CN115523510B - 一种预混程度可调的氢燃料低排放燃烧室头部 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种预混程度可调的氢燃料低排放燃烧室头部，包括机匣、火焰筒，火焰筒里设置控制齿轮、燃料输运管道、预混头部，所述预混头部包括预混段，预混段包括外层的预混环腔壁、内层的燃料环腔壁以及燃料环腔壁外部的阻隔管道，预混环腔壁与阻隔管道之间形成预混环腔，燃料环腔壁里为燃料环腔，燃料环腔壁上设置燃料环腔孔，阻隔管道上设置阻隔管道孔，控制齿轮包括外层的主动轮、内层的辅助齿轮以及位于中间的从动轮，从动轮的中部设置控制管道，控制管道连接阻隔管道，燃料环腔连通燃料输运管道。本发明可以实现预混条件下氢气可靠稳定的燃烧，从而提高燃气轮机的回火极限，并且还能降低氮氧化物的排放量，实现氢气清洁高效燃烧。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种燃烧室，具体地说是燃气轮机燃烧室。
背景技术
随着化石燃料消耗量日益增加，其储量日益减少，而由此造成的二氧化碳排放污染也造成了全球气候变暖等一系列严重影响。近年来，为了促进可持续发展，尽快达到全球温室气体排放的峰值，力争在本世纪中叶实现碳中和,人们开始寻找能够代替化石燃料的能源。氢气作为一种清洁可持续的能源载体，已经成为越来越多的人的研究对象，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，而有着零碳排放、灵活可控等优点的氢燃气轮机将成为碳达峰和碳中和时期的主力，但是回火问题一直阻碍氢燃机的发展与广泛应用。氢气的燃烧速度较快，因受限于回火问题，所以目前氢气燃烧大都使用非预混燃烧方式，而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，降低氮氧化物污染物的排放，但氢气在预混时容易出现混合不充分、易回火、易吹熄等问题。研究发现，燃气轮机的回火极限与预混段长度有关，因此，为了改善氢燃气轮机回火问题，就需要通过对燃烧室头部预混段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可以有效减少氢燃机贫预混燃烧中尤为显著的回火问题的一种预混程度可调的氢燃料低排放燃烧室头部。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种预混程度可调的氢燃料低排放燃烧室头部，其特征是：包括机匣、火焰筒，火焰筒通过其中部设置的轴套、两侧的压气机侧支撑结构和涡轮侧支撑结构固定在机匣里，火焰筒里设置控制齿轮、燃料输运管道、预混头部，所述预混头部包括预混段，预混段包括外层的预混环腔壁、内层的燃料环腔壁以及燃料环腔壁外部的阻隔管道，预混环腔壁与阻隔管道之间形成预混环腔，燃料环腔壁里为燃料环腔，燃料环腔壁上设置燃料环腔孔，阻隔管道上设置阻隔管道孔，控制齿轮包括外层的主动轮、内层的辅助齿轮以及位于中间的从动轮，从动轮分别于主动轮和辅助齿轮啮合，从动轮的中部设置控制管道，控制管道连接阻隔管道，燃料环腔连通燃料输运管道。
本发明还可以包括：
1、所述从动轮包括六组，每组从动轮的数量为3个，与从动轮数量相对应的，控制管道、预混段均有六个，每组控制管道、预混段均有3个。
2、每个燃料环腔壁上的燃料环腔孔包括四级，四级燃料环腔孔位于燃料环腔壁的不同位置，每级包括四个燃料环腔孔；所述阻隔管道孔的数量与燃料环腔孔相同，阻隔管道孔与其对应的燃料环腔孔位置周向偏转15°，孔径相同。
3、当阻隔管道旋转使得一个级的燃料环腔孔与阻隔管道孔相通时，其余级的燃料环腔孔与阻隔管道孔被隔断。
4、所述燃料输运管道包括主燃料进口、燃料导管、燃料环管，主燃料进口连接燃料环管，燃料环管通过燃料导管连通燃料环腔。
5、主动轮的齿数为48齿，每转动2齿，预混段的燃料环腔上被打开的燃料环腔孔进入下一级，从而减小预混段长度。
6、预混段的后段呈45°倾斜角向下倾斜。
本发明的优势在于：环形燃烧室头部采用多个预混段，强化空气和燃料掺混，燃料导管和燃料孔都呈周向均匀分布，保证了燃料分布的均匀性；
