CN116221780B - 掺混机构及燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种掺混机构及燃烧装置，掺混机构包括内筒体，内筒体的内部限定第一流道，第一流道被构造成容纳空气通过；外筒体，同轴套设于内筒体的外侧，外筒体及内筒体之间限定第二流道，第二流道被构造成环形，以容纳空气及燃料通过，使得空气及燃料在第二流道内形成第一混合气；多个掺混叶片及旋流叶念，沿内筒体的周向方向布置，叶片设置于内筒体及外筒体之间，叶片设置有第三流道，第三流道被构造成将第一流道与外部的空气环境连通，第三流道用作第一流道的进气端，以在空气通过所述第三流道的状态下使所述叶片散热，以增强掺混叶片和旋流叶片壁面散热和淬熄，抑制自燃和回火。燃烧装置包括值班机构、部分预混机构以及掺混机构。

Description

掺混机构及燃烧装置

技术领域

本公开的至少一种实施例涉及燃气轮机技术领域，更具体地，涉及一种用于燃气轮机的燃烧室的掺混机构及包含掺混机构的燃烧装置。

背景技术

燃料灵活性是表征燃气轮机应用的重要指标。燃料灵活性具体是指燃气轮机能够兼容具有不同组分及热值的燃料，可以在天然气、氢气、焦炉气、高炉气等燃料间切换，支持天然气和氢气的混合燃料在任一比例下持续运行。目前，燃气轮机在工业应用中仅能够燃烧氢气含量低于60％体积分数的富氢燃料。主要挑战在于氢气与天然气的燃烧性质具有明显差异，氢气含量越高，层流火焰速度明显增加，绝热火焰温度升高，从而显著影响燃烧动力学特性，容易产生回火、热声不稳定性等问题，从而降低系统的可靠性。因此，燃料灵活性对喷嘴组件掺混均匀性、抑制回火的要求更高。

先进燃气轮机普遍采用旋流预混技术实现干式低污染燃烧，通过在环状预混腔内通过旋流叶片喷入燃料与空气进行掺混后燃烧，可以实现NOx排放低于25ppm@_15％O2。但是由于掺混效果强烈依赖于旋流流动，具有混合强度低、流动可控性差等缺点，不能用于氢气体积分数大于60％的高氢燃料，否则极易引起回火。因此，如何增强预混喷嘴中燃料和空气的掺混效率、同时提高流动的可控性，消除因旋流叶片尾迹涡以及喷嘴出口端面因同时受壁面边界层和燃烧区热辐射影响导致的回火现象，是具有燃料灵活性的燃气轮机需求迫切需要解决的技术瓶颈。

发明内容

为解决现有技术中的所述以及其他方面的至少一种技术问题，本公开提供一种掺混机构及燃烧装置。针对现有技术中的，高氢燃料易回火的问题，以叶片中形成的第三流道用作第一流道的进气端，使空气经第三流道进入第一流道，以在空气通过叶片的过程中对叶片降温，从而以增强叶片的壁面散热及淬熄。

本公开的实施例的一方面提供掺混机构，包括：内筒体，上述内筒体的内部限定第一流道，上述第一流道被构造成容纳空气通过；外筒体，同轴套设于上述内筒体的外侧，上述外筒体及上述内筒体之间限定第二流道，上述第二流道被构造成环形，以容纳空气及燃料通过，使得上述空气及上述燃料在上述第二流道内形成第一混合气；多个叶片，沿上述内筒体的周向方向布置，上述叶片设置于上述内筒体及上述外筒体之间，上述叶片设置有第三流道，上述第三流道被构造成将上述第一流道与外部的空气环境连通，上述第三流道用作上述第一流道的进气端，以在空气通过所述第三流道的状态下使所述叶片散热，以增强上述叶片的壁面散热及淬熄。

根据本公开的实施例，上述叶片被构造成沿上述第二流道的径向方向延伸，上述叶片内沿上述叶片的延伸方向设置有上诉第三流道，上述第三流道的进气端与上述外筒体的径向外侧的空气环境连通，上述第三流道的排气端和上述第一流道连通。

根据本公开的实施例，上述叶片包括用作掺混叶片的第一叶片，上述第一叶片包括沿上述第二流道的轴向方向顺次设置的第一前缘、驻涡段及尾端，上述第一前缘、驻涡段及尾端的长度被构造成大致相同；其中，上述第一前缘的前端面向气流设置，上述第一前缘被构造成弧形结构，上述驻涡段设置于上述第一前缘的后端，上述驻涡段的两侧形成对称的两个驻涡腔，上述尾端沿上述第一前缘的中心线向下游延伸。

上述第一前缘被构造成多孔结构，以对通过上述第一前缘的空气进行扰动，并形成沿上述第一叶片的壁面的壁面渗流。

根据本公开的实施例，多个上述第一叶片沿上述第二流道的周向均匀间隔设置，位于上述第二流道的相同轴向位置的多个第一叶片形成第一叶片阵列，以耗散上述第一叶片阵列的上游的气流扰动，并使上述空气及燃料进行掺混；其中，沿上述第二流道的轴向至少布置有两级上述第一叶片阵列。

根据本公开的实施例，上述叶片还包括用作旋流叶片的第二叶片，上述第二叶片设置于上述第一叶片的下游。

根据本公开的实施例，上述第二叶片的偏折段的吸力面的中部设置有清吹部；其中，上述清吹部的前段及后段的被构造成不同的弧度，以使上述清吹部的前段及后段的连接位置形成与上述第二叶片气道连通的出气部，以向上述清吹部的后段输出气流，以抑制产生于旋流叶片附近的二次涡负速度区。

