富氢或纯氢灵活燃料燃烧稳焰喷头与燃烧器

本发明属于动力工程及工程热物理，特别涉及一种可动态调控混合过程的富氢或纯氢灵活燃料燃烧稳焰喷头以及使用该喷头的燃烧器。主要面向以氢能为核心的低碳、零排放可再生能源体系，在燃机装备中实现富氢/纯氢灵活燃料的安全、稳定燃烧转化。

背景技术：

1、氢(h2)是优良的可再生能源载体。在清洁、低碳能源系统中，可将风能、光能、潮汐能等波动的可再生能源以电解水方式存储为氢，再在有能源需求时，通过燃气轮机、内燃机或工业炉等设备将氢通过燃烧方式进行能源转化，实现以氢为储能介质的清洁能源转化。

2、以氢燃料替代传统碳氢燃料的技术中，由于可再生能源具有波动性，燃机上游的燃料供应也会波动，导致燃机需要在纯氢燃烧和碳氢燃料掺氢的富氢燃烧之间灵活切换。现有燃机大都基于碳氢燃料研发，由于燃料差异带来的单位体积/质量功率的明显差别，其燃烧组织不能实现富氢/纯氢燃烧灵活调节的目标。必须对燃烧组织和燃烧器结构设计进行创新优化，确保在上游燃料供应变动的情况下，依然能够实现富氢/纯氢灵活燃料的高效稳定燃烧。

3、氢具有反应活性和扩散性强、燃烧温度高的特性，容易产生回火、自燃和燃烧振荡的不稳定性问题。在纯氢或高比例富氢燃烧时，若采用纯预混燃烧，氢燃料高反应活性带来的回火、自燃和振荡等燃烧不稳定性问题便十分显著，因此为了安全性考虑，有必要缩短其与空气混合时间/空间尺度，规避充分预混燃烧，采用扩散或部分预混燃烧。另一方面，在低掺氢比的富氢燃烧中，反应活性降低，火焰极易抬升、脱火或吹熄，燃料转化也不充分，因此有必要增加混合尺度尽量实现充分预混燃烧。可见，实现混合过程可动态调控，对富氢/纯氢灵活燃料燃烧组织十分关键。

4、传统燃烧组织常采用旋流器、钝体稳焰，或将两者进行结合。前者基于旋流涡破碎形成低速回流区进行稳焰，这是因为回流区中可驻留高温气体，可对来流未燃气进行持续点火。相比之下，钝体燃烧基于流道突变实现回流，也能形成回流区进而稳焰。然而，旋流器往往结构复杂，而钝体结构为了实现强回流区又往往采用高阻塞比，从而导致燃烧室压损过大。因此，针对富氢/纯氢灵活燃料燃烧特点，有必要研究新型的稳焰方式，在结构尽量简单的基础上确保燃机燃烧室安全、稳定运行。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种富氢或纯氢灵活燃料燃烧稳焰喷头与燃烧器，以期能够在宽工况范围稳定燃烧，并进一步能够动态调控燃料和空气的混合程度。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、本发明的第一目的，提供了一种富氢或纯氢灵活燃料燃烧稳焰喷头，包括燃烧器主体壳，所述燃烧器主体壳中有燃烧器主流道，所述燃烧器主流道连接燃料入口和空气入口，所述燃烧器主流道的末端为燃烧器出口，其特征在于，在所述燃烧器主流道内壁上位于燃烧器出口上游开有周向凹槽，所述燃烧器出口的内径d1小于所述周向凹槽的内径d2，并大于所述燃烧器主流道的内径d3，所述周向凹槽形成火焰稳定腔。

