一种纯氢低排放微混燃气轮机燃烧室

本发明涉及一种燃气轮机燃烧室，具体涉及一种纯氢低排放微混燃气轮机燃烧室，本发明属于纯氢燃气轮机燃烧室。

背景技术：

1、氢作为一种来源、用途广泛的储能介质倍受各行业关注。氢燃料质量能量密度高，约为柴油的三倍，随着储氢技术的发展，可大规模储存，最主要的是氢燃料燃烧过程无碳排放，因此氢燃料即是绿色能源载体，又是良好的无碳替代燃料。我国2022年发布的《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》明确提出氢将是我国未来能源体系中的重要组成部分。燃气轮机作为电力行业重要的调峰设备及交通领域的重要动力装置，将氢作为燃气轮机燃料，可实现零碳排放，并且氢燃烧所产生的燃气比热容比常规燃气轮机高4％左右，致使涡轮前后温差压降更小，同等循环参数下涡轮出口温度、压力均高于传统发动机，可为航空发动机提供更大推力。但目前国内航空发动机未实现烧氢，燃气轮机还处于掺氢运行阶段，重型燃气轮机掺氢比例还未突破50％，在保证功率不变情况下，减碳量不足50％，发展纯氢燃气轮机是解决我国碳排放的重要途径。

2、常规燃气轮机燃烧纯氢燃料主要面临三大问题，氢气火焰传播速度极快，约为天然气的10倍，常规燃烧室烧氢极易发生回火。氢燃料绝热火焰温度约比天然气高150k，当火焰温度高于1800k时，热力型nox排放随温度上升呈指数增长，因此nox排放较高。氢燃料燃烧产生的热量和气体膨胀会导致燃烧室内出现压力脉动，由于氢燃料良好的反应特性，氢燃料急速燃烧完全，但化学反应特征时间和火焰形态的差异可能引发燃烧不稳定，即出现热声振荡问题。

3、实现燃气轮机燃烧纯氢燃料，则需要从燃烧室设计出发解决上述问题，因此需要研发一款可同时应对上述问题的纯氢燃烧室。

技术实现思路

1、本发明为解决传统燃气轮机燃烧室烧氢存在的如回火、热声振荡以及高nox排放等问题，进而提出一种纯氢低排放微混燃气轮机燃烧室。

2、本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

3、本发明包括整流罩、火焰筒、一级头部、二级头部、过渡段、值班级、点火器和机匣，所述整流罩、二级头部、火焰筒和过渡段由上至下依次安装在机匣内，一级头部安装在二级头部内，点火器和值班级由内至外依次设置在一级头部内。

4、进一步的，所述一级头部包括一级、二级级间冷却空气管、多个一级微混管和一级燃料环管，一级燃料环管的上部设有值班级空气入口，一级、二级级间冷却空气管的内侧为一级燃料腔，一级燃料环管与燃料环腔内壁一体化设计，多个一级微混管位于一级燃料腔内。

5、进一步的，所述所述多个一级微混管周向阵列三环布置在一级燃料腔内，每个所述一级微混管的上端设有空气入口，下端设有预混气出口，且每个一级微混管的上部设有燃料入口。

6、进一步的，所述二级头部包括二级燃料管、二级燃料腔、整流罩安装台和二级微混单管，所述二级燃料腔由六个扇形段组成，每个扇形段中间由挡板隔开，每个扇形段内设有一个二级燃料管和多个二级微混单管，所述多个二级微混单管等距周向阵列五排布置；所述每个二级微混单管的上端设有燃烧空气入口，每个二级微混单管的下端设有二级预混气出口，二级燃料腔的外壁对称设有整流罩安装台。

7、进一步的，值班级包括值班级燃料入口、固定肋、点火器安装孔、值班级燃烧空气入口和值班级出口，值班级的上端设有点火器安装孔，点火器安装孔的外侧为值班级燃料入口，值班级的下部设有多个值班级燃烧空气入口，值班级燃烧空气入口的下部设有多个固定肋，多个固定肋沿圆周方向均布设置；固定肋的下部设有多个值班级出口。

8、进一步的，所述火焰筒的侧壁上设有多个倾斜小孔。

9、进一步的，所述过渡段的上端设有多个冷却孔，多个冷却孔沿圆周方向均布设置。

10、进一步的，所述整流罩的上端设有安装台，整流罩的侧壁设有多个进气孔。

11、进一步的，所述机匣包括上机匣、下机匣和法兰，上机匣和下机匣之间通过法兰连接。

12、进一步的，上机匣的上表面设有一级燃料环管安装孔，一级燃料环管安装孔的外侧设有多个二级燃料管安装孔，下机匣的下部设有扩压器，下机匣的左、右两端分别设有燃烧室空气入口和燃气出口。

13、本发明的有益效果是：

14、1、燃烧室头部由微混单元构成，管内预混气流速大于火焰传播速度，并且微混管有良好的换热特性，因此可以防止回火及预混气在管内自燃。微混管内燃料空气动量交换剧烈，可实现燃料与空气的快速掺混以降低燃烧温度，实现低排放燃烧。

15、2、燃料分级供给，可根据不同工况调节各级燃料配比，一方面提高燃料的利用效率，另一方面当发生燃烧不稳定性时，通过调节不同级的燃料量，使燃烧室错开不稳定工况，防止燃烧室出现热声振荡。值班级设置为预混值班级，可调节燃烧温度以降低排放，也能调节值班级燃料量来稳定火焰。