根据本公开的实施例，上述第二叶片包括第二前缘、平直段及偏折段，上述第二前缘、上述平直段及上述偏折段沿气体流向顺次设置；其中，上述第二前缘的前端面向气流设置，上述第二前缘被构造成弧形结构，上述平直段设置于上述第二前缘的后端，上述平直段沿上述第二流道的轴向方向延伸，上述偏折段被构造成与上述第二流道的中心轴线形成夹角，并且上述偏折段的厚度被构造成由靠近上述第二前缘一端向另一端逐渐减小。

根据本公开的实施例，多个上述第二叶片，沿上述第二流道的周向均匀间隔设置，位于上述第二流道的相同轴向位置的多个第二叶片形成第二叶片阵列，上述第二叶片阵列与相邻的上述第一叶片阵列沿上述第二流道的周向错位设置，使得通过上述第二叶片阵列的上述第一混合气形成旋流。

根据本公开的实施例，掺混机构还包括多个第一燃料管，多个上述第一燃料管环绕上述内筒体设置，上述第一燃料管的输入端与外部的燃料源连通，上述第一燃料管的输出端设置于上述第二流道的进气端内，以向上述第二流道输入燃料。

根据本公开的实施例，每个上述第一燃料管与相邻的第一叶片阵列中的一个第一叶片的周向位置相对应。

根据本公开的实施例，上述第一燃料管的输出端沿径向设置有第一喷孔，上述第一喷孔的延伸方向与上述第二流道的轴线的延伸方向形成夹角。

根据本公开的实施例，上述外筒体的内径被构造成由进气端向排气端逐渐减小，以提升通过上述第二流道的气体的流速。

根据本公开的实施例，上述外筒体的排气端附近的壁面上设置有第一通孔，上述第一通孔被构造成容纳空气通过，通过上述第一通孔的空气沿上述外筒体的壁面流动，在上述第二流道内与上述第一混合气进行掺混，以降低上述第一混合气在上述外筒体的壁面附近的当量比和/或提升第一混合气的壁面流速。

根据本公开的实施例，掺混机构还包括套筒，同轴设置于上述内筒体的内侧，上述套筒及上述内筒体之间限定上述掺混机构的第一流道。

根据本公开的实施例，上述套筒的靠近上述内筒体的排气端的端部形成隔板，上述隔板沿上述套筒的径向向外延伸，上述隔板与上述内筒体之间形成间隙，上述间隙用作上述第一流道的排气端。

根据本公开的实施例，掺混机构还包括环状板，上述环状板设置于上述内筒体及上述套筒之间，上述环状板被构造成将上述间隙覆盖，上述环状板内沿周向均匀间隔设置有多个第二通孔，上述第二通孔被构造成将上述第一流道与外部的空气环境连通，使得通过上述第二通孔的空气在上述隔板附近形成气膜。

本公开的实施例的另一方面提供燃烧装置，包括：值班机构，被构造成形成值班级火焰；部分预混机构，套设于上述值班机构的外侧，被构造成将燃料与空气在双旋流的剪切层处进行掺混，以形成第二混合气；以及如权利要求至中任一上述的掺混机构，套设于上述部分预混机构的外侧，被构造成将空气与燃料掺混，以形成主燃级的第一混合气；其中，上述值班机构、部分预混机构及掺混机构的轴线的延伸方向相重合，上述第二混合气及第一混合气中的至少一级可被点燃。

根据本公开的实施例，上述值班机构包括：第二燃料管，同轴设置于上述掺混机构的套筒的内侧，上述第二燃料管的输入端与外部的燃料源相连通，上述第二燃料管的位于上述套筒内的输出端设置有用于喷射燃料的第二喷孔。

根据本公开的实施例，上述部分预混机构包括：第一旋流器，套设于上述第二燃料管的外侧，被构造成沿空气的流动方向呈逆时针分布；以及第二旋流器，套设于上述第一旋流器及上述套筒之间，被构造成沿上述空气的流动方向呈顺时针分布，使得通过上述第一旋流器的空气及通过上述第二旋流器的空气在交界处形成剪切层以与由上述第二喷孔输出的燃料掺混。

根据本公开的实施例，上述第二旋流器包括内壳及外壳，上述内壳套设于上述第一旋流器的外端面，上述外壳套设置于上述内壳的外侧，上述外壳及上述内壳之间形成燃料腔，上述燃料腔的输入端与外部的燃料源相连通，上述燃料腔的输出端位于上述第二喷孔的下游。

根据本公开的实施例，上述燃料腔的输出端沿轴向设置有多个第三喷孔，上述第三喷孔被构造成输出上述第二混合气。

根据本公开提供的掺混装置及燃烧装置，叶片中形成的第三流道用作内筒体及外筒体之间所形成的第一流道进气端，在实际的燃烧过程中，空气经第三流道进入第一流道，以在空气通过叶片的过程中对叶片降温，以增强掺混叶片和旋流叶片壁面散热和淬熄，抑制自燃和回火。

附图说明

图1是根据本公开的一种示意性的实施例的燃烧装置的立体图；

图2是图1所示的示意性的实施例的燃烧装置的径向方向的局部剖视图；

图3是图1所示的示意性实施例的燃烧装置的值班机构及部分预混机构部分的立体图；

图4是图1所示的示意性的实施例的燃烧装置去除内筒体及外筒体的部分的立体图；

图5是图4所示的示意性的实施例的燃烧装置的叶片部分的局部放大图，其中示出了第一叶片及第二叶片；

图6是图4所示的示意性的实施例的燃烧装置的第一燃料管部分的径向视角的剖视图；

图7是图4所示的示意性的实施例的燃烧装置的A-A向视角的局部剖视图；以及

图8是根据本公开的一种示意性实施例的燃烧装置进行燃料分级的使用状态图。

所述附图中，附图标记含义具体如下：

1、支架；

2、掺混机构；

201、外筒体；

202、第二叶片；

2021、第二前缘；

2022、平直段；

2023、偏折段；

23231、清吹部；

203、隔板；

204、套筒；

205、第三通孔；

206、第四通孔；

207、第一燃料管；

2071、第一喷孔；

208、第一叶片气道；

209、第二叶片气道；

210、环状板；

211、内筒体；

212、第一流道；

213、第二通孔；

214、第一叶片；

2141、第一前缘；

2142、驻涡段；

2143、尾端；

3、部分预混机构；

301、外壳；

302、第三喷孔；

303、内壳；

304、整流槽；

305、第一旋流器；

306、第二旋流器；4、值班机构；

401、第二燃料管；以及402、第二喷孔。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语包括技术和科学术语具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等。