预混段的长度可调，而预混段的长度影响着燃气轮机的回火极限以及氮氧化物的排放，因此，可通过改变预混段长度以此改善燃气轮机的回火问题，降低回火问题发生的频率，还能降低氮氧化物的排放量，减少污染；另外，由于预混段的长度可调，因此该发明的适用性广，可应用于很多不同型号的燃气轮机燃烧室。
预混段后段呈45°倾斜角向下倾斜，相较于普通圆管，掺混得到的混合气体在出口处汇聚在一处被加速喷出，强化了燃料与空气的掺混，以降低局部高温区，继而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够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，同时减少出口烧蚀情况或者燃烧不稳定等情况的发生；且出口处的盾体还能阻止混合燃气回流，防止壁面回火现象的产生。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为机匣示意图；
图3为火焰筒示意图；
图4为燃料导管示意图；
图5为控制齿轮示意图；
图6a为预混头部示意图，图6b为预混头部剖视图；
图7为预混头部预混段局部放大示意图。
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1-7，本发明一种预混程度可调的氢燃料低排放燃烧室头部，主要部件包括预混头部7、控制齿轮6、燃料输运管道5、火焰筒4、机匣3以及轴套1、压气机侧支撑结构2和涡轮侧支撑结构8。机匣3包括机匣内、外壁面3-1、燃料导管孔3-2、燃料环管凹槽3-3；火焰筒4包括火焰筒内、外壁4-1、火焰筒冷却孔4-2、燃料导管孔4-3；燃料输运管道5包括燃料环管5-1、燃料导管5-2、主燃料进口5-3；控制齿轮6包括主动轮6-1、三级从动轮6-2、辅助齿轮6-3、控制管道6-4；预混头部7包括预混段头部7-1、预混段7-2，预混段7-2包括燃料环腔7-2-1、“阻隔”管道7-2-2、预混环腔7-2-3、燃料环腔孔7-2-4、“阻隔”管道孔7-2-5。
预混头部7周向均匀布置着三级大小、结构都相同的预混段7-2，其中每级布置6个预混段7-2。预混段7-2是由燃料环腔7-2-1、“阻隔”管道7-2-2以及预混环腔7-2-3同心分布组成。其中，燃料由燃料导管5输运至各燃料环腔7-2-1内，在燃料环腔7-2-1上的不同位置处，都周向分布着四个燃料孔，对各个位置孔分级，共有四级孔；“阻隔”管道7-2-2紧密贴合在燃料环腔7-2-1外壁，“阻隔”管7-2-2与燃料环腔7-2-1长度相同，并在相同位置上分布有四级孔，每一级孔径大小与燃料孔相同，但每级孔相较于燃料孔的位置周向偏转15°；旋转“阻隔”管道7-2-2，使得燃料环腔7-2-1与“阻隔”管道7-2-2上的其中一级孔径相对而被打开，其他级孔相阻而被闭合，燃料从相对被打开的孔中喷出进入预混环腔7-2-3，通过打开不同级的燃料孔改变预混段7-2长度，实现预混程度可调的效果；而空气进口均匀分布在燃料进口相邻的周向，空气进入到预混段7-2内的预混环腔7-2-3后，与从燃料孔喷出的气体燃料进行横向射流掺混形成混合气体，并在预混段7-2尖端点燃。
未调整控制齿轮6的情况下，燃料环腔7-2-1与“阻隔”管道7-2-2上的第一级孔恰好相对而被打开，燃料环腔7-2-1上其他级的孔均被“阻隔”管道7-2-2挡住而被闭合，气体燃料得以通过第1级孔进入预混环腔7-2-3；当需要改变预混段7-2的长度时，通过旋转控制齿轮6，带动与控制齿轮6相连的“阻隔”管道7-2-2旋转15°角，预混段燃料管7-2-1的第1级孔被“阻隔”管道7-2-2堵住，两者的第2级孔处在同一位置而被打开，燃料得以从第2级孔进入预混环腔7-2-3，预混段7-2的长度减小。以此类推，当需要将燃料通过第3级孔时，需要将“阻隔”管道7-2-2相对第1级孔所在位置旋转30°角，通过第4级孔时旋转45°角。
控制齿轮6由轴套1固定在火焰筒4内，由一个内齿轮作为主动轮6-1、三级小型外齿轮6-2作为从动轮以及一个辅助齿轮6-3组成，每级从动轮有6个小齿轮6-2，在每个小齿轮6-2中心处上有一个控制管道6-4，该管道6-4与预混段内的“阻隔”管道7-2-2相连，通过控制“阻隔”管道7-2-2旋转改变预混段7-2长度；大齿轮6-1的齿数为48齿，每转动2齿，则可控制预混段7-2内燃料环腔7-2-1上被打开的燃料孔进入下一级，减少预混段7-2长度。
