CN114183772A - 一种氢气预混的高效低排放燃烧室头部 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种氢气预混的高效低排放燃烧室头部，结合氢气预混火焰具有传播速度快的特点且氢气火焰厚度薄的优点，设计了一种低排放燃烧室稳定燃烧的头部结构，通过采用多级燃料环腔和环腔连接的结构设计，能够极大提高燃料进入燃烧室头部的均匀性，且多级预混流道呈渐缩形，且预混管道内布置螺旋槽，强化燃料与空气的掺混，改善燃烧温度场，实现预混条件下氢气可靠稳定的燃烧，从而降低氢气的燃烧过程中氮氧化物的排放，实现氢气清洁高效燃烧。这种方案具有结构轻巧、空间利用率高、容积热强度高、污染物排放低、出口温度均匀、通用性好、加工维护简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机燃烧室应用领域，具体地涉及一种氢气预混的高效低排放燃烧室头部。
技术背景
石化燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，另外二氧化碳排放增加造成地球温度逐年升高。氢能源燃烧产物是水清洁环保且储量丰富易制备，发展氢能已取得国际社会共识成为新能源利用的主流趋势。氢气是一种无碳清洁燃料，氢气在燃烧中的大规模应用将是未来能源领域发展的重要趋势。氢气的燃烧速度较快，在燃烧过程中受限于回火问题，因此目前氢气燃烧大都使用非预混燃烧方式。但由于氢气具有较高的绝热燃烧温度，非预混燃烧会导致燃烧区域温度过高，产生较多的氮氧化物的同时出口温度场均匀性差。预混燃烧技术有利于减少局部高温区，降低氮氧化物排放，但氢气在预混时存在混合不充分、易回火易吹熄等问题。此外，由于氢气燃烧速度较高，火焰燃烧位置靠近喷口，燃烧方式存在烧蚀的风险。因此，需要对燃烧器进行合理设计来实现预混条件下氢气可靠稳定的燃烧。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氢气预混的高效低排放燃烧室头部。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
一种氢气预混的高效稳燃低排放燃烧室头部，包括氢气预混头部、火焰筒、机匣、多孔板、燃料导管、第一级空气进口、第二级空气进口、第三级燃料进口、第一级燃料进口、第二级燃料进口、第三级燃料进口、第四级燃料进口、第一级燃料环腔、第二级燃料环腔、第三级燃料环腔、第四级燃料环腔、第三级空气环腔、第二级空气环腔、第一级空气环腔、预混段燃料孔、预混段环腔、火焰筒前端、圆形孔、冷却孔、火焰筒中部支撑环、尾孔、掺混孔、机匣筒体、端盖中心孔、端盖凹槽、螺孔、多孔板中心孔、多孔板圆孔、第一级燃料管、第二级燃料管、第三级燃料管、第四级燃料管、燃料导管短中心轴、燃料导管长中心轴、燃料导管长中心轴；火焰筒由支撑杆固定在机匣上，机匣其一端含有燃料导管接口和火焰筒接口，再分别与燃料导管和火焰筒连接，多孔板安装在燃料导管和火焰筒之间，燃料导管一端为进口，固定在机匣上，燃料导管另一端为多级燃料出口与氢气预混头部的多级燃料进口直接相连，氢燃料可通过燃料导管的四层燃料通道分别进入到氢气预混头部的内部的多级燃料环腔。
进一步地，气态燃料分别通过第一级燃料进口、第二级燃料进口、第三级燃料进口、第四级燃料进口进入氢气预混头部，采用同四级燃料导管供给气体燃料，并在每级燃料进口附近开密集的空气进口以掺混；每级燃料进口设置6个入口，第一级空气进口设置25个入口，第二级空气进口设置42个入口，三级空气进口设置59个入口，并在氢气预混头部末端设置共61个掺混收缩段。
进一步地，燃料通过燃料导管的第一级燃料管、第二级燃料管、第三级燃料管、第四级燃料管，分别进入第一级燃料环腔，第二级燃料环腔，第三级燃料环腔，第四级燃料环腔，并均匀的进入到预混段前端燃料通道，并从预混段燃料孔喷出，此外空气从空气通过火焰筒上的圆形孔、冷却孔、掺混孔进入到燃烧室头部的前端，分别从第一级空气进口，第二级空气进口，第三级空气进口进入到预混段环腔，并均匀的进入到预混段四周的环腔，在预混段环腔和从预混段燃料孔喷出的气体燃料均匀掺混。
