燃烧喷嘴以及燃烧器的制作方法

本发明涉及燃气涡轮发动机(以下简称“燃气轮机”)的燃烧器、用于将压缩空气和燃料排出到燃烧室以在燃烧器中燃烧的喷嘴(燃烧喷嘴)，以及燃烧器，更具体地说，本发明涉及适用于能够使用氢气作为燃料的燃气轮机(氢气燃气轮机)的燃烧器及其燃烧喷嘴。

背景技术：

1、从抑制全球变暖和促进脱碳的角度出发，正在推进使用氢气作为燃料的热机(诸如燃气轮机)的研究和开发。例如，日本未审查专利申请公开第2016-109309号(jp 2016-109309 a)提出了一种用于使用氢气和甲烷作为燃料的燃气轮机的燃烧器。通过从布置在构成燃烧室的燃烧气缸的上游侧的预混合燃料燃烧主燃烧器喷射作为主要燃料的甲烷来形成燃烧场。用于将燃料从周壁喷射入燃烧室的多个扩散燃烧型再热燃烧器安装在燃烧场中，并且氢气从其一部分引入。根据该构造，主燃烧器是预混合燃料燃烧型燃烧器，因此抑制了在燃烧室的上游侧的主燃烧区域中产生的高温燃烧气体中的氮氧化物(nox)的量。此外，用于引入氢气的再热燃烧器的分布式布局使得各个再热燃烧器的各个燃烧区域中的燃料浓度更稀薄，各个再热燃烧器的燃烧温度被整体抑制，并且可以抑制nox的产生。此外，在这种构造中，采用扩散燃烧型再热燃烧器降低了逆火的风险。日本未审查专利申请公开第2020-106258号(jp 2020-106258 a)提出了一种利用诸如氢气的高反应性气体作为燃料的燃气轮机。多个环形燃料喷射单元同心地布置在构成燃烧室的燃烧气缸的上游端面上，形成实现低nox燃烧和防止逆火并抑制燃烧动态的燃烧器结构。各个燃料喷射单元具有环形燃料喷射构件和环形空气引导构件，环形燃料喷射构件具有在外周面和/或内周面上开口的多个燃料喷射孔，环形空气引导构件相对于从环形燃料喷射构件的燃料喷射孔喷射的燃料气体引导空气。在多个周向分隔壁和径向分隔壁中，设置至少一种类型的分隔壁，周向分隔壁径向延伸并以相等的间隔周向分隔环形燃料喷射单元的气体通道，径向分隔壁周向延伸并沿径向分隔两个相邻的环形燃料喷射单元。此外，日本未审查专利申请公开第2003-148734号(jp 2003-148734 a)提出了燃气轮机设备。燃料和空气作为多个同心射流被输送到燃烧室，以减少nox排出并促进燃料和空气的混合，从而提高燃烧室中的火焰稳定性。空气流动形成在预混合燃料通道内的燃料流的外周侧，围绕中心处的燃料流。在这种构造中，预混合使得燃料更稀薄，从而可以有利地实现低nox。然而，需要大的空间来产生良好的混合状态，并且作为折衷，发生燃料逆流的逆火风险会增加。因此，其中设置多个喷嘴的构造使得燃料能够在短时间内在狭窄的空间中燃烧，并抑制逆火。尽管在该文献中描述的构造没有将燃料限制为氢气，但是这是与氢气燃烧相关的结构的基本结构，这将在下面描述。

2、有望进一步广泛使用使用氢气作为燃料的燃气轮机(氢气燃气轮机)，其不排出co2。为此，缩小燃气轮机的尺寸以便能够安装在诸如汽车等车辆中是有利的。

3、当使用氢气作为燃气轮机的燃料时，需要注意的一点是，氢气具有比迄今为止通常使用的碳氢化合物燃料更高的燃烧温度。为了抑制nox的产生，在燃烧之前充分且均匀地混合燃料和空气，以便不产生燃料浓度局部高且燃烧温度将变高的区域，并且使总燃料浓度稀薄以保持低燃烧温度是必要的(更甚于传统碳氢化合物燃料的情况)。此外，氢气具有比碳氢化合物燃料更高的燃烧速度。氢气的淬熄距离(0.64毫米)比碳氢燃料的淬熄距离(大约2毫米)短。为了抑制逆火的发生(其中在燃料通道中发生燃烧的逆流)，在燃料被喷射到燃烧室中的部分中，与使用传统的碳氢化合物燃料时不同的构造变得必要。