在燃气轮机中，多通过燃烧装置产生的高温烟气配合压气机及涡轮进行做功(如发电)。在氢能源动力系统中，较为先进的燃气轮机多采用干式低污染燃烧技术，基于该技术的工业应用中仅能够燃烧30％体积分数的氢(在15％ O ₂时<25ppmv)。

对于开发更高体积含量的富氢燃气轮机的主要技术问题，在于燃料中的氢气含量越高产生的层流火焰的传播速度也显著增加，且绝热火焰的温度也更高。因此，会影响燃烧动力学特征，产生回火、热声不稳定性等问题，导致系统的可靠性降低。

如何增强预混喷嘴中燃料和空气的掺混效率、同时提高流动的可控性以消除回火及挂火情况的发生，成为亟待解决的技术问题。

有鉴于此，本公开的实施例基于同样的发明构思提供了一种掺混机构及燃烧装置。

图1是根据本公开的一种示意性的实施例的燃烧装置的立体图。图2是图1所示的示意性的实施例的燃烧装置的径向方向的局部剖视图

根据本公开提供的掺混机构，如图1和图2所示，包括内筒体211、外筒体201及多个叶片。内筒体211的内部限定第一流道212，第一流道212被构造成容纳空气通过。外筒体201同轴套设于内筒体211的外侧。外筒体201及内筒体211之间限定第二流道。第二流道被构造成环形，以容纳空气及燃料通过，使得通过空气及燃料在第二流道内形成第一混合气。多个叶片沿内筒体211的周向方向布置。叶片设置于内筒体211及外筒体201之间。叶片的内部设置有第三流道，第三流道被构造成将所述第一流道(212)与外部的空气环境连通。第三流道用作第一流道212的进气端，以在空气流经第三流道的状态下使叶片散热，以在空气通过第三流道的状态下使叶片散热，以增强所述叶片的壁面散热及淬熄，从而抑制自燃及回火情况的发生。

根据本公开的实施例，如图1和图2所示，叶片被构造成沿第二流道的径向方向延伸。叶片所述叶片的延伸方向设所述第三流道，第三流道的进气端与外筒体201的径向外侧的空气环境连通，第三流道的排气端和第一流道212连通。

根据本公开的实施例，如图2所示，外筒体201的内径被构造成由进气端向排气端逐渐减小，以提升通过第二流道的气体的流速。

在一种示意性的实施例中，内筒体211被构造成圆筒状结构。进一步的，外筒体201被构造成渐缩形的圆筒状结构。这样，使得第二流道有进气端至排气端形成渐缩结构。详细地，第二流道的进气端与排气端的流通面积比被构造成大于或等于1.5。这样，可提升通过第二流道的气体的流速，有利于抑制第二流道内发生回火现象。

根据本公开的实施例，如图2所示，外筒体201的排气端附近的壁面上设置有第一通孔213。第一通孔213被构造成容纳空气通过。通过第一通孔213的空气沿外筒体201的壁面流动，以降低第一混合气在外筒体201的壁面附近的当量比和/或提升第一混合气的壁面流速。

在一种示意性的实施例中，外筒体201的排气端附近设置有多个第一通孔213。详细地，多个第一通孔213沿外筒体201的周向均匀间隔设置，以使位于外筒体201的周向外侧(如图2所示的上端及下端)空气可被抽吸至第二流道内。

在一种示意性的实施例中，第一通孔213可被构造成与第二流道的轴线形成夹角。详细地，夹角的角度包括但不限于被构造成10°至20°。

这样的实施方式中，第一通孔可使空气由靠近第二流道的排气端的位置被吹入。这样一方面有利于提升第一混合气由排气端输出的速度，另一方面可降低第一混合气的当量比。基于第二流道的内径变化及所设置的第一通孔，可使通过第二流道的第一混合气的位于第二流道的出口处的流速增加，同时使壁面边界层的当量比降低，在第一混合气的流速大于第一混合气的燃烧速度的状态下，可抑制第二流道的排气端发生回火。根据本公开的实施例，如图2所示，燃烧装置还包括套筒204。套筒204同轴设置于内筒体211的内侧。套筒204及内筒体211之间限定掺混机构2的第一流道212。

根据本公开的实施例，如图2所示，套筒204的靠近内筒体211的排气端的端部形成隔板203。隔板203沿套筒204的径向向外延伸。隔板203与内筒体211之间形成间隙，间隙用作第一流道212的排气端。

根据本公开的实施例，如图2所示，燃烧装置还包括环状板210。环状板210设置于内筒体211及套筒204之间。环状板210被构造成覆盖间隙，环状板210内沿周向均匀间隔设置多个第二通孔。第二通孔被构造成将第一流道212与外部的空气环境连通，使得通过第二通孔的空气在隔板203附近形成气膜。

在一种示意性的实施例中，如图1和图2所示，隔板203包括但不限于被构造成环状的板结构。详细地，隔板203与套筒204的端部一体制出(如套筒的端部向外延伸形成的凸缘)。进一步的，隔板203的宽度被构造成以隔板203的外缘(如图2所示的上端及下端)不对第二流道产生阻挡为宜。

