CN116241911B - 氢气燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种氢气燃烧装置包括主燃级，主燃级内间隔设置有多个掺混通道，位于掺混通道的外侧的主燃级内限定填充有气体燃料的燃料腔；其中，掺混通道被构造成螺旋形结构，掺混通道的内径由进气端至出气端被构造成逐渐减小，使得通过掺混通道的空气形成旋流并提升流速，位于进气端及出气端之间的掺混通道的中部设置有沿与掺混通道相垂直的方向延伸并与燃料腔相连通的燃料喷入口，以将气体燃料引入掺混通道并与空气掺混形成混合气，混合气由掺混通道的出气端排出至主燃区进行燃烧。

Description

氢气燃烧装置

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，涉及一种燃烧装置。

背景技术

燃气轮机燃用氢气的能力成为衡量燃气轮机先进性的重要指标。目前，较为先进的燃气轮机虽然能满足NOx排放在15％氧气浓度下低于25ppm的要求，但只能燃用氢气体积分数低于60％的燃料。而限制燃用更高体积含量的氢的主要挑战在于氢气与天然气的燃烧性质具有明显差异：氢气燃烧室绝热火焰温度比甲烷更高，因此低NOx排放的挑战更大；氢气的层流火焰传播速度是甲烷的7.86倍，受湍流脉动的影响更大，当氢气火焰传播速度大于流动速度时，极易导致回火发生。

由于燃气轮机低污染燃烧室多采用贫预混燃烧，通过旋流方式混合，因此喷嘴出口处的流动控制较差，容易在旋流通道内出现尾迹涡，导致负速度区出现，产生回火问题。因此，如何提升氢气空气掺混的均匀性并抑制回火，成为亟需解决的问题。

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，本公开提供一种氢气燃烧装置，掺混通道被构造成螺旋结构使气体具有旋转惯性，结合沿与掺混通道相垂直的方向设置的燃料喷入口，可较为有效的提高掺混的均匀性以及流动的可控性，并且利用掺混通道的直径逐渐缩小，可提升混合气由出气端输出的流速，从而抑制回火情况的发生。

本公开的实施例提供了氢气燃烧装置，包括主燃级，上述主燃级内间隔设置有多个掺混通道，位于上述掺混通道的外侧的上述主燃级内限定填充有气体燃料的燃料腔；其中，上述掺混通道被构造成螺旋形结构，上述掺混通道的内径由进气端至出气端被构造成逐渐减小，使得通过上述掺混通道的空气形成旋流并提升流速，位于进气端及出气端之间的上述掺混通道的中部设置有沿上述掺混通道相垂直的方向延伸并与上述燃料腔相连通的燃料喷入口，以将上述气体燃料引入上述掺混通道并与上述空气掺混形成混合气，上述混合气由上述掺混通道的出气端排出至主燃区以进行燃烧。

根据本公开的实施例，上述掺混通道上设置有一个上述燃料喷入口。

根据本公开的实施例，上述掺混通道上设置有多个上述燃料喷入口，多个上述燃料喷入口沿上述掺混通道的延伸方向顺次间隔设置。

根据本公开的实施例，上述掺混通道的位于上述出气端与相邻的上述燃料喷入口之间设置有空气喷入口，被构造成容纳空气通过并在掺混通道内沿掺混通道的壁面流动，以降低上述混合气的当量比。

根据本公开的实施例，上述空气喷入口被构造成沿上述掺混通道的切向延伸。

根据本公开的实施例，上述燃料腔被分隔为多个区域，每个区域均被构造成与外部的燃料源独立连通，使得每个区域均可分别与上述燃料源导通或关断。

根据本公开的实施例，多个上述掺混通道环绕上述主燃级的中心布置，以上述主燃级的中心为轴心位于相同径向位置的多个上述掺混通道形成一个掺混通道阵列。

根据本公开的实施例，上述主燃级包括多个掺混通道阵列。

根据本公开的实施例，上述主燃级包括：平行间隔设置的第一盘形件及第二盘形件；筒形件，一体设置于上述第一盘形件及上述第二盘形件的中部，被构造成与上述第一盘形件及上述第二盘形件的轴线的延伸方向相重合；以及多个掺混管，环绕上述筒形件的轴线间隔安装于上述第一盘形件及上述第二盘形件之间，上述掺混管被构造成螺旋形结构，每个上述掺混管内限定一个上述掺混通道；其中，上述第一盘形件的与上述掺混管的轴向一端相对的位置设置有用作上述掺混管的进气端的进气孔，上述第二盘形件的与上述掺混管的轴向另一端相对的位置设有用于上述掺混管的排气端的排气孔。