4、在一个实施例中，所述富氢或纯氢灵活燃料燃烧稳焰喷头还包括：燃料喷管；

5、所述燃料喷管的末端沿轴向伸入所述燃烧器主流道，前端为燃料入口；所述空气入口连接在所述燃烧器主流道的前部；所述燃料喷管被配置为能够沿轴向移动。

6、在一个实施例中，所述富氢或纯氢灵活燃料燃烧稳焰喷头还包括：同心稳定器；

7、所述同心稳定器与所述燃烧器主体壳装配为一体；所述燃料喷管穿过所述同心稳定器，伸入所述燃烧器主流道；所述同心稳定器用于保证所述燃料喷管与所述燃烧器主流道的同心度。

8、在一个实施例中，所述同心稳定器的主体部分为两端开口的空心柱状结构，所述燃料喷管从其空心部分穿过，二者之间密封且燃料喷管能够沿轴向移动。

9、在一个实施例中，所述燃料喷管的沿轴向移动，使得富氢/纯氢燃料与空气在所述燃烧器主流道的中段混合；其中，当燃料喷管的末端远离燃烧器出口时，混合的时间/空间距离增加，混合程度增加，燃料空气趋近于预混燃烧；当燃料喷管的末端靠近燃烧器出口时，混合程度减弱，燃料空气趋近于扩散或部分预混燃烧。

10、在一个实施例中，所述火焰稳定腔与燃烧器出口紧邻设置。

11、在一个实施例中，所述燃烧器主流道的内径d3的取值范围为5～20mm；d1/d3＝1.3～1.8；d2/d1＝1.2～1.5。

12、在一个实施例中，所述燃烧器出口的轴向长度为l1，所述周向凹槽的轴向长度为l2，所述燃烧器主流道的轴向长度为l3，l3取值范围为40～100mm，l1取值范围为2～4mm，l2取值范围为5～15mm，且l2/l1＝2.5～7.5。

13、在一个实施例中，所述周向凹槽的槽型为柱型、圆弧型、半圆型、梯型或尖角型，所述柱型，是指周向凹槽的侧壁型线为直线；所述圆弧型，是指周向凹槽的侧壁型线为向远离中轴线方向内凹的圆弧形，且周向凹槽的截面积沿轴向从前端向后端渐缩；所述半圆型，是指周向凹槽的侧壁型线为向远离中轴线方向内凹的半圆形；所述梯型，是指周向凹槽的侧壁型线为向远离中轴线方向内凹的梯形；所述尖角型，是指周向凹槽的侧壁型线为向远离中轴线方向内凹的三角形。

14、本发明的第二目的，还提供了一种燃烧器，使用任意数量的所述的富氢或纯氢灵活燃料燃烧稳焰喷头。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

16、(1)避免了传统燃烧室中常采用的旋流、钝体复杂结构，通过燃烧器出口附近的高温已燃气凹腔驻留设计方法，在燃烧器喷头中引入了燃烧自稳定特性，可大幅提高燃烧稳定工况范围。该结构设计非常简单，在增强燃烧稳定性的同时对来流几乎不会造成压损。

17、(2)现有燃机碳氢燃料成分比较稳定，燃烧室喷嘴设计不考虑燃空混合的调节，燃烧器结构固定。本发明针对富氢/纯氢燃烧的燃料波动性问题，实现了燃料和空气混合程度实时在线的动态调节，通过调节混合程度间接调控燃烧稳定性，根据上游燃料特性实现燃烧稳定性实时可控。

18、(3)依据功率需求，该燃烧器喷嘴可单独使用或多喷嘴阵列使用。

技术特征：

1.富氢或纯氢灵活燃料燃烧稳焰喷头，包括燃烧器主体壳(1)，所述燃烧器主体壳(1)中有燃烧器主流道(1-3)，所述燃烧器主流道(1-3)连接燃料入口(1-3-1)和空气入口(1-2-1)，所述燃烧器主流道(1-3)的末端为燃烧器出口(1-5)，其特征在于，在所述燃烧器主流道(1-3)内壁上位于燃烧器出口(1-5)上游开有周向凹槽，所述燃烧器出口(1-5)的内径d1小于所述周向凹槽的内径d2，并大于所述燃烧器主流道(1-3)的内径d3，所述周向凹槽形成火焰稳定腔(1-4)。

