一种氢燃料燃气轮机用燃烧室预混喷嘴

本发明涉及氢燃料燃气轮机燃烧室，尤其涉及一种氢燃料燃气轮机用燃烧室预混喷嘴。

背景技术：

1、为了降低电力部门产生的碳排放，燃烧高含氢量甚至纯氢等低含碳量燃料是重型燃气轮机降低温室气体排放的措施之一。这就要求燃气轮机在满足高效率以及不超过所允许的污染物排放水平的前提下，能够安全稳定地使用富氢甚至纯氢燃料。这对传统的常使用天然气作为燃料的贫预混燃气轮机燃烧室的改造或者新设计，在燃料适应性方面提出了挑战。鉴于燃烧高含氢量甚至纯氢燃料所面临的巨大技术难题，目前市场上没有可行的同时满足天然气、高掺氢乃至纯氢贫预混燃气轮机燃烧室。

2、燃气轮机燃烧氢燃料面临的主要挑战是，相对于传统的天然气燃料，氢气较高的火焰传播速度以及较低的点火延迟时间会带来回火的风险；较高的绝热火焰温度会导致氮氧化物排放增加；同时氢气特殊的燃料特性可能使其具有显著不同的稳定机制，从而改变其反应区形态，这就会导致火焰热声响应的变化。因此有必要在保证低nox排放的前提下，抬升反应区高度，一方面防止回火现象的产生，提高喷嘴的安全性与耐久性；另一方面，改变燃料孔至反应区的流动延迟时间，抑制热声振荡，增加燃烧室的安全性与使用寿命。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种氢燃料燃气轮机用燃烧室预混喷嘴，能够在氢燃料燃烧条件下，特别是高含氢量甚至是纯氢燃烧条件下，有效防止回火，降低氮氧化物排放，抑制热声振荡，从而实现氢燃料燃气轮机的安全稳定低排放燃烧。

2、为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

3、本发明提供了一种氢燃料燃气轮机用燃烧室预混喷嘴，包括：气膜发展通道、燃料空气快速掺混导管及可拆卸型喷嘴唇缘；所述燃料空气快速掺混导管位于气膜发展通道的中心，利用二者之间的间隙快速发展形成环形气膜，用于预防回火，从而提高燃烧室喷嘴的安全性；所述可拆卸型喷嘴唇缘位于燃料空气快速掺混导管的一侧，由可拆卸的带倒锥孔的套环和固定在喷嘴上的锥形喷嘴唇缘组合形成，用于根据流场组织需要灵活调节局部反应区大小，从而控制反应区抬升高度及抑制热声振荡。

4、优选地，燃烧室喷嘴为环形中空结构，空气由气膜发展通道底端进入后分为两股，一股进入燃料空气快速掺混导管，随后与由燃料通道进入燃烧室喷嘴的燃料进行快速掺混。

5、优选地，单个燃烧室喷嘴设有p个燃料通道，通道连接燃料空气快速掺混导管与气膜发展通道。

6、优选地，燃料通道的个数p应满足p ≥ 3。

7、优选地，燃料通道中心与燃烧室喷嘴出口端面的距离l1满足：5d1 ≤ l1 ≤ 20d1，其中，d1为燃烧室喷嘴出口的内径。

8、优选地，燃料空气快速掺混导管出口端面与燃烧室喷嘴出口端面的距离l2满足：0≤ l2 ≤ 4d1。

9、优选地，气膜发展通道出口内径与燃料空气快速掺混导管外径的径向距离l3满足：0.5 mm ≤ l3 ≤ 3 mm或者l3 = 0 mm。在需要气膜的情况下，气膜的厚度选择需要适中。在不需要气膜时，可以只依靠可拆卸型喷嘴唇缘对反应区抬升高度进行微调，此时l3 =0 mm，气膜发展通道与燃料空气快速掺混导管相重合。

10、优选地，锥形喷嘴唇缘的外侧壁与轴心连线的夹角为θ1，满足。可拆卸的带倒锥孔的套环，其外侧壁与轴心连线的夹角为θ2，满足θ2 = θ1。

11、优选地，可拆卸型喷嘴唇缘的厚度为l4满足：0 mm ≤ l4 ≤ 5 mm。

12、本发明通过在预混喷嘴内设置环形气膜，在喷嘴内壁面边界层附近不含燃料，从而增加含氢燃料，特别是高含氢燃料甚至纯氢燃料燃烧时的反应区抬升高度，同时能够有效避免回火现象的产生。此外，可拆卸型喷嘴唇缘的设置通过实现唇缘厚度的可调性，一方面改变了喷嘴唇缘附近局部回流区的大小，进而改变了燃烧室反应区抬升特性，从而提高了喷嘴的安全性和耐久性；另一方面燃料流动延迟时间的改变，特别是喷嘴出口端面至反应区的距离，能够对燃烧室的热声特性进行干预，起到抑制热声振荡的作用。燃烧室由若干所述喷嘴组成，能够根据燃料特性组织燃烧室流场，更能够根据实际燃烧室燃烧特性在成本较低的情况下灵活地组织流场，从而实现安全稳定低排放的氢燃料燃气轮机燃烧室燃烧。