在一种示意性的实施例中，如图1和图2所示，套筒203的外表面设置有环形的槽结构。进一步的，环状板210沿内筒体211的径向方向延伸，所述环状板210的外缘嵌入套筒形成的槽结构内，所述环状板210的外缘抵靠在抵靠于内筒体211的端部(如图2所示的右端部)。进一步的，第二通孔(图中未示出)沿环状板210的厚度方向(如图2所示的左、右方向)贯通设置，用作第一流道的排气端，使得第一流道212与环状板210及隔板203之间的空气环境连通。

这样的实施方式中，通过第一流道212的空气经多个第二通孔均匀输出，以在内筒体211和隔板之间形成气流及气膜。在燃烧状态下，所形成气膜可将第二流道的排气端形成的火焰(即主燃区的火焰)与部分预混机构3的排气端形成的火焰(即预燃区的火焰)被隔离，以减少两个区域的火焰之间的相互扰动，有利于抑制回火的发生。并且，通过所形成的气膜还具有散热作用，可隔绝火焰产生的至少一部分热量，以防止隔板及内筒体的内壁面被火焰烧蚀。

根据本公开的实施例，如图1和图2所示，燃烧装置包括值班机构4、部分预混机构3及掺混机构2。值班机构4被构造成形成值班级火焰。部分预混机构3套设于值班机构4的外侧，部分预混机构3被构造成将空气与燃料掺混以形成第二混合气。掺混机构套设于部分预混机构3的外侧，被构造成将空气与燃料掺混，以形成第一混合气。值班机构4、部分预混机构3及用作主燃级的掺混机构2的轴线的延伸方向相重合，第二混合气及第一混合气中的至少一级可被值班级火焰点燃。

图3是图1所示的示意性实施例的燃烧装置的值班机构及部分预混机构部分的立体图。

根据本公开的实施例，如图2和图3所示，值班机构4包括第二燃料管401。第二燃料管401同轴设置于掺混机构2的套筒204的内侧。第二燃料管401的输入端与外部的燃料源相连通。第二燃料管401的位于套筒204内的输出端设置有用于喷射燃料的第二喷孔402。

在一种示意性的实施例中，第二燃料管402还配置有独立的用于通入空气的管路。详细地，管路内的空气与第二燃料管402所输送的燃料掺混形成第三混合气。

在一种示意性的实施例中，第二燃料管401上设置有多个第二喷孔402。详细地，多个喷孔沿周向均匀间隔设置。进一步的，第二喷孔402的喷射角(即第二喷孔的轴线与第二燃料管的轴线所形成的夹角)的角度包括但不限于被构造成25°至35°之间的任一角度。应当理解，本公开的实施例不限于此。

例如，第二喷孔402的延伸方向可被构造成与第二燃料管401的轴向方向大致平行，使得通过第二喷孔402的第三混合气以平行于第二燃料管401的方向输出。

在一种示意性的实施例中，第二喷孔402的数量包括但不限于被构造成5个至12个中的任一数量。进一步的，第二喷孔402的直径包括但不限于被构造成1毫米。

根据本公开的实施例，如图2和图3所示，部分预混机构3包括第一旋流器305及第二旋流器306。第一旋流器305套设于第二燃料管401的外侧，被构造成沿空气的流动方向呈逆时针分布。第二旋流器306套设于第一旋流器305及套筒204之间，被构造成沿空气的流动方向呈顺时针分布，使得通过第一旋流器305的空气及通过第二旋流器306的空气在交界处形成剪切层以与由第二喷孔402输出的燃料掺混。

在一种示意性的实施例中，第一旋流器305设置于第二喷孔402的上游位置。详细地，第一旋流器305包括但不限采用多个旋流槽或旋流孔中的一种构成。进一步的，第一旋流器305的旋流角的角度包括但不限于被构造成42°至50°之间的任一值。这样，在空气通过第一旋流器305的过程中，可经第一旋流器305产生旋流流动后向下游喷出。

在一种示意性的实施例中，第二旋流器306包括但不限采用多个旋流槽或旋流孔中的一种构成。详细地，第二旋流器306的旋流角包括但不限于被构造成32°至38°之间的任一值。

在一种示意性的实施例中，如图2和图3所示，部分预混机构3还包括设置于第二旋流器306的上游的外表面的凸缘。进一步的，凸缘内设置有贯通的整流槽304。整流槽304被构造成容纳空气通过，以对通过第二旋流器306的空气进行整流。

这样的实施方式中，空气经第一旋流器305及第二旋流器306后产生反向双旋流流动。这样，在交界处产生的剪切层有利于使空气与由第二燃料管401输出的第三混合气再次掺混，使得空气与燃料的掺混更为充分，以在点燃状态下，形成稳定燃烧的值班火焰。

在一种示意性的实施例中，如图2所示，套筒204被构造成文丘里管结构。详细地，套筒204的一端(如图2所示的左端)被构造成内径相同的圆筒状结构，套筒204的另一端(如图2所示的右端)被构造成收缩-扩张的圆台状结构。进一步的，套筒的下游配置有内径逐渐增大的扩展段。更进一步的，套筒204的转折截面(即内径由减小向增大的趋势的转折位置)设置于第二燃料管401的输出端的下游。这样，可提升由第二燃料管401喷射出的燃料与空气掺混后的混合气的流速，使得混合气的流速大于值班火焰的燃烧速度，以防止值班机构4发生回火的情况。

根据本公开的实施例，如图2和图3所示，第二旋流器306包括内壳303及外壳301。内壳303套设于第一旋流器305的外端面，外壳301套设置于内壳303的外侧。外壳301及内壳303之间形成燃料腔。燃料腔的输入端与外部的燃料源相连通，燃料腔的输出端位于第二喷孔402的下游。