根据本公开的实施例，上述主燃级还包括罩设于上述第一盘形件及上述第二盘形件的外侧的壳体，上述壳体及上述筒形件之间限定上述燃料腔。

根据本公开的实施例，上述主燃级还包括和外部的燃料源相连通的第一燃料管，被构造成向上述燃料腔内通入上述气体燃料。

根据本公开的实施例，燃烧装置还包括设置于上述主燃级的中部的预燃级，适用于形成用于点燃并稳定主燃级混合气的值班火焰，多个上述掺混管环绕上述预燃级设置。

根据本公开的实施例，上述预燃级包括：第二燃料管，同轴设置于上述筒形件的内侧，上述第二燃料管的位于上述筒形件内的端部设置有用于喷射气体燃料的喷孔；旋流组件，套设于上述第二燃料管的外侧，适用于将外部的空气与由上述喷孔输出的气体燃料掺混；以及套筒，套设于上述旋流组件及上述筒形件之间，以限制上述预燃级相对于上述主燃级的位置。

根据本公开的实施例，上述旋流组件包括：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喷孔输出的气体燃料掺混。

根据本公开的实施例，上述套筒的内壁面被构造成文丘里管结构，上述内壁面的转折截面的轴向位置设置于上述第二旋流器的下游。

根据本公开提供的燃烧装置，掺混通道被构造成螺旋结构，使通过掺混通道的空气具有旋转惯性，结合沿与掺混通道相垂直的方向设置的燃料喷入口，有利于使空气及气体燃料在掺混通道内进行充分混合以及流动的可控性。并且，由于掺混通道的内径由进气端至出气端逐步缩小，因此，可使空气和/或混合气沿掺混通道流动的过程中呈现渐缩旋流流动，以提高混合气的流速；进一步的，结合设置于掺混通道的末端的沿掺混通道的切向设置的空气喷入口，可构造出空气沿掺混通道末端的内沿壁面流动，有效降低所述掺混通道出口壁面附近混合气的当量比，从而有效抑制回火。

附图说明

图1是根据本公开的一种示意性实施例的氢气燃烧装置的立体图；

图2是图1所示的示意性实施例的氢气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主燃级的立体图，其中示出了第一盘形件、第二盘形件及掺混管；

图4是图1所示的示意性实施例的预燃级的部分的立体图；以及

图5是根据本公开的一种示意性实施例的氢气燃烧装置进行燃料分级的使用状态图，其中图5的A示出了主燃区的多个子区呈环状布置的使用状态，图5的B示出了主燃区的多个子区围绕预燃区布置的使用状态。

所述附图中，附图标记含义具体如下：

1、预燃级；

11、第二燃料管；

111、喷孔；

12、第一旋流器；

13、第二旋流器；

14、套筒；

141、转折截面；

142、扩展段；

2、主燃级；

21、连接件；

22、第二盘形件；

221、排气孔；

23、壳体；

24、接头部；

25、第一燃料管；

26、筒形件；

261、燃料喷入口；

262、空气喷入口；

27、第一盘形件；

28、燃料腔；以及

29、掺混管。

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。

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

根据本公开提供的氢气燃烧装置，如图1和图2所示，氢气燃烧装置包括主燃级2，主燃级2内间隔设置有多个掺混通道，位于掺混通道的外侧的主燃级2内限定填充有气体燃料的燃料腔28。掺混通道被构造成螺旋形结构，掺混通道的内径由进气端至出气端被构造成逐渐减小，使得通过掺混通道的空气形成旋流并提升流速，位于进气端及出气端之间的掺混通道的中部(如中上游，具体地，包括但不限于设置在掺混通道的前20％的部分)设置有沿与掺混通道相垂直的方向延伸并与燃料腔28相连通的燃料喷入口261，以将气体燃料引入掺混通道并与空气掺混形成混合气，混合气由掺混通道的出气端排出至主燃区进行燃烧。在一种示意性的实施例中，掺混通道的长度包括但不限于被构造成10D至15D，其中，D表征为掺混通道的出气端的内径。详细地，掺混通道的螺旋角包括但不限于被构造成25°至32°。进一步的，掺混通道的进气端与出气端的流通面积比被构造成1.2至2.0。