料输运管道5由三级燃料环管5-1及燃料导管5-2组成，燃料环管5-1固定在机匣3上的凹槽内，燃料通过另一端燃料导管5-2上多个出口与预混头部7各个燃料环腔7-2-1入口直接相连。燃料通过燃料导管5-2输运至预混头部7的内部燃料环腔7-2-1，再从燃料孔喷出，与来流空气形成横向射流，在预混段7-2内掺混后进入火焰筒4内参与燃烧。
火焰筒4由轴套1、压气机侧支撑结构2和涡轮侧支撑结构8固定在机匣3上，并与机匣3配合，将从压气机喷入的空气分为两股环形空气流道，其中，进入内环形空气流道的空气流入头部预混7段预混环腔7-2-3，与气体燃料掺混形成均匀的空气-燃料混合气体；进入外环形空气流道的空气由火焰筒4上的冷却孔流入，用于冷却火焰筒壁，保护火焰筒壁不被烧毁
机匣3内部设有轴套1，起固定火焰筒4及其内部结构的作用，且机匣3与火焰筒4配合形成两股环形空气流道，并降低了由压气机喷入的空气的来流速度；机匣上开设三级凹槽3-3，起固定燃料环管5-1的作用。
压气机侧支撑结构2和涡轮侧支撑结构8布置在机匣3和火焰筒4之间，起固定火焰筒3及其内部结构的作用。
氢气燃料由燃料环管5-1经燃料导管5-2输运至对应的各预混段燃料环腔7-2-1，再根据燃气轮机回火极限计算出最佳的预混段长度，旋转控制齿轮6带动“阻隔”管道7-2-2旋转，使得最佳预混段长度对应的该级孔被打开，其他各级孔被闭合，氢气燃料由被打开的燃料孔横向喷出到预混环腔7-2-3内；空气进入到预混环腔7-2-3后，与从燃料孔喷出的气体燃料进行横向射流掺混，并在预混段出口被点燃。预混段7-2后段呈45°倾斜角向下倾斜，掺混得到的混合气体被加速喷出，并在此过程中强化了燃料与空气的掺混，降低了局部高温区，继而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够提高涡轮叶片的使用寿命，还能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，同时减少出口烧蚀情况或者燃烧不稳定等情况的发生。此外，可以根据燃气轮机的回火极限计算得到最佳预混段7-2长度，从而合理安排各级燃料孔的位置，因此具有应用于不同燃气轮机上的广阔前景。
Claims (4)
1.一种预混程度可调的氢燃料低排放燃烧室头部，其特征是：包括机匣、火焰筒，火焰筒通过其中部设置的轴套、两侧的压气机侧支撑结构和涡轮侧支撑结构固定在机匣里，火焰筒里设置控制齿轮、燃料输运管道、预混头部，所述预混头部包括预混段，预混段包括外层的预混环腔壁、内层的燃料环腔壁以及燃料环腔壁外部的阻隔管道，预混环腔壁与阻隔管道之间形成预混环腔，燃料环腔壁里为燃料环腔，燃料环腔壁上设置燃料环腔孔，阻隔管道上设置阻隔管道孔，控制齿轮包括外层的主动轮、内层的辅助齿轮以及位于中间的从动轮，从动轮分别与主动轮和辅助齿轮啮合，从动轮的中部设置控制管道，控制管道连接阻隔管道，燃料环腔连通燃料输运管道；
每个燃料环腔壁上的燃料环腔孔包括四级，四级燃料环腔孔位于燃料环腔壁的不同位置，每级包括四个燃料环腔孔；所述阻隔管道孔的数量与燃料环腔孔相同，阻隔管道孔与其对应的燃料环腔孔位置周向偏转15°，孔径相同；
当阻隔管道旋转使得一个级的燃料环腔孔与阻隔管道孔相通时，其余级的燃料环腔孔与阻隔管道孔被隔断；
主动轮的齿数为48齿，每转动2齿，预混段的燃料环腔上被打开的燃料环腔孔进入下一级，从而减小预混段长度。
2.根据权利要求1所述的一种预混程度可调的氢燃料低排放燃烧室头部，其特征是：所述从动轮包括六组，每组从动轮的数量为3个，控制管道、预混段均有六组，每组控制管道、预混段均有3个。
3.根据权利要求1所述的一种预混程度可调的氢燃料低排放燃烧室头部，其特征是：所述燃料输运管道包括主燃料进口、燃料导管、燃料环管，主燃料进口连接燃料环管，燃料环管通过燃料导管连通燃料环腔。
4.根据权利要求1所述的一种预混程度可调的氢燃料低排放燃烧室头部，其特征是：预混段的后段呈45°倾斜角向下倾斜。
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