4、关于这一点，可以使用氢气作为燃料的燃气轮机的常规已知燃烧器的构造旨在用于产生超过1兆瓦(mw)功率的中型或大型发电发动机和环形燃烧器，难以应用于小型发动机或环形燃烧器，诸如产生约1mw功率的发动机或环形燃烧器。例如，在已知为可以使用氢气作为燃料的燃气轮机的常规燃烧器构造的微混合燃烧器(例如，jp 2020-106258 a)或多簇燃烧器的情况下，氢气被喷射在多个位置，并且火焰被分布和布置成尽可能小。这抑制了燃料浓度变得局部高，并且燃烧场中的燃料也处于稀薄状态，从而抑制了燃烧温度的升高。因此，完成了抑制nox的产生。在这种情况下，结构复杂，并且零件数量多，需要大的空间。很难实现这种燃烧器的小型化构造。此外，当为了避免淬熄距离短的氢气逆火而减少燃烧室的氢气供应口时，如在传统结构(jp 2020-106258 a等)中所见，在空气和氢气在氢气供应口附近汇合的构造中，难以在燃烧前在小空间内充分且均匀地混合空气和氢气。这需要很大的空间。因此，为了在能够使用氢气作为燃料的小型燃气轮机中适当地抑制nox的产生，同时避免逆火，具有新颖结构的燃烧喷嘴将是有利的，该燃烧喷嘴能够在燃烧之前在小空间内充分且均匀地混合空气和氢气，并且在稀薄燃料状态下实现燃烧。

技术实现思路

1、本公开提供了一种具有新型结构的燃烧喷嘴，其适用于能够使用氢气作为燃料的小型燃气轮机的燃烧器。

2、本公开还提供了一种可以用于诸如上述小型燃气轮机的燃烧器的燃烧喷嘴，其具有新型结构，能够在燃烧前在小空间内充分均匀地混合空气和氢气，同时避免逆火，并实现稀薄燃料状态下的燃烧。

3、此外，本公开提供了一种设置有上述燃烧喷嘴的燃气轮机燃烧器。

4、本公开的一个方案是一种燃烧喷嘴，用于将待燃烧的压缩空气和燃料排出到燃气轮机的燃烧器的燃烧室中。所述燃烧喷嘴包括被构造成接收所述压缩空气的空气入口、通向所述燃烧室并被构造成排出所述压缩空气的喷嘴孔、在所述空气入口和所述喷嘴孔之间连通的空气通道、用于接收所述燃料的燃料通道以及一个以上燃料出口。所述燃料通道被构造成将所述燃料从一个以上燃料出口朝向从所述喷嘴孔排出的所述压缩空气的气流排出。所述空气通道包括文丘里管区段，在所述文丘里管区段中，所述压缩空气的通道横截面积变得相对较小。一个以上燃料出口设置在所述文丘里管区段中。

5、在上述构造中，“燃烧喷嘴”是一种将待燃烧的压缩空气和燃料混合并排入燃气轮机的燃烧器中的燃烧室的喷嘴，如上所述。这里，“空气通道”是用于空气通过的通道，其被限定在用于接收压缩空气的“空气入口”和通向燃烧室的“喷嘴孔”之间。“燃料通道”是接收燃料并使其通向“燃料出口”的通道。“文丘里管区段”是这样一种区段：其中在空气入口和喷嘴孔之间连通的空气通道中，“通道横截面积”(流体可以流过的区域的横截面积)变窄为相对小于该区段的上游和下游。作为燃料通道的出口的燃料出口通向空气通道中的文丘里管区段，并且设置成朝向流过其中的压缩空气的气流排出燃料。燃料可以是氢气。