2.根据权利要求1所述富氢或纯氢灵活燃料燃烧稳焰喷头，其特征在于，还包括：燃料喷管(3)；

3.根据权利要求2所述富氢或纯氢灵活燃料燃烧稳焰喷头，其特征在于，还包括：同心稳定器(2)；

4.根据权利要求3所述富氢或纯氢灵活燃料燃烧稳焰喷头，其特征在于，所述同心稳定器(2)的主体部分为两端开口的空心柱状结构，所述燃料喷管(3)从其空心部分穿过，二者之间密封且燃料喷管(3)能够沿轴向移动。

5.根据权利要求2或3或4所述富氢或纯氢灵活燃料燃烧稳焰喷头，其特征在于，所述燃料喷管(3)的沿轴向移动，使得富氢/纯氢燃料与空气在所述燃烧器主流道(1-3)的中段混合；其中，当燃料喷管(3)的末端远离燃烧器出口(1-5)时，混合的时间/空间距离增加，混合程度增加，燃料空气趋近于预混燃烧；当燃料喷管(3)的末端靠近燃烧器出口(1-5)时，混合程度减弱，燃料空气趋近于扩散或部分预混燃烧。

6.根据权利要求1所述富氢或纯氢灵活燃料燃烧稳焰喷头，其特征在于，所述火焰稳定腔(1-4)与燃烧器出口(1-5)紧邻设置。

7.根据权利要求1或2或3或4或6所述富氢或纯氢灵活燃料燃烧稳焰喷头，其特征在于，所述燃烧器主流道(1-3)的内径d3的取值范围为5～20mm；d1/d3＝1.3～1.8；d2/d1＝1.2～1.5。

8.根据权利要求7所述富氢或纯氢灵活燃料燃烧稳焰喷头，其特征在于，所述燃烧器出口(1-5)的轴向长度为l1，所述周向凹槽的轴向长度为l2，所述燃烧器主流道(1-3)的轴向长度为l3，l3取值范围为40～100mm，l1取值范围为2～4mm，l2取值范围为5～15mm，且l2/l1＝2.5～7.5。

9.根据权利要求1或2或3或4或6所述富氢或纯氢灵活燃料燃烧稳焰喷头，其特征在于，所述周向凹槽的槽型为柱型、圆弧型、半圆型、梯型或尖角型，所述柱型，是指周向凹槽的侧壁型线为直线；所述圆弧型，是指周向凹槽的侧壁型线为向远离中轴线方向内凹的圆弧形，且周向凹槽的截面积沿轴向从前端向后端渐缩；所述半圆型，是指周向凹槽的侧壁型线为向远离中轴线方向内凹的半圆形；所述梯型，是指周向凹槽的侧壁型线为向远离中轴线方向内凹的梯形；所述尖角型，是指周向凹槽的侧壁型线为向远离中轴线方向内凹的三角形。

10.燃烧器，使用任意数量的权利要求1至9任一项所述的富氢或纯氢灵活燃料燃烧稳焰喷头。

技术总结本发明公开了一种富氢或纯氢灵活燃料燃烧稳焰喷头，包括燃烧器主体壳，所述燃烧器主体壳中有燃烧器主流道，所述燃烧器主流道连接燃料入口和空气入口，所述燃烧器主流道的末端为燃烧器出口，其特征在于，在所述燃烧器主流道内壁上位于燃烧器出口上游开有周向凹槽，所述燃烧器出口的内径d<subgt;1</subgt;小于所述周向凹槽的内径d<subgt;2</subgt;，并大于所述燃烧器主流道的内径d<subgt;3</subgt;，所述周向凹槽形成火焰稳定腔。本发明能够拓宽稳定燃烧工况范围，并进一步能够动态调控燃料和空气的混合程度，可将任意数量本发明的喷头装配于燃烧器使用。技术研发人员：张玮杰,黄海,胡光亚,王子淇,王金华,黄佐华受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/4/17