根据本公开的实施例，如图2和图3所示，燃料腔的输出端沿轴向设置有多个第三喷孔302。第三喷孔302被构造成输出第二混合气。

图4是图1所示的示意性的实施例的燃烧装置去除内筒体及外筒体的部分的立体图。图5是图4所示的示意性的实施例的燃烧装置的叶片部分的局部放大图，其中示出了第一叶片及第二叶片。

根据本公开的实施例，如图4和图5所示，叶片包括第一叶片214。第一叶片214包括沿第二流道的轴向方向顺次设置的第一前缘2141、驻涡段2142及尾端2143。第一前缘2141、驻涡段2142及尾端2143的长度被构造成大致相同。第一前缘2141的前端面向气流设置，第一前缘2141被构造成弧形结构。驻涡段2142设置于第一前缘2141的后端，驻涡段2142的两侧形成对称的两个驻涡腔。尾端2143沿第一前缘2141的中心线向下游延伸。

根据本公开的实施例，第一前缘2141被构造成多孔结构，以对通过第一前缘2141的空气进行扰动，并形成沿第一叶片的壁面的壁面渗流。应当理解，本公开的实施例不限于此。

例如，第一前缘2141的表面光滑设置。

根据本公开的实施例，如图4和图5所示，多个第一叶片214沿第二流道的周向均匀间隔设置。位于第二流道的相同轴向位置的多个第一叶片214形成第一叶片阵列。以耗散第一叶片阵列的上游的气流扰动，并使空气及燃料进行掺混；沿第二流道的轴向至少布置有两级第一叶片阵列。

在一种示意性的实施例中，如图4和图5所示，第一叶片214的第一前缘2141的弧度包括但不限于半圆结构(如还可被构造成优弧或劣弧)。进一步的，尾端2143形成扩散状的板结构，尾端的面向第一前端的端部(如图4所示的左端)的厚度大于另一端(如图4所示的右端)的厚度。两个驻涡段2142的一端沿尾端2143的切向方向延伸，另一端设置于第一前缘2141上，驻涡段2142的中部形成圆滑的过渡。

在一种示意性的实施例中，第二流道内设置有包括但不限于至少两级第一叶片阵列，相邻的两级第一叶片阵列沿第二流道的周向方向错位设置。详细地，位于下游(如图4所示，位于右侧)的一级第一掺混叶片阵列的第一前缘2141与前一级的第一掺混叶片阵列(如图4所示，位于左侧)的驻涡段2141及尾端2143的轴向位置保持平齐，且周向交错排出。

在一种示意性的实施例中，第一叶片阵列沿第二流道各径向高度对第二流道的阻塞比在0.45至0.55之间为宜。沿展向展开时保持各截面阻塞比和第一叶片弦长不变，可通过改变叶片厚度来实现上述阻塞比的参数要求。详细地，第一叶片的厚度包括但不限于被构造成小于或等于6毫米。

这样的实施方式中，在燃料及空气掺混的过程中可在第一叶片的驻涡段内形成形状、尺寸及强度可控的小尺寸的驻涡流动，并形成掺混。经驻涡段强化掺混后的第一混合气则进入下一个第一叶片阵列所形成的收缩-扩张的流动周期，有利于提高掺混的均匀性，以消除局部高当量比，可降低氮氧化物的排放。

在一种示意性的实施例中，如图5所示，第一叶片214的第一前缘2141及驻涡段2142所包围的区域内，沿第二流道的径向方向(如图5所示的面向纸面的方向)设置有第一叶片气道208。详细地，第一叶片气道208包括但不限于被构造成圆形、椭圆形、多边形及与第一叶片214的外部形状相似的其他形状中的任一一种，以作为第一叶片214的第三流道。进一步的，外筒体201的与第一叶片气道208沿径向方向的正投影位置设置有第四通孔206，以使第一叶片气道208经第四通孔206与外部的空气环境连通。更进一步的，第四通孔206的形状可被构造成与第一叶片气道208的截面的形状大致相同，第四通孔206的尺寸可被构造成大于或等于第一叶片气道208的截面的尺寸。

根据本公开的实施例，如图4和图5所示，叶片还包括第二叶片202。第二叶片202设置于第一叶片214的下游。

根据本公开的实施例，如图4和图5所示，第二叶片202包括第二前缘2021、平直段2022及偏折段2023。第二前缘2021、平直段2022及偏折段2023沿气体流向顺次设置。第二前缘2021的前端面向气流设置，第二前缘2021被构造成弧形结构。平直段2022设置于第二前缘2021的后端，平直段2022沿第二流道的轴向方向延伸。偏折段2023被构造成与第二流道的中心轴线形成夹角，并且偏折段2023的厚度被构造成由靠近第二前缘2021一端向另一端逐渐减小。

在一种示意性的实施例中，偏折段2023与第二流道的中心轴线的夹角包括但不限于被构造成32°至38°。这样可使得第一混合气产生旋流数约为0.5的弱旋流流动。

根据本公开的实施例，如图5所示，第二叶片202的偏折段2023的吸力面的中部设置有清吹部20231。清吹部20231的前段及后段的被构造成不同的弧度，以使清吹部的前段及后段的连接位置形成与第二叶片气道连通的出气部，以向上述清吹部的后段输出气流，以抑制产生于旋流叶片附近的二次涡负速度区。清吹部20231清吹部20231的前段(如图5所示的位于左侧的一段)及后段(如图5所示的位于右侧的一段)的弧度被构造成不同，且前段及后端的连接位置形成向内凹陷的槽结构。进一步的，槽内设置有与第二叶片气道连通的缝或孔，以用作出气部。