6、根据本发明的燃烧喷嘴的上述构造，当压缩空气从空气入口进入空气通道并从喷嘴孔输送时，压缩空气的气流的流速在通过文丘里管区段时变高，在文丘里管区段中，通道横截面积减小。此时，燃料被输送到压缩空气的气流中。因此，燃料在流速较高的状态下分散在压缩空气的气流中。与燃料简单地与压缩空气的气流汇合相比，这使得燃料能够更均匀和彻底地与压缩空气混合。抑制了燃料浓度局部高的区域的出现。当其中分散有燃料的压缩空气的气流在穿过文丘里管区段之后从喷嘴孔流出进入燃烧室时，会遇到更宽的空间。总燃料浓度降低。此外，当压缩空气的流速增加时，输送燃料，因此即使当燃料是具有高燃烧速度的氢气时，也可以避免逆火进入燃料通道。因此，根据本发明的上述构造，在压缩空气穿过喷嘴的相对较短的距离内，即在相对较小的空间内，可以实现压缩空气和燃料充分混合并且燃料在燃烧场中稀薄的状态，同时避免逆火。因此，燃烧温度不会变得过高，并且可以抑制nox的产生量。注意，相对于该区段上游和下游的通道的横截面积，文丘里管区段中的通道的横截面积要变窄到多小，可以根据适用性来判定。特别地，当燃料是氢气时，与碳氢化合物燃料相比，其密度明显较低，并且当从燃料出口排出时，惯性力较小(动量较弱)。因此，在上述构造中，所述一个以上燃料出口可以沿着所述空气通道的圆周方向大致等距离地布置，使得燃料更加可靠地均匀分散在压缩空气的气流中。燃料出口的数量可以根据适用性来确定。此外，为了更可靠地防止从燃烧室到燃料出口的逆火，燃料出口可以具有小于燃料的淬熄距离的内径(孔径)。具体地，当燃料是氢气时，淬熄距离大约为0.64mm，因此燃料出口的直径可以是例如0.6mm以下。

7、在上述构造中，所述空气通道的所述文丘里管区段可以包括第一区域和第二区域，在所述第一区域中，所述通道横截面积沿着所述压缩空气的气流方向从所述文丘里管区段的上游侧逐渐减小，在第二区域中，所述通道横截面积从所述第一区域的下游端朝向所述喷嘴孔逐渐增加。根据这种构造，压缩空气的气流的通道横截面积平滑且连续地收缩，然后平滑地扩张。压缩空气的气流在空气通道上流动，同时平稳地改变流速，几乎没有停滞。几乎不会产生任何燃料浓度局部较高的区域，并且燃料更加均匀地分散。期望燃烧温度在燃烧场中变得更加均匀地分布。在这种构造中，所述燃料通道可以延伸穿过限定所述空气通道的周壁，以及一个以上燃料出口可以在所述文丘里管区段的所述第二区域中的所述周壁的内侧表面上开口，在所述第二区域中，横截面积逐渐增加。可选地，一个以上燃料出口可以在所述文丘里管区段的所述第一区域的下游端(所述第二区域的上游端)附近(即在所述文丘里管区段中所述通道横截面积最小的部分处或附近)的所述周壁的内侧表面上开口。根据这种构造，预期燃料将被排出到压缩空气的气流的流速高的地方，并且燃料将更均匀地分散。注意，一个以上燃料出口的具体位置可以根据适用性来确定。

8、在上述构造中，可以在所述空气通道的所述文丘里管区段的上游侧设置涡流式喷嘴，以根据可选方法将压缩空气的气流改变为涡流，从而将燃料更均匀地分散在压缩空气的气流中。压缩空气的气流变成涡流，并穿过输送燃料的文丘里管区段，从而在空气流的短行程距离中，燃料更好地分散在空气流中。例如，这种涡流式喷嘴可以具有沿所述空气通道的沿着所述压缩空气的流动方向的中心轴线布置的中心锥体，以及从所述中心锥体沿径向延伸、并具有相对于所述空气通道的所述中心轴线倾斜的表面的叶片状构件。压缩空气的气流沿着所述叶片状构件(其可以具有类似不旋转的螺旋推进器的形状)的表面流动，以产生涡流。在具有这种构造的涡流式喷嘴中，当空气不流过的中心锥体的外径相对于空气通道的内径太大时，中心锥体的延长线上的流速将降低，并且发生从燃烧场到中心锥体的火焰的逆流的可能性将增加。因此，所述涡流式喷嘴的所述中心锥体的外径与所述空气通道中安装所述涡流式喷嘴的部分的内径之比可以低于预定值，所述预定值被调节成使得中心锥体的延长线上的流速不会变得过于缓慢。可选地，所述涡流式喷嘴的所述中心锥体的外径与所述空气通道中安装所述涡流式喷嘴的部分的内径之比可以足够大，以避免流体从所述燃烧室逆流到所述空气通道中。根据这种构造，抑制了由于火焰引起的中心锥体的远端的熔化损坏。