进一步地，空气分别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，提高燃气轮机燃烧室的使用寿命，流经掺混孔的空气与来流燃气进行掺混，改善燃烧室出口温度场的均匀性。
本发明的有益效果在于：
1.采用多级燃料导管输送燃料，提高进入头部燃料的均匀性，且布置多级入口接多级环腔，保证燃料分布的均匀性，头部后半段布置多个预混段，强化空气和燃料掺混。
2.预混段环腔内布置螺旋凹槽，在管内流动时受螺旋槽纹的引导，靠近壁面的部分流体顺槽旋转；另一部分流体顺壁面沿轴向流动时，螺旋形的凹槽也使流体产生周期性的扰动。前一种作用有利于减薄流体边界层；后一种作用引起边界层中流体质的扰动，二次强化掺混。
3.预混段环腔为渐缩式，相比普通圆管，一方面可以强化掺混效果，另一方面，渐缩管可以提高后续氢气燃烧稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例中的结构总体示意图；
图2为本发明实施例中预混头部的纵剖示意图；
图3为本发明实施例中预混头部的横剖示意图；
图4为本发明的燃料导管示意图；
图5为本发明的火焰筒示意图；
图6为本发明的机匣示意图；
图7为本发明的燃料导管示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
根据图1至图7，本本发明提供了一种氢气预混的高效稳燃低排放燃烧室头部。该结构主要包含氢气预混头部1，火焰筒2，机匣3，多孔板4，燃料导管5。氢气由导管左侧短中心轴5-6运输至导管右侧多级燃料管，各级燃料量由各个管道的通流能力和流阻系数自动分配，其中第一级燃料管5-1连接第一级燃料进口1-4，第二级燃料管5-2连接第二级燃料进口1-5，第三级燃料管5-3连接第一级燃料进口1-6，第四级燃料管5-4连接第四级燃料进口1-7，然后分别进入到各级入口对应的环腔，从环腔进入到每级对应的预混段前燃料通道，再从通道内的燃料孔1-15横向喷出到预混段环腔1-16内，本发明采用多级导管接多级燃料入口接多级环腔的设计，极大提高燃料进入头部的均匀性，再空气分别通过火焰筒上的圆形孔2-2、冷却孔2-3、掺混孔2-6进入到空气进口，并进入到预混段四周的环腔，与从燃料孔喷出的气体燃料进行横向射流掺混，并在预混段的收缩尖端点燃，且收缩段环腔内布置有螺旋凹槽，强化流体扰动以促进燃料和空气的掺混，以降低局部高温区，继而能获得更加均匀的温度场分布，燃烧室出口更均匀的温度分布能提高涡轮叶片的使用寿命，控制主燃区温度在污染物大量生成的界限之下，降低氮氧化物排放，同时杜绝出口的烧蚀和燃烧不稳定现象的发生，实现氢气清洁而稳定的燃烧。整体结构良好的低排放性能和燃烧稳定性不随着结构尺寸的变化而下降，具有应用在不同低排放燃气轮机燃烧室上的广阔前景。
其中所述的预混头部，主要由共四级主燃料进口及环腔、三级空气进口、以及多个相同结构的收缩预混段构成，其中每级燃料进口周向均匀分布，燃料进口左侧连接多级燃料导管以输送气体燃料，气体燃料通过进口进入到燃料环腔，燃料环腔连接多个预混段入口，气体燃料进入到收缩段前段的燃料通道，并从四周的燃料孔喷出，而空气进口均匀分布在燃料进口相邻的周向，空气分别通过火焰筒2上的圆形孔2-2、冷却孔2-3、掺混孔进入到燃料进口，并进入到预混段四周的环腔，与从燃料孔喷出的气体燃料进行横向射流掺混，并在预混段的收缩尖端点燃，本发明采用多级导管接多级燃料入口接多级环腔的设计，极大提高燃料进入头部的均匀性，且收缩段环腔内布置有螺旋凹槽，强化流体扰动以促进燃料和空气的掺混、增加掺混距离、强化出口旋流，以降低局部高温区，降低氮氧化物排放；
所述的火焰筒2，由支撑杆固定在机匣3上，可以使空气通过火焰筒1上的圆形孔2-2、冷却孔2-3、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燃气进行掺混，以改善燃烧室出口温度场的均匀性。
所述的机匣3，其一端含有燃料导管5接口和火焰筒2接口，分别与燃料导管5和火焰筒5相连接，机匣3与火焰筒2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2-2、冷却孔2-3和掺混孔进入内圆形空气通道，燃烧后的高温燃气由内圆形空气通道出口流出。