这样的实施方式中，掺混通道被构造成螺旋结构，使通过掺混通道的空气具有旋转惯性。沿垂直于掺混通道的方向设置的燃料喷入口使空气燃料沿径向方向喷射进入掺混通道内，通过旋流可使空气及气体燃料在掺混通道内进行充分混合。由于掺混通道的内径由进气端至出气端逐步缩小，因此，可使空气和/或混合气沿掺混通道流动的过程中呈现渐缩旋流流动，以提高混合气的流速，使得混合气的流速高于混合气的燃烧速度，从而抑制回火情况的发生。

根据本公开的实施例，如图1和图2所示，主燃级2包括第一盘形件27、第一盘形件22、筒形件26及多个掺混管29。第一盘形件27及第二盘形件22平行间隔设置。筒形件26一体设置于第一盘形件27及第二盘形件22的中部，被构造成与第一盘形件27及第二盘形件22的轴线的延伸方向相重合。多个掺混管29环绕筒形件26的轴线间隔安装于第一盘形件27及第二盘形件22之间，掺混管29被构造成螺旋形结构，每个掺混管29内限定一个掺混通道。第一盘形件27的与掺混管29的轴向一端相对的位置设置有用作掺混管29的进气端的进气孔，第二盘形件22的与掺混管29的轴向另一端相对的位置设有用作掺混管29的排气端的排气孔221。

在一种示意性的实施例中，排气孔221被构造成保持与掺混通道的延伸方向相一致。进一步的，由第二盘形件的内部形成的多个排气孔221沿径向方向形成与掺混通道阵列相对应的排气孔阵列。更进一步的，相邻的排气孔阵列中，位于外侧的排气孔221与位于内侧的排气孔221可错位设置。例如，可沿排气孔的轴向方向右移2D至4D(D表征为掺混通道的出气端的内径)的距离。这样可增加燃烧模态便于工况调节，又有利于减小第二盘形件的热负荷。应当理解，本公开的实施例不限于此。排气孔221的具体形状和位置以满足氢气燃烧装置的结构和/或参数要求为宜。

根据本公开的实施例，如图2所示，主燃级2还包括罩设于第一盘形件27及第二盘形件22的外侧的壳体23。壳体23及筒形件26之间限定燃料腔28。盘形件22内部布置有空气腔，与位于掺混通道末端的空气喷入口(262)相连通。

根据本公开的实施例，如图2所示，主燃级2还包括和外部的燃料源相连通的第一燃料管25。被构造成向燃料腔28内通入气体燃料。

根据本公开的实施例，如图1和图2所示，多个掺混通道环绕主燃级2的中心布置，以主燃级2的中心为轴线，位于相同径向位置的多个掺混通道形成一个掺混通道阵列。

根据本公开的实施例，如图1和图2所示，主燃级2包括多个掺混通道阵列。

在一种示意性的实施例中，如图2和图3所示，第一盘形件27及第二盘形件22均被构造成环形结构。进一步的，筒形件26的轴向的两端(如图3所示的左端及右端)与第一盘形件27及第二盘形件22的相面对的端部一体制成。

在一种示意性的实施例中，多个掺混管29绕筒形件26的轴线沿圆周方向呈交错分布。进一步的，掺混管29的数量依所需的技术参数设计。例如，技术参数包括但不限于阻塞比。更进一步的，掺混管29的数量以满足阻塞比在0.4至0.6之间为宜。

在一种示意性的实施例中，多个掺混管29，形成多个掺混通道阵列。详细地，多个掺混通道阵列沿径向环绕筒形件26的轴线均匀分布。进一步的，相邻的掺混通道阵列可交错布置，这样有利于提高第二盘形件22的面积利用率。更进一步的，各个掺混通道阵列中的掺混通道被构造成在径向截面内保持相同的当量比为设计原则。例如，可数量不变增大孔径，也可孔径相同改变数量。

在一种示意性的实施例中，掺混管29的出口处的内径被构造成2毫米至5毫米(即掺混通道的出气端的直径可根据应用场景参数在所述范围2毫米至5毫米范围内按相同尺寸进行设置，也可根据需要沿径向阵列在所述范围2毫米至5毫米范围内按不同尺寸进行设置。