这样的实施方式，可用于抑制旋流叶片区域容易出现的二次涡负速度区，以消除旋流叶片吸力面存在的尾迹涡，从而避免主燃区火焰沿旋流叶片逆向传播发生回火。

根据本公开的实施例，如图4和图5所示，多个第二叶片202沿第二流道的周向均匀间隔设置。位于第二流道的相同轴向位置的多个第二叶片202形成第二叶片阵列。第二叶片阵列与相邻的第一叶片阵列沿第二流道的周向错位设置，使得通过第二叶片阵列的第一混合气形成旋流。

这样的实施方式中，第二叶片阵列中相邻的第二叶片202之间形成叶栅通道，第二叶片202可使气体平顺的改变流向，并尽可能少的出现形成分离及涡旋，以平稳的向第二流道的排气端输出。第二叶片202所设置的清吹部可用于将形成的涡流向下游吹出，从而抑制叶栅通道内产生负速度区。这样，有利于避免在第二流道的排气端形成的火焰(即主燃区火焰)沿第二叶片202逆向传播，从而抑制回火发生。

在一种示意性的实施例中，如图5所示，第二叶片202的第二前缘2021内，沿第二流道的径向方向(如图5所示的面向纸面的方向)设置有第二叶片气道209。详细地，第二叶片气道209包括但不限于被构造成圆形、椭圆形、多边形及与第二叶片202的外部形状相似的其他形状中的任一一种，以作为第二叶片202的第三流道。进一步的，外筒体201的与第二叶片气道209沿径向方向的正投影位置设置有第三通孔205，以使第二叶片气道202经第三通孔205与外部的空气环境连通。更进一步的，第三通孔205的形状可被构造成与第二叶片气道209的截面的形状大致相同，第三通孔205的尺寸可被构造成大于或等于第二叶片气道209的截面的尺寸。

图6是图4所示的示意性的实施例的燃烧装置的第一燃料管部分的径向视角的剖视图。

根据本公开的实施例，如图4和图6所示，燃烧装置还包括多个第一燃料管207。多个第一燃料管207环绕内筒体211设置。第一燃料管207的输入端与外部的燃料源连通，第一燃料管207的输出端设置于第二流道的进气端内，以向第二流道输入燃料。

根据本公开的实施例，如图4和图6所示，每个第一燃料管207与相邻的第一叶片阵列中的一个第一叶片214的周向位置相对应。

在一种示意性的实施例中，如图4所示，燃烧装置还包括支架1。详细地，支架1被构造成盘形结构。进一步的，多个第一燃料管207沿支架1的周向均匀间隔设置。更进一步的，每个第一燃料管207沿第二流道的轴向方向的投影中与一个第一叶片214的第一前缘2141所形成的投影相重合。

在一种示意性的实施例中，如图4所示，第一燃料管207沿与支架1相正交的方向(如图4所示的左、右方向)设置。详细地，支架1和外部的燃料源相连通。进一步的，支架1内设置有与燃料源及第一燃料管207相连通的通道，用于将燃料源输入的燃料均匀分配至每个第一燃料管207内。

在一种示意性的实施例中，如图4所示，多个第一燃料管207环绕支架1形成一圈第一燃料管阵列。详细地，该第一燃料管阵列中的每个第一燃料管207均位于第二流道的中径位置。

在另一种示意性的实施例中，多个第一燃料管207环绕支架1形成多圈第一燃料管阵列(图中未示出)。详细地，该第一燃料管阵列中的第一燃料管207沿第二流道的径向均匀间隔布置。

在自重示意性的实施例中，第一燃料管207可采用喷杆或在第一燃料管207的输出端设置喷杆。这样，有利于提升第一燃料管207输出燃料的可控性及流量控制，有利于增强与空气的掺混效果。

这样的实施方式中，多个第一燃料管配置于支架上，支架独立于掺混机构，使得第一燃料管沿第二流道的径向方向布置。这样，在不更换外筒体的前提下，可通过更换支架或更换支架上的第一燃料管，使得第一燃料管所供给的燃料及输出燃料的位置满足第二流道的需求。结构较为简单，更换较为方便，灵活性较强，有利于由第一燃料管输出的燃料与空气进行掺混。

图7是图4所示的示意性的实施例的燃烧装置的A-A向视角的局部剖视图。

根据本公开的实施例，如图7所示，第一燃料管207的输出端沿径向设置有第一喷孔。第一喷孔的延伸方向与第二流道的轴线的延伸方向形成夹角。

图8是根据本公开的一种示意性实施例的燃烧装置进行燃料分级的使用状态图。

在一种示意性的实施例中，如图8所示，掺混机构2配置的第一燃料管207、值班机构4配置的第二燃料管401及部分预混机构3配置的燃料腔被构造成通过不同的管路(包括但不限于管道及阀体)与燃料源分别导通。

在一种示意性的实施例中，第一燃料管207、第二燃料管401及燃料腔所配置的燃料源既可采用相同的燃料也可采用不同的燃料。

详细地，第一燃料管207、第二燃料管401及燃料腔所配置的燃料包括但不限于采用天然气、氢气、合成气、甲醇、乙醇、生物柴油、液氨、柴油、煤油中的至少一种。进一步的，如采用液态燃料，可在相应的第一喷孔、第二喷孔及第三喷孔内设置雾化喷头，以使液态燃料以小液滴的方式均匀扩散。

在一种示意性的实施例中，如图8所示，上述燃烧装置被配置与燃气轮机对外做功的工况中。详细地，燃烧装置的燃烧模式依据燃气轮机所需的工况进行配置。

在启动状态下，值班机构4输出的燃料被点燃形成值班火焰，在低负荷条件下，于值班区(如图8所示的D1区)稳定燃烧；随着负荷的升高，预燃区(如图8所示的PP1区)被点燃；随着负荷进一步升高，主燃区(如图8所示的P1区)被进一步的点燃。

待主燃区建立稳定的燃烧后，随着主燃区内供给的燃料(即掺混机构2所述的第一混合气)量的增加，可依次关闭值班机构4及部分预混机构3中的燃料供给(即D1区及PP1区)，以使燃烧装置以低污染的状态燃烧。