所述的多孔板4，布置在燃料导管5和火焰筒2之间，多孔板4上开有均匀等大的圆形孔2-2，主要对从火焰筒2圆形孔2-2流入内圆形空气通道的空气起到整流作用。
所述的燃料导管5，一端燃料导管5进口固定在机匣3上，一端燃料导管5多级出口与预混头部的多级燃料入口直接相连，燃料导管5中心轴起支撑燃料管路的作用。氢燃料可通过燃料导管的四层燃料通道分别进入到预混头部1的内部燃料环腔，再通过预混段燃料喷孔喷出，氢燃料与来流空气形成横向射流掺混后进入火焰筒2内参与燃烧。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种氢气预混的高效低排放燃烧室头部，包括：氢气预混头部(1)、火焰筒(2)、机匣(3)、多孔板(4)、燃料导管(5)、第一级空气进口(1-1)、第二级空气进口(1-2)、第三级燃料进口(1-3)、第一级燃料进口(1-4)、第二级燃料进口(1-5)、第三级燃料进口(1-6)、第四级燃料进口(1-7)、第一级燃料环腔(1-8)、第二级燃料环腔(1-9)、第三级燃料环腔(1-10)、第四级燃料环腔(1-11)、第三级空气环腔(1-12)、第二级空气环腔(1-13)、第一级空气环腔(1-14)、预混段燃料孔(1-15)、预混段环腔(1-16)、火焰筒前端(2-1)、圆形孔(2-2)、冷却孔(2-3)、火焰筒中部支撑环(2-4)、尾孔(2-5)、掺混孔(2-6)、机匣筒体(3-1)、端盖中心孔(3-2)、端盖凹槽(3-3)、螺孔(3-4)、多孔板中心孔(4-1)、多孔板圆孔(4-2)、第一级燃料管(5-1)、第二级燃料管(5-2)、第三级燃料管(5-3)、第四级燃料管(5-4)、燃料导管短中心轴(5-6)、燃料导管长中心轴(5-5)、燃料导管长中心轴(5-6)；火焰筒(2)由支撑杆固定在机匣(3)上，机匣(3)其一端含有燃料导管(5)接口和火焰筒(2)接口，再分别与燃料导管(5)和火焰筒(2)连接，多孔板(4)安装在燃料导管(5)和火焰筒(2)之间，燃料导管(5)一端为进口，固定在机匣(3)上，燃料导管(5)另一端为多级燃料出口与氢气预混头部(1)的多级燃料进口直接相连，氢燃料可通过燃料导管(5)的四层燃料通道分别进入到氢气预混头部(1)的内部的多级燃料环腔。
2.根据权利要求1所述的一种氢气预混的高效低排放燃烧室头部，其特征是：气态燃料分别通过第一级燃料进口(1-4)、第二级燃料进口(1-5)、第三级燃料进口(1-6)、第四级燃料进口(1-7)进入氢气预混头部(1)，采用同四级燃料导管(5)供给气体燃料，并在每级燃料进口附近开密集的空气进口以掺混；每级燃料进口设置6个入口，第一级空气进口设置25个入口，第二级空气进口设置42个入口，三级空气进口设置59个入口，并在氢气预混头部(1)末端设置共61个掺混收缩段。
3.根据权利要求1所述的一种氢气预混的高效低排放燃烧室头部，其特征是：燃料通过燃料导管(5)的第一级燃料管(5-1)、第二级燃料管(5-2)、第三级燃料管(5-3)、第四级燃料管(5-4)，分别进入第一级燃料环腔(1-8)、第二级燃料环腔(1-9)、第三级燃料环腔(1-10)、第四级燃料环腔(1-11)，并均匀的进入到预混段前端燃料通道，并从预混段燃料孔(1-15)喷出，此外空气从空气通过火焰筒(2)上的圆形孔(2-2)、冷却孔(2-3)、掺混孔进入到燃烧室头部的前端，分别从第一级空气进口(1-1)，第二级空气进口(1-2)，第三级空气进口(1-3)进入到预混段环腔(1-16)，并均匀的进入到预混段四周的环腔，在预混段环腔(1-16)和从预混段燃料孔(1-15)喷出的气体燃料均匀掺混。
4.根据权利要求1所述的一种氢气预混的高效低排放燃烧室头部，其特征是：空气分别通过火焰筒(2)上的圆形孔(2-2)、冷却孔(2-3)、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，提高燃气轮机燃烧室的使用寿命，流经掺混孔的空气与来流燃气进行掺混，改善燃烧室出口温度场的均匀性。
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