这样的实施方式中，通过对掺混管29的数量、直径及相对于第二盘形件22的位置设置，可提高主燃级中的气态燃料与空气掺混的均匀性，并增强流动的可控性。

在一种示意性的实施例中，第二盘形件22的面对主燃区的端面(如图2所示的右端面)可涂覆耐高温涂层。这样，可增强在主燃区燃烧状态下氢气燃烧装置的耐高温性能。

在一种示意性的实施例中，主燃区还包括连接件21。详细地，连接件包括但不限于被构造成法兰结构。连接件21同轴套设于第二盘形件22的外侧，并被固定于壳体23的与连接件21相面对的端面(如图2所示的右端面)上。进一步的，连接件21的外侧设置有用于将氢气燃烧装置固定于外部的其他装置上的法兰孔。

图3是图1所示的示意性实施例的主燃级的立体图，其中示出了第一盘形件、第二盘形件及掺混管。

根据本公开的实施例，如图3所示，掺混通道上设置有一个燃料喷入口261。

根据本公开的实施例，掺混通道上设置有多个燃料喷入口261，多个燃料喷入口261沿掺混通道的延伸方向顺次间隔设置。

在一种示意性的实施例中，可在掺混通道的燃料喷入口261的上游或下游壁面位置沿周向均匀布置多个扰流片，用于产生湍流脉动增加掺混。扰流片的形状包括但不限于被构造成半圆形、梯形、流线型中的任一一种。这样既可增强掺混效果，又可使主燃级的轴向距离(第一盘形件及第二盘形件的相背的端面之间的间距)更短，有利于提升氢气燃烧装置的紧凑性。

根据本公开的实施例，如图3所示，掺混通道的位于出气端与相邻的燃料喷入口261之间设置有空气喷入口262，被构造成容纳空气通过并在掺混通道内与沿壁面流动，以降低所述掺混通道出口壁面附近混合气的当量比。

根据本公开的实施例，如图3所示，空气喷入口262被构造成沿掺混通道的切向延伸。

在一种示意性的实施例中，如图3所示，燃料喷入口261被构造成与掺混通道内的空气的旋向和/或角度相同。

在一种示意性的实施例中，燃料喷入口261的内径包括但不限于被构造成0.5毫米至1毫米。进一步的，多个燃料喷入口261可依据轴向、周向或二者的结合进行分级。

在一种示意性的实施例中，第一级的燃料喷入口261的轴向位置可设置于距离掺混通道的出气端15D(D表征为掺混通道的出气端的内径)以内的位置。第二级的燃料喷入口261的轴向位置可设置于距离掺混通道的出气端5D(D表征为掺混通道的出气端的内径)以内的位置。

这样的实施方式中，依据远离掺混通道的出气端的燃料喷入口261与出气端之间的间距设置掺混段距离。设置的多级燃料喷入口261，可使得空气在沿掺混通道通过的过程中逐次与空气燃料混合，以形成掺混均匀的混合气，避免局部高浓度区的生成，既有利于避免因局部高温生成高NOx,又有利于抑制回火发生。在一种示意性的实施例中，位于空气腔内的掺混管26的管壁的末端位置设置有空气喷入口262。详细地，空气喷入口262包括但不限于设置于距离掺混通道的出气端1D至2D(D表征为掺混通道的出气端的内径)之间的位置。进一步的，空气喷入口262包括但不限于设置有一个或多个。

在一种示意性的实施例中，空气喷入口262沿掺混管26所形成的掺混通道的切向方向延伸设置。进一步的，空气喷入口262被构造成与掺混通道内的空气的旋向和/或角度保持一致。

这样的实施方式中，通过所设置的空气喷入口可使空气由靠近掺混通道的出气端的位置引入，一方面有利于提升混合气处于掺混通道的出口附近的壁面处的速度，另一方面可降低壁面附近混合气的当量比，有利于抑制边界层回火发生。图4是图1所示的示意性实施例的预燃级的部分的立体图。

根据本公开的实施例，如图1和4所示，氢气燃烧装置还包括设置于主燃级2的中部的预燃级1，适用于形成用于点燃和稳定主燃级混合气的值班火焰。多个掺混管29环绕预燃级1设置。

根据本公开的实施例，如图4所示，预燃级1包括第二燃料管11、旋流组件及套筒14。第二燃料管11同轴设置于筒形件26的内侧。第二燃料管11的位于筒形件26内的端部设置有用于喷射气体燃料的喷孔111。