9、此外，作为更可靠地避免因火焰造成涡流式喷嘴的中心锥体的远端熔化损坏的构造，燃烧喷嘴可以包括具有流体出口的中心锥体内部通道。所述中心锥体内部通道沿所述空气通道中沿着所述压缩空气的所述流动方向的所述中心轴线穿过所述涡流式喷嘴的所述中心锥体。所述流体出口在所述中心锥体的在所述压缩空气的所述气流的下游侧的远端处开口。所述压缩空气穿过所述中心锥体内部通道，并且所述压缩空气从所述流体出口朝向所述燃烧室排出。根据这种构造，由于空气流也从中心锥体的远端排出，所以抑制了火焰到达中心锥体的远端。更可靠地抑制了中心锥体的远端的熔化损坏。

10、请注意，在上述涡流式喷嘴构造中，中心锥体可以延伸，使得压缩空气的气流的下游侧的远端位于第一区域的区段中，在该区段中，空气通道的文丘里管区段的通道横截面积逐渐减小。压缩空气的气流的下游侧的远端可以延伸到第二区域，在该第二区域中，空气通道的文丘里管区段的通道横截面积逐渐增加。在前一种情况下，中心锥体的远端布置在距燃烧场一定距离处，从而避免了中心锥体的远端的熔化损坏。在后一种情况下，中心锥体的远端周围的空气流的流速增加，并且避免了燃烧流体向中心锥体的远端的逆流。

11、作为另一种形式，所述燃烧喷嘴可以包括具有流体出口的中心锥体内部通道。所述中心锥体内部通道沿所述空气通道中沿着压缩空气的流动方向的所述中心轴线穿过所述涡流式喷嘴的所述中心锥体。所述流体出口在所述中心锥体的在所述压缩空气的所述气流的所述下游侧的远端处开口。所述燃料穿过所述中心锥体内部通道，并且所述燃料从所述流体出口朝向所述燃烧室排出。根据这种构造，预期燃料在喷嘴孔附近与压缩空气的空气流更好地混合。

12、可选地或附加地，空气的进一步流动路径(周缘空气流动路径)可以延伸穿过限定空气通道的周壁。空气出口设置在文丘里管区段的第二区域中的周壁的内侧表面上，或者设置在文丘里管区段的第一区域的下游端附近的周壁的内侧表面上。流过周缘空气流路径的压缩空气的气流从空气出口输送到穿过空气通道的压缩空气的气流。根据这种构造，在被送到燃烧室的压缩空气和燃料的空气燃料混合物中，空气和燃料更好地混合。抑制了不均匀燃烧密度的发生。期望会进一步抑制nox的产生量。注意，流体从空气出口和燃料出口的排出方向可以相对于空气通道的中心轴线的径向方向在任意方向上倾斜。因此，期望空气和燃料更好地混合。

13、在设置有上述燃烧喷嘴的燃气轮机的燃烧器中，可以在燃烧室中实现压缩空气和燃料充分混合的状态，并且燃料在燃烧场中很稀薄。因此，如上所述，燃烧温度不会变得过高，并且可以抑制nox的产生量。本公开的另一方案是燃气轮机的燃烧器，所述燃烧器包括用于将待燃烧的压缩空气和燃料排出到燃烧室中的燃烧喷嘴。所述燃烧喷嘴包括被构造成接收所述压缩空气的空气入口、通向所述燃烧室并被构造成排出所述压缩空气的喷嘴孔、在所述空气入口和所述喷嘴孔之间连通的空气通道、用于接收所述燃料的燃料通道和燃料出口。所述燃料通道被构造成将所述燃料从所述燃料出口朝向从所述喷嘴孔排出的所述压缩空气的气流排出。所述空气通道包括文丘里管区段，在所述文丘里管区段中，所述压缩空气的通道横截面积变得相对较小。所述燃料出口设置在所述文丘里管区段中。在本发明的燃烧器中，燃烧喷嘴可以具有如上所述的各种特征构造。这种情况也包含在本发明的范围内。

14、因此，当将压缩空气的气流和燃料输送至燃烧室时，上述本发明燃气轮机燃烧器的燃烧喷嘴能够在较短距离内实现燃料与压缩空气的气流的充分均匀混合以及燃料浓度的稀薄化。这种燃烧喷嘴可以用作小型燃气轮机的燃烧器的燃烧喷嘴，即使当使用具有高燃烧温度的诸如氢气的燃料时，也能避免逆火并抑制nox的产生量。根据本发明的燃烧喷嘴和配备有该燃烧喷嘴的燃烧器可以用于使用氢气作为燃料的燃气轮机，该燃气轮机尺寸缩小以便可安装在诸如汽车等车辆中。因此，氢气燃气轮机有望得到更广泛的应用。

15、根据本发明优选实施例的以下描述，本发明的其他目的和优点将变得显而易见。