13、从上述技术方案可以看出，本发明的氢燃料燃气轮机用燃烧室预混喷嘴及燃烧室有如下有益效果：

14、（1）相较于传统的直喷预混喷嘴，本发明的预混喷嘴带有环形的气膜发展通道，气膜发展通道中间的燃料空气快速掺混导管使得燃料/空气掺混均匀，环状空气气膜能够冷却喷嘴壁面和抑制边界层回火、控制火焰抬升高度和热声动态响应特性等，进而提高喷嘴的安全性及耐久性；

15、（2）相较于传统的预混喷嘴，本发明的预混喷嘴采用可拆卸型唇缘，能够灵活地调节喷嘴唇缘厚度，从而达到根据燃烧室特性调节唇缘附近局部反应区大小的目的，进而能够起到调节反应区抬升高度以及抑制热声振荡的作用；

16、（3）燃烧室由所述喷嘴构成，能够根据燃料特性合理组织燃烧室流场；同时能够根据实际燃烧室燃烧特性，灵活调节各个喷嘴的唇缘厚度，可合理组织反应区的抬升高度及分布，抑制热声振荡，降低氮氧化物排放，从而实现氢燃料的安全稳定燃烧。

技术特征：

1.一种氢燃料燃气轮机用燃烧室预混喷嘴，其特征在于，包括：气膜发展通道、燃料空气快速掺混导管及可拆卸型喷嘴唇缘；所述燃料空气快速掺混导管位于气膜发展通道的中心，利用二者之间的间隙快速发展形成环形气膜，用于预防回火，从而提高燃烧室喷嘴的安全性；所述可拆卸型喷嘴唇缘位于燃料空气快速掺混导管的一侧，由可拆卸的带倒锥孔的套环和固定在喷嘴上的锥形喷嘴唇缘组合形成，用于根据流场组织需要灵活调节局部反应区大小，从而控制反应区抬升高度及抑制热声振荡。

2.根据权利要求1所述的一种氢燃料燃气轮机用燃烧室预混喷嘴，其特征在于，空气由气膜发展通道的底端进入后分为两股，一股进入燃料空气快速掺混导管，随后与由燃料通道进入燃烧室喷嘴的燃料进行快速掺混。

3.根据权利要求1所述的一种氢燃料燃气轮机用燃烧室预混喷嘴，其特征在于，单个燃烧室喷嘴设有p个燃料通道，通道连接燃料空气快速掺混导管与气膜发展通道。

4.根据权利要求3所述的一种氢燃料燃气轮机用燃烧室预混喷嘴，其特征在于，燃料通道的个数p满足p ≥ 3。

5.根据权利要求2所述的一种氢燃料燃气轮机用燃烧室预混喷嘴，其特征在于，所述燃料通道的中心与燃烧室喷嘴出口端面的距离l1满足：5d1 ≤ l1 ≤ 20d1，其中，d1为燃烧室喷嘴出口的内径。

6.根据权利要求1所述的一种氢燃料燃气轮机用燃烧室预混喷嘴，其特征在于，所述燃料空气快速掺混导管的出口端面与燃烧室喷嘴出口端面的距离l2满足：0 ≤ l2 ≤ 4d1。

7.根据权利要求1所述的一种氢燃料燃气轮机用燃烧室预混喷嘴，其特征在于，所述气膜发展通道的出口内径与燃料空气快速掺混导管的外径的径向距离l3满足：在需要环形气膜时，0.5 mm ≤ l3 ≤ 3 mm，在不需要环形气膜时，依靠可拆卸型喷嘴唇缘6对反应区抬升高度进行微调，l3 = 0 mm。

8.根据权利要求1所述的一种氢燃料燃气轮机用燃烧室预混喷嘴，其特征在于，所述锥形喷嘴唇缘的外侧壁与轴心连线的夹角为θ1，满足。

9.根据权利要求8所述的一种氢燃料燃气轮机用燃烧室预混喷嘴，其特征在于，所述可拆卸的带倒锥孔的套环带动外侧壁与轴心连线的夹角为θ2，满足θ2 = θ1。

10.根据权利要求1所述的一种氢燃料燃气轮机用燃烧室预混喷嘴，其特征在于，所述可拆卸型喷嘴唇缘的厚度为l4，满足：0 mm ≤ l4 ≤ 5 mm。

技术总结本发明提供了一种氢燃料燃气轮机用燃烧室预混喷嘴，包括气膜发展通道、燃料空气快速掺混导管及可拆卸型喷嘴唇缘。燃料空气快速掺混导管位于气膜发展通道中心，为中空环形结构，二者通过燃料通道连接。当外部空气由喷嘴底部进入气膜发展通道时，分为两股，一股进入燃料空气快速掺混导管，后与流经燃料通道的燃料进行快速掺混；另一股继续沿流向发展，并最终在喷嘴出口附近形成气膜，预防回火，抬升反应区，提高喷嘴的安全性及耐久性。可拆卸型喷嘴唇缘通过改变唇缘厚度进而调节唇缘附近局部反应区大小，从而达到调节反应区抬升高度以及抑制热声振荡的作用。本发明结构紧凑，调节灵活，可合理组织反应区的抬升高度，抑制热声振荡。技术研发人员：熊燕,杨柠菁,贲雅丽,刘志刚,徐祥受保护的技术使用者：中国科学院工程热物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/7/11