在一种示意性的实施例中，包括多个沿周向均匀间隔设置的喷孔111。详细地，喷孔111的数量包括但不限于被构造成6至10个。进一步的，喷孔111的喷射角度(表征为喷孔的轴向相对于第二燃料管的轴线的延伸方向的夹角)被构造成25°至35°中的任一值。更进一步的，喷孔111的直径包括但不限于被构造成0.8毫米至1.2毫米。喷孔的数量、喷射角度及喷孔的直径以满足喷射空气燃料的设计要求为宜。

在一种示意性的实施例中，第一燃料管及第二燃料管所输入的空气燃料包括但不限于采用氢气。

根据本公开的实施例，如图4所示，旋流组件包括第一旋流器12及第二旋流器13。第一旋流器12套设于第二燃料管11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13套设于第一旋流器12及所述套筒14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12的空气及通过第二旋流器13的空气在交界处形成剪切层以与由喷孔111输出的气体燃料掺混。

在一种示意性的实施例中，第一旋流器12设置于第二旋流器13的内壁面及第二燃料管11的外表面之间。进一步的，第二旋流器13设置于第一旋流器12的外表面及套筒14的内壁面之间。

在一种示意性的实施例中，第一旋流器12和/或第二旋流器13包括但不限于被构造成旋流槽或旋流孔结构。进一步的，第一旋流器12的旋流角被构造成40°至50°中的任一值。更进一步的，第二旋流器13的旋流角被构造成30°至40°中的任一值。

这样的实施方式中，空气经第一旋流器12及第二旋流器13后产生双旋流流动，在内旋流(即第一旋流器产生的旋流)及外旋流(即第二旋流器产生的旋流)的交界处建立剪切层，使得空气与由喷孔111喷射出的气体燃料掺混并输出至喷孔下游的预燃区以待燃烧形成值班火焰。

根据本公开的实施例，如图4所示，套筒14的内壁面被构造成文丘里管结构。内壁面的转折截面141的轴向位置设置于第二旋流器13的下游。

在一种示意性的实施例中，如图4所示，套筒14的外壁面被构造成圆柱结构，内壁面被构造成收缩-扩张状。详细地，转折截面141的下游被配置有扩展段142。

图5是根据本公开的一种示意性实施例的氢气燃烧装置进行燃料分级的使用状态图，其中图5的A示出了主燃区的多个子区呈环状布置的使用状态，图5的B示出了主燃区的多个子区围绕预燃区布置的使用状态。

根据本公开的实施例，如图5所示，燃料腔28被分隔为多个区域，每个区域均被构造成与外部的燃料源独立连通，使得每个区域均可分别与燃料源导通或关断。这样，有利于对负荷进行调节。应当理解，本公开的实施例不限于此。

例如，燃料腔28可被构造成一个区域，该区域内和外部的燃料源独立连通。

在一种示意性的实施例中，壳体23被构造成大致圆环形结构，壳体23的中部设置有容纳第二盘形件22通过的孔。详细地，壳体23罩设与第一盘形件27及第二盘形件22的外侧，使得第一盘形件27、第二盘形件22及外壳之间形成与外部空气环境密封的燃料腔28。

在一种示意性的实施例中，如图5的A所示，主燃级2还包括至少一个环形件。详细地，多个环形件绕主燃级2的中心逐级套设布置，相邻的两个环形件或环形件与预燃级之间形成主燃区的一个子区，多个子区相互隔离。进一步的，每个子区被构造成和一个第一燃料管25相连通。更进一步的，每个子区环绕预燃级1设置。这样，使得第二盘形件22的排气孔221的下游对应形成环绕预燃区(如图5所示的D1)形成的环形的主燃区(如图5所示的P1、P2、P3及P4)。在一种示意性的实施例中，如图5的B所示，主燃级2还包括至少一个板形件(图中未示出)。详细地，板形件可沿燃料腔28的径向方向和/或轴向方向延伸，以将主燃区的分隔为多个相互隔离的子区。进一步的，每个子区被构造成和一个第一燃料管25相连通。更进一步的，每个子区环绕预燃级1设置。这样，使得第二盘形件22的排气孔221的下游对应形成环绕预燃区(如图5所示的D1)多个扇形的子区(如图5所示的P1、P2、P3及P4)。

