板上开有均匀等大的圆形孔，主要对从火焰筒圆形孔流入内圆形空气通道的空气起到整流作用。
燃料导管一端燃料导管进口固定在机匣上，一端燃料导管出口与两级可调导叶头部的轮毂相连，燃料导管中值班级和主燃级燃料管路分离处的燃料导管支撑板起支撑燃料管路的作用。富氢燃料可通过燃料导管的两层燃料通道分别进入到两级可调导叶的内部通道，再通过可调导叶上的燃料喷孔喷出，富氢燃料与来流空气形成横向射流掺混后进入火焰筒内参与燃烧，燃料导管中心为中心管，用以布置点火器线缆。
点火器线缆布置在燃气导管的中心管内，点火器头部固定在内轮毂上。燃气轮机启动时，所述的点火器为燃烧室提供稳定的点火源。

Claims (5)

1.一种可自适应调节的富氢燃料低排放微焰燃烧室，其特征是：包括机匣、火焰筒、两级可调导叶头部、燃料导管、多孔板，火焰筒固定在机匣里，机匣里设置多孔板、两级可调导叶头部、燃料导管，燃料导管穿过多孔板连接两级可调导叶头部；
所述燃料导管包括壳体，壳体里设置中心管，中心管外部为值班级燃料管路，值班级燃料管路外部为主燃级燃料管路，值班级燃料管路连接值班级燃料导管，主燃级燃料管路连接主燃级燃料导管；
所述两级可调导叶头部从其中心轴由内至外依次包括内轮毂、中轮毂、外轮毂，内轮毂和中轮毂之间设置值班级可调导叶，中轮毂和外轮毂之间设置主燃级可调导叶，值班级可调导叶内部和主燃级可调导叶内部有中空的燃料通道，值班级可调导叶和主燃级可调导叶上分别设置燃料孔，内轮毂内部设置内轮毂内通道和内轮毂外通道，内轮毂外通道连接燃料导管的值班级燃料导管和值班级可调导叶的燃料通道，内轮毂内通道固定点火器头部和连接燃料导管的中心管，中轮毂内部设置中轮毂内通道和中轮毂外通道，中轮毂外通道连接燃料导管的主燃级燃料导管和主燃级可调导叶的燃料通道，中轮毂内通道内布置值班级可调导叶的转动部件，外轮毂内通道内布置主燃级可调导叶的转动部件；
值班级燃料导管连通值班级可调导叶，主燃级燃料导管连通主燃级可调导叶。
2.根据权利要求1所述的一种可自适应调节的富氢燃料低排放微焰燃烧室，其特征是：值班级可调导叶的转动部件包括值班级液压动作筒，值班级液压动作筒通过其支架固定在中轮毂下壁面上，值班级固定杆和值班级转动圈分别安装在中轮毂下壁面上，值班级转动圈上分别安装值班级长销杆和值班级短销杆，值班级可调导叶连接值班级可调导叶转动杆，值班级液压动作筒推动安装在值班级固定杆上的值班级长位移杆，值班级长位移杆与值班级长销杆配合，值班级短位移杆与值班级短销杆配合，值班级短位移杆连接值班级可调导叶转动杆。
3.根据权利要求1或2所述的一种可自适应调节的富氢燃料低排放微焰燃烧室，其特征是：主燃级可调导叶的转动部件包括主燃级液压动作筒，主燃级液压动作筒通过其支架固定在外轮毂下壁面上，主燃级固定杆和主燃级转动圈分别安装在外轮毂下壁面上，主燃级转动圈上分别安装主燃级长销杆和主燃级短销杆，主燃级可调导叶连接主燃级可调导叶转动杆，主燃级液压动作筒推动安装在主燃级固定杆上的主燃级长位移杆，主燃级长位移杆与主燃级长销杆配合，主燃级短位移杆与主燃级短销杆配合，主燃级短位移杆连接主燃级可调导叶转动杆。
4.根据权利要求1或2所述的一种可自适应调节的富氢燃料低排放微焰燃烧室，其特征是：燃料导管的值班级燃料管路里设置值班级燃料分配器，燃料导管的主燃级燃料管路里设置主燃级燃料分配器；值班级转动圈通过值班级限位杆限制其轴向滑动，主燃级转动圈通过主燃级限位杆限制其轴向滑动。
5.根据权利要求3所述的一种可自适应调节的富氢燃料低排放微焰燃烧室，其特征是：燃料导管的值班级燃料管路里设置值班级燃料分配器，燃料导管的主燃级燃料管路里设置主燃级燃料分配器；值班级转动圈通过值班级限位杆限制其轴向滑动，主燃级转动圈通过主燃级限位杆限制其轴向滑动。
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