16、3、微混头部内燃料、空气流速高，湍流剧烈，因此有较好的对流换热效果。同时在一级与值班级、一级与二级设置冷却孔，可有效预防火焰附着到级间空白区域烧蚀头部。火焰筒采用多斜孔冷却结构，相比传统气膜冷却，在保证冷却气膜完全覆盖火焰筒内壁的条件下，所需冷却空气量较少，更多空气进入头部参与燃烧。过渡段大孔径掺混孔改为更密集、数量更多的小孔径冷却孔，可对过渡段起到良好的冷却作用，同时使燃烧室出口温度更为合理，降低涡轮叶根、叶尖温度，防止过渡段、涡轮因温度分布不合理而失效。并且安装弹性连接环设置空气槽，连接处有足够冷却空气。

17、4、设置整流罩，可提高每根微混管进气均匀性，并且总进气有效面积大于五倍头部进气有效面积，整流罩压损可以忽略。同时采用燃料腔结构，来自燃料管的燃料高速、周向喷射入燃料腔内，可提高每根微混管燃料进气均匀性。

技术特征：

1.一种纯氢低排放微混燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述一种纯氢低排放微混燃气轮机燃烧室包括整流罩(1)、火焰筒(2)、一级头部(3)、二级头部(4)、过渡段(5)、值班级(6)、点火器(7)和机匣，所述整流罩(1)、二级头部(4)、火焰筒(2)和过渡段(5)由上至下依次安装在机匣内，一级头部(3)安装在二级头部(4)内，点火器(7)和值班级(6)由内至外依次设置在一级头部(3)内。

2.根据权利要求1所述的一种纯氢低排放微混燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述一级头部(3)包括一级、二级级间冷却空气管(3-1)、多个一级微混管(3-2)和一级燃料环管(3-3)，一级燃料环管(3-3)的上部设有值班级空气入口(3-3-1)，一级、二级级间冷却空气管(3-1)的内侧为一级燃料腔(3-1-1)，一级燃料环管(3-3)与燃料环腔(3-1-1)内壁一体化设计，多个一级微混管(3-2)位于一级燃料腔(3-1-1)内。

3.根据权利要求2所述的一种纯氢低排放微混燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述多个一级微混管(3-2)周向阵列三环布置在一级燃料腔(3-1-1)内，每个所述一级微混管(3-2)的上端设有空气入口(3-2-1)，下端设有预混气出口(3-2-2)，且每个一级微混管(3-2)的上部设有燃料入口(3-2-3)。

4.根据权利要求1所述的一种纯氢低排放微混燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述二级头部(4)包括二级燃料管(4-1)、二级燃料腔(4-2)、整流罩安装台(4-3)和多个二级微混单管(4-4)，所述二级燃料腔(4-2)由六个扇形段组成，每个扇形段内设有一个二级燃料管(4-1)和多个二级微混单管(4-4)；所述每个二级微混单管(4-4)的上端设有燃烧空气入口(4-4-1)，每个二级微混单管(4-4)的下端设有二级预混气出口(4-4-2)，二级燃料腔(4-2)的外壁对称设有整流罩安装台(4-3)。

5.根据权利要求1所述的一种纯氢低排放微混燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述值班级(6)包括值班级燃料入口(6-1)、固定肋(6-2)、点火器安装孔(6-3)、值班级空气入口(6-4)和值班级出口(6-5)，值班级(6)的上端设有点火器安装孔(6-3)，点火器安装孔(6-3)的外侧为值班级燃料入口(6-1)，值班级(6)的的下部设有多个值班级空气入口(6-4)，值班级空气入口(6-4)的下部设有多个固定肋(6-2)，多个固定肋(6-2)沿圆周方向均布设置；固定肋(6-2)的下部设有多个值班级出口(6-5)。

6.根据权利要求1所述的一种纯氢低排放微混燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述火焰筒(2)的侧壁上设有多个倾斜小孔(2-1)。

7.根据权利要求1所述的一种纯氢低排放微混燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述过渡段(5)的上端设有多个冷却孔(5-1)，多个冷却孔(5-1)沿圆周方向均布设置。

8.根据权利要求1所述的一种纯氢低排放微混燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述整流罩(1)的上端设有安装台(1-1)，整流罩(1)的侧壁设有多个进气孔(1-2)。

9.根据权利要求1所述的一种纯氢低排放微混燃气轮机燃烧室，其特征在于：所述机匣包括上机匣(8)、下机匣(9)和法兰(10)，上机匣(8)和下机匣(9)之间通过法兰(10)连接。

10.根据权利要求9所述的一种纯氢低排放微混燃气轮机燃烧室，其特征在于：上机匣(8)的上表面设有一级燃料环管安装孔(8-1)，一级燃料环管安装孔(8-1)的外侧设有多个二级燃料管安装孔(8-2)，下机匣(9)的下部设有扩压器(9-1)，下机匣(9)的左、右两端分别设有燃烧室空气入口(9-2)和燃气出口(9-3)。

技术总结一种纯氢低排放微混燃气轮机燃烧室，它涉及一种燃气轮机燃烧室，本发明为了解决传统燃气轮机燃烧室烧氢存在的如回火、热声振荡以及高NOx排放、壁面冷却不足等问题，本发明包括整流罩、火焰筒、一级头部、二级头部、过渡段、值班级、点火器和机匣，所述整流罩、二级头部、火焰筒和过渡段由上至下依次安装在机匣内，一级头部安装在二级头部内，点火器和值班级由内至外依次设置在一级头部内。二级头部、火焰筒以及过渡段通过弹性密封圈连接。本发明通过提高燃烧室内预混气来流速度解决回火问题，通过均匀预混燃料空气、减小火焰尺寸控制排放，通过燃料分级的方式控制热声振荡，通过微混单元强换热能力、合理分配冷却空气降低金属壁面温度。本发明应用于纯氢燃气轮机燃烧室技术领域。技术研发人员：刘潇,王志强,胡金洋,郑俊辉,陈毅,丁文豪,郑洪涛受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学技术研发日：技术公布日：2024/8/27