在一种示意性的实施例中，如图1所示，壳体23的四角位置(如图1所示上端、下端、左端及右端)形成类圆形的接头部24。详细地，四个接头部24内分别设置有一个第一燃料管25。进一步的，每个第一燃料管25沿与壳体的轴向方向相平行的方向延伸安装于接头部24内，使得外部的气体燃料经接头部24扩散至燃料腔28的每个子区内。更进一步的，每个第一燃料管25设置有阀体(未示出)，以通过控制阀体的导通、关闭和/或开度调节调节相应子区内的气体燃料的通入量。应当理解，本公开的实施例不限于此。

例如，接头部的数量包括但不限于为四个，可被构造成一个、两个、三个、五个及其他数量。第一燃料管25包括但不限于与接头部24的数量一致，以满足主燃级所需的空气燃料的供给要求及分布于燃料腔28内的均匀性为宜。

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

例如，主燃级2配置一个第二燃料管11，第二燃料管11为主燃级2的燃料腔28整体供给燃料。

详细地，在燃气轮机参数不高和/或负荷调节要求较低的状态下，氢气经第一燃料管路11供给至预燃级1，由喷孔111喷出的气体燃料经第一旋流器12及第二旋流器13输入的空气掺混后于预燃区燃烧形成高温烟气进入燃气轮机的涡轮做功(即如图5的A或B所示的D1燃烧)。

进一步的，在燃气轮机功率增加的状态下，主燃级2的混合气由于初期供给的气体燃料较少，因此，不能建立稳定火焰，主燃级2输入的混合气需利用预燃区形成的值班火焰燃烧(即如图5的A或B所示的D1+P1+P2+P3+P4燃烧)。

更进一步的，随着主燃级2的气体燃料的燃料量增加，主燃区的子区可形成独立的火焰结构，因此，此时可根据需要关闭预燃级1的气体燃料供给(即如图5的A或B所示的P1+P2+P3+P4燃烧)。直至燃气轮机降负荷的状态下，再次开启预燃级1的燃料供给，再逐步降低主燃级2的燃料供给，待主燃级2的燃料供给完全停止后再关闭预燃级1的燃料供给。

再如，主燃级2配置四个第二燃料管路11，每个第二燃料管11路为主燃区内的一个子区(如图5的B所示的P1、P2、P3及P4)供给气体燃料。

详细地，在燃气轮机启动或低负荷的状态下，气体燃料(如氢气)经第一燃料管路11供给至预燃级1，由喷孔111喷出的气体燃料经第一旋流器12及第二旋流器13输入的空气掺混后于预燃区燃烧形成高温烟气进入燃气轮机的涡轮做功(即如图5的B所示的D1燃烧)。

进一步的，在燃气轮机功率增加的状态下，开启主燃级1的一个子区的燃料供给(如图5的B所示的P1)，再逐一开启其他子区的燃料供给(如图5的B所示的P2、P3及P4)，使得主燃区的各个子区顺次燃烧(即如图5的B所示的D1+P1、D1+P1+P3、D1+P1+P3+P2、D1+P1+P3+P2+P4)。

更进一步的，随着主燃级2的气体燃料的燃料量增加，主燃区的子区可形成独立的火焰结构，因此，此时可根据需要关闭预燃级1的气体燃料供给(即如图5的B所示的P1+P2+P3+P4燃烧)。直至燃气轮机降负荷的状态下，再次开启预燃级1的燃料供给，再逐步降低主燃级2的燃料供给，待主燃级2的燃料供给完全停止后再关闭预燃级1的燃料供给。

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 (14)

1.一种氢气燃烧装置，其特征在于，包括主燃级（2），所述主燃级（2）内间隔设置有多个掺混通道，位于所述掺混通道的外侧的所述主燃级（2）内限定填充有气体燃料的燃料腔（28）；

其中，所述掺混通道被构造成螺旋形结构，所述掺混通道的内径由进气端至出气端被构造成逐渐减小，使得通过所述掺混通道的空气形成旋流并提升流速，位于进气端及出气端之间的所述掺混通道的中部设置有沿与所述掺混通道相垂直的方向延伸并与所述燃料腔（28）相连通的燃料喷入口（261），以将所述气体燃料引入所述掺混通道并与所述空气掺混形成混合气，所述混合气由所述掺混通道的出气端排出至主燃区进行燃烧，所述掺混通道的位于所述出气端与相邻的所述燃料喷入口（261）之间设置有空气喷入口（262），被构造成容纳空气通过并在所述掺混通道内沿掺混通道的壁面流动，以降低所述掺混通道的出口位置附近的壁面的混合气的当量比。