在降低负荷的状态下，则逐步降低主燃区(即P1区)的燃料供给量，之后开启值班区(即D1)的燃料供给，再关闭主燃区(即P1区)的燃料供给后，最后关闭值班区(即D1)的燃料供给。

这样的实施方式中，依据燃气轮机所需的负荷，可在燃烧装置所配置的不同燃烧模式下，输入并点燃不同的燃料或燃料组合，以在不更换硬件的状态下，实现多种燃料的切换，以满足实际工况中不同的场景及热值要求。

在一种示意性的实施例中，燃烧装置以甲烷及氢气作为燃料进行燃烧。

详细地，在燃气轮机启动或低负荷的状态下，甲烷由第二燃料管401通入燃烧装置中，在第二燃料管401中与空气掺混后形成的第三混合气由第二喷孔402喷出至值班区，并与来自压气机的通过第一旋流器305及第二旋流器306的空气进行混合后燃烧，以对涡轮做功(即于D1区燃烧)。

进一步的，在燃气轮机的负荷增加的状态下，可逐步或同时增加甲烷及氢气的供给，使甲烷和/或氢气进入燃料腔内，并由第三喷孔302喷出形成第二混合气，第二混合气与第三混合气掺混并稳定燃烧，持续对涡轮做功(即PP1区燃烧)。

更进一步的，在燃气轮机的负荷进一步增加的状态下，可逐步或同时增加甲烷及氢气的供给，使甲烷和/或氢气进入第一燃料管207，并在第二流道内与空气掺混形成第一混合气，以待点燃形成主燃区火焰(即P1区燃烧)。随着燃料的供给量的提升，可逐步关闭值班机构4及部分预混机构3中的燃料供给(即D1区及PP1区)，以在设计负荷的条件下进入P1的全预混模式，使得氮氧化物(NOx)的排放低于15ppm。

在另一种示意性的实施例中，燃烧装置可采用柴油及氢气作为燃料进行燃烧。其中，值班机构4采用柴油作为燃料供给，部分预混机构3及掺混机构2采用氢气作为燃料供给。

在另一种示意性的实施例中，燃烧装置可采用氢气及氨气作为燃料进行燃烧。其中，氢气和/或氨气可作为燃料分别向值班机构4、部分预混机构3及掺混机构1中。详细地，值班机构4、部分预混机构3及掺混机构2中可采用包括氢气及氨气的混合气体作为燃料。进一步的，值班机构4、部分预混机构3及掺混机构2中的氢气及氨气的比例可被构造成不同，具体以满足燃烧所需的要求为宜。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (22)

1.一种掺混机构，其特征在于，包括：

内筒体（211），所述内筒体（211）的内部限定第一流道（212），所述第一流道（212）被构造成容纳空气通过；

外筒体（201），同轴套设于所述内筒体（211）的外侧，所述外筒体（201）及所述内筒体（211）之间限定第二流道，所述第二流道被构造成环形，以容纳空气及燃料通过，使得所述空气及所述燃料在所述第二流道内形成第一混合气；

多个叶片，沿所述内筒体（211）的周向方向布置，所述叶片设置于所述内筒体（211）及所述外筒体（201）之间，所述叶片的内部设置有第三流道，所述第三流道被构造成将所述第一流道（212）与外部的空气环境连通，所述第三流道用作所述第一流道（212）的进气端，以在空气通过所述第三流道的状态下使所述叶片散热，以增强所述叶片的壁面散热及淬熄。

2.根据权利要求1所述的掺混机构，其特征在于，所述叶片被构造成沿所述第二流道的径向方向延伸，所述叶片内沿所述叶片的延伸方向设置有所述第三流道，所述第三流道的进气端与所述外筒体（201）的径向外侧的空气环境连通，所述第三流道的排气端和所述第一流道（212）连通。

3.根据权利要求2所述的掺混机构，其特征在于，所述叶片包括用作掺混叶片的第一叶片（214），所述第一叶片（214）包括沿所述第二流道的轴向方向顺次设置的第一前缘（2141）、驻涡段（2142）及尾端（2143），所述第一前缘（2141）、驻涡段（2142）及尾端（2143）的长度被构造成大致相同；

其中，所述第一前缘（2141）的前端面向气流设置，所述第一前缘（2141）被构造成弧形结构，所述驻涡段（2142）设置于所述第一前缘（2141）的后端，所述驻涡段（2142）的两侧形成对称的两个驻涡腔，所述尾端（2143）沿所述第一前缘（2141）的中心线向下游延伸。

4.根据权利要求3所述的掺混机构，其特征在于，所述第一前缘（2141）被构造成多孔结构，以对通过所述第一前缘（2141）的空气进行扰动，并形成沿所述第一叶片的壁面渗流。

5.根据权利要求3所述的掺混机构，其特征在于，多个所述第一叶片（214）沿所述第二流道的周向均匀间隔设置，位于所述第二流道的相同轴向位置的多个第一叶片（214）形成第一叶片阵列，以耗散所述第一叶片阵列的上游的气流扰动，并使所述空气及燃料进行掺混；

其中，沿所述第二流道的轴向至少布置有两级所述第一叶片阵列。

6.根据权利要求5所述的掺混机构，其特征在于，所述叶片还包括用作旋流叶片的第二叶片（202），所述第二叶片（202）设置于所述第一叶片（214）的下游。

7.根据权利要求6所述的掺混机构，其特征在于，所述第二叶片（202）包括第二前缘（2021）、平直段（2022）及偏折段（2023），所述第二前缘（2021）、所述平直段（2022）及所述偏折段（2023）沿气体流向顺次设置；