2.根据权利要求1所述的氢气燃烧装置，其特征在于，所述掺混通道上设置有一个所述燃料喷入口（261）。

3.根据权利要求1所述的氢气燃烧装置，其特征在于，所述掺混通道上设置有多个所述燃料喷入口（261），多个所述燃料喷入口（261）沿所述掺混通道的延伸方向顺次间隔设置。

4.根据权利要求1所述的氢气燃烧装置，其特征在于，所述空气喷入口（262）被构造成沿所述掺混通道的切向延伸。

5.根据权利要求1至3中任一所述的氢气燃烧装置，其特征在于，所述燃料腔（28）被分隔为多个区域，每个区域均被构造成与外部的燃料源独立连通，使得每个区域均可分别与所述燃料源导通或关断。

6.根据权利要求1至3中任一所述的氢气燃烧装置，其特征在于，多个所述掺混通道环绕所述主燃级（2）的中心布置，以所述主燃级（2）的中心为轴心位于相同径向位置的多个所述掺混通道形成一个掺混通道阵列。

7.根据权利要求6所述的氢气燃烧装置，其特征在于，所述主燃级（2）包括多个掺混通道阵列。

8.根据权利要求6所述的氢气燃烧装置，其特征在于，所述主燃级（2）包括：

平行间隔设置的第一盘形件（27）及第二盘形件（22）；

筒形件（26），一体设置于所述第一盘形件（27）及所述第二盘形件（22）的中部，被构造成与所述第一盘形件（27）及所述第二盘形件（22）的轴线的延伸方向相重合；以及

多个掺混管（29），环绕所述筒形件（26）的轴线间隔安装于所述第一盘形件（27）及所述第二盘形件（22）之间，所述掺混管（29）被构造成螺旋形结构，每个所述掺混管（29）内限定一个所述掺混通道；

其中，所述第一盘形件（27）的与所述掺混管（29）的轴向一端相对的位置设置有用作所述掺混管（29）的进气端的进气孔，所述第二盘形件（22）的与所述掺混管（29）的轴向另一端相对的位置设有用作所述掺混管（29）的排气端的排气孔（221）。

9.根据权利要求8所述的氢气燃烧装置，其特征在于，所述主燃级（2）还包括罩设于所述第一盘形件（27）及所述第二盘形件（22）的外侧的壳体（23），所述壳体（23）及所述筒形件（26）之间限定所述燃料腔（28）。

10.根据权利要求9所述的氢气燃烧装置，其特征在于，所述主燃级（2）还包括和外部的燃料源相连通的第一燃料管（25），被构造成向所述燃料腔（28）内通入所述气体燃料。

11.根据权利要求8至10中任一所述的氢气燃烧装置，其特征在于，还包括设置于所述主燃级（2）的中部的预燃级（1），适用于形成用于点燃并稳定主燃级混合气的值班火焰，多个所述掺混管（29）环绕所述预燃级（1）设置。

12.根据权利要求11所述的氢气燃烧装置，其特征在于，所述预燃级（1）包括：

第二燃料管（11），同轴设置于所述筒形件（26）的内侧，所述第二燃料管（11）的位于所述筒形件（26）内的端部设置有用于喷射气体燃料的喷孔（111）；

旋流组件，套设于所述第二燃料管（11）的外侧，适用于将外部的空气与由所述喷孔（111）输出的气体燃料掺混；以及

套筒（14），套设于所述旋流组件及所述筒形件（26）之间，以限制所述预燃级（1）相对于所述主燃级（2）的位置。

13.根据权利要求12所述的氢气燃烧装置，其特征在于，所述旋流组件包括：

第一旋流器（12），套设于所述第二燃料管（11）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（13），套设于所述第一旋流器（12）及所述套筒（14）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（12）的空气及通过所述第二旋流器（13）的空气在交界处形成剪切层以与由所述喷孔（111）输出的气体燃料掺混。

14.根据权利要求13所述的氢气燃烧装置，其特征在于，所述套筒（14）的内壁面被构造成文丘里管结构，所述内壁面的转折截面（141）的轴向位置设置于所述第二旋流器（13）的下游。