其中，所述第二前缘（2021）的前端面向气流设置，所述第二前缘（2021）被构造成弧形结构，所述平直段（2022）设置于所述第二前缘（2021）的后端，所述平直段（2022）沿所述第二流道的轴向方向延伸，所述偏折段（2023）被构造成与所述第二流道的中心轴线形成夹角，并且所述偏折段（2023）的厚度被构造成由靠近所述第二前缘（2021）一端向另一端逐渐减小。

8.根据权利要求7所述的掺混机构，其特征在于，所述第二叶片（202）的偏折段（2023）的吸力面的中部设置有清吹部（20231）；

其中，所述清吹部（20231）的前段及后段的被构造成不同的弧度，以使所述清吹部的前段及后段的连接位置形成与所述第二叶片气道连通的出气部，以向所述清吹部（20231）的后段输出气流，以抑制产生于旋流叶片附近的二次涡负速度区。

9.根据权利要求6至8中任一所述的掺混机构，其特征在于，多个所述第二叶片（202），沿所述第二流道的周向均匀间隔设置，位于所述第二流道的相同轴向位置的多个第二叶片（202）形成第二叶片阵列，所述第二叶片阵列与相邻的所述第一叶片阵列沿所述第二流道的周向错位设置，使得通过所述第二叶片阵列的所述第一混合气形成旋流。

10.根据权利要求4所述的掺混机构，其特征在于，还包括多个第一燃料管（207），多个所述第一燃料管（207）环绕所述内筒体（211）设置，所述第一燃料管（207）的输入端与外部的燃料源连通，所述第一燃料管（207）的输出端设置于所述第二流道的进气端内，以向所述第二流道输入燃料。

11.根据权利要求10所述的掺混机构，其特征在于，每个所述第一燃料管（207）与相邻的第一叶片阵列中的一个第一叶片（214）的周向位置相对应。

12.根据权利要求10或11所述的掺混机构，其特征在于，所述第一燃料管（207）的输出端沿径向设置有第一喷孔，所述第一喷孔的延伸方向与所述第二流道的轴线的延伸方向形成夹角。

13.根据权利要求1所述的掺混机构，其特征在于，所述外筒体（201）的内径被构造成由进气端向排气端逐渐减小，以提升通过所述第二流道的气体的流速。

14.根据权利要求1所述的掺混机构，其特征在于，所述外筒体（201）的排气端附近的壁面上设置有第一通孔（213），所述第一通孔（213）被构造成容纳空气通过，通过所述第一通孔（213）的空气沿所述外筒体（201）的壁面流动，以降低所述第一混合气在所述外筒体（201）的壁面附近的当量比和/或提升第一混合气的壁面流速。

15.根据权利要求1所述的掺混机构，其特征在于，还包括套筒（204），所述套筒（204）同轴设置于所述内筒体（211）的内侧，所述套筒（204）及所述内筒体（211）之间限定所述掺混机构（2）的第一流道（212）。

16.根据权利要求15所述的掺混机构，其特征在于，所述套筒（204）的靠近所述内筒体（211）的排气端的端部形成隔板（203），所述隔板（203）沿所述套筒（204）的径向向外延伸，所述隔板（203）与所述内筒体（211）之间形成间隙，所述间隙用作所述第一流道（212）的排气端。

17.根据权利要求16所述的掺混机构，其特征在于，还包括环状板（210），所述环状板（210）设置于所述内筒体（211）及所述套筒（204）之间，所述环状板（210）被构造成覆盖所述间隙，所述环状板（210）内沿周向均匀间隔设置有多个第二通孔，所述第二通孔被构造成将所述第一流道（212）与外部的空气环境连通，使得通过所述第二通孔的空气在所述隔板（203）附近形成气膜。

18.一种燃烧装置，其特征在于，包括：

值班机构（4），被构造成形成值班级火焰；

部分预混机构（3），套设于所述值班机构（4）的外侧，被构造成将燃料与空气在双旋流的剪切层处进行掺混，以形成第二混合气；以及

如权利要求1至17中任一所述的掺混机构（2），套设于所述部分预混机构（3）的外侧，被构造成将燃料掺混，以形成主燃级的第一混合气；

其中，所述值班机构（4）、部分预混机构（3）及掺混机构（2）的轴线的延伸方向相重合，所述第二混合气及第一混合气中的至少一级可被点燃。

19.根据权利要求18所述的燃烧装置，其特征在于，所述值班机构（4）包括：

第二燃料管（401），同轴设置于所述掺混机构（2）的套筒（204）的内侧，所述第二燃料管（401）的输入端与外部的燃料源相连通，所述第二燃料管（401）的位于所述套筒（204）内的输出端设置有用于喷射燃料的第二喷孔（402）。

20.根据权利要求19所述的燃烧装置，其特征在于，所述部分预混机构（3）包括：

第一旋流器（305），套设于所述第二燃料管（401）的外侧，被构造成沿空气的流动方向呈逆时针分布；以及

第二旋流器（306），套设于所述第一旋流器（305）及所述套筒（204）之间，被构造成沿所述空气的流动方向呈顺时针分布，使得通过所述第一旋流器（305）的空气及通过所述第二旋流器（306）的空气在交界处形成剪切层以与由所述第二喷孔（402）输出的燃料掺混。

21.根据权利要求20所述的燃烧装置，其特征在于，所述第二旋流器（306）包括内壳（303）及外壳（301），所述内壳（303）套设于所述第一旋流器（305）的外端面，所述外壳（301）套设置于所述内壳（303）的外侧，所述外壳（301）及所述内壳（303）之间形成燃料腔，所述燃料腔的输入端与外部的燃料源相连通，所述燃料腔的输出端位于所述第二喷孔（402）的下游。

22.根据权利要求21所述的燃烧装置，其特征在于，所述燃料腔的输出端沿轴向设置有多个第三喷孔（302），所述第三喷孔（302）被构造成输出